專利名稱：電氣薄膜元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電氣薄膜元件，特別涉及能制成布線圖形使其起接插件、傳感器或其它電氣元件的作用的柔質(zhì)、超小型、防水、適用于生物體的薄膜電路組件。更具體地說，本發(fā)明涉及薄膜電路組件在制造過程中在處理和成形方面的改進(jìn)。
薄膜一般厚0.01微米至0.5微米至，它淀積在玻璃、陶瓷或半導(dǎo)體襯底上以形成電容器、電阻器、線圈或其它電路元件。薄膜集成電路就是完全由薄膜按布線圖形淀積在襯底上構(gòu)成的。
本發(fā)明的一個目的是研制一種經(jīng)改進(jìn)的適用于生物體的薄膜傳感器或電路，以便在人體中使用。人們已經(jīng)注意到，完全只依靠使用于制造常規(guī)薄膜結(jié)構(gòu)的材料和技術(shù)，一般是不能生產(chǎn)出令人滿意的適用于生物體的薄膜傳感器或電路。
人體或其它離子液體環(huán)境中許多生物學(xué)狀況的測試和監(jiān)控能力可能會因小型柔質(zhì)防水薄膜生物傳感器的研制而得到提高。但一般薄膜結(jié)構(gòu)通常并不是專為使其與人體生理相適應(yīng)而設(shè)計(jì)的，而且是用不適于生物材料的工藝制造的。此外一般薄膜結(jié)構(gòu)并不是柔質(zhì)的。
硅圓片一般提供基片、基座或承載板其上制有常規(guī)的薄膜結(jié)構(gòu)。薄膜結(jié)構(gòu)一層層在硅圓片上形成時，硅圓片在各制造工位之間的傳送采用自動輸送設(shè)備。在本發(fā)明中采用粘合到承載板的第一薄膜層作為薄膜結(jié)構(gòu)的襯底。薄膜結(jié)構(gòu)一經(jīng)構(gòu)成，就使硅圓片承載板脫離薄膜結(jié)構(gòu)的襯底，并將承載板扔掉。
酸腐蝕溶液或其它脫離劑用以破壞薄膜結(jié)構(gòu)的襯底連接至其硅圓片承載板的粘合，如薄膜結(jié)構(gòu)是由任一不能與上述酸或脫離劑相適應(yīng)的材料制成，則當(dāng)薄膜結(jié)構(gòu)脫離硅圓片承載板時可能受到損傷。人們已經(jīng)知道，許多那種可適應(yīng)生物體的薄膜結(jié)構(gòu)的生物材料在暴露于一般硅圓片脫除劑中時會損傷或失去作用。通常溶解硅圓片承載板用的腐蝕溶液是不適用于能與生物體相適應(yīng)的包含在薄膜結(jié)構(gòu)中的生物材料的。
人們還知道，淀積在接合到承載板的聚合物襯底上的薄膜金屬導(dǎo)體脫離其承載板基片時往往會斷裂和脫層。一般認(rèn)為，聚合物襯底及其承載板基片只要在熱膨脹系數(shù)上有任何差別都會使聚合物襯底在熱處理過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因?yàn)槠錈崤蛎浵禂?shù)與承載板的不同。如果不留意承載板基片和構(gòu)制薄膜結(jié)構(gòu)用的襯底材料的熱膨脹系數(shù)就會產(chǎn)生薄膜結(jié)構(gòu)斷烈和脫層的問題。
大家都知道，一般薄膜結(jié)構(gòu)中都含有粘性金屬膜以提高貴金屬膜及其下伏的聚合物襯底的粘合能力。這類粘性金屬膜是極有用的粘合媒介，因?yàn)樵诒∧そY(jié)構(gòu)中形成電路用的貴金屬不能很好地直接與聚合物襯底粘合。因此在聚合物襯底與貴金屬膜層之間設(shè)有粘性金屬層。
人們知道，由于毗鄰緊靠著的粘性金屬層在薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何高溫處理(例如熱固化聚合物母體溶液以便在金屬膜層上形成聚合物絕緣層)過程中的相互擴(kuò)散，會使薄膜結(jié)構(gòu)喪失其性能。所指性能的喪失包括例如，失去薄膜結(jié)構(gòu)自身的柔韌性和產(chǎn)生金屬薄膜層粘合的問題。除這些機(jī)械問題外，金屬的相互擴(kuò)散還會使貴金屬層的電性能發(fā)生變化。
