CN107224666B - 一种神经刺激电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种神经刺激电极及其制造方法，包括：S1：对半导体衬底进行扩散掺杂处理；S2：然后在半导体衬底的正面刻蚀出电极阵列结构；S3：向电极阵列结构的沟槽内填充玻璃；S4：再将半导体衬底的正面与一衬片键合；S5：接着对半导体衬底的背面进行减薄；S6：再对半导体衬底的背面进行金属电极图形化；S7：最终剥离形成神经刺激电极，本发明可形成高密度电极阵列，且电极形状可任意设计成圆形，方形，三角等所需图案，电极阵列可均匀排布也可疏密分布；并可与刺激芯片实现倒装焊连接，避免了柔性电极阵列随着电极阵列密度增加，与刺激芯片所需连接线大量增加的弊端，还可实现晶圆化大批量生产，并大幅度降低生产成本。

Description

一种神经刺激电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种神经刺激电极及其制造方法，属于生物医学设备技术领域。
背景技术
植入式神经刺激器在医学上有着广泛的应用，如人工耳蜗、人工视觉恢复、脑深部电刺激系统等。微电极作为揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病等方面的重要工具，越来越受到人们广泛的关注，已成为当前重要的研究方向。
人们对微电极的应用，通常是将微电极植入动物或者患者体内，通过加载电信号来刺激或抑制神经活动，或者利用微电极将神经活动转换为电信号记录下来加以研究。由于作用目标的不同，各种基于微加工技术制作的微电极阵列得到了发展。其中，高密度、有序排列的三维微电极阵列可植入神经组织内，实现高密度的选择性刺激与记录，具有良好的应用前景。
当前，神经刺激器的微电极多采用柔性衬底的MEMS技术制作，再与刺激芯片通过导线连接，而当制作高密度微电极阵列时，随着刺激点数量的增加，连接微电极阵列内刺激点导线的数量不断上升，会导致布线宽度变大，手术植入开口需要增大，创伤面大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服上述问题，提供一种可实现超高密度的神经刺激电极及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种神经刺激电极制造方法，包括以下步骤：
S1：对半导体衬底进行扩散掺杂处理，使其正背面良性导通；
S2：然后在所述半导体衬底的正面刻蚀出电极阵列结构；
S3：向所述电极阵列结构的沟槽内填充玻璃；
S4：再将所述半导体衬底的正面与一衬片键合；
S5：接着对所述半导体衬底的背面进行减薄，直至完全露出所述电极阵列结构中的玻璃下表面为止；
S6：再对所述半导体衬底的背面进行金属电极图形化；
S7：最终将所述半导体衬底与衬片剥离，形成神经刺激电极。
优选地，在步骤S1中，所述半导体衬底通过P或B扩散掺杂使其正背面良性导通，所述电极阵列结构整体可均匀间隔设置、不规则排布或两者结合。
优选地，所述步骤S2具体为：在所述半导体衬底的正面旋涂光刻胶层，再通过曝光和显影工艺形成电极阵列图形，接着对所述电极阵列图形进行深槽刻蚀，形成电极阵列结构。
优选地，所述步骤S3具体为：在所述半导体衬底正面，通过丝网印刷或SOG 涂布工艺在电极阵列结构间的沟槽中填充玻璃。
优选地，在所述步骤3中，玻璃填充后，通过氢氟酸漂洗工艺对所述玻璃进行刻蚀处理，露出电极阵列结构中的凸出刺激电极。
优选地，还可对所述凸出刺激电极进行边角圆滑处理，所述边角圆滑处理具体为：通过CF4/O2混合气体各向同性刻蚀一定时间；再对所述凸出刺激电极表面进行电镀或溅射生物相容性金属处理。
优选地，所述步骤S4具体为：在所述半导体衬底与衬片上的结合面的其中一面或两面形成粘合层，将所述半导体衬底和所属衬片粘合在一起。
优选地，所述步骤S6具体为：对所述半导体衬底的背面进行金属溅射形成金属表面，在所述金属表面旋涂光刻胶，并通过曝光和显影工艺打开所需去除区域，通过湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除金属层，并去除表面光刻胶，形成金属电极。
