KR20210098079A - 다양한 형태를 갖는 고밀도 신경 프로브 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 형태를 갖는 고밀도 신경 프로브의 제조방법 및 이를 통해 제조된 신경 프로브에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 포토리소그래피 공정과 식각 공정만을 사용하므로 제조 과정이 간단하며, 공정 장비나 조건에 따라 특성 변화를 최소화할 수 있어 높은 수율을 확보할 수 있는 기술이기에 상용화 측면에서 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 등방성 DRIE 공정과 패턴 기술을 통해 날카로운 창 형태의 니들 제작이 용이하므로 조직 손상을 최소화할 수 있는 초소형 신경프로브 제작이 가능하다. 또한, 마스크에 포함된 패턴 형태에 따라 다양한 모양의 니들 형태 구현이 가능하며, 패턴의 크기와 패턴 간의 간격을 조절하여 프로브에 포함된 니들의 높이 조절할 수 있으므로 서로 다른 높이의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브의 제작이 가능하다. 또한, 이에 따라 제조된 본 발명의 신경 프로브는 조직 세포의 분포나 형태에 따라 최적화 설계가 가능하여 성능을 극대화할 수 있다.

Description

다양한 형태를 갖는 고밀도 신경 프로브 및 이의 제조방법{High density neural probes having various forms and methods of manufacturing the same}

본 발명은 다양한 형태를 갖는 고밀도 신경 프로브의 제조방법 및 이를 통해 제조된 신경 프로브에 관한 것이다.

신경 세포를 자극하고 전기 신호를 추출하는 신경 프로브가 여러 제조방법으로개발되고 있다. 그 중에서 기존의 신경 프로브의 제조방법은 Dicing Saw를 이용하여 실리콘 기둥(pillar) 형성 후 실리콘 기둥을 습식 식각함으로써 3차원 전극을 제조하는 방법이 있었으나 Dicing Saw의 크기 및 이동 폭에 의해 고밀도의 소형 3차원 신경 프로브 제작이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 건식/습식 식각 공정을 이용하여 끝 부분이 뾰족한 화살촉 형상을 갖도록 실리콘을 식각하고, 금속 또는 전도성 폴리머 또는 다결정 실리콘을 채워 넣어 화살촉 구조의 3차원 전극을 제작하는 신경 프로브 제조방법이 있으나, 실리콘의 격자 방향성에 의해 화살촉의 기울기와 형태 조절이 불가능하므로 급격한 경사를 가진 여러 형태의 전극을 제작하기 어려운 단점이 있었다. 또한, 다이아몬드 블레이드를 이용한 절삭으로 바둑판 무늬의 홈 형상의 패턴을 형성해 신경 프로브를 제조하는 방법이 존재하였으나, 다이아몬드 블레이드를 이용한 절삭 기반의 미세전극은 블레이드의 폭에 따라 간격이 결정되므로 좁은 간격을 가진 전극 패턴을 제작하기 어렵고, 한 공정에 높이가 서로 다른 전극을 집적하기 어렵다는 단점이 있었다.

이에 따라, 고밀도의 소형 3차원 신경 프로브이면서도 그에 포함된 니들의 형태가 급격한 기울기 및 다양한 높이를 갖는 신경 프로브의 제조 방법 개발이 필요한 실정이었다.

대한민국 등록특허공보 10-1209403

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.

본 발명은 포토리소그래피 공정을 이용하여 기재 상에 패터닝시키고, 이방성 식각으로 트렌치(trench)를 형성하고, 상기 트렌치를 등방성 식각하여 신경 프로브를 제조하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되어 다양한 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신경 프로브 제조방법은 다수의 패턴을 포함하는 마스크를 준비하는 단계, 기재 상에 포토레지스트(Photo resist; PR)를 도포하는 단계, 상기 포토레지스트가 도포된 기재 상에 상기 마스크를 이용하여 포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 기재를 이방성 식각하여 트렌치(trench)를 형성하는 단계, 및 상기 형성된 트렌치를 등방성 식각하는 단계를 포함한다.

