CN101168435A - 三维神经微电极的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电技术领域的三维神经微电极的制作方法，具体如下：以硅片作为衬底，在硅片的正面生长底层SiO2；在底层SiO2上形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线、压焊点和接触圆点；底层SiO2正面生长顶层SiO2，并采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2，暴露出压焊点和接触圆点，并采用光刻胶填充压焊点；在接触圆点的硅平面结构正面旋涂SU－8胶，并通过光刻与刻蚀工艺，形成圆柱形孔，用光刻胶填充压焊点；在圆柱形孔中电镀生长金属，形成金属圆柱，采用显影方式去除压焊点中的光刻胶，暴露压焊点；进行清洗得到三维多通道微电极阵列。本发明降低制作成本，提高微电极的高度可控性及各通道一致性。
Description
技术领域
本发明涉及到一种微机电技术领域的加工方法，特别是一种基于微机电加工工艺的三维神经微电极的制作方法。
背景技术
对于许多神经功能受到严重损伤的患者而言，传统的药物治疗等方法无法治愈神经损伤，与此同时，基于人工电子设备的神经修复方式得到了广泛研究与应用。作为人工电子设备与生物组织的接口部件，神经微电极在运动功能、感觉功能等神经修复领域中发挥着日益重要的作用。在人工听觉修复研究中，采用植入耳蜗的微电极直接刺激残存的听神经纤维，通过传导通路向大脑听觉中枢发放神经电信号，产生听觉反应。基于视觉传导链路的不同部位，视觉修复包括视网膜、视神经以及视皮层修复方式。借助于植入式神经微电极，目前的视觉修复研究结果表明，盲人已经具有光感，并且能够辨认简单的字母图形。运动功能修复是对生物神经-肌肉系统施加电刺激信号来替代原本由大脑或脊髓发出的控制命令。脑外伤、脑血管意外、脑瘫和脊髓损伤等中枢神经疾病导致的四肢瘫痪或偏瘫等运动残疾，目前医学上采用功能电刺激(FES)的治疗方法，利用体表或皮下植入式微电极对肌肉施加电刺激从而恢复瘫痪病人神经肌肉功能，已经成功地被用来帮助瘫痪病人恢复手抓握、排尿、站立甚至走步的功能。多通道植入式神经刺激微电极阵列直接与生物组织相接触，是实现神经修复的关键部件。作为生物神经系统与人工电子设备的唯一物理通道，植入式神经微电极的性能优劣直接决定了神经功能修复的有效性，主要考虑其材料的生物相容性以及工艺制作的可行性。
经对现有技术的文献检索发现，Peter Norlin等人在Journal ofmicromechanics and Microengineering(微机械与微工程期刊)(2002年，12期，414-419页)上发表的(“A 32-site neural recording probe fabricatedby DRIE of SOI substrates”)(基于SOI衬底32记录点电极制作)，该文中提出采用硅深刻蚀工艺制作硅微电极，具体方法为采用深度反应离子刻蚀(DRIE)技术确定电极结构，SiO2及Si3N4作为电绝缘层，其不足在于：制作的微电极为平面结构，绝缘层受工艺影响较大，易产生针孔，不利于体内的长期植入。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种三维神经微电极的制作方法，使其采用SU-8胶的光刻和电镀技术相结合，制作体内植入式多通道微电极。
本发明是通过如下技术方案实现的，包括如下具体步骤：
步骤一，清洗硅片，以硅片作为衬底，采用PECVD(等离子化学汽相淀积)方法在硅片的抛光面生长底层SiO2，底层SiO2用于电隔离金属合金层与硅衬底。
所述硅片，为N型或P型单晶硅。
步骤二，在底层SiO2上依次溅射金属钛和金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线、压焊点和与接触圆点，压焊点用于电连接微电极与外界电路，接触圆点用于在电镀液中电镀生长圆柱形金属柱。
步骤三，在金属合金层上采用等离子化学汽相淀积方法生长顶层SiO2，顶层SiO2绝缘金属合金层，并采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2，暴露出压焊点和接触圆点，并采用光刻胶填充压焊点。
步骤四，在接触圆点上旋涂SU-8胶，并通过光刻与刻蚀工艺，形成圆柱形孔，其侧壁为SU-8胶，并采用光刻胶填充压焊点。
所述光刻，为近紫外光光刻。
所述圆柱形孔，其高度为100μm-1mm。
步骤五，在圆柱形孔中电镀生长金属，最终形成金属圆柱，采用显影方式去除压焊点中的光刻胶，暴露出压焊点。
所述电镀，分别以外部电镀金属板和接触圆点作为阳极与阴极。
所述电镀金属板，是指在电镀圆柱形孔内金属时，电极外部的阳极板。
所述电镀，是指先电镀铜，后电镀金。
步骤六，对上述步骤得到的电极进行清洗，得到三维神经微电极。
所述清洗，是指采用去离子水进行清洗。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用硅片作为衬底材料，充分利用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合电镀技术，制作了体内植入式多通道微电极。制作过程消除了干法深刻蚀工艺步骤，制作成本可降低近1/3，微电极具有良好的电学特性一致性，各通道阻抗变化范围控制在±5％的范围内。由于采用具有良好生物相容性的SU-8胶作为绝缘层，因此可以消除针孔，适合体内的长期植入。
