CN103035774A

CN103035774A - 一种单光源植入式神经多点同步交互芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN103035774A
Application number: CN2012105910841A
Authority: CN
Inventors: 孙小菡; 董纳; 蒋卫锋; 陈源源
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103035774B

Abstract

本发明公开了一种单光源植入式神经多点同步交互芯片，包括衬底、中部设有记录电路层的第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层、激励光路层和单光源发射模块；第一绝缘隔离层包覆在记录电路层的表面，激励光路层固定连接在第一绝缘隔离层顶面；第一绝缘隔离层和激励光路层形成交互层，该交互层相对的两端分别为伸出衬底边缘的伸出端，第二绝缘隔离层固定连接在衬底的底面和交互层两个伸出端的底面，单光源发射模块位于交互层上；交互层的一个伸出端形成梳齿状探针组。该结构的芯片通过引入分束式多点激励探头减少了所需光源数量，降低了能耗与发热量，提高了持续工作的稳定性。同时，本发明还公开了该芯片的制备方法，该制备方法简单易行。

Description

一种单光源植入式神经多点同步交互芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体制造、化工、集成光学和神经工程技术领域，具体来说，涉及一种单光源植入式神经多点同步交互芯片及其制备方法。

背景技术

随着对神经系统研究的深入，细胞级的神经细胞活动调制对于研究神经活动在神经网络中传输扩散的性质，建立神经网络机能模型至关重要。与此同时，一些复杂神经疾病，和对通常治疗方法有抗性的动作或情绪失常，如帕金森病、张力障碍、运动神经元病、阿兹海默症甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其机理逐渐被揭示出来，属于神经系统或脑部功能区域神经元细胞的衰退所致，对神经信号的细胞级人工激励是治愈和缓解这些症状的有效手段之。因此一种新型神经交互装置得到了发展，这种装置对神经细胞进行人工激励，同时对受激产生的神经信号进行记录，完成所谓交互的过程。由于神经电生理信号的电本质，传统的神经激励信号为电信号，传统的植入式装置由电信道和植入电极构成。近车来，随着基因技术的发展，在其辅助下可见光信号成为对神经系统进行细胞级激励的有效媒介。相比神经电激励，神经光激励有以下优点：

1、使用独立信道，不受电生理环境影响。

通过微电极向组织生理环境注入激励电流，会与激励起的神经电信号相互作用、干扰；而光束与神经电信号不会相互干扰。

2、对生物有机体副作用很小。

长期植入时，注入电流的并发症与副作用不可忽视；而光束为安全的信号，不会影响生理环境。

3、配合相应的基因手段能够实现神经活动的激发与抑制。

电激励仅能实现神经细胞的激发，不能实现神经活动的抑制；而借助相应基因工程手段，光激励能够实现神经活动的激发与抑制。

4、光束可以被聚焦，以提高激励精度。

电信号会在生理环境中向各个方向均等扩散，影响调控的精度；而光束可以被聚焦到微米级的点上，由于神经细胞的尺寸约为1～10μm，因此可以实现细胞级的精确激励。

一些应用于新皮层、脊髓组织或视神经的微型植入式交互装置需要对交互区域上多点实施同步激励与记录，其主要目的是增强神经激励效果。目前，平面微加工工艺已经成为设计与制备基于光学神经激励的植入式微型交互装置的重要手段，并制造出一体化的集成神经多点交互芯片。但迄今为止，基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片仍存在以下缺陷：

1、无源芯片的集成度低，需要额外连接，光传输损耗大

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片均为无源芯片，未集成光源模块，故需要通过光纤外接光源，额外连接的机械特性如牢固性等会影响芯片植入时的稳定工作，额外连接还需要微米级光学对准，影响系统从光源到探头末端的光传输效率，增大传输损耗；本发明单片集成了单光源发射模块，整体解决了连接问题，降低了光传输损耗。

2、光路结构简单，需要多个光源来实现多点交互，同步性较差

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片光路结构为线型波导结构，比较简单，为了实现多点交互，需要使用多个线型波导，每个波导又要对应一个光源，每个光源又要由一套外接驱动电路来控制，交互点数量和交互的同步性都会受到影响；本发明引入分束式多点激励探头，实现了单光源多点同步交互，各支路间均匀性良好，简化了系统。

