CN110461409A - 植入式神经换能器 - Google Patents

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Abstract

本文提供了可植入神经换能器，以及制造这种可植入神经换能器的方法。示例性可植入神经换能器包括从由基板提供的外表面突出的多个半导体结构和从基板的外表面延伸到基板的内表面并且在基板中的多个开口内的多个导体。每个导体电耦合到半导体结构之一。示例性可植入神经换能器还包括通过导体电耦合到半导体结构的一个或多个电子部件和键合到基板的帽，以提供被密封的腔室。被密封的腔室包含所述一个或多个电子部件。

Description

植入式神经换能器
技术领域
本公开涉及神经调制，并且更具体而言，涉及用于电刺激(一个或多个)神经、阻断神经信令和/或监视神经活动的设备、系统和方法，以及制造这种设备和系统的方法。
背景技术
作为用于治疗多种医学病症的采用技术，神经调制继续增加。例如，用于脊髓刺激的神经调制设备已被用于治疗疼痛。类似地，用于深部脑刺激的神经调制设备已被用于治疗帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍和其它疾病。用于迷走神经刺激的神经调制设备已被用于控制突然发作(seizure)，诸如与癫痫有关的突然发作。而且，已经利用用于肾神经刺激的神经调制设备来控制血压。
神经调制设备通常需要外科手术以植入患者体内的期望位置。因为植入这样的设备，因此使设备变小是一个问题。微机电系统 (MEMS)技术的使用可以帮助生产足够小以便植入的设备。制造越来越微小的集成电路(IC)设备的进步与使用半导体形成机械和机电结构的进步相吻合。
MEMS设备的一个有希望的应用包括使用在IC基板上形成的纳米级和微米级电极来测量和刺激活组织。MEMS电极可以用于提供电刺激并测量电活动。这些电位可以代表感觉知觉、肌肉控制和其它神经信号，并且电极可以提供通过刺激靶向神经元来恢复丢失的神经功能的途径。MEMS设备还可以允许多个部件封装在一起以减小设备的整体尺寸。但是，承诺的好处尚未完全实现。因而，现有的 MEMS设备一般是足够的，但在所有方面都不是完全令人满意的。
因此，需要用于电刺激神经和/或监视神经活动的改进的设备，系统和方法。
发明内容
本公开涉及神经调制，并且更具体而言，涉及用于电刺激(一个或多个)神经、阻断神经信令和/或监视神经活动的设备、系统和方法，以及制造这种设备和系统的方法。
一个示例性方面包括制造可植入设备的方法。该方法的实施例包括形成穿过第一基板的至少一个开口，将第一基板键合到第二基板，移除第二基板的一部分，对第二基板的半导体层进行构图以在第一基板上的每个开口上方定义半导体结构，在每个半导体结构上方沉积第一导电材料，以及在第一基板的每个开口内沉积第二导电材料，使得第二导电材料电耦合到半导体结构。这方面的其它实施例包括记录在一个或多个计算机存储设备上的对应计算机系统、装置和计算机程序，每个都被配置为执行该方法的动作或使一个或多个机器执行该方法的动作。
另一个示例性方面包括制造多个可植入设备的方法。该方法的实施例包括将第一晶片键合到第二晶片，第一晶片具有穿过其形成的多个贯穿晶片特征件。该方法还包括移除第二晶片的一部分，对第二晶片的半导体层进行构图以在第一晶片中的多个贯穿晶片特征件中的每一个上方定义半导体结构，以及在每个半导体结构上方沉积第一导电材料。这方面的其它实施例包括记录在一个或多个计算机存储设备上的对应计算机系统、装置和计算机程序，每个都被配置为执行该方法的动作或使一个或多个机器执行该方法的动作。
又一个示例性方面包括可植入神经换能器。可植入神经换能器的实施例包括从由基板提供的外表面突出的多个半导体结构和从基板的外表面延伸到基板的内表面并且在基板的多个开口内的多个导体。每个导体电耦合到半导体结构之一。可植入神经换能器的实施例还包括通过导体电耦合到半导体结构的一个或多个电子部件和键合到基板以提供被密封的腔室的帽。被密封的腔室包含一个或多个电子部件。这方面的其它实施例包括形成单独的可植入神经换能器和形成多个可植入神经换能器的方法。
根据以下详细描述，本公开的其它方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本公开实施例的制造可植入神经换能器的方法的流程图。
图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G是根据图1的流程图并根据本公开实施例的制造期间的可植入神经换能器的一系列横截面侧视图。
图2H和2I是根据本公开实施例的图2A-G的可植入神经换能器的替代实施例的横截面侧视图。
图2J是根据本公开实施例的可植入神经换能器的示意性部分横截面顶视图。
图2K是根据本公开实施例的可植入神经换能器的示意性部分横截面底视图。
图2L是根据本公开实施例的图2A-G的可植入神经换能器的横截面侧视图。
图2M、2N和2O是根据本公开实施例的包括通孔的基板的底视图。
图3是根据本公开实施例的多个可植入神经换能器的晶片级制造方法的流程图。
