CN109545884A - 一种集成式可注入型生物光电极微探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生命科学半导体芯片制造的技术领域，涉及一种集成式可注入型生物光电极微探针及其制备方法。包括半导体发光器件芯片光电极以及微电极；透明衬底的正面由半导体发光器件芯片光电极集成，在其背面制备微电极；其中正面光电极的集成包括单个或多个半导体发光器件、透明衬底、p极金属、n极金属、线路和焊盘金属、用于倒装焊的金属焊料以及绝缘层；背面的微电极包含了信号记录材料、线路和焊盘金属以及绝缘层；器件正反面工艺制备完成后在半导体发光器件光电极处进行封装。本发明制备工艺较为简单、能同时实现脑区单区域或多区域测量、高功率密度的任意波长光输出、尺寸小、时空分辨率高。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学半导体芯片制造的技术领域，更具体地，涉及半导体发光器件芯片与生物信号记录微电极于一体的集成式可注入型生物光电极微探针及其制备方法。
背景技术
早在20世纪40年代，由于膜片夹技术的出现，有关细胞功能活动、神经元在神经元回路中的作用等电生理学研究已经开始兴起。该技术可以通过施加电刺激，利用钨金属制备而成的电极收集细胞电位变化信号进行分析细胞的生理活动。虽然此技术能够解析某些细胞的生理活动，但是电刺激带来的刺激强度大、时空精确性差等问题局限了该技术在细胞靶向定位研究上的应用。
光遗传学是一种新兴的神经调节技术，其可通过特定波长的光来控制细胞电位变化。该技术通过将基因和光学方法结合在一起来使特定的细胞兴奋或抑制。最早于1987年就出现了光遗传学技术雏形。在2003年，光敏感蛋白首次被发现，从而使用特定波长的光照控制特定细胞使得光遗传学技术逐渐变得成熟。
要实现光遗传技术，光电极将成为不可或缺的工具。目前常用光敏感蛋白分别有光敏感通道蛋白（ChR2）与嗜盐菌紫质（NpHR）两种，其对光信号响应的峰值分别为460 nm和580 nm；由于蓝光LED芯片技术较为成熟，目前该领域光电极发光波段主要集中在蓝光即ChR2光敏感蛋白的激发上，蓝光光源的光电极已有较多报道；而有关580nm波长范围的光电极研究较少。
由于黄光LED芯片技术并不成熟，因此想通过在黄光LED外延片基础上外延制备黄光光电极在技术上有较大难度，且发光效率会受后续工艺制作影响而难以满足嗜盐菌紫质（NpHR）光敏感蛋白的光刺激阈值。此外对采用在蓝光光电极基础上使用荧光粉或量子点等波长转换物质等方法，则存在诸如器件尺寸大影响生物植入、成本高、工艺复杂、转换效率低、输出波长频谱宽等一系列问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种集成式可注入型生物光电极微探针及其制备方法，该器件集成阵列具有小尺寸、高时空分辨率、高光功率密度、能实现任意波长的光刺激和生物信号的检测与采集等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种集成式可注入型生物光电极微探针，包括充当光源的可用于刺激光敏感蛋白的半导体发光器件芯片光电极以及用于收集神经细胞经光信号刺激后产生的电位变化的微电极；透明衬底的正面由半导体发光器件芯片光电极集成，在其背面制备微电极；其中正面光电极的集成包括单个或多个半导体发光器件、透明衬底、p极金属、n极金属、线路和焊盘金属、用于倒装焊的金属焊料以及绝缘层；背面制作工艺采用背面双对准技术，背面的微电极包含了信号记录材料、线路和焊盘金属以及绝缘层；器件正反面工艺制备完成后在半导体发光器件光电极处进行封装。
作为优选的，所述的半导体发光器件芯片采用红光、蓝光、绿光和黄光LED或激光器型号的半导体发光器件芯片。可采用红光、蓝光、绿光和黄光LED或激光器等任意类型半导体发光器件芯片，光功率密度需满足特定的要求。集成的半导体发光器件数目可根据生物记录的不同需求增减形成阵列，可以实现脑区不同位置神经细胞的同时刺激与相应生物信号记录也可实现同一脑区单个/多个神经细胞的刺激与生物信号记录。
