CN101398614A - 一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其特征是，利用硅三维针尖阵列制备出基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列，该电极阵列是一种类似于三明治结构的Parylene－金属层－Parylene三层结构，可用于针对人工视网膜修复的视网膜下植入手术。根据本发明制作的三维针尖电极阵列能有效提高芯片电极阵列的密度，降低芯片的功耗和面积，增强视网膜芯片的修复效果，更好地适应了视网膜下植入手术的要求。

Description

一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，具体涉及一种用硅三维针尖阵列制备出的基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列的制作方法，其用于视网膜下植入手术，属于微机械加工技术领域。

背景技术

近年来，随着微机械加工技术和临床眼科手术学的不断发展，利用人工视网膜修复技术，可对由于视网膜色素变性(RP)和老年人黄斑变性(AMD)等视网膜病变引起致盲的眼疾患者，起到恢复部分视觉感受的功效。

如何制作出生物兼容性良好、电极阵列密度高，并能提供有效刺激效果的视网膜电极阵列芯片，是人工视网膜修复技术的关键。目前，依靠微电子机械系统(MEMS—Micro Electromechanical System)工艺技术制作而成的微电极阵列芯片在人工视网膜修复方面有很好的发展前途。

现有技术中，美国加州理工学院戴聿昌小组在本领域有一些值得借鉴的成果，在对比文件“Flexible Parylene-based Microelectrode Technology forIntraocular Retinal Prosthesis”In Proc，IEEE-NEMS2006，Zhuhai，China，Jan.18-21，2006中，戴聿昌小组成员利用生物兼容性良好的Parylene聚合物材料，成功地制作出基于Parylene衬底的平面电极阵列芯片，并且已经进行相关的人体试验。实验结果表明：Parylene具有良好生物兼容性，可以在人体视网膜环境长期存在，并且不会对视网膜环境造成破坏作用。不过，目前该小组在如何提高电极阵列密度方面遇到了技术困难，尽管他们尝试采用多层布线方式来提高阵列密度，但由于单个电极的面积不能减小，导致必需通过增大芯片总面积的方法来提高阵列数目，结果将导致芯片设计难度和植入手术难度增加。

上海交通大学刘景全等人公开的发明专利(中国专利公开号CN101149559A，发明名称为“用光刻胶热熔法制备球形凸起生物微电极阵列的方法”)中，提出了用光刻胶热熔法来制备球形凸起生物微电极阵列的方法，该方法的主要特征是：利用光刻胶回流的方法形成凸起的球形点，进而形成球形凸起的柔性微电极阵列。其主要步骤是：1)在硅片上溅射金属后旋涂光刻胶，光刻后形成小圆柱凸起结构；2)在烘箱中加热熔化光刻胶，形成具有半球形结构的凸点；3)覆盖一层聚合物，并溅射金属，进行图形化形成电极和连线；4)覆盖第二层聚合物并刻蚀电极顶端；5)去除光刻胶，释放出电极结构。这种电极结构制作方式具有工艺较简单，工艺成本较低，以及电极与神经细胞的接触面积大等优点；但却存在以下突出不足：其一，用回流方法所形成的凸起结构的高度一般都不高，造成凸起效果不明显；其二，对后续的布线(尤其是多层布线)造成困难，不利于高密度阵列的芯片结构设计；其三，由于经过热熔处理，光刻胶将引入较多的热应力，在后续工艺中可能会引起金属连线的变形甚至裂开。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其利用硅三维针尖阵列制备出基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列，可用于视网膜下植入手术；其类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构既保证了视网膜修复芯片与视网膜神经充分接触，又提高了芯片电极阵列密度；并且芯片所具有的针尖电极放电特征增强了对视网膜的刺激效果。根据本发明制作的三维针尖电极阵列降低芯片的功耗和面积，增强视网膜芯片的修复效果，更好地适应了视网膜下植入手术的要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其结构特征是：首先，在硅衬底上腐蚀出硅的三维针尖阵列结构，作为Parylene柔性衬底三维结构的模型；其次，在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构，并作为最终器件的衬底材料；然后，在Parylene上用金属剥离的方法形成针尖电极和导线；接下来，覆盖第二层Parylene作为绝缘层和保护层，旋涂光刻胶并图形化和刻蚀后露出电极的针尖部分；最后，连同Parylene-金属-Parylene结构从硅片上撕下来，得到具有柔性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针尖电极阵列。

所述三维针尖阵列具有突起的特点，电极的刺激点高于基底材料平面，并且突起的最上端部分呈针尖形状，所述电极阵列为类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构。