图4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H、4I、4J、4K和4L是根据图3的流程图制造的并且根据本公开实施例的多个可植入神经换能器的一系列横截面侧视图。
图5A和5B是根据本公开实施例的具有变化电极的示例性可植入神经换能器的横截面侧视图。
通过参考以下详细描述可以更好地理解这些附图。
具体实施方式
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中示出的实施例，并且将使用具体的语言来描述这些实施例。但是，应理解的是，不旨在限制本公开的范围。对所描述的方法、设备和系统的任何更改和进一步修改以及本公开的原理的任何进一步应用都被完全预期并包括在本公开中，如本公开所涉及的本领域普通技术人员通常想到的那样。特别地，完全预期的是，关于一个实施例描述的步骤、特征和/ 或部件可以与关于本公开的其它实施例描述的步骤、特征和/或部件组合。但是，为了简洁起见，将不单独描述这些组合的多次迭代。
另外，本文可以使用空间相对术语，诸如“以下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，以便于描述一个元件或特征与如图所示的另一个(多个)元件或特征的关系。除了图中所描绘的朝向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的设备的不同朝向。例如，如果图中的设备被翻转，那么被描述为在其它元件或特征“以下”或“下方”的元件将被定向在其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方的朝向。装置可以以其它方式定向 (旋转90度或以其它朝向)，并且同样可以相应地解释在本文使用的空间相对描述符。
图1是用于制造用于可植入神经换能器的电极的方法100的流程图。方法100被示为一系列列举的步骤或操作。方法100的实施例可以在列举的操作之前、之后、之间或作为列举的操作的一部分包括附加或替代操作。此外，一些实施例可以不包括图1中描绘的所有操作。在描述方法100时，参考图2A、2B、2C、2D、2E、2F和2G。
因而，方法100的一些实施例可以在操作102处开始，其中在第一基板中形成至少一个贯穿晶片特征件。如图2A中所示，第一基板 200具有在其中形成的第一孔或开口202作为至少一个贯穿晶片特征件。图2A中还示出了附加的开口204。第一基板200的一些实施例可以包括在其中形成的更少或更多的开口。如图所示，开口202和 204是锥形开口，使得开口在基板200的一侧比在另一侧更大。开口 202可以通过机械钻孔、蚀刻、激光烧蚀或其它合适的工艺形成。
在操作104处，将第一基板键合到第二基板。如图2A中所示，第二基板210可以包括多层不同材料。如图2A中所示，第二基板 210包括处置(handling)层212、中间层214和半导体层216。处置层212可以是硅层，并且中间层214可以是氧化硅层，诸如掩埋氧化物层。半导体层216也可以是硅层。因而，第二基板210可以是绝缘体上半导体基板或绝缘体上硅基板。在一些实施例中，半导体层216 可以是掺杂的半导体层，其具有在那里激活的掺杂剂，使得该层的导电率大于处置层212的块状材料。半导体层216的尺寸范围可以从大约10μm到大于100μm。在所描绘的实施例中，半导体层216的厚度为大约20μm。
如图2B中所示，第二基板210可以被定位成与第一基板200直接接触，使得基板200和210可以在操作104处键合在一起。为了键合基板200和210，可以执行阳极键合。为了执行阳极键合，第一电极可以耦合到第一基板200，而第二电极耦合到第二基板210。可以加热基板200和210，并且可以使用第一和第二电极施加静电场。该过程利用气密密封将第二基板210的半导体层216密封到第一基板 200，气密密封可以防止体液在半导体层216和第一基板200之间通过。在一些实施例中，第一和第二基板200和210可以被激光焊接以在它们之间形成气密密封。当基板200和210被激光焊接时，可以首先将它们加热到大约100℃，然后用激光焊接退火。
在操作106处，可以移除第二基板210的一些材料。例如，可以执行化学机械平坦化(CMP)工艺以移除处置层212和中间层214。在一些实施例中，可以通过CMP工艺移除处置层212，同时使用化学蚀刻移除中间层214。从第二基板210移除材料可以暴露半导体层 216的未键合表面，如图2C中所示。
在操作108处，可以对第二基板的半导体层进行构图以在第一基板中的每个开口上方定义半导体结构。如图2C中所示，可以在半导体层216上形成蚀刻掩模220。例如，光活性聚合物层可以分散在半导体层216上方并用光刻工艺构图，以在蚀刻掩模220中产生掩模特征222和224。掩模特征222和224可以定位在第一基板200中形成的开口202和204上方。开口202和204可以通过深反应离子蚀刻工艺形成。例如，加利福尼亚州Palo Alto的SilexMicrosystems，Inc. 采用的ZERO-CROSSTALKTM DRIE工艺可以被用于生成开口202 和204，开口202和204可以具有锥形或直的剖面。对掩模特征222 和224进行构图可以包括软烘焙、掩模对准、暴露、暴露后烘焙、显影光致抗蚀剂、漂洗、干燥(例如，硬烘烤)和/或其它合适的光刻步骤。可替代地，可以通过其它方法实现、补充或替换光刻工艺，诸如无掩模光刻、电子束写入和离子束写入。此后，可以执行蚀刻工艺以移除半导体层216的暴露部分。例如，可以对半导体层216的暴露部分执行深反应离子蚀刻(DRIE)工艺。在其它实施例中，可以使用另一种干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺来移除半导体层216的暴露部分。
