JP2004195206A6 - 生体組織刺激用電極の製造方法及び該方法にて得られる生体組織刺激用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極と生体組織との接触性や長期埋殖に好適な生体組織刺激用電極の製造方法及び該方法を用いた生体組織刺激用電極を提供する。
【解決手段】 基板上に所定の配線回路を形成する第１ステップと、第１ステップにより形成された配線回路上に導電性を有する材料にて突起部を形成する第２ステップと、第２ステップにより形成された突起部付基板に対し少なくとも突起部が形成された配線回路を生体適合性の良い絶縁膜にて被覆する第３ステップと、第３ステップにより被覆された基板に対し突起部が形成されている面を厚み方向に対して所定量除去して、突起部を被膜から露出させることにより露出電極を形成する第４ステップと、を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、生体組織に電気刺激を与えるための電極を製造する方法及び該方法により得られる生体組織刺激用電極に関する。

近年、失明治療技術の一つとして、電極等を有する眼内埋埴装置（体内装置）を眼内に設置し、生体組織（ここでは網膜を構成する細胞）を複数の電極にて電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置の研究がされている。このように生体に対して電気刺激を与えるために患者眼の眼内に体内装置を設置（埋殖）する場合、生体内の長期埋殖に対応するために生体適合性の高い絶縁膜で体内装置全体を包埋しておくことが重要である。しかしながら網膜を構成する細胞に対しては体内装置の電極にて電気刺激を与える必要があるため、この電極部分に関しては露出させなくてはならない。

複数の電極を用いて生体組織に多点刺激を行うための電極としては、神経細胞の多点同時刺激・計測を行う一体化複合電極が近似する技術として挙げられる。この多点同時刺激・計測を行う一体化複合電極は、基板上にリード線を形成しておき、この基板に絶縁性の感光性樹脂を塗布した後、フォトエッチング手法により電極が露出するように孔を開け、この孔に金等の導電性金属材料を蒸着させることにより露出電極を形成するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２９６５９５号公報（第４頁〜第５頁、第３図等）

視覚再生補助装置に用いられる眼内埋殖装置においては、眼内に埋殖される基板の完全包埋と生体組織刺激用の露出電極とを同時に実現することが必要である。しかしながら、特許文献１に開示されるように一旦基板を完全に包埋した後に、樹脂に孔を開け蒸着による露出電極を形成する方法では、金属電極による稠密性による絶縁信頼性の低下の問題があり、体内への長期埋殖には向かない。また、包埋樹脂に孔を開け、ここに電極を形成させるため、電極の形成が不十分である場合、露出電極面が包埋樹脂表面より低くなる可能性がある。この場合生体組織への接触性が低下する場合ある、といった問題があった。
上記従来技術の問題点に鑑み、電極と生体組織との接触性や長期埋殖に好適な生体組織刺激用電極の製造方法及び該方法を用いた生体組織刺激用電極を提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１） 基板上に所定の配線回路を形成する第１ステップと、該第１ステップにより形成された配線回路上に導電性を有する材料にて突起部を形成する第２ステップと、該第２ステップにより形成された前記突起部付基板に対し少なくとも前記突起部が形成された前記配線回路を生体適合性の良い絶縁膜にて被覆する第３ステップと、絶縁膜にて被覆された前記突起部の先端を露出させる第４ステップと、を有することを特徴とする。
（２） （１）の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第４ステップは前記第３ステップにより被覆された基板に対し前記突起部が形成されている面を厚み方向に対して所定量除去して、前記突起部を前記被膜から露出させることにより露出電極を形成することを特徴とする。
（３） （２）の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第４ステップにより露出電極を形成させた後、該露出電極上にさらに導電性を有する材料にて突起部を形成する第５ステップを有することを特徴とする。
（４） （３）の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第２ステップにて突起部を形成するために用いる導電性を有する材料はＡｕ系の貴金属材料とし、前記第５ステップにて用いる導電性を有する材料はＰｔ系の貴金属材料とすることを特徴とする。
（５） （３）の第５ステップにおいて、メッキ法，スクリーン印刷法又はボールボンダーを利用した工法により前記露出電極に凸部を形成させることを特徴とする。
（６） （１）の第２ステップにおいて、前記導電性を有する材料を用いて前記配線回路上にスタッドバンプを形成することにより前記突起部を形成することを特徴とする。
（７） （１）〜（６）の第１ステップにおいて、前記基板材料にはシリコンを用いるものとし、該シリコン基板を酸化又は基板上に絶縁層を形成することにより前記基板に絶縁性を持たせた後、前記配線回路を形成することを特徴とする。
（８） （１）〜（７）の第１ステップにおいて、前記基板材料および前記配線回路として、集積回路を形成したシリコンチップを用いることを特徴とする。
（９） （１）〜（８）の生体組織刺激用電極の製造方法を用いることにより生体組織刺激用電極を得ることを特徴とする。

