專利名稱：一種高密度植入式平面陣列微電極及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高密度植入式平面陣列微電極的制作方法，可應(yīng)用于神經(jīng)疾患治療、神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域，屬于植入式微電極領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
神經(jīng)工程系統(tǒng)是當(dāng)前一個(gè)非常活躍且發(fā)展迅速的研究領(lǐng)域，比如腦-機(jī)接口，神經(jīng)假體等問題受到越來越多的關(guān)注。在神經(jīng)工程系統(tǒng)中，最基本關(guān)鍵的部分是神經(jīng)-電子接口，即電極。根據(jù)作用對(duì)象和應(yīng)用目標(biāo)的不同，人們陸續(xù)研究和開發(fā)了多種形式的植入式微電極，包括箍形微電極、針形陣列微電極、平面陣列微電極和篩形微電極四種。其中平面陣列微電極是加工難度最小的一種微電極形式，在神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)研究和神經(jīng)康復(fù)方面有著很廣泛的應(yīng)用。由于神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及神經(jīng)細(xì)胞數(shù)目眾多和局部區(qū)域的密集分布，因此植入式平面微電極的密度成為影響其性能一個(gè)重要的影響因素，直接影響神經(jīng)電刺激和神經(jīng)信號(hào)記錄的質(zhì)量。比如，對(duì)于采用植入視網(wǎng)膜假體進(jìn)行視覺恢復(fù)的患者來說，要想能夠較好的恢復(fù)視覺，一個(gè)非常重要的問題就是用作視網(wǎng)膜假體的平面陣列微電極具有良好的選擇性，也就是說要具有較高的電極刺激點(diǎn)密度。
目前國(guó)際上通常采用聚合物材料制作三明治形式的(金屬層夾在聚合物之間)的平面陣列微電極。其加工工藝簡(jiǎn)單，成本低，制作周期短，工藝條件成熟。但是其存在的問題是，當(dāng)制作高密度微電極陣列時(shí)，電極面積將會(huì)成倍的增加，主要的原因是隨著微電極陣列內(nèi)刺激點(diǎn)數(shù)目的增加，連接刺激點(diǎn)的導(dǎo)線數(shù)量不斷上升，如何在保持原有電極面積的基礎(chǔ)上，增加微電極陣列的密度，布線問題成為一個(gè)難點(diǎn)。有人提出通過制作有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管(organicfield effect transistor)采用矩陣尋址的方法控制電極，使M×N分布的微電極矩陣只需要M+N條導(dǎo)線而不是M×N條導(dǎo)線就可以控制[Dara Feili，et al.“Flexible organic field effect transistors for biomedical microimplants usingpolyimide and parylene C as substrate and insulator layers”，J.Micromech.Microeng.，2006，161555-1561]，這種方法雖然減少了連接線的數(shù)目，但是制作工藝復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較為困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的高密度植入式平面陣列微電極及其制作方法，通過通孔結(jié)構(gòu)、電鍍工藝和化學(xué)拋光工藝制作連接絕緣層上下表面的金屬層連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線的隔層分布，提高平面陣列微電極刺激點(diǎn)或記錄點(diǎn)密度，改善平面陣列微電極刺激或記錄的選擇性。
本發(fā)明提供的一種高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于所述的植入式微電極包含一層電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)層、一層通孔連接層和至少一層連接導(dǎo)線層；電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)層與其連接導(dǎo)線層分別處于一層或多層隔離絕緣層的不同層面上；電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)層與其連接導(dǎo)線層通過隔離絕緣層上的通孔金屬微柱結(jié)構(gòu)連接。其中通孔金屬微柱連接結(jié)構(gòu)通過電鍍工藝制作，并利用化學(xué)拋光工藝處理電鍍后的材料表面，使連接金屬微柱的上表面與隔離絕緣層的上表面處于同一平面上，保證電鍍金屬柱與上層濺射金屬層良好的電連接。
本發(fā)明所述的平面陣列微電極利用聚合物作為絕緣層材料，通過隔層布線的設(shè)計(jì)，將電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線分布在不同的絕緣層之間，并在隔離絕緣層上制作通孔結(jié)構(gòu)，由電鍍工藝在通孔中形成金屬連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)位于隔離絕緣層上下電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線的連接；其中電鍍工藝后，采用化學(xué)拋光的方法對(duì)上層表面進(jìn)行拋光，使電鍍金屬柱與上層濺射金屬層良好的電連接。