3、光源驱动电路复杂，能耗较大，发热量大，持续工作不稳定

当前基于光学神经激励的植入式神经多点交互芯片采用多光源实现多点交互，多光源所需驱动电路复杂，能耗和发热量均很大，影响系统的持续工作；本发明采用集成单光源结构，正常工作所需的能耗与热量最低可降为原来的1/2ⁿ，利于持续稳定工作。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种单光源植入式神经多点同步交互芯片，该结构的芯片通过引入分束式多点激励探头减少了所需光源数量，避免额外连接，从而降低了能耗与发热量，提高了持续工作的稳定性；同时，本发明还提供了该芯片的制备方法，该制备方法简单易行，解决了单光源发射模块发射层、分束式多点激励探头与记录电路的集成问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种单光源植入式神经多点同步交互芯片，所述的芯片为平面多层结构，包括衬底、中部设有记录电路层的第一绝缘隔离层、第二绝缘隔离层、激励光路层和单光源发射模块；其中，第一绝缘隔离层固定连接在衬底顶面，第一绝缘隔离层包覆在记录电路层的表面，激励光路层固定连接在第一绝缘隔离层顶面，且激励光路层的底面与第一绝缘隔离层顶面重合；第一绝缘隔离层和激励光路层形成交互层，该交互层相对的两端分别为伸出衬底边缘的伸出端，第二绝缘隔离层固定连接在衬底的底面和交互层两个伸出端的底面，单光源发射模块位于交互层上，单光源发射模块中部设有一有源层，且单光源发射模块顶面设有外接驱动电极；所述的交互层的一个伸出端形成梳齿状探针组，探针组作为芯片的可植入部分，探针组包含m个探针单元，每个探针单元的底面上设有一个探测电极，交互层的另一个伸出端的底面上设有m个记录电极，记录电极和单光源发射模块位于交互层的同侧，每个记录电极与一个探测电极相对应；所述的记录电路层包括m路平面导线，平面导线的一端为探测电极触点，每个探测电极触点与一个探测电极相对应，且每个探测电极触点通过钨塞和与该探测电极触点对应的探测电极连接，平面导线的另一端为记录电极触点，每个记录电极触点与一个记录电极相对应，且每个记录电极触点通过钨塞和与该记录电极触点对应的记录电极连接；所述的激励光路层包括分束式多点激励探头和光包层，光包层包覆在分束式多点激励探头的表面；位于衬底上方的分束式多点激励探头为第一分束式多点激励探头，第一分束式多点激励探头呈级联式1×2分束结构，级联级数为n，n为整数，且2ⁿ＝m；位于探针组中的分束式多点激励探头为第二分束式多点激励探头，第二分束式多点激励探头为梳齿状；第一分束式多点激励探头的入射端和第二分束式多点激励探头的出射端均露出光包层；第一分束式多点激励探头的入射端与有源层连接，第一分束式多点激励探头的出射端与第二分束式多点激励探头的入射端连接，第二分束式多点激励探头的出射端末端为楔形波导。

进一步，所述的n的范围为：1≤n≤10。

进一步，所述的单光源发射模块的有源层发出的光信号的波长范围为360-2000nm，且光信号的传播方向与衬底平行。

上述单光源植入式神经多点同步交互芯片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10)：在衬底上制备第一绝缘隔离层：利用等离子增强化学气相沉积工艺，在衬底的顶面制备一层绝缘隔离层的材料，作为下隔离层，然后采用紫外光刻和电子束蒸发方法，在下隔离层上制备记录电路层的平面导线，接着再次利用等离子增强化学气相沉积工艺，在平面导线上方制备一层绝缘隔离层的材料，作为上隔离层，最终形成包括上隔离层、下隔离层和记录电路层的第一绝缘隔离层，该第一绝缘隔离层中部包覆记录电路层；

步骤20)制备激励光路层：在步骤10)制成的第一绝缘隔离层顶面上，采用溶胶和凝胶法，制备一层光包层的材料，作为上光包层，然后采用紫外光刻，在上光包层的顶面制备分束式多点激励探头，接着再次采用溶胶和凝胶法，在分束式多点激励探头上方制备一层光包层材料，作为下光包层，得到包括上光包层和下光包层的光包层，光包层将分束式多点激励探头包覆，形成激励光路层；第一绝缘隔离层和激励光路层形成交互层；

步骤30)：光刻放置单光源发射模块的凹槽：在步骤20)制成的光包层上涂一层光刻胶作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，在交互层上光刻单光源发射模块的图形，然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，在交互层上按照单光源发射模块的图形刻蚀放置单光源发射模块的凹槽；