상기 등방성 식각하는 단계는 상기 트렌치가 형성된 기재 일면의 포토레지스트를 제거하는 단계, 상기 기재의 타면에 포토레지스트로 도포된 기재를 본딩하는 단계, 및 상기 기재 일면에 있는 트렌치를 등방성 식각하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다수의 패턴은 다각형 형상 및 원형 형상으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 다각형 형상은 삼각형, 마름모, 오각형, 사다리꼴, 및 십자형으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 원형 형상은 원 및 타원으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 다수의 패턴은 일정간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 간격은 1~1000μm일 수 있다.

상기 패턴의 크기는 1~1000μm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신경 프로브는 상기 제조방법으로 제조되어 다양한 형태의 복수의 니들을 포함한다.

상기 복수의 니들의 높이가 1~5000μm일 수 있다.

상기 복수의 니들의 크기(너비)가 1~1000μm일 수 있다.

본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 포토리소그래피 공정과 식각 공정만을 사용하므로 제조 과정이 간단하며, 공정 장비나 조건에 따라 특성 변화를 최소화할 수 있어 높은 수율을 확보할 수 있는 기술이기에 상용화 측면에서 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 등방성 딥 리엑티브 이온 애칭(Deep reactive ion etching; DRIE) 공정과 패턴 기술을 통해 날카로운 창 형태의 니들 제작이 용이하므로 조직 손상을 최소화할 수 있는 초소형 신경프로브 제작이 가능하다. 또한, 마스크에 포함된 패턴 형태에 따라 다양한 모양의 니들 형태 구현이 가능하며, 패턴의 크기와 패턴 간의 간격을 조절하여 프로브에 포함된 니들의 높이 조절할 수 있으므로 서로 다른 높이의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브의 제작이 가능하다. 또한, 이에 따라 제조된 본 발명의 신경 프로브는 조직 세포의 분포나 형태에 따라 최적화 설계가 가능하여 성능을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 신경 프로브는 신경보철의 핵심부품인 신경프로브 제조 기술로 활용될 수 있으며, 그 밖에 약물 투여에 사용되는 미세바늘, 원자간력현미경(Atomic force Microscope, AFM)의 탐침, 초발수성 필름 등 여러 분야에서 사용될 수 있는 기술로 확대될 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 프로브 제조방법을 간략하게 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크에 포함된 다수의 패턴이 원형일 경우 그에 따른 다수의 패턴이 일정 크기를 갖고 일정 간격으로 이격되어 배치된 것을 나타낸 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 패터닝된 기재의 포토레지스트 제거 영역을 이방성 식각하여 형성된 트렌치를 단면도 및 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 트렌치를 등방성 식각하여 형성된 트렌치 단면도 및 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 프로브 제조방법에 따라 제조된 다양한 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브의 SEM 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 마스크에 포함된 패턴의 형태 및 배치를 다양하게 하였을 때, 다양하게 한 마스크 패턴 및 이에 따라 제조된 신경 프로브 니들의 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따라 패턴의 크기를 달리하여 제조된 신경 프로브에 포함된 니들의 높이를 확인하기 위한 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 패턴의 간격 및 사이클을 달리하여 제조된 신경 프로브에 포함된 니들의 높이를 확인하기 위한 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 다양한 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브의 SEM 이미지이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.

본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.

신경 프로브 제조방법

도 1은 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법을 간략하게 도시한 흐름도이다. 이를 참조하면, 신경 프로브 제조방법은 다수의 패턴을 포함하는 마스크를 준비하는 단계(S10), 기재 상에 포토레지스트(Photo resist; PR)를 도포하는 단계(S20), 상기 포토레지스트가 도포된 기재 상에 상기 마스크를 이용하여 포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계(S30), 상기 패터닝된 기재를 이방성 식각하여 트렌치(trench)를 형성하는 단계(S40), 및 상기 형성된 트렌치를 등방성 식각하는 단계(S50)를 포함한다.

상기 마스크를 준비하는 단계(S10)는 다수의 패턴을 포함하는 마스크를 준비하여 추후 포토리소그래피 공정으로 패터닝시키기 위해 준비하는 단계일 수 있다.

