專利名稱：基于mems工藝的硅微針表面涂覆加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統技術領域的方法，具體是一種基于MEMS工藝的 硅微針表面涂覆加工方法。
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， 研制視覺假體，有望為盲人復明開辟一條新的途徑。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 臨床成功后，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斗目標。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(yī)療器械取得國際領先的研究成果，創(chuàng)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(yōu)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(fā)現，Michigan大學的Kip A Ludwig等人2006 年發(fā) 表白勺 Chronic neural recordings using silicon microelectrode arrays electrochemicalIy deposited with a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) film(采用表面經過電化學方法淀積的聚乙烯二氧噻吩薄膜進行修飾的硅微電極陣列進行 長期神經信號記錄)中采用濃硼深擴散的方式制作硅微針主體，導致硅針厚度不均勻，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(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于MEMS工藝的硅微針表面涂 覆加工方法，經本方法加工后的微針厚度均勻一致，其厚度由SOI硅片的頂層硅、埋層Si02、 聚合物層、生長的SiO2層的厚度來決定。硅微針表面涂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(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括以下步驟步驟一，以SOI作為基片，采用化學氣相淀積方法在硅片的拋光面生長底層SiO2 用于電隔離金屬合金層與硅襯底；所述的化學氣相淀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，然后在金屬 合金層上分別刻蝕出金屬互連線、壓焊點和接觸圓點；所述的壓焊點用于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，在金屬合金層上采用化學氣相淀積方法生長頂層SiO2用于絕緣金屬合金 層，并采用緩沖的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，在硅襯底正面涂覆聚合物材料，并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。所述的涂覆聚合物材料是指采用旋涂或者蒸發(fā)方式在硅襯底表面生長出光敏性 聚酰亞胺、非光敏性聚酰亞胺(PI)、苯并環(huán)丁烯(BCB)、C型聚對二甲苯(c-parylene)或液 晶聚合物(LCP)等。所述的光敏性聚酰亞胺包括正膠PI 2210以及負膠PI 7510。所述的非光敏性聚酰亞胺包括聚酰亞胺100系列、聚酰亞胺32A系列和聚酰亞胺 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，該電極刺激點用于刺激神經組織。步驟五，采用感應耦合等離子體干法刻蝕的方法，刻蝕掉硅片正面的SiO2層、SOI 硅片的頂層硅以及埋層SiO2，確定微電極的橫向幾何尺寸。步驟六，將整個硅片的背面與堿性濕法腐蝕液相接觸，腐蝕掉硅片的襯底硅，從而 各個獨立的微針便自動釋放出來，并對其進行清洗，這樣便實現了硅微針表面涂覆加工。所述的清洗是指采用去離子水進行清洗。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果基于SOI硅MEMS工藝制作的硅微針 保留了 SOI硅片的埋層SiO2材料，可以與化學汽相淀積方法生長的SiO2材料進行應力匹 配，從而能夠制作較長的硅微針；創(chuàng)新性地在硅微針的表面涂覆聚合物材料，包括光敏性或 非光敏性聚酰亞胺(PI)、苯并環(huán)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，將其涂覆在硅材料表面可以增強硅微針 在體內工作的可靠性，實現在體長期植入。


圖1是本發(fā)明流程圖。圖2是本發(fā)明微針示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)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(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1本實施例采用旋涂聚酰亞胺方式制作表面絕緣層。聚酰亞胺材料具有良好的生物相容性和防水性，將其涂覆在硅材料表面可以增強硅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，并采用PECVD (等離子化學氣相淀積) 方法在SOI片1的拋光面生長底層SiO2 2 3000A，底層Si022用于電隔離金屬合金層與硅襯 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，并刻 蝕出金屬互連線10、壓焊點9和接觸圓點11，壓焊點9用于電連接微電極與外界電路，接觸 圓點11用于為刺激點，用于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，用于絕緣金屬合金層，采用緩 沖的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上旋涂光敏性聚酰亞胺(PI2210)膠，采用近紫外光進行光 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，用于頂 層再次絕緣，如圖1(e) (f)所示。步驟五，采用感應耦合等離子(inductively coupled plasma :ICP)干法刻蝕的方 法，把電極整體形狀刻蝕出來。如圖1(g)所示。步驟六，采用濕法腐蝕的方法對SOI硅片的背面底層Si進行腐蝕。