作为优选的，半导体发光器件的集成方式是通过倒装焊方式集成在带有焊料金属的透明衬底上。半导体发光器件的集成方式是通过倒装焊方式集成在带有焊料金属的透明衬底上。焊料金属可为AuSn合金或In金属，其沉积方法可为磁控溅射、电阻蒸发镀膜或电镀等方法。此外半导体发光器件芯片可通过LLO技术将其GaAs或Si衬底剥离，从而降低集成式光电极生物芯片整体厚度。
作为优选的，所述的衬底材料为透明不导电材料，为蓝宝石、PMMA、聚酰亚胺；p、n金属材料和线路及焊盘金属为Cr/Au、Ni/Au或Ti/Pt/Au的合金材料；焊料金属为含Sn的金属或含In的金属。
作为优选的，所述的微电极信号记录材料为透明的介质或不透明的金属，其中，透明的介质为TiN、ITO、IGZO、ZnO或IrO；不透明的金属为Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或Ti/Pt/Ir。微电极信号记录材料可以是透明的介质或金属也可以是不透明的金属。根据信号记录质量需求，最适合的信号记录材料为低阻抗材料。
本发明还提供一种集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，包括以下步骤：
S1. 在透明衬底正面通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或者腐蚀的方法分别得到p、n金属电极、走线和焊盘金属；
S2. 在p、n电极金属上通过光刻、整面蒸镀/电镀金属焊料、剥离或者腐蚀的方法在p、n电极金属上制备金属焊料，用于后期黄光半导体发光器件芯片的绑定；
S3. 利用PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）沉积二氧化硅或氮化硅等透明介质绝缘层，并通过光刻、腐蚀的方法在p、n金属焊料和焊盘位置开出窗口，用于后期LED芯片绑定和外围电路连接；
S4. 通过机械研磨和CMP抛光（化学机械抛光）的减薄方法将透明衬底减薄至目标厚度；其目的有三，一为减少生物芯片整体厚度从而降低生物植入损伤；二为从晶圆衬底制得单个生物芯片器件划片裂片厚度有固定要求；三为实现背面双对准技术提供可能；
S5. 利用背面双对准技术在透明衬底背面通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或者腐蚀的方法分别得到与半导体发光器件位置对应的信号记录材料微电极、走线和焊盘；
或，采用将微电极制作在另一透明衬底上，然后采用粘合的方法将光电极与微电极连接；
S6. 再次利用PECVD沉积二氧化硅或氮化硅等透明介质绝缘层，并通过光刻、腐蚀的方法在微电极和焊盘位置开出窗口，用于后期LED芯片绑定和外围电路连接；
若采用微电极与光电极粘合的方法，则在另一透明衬底上重复S5、S6步骤，等完成步骤S7后进行微电极与光电极衬底粘结，再继续进行往后的步骤；
S7. 利用倒装焊方法将生物芯片背面的微电极焊盘与已制备好的外围电路PCB绑定，其中PCB焊盘上已制备好绑定用金属焊料；生物芯片与PCB绑定后再次利用倒装焊方法将半导体发光器件芯片绑定至生物芯片对应的带有金属焊料的p、n电极金属位置处；
S8. 利用引线键合的方法将已绑定的生物芯片上的焊盘与PCB上对应预留的焊盘进行连接以实现生物芯片和外围电路的连接；
S9. 利用具有生物兼容性的高分子聚合物的封装材料对焊盘处和半导体发光器件芯片处进行封装。
在本发明中，微电极制作在衬底背面，需要与半导体发光器件位置保持一致，同时器件整体厚度需满足一定要求，为达到以上目的，我们采用将衬底减薄后通过背面光刻对版的双对准技术制作微电极。或者我们可采用将微电极制作在另一透明衬底上，然后采用粘合的方法将光电极与微电极连接。
进一步的，金属蒸镀采用电子束热蒸发或磁控溅射方法，蒸镀金属厚度大于2微米；若蒸镀金属厚度无法满足该要求，蒸镀完再采用电镀加厚方法加厚蒸镀金属。
进一步的，沉积方法为磁控溅射、电阻蒸发镀膜或电镀方法。
进一步的，半导体发光器件芯片可通过LLO技术（激光剥离技术）将其GaAs或Si衬底剥离，从而降低集成式光电极生物芯片整体厚度。
进一步的，封装材料为UV固化胶、SU-8胶或环氧树脂。