본 발명에 따른 마스크는 포토 마스크(photo mask) 일 수 있고, 예를 들어, 순도 높은 석영(SiO₂)으로 제조한 유리판 위에 E-beam을 이용하여 복수의 패턴을 포함하는 포토 마스크를 제조할 수 있다. 또한, 상기 포토 마스크의 크기는 패턴의 형태가 변형되는 것을 막기 위해, 본 발명의 기재보다는 클 수 있다. 이는, 포토 마스크가 기재보다 크다면　축소 촬영을 거쳤을 때 마스크 위에 놓인 먼지의 크기도 그만큼 작아져서 회로의 오작동을 막을 수 있기 때문일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마스크는 다수의 패턴을 포함할 수 있다. 상기 다수의 패턴은 추후 포토리소그래피 공정을 거쳐 패터닝된 기재를 식각하여 4개의 트렌치(trench)의 중앙 영역에서 날카롭고 높은 니들을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 마스크에 포함된 다수의 패턴은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 패턴, 예를 들어, 다각형 형상 및 원형 형상으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 구체적으로, 상기 다각형 형상은 삼각형, 마름모, 오각형, 사다리꼴, 및 십자형으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 원형 형상은 원 및 타원으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함 할 수 있으며, 특정 형상을 포함하는 것으로 제한되지 않으나, 원형인 패턴을 포함하는 것이 바람직하다. 원형 패턴을 이용하면, 창모양의 니들을 형성하는데 유리하며, 전극의 표면적을 넓혀 임피던스를 줄이는데 유리하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크에 포함된 다수의 패턴이 원형일 경우 그에 따른 다수의 패턴이 일정 크기를 갖고 일정 간격으로 이격되어 배치된 것을 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 실선으로 된 원형 모양은 마스크 패턴을 의미하며, 점선으로 된 원형 모양은 추후 원형처럼 옆으로 퍼져가듯이 식각 공정이 진행된다는 것을 나타낸 것이다. 이 때, 다수 패턴의 간격은 곡면과 곡면사이의 거리, 또는, 꼭지점과 꼭지점 사이의 거리, 선분과 꼭지점과의 거리(선분으로부터 수직인 직선이 꼭지점과 만날 때까지의 거리), 선분과 선분사이의 거리일 수 있고, 간격 범위는 1~1000μm일 수 있고, 바람직하게는 10~100μm일 수 있다. 간격이 1μm 미만이면 패턴 사이의 실리콘이 식각되어 니들 형성이 어려운 단점이 있고, 1000μm를 초과하면 등방성 식각이 길어지는 단점이 있다. 또한, 패턴의 크기는 패턴의 가로너비, 세로너비, 또는 대각선너비일 수 있고, 특정 너비로 제한되지 않고, 크기 범위는 1~1000μm일 수 있고, 바람직하게는 10~100μm일 수 있다. 크기가 1μm 미만이면 깊은 트렌치 제작이 어려운 단점이 있고, 1000μm를 초과하면 고밀도 니들 어레이 제작이 어려운 단점이 있다.

즉, 본 발명은 마스크에 포함된 패턴 디자인에 따라 다양한 모양의 프로브 구조 구현이 가능하며, 패턴의 크기와 패턴 간의 간격을 조절하면 식각되는 경향이 달라지므로 프로브에 포함된 니들의 높이 조절을 통해 서로 다른 높이를 가지는 신경 프로브 제작이 가능하다는 장점이 있다.

기재 상에 포토레지스트(Photo resist; PR)를 도포하는 단계(S20)는 빛에 민감한 포토레지스트를 기재 상에 도포하여 포토리소그래피 공정으로 패터닝하기 위한 준비 단계이다.

본 발명에 따른 기재는 포토리소그래피 공정을 수행하기 위해 사용할 수 있는 통상의 공지된 기재, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 온 인슐레이터(Silicon-on-Insulator, SOI), Ge, GaAs 등 다양한 반도체 웨이퍼에서도 적용이 가능하고, 웨이퍼 도핑 타입 또는 밀도가 변하더라도 응용할 수 있고 특정 웨이퍼로 한정되지 아니하나, 바람직하게는 고농도로 도핑된 SOI 웨이퍼일 수 있다. 고동도 도핑에 의해 전극의 임피던스를 낮추고, SOI 웨이퍼는 전극들을 전기적으로 분리시키기에 용이하다.