半導(dǎo)體工業(yè)界解決金屬相互擴(kuò)散問題的一般方法是在粘結(jié)層與貴金屬膜層之間加一層耐高溫金屬層(例如，鎢或鉭)。這個附加層起相互擴(kuò)散阻擋層的作用。但要淀積這種附加耐高溫金屬膜層并將它們構(gòu)成布線圖形就使薄膜結(jié)構(gòu)的加工大大復(fù)雜化。
本發(fā)明的一個目的是提供一種適用于人體或任何其它離子液體環(huán)境的能與生物體相適應(yīng)的電氣薄膜元件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有一定形狀和布線圖形的薄膜電氣元件，這種元件起作可裝在植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件中的生物傳感器所使用，以及制造這種電薄膜元件使其保持其生物傳感功能的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種可以制造得不致在將薄膜結(jié)構(gòu)襯底脫離其承載板襯底時產(chǎn)生應(yīng)力損傷的薄膜結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的電氣薄膜元件包括一硬質(zhì)玻璃承載板、一粘合到該硬質(zhì)玻璃承載板上的襯底和提供電路用的裝置。該襯底包括使襯底與硬質(zhì)玻璃承載板粘合的聚合物，硬質(zhì)玻璃承載板在其與襯底浸漬在沸水槽或室溫下的生理鹽水槽中時破裂，以使襯底脫離硬質(zhì)玻璃承載板。提供電路的裝置則粘合到襯底上，并在襯底脫離硬質(zhì)玻璃承載板時保全下來。
本發(fā)明的一個特點(diǎn)是提供一種電氣薄膜元件，該薄膜元件的聚合物襯底脫離其承載板時無需使用可能損及包含在襯底中的生物材料或形成在襯底上的電路裝置的任何脫除劑或脫除技術(shù)。這里承載板玻璃和襯底聚合物的選擇是否適當(dāng)是解決問題的關(guān)鍵。特別是采用與玻璃粘合的強(qiáng)度僅足以經(jīng)受電路制造過程的各種作用但遇到能與生物體相適應(yīng)的沸水或溫鹽水時可以破裂的聚合物，這是本發(fā)明的一個重要特點(diǎn)。避免采用不能與生物體相適應(yīng)、能腐蝕硅的脫除劑，這樣做有好處。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士都知道，未經(jīng)改性的PMDA-ODA(PMDA-ODA＝苯均四酸酐氧代二苯胺)型聚酰亞胺由于其與大多數(shù)承載板基片粘合時其粘合強(qiáng)度是勉強(qiáng)夠格的，因而通常都認(rèn)為它比其它可能使用的襯底材料差;因此在大多數(shù)薄膜的應(yīng)用中都要往其中加入粘性促進(jìn)劑，以便對這種聚酰亞胺進(jìn)行改性，從而提高其粘合能力。然而在本發(fā)明中卻是希望能有這種勉強(qiáng)夠格的粘合強(qiáng)度，以便可以采用能適應(yīng)生物體的脫除劑和脫除技術(shù)使玻璃承載板脫離聚酰亞胺襯底。因此在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，聚合物襯底由未經(jīng)改性的PMDA-ODA型聚酰亞胺組成。
在一些最佳實(shí)施例中，硬質(zhì)玻璃承載板由具特別熱膨脹數(shù)、低膨脹型的玻璃構(gòu)成，形成襯底的聚合物則由熱膨脹系數(shù)與該低膨脹玻璃基本相等的聚酰亞胺組成。熱膨脹系數(shù)的這種匹配使硬質(zhì)玻璃承載板和承載有電路裝置的聚合物襯底在薄膜結(jié)構(gòu)遇到高溫時以大致相同的速率膨脹。其好處是，在聚合物襯底脫離硬質(zhì)玻璃承載板時避免了電路裝置從襯底上分離開來。
因此本發(fā)明的另一個特點(diǎn)在于，仔細(xì)選取承載板玻璃和襯底聚合物，使它們的熱膨脹系數(shù)大致相等。熱性能上的這種匹配有利地減少了聚合物襯底脫離玻璃承載板時產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)嗔押兔搶訂栴}的可能性。
