CN101973509A - 基于mems工艺的硅微针表面涂覆加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，采用化学气相淀积方法在硅片的抛光面生长底层SiO2用于电隔离金属合金层与硅衬底；在底层SiO2上依次溅射钛元素和金元素以形成金属合金层，在金属合金层上分别刻蚀出金属互连线、压焊点和接触圆点；在金属合金层上生长顶层SiO2用于绝缘金属合金层，用HF酸溶液刻蚀顶层SiO2以暴露出金属合金层上的压焊点和接触圆点；在硅衬底正面涂覆聚合物并光刻刻蚀暴露出金属合金层上的压焊点和电极接触点；采用感应耦合等离子干法刻蚀的方法刻蚀去除底层SiO2及基片。本发明微针具有生物相容性和防水性，将其涂覆在硅材料表面可以增强硅微针在体内工作的可靠性，实现在体长期植入。

Description

基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的方法，具体是一种基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法。
背景技术
视觉是人类认识客观世界的重要途径。大脑所需信息的70％以上来自视觉。由各种视网膜病变导致的视觉丧失已经成为影响人类生活质量最为严重的一种残疾。通过深入研究视觉神经损伤及修复机制，开展视觉功能修复的基础理论与关键科学问题的研究，研制视觉假体，有望为盲人复明开辟一条新的途径。视觉假体是一种可将图像信息处理、编码，通过微电极阵列对视觉神经系统进行刺激，从而在视觉中枢产生人工视觉，恢复盲人视力的一种人工器官。在人工电子耳蜗修复听觉神经，大脑神经刺激器治疗帕金森病取得临床成功后，以视觉假体为代表的植入式脑机接口已成为神经功能修复领域新的研究热点。建立机器与生物体的和谐接口，用人工器官替代人体受损的器官，修复人体功能一直是人类所面临的一个重要的科学问题与奋斗目标。视觉假体是典型的集光机电为一体的BioMEMS(生物微机电系统)，它的研究突破不仅对盲人视觉功能修复具有重要意义，同时也将促进我国在高端医疗器械取得国际领先的研究成果，创造重大社会和经济效益。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，是视觉假体或其他神经假体(例如人工耳蜗、深脑刺激器等)的关键部件，其性能优劣直接影响到视觉修复或其他神经修复的可靠性。
经对现有技术的文献检索发现，Michigan大学的Kip A Ludwig等人2006年发表的Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemically deposited with a poly(3，4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)film(采用表面经过电化学方法淀积的聚乙烯二氧噻吩薄膜进行修饰的硅微电极阵列进行长期神经信号记录)中采用浓硼深扩散的方式制作硅微针主体，导致硅针厚度不均匀，影响其力学特性。而且表面是SiO2材料，在体工作的生物相容性和可靠性受影响。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，经本方法加工后的微针厚度均匀一致，其厚度由SOI硅片的顶层硅、埋层SiO2、聚合物层、生长的SiO2层的厚度来决定。硅微针表面涂覆具有良好生物相容性的聚合物材料，其可靠性增强，可以实现在体长期植入。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
步骤一，以SOI作为基片，采用化学气相淀积方法在硅片的抛光面生长底层SiO2用于电隔离金属合金层与硅衬底；
所述的化学气相淀积方法包括：等离子化学气相沉积方法和低压化学气相沉积方法。
步骤二，在底层SiO2上依次溅射钛元素和金元素以形成金属合金层，然后在金属合金层上分别刻蚀出金属互连线、压焊点和接触圆点；
所述的压焊点用于电连接微电极与外界电路，所述的接触圆点为圆形金属暴露点，周边为SiO2绝缘层。
步骤三，在金属合金层上采用化学气相淀积方法生长顶层SiO2用于绝缘金属合金层，并采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2以暴露出金属合金层上的压焊点和接触圆点；
步骤四，在硅衬底正面涂覆聚合物材料，并通过光刻与刻蚀工艺暴露出金属合金层上的压焊点和微电极刺激点。
所述的光刻是指近紫外光光刻。
所述的涂覆聚合物材料是指：采用旋涂或者蒸发方式在硅衬底表面生长出光敏性聚酰亚胺、非光敏性聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、C型聚对二甲苯(C-parylene)或液晶聚合物(LCP)等。
