专利名称：一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，具体涉及一 种用硅三维针尖阵列制备出的基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列的制 作方法，其用于视网膜下植入手术，属于微机械加工技术领域。
技术背景近年来，随着微机械加工技术和临床眼科手术学的不断发展，利用人工视 网膜修复技术，可对由于视网膜色素变性(RP)和老年人黄斑变性(AMD)等视 网膜病变引起致盲的眼疾患者，起到恢复部分视觉感受的功效。如何制作出生物兼容性良好、电极阵列密度高，并能提供有效刺激效果的 视网膜电极阵列芯片，是人工视网膜修复技术的关键。目前，依靠微电子机械 系统(MEMS—Micro Electromechanical System)工艺技术制作而成的微电极阵 列芯片在人工视网膜修复方面有很好的发展前途。现有技术中，美国加州理工学院戴聿昌小组在本领域有一些值得借鉴的成 果，在对比文件"Flexible Paxylene-based Microelectrode Technology for Intraocular Retinal Prosthesis" In Proc， IEEE-NEMS2006， Zhuhai， China, Jan. 18-21， 2006中，戴聿昌小组成员利用生物兼容性良好的 Parylene聚合物材料，成功地制作出基于Parylene衬底的平面电极阵列芯片， 并且己经进行相关的人体试验。实验结果表明Parylene具有良好生物兼容性， 可以在人体视网膜环境长期存在，并且不会对视网膜环境造成破坏作用。不过， 目前该小组在如何提高电极阵列密度方面遇到了技术困难，尽管他们尝试采用 多层布线方式来提高阵列密度，但由于单个电极的面积不能减小，导致必需通
过增大芯片总面积的方法来提高阵列数目，结果将导致芯片设计难度和植入手 术难度增加。上海交通大学刘景全等人公开的发明专利(中国专利公开号CN 101149559A，发明名称为"用光刻胶热熔法制备球形凸起生物微电极阵列的方 法")中，提出了用光刻胶热熔法来制备球形凸起生物微电极阵列的方法，该方 法的主要特征是利用光刻胶回流的方法形成凸起的球形点，进而形成球形凸 起的柔性微电极阵列。其主要步骤是1)在硅片上溅射金属后旋涂光刻胶，光 刻后形成小圆柱凸起结构；2)在烘箱中加热熔化光刻胶，形成具有半球形结构 的凸点；3)覆盖一层聚合物，并溅射金属，进行图形化形成电极和连线；4) 覆盖第二层聚合物并刻蚀电极顶端；5)去除光刻胶，释放出电极结构。这种电 极结构制作方式具有工艺较简单，工艺成本较低，以及电极与神经细胞的接触 面积大等优点；但却存在以下突出不足其一，用回流方法所形成的凸起结构 的高度一般都不高，造成凸起效果不明显；其二，对后续的布线(尤其是多层 布线)造成困难，不利于高密度阵列的芯片结构设计；其三，由于经过热熔处 理，光刻胶将引入较多的热应力，在后续工艺中可能会引起金属连线的变形甚 至裂开。 发明内容为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于Parylene的三维针尖 电极阵列的制作方法，其利用硅三维针尖阵列制备出基于Parylene柔性衬底的 三维针尖电极阵列，可用于视网膜下植入手术；其类似于三明治结构的 Parylene-金属层-Parylene三层结构既保证了视网膜修复芯片与视网膜神经充分接触，又提高了芯片电极阵列密度；并且芯片所具有的针尖电极放电特征增 强了对视网膜的刺激效果。根据本发明制作的三维针尖电极阵列降低芯片的功 耗和面积，增强视网膜芯片的修复效果，更好地适应了视网膜下植入手术的要 求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其结构特征是首先，在硅衬底 上腐蚀出硅的三维针尖阵列结构，作为Parylene柔性衬底三维结构的模型；其 次，在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构， 并作为最终器件的衬底材料；然后，在Parylene上用金属剥离的方法形成针尖 电极和导线；接下来，覆盖第二层Parylene作为绝缘层和保护层，旋涂光刻胶 并图形化和刻蚀后露出电极的针尖部分；最后，连同Parylene-金属-Parylene 结构从硅片上撕下来，得到具有柔性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针 尖电极阵列。所述三维针尖阵列具有突起的特点，电极的刺激点高于基底材料平面，并 且突起的最上端部分呈针尖形状，所述电极阵列为类似于三明治结构的 Parylene-金属层-Parylene三层结构。