蚀刻工艺可以是化学选择性蚀刻工艺，使得当第一基板200的表面暴露时蚀刻停止。如图2D中所示，掩模特征222和224可以从半导体层216的剩余部分移除。半导体层216的这些剩余部分可以被称为半导体结构。如图2D中所示，两个半导体结构230和232保留在第一基板200的表面上。在操作108处执行的构图工艺可以在半导体结构230和232的上表面上产生圆形边缘。如上所述，通过在操作 104处执行的键合工艺将半导体结构230和232键合到第一基板200。因而，诸如体液之类的流体不能在半导体结构230和232与下面的第一基板200之间通过。半导体结构230和232可以分别与开口202和204对准。虽然图2D中示出了两个半导体结构230和232，但是其它实施例可以包括更多或更少的半导体结构。
在操作110处，在半导体结构230和232中的每一个的暴露表面上方形成第一导电材料层，导致半导体结构230上方的导电材料层 234和在半导体结构232上方形成的导电材料层236。导电材料层 234和236可以通过荫罩(shadow mask)光刻工艺生产。荫罩光刻工艺可以使用模板或掩模240，如图2E中所示。掩模240可以包括窗口242和244，其在尺寸、形状和位置上与半导体结构230和232 对应。可以在基板200上方沉积导电材料，通过掩模240防止导电材料沉积在除半导体结构230和232之外的位置上，以形成导电材料层 234和236。导电材料接触并粘附到半导体结构230和232的暴露表面，并且当植入具有半导体结构230和232的设备时，可以密封半导体结构230和232免于暴露于体液。
导电材料可以包括生物相容的导体，包括金属、金属氮化物和导电聚合物。例如，导电材料层234和236可以由诸如铜、铝、钨、铝 /硅/铜合金、钛、氮化钛、镍、多晶硅、金属硅化物、其它金属和非金属导电材料和/或其组合之类的材料形成，并且可以具有多层组合物。在一些实施例中，可以在半导体结构230和232以及第一基板 200的暴露表面上方沉积层。可以通过蚀刻工艺对该层进行构图，将该层留在半导体结构230和232上方作为第一导电材料层234和236。导电材料层234和236的导电材料的材料可以通过一种或多种工艺沉积，包括溅射、PVD、CVD、热退火(通常用于形成金属硅化物)、光刻、蚀刻和/或其组合。在一些实施例中，导电材料层234和236 由氮化钛(TiN)制成。其它实施例可以包括金和/或铂。例如，一些实施例可以使用铂和铱的合金作为导电材料层234和236的材料，而一些其它实施例使用钛、铂和金的合金。
在操作112处，在第一基板200的相对侧上方沉积第二导电材料，使得第二导电材料沉积在开口202和204中的每一个内，并形成导体或导电通孔250和252。在一些实施例中，通孔250和252的导电材料是导电材料层234和236的相同导电材料。在其它实施例中，可以代替地使用不同的导电材料。如图2F中所示，通孔250和252可以完全填充由开口202和204定义的空间。但是，在其它实施例中，通孔250和252由导电材料层提供，该导电材料层涂覆开口202和204 的壁并且涂覆半导体结构230和232的暴露部分。通孔250和252可以使用阴影掩模金属化工艺形成，类似于图2E中所描绘的工艺，或者通过其它适当的制造工艺。
通孔250和252可以由诸如铜、铝、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钨、镍、多晶硅、金属硅化物、其它金属和非金属导电材料和/或其组合之类的材料形成，并且可以具有多层组合物。在示例性实施例中，键合焊盘120包括镍/铝合金。通孔250和252的导电材料的材料可以通过一种或多种工艺沉积，包括溅射、PVD、CVD、热退火(通常用于形成金属硅化物)、光刻、蚀刻和/或其组合。在一些实施例中，通孔250和252由氮化钛制成。其它实施例可以包括金和/或铂。例如，一些实施例可以使用铂和铱的合金作为导电材料层234和236 的材料，而其它实施例使用钛、铂和金的合金。
通孔250和252可以与半导体结构230和232直接物理接触。可替代地，可以在它们之间插入另一个导电材料层。虽然通孔250和 252的顶表面被示为与第一基板200的顶表面齐平，但是在图2F中，一些实施例可以包括从第一基板200的表面向上突出的第二导电材料的部分，从而在其上形成唇部。在一些实施例中，在将通孔250和 252的材料沉积到开口202和204中之前，可以执行简短的化学蚀刻以移除半导体结构230和232的暴露表面上的任何天然存在的氧化物。
