专利名称：基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微电子机械系统技术领域的方法，具体是一种基于衬底图形
化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法。
背景技术：
植入式生物电极主要用于神经的剌激和脑神经电流的测量，可应用于人工耳蜗或 人造视网膜中，支持或者代替那些有缺陷的组织的功能，使盲人看到图像，聋子听到声音， 生物电极制备技术的发展，将大大改善和提高人们的生活水平。生物电极要求具有柔性，生 物相容性，阻抗小，电极可根据需要进行排布等特点，聚酰亚胺以其绝缘性能佳、生物相容 性好、富有柔性等特点被广泛的应用于生物微电极的封装材料。 经现有文献检索，Metz等在1st Annual International IEEE-EMBS Special TopicConference on Microtechnologies in Medicine&Biology October 12-14，2000， Lyon， France中介绍了一种聚酰亚胺作为生物电极封装材料的微加工工艺，该方法采用双 层聚酰亚胺工艺，利用铝作为掩模，通过感应耦合等离子体(ICP:Inductively Coupled Plasma)干法刻蚀的办法来图形化聚酰亚胺。这种设计能够得到深宽比较大的结构，但缺点 在于感应耦合等离子体刻蚀设备价格昂贵，电极制造成本高。 另经检索发现，HU Mei-Li等在《微电子学》2005年2月第35巻第1期第5页上 的介绍了一种通过氢氧化钠溶液湿法腐蚀来图形化聚酰亚胺的工艺，利用氢氧化钠溶液作 为腐蚀液刻蚀聚酰亚胺酸实现图形化，然后再将图形化后的聚酰亚胺酸固化成聚酰亚胺， 这种方法工艺简单，成本很低，但是各向同性刻蚀会造成图形质量下降，并且在图形化较大 厚度(15微米以上)的聚酰亚胺酸的时候会在聚酰亚胺酸薄膜中产生很大的应力，导致薄 膜开裂，进而将器件损坏。周洪波等在《光学精密工程》2007年第7期，第1056页中介绍了 一种利用光敏型聚酰亚胺作为柔性衬底，并采用光刻图形化的办法，这种方法制作周期短， 图形质量高，但是光敏型聚酰亚胺的成本偏高，不利于大规模的市场化应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于衬底图形化的柔性衬底生物 微电极阵列制备方法，制备所得电极具有器件能够自释放、工艺简单、成本低、生物相容性 好等优点。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 第一步、用去离子水清洗基片后在基片表面涂覆黏附层，再在黏附层上溅射第一 金属种子层。 所述的基片为玻璃或者硅片。 所述的黏附层是指厚度为50-200 ii m的聚二甲基硅氧烷。
所述的第一金属种子层是指厚度为50-150nm的铬铜金属。 第二步、在第一金属种子层上旋涂光刻正胶，再依次以光刻法和电铸法制得第一金属牺牲层，并去除第一金属种子层至露出基片。
所述的第一金属牺牲层的厚度为20-50 ym。 第三步、在第一金属牺牲层上去除第一金属种子层的位置处涂覆第一聚酰亚胺酸 层，经热固化处理制成衬底，再通过抛光机打磨衬底至露出第一金属牺牲层。
所述的第一聚酰亚胺酸层比第一金属牺牲层高1 5微米。 第四步、在衬底表面溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上旋涂正胶，通 过光刻法和电铸法在衬底上制备得到金属电路。 所述的第二层金属种子层是指厚度为50-150nm的铬铜金属。
所述的金属电路的高度2-5iim，线宽为50-200 iim。 第五步、采用与第二步相同的方式在第二金属种子层上制备第二金属牺牲层。
所述的第二金属牺牲层的厚度为10-30 ym，该第二金属牺牲层的形状与第一金属 牺牲层相同。 第六步、去除全部光刻胶，通过光刻法和电铸法在金属电路的两端制成惰性金属 电极，再去除全部光刻胶以及第二金属种子层。 所述的惰性金属电极的高度与第二金属牺牲层相同，其直径为50-200 ym。
第七步、采用与第三步相同的方式在惰性金属电极上制成第二聚酰亚胺酸层。
第八步、去除第一金属牺牲层和第二金属牺牲层以及在牺牲层中间的第一金属种 子层和第二金属种子层，从而实现聚酰亚胺的图形化，然后将上述器件浸泡在无水乙醇中， 将器件从基片上剥离，制得柔性衬底生物微电极阵列。 本发明与现有技术相比的优点在于仅仅利用了抛光机打磨、光刻、电铸的方法进 行柔性衬底图形化，工艺简单，成本低，成品率高；其次是采用金属牺牲层工艺实现柔性衬 底图形化，柔性衬底图形化质量高，采用聚酰亚胺和金等生物相容材料，生物相容性好。
图1为本发明工艺流程图； 其中1基片、2黏附层、3第一金属种子层、4第一金属牺牲层、5第一聚酰亚胺层、 6第二金属种子层、7金属电路、8第二金属牺牲层、9惰性金属电极、10第二聚酰亚胺层。
图2为样品截面图； 其中5第一聚酰亚胺层、6第二金属种子层、7金属电路、9惰性金属电极、10第二 聚酰亚胺层。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 实施例1 生物微电极阵列结构参数玻璃基片，聚二甲基硅氧烷厚度50ym，生物微电极总 厚度30 ii m，铜电路高度5 ii m，线宽50 ii m，金电极高度8 y m，直径为50 y m。
如图1所示，本实施例制备过程如下
(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷粘附层的制备 采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理用丙酮、酒精和去离子水 超声清洗干净，在18(TC真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂厚度为50ym厚的聚二甲 基硅氧烷2，转速为2000rpm，在8(TC下2小时进行固化。随后在聚二甲基硅氧烷2表面溅 射50nm的第一铬/铜金属种子层3。
(2)第一金属牺牲层的制备 旋涂厚度为20iim的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光 时间为180秒，显影时间为240秒，电铸厚度20 ii m的第一铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻 胶，先后采用用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属 种子层3。 (3)第一聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为25iim的聚酰亚胺酸，转速为1500rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨第 一聚酰亚胺层表面使第一金属牺牲层3暴露。