本發(fā)明還有另一個特點(diǎn)，即設(shè)置了一個固化溫度較低的聚合物絕緣層。在無需考慮金屬的相互擴(kuò)散的情況下，對這種絕緣層合理的選擇應(yīng)該選用一種可以光學(xué)成象的聚酰亞胺，這樣，該絕緣層就可以無需使用附加的光致抗蝕工序以形成布線圖形。遺憾的是，目前能搞到可光學(xué)成象的聚酰亞胺需要很高的固化溫度(450℃)來排出光敏劑。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，采用了BTDA-ODA(BTDA-ODA＝4，4′-碳酰＝(鄰苯二甲酸酐)-氧代二苯胺)聚酰亞胺連同正性光致抗蝕劑來形成有布線圖形的絕緣涂層。這種材料可在低至250℃的溫度下進(jìn)行固化，從而大大減少了相互擴(kuò)散以及由此引起的一些問題。
在最佳實(shí)施例中，用一種聚酰亞胺來形成聚合物襯底，用另一種聚酰亞胺來形成聚合物絕緣體。“襯底”聚酰亞胺的選擇取決于其脫離玻璃承載板的難易程度以及其與玻璃承載板在熱膨脹系數(shù)方面的適應(yīng)性。舉例說，無論是PMAD-ODA或是BPDA-PPD型聚酰亞胺都合適。另一方面，“絕緣體”聚酰亞胺的選擇則取決于其固化溫度與電氣薄膜元件中的金屬開始相互擴(kuò)散的最低溫度比較的量值，并取決于下伏的聚合物和金屬層的粘結(jié)強(qiáng)度。舉例說，如上所述，BTDA-ODA型聚酰亞胺是合適的。
此外，本發(fā)明還提供了制造電氣薄膜元件的一種方法。該方法包括下列步驟配備一個平面硬質(zhì)玻璃承載板，用第一種聚胺酸母體液涂敷該平面，以第一溫度的熱量固化第一種聚酰胺酸母體溶液以形成粘合到該平面的聚酰亞胺層。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，聚酰亞胺膜的熱膨脹系數(shù)基本上等于硬質(zhì)玻璃承載板的熱膨脹系數(shù)，從而避免了在處理過程中在聚酰亞胺膜中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在其它某些實(shí)施例中，可以采用熱膨脹系數(shù)基本上不同的玻璃承載板和聚酰亞胺膜。
涂敷工序最好還包括將第一種聚酰胺酸母體溶液撒布到硬質(zhì)玻璃承載板平面，和將硬質(zhì)玻璃承載板繞垂直于該平面的軸線旋轉(zhuǎn)以便在整個該平面上形成厚度基本均勻的聚酰胺酸母體溶液平滑涂層的步驟。這是半導(dǎo)體工業(yè)界常用的一般旋轉(zhuǎn)涂敷法。在旋轉(zhuǎn)步驟中，令硬質(zhì)玻璃承載板以1，000與6，000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
本方法還包括在聚酰亞胺膜上形成電路裝置的步驟，和將硬質(zhì)玻璃承載板、聚酰亞胺膜和電路裝置暴露在熱水槽或體溫生理鹽水槽一段時間以破壞聚酰亞胺與硬質(zhì)玻璃承載板的粘合的步驟。溫鹽水槽有一種能與生物體相適應(yīng)的脫除劑，這種脫除劑工作時能促使聚酰亞胺膜脫離硬質(zhì)玻璃承載板而不致使電路裝置與聚酰亞胺膜分離。
在電氣薄膜元件中以這樣的方式形成電路在聚酰亞胺膜上淀積第一粘性金屬層，在第一粘性金屬層上淀積一貴金屬層，再在該貴金屬層上淀積第二粘性金屬層，使貴金屬層夾在第一和第二粘性金屬層之間，并將淀積出來的貴金屬層和第一粘性金屬層構(gòu)成布線圖形，由此在聚酰亞胺膜上形成電路裝置。其次用以下方式在電路裝置上涂敷第二種聚酰胺酸母體溶液將第二種聚酰胺酸母體溶液撒布到電路裝置上，再將由硬質(zhì)玻璃承載板、聚酰亞胺膜和電路裝置組成的組件繞垂直于硬質(zhì)玻璃承載板平面的軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)該組件的目的是為了在聚酰亞胺膜和電路裝置的預(yù)定暴露部分上形成第二種聚酰胺酸母體溶液的涂層。