在操作114处，帽可以键合到第一基板。如图2G中所示，帽 260在帽260的表面262处键合到第一基板200。在一些实施例中，帽260可以由玻璃制成。可以通过阳极键合工艺或通过激光焊接工艺来完成键合。作为任一键合工艺的一部分，可以预热帽260和基板200，如本文描述的其它键合操作中那样。例如，帽260和基板200 可以被预热到大约75℃至大约150℃的温度。此后，可以跨帽260和基板200放置静电电荷，或者帽260和基板200可以在与表面262对应的区域中暴露于激光激活或焊接。键合可以气密密封腔室264，腔室264由凹部266和第一基板200的上表面定义。
在将帽260键合到第一基板200之前，一个或多个电子部件可以定位在腔室264内并通过引线268电耦合到通孔250和252。电子部件可以包括印刷电路板(PCB)270、微控制器272、通信模块274 和其它部件276。印刷电路板270可以在通孔250和252(以及半导体结构230和232)、微控制器272、通信模块274和/或其它部件 176之间路由信号。
在一些实施例中，印刷电路板270还可以支撑线圈结构278。线圈结构278可以是导电材料的线圈，其被构造为从远程电源无线地接收电磁能量，诸如部署在患者身体外部的电源。例如，当可植入设备 280(其包括第一基板200和至少所有被描述为电耦合或机械耦合到其的特征)被植入患者体内时，线圈结构278可以从部署在可植入设备280邻近但在患者体外的源接收电磁能量。其它部件276包括电阻器、电容器、电感器，并且可以包括一个或多个能量存储电容器。当线圈结构278没有从外部源接收电磁能量时，由线圈结构278接收的能量可以对能量存储电容器充电以提供电力。
如图2G中所示，线圈结构278可以是部署在印刷电路板270的表面上或层中的平面线圈结构。在其它实施例中，线圈结构278可以被部署在围绕印刷电路板270以及其上的电子元件的腔室264内。如图2H中所示，线圈结构278由盘绕的线282提供，盘绕的线282重复地缠绕在印刷电路板270周围。虽然线圈结构278被示为围绕印刷电路板270，但是线圈结构278的其它实施例可以部署在印刷电路板 270上方，使得印刷电路板270与凹部266的壁之间的横向距离可以最小化。
在可植入设备280在外科手术期间定位在患者体内之前，可植入设备280的外角或边缘可以是平滑的或圆形的。如图21中所示，帽 260的外边缘284是圆形的，并且第一基板200的外边缘286也是圆形的。圆形边缘284和286可以在制造过程中产生，用于使诸如通过晶片级制造平行形成的可植入设备个体化。圆形边缘284和286可以通过切割工艺和/或蚀刻工艺产生，以减少可植入设备280可能对植入部位处的周围组织产生的任何影响。
图2J和2K分别描绘了可植入设备280和部分横截面以及俯视图和底视图。图2J示出了微控制器272、通信模块274和位于印刷电路板270上的其它部件276。印刷电路板270的顶表面可以包括引线268。附加的引线可以包括在印刷电路板270的层内。微控制器 272可以包括处理电路系统和射频通信电路系统，以处理信息以便经由通信模块274进行传输，并处理经由通信模块274接收的信息。在一些实施例中，通信模块274是近场通信(NFC)模块。在其它实施例中，通信模块274可以被配置为在一个或多个其它无线协议和相关联的频率(例如，WLAN、蓝牙、ZigBee、WiFi等)下进行通信。在一些情况下，使用射频(RF)通信来发送功率和数据。当使用RF 通信发送功率和数据时，用于功率和数据的RF通信可以处于不同的波长。此外，在一些实施例中，使用红外(IR)通信来发送功率和/ 或数据，并且通信模块274可以是光学收发器。在还有其它实施例中，使用不同的通信技术(例如，用于一个实施例的RF通信和用于另一个实施例的红外(IR)通信)来发送功率和数据。
微控制器272可以包括处理器、存储器、收发器和天线。这些元件可以彼此直接或间接通信，例如经由一个或多个总线。微控制器 272的处理器可以包括CPU、DSP、ASIC、控制器、FPGA设备、另一个硬件设备、固件设备或其任意组合。微控制器272还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核结合、或任何其它这样的配置。
微控制器272的存储器可以包括高速缓冲存储器(例如，处理器的高速缓冲存储器)、RAM、MRAM、ROM、PROM、EPROM、 EEPROM、闪存、固态存储器设备、一个或多个硬盘驱动器、其它形式的易失性和非易失性存储器，或不同类型存储器的组合。在实施例中，存储器包括非瞬态计算机可读介质。存储器可以存储指令。指令可以包括这样的指令，当由处理器执行时，使得处理器执行操作以接收指令和命令并且发送包括状态信息和生理数据的数据。指令也可以被称为代码，其可以被广义地解释为包括任何类型的(一个或多个) 计算机可读语句。
例如，微控制器272可以接收和处理来自半导体结构230和232 的信号，以基于与神经或神经束的接触而生成生理数据。微控制器 272可以对生理数据进行编码以供通信模块274进行传输。此外，通信模块274可以接收编程指令和无线信号，并将那些编程指令提供给微控制器272以进行重新编程。微控制器272可以包括一个或多个存储器，用于存储指令和存储生理数据。
