KR101618923B1 - 마이크로 팁 전극체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로 팁을 이용한 전극체 및 이의 제조방법이 개시된다. 정렬된 구조를 가지는 마이크로 팁 상에는 도전층 및 보호막이 형성되고, 마이크로 팁의 말단부의 보호막의 일부는 제거되고 도전층이 나타난다. 기판 상에는 함몰부를 가지는 수용부가 형성되며, 함몰부에는 생체 세포 또는 염료가 충진된다. 생체 세포는 하나의 단위별로 함몰부에 충진될 수 있으며, 함몰부 외곽의 수용부 표면에는 제1 전극이 형성된다. 마이크로 팁 상에 형성된 도전층은 제2 전극으로 작용한다.

Description

마이크로 팁 전극체 및 이의 제조방법{Micro-Tip Electrode and Method of forming the same}
본 발명은 마이크로 팁 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀을 구비하여 홀 내부에 세포 또는 염료 등이 충진될 수 있는 마이크로 팁 전극체의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 팁은 탐침 구조로써 작은 면적과 접촉될 수 있는 특성을 가지므로 전극 패턴이나 생물학적 세포 등에 활용될 수 있는 전자소자이다. 특히, 마이크로 팁은 미세 크기를 가지는 생물학적 요소인 세포에 전기적 자극을 가하거나 세포에서 발생된 전기 에너지를 수집할 수 있는 수단으로 활용될 수 있다.
예컨대, 본 발명자에 의해 선출원된 한국출원 2011-0134485호에서는 마이크로 팁이 기판의 식각을 통해 형성되며, 상호간에 동일한 크기와 형상을 가지는 내용이 개시된다. 또한, 유전체 기판 상에 마이크로 팁이 형성되며, 유전체 기판을 관통하는 비아 플러그 상에 형성되는 구조가 개시된다. 비아 플러그 상부에 형성되는 마이크로 팁은 그 상부에 형성되는 도전층에 의해 인접하는 마이크로 팁과 전기적으로 분리되며, 유전체 기판을 관통하는 비아 플러그를 통해 유전체 기판의 배면과 전기적으로 연결되는 구조이다.
상기 본 발명자의 출원발명에서는 유전체 기판 상에 돌출된 형태의 마이크로 팁이 개시된다. 기판 상에 돌출된 마이크로 팁은 광합성 에너지를 추출하기 위해 사용되는 세포와 전기적으로 접촉하는 데 일정한 한계를 가진다. 즉, 세포벽이나 세포의 내부와 전기적으로 접촉하기 위해서는 마이크로 팁이 개별적으로 세포에 전기적으로 접촉하여야 하나, 세포의 수용체가 구비되지 않은 관계로 전기적 접촉에 일정한 한계를 가진다.
또한, 기판 상에 돌출된 형상의 마이크로 팁만이 배치되는 경우, 그 상부에 염료 등을 도포한다 하더라도, 염료와의 효율적인 전기적 접촉을 구현하는데 어려움이 있다. 예컨대, 도포되는 염료의 두께는 마이크로 팁이 가지는 높이를 상회하여야 하는 문제가 발생하며, 염료의 두께와 마이크로 팁의 높이 조절을 위한 식각 공정은 미세하게 조절되어야 하는 문제가 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수용부를 구비하고, 수용부 내부에 형성된 마이크로 팁 전극체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 형성되고 뾰쪽한 형상을 가지는 마이크로 팁; 상기 마이크로 팁 상에 형성된 도전층; 상기 도전층 상에 형성되고, 상기 마이크로 팁의 말단부에 형성된 상기 도전층을 노출시키는 보호막; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 마이크로 팁의 말단부를 노출시키는 반구형의 함몰부를 가지는 수용부; 및 상기 마이크로 팁들 사이의 이격 공간에 형성되고, 상기 함몰부를 제외한 상기 수용부 상에 형성된 제1 전극을 포함하는 마이크로 팁 전극체를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 과제는, 매립 기판; 상기 매립 기판을 관통하며 도전물로 구성된 비아 플러그; 상기 비아 플러그 상에 형성되고 뾰쪽한 형상을 가지는 마이크로 팁; 상기 마이크로 팁 상에 형성된 도전층; 상기 도전층 상에 형성된 보호막; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 마이크로 팁의 말단부를 노출시키는 반구형의 함몰부를 가지는 수용부; 및 상기 마이크로 팁들 사이의 이격 공간에 형성되고, 상기 함몰부를 제외한 상기 수용부 상에 형성된 제1 전극을 포함하는 마이크로 팁 전극체를 포함하고, 상기 도전층은 이웃하는 마이크로 팁 상에 형성된 다른 도전층과 물리적으로 분리되고, 상기 마이크로 팁의 말단부에 형성된 상기 도전층은 노출되는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제공을 통해서도 달성된다.
