KR102498906B1

KR102498906B1 - 이중 전극을 포함하는 미세 탐침 어레이 장치 및 제조 방법

Info

Publication number: KR102498906B1
Application number: KR1020200112723A
Authority: KR
Inventors: 박재형; 이승기; 최동근; 신소빈
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2023-02-13
Also published as: KR20210122634A

Abstract

이중 전극을 포함하는 미세 탐침 어레이 장치 및 제조 방법이 개시된다. 미세 탐침 어레이 장치는 기판; 상기 기판을 관통하여 형성된 비아 컨택; 상기 비아 컨택의 상단에 형성된 탐침 형태의 워킹 전극; 상기 비아 컨택의 하단에 형성되어 상기 워킹 전극에 전기 신호를 제공하는 레퍼런스 전극; 상기 워킹 전극의 위에 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층의 위에 형성된 카운터 전극; 상기 카운터 전극의 위에 형성된 제2 절연층을 포함하고, 상기 워킹 전극, 상기 카운터 전극 및 워킹 전극에 접촉된 객체들 사이에 전기 신호의 흐름이 형성될 수 있다.

Description

이중 전극을 포함하는 미세 탐침 어레이 장치 및 제조 방법 {MICRO PROBE ARRAY DEVICE COMPRISING DUAL ELECTRODES AND MANUFACTURING METHOD OF THE DEVICE }

아래 설명들은 전기 흐름을 구성하는 이중 전극을 포함하는 미세 탐침 어레이 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

인체의 특정 조직에 질병이 발생하는 경우, 조직에서 질병이 발생한 영역에 전기 자극을 제공함으로써 질병을 치료할 수 있다. 이 때, 특정 조직에 전기 자극을 제공하기 위해 복수의 전극들로 구성된 장치가 사용되었다.

하지만, 복수의 전극들 사이에 간섭이 높은 경우 공간해상도가 높지 않아서 치료 효과가 낮은 문제가 있다. 그리고, 특정 조직은 불규칙한 형태로 곡률을 가지고 있다. 그래서, 장치는 조직의 곡률에 따라 조직에 밀착되면서도 일정 깊이로 전극이 조직에 삽입되도록 이식되는 것이 필요하다. 또한, 복수의 전극들 각각에 개별적인 전기 신호를 적용하여 조직에서 국부적인 영역에 자극을 가할 필요도 있다.

한국등록공보 1618923호 (등록일: 2016.04.29)

본 발명은 전기 흐름을 구성하는 이중 전극을 이용하여 동일 면적에 많은 미세 탐침이 배치되는 장치를 제공한다.

본 발명은 어레이 형태로 배치된 작업 전극의 개별적인 어드레싱을 통해 국부적이고 선택적인 자극을 객체에 적용할 수 있는 장치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치는 기판; 상기 기판을 관통하여 형성된 비아 컨택; 상기 비아 컨택의 상단에 형성된 탐침 형태의 워킹 전극; 상기 비아 컨택의 하단에 형성되어 상기 워킹 전극에 전기 신호를 제공하는 레퍼런스 전극; 상기 워킹 전극의 위에 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층의 위에 형성된 카운터 전극; 상기 카운터 전극의 위에 형성된 제2 절연층을 포함하고, 상기 워킹 전극, 상기 카운터 전극 및 워킹 전극에 접촉된 객체들 사이에 전기 신호의 흐름이 형성될 수 있다.

상기 워킹 전극의 팁 영역에는 제1 절연층이 커버되지 않고 노출되며, 상기 워킹 전극의 팁 영역을 제외한 나머지 영역은 제1 절연층에 의해 커버될 수 있다.

상기 워킹 전극과 카운터 전극은 제1 절연층에 의해 분리될 수 있다.

상기 워킹 전극의 길이는 카운터 전극의 길이와 다를 수 있다.

상기 워킹 전극의 길이가 카운터 전극의 길이보다 길 수 있다.

상기 워킹 전극의 높이는, 기판과 워킹 전극의 팁 영역에 접촉되는 객체들 간의 거리에 따라 다르게 설정되고, 상기 거리는, 객체의 형태나 곡률에 따라 결정될 수 있다.

상기 워킹 전극은, 비아 컨택을 통해 레퍼런스 전극과 연결되고, 비아 컨택은 기판에서 미리 설정된 간격에 따라 이격되어 서로 독립적으로 배치될 수 있다.

상기 워킹 전극의 팁 영역은, 객체와 접촉하여 비아 컨택을 통해 전달된 전기 신호를 객체에 제공하거나 또는 객체로부터 전기 신호를 획득할 수 있다.

