CN112244848B - 基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，本发明属于先进的微加工技术领域，它要解决柔性MEAs在高时空分辨率下操作，生产效率较低的问题。制备方法：一、对硅衬底进行等离子体清洗；二、在硅衬底表面沉积铝牺牲层；三、将非光敏聚酰亚胺MEAs基材多次旋涂在铝牺牲层上；四、光刻聚酰亚胺层图案化定型，电感耦合等离子体刻蚀处理；五、通过光刻工艺形成微电极网络和互连板；六、将非光敏聚酰亚胺MEAs基材旋涂在底层聚酰亚胺上，使用光致抗蚀剂掩蔽晶片，以限定互连线和焊盘；七、去除铝牺牲层。本发明中以6英寸高阻硅片为基片，结合柔性聚酰亚胺可以在单片上大批量生产25个MEAs。记录位置以高时空分辨率紧凑排列。
Description
技术领域
本发明属于先进的微加工技术领域，具体涉及一种基于皮层脑电图(ECoG)的多通道微电极阵列(MEAs)晶圆级制造与组装方法。
背景技术
神经细胞网络的电活动记录可以提供大量与生理学以及可能导致疾病的生理退化有关的信息，如帕金森症或阿尔茨海默症。MEAs已经被用于通过皮层脑电图(ECoG)以规则的时间间隔长时间监测神经信号。这种方法有助于提高研究人员对大脑活动功能的深入理解。柔性和生物相容性是MEAs用于长期记录受试样本体内数据时的主要条件。这些特性使得MEAs可以直接放置在颅骨上，与神经***相连。通常，基底材料选用聚酰亚胺，来为MEAs的制造提供优异的生物相容性和高度柔性。在过去的几年里，柔性MEAs一直在发展，以刺激和记录不同的神经元。目前研究人员已经开发了几种高灵敏度的MEAs，它们使用微机电***(MEMS)、互补金属-氧化物-半导体(CMOS)和片上实验室微制造技术在小范围内制造大量的电极阵列。此外，为了能够同时记录大量单个神经元，电极最好在高时空分辨率下操作。另外，精确的晶圆级工艺可以制造具有优良均匀性、更高质量和容错性的MEAs，从而实现高可靠性。目前的研究重点是利用先进的微细加工技术制备多孔介质，以降低生产成本、提高产率。由于具有大规模生产的可能性，大晶圆尺度的微加工可以大大降低制造成本。
发明内容
本发明的目的是要解决柔性MEAs在高时空分辨率下操作，生产效率较低的问题，而提供一种基于皮层脑电图的多通道MEAs晶圆级制造与组装方法。
本发明基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法按照以下步骤实现：
一、将硅衬底浸入HF溶液中去除氧化层，利用等离子体清洗硅衬底，得到清洗后的硅衬底；
二、通过电子束工艺在清洗后的硅衬底表面沉积铝牺牲层；
三、将非光敏聚酰亚胺MEAs基材多次旋涂在铝牺牲层上，依次进行软烘烤和固化，得到带有厚度为8～10微米聚酰亚胺底层的衬底；
四、采用光刻工艺对聚酰亚胺层进行图案化定型，在腔压为440～460mTorr、功率620～680W、CF4流量为6～10sccm、O2流量为70～80sccm的条件下，对聚酰亚胺层进行电感耦合等离子体刻蚀处理，得到图案化的衬底；
五、通过光刻工艺形成多通道的微(记录)电极网络和互连板(InterconnectionPads)，微(记录)电极材质为铬/铂金属层，然后经过剥离工艺去除多余的金属层，得到带有微电极网络的晶片；
六、再次将非光敏聚酰亚胺MEAs基材旋涂在聚酰亚胺底层上，依次进行软烘烤和固化，得到厚度为8～10微米的顶层聚乙酰胺，使用光致抗蚀剂掩蔽晶片，以限定互连线和焊盘，然后利用电子束蒸发仪形成铬/铂金属层，剥离互连线和焊盘的掩膜；
七、采用铝蚀刻剂湿法蚀刻工艺去除铝牺牲层，得到基于皮层脑电图的多通道MEAs。
本发明基于皮层脑电图的多通道MEAs是在两层柔性聚酰亚胺基底之间设置有微电极阵列，微电极阵列的排布方式为：多行微电极平行间隔排布，每行微电极中的微电极单元间隔设置，每个微电极单元的引线从每行微电极的中部引出，引线与互连板相连。