一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其包括以下步骤 步骤l清洗硅片，在硅片表面上旋涂正性的光刻胶，光刻形成后续深刻蚀的 掩膜；步骤2利用各向异性的深刻蚀方法刻蚀硅衬底形成硅圆柱体阵列结构，去除 剩余的光刻胶；歩骤3利用各向同性湿法腐蚀的方法腐蚀硅衬底修饰硅圆柱体结构，使其形 成锥形针尖形貌，此时形成的硅针尖阵列结构作为最终所制作器件的模子，并 且作多次重复备用；步骤4在步骤3的基础上淀积一层生物兼容性良好的Parylene薄膜，这层薄 膜将复制出硅的三维针尖结构，并作为Parylene三维针尖电极结构的衬底；步骤5在Parylene上甩上一层光刻胶并图形化，淀积金属层后剥离形成金属 针尖电极和导线； 步骤6在步骤5的基础上覆盖第二层Pa;rylene薄膜，然后旋涂光刻胶并图形 化露出针尖对应的Parylene窗口部分，用干法刻蚀的方法去除Parylene使露出 针尖电极部分，然后去除剩余光刻胶；步骤7将上述步骤所形成的Parylene-金属-Parylene结构在脱模剂的作用下 直接从硅衬底上撕下来。本发明的有益效果本发明所制作的Pairlene三维针尖电极阵列具有生物兼 容性和柔性基底结构，最终的结构转印了硅衬底的三维针尖阵列结构的模型， 这样的硅衬底的三维针尖阵列结构模型可以重复使用多次。与现有技术相比， 用硅三维针尖阵列制备出的基于Parylene三维针尖电极阵列制作方法有以下几 个优点1. 用硅衬底所制作出三维针尖阵列结构，可以多次作为后续Parylene转印的 模型，只要制作出一块合格的硅三维针尖阵列结构，就可以批量制作出样式基 本一样的Parylene三维针尖电极阵列结构，这样既有利于减少工艺步骤，也可 大大的降低工艺成本；2. 由于三维电极针尖的突起特点，并且针尖突起的高度在工艺上也比较容易 控制，这样在视网膜植入手术后，可以使芯片更好地与视网膜贴合，使电极刺 激部位更好地接触视神经细胞；3. 由于三维针尖电极具有的针尖放电的特点，可以提供更有效的电流刺激；4. 三维针尖阵列的实现，在同样的条件下所需电流刺激更少，从而可以减小 电极阵列中单个电极的面积和功耗，提高电极阵列密度，使制备具有更大规模 电极阵列的视网膜下修复芯片成为可能。
图1为本发明制作流程示意图；其中， 图l-l为硅片上图形化后的光刻胶示意图1-2为光刻硅衬底经过ICP (Inductively Coupled Plasma,感应耦合 等离子体)刻蚀以后的柱状结构示意图；图l-3为用HNA (HF/Nitric/Acetic Acid，即按一定配比的氢氟酸、硝酸 和醋酸的混合酸)腐蚀液修饰后形成的硅的锥形针尖结构示意图； 图1-4为硅片三维针尖结构上覆盖了一层Parylene薄膜示意图； 图1-5为Parylene上金属剥离后形成针尖电极和导线示意图； 图l-6为金属层上覆盖了第二层Parylene薄膜示意图； 图1-7为刻蚀露出电极针尖并撕下后得到的针尖电极阵列示意图； 图2为所发明的三维针尖阵列的特征形貌图(忽略第二层Parylene);其中， 图2-l为三维针尖电极阵列的仿真形貌示意图； 图2-2为Parylene三维针尖电极背腔掏空的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述实施例l图l为根据本发明的Parylene三维针尖电极阵列的制作流程为步骤l如附图l-l，清洗硅片，在硅片上旋涂一层厚度10)im左右的普通正性光刻胶并光刻；步骤2如附图1-2，用各向异性的工CP刻蚀机对硅进行深刻蚀，得到高度约50^im 的硅柱状体，然后去除光刻胶；步骤3如附图l-3，用各向同性的HNA腐蚀液对硅柱状体结构进行修饰，形成 硅锥形针尖形貌，得到的针尖高度约3(Vm;步骤4如附图1-4，淀积一层Parylene薄膜约10^im，作为三维电极阵列的衬 底结构；步骤5旋涂一层厚度约30pm的AZ4620型的正性光刻胶，并图形化；然后如附
图1-5所示，溅射粘附层钛和导电层金，厚度分别为500A和5000A，去除光刻胶 可剥离得到电极和导线；步骤6如附图1-6所示，覆盖第二层Parylene，厚度约5jam，作为绝缘层和保 护层；然后旋涂厚度约30pm的AZ4620型的光刻胶，图形化光刻后露出针尖对应 的Parylene窗口部分；最后用氧等离子干法刻蚀机刻蚀Parylene，直至露出针 尖电极的上端部分；步骤7如附图1-7所示，在脱模剂作用下将硅片上的Parylene-金属-Parylene 结构从硅衬底上撕下来，释放出针尖电极的结构。最终得到的是基于Parylene衬底的三维针尖电极阵列结构，这种结构除了露 出来的针尖部分，正面和背面都有Parylene包裹着，起到绝缘和保护作用，保 证了植入芯片的可靠性。另外，三维针尖的阵列结构也确保与视网膜相贴合， 并保证了电流剌激的有效性。实施例2结合图l和图2的基于Parylene的三维针尖电极阵列，其具有突起的 特点，电极的刺激点高于基底材料平面，并且突起的最上端部分呈针尖形状， 形成如图中所示的类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构。 该三层结构的具体布局为首先，在硅衬底上腐蚀出硅的三维针尖阵列结构， 作为Parylene柔性衬底三维结构的模型，并在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的 Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构，作为最终器件的衬底材料；然后，在 Parylene上用金属剥离的方法形成针尖电极和导线；接下来，覆盖第二层 Parylene作为绝缘层和保护层，旋涂光刻胶并图形化和刻蚀后露出电极的针尖 部分；最后，连同Parylene-金属-Parylene结构从硅片上撕下来，得到具有柔 性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针尖电极阵列。实施例3图2为忽略第二层Parylene的Parylene三维针尖电极阵列形貌特