상기 워킹 전극의 높이는 객체의 곡률에 대응되도록 조절될 수 있다.

상기 워킹 전극은, 엑추에이터의 기계적인 압력이 레퍼런스 전극에 적용되면 객체와의 거리가 가까워지거나 또는 객체에 삽입되는 깊이가 증가할 수 있다.

상기 기계적인 압력은, 상기 워킹 전극으로부터 출력된 전기 신호가 카운터 전극을 통해 객체로부터 피드백된 결과에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 피드백된 결과에 대응하는 전기 신호가 일정 크기 이하인 경우, 기계적인 압력이 증가할 수 있다.

상기 카운터 전극의 일부 영역은 제2 절연층에 의해 커버되고, 상기 일부 영역을 제외한 나머지 영역은 제2 절연층에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있다.

서로 인접하는 워킹 전극들 간에는 서로 이격되어 형성되고, 서로 인접하는 카운터 전극들은 서로 연결되어 형성되거나 도는 서로 이격되어 형성될 수 있다.

상기 기판은, 외부 압력에 의해 형태가 변형되지 않는 고정된 소재로 구성되거나 또는 외부 압력에 의해 형태가 변형되는 유연한 소재로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치의 제조 방법은 (1) 미세 탐침의 개별 어드레싱을 위해 실리콘 웨이퍼의 후면을 비등방성 식각을 하는 공정; (2) 미세 탐침을 절연하기 위해 실리콘 웨이퍼와 유리 웨이퍼를 양극 접합하고, 유리 웨이퍼를 재흘림하는 공정; (3) 화학적/기계적 연마(CMP)를 통해 실리콘 웨이퍼의 위에 존재하는 유리를 제거하고, 실리콘 웨이퍼의 두께를 일정 크기만큼 줄이는 공정; (4) 실리콘 산화막(oxide)을 증착하고, 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 만들기 위한 패터닝 공정; (5) 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 생성하기 위해 비등방성 식각을 하는 공정; (6) 감광제를 제거하고, 습식 식각을 통해 팁 영역이 뾰족한 미세 탐침을 형성하는 공정; (7) 감광제를 증착하고, 미세 탐침의 위에 워킹 전극이 남도록 사진 식각(Photolithography)에 따라 패터닝하는 공정; (8) 워킹 전극을 형성하기 위한 도전성 물질을 증착하는 공정; (9) 미세 탐침 영역에서 감광제를 제거하고 미세 탐침에 증착된 도전성 물질만 남도록 하는 리프트 오프(Lift-Off) 공정; (10) 절연 물질과 카운터 전극을 형성하기 위한 도전성 물질을 증착하고 다시 절연 물질(파릴렌)을 증착하는 공정; (11) 감광제를 스핀 코팅하는 공정; (12) 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 파릴렌을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정; (13) 감광제를 스핀 코팅하는 공정; (14) 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 도전성 물질을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정; (15) 감광제를 스핀 코팅하는 공정; (16) 실리콘 웨이퍼의 후면에 도전성 물질을 증착하고, 감광제를 증착하는 공정; (17) 실리콘 웨이퍼의 후면에 증착된 크롬 또는 금을 식각하고, 감광제를 제거하는 공정을 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 실리콘 비등방성 식각을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 미세 탐침들을 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 실리콘 비등방성 식각과 유리 재흘림 공정을 이용하여 미세 탐침들을 개별 어드레싱하여 객체의 영역마다 서로 다른 자극을 줄 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 자기정렬 공정을 이용하여 적은 개수의 마스크로도 미세 탐침 어레이 장치를 제공할 수 있어서 저렴하면서도 간단한 공정으로 복잡한 구조의 이중 전극을 가지는 미세 탐침 어레이 장치를 제작할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 워킹 전극과 카운터 전극이 이중 전극 형태로 일체화된 형태의 미세 탐침 어레이 장치를 제작할 수 있어서, 같은 면적에 보다 많은 개수의 미세 탐침을 배치할 수 있어서 더 많은 화소를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치가 객체에 이식된 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치의 제조 방법을 도시한 도면이다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치가 객체에 이식된 결과를 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 전기 신호를 제공하거나 또는 전기 신호가 발생되는 조직 (이하, 객체)(101)에 미세 탐침 어레이 장치(100)가 배치될 수 있다. 일례로, 객체는 망막이나 신경 세포 등을 포함할 수 있다. 미세 탐침 어레이 장치(100)는 반도체 공정에 따라 제조될 수 있다. 미세 탐침 어레이 장치(100)는 복수의 전극들이 어레이 형태로 배치될 수 있다. 미세 탐침 어레이 장치(100)는 마이크로 단위의 크기를 가지는 복수의 전극들을 개별적으로 어드레싱하여 전기 신호를 제공할 수 있다. 여기서, 복수의 전극들의 팁 영역은 탐침 형태(probe)로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치(100)는 워킹 전극과 카운터 전극이 일체화된 이중 전극을 적어도 하나를 포함할 수 있다. 워킹 전극과 카운터 전극은 객체를 통해 전기 신호가 이동하는 전기적인 흐름을 형성하는 통로가 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치를 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 미세 탐침 어레이 장치는 워킹 전극(Working electrode)(202), 제1 절연층(203), 카운터 전극(Counter electrode)(204), 제2 절연층(205), 비아 컨택(206), 기판(207), 및 레퍼런스 전극(reference electrode)(208)를 포함할 수 있다. 미세 탐침 어레이 장치는 복수의 워킹 전극들(202)(1-5)을 포함하며, 복수의 워킹 전극들(1-5)은 일정 간격만큼 이격될 수 있어서 개별적인 어드레싱이 가능할 수 있다. 워킹 전극(202)은 팁 영역이 탐침 형태를 나타낸다. 워킹 전극(202)의 팁 영역의 면적은 탐침 형태로 작게 설정되어 세포와 같은 객체(201)에 침습이 용이하다. 일례로, 워킹 전극(202)은 원뿔, 삼각뿔, 사각뿔 형태로 구성될 수 있으나, 원기둥 형태도 가능하다.