步骤40)：制备第二绝缘隔离层：首先将衬底倒置，采用厚度10～30微米的光刻胶，作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，将该刻蚀保护层光刻在衬底的底面上；然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀衬底相对的两侧，使位于衬底下方的各层伸出衬底边缘，作为交互层的两个伸出端；然后采用紫外光刻工艺，在衬底的底面和交互层伸出端的底面分别制备第二绝缘隔离层；

步骤50)：制备探测电极和记录电极：采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀第一绝缘隔离层和第二绝缘隔离层，刻蚀深度直至到达记录电路层的平面导线所在位置，形成安放钨塞的过孔，然后采用化学气相沉积和感应耦合等离刻蚀法，在该过孔中制备钨塞，接着采用紫外光刻工艺，在交互层的一个伸出端底面光刻记录电极图形，在交互层的另一个伸出端底面光刻探测电极图形，最后采用紫外光刻和电子束蒸发法，制备记录电极和探测电极；

步骤60)：制备探针组：将衬底正置，采用厚度10-30微米的光刻胶作为掩模，对交互层设有探测电极的伸出端进行刻蚀，形成梳齿状的探针组；

步骤70)：安装单光源发射模块：采用紫外固化环氧树脂系胶结剂，将单光源发射模块黏合在步骤30)刻制的凹槽中，并使单光源发射模块的有缘层对准分束式多点激励探头的入射端，制成单光源植入式神经多点同步交互芯片。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.引入波导分路器，实现了单光源多点同步激励。本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片通过引入n级1×2分束式多点激励探头，用单光源就实现了2ⁿ个位置的同步神经激励，各支路光程相等，均匀性良好，并且简化了驱动电路。由于原本需要2ⁿ个光源，本发明仅采用1个光源，故能耗与发热量最低可降至原本的1/2ⁿ，有利于持续工作，延长了芯片的使用寿命，适合长期植入。

2.采用一体化结构，集成程度高。本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片在平面单片上集成了单光源发射模块、分束式多点激励探头、记录电路层、探测电极和记录电极。通过调整制备过程中所使用的光掩模及刻蚀深度，整体解决了光源、传输波导与波导探头间的牢固接合和光学对准问题，传输过程中的光功率损耗有所降低，总传输损耗约20％。

3.每个交互点使用独立记录电路。对每一个探针设计了一条独立传输电路作为记录电路，每一路电信号通路的总电阻R＝σ1/S大约为50欧，其中σ为线路的电阻率，1为传输方向上的线性长度，S为传输方向上的线路截面积，记录端对于神经信号的响应灵敏可达毫伏级。

4.采用光电隔离的结构，消除信号间的干扰。本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片的传输光路与记录电路间采用绝缘厚二氧化硅薄膜实现了隔离，二氧化硅为绝缘生物相容材料，硬度大，能够胜任神经组织植入，有效解决了传统电激励中激励与记录信号相互干扰形成死区的问题；

5.采用楔形波导探头，提高激励光束出射时的中心功率。本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片采用楔形波导探头作为出射端面，与普通平头端面相比，使得出射光束的中心功率得到了提高。

6.实现晶圆级一体化制备。本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片的制备工艺，首先在衬底表面制备传输电路层，然后制备传输光路及光波导探头，再将衬底刻蚀掉一部分以制备探测电极和记录电极，最后将准备好的单光源发射模块黏合在衬底上，实现了晶圆级的处理，制备效率高，在一块玻璃晶圆上实现了成批制备。

附图说明

图1为本发明的芯片的结构剖视图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为本发明中第二分束式多点激励探头的俯视图。