또한, 상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 마이크로 팁, 상기 마이크로 팁 상부를 도포하는 도전층 및 보호막으로 구성된 마이크로 팁 구조물을 형성하는 단계; 상기 마이크로 팁 구조물 상에 충진층을 형성하여 상기 마이크로 팁 상부에 상기 충진층이 표면으로부터 돌출된 형상을 가지도록 하는 단계; 상기 충진층 상부에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 마이크로 팁 상부 영역의 상기 제1 전극에 대한 식각을 통해 상기 충진층의 표면으로부터 함몰된 함몰부를 가지는 수용부를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법을 제공한다.
상술한 본 발명에 따르면, 마이크로 팁은 함몰부를 가지는 수용층으로 감싸지는 형태로 제공된다. 함몰부에는 광합성 동작에 따른 전기에너지 또는 전기적 신호를 생성할 수 있는 세포가 충진된다. 세포는 마이크로 팁을 코팅하는 도전층으로 구성된 제2 전극과 전기적으로 연결되고, 수용층 상부의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 수용층에 충진되는 세포는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 혈액 세포 등 다양한 형태의 세포가 수용층에 제공될 수 있다.
또한, 제1 전극과 제2 전극을 통해 전류가 인가되고, 마이크로 팁과 접촉하는 세포의 전기적 상태의 측정을 통해 세포의 생체적 상태를 확인할 수 있다.
상술한 동작 또는 과정을 통해 수용층에는 생체 세포 또는 염료 등이 충진되어 이들을 통한 전기적 에너지의 획득이 가능하며, 2개의 전극 사이의 전류 또는 전압의 인가를 통해 세포의 생체환경을 측정할 수 있는 잇점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 팁 전극을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 마이크로 팁의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7 내지 도 14는 기판을 관통하는 비아홀이 형성된 마이크로 팁의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 15 내지 도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 팁 전극체의 제조방법을 도시한 단면도들 및 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 팁 전극을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에는 마이크로 팁(130)이 구비된다. 마이크로 팁(130)의 상부는 도전층(140) 및 보호막(150)이 형성되며, 보호막(150)은 도전층(140)이 코팅된 마이크로 팁(130)의 말단부를 개방한다.
각각의 마이크로 팁(130) 상부에는 수용부(430)가 형성된다. 상기 수용부(430)는 마이크로 팁(130)의 말단부가 노출되도록 구성되며, 표면으로부터 함몰된 함몰부(435)가 형성된다. 인접한 마이크로 팁(130) 사이의 이격공간에 배치된 수용부(430)의 상부에는 제1 전극(410)이 형성된다.
상기 도 1에서 제2 전극은 마이크로 팁(130)의 상부에 도포된 도전층(140)이며, 수용부(430)에 형성된 함몰부(435)에는 생체 세포 또는 염료 등이 충진된다.
또한, 상기 기판에는 이를 관통하는 비아 플러그가 형성될 수 있다. 따라서, 상기 도전층은 비아 플러그를 통해 기판의 배면과 연결된다.
상기 기판은 반도체 또는 유전체 재질일 수 있다. 비아 플러그는 도전성 금속물로 구성되고, 비아 플러그 상부에는 마이크로 팁이 구비된다. 마이크로 팁 상부에는 도전층이 도포되며, 도전층의 일부는 보호막으로 차폐된다. 상기 도전층은 도전성 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 마이크로 팁의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 마스크층(110)이 형성된다. 상기 마스크층(110)의 재질은 기판(100)과 상이한 식각 메커니즘을 가지는 물질이라면 어느 것이나 사용가능하다 할 것이다. 예컨대, 상기 기판(100)이 실리콘 재질로 구성된 경우, 상기 마스크층(110)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물일 수 있다. 또한, 상기 마스크층(110)은 패턴화된 형태로 제공된다. 패턴화된 마스크층(110)의 형성을 위해 마스크층(110)의 표면에는 포토레지스트가 도포되고, 통상의 포토리소그래피 공정을 통한 포토레지스트 패턴이 형성된다. 이어서, 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 이용하여 마스크층(110)에 대한 선택적 식각을 수행하면 기판(100) 상에 패턴화된 마스크층(110)을 얻을 수 있다.