기판(207)은 유리와 같은 고정 물질로 구성되거나 또는 PDMS와 같이 유연 물질로 구성될 수 있다. 기판(207)이 유연 물질로 구성된 경우, 외부에서 적용되는 힘에 따라 기판(207)의 형태가 변경될 수 있다. 외부에서 적용되는 힘에 따라 기판(207)의 형태가 변경되면 워킹 전극(202)의 팁 영역의 위치도 변경되어 워킹 전극(202)과 객체(201)의 접촉 정도도 달라질 수 있다.

도 2를 참고하면, 워킹 전극(202)과 카운터 전극(204)은 제1 절연층(203)에 의해 분리된다. 워킹 전극(202)의 경사면에 제1 절연층(203)이 배치된다. 그리고, 카운터 전극(204)의 경사면에는 제2 절연층(205)가 배치된다. 워킹 전극(202), 카운터 전극(204) 및 워킹 전극(202)과 연결된 객체(201) 사이에 전기 신호의 흐름이 형성될 수 있다. 예를 들어, 워킹 전극(202)에서 출력된 전기 신호는 워킹 전극(202)이 접촉한 객체(201)에 전달되며, 객체(201)에서 출력된 전기 신호는 카운터 전극(204)에 전달될 수 있다. 워킹 전극(202)과 카운터 전극(204)은 일체화되어 이중 전극의 형태로 구성된다.

도 2의 경우, 하나의 워킹 전극(202)에 하나의 카운터 전극(204)으로 구성된 하나의 이중 전극이 도시되지만, 본 발명은 하나의 워킹 전극(202)에 복수의 카운터 전극(204)들로 구성된 복수의 이중 전극들도 제외하지 않는다. 카운터 전극(204)들이 복수가 존재하는 경우, 카운터 전극(204)들 사이에 절연층(205)이 배치될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 워킹 전극(202)과 카운터 전극(204)이 이중 전극을 구성하여 일체화되어 있기 때문에, 같은 면적에서 보다 많은 미세 탐침의 형태를 가지는 워킹 전극(202)이 배치될 수 있다. 그리고, 워킹 전극(202)들 간에는 일정 간격만큼 이격되어 있고, 제1 절연층(203)와 제2 절연층(205) 등으로 구분되어 있으므로 워킹 전극(202)들 간에 간섭이 적다. 또한, 워킹 전극(202)이 탐침 형태이므로 국부적인 자극이 가능하므로, 객체(201)에 대해 인접 영역에 전기 신호가 미치는 영향이 적다.