图4为图1中的B-B剖视图。

图5为本发明的制备方法中步骤10)完成后，芯片的结构剖视图。

图6为本发明的制备方法中步骤20)完成后，芯片的结构剖视图。

图7为本发明的制备方法中步骤30)完成后，芯片的结构剖视图。

图8为本发明的制备方法中步骤40)完成后，芯片的结构剖视图。

图9为本发明的制备方法中步骤50)完成后，芯片的结构剖视图。

图10为本发明的制备方法中步骤60)完成后，芯片的结构剖视图。

图11为图10中的C-C剖视图。

图12为本发明的制备方法中步骤70)完成后，芯片的结构剖视图。

图13为本发明提供的测试中，对象1的测试结果图。

图14为本发明提供的测试中，对象2的测试结果图。

图中有：衬底1、第一绝缘隔离层21、第二绝缘隔离层22、记录电路层3、平面导线31、探测电极触点311、记录电极触点312、钨塞32、激励光路层4、分束式多点激励探头41、第一分束式多点激励探头411、第二分束式多点激励探头412、光包层42、单光源发射模块5、外接驱动电极51、有源层52、探针组6、探测电极7、记录电极8。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种单光源植入式神经多点同步交互芯片采用平面多层结构。该芯片包括衬底1、中部设有记录电路层3的第一绝缘隔离层21、第二绝缘隔离层22、激励光路层4和单光源发射模块5。第一绝缘隔离层21固定连接在衬底1顶面。第一绝缘隔离层21包覆在记录电路层3的表面。激励光路层4固定连接在第一绝缘隔离层21顶面，且激励光路层4的底面与第一绝缘隔离层21顶面重合。第一绝缘隔离层21和激励光路层4形成交互层。该交互层相对的两端分别为伸出衬底1边缘的伸出端。第二绝缘隔离层22固定连接在衬底1的底面和交互层两个伸出端的底面。单光源发射模块5位于交互层上，单光源发射模块5中部设有一有源层52，且单光源发射模块5顶面设有外接驱动电极51。交互层的一个伸出端形成梳齿状探针组6。探针组6作为芯片的可植入部分。探针组6包含m个探针单元。每个探针单元的底面上设有一个探测电极7。交互层的另一个伸出端的底面上设有m个记录电极8，记录电极8和单光源发射模块5位于交互层的同侧。每个记录电极8与一个探测电极7相对应。记录电路层3包括m路平面导线31。平面导线31的一端为探测电极触点311，每个探测电极触点311与一个探测电极7相对应，且每个探测电极触点311通过钨塞32和与该探测电极触点311对应的探测电极7连接；平面导线31的另一端为记录电极触点312，每个记录电极触点312与一个记录电极8相对应，且每个记录电极触点312通过钨塞32和与该记录电极触点312对应的记录电极8连接。激励光路层4包括分束式多点激励探头41和光包层42。光包层42包覆在分束式多点激励探头41的表面。位于衬底1上方的分束式多点激励探头41为第一分束式多点激励探头411，第一分束式多点激励探头411呈级联式1×2分束结构，级联级数为n，n为整数，且2ⁿ＝m。n的范围优选：1≤n≤10。位于探针组6中的分束式多点激励探头41为第二分束式多点激励探头412。第二分束式多点激励探头412为梳齿状。第一分束式多点激励探头411的入射端和第二分束式多点激励探头412的出射端均露出光包层42。第一分束式多点激励探头411的入射端与有源层52连接，第一分束式多点激励探头411的出射端与第二分束式多点激励探头412的入射端连接，第二分束式多点激励探头412的出射端末端为楔形波导。第一分束式多点激励探头411的入射端为分束式多点激励探头41的入射端。第二分束式多点激励探头412的出射端为分束式多点激励探头41的出射端。

进一步，所述的单光源发射模块5的有源层52发出的光信号的波长范围为360～2000nm，且光信号的传播方向与衬底1平行。

上述结构的单光源植入式神经多点同步交互芯片的工作过程是：对单光源植入式神经多点同步交互芯片进行封装，外接驱动电极51与驱动电路相连，记录电极8与记录及后处理电路相连，将交互层上的梳齿状探针组6植入目标神经组织；驱动电路产生驱动信号，经外接驱动电极51驱动单光源发射模块5的有源层52，向第一分束式多点激励探头411的入射端发射激励光信号，由第一分束式多点激励探头411进行n级1×2分束后均分入射第二分束式多点激励探头412，同步传输至第二分束式多点激励探头412的m路梳齿状输出端，出射到目标神经组织中，激励目标神经组织中的神经细胞；神经细胞被激励后产生神经电信号，在目标神经组织中各向同性传输，被探测电极7同步探测到，并经钨塞32传输至记录电路层3的探测电极触点311，经平面导线31传输至探测电极触点312，再经钨塞32传输至记录电极8，再传输至记录及后处理电路进行相应处理，完成一次神经多点同步交互。