(4)金属电路的制备 在第一聚酰亚胺层表面溅射50nm的第二铬/铜金属种子层6，旋涂5 y m厚的正胶 AZ4620，采用德国KarlSuss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为90秒，电 铸厚度5 ii m、宽度50 ii m的铜金属电路7 。
(5)第二金属牺牲层的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂10iim厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6 光刻机曝光，曝光时间为100秒，显影时间为150秒，电铸厚度10 ii m的第二铜金属牺牲层 8。 (6)惰性金属电极的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂10iim厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6
光刻机曝光，曝光时间为100秒，显影时间为150秒，电铸高度10iim的金惰性金属电极9。
用丙酮去除光刻胶。先后用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合溶液去除第二
铬/铜金属种子层6。 (7)第二聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为15 ii m的聚酰亚胺酸，转速为2000rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成第二聚酰亚胺层10。用抛光机打磨第二聚酰 亚胺层表面使第二铜金属牺牲层8以及金电极9暴露。
(8)金属牺牲层的去除及器件剥离 用硝酸去除第一铜金属牺牲层4和第二铜金属牺牲层8以及在牺牲层中间的第一 金属种子层3和第二金属种子层6，将片子置于酒精中使聚二甲基硅氧烷粘附层2失去活 性，然后将器件释放。
实施例2 生物微电极阵列结构参数玻璃基片，聚二甲基硅氧烷厚度200ym，生物微电极 总厚度60iim，铜电路高度2iim，线宽100iim，金电极高度18iim，直径为100 y m。
如图1所示，本实施例制备过程如下
(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷粘附层的制备 采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理用丙酮、酒精和去离子水 超声清洗干净，在18(TC真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂厚度为200 i！ m厚的聚二 甲基硅氧烷粘附层2，转速为600rpm，在8(TC下2小时进行固化。随后在聚二甲基硅氧烷表 面溅射100nm的第一铬/铜金属种子层3。
(2)第一金属牺牲层的制备 旋涂厚度为40iim的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光 时间为350秒，显影时间为500秒，电铸厚度40 ii m的第一铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻 胶，先后采用用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属 种子层。 (3)第一聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为45iim的聚酰亚胺酸，转速为1000rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨柔 性第一聚酰亚胺层表面使第一铜牺牲层3暴露。
(4)金属电路的制备 在第一聚酰亚胺层表面溅射100nm的第二铬/铜金属种子层6，旋涂5 y m厚的正 胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为90秒， 电铸厚度2iim、宽度100iim的铜金属电路7。
(5)第二金属牺牲层的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂20iim厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6 光刻机曝光，曝光时间为180秒，显影时间为240秒，电铸厚度20 ii m的第二铜金属牺牲层 8。 (6)惰性金属电极的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂20iim厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6 光刻机曝光，曝光时间为180秒，显影时间为240秒，电铸高度18 ii m，直径100 y m的金惰性 金属电极9。用丙酮去除光刻胶。先后用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合 溶液去除第二铬/铜金属种子层6。
(7)第二聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为25 ii m的聚酰亚胺酸，转速为1500rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成第二聚酰亚胺层10。用抛光机打磨第二聚酰 亚胺层表面使第二铜金属牺牲层8以及金惰性金属电极9暴露。
(8)金属牺牲层的去除及器件剥离 用硝酸去除第一铜金属牺牲层4和第二铜金属牺牲层8以及在牺牲层中间的第一 金属种子层3和第二金属种子层6，将片子置于酒精中使聚二甲基硅氧烷粘附层2失去活 性，然后将器件释放。
实施例3 生物微电极阵列结构参数玻璃基片，聚二甲基硅氧烷厚度lOOym，生物微电极 总厚度80 ii m，铜电路高度2 ii m，线宽200 ii m，金电极高度28 y m，直径为200 y m。
如图1所示，本实施例制备过程如下
(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷粘附层的制备 采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理用丙酮、酒精和去离子水 超声清洗干净，在18(TC真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂lOOym厚的聚二甲基硅 氧烷粘附层2，转速为1000rpm，在8(TC下2小时进行固化。随后在聚二甲基硅氧烷2表面 溅射150nm的第一铬/铜金属种子层3。