도 2를 참고하면, 워킹 전극(202)의 주변에 제1 절연층(203)이 배치된다. 워킹 전극(202)의 경사면에 제1 절연층(203)이 배치된다. 구체적으로, 워킹 전극(202)의 경사면의 일부에 절연층(203)이 형성되며, 워킹 전극(202)의 팁 영역에는 절연층(203)이 형성되지 않을 수 있다. 절연층(203)에 의해 인접하는 워킹 전극(202)들이 서로 간섭되지 않고 독립적으로 배치되기 때문에, 워킹 전극(202)들 각각에 대해 개별적인 어드레싱이 가능하다.

마찬가지로 제1 절연층(203)의 경사면에 카운터 전극(204)이 배치된다. 그리고, 카운터 전극(204)의 경사면에 제2 절연층(205)이 배치된다. 워킹 전극(202)의 경사면의 일부에 제1 절연층(203)이 배치될 수 있다. 다시 말해, 워킹 전극(202)의 경사면의 일부는 제1 절연층(203)에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있으며, 경사면의 나머지는 제1 절연층(203)에 의해 커버된다.

또한, 제1 절연층(203)의 경사면의 일부에 카운터 전극(204)이 배치될 수 있다. 제1 절연층(203)의 경사면의 일부는 카운터 전극(204)에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있으며, 제1 절연층(203)의 경사면의 나머지는 카운터 전극(204)에 의해 커버된다.

카운터 전극(204)의 경사면의 일부에 제2 절연층(205)이 배치될 수 있다. 다시 말해, 카운터 전극(204)의 경사면의 일부는 제2 절연층(205)에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있으며, 경사면의 나머지는 제2 절연층(205)에 의해 커버된다.

그래서, 도 2를 참고하면, 워킹 전극(202), 제1 절연층(203), 카운터 전극(204), 제2 절연층(205)이 순서대로 배치된다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 길이는 워킹 전극(202), 제1 절연층(203), 카운터 전극(204), 제2 절연층(205)이 순서대로 작아진다. 워킹 전극(202)은 제1 절연층(203)에 의해 전기적으로 카운터 전극(204)과 분리된다. 그리고, 워킹 전극(202)의 일부 영역은 제1 절연층(203)에 의해 커버되고, 나머지 영역은 제1 절연층(203)에 의해 커버되지 않고 외부로 노출될 수 있다. 특히, 워킹 전극(202)의 팁 영역은 객체(201)와 접촉되어야 하므로 제1 절연층(203)에 의해 커버되지 않는다.

워킹 전극(202)은 비아 컨택(206)을 통해 레퍼런스 전극(208)과 연결된다. 비아 컨택(206)의 상단에 워킹 전극(202)이 배치되고, 비아 컨택(206)의 하단에 레퍼런스 전극(208)이 배치된다. 비아 컨택(206)은 기판(207)에서 미리 설정된 간격에 따라 이격되어 서로 독립적으로 배치될 수 있다. 비아 컨택(206)은 절연체로 구성된 기판(207)에 의해 분리되기 때문에 서로 이격되어 배치된다. 워킹 전극(202)의 팁 영역은 객체(201)와 접촉하여 비아 컨택(206)을 통해 전달된 전기 신호를 객체(201)에 제공하거나 또는 객체(201)로부터 전기 신호를 획득할 수 있다.

비아 컨택(206)은 워킹 전극(202)과 레퍼런스 전극(208) 간에 이동하는 전기 신호의 통로를 제공하기 위해 도전 물질로 구성된다. 비아 컨택(206)는 기판(207)에서 미리 설정된 간격에 따라 이격되어 서로 독립적으로 배치될 수 있다. 그래서, 비아 컨택(206)에 연결된 워킹 전극(202)들은 서로 간섭없이 개별적인 어드레싱이 가능하다.

레퍼런스 전극(208)을 통해 입력된 전기 신호는 비아 컨택(206)을 거쳐 워킹 전극(202)에 제공된다. 워킹 전극(202)의 팁 영역은 탐침 형태로 되어 객체(201)와 접촉될 수 있다. 그래서, 워킹 전극(202)에서 출력된 전기 신호는 객체(201)에 전달된다. 또는 객체(201)에서 발생된 전기 신호는 워킹 전극(202)으로 전달될 수도 있다.