本発明によれば、生体組織との接触性や長期埋殖に好適な生体刺激用電極を得ることができる。

本発明の実施の形態を図面を基に説明する。本実施の形態で用いる生体組織刺激用電極は網膜を構成する細胞に対して電気刺激を行うための電極である。図１は本実施の形態で製造する生体組織刺激用の電極を製造する手順を示したフローチャート、図２は基板上にリード線を形成した状態を示す図であり、図３はリード線形成後に基板上に電極を形成するための様子を示した断面図である。

１は基板である。基板１は絶縁性材料を用いればよく、好ましくは絶縁性に加えて生体適合性の良い材料を用いればよい。また、本発明にて製造される電極は生体組織刺激に使用するため、基板は電極の設置面に沿って曲がるような柔らかい材料を用いることが好ましい。具体的には例えばシリコンやポリイミド等を挙げることができる。なお、本実施の形態ではポリイミドを使用するものとしている。また、シリコン等の半導体材料を基板材料として用いる場合には、シリコンを酸化処理して絶縁性を持たせるか、少なくともシリコン基板の配線回路形成面側に絶縁性を有する被膜を形成しておき、この被膜上に配線回路を形成すればよい。

２は基板１上に形成された配線回路（リード線）である。配線回路２に使用される材料としては例えばＣｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ等の配線回路に一般的に用いられる材料が使用される。配線回路２の厚みは約１.０μｍ〜１００μｍ程度であり、これらの材料を基板１上に蒸着、スパッタ等で積層し、フォトレジストを用いてエッチングにより所望の配線パターン（配線回路）を形成する。また、配線回路２を構成する各リード線末端２ａは、φ５０μｍ〜φ１００μｍ程度の円形状となっており、ここに電極を形成するようになっている。なお、本実施の形態では５×５の計２５個の電極を形成するための配線回路２としているが、これに限るものではなく、必要に応じた電極数に対応する配線回路を形成すればよい。なお、金属突起形成のための電極パッドを形成した集積回路チップを基板として用いることも可能である。この場合、配線回路２の働きをシリコン基板上の集積回路によって実現するのみならず、検出や増幅、信号処理といった各種の電気的・光学的処理機能を実現することが可能である。

基板１上に所望する配線回路２の形成後、図３（ａ）に示すように、配線回路２の各リード線末端２ａ上に導電性材料からなる突起部３を形成する。突起部３の形成に用いられる導電性材料には、Ａｕ、Ｐｔ等の生体適合性が良い金属材料を用いることができる。本実施形態では突起部３としてＡｕのスタッドバンプを形成する。このような突起部３はワイヤボンディング方法（ボールボンダを利用した工法）にて１個ずつ形成しても良いし、メッキにて形成するようにしても良い。なお、ワイヤボンディング方法にてバンプを形成させる場合、液相や気相から凝集した金属ではなく、圧延によって形成された空孔等の少ないバルク金属を用いることができるため、電極の高品質化が期待できる。