接著就用第二溫度的熱量對第二種聚酰胺酸母體溶液進(jìn)行固化，以便在電路裝置上形成聚酰亞胺絕緣涂層。如果貴金屬層與粘性金屬層之間的相互擴(kuò)散成問題，就使第二溫度小于貴金屬層與第一和第二粘性金屬層發(fā)生相互擴(kuò)散的最低特性溫度，以便避免貴金屬層與第一和第二粘性金屬層在熱固化第二種聚酰胺酸母體溶液的過程中以相當(dāng)大的速率相互擴(kuò)散。
參閱下面，以舉例說明目前所設(shè)想的實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施例所作的詳細(xì)說明，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士即可清楚了解本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
本詳細(xì)說明是參照各附圖進(jìn)行的。附圖中

圖1 是往玻璃承載板平面上淀積聚合物母體溶液過程中的玻璃承載板的示意剖視圖;
圖2 是圖1的玻璃承載板上的聚合物襯底的示意正視圖;
圖3 是圖2的聚合物襯底上由三個金屬層組成的金屬復(fù)合導(dǎo)體的示意圖;
圖4 是圖3元件的頂視圖，示出了形成電路元件的多層金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu);
圖5 是圖4元件的示意剖視圖，示出了在頂部金屬層上形成的一個通道孔和金屬導(dǎo)體覆蓋有絕緣涂層的部分;
圖6 是圖5元件的頂視平面圖，示出了一對未加以絕緣的附有引線的部位;
圖7 是圖5和6的元件浸漬在液體槽中以使玻璃承載板脫離聚合物襯底時的示意剖視圖;
圖8 是本發(fā)明另一個實(shí)施例的元件的示意剖視圖;
圖9 則是圖8元件的頂部平面圖，示出了一對未加以絕緣的附有引線的部位。
圖1-7 示意表示了制造電氣薄膜元件的過程。圖7示出了成品元件。如圖1所示，干凈的玻璃板10系在制造過程開始時用以形成電氣薄膜元件的硬質(zhì)承載板或基片的。這里最好采用“光掩?！狈N板，因?yàn)樗鼧O度平坦、光滑，熱穩(wěn)定性又好。在最佳實(shí)施例中，板10是膨脹小的玻璃，主要由60%的SiO2、18%的RO、15%的Al2O3、5%的B2O3、1%的Na2O和1%的K2O組成。不用說，RO表示“未知金屬氧化物雜質(zhì)”。
板10可采用方形或圓形的玻璃板，外部尺寸在3英寸(7.62厘米)至6英寸(15.24厘米)的范圍，厚度約0.030英寸(0.076厘米)至0.090英寸(0.228厘米)。為適應(yīng)自動輸送和處理的設(shè)備，板10可選用標(biāo)準(zhǔn)的“硅圓片”或光掩模的尺寸。玻璃板10在使用之前可以用一般的清洗溶液清洗，而且可以在長時期內(nèi)反復(fù)使用。
參看圖1和圖2。硬質(zhì)石英玻璃板10繞垂直于平面14的軸線16旋轉(zhuǎn)時，將液體聚酰胺酸12旋轉(zhuǎn)涂敷到其上。舉例說，玻璃承載板10以1，000與6，000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。之所以最好采用這種旋轉(zhuǎn)涂敷法，是因?yàn)樗梢酝糠蟪銎交鶆虻耐繉印?br> 用二步熱固化法將玻璃板10上的聚酰胺酸母體溶液12亞胺化，以形成由平坦均勻的聚酰亞胺片組成的聚合物襯底11。襯底11由具所要求的電性能、可淀積以金屬的表面和由所要求的脫除性能的聚合物制成。優(yōu)選采用的聚合物有不帶粘性促進(jìn)添加劑的PMDA-ODA(苯均四酸酐氧代二苯胺)型聚酰亞胺。這種材料與玻璃的粘合力非常小，遇到沸水或溫鹽水這個粘合就遭破壞。然而，聚酰亞胺與玻璃的粘合卻足以承受薄膜電路制造過程的操作。舉例說，聚酰亞胺與玻璃的這種粘合就足以承受一般諸如烘焙、酸蝕、光致抗蝕的顯現(xiàn)和濺射等的光刻過程。此外，聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)幾乎與該優(yōu)選采用的板10的熱膨脹系數(shù)相等，因而聚酰亞胺襯底11脫離玻璃承載板10時，斷裂和脫層問題不會對電氣薄膜元件構(gòu)件不利的影響。