具體而言，首先在已蒸發(fā)制備鋁膜的硅基片上通過濺射和剝離(Lift-off)工藝制作電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬層，電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬層材料可以為金、鉑或銥，金屬層厚度可在100埃至100微米之間；然后通過旋涂或氣相沉積制作隔離絕緣層，隔離絕緣層材料可以為二氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺或聚對(duì)二甲苯，絕緣層厚度可在100埃至50微米之間；并通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕在電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)處的絕緣層上制作通孔，通孔金屬微柱的面積應(yīng)小于電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)面積；通過電鍍?cè)诮^緣層通孔處生長(zhǎng)制作金屬柱，直至金屬柱上表面超出絕緣層上表面，電鍍金屬材料可以為鎳、銅或金；利用化學(xué)拋光工藝處理電鍍后的材料表面，使金屬柱上表面與絕緣層上表面處于同一平面；通過濺射和Lift-off工藝制作電極連接導(dǎo)線金屬層，連接金屬層材料可以為鈦、鉻、銅、鋁、金或鉑，金屬層厚度可在100埃至50微米之間；之后，通過旋涂或氣相沉積制作上部絕緣層，并通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕開窗暴露焊點(diǎn)，絕緣層材料可以為二氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺或聚對(duì)二甲苯，厚度可在100埃至50微米之間；最后，通過酸腐蝕或電化學(xué)腐蝕犧牲層釋放電極，犧牲層材料可以為鋁、銅或二氧化硅。
本發(fā)明提供的高密度植入式平面陣列微電極的制作方法與目前常用的單層金屬層電極制作方法相比，可以在單位面積上制作更高密度的陣列微電極，實(shí)現(xiàn)植入式陣列微電極更高選擇性刺激或記錄，改善電極的刺激或記錄效果。且整個(gè)制作工藝簡(jiǎn)單、成熟，易于高密度植入式平面陣列微電極的批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例蒸發(fā)鋁膜制作釋放犧牲層示意2為本發(fā)明實(shí)施例利用濺射、Lift-off工藝制作電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬層的示意3為本發(fā)明實(shí)施例利用聚酰亞胺光刻制作隔離絕緣層示意4為本發(fā)明實(shí)施例利用電鍍工藝形成金屬柱連接結(jié)構(gòu)示意5為本發(fā)明實(shí)施例利用化學(xué)拋光工藝處理電鍍后隔離絕緣層上表面示意6為本發(fā)明實(shí)施例利用濺射結(jié)合Lift-off工藝制作電極連接導(dǎo)線金屬層的示意7為本發(fā)明實(shí)施例利用聚酰亞胺光刻制作外絕緣層示意8為本發(fā)明實(shí)施例利用電化學(xué)腐蝕犧牲層釋放電極后的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明提供的高密度植入式平面陣列微電極制作方法的具體特點(diǎn)1)利用常規(guī)半導(dǎo)體工藝清洗方法清洗硅片1，并在表面蒸發(fā)制備約1微米厚鋁膜2，作為電鍍導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和釋放的犧牲層(圖1)；2)120℃烘烤硅片20分鐘，在硅片的鋁膜層上甩涂6809光刻膠(3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，80℃前烘20分鐘；3)光刻，濺射Ti/Pt/Ti(2500)，結(jié)合Lift-off工藝，形成電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬層3(圖2)；4)旋涂光敏性聚酰亞胺Durimide 7510(3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，制作隔離絕緣層4，并光刻形成通孔結(jié)構(gòu)5，350℃氮?dú)猸h(huán)境中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完全固化(圖3)；。
5)電鍍Ni形成連接微金屬柱6，直至金屬柱平面高于聚酰亞胺層上表面(圖4)；6)化學(xué)拋光形成光滑平整表面(圖5)；7)拋光后的表面甩涂6809光刻膠(3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，80℃前烘20分鐘；
8)光刻，濺射Ti/Pt(2000)，結(jié)合Lift-off工藝，形成電極連接導(dǎo)線金屬層7(圖6)；9)旋涂光敏性聚酰亞胺Durimide 7510(3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，制作外絕緣層8，并光刻開窗，暴露焊接位點(diǎn)9，350℃氮?dú)猸h(huán)境中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完全固化(圖7)；10)電化學(xué)腐蝕鋁膜釋放電極(圖8)。