(2)第一金属牺牲层的制备 旋涂厚度为50iim的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光 时间为460秒，显影时间为700秒，电铸厚度50 ii m的第一铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻 胶，先后采用用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属 种子层。 (3)第一聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为55 ii m的聚酰亚胺酸，转速为800rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨第 一聚酰亚胺层表面使第一铜金属牺牲层3暴露。
(4)金属电路的制备 在第一聚酰亚胺层表面溅射150nm的第二铬/铜金属种子层6，旋涂5 y m厚的正 胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为90秒， 电铸厚度2 ii m、宽度200 ii m的铜金属电路7 。
(5)第二金属牺牲层的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂30iim厚的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6 光刻机曝光，曝光时间为260秒，显影时间为300秒，电铸厚度30 ii m的第二铜金属牺牲层 8。 (6)惰性金属电极的制备 用丙酮去除光刻胶。旋涂30iim厚的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6
光刻机曝光，曝光时间为260秒，显影时间为300秒，电铸高度28 ii m的金惰性金属电极9。
用丙酮去除光刻胶。先后用氨水、双氧水混合溶液和铁氰化钾、氢氧化钠混合溶液去除第二
铬/铜金属种子层6。 (7)第二聚酰亚胺层的制备 旋涂厚度为35 ii m的聚酰亚胺酸，转速为1200rpm，采用阶梯升温法(从 80°C —12(TC —18(TC —28(TC )热固化形成第二聚酰亚胺层10。用抛光机打磨第二聚酰 亚胺层表面使第二铜金属牺牲层8以及金电极9暴露。
(8)金属牺牲层的去除及器件剥离 用硝酸去除第一铜金属牺牲层4和第二铜金属牺牲层8以及在牺牲层中间的第一 金属种子层3和第二金属种子层6，将片子置于酒精中使聚二甲基硅氧烷粘附层2失去活 性，然后将器件释放。
权利要求
一种基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、用去离子水清洗基片后在基片表面涂覆黏附层，再在黏附层上溅射第一金属种子层；第二步、在第一金属种子层上旋涂正胶，再依次以光刻法和电铸法制得第一金属牺牲层，并去除第一金属种子层至露出粘附层；第三步、在第一金属牺牲层及粘附层上旋涂聚酰亚胺酸，经热固化处理制成衬底第一聚酰亚胺层，再通过抛光机打磨衬底至露出第一金属牺牲层；第四步、在衬底表面溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上旋涂正胶，通过光刻法和电铸法在衬底上制备得到金属电路；第五步、去除全部光刻胶，采用与第二步相同的方式在第二金属种子层上制备第二金属牺牲层；第六步、去除全部光刻胶，通过光刻法和电铸法在金属电路的两端制成惰性金属电极，再去除全部光刻胶以及第二金属种子层；第七步、采用与第三步相同的方式在惰性金属电极、金属电路、第二金属牺牲层以及第一聚酰亚胺层表面制成第二聚酰亚胺层；第八步、去除第一金属牺牲层和第二金属牺牲层以及在牺牲层中间的第一金属种子层和第二金属种子层，从而实现聚酰亚胺的图形化，然后将上述器件浸泡在无水乙醇中，将器件从基片上剥离，制得柔性衬底生物微电极阵列。
2. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的基片为玻璃或者硅片。
3. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的黏附层是指厚度为50-200 ii m的聚二甲基硅氧烷。
4. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的第一属种子层和第二金属种子层是指厚度为50-150nm的铬-铜金属
5. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的第一金属牺牲层的厚度为20-50 ym。
6 >. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的第一聚酰亚胺层比第一金属牺牲层高1 5ym。
7. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的第二层金属种子层是指厚度为50-150nm的铬-铜金属。
8. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的金属电路的高度2-5 y m，线宽为50-200 y m。
9. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其特 征是，所述的第二金属牺牲层的厚度为10-30 ym，该第二金属牺牲层的形状与第一金属牺 牲层相同。
10. 根据权利要求1所述的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，其 特征是，所述的惰性金属电极的高度与第二金属牺牲层相同，其直径为50-200 ii m。
全文摘要
一种微电子机械系统技术领域的基于衬底图形化的柔性衬底生物微电极阵列制备方法，包括基片处理及聚二甲基硅氧烷粘附层的制备；第一金属牺牲层的制备；第一聚酰亚胺层的制备；金属电路的制备；第二金属牺牲层的制备；惰性金属电极的制备；第二聚酰亚胺层的制备和第一、第二金属牺牲层的去除及器件剥离。本发明工艺简单，成本低，成品率高；其次是采用金属牺牲层工艺实现柔性衬底图形化，柔性衬底图形化质量高，采用聚酰亚胺和金等生物相容材料，生物相容性好。
文档编号B81C99/00GK101700869SQ200910309599
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者刘景全, 周然, 徐旻, 陈翔, 陈迪 申请人:上海交通大学