A novel patterning technique is proposed here that combines a top down approach based on photolithography and a bottom-up strategy through self-assembly of multifunctional molecules. In this study, we fabricated dually patterned self-assembled monolayers via silicon-containing photolithography on gold substrate. The substrate has chemically and topographically patterned surfaces which consist of silicon oxide and gold. This patterning technique allows two different chemical functionalities, in this case, silane and thiol compounds, to be conjugated to silicon oxide and gold surface, respectively. We can control the surface properties by changing the functional group of SAMs. These SAMs with chemically patterned surfaces can be able to position and to pattern molecular components selectively on surfaces. These functional groups on dually patterned SAMs would be further utilized for the immobilization of active biomolecules such as DNA, proteins, etc. Such selective immobilization of biomolecules are highly useful for the biosensor and high throughput array applications.
자기조립 단분자막은 기질표면에 자발적으로 형성된 유기 단분자막으로 다양한 작용기를 도입함으로써 분자수준에서 표면개질이 가능하여 반도체소자, 센서 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 가지고 있다. 자기조립 단분자막의 패터닝을 위한 기술에는 고해상도 리소그래피를 위한 deep 자외선과 extreme 자외선 전사법, 상-이동 노광기술, 전자선 기술, 이온빔 전사법 , X-선 전사법, 주사 침 전사법 등의 기술이 개발되고 있고 있지만, 장치, 시약 등의 기술비용이 크고 포토레지스트로 이용되는 고분자의 한계, 그리고 느린 패터닝 속도 등 여러 가지 어려움에 부딪치고 있다. 또한 기존의 자기조립 단분자막은 간단한 공정과 저렴한 비용의 장점을 가지고 있는 패터닝 기술이지만, 간단한 작용기를 가지는 단분자막의 패터닝에만 적용이 가능하며, 생물 및 생화학적, 나노소자에 이용되는 복잡한 작용기를 가지는 단분자막은 적용이 어려운 한계가 있다. 그러므로 본 연구에서는 실리콘이 함유되어 있는 포토레지스트를 이용하여 Top-down 방법과 Bottom-up 방법으로 금 기판에 다양한 형태와 크기를 가지는 SiO2 패턴을 형성시키므로 각각의 표면과 반응하는 다양한 작용기를 가지는 단분자막을 손쉽게 패터닝하여 바이오 센서나 바이오 칩 등의 용용을 목표로 한다. 실리콘이 함유되어 있는 네가티브 포토레지스트를 이용하여 금 기판에 패터닝을 하게 되면, 실리콘의 높은 에칭 저항성으로 인해 산소 플라즈마 에칭 공정만으로도 SiO2 패턴이 있는 금 기판을 제작할 수 있다. 한 기판에 서로 다른 화학적 성질을 갖는 SiO2와 금 패턴이 형성되어, 각각의 표면과 반응할 수 있는 유기물질 용액에 담그는 과정을 통해 자기 조립 단분자막을 형성한다. SiO2 표면은 실란 말단기를 가지고 있는 분자와의 결합을 통해 자기 조립 단분자막을 형성하고, 금 표면은 티올기를 말단으로 하는 분자와의 결합으로 자기 조립 단분자막을 형성한다. 단분자막을 형성하는 분자의 작용기를 변화 시켜줌으로써 패턴의 화학적 성질을 분자 수준에서 제어하여 할 수 있다. 실리콘옥사이드가 패턴된 골드기판을 간단히 용액에 담그는 과정을 통해 한 기판에 소수성 작용기와 친수성 작용기를 갖는 표면 뿐 만 아니라, 다양한 작용기를 갖는 표면을 형성할 수 있다. 이렇게 생성된 패턴은 바이오 물질 또는 금속 입자 등과 반응할 수 있어, 작용기를 변화시키면서 패터닝 하기 어려웠던 물질들을 원하는 위치에 패터닝 하는 것이 가능해 진다. 실리콘을 함유하고 있는 포토레지스트를 이용하여 기판을 패터닝 함으로써 공정 과정의 간편화로 인하여 공정 비용의 절감의 경제적 효과가 기대된다. 수 십 나노에서 수 마이크로 까지 다양한 크기의 패턴을 대면적에 형성할 수 있으며, 또한 표면 개질 된 듀얼 패터닝된 기판에 나노 금속입자나 바이오 물질을 흡착시키는 것이 가능해져, 집적도 및 민감성이 향상된 대중화된 소형 진단용 나노 바이오 전자칩 기술 개발에 기여할 수 있을 것이라 기대된다.