도 2를 참고하면, 미세 탐침 어레이 장치는 엑츄에이터(209)를 더 포함할 수 있다. 엑츄에이터(209)는 레퍼런스 전극(208)에 기계적인 압력을 가할 수 있다. 기계적인 압력은 레퍼런스 전극(208)에 수직으로 가해지는 압력을 의미한다. 엑츄에이터(209)가 레퍼런스 전극(208)에 적용하는 기계적인 압력에 따라 워킹 전극(202)의 팁 영역이 객체(201)에 더 깊이 삽입된다. 엑츄에이터(209)는 레퍼런스 전극(208)의 개수와 동일한 개수로 레퍼런스 전극(208)들 각각에 배치되거나 또는 레퍼런스 전극(208)에 공통적으로 적용될 수 있도록 하나만 배치될 수 있다. 또는 엑츄에이터(209)는 미세 탐침 어레이 장치에서 특정 영역마다 하나씩 할당될 수 있다.

기계적인 압력의 세기에 따라 워킹 전극(202)의 팁 영역이 객체(201)에 삽입되는 깊이가 달라진다. 즉, 기계적인 압력이 클수록 워킹 전극(202)의 팁 영역은 객체(201)에 더 깊이 삽입된다. 이 때, 기계적인 압력은 객체(201)로부터 피드백된 전기 신호에 기초하여 조절될 수 있다.

객체(201)로부터 피드백된 전기 신호의 세기가 특정 기준 세기보다 작은 경우, 워킹 전극(202)의 팁 영역과 객체(201)간의 접촉 정도가 작다고 판단될 수 있다. 그러면, 객체(201)로부터 피드백되는 전기 신호의 세기가 작을수록 엑츄에이터(209)의 기계적인 압력은 더 증가한다. 기계적인 압력이 증가할수록 워킹 전극(202)의 팁 영역과 객체(201)가 접촉하는 정도는 증가한다. 기계적인 압력은 워킹 전극(202)에 대해 개별적으로 다르게 설정될 수 있다.

도 2에서 제1 절연층(203), 제2 절연층(205) 또는 기판(207)은 미세 탐침 어레이 장치의 후면에서 워킹 전극(202)의 팁 영역이 객체(201)에 삽입되는 위치나 삽입되는 정도가 확인될 수 있도록 투명 소재로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 미세 탐침 어레이 장치는 워킹 전극(302)들 각각의 높이가 서로 동일한 경우를 나타낸다. 하지만, 도 3에 도시된 미세 탐침 어레이 장치는 객체(301)의 곡률에 따라 워킹 전극(302)이 객체(301)에 밀착되어 접촉될 수 있도록 워킹 전극(302)들 높이가 서로 다르게 배치된다. 도 3을 참고하면, 도 2와 다르게 달리 워킹 전극(302)의 높이(높이)가 객체(301)의 영역마다 서로 다르게 설정될 수 있다. 객체(301)의 영역마다 기판(307)에서 객체(301)까지의 거리가 다르게 결정된다.

도 3의 경우, 도 2와 달리 객체(301)에 곡률에 의해 미세 탐침 어레이 장치의 영역마다 기판(307)에서 객체(301)까지의 거리가 다른 경우를 나타낸다. 이 경우, 미세 탐침 어레이 장치의 영역마다 워킹 전극(302)의 높이가 다르게 설정될 수 있다.

도 3을 참고하면, 미세 탐침 어레이 장치는 워킹 전극(302), 절연층(303), 기판(304), 비아 컨택(305) 및 레퍼런스 전극(306)를 포함할 수 있다. 또한, 미세 탐침 어레이 장치는 엑츄에이터(309)를 더 포함할 수 있다. 워킹 전극(302), 절연층(303), 기판(304), 비아 컨택(305) 및 레퍼런스 전극(306)의 설명은 도 2에 도시된 워킹 전극(202), 절연층(203), 기판(204), 비아 컨택(205) 및 레퍼런스 전극(206)의 설명에 대응된다.

도 3을 참고하면, 객체(301)의 중간 영역이 나머지 영역보다 객체(301)와 기판(307) 간의 거리가 가장 큰 것을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 객체(301)의 중간 영역이 기판(307)으로부터 가장 멀리 떨어져 있으므로, 객체(301)의 중간 영역에 위치한 워킹 전극 2(302)가 높이 H2로 가장 크다.

다만, 위의 설명은 예시에 불과하며, 객체(301)의 형태나 곡률에 따라 객체(301)와 기판(307) 간의 거리가 다르게 결정되며, 객체(301)와 기판(307)의 거리에 기초하여 워킹 전극(302)의 높이도 다르게 설정될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 워킹 전극(302)의 높이는 외부 조작 등을 통해 적응적으로 변경(증가 또는 감소)될 수 있다. 또는 워킹 전극(302)의 높이는 고정이지만 엑츄에이터(309)가 레퍼런스 전극(308)에 적용하는 기계적인 압력에 따라 워킹 전극(302)의 팁 영역이 객체(301)의 방향으로 이동함으로써 워킹 전극(302)의 팁 영역이 객체(301)에 접촉되는 정도가 증가할 수 있다.