이외에도 마스크층(110) 대신에 기판(100) 상에 포토레지스트 패턴을 직접 형성하여 상기 마스크층(110)을 대체할 수 있다.
도 3을 참조하면, 마스크층(110)을 식각 마스크로 이용하여 기판(100)에 대한 식각이 수행된다. 상기 식각은 이방성 건식 식각임이 바람직하며, RIE(reactive ion etching) 공정이 이용됨이 바람직하다. 예컨대, 기판(100)이 실리콘이며, 패턴화 마스크층(130)이 실리콘 산화물인 경우, 에천트로 SF6이 이용된다. 연속적인 식각이 지속될 경우, 식각되는 부위의 측면이 손상을 받으므로 C4F8과 같은 폴리머를 도핑하고, 식각되는 부위의 측면을 보호한다. 이어서, 폴리머를 식각하고, SF6을 에천트로 이용하여 식각을 수행한다. 이와 같이 측면의 보호, 식각의 수행 등의 반복 동작을 통해 기판(100) 표면에 대해 수직 프로파일을 가지는 마이크로 로드(120)를 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 마이크로 로드(120)에 대한 식각을 통해 마이크로 팁(130)이 형성된다. 마이크로 팁(130)을 형성하기 위해서는 상기 도 3에 개시된 구조물에 대해 등방성 식각이 수행된다. 상기 등방성 식각은 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있다. 특히, 등방성 RIE 식각을 이용할 경우, 비교적 매끄러운 표면과 이웃하는 마이크로 팁(130)과 형상과 크기가 동일한 다수의 마이크로 팁들(130)을 얻을 수 있다. 등방성 RIE 식각은 에천트인 SF6를 상기 도 3의 구조물에 공급함을 통해 달성될 수 있다. 특히, 마이크로 로드들(120) 사이의 간격이 좁은 경우, 마이크로 로드(120)의 상위 부분이 공격을 받아 식각이 수행되며, 간격이 넓은 경우, 마이크로 로드(120)의 하위 부분이 에천트의 공격을 받아 식각이 수행된다.
상술한 과정의 등방성 식각을 통해 마이크로 로드(120)로부터 마이크로 팁(130)이 형성된다. 따라서, 마이크로 팁(130)은 기판(100)으로부터의 리세스에 의해 잔류하는 마이크로 로드(120)의 식각을 통해 형성된 것이다. 따라서, 마이크로 팁(130)과 기판(100)의 재질이 동일함은 자명하다 할 것이다.
도 5를 참조하면, 마이크로 팁(130)이 형성된 기판(100) 상에 도전층(140) 및 보호막(150)을 순차적으로 형성한다. 따라서, 도전층(140)은 마이크로 팁(130)의 전면을 감싸고, 마이크로 팁(130) 사이에 노출된 기판 표면을 도포하는 양상으로 형성된다. 또한, 도전층(140)의 상부에는 보호막(150)이 형성된다.
도전층(140)의 재질은 도전성 재질이라면 특별한 한정이 없을 것이나. 하부의 기판(100) 또는 마이크로 팁(130)과의 접합성을 고려하여 선택될 수 있다. 즉, 도전층(140)은 ITO, IZO 또는 AZO 등의 도전성 산화물로 구성될 수 있으며, 일반적인 금속으로 구성될 수 있다. 이외에도 상기 도전층(140)은 금속물의 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 텅스텐 또는 이의 합금으로 1차 도전층이 형성되고, 1차 도전층 상부에 금 또는 이의 합금으로 2차 도전층이 형성되어 적어도 2층의 도전물로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 보호막(150)은 부도체의 특성을 가진 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이나, 도전층(140)과의 접합성 및 식각 선택비에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 도전층(140)이 금속물로 형성된 경우, 상기 보호막은 산화물 또는 질화물로 구성됨이 바람직하다.
계속해서 보호막 상에는 충진 포토레지스트(160)가 도포된다. 충진 포토레지스트(160)의 도포는 마이크로 팁들(130) 사이의 이격공간을 매립하는 양상으로 전개된다. 또한, 충진 포토레지스트(160)는 마이크로 팁(130)의 최상위 부위를 완전히 덮지 않도록 도포된다. 따라서, 마이크로 팁들(130) 사이의 이격공간에 도포된 충진 포토레지스트(160)의 높이는 마이크로 팁(130)의 말단부의 높이보다 낮도록 설정된다. 따라서, 마이크로 팁(130)의 말단부에 일부 도포되는 포토레지스트의 두께는 다른 부위에 도포된 포토레지스트이 두께보다 훨씬 낮은 양상을 가진다.