优选地，所述步骤S6还可为：对所述半导体衬底的背面进行旋涂负性光刻胶或反转胶，曝光显影形成倒角结构，然后溅射金属形成金属表面，再采用化学液剥离的方法，形成金属电极。
优选地，所述步骤S7具体为：对所述半导体衬底进行加热处理，将衬片与所述半导体衬底分离，加热时的温度范围为150～300℃。
优选地，所述半导体衬底为硅衬底，其厚度为100～1000μm。
一种以上所述神经刺激电极制造方法制造的神经刺激电极，包括电极阵列结构，所述电极阵列结构包括阵列分布的电极衬底，每个所述电极衬底的正面设置有凸出刺激电极，每个所述电极衬底背面形成金属电极，所述电极衬底之间填充玻璃固定及绝缘。
优选地，所述电极阵列结构整体可均匀间隔阵列设置、不规则阵列排布或两者结合。
优选地，所述电极阵列结构中的电极衬底横截面可以为圆形、方形或多边形。
优选地，所述电极阵列结构中的电极衬底可为硅电极衬底、锗硅电极衬底或Ⅲ-Ⅴ族元素化合物电极衬底。
优选地，所述电极衬底的高度为100～500μm
优选地，所述金属电极的厚度是0.1～10μm
优选地，所述凸出刺激电极高度为0～500μm。
本发明的有益效果是：本发明采用在成型电极阵列结构时采用硅基MEMS技术，可形成高密度电极阵列且电极形状可任意设计成圆形，方形，三角等所需图案，并在半导体衬底的背面进行金属电极图形化制作金属电极焊点，可与刺激芯片实现倒装焊连接，避免了柔性电极阵列随着电极阵列密度增加，与刺激芯片所需连接线大量增加的弊端，另本发明还可实现晶圆化大批量生产，并大幅度降低生产成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一实施例的半导体衬底的结构示意图；
图2(a)是本发明一实施例的一单元20×20电极阵列平面示意图；
图2(b)是本发明一实施例的边缘疏中间密的电极阵列结构示意图；
图2(c)是本发明一实施例的多种电极图案的电极阵列结构示意图；
图3是本发明一实施例中形成电极阵列结构剖面示意图；
图4是本发明一实施例中电极阵列结构的沟槽填充玻璃后的示意图；
图5是本发明一实施例中半导体衬底与衬片键合后的示意图；
图6是本发明一实施例中半导体衬底背面减薄后的示意图；
图7是本发明一实施例中剥离后的神经刺激电极示意图；
图8是本发明一实施例的流程图。
图中标记：1-金属电极，2-玻璃，3-半导体衬底，4-凸出刺激电极，5-电极阵列结构，6-衬片，7-粘附层，8-沟槽，51-电极衬底。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
如图1所示的本发明所述一种神经刺激电极制造方法，参见图8所示，包括如下步骤：
S1：对半导体衬底3进行扩散掺杂处理，使其正背面良性导通；如图1所示，首先，提供一完成前道工艺的半导体衬底3。其中，所述半导体衬底3可以是硅衬底、锗硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物衬底，也可以是本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底。本实施例中采用的是硅衬底，对所述硅衬底进行掺杂处理，掺杂方式可以是通过POCl3、PH3、BCl3或BF3液态或气态源高温扩散工艺，对所述衬底掺杂，保证衬底正背面良性导通。
S2：然后在所述半导体衬底3的正面刻蚀出均匀分布的电极阵列结构5；所述电极阵列结构5整体可均匀间隔设置、不规则排布或两者结合，分别如图2(a) 和图2(b)所示，图2(a)中为均匀间隔设置的，图2(b)中为中间为方形的均匀间隔设置，四周为放射状不规则设置，电极阵列结构5中的单个电极形状可为圆形、方形、三角形或其他多边形形状，如图2(c)中出现的多种形状，具体设置时根据实际的需要进行设计，本实施例中，如图2所示，在半导体衬底3上通过匀胶、曝光和显影的工艺形成20×20的电极阵列图形，所述的单元阵列为晶圆中一单元芯片。如图3所示，再利用深槽刻蚀工艺形成硅电极阵列结构5，该硅电极阵列结构5的硅柱高度为100～500μm，具体根据实际需要进行选择。