また、このような突起部３の高さは、好ましくは１０μｍ〜５００μｍ程度、さらに好ましくは５０μｍ〜３００μｍとなるようにする。突起部３はその後研磨によって所定量削られるため、高さが１０μｍに満たないと研磨が困難となる。また、突起部３の高さが５００μｍを超えても差し支えないが、突起部３の形成作業、絶縁材料による基板１の被覆作業やその後の研磨等に時間がかかることとなるため好ましくない。

配線回路２の各リード線末端２ａ上に突起部３を形成後、図３（ｂ）に示すように、基板１全体を生体適合性が良く、絶縁性を有する材料にて包埋（被覆）し、被覆層４を形成する。基板１を包埋する絶縁材料としてはポリイミドや窒化シリコン等が挙げられる。本実施の形態ではポリイミドを用いて被覆層４を形成する。被覆方法は蒸着、スパッタ、塗布等の従来の手法を用いることができる。なお、本実施の形態では滴下塗布用ポリイミド前駆体を基板１に塗布し、乾燥、焼成を行うことにより、被覆層４を形成する。また、突起部３が形成された面を被覆する際には、突起部３の高さよりも十分高くなるように被覆層４を形成しておく。

基板１が絶縁材料により包埋された後、基板１の突起部３形成面側を所定量研磨することにより被覆層４及び突起部３の一部を削り取る。削る量は所望する電極の高さが得られる程度に行えばよい。本実施形態では研磨により被覆層４及び突起部３の一部を削り取ることとしたが、これに限るものではなく、突起部３形成面側から被覆層４及び突起部３の一部を削り取る（所定量除去する）ことができればよい。例えば、カンナ，レーザ光等を用いて切削することや、エッチング処理等にて被覆層４及び突起部３の一部を除去するようにしても良い。

被覆層４及び突起部３の一部が削られることにより、図３（ｃ）に示すように突起部３が被覆層４から露出される。研磨に用いる装置は既存の半導体ウエハ等を研磨し、平坦化させる平坦化装置（研磨装置）等を用いればよい。このように露出した突起部３の露出面を露出電極３ａとして使用する。以上のような工程を行うことにより、絶縁性に優れ、生体内に長期埋殖が可能な生体組織刺激用電極を作製することができる。また、被覆層４を研磨することにより突起部３を露出させて露出電極を形成するため、電極面が被覆層４よりも低くなることがない。
また、以上のような工程を経て、露出電極を作製することにより、被覆層４よりも露出電極面が低くなることがなく、生体組織と電極との接触性が向上するが、図３（ｄ）に示すように露出電極面にＡｕ等の電極材料をメッキ法やスクリーン印刷法、ワイヤーボンディング法等により凸状の電極５を形成させることも可能である。このように露出電極面にさらに凸状の電極５を形成させることにより生体組織と電極との接触性がさらに向上することが期待できる。

なお、以上の実施形態では、露出電極の材料にＡｕ（金）を用いるものとしているが、これに限るものではなく、Ｐｔ（プラチナ）やＰｔＩｒ（フ゜ラチナとイリシ゛ウムからなる複合金属）等のＰｔ系貴金属を用いることもできる。このようなＰｔ系貴金属からなる極細ワイヤーを半導体デバイスやＬＳＩの配線に用いるスタッドバンプ形成装置に導入することにより、Ａｕを用いたスタッドバンプに替え、Ｐｔ系貴金属を用いたスタッドバンプを基板１上に形成することができる。このようなＰｔ系貴金属はＡｕ系貴金属に比べ、耐蝕性や単位面積あたりの注入電荷量の点で優れている。