도 6을 참조하면, 도 5의 구조물에 대해 에치백 공정이 수행된다. 에치백을 통해 비교적 얇은 두께를 가지는 충진 포토레지스트(160)의 일부는 제거된다. 따라서, 마이크로 팁(130) 상부의 보호막(150) 영역은 제거되고, 마이크로 팁(130)의 말단부에 도포된 도전층(140)이 노출된다. 이어서, 도포된 충진 포토레지스트(160)를 제거함을 통해 도 6의 구조물이 얻어진다.
또한, 마이크로 팁은 기판을 관통하는 비아홀 상에 형성될 수 있다.
도 7 내지 도 14는 기판을 관통하는 비아홀이 형성된 마이크로 팁의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7을 참조하면, 제1 기판(200) 상에 홈부(205)가 형성되고, 홈부(200)가 형성된 제1 기판(200) 상에는 제2 기판(300)이 배치된다. 상기 제1 기판(200) 및 제2 기판(300)은 부도체 또는 반도체일 수 있으며, 제2 기판(300)의 융점은 제1 기판(200)보다 낮을 것이 요구된다. 예컨대, 제1 기판(200)이 실리콘 재질인 경우, 제2 기판(300)은 유리 기판임이 바람직하다.
또한, 제1 기판(200)과 제2 기판(300)은 접합 공정을 통해 물리적인 접합이 수행될 수 있다. 접합은 다양한 방법을 통해 수행되는바, 양극 접합 공정을 통해 수행될 수 있다. 즉, 제1 기판(200)과 제2 기판(300) 사이에 소정의 전압이 인가되고, 소정의 온도에서 외력을 가하면 접합이 수행된다. 온도의 범위는 선택되는 기판들의 재질에 따라 달리 설정된다. 예컨대, 제1 기판(200)이 실리콘 기판이고, 제2 기판(300)이 유리 기판인 경우, 약 300℃ 내지 500℃의 온도에서 800V 정도의 전압을 인가하고, 400N 정도의 외력을 인가하여 실리콘과 유리의 접합을 유도할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 기판(200)에 접합된 제2 기판(300)을 가열하고, 제2 기판(300)의 일부가 제1 기판(200)의 홈부(205)를 매립하도록 한다. 예컨대, 제2 기판(300)이 유리인 경우, 유리는 특정 온도 이상에서 유동성을 가지고, 제1 기판(200)의 홈부(205)로 리플로우된다.
상기 유리 등의 제2 기판(300)을 가열하여 리플로우시키는 공정은 다수개의 단계들로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 단계에서는 상온에서 약 1000℃까지 약 3시간에 걸쳐 승온된다. 이어서 제2 단계에서는 약 1000℃에서 약 5시간 가량 유지되며, 마지막 제3 단계에서는 약 1000℃에서 상온까지 약 3시간에 걸쳐 강온된다. 이를 통해 제1 기판(200)의 홈부(205)는 제2 기판(300)의 일부로 채워진다.
계속해서, 제2 기판(300)의 표면에 대한 평탄화 공정이 수행된다. 따라서, 제2 기판(300)의 일부는 상부로부터 제거되고, 상기 제1 기판(200)의 돌출 부위가 노출될 때까지 진행된다. 따라서, 제1 기판(200)의 홈부(205)를 매립하는 제2 기판(300)의 일부만이 잔류하게 된다. 상기 도 8에서는 잔류하는 제2 기판(300)의 일부의 각 요소들이 분리된 것으로 도시되나, 이는 단면도 상으로 나타나는 현상이며 평면도 상에서는 잔류하는 제2 기판(300)의 일부가 소정의 패턴을 가지고 연속된 형상으로 나타난다. 즉, 제1 기판(200)의 돌출 부위는 독립된 아일랜드 형상을 가지거나, 특정의 배선의 형상을 가지며, 제1 기판(200)의 돌출 부위들 사이에 형성된 홈부(205)를 매립하는 제2 기판의 일부는 상호간에 연결된 형상으로 제공될 수 있다. 따라서, 이를 매립 기판(310)이라 명명한다. 즉, 매립 기판(310)은 제1 기판(200)의 홈부를 매립하는 양상으로 형성된다. 또한, 매립 기판(310)은 제2 기판과 동일 재질임이 명확하다.
도 9를 참조하면, 매립 기판(310) 사이에 형성된 아일랜드 타입의 제1 기판(200)의 돌출 부위를 제거한다. 제1 기판(200)의 돌출 부위의 제거는 통상의 식각 공정을 통해 달성된다. 또한, 상기 돌출 부위의 제거는 매립 기판(310)과 실질적으로 동일한 깊이로 진행되거나, 매립 기판(310)보다 더 깊이 진행됨이 바람직하다.