S3：向所述电极阵列结构5的沟槽8内填充不高于电极阵列结构5的玻璃2；如图4所示，在半导体衬底3上利用SOG等玻璃2前驱体涂布工艺，在沟槽8 内填充涂布液，并在炉管中热处理，形成玻璃2；通过丝网印刷技术，在沟槽8 内填充玻璃2浆料，并进行玻璃2熔融处理，形成固态玻璃2，需要注意的是，涂布液在旋涂过程中可能刚好填满沟槽8，可能超过或低于沟槽8高度。因此需要通过进一步的HF酸漂洗工艺处理玻璃2表面，并借助台阶测试仪形成所需的硅凸出刺激电极4，在本实施例中硅凸出刺激电极4高度为0～500μm，具体根据需要选择其高度。
S4：再将所述半导体衬底3的正面与一衬片6键合；如图5所示，在一衬片6的正面旋涂粘附层7，所述粘附层7可以是胶水，热玻璃2胶等粘性物质。将半导体衬片6的正面与旋涂有粘附层7的衬片6键合在一起。
S5：接着对所述半导体衬底3的背面进行减薄，直至完全露出所述电极阵列结构5中的玻璃2下表面为止；如图6所示，对半导体衬底3背面进行减薄，为了得到较高的加工效率，在减薄时可选用目数较小的磨盘进行粗磨；需要注意的是，当磨到接近玻璃2界面时，需要更换目数较大的磨盘进行细磨，一方面可得到平整度和光滑度较高的平面，便于后续背面工艺，另一方面可避免较粗磨盘对结构的破坏。
S6：再对所述半导体衬底3的背面进行金属电极图形化；如图7所示，对半导体衬底3进行金属电极图形化处理，首先，在背面溅射一层金属，再在表面旋涂光刻胶，再进行曝光和显影处理，形成与硅电极阵列结构5一一对应的金属电极1，再通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成金属电极1。溅射采用的金属可以是钛或金等，优选的金属层的厚度是0.1～10μm，但具体根据实际需要进行选择。该金属电极1可以与刺激芯片的铝焊点进行倒装焊连接，同时具有较好的生物相容性。
本实施例还提供背面金属化的优选实施方法，首先在背面旋涂负胶，然后进行曝光和显影，值得注意的是曝光时需要形成一定的倒角，便于后续剥离。再在表面溅射一层金属，最后在剥离液中完成lift-off过程，形成金属电极1。最后将衬片6与半导体衬底3分离，形成所需的神经刺激电极。
S7：最终将所述半导体衬底3与衬片6剥离，形成神经刺激电极。可采用退火、低温加热或紫外加热的方式，分离温度范围例如为150～300℃，使粘合层粘性降低，衬片6与半导体衬底3分离。本实施例中没有详细论述的例如曝光、显影等加工技术都采用常用的半导体电极加工技术，故不进行赘述。
实施例2
在实施例1所述一种神经刺激电极制造方法的基础上，由于生产的刺激电极需要植入人体，需要考刺激电极的生物相容性相容性，因此在本实施例中还提供了提高植入人体中生物和物理相容性的方法，具体的，采用CF4/O2混合气体对硅凸出刺激电极4各向同性刻蚀一定时间，对硅阵列结构边角进行圆滑处理，处理后的刺激电极对人体组织的摩擦刺激降低很多；再对半导体衬底3进行生物相容性金属的电镀、溅射或其他金属化方法处理，使硅凸出刺激电极4表面覆盖一层生物相容性金属，所述生物相容性金属可以是钨、钛、金、银、铱、钽、铌或锆，具体根据使用环境需要和成本需要进行选择。
在本实施例中，所述半导体衬底3为厚度可以选择的范围为100～1000μm，在其中最优选的范围是300～700μm，此区间是具体实施时效果最好的范围。
实施例3
一种采用以上所述神经刺激电极制造方法生产的神经刺激电极，如图7所示，包括阵列分布的电极阵列结构5，所述电极阵列结构包括多个阵列分部的电极衬底51，该电极衬底51是从半导体衬底上成型而来，其材料与半导体衬底材料一致，此阵列可以是均匀分布的阵列，也可以使不均匀分布的阵列，每个所述电极衬底51的正面设置有凸出刺激电极4，可形成高密度电极阵列，每个所述电极衬底51背面形成金属电极1，所述金属电极1可与刺激芯片实现倒装焊连接，避免了柔性电极阵列随着电极阵列密度增加，与刺激芯片所需连接线大量增加的弊端，所述电极阵列结构5的电极衬底51之间填充玻璃2固定及绝缘。
本神经刺激电极采用在成型电极阵列结构时采用硅基MEMS技术，可形成高密度电极阵列且电极形状可任意设计成圆形，方形，三角等所需图案，并在半导体衬底的背面进行金属电极图形化制作金属电极焊点，可与刺激芯片实现倒装焊连接，与刺激芯片所需连接线少，手术植入开口小，创伤面相对现有技术更小，术后愈合更快。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (12)