附图说明
图1是本发明的三维微电极制作流程图：
其中：(a)为在硅衬底上方生长底层二氧化硅；(b)为在二氧化硅上方生长钛/金金属层，并刻蚀出金属互连线；(c)为生长顶层二氧化硅；(d)为刻蚀顶层二氧化硅，得到暴露的接触圆点和压焊点；(e)为旋涂SU-8胶，通过光刻与刻蚀工艺，在金属位点上方形成圆柱形孔，并采用光刻胶填充暴露的压焊点；(f)为在圆柱形孔内电镀金属，去除压焊点内填充的光刻胶。
图2是本发明的三维微电极的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例中采用SU-8胶构成的圆柱形孔8的高度为100微米，用于贴敷在视神经或者脑皮层的硬脑膜表面，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功能修复。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，并采用PECVD(等离子化学汽相淀积)方法在硅片1的抛光面生长底层SiO22，底层SiO22用于电隔离金属合金层与硅衬底，如图1(a)所示。
所述硅片1，为N型单晶硅。
步骤二，在底层SiO22上依次溅射金属钛和金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线3、压焊点5和接触圆点6，压焊点5用于电连接微电极与外界电路，接触圆点6用于在电镀液中电镀生长圆柱形金属柱，如图1(b)所示。
步骤三，在金属合金层上PECVD生长顶层SiO24，用于绝缘金属合金层，采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO24，暴露出压焊点5和接触圆点6，如图1(c)和(d)所示。
步骤四，在接触圆点6上旋涂SU-8胶，采用近紫外光进行光刻与刻蚀，形成高度为100微米的圆柱形孔8，其侧壁为SU-8胶9，并采用光刻胶7填充压焊点5，如图1(e)所示。
步骤五，分别以外部的电镀金属板和接触圆点6作为阳极与阴极进行电镀，先电镀铜，后电镀金，在圆柱形孔8中生长金属，最终形成金属圆柱10，采用显影方式去除压焊点5中的光刻胶7，暴露出压焊点5，如图1(f)所示。
步骤六，对上述步骤得到的电极采用去离子水进行清洗，得到三维神经微电极，如图2所示。
本实施例采用硅片作为衬底材料，充分利用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合电镀技术，制作了体内植入式多通道微电极。制作过程消除了干法深刻蚀工艺步骤，制作成本可降低近1/3，微电极具有良好的电学特性一致性，各通道阻抗变化范围控制在±5％的范围内。由于采用具有良好生物相容性的SU-8胶作为绝缘层，因此可以消除针孔。由于圆柱形孔8的高度为100微米，而硬脑膜的厚度为200微米左右，因此微电极可以刺入且不穿透硬脑膜，紧密地贴覆在硬脑膜表面，适合体内的长期植入。
实施例2
本实施例中采用SU-8胶构成的圆柱形孔8的高度为500微米，用于穿透硬脑膜，贴覆在软脑膜表面，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功能修复。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，并采用PECVD(等离子化学汽相淀积)方法在硅片1的抛光面生长底层SiO22，底层SiO22用于电隔离金属合金层与硅衬底，如图1(a)所示。
所述硅片1，为P型单晶硅。
步骤二，在底层SiO22上依次溅射金属钛和金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线3、压焊点5和接触圆点6，压焊点5用于电连接微电极与外界电路，接触圆点6用于在电镀液中电镀生长圆柱形金属柱，如图1(b)所示。
步骤三，在金属合金层上PECVD生长顶层SiO24，用于绝缘金属合金层，采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO24，暴露出压焊点5和接触圆点6，如图1(c)和(d)所示。
步骤四，在接触圆点6上旋涂SU-8胶，采用近紫外光进行光刻与刻蚀，形成高度为500微米的圆柱形孔8，其侧壁为SU-8胶9，并采用光刻胶7填充压焊点5，如图1(e)所示。
步骤五，分别以外部的电镀金属板和接触圆点6作为阳极与阴极进行电镀，先电镀铜，后电镀金，在圆柱形孔8中生长金属，最终形成金属圆柱10，采用显影方式去除压焊点5中的光刻胶7，暴露出压焊点5，如图1(f)所示。
步骤六，对上述步骤得到的电极采用去离子水进行清洗，得到三维神经微电极，如图2所示。
本实施例采用硅片作为衬底材料，充分利用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合电镀技术，制作了体内植入式多通道微电极。制作过程消除了干法深刻蚀工艺步骤，制作成本可降低近1/3，微电极具有良好的电学特性一致性，各通道阻抗变化范围控制在±5％的范围内。由于采用具有良好生物相容性的SU-8胶作为绝缘层，因此可以消除针孔。此时圆柱形孔8的高度为500微米，微电极可以穿透硬脑膜，紧密地贴覆在软脑膜表面，可以降低刺激电流阈值，适合体内的长期植入。
实施例3