在本发明中，优选蓝宝石衬底，p、n电极金属、走线和焊盘金属优选Ti/Pt/Au，金属焊料优选铟，微电极信号记录材料优选IrO，绝缘层优选二氧化硅，封装材料优选UV固化胶，器件整体尺寸优选针型结构。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种集成式可注入型生物光电极微探针及其制备方法，制备工艺较为简单，本发明衬底正反面通过倒装焊方法将半导体发光器件与微电极集成一体，可实现对脑区具体的单个神经细胞的生理活动进行记录，具有高时空精度。同时通过集成多个半导体发光器件光电极阵列可实现在同一时间对脑区不同位置的细胞进行刺激和信号记录。器件尺寸为微米级别，易植入体内，且植入损伤小。
附图说明
图1和图2 为实施例1光电极制备工艺流程示意图。
图3和图4为实施例1微电极制备工艺流程示意图。
图5 为实施例1器件制备完成后俯视图。
图6 为实施例1器件制备完成后侧视图。
图7为实施例2器件制备完成后俯视图。
图8 为实施例3器件制备完成后侧视图。
图中，1为光电极，11为半导体发光器件，12为衬底，13为p极金属，14为n极金属，15为线路，16为焊盘金属，17为绝缘层，18为封装材料；
2为微电极，21为信号记录材料，22为线路，23为焊盘金属，24为绝缘层，25为衬底。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1至6所示，该实例集成了单个半导体发光器件芯片光电极和细胞电位信号记录微电极于一体；其中光电极部分是在蓝宝石衬底上依次利用电子束热蒸镀或磁控溅射等方法沉积p、n电极、走线和焊盘金属材料，再利用电子束热蒸镀或电镀等方法沉积绑定金属焊料，之后利用PECVD沉积二氧化硅绝缘层并在p、n电极和焊盘处通过干法或湿法腐蚀的方法开出窗口，最后利用倒装焊的方法将半导体发光器件芯片绑定在预留p、n电极位置，通过以上步骤则完成光电极的制备；微电极在衬底经过减薄、抛光之后利用双面对准技术在背面通过电子束热蒸镀或磁控溅射等方法沉积电位信号记录材料、走线和焊盘金属，再利用PECVD沉积二氧化硅绝缘层并在信号记录材料和焊盘处通过干法或湿法腐蚀的方法开出窗口，通过以上步骤则完成微电极的制备。上述步骤完成之后利用UV固化胶或环氧树脂等具有生物兼容性的高分子聚合物材料进行封装。该器件可实现对在脑区特定位置的特定细胞进行光刺激和电位信号检测于采集。
实施例2
如附图7所示，此器件结构与实施例1类似，区别在于实施例2集成了三个半导体发光器件芯片，通过在不同位置集成多个半导体发光器件芯片，可实现同时在脑区不同位置对神经细胞进行光刺激和电位信号的检测与采集。该实施例不局限于三个黄光半导体发光器件芯片且芯片排列位置不限，在芯片尺寸条件允许的情况下，可集成更多的半导体发光器件芯片形成阵列，从而实现脑区更多位置处细胞的同步刺激和信号检测与采集。
实施例3
如图8所示，此器件结构与实施例1类似，区别在于实例3的微电极部分是与光电极部分分别制作在不同的透明衬底上，该结构相对于实例1的制作方法有工艺简单易行的优势，通过在两个不同衬底上分别制作微电极和光电极，能够绕过在经减薄后的同一衬底正反面进行半导体微纳加工的难度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成式可注入型生物光电极微探针，其特征在于，包括充当光源的可用于刺激光敏感蛋白的半导体发光器件芯片光电极以及用于收集神经细胞经光信号刺激后产生的电位变化的微电极；透明衬底的正面由半导体发光器件芯片光电极集成，在其背面制备微电极；其中正面光电极的集成包括单个或多个半导体发光器件、衬底、p极金属、n极金属、线路和焊盘金属、用于倒装焊的金属焊料以及绝缘层；背面制作工艺采用背面双对准技术，背面的微电极包含了信号记录材料、线路和焊盘金属以及绝缘层；器件正反面工艺制备完成后在半导体发光器件光电极处用封装材料进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针，其特征在于，所述的半导体发光器件芯片采用红光、蓝光、绿光和黄光LED或激光器型号的半导体发光器件芯片。