聚合物襯底的厚度可以在10至100微米的范圍。這是由聚酰胺酸母體溶液12的粘度和玻璃承載板10的轉(zhuǎn)速加以控制的。通過涂敷處理的多重循環(huán)可以獲取較厚(大于約25微米)的聚酰亞胺涂層。在另一實(shí)施例中，聚合物襯底11采用了預(yù)制的KAPTON

(KAPTON

＝聚苯均四酸亞胺的商標(biāo)名稱)板，而不采用經(jīng)過二步熱固化工序的旋轉(zhuǎn)涂敷液體聚酰胺酸12。
各金屬層如圖3和圖4所示的那樣淀積并構(gòu)制成布線的圖形。柔質(zhì)導(dǎo)體18在聚合物襯底11的頂部表面20上形成，且包括粘合到頂部表面20上的粘性金屬層22、粘合到第一粘性金屬層22上的貴金屬層24，和粘合到貴金屬層24的第二粘性金屬層26以將貴金屬層24夾在第一和第二粘性金屬層22、26之間。
三個金屬層22、24和26用一般的薄膜真空淀積法依次進(jìn)行淀積。直流磁控管濺射法的淀積速率較高，而且能形成高度粘性的薄膜，因此而優(yōu)選采用這個方法。貴金屬最好采用黃金，因?yàn)辄S金的延展性大，但也適宜采用鉑和鈀等。粘性金屬最好采用鉻，但也適宜采用鈦、鎢和鉭等。粘性金屬層的厚度約0.01微米至0.02微米，貴金屬層的厚度約0.1微米至0.2微米。應(yīng)該理解的是，如下面即將談到的那樣，由于選用了熱固化溫度低的聚合物絕緣體，因而在各粘性金屬層與貴金屬層之間的界面處無需加耐高溫金屬層。
要在襯底11上形成電氣元件，可采用各種一般的光刻法(圖中未示出)將金屬層22、24和26制成布線圖形。圖4示出了具代表性的電路圖形27(例如電阻器)。不用說，電路圖形27可以是任何電氣元件、集成電路、傳感器或其它元件，這取決于想達(dá)到的薄膜結(jié)構(gòu)功能。
適用的光刻法是通常是在旋轉(zhuǎn)涂敷過程中使用光致抗蝕劑或掩模材料。將此材料烘干。然后使紫外光通過含線路圖形的掩模而將材料曝光。對光致抗蝕劑進(jìn)行顯影，只留下經(jīng)選擇的有掩蔽的部位?？梢杂脻袷交瘜W(xué)刻蝕法或干式等離子體刻蝕法除去經(jīng)曝光的金屬。然后可以用溶劑浸漬法或等離子體刻蝕法剝除光致抗蝕劑。在一最佳實(shí)施例中采用了正性光致抗蝕劑、濕式刻蝕和溶劑剝除法。這樣可以制成小到5微米的線寬和間距，并可能達(dá)到小至1微米的尺寸。
這里需要有一個絕緣覆蓋層28對導(dǎo)體20進(jìn)行絕緣并防止可能會有腐蝕的粘性金屬暴露在液體之中。在導(dǎo)體20中形成電路27所使用的同一種構(gòu)成布線圖形的方法現(xiàn)在也可用以除去導(dǎo)體20準(zhǔn)備不加以絕緣的部位中的頂部金屬粘性層26。如圖5所示，第二金屬粘性層26系制造得使其中有一對通道孔30，用以暴露下伏的金屬層24的部分，從而在貴金屬層24上形成附有引線的部位32。除去粘合層26中絕緣孔緣34應(yīng)有的位置以外5～10微米處的金屬。這個距離應(yīng)足以確保粘性金屬邊緣30有最小量的覆蓋，從而使大部分絕緣層28與粘性金屬接觸。聚酰亞胺和絕緣層11、28沒有很好地直接粘合到貴金屬24上。正是這種精密的調(diào)準(zhǔn)布驟使本發(fā)明優(yōu)先使用旋涂的襯底。要將隨意翹曲的薄膜保持得充分平展從而在整個3英寸(7.62厘米)至6英寸(15.24厘米)的平板上達(dá)到5至10微米的調(diào)準(zhǔn)精確度是有困難的。如圖5所示，形成絕緣覆蓋層28的聚酰亞胺涂層包括壁31，壁31延伸入在第二粘性金屬層26中形成的通道孔30而與貴金屬層22接觸。
淀積絕緣層28并將其構(gòu)成布線圖形。在一個最佳實(shí)施例中，絕緣層28由BTDA-ODA型聚酰亞胺組成，這種聚酰亞胺可在低到250℃的溫度下使其固化，從而盡量減小導(dǎo)體20中產(chǎn)生金屬相互擴(kuò)散問題的機(jī)會。絕緣層28的涂層厚度可取1-25微米。另一種做法是采用PMDA-ODA型的聚酰亞胺制成絕緣層28。由于不能進(jìn)行光學(xué)成象的聚酰亞胺需要更多的加工步驟，因而最好采用能光學(xué)成象的聚酰亞胺。