一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其包括以下步骤：

步骤1清洗硅片，在硅片表面上旋涂正性的光刻胶，光刻形成后续深刻蚀的掩膜；

步骤2利用各向异性的深刻蚀方法刻蚀硅衬底形成硅圆柱体阵列结构，去除剩余的光刻胶；

步骤3利用各向同性湿法腐蚀的方法腐蚀硅衬底修饰硅圆柱体结构，使其形成锥形针尖形貌，此时形成的硅针尖阵列结构作为最终所制作器件的模子，并且作多次重复备用；

步骤4在步骤3的基础上淀积一层生物兼容性良好的Parylene薄膜，这层薄膜将复制出硅的三维针尖结构，并作为Parylene三维针尖电极结构的衬底；

步骤5在Parylene上甩上一层光刻胶并图形化，淀积金属层后剥离形成金属针尖电极和导线；

步骤6在步骤5的基础上覆盖第二层Parylene薄膜，然后旋涂光刻胶并图形化露出针尖对应的Parylene窗口部分，用干法刻蚀的方法去除Parylene使露出针尖电极部分，然后去除剩余光刻胶；

步骤7将上述步骤所形成的Parylene-金属-Parylene结构在脱模剂的作用下直接从硅衬底上撕下来。

本发明的有益效果：本发明所制作的Parylene三维针尖电极阵列具有生物兼容性和柔性基底结构，最终的结构转印了硅衬底的三维针尖阵列结构的模型，这样的硅衬底的三维针尖阵列结构模型可以重复使用多次。与现有技术相比，用硅三维针尖阵列制备出的基于Parylene三维针尖电极阵列制作方法有以下几个优点：

1.用硅衬底所制作出三维针尖阵列结构，可以多次作为后续Parylene转印的模型，只要制作出一块合格的硅三维针尖阵列结构，就可以批量制作出样式基本一样的Parylene三维针尖电极阵列结构，这样既有利于减少工艺步骤，也可大大的降低工艺成本；

2.由于三维电极针尖的突起特点，并且针尖突起的高度在工艺上也比较容易控制，这样在视网膜植入手术后，可以使芯片更好地与视网膜贴合，使电极刺激部位更好地接触视神经细胞；

3.由于三维针尖电极具有的针尖放电的特点，可以提供更有效的电流刺激；

4.三维针尖阵列的实现，在同样的条件下所需电流刺激更少，从而可以减小电极阵列中单个电极的面积和功耗，提高电极阵列密度，使制备具有更大规模电极阵列的视网膜下修复芯片成为可能。

附图说明

图1为本发明制作流程示意图；其中，

图1-1为硅片上图形化后的光刻胶示意图；

图1-2为光刻硅衬底经过ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)刻蚀以后的柱状结构示意图；

图1-3为用HNA(HF/Nitric/Acetic Acid，即按一定配比的氢氟酸、硝酸和醋酸的混合酸)腐蚀液修饰后形成的硅的锥形针尖结构示意图；

图1-4为硅片三维针尖结构上覆盖了一层Parylene薄膜示意图；

图1-5为Parylene上金属剥离后形成针尖电极和导线示意图；

图1-6为金属层上覆盖了第二层Parylene薄膜示意图；

图1-7为刻蚀露出电极针尖并撕下后得到的针尖电极阵列示意图；

图2为所发明的三维针尖阵列的特征形貌图(忽略第二层Parylene)；其中，

图2-1为三维针尖电极阵列的仿真形貌示意图；

图2-2为Parylene三维针尖电极背腔掏空的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1图1为根据本发明的Parylene三维针尖电极阵列的制作流程为：

步骤1如附图1-1，清洗硅片，在硅片上旋涂一层厚度10μm左右的普通正性光刻胶并光刻；

步骤2如附图1-2，用各向异性的ICP刻蚀机对硅进行深刻蚀，得到高度约50μm的硅柱状体，然后去除光刻胶；

步骤3如附图1-3，用各向同性的HNA腐蚀液对硅柱状体结构进行修饰，形成硅锥形针尖形貌，得到的针尖高度约30μm；

步骤4如附图1-4，淀积一层Parylene薄膜约10μm，作为三维电极阵列的衬底结构；

步骤5旋涂一层厚度约30μm的AZ4620型的正性光刻胶，并图形化；然后如附图1-5所示，溅射粘附层钛和导电层金，厚度分别为

和去除光刻胶可剥离得到电极和导线；

步骤6如附图1-6所示，覆盖第二层Parylene，厚度约5μm，作为绝缘层和保护层；然后旋涂厚度约30μm的AZ4620型的光刻胶，图形化光刻后露出针尖对应的Parylene窗口部分；最后用氧等离子干法刻蚀机刻蚀Parylene，直至露出针尖电极的上端部分；

