Study on silicon-based microprobe electrode array with individual interconnects through substrate using silicon through-glass via

Abstract

본 논문은 투명한 특성을 갖는 유리 기판 관통 실리콘 비아를 사용하여 개별 상호 연결을 갖는 수직 평면 외 마이크로 전극 어레이의 개발에 대한 것이다. 이러한 마이크로 프로브 전극 어레이는 뇌 조직에 삽입하여 신경 신호 측정을 위한 다양한 생물학적 응용에서 사용될 수 있다. 기존에 연구된 마이크로 프로브 전극 어레이는 불투명한 전극 구조의 삽입에 의해 원치 않는 조직 손상과 어드레싱 라인에서 발생하는 신호 손실이 문제가 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저저항 실리콘 웨이퍼와 유리 재흘림 공정을 이용하여 유리 기판 관통 실리콘 비아와 마이크로 프로브 전극을 제작하는 것을 목표로 한다. 유리 재흘림 공정으로 제작되는 유리기판은 투명한 성질을 가지므로 마이크로 프로브 전극을 원하는 위치에 삽입함으로써 조직의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 제작되는 유리기판은 절연막으로서 우수한 특성을 가지기 때문에 실리콘 비아 전극 간의 신호 손실을 최소화할 수 있다. 유리 기판 관통 실리콘 비아 구조의 직경 및 높이는 각각 80 μm 와 250 μm가 되도록 설계되었다. 먼저 DRIE 공정을 이용하여 직경 80 μm 실리콘 기둥을 제작한 후 붕규산 유리 웨이퍼를 실리콘 웨이퍼에 접착한 후 850 °C의 온도에서 재흘림 공정을 수행하여 제작된다. 제작이 완료된 유리 기판 관통 실리콘 비아 구조의 투명도는 UV/Vis 분광 광도계를 사용하여 측정되었다. 측정 결과 가시광 영역에서 60 % 이상의 투명성을 가지는 것을 확인하였다. 제작된 싱글 실리콘 비아의 저항은 1.26 ± 0.041 Ω으로 측정되었고 교차 결합 커패시턴스는 0.23 ± 0.03 pF로 측정되었다. 마이크로 프로브의 높이는 조직에 삽입하기 위해 90 μm 이상으로 설계되었으며 마이크로 프로브 사이의 간격은 전극 간의 화학적 누화를 최소화하기 위해 210 μm로 설계되었다. 마이크로 프로브 구조는 한번의 포토 리소그래피 공정과 단일 식각 마스크를 사용하여 DRIE 와 RIE과정을 결합한 공정을 수행하여 형성된다. 마이크로 프로브의 형상은 RIE 공정 동안 실리콘 마이크로 기둥 측벽의 위치 및 첫 번째 DRIE 공정의 깊이에 따른 식각 속도의 차이에 의해 얻을 수 있다. 마이크로 프로브를 개별전극으로 제작하기 위해 네거티브 포토레지스트 (DNR-L-300)을 사용하여 마이크로 프로브 구조를 노출하고 각각 200 Å 및 2000 Å의 Cr 및 Au 전도층을 증착하였다. 리프트 오프 공정을 이용하여 전극 패터닝 후 3000 Å 의 파릴렌-C 층을 절연막으로서 전극 상에 증착하였다. 그 후, 두꺼운 포토레지스트를 이용한 마스크가 필요 없는 자기 정렬 공정을 수행하여 마이크로 프로브 말단에만 도전층을 노출 시켜 개별 마이크로 프로브 전극 공정을 완료한다. 제작이 완료된 마이크로 프로브 전극은 개별적으로 유리 기판 관통 실리콘 비아를 통해 기판의 뒷면으로 직접 연결이 되는 구조이다. 개별 연결을 갖는 마이크로 프로브 전극의 전기화학적 특성을 확인하기 위해 각각의 전극의 정상 상태 제한 전류를 측정할 수 있는 순환 전압 전류법이 수행되었다. 그리고 측정 된 정상 상태 제한 전류는 이론값과 비교되었다. 또한 16개 전극에 대한 임피던스 측정이 수행되었으며 1 kHz에서의 평균 임피던스는 0.292 ± 0.156 MΩ으로 측정되었다. 그런 다음 측정된 데이터와 임피던스 모델링 소프트웨어 (Zview, AMETEK Scientific instruments)를 사용하여 마이크로 프로브 전극의 등가 회로 분석을 수행하였다. 그후 제작된 마이크로 프로브 전극에서 1차 쥐 대뇌 피질 뉴런 세포 (DIV 7)를 배양하고 신경 신호를 성공적으로 측정하였다. 측정된 신호의 평균 신호 대 잡음비는 14.4로 측정되었다. 또한 제작된 전극을 쥐의 해마 뇌 절편 조직에 삽입하고 실험을 수행하였다. 실험 결과 제조된 마이크로 프로브 전극은 높은 투명성으로 인해 프로브 전극을 해마 조직상의 원하는 위치에 삽입함으로써 조직 손상을 최소화 하며 신호를 성공적으로 측정할 수 있었다. 결론적으로 제안된 유리기판 관통 실리콘 비아와 개별적으로 연결된 마이크로 프로브 구조는 신호 대 잡음 비가 높고 화학적 누화가 없는 신호를 측정할 수 있으며 투명도가 높은 유리 기판 관통 실리콘 비아 구조를 사용하여 원하는 위치에 프로브 전극을 삽입하여 타겟 조직의 손상을 최소화할 수 있는 것을 확인하였다. 제안된 마이크로 프로브 전극은 기존의 전극 구조의 한계를 극복할 수 있기 때문에 좀 더 다양한 바이오 응용 분야에 적합하다고 할 수 있다.

