KR101250794B1 - 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 용액이 유동할 수 있는 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체는, 에칭 공정으로 실리콘 표면을 오목하게 식각하여 형성되는 하나 이상의 미소 유체 채널이 형성된 웨이퍼; 및 상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하며, 상기 웨이퍼의 표면과 연속되는 면을 형성하도록 연마되는 유리를 포함하며, 상기 유리는 진공 상태에서 상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하도록 접합되며, 리플로(reflow) 공정을 통해 상기 미소 유체 채널의 내측으로 소정 깊이 녹아내린 후, 상기 웨이퍼의 실리콘 표면과 연속되는 면이 되도록 연마된다.

Description

미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법 {STRUCTURE HAVING A MICRO FLUIDIC CHANNEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 용액이 유동할 수 있는 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 뇌신경 자극 및 이에 따른 신호를 감지하고 분석함으로써 뇌질환을 치료하고 뇌의 동작을 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 동시에 여러 부위에서 많은 신호를 측정하고 뉴런의 손상을 최소화하기 위해서, 크기가 작으면서 여러개의 전극이 집적된 MEMS 뇌신경 프로브가 개발되었다.
특히, 뇌질환을 치료하는 약물을 동물에 테스트하기 위하여 뇌에 약물을 전달하려는 방법이 시도되었다. 하지만, 뇌에는 블러드 브레인 배리어(blood brain barrier)가 있어서 혈관을 통한 약물주입이 불가능하기 때문에 혈관을 통한 약물 투여를 수행할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 기존의 프로브나 MEMS 프로브에 약물을 전달하기 위한 미소 유체 채널을 집적하여 뇌에 직접 약물을 투여하려는 시도가 많이 이루어졌다.
이를 위해서 프로브 위에 3차원으로 이루어진 미소 유체 채널을 집적하거나 별도로 제작한 채널을 접합하는 방법 등이 개발되었다. 하지만, 이 경우에는 전체 프로브의 두께가 채널의 높이만큼 높아지게 되어, 프로브를 뇌에 삽입할 경우, 뉴론의 손상이 심해진다는 단점이 있다.
도 1 및 2는 종래의 프로브의 미소 유체 채널을 도시하는 도면들이다.
도 1을 참조하면, 미소 유체 채널을 형성하기 위해 하부 기판에 미소 유체 채널을 형성하고 그 위에 상부 기판을 접합한 후, 원하는 프로브 형태로 절단하여 프로브를 완성하게 된다.
한편, 도 2를 참조하면, 도 2의 프로브 역시 하부의 실리콘 백본 층(backbone layer) 상에 벤조시클로부텐(benzocyclobutene, BCB)이 결합하며, 그 사이에 미소 유체 채널이 형성되는 형태이다.
즉, 종래의 프로브의 미소 유체 채널은 상부 기판과 하부 기판 사이에 미소 유체 채널을 형성하고, 상부 기판과 하부 기판을 결합하는 형태이므로, 각각의 기판의 두께만큼 프로브의 두께가 증가하게 되고, 이로 인해 프로브로 인한 뇌 손상 가능성이 증가하게 되는 문제점이 있다.
비특허문헌 1: Fabrication of Multichannel Neural Microelectrodes with Microfluidic Channels Based on Wafer Bonding Technology : R. Kobayashi et al., 2009, International conference on biomedical engineering, proceedings 23, 2258-2261면 비특허문헌 2: Biocompatible benzocyclobutene (BCB)-based neural implants with micro-fluidic channel : Keekeun Lee, 2004, Biosensors and Bioelectronics 20, 404-407면
본 발명의 목적은 전체 두께를 증가시키지 않으면서 미소 유체 채널이 형성되는 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체는, 에칭 공정으로 실리콘 표면을 오목하게 식각하여 형성되는 하나 이상의 미소 유체 채널이 형성된 웨이퍼; 및 상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하며, 상기 웨이퍼의 표면과 연속되는 면을 형성하도록 연마되는 유리를 포함하며, 상기 유리는 진공 상태에서 상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하도록 접합되며, 리플로(reflow) 공정을 통해 상기 미소 유체 채널의 내측으로 소정 깊이 녹아내린 후, 상기 웨이퍼의 실리콘 표면과 연속되는 면이 되도록 연마된다.