본 발명에 따라 포토레지스트를 기재 상에 도포하는 방법은 스핀코팅, 딥코팅 등이 있고, 특정 방법으로 제한되지 아니하나, 일반적으로 사용되는 스핀코팅 방법이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명에 따라 도포된 포토레지스트는 자외선에 대한 감도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 포토레지스트의 종류는 양성 또는 음성 포토레지스트일 수 있으며, 특별한 종류로 제한되지 않으나, 노광된 부분만 제거하고 이를 이방성 식각하기 위해선 양성 포토레지스트로 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 포토리소그래피 공정으로 정교하게 패터닝 시키기 위해서는 도포된 포토레지스트의 두께가 얇고 균일하게 도포되어야 하는 것이 바람직하므로, 그 도포 두께는 2~10μm인 것인 바람직하다. 두께가 2μm 미만이면 식각과정에서 마스킹 수행이 어려운 단점이 있고, 10μm를 초과하면 미세 패터닝이 어려운 단점이 있다.

포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계(S30)는 상기 포토레지스트가 도포된 기재 상에 상기 마스크를 이용하여 노광 공정 및 현상 공정을 통해 기재 상에 다수의 패턴을 패터닝하는 단계이다.

본 발명에 따른 패터닝 단계는 먼저 빛을 포토레지스트 상에 선택적으로 조사하는 노광 공정으로 수행된다. 즉, 포토레지스트로 도포된 기재 상에 마스크를 놓고 빛을 조사하면 마스크에 포함된 다수의 패턴을 통과한 빛이 기재 상에 다수의 패턴을 그대로 옮길 수 있다. 상기 노광 장비는 스테퍼(stepper), 컨택 얼라이너(contact aligner) 등일 수 있다.

그 다음, 본 발명에 따른 현상 공정은 기재에 현상액을 뿌려 노광된 영역과 노광되지 않은 영역을 선택적으로 제거하는 공정이다. 본 발명에 따른 현상 공정은 바람직하게 양성 포토레지스트가 도포된 기재를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하는 바, 노광되지 않은 영역이 공정 후에 남아있고, 노광된 포토레지스트 부분이 현상액에 의해 제거될 수 있다.

상기 트렌치(trench)를 형성하는 단계(S40)는 포토리소그래피 공정으로 형성된 패터닝된 기재를 이방성 식각하여 트렌치(trench)를 형성하는 단계이다. 도 2를 참조하면, 실선으로 된 패턴 형태를 단면으로 아래 방향으로 이방성 식각을 하는 단계이다.

도 3은 본 발명에 따라 패터닝된 기재의 포토레지스트 제거 영역에 이방성 식각하여 형성된 트렌치를 단면도 및 SEM 이미지로 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 상기 이방성 식각 공정은 건식 식각 또는 습식 식각으로 수행될 수 있으나, 바람직하게는, 미세한 패터닝 및 수율 향상을 위해 건식 식각으로 수행될 수 있다. 상기 건식 식각은 물리화학식각(Physical and Chemical process)으로서 딥 리엑티브 이온 애칭(Deep reactive ion etching; DRIE), 화학식각(Chemical process)으로서 Chemical vapor etching, 물리식각(Physical process)으로서 sputtering, ion milling 등으로 수행될 수 있고, 특정 방식으로 제한되지 아니하나, 높은 선택비(selectivity) 및 높은 식각 속도(Etch rate)로 수행될 수 있는 DRIE 공정으로 이방성 식각공정을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, DRIE 공정시 식각률(etch rate)을 고려하여 트렌치(trench) 깊이를 조절할 수 있으며, 상기 트렌치(trench)의 깊이에 따라 최종으로 만들어진 니들의 높이를 조절할 수 있다. 따라서, 상기 식각되는 트렌치 깊이는 1~5000μm일 수 있다. 트렌치 깊이는 용도에 따라 달리할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 이방성 식각을 DRIE 공정으로 수행하고, 식각률(etch rate)을 고려하여 트렌치(trench) 깊이를 조절할 수 있으므로, 종래기술에 비해 더 날카로운 창 형태의 니들을 포함하는 신경 프로브의 제작이 가능한 바, 뇌 등의 신경신호를 기록하거나 뇌에 더 효율적으로 전기 자극을 전달할 수 있다는 장점이 있다.