This dissertation proposes a vertical out-of-plane microelectrode array (MEA) with an individual interconnect substrate, which uses a silicon through-glass via (TGV) with transparency properties. The MEA can be used for a wide variety of biological applications such as insertion in brain tissues for neural signal measurement. The problems of conventional MEAs that have been investigated in numerous studies include unwanted tissue damage caused by the insertion of an opaque microprobe electrode and the signal loss in the addressing line. To solve these problems, TGVs and microprobe electrode array were fabricated using low-resistance silicon (LRS) wafer and a glass reflow process. The MEA substrate made by the glass reflow process has high transparency, and thus, damage to the tissue can be minimized by inserting the microprobe electrode at the desired position. Furthermore, the glass substrate has excellent properties as an insulating film, thereby minimizing the signal loss between the silicon-via electrodes. The diameter and height of the TGV structure are designed to be 80 μm and 250 μm, respectively. A deep reactive ion etching process is used as a fabrication method to etch silicon pillars with a diameter of 80 μm. After bonding the borosilicate glass wafer to the silicon substrate, the glass is reflowed at a temperature of 850 °C. The transparency of the fabricated TGV structure was measured using a UV/Vis spectrophotometer. The measurement result showed a transparency of 60 % or more in the visible region. The resistance of single silicon via was measured to be 1.26 ± 0.041 Ω, and the cross-coupling capacitance was measured to be 0.23 ± 0.03 pF. The height of the microprobe was designed to be greater than 90 μm for insertion into the tissue, and the spacing between the microprobes was designed to be 210 μm to minimize chemical crosstalk between the microprobe electrodes. The microprobe structure is formed by combining the deep reactive ion etching and sulfur hexafluoride (SF6) reactive ion etching processes using one-step photolithography and a single etching mask. The shape of the microprobe structure is obtained by the difference in the etching rate depending on the position of the silicon micropillar sidewall during the reactive ion etching process and depth of the first DRIE process. To fabricate individual microprobe electrodes, a microprobe structure was exposed using a negative photoresist (DNR-L-300), and Cr and Au conductive layers of 200 Å and 2000 Å, respectively, were deposited. Following this, the electrode was patterned by a lift-off process, and a Parylene-C layer of 3000 Å was deposited on the electrode as an insulating film. Then, a self-alignment procedure was performed using a thick photoresist without a photolithography mask to expose the conductive layer only at the tip-end of the microprobe electrode. Each microprobe electrode was independently connected to the backside of the substrate through the silicon TGV. To verify the electrochemical characteristics of the microprobe electrodes with individual interconnects, the steady-state limiting current through the redox reaction was measured for each electrode by the cyclic voltammetry (CV) method. The measured steady-state peak current of the microprobe electrode was compared with the theoretical calculation. Impedance measurements were performed on 16 electrodes, and the average impedance at 1 kHz was measured as 0.292 ± 0.156 MΩ. Then, an equivalent circuit analysis was conducted using the impedance modeling software (Zview, AMTEK Scientific instruments). Following this, primary rat cortical neuron cells (DIV 7) were cultured on the fabricated microprobe electrodes and neural spike signals were successfully measured. The average signal-to-noise ratio (SNR) of the measured signal was 14.4. The fabricated electrode was then inserted into the hippocampal brain slice tissue of the rat and the experiment was conducted. Owing to the high transparency of the fabricated microprobe electrode, it was confirmed that tissue damage could be minimized by inserting the probe electrode at a desired position on the hippocampal tissue. In conclusion, the proposed structure can measure signals with high SNRs and no chemical crosstalk by connecting the TGV and microprobe structures individually and it is possible to insert electrodes at the desired positions using a TGV structure with high transparency, thus minimizing damage to the target tissue. The proposed microprobe electrode is suitable to various bio application areas as it overcomes the limitations of the conventional MEA structure.