图2K描绘了可植入设备280的部分横截面底视图。如图2K中所示，线圈结构278部署在印刷电路板270的底表面上。半导体结构 230和232分别被示为封在导电材料层234和236中。半导体结构 230和232通过平面导体290连接到引线268。当植入患者体内时，可植入设备280被定位成使得电极(例如，半导体结构230和232以及导电材料层234和236)与患者体内的一个或多个神经或神经束接触。这种神经或神经束包括脊髓、深部脑、迷走神经、肾神经、外周神经等。电脉冲可以经由电极发送到神经，并且可以使用电极读取经由神经传递的电脉冲。
现在参考图2L，其中示出了包括替代的第一基板200A的可植入设备280的实施例。在许多方面，基板200A可以类似于基板200。例如，基板200A的大块(bulk)可以包括非导电材料或由非导电材料形成，诸如绝缘体。此外，基板200A包括至少一个贯穿晶片结构。基板200A还包括作为贯穿晶片结构的替代通孔250A和252A。因而，如本文所使用的，贯穿晶片结构可以是为准备在其中形成的导电材料而制成的开口以形成通孔，或者贯穿晶片结构可以是形成的通孔，包括填充有导电材料的开口。不是如图2A中所示的通孔250和252的锥形构造，通孔250A和252A可以通过在基本直的开口中形成而基本上直地穿过基板200A的大块。通孔250A和252A可以具有矩形横截面区域，如图2M中所示，或圆形横截面区域，如图2N中所示。图2M和2N都从底视图描绘了替代基板200A的实施例。如图所示，基板200A已经从较大的晶片切割。图2O描绘了替代基板200A的又一个实施例。图2O中所示的基板200A包括替代通孔250A和 252A，并且还包括隔离区域254A和254B。虽然通孔250A和252A 是导电的，但隔离区域254A和254B提供通孔250A和252A与基板 200A的大块材料之间的隔离。
例如，替代基板200A可以由块状硅(bulk silicon)制成，而隔离区254A和254B由氧化硅形成，并且通孔250A和252A由掺杂的多晶硅形成。可以使用其它材料，但是通孔250A和252A比基板 200A的块状材料更导电，基板200A的块状材料比隔离区域254A和 254B的材料更导电。此外，隔离区域254A和254B可以具有取决于通孔250A和252A的形状或独立于通孔250A和252A的形状的不同形状。
当替代基板200A中的一个被用于制造可植入设备280时，制造方法100可以省略操作102。在该方法中也可以省略与形成通孔250 和252有关的操作，因为可以在电子元件(包括印刷电路板(PCB) 270、微控制器272、通信模块274以及其它部件276)键合到基板 200A之前并且在替代基板200A键合到盖260之前形成通孔250A和 252A。
基板200A的一些合适的实施例可以是来自德国Landshut的 SCHOTT AG的SCHOTT产品，通过由日本东京的Tecnisco，LTD.制造的玻璃通孔产品，以及通过由德国Elsoff的 Plan Optik AG制造的玻璃通孔产品。
现在参考图3，其中示出了制造多个可植入设备的方法300的流程图，如图2G-2K的可植入设备280。与图1的方法100类似，方法300被示为一系列列举的步骤或操作。方法300的实施例可以包括在列举的操作之前、之后、之间或作为枚举操作的一部分的附加操作。此外，方法300的一些实施例可以省略一个或多个列举的操作。
因而，方法300的一些实施例可以在操作302处开始，其中在第一晶片中形成多个贯穿晶片特征件。图4A描绘了第一晶片400的一部分。可以对第一晶片400进行机械加工、蚀刻或钻孔，以产生像开口402那样的贯穿晶片特征件，其包括单独的开口402A-F。开口 402可以是锥形或直的。在图4A所示的实施例中，开口402朝着一端逐渐变细。图4A进一步图示了替代的第一晶片400A，其可以在方法300的一些实施例中代替第一晶片400。如结合图2L-20的基板 200A所讨论的，第一晶片400包括与如图4E中所示的第一晶片400 的开口403A-F中形成的通孔不同的通孔，如下面进一步详细讨论的。通孔403A-F包括导电材料，诸如掺杂的半导体或金属，用于通过晶片400A的块状材料传导功率和/或信号。
在操作304处，第一晶片可以键合到第二晶片。如图4A中所示，第二晶片410可以包括多个不同的材料层。在一些实施例中，第二晶片410包括处置层412、中间层414和半导体层416，半导体层416 通过中间层414与处置层412分离。在一些实施例中，处置层412是硅，并且中间层414是掩埋的氧化物层。因而，第二晶片410可以被称为绝缘体上半导体晶片或绝缘体上硅晶片。虽然第二晶片410的不同材料层的各个厚度可以在实施例之间变化，但是在一些实施例中，半导体层416的范围可以从大约10μm到大约100μm。在一些实施例中，半导体层的厚度为大约20μm。方法300的其它实施例可以包括具有较少材料层的第二晶片。例如，在一些实施例中，第二晶片410 可以是没有掩埋的氧化物层的硅晶片。