1.一种神经刺激电极制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对半导体衬底进行扩散掺杂处理，使其正背面良性导通；
S2：然后在所述半导体衬底的正面刻蚀出电极阵列结构；
S3：向所述电极阵列结构的沟槽内填充玻璃；
S4：再将所述半导体衬底的正面与一衬片键合；
S5：接着对所述半导体衬底的背面进行减薄，直至完全露出所述电极阵列结构中的玻璃下表面为止；
S6：再对所述半导体衬底的背面进行金属电极图形化；
S7：最终将所述半导体衬底与衬片剥离，形成神经刺激电极。
2.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，在步骤S1中，所述半导体衬底通过P或B扩散掺杂使其正背面良性导通，所述电极阵列结构整体可均匀间隔设置、不规则排布或两者结合。
3.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：在所述半导体衬底的正面旋涂光刻胶层，再通过曝光和显影工艺形成电极阵列图形，接着对所述电极阵列图形进行深槽刻蚀，形成电极阵列结构。
4.如权利要求1-3任一项所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：在所述半导体衬底正面，通过丝网印刷或SOG涂布工艺在电极阵列结构间的沟槽中填充玻璃。
5.如权利要求4所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，在所述步骤S3 中，玻璃填充后，通过氢氟酸漂洗工艺对所述玻璃进行刻蚀处理，露出电极阵列结构中的凸出刺激电极。
6.如权利要求5所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，还可对所述凸出刺激电极进行边角圆滑处理，所述边角圆滑处理具体为：通过CF4/O2混合气体各向同性刻蚀一定时间；再对所述凸出刺激电极表面进行电镀或溅射生物相容性金属处理。
7.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：在所述半导体衬底与衬片上的结合面的其中一面或两面形成粘合层，将所述半导体衬底和所属衬片粘合在一起。
8.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：对所述半导体衬底的背面进行金属溅射形成金属表面，在所述金属表面旋涂光刻胶，并通过曝光和显影工艺打开所需去除区域，通过湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除金属层，并去除表面光刻胶，形成金属电极。
9.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S6还可为：对所述半导体衬底的背面进行旋涂负性光刻胶或反转胶，曝光显影形成倒角结构，然后溅射金属形成金属表面，再采用化学液剥离的方法，形成金属电极。
10.如权利要求1所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述步骤S7具体为：对所述半导体衬底进行加热处理，将衬片与所述半导体衬底分离，加热时的温度范围为150～300℃。
11.如权利要求7-10任一项所述的神经刺激电极制造方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底，其厚度为100～1000μm。
12.一种采用权利要求1-11任一项所述神经刺激电极制造方法制造的神经刺激电极，其特征在于，包括电极阵列结构，所述电极阵列结构包括阵列分布的电极衬底，每个所述电极衬底的正面设置有凸出刺激电极，每个所述电极衬底背面形成金属电极，所述电极衬底之间填充玻璃固定及绝缘。
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