상기 웨이퍼는, 하부 실리콘, 절연 기판 및 상부 실리콘으로 이루어진 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼가 될 수 있다.
상기 하부 실리콘과 상기 절연 기판의 일부는 릴리즈(release) 공정을 통해 일부분이 제거될 수 있다.
상기 미소 유체 채널 상부에 배치된 유리의 양단의 웨이퍼 표면이 에칭 공정으로 식각되어, 상기 미소 유체 채널을 외부로 개방시키는 입구 및 출구가 형성될 수 있다.
상기 유리는, 화학 기계적 연마(chemical mechanical planarization)를 통해 연마될 수 있다.
상기 미소 유체 채널을 갖는 구조체는, 상기 웨이퍼의 표면에 배치되는 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법은, 에칭 공정을 통해 웨이퍼 표면을 오목하게 식각하여 하나 이상의 미소 유체 채널을 형성하는 단계; 상기 미소 유체 채널의 상부를 커버하도록 진공 상태에서 유리를 접합하는 단계; 상기 미소 유체 채널 상부의 유리가 상기 미소 유체 채널의 내측으로 소정 깊이 녹아내리도록 상기 유리를 리플로(reflow)하는 단계; 및 상기 유리를 연마하여 상기 웨이퍼의 표면과 연속되는 면이 되도록 평탄화 하는 단계를 포함한다.
상기 유리는, 화학 기계적 연마를 통해 평탄화 될 수 있다.
상기 웨이퍼는, 하부 실리콘, 절연 기판 및 상부 실리콘으로 이루어진 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼가 될 수 있다.
상기 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법은, 상기 하부 실리콘과 상기 절연 기판의 일부가 릴리즈(release) 공정을 통해 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법은, 상기 미소 유체 채널을 외부로 개방시키는 입구 및 출구를 형성하도록, 상기 미소 유체 채널 상부에 배치된 유리의 양단의 웨이퍼 표면을 에칭 공정으로 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법은, 상기 미소 유체 채널이 형성되지 않은 영역의 웨이퍼의 표면에 전극을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법은, 하나의 웨이퍼에 미소 유체 채널을 형성하고, 상기 미소 유체 채널의 상부를 유리로 얇게 커버하는 형태이므로, 미소 유체 채널을 형성하면서 구조체의 두께가 추가적으로 증가하지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법은, 두께가 얇은 구조체를 제공하므로, 뇌에 구조체 삽입 시, 뉴런의 손상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법은, 미소 유체 채널의 폭을 감소시킬 수 있으므로, 하나의 구조체에 복수의 미소 유체 채널을 동시에 형성하여, 서로 다른 약물을 동시에 전달할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 2는 종래의 프로브의 미소 유체 채널을 도시하는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 구조체의 평면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 유리가 리플로 되어 미소 유체 채널이 형성된 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소 유체 채널을 갖는 구조체를 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3의 구조체의 평면도이다.
이하에서는, 이해를 위해 본 발명의 구조체가 적용된 프로브를 중심으로 설명하나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않으며, 미소 유체 채널을 갖는 마이크로 단위의 어떠한 장치 및 실험 기구에도 적용될 수 있다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 프로브(100)는 웨이퍼(120), 유리(140) 및 전극(160)을 포함하며, 미소 유체 채널의 입구(130)에는, 외부 연결 채널(200)과 프로브(100)를 결합시키는 채널 연결부(180)와, 외부로부터 약물을 투입시키는 외부 연결 채널(200)이 연결될 수 있다.
웨이퍼(120)는 뇌에 삽입되는 부위인 탐침부(121)를 가지며, 탐침부(121)는 뇌 손상을 최소화하기 위해 두께가 얇고 가늘게 구성된다.
탐침부(121)가 뇌에 삽입되면, 전극(132)을 통해 뇌파 신호가 감지되며, 전극(132)을 통해 전달되는 뇌파 신호를 외부 장치를 통해 분석할 수 있다.