이어서 매립 기판(310) 사이에 형성된 이격 공간은 도전성 금속물로 매립된다. 이를 통해 비아 플러그(320)가 형성된다. 따라서, 비아 플러그(320)는 매립 기판(310)을 관통하며 형성된다. 또한, 비아 플러그(320)는 식각이 이루어진 제1 기판(200)의 표면과 접하며 형성된다.
도 10을 참조하면, 마스크층(210)이 형성된다. 상기 마스크층(210)의 재질에 대한 특별한 한정은 없다. 다만, 제1 기판(200)의 재질과 상이한 식각 메커니즘을 가지는 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 예컨대, 상기 제1 기판(200)이 실리콘 재질인 경우, 마스크층(210)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물일 수 있다. 또한, 상기 도 10에서 마스크층(210)의 형성은 상기 도 9에 도시된 제1 기판(200)의 배면에서 이루어진 것이다. 다만, 도 10에서는 용이한 이해를 위해 도 9에 개시된 구조물을 뒤집어서 표현한 것에 불과하다. 또한, 상기 마스크층(210)은 패턴화된 형태로 비아 플러그(320)의 상부에 제공된다.
도 11을 참조하면, 형성된 마스크층(210)을 식각 마스크로 이용하여 제1 기판(200)에 대한 식각이 수행된다. 상기 식각은 이방성 건식 식각임이 바람직하다. 특히, 상기 식각은 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용함이 바람직하다. 예컨대, 제1 기판(200)이 실리콘이며, 마스크층(210)이 실리콘 산화물인 경우, 에천트로 SF6이 이용된다. 연속적인 식각이 지속될 경우, 식각되는 부위의 측면이 손상을 받으므로 C4F8과 같은 폴리머를 도핑하고, 식각되는 부위의 측면을 보호한다. 이어서, 폴리머를 식각하고, SF6을 에천트로 이용하여 식각을 수행한다. 이와같이 측면의 보호, 식각의 수행 등의 반복 동작을 통해 제1 기판(200) 표면에 대해 수직 프로파일을 가지는 마이크로 로드(220)를 형성할 수 있다.
즉, 제1 기판(200)의 표면 일부에 대한 식각을 통해 제1 기판(200)의 표면은 리세스되며, 마스크층(210)에 의해 잔류하는 부위는 수직 프로파일을 가지는 마이크로 로드(220)로 형성된다. 따라서, 마이크로 로드(220)를 제외한 제1 기판의 구성물은 모두 제거되고, 제1 기판과 접하는 매립 기판(310)의 표면이 노출된다.
도 12를 참조하면, 마이크로 로드(220)에 대한 식각을 통해 마이크로 팁(230)이 형성된다. 마이크로 팁(230)을 형성하기 위해서는 상기 도 11에 개시된 구조물에 대해 등방성 식각이 수행된다. 상기 등방성 식각은 습식 식각 또는 건식 식각이 이용될 수 있다. 특히, 등방성 RIE 식각을 이용할 경우, 비교적 매끄러운 표면과 이웃하는 마이크로 팁(230)과 형상과 크기가 동일한 다수의 마이크로 팁들(230)을 얻을 수 있다. 등방성 RIE 식각은 에천트인 SF6를 상기 도 11의 구조물에 공급함을 통해 달성될 수 있다. 특히, 마이크로 로드들(220) 사이의 간격이 좁은 경우, 마이크로 로드(220)의 상위 부분이 공격을 받아 식각이 수행되며, 간격이 넓은 경우, 마이크로 로드(220)의 하위 부분이 에천트의 공격을 받아 식각이 수행된다.
도 13을 참조하면, 마이크로 팁(230)이 형성된 매립 기판(310) 및 비아 플러그(320) 상에 도전층(240) 및 보호막(250)을 순차적으로 형성한다. 따라서, 도전층(240)은 마이크로 팁(230)의 전면을 감싸고, 마이크로 팁(230) 사이에 노출된 매립 기판(310) 표면을 도포하는 양상으로 형성된다. 또한, 도전층(240)의 상부에는 보호막(250)이 형성된다. 또한, 도전층(240)은 비아 플러그(320)의 일부 노출된 표면상에도 형성된다. 따라서, 상기 도전층(240)은 비아 플러그(320)와 전기적으로 연결된다.
