CN106653702A - 一种植入式芯片的封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种植入式芯片的封装结构及其制备方法。所述植入式芯片的封装结构，包括基底、以及贯穿所述基底的多个通孔，所述基底表面、所述通孔壁面均设置有金刚石层，所述金刚石层包覆的所述通孔内设置有电极引线，所述电极引线的上下表面分别依次设置过渡金属层和保护层，且相邻的所述电极引线上的所述过渡金属层和所述保护层互不相连，其中，所述保护层为掺杂金刚石层。
Description
技术领域
本发明属于植入式芯片技术领域，尤其涉及一种植入式芯片的封装结构及其制备方法。
背景技术
植入式芯片是一种可植入动物体内发挥作用的微小芯片，如植入式人造视网膜芯片。现有的植入式芯片如人造视网膜片生物不兼容，芯片与人体内微环境相互作用，长时间后将导致芯片的腐蚀，对人体产生安全隐患。因此，将芯片进行生物兼容的高气密性封装尤为重要。生物相容性封装要求腔体具有良好气密性、一定的力学支撑性能和抗拉伸强度性能，使用封装材料满足生物兼容性、外观平整度和内部光滑度要求。金刚石薄膜材料具有良好的物理和化学稳定性，属于一种惰性生物相容材料，具有永久性耐腐蚀作用，对于处于体内特殊生理环境中的植入式医疗器件尤为适宜。另一方面，随着医学植入体和人类神经***间界面变得越来越复杂，用于植入式器件的信号传输的高密度封装电极引线数量不断提高。这一问题在神经假体领域尤为重要，在末梢神经或大脑附近的高分辨率刺激和记录阵列可以极大的提高这些器件的性能。
Second Sight公司的ARGUS II是当前唯一通过FDA和CE Mark认证的人造视网膜产品，也是当前包含电极最多的植入式设备。在封装上，ARGUS II采用以陶瓷为基底开孔走线，可以满足封装指标。然而，为了提高人造视网膜的分辨率，必须大幅增加植入电极的数目，这给目前基于陶瓷基底的封装技术带来了巨大的挑战，在陶瓷基底上高密开孔，不仅工艺上难以实现，而且容易影响基底机械强度和气密性，因此陶瓷基底无法解决高分辨率人造视网膜器件中大幅增加的植入电极数目带来的封装问题。Second Sight公司对此的终极解决方案是在人造视网膜芯片上直接沉积超纳米金刚石(UNCD)薄膜作为生物相容性密封层。研究表明将超级纳米微晶金刚石涂层的硅基样品植入小鼠眼睛长达6个月，并没有引起眼内组织的炎症反应。另外，直接在芯片上沉积UNCD密封层进一步提高了人造视网膜器件的小型化和安全性能。然而，直接在人造视网膜芯片上沉积金刚石薄膜对沉积温度和薄膜质量的控制要求很高。现有的金刚石薄膜封装技术目前还不成熟，容易出现漏电流、金刚石薄膜电阻率不够高等问题，无法实现商业化应用。此外，现有的金刚石薄膜封装技术没有解决高密度植入式电极引线的封装问题，引脚处容易出现界面结合问题和生物相容性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植入式芯片的封装结构，旨在解决现有植入式芯片封装结构存在的上述一系列问题，如电路界面的气密性和生物相容性问题、植入电极数目有限的问题。
本发明的另一目的在于提供一种植入式芯片的封装结构的制备方法。
本发明是这样实现的，一种植入式芯片的封装结构，包括基底、以及贯穿所述基底的多个通孔，所述基底表面、所述通孔壁面均设置有金刚石层，所述金刚石层包覆的所述通孔内设置有电极引线，所述电极引线的上下表面分别依次设置过渡金属层和保护层，且相邻的所述电极引线上的所述过渡金属层和所述保护层互不相连，其中，所述保护层为掺杂金刚石层。
以及，一种植入式芯片的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底，在所述基底上形成贯穿所述基底的多个通孔；
在所述基底表面和所述通孔壁面沉积金刚石材料，形成金刚石层；
所述金刚石层包覆的所述通孔内填充电极引线钎焊合金材料，形成电极引线；
在所述电极引线的上下表面分别依次沉积过渡金属材料和掺杂金刚石材料，分别形成过渡金属层和保护层。