所述的光敏性聚酰亚胺包括：正胶PI 2210以及负胶PI 7510。
所述的非光敏性聚酰亚胺包括：聚酰亚胺100系列、聚酰亚胺32A系列和聚酰亚胺200系列。
所述的微电极刺激点指的是与接触圆点同圆心，而直径略小的金属暴露点，其周边为聚合物材料，该电极刺激点用于刺激神经组织。
步骤五，采用感应耦合等离子体干法刻蚀的方法，刻蚀掉硅片正面的SiO2层、SOI硅片的顶层硅以及埋层SiO2，确定微电极的横向几何尺寸。
步骤六，将整个硅片的背面与碱性湿法腐蚀液相接触，腐蚀掉硅片的衬底硅，从而各个独立的微针便自动释放出来，并对其进行清洗，这样便实现了硅微针表面涂覆加工。
所述的清洗是指：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：基于SOI硅MEMS工艺制作的硅微针保留了SOI硅片的埋层SiO2材料，可以与化学汽相淀积方法生长的SiO2材料进行应力匹配，从而能够制作较长的硅微针；创新性地在硅微针的表面涂覆聚合物材料，包括光敏性或非光敏性聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、C型聚对二甲苯(C-parylene)和液晶聚合物(LCP)等。这些聚合物材料具有良好的生物相容性，将其涂覆在硅材料表面可以增强硅微针在体内工作的可靠性，实现在体长期植入。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明微针示意图。
具体实施方式
下面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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例采用旋涂聚酰亚胺方式制作表面绝缘层。聚酰亚胺材料具有良好的生物相容性和防水性，将其涂覆在硅材料表面可以增强硅微针在体内工作的可靠性，实现在体长期植入。
实施例1
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一，清洗SOI片1，以SOI片1作为衬底，并采用PECVD(等离子化学气相淀积)方法在SOI片1的抛光面生长底层底层SiO22用于电隔离金属合金层与硅衬底，如图1(a)所示。
步骤二，在底层SiO22上依次溅射金属
Figure BDA0000028722250000032
钛和
Figure BDA0000028722250000033
金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线10、压焊点9和接触圆点11，压焊点9用于电连接微电极与外界电路，接触圆点11用于为刺激点，用于刺激组织传输电信号，如图1(b)所示。
步骤三，在金属合金层上PECVD生长顶层
Figure BDA0000028722250000034
用于绝缘金属合金层，采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2，暴露出压焊点9和接触圆点11，如图1(c)和(d)所示。
步骤四，在接触圆点6上旋涂光敏性聚酰亚胺(PI2210)胶，采用近紫外光进行光刻与刻蚀，暴露出压焊点9和接触圆点11。最终形成高度为6-7微米的PI绝缘层，用于顶层再次绝缘，如图1(e)(f)所示。
步骤五，采用感应耦合等离子(inductively coupled plasma：ICP)干法刻蚀的方法，把电极整体形状刻蚀出来。如图1(g)所示。
步骤六，采用湿法腐蚀的方法对SOI硅片的背面底层Si进行腐蚀。这里只将硅片背面暴露在KOH或TMAH等碱性腐蚀溶液中。最终把电极释放下来，如图1(h)所示。
步骤七，对上述步骤得到的电极采用去离子水进行清洗，得到神经微电极，如图2所示。
本方法创新性地在硅微针的表面涂覆聚合物材料，实现聚合物与硅材料相结合的MEMS微加工工艺。研究基于SOI(Silicon on Insulator)硅衬底MEMS工艺技术的硅微针的微加工方法，实现微针的自动释放，同时将聚酰亚胺、苯并环丁烯、C型聚对二甲苯和液晶聚合物等涂覆在硅微针顶层，提高硅微针的生物相容性和可靠性，适合长期植入。
本实施例采用蒸发C型聚对二甲苯方式制作表面绝缘层。C型聚对二甲苯材料具有良好的生物相容性和低吸湿性，将其涂覆在硅材料表面可以增强硅微针在体内工作的可靠性，实现在体长期植入。蒸发的方式能使表面的C型聚对二甲苯均匀覆盖住整个硅微针，会达到更好的绝缘效果。
实施例2
