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문제 정의
- 게다가 불순물이 확산되는 깊이의 한계로 인해 20µm 이상의 두께를 가지는 탐침을 형성하기 어립다. 따라서, 본 연구에서는 CMOS 호환적이면서 전곡의 두께를 자유롭게 조절하기 위한 반도체 미세 전극공정을 개발하고 개발된 전극을 사용하여 흰쥐의 대뇌 제]차 체감각 피질에서 신경신호를 측정하는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- LTO(low temperature oxide) 마스크를 사용하여 실리콘 웨이퍼의 앞면을 깊게 건식식각하여 트렌치를 형성한 후, 뒷면에서 KOHfpotassium hydroxide) 수용액을 사용하여 습식식각하는 방법으로 탐침 두께 30㎛인 탐침형 반도체 미세 전극 어레이, SNU probe를 제작하였다. 이 방법으로 붕소 확산을 이용한 방법이나 두꺼운 감광막을 사용하는 방법에 비해 쉽게 탐침의 두께를 5~90㎛까지 조절할 수 있다.
- 가장 강하고 민감하게 그리고 비교적 작은 지역에 특정적으로 반응하는 부위를 감각 수용장(receptive field)으로 결정하였다. 감각 수용장의 영역 결정은 최종적으로 수용장의 전기적 자극으로 확인했다, 말초 자극용 전극(stainless steel, 직경 100pm, 전극간격 0.
- 가장 강하고 민감하게 그리고 비교적 작은 지역에 특정적으로 반응하는 부위를 감각 수용장(receptive field)으로 결정하였다. 감각 수용장의 영역 결정은 최종적으로 수용장의 전기적 자극으로 확인했다, 말초 자극용 전극(stainless steel, 직경 100pm, 전극간격 0.5 mm, David Korf, USA)은 감가 수응장의 중앙에 삽입한 후 단단히 고정하였고 신경세포에 가해지는 전기자극은 자극기(stimulator : Model 1830, World Precision Instr.)를 이용하여 펄스 폭 0.1 ms, 주파수 1 Hz인 단상 (monophasic) 전류펄스를 50 -500 M 크가로 주었다. 전극을 통해 들어온 신경세포의 유발 전위 신호눈 번저 1000배 증폭한 후 300~3kHz 대역통과시켜 디지털 오실로스코프로 관찰하고, 데이터 획득 시스템(data acquisition system : CED 1401, Cambridge Electronics)으로 동시에 보내 컴퓨터로 저장한 후 분석하였다.
- 따라서 신경신호를 분리하여 기록하기 위하여 반도체 미세 전극간의 간격을 150µm로 하였다. 그리고 신경세포 외 활동성을 보다 효과적으로 기록하기 위하여 비교적 접촉면적이 크게 전극의 크기를 40 pmX40µm로 디자인하였다.
- 실험동물은 20% urethane (Sigma, USA)으로 체중 Kg당 7ml씩 복강내 주사하여 마취시켰다. 마취된 실험 동물은 뇌정위 장치(David Korf, USA) 에 고정시킨 뒤, 전극을 삽입하여 신경세포의 활동을 기룩하기 위한 두개골 절개술(craniotomy)을 실시하였다 두개골 절개 부위는 감각 수용장이 앞발무위에 해당하는 곳으로 설정했으며 전극이 삽입될 위치에 치과용 미세 드릴을 이용하여 2-3mm 정도의 비교직 작은 구멍을 내었다. 체온은 수술기간동안 발열 판과 발열능을 사용하여 36.
- 신경세포의 반응성을 확인하기 위하여 말초의 체감각 수용장의 여러 부위를 가볍게 두드리면서 분별된 신경세포의 활동상태를 오실로스코프와 스피커롤 사용하여 조사하였다. 가장 강하고 민감하게 그리고 비교적 작은 지역에 특정적으로 반응하는 부위를 감각 수용장(receptive field)으로 결정하였다.
- 이 트렌치의 깊이가 탐침의 두께를 결정한다. 실리콘 건식식각은 STS(Surface Technology Systems, Ltd.) Multiplex ICP(inductive coupled plasma) etcher 를 사용하여 Chamber pressure 7mTorr, Ch 40sccm, RF power 300W 의 조건에서 하였다. 실리콘의 식각률은 4250A/min이며 LTO 마스크와 선택비는 6 : 1이었다.
- 실험에 사용된 동물들의 사육은 자동 온도 조설 장치에 의해 온도가 23o+2oC, 습도는 60 %로 유지되고 인공조명을 이용하며 채광을 1일 12시간씩 자동 조절한 사윰실에서 하였다. 실험동물은 20% urethane (Sigma, USA)으로 체중 Kg당 7ml씩 복강내 주사하여 마취시켰다. 마취된 실험 동물은 뇌정위 장치(David Korf, USA) 에 고정시킨 뒤, 전극을 삽입하여 신경세포의 활동을 기룩하기 위한 두개골 절개술(craniotomy)을 실시하였다 두개골 절개 부위는 감각 수용장이 앞발무위에 해당하는 곳으로 설정했으며 전극이 삽입될 위치에 치과용 미세 드릴을 이용하여 2-3mm 정도의 비교직 작은 구멍을 내었다.
