專利名稱：一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片及其制備方法
一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片及其制備方法技術領域
本發(fā)明屬于半導體制造、化工、集成光學和神經(jīng)工程技術領域，具體來說，涉及一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片及其制備方法。
背景技術：
隨著對神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，細胞級的神經(jīng)細胞活動調制對于研究神經(jīng)活動在神經(jīng)網(wǎng)絡中傳輸擴散的性質，建立神經(jīng)網(wǎng)絡機能模型至關重要。與此同時，一些復雜神經(jīng)疾病，和對通常治療方法有抗性的動作或情緒失常，如帕金森病、張力障礙、運動神經(jīng)元病、阿茲海默癥甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其機理逐漸被揭示出來，屬于神經(jīng)系統(tǒng)或腦部功能區(qū)域神經(jīng)元細胞的衰退所致，對神經(jīng)信號的細胞級人工激勵是治愈和緩解這些癥狀的有效手段之。因此一種新型神經(jīng)交互裝置得到了發(fā)展，這種裝置對神經(jīng)細胞進行人工激勵， 同時對受激產(chǎn)生的神經(jīng)信號進行記錄，完成所謂交互的過程。由于神經(jīng)電生理信號的電本質，傳統(tǒng)的神經(jīng)激勵信號為電信號，傳統(tǒng)的植入式裝置由電信道和植入電極構成。近車來， 隨著基因技術的發(fā)展，在其輔助下可見光信號成為對神經(jīng)系統(tǒng)進行細胞級激勵的有效媒介。相比神經(jīng)電激勵，神經(jīng)光激勵有以下優(yōu)點
1、使用獨立信道，不受電生理環(huán)境影響。
通過微電極向組織生理環(huán)境注入激勵電流，會與激勵起的神經(jīng)電信號相互作用、 干擾；而光束與神經(jīng)電信號不會相互干擾。
2、對生物有機體副作用很小。
長期植入時，注入電流的并發(fā)癥與副作用不可忽視；而光束為安全的信號，不會影響生理環(huán)境。
3、配合相應的基因手段能夠實現(xiàn)神經(jīng)活動的激發(fā)與抑制。
電激勵僅能實現(xiàn)神經(jīng)細胞的激發(fā)，不能實現(xiàn)神經(jīng)活動的抑制；而借助相應基因工程手段，光激勵能夠實現(xiàn)神經(jīng)活動的激發(fā)與抑制。
4、光束可以被聚焦，以提高激勵精度。
電信號會在生理環(huán)境中向各個方向均等擴散，影響調控的精度；而光束可以被聚焦到微米級的點上，由于神經(jīng)細胞的尺寸約為I 10 μ m， 因此可以實現(xiàn)細胞級的精確激勵。
一些應用于新皮層、脊髓組織或視神經(jīng)的微型植入式交互裝置需要對交互區(qū)域上多點實施同步激勵與記錄，其主要目的是增強神經(jīng)激勵效果。目前，平面微加工工藝已經(jīng)成為設計與制備基于光學神經(jīng)激勵的植入式微型交互裝置的重要手段，并制造出一體化的集成神經(jīng)多點交互芯片。但迄今為止，基于光學神經(jīng)激勵的植入式神經(jīng)多點交互芯片仍存在以下缺陷
1、無源芯片的集成度低，需要額外連接，光傳輸損耗大
當前基于光學神經(jīng)激勵的植入式神經(jīng)多點交互芯片均為無源芯片，未集成光源模塊，故需要通過光纖外接光源，額外連接的機械特性如牢固性等會影響芯片植入時的穩(wěn)定工作，額外連接還需要微米級光學對準，影響系統(tǒng)從光源到探頭末端的光傳輸效率，增大傳輸損耗；本發(fā)明單片集成了單光源發(fā)射模塊，整體解決了連接問題，降低了光傳輸損耗。
2、光路結構簡單，需要多個光源來實現(xiàn)多點交互，同步性較差
當前基于光學神經(jīng)激勵的植入式神經(jīng)多點交互芯片光路結構為線型波導結構，比較簡單，為了實現(xiàn)多點交互，需要使用多個線型波導，每個波導又要對應一個光源，每個光源又要由一套外接驅動電路來控制，交互點數(shù)量和交互的同步性都會受到影響；本發(fā)明引入分束式多點激勵探頭，實現(xiàn)了單光源多點同步交互，各支路間均勻性良好，簡化了系統(tǒng)。
3、光源驅動電路復雜，能耗較大，發(fā)熱量大，持續(xù)工作不穩(wěn)定
當前基于光學神經(jīng)激勵的植入式神經(jīng)多點交互芯片采用多光源實現(xiàn)多點交互，多光源所需驅動電路復雜，能耗和發(fā)熱量均很大，影響系統(tǒng)的持續(xù)工作；本發(fā)明采用集成單光源結構，正常工作所需的能耗與熱量最低可降為原來的l/2n，利于持續(xù)穩(wěn)定工作。發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，該結構的芯片通過引入分束式多點激勵探頭減少了所需光源數(shù)量，避免額外連接， 從而降低了能耗與發(fā)熱量，提高了持續(xù)工作的穩(wěn)定性；同時，本發(fā)明還提供了該芯片的制備方法，該制備方法簡單易行，解決了單光源發(fā)射模塊發(fā)射層、分束式多點激勵探頭與記錄電路的集成問題。
技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是