도 4 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 탐침 어레이 장치의 제조 방법을 도시한 도면이다.

도 4의 STEP 1에서, 미세 탐침의 개별 어드레싱을 위해 실리콘 웨이퍼의 후면을 비등방성 식각을 하는 공정이 수행된다. 여기서, 비등방성 식각은 - Deep Reactive Ion Etching(DRIE)에 따라 처리된다. STEP 1의 공정에 의해, 복수의 원기둥이 어레이 형태로 형성될 수 있다. 여기서 원기둥은 실리콘으로 구성될 수 있다. 실리콘 웨이퍼에서 원기둥 영역만 남기고 나머지 영역은 DRIE 공정에 따라 수직으로 식각함으로써 복수의 원기둥들이 어레이 형태로 형성될 수 있다. 복수의 원기둥들 각각은 개별적인 어드레싱 구조를 나타낸다.

도 4의 STEP 2에서, 미세 탐침을 절연하기 위해 실리콘 웨이퍼와 유리 웨이퍼를 양극 접합하고, 유리 웨이퍼를 재흘림하는 공정이 수행된다. 실리콘 웨이퍼가 식각된 영역에 유리가 채워질 수 있도록 진공 상태(1E-3 torr)에서 실리콘 웨이퍼와 유리 웨이퍼가 결합될 수 있다. 유리는 기판을 구성한다.

도 5의 STEP 3에서, 화학적/기계적 연마(CMP)를 통해 실리콘 웨이퍼의 위에 존재하는 유리를 제거하고, 실리콘 웨이퍼의 두께를 일정 크기만큼 줄이는 공정이 수행된다.

도 5의 STEP 4에서, 실리콘 산화막(oxide)을 증착하고, 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 만들기 위한 패터닝 공정이 수행된다.

도 6의 STEP 5에서, 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 생성하기 위해 비등방성 식각 공정이 수행된다.

도 6의 STEP 6에서, 감광제를 제거하고, 습식 식각을 통해 팁 영역이 뾰족한 미세 탐침을 형성하는 공정이 수행된다. 불산과 질산이 혼합된 용액을 사용하여 등방성 습식 식각이 실행되며, 이에 따라 팁 영역이 탐침 형태인 미세 탐침 구조가 형성될 수 있다. STEP 6을 통해 개별적인 어드레싱이 가능한 비아 컨택이 형성된다.

도 7의 STEP 7에서, 감광제를 증착하고, 미세 탐침의 위에 워킹 전극이 남도록 사진 식각(Photolithography)에 따라 패터닝하는 공정이 수행된다.

도 7의 STEP 8에서, 워킹 전극을 형성하기 위한 도전성 물질을 증착하는 공정이 수행된다. 여기서, 도전성 물질은 금 또는 크롬이 될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 8의 STEP 9에서, 미세 탐침 영역에서 감광제를 제거하고 미세 탐침에 증착된 도전성 물질만 남도록 하는 리프트 오프(Lift-Off) 공정이 수행된다.

도 8의 STEP 10에서, 절연 물질인 파릴렌과 카운터 전극을 형성하기 위한 도전성 물질(금 또는 크롬)을 증착하고 다시 절연 물질(파릴렌)을 증착하는 공정이 수행된다. 여기서, 절연 물질인 파릴렌은 미세 탐침 어레이 장치에서 제1 절연층과 제2 절연층의 구성 요소가 된다. STEP 10에서 증착된 도전성 물질은 카운터 전극을 형성하기 위해 이용된다.

도 9의 STEP 11에서, 감광제를 스핀 코팅하는 공정이 수행된다. 여기서, 감광제는 두번째로 증착된 절연 물질이 식각되어 두번째로 증착된 도전성 물질이 노출될 수 있는 위치까지 코팅된다.

도 9의 STEP 12에서, 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 파릴렌을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정이 수행된다. STEP 12에 따라 미세 탐침 어레이 장치의 제2 절연층이 형성된다.

도 10의 STEP 13에서, 감광제를 스핀 코팅하는 공정이 수행된다. 여기서, 감광제는 두번째로 증착된 도전성 물질이 식각되어 첫번째로 증착된 절연 물질이 노출될 수 있는 위치까지 코팅된다.