絕緣層28是這樣制造的將聚酰胺酸母體溶液旋轉(zhuǎn)涂敷到固定在聚合物襯底11上的導(dǎo)體20上;在低于貴金屬層24與粘性金屬層22、26發(fā)生相互擴(kuò)散時的最低溫度的溫度下使母體溶液固化，以形成所選擇的聚酰亞胺;然后涂上光致抗蝕劑，蝕刻，和剝除。貴金屬層24與粘性金屬層間相當(dāng)大的相互擴(kuò)散是通過在低溫下固化處理形成絕緣覆蓋層的聚酰胺酸母體溶液加以避免的，這樣做有好處。應(yīng)該理解的是，聚合物母體用以形成聚合物襯底的固化溫度并不局限于此低溫，因?yàn)檫@是在聚合物襯底上淀積上任何金屬層22、24和26之前進(jìn)行熱固化的。
在從事本發(fā)明的過程中我們發(fā)現(xiàn)，若分別采用金和鉻作為貴金屬和粘性金屬，則即使絕緣28是采用高固化溫度的聚酰亞胺形成的，貴金屬層與粘性金屬層之間也不會產(chǎn)生(會導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生裂紋的)相互擴(kuò)散現(xiàn)象。若采用金/鉻金屬組合物，則可用高溫和低溫的聚酰亞胺形成絕緣層28。我們觀察到，如果用任何其它貴金屬或上面列舉的粘性金屬代替金或鉻，例如用鉑代替金或用鈦代替鉻，則會出現(xiàn)金屬層相互擴(kuò)散現(xiàn)象。因此目前最佳的類型是金/鉻組合物。
在圖8和圖9所示的本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，編碼與圖1-7中相同的那些元件起相同或類似的作用。本實(shí)施例與上一個實(shí)施例不同的主要特點(diǎn)在于采用了室溫固化溫度的聚合物來形成絕緣層，而且在貴金屬層與絕緣層之間沒有粘性金屬層。
如圖8和圖9所示，絕緣層128采用敷形涂覆法形成。在一個實(shí)施例中，涂敷料是聚合物彈性體，主要由硅酮樹脂(例如二甲基硅氧烷)和粘性促進(jìn)劑(例如甲氧基硅烷)組成。合適的涂料有MS-460TM樹脂;這種樹脂可從美國康湟狄格州，丹伯里的密勒·斯迪芬森化學(xué)公司買到。這種樹脂有溶液狀的，供旋轉(zhuǎn)涂敷用，或氣溶膠狀的，供噴涂之用。噴涂法之所以優(yōu)選采用是因?yàn)樗m宜大批生產(chǎn)。
形成絕緣層128用的硅酮樹脂是能在適當(dāng)位置下的室溫中固化的單一部分組成的系統(tǒng)。它可以代替那種只能在高溫下固化但會產(chǎn)生相互擴(kuò)散問題的熱固化型聚合物。上面說過，薄膜有時要用在金屬導(dǎo)體不能暴露在固化聚合物絕緣層薄膜所需要的溫度的場合。
敷形涂覆料，特別是硅酮樹脂的另一個好處是它們比其它材料(例如聚酰亞胺)的疏水性更好。敷形涂覆料特別是硅酮的疏水性使吸潮率下降。此外優(yōu)選采用的敷形涂覆料能很好地粘合在金上，因而無需在貴金屬層24與絕緣層128之間設(shè)粘性金屬層。這一做法減少了制造電氣薄膜元件加工工序的數(shù)目，從而降低元件的生產(chǎn)成本。
通道孔134在絕緣層128固化之后易在該層上形成。這些孔可以例如用干式等離子體蝕刻法或在貴金屬層24涂上敷形涂覆料之前掩蔽這些部位形成。敷形涂覆料128是一種柔質(zhì)材料，特別適用于使用時必須能加以彎曲的電氣薄膜元件。
最后一個步驟是使聚合物襯底11脫離硬質(zhì)玻璃承載板10，如圖7所示。有兩種適用的方法;在100℃水中浸漬3小時，或在37℃生理鹽水槽中浸漬24小時。這些時間和溫度可略加改變而仍然取得同樣的效果。沸水法是生產(chǎn)效率最高的方法。當(dāng)線路上附有諸如酶、抗體或其它生物材料之類對溫度敏感的材料時，體溫鹽水法是有用的。
在襯底11脫離玻璃承載板10之前還可以加另一個步驟?？梢杂脺?zhǔn)分子激光器高度精確地切割電氣薄膜元件的輪廓。這種激光器的紫外線波長能快速切割聚酰亞胺而不致?lián)p及形成承載板10所使用的玻璃。此外，這種切割機(jī)理不會產(chǎn)生可能會損及生物材料的機(jī)械碎裂或熱碎裂。