這里只將硅片 背面暴露在KOH或TMAH等堿性腐蝕溶液中。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采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(chuàng)新性地在硅微針的表面涂覆聚合物材料，實現聚合物與硅材料相結合的 MEMS微加工工藝。研究基于SOI (Silicon on Insulator)硅襯底MEMS工藝技術的硅微針 的微加工方法，實現微針的自動釋放，同時將聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、C型聚對二甲苯和液晶 聚合物等涂覆在硅微針頂層，提高硅微針的生物相容性和可靠性，適合長期植入。本實施例采用蒸發(fā)C型聚對二甲苯方式制作表面絕緣層。C型聚對二甲苯材料具 有良好的生物相容性和低吸濕性，將其涂覆在硅材料表面可以增強硅微針在體內工作的可 靠性，實現在體長期植入。蒸發(fā)的方式能使表面的C型聚對二甲苯均勻覆蓋住整個硅微針， 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，并采用PECVD (等離子化學氣相淀積) 方法在SOI片1的拋光面生長底層SiO2 2 3000A,底層Si022用于電隔離金屬合金層與硅襯 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，并刻 蝕出金屬互連線10、壓焊點9和接觸圓點11，壓焊點9用于電連接微電極與外界電路，接觸 圓點11用于為刺激點，用于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，用于絕緣金屬合金層，采用緩 沖的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(fā)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，用于頂層再次絕緣，如圖1(e) (f)所示。步驟五，采用感應耦合等離子(inductively coupled plasma :ICP)干法刻蝕的方 法，把電極整體形狀刻蝕出來。如圖1(g)所示。步驟六，采用濕法腐蝕的方法對SOI硅片的背面襯底Si進行腐蝕。這里只將硅片 背面暴露在KOH或TMAH等堿性腐蝕溶液中，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采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(chuàng)新性地在硅微針的表面涂覆聚合物材料，實現聚合物與硅材料相結合的 MEMS微加工工藝。研究基于SOI (Silicon on Insulator)硅襯底MEMS工藝技術的硅微針 的微加工方法，實現微針的自動釋放，且厚度均勻一致，同時將聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、C型 聚對二甲苯和液晶聚合物等涂覆在硅微針頂層，提高硅微針的生物相容性和可靠性，適合 長期植入。
權利要求
一種基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，以SOI作為基片，采用化學氣相淀積方法在硅片的拋光面生長底層SiO2用于電隔離金屬合金層與硅襯底；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，然后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，在金屬合金層上采用化學氣相淀積方法生長頂層SiO2用于絕緣金屬合金層，并采用緩沖的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，在硅片正面涂覆聚合物材料，并通過光刻與刻蝕工藝制備得到金屬合金層上的壓焊點和微電極刺激點；步驟五，采用感應耦合等離子體干法刻蝕的方法，刻蝕掉硅片正面的SiO2層、SOI硅片的頂層硅以及埋層SiO2，確定微電極的橫向幾何尺寸。步驟六，將整個硅片的背面與堿性濕法腐蝕液相接觸，腐蝕掉硅片的襯底硅，從而各個獨立的微針便自動釋放出來，并對其進行清洗，實現硅微針表面涂覆加工。
2.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的化學氣相淀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所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的壓焊點用于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所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的自動釋放是指硅片背面的襯底硅被腐蝕完畢后，腐蝕過程在硅片的埋層SiO2處自停止， 由于硅微針之間的埋層SiO2已經被ICP刻蝕掉，因此硅微針便自動釋放。
5.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的涂覆聚合物材料是指采用旋涂或者蒸發(fā)方式在硅襯底表面生長出光敏性聚酰亞胺、非 光敏性聚酰亞胺、C型聚對二甲苯或液晶聚合物。
6.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的光敏性聚酰亞胺包括正膠PI2210以及負膠PI7510。
7.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，其特征是，所述 的非光敏性聚酰亞胺包括聚酰亞胺100系列、聚酰亞胺32A系列和聚酰亞胺200系列。
全文摘要
一種基于MEMS工藝的硅微針表面涂覆加工方法，采用化學氣相淀積方法在硅片的拋光面生長底層SiO2用于電隔離金屬合金層與硅襯底；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用于絕緣金屬合金層，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；在硅襯底正面涂覆聚合物并光刻刻蝕暴露出金屬合金層上的壓焊點和電極接觸點；采用感應耦合等離子干法刻蝕的方法刻蝕去除底層SiO2及基片。本發(fā)明微針具有生物相容性和防水性，將其涂覆在硅材料表面可以增強硅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(yōu)先權日2010年10月19日
發(fā)明者任秋實, 柴新禹, 沈念, 隋曉紅 申請人:上海交通大學