本发明提供的植入式芯片的封装结构，在所述基底通孔中填充电极引线，利用绝缘的金刚石薄膜和高导电率的掺杂纳米金刚石形成封装结构，其生物相容性好，且所述电极引线不会出现引线与人体环境直接接触的情况，避免了由于引线和金刚石密封层之间的界面结合差、导致的植入式芯片生物相容性、气密性及引线密度低、进而产生的漏气、漏电现象。其次，本发明所述植入式芯片的封装结构，可以实现高密度、高数量的封装电极引线，形成电机引线阵列。再次，本发明封装结构中的导电金刚石引线本身就可用于神经组织的刺激电极，因此，本发明所述植入式芯片的封装结构可同时用作人造视网膜植入体的封装和引线。
本发明提供的植入式芯片的封装结构的制备方法，所述金刚石层、电极引线、过渡金属层和保护层均可采用成熟的工艺实现，方法简单、易于操控，容易实现产业化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的设置有高密度通孔的基底结构示意图；
图2是本发明实施例提供的植入式芯片的封装结构示意图；
图3是本发明实施例提供的植入式芯片的封装结构的制备工艺流程图；
图4是本发明实施例提供的制作完电极引线后的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的制作完保护层后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1-2，本发明实施例提供了一种植入式芯片的封装结构，包括基1、以及贯穿所述基底1的多个通孔11，所述基底1表面、所述通孔11壁面均设置有金刚石层2，所述金刚石层2包覆的所述通孔11内设置有电极引线3，所述电极引线3的上下表面分别依次设置过渡金属层4和保护层5，且相邻的所述电极引线3上的所述过渡金属层4和所述保护层5互不相连，其中，所述保护层5为掺杂金刚石层。
具体的，所述基底1为硅基底，更具体为高阻硅基底，且所述基底1的厚度为300-500μm。所述基底1上设置有很多贯穿所述基底1的多个通孔11。所述通孔11的孔径大小可以根据植入式芯片、电极引线3的尺寸进行调整，通常可为50-500μm。本发明实施例优选高密度通孔硅基板作为金刚石薄膜沉积的基底，其形状如图1所示。
与硅材料不同，金刚石薄膜材料属于一种惰性生物相容性材料，而且金刚石薄膜具有永久性耐腐蚀作用，这对于处于体内特殊生理环境中的植入式医疗器件尤为适宜。有鉴于此，本发明实施例中，所述金刚石层2的材料为多晶金刚石、纳米金刚石或超纳米金刚石中的至少一种。所述金刚石层2具有高绝缘性，电阻率>107Ωcm。由于所述超纳米金刚石的硬度和杨氏模量与微米级金刚石(MCD)相似，抗磨损性能好，但其韧性优于普通纳米级金刚石(NCD)，断裂强度极高；此外，超纳米金刚石晶粒尺寸小且均匀，致密度高，表面光滑性远好于微米级金刚石和普通纳米级金刚石，因此，本发明实施例所述金刚石层2的材料优选为超纳米金刚石。优选的，所述金刚石层2的厚度为2-100μm，即形成金刚石薄膜。
本发明实施例中，所述电极引线3沉积在所述金刚石层2包覆的所述通孔11内，其高度低于所述通孔11的高度，即可露出所述金刚石层2。所述电极引线3的材料可采用金属材料或金刚石材料，当选用金刚石材料时，金刚石电极为硼、氮、磷等元素掺杂的金刚石电极。
本发明实施例中，由于所述电极引线3与所述保护层5之间的结合力较差，因此，为了提高结合力，在所述电极引线3与所述保护层5之间设置了过渡金属层4用于材料过渡，从而提高材料的附着力。作为优选实施例，所述过渡金属层包括依次沉积在所述电极引线上的Au层或Pt层、Ti层，其中，所述Au层或Pt层的厚度为10-50nm，所述Ti层的厚度为500-1000nm。
本发明实施例中，所述保护层5为掺杂金刚石层，所述掺杂金刚石层包括但不限于硼掺杂金刚石层、氮掺杂金刚石层和磷掺杂金刚石层。作为优选实施例，所述掺杂金刚石层为硼掺杂p型导电的金刚石层、或氮掺杂的n型金刚石层。