在本发明中以6英寸高阻硅片为基片，结合柔性聚酰亚胺可以在单片上大批量生产25个MEAs。记录位置以高时空分辨率紧凑排列。通过优化MEAs结构，可以有效地减小相邻电极之间的干扰。此外，在所提出的工作中特别增加了互连焊盘，以连接槽式连接器和所制造的器件。达到了考虑晶片边缘缺陷和制造公差因素后所能实现的最大利用率。表面安装器件是用槽式连接器制造的，没有任何额外的接合线。这种构造防止了装置的电互连失效，电互连失效可能是在体内测试期间由颅骨组织引起的。柔性印刷电路板(FPCB，聚酰亚胺基结构)用于支持MEAs，并提供保护免受物理损害。顶部和底部PCB在正面加工有连接器插座，在背面加工有互连焊盘。FPCB通过Vcut与顶部和底部的PCB相连，在体内测试过程中可以很容易地将其移除。通常，该装置可以长时间记录颅骨信号，从中优选几轮记录，以提供准确可靠的测量结果。因此，顶部、底部PCB和槽式连接器设计成拆卸式，在体内记录过程中可以拆开。这种创新的电路有助于减轻患者由于顶部和底部PCB的额外重量而引起的疼痛。此外，在下一轮测量中也不需要再次进行头皮手术，有助于在节省成本、降低复杂性的同时提升患者满意度。
通过电化学阻抗谱对10个MEAs样品进行了评估。阻抗谱证明组装的MEAs具有良好的稳定性，可用于同时记录多个神经元的高选择性和高灵敏度的神经元网络。最后对成年雄性小鼠的颅骨进行了活体测试。高可靠性和出色的产量可以显著降低其价格，并为MEAs在未来生物医学市场追求商业成功提供机会。
附图说明
图1是实施例中硅晶片经过O2/H2等离子体处理后的表面形貌图；
图2是实施例中聚酰亚胺晶片经O2等离子体处理后的表面形图；
图3是基于皮层脑电图的多通道MEAs的结构示意图，1—微电极，2—互连板，3—互连线；
图4是单个基于皮层脑电图的多通道MEAs的尺寸结构图；
图5是单个基于皮层脑电图的多通道MEAs的实物图；
图6是完全加工的6英寸硅片上25个MEAs的实物图；
图7是基于皮层脑电图的多通道MEAs与连接器连接的结构图；其中4—FPCB，5—顶层PCB，6—底层PCB，7—V-cut，8—连接器；
图8是基于皮层脑电图的多通道MEAs安装在PCB表面的俯视图；
图9是基于皮层脑电图的多通道MEAs中10个随机通道的测量阻抗特性测试图；
图10是实施例中ECoG通道测量结果由每个MEAs的60个通道来测量图；
图11是实施例中安装在成年雄性小鼠颅骨上的柔性MEAs的图像；
图12是腹膜内注射GBL引起突发性癫痫的脑电图样本测量图；
图13是实施例中基于皮层脑电图的多通道MEAs的微电极分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法按照以下步骤实施：
一、将硅衬底浸入HF溶液中去除氧化层，利用等离子体清洗硅衬底，得到清洗后的硅衬底；
二、通过电子束工艺在清洗后的硅衬底表面沉积铝牺牲层；
三、将非光敏聚酰亚胺MEAs基材多次旋涂在铝牺牲层上，依次进行软烘烤和固化，得到带有厚度为8～10微米聚酰亚胺底层的衬底；
四、采用光刻工艺对聚酰亚胺层进行图案化定型，在腔压为440～460mTorr、功率620～680W、CF4流量为6～10sccm、O2流量为70～80sccm的条件下，对聚酰亚胺层进行电感耦合等离子体刻蚀处理，得到图案化的衬底；
五、通过光刻工艺形成多通道的微(记录)电极网络和互连板(InterconnectionPads)，微(记录)电极材质为铬/铂金属层，然后经过剥离工艺去除多余的金属层，得到带有微电极网络的晶片；
六、再次将非光敏聚酰亚胺MEAs基材旋涂在聚酰亚胺底层上，依次进行软烘烤和固化，得到厚度为8～10微米的顶层聚乙酰胺，使用光致抗蚀剂掩蔽晶片，以限定互连线和焊盘，然后利用电子束蒸发仪形成铬/铂金属层，剥离互连线和焊盘的掩膜；
七、采用铝蚀刻剂湿法蚀刻工艺去除铝牺牲层，得到基于皮层脑电图的多通道MEAs。
本实施方式步骤四电感耦合等离子体刻蚀处理后聚酰亚胺晶片的RMS为14～14.2nm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中HF溶液的质量浓度为10％。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中等离子体清洗的工艺过程如下：