本实施例中采用SU-8胶构成的圆柱形孔8的高度为1毫米，用于穿透硬脑膜和软脑膜，刺入到视神经或者脑皮层中，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功能修复。
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，并采用PECVD(等离子化学汽相淀积)方法在硅片1的抛光面生长底层SiO22，底层SiO22用于电隔离金属合金层与硅衬底，如图1(a)所示。
所述硅片1，为N型单晶硅。
步骤二，在底层SiO22上依次溅射金属钛和金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线3、压焊点5和接触圆点6，压焊点5用于电连接微电极与外界电路，接触圆点6用于在电镀液中电镀生长圆柱形金属柱，如图1(b)所示。
步骤三，在金属合金层上PECVD生长顶层SiO24，用于绝缘金属合金层，采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO24，暴露出压焊点5和接触圆点6，如图1(c)和(d)所示。
步骤四，在接触圆点6上旋涂SU-8胶，采用近紫外光进行光刻与刻蚀，形成高度为1毫米的圆柱形孔8，其侧壁为SU-8胶9，并采用光刻胶7填充压焊点5，如图1(e)所示。
步骤五，分别以外部的电镀金属板和接触圆点6作为阳极与阴极进行电镀，先电镀铜，后电镀金，在圆柱形孔8中生长金属，最终形成金属圆柱10，采用显影方式去除压焊点5中的光刻胶7，暴露出压焊点5，如图1(f)所示。
步骤六，对上述步骤得到的电极采用去离子水进行清洗，得到三维神经微电极，如图2所示。
本实施例采用硅片作为衬底材料，充分利用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合电镀技术，制作了体内植入式多通道微电极。制作过程消除了干法深刻蚀工艺步骤，制作成本可降低近1/3，微电极具有良好的电学特性一致性，各通道阻抗变化范围控制在±5％的范围内。由于采用具有良好生物相容性的SU-8胶作为绝缘层，因此可以消除针孔。此时圆柱形孔8的高度为1毫米，微电极可以穿透硬脑膜和软脑膜，刺入到视神经内部，进行神经修复所施加的电流阈值进一步降低，适合体内的长期植入。
Claims (7)
1.一种三维神经微电极的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，清洗硅片，以硅片作为衬底，采用等离子化学汽相淀积方法在硅片的一面生长底层SiO2；
步骤二，在底层SiO2上依次溅射金属钛和金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线、压焊点和接触圆点；
步骤三，在金属合金层上采用等离子化学汽相淀积方法生长顶层SiO2，顶层SiO2绝缘金属合金层，并采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2，暴露出压焊点和接触圆点，并采用光刻胶填充压焊点；
步骤四，在接触圆点上旋涂SU-8胶，并通过光刻与刻蚀工艺，形成圆柱形孔，圆柱形孔侧壁为SU-8胶，并采用光刻胶填充压焊点；
步骤五，在圆柱形孔中电镀生长金属，最终形成金属圆柱，采用显影方式去除压焊点中的光刻胶，暴露出压焊点；
步骤六，对上述步骤得到的电极进行清洗，得到三维神经微电极。
2.根据权利要求1的三维神经微电极的制作方法，其特征是，步骤一中，所述硅片，为N型或P型单晶硅。
3.根据权利要求1的三维神经微电极的制作方法，其特征是，步骤四中，所述光刻，为近紫外光光刻。
4.根据权利要求1的三维神经微电极的制作方法，其特征是，步骤四中，所述圆柱形孔，其高度为100μm-1mm。
5.根据权利要求1的三维神经微电极的制作方法，其特征是，步骤五中，所述电镀，分别以外部电镀金属板和接触圆点作为阳极与阴极。
6.根据权利要求1或5的三维神经微电极的制作方法，其特征是，所述电镀，是指先电镀铜，后电镀金。
7.根据权利要求1的三维神经微电极的制作方法，其特征是，步骤六中，所述清洗，是指采用去离子水进行清洗。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101973509A (zh) * | 2010-10-19 | 2011-02-16 | 上海交通大学 | 基于mems工艺的硅微针表面涂覆加工方法 |
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-
2007
- 2007-11-29 CN CNB2007101712357A patent/CN100551815C/zh active Active
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| CN109911839A (zh) * | 2017-12-12 | 2019-06-21 | 中国科学院半导体研究所 | 能抑制光噪声的微电极、采用其的电路及其制备方法 |
| CN109911839B (zh) * | 2017-12-12 | 2023-10-13 | 中国科学院半导体研究所 | 能抑制光噪声的微电极、采用其的电路及其制备方法 |
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