基於mems工藝的矽微針表面塗覆加工方法
2023-06-20 09:44:11 3
專利名稱：基於mems工藝的矽微針表面塗覆加工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電系統技術領域的方法，具體是一種基於MEMS工藝的 矽微針表面塗覆加工方法。
背景技術：
視覺是人類認識客觀世界的重要途徑。大腦所需信息的70%以上來自視覺。由 各種視網膜病變導致的視覺喪失已經成為影響人類生活質量最為嚴重的一種殘疾。通過深 入研究視覺神經損傷及修復機制，開展視覺功能修復的基礎理論與關鍵科學問題的研究， 研製視覺假體，有望為盲人復明開闢一條新的途徑。視覺假體是一種可將圖像信息處理、 編碼，通過微電極陣列對視覺神經系統進行刺激，從而在視覺中樞產生人工視覺，恢復盲人 視力的一種人工器官。在人工電子耳蝸修復聽覺神經，大腦神經刺激器治療帕金森病取得 臨床成功後，以視覺假體為代表的植入式腦機接口已成為神經功能修復領域新的研究熱 點。建立機器與生物體的和諧接口，用人工器官替代人體受損的器官，修復人體功能一直 是人類所面臨的一個重要的科學問題與奮鬥目標。視覺假體是典型的集光機電為一體的 BioMEMS(生物微機電系統)，它的研究突破不僅對盲人視覺功能修復具有重要意義，同時 也將促進我國在高端醫療器械取得國際領先的研究成果，創造重大社會和經濟效益。多通 道植入式神經刺激微電極陣列直接與生物組織相接觸，是視覺假體或其他神經假體(例如 人工耳蝸、深腦刺激器等)的關鍵部件，其性能優劣直接影響到視覺修復或其他神經修復 的可靠性。經對現有技術的文獻檢索發現，Michigan大學的Kip A Ludwig等人2006 年發 表白勺 Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemicalIy deposited with a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film(採用表面經過電化學方法澱積的聚乙烯二氧噻吩薄膜進行修飾的矽微電極陣列進行 長期神經信號記錄)中採用濃硼深擴散的方式製作矽微針主體，導致矽針厚度不均勻，影 響其力學特性。而且表面是SiO2材料，在體工作的生物相容性和可靠性受影響。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於MEMS工藝的矽微針表面塗 覆加工方法，經本方法加工後的微針厚度均勻一致，其厚度由SOI矽片的頂層矽、埋層Si02、 聚合物層、生長的SiO2層的厚度來決定。矽微針表面塗覆具有良好生物相容性的聚合物材 料，其可靠性增強，可以實現在體長期植入。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟步驟一，以SOI作為基片，採用化學氣相澱積方法在矽片的拋光面生長底層SiO2 用於電隔離金屬合金層與矽襯底；所述的化學氣相澱積方法包括等離子化學氣相沉積方法和低壓化學氣相沉積方法。
步驟二，在底層SiO2上依次濺射鈦元素和金元素以形成金屬合金層，然後在金屬 合金層上分別刻蝕出金屬互連線、壓焊點和接觸圓點；所述的壓焊點用於電連接微電極與外界電路，所述的接觸圓點為圓形金屬暴露 點，周邊為SiO2絕緣層。步驟三，在金屬合金層上採用化學氣相澱積方法生長頂層SiO2用於絕緣金屬合金 層，並採用緩衝的HF酸溶液刻蝕頂層SiO2以暴露出金屬合金層上的壓焊點和接觸圓點；步驟四，在矽襯底正面塗覆聚合物材料，並通過光刻與刻蝕工藝暴露出金屬合金 層上的壓焊點和微電極刺激點。所述的光刻是指近紫外光光刻。所述的塗覆聚合物材料是指採用旋塗或者蒸發方式在矽襯底表面生長出光敏性 聚醯亞胺、非光敏性聚醯亞胺(PI)、苯並環丁烯(BCB)、C型聚對二甲苯(c-parylene)或液 晶聚合物(LCP)等。所述的光敏性聚醯亞胺包括正膠PI 2210以及負膠PI 7510。所述的非光敏性聚醯亞胺包括聚醯亞胺100系列、聚醯亞胺32A系列和聚醯亞胺 200系列。所述的微電極刺激點指的是與接觸圓點同圓心，而直徑略小的金屬暴露點，其周 邊為聚合物材料，該電極刺激點用於刺激神經組織。步驟五，採用感應耦合等離子體幹法刻蝕的方法，刻蝕掉矽片正面的SiO2層、SOI 矽片的頂層矽以及埋層SiO2，確定微電極的橫向幾何尺寸。