将第一晶片400键合到半导体层416可以产生图4B中所示的结构，其示出了键合的晶片400和410的组合。第一晶片400和第二晶片410可以通过阳极键合或通过如本文所述的激光焊接来键合，以在第一晶片400和第二晶片410之间产生气密密封，更具体地在第一晶片400和半导体层416之间产生气密密封。
在操作306处，移除第二晶片的一部分。如图4C中所示，处置层412和中间层414已被移除，暴露出半导体层416，半导体层416 通过气密密封的键合键合到第一晶片400。可以通过化学和/或物理处理步骤从第二晶片410移除材料，以便为半导体层416提供期望的厚度。如图4C中所描绘的，半导体层416具有大致恒定的厚度。在操作306的一些实施例中，可以在不同位置从第二晶片410移除不同厚度的材料，使得半导体层416的厚度在不同位置是不同的。这样的实施例可以促进具有不同形状和配置的半导体结构，诸如平焊盘以及各种高度和厚度的针。
在操作308处，对第二晶片的半导体层进行构图以定义多个半导体结构。这种构图可以使用光刻技术执行，诸如光反应性材料层(诸如光致抗蚀剂)的应用和构图，以及半导体层416的暴露部分的随后蚀刻。例如，光致抗蚀剂可以在半导体层416上方旋涂并且被暴露以产生定位在每个开口402和第一晶片400上方的掩模特征。例如，在另一个实施例中，可以在开口402上方形成如图2C的掩模特征222 和224之类的掩模特征，或另一个贯穿透晶片特征件。通过化学蚀刻可以蚀刻掉半导体层416的暴露部分，该化学蚀刻比第一晶片400的材料更快地选择性蚀刻半导体层416的材料。在一些实施例中，可以通过深反应离子蚀刻工艺来蚀刻半导体层416。可替代地或附加地，物理蚀刻可以用于将半导体层416构图为多个半导体结构430。图 4D描绘了六个这样的半导体结构430，分别标记为半导体结构430A- F。虽然所有半导体结构430都被描绘为基本上是平面的，但是操作308的其它实施例可以包括具有不同构造的半导体结构430。
在操作310处，可以在每个半导体结构上方沉积第一导电材料，其结果在图4D中示出。包括通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、其它合适的工艺和/或其组合形成的工艺。在一些实施例中，遮罩光刻(在图2E中结合方法100 的操作110描绘)用于在每个半导体结构430上方的层434(单独的层434A-F)中选择性地沉积第一导电材料。第一导电材料层434可以覆盖半导体结构430的暴露表面的一些或全部。因而，在一些实施例中，第一导电材料层434可以在层434和第一晶片400之间提供附加的密封，从而进一步防止流体穿过开口402。
在操作312处，将第二导电材料沉积在第一晶片中的开口402内。这可以如图2F中所示并且如结合方法100的操作112所描述的那样完成，以形成延伸通过第一晶片400的通孔450。通孔450电耦合到半导体结构430，以将来自神经或神经束的信号发送到一个或多个电子部件。通孔450可以与由开口402暴露的每个半导体结构430的表面直接接触。芯片460(单独地是460A-C)可以电耦合和物理耦合到通孔450和第一晶片400。芯片460可以包括微处理器、通信模块、线圈结构，以及诸如图2G和2G中所描绘的那些部件之类的其它部件，其与图1的方法100一起，并且更一般地说结合图1的方法100，进行描述。芯片460可以通过自动拾取和放置机器定位，以确保适当的放置以及适当的物理和电连接。包括将替代晶片400A键合到第二晶片410的方法300的实施例可以省略操作312。可替代地，此类实施例可以包括在操作304之前的操作312。
在操作314处，将第三晶片键合到第一晶片，使得在第三晶片和第一晶片之间定义多个腔室。如图4F中所示，示出了第三晶片470 的一部分，同时位于第一晶片400上方。第三晶片470包括多个凹部 472，单独地是凹部472A-C。当晶片400和第三晶片470接触时，可以执行键合工艺。如图4G中所示，电压源480可以通过电极482耦合到第三晶片470和第一晶片400。在一些实施例中，电压源480可以仅耦合到第三晶片470和第一晶片400中的仅一个，而另一个连接到地。使用电压源480，可以在晶片400和470之间形成阳极键合。阳极键合密封由凹部472和第一晶片400的上表面定义的腔室474，其中第一晶片400包括芯片460。
可替代地，操作314可以通过激光焊接工艺执行，如图4H中所描绘的。如图4H中所示，使第一晶片400和第三晶片470接触。可以将第一晶片400和第三晶片70加热或预热至大约100℃的温度。此后，晶片400和470可以暴露于由箭头484所描绘的激光束。激光束可以聚焦在第三晶片470接触第一晶片400的区域处。激光束可以向期望的键合位置提供局部热量。激光束可以以网格状图案被指引穿过晶片，以提供围绕每个腔室474的密封。无论使用阳极键合还是激光束焊接，操作314都导致气密密封的腔室474。