本发明实施例提供的植入式芯片的封装结构，在所述基底通孔中填充电极引线，利用绝缘的金刚石薄膜和高导电率的掺杂纳米金刚石形成封装结构，其生物相容性好，且所述电极引线不会出现引线与人体环境直接接触的情况，避免了由于引线和金刚石密封层之间的界面结合差、导致的植入式芯片生物相容性、气密性及引线密度低、进而产生的漏气、漏电现象。其次，本发明所述植入式芯片的封装结构，可以实现高密度、高数量的封装电极引线，形成电机引线阵列。再次，本发明封装结构中的导电金刚石引线本身就可用于神经组织的刺激电极，因此，本发明所述植入式芯片的封装结构可同时用作人造视网膜植入体的封装和引线。
本发明实施例所述植入式芯片的封装结构可以通过下述方法制备获得。
相应地，结合图3-5，本发明实施例还提供了一种植入式芯片的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
S01.提供一基1，在所述基底1上形成贯穿所述基底的多个通孔11；
S02.在所述基底1表面和所述通孔11壁面沉积金刚石材料，形成金刚石层2；
S03.所述金刚石层2包覆的所述通孔11内填充电极引线钎焊合金材料，形成电极引线3；
S04.在所述电极引线3的上下表面分别依次沉积过渡金属材料和掺杂金刚石材料，分别形成过渡金属层4和保护层5。
具体的，上述步骤S01中，所述基底1的优选材料及其厚度在上文中已作陈述，为了节约篇幅，此处不再赘述。
如图3a所示，在所述基底1如高阻硅基板上采用Bosch工艺深刻蚀，先旋涂光刻胶、对其进行硬烘烤作为掩膜，然后进行深刻蚀。旋转的光刻胶大小可根据所述通孔11的大小进行设定，例如，具体设定为约7μm。所述深刻蚀可刻穿或留下几十微米，再用化学机械研磨(CMP)直到通孔。
上述步骤S02中，如图3b所示，在所述基底1表面及所述通孔11壁面即内侧，正反两面沉积金刚石薄膜，用于含有所述通孔11的所述基底1的绝缘和气密性封装。所述金刚石层2的优选材料如前所述。
具体的，为了提高所述金刚石层2的附着力，在沉积所述金刚石材料钱，还包括对所述通孔11处进行前处理，以帮助金刚石的形核和生长。作为具体实施例，采用纳米金刚石粉末和微米金刚石粉末混合配成悬浊液，将设置有所述通孔11的所述基底1固定并直立的浸入金刚石粉悬浊液中超声处理。其中，所述悬浊液通过将纳米金刚石粉末和微米金刚石粉末置于有机溶剂具体如丙酮中配置，所述纳米金刚石粉末的粒径可为1-5nm，所述微米金刚石粉末的粒径可为1-3μm，所述超声时间可根据实际情况确定，具体可为1小时。然后对其进行冲洗、干燥，具体的，可采用酒精冲洗，然后氮气吹干。
本发明实施例中，所述金刚石层2的沉积方法包括但不限于热丝化学气相沉积(HFCVD)、微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)、直流等离子体化学气相沉积(DCPCVD)方法。
作为具体实施例，采用HFCVD在所述基底1表面和所述通孔11壁面沉积金刚石材料形成金刚石层2。本发明实施例在HFCVD沉积金刚石之前先对加热丝进行碳化，以使得所述加热丝更加稳定，不易断丝或弯曲。所述加热丝可选用直径为0.5mm的钽丝或钨丝。所述碳化方法为：在体积比为2.5：97.5的CH4和H2的条件下，控制反应室内气压为2-3kPa，所述加热丝温度维持在2000-2500℃进行碳化，碳化时间约2小时。
根据HFCVD设备的结构，将前处理后的所述基底1平放在所述加热丝下方，或悬挂直立放置在两排所述加热丝的中间，其中，采用悬挂在两排所述加热丝的中间的方法，可以保证所述基底1的正反两面、所述通孔11同时、均匀沉积金刚石。
作为具体实施例，采用HFCVD在所述基底1表面和所述通孔11壁面沉积金刚石材料形成金刚石层2的方法为：
切断偏压，进行金刚石生长阶段。这一过程中在反应室内加入0.5％CH4和99.5％H2用于沉积多晶金刚石薄膜，衬底温度850℃，沉积的多晶金刚石薄膜是绝缘的；或者在反应室内加入的CH4/H2混合气中CH4的比例为2％-5％用于沉积纳米金刚石膜，衬底温度800℃，沉积的多晶金刚石薄膜是绝缘的；或者在反应室内加入的CH4/Ar/H2的混合气，气氛中CH4的比例为2％-5％，H2的比例为1％，用于沉积超纳米金刚石膜，衬底温度500-700℃，沉积的超纳米金刚石薄膜是绝缘的。沉积过程中反应室的气压为4kPa，热丝温度为2200-2300℃，沉积时间4-30小时，金刚石密封层的厚度为2-20μm。