상기 등방성 식각하는 단계(S50)는 상기 형성된 트렌치를 등방성 식각하여 복수의 니들을 형성하는 단계이다.

본 발명에 따른 등방성 식각하는 단계는 상기 트렌치가 형성된 기재 일면의 포토레지스트를 제거하는 단계, 상기 기재의 타면에 포토레지스트로 도포된 기재를 본딩하는 단계 및 상기 기재 일면에 있는 트렌치를 등방성 식각하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 식각의 등방성을 높여 니들 끝을 날카롭게 하기 위해 상기 트렌치가 형성된 기재 일면의 포토레지스트를 제거할 수 있다. 그 다음, 하기 등방성 식각공정시 기재의 온도가 증가하는 바 식각공정을 더 효율적으로 수행하기 위해, 본딩공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 밑에 받쳐 줄 기재에 포토레지스트를 도포하고 스핀코팅(spin coating)을 진행한 다음, 포토레지스트가 도포된 기재 위에 이방성 DRIE 공정을 수행한 기재를 올려 포토레지스트를 이용한 본딩을 완료할 수 있다. 그 다음, 상기 기재 일면에 있는 트렌치를 등방성 식각하여 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브를 제작할 수 있다.

이 때, 등방성 식각공정은 건식 식각 또는 습식 식각으로 수행될 수 있으나, 바람직하게는, 미세한 패터닝 및 수율 향상을 위해 건식 식각으로 수행될 수 있다. 상기 건식 식각은 물리화학식각(Physical and Chemical process)으로서 딥 리엑티브 이온 애칭(Deep reactive ion etching; DRIE), 화학식각(Chemical process)으로서 Chemical vapor etching, 물리식각(Physical process)으로서 sputtering, ion milling 등으로 수행될 수 있고, 특정 방식으로 제한되지 아니하나, 높은 선택비(selectivity) 및 높은 식각 속도(Etch rate)로 수행될 수 있는 DRIE 공정으로 등방성 식각공정을 수행하는 것이 바람직하다. 이 때, 등방성 DRIE 공정으로 식각공정을 수행하는 경우, 도 2 및 도 4를 참조하면, 점선으로 된 영역까지 옆으로 퍼져가듯이 수직 방향 뿐만 아니라 수평 방향으로도 식각이 진행되어 트렌치(trench) 사이의 기재가 없어지게 되는데, 이를 통해, 4개의 트렌치의 중간 영역에서 독특한 형태를 갖는 니들을 포함하는 신경 프로브 구조가 제작될 수 있으므로, 본 발명은 패턴의 크기와 패턴 간의 간격에 따라 식각되는 경향이 달라질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 최종 제작된 니들의 높이를 조절할 수 있고, 바람직하게는, 보다 날카로운 니들 제작이 가능한 바, 뇌 등의 신경신호를 기록하거나 뇌에 더 효율적으로 전기 자극을 전달할 수 있고 조직 손상을 최소화할 수 있는 초소형 신경프로브 제작이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법은 포토리소그래피 공정과 식각 공정만을 사용하므로 제조 과정이 간단하며, 공정 장비나 조건에 따라 특성 변화를 최소화할 수 있어 높은 수율을 확보할 수 있는 기술이기에 상용화 측면에서 유리하다.

신경 프로브

도 5은 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법에 따라 제조된 다양한 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 종래기술에 비해 날카로운 니들 형태를 포함하는 것을 확인할 수 있다. 상기 복수의 니들의 높이는 1~5000μm일 수 있고, 바람직하게는 100~5000μm일 수 있다. 또한, 상기 복수의 니들의 크기는 1~1000μm일 수 있다. 니들의 높이가 1μm 미만이면 등방성 식각에 의해 니들이 형성되지 않을 수 있는 단점이 있고, 5000μm를 초과하면 식각 시간이 너무 길어지는 단점이 있다. 또한, 니들의 크기가 1μm 미만이면 등방성 식각에 의해 니들이 사라질 수 있는 단점이 있고, 1000μm를 초과하면 고밀도의 니들 어레이 형성이 어려운 단점이 있다.