도 10의 STEP 14에서, 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 도전성 물질을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정이 수행된다. STEP 14에 따라 미세 탐침 어레이 장치의 카운터 전극이 형성된다. 여기서, 두번째로 증착된 도전성 물질은 제2 절연층에 대응하고, 첫번째로 증착은 절연 물질은 카운터 전극에 대응한다. STEP 14에 따라 카운터 전극의 일부 영역는 제2 절연층에 의해 커버되고, 카운터 전극의 나머지 영역은 제2 절연층에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있다.

도 11의 STEP 15에서, 감광제를 스핀 코팅하는 공정이 수행된다. 여기서, 감광제는 첫번째로 증착된 절연 물질이 식각되어 첫번째로 증착된 도전성 물질이 노출될 수 있는 위치까지 코팅된다.

도 11의 STEP 16에서, 자기정렬 공정을 통해 첫번째로 증착된 파릴렌을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정이 수행된다. STEP 16에 따라 미세 탐침 어레이 장치의 워킹 전극과 제1 절연층이 형성된다. STEP 16에 따라 워킹 전극의 일부 영역는 제1 절연층에 의해 커버되고, 워킹 전극의 팁 영역은 제1 절연층에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있다.

도 12의 STEP 17에서, 실리콘 웨이퍼의 후면에 도전성 물질을 증착하고, 감광제를 증착하는 공정이 수행된다. 이 과정은 미세 탐침에 전류를 전달해줄 어드레싱 라인을 제작하기 위함이다. 여기서, 도전성 물질은 금 또는 크롬을 포함할 수 있다. 그리고, STEP 17에서 증착된 도전성 물질은 레퍼런스 전극을 형성하는데 이용된다.

도 12의 STEP 18에서, 실리콘 웨이퍼의 후면에 증착된 크롬 또는 금을 식각하고, 감광제를 제거하는 공정이 수행된다. 이 과정을 통해 도 2에 도시된 미세탐침 어레이 장치가 제작된다.

본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.