金刚石的形核：所述热丝碳化完成后将基片台位置升高，至金刚石生长所需温度的位置，控制所述基底1的表面温度为600-850℃、在所述基底1与热丝之间加负偏压，偏压电流大小约0.4-0.5A，形核时间15-60min；
金刚石的生长：切断偏压，在反应室内加入CH4体积百分含量为0.5-1.5％的CH4/H2混合气，控制所述基底表面温度为600-900℃，沉积多晶金刚石层；或
在反应室内加入CH4体积百分含量为5-20％的CH4/H2混合气，控制所述基底表面温度为600-900℃，沉积纳米金刚石层；或
在反应室内加入CH4体积百分含量为0.5-5％、H2体积百分含量为0-20％的CH4/Ar/H2的混合气，控制所述基底表面温度为500-700℃，沉积超纳米金刚石层；
其中，所述反应室的气压为30-100Torr，热丝温度为2200-2300℃，沉积时间为4-30h。
本发明实施例提供的所述金刚石的沉积方法得到的金刚石层2具有高的形核密度，且在所述基底1表面、所述通孔11内壁及其边角处均匀、共形生长，界面残余应力小，且形成的薄膜结构致密、无小孔等缺陷，具有高绝缘性特点。在所述基底1如硅基板或经过高温氧化处理的硅基板上沉积金刚石层对沉积温度要求不高，可以在较高的温度下沉积高质量和绝缘性更好的金刚石层。
上述步骤S03中，如图3c、图4所示，为了在所述通孔11内形成导电的通道，利用钎焊合金进行填充形成电极引线3。具体的，在凹坑中添加钎焊合金焊料，在真空中加热所述基底1使焊料熔化进入通孔1中。待焊料熔化、保持在这个温度一段时间(如可能为900℃)，使焊料填充满整个所述通孔11。随后用湿法刻蚀多余的焊料至低于所述通孔11高度，露出所述基底1表面金刚石层2。
本发明实施例中，所述电极引线3可为金属电极或掺杂金刚石电极，所述掺杂金刚石电极可通过离子注入硼、氮、磷等元素的办法得到。
上述步骤S04中，如图3d、图5所示，为了得到高气密性的生物相容性封装，用掺杂的金刚石层对所述电极引线3区域进行保护，方法可利用lift-off工艺仅在所述通孔11两端形成金刚石沉积的金属过渡层4。具体的，先在所述基底1两面沉积Au/Ti或Pt/Ti金属作为金属过渡层4，然后沉积掺杂的金刚石薄膜作为保护层5，最后利用干法刻蚀或激光铣削隔离所述电极引线3，最后清洁和去除多余的Au/Ti或Pt/Ti，得到完全金刚石薄膜封装的基底和引线结构。
本发明实施例中，所述保护层5可采用常规工艺进行硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂，掺杂气体包括三甲基硼烷(TMB)、乙硼烷(B2H6)、氮气(N2)、磷烷等。优选的，所述保护层5为硼掺杂p型导电的金刚石层、或氮掺杂的n型金刚石层。
作为具体优选实施例，所述保护层5的沉积方法为：
沉积硼掺杂金刚石层：在反应式中通入TMB作为掺杂气体，其中硼/碳的掺杂比例为1000-50000ppm，加入CH4和H2，使得CH4/H2/TMB混合气中所述CH4的体积百分含量为2-5％，沉积时间1-10小时，沉积厚度1-10μm；或
沉积氮掺杂金刚石层：在反应式中通入N2作为掺杂气体，加入CH4和H2，使得N2/CH4/H2混合气中所述N2的体积百分含量为10-50％，CH4的体积百分含量为2-5％，沉积时间1-10小时，沉积厚度1-10μm。
最后，可利用干法刻蚀或激光铣削隔离导电金刚石电极，清洁和去除多余的Au、Pt、Ti，完成后的结构如图2所示。干法刻蚀需要在掺杂的金刚石层表面覆盖一层金属掩膜版，暴露出掺杂金刚石层需要被选择性刻蚀的部分，金属掩膜版可选用Au、Al、Ti等，厚度为10-100nm。然后利用反应离子刻蚀(RIE)技术对没有掩膜版的部分进行刻蚀，直到这部分区域的掺杂金刚石薄膜被完全清除。反应离子刻蚀所用的反应气体可选用H2、Ar、O2、CF4等。激光铣削可以将非金刚石电极的部分直接去除，但是需要高精度的光学和控制***。例如可以选用的激光器功率为2.7W，脉冲频率5kHz，聚焦在基底上的尺寸为50m，维持数秒。