도전층(240)의 재질은 도전성 재질이라면 특별한 한정이 없을 것이나. 하부의 매립 기판(310) 또는 마이크로 팁(230)과의 접합성을 고려하여 선택될 수 있다. 즉, 도전층(240)은 ITO, IZO 또는 AZO 등의 도전성 산화물로 구성될 수 있으며, 일반적인 금속으로 구성될 수 있다. 이외에도 상기 도전층(240)은 금속물의 다중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 텅스텐 또는 이의 합금으로 1차 도전층이 형성되고, 1차 도전층 상부에 금 또는 이의 합금으로 2차 도전층이 형성되어 적어도 2층의 도전물로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 보호막(250)은 부도체의 특성을 가진 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이나, 도전층(240)과의 접합성 및 식각 선택비에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 도전층(240)이 금속물로 형성된 경우, 상기 보호막(250)은 산화물 또는 질화물로 구성됨이 바람직하다.
또한, 보호막(250) 상에는 충진 포토레지스트(260)가 도포된다. 충진 포토레지스트(260)의 도포는 마이크로 팁들(230) 사이의 이격공간을 매립하는 양상으로 전개된다. 또한, 충진 포토레지스트(260)는 마이크로 팁(230)의 최상위 부위를 완전히 덮지 않도록 도포된다. 따라서, 마이크로 팁들(230) 사이의 이격공간에 도포된 충진 포토레지스트(260)의 높이는 마이크로 팁(230)의 말단부의 높이보다 낮도록 설정된다. 따라서, 마이크로 팁(230)의 말단부에 일부 도포되는 충진 포토레지스트(260)의 두께는 다른 부위에 도포된 충진 포토레지스트(260)의 두께보다 훨씬 낮은 양상을 가진다.
도 14를 참조하면, 충진 포토레지스트(260)가 도포된 영역에 대한 에치백 공정이 수행된다. 에치백을 통해 비교적 얇은 두께를 가지는 충진 포토레지스트(260)는 제거된다. 따라서, 마이크로 팁(230) 상부의 보호막(250)의 일부는 제거되고, 마이크로 팁(230)의 말단부에 도포된 도전층(240)이 노출된다.
이어서, 도포된 충진 포토레지스트(260)를 제거한다. 따라서, 마이크로 팁(230), 비아 플러그(320)의 일부 및 매립 기판(310) 상에는 도전층(240)이 도포된다. 또한, 보호막(250)은 도전층(240) 상부에 도포되며, 마이크로 팁(230)의 말단부에 대응하는 영역에서 보호막은 제거된다. 따라서, 마이크로 팁(230)의 말단부에는 도전층(240)만 잔류한다. 따라서, 마이크로 팁(230)의 말단부 상에 노출된 도전층(240)에 의해 외부와 전기적 접촉이 발생될 수 있다.
도 15 내지 도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 팁 전극체의 제조방법을 도시한 단면도들 및 이미지이다.
도 15를 참조하면, 상기 도 6 또는 도 14의 마이크로 팁 구조물 상에 충진층(400)이 형성된다. 상기 충진층(400)은 포토레지스트로 구성된다. 예컨대 AZ4620 포토레지스터가 도포되고, 열처리를 통해 큐어링된다. 상기 열처리온도는 포토레지스터의 종류에 따라 달리 설정될 수 있으며, AZ4620이 사용된 경우, 110℃ 내지 180℃의 온도로 열처리된다. 열처리를 통해 충진층(400)은 소정의 경도를 가지고 경화된다. 또한, 열처리 후에는 이후에 형성되는 제1 전극층(410)과의 접착력을 향상시키기 위해 O2 플라즈마 처리가 수행된다. O2 플라즈마 처리를 통해 충진층(400)의 표면은 소정의 거칠기를 가지게 된다. 또한, 상기 충진층(400)의 높이는 마이크로 팁(130)이 가지는 높이 이상임이 바람직하며, 마이크로 팁(130)의 단부 상에는 돌출된 형태로 충진층(400)이 형성된다. 상기 O2 플라즈마 처리는 100Pa의 압력조건에서 O2 300sccm의 유량으로 수행될 수 있다.
계속해서 충진층(400) 상에는 제1 전극(410)이 도포된다. 상기 제1 전극(410)은 충진층(400) 상에 전면 도포되며, 금속 재질임이 바람직하다. 예컨대, Al 등이 제1 전극(410)의 재질로 활용될 수 있다.
