KR100353877B1 - 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법 - Google Patents

미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 미세기전소자 제조공정에 의한 약물주입 시스템의 제조 방법에 관한 것으로, 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 표면 미세기전소자 공정을 사용하여 약물주입 시스템을 구성하는 감지 센서, 약물 주입기, 유량 감지기와 이들의 기능을 제어하는 제어기를 각각 또는 동시에 반도체 집적회로를 사용하여 형성시켜 인체 주입형 미소 약물 주입기의 제작이 가능하도록 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템의 제조 방법이 제시된다.

Description

미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법{Method of manufacturing a drug delivery system formed microelectromechanical device}
본 발명은 반도체 미세기전소자형 약물주입 시스템의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 미세기전소자 제조 공정중 표면 미세기전소자 공정을 사용하여 약물주입 시스템을 구성하는 감지 센서, 약물 주입기, 유량 감지기와 이들의 기능을 제어하는 제어기를 각각 또는 동시에 반도체 집적회로를 사용하여 형성한 인체 주입형 미소 약물 주입기의 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 약물 주입기는 센서(Sensor), 카테테르(Catheter), 마이크로프로세서(Microprocessor), 펌프(Pump)의 네 부분으로 구성되어 있고, 카테테르를 통해 혈액을 추출하고 센서에서 이를 분석하여 필요한 약물을 혈액과 함께 혈관으로 돌려보내도록 펌프를 작동시킨다. 약물 주입기의 또다른 예로는 센서부(Sensor unit), 원격 측정부(Telemetry unit), 주입 펌프(Infusoin pump)의 세 부분으로 구성되어 있고, 센서는 쉽게 교체 가능하도록 피부내에 이식되어 있는 연결 기구에 부착하고 여기에서 나오는 신호를 원격 통신을 통해 펌프가 동작하도록 한다.
상기의 방법에서 시스템을 이루는 각각의 구성 요소는 서로 다른 제작 방법에 의해 독립적으로 제작되어 전체 시스템의 부피가 크고 인터페이스(interface)를 위한 공간이 크게 요구된다.
따라서, 본 발명은 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하여 감지 센서, 약물 주입기, 유량 감지기를 동시에 형성할 수 있는 감지 및 제어 특성이 우수한 인체용 약물주입 시스템을 반도체 제작 공정으로 제조하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 약물주입 시스템의 제조 방법에 있어서, 센서, 약물 주입기, 유량 감지기 및 제어기로 구성되는 약물주입 시스템을 반도체 미세기전소자 제조 공정중 표면 미세기전소자 제조 공정으로 제조하되, 각각의 제어기와 함께 독립적으로 제조하거나, 상기 각각의 구성 요소가 연속적인 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미소기전소자형 약물주입 시스템의 구성도.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명에 따른 바늘(needle)형 센서의 구조도 및 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 약물 주입기의 구조도.
도 4(a) 내지 도 4(d)는 도 3의 약물 주입기중 멤브레인 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 유량 제어기의 구조도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 센서 20 : 약물 주입기(pump valve)
30 : 유량 감지기(flow sensor) 40 : 제어기(electronics)
본 발명에 따른 약물주입 시스템은 센서, 약물 주입기, 유량 감지기 및 제어부로 구성되며, 이들은 모두 반도체 미세기전소자 제조 공정중 표면 미세기전소자 제조 공정으로 제작된다. 이때 각각의 구성 요소는 각각의 제어기와 함께 독립적으로 제작하거나, 각각의 구성 요소의 형성과 함께 통합 제어기로 제작된다. 센서는 전극형으로 구성되며, 약물 주입기는 멤브레인(membrane) 형태의 정전형 마이크로 펌프로 구성되며, 유량 감지기는 열전형 시스템으로 구성된다.