權(quán)利要求
1.一種高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于所述的平面陣列微電極結(jié)構(gòu)由一層電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)層、一層通孔連接層和至少一層連接導(dǎo)線層組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于所述的電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線分別處于一層或多層絕緣層的不同層面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于所述的電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線的絕緣層通過隔離絕緣層上的通孔金屬微柱結(jié)構(gòu)連接的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于連接金屬微柱的上表面與隔離絕緣層的上表面處于同一平面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高密度植入式平面陣列微電極，其特征在于通孔金屬微柱面積小于電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)面積。
6.制作如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的高密度植入式平面陣列微電極的方法，其特征在于所述的陣列微電極利用聚合物作為絕緣層材料，通過隔層布線的設(shè)計(jì)，將電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線分布在不同的絕緣層之間，并在隔離絕緣層上制作通孔結(jié)構(gòu)，由電鍍工藝在通孔中形成金屬連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)位于隔離絕緣層上下電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線的連接；其中電鍍工藝后，采用化學(xué)拋光的方法對(duì)上層表面進(jìn)行拋光，使電鍍金屬柱與上層濺射金屬層良好的電連接。具體制作步驟是1)通過濺射和剝離工藝在基底材料上制作電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬層；2)通過光刻制作隔離絕緣層及連接通孔；3)利用電鍍通過通孔制作連接金屬層；4)化學(xué)拋光形成光滑平整表面；5)通過濺射和剝離工藝制作連接導(dǎo)線金屬層；6)通過光刻制作上部絕緣層及焊接點(diǎn)窗口；7)腐蝕犧牲層釋放電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高密度植入式平面陣列微電極的制作方法，其特征在于所述的隔離絕緣層通過旋涂或氣相沉積制作隔離絕緣層，絕緣層材料為聚酰亞胺或氣相沉積二氧化硅、氮化硅或聚對(duì)二甲苯，其厚度為100埃至500微米之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高密度植入式平面陣列微電極的制作方法，其特征在于連接金屬層為鈦、鉻、銅、鋁、金或鉑，厚度為100埃至50微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高密度植入式平面陣列微電極的制作方法，其特征在于電極刺激點(diǎn)或記錄位點(diǎn)金屬材料為金、鉑或銥，金屬層厚度為100埃至100微米。
10.按權(quán)利要求6所述的高密度植入式平面陣列微電極的制作方法，其特征在于通過酸腐蝕或電化學(xué)腐蝕犧牲層來釋放電極，犧牲層材料為鋁、銅或二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高密度植入式平面陣列微電極及其制作方法，其特征在于所述的陣列微電極利用聚合物作為絕緣層材料，通過隔層布線的設(shè)計(jì)，將電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線分布在不同的絕緣層之間，并在隔離絕緣層上制作通孔結(jié)構(gòu)，由電鍍工藝在通孔中形成金屬連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)位于隔離絕緣層上下電極刺激位點(diǎn)或記錄位點(diǎn)與其連接導(dǎo)線的連接；其中電鍍工藝后，采用化學(xué)拋光的方法對(duì)上層表面進(jìn)行拋光，保證電鍍金屬柱與上層濺射金屬層良好的電連接。本發(fā)明提供的制作方法可以在單位面積上制作比常規(guī)單層布線設(shè)計(jì)更高密度的陣列微電極，實(shí)現(xiàn)植入式陣列微電極更高選擇性刺激或記錄。
文檔編號(hào)A61N1/36GK101073687SQ200710040830
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者李剛, 孫曉娜, 周洪波, 姚源, 趙建龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所