도 16을 참조하면, 제1 전극(410) 상에 자기정렬 포토레지스트(420)가 도포된다. 상기 자기정렬 포토레지스트(420)는 등방성 식각의 마스크로 사용될 수 있는 재질이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
도 17을 참조하면, 도 16의 구조물에 대해 에치백 공정이 수행된다. 에치백 공정을 통해 마이크로 팁(130)의 말단부 상의 돌출된 충진층(400) 상에 형성된 제1 전극(410)의 일부는 노출된다. 상기 제1 전극(410)의 일부의 노출을 위해 사용되는 에치백 공정은 O2 플라즈마를 이용한다. 예컨대, O2 5sccm, CF4, 50sccm, 압력 0.55Torr의 조건에서 RF 파워가 150W로 설정되어 5분 내지 7분의 식각을 통해 마이크로 팁(130)의 말단부 상의 제1 전극(410)의 일부가 노출된다.
도 18을 참조하면, 노출된 제1 전극(410)에 대한 등방성 식각이 수행된다. 상기 등방성 식각은 습식 식각임이 바람직하다. 습식 식각을 위해 사용되는 에천트는 제1 전극(410)의 재질에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극(410)이 Al을 포함하는 경우, H3PO4 80%, HNO3 5%, CH3COOH 5%, DI water 10%의 에천트가 사용될 수 있다.
또한, 식각 시간의 증가에 따라 제1 전극(410)은 제거되며, 제1 전극(410) 상부의 자기정렬 포토레지스트(420)의 일부도 식각된다. 또한, 마이크로 팁(130) 상부의 도전층(140)은 잔류한다. 도전층(140)의 잔류를 위해 상기 도전층(140)은 도전성 산화물로 구성됨이 바람직하다. 즉, 제1 전극(410)이 금속물인 경우, 동일 금속물로 도전층(140)의 형성될 경우, 등방성 식각을 통해 도전층(140)도 동일하게 식각될 위험이 있다. 따라서, 상기 도전층(140)은 도전성 산화물임이 바람직하다. 이외에도 상기 도전층(140)은 화학적으로 상기 제1 전극(410)과 식각 선택비를 가진 금속이라면 사용가능하다 할 것이다.
도 19를 참조하면, 도 18에 개시된 구조물에 대해 2차 등방성 식각이 수행된다. 상기 등방성 식각은 O2 플라즈마를 이용한 건식식각임이 바람직하다. O2 플라즈마를 통해 충진층은 반구 형태로 등방성 식각이 수행된다. 이는 고분자 재질의 포토레지스트가 충진층을 구성하는 원인에 기인한다. 또한, 반구 형태의 식각을 통해 충진층에는 함몰부가 형성된 수용부가 형성될 수 있다.
등방성 식각의 수행을 통해 충진층(400)은 대략 반구형의 함몰부(435)를 형성하며, 함몰부(435)의 저면에는 마이크로 팁(130)이 노출된다. 이를 통하여 함몰부(435)를 가지는 수용층(430)이 형성될 수 있다.
형성된 수용층(430) 상의 함몰부(435)는 세포 포획 패턴을 형성한다. 즉, 별도의 포토레지스트를 이용한 패터닝 공정이 요구되지 않으며, 마이크로 팁(130) 상부의 돌출된 충진층(400)의 일부를 이용한 자기정렬을 통해 수용층(430)을 형성할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 실시예의 도 15 내지 도 19에서는 상기 도 6의 마이크로 팁 구조체 상에서의 수용부의 형성을 도시하나, 이는 상기 도 14의 마이크로 팁 구조체 상에서의 수용부 형성도 동일한 방법으로 이루어질 수 있다.
도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성된 마이크로 팁을 이용한 전극체를 촬영한 이미지이다.
도 20을 참조하면, 기판은 실리콘이 사용되며, 마이크로 팁도 실리콘으로 형성된다. 또한, 도전층은 도전성 산화물의 일종인 ITO가 사용되며, 보호막으로는 실리콘 산화물이 사용된다. 수용층은 AZ4620이 사용된다. 또한, 제1 전극은 Al이 사용되며, 제1 전극의 등방성 식각을 위해 에천트로 H3PO4 80%, HNO3 5%, CH3COOH 5%, DI water 10%의 용액이 사용된다. 식각은 2분동안 수행된다.
상기 도 20에서 마이크로 팁 주변으로 함몰부가 형성된 수용층이 개시된다. 함몰부의 중심부에는 마이크로 팁이 나타난다.
