能抑制光噪声的微电极、采用其的电路及其制备方法与流程

本发明涉及微传感器技术领域，尤其涉及一种能抑制光噪声的微电极、采用其的电路及其制备方法。

背景技术：

硅基微电极是神经科学研究的重要工具，通常采用硅作为衬底，在器件中起支撑作用，上层为绝缘层、金属导体、绝缘层的传统的“三明治”电极结构，硅衬底和金属电极之间由绝缘层隔开，示意图如图2。

由于微电极尺寸很小，通常其横向尺寸都在几十到几百个微米的量级，记录到的信号十分微弱。在硅基微电极使用的过程中，由于硅衬底对光的敏感性，光在硅衬底中产生的非平衡载流子会对电极信号产生影响，主要表现为有光时，电极光噪声非常大。硅是目前微加工应用最为成熟的材料之一，其机械强度与不锈钢相当，而且可以与电路集成，是目前乃至未来的主要研究方向。硅基微电极在使用过程中不可避免的会有光的参与，前期研究表明，普通的只用作记录的硅电极在日光灯乃至白天室内光线下都会有光噪声产生，并且幅度很大，有些情况会直接导致信号的丢失。除此之外，作为微电极刺激作用的工具之一，与光遗传结合的光电极的研究显得尤为重要，其中硅电极需要与各种光源配合使用，为了确保光电极器件的稳定刺激与记录性能，解决硅基微电极的光噪声问题非常迫切。

技术实现要素：

为了至少部分地解决上述硅基微电极的光噪声问题，本发明提出一种可以抑制光噪声的硅基微电极结构。

根据本发明的一个方面，提供了一种能抑制光噪声的微电极，其特征在于，包括衬底、接地金属层、下绝缘层、电极层和上绝缘层，其中：

衬底采用在光照条件下能产生光生载流子的半导体材料来制备，优选为硅、锗、砷化镓材料，进一步优选采用硅衬底；

接地金属层与电极层不电导通。

其中，衬底与接地金属层结合的部位具有能和金属形成良好的欧姆接触的掺杂浓度；

作为优选，所述接地金属层的位置在衬底的正面、背面或内部。

其中，所述接地金属层采用铬、钛、金、钛金合金、铬金合金、石墨烯或无定形碳来制备。

其中，所述接地金属层在使用时，通过接地通孔与放大电路的地相连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种能抑制光噪声的微电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在体掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3的轻掺杂的衬底上形成表面掺杂浓度大于10¹⁸cm^-3的重掺杂衬底结构；所述衬底采用在光照条件下能产生光生载流子的半导体材料来制备，优选采用硅、锗、砷化镓材料，进一步优选采用硅来制备；

b、在上述步骤a得到的衬底结构上形成网格化的接地层；

c、在上述步骤b得到的衬底结构上生长下绝缘层；

d、采用正性光刻胶做掩膜对准套刻，并采用干法刻蚀的方法去除接地孔上方的下绝缘层，暴露接地孔并清除表面光刻胶；

e、通过光刻标记对准光刻，在上述步骤d得到的下绝缘层上形成金属线条结构；

f、在上述步骤e得到的金属线条结构上生长上绝缘层；

g、采用正性光刻胶进行对准套刻，然后用光刻胶做掩膜进行干法刻蚀，刻蚀出记录点和金丝压焊需要的垫盘，最后清洗光刻胶，完成所述能抑制光噪声的硅基微电极的制备。

其中，所述步骤a中，所述轻掺杂的衬底为电阻率为1-10ω·cm的n型轻掺杂衬底；

所述步骤a中，形成表面重掺杂的衬底结构的步骤是通过高浓度离子扩散或注入来实现的；

作为优选，表面重掺杂的衬底的表面具有扩散浓度为10¹⁸cm^-3的磷，扩散深度为300nm；

作为优选，所述步骤b中，形成网格化的接地层的步骤是通过采用负性光刻胶在衬底上做光刻，形成需要的空白网格状，真空蒸镀金属层，然后去除光刻胶，得到所述的网格化的金属接地层；