また、Ｐｔ系貴金属はＡｕ系貴金属に比べ硬いため、スタッドバンプ形成時に基板表面を破壊してしまう恐れがある場合、基板上に形成させる突起部に用いる導電性材料には、比較的柔らかく基板表面を破壊し難い材料を用い、形成した突起部の上にさらにＰｔ系貴金属からなるバンプを形成するようにしてもよい。具体的には、基板１上にＡｕ系貴金属材料にてスタッドバンプを形成し、その上にＰｔ系貴金属からなるスタッドバンプを設けるようにすることもできる。このような形成方法を用いることにより、図３（ｄ）に示す突起部３はＡｕ（Ａｕ系貴金属）となり、電極５はＰｔ系貴金属にて形成することとなる。その結果、基板表面を破壊する恐れなく、耐食性等に優れたＰｔ系貴金属材料を電極として用いることができる。

また、本実施の形態では配線回路２のリード線末端２ａに突起部３を形成後、絶縁材料にて基板１を包埋するものとしているが、これに限るものではない。例えば、基板１上に配線回路２を形成後、一旦絶縁材料にて配線回路２を被覆後、リード線末端２ａ上の被覆部分に孔を開け、その後突起部３を形成するようにしてもよい。突起部３の形成後は上述したように基板１全体を絶縁材料にて包埋し、研磨することにより露出電極を作製する。このように２段階にて被覆層を設けることにより、さらに絶縁性が高まることが期待される。

次に、上述した工程により得られた生体刺激用電極を用いる装置の一例として、人工的に視覚を再生するために眼内に埋殖して用いる視覚再生補助装置について図４及び図５に基づいて以下に説明する。なお、図３に示した構成部品と同機能を有するものには同符号を付し、詳細な説明は省略する。
図４に示す視覚再生補助装置１０は、大別して基板１上に取り付けられた電力取得部２０と視覚再生部３０から構成されている。なお視覚再生部３０は電力取得部２０と電線２１を介して電気的に接続されている。
基板１は透光性を有する生体適合性の良い材料を使用しており、前述したようにポリイミドを用いている。基板１は円板部分１ａと長板部分１ｂとからなり、円板部分１ａには電力取得部２０が、長板部分１ｂの先端には視覚再生部３０が取り付けられている。

電力取得部２０は、中心部に貫通孔が設けられ、中空となっているリング状の磁性体からなる磁芯２０ａと、磁芯２０ａの周囲に巻かれている２次コイル２０ｂとからなっている。本実施形態の磁芯２０ａの中空部分には、水晶体の代わりとなる光学部材２２（レンズ）が設置されており、眼前の所定距離だけ離れた位置にある物点の像を後述する視覚再生部３０の受光面に結像させることができる。なお、体内装置２０を眼内に設置した際に水晶体を取り除かない場合には、このレンズ２２は設ける必要はない。

一方、視覚再生部３０は、電極５、フォトダイオード等からなる受光素子３１、及び受光素子３１からの受光信号を基に所定の処理を加え、電極５から視覚を再生するための刺激電流を発生させるための制御回路３２等が設けられ、ＩＣ（Integration Circuit）の構成を有している。受光素子３１は視覚再生補助装置１０を眼内に設置（埋殖）した際に、前眼部側に向く基板１上の面（眼内に入射する光束を受光できる面）に２次元アレイ状に多数設置されている。また、受光素子３１の設置面と反対側の基板１の面（図４の紙面裏側）には、各受光素子３１の各々に対応して電極５が２次元アレイ状に多数設置されている。
視覚再生補助装置１０は、ポリイミド等の生体適合性の良い材料にて全体が被覆されており、装置への体液等による直接の接触を防ぐようになっている。また、電極５は前述した製造方法を用いることによって、被覆層を研磨した面から突き出た凸状の電極となっている。したがって、視覚再生補助装置１０を患者眼の眼内に設置した際には、電極５の先端は網膜に直接接触できるようになっている。