본 발명에 따른 약물주입 시스템은 인체에 이식 또는 외장형으로 사용되는데, 센서는 혈액을 비롯한 인체의 체액 성분의 화학적 특성 변화에 감지하여 전기적 신호로 변화시키고, 이 정보를 약물 주입기로 보내어 특정한 인체의 화학 성분의 농도가 적정 수준에 있는지를 결정한다. 만약 농도가 너무 낮거나 높을 경우 적정 수준에 닿을 때까지 치료제 또는 호르몬제를 투약하도록 약물 주입기를 작동시킨다. 이때 주입되는 약물은 유량 감지기에 의해 감지되고 그 정보는 다시 약물 주입기에 피드백(feedback)되어 정밀한 유량의 주입이 가능하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미소기전소자형 약물 주입 시스템의 구조도로서, 센서(10), 약물 주입기(pump valve)(20), 유량 감지기(flow sensor)(30) 및 제어기(electronics)(40)로 구성된다. 센서는 인체의 특정 화학 성분의 농도 수준을 감지하여 약물 주입기에 신호를 보내어 약물의 주입량과 시기를 조절할 수 있게 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 미소기전소자형 약물 주입 시스템의 구성 요소는 모두 반도체 미세기전소자 제조 공정중 표면 미세기전소자 제조 공정으로 제작되는데, 각각의 제어기와 함께 독립적으로 제작하거나, 각각의 구성 요소의 형성과 함께 통합 제어기로 제작된다.
그럼, 편의상 각각의 구성 요소의 제조 방법을 개별적으로 설명한다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 센서의 구조도 및 단면도로서, 본 발명에서 센서는 반도체 표면 미소기전소자 공정에 의한 형성이 가능하도록 전극형으로 제작한다. 도시된 바와 같이 W-R-C의 멀티 셀(multi-cell)을 바늘(needle)형의 팁(tip) 끝에 형성하여 인체에의 이식 및 주입에 의해 혈액을 비롯한 채액의 화학적 농도 측정이가능하도록 한다. 특히, 본 발명에서 제작한 센서는 4개의 작동 전극(working electrode)을 가지도록 제작되어 동시에 4가지의 각각 다른 화학물질의 감지가 가능하다.
도 2(b)의 단면도를 참조하여 센서의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
실리콘 기판(201) 상부에 제 1 산화막(202), 실리콘막(203) 및 제 2 산화막(204)을 순차적으로 형성한다. 이때, 제 1 산화막(202)은 3㎛의 두께로 형성하고, 실리콘막(203)은 6.5㎛의 두께로 형성하며, 제 2 산화막(204)은 1㎛의 두께로 형성한다. 전체 구조 상부에 티타늄막(205) 및 백금막(206)을 0.03㎛ 및 0.3㎛의 두께로 각각 형성한 후 이들을 패터닝하여 웰(well)과 전극(electrode) 및 금속 배선(metal line)을 형성한다. 전체 구조 상부에 절연층으로 제 3 산화막(207)을 5㎛ 이상의 두께로 형성한다. 제 3 산화막(207)의 소정 영역을 식각하여 웰과 전극을 노출시킨다. 그리고, 혈당 센서의 가장자리(edge)를 바늘(needle) 모양으로 만들기 위해 감광막을 보호층(protection layer)으로 하여 제 3 산화막(207), 제 2 산화막(204) 및 실리콘막(203)의 소정 영역을 습식 식각과 건식 식각으로 차례로 식각한다. 이때, 식각되는 폭은 30㎛ 정도로 하고, 센서의 중심에서 식각된 부분의 측면까지는 87.5㎛ 정도로 하며, 식각된 부분 사이의 거리, 즉 센서의 폭은 175㎛ 정도로 한다. 마지막으로, 형성된 표면의 구조물을 Si3N4, Si등의 보호막으로 보호하면서 습식 식각과 기상 식각(Vapor Phase Etching; VPE) 공정을 사용하여 제 3 산화막(207)을 제거하여 센서의 외부 형태를 완성시키고, 표면의 보호막을 제거하여 센서의 구조체를 완성한다.
도 3에 도시된 약물 주입기는 정전형 마이크로 펌프로 구동력을 제공하는 멤브레인부와 유입 밸브(inlet valve) 및 유출 밸브(outlet valve)로 구성되며, 센서와 같이 반도체 표면 미소기전소자 공정에 의해 형성이 가능하도록 전극형으로 제작한다.