步骤7如附图1-7所示，在脱模剂作用下将硅片上的Parylene-金属-Parylene结构从硅衬底上撕下来，释放出针尖电极的结构。

最终得到的是基于Parylene衬底的三维针尖电极阵列结构，这种结构除了露出来的针尖部分，正面和背面都有Parylene包裹着，起到绝缘和保护作用，保证了植入芯片的可靠性。另外，三维针尖的阵列结构也确保与视网膜相贴合，并保证了电流刺激的有效性。

实施例2结合图1和图2的基于Parylene的三维针尖电极阵列，其具有突起的特点，电极的刺激点高于基底材料平面，并且突起的最上端部分呈针尖形状，形成如图中所示的类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构。该三层结构的具体布局为：首先，在硅衬底上腐蚀出硅的三维针尖阵列结构，作为Parylene柔性衬底三维结构的模型，并在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构，作为最终器件的衬底材料；然后，在Parylene上用金属剥离的方法形成针尖电极和导线；接下来，覆盖第二层Parylene作为绝缘层和保护层，旋涂光刻胶并图形化和刻蚀后露出电极的针尖部分；最后，连同Parylene-金属-Parylene结构从硅片上撕下来，得到具有柔性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针尖电极阵列。

实施例3图2为忽略第二层Parylene的Parylene三维针尖电极阵列形貌特征，其中，图2-1为三维针尖电极阵列的仿真形貌示意图，是淀积金属并图形化后的效果；图2-2为Parylene三维针尖电极背腔掏空的示意图，其中Parylene针尖电极对应的背面是空的。这种用硅衬底所制作出的硅三维针尖阵列结构，可以多次作为后续Parylene转印的模型，只要制作出一块合格的硅三维针尖阵列结构，就可以批量制作出样式基本一样的Parylene三维针尖电极阵列结构。

Claims (5)

1.一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其结构特征是：首先，用结合干法刻蚀和湿法腐蚀的方法在硅衬底结构上形成硅三维针尖阵列，作为Parylene柔性衬底三维结构的模型；其次，在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构，并将其作为最终器件的衬底材料；然后，在Parylene上用金属剥离的方法形成针尖电极和导线，并覆盖第二层Parylene作为绝缘层和保护层，接着旋涂光刻胶并图形化，干法刻蚀Parylene后露出电极的针尖部分；最后，连同Parylene和金属从硅片上撕下来，得到具有柔性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针尖电极阵列，以作为视网膜下视觉修复芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其特征是，所述三维针尖阵列具有突起的特点，电极的刺激点高于Parylene基底材料平面，并且突起的最上端部分呈针尖形状，所述电极阵列为类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构。

3.根据权利1所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其特征是，所述结合干法和湿法腐蚀的方法是指：先用各向异性的方法刻蚀出硅圆柱体阵列结构；然后用各向同性的腐蚀液修饰衬底硅片；最后形成硅三维针尖阵列结构；该硅衬底结构作为Parylene转印模型，多次重复使用。

4.一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片，在硅片表面上旋涂正性的光刻胶，光刻形成后续深刻蚀工艺的掩膜；

步骤2：用各向异性的深刻蚀方法刻蚀硅衬底形成硅圆柱体阵列结构，去除剩余的光刻胶；

步骤3：利用各向同性湿法腐蚀的方法腐蚀硅衬底修饰硅圆柱体结构，使其形成锥形针尖形貌；

步骤4：在步骤3的基础上淀积一层生物兼容性良好的Parylene薄膜，作为Parylene三维针尖电极结构的衬底；

步骤5：在Parylene上甩上一层正性光刻胶并图形化，淀积金属层后剥离形成金属针尖电极和导线；

步骤6：在步骤5的基础上覆盖第二层Parylene薄膜，然后旋涂正性光刻胶并图形化露出针尖对应的Parylene窗口部分，用干法刻蚀的方法去除Parylene使露出针尖电极部分，去除剩余光刻胶；

步骤7：将上述步骤所形成的Parylene-金属-Parylene结构在脱模剂的作用下从硅衬底上撕下来。

5.根据权利要求4所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其特征是：所制备的Parylene三维针尖电极阵列结构只是复制了硅衬底三维针尖的形貌，针尖电极对应的背面是掏空的。

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