웨이퍼(120)는 에칭 공정으로 실리콘 표면을 오목하게 식각하여 형성되는 하나 이상의 미소 유체 채널을 가지며, 상기 미소 유체 채널 상부는 유리(140)에 의해 커버된다. 도 3 및 4에는 유리(140)가 미소 유체 채널 상에 배치된 완성된 프로브(100) 상태가 도시된 것으로, 유리(140) 내측에 미소 유체 채널이 형성되어 있다.
한편, 유리(140)는 미소 유체 채널의 상부를 커버한 상태에서, 연마 공정을 통해 마모되어 웨이퍼(120)의 표면과 연속되는 면을 형성한다. 따라서, 본 발명은 종래의 프로브와 달리 2개의 기판이 결합하여 두께가 증가되는 형태가 아니라, 하나의 웨이퍼(120)의 표면에 오목하게 형성된 미소 유체 채널의 상부를 유리(140)가 커버하여 폐쇄된 유동 경로를 확보하면서, 웨이퍼(120)의 표면 위로 돌출하는 유리(140) 부분을 마모시켜서, 결과적으로 하나의 웨이퍼(120) 상에 두께 증가 없이 미소 유체 채널을 완성할 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 프로브의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 프로브의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a를 참조하면, 우선 프로브(100)를 제조하기 위해 웨이퍼(120)가 제공된다. 여기서, 웨이퍼(120)는, 하부 실리콘(122), 절연 기판(124) 및 상부 실리콘(126)으로 이루어진 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼가 될 수 있다.
다음으로, 도 5b에서, 에칭 공정을 통해 상부 실리콘(120) 표면을 오목하게 식각하여 하나 이상의 미소 유체 채널(128)을 형성한다. 미소 유체 채널(128)이 복수개로 형성되는 경우, 다수의 약물이 동시에 투여될 수 있는 유동 경로가 제공될 수 있다.
계속하여, 도 5c에서, 미소 유체 채널(128)의 상부를 커버하도록 진공 상태에서 유리(140)를 접합(bonding)시킨다. 유리(140)가 접합함으로써 폐쇄된 유체 유동 경로를 확보할 수 있다.
이어서, 도 5d에서, 진공을 유지한 상태에서 미소 유체 채널(128) 상부의 유리(140)가 상기 미소 유체 채널(128)의 내측으로 소정 깊이 녹아내리도록 유리(140)를 리플로(reflow)시킨다. 리플로 온도, 시간 및 압력을 제어함으로써, 유리(140)가 미소 유체 채널(128)의 내측으로 녹아내리는 깊이를 제어할 수 있다.
접합 공정에서 진공도를 높일수록 유리가 더 깊게 녹아내리며, 리플로 온도를 높일수록 또는 리플로 시간을 증가시킬수록 유리가 더 깊게 녹아내려, 채널의 높이가 작아지게 된다.
계속하여, 도 5e에서, 프로브(100) 전체 두께의 감소를 위해, 상부 실리콘(126) 표면 상의 유리(140)를 연마하여 상부 실리콘(126)의 표면과 연속되는 면이 되도록 평탄화 시킨다. 여기서, 유리(140)는, 예를 들어, 화학 기계적 연마(chemical mechanical planarization)를 통해 평탄화 될 수 있다.
상기와 같은 유리(140)의 연마 공정 후, 미소 유체 채널(128)이 형성되지 않은 영역의 웨이퍼(120)의 표면에 전극(160)이 배치된다. 도 4에서는, 미소 유체 채널(128)의 양측면을 따라 전극(160)이 배치되어 있다.
다음으로, 도 5f에서, 유리(140)에 의해 폐쇄된 미소 유체 채널(128)을 외부로 개방시키는 입구(130) 및 출구(132)를 형성하도록, 미소 유체 채널(128) 상부에 배치된 유리(140)의 양단의 웨이퍼 표면을 에칭 공정으로 식각한다. 상기 에칭 공정에 의해 형성된 입구(130) 및 출구(132)는 미소 유체 채널(128)과 연통하게 된다.