3.根据权利要求2所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针，其特征在于，半导体发光器件的集成方式是通过倒装焊方式集成在带有焊料金属的透明衬底上。
4.根据权利要求3所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针，其特征在于，所述的衬底材料为透明不导电材料，为蓝宝石、PMMA、聚酰亚胺；p、n金属材料和线路及焊盘金属为Cr/Au、Ni/Au或Ti/Pt/Au的合金材料；焊料金属为含Sn的金属或含In的金属。
5.根据权利要求3所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针，其特征在于，所述的微电极信号记录材料为透明的介质或不透明的金属，其中，透明的介质为TiN、ITO、IGZO、ZnO或IrO；不透明的金属为Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或Ti/Pt/Ir。
6.一种权利要求1至5任一项所述的集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在透明衬底正面通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或者腐蚀的方法分别得到p、n金属电极、走线和焊盘金属；
S2. 在p、n电极金属上通过光刻、整面蒸镀/电镀金属焊料、剥离或者腐蚀的方法在p、n电极金属上制备金属焊料，用于后期黄光半导体发光器件芯片的绑定；
S3. 利用PECVD沉积二氧化硅或氮化硅等透明介质绝缘层，并通过光刻、腐蚀的方法在p、n金属焊料和焊盘位置开出窗口，用于后期LED芯片绑定和外围电路连接；
S4. 通过机械研磨和CMP抛光的减薄方法将透明衬底减薄至目标厚度；
S5. 利用背面双对准技术在透明衬底背面通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或者腐蚀的方法分别得到与半导体发光器件位置对应的信号记录材料微电极、走线和焊盘；
或，采用将微电极制作在另一透明衬底上，然后采用粘合的方法将光电极与微电极连接；
S6. 再次利用PECVD沉积二氧化硅或氮化硅等透明介质绝缘层，并通过光刻、腐蚀的方法在微电极和焊盘位置开出窗口，用于后期LED芯片绑定和外围电路连接；
若采用微电极与光电极粘合的方法，则在另一透明衬底上重复S5、S6步骤，等完成步骤S7后进行微电极与光电极衬底粘结，再继续进行往后的步骤；
S7. 利用倒装焊方法将生物芯片背面的微电极焊盘与已制备好的外围电路PCB绑定，其中PCB焊盘上已制备好绑定用金属焊料；生物芯片与PCB绑定后再次利用倒装焊方法将半导体发光器件芯片绑定至生物芯片对应的带有金属焊料的p、n电极金属位置处；
S8. 利用引线键合的方法将已绑定的生物芯片上的焊盘与PCB上对应预留的焊盘进行连接以实现生物芯片和外围电路的连接；
S9. 利用具有生物兼容性的高分子聚合物的封装材料对焊盘处和半导体发光器件芯片处进行封装。
7.根据权利要求6所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，其特征在于，金属蒸镀采用电子束热蒸发或磁控溅射方法，蒸镀金属厚度大于2微米；若蒸镀金属厚度无法满足该要求，蒸镀完再采用电镀加厚方法加厚蒸镀金属。
8.根据权利要求6所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，其特征在于，沉积方法为磁控溅射、电阻蒸发镀膜或电镀方法。
9.根据权利要求6所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，其特征在于，半导体发光器件芯片可通过LLO技术将其GaAs或Si衬底剥离，从而降低集成式光电极生物芯片整体厚度。
10.根据权利要求6所述的一种集成式可注入型生物光电极微探针的制备方法，其特征在于，封装材料为UV固化胶、SU-8胶或环氧树脂。
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