上述结构的单光源植入式神经多点同步交互芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤10)：如图5所示，在衬底1上制备第一绝缘隔离层21：利用等离子增强化学气相沉积工艺，在衬底1的顶面制备一层绝缘隔离层的材料，作为下隔离层，然后采用紫外光刻和电子束蒸发方法，在下隔离层上制备记录电路层3的平面导线31，接着再次利用等离子增强化学气相沉积工艺，在平面导线31上方制备一层绝缘隔离层的材料，作为上隔离层，最终形成包括上隔离层、下隔离层和记录电路层3的第一绝缘隔离层21，该第一绝缘隔离层21中部包覆记录电路层3。

步骤10)具体包括步骤101)——步骤105)：

步骤101)采用等离子增强化学气相沉积(文中简称：PECVD)法，制备二氧化硅(SiO₂)绝缘隔离层，厚度5-10μm，反应气体为硅烷(SiH₄)、氧化二氮(N₂O)，载流气体为氮气(N₂)或氩气(Ar)，总气体流量为3600-4500sccm(标准毫升每分钟)，载流气体占总流量的90％，反应气体体积比氧化二氮∶硅烷＝30-70∶1，反应温度为200-400°C，产生等离子所用射频(RF)频率中的高频为13.56MHz，低频为100-350kHz，脉冲频率源的功率为400-900W；

步骤102)采用紫外光刻制备记录电路层3的图形，所用光刻胶的型号为AZ5214e，旋涂转速为3000-5000rpm，紫外光波长为360-405nm，曝光量为500-2000mJ/cm²，反转曝光量为200-500mJ/cm²，采用电热板进行烘焙，软烘温度100-110°C，时间40-60秒，反烘温度110-130°C，时间1.5-2.5分，硬烘温度110-130°C，时间40-60秒，采用体积浓度25％的AZ 726显影剂显影，采用AZ 100溶剂去胶；

步骤103)采用电子束蒸发(EBE)法依次制备记录电路层3的铬/金(Cr/Au)层，蒸发的真空度＜1×10^-7Torr，保持显影后的芯片温度为100-300°C，电子枪束流5-10mA，电压为6-8kV，蒸发时间为5-10分钟，铬和金的厚度各自为10-20nm和50～100nm；

步骤104)采用有机溶剂丙酮对淀积金属层后的芯片进行清洗，去除光刻胶图形及其上附着的金属，得到记录电路层3；

步骤105)再次采用PECVD法制备二氧化硅绝缘隔离层，厚度8-15μm，工艺参数与程序均和步骤101)相同。从而制备出第一绝缘隔离层21。

步骤20)如图6所示，制备激励光路层4：在步骤10)制成的第一绝缘隔离层21顶面上，采用溶胶和凝胶法，制备一层光包层42的材料，作为上光包层，然后采用紫外光刻，在上光包层的顶面制备分束式多点激励探头41，接着再次采用溶胶和凝胶法，在分束式多点激励探头41上方制备一层光包层42材料，作为下光包层，得到包括上光包层和下光包层的光包层42，光包层42将分束式多点激励探头41包覆，形成激励光路层4；第一绝缘隔离层21和激励光路层4形成交互层。

步骤20)具体包括步骤201)——步骤205)：

步骤201)采用碱催化法，将正硅酸乙酯(TEOS，C₈H₂₀O₄Si)、乙醇(C₂H₅OH)、水和盐酸(HCl)在70°C以摩尔比为1∶10∶3.5∶0.003混合，反应时间90～120分钟，冷却30分钟后添加质浓度为0.1ml/L的氨水(NH₃·H₂O)作为催化剂，搅拌后形成二氧化硅凝胶(SiO₂·H₂O)；

步骤202)在第一绝缘隔离层21上旋涂8-12ml制备好的二氧化硅凝胶，旋涂转速为1000-2000rpm，冷却凝结后，得到的二氧化硅凝胶薄膜的厚度约0.5微米；

步骤203)重复步骤202)，直到制备厚度为10-50微米的二氧化硅凝胶薄膜，作为波导的下光包层；

步骤204)采用紫外光刻法，制备分束式多点激励探头41，所用光刻胶为负性光刻胶Su-82005、Su-82010或Su-82025，旋涂转速为2500-4000rpm，厚度为12-25微米，采用电热板烘焙，软烘温度90-100°C，时间5分钟，软烘后采用波长360-405nm紫外光曝光得到分束式多点激励探头41的图形，曝光量150-200mJ/cm²，曝光后进行硬烘，温度90-100°C，时间5分钟，硬烘后等待自然冷却10分钟，然后将芯片置入体积浓度为20％的AZ300MIF显影剂显影，制备出分束式多点激励探头41；