方法300的实施例还可以包括将键合的晶片400和470划分为单独的可植入设备的一个或多个操作，如本文所述的可植入设备280。在将晶片400或晶片470附着到粘合剂载体之后，可以使用切割锯切割键合的晶片。可替代地，旋转钻头可以被用于将晶片分离单独的设备。图4I图示了将可植入设备490B与另一个可植入设备490C分离的切割锯片492，其通过方法300的晶片级处理并行地产生。在切割之后，可植入设备490之一的壁可以具有在大约200μm至大约 600μm范围内的厚度T1。在一些实施例中，厚度T1大约为500μm。虽然锯片492具有均匀的剖面，但是其它实施例可以包括如图4J所示的锯片494。在一些实施例中，可以使用具有刀片494的剖面的旋转切割钻头。锯片494的表面在任一侧包括曲线496。这些曲线496 操作以使由第三晶片470的切割形成的帽的边缘成圆形，同时切割各个可植入设备490。如图4J中所示，可植入设备490A的边缘在切割过程中已经成圆形。可植入设备490B和490C之间的顶部边缘被曲线496变圆，而这些设备被切割锯494分开。在一些实施例中，切割可以在两个阶段中执行：一次是从顶部表面，另一次是从底部表面，其中刀片未完全延伸穿过晶片400和470两者。虽然图4I和4J中所示的示例描绘了锯片从第三晶片470穿透到第一晶片400，但是锯片 492或494也可以将可植入设备490从第一晶片400到第三晶片470 个体化。
可替代地或另外地，可以执行蚀刻工艺以使可植入设备490的拐角变圆。例如，如图4K中所示，并且可以执行蚀刻工艺497以使拐角498变圆以产生圆角499，如图4L中所描绘的。在方法300的一些实施例中，可以执行第一蚀刻工艺以使可植入设备490的顶部拐角变圆，并且可以执行第二蚀刻工艺以使可植入设备的底部拐角变圆。
现在参考图5A和5B，其中分别示出了可植入设备500A和 500B。可植入设备500A和500B可以由方法100和300的实施例形成。这可以通过添加附加步骤来完成，作为方法100的操作108和方法300的操作308的一部分。这些附加步骤可以在2014年3月13日提交的标题为“Methods，Devices，and Systems for Forming atomically Precise Structures”的美国专利No.9,329,201中更详细地描述，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。如图5A中所示，可植入设备500A包括第一电极502和第二电极512。第一电极502 具有针状形状并且可以被称为穿透针。第二电极512具有大致平面形状，并且可以被称为电极焊盘。电极502和512都包括半导体结构，分别称为半导体结构504和514。半导体结构504和514可以由键合到基板520的单个半导体层形成。如本文所述，半导体层可以在不同位置具有不同的高度或厚度。电极502和512还可以在其上包括导电涂层。如图所示，电极502包括由导电材料层506提供的涂层。电极 512包括导电材料层516。在一些实施例中，电极502和512中的任一个或两者可以包括具有开口的绝缘涂层或层，以更精确地控制可以通过神经或神经束与电极502和512形成电连接的位置。
图5B描绘了包括多于两个电极的可植入设备500B。如本文所述，通过方法100和/或300制造的可植入设备可以包括一个电极、两个电极或更多个电极。可植入设备500B包括电极502和电极512，并且还包括电极522。与电极502和512类似，电极522包括半导体结构524和沉积在其上的导电材料层526。如图所示，电极522比电极502短并且比电极512高。此外，电极522比电极502宽。
一般而言，本文公开的可植入设备可以包括被配置为线性阵列、二维阵列或其它合适的空间分布。电极可以是各种类型，包括穿透电极、自嵌入电极(例如，具有结构剖面的电极，诸如沙漏剖面，其允许插入神经或神经束中，但抵抗或防止不希望的移除而不需要单独的固定设备，诸如大头钉)、平面或表面电极、柔性电极和/或其组合。另外，在一些情况下，每个电极可以包括多个离散的刺激和/或监视部位。在这方面，可以利用在沿着电极长度的不同位置处具有多个离散刺激和/或监视部位的穿透针来精确地靶向在神经或神经束的期望深度或不同深度的组合处的刺激和/或监视。示例性电极502、512和 522的这种变化配置可以用于接触不同深度的神经束或使用单个可植入设备500A或500B接触不同神经。
本文描述的可植入设备的附加实施例可以包括具有其它不同形状和尺寸的电极，如美国专利No.9,329,201中所描述的。本文描述的方法产生可植入的神经换能器，其被气密密封以防止任何流体接近封在可植入设备内的电子部件。可植入设备可以具有生物相容的外部材料，以防止在设备使用期间的复杂化。这些设备可以无线地接收电力并且可以记录神经活动并且通过皮肤和其它组织将记录的数据无线地传送到患者身体外部的接收器。
如本领域技术人员现在将理解的并且取决于当前的特定应用，可以对本公开的设备的材料、装置、配置和制造方法进行许多修改、替换和变化，而不脱离其精神和范围。鉴于此，本公开的范围不应限于本文所示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是作为其一些示例，更确切地说，应当与下文所附权利要求的范围以下及其功能等同物完全相称。

Claims (31)

1.一种制造可植入设备的方法，该方法包括：
形成穿过第一基板的至少一个开口；
将第一基板键合到第二基板；
移除第二基板的一部分；
对第二基板的半导体层进行构图以在第一基板的每个开口上方定义半导体结构；