作为优选，蒸镀的金属层为cr/au/cr，厚度分别为12nm/150nm/12nm。

其中，所述步骤c中，生长下绝缘层的步骤是通过化学气相沉积pecvd来实现的；

作为优选，下绝缘层为sio2/sixny的复合膜，厚度为500nm；

作为优选，所述步骤e中，采用负性光刻胶对准光刻，形成空白的金属线条形貌，然后蒸发形成金属层，在丙酮中剥离光刻胶，清洗干净后形成所述金属线条结构；

作为优选，蒸发形成的金属层为cr/au/cr，厚度为12nm/150nm/12nm；

作为优选，所述步骤f中，上绝缘层采用sio2/sixny/sio2＝200nm/700nm/200nm的复合膜结构。

其中，还包括步骤h：

h、对制备完成的衬底根据电极大小进行划片，然后将电极固定在做好的pcb板上，将电极压焊点垫盘引出，通过金属丝将衬底上的接地层接地，从而达到降低光噪声的目的。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种通过如上所述的能抑制光噪声的微电极的制备方法制备得到的微电极。

根据本发明的还一个方面，还提供了一种采用如上所述的能抑制光噪声的微电极的电路。

从上述技术方案可以看出，本发明制备硅基微电极的方法具有以下有益效果：

(1)采用轻掺杂的硅片作为衬底，很好的利用了轻掺杂硅柔韧性好，可以与cmos电路集成、成本低等优势；

(2)考虑到了与光结合使用的硅电极的应用场景，可以通过减小光引起硅电极噪声的方法提高光电极记录信号的信噪比，提高电极的稳定性；将作为电极支撑的硅衬底通过掺杂、生长金属层并在其上的绝缘层上刻出通孔接地，可以大幅降低或消除硅衬底中光生载流子对上层神经电极的信号干扰，有效地解决了光对硅基微电极、特别是轻掺杂的硅衬底造成的噪声干扰；

(3)由于硅电极采集信号的垂直结构以及电极界面直接与被测物接触的特性，其本身是无封装的，在满足这一条件的基础上增强了硅电极抗光噪声干扰的能力；

(4)在mems成熟工艺的基础上，通过改进电极结构进而达到减小噪声的目的，更利于向多种类型的基于平面工艺的电极结构推广。

附图说明

图1是本发明的具有抗光干扰能力的硅基微电极的结构示意图；

图2是现有技术中的硅基微电极的结构示意图；

图3是依照本发明一实施例制备的抑制光噪声的硅基微电极的方法步骤流程图；

图4是本发明的抑制光噪声的硅基微电极的一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都是用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本发明可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的抑制光噪声的电极主要是运用接地“引流”的方法，将硅衬底中产生的非平衡少子通过金属层收集然后接地引走，从而避免了对上层电极信号产生的影响。本发明通过实验的方法对照验证了新型的硅基电极结构可以有效的抑制光噪声的产生，提高了电极采集信号的信噪比。

本发明的可以抑制光噪声的硅基微电极结构如图1所示。在以硅为支撑材料的微电极结构中，作为衬底的硅会因光照产生非平衡载流子，继而对其上层的电极信号造成扰动。将作为电极支撑的硅衬底通过掺杂、生长金属层并在其上的绝缘层上刻出通孔接地，可以大幅降低或消除光对硅基微电极、特别是轻掺杂的硅衬底造成的噪声干扰。