이어서, 도 5g에서, 하부 실리콘(122)과 절연 기판(124)의 일부는 릴리즈(release) 공정을 통해 일부분이 제거된다. 하부 실리콘(122)과 절연 기판(124)이 제거되어 상부 실리콘(126)만 남은 영역은 뇌에 삽입되는 탐침부(121)로 기능하게 되며, 하부 실리콘(122)과 절연 기판(124)이 제거되지 않은 영역은 프로브(100)의 적정한 강도를 유지시키면서, 외부 장치와 연결될 수 있는 공간을 제공한다. 도 5g는 도 4의 프로브(100)를 A-A 선을 따라 절취한 단면과 동일하다.
도 6은 유리가 리플로 되어 미소 유체 채널이 형성된 상태를 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 6을 참조하면, 미소 유체 채널(128)의 폭은 20㎛이며, 상부 실리콘(126)이 에칭 공정에 의해 식각된 깊이는 10㎛이고, 미소 유체 채널(128) 상부의 유리(140)가 녹아내린 깊이는 3.5㎛이다. 전술한 바와 같이, 리플로 온도, 시간 및 압력을 제어함으로써, 유리(140)가 미소 유체 채널(128)의 내측으로 녹아내리는 깊이를 제어할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 프로브
120: 웨이퍼
121: 탐침부
122: 하부 실리콘
124: 절연 기판
126: 상부 실리콘
128: 미소 유체 채널
130: 입구
132: 출구
140: 유리
160: 전극
180: 채널 연결부
200: 외부 연결 채널

Claims (12)

  1. 에칭 공정으로 실리콘 표면을 오목하게 식각하여 형성되는 하나 이상의 미소 유체 채널이 형성된 웨이퍼; 및
    상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하며, 상기 웨이퍼의 표면과 연속되는 면을 형성하도록 연마되는 유리를 포함하며,
    상기 유리는 진공 상태에서 상기 웨이퍼의 미소 유체 채널의 상부를 커버하도록 접합되며, 리플로(reflow) 공정을 통해 상기 미소 유체 채널의 내측으로 소정 깊이 녹아내린 후, 상기 웨이퍼의 실리콘 표면과 연속되는 면이 되도록 연마되는 것을 특징으로 하는 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼는, 하부 실리콘, 절연 기판 및 상부 실리콘으로 이루어진 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하부 실리콘과 상기 절연 기판의 일부는 릴리즈(release) 공정을 통해 제거되는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미소 유체 채널 상부에 배치된 유리의 양단의 웨이퍼 표면이 에칭 공정으로 식각되어, 상기 미소 유체 채널을 외부로 개방시키는 입구 및 출구가 형성된 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유리는, 화학 기계적 연마(chemical mechanical planarization)를 통해 연마되는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼의 표면에 배치되는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체.
  7. 에칭 공정을 통해 웨이퍼 표면을 오목하게 식각하여 하나 이상의 미소 유체 채널을 형성하는 단계;
    상기 미소 유체 채널의 상부를 커버하도록 진공 상태에서 유리를 접합하는 단계;
    상기 미소 유체 채널 상부의 유리가 상기 미소 유체 채널의 내측으로 소정 깊이 녹아내리도록 상기 유리를 리플로(reflow)하는 단계; 및
    상기 유리를 연마하여 상기 웨이퍼의 표면과 연속되는 면이 되도록 평탄화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유리는, 화학 기계적 연마를 통해 평탄화 되는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 웨이퍼는, 하부 실리콘, 절연 기판 및 상부 실리콘으로 이루어진 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하부 실리콘과 상기 절연 기판의 일부는 릴리즈(release) 공정을 통해 일부분이 제거되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 미소 유체 채널을 외부로 개방시키는 입구 및 출구를 형성하도록, 상기 미소 유체 채널 상부에 배치된 유리의 양단의 웨이퍼 표면을 에칭 공정으로 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 미소 유체 채널이 형성되지 않은 영역의 웨이퍼의 표면에 전극을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미소 유체 채널을 갖는 구조체 제조 방법.
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