步骤205)重复步骤201)-步骤203)，在分束式多点激励探头41上制备出厚度为10-50微米的二氧化硅凝胶薄膜，作为波导的上光包层，从而制得激励光路层4。

步骤30)：如图7所示，光刻放置单光源发射模块5的凹槽：在步骤20)制成的光包层42上涂一层光刻胶作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，在交互层上光刻单光源发射模块5的图形，然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，在交互层上按照单光源发射模块5的图形刻蚀放置单光源发射模块5的凹槽。

步骤30)具体包括步骤301)和步骤302)：

步骤301)采用厚负性光刻胶Su-82025制得单光源发射模块5的图形，作为刻蚀保护层，除使用光掩模(光掩模工艺参见《半导体制造工艺基础》第278页：索引所示，[美]施敏，梅凯瑞著，安徽大学出版社，ISBN 978-7-81110-292-5)不同外，工艺参数与条件均与步骤204)相同；

步骤302)采用感应耦合等离子(文中简称：ICP)刻蚀法对波导的光包层42进行刻蚀，腔室的工作气压保持15-20mTorr，芯片温度保持20-40°C，感应功率500-2000W，直流偏置电压-100到-800V，刻蚀气体为六氟化硫(SF₆)，附加气体为氩气(Ar)，六氟化硫与氩气的体积比为1-2∶1，保持总气体流量为180-240sccm，制得放置单光源发射模块5的凹槽。

步骤40)：如图8所示，制备第二绝缘隔离层22：首先将衬底1倒置，采用厚度10～30微米的光刻胶，作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，将该刻蚀保护层光刻在衬底1的底面上；然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀衬底1相对的两侧，使位于衬底1下方的各层伸出衬底1边缘，作为交互层的两个伸出端；然后采用紫外光刻工艺，在衬底1的底面和交互层伸出端的底面分别制备第二绝缘隔离层22。

步骤40)具体包括步骤401)——步骤403)：

步骤401)倒置衬底1，采用厚负性光刻胶Su-82025制备衬底的刻蚀图形，作为刻蚀保护层，除使用光掩模不同外，工艺参数与条件均与步骤204)相同；

步骤402)采用ICP刻蚀对衬底1进行刻蚀，工艺参数与条件均与步骤302)相同；

步骤403)采用等离子增强化学气相沉积法制备二氧化硅绝缘隔离层，厚度5-10μm，工艺参数与程序与步骤101)相同，制得第二绝缘隔离层22。

步骤50)：如图9所示，制备探测电极7和记录电极8：采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀第一绝缘隔离层21和第二绝缘隔离层22，刻蚀深度直至到达记录电路层3的平面导线31所在位置，形成安放钨塞32的过孔，然后采用化学气相沉积和感应耦合等离刻蚀法，在该过孔中制备钨塞32，接着采用紫外光刻工艺，在交互层的一个伸出端底面光刻记录电极8图形，在交互层的另一个伸出端底面光刻探测电极7图形，最后采用紫外光刻和电子束蒸发法，制备记录电极8和探测电极7。

步骤50)具体包括步骤501)——步骤507)：

步骤501)采用厚负性光刻胶Su-82025制备钨塞32所在过孔的图形，作为刻蚀保护层，除使用光掩模不同外，工艺参数与条件均与步骤204)相同；

步骤502)采用ICP刻蚀制备钨塞32所在过孔，工艺参数与条件均与步骤302)相同，刻蚀深度要从刻蚀表面直到记录电路层3所在金属层；

步骤503)采用化学气相沉积(文中简称CVD)法制一层氮化钛(TiN)阻挡层，反应温度为800-1200°C，反应气体为四氯化钛(TiCl₄)、氮气和氢气，三种气体的体积比为2∶1∶4，氢气的流量约为40-50sccm，氮化钛的厚度为20-100nm；

步骤504)采用CVD法制备钨塞5，反应温度为300-400°C，反应气体为硅烷(SiH₄)和六氟化钨(WF₆)，两种气体的体积比为3∶2，其中硅烷的流量约为120sccm，六氟化钨的流量约为80sccm，所淀积钨层的厚度为0.5-0.8μm；