약물 주입은 유입 밸브(inlet valve)와 멤브레인(membrane) 및 유출 밸브(outlet valve)의 순차적인 작동에 의해 이루어진다. 약물 저장고(reservoir)의 약물은 유로(liquid path)를 통해 유입 밸브(inlet valve)의 상단에 도달하고, 밸브 하단과 실리콘 기판 사이의 정전력 인가에 의해 밸브가 열린다. 밸브를 개방(open)한 상태에서 약물은 멤브레인 하단부로 이동하고 유입 밸브의 폐쇄(close)와 유출 밸브의 개방에 이어서 멤브레인과 실리콘 기판 사이의 정전력 인가에 의해 약물은 유출 밸브를 통해 배출된다. 이때 주입되는 약물의 양은 멤브레인의 동작 주파수와 시간에 의해 정밀하게 제어된다.
도 4(a) 내지 도 4(d)는 약물 주입기의 멤브레인 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 4(a)를 참조하면, 반도체 기판(301) 상부에 제 1 산화막(302) 및 제 1 폴리실리콘막(303)을 형성한 후 POCl3도핑을 실시한다. 제 1 산화막(302)은 열산화막으로 3000Å의 두께로 형성하며, 제 1 폴리실리콘막(303)은 LPCVD 방법에 의해 4000Å의 두께로 형성한다.
도 4(b)를 참조하면, 제 1 폴리실리콘막(303)을 패터닝하여 하부 전극을 형성한다. 전체 구조 상부에 제 2 산화막(304) 및 제 2 폴리실리콘막(305)을 형성한다. 제 2 산화막(304)은 저온열산화막으로 1000Å의 두께로 형성하며, 제 2 폴리실리콘막(305)은 LPCVD 방법에 의해 1000Å의 두께로 형성한다.
도 4(c)를 참조하면, 전체 구조 상부에 제 3 산화막(306)을 형성한 후 패터닝한다. 제 3 산화막(306)은 저온열산화막으로 2㎛의 두께로 형성한다. 전체 구조 상부에 제 3 폴리실리콘막(307)을 형성한 후 POCl3로 도핑한다. 제 3 폴리실리콘막(307)은 LPCVD 방법에 의해 약 2㎛의 두께로 형성한다.
도 4(d)를 참조하면, 제 3 폴리실리콘막(307)을 패터닝하여 상부 전극을 형성한다. 그리고 상부 전극 하부에 형성된 희생층을 제거하기 위해 기상 식각 공정을 실시한다. 이러한 방법으로 제조된 멤브레인은 상부 전극과 하부 전극 사이의 정전력에 의해 캐비티내의 유체를 외부로 추출하게 된다.
도 5는 유량 제어기의 구조도로서, 크게 진공 캐비티(cavity), 멤브레인부, 히터부 및 온도 센서부의 네 부분으로 구성된다.