마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

미세 탐침 어레이 장치에 있어서,
기판;
상기 기판을 관통하여 형성된 비아 컨택;
상기 비아 컨택의 상단에 형성된 탐침 형태의 워킹 전극;
상기 비아 컨택의 하단에 형성되어 상기 워킹 전극에 전기 신호를 제공하는 레퍼런스 전극;
상기 워킹 전극의 경사면에 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층의 전체 영역 중에 일부 영역에 형성된 카운터 전극;
상기 카운터 전극의 위에 형성된 제2 절연층을 포함하고,
상기 제1 절연층, 카운터 전극 및 제2 절연층은, 상기 워킹 전극의 경사면에 순차적으로 적층되고,
상기 워킹 전극의 경사면은, 상기 제1 절연층에 의해 상기 워킹 전극의 전체 영역 중 일부의 영역이 노출되고,
상기 워킹 전극의 경사면에 형성된 제1 절연층은, 상기 카운터 전극에 의해 절연층의 전체 영역 중 일부의 영역이 노출되며,
상기 워킹 전극, 상기 카운터 전극 및 워킹 전극에 접촉된 객체들 사이에 전기 신호의 흐름이 형성되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극의 팁 영역에는 제1 절연층이 커버되지 않고 노출되며, 상기 워킹 전극의 팁 영역을 제외한 나머지 영역은 제1 절연층에 의해 커버되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극과 카운터 전극은 제1 절연층에 의해 분리되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극의 길이는 카운터 전극의 길이와 다른 미세 탐침 어레이 장치.
제4항에 있어서,
상기 워킹 전극의 길이가 카운터 전극의 길이보다 긴 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극의 높이는, 기판과 워킹 전극의 팁 영역에 접촉되는 객체들 간의 거리에 따라 다르게 설정되고,
상기 거리는, 객체의 형태나 곡률에 따라 결정되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극은,
비아 컨택을 통해 레퍼런스 전극과 연결되고, 비아 컨택은 기판에서 미리 설정된 간격에 따라 이격되어 서로 독립적으로 배치되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극의 팁 영역은,
객체와 접촉하여 비아 컨택을 통해 전달된 전기 신호를 객체에 제공하거나 또는 객체로부터 전기 신호를 획득하는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극의 높이는 객체의 곡률에 대응되도록 조절될 수 있는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 워킹 전극은,
엑추에이터의 기계적인 압력이 레퍼런스 전극에 적용되면 객체와의 거리가 가까워지거나 또는 객체에 삽입되는 깊이가 증가하는 미세 탐침 어레이 장치.
제10항에 있어서,
상기 기계적인 압력은,
상기 워킹 전극으로부터 출력된 전기 신호가 카운터 전극을 통해 객체로부터 피드백된 결과에 기초하여 결정되는 미세 탐침 어레이 장치.
제11항에 있어서,
상기 피드백된 결과에 대응하는 전기 신호가 일정 크기 이하인 경우, 기계적인 압력이 증가하는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 카운터 전극의 일부 영역은 제2 절연층에 의해 커버되고, 상기 일부 영역을 제외한 나머지 영역은 제2 절연층에 의해 커버되지 않고 노출되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
서로 인접하는 워킹 전극들 간에는 서로 이격되어 형성되고, 서로 인접하는 카운터 전극들은 서로 연결되어 형성되거나 또는 서로 이격되어 형성되는 미세 탐침 어레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 기판은, 외부 압력에 의해 형태가 변형되지 않는 고정된 소재로 구성되거나 또는 외부 압력에 의해 형태가 변형되는 유연한 소재로 구성되는 미세 탐침 어레이 장치.
미세 탐침 어레이 장치의 제조 방법에 있어서,
(1) 미세 탐침의 개별 어드레싱을 위해 실리콘 웨이퍼의 후면을 비등방성 식각을 하는 공정;
(2) 미세 탐침을 절연하기 위해 실리콘 웨이퍼와 유리 웨이퍼를 양극 접합하고, 유리 웨이퍼를 재흘림하는 공정;
(3) 화학적/기계적 연마(CMP)를 통해 실리콘 웨이퍼의 위에 존재하는 유리를 제거하고, 실리콘 웨이퍼의 두께를 일정 크기만큼 줄이는 공정;
(4) 실리콘 산화막(oxide)을 증착하고, 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 만들기 위한 패터닝 공정;
(5) 미세 탐침이 될 실리콘 원기둥을 생성하기 위해 비등방성 식각을 하는 공정;
(6) 감광제를 제거하고, 습식 식각을 통해 팁 영역이 뾰족한 미세 탐침을 형성하는 공정;
(7) 감광제를 증착하고, 미세 탐침의 위에 워킹 전극이 남도록 사진 식각(Photolithography)에 따라 패터닝하는 공정;
(8) 워킹 전극을 형성하기 위한 도전성 물질을 증착하는 공정;
(9) 미세 탐침 영역에서 감광제를 제거하고 미세 탐침에 증착된 도전성 물질만 남도록 하는 리프트 오프(Lift-Off) 공정;
(10) 절연 물질과 카운터 전극을 형성하기 위한 도전성 물질을 증착하고 다시 절연 물질(파릴렌)을 증착하는 공정;
(11) 감광제를 스핀 코팅하는 공정;
(12) 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 파릴렌을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정;
(13) 감광제를 스핀 코팅하는 공정;
(14) 자기정렬 공정을 통해 두번째로 증착된 도전성 물질을 식각한 후, 스핀 코팅된 감광제를 제거하는 공정;
(15) 감광제를 스핀 코팅하는 공정;
(16) 실리콘 웨이퍼의 후면에 도전성 물질을 증착하고, 감광제를 증착하는 공정;
(17) 실리콘 웨이퍼의 후면에 증착된 크롬 또는 금을 식각하고, 감광제를 제거하는 공정
을 포함하고,
상기 미세 탐침 어레이 장치는,
기판;
상기 기판을 관통하여 형성된 비아 컨택;
상기 비아 컨택의 상단에 형성된 탐침 형태의 워킹 전극;
상기 비아 컨택의 하단에 형성되어 상기 워킹 전극에 전기 신호를 제공하는 레퍼런스 전극;
상기 워킹 전극의 경사면에 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층의 전체 영역 중에 일부 영역에 형성된 카운터 전극;
상기 카운터 전극의 위에 형성된 제2 절연층을 포함하고,
상기 제1 절연층, 카운터 전극 및 제2 절연층은, 상기 워킹 전극의 경사면에 순차적으로 적층되고,
상기 워킹 전극의 경사면은, 상기 제1 절연층에 의해 상기 워킹 전극의 전체 영역 중 일부의 영역이 노출되고,
상기 워킹 전극의 경사면에 형성된 제1 절연층은, 상기 카운터 전극에 의해 절연층의 전체 영역 중 일부의 영역이 노출되며,
상기 워킹 전극, 상기 카운터 전극 및 워킹 전극에 접촉된 객체들 사이에 전기 신호의 흐름이 형성되는 미세 탐침 어레이 장치의 제조 방법.