図５は視覚再生補助装置１０を眼内に設置した状態を示す図である。図に示すように、電力取得部２０は虹彩の裏側に設置される。このとき瞳孔にレンズ２２が位置するようにして設置される。長板部分１ｂは網膜に沿って置かれ、その先端の視覚再生部３０は、網膜の所定位置に接触した状態でタック３３により固定される。この状態にて電極５は網膜と常に接触しており、双極細胞や網膜神経節細胞等の網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を行うことができる。
なお、４０は患者が掛けるバイザーであり、バイザー４０には中空状の磁芯４１と１次コイル４２とが取り付けられている。１次コイル４２は電源装置４３からの電力を電磁誘導により２次コイル２０ｂに伝送する。視覚再生補助装置１０は２次コイル２０ｂにより得られた電力を用いて装置を駆動させる電力とする。

また、本実施の形態では網膜上に電極を設置するものとしているが、これに限るものではなく、網膜下（網膜と脈絡膜との間）に基板を差し込んで視細胞側から網膜を構成する細胞に電気刺激を与えるようにしても良い。このような場合には、電極の形成は前述した形成面と反対の面に行えば良い。

以上の実施形態では、基板上に突起部を形成した後、ポリイミド等の絶縁性の材料（樹脂）を用いて突起部を完全に埋め（包埋し）、その後、樹脂を研磨することより露出電極を得るものとしているが、これに限るものではない。本発明における別の実施形態を以下に挙げる。

図６は包埋する樹脂の厚さを突起部３の高さよりも薄くし、突起部３の先端を、包埋時または包埋後に露出させて電極とした場合を示した図である。図６（ａ）に示すように、リード線末端２ａ上にＰｔ系貴金属からなる突起部３（スタッドバンプ）を形成した後、突起部３の先端が露出するような厚さにて、ポリイミドからなる被覆層４を基板に形成させることにより、研磨等を行うことなしに被覆層４から露出した電極を形成することができる。被覆層４の形成は、前述したように滴下塗布用ポリイミド前駆体を基板１に塗布し、乾燥、焼成を行えばよい。また、図６（ｂ）に示すように、基板１上に突起部３を形成した後、一旦突起部３の高さよりも薄い厚さにて基板１及び突起部３全体に被覆層４を形成させ、その後、突起部３の先端を覆っている樹脂を研磨、切削あるいは上方からのプレスによって取り除き露出電極を作成することもできる。突起部３の高さよりも薄い厚さにて基板１及び突起部３全体に被覆層４を形成させる方法としては、例えば滴下塗布用ポリイミド前駆体を基板１に塗布した後、硬化する前に窒素等の不活性ガスを塗布面に吹き付けることによって余分な樹脂を流し、その後硬化させる方法が挙げられる。

このように、包埋する樹脂の厚さを突起部の高さよりも薄くし、突起部の先端を包埋時または包埋後に露出させて電極作成するようにしても、電極と樹脂とが密接しているため、体内埋植時における基板への体液の浸潤等が抑制される。また、電極先端が被覆層より低くなりにくいため、生体組織との接触性がよい。

図７は液体の絶縁材料を用いるのではなく、樹脂フィルムを基板に圧着することにより被覆層を形成し、露出電極を得る方法を示した図である。図７（ａ）に示すように、基板１上に突起部３を形成した後、ポリイミド等の絶縁性を有するフィルム１００にて突起部３を覆い、その上から圧着用治具１０１にてフィルム１００を上方からプレスする。使用するフィルムの厚さは突起部３の高さよりも薄いものを使用する。圧着用治具１０１のプレスにより、突起部３の先端がフィルム１００を貫通し、基板１上を包埋した樹脂（フィルム１００）上面に露出するとともに、フィルム１００は基板１に強固に接着され被覆層として機能する。なお、フィルム１００の圧着後、フィルム１００を圧着用治具１０１から簡単に離れやすくしておくために、予め圧着用治具１００のフィルム接触面に離型剤等を塗布しておく、あるいは圧着用治具１００の表面をテフロンコーティングする等によって剥離を容易にすることができる。また、このようなフィルムを圧着させる技術としては、半導体チップ実装で用いられているＮＣＦ（non-conductive film）の圧着技術等を用いることができる。