本发明实施例提供的植入式芯片的封装结构的制备方法，所述金刚石层、电极引线、过渡金属层和保护层均可采用成熟的工艺实现，方法简单、易于操控，容易实现产业化。本发明实施例制备高密度通孔硅基片所用的硅深刻蚀工艺非常成熟。通过本发明实施例所述方法制备的植入式芯片的封装结构，无暴露的电极引线，极大的减少了导电电极引线如金属和金刚石的界面问题和可能存在的缝隙和气密性问题。本发明实施例可控性好，制备的金刚石层具有生物相容性和稳定性，电阻率高，对于实现高分辨率人造视网膜器件的生物相容性封装非常重要的意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种植入式芯片的封装结构，其特征在于，包括基底、以及贯穿所述基底的多个通孔，所述基底表面、所述通孔壁面均设置有金刚石层，所述金刚石层包覆的所述通孔内设置有电极引线，所述电极引线的上下表面分别依次设置过渡金属层和保护层，且相邻的所述电极引线上的所述过渡金属层和所述保护层互不相连，其中，所述保护层为掺杂金刚石层。
2.如权利要求1所述的植入式芯片的封装结构，其特征在于，所述金刚石层的材料为多晶金刚石、纳米金刚石或超纳米金刚石中的至少一种；和/或
所述金刚石层的厚度为2-100μm。
3.如权利要求1所述的植入式芯片的封装结构，其特征在于，所述过渡金属层包括依次沉积在所述电极引线上的Au层或Pt层、Ti层，其中，所述Au层或Pt层的厚度为10-50nm，所述Ti层的厚度为500-1000nm。
4.如权利要求1-3任一所述的植入式芯片的封装结构，其特征在于，所述掺杂金刚石层为硼掺杂p型导电的金刚石层、或氮掺杂的n型金刚石层。
5.如权利要求1-3任一所述的植入式芯片的封装结构，其特征在于，所述基底为硅基底，且所述基底的厚度为300-500μm。
6.一种植入式芯片的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底，在所述基底上形成贯穿所述基底的多个通孔；
在所述基底表面和所述通孔壁面沉积金刚石材料，形成金刚石层；
所述金刚石层包覆的所述通孔内填充电极引线钎焊合金材料，形成电极引线；
在所述电极引线的上下表面分别依次沉积过渡金属材料和掺杂金刚石材料，分别形成过渡金属层和保护层。
7.如权利要求6所述的植入式芯片的封装结构的制备方法，其特征在于，所述金刚石材料的沉积方法包括：
金刚石的形核：控制所述基底1的表面温度为600-850℃、在所述基底1与热丝之间加负偏压，偏压电流大小0.4-0.5A，形核时间15-60min；
金刚石的生长：切断偏压，在反应室内加入CH4体积百分含量为0.5-1.5％的CH4/H2混合气，控制所述基底表面温度为600-900℃，沉积多晶金刚石层；或
在反应室内加入CH4体积百分含量为5-20％的CH4/H2混合气，控制所述基底表面温度为600-900℃，沉积纳米金刚石层；或
在反应室内加入CH4体积百分含量为0.5-5％、H2体积百分含量为0-20％的CH4/Ar/H2的混合气，控制所述基底表面温度为500-900℃，沉积超纳米金刚石层；
其中，所述反应室的气压为30-100Torr，热丝温度为2200-2300℃，沉积时间为4-30h。
8.如权利要求7所述的植入式芯片的封装结构的制备方法，其特征在于，所述保护层为硼掺杂p型导电的金刚石层、或氮掺杂的n型金刚石层。
9.如权利要求8所述的植入式芯片的封装结构的制备方法，其特征在于，所述保护层的沉积方法为：
沉积硼掺杂金刚石层：在反应式中通入TMB作为掺杂气体，其中硼/碳的掺杂比例为1000-50000ppm，加入CH4和H2，使得CH4/H2/TMB混合气中所述CH4的体积百分含量为2-5％，沉积时间1-10小时，沉积厚度1-10μm；或
沉积氮掺杂金刚石层：在反应式中通入N2作为掺杂气体，加入CH4和H2，使得N2/CH4/H2混合气中所述N2的体积百分含量为10-50％，CH4的体积百分含量为2-5％，沉积时间1-10小时，沉积厚度1-10μm。
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