在等离子体清洗机中，控制O2/H2的流量比为9000：450sccm，以650W的射频功率、80℃的衬底(卡盘)温度、2Torr(托)的腔室压力清洗30秒。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中硅衬底表面粗糙度的均方根值(RMS)为8.5～8.8nm。
本实施方式控制硅衬底表面粗糙度有助于增强硅衬底和铝牺牲层之间的附着力。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中铝牺牲层的厚度为3微米。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三和步骤六中所述的软烘烤是在100℃下烘烤3分钟，步骤三和步骤六中所述的固化是在300℃下处理3分钟。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三和步骤六中聚酰亚胺层的厚度均为9微米。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤五中微电极网络的排布方式为：多行微电极平行间隔排布，每行微电极中的微电极单元间隔设置，每个微电极单元的引线从每行微电极的中部引出。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是微电极网络包含50～70个微电极单元，10～12行微电极平行间隔排布。
本实施方式微电极网络具有“圣诞树”形结构，MEAs的FPCB通过Vcut伸出小鼠体外，与顶部和底部的PCB相连。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤五中铬/铂金属层中铬和铂的沉积速率均为3埃/秒。
实施例：本实施例基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法按照以下步骤实施：
一、将硅衬底浸入10％HF溶液中去除氧化层，在等离子体清洗机(RF PlasmaCleaner)中，控制O2/H2的流量比为9000：450sccm，以650W的射频功率、80℃的卡盘温度、2Torr的腔室压力等离子体清洗30秒，得到清洗后的硅衬底，基底粗糙度的均方根值(RMS)为8.64nm，该精确的表面粗糙度有助于增强硅衬底和铝牺牲层之间的附着力；
二、通过电子束工艺在清洗后的硅衬底表面沉积厚度为3微米的铝牺牲层；
三、将非光敏聚酰亚胺MEAs基材(HD Microsystems，PIX1400)三次旋涂在铝牺牲层上，聚酰亚胺基材通过旋转涂布机分别以500/3000/500的每分钟转数和10/40/5s的相应时间沉积三次，每次3微米，在100℃下软烘烤3分钟，然后在烘箱中在300℃下固化3分钟，得到带有厚度为9微米聚酰亚胺层的衬底，该厚度能够缓解即将到来的金属化过程中产生的拉伸应力，以克服潜在的轧制问题，使薄膜平面化，然而，如果聚酰亚胺薄膜厚度超过9微米，在将薄膜附着在小鼠颅骨上时，会带来随之而来的粘连问题；
四、采用光刻工艺对聚酰亚胺层进行图案化定型，先在90℃下处理30min，再在125℃下处理60min固化，以获得具有优异纵横比的稳定高度和形状，然后在腔压为450mTorr、功率650W、CF4流量为8sccm、O2流量为72sccm的条件下，对聚酰亚胺层进行电感耦合等离子体刻蚀处理，促进第一层聚酰亚胺与Cr/Pt金属层以及第二层聚酰亚胺之间的粘附，均方根值为14.01nm，得到图案化的衬底；
五、在图案化的衬底上通过光刻形成60通道的微电极网络，其中铬/铂(15/150纳米)金属层以3埃/秒和3埃/秒的适当沉积速率蒸发，然后执行剥离工艺，在剥离工艺中，使用3兆帕的压力清洗器件，用丙酮处理60秒，然后用异丙醇处理30秒，最后用去离子水处理60秒；
六、再次将非光敏聚酰亚胺MEAs基材旋涂在聚酰亚胺底层上，依次进行软烘烤和固化，得到厚度为9微米的顶层聚乙酰胺，使用光致抗蚀剂掩蔽晶片，以限定互连线和焊盘，然后利用电子束蒸发仪形成铬/铂金属层，沉积速率分别为3埃/秒和3埃/秒，剥离互连线和焊盘的掩膜；