실리콘 기판(401)의 소정 부분을 식각하여 트렌치(trench)를 형성하고, 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 제 1 산화막을 형성한 후 패터닝하는 표면 마이크로 머시닝 공정에 캐비티 영역과 식각 채널을 형성한다. 트렌치의 크기는 100×100㎛2이고, 깊이는 2㎛ 이상으로 한다. 전체 구조 상부에 LPCVD 또는 PECVD 방법으로 저응력 Si3N4막이나 SiN막, 또는 Si3N4/SiO2/Si3N4적층 박막을 0.6~1.2㎛ 두께로 증착하여 멤브레인(402)을 형성한다. 멤브레인(402)의 선택된 영역을 식각하여 제 1 산화막의 소정 영역을 노출시키는 식각 구멍(etch hole)을 형성한다. 식각 구멍을 이용한 HF 습식 식각 또는 HF 기상 식각(gas phase etching)으로 캐비티 영역과 식각 채널의 제 1 산화막을 제거하여 실리콘 기판(401) 내에 진공 캐비티(403)를 형성한다. 진공 캐비티(403)는 히터와 실리콘 기판사이의 단열 특성을 개선시켜 센서 감도를 향상시키기 위한 것이다. 전체 구조 상부에 제 2 산화막(404)을 형성하여 진공 캐비티(403)를 밀봉시킨다. 전체 구조 상부에 폴리실리콘막을 증착한 후 POCl3을 도핑하여 n+ 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 히터(405)와 제 1 저항부(406)를 형성한다. 전체 구조 상부에 제 3 산화막(407)을 형성하고, 그 상부에 폴리실리콘막을 형성한 후 붕소(B) 이온을 주입하여 p+ 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 제 2 저항부(408)를 형성한다. 전체 구조 상부에 제 4 산화막(409)을 형성한다. POCl3을 도핑한 n+ 폴리실리콘 히터(405)의 선폭은 2㎛, 면저항은 25Ω/□로 약 2㏀의 저항과 1㎃의 전류로써 2㎽ 정도의 낮은 전력으로 동작한다. 제 1 및 제 2 저항부(406 및 408)은 히터에서 발산되는 열로 인한 상하류부의 유체 온도 변화를 측정하는 써모파일(thermopile)로서, Al/도프트 폴리실리콘(doped polysilicon)보다 출력 전압 특성이 큰 n+ 폴리실리콘/p+ 폴리실리콘으로 어레이(array)를 이루고 있다. 동작 원리는 히터부에서 발생한 열을 유체가 상류부에서 하류부로 이동시키는 열전달 현상을 이용하여 극미량의 유량을 측정하게 된다. 제 4 산화막(409)의 선택된 영역을 식각하여 히터(405)와 써모파일의 전기적 연결을 위한 콘택을 형성한다. 콘택내에 백금막(410) 및 TiW막(411)를 형성한 후 콘택의 나머지 영역이 매립되도록 전체 구조 상부에 Al막 또는 Al 합금막(412)을 형성한다. Al막 또는 Al 합금막(412)을 패터닝하여 금속 배선을 형성한다. 전체 구조 상부에 Ti막(413) 및 백금막(414)를 형성한 후 패터닝하여 50~500Ω의 2개의 백금 측온 저항부(RTD)를 형성한다. 이는 히터와 실리콘 표면위의 유체 온도를 측정하여 센서 측정값의 옵셋 보상을 수행하기 위함이다. 전체 구조 상부에 SiN 또는 SiO2로 보호막(415)을 형성한 후 패터닝하여 제 4 산화막(409)의 소정 영역을 노출시킨다. 노출된 제 4 산화막(409) 상부에 외부 도선과의 접촉을 위한 패드(pad)(416)를 형성한다.
상기와 같이 제조된 유량 감지기는 마지막으로 내열 글래스(pyrex glass)에 입출구와 채널을 형성한 후 센서 구조체에 부착함으로써 완성된다. 유량 제어기는 약물 주입기를 거쳐서 인체에 유입되는 약물의 정확한 양을 정량인 데이터로 변화하여 약물주입기로 보내어 궤환 제어에 의해 정확한 약물의 공급이 가능토록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 반도체 미세기전소자 제조 공정에 의해초소형 약물주입 시스템을 간편하게 제작할 수 있어 공정의 단순화에 의한 시스템의 반복성과 재현성을 확보할 수 있고, 소형, 대량 생산이 가능하여 제작 단가를 획기적으로 줄일 수 있으며, 인체에 직접 이식하거나, 외장형으로 사용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 약물주입 시스템의 제조 방법에 있어서,
    센서, 약물 주입기, 유량 감지기 및 제어기로 구성되는 약물주입 시스템을 반도체 미세기전소자 제조 공정중 표면 미세기전소자 제조 공정으로 제조하되, 각각의 제어기와 함께 독립적으로 제조하거나, 상기 각각의 구성 요소가 연속적인 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 실리콘 기판 상부에 제 1 산화막, 실리콘막 및 제 2 산화막을 순차적으로 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 티타늄막 및 백금막을 형성한 후 패터닝하여 웰과 전극 및 금속 배선을 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 3 산화막을 형성한 후 소정 영역을 식각하여 웰과 전극을 노출시키는 단계와,