- 250-300g, n=7)이다. 실험에 사용된 동물들의 사육은 자동 온도 조설 장치에 의해 온도가 23o+2oC, 습도는 60 %로 유지되고 인공조명을 이용하며 채광을 1일 12시간씩 자동 조절한 사윰실에서 하였다. 실험동물은 20% urethane (Sigma, USA)으로 체중 Kg당 7ml씩 복강내 주사하여 마취시켰다.
- 웨이퍼 앞면의 실리콘을 깊게 건식식각하여 트렌치를 형성한 후, 뒷면에서 30 wt% KOH 수용액을 사용하여 습식식각함으로써 탐침 형태의 미세구조를 만들어내었다. 탐침은 두께가 증가할수록 버틸 수 있는 힘이 커지며, 두께가 얇을수록 잘 구부러진다.
- 탐침형 미세전극의 절연막으코 산화막(SiO2)/질화막(SiNQ/산화막(SiO2)삼중막을 사용하여 이온(Na', K+) 의 침투[3]와 질화막의 산화[4]를 막았다. 음성 감광제(PR. photoresist)인AZ52M릂 오버컷(overcut) 구조룰 갖도록 패턴한 후 리프트오프(lift-off) 방법으로 Cr/Au (1000A/3C00A) 금속선을 형성하고, PECVD로 상층절연막을 증착한다.
- 따라서, 금속선 위의 절연막은 트렌치를 형성한 후에 패턴하여야 하는데, 이미 30㎛ 깊이의 트렌치가 형성되어있으므로 사진공정이 어려워신다. 이것을 해결하기 위해 금속선 위의 절연막과 실리콘 식각용 LTO 마스m 사이에 알루미늄 하드마스크를 두었다. 구체적인 공정은 다음과 같다.
- 1 ms, 주파수 1 Hz인 단상 (monophasic) 전류펄스를 50 -500 M 크가로 주었다. 전극을 통해 들어온 신경세포의 유발 전위 신호눈 번저 1000배 증폭한 후 300~3kHz 대역통과시켜 디지털 오실로스코프로 관찰하고, 데이터 획득 시스템(data acquisition system : CED 1401, Cambridge Electronics)으로 동시에 보내 컴퓨터로 저장한 후 분석하였다.
- 그리고, 앞면에 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)로 산화막 8000A 을 증착하여 하층 절연막을 완성한다. 탐침형 미세전극의 절연막으코 산화막(SiO2)/질화막(SiNQ/산화막(SiO2)삼중막을 사용하여 이온(Na', K+) 의 침투[3]와 질화막의 산화[4]를 막았다. 음성 감광제(PR.
대상 데이터
- SNU probe 공정에서는 30µm 깊이의 트렌치를 형성하기 위해서 6㎛ 두께의 LTOdow temperature oxide) 마스크를 사용하였다. 따라서, 금속선 위의 절연막은 트렌치를 형성한 후에 패턴하여야 하는데, 이미 30㎛ 깊이의 트렌치가 형성되어있으므로 사진공정이 어려워신다.
- 이렇게 개발된 4채널 SNU probe믈 사용하여 뇌 신경 신호를 측정하기 위해서 본 실험에서 사용한 실험동물은 한림대학교 실험동물부에서 계대 사육하여 번식한 Sprague-Dawley계 흰쥐(체중 250-300g, n=7)이다. 실험에 사용된 동물들의 사육은 자동 온도 조설 장치에 의해 온도가 23o+2oC, 습도는 60 %로 유지되고 인공조명을 이용하며 채광을 1일 12시간씩 자동 조절한 사윰실에서 하였다.
성능/효과
- SNU probe에서 가능한 탐침 두께의 범위는 5~90㎛이다. 또한, 형상비를 보면 LTO를 식각할 때 옆면의 기울기가 74°, 실리콘을 식각할 때 옆면의 기울기가 85°이므로 선폭이 1 ㎛인 알루미늄 마스크를 사용하여 90㎛ 깊이의 트렌치롤 형성할 때 그림 2로무터 탐침의 최소 선폭은 9.7µm가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, SNU probe 공정으로 형상비가 93인 탐침을 얻을 수 있다.
- 그리고, 신경 신호 전압의 위 아래 끝의 차이 (peak-to-peak value)와 잡음(background noise)의 RMS (root mean square)값의 비를 SNR(signal to noise ratio, 신호 대 잡음 비)이라 정의할 때, 기록된 신경 신호의 SNRe 42dB 이다. 비교를 위해서 전극 물질이 이리듐 산화막(IrOx)인 미시간 전극(Michigan probe)과 금속선 전극인 텅스텐 전극을 사용하여 신경 신호를 기록하였을 때, 신경 신호의 전형적인 SNR이 각각 37dB, 40dB이었다.
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