また、図７（ｂ）に示すように、圧着用治具１０１のフィルム１００接触面側に凹部１０１ａを形成しておき、フィルム１００を介在させながら、この凹部１０１ａに突起部３の先端を当てるようにしてフィルム１００を基板１に圧着させることもできる。このようにフィルム１００を基板１に圧着させることにより、突起部３の先端がフィルム１００を貫通するとともに、その先端がフィルム１００によって形成される被覆層から突出した凸状の露出電極を得ることができる。図７（ａ）及び（ｂ）に示したように、基板上に予めＰｔ系やＡｕ系の材料にてバンプ（突起部）を形成しておき、その後樹脂フィルムを基板に圧着させ、突起部先端をフィルムから貫通させて露出電極を得ることにより、前述同様に電極と樹脂とが密接し体内埋植時における基板への体液の浸潤等が抑制される。また、電極先端が被覆層より低くなりにくいため、生体組織との接触性がよい。なお、図７（ｃ）に示すように、凹部１０１ａが形成された圧着用治具１０１をフィルム１００が介在しない状態で凹部１０１ａと突起部３先端とを嵌合させておき、その隙間に液状樹脂１００´を流し込んで包埋し、その後樹脂１００´を硬化させることによって、露出電極を得ることもできる。

電極作成の手順を示したフローチャートである。 基板上にリード線を形成した状態を示した図である。 基板上に電極を形成する様子を示した図である。 視覚再生補助装置の概略構成を示した図である。 眼内に視覚再生補助装置を埋殖した状態を示した図である。 本発明における変容例を示した図である。 本発明における変容例を示した図である。

符号の説明

１ 基板
２ 配線回路
２ａ リード線末端
３ 突起部
３ａ 露出電極

Claims (9)

1. 基板上に所定の配線回路を形成する第１ステップと、該第１ステップにより形成された配線回路上に導電性を有する材料にて突起部を形成する第２ステップと、該第２ステップにより形成された前記突起部付基板に対し少なくとも前記突起部が形成された前記配線回路を生体適合性の良い絶縁膜にて被覆する第３ステップと、絶縁膜にて被覆された前記突起部の先端を露出させる第４ステップと、を有することを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
2. 請求項１の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第４ステップは前記第３ステップにより被覆された基板に対し前記突起部が形成されている面を厚み方向に対して所定量除去して、前記突起部を前記被膜から露出させることにより露出電極を形成することを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
3. 請求項２の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第４ステップにより露出電極を形成させた後、該露出電極上にさらに導電性を有する材料にて突起部を形成する第５ステップを有することを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
4. 請求項３の生体組織刺激用電極の製造方法において、前記第２ステップにて突起部を形成するために用いる導電性を有する材料はＡｕ系の貴金属材料とし、前記第５ステップにて用いる導電性を有する材料はＰｔ系の貴金属材料とすることを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
5. 請求項３の第５ステップにおいて、メッキ法，スクリーン印刷法又はボールボンダーを利用した工法により前記露出電極に凸部を形成させることを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
6. 請求項１の第２ステップにおいて、前記導電性を有する材料を用いて前記配線回路上にスタッドバンプを形成することにより前記突起部を形成することを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
7. 請求項１〜請求項６の第１ステップにおいて、前記基板材料にはシリコンを用いるものとし、該シリコン基板を酸化又は基板上に絶縁層を形成することにより前記基板に絶縁性を持たせた後、前記配線回路を形成することを特徴とする生体組織刺激用電極の製造方法。
8. 請求項１〜請求項７の第１ステップにおいて、前記基板材料および前記配線回路として、集積回路を形成したシリコンチップを用いることを特徴とする、集積回路内蔵型生体刺激用電極の製造方法。
9. 請求項１〜請求項８の生体組織刺激用電極の製造方法を用いることにより得られることを特徴とする生体組織刺激用電極。
   
   
   
   
   

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