步驟六，將整個矽片的背面與鹼性溼法腐蝕液相接觸，腐蝕掉矽片的襯底矽，從而 各個獨立的微針便自動釋放出來，並對其進行清洗，這樣便實現了矽微針表面塗覆加工。所述的清洗是指採用去離子水進行清洗。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果基於SOI矽MEMS工藝製作的矽微針 保留了 SOI矽片的埋層SiO2材料，可以與化學汽相澱積方法生長的SiO2材料進行應力匹 配，從而能夠製作較長的矽微針；創新性地在矽微針的表面塗覆聚合物材料，包括光敏性或 非光敏性聚醯亞胺(PI)、苯並環丁烯(BCB)、C型聚對二甲苯(c-parylene)和液晶聚合物 (LCP)等。這些聚合物材料具有良好的生物相容性，將其塗覆在矽材料表面可以增強矽微針 在體內工作的可靠性，實現在體長期植入。
圖1是本發明流程圖。圖2是本發明微針示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。實施例1本實施例採用旋塗聚醯亞胺方式製作表面絕緣層。聚醯亞胺材料具有良好的生物相容性和防水性，將其塗覆在矽材料表面可以增強矽微針在體內工作的可靠性，實現在體 長期植入。實施例1如圖1所示，本實施例包括如下步驟步驟一，清洗SOI片1，以SOI片1作為襯底，並採用PECVD (等離子化學氣相澱積) 方法在SOI片1的拋光面生長底層SiO2 2 3000A，底層Si022用於電隔離金屬合金層與矽襯 底，如圖1(a)所示。步驟二，在底層Si022上依次濺射金屬1000 A鈦和2000A金，形成金屬合金層，並刻 蝕出金屬互連線10、壓焊點9和接觸圓點11，壓焊點9用於電連接微電極與外界電路，接觸 圓點11用於為刺激點，用於刺激組織傳輸電信號，如圖1(b)所示。步驟三，在金屬合金層上PECVD生長頂層SiO23000A，用於絕緣金屬合金層，採用緩 衝的HF酸溶液刻蝕頂層SiO2,暴露出壓焊點9和接觸圓點11，如圖1(c)和(d)所示。步驟四，在接觸圓點6上旋塗光敏性聚醯亞胺(PI2210)膠，採用近紫外光進行光 刻與刻蝕，暴露出壓焊點9和接觸圓點11。最終形成高度為6-7微米的PI絕緣層，用於頂 層再次絕緣，如圖1(e) (f)所示。步驟五，採用感應耦合等離子(inductively coupled plasma :ICP)幹法刻蝕的方 法，把電極整體形狀刻蝕出來。如圖1(g)所示。步驟六，採用溼法腐蝕的方法對SOI矽片的背面底層Si進行腐蝕。這裡只將矽片 背面暴露在KOH或TMAH等鹼性腐蝕溶液中。最終把電極釋放下來，如圖1(h)所示。步驟七，對上述步驟得到的電極採用去離子水進行清洗，得到神經微電極，如圖2 所示。本方法創新性地在矽微針的表面塗覆聚合物材料，實現聚合物與矽材料相結合的 MEMS微加工工藝。研究基於SOI (Silicon on Insulator)矽襯底MEMS工藝技術的矽微針 的微加工方法，實現微針的自動釋放，同時將聚醯亞胺、苯並環丁烯、C型聚對二甲苯和液晶 聚合物等塗覆在矽微針頂層，提高矽微針的生物相容性和可靠性，適合長期植入。本實施例採用蒸發C型聚對二甲苯方式製作表面絕緣層。C型聚對二甲苯材料具 有良好的生物相容性和低吸溼性，將其塗覆在矽材料表面可以增強矽微針在體內工作的可 靠性，實現在體長期植入。蒸發的方式能使表面的C型聚對二甲苯均勻覆蓋住整個矽微針， 會達到更好的絕緣效果。實施例2如圖1所示，本實施例包括如下步驟步驟一，清洗SOI片1，以SOI片1作為襯底，並採用PECVD (等離子化學氣相澱積) 方法在SOI片1的拋光面生長底層SiO2 2 3000A,底層Si022用於電隔離金屬合金層與矽襯 底，如圖1(a)所示。步驟二，在底層Si022上依次濺射金屬1000 A鈦和2000A金，形成金屬合金層，並刻 蝕出金屬互連線10、壓焊點9和接觸圓點11，壓焊點9用於電連接微電極與外界電路，接觸 圓點11用於為刺激點，用於刺激組織傳輸電信號，如圖1(b)所示。步驟三，在金屬合金層上PECVD生長頂層SiO23000A，用於絕緣金屬合金層，採用緩 衝的HF酸溶液刻蝕頂層SiO2,暴露出壓焊點9和接觸圓點11，如圖1(c)和(d)所示。