즉, 본 발명에 따른 신경 프로브는 날카롭고 높이가 높은 니들을 포함하므로, 뇌 등의 신경신호를 기록하거나 뇌에 더 효율적으로 전기 자극을 전달할 수 있고 조직 손상을 최소화할 수 있으며, 패턴의 크기와 패턴 간의 간격을 조절하여 프로브에 포함된 니들의 높이 조절할 수 있으므로 서로 다른 높이의 복수의 니들을 포함할 수 있으므로, 조직 세포의 분포나 형태에 따라 최적화 설계가 가능하여 성능을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브

(S10) 본 발명에 사용되는 마스크는 석영(SiO₂)으로 제조한 유리판 위에 E-beam을 이용하여 복수의 패턴을 포함하는 포토 마스크를 준비하였다. 상기 복수의 패턴은 원 모양의 원형 형상을 이웃하게 나열하였다. 이 때, 각 패턴간격은 30μm였고, 패턴크기는 70μm였다.

(S20) 본 발명에 사용되는 기재는 실리콘 웨이퍼를 사용하였고, 스핀코팅 방법으로 음성 포토레지스트를 상기 실리콘 웨이퍼 상에 도포하였다. 이 때, 도포된 포토레지스트의 두께는 5 μm였다.

(S30) 상기 포토레지스트로 도포된 기재에 컨택 얼라이너(contact aligner)로 12.4초 동안 22mW/cm² 강도로 빛을 조사하여 포토리소그래피 공정을 진행하였다. 그 다음, 현상액을 뿌려 노광 부분을 제외한 노광되지 않은 부분을 제거하였다.

(S40) 건식 식각으로써 물리화학식각인 딥 리엑티브 이온 애칭(Deep reactive ion etching; DRIE)으로 패터닝된 기재 중 포토레지스트가 제거된 부분을 이방성 식각 시켜 트렌치(trench)를 형성하였다. 이 때, 트렌치의 깊이는 164μm였다.

(S50) 상기 트렌치가 형성된 기재 일면의 포토레지스트를 산소 플라즈마 애싱(oxygen plasma ashing) 방법으로 제거하였다. 그 다음, 밑에 받쳐줄 기재에 포토레지스트를 도포하고 스핀코팅(spin coating)을 진행한 다음, 포토레지스트가 도포된 기재 위에 이방성 DRIE 공정을 수행한 기재를 올려 포토레지스트를 이용한 본딩을 완료하였다. 그 다음, 상기 기재 일면에 있는 트렌치를 DRIE 공정으로 등방성 식각하여, 도 5에 나타난 바와 같이, 날카로운 창 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브를 제작하였다.

실시예 2 : 패턴 형상에 따라 니들의 형태가 달라진 신경 프로브

실시예 1과 비교했을 때, 도 6에 나타난 바와 같이, 원이 아닌 패턴 형상을 포함하는 마스크를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 신경 프로브를 제작하였다.

실시예 3 : 패턴 형상의 크기에 따른 니들의 높이가 달라지는 신경 프로브

실시예 1과 비교했을 때, 패턴 형상인 원의 크기(지름)을 50μm, 70μm, 및 100μm으로 포함하는 마스크를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 신경 프로브를 제작하였다.

실시예 4 : 패턴 형상의 간격에 따른 니들의 높이가 달라지는 신경 프로브

실시예 1과 비교했을 때, 패턴 형상의 간격을 30μm(각각 사이클 150 및 170), 및 50μm(각각 사이클 170 및 200)으로 포함하는 마스크를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 신경 프로브를 제작하였다.

실시예 5 : 패턴 형상의 크기 및 간격에 따라 니들의 높이가 다른 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브

실시예 1과 비교했을 때, 하나의 패턴 배열(Array)에 다양한 패턴 크기 및 패턴 사이의 간격을 포함하는 마스크를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 신경 프로브를 제작하였다. 패턴의 형상은 원형, 사각형, 오각형, 십자가 모양 등을 사용하였고, 패턴 간격은 10~50μm 사이의 범위에서 조절하였고, 패턴 크기를 50 um ~ 100um 범위에서 조절하여, 하나의 패턴 배열에서 높이 10~110um를 갖는 니들 어레이를 제작하였다.