如图1所示，本实施例包括如下步骤：
步骤一，清洗SOI片1，以SOI片1作为衬底，并采用PECVD(等离子化学气相淀积)方法在SOI片1的抛光面生长底层
Figure BDA0000028722250000041
底层SiO22用于电隔离金属合金层与硅衬底，如图1(a)所示。
步骤二，在底层SiO22上依次溅射金属
Figure BDA0000028722250000042
钛和
Figure BDA0000028722250000043
金，形成金属合金层，并刻蚀出金属互连线10、压焊点9和接触圆点11，压焊点9用于电连接微电极与外界电路，接触圆点11用于为刺激点，用于刺激组织传输电信号，如图1(b)所示。
步骤三，在金属合金层上PECVD生长顶层用于绝缘金属合金层，采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2，暴露出压焊点9和接触圆点11，如图1(c)和(d)所示。
步骤四，在接触圆点6上蒸发一层C型聚对二甲苯，暴露出压焊点9和接触圆点11。最终形成高度为6-7微米的绝缘层，用于顶层再次绝缘，如图1(e)(f)所示。
步骤五，采用感应耦合等离子(inductively coupled plasma：ICP)干法刻蚀的方法，把电极整体形状刻蚀出来。如图1(g)所示。
步骤六，采用湿法腐蚀的方法对SOI硅片的背面衬底Si进行腐蚀。这里只将硅片背面暴露在KOH或TMAH等碱性腐蚀溶液中，最终把微针释放下来，如图1(h)所示。
步骤七，对上述步骤得到的微针采用去离子水进行清洗，得到神经微电极，如图2所示。
本方法创新性地在硅微针的表面涂覆聚合物材料，实现聚合物与硅材料相结合的MEMS微加工工艺。研究基于SOI(Silicon on Insulator)硅衬底MEMS工艺技术的硅微针的微加工方法，实现微针的自动释放，且厚度均匀一致，同时将聚酰亚胺、苯并环丁烯、C型聚对二甲苯和液晶聚合物等涂覆在硅微针顶层，提高硅微针的生物相容性和可靠性，适合长期植入。

Claims (7)

1.一种基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，以SOI作为基片，采用化学气相淀积方法在硅片的抛光面生长底层SiO2用于电隔离金属合金层与硅衬底；
步骤二，在底层SiO2上依次溅射钛元素和金元素以形成金属合金层，然后在金属合金层上分别刻蚀出金属互连线、压焊点和接触圆点；
步骤三，在金属合金层上采用化学气相淀积方法生长顶层SiO2用于绝缘金属合金层，并采用缓冲的HF酸溶液刻蚀顶层SiO2以暴露出金属合金层上的压焊点和接触圆点；
步骤四，在硅片正面涂覆聚合物材料，并通过光刻与刻蚀工艺制备得到金属合金层上的压焊点和微电极刺激点；
步骤五，采用感应耦合等离子体干法刻蚀的方法，刻蚀掉硅片正面的SiO2层、SOI硅片的顶层硅以及埋层SiO2，确定微电极的横向几何尺寸。
步骤六，将整个硅片的背面与碱性湿法腐蚀液相接触，腐蚀掉硅片的衬底硅，从而各个独立的微针便自动释放出来，并对其进行清洗，实现硅微针表面涂覆加工。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的化学气相淀积方法包括：等离子化学气相沉积方法和低压化学气相沉积方法。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的压焊点用于电连接微电极与外界电路，所述的接触圆点为圆形金属暴露点，周边为SiO2绝缘层。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的自动释放是指硅片背面的衬底硅被腐蚀完毕后，腐蚀过程在硅片的埋层SiO2处自停止，由于硅微针之间的埋层SiO2已经被ICP刻蚀掉，因此硅微针便自动释放。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的涂覆聚合物材料是指：采用旋涂或者蒸发方式在硅衬底表面生长出光敏性聚酰亚胺、非光敏性聚酰亚胺、C型聚对二甲苯或液晶聚合物。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的光敏性聚酰亚胺包括：正胶PI2210以及负胶PI7510。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅微针表面涂覆加工方法，其特征是，所述的非光敏性聚酰亚胺包括：聚酰亚胺100系列、聚酰亚胺32A系列和聚酰亚胺200系列。
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