生物傳感器需用非常薄而柔韌的襯底。生物傳感器必須小得足以將其裝入皮下注射針或靜脈或動脈導(dǎo)管中，而且能承受某種程度的彎曲。這種襯底不容易處理或保持平展，而這正是在成本和效果上都好的光刻法生產(chǎn)電氣薄膜元件的兩個必要條件。生物傳感器襯底還必須是沒有雜質(zhì)的，而且能適應(yīng)生物體。本發(fā)明的電氣薄膜元件完全符合這些要求?？梢允褂酶呒兌惹夜袒瘯r對生物體較穩(wěn)定的液體聚合物母體。玻璃板可使用非常平坦且可裝入各種盒式自動裝載和輸送機(jī)構(gòu)中的玻璃板。此外還配備有脫除薄膜結(jié)構(gòu)而不致?lián)p及生物材料的裝置。
制造本發(fā)明的電氣薄膜元件用的線路的主要優(yōu)點(diǎn)是柔韌性好。由于導(dǎo)體20質(zhì)柔，因而可以構(gòu)制彎曲的三維薄膜結(jié)構(gòu)。電氣薄膜元件的這種柔韌性還因此而不難提供能與待測量的表面或接插件相適應(yīng)的傳感器。相比之下，一般諸如硅、氧化鋁和二氧化硅之類的薄膜或半導(dǎo)體襯底在這些部分是非常脆弱的。
由于導(dǎo)體和絕緣體零件的體積小，因而使器件的總體積非常小。這對便攜型或植入式器件特別有利，對那些與集成電路直接接口的高密度接插件也是有用的。在體積上至少比一般柔質(zhì)電路減少十倍。
這種電路具防水性，因而它具有這樣的好處可以在不適宜一般電路的惡劣環(huán)境，包括淡水、鹽水、生理鹽水(體液)、沸水和蒸汽中工作。這種電路為許多醫(yī)學(xué)、工業(yè)和航海上的應(yīng)用開辟了道路。
聚酰亞胺比起硅和其它一般微電路基礎(chǔ)材料要便宜。這就是說，在如同一個襯底一樣的有源電路上，人們能制作連接引線，這樣可以無需將導(dǎo)線焊接或連接起來。我們知道，聚酰亞胺對生物體是不起反應(yīng)的。現(xiàn)行的液體聚酰胺酸的純度比片材聚酰亞胺高。
只要將金屬層和絕緣層22、24、26和28構(gòu)制成布線圖形即可制成許多電氣元件。這包括電阻器、電容器、接插件、天線、接觸焊接區(qū)、電極、加熱器、電感器、熔絲和熱敏電阻等。
此外還可以敷上壓電薄膜、光敏電阻薄膜或磁性薄膜制成力、光和磁場的傳感元件。貴金屬表面24經(jīng)過電鍍可制成可用于電化學(xué)的檢測電極(即鉑，銀/氯化銀)。上述電路加上有源器件(光電元件、晶體管、集成電路)即可執(zhí)行放大、調(diào)節(jié)或其它功能。
本發(fā)明的電薄膜元件廣泛應(yīng)用于植入式的醫(yī)療器件中，例如電化學(xué)傳感器、電極或其它應(yīng)變、溫度或流體導(dǎo)電率等物理傳感器。還可以制造刺激耳蝸、心、腦或脊椎骨用的電極。元件的幾何尺寸使這類器件可以制造得將其裝入小型導(dǎo)管和皮下注射針內(nèi)。
雖然本發(fā)明是參照某些最佳實(shí)施例詳細(xì)說明的，但在不脫離本發(fā)明在后面的權(quán)利要求書中所述和規(guī)定的范圍和精神實(shí)質(zhì)下是可以進(jìn)行各種更改和修改的。
權(quán)利要求
1.一種電氣薄膜元件，其特征在于，它包括一硬質(zhì)玻璃承載板；一襯底，粘合到硬質(zhì)玻璃承載板上，該襯底包括使襯底與硬質(zhì)玻璃承載板粘合的聚合物，該粘合當(dāng)襯底和硬質(zhì)玻璃承載板浸漬在熱水槽或溫生理鹽水槽中時遭破壞，從而使聚合物脫離硬質(zhì)玻璃承載板；和電路裝置，它被粘合到襯底上，且在襯底脫離硬質(zhì)玻璃承載板的過程中保持完整無缺。
2.權(quán)利要求1的元件，其特征在于，所述電路裝置包括一粘合到襯底上的粘性金屬層和一粘合到粘性金屬層上的貴金屬層，此外襯底上還包括絕緣裝置，在該電路裝置上形成絕緣覆蓋層，該絕緣裝置包括在熱固化溫度下固化的聚酰胺酸母體溶液，該聚酰胺母體溶液的熱固化溫度低于貴金屬層相互擴(kuò)散時的特性最低溫度，從而防止貴金屬層與粘性金屬層在聚酰胺酸母體溶液熱固化的過程中有顯著的相互擴(kuò)散。