步骤505)采用ICP刻蚀对钨层进行刻蚀，其工艺参数与条件均与步骤302)相同，直到刻蚀到氮化钛阻挡层为止；

步骤506)采用紫外光刻制备记录电极8和探测电极7的图形，所用光刻胶为AZ5214e，工艺参数与条件均与步骤102)相同；

步骤507)采用电子束蒸发(文中简称EBE)法制备记录电极8和探测电极7的铬/金(Cr/Au)层，工艺参数与条件均与步骤103)相同，铬和金的厚度各自为10-20nm和50-100nm，制得探测电极7和记录电极8。

步骤60)：如图10和图11所示，制备探针组6：将衬底1正置，采用厚度10～30微米的光刻胶作为掩模，对交互层设有探测电极7的伸出端进行刻蚀，形成梳齿状的探针组6。

步骤60)具体包括步骤601)和步骤602)：

步骤601)正置衬底1，采用厚负性光刻胶Su-82025制备梳状排列的探针阵列的图形，作为刻蚀保护层，除使用光掩模不同外，工艺参数与条件均与步骤204)相同；

步骤602)采用ICP刻蚀对衬底1进行刻蚀，工艺参数与条件均与步骤302)相同，得到梳齿状的探针组6。

步骤70)：如图12所示，安装单光源发射模块5：采用紫外固化环氧树脂系胶结剂，将单光源发射模块5黏合在步骤30)刻制的凹槽中，并使单光源发射模块5的有缘层52对准分束式多点激励探头41的入射端，制成单光源植入式神经多点同步交互芯片。

下面测试芯片各路出射端的相对光强。

测试对象有两个：对象1是采用本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片结构，但是第二分束式多点激励探头末端采用平面端头。对象2是采用本发明的单光源植入式神经多点同步交互芯片结构，第二分束式多点激励探头末端采用楔形波导，楔形波导的楔部长度与波导宽度之比为2.5∶1。在对象1和对象2中，第一分束式多点激励探头的分束级数为5。

图13为对象1的测试结果图。图14为对象2的测试结果图。图13和图14中，横坐标为32路探头出射端的位置，纵坐标为32路探头出射端输出的相对光功率(假设光源初始功率为1)。从图13和图14中可知，32路出射端的相对光强，其均匀性良好，最大和最小的两路波导之间的差别＜10％。对比图13和图14可知：采用楔形波导的对象2，经楔形波导聚焦，对象2的出射端中心光强比对象1大约提高1.5倍。

Claims

1.一种单光源植入式神经多点同步交互芯片，其特征在于，所述的芯片为平面多层结构，包括衬底(1)、中部设有记录电路层(3)的第一绝缘隔离层(21)、第二绝缘隔离层(22)、激励光路层(4)和单光源发射模块(5)；其中，

第一绝缘隔离层(21)固定连接在衬底(1)顶面，第一绝缘隔离层(21)包覆在记录电路层(3)的表面，激励光路层(4)固定连接在第一绝缘隔离层(21)顶面，且激励光路层(4)的底面与第一绝缘隔离层(21)顶面重合；第一绝缘隔离层(21)和激励光路层(4)形成交互层，该交互层相对的两端分别为伸出衬底(1)边缘的伸出端，第二绝缘隔离层(22)固定连接在衬底(1)的底面和交互层两个伸出端的底面，单光源发射模块(5)位于交互层上，单光源发射模块(5)中部设有一有源层(52)，且单光源发射模块(5)顶面设有外接驱动电极(51)；

所述的交互层的一个伸出端形成梳齿状探针组(6)，探针组(6)作为芯片的可植入部分，探针组(6)包含m个探针单元，每个探针单元的底面上设有一个探测电极(7)，交互层的另一个伸出端的底面上设有m个记录电极(8)，记录电极(8)和单光源发射模块(5)位于交互层的同侧，每个记录电极(8)与一个探测电极(7)相对应；

所述的记录电路层(3)包括m路平面导线(31)，平面导线(31)的一端为探测电极触点(311)，每个探测电极触点(311)与一个探测电极(7)相对应，且每个探测电极触点(311)通过钨塞(32)和与该探测电极触点(311)对应的探测电极(7)连接，平面导线(趴)的另一端为记录电极触点(312)，每个记录电极触点(312)与一个记录电极(8)相对应，且每个记录电极触点(312)通过钨塞(32)和与该记录电极触点(312)对应的记录电极(8)连接；