在每个半导体结构上方沉积第一导电材料；以及
在第一基板的每个开口内沉积第二导电材料，使得第二导电材料电耦合到半导体结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中对半导体层进行构图在第一基板的每个开口上方定义平焊盘。
3.如权利要求1所述的方法，其中对半导体层进行构图在第一基板的每个开口上方定义穿透针。
4.如权利要求3所述的方法，其中对半导体层进行构图定义不同构造的穿刺针。
5.如权利要求1所述的方法，其中第一导电材料与第二导电材料是不同的导电材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中第一导电材料与第二导电材料是相同的导电材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中半导体层是硅层，并且半导体结构是硅结构。
8.如权利要求1所述的方法，其中将第一基板键合到第二基板包括执行阳极键合工艺，该阳极键合工艺在第一基板和第二基板之间形成气密密封。
9.如权利要求1所述的方法，还包括将一个或多个电子部件电耦合到第二导电材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中电耦合所述一个或多个电子部件包括将微控制器和线圈电耦合到第二导电材料。
11.如权利要求9所述的方法，其中电耦合所述一个或多个电子部件还包括将近场通信模块电耦合到第二导电材料。
12.如权利要求11所述的方法，还包括将帽键合到第一基板，使得所述一个或多个电子部件被密封在由第一基板和帽定义的腔室内。
13.如权利要求12所述的方法，其中第一基板是玻璃基板，将帽键合到第一基板包括将玻璃帽键合到玻璃基板。
14.一种制造多个可植入设备的方法，该方法包括：
将第一晶片键合到第二晶片，第一晶片具有穿过其形成的多个贯穿晶片特征件；
移除第二晶片的一部分；
对第二晶片的半导体层进行构图以在第一晶片中的所述多个贯穿晶片特征件中的每一个贯穿晶片特征件上方定义半导体结构；以及
在每个半导体结构上方沉积第一导电材料。
15.如权利要求14所述的方法，还包括将第三晶片键合到第一晶片，使得在第三晶片和第一晶片之间定义多个腔室。
16.如权利要求15所述的方法，还包括切割穿过第一晶片和第三晶片，以物理地分离所述多个可植入设备。
17.如权利要求15所述的方法，其中第一晶片和第三晶片是玻璃晶片，并且第二晶片是绝缘体上半导体晶片。
18.如权利要求15所述的方法，其中切割穿过第一晶片和第三晶片包括用切割刀片切割，该切割刀片具有被构造为产生圆形边缘的形状。
19.如权利要求14所述的方法，还包括在第一晶片中形成所述多个贯穿晶片特征件，其中所述多个贯穿晶片特征件包括第一晶片中的开口。
20.如权利要求19所述的方法，还包括在第一晶片的每个开口内沉积第二导电材料，使得第二导电材料电耦合到半导体结构。
21.如权利要求14所述的方法，其中贯穿晶片特征件是导电通孔，并且其中将第一晶片键合到第二晶片包括将导电通孔键合到半导体结构。
22.一种可植入神经换能器，包括：
多个半导体结构，从由基板提供的外表面突出；
多个导体，从基板的外表面延伸到基板的内表面并且在基板中的多个开口内，每个导体电耦合到半导体结构之一；
一个或多个电子部件，通过导体电耦合到半导体结构；以及
帽，键合到基板以提供被密封的腔室，被密封的腔室包含所述一个或多个电子部件。
23.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中所述多个半导体结构包括至少一个平焊盘和至少一个穿透针。
24.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中在每个半导体结构的暴露部分上方形成导电层。
25.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中所述多个半导体结构由硅形成，基板由玻璃形成，并且帽由玻璃形成。
26.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中帽通过阳极键合或通过激光焊接键合到基板，使得被密封的腔室被气密密封。
27.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中帽的外表面具有圆形边缘。
28.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中所述多个半导体结构中的每一个半导体结构具有在其上形成的TiN层，并且其中导体由另一个含钛材料层形成。
29.如权利要求22所述的可植入神经换能器，其中所述一个或多个电子部件包括微控制器和近场通信(NFC)模块。
30.如权利要求22所述的可植入神经换能器，还包括导电线圈结构，该导电线圈结构被构造为捕获电磁能量以向所述一个或多个电子部件提供电力。
31.如权利要求30所述的可植入神经换能器，其中导电线圈结构是平面线圈。
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