3.權(quán)利要求2的元件，其特征在于，電路裝置還包括另一個在貴金屬層與絕緣裝置之間粘合到貴金屬層上的粘性金屬層。
4.一種電氣薄膜元件，其特征在于，它包括一聚合物襯底;一第一粘性金屬層，粘合到聚合物襯底上;一貴金屬層，粘合到第一粘性金屬層上;一第二粘性金屬層，粘合到貴金屬層上，貴金屬層夾在第一和第二粘性金屬層之間;和一聚合物絕緣體，起碼粘合到第一和第二粘性金屬層上，覆蓋住未與聚合物襯底或貴金屬層粘合的第一和第二粘性金屬層所有暴露著的表面。
5.權(quán)利要求4的元件，其特征在于，聚合物絕緣體包括在熱固化溫度下固化、形成聚酰亞胺涂層的聚酰胺酸母體溶液，該聚酰胺酸母體溶液的熱固化溫度低于貴金屬層與第一和第二粘性金屬層相互擴(kuò)散時的特性最低溫度，從而防止貴金屬層與第一和第二粘性金屬層在聚酰胺酸母體溶液的熱固化過程中有顯著的相互擴(kuò)散。
6.權(quán)利要求4的元件，其特征在于，它還包括一硬質(zhì)玻璃承載板，聚合物襯底結(jié)合到硬質(zhì)玻璃承載板上，以便于用自動化設(shè)備輸送聚合物襯底。
7.一種電氣薄膜元件，其特征在于，它包括一聚合物襯底;電路裝置，粘合到襯底上;和絕緣裝置，在襯底上，用以在電路裝置上形成絕緣覆蓋，絕緣裝置包括合成聚合物彈性體。
8.權(quán)利要求7的元件，其特征在于，電路裝置包括一粘合到襯底上的粘性金屬層和一粘合到粘性金屬層上的貴金屬層，合成聚合物彈性體直接粘合到貴金屬層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至6和8中任一權(quán)利要求的元件，其特征在于，一個或多個粘性金屬層從主要由鈦和鉻組成的材料中選出，貴金屬層從主要由金、鉑和鈀組成的材料群中選出。
10.權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求的元件，其特征在于，聚合物襯底為PMDA-ODA型聚酰亞胺或BPDA-PPD型聚酰亞胺。
11.一種制造電氣薄膜元件的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟配備一個平面硬質(zhì)玻璃承載板;將該平面涂以第一種聚酰胺酸母體溶液;和熱固化所述第一種聚酰胺酸母體溶液以形成粘合到平面上的一層聚酰亞胺膜，該聚酰亞胺膜的熱膨脹系數(shù)基苯上等于硬質(zhì)玻璃承載板的熱膨脹系數(shù)，從而避免了在固化過程中在聚酰亞胺膜中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，它還包括下列步驟在聚酰亞胺膜上形成電路裝置;和將硬質(zhì)玻璃承載板、聚酰亞胺膜和電路裝置暴露在熱水槽或室溫生理鹽水槽中，經(jīng)過一段足以破壞將聚酰亞胺膜連接到硬質(zhì)玻璃承載板的粘合，從而使聚酰亞胺膜脫離硬玻璃承載板而不致使電路裝置從聚酰亞胺膜分離出來。
全文摘要
一種可用于人體或其它離子液體環(huán)境中的電氣薄膜元件。聚酰亞胺襯底系粘合到可用自動化設(shè)備進(jìn)行裝運(yùn)的玻璃承載板上，多層金屬導(dǎo)體則淀積在襯底上，并將其構(gòu)成布線圖形，以形成電路或生物傳感器。聚酰亞胺和玻璃使兩者粘合起來，這種粘合能經(jīng)受加工操作過程但可用能適應(yīng)生物體的脫除劑和方法破壞。為使襯底從承載板脫離的過程中減少斷裂和脫層的可能性，聚酰亞胺襯底和玻璃承載板的熱膨脹性能最好類似。金屬導(dǎo)體上覆蓋聚酰亞胺制成的絕緣層其固化溫度低于導(dǎo)體的金屬層中產(chǎn)生相互擴(kuò)散時的溫度。
文檔編號A61B18/14GK1054147SQ9110103
公開日1991年8月28日 申請日期1991年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月14日
發(fā)明者詹姆斯·W·赫勒, 柯克·W·約翰遜, 戴維·利普森 申請人:伊萊利利公司