또한, 본 발명에 의해 형성된 마이크로 팁을 이용한 전극체에는 생체 에너지를 이용할 수 있는 세포 또는 염료 등이 적용될 수 있다. 예컨대, 수용층의 함몰부에는 개별적인 세포가 충진될 수 있으며, 함몰부의 사이즈에 따라 적어도 하나의 세포가 마이크로 팁과 전기적으로 접할 수 있다. 또한, 수용층 상부에 형성된 제1 전극을 통해 세포는 제1 전극과 전기적으로 접할 수 있다. 또한, 마이크로 팁 상부를 도포하는 도전층은 제2 전극을 형성하고, 마이크로 팁과 접촉되는 세포 또는 염료에서 발생되는 전기적 신호는 제1 전극 및 제2 전극을 통해 특정한 전압의 형태로 나타날 수 있다.
상술한 본 발명을 통해 세포의 광합성 에너지는 마이크로 팁의 전극체를 통해 전기적 에너지로 변환될 수 있으며, 함몰부가 형성된 수용층 내로 세포가 안착됨을 통해 안정적인 전기적 에너지가 획득될 수 있다.
또한, 함몰부가 형성된 수용층을 매립하는 형태로 염료가 제공될 수 있다. 염료에서 발생된 전자 및 정공은 제1 전극 및 제2 전극으로 각각 이동하여 염료감응형 태양전지를 형성할 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 마이크로 팁은 함몰부를 가지는 수용층으로 감싸지는 형태로 제공된다. 함몰부에는 광합성 동작에 따른 전기에너지 또는 전기적 신호를 생성할 수 있는 세포가 충진된다. 세포는 마이크로 팁을 코팅하는 도전층으로 구성된 제2 전극과 전기적으로 연결되고, 수용층 상부의 제1 전극과 전기적으로 연결된다. 수용층에 충진되는 세포는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 혈액 세포 등 다양한 형태의 세포가 수용층에 제공될 수 있다.
또한, 제1 전극과 제2 전극을 통해 전류가 인가되고, 마이크로 팁과 접촉하는 세포의 전기적 상태의 측정을 통해 세포의 생체적 상태를 확인할 수 있다.
상술한 동작 또는 과정을 통해 수용층에는 생체 세포 또는 염료 등이 충진되어 이들을 통한 전기적 에너지의 획득이 가능하며, 2개의 전극 사이의 전류 또는 전압의 인가를 통해 세포의 생체환경을 측정할 수 있는 잇점이 있다.
100 : 기판 130, 230 : 마이크로 팁
140, 240 : 도전층 150, 250 : 보호막
430 : 수용부 435 : 함몰부

Claims (15)

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  8. 기판 상에 마이크로 팁, 상기 마이크로 팁 상부를 도포하는 도전층 및 보호막으로 구성된 마이크로 팁 구조물을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 팁 구조물 상에 충진층을 형성하여 상기 마이크로 팁 상부에 상기 충진층이 표면으로부터 돌출된 형상을 가지도록 하는 단계;
    상기 충진층 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 자기정렬 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 자기정렬 포토레지스트에 대한 에치백 공정을 통해 상기 마이크로 팁 상부 영역의 상기 제1 전극을 노출시키는 단계; 및
    상기 노출된 제1 전극에 대한 식각을 통해 함몰부를 가지는 수용부를 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 충진층의 두께는 상기 마이크로 팁의 높이 이상인 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 마이크로 팁 구조물 상에 충진층을 형성하는 단계는,
    상기 마이크로 팁 구조물 상에 충진층을 도포하는 단계;
    상기 충진층에 대한 열처리를 통해 상기 충진층을 경화시키는 단계; 및
    상기 경화된 충진층에 대한 O2 플라즈마 처리를 통해 상기 충진층에 표면 거칠기를 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서, 상기 함몰부의 형성은 등방성 식각을 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 함몰부를 통해 상기 마이크로 팁의 말단부는 노출되는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 마이크로 팁을 형성하는 단계는,
    패터닝된 제1 기판 상의 홈부를 매립하는 매립 기판을 형성하는 단계;
    상기 매립 기판의 이격 공간 사이를 매립하고, 상기 매립 기판을 관통하는 비아 플러그를 형성하는 단계;
    상기 제1 기판의 홈부 반대편을 식각하여 상기 마이크로 팁을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 팁 상에 상기 도전층 및 상기 보호막을 순차적으로 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 팁 말단부의 상기 보호막을 제거하여 상기 도전층의 일부를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 마이크로 팁을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 선택적 식각을 통해 마이크로 로드를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 로드를 식각하여 상기 마이크로 팁을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 팁 상에 상기 도전층 및 상기 보호막을 순차적으로 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 팁의 말단부에 형성된 상기 보호막을 제거하여 상기 마이크로 팁의 말단부 상의 상기 도전층을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 팁 전극체의 제조방법.
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