征，其中，图2-l为三维针尖电极阵列的仿真形貌示意图，是淀积金属并图形 化后的效果；图2-2为Parylene三维针尖电极背腔掏空的示意图，其中Parylene 针尖电极对应的背面是空的。这种用硅衬底所制作出的硅三维针尖阵列结构， 可以多次作为后续Parylene转印的模型，只要制作出一块合格的硅三维针尖阵 列结构，就可以批量制作出样式基本一样的Parylene三维针尖电极阵列结构。
权利要求
1. 一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其结构特征是首先，用结合干法刻蚀和湿法腐蚀的方法在硅衬底结构上形成硅三维针尖阵列，作为Parylene柔性衬底三维结构的模型；其次，在硅衬底上覆盖一层均匀性良好的Parylene薄膜转印衬底的针尖阵列结构，并将其作为最终器件的衬底材料；然后，在Parylene上用金属剥离的方法形成针尖电极和导线，并覆盖第二层Parylene作为绝缘层和保护层，接着旋涂光刻胶并图形化，干法刻蚀Parylene后露出电极的针尖部分；最后，连同Parylene和金属从硅片上撕下来，得到具有柔性特点和良好生物兼容性的Parylene三维针尖电极阵列，以作为视网膜下视觉修复芯片。
2. 根据权利要求l所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其特征 是，所述三维针尖阵列具有突起的特点，电极的刺激点高于Paiylene基底材料 平面，并且突起的最上端部分呈针尖形状，所述电极阵列为类似于三明治结构 的Parylene-金属层-Parylene三层结构。
3. 根据权利l所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列，其特征是， 所述结合干法和湿法腐蚀的方法是指先用各向异性的方法刻蚀出硅圆柱体阵 列结构；然后用各向同性的腐蚀液修饰衬底硅片；最后形成硅三维针尖阵列结 构；该硅衬底结构作为Parylene转印模型，多次重复使用。
4. 一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其特征是，包括以下步骤歩骤l:清洗硅片，在硅片表面上旋涂正性的光刻胶，光刻形成后续深刻 蚀工艺的掩膜；步骤2:用各向异性的深刻蚀方法刻蚀硅衬底形成硅圆柱体阵列结构，去除剩余的光刻胶；步骤3:利用各向同性湿法腐蚀的方法腐蚀硅衬底修饰硅圆柱体结构，使 其形成锥形针尖形貌；步骤4:在步骤3的基础上淀积一层生物兼容性良好的Parylene薄膜，作 为Parylene三维针尖电极结构的衬底；步骤5:在Parylene上甩上一层正性光刻胶并图形化，淀积金属层后剥离 形成金属针尖电极和导线；步骤6:在步骤5的基础上覆盖第二层Parylene薄膜，然后旋涂正性光刻 胶并图形化露出针尖对应的Parylene窗口部分，用干法刻蚀的方法去除 Parylene使露出针尖电极部分，去除剩余光刻胶；歩骤7:将上述歩骤所形成的Parylene-金属-Parylene结构在脱模剂的作 用下从硅衬底上撕下来。
5.根据权利要求4所述的一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作 方法，其特征是所制备的Parylene三维针尖电极阵列结构只是复制了硅衬底 三维针尖的形貌，针尖电极对应的背面是掏空的。
全文摘要
一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法，其特征是，利用硅三维针尖阵列制备出基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列，该电极阵列是一种类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构，可用于针对人工视网膜修复的视网膜下植入手术。根据本发明制作的三维针尖电极阵列能有效提高芯片电极阵列的密度，降低芯片的功耗和面积，增强视网膜芯片的修复效果，更好地适应了视网膜下植入手术的要求。
文档编号G03F7/26GK101398614SQ20081011995
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者李志宏, 黄贤炬 申请人:北京大学