步驟四，在接觸圓點6上蒸發一層C型聚對二甲苯，暴露出壓焊點9和接觸圓點 11。最終形成高度為6-7微米的絕緣層，用於頂層再次絕緣，如圖1(e) (f)所示。步驟五，採用感應耦合等離子(inductively coupled plasma :ICP)幹法刻蝕的方 法，把電極整體形狀刻蝕出來。如圖1(g)所示。步驟六，採用溼法腐蝕的方法對SOI矽片的背面襯底Si進行腐蝕。這裡只將矽片 背面暴露在KOH或TMAH等鹼性腐蝕溶液中，最終把微針釋放下來，如圖1(h)所示。步驟七，對上述步驟得到的微針採用去離子水進行清洗，得到神經微電極，如圖2 所示。本方法創新性地在矽微針的表面塗覆聚合物材料，實現聚合物與矽材料相結合的 MEMS微加工工藝。研究基於SOI (Silicon on Insulator)矽襯底MEMS工藝技術的矽微針 的微加工方法，實現微針的自動釋放，且厚度均勻一致，同時將聚醯亞胺、苯並環丁烯、C型 聚對二甲苯和液晶聚合物等塗覆在矽微針頂層，提高矽微針的生物相容性和可靠性，適合 長期植入。
權利要求
一種基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，以SOI作為基片，採用化學氣相澱積方法在矽片的拋光面生長底層SiO2用於電隔離金屬合金層與矽襯底；步驟二，在底層SiO2上依次濺射鈦元素和金元素以形成金屬合金層，然後在金屬合金層上分別刻蝕出金屬互連線、壓焊點和接觸圓點；步驟三，在金屬合金層上採用化學氣相澱積方法生長頂層SiO2用於絕緣金屬合金層，並採用緩衝的HF酸溶液刻蝕頂層SiO2以暴露出金屬合金層上的壓焊點和接觸圓點；步驟四，在矽片正面塗覆聚合物材料，並通過光刻與刻蝕工藝製備得到金屬合金層上的壓焊點和微電極刺激點；步驟五，採用感應耦合等離子體幹法刻蝕的方法，刻蝕掉矽片正面的SiO2層、SOI矽片的頂層矽以及埋層SiO2，確定微電極的橫向幾何尺寸。步驟六，將整個矽片的背面與鹼性溼法腐蝕液相接觸，腐蝕掉矽片的襯底矽，從而各個獨立的微針便自動釋放出來，並對其進行清洗，實現矽微針表面塗覆加工。
2.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的化學氣相澱積方法包括等離子化學氣相沉積方法和低壓化學氣相沉積方法。
3.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的壓焊點用於電連接微電極與外界電路，所述的接觸圓點為圓形金屬暴露點，周邊為SiO2 絕緣層。
4.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的自動釋放是指矽片背面的襯底矽被腐蝕完畢後，腐蝕過程在矽片的埋層SiO2處自停止， 由於矽微針之間的埋層SiO2已經被ICP刻蝕掉，因此矽微針便自動釋放。
5.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的塗覆聚合物材料是指採用旋塗或者蒸發方式在矽襯底表面生長出光敏性聚醯亞胺、非 光敏性聚醯亞胺、C型聚對二甲苯或液晶聚合物。
6.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的光敏性聚醯亞胺包括正膠PI2210以及負膠PI7510。
7.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，其特徵是，所述 的非光敏性聚醯亞胺包括聚醯亞胺100系列、聚醯亞胺32A系列和聚醯亞胺200系列。
全文摘要
一種基於MEMS工藝的矽微針表面塗覆加工方法，採用化學氣相澱積方法在矽片的拋光面生長底層SiO2用於電隔離金屬合金層與矽襯底；在底層SiO2上依次濺射鈦元素和金元素以形成金屬合金層，在金屬合金層上分別刻蝕出金屬互連線、壓焊點和接觸圓點；在金屬合金層上生長頂層SiO2用於絕緣金屬合金層，用HF酸溶液刻蝕頂層SiO2以暴露出金屬合金層上的壓焊點和接觸圓點；在矽襯底正面塗覆聚合物並光刻刻蝕暴露出金屬合金層上的壓焊點和電極接觸點；採用感應耦合等離子幹法刻蝕的方法刻蝕去除底層SiO2及基片。本發明微針具有生物相容性和防水性，將其塗覆在矽材料表面可以增強矽微針在體內工作的可靠性，實現在體長期植入。
文檔編號B81C1/00GK101973509SQ201010510589
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月19日 優先權日2010年10月19日
發明者任秋實, 柴新禹, 沈念, 隋曉紅 申請人:上海交通大學