실험예 1 : 마스크에 포함된 패턴 형상에 따른 신경 프로브의 니들 형태 관찰

실시예 2에 따라 제조된 여러 패턴 형상에 따른 신경 프로브를 제작하고 이를 도 6 에 나타난 바와 같이 각각의 최종 니들 형태를 관찰하였다.

그 결과, 도 6을 참조하면 각 마스크 패턴의 형태 및 패턴의 배열 방법에 따라 니들의 형태, 크기, 및 간격이 다른 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브를 제조할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 마스크 패턴의 형태 및 패턴의 배열 방법에 따라 목표하는 니들의 형태, 크기, 및 간격을 갖는 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브를 제작할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2 : 마스크에 포함된 패턴의 크기 및/또는 간격에 따른 신경 프로브의 니들 높이 관찰

실시예 3 및 실시예 4에 따라 제조된 신경 프로브를 제작하고 그 SEM 이미지 및 높이를 각각 도 7~도 9에 나타내었다.

그 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, 실시예 3에 따라 패턴의 크기(원의 지름)을 넓힐수록 니들의 높이가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8에 나타난 바와 같이, 패턴의 간격이 클수록 니들의 높이가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8에 나타난 바와 같이, 패턴의 간격이 30μm의 경우 사이클이 증가할수록 니들의 높이가 증가하였지만, 패턴의 간격이 50μm의 경우 사이클이 증가할수록 오히려 높이가 낮아지는 것을 확인하였다. 따라서, 간격은 50μm에서 사이클이 170 정도에서 같은 패턴 크기에서 가장 효율적으로 니들의 높이를 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8을 참조하면, 마스크에 포함된 패턴의 크기 및 간격을 모두 조정하여 신경 프로브를 제조한 결과, 하나의 신경 프로브 내에 다양한 형태의 다양한 높이를 갖는 복수의 니들을 포함한다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 신경 프로브 제조방법에 따라 제조된 신경 프로브는 다양한 모양의 니들 형태 구현이 가능하며, 패턴의 크기와 패턴 간의 간격을 조절하여 프로브에 포함된 니들의 높이 조절할 수 있으므로 서로 다른 높이의 복수의 니들을 포함한다. 따라서, 본 발명의 신경 프로브는 조직 세포의 분포나 형태에 따라 최적화 설계가 가능하여 성능을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 신경 프로브는 신경보철의 핵심부품인 신경프로브 제조 기술로 활용될 수 있으며, 그 밖에 약물 투여에 사용되는 미세바늘, 원자간력현미경(Atomic force Microscope, AFM)의 탐침, 초발수성 필름 등 여러 분야에서 사용될 수 있는 기술로 확대될 수 있다는 장점이 있다.

Claims (11)

1. 다수의 패턴을 포함하는 마스크를 준비하는 단계;
   기재 상에 포토레지스트(Photo resist; PR)를 도포하는 단계;
   상기 포토레지스트가 도포된 기재 상에 상기 마스크를 이용하여 포토리소그래피 공정으로 패터닝하는 단계;
   상기 패터닝된 기재를 이방성 식각하여 트렌치(trench)를 형성하는 단계; 및
   상기 형성된 트렌치를 등방성 식각하는 단계를 포함하는 신경 프로브 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 등방성 식각하는 단계는
   상기 트렌치가 형성된 기재 일면의 포토레지스트를 제거하는 단계;
   상기 기재의 타면에 포토레지스트로 도포된 기재를 본딩하는 단계; 및
   상기 기재 일면에 있는 트렌치를 등방성 식각하는 단계를 포함하는 신경 프로브 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 패턴은 다각형 형상 및 원형 형상으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 신경 프로브 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 다각형 형상은 삼각형, 마름모, 오각형, 사다리꼴, 및 십자형으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 신경 프로브 제조방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 원형 형상은 원 및 타원으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 신경 프로브 제조방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 패턴은 일정간격으로 이격되어 배치된 것인 신경 프로브 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 간격은 1~1000μm인 신경 프로브 제조방법.
8. 제3항에 있어서,
   상기 패턴 크기가 1~1000μm인 신경 프로브 제조방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되어 다양한 형태의 복수의 니들을 포함하는 신경 프로브.
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 니들의 높이가 1~5000μm인 신경 프로브.
11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 니들의 크기가 1~1000μm인 신경 프로브.

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