七、采用铝蚀刻剂湿法蚀刻工艺去除铝牺牲层，得到基于皮层脑电图的多通道柔性MEAs。
本实施例步骤五中所述的微电极网络由60通道的微电极组成，微电极阵列呈“圣诞树”形(如图4所示)，12行微电极平行间隔排布，每行微电极中的微电极单元间隔设置，每个微电极单元的引线从每行微电极的中部引出，引线与互连板相连。该“圣诞树”结构MEAs的FPCB通过Vcut伸出小鼠体外，与顶部和底部的PCB相连(如图7和图8所示)。
本实施例制备得到具有60通道的柔性聚酰亚胺基MEAs。应用柔性FPCB和槽式连接器来提供表面安装的组装，而不需要额外的引线键合工艺，并且为制造的MEAs提供了更容易的信号记录方法。通过电化学阻抗谱对10个MEAs样品进行评估。阻抗证明组装的MEAs具有良好的鲁棒性，可用于同时记录多个神经元的高选择性和高灵敏度的神经元网络。高可靠性和出色的产量可以显著降低价格，并为MEAs在未来生物医学市场追求商业成功提供机会。最后对成年雄性小鼠的颅骨进行活体测试，证明了颅骨的构造非常适合通过这种方法进行信号记录。
Claims (7)
1.基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤实现：
一、将硅衬底浸入HF溶液中去除氧化层，利用等离子体清洗硅衬底，得到清洗后的硅衬底；
二、通过电子束工艺在清洗后的硅衬底表面沉积铝牺牲层；
三、将聚酰亚胺MEAs基材多次旋涂在铝牺牲层上，聚酰亚胺基材通过旋转涂布机分别以500/3000/500的每分钟转数和10/40/5s的相应时间沉积三次，每次3微米，依次进行软烘烤和固化，得到带有厚度为9微米聚酰亚胺底层的衬底；
四、采用光刻工艺对聚酰亚胺层进行图案化定型，在腔压为440～460mTorr、功率620～680W、CF4流量为6～10sccm、O2流量为70～80sccm的条件下，对聚酰亚胺层进行电感耦合等离子体刻蚀处理，得到图案化的衬底；
五、通过光刻工艺形成多通道的微电极网络和互连板，微电极材质为铬/铂金属层，然后经过剥离工艺去除多余的金属层，得到带有微电极网络的晶片；
六、再次将非光敏聚酰亚胺MEAs基材旋涂在聚酰亚胺底层上，依次进行软烘烤和固化，得到厚度为9微米的顶层聚乙酰胺，使用光致抗蚀剂掩蔽晶片，以限定互连线和焊盘，然后利用电子束蒸发仪形成铬/铂金属层，剥离互连线和焊盘的掩膜；
七、采用铝蚀刻剂湿法蚀刻工艺去除铝牺牲层，得到基于皮层脑电图的多通道MEAs；
步骤五中微电极网络的排布方式为：多行微电极平行间隔排布，每行微电极中的微电极单元间隔设置，每个微电极单元的引线从每行微电极的中部引出；微电极网络包含50～70个微电极单元，10～12行微电极平行间隔排布。
2.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤一中HF溶液的质量浓度为10％。
3.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤一中等离子体清洗的工艺过程如下：
在等离子体清洗机中，控制O2/H2的流量比为9000：450sccm，以650W的射频功率、80℃的衬底温度、2Torr的腔室压力清洗30秒。
4.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤一中硅衬底表面粗糙度的均方根值为8.5～8.8nm。
5.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤二中铝牺牲层的厚度为3微米。
6.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤三和步骤六中所述的软烘烤是在100℃下烘烤3分钟，步骤三和步骤六中所述的固化是在300℃下处理3分钟。
7.根据权利要求1所述的基于皮层脑电图的多通道MEAs的制备方法，其特征在于步骤五中铬/铂金属层中铬和铂的沉积速率均为3埃/秒。
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