    상기 제 3 산화막, 제 2 산화막 및 실리콘막의 소정 영역을 식각하여 센서의 가장자리를 바늘 모양으로 형성하는 단계와,
    상기 형성된 표면의 구조물을 보호막으로 보호하면서 제 3 산화막을 제거하여 센서의 외부 형태를 완성시키고, 표면의 상기 보호막을 제거하여 센서의 구조체를 완성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서는 가장자리를 바늘 모양으로 형성하기 위해 30㎛ 정도의 폭으로 제 3 산화막, 제 2 산화막 및 실리콘막을 식각하고, 센서의 중심에서 식각된 부분의 측면까지는 87.5㎛ 정도로 하며, 식각된 부분 사이의 거리는 175㎛ 정도로 하는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 보호막은 Si3N4, Si중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 산화막은 습식 식각과 기상 식각 공정을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 제어기는 진공 캐비티, 멤브레인부, 히터부 및 온도 센서부로 구성되는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 약물 주입기는 반도체 기판 상부에 제 1 산화막 및 제 1 폴리실리콘막을 순차적으로 형성한 후 상기 제 1 폴리실리콘막을 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 2 산화막, 제 2 폴리실리콘막 및 제 3 산화막을 순차적으로 형성한 후 상기 제 3 산화막을 패터닝하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 3 폴리실리콘막을 형성한 후 패터닝하여 상부 전극을 형성하는 단계와,
    상기 상부 전극 하부의 희생층을 제거하는 단계로 이루어진 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 제어기는 실리콘 기판의 소정 부분을 식각하여 트렌치를 형성하고, 상기 트렌치가 매립되도록 전체 구조 상부에 제 1 산화막을 형성한 후 패터닝하여 캐비티 영역과 식각 채널을 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 절연막을 증착하여 멤브레인을 형성하는 단계와,
    상기 멤브레인의 선택된 영역을 식각하여 제 1 산화막의 소정 영역을 노출시키는 식각 구멍을 형성하는 단계와,
    상기 식각 구멍을 이용한 식각 공정으로 상기 캐비티 영역과 상기 식각 채널의 제 1 산화막을 제거하여 실리콘 기판 내에 진공 캐비티를 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 2 산화막을 형성하여 진공 캐비티를 밀봉시킨 후 전체 구조 상부에 제 1 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 히터와 제 1 저항부를 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 3 산화막을 형성한 후 제 2 폴리실리콘막을 형성하고 패터닝하여 제 2 저항부를 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 제 4 산화막을 형성한 후 선택된 영역을 식각하여 히터와 제 1 및 제 2 저항부의 전기적 연결을 위한 콘택을 형성하는 단계와,
    상기 콘택내에 백금막 및 TiW막을 형성한 후 콘택의 나머지 영역이 매립되도록 전체 구조 상부에 Al막 또는 Al 합금막을 형성하고 패터닝하여 금속 배선을 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 Ti막 및 백금막을 형성한 후 패터닝하여 백금 측온 저항부를 형성하는 단계와,
    전체 구조 상부에 보호막을 형성하고 패터닝하여 제 4 산화막의 소정 영역을 노출시킨 후 상기 노출된 제 4 산화막 상부에 패드를 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 트렌치는 100×100㎛2의 크기와 2㎛ 이상의 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 멤브레인을 형성하기 위한 절연막은 LPCVD 또는 PECVD 방법으로 저응력 Si3N4막, SiN막 또는 Si3N4/SiO2/Si3N4적층 박막을 0.6 내지 1.2㎛ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 산화막은 HF 습식 식각 또는 HF 기상 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 폴리실리콘막은 n+ 폴리실리콘막인 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 폴리실리콘막은 p+ 폴리실리콘막인 것을 특징으로 하는 미소기전소자형 약물주입 시스템 제조 방법.
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