具体地，本发明公开了一种无封装的，直接在成熟的mems工艺的基础上，采用在轻掺杂衬底上添加接地层并引出接地的新型电极结构来抑制硅基微电极的光噪声，测试效果与重掺杂衬底的电极光噪声特性相似。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种减小光噪声的新型电极结构制备方法如图3所示，具体实验工艺结构如图4，本实施例的方法包括：

a.选择硅片，表面高浓度离子扩散或注入。例如选择尺寸为4寸，厚度为300μm，电阻率为1-10ω·cm的n型轻掺杂硅片，为了保证衬底与接底层良好的电接触特性，首先在衬底表面扩散浓度为1×10¹⁸cm^-3的磷，扩散深度为300nm，形成表面重掺杂的衬底结构；

b.形成网格化接地层。采用负胶ar-4340在衬底上做一次光刻，形成需要的空白网格状，真空蒸镀金属层cr/au/cr＝12nm/150nm/12nm，然后在丙酮中浸泡剥离，清洗干净后形成网格状的金属层；

c.pecvd生长下绝缘层。考虑到pecvd生长绝缘层的致密性问题，设置绝缘层类型为sio2/sixny的复合膜，厚度为500nm；

d.正胶掩膜对准套刻并刻蚀出接地孔。用正胶ar-4620对准套刻，然后采用干法刻蚀的方法去除接地孔上方的复合膜sio2/sixny，暴露接地孔并清除表面光刻胶；

e.对准光刻，形成金属线条结构。首先采用负胶ar-4340对准光刻，形成空白的金属线条形貌，然后蒸发金属层cr/au/cr＝12nm/150nm/12nm，在丙酮中浸泡剥离，清洗干净后形成电极线条结构；

f.pecvd生长上绝缘层。由于pecvd生长的绝缘层存在应力问题，通常sio2为压应力，生长的sixny可以根据混合气体的性质、浓度、气压等条件的不同既可以表现为压应力也可以表现为张应力，因此为了平衡薄膜间的应力问题，并根据本发明人前期的研究成果，上绝缘层采用sio2/sixny/sio2＝200nm/700nm/200nm的复合膜结构。

g.正胶对准套刻并干法刻蚀出电极结构。采用正胶ar-4620进行最后的对准套刻，然后用光刻胶做掩膜进行干法刻蚀，刻蚀出记录点和金丝压焊需要的pad，最后清洗光刻胶，完成整个的减小光噪声的轻掺杂衬底的新型电极的工艺制备流程。

h.划片后封装。对制备完成4寸片根据电极大小进行划片，然后将电极固定在做好的pcb板上，将电极压焊点pad引出，特别注意需要引出接地孔对应的电极pad点，测试时通过金属丝将整个的电极衬底接地，从而达到降低光噪声的目的。

在一个实施方式中，该抑制光噪声的硅基微电极的制备方法，包括以下步骤：将体掺杂浓度小于10¹⁶cm^-3的轻掺杂硅衬底进行高浓度离子扩散，形成表面低电阻率的硅衬底；在衬底上旋涂光刻胶，通过光刻暴露出需要有金属的部分；生长金属层，然后通过剥离将金属层图形化，注意不要使金属层裸露在电极针体边缘；在图形上生长绝缘层，旋涂光刻胶，进行对准套刻，之后刻蚀绝缘层露出需要引出的接地孔；旋涂光刻胶，通过光刻形成线条形貌，生长金属，剥离出电极线条；生长上绝缘层并进行对准套刻，清洗光刻胶后形成新型电极结构，将电极封装到pcb板上，通过压焊点pad将衬底接地点引出后与放大器的地连接，测试可得可以抑制光噪声的硅基微电极结构。

至此，本实施例介绍完毕。本领域技术人员根据上述描述，应当对本发明制备抑制光噪声的硅基微电极结构有了清楚的认识。

此外，需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)接地金属层的类型可以改变，可以为铬、钛、金、钛金合金、铬金合金、石墨烯或无定形碳。

(2)接地金属层的厚度可以改变，可以为任意厚度；

(3)下绝缘层的厚度可以改变，可以为任意厚度；

(4)对衬底的掺杂浓度可以改变，可以为大于10¹⁸cm^-3以上的任意值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。