所述的激励光路层(4)包括分束式多点激励探头(41)和光包层(42)，光包层(42)包覆在分束式多点激励探头(41)的表面；位于衬底(1)上方的分束式多点激励探头(41)为第一分束式多点激励探头(411)，第一分束式多点激励探头(411)呈级联式1×2分束结构，级联级数为n，n为整数，且2ⁿ＝m；位于探针组(6)中的分束式多点激励探头(41)为第二分束式多点激励探头(412)，第二分束式多点激励探头(412)为梳齿状；第一分束式多点激励探头(411)的入射端和第二分束式多点激励探头(412)的出射端均露出光包层(42)；第一分束式多点激励探头(411)的入射端与有源层(52)连接，第一分束式多点激励探头(411)的出射端与第二分束式多点激励探头(412)的入射端连接，第二分束式多点激励探头(412)的出射端末端为楔形波导。

2.按照权利要求1所述的单光源植入式神经多点同步交互芯片，其特征在于，所述的n的范围为：1≤n≤10。

3.按照权利要求1所述的单光源植入式神经多点同步交互芯片，其特征在于，所述的单光源发射模块(5)的有源层(52)发出的光信号的波长范围为360-2000nm，且光信号的传播方向与衬底(1)平行。

4.一种权利要求1所述的单光源植入式神经多点同步交互芯片的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤10)：在衬底(1)上制备第一绝缘隔离层(21)：利用等离子增强化学气相沉积工艺，在衬底(1)的顶面制备一层绝缘隔离层的材料，作为下隔离层，然后采用紫外光刻和电子束蒸发方法，在下隔离层上制备记录电路层(3)的平面导线(31)，接着再次利用等离子增强化学气相沉积工艺，在平面导线(31)上方制备一层绝缘隔离层的材料，作为上隔离层，最终形成包括上隔离层、下隔离层和记录电路层(3)的第一绝缘隔离层(21)，该第一绝缘隔离层(21)中部包覆记录电路层(3)；

步骤20)制备激励光路层(4)：在步骤10)制成的第一绝缘隔离层(21)顶面上，采用溶胶和凝胶法，制备一层光包层(42)的材料，作为上光包层，然后采用紫外光刻，在上光包层的顶面制备分束式多点激励探头(41)，接着再次采用溶胶和凝胶法，在分束式多点激励探头(41)上方制备一层光包层(42)材料，作为下光包层，得到包括上光包层和下光包层的光包层(42)，光包层(42)将分束式多点激励探头(41)包覆，形成激励光路层(4)；第一绝缘隔离层(21)和激励光路层(4)形成交互层；

步骤30)：光刻放置单光源发射模块(5)的凹槽：在步骤20)制成的光包层(42)上涂一层光刻胶作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，在交互层上光刻单光源发射模块(5)的图形，然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，在交互层上按照单光源发射模块(5)的图形刻蚀放置单光源发射模块(5)的凹槽；

步骤40)：制备第二绝缘隔离层(22)：首先将衬底(1)倒置，采用厚度10～30微米的光刻胶，作为刻蚀保护层，采用紫外光刻工艺，将该刻蚀保护层光刻在衬底(1)的底面上；然后采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀衬底(1)相对的两侧，使位于衬底(1)下方的各层伸出衬底(1)边缘，作为交互层的两个伸出端；然后采用紫外光刻工艺，在衬底(1)的底面和交互层伸出端的底面分别制备第二绝缘隔离层(22)；

步骤50)：制备探测电极(7)和记录电极(8)：采用感应耦合等离子刻蚀工艺，刻蚀第一绝缘隔离层(21)和第二绝缘隔离层(22)，刻蚀深度直至到达记录电路层(3)的平面导线(31)所在位置，形成安放钨塞(32)的过孔，然后采用化学气相沉积和感应耦合等离刻蚀法，在该过孔中制备钨塞(32)，接着采用紫外光刻工艺，在交互层的一个伸出端底面光刻记录电极(8)图形，在交互层的另一个伸出端底面光刻探测电极(7)图形，最后采用紫外光刻和电子束蒸发法，制备记录电极(8)和探测电极(7)；

步骤60)：制备探针组(6)：将衬底(1)正置，采用厚度10-30微米的光刻胶作为掩模，对交互层设有探测电极(7)的伸出端进行刻蚀，形成梳齿状的探针组(6)；

步骤70)：安装单光源发射模块(5)：采用紫外固化环氧树脂系胶结剂，将单光源发射模块(5)黏合在步骤30)刻制的凹槽中，并使单光源发射模块(5)的有缘层(52)对准分束式多点激励探头(41)的入射端，制成单光源植入式神经多点同步交互芯片。