一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，所述的芯片為平面多層結構，包括襯底、中部設有記錄電路層的第一絕緣隔離層、第二絕緣隔離層、激勵光路層和單光源發(fā)射模塊；其中，第一絕緣隔離層固定連接在襯底頂面，第一絕緣隔離層包覆在記錄電路層的表面，激勵光路層固定連接在第一絕緣隔離層頂面，且激勵光路層的底面與第一絕緣隔離層頂面重合；第一絕緣隔離層和激勵光路層形成交互·層，該交互層相對的兩端分別為伸出襯底邊緣的伸出端，第二絕緣隔離層固定連接在襯底的底面和交互層兩個伸出端的底面，單光源發(fā)射模塊位于交互層上，單光源發(fā)射模塊中部設有一有源層，且單光源發(fā)射模塊頂面設有外接驅動電極；所述的交互層的一個伸出端形成梳齒狀探針組，探針組作為芯片的可植入部分，探針組包含m個探針單元，每個探針單元的底面上設有一個探測電極，交互層的另一個伸出端的底面上設有m個記錄電極，記錄電極和單光源發(fā)射模塊位于交互層的同側，每個記錄電極與一個探測電極相對應；所述的記錄電路層包括m路平面導線，平面導線的一端為探測電極觸點，每個探測電極觸點與一個探測電極相對應，且每個探測電極觸點通過鎢塞和與該探測電極觸點對應的探測電極連接，平面導線的另一端為記錄電極觸點， 每個記錄電極觸點與一個記錄電極相對應，且每個記錄電極觸點通過鶴塞和與該記錄電極觸點對應的記錄電極連接；所述的激勵光路層包括分束式多點激勵探頭和光包層，光包層包覆在分束式多點激勵探頭的表面；位于襯底上方的分束式多點激勵探頭為第一分束式多點激勵探頭，第一分束式多點激勵探頭呈級聯(lián)式I X 2分束結構，級聯(lián)級數(shù)為η，η為整數(shù)，且 2n = m ;位于探針組中的分束式多點激勵探頭為第二分束式多點激勵探頭，第二分束式多點激勵探頭為梳齒狀；第一分束式多點激勵探頭的入射端和第二分束式多點激勵探頭的出射端均露出光包層；第一分束式多點激勵探頭的入射端與有源層連接，第一分束式多點激勵探頭的出射端與第二分束式多點激勵探頭的入射端連接，第二分束式多點激勵探頭的出射端末端為楔形波導。
進一步，所述的η的范圍為1彡η彡10。
進一步，所述的單光源發(fā)射模塊的有源層發(fā)出的光信號的波長范圍為 360-2000nm,且光信號的傳播方向與襯底平行。
上述單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的制備方法，該制備方法包括以下步驟
步驟10):在襯底上制備第一絕緣隔離層利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在襯底的頂面制備一層絕緣隔離層的材料，作為下隔離層，然后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)方法，在下隔離層上制備記錄電路層的平面導線，接著再次利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在平面導線上方制備一層絕緣隔離層的材料，作為上隔離層，最終形成包括上隔離層、下隔離層和記錄電路層的第一絕緣隔離層，該第一絕緣隔離層中部包覆記錄電路層；
步驟20)制備激勵光路層在步驟10)制成的第一絕緣隔離層頂面上，采用溶膠和凝膠法，制備一層光包層的材料，作為上光包層，然后采用紫外光刻，在上光包層的頂面制備分束式多點激勵探頭，接著再次采用溶膠和凝膠法，在分束式多點激勵探頭上方制備一層光包層材料，作為下光包層，得到包括上光包層和下光包層的光包層，光包層將分束式多點激勵探頭包覆，形成激勵光路層；第一絕緣隔離層和激勵光路層形成交互層；
步驟30):光刻放置單光源發(fā)射模塊的凹槽在步驟20)制成的光包層上涂一層光刻膠作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，在交互層上光刻單光源發(fā)射模塊的圖形，然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝，在交互層上按照單光源發(fā)射模塊的圖形刻蝕放置單光源發(fā)射模塊的凹槽；
步驟40):制備第二絕緣隔離層首先將襯底倒置，采用厚度10 30微米的光刻膠，作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，將該刻蝕保護層光刻在襯底的底面上；然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝,刻蝕襯底相對的兩側,使位于襯底下方的各層伸出襯底邊緣,作為交互層的兩個伸出端；然后采用紫外光刻工藝，在襯底的底面和交互層伸出端的底面分別制備第二絕緣隔離層；
步驟50):制備探測電極和記錄電極采用感應耦合等離子刻蝕工藝，刻蝕第一絕緣隔離層和第二絕緣隔離層，刻蝕深度直至到達記錄電路層的平面導線所在位置，形成安放鎢塞的過孔，然后采用化學氣相沉積和感應耦合等離刻蝕法，在該過孔中制備鎢塞，接著采用紫外光刻工藝，在交互層的一個伸出端底面光刻記錄電極圖形，在交互層的另一個伸出端底面光刻探測電極圖形，最后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)法，制備記錄電極和探測電極；
步驟60):制備探針組將襯底正置，采用厚度10-30微米的光刻膠作為掩模，對交互層設有探測電極的伸出端進行刻蝕，形成梳齒狀的探針組；
步驟70):安裝單光源發(fā)射模塊采用紫外固化環(huán)氧樹脂系膠結劑，將單光源發(fā)射模塊黏合在步驟30)刻制的凹槽中，并使單光源發(fā)射模塊的有緣層對準分束式多點激勵探頭的入射端，制成單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片。
有益效果與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1.引入波導分路器，實現(xiàn)了單光源多點同步激勵。本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片通過引入η級1X2分束式多點激勵探頭，用單光源就實現(xiàn)了 2"個位置的同步神經(jīng)激勵，各支路光程相等，均勻性良好，并且簡化了驅動電路。由于原本需要2η個光源，本發(fā)明僅采用I個光源，故能耗與發(fā)熱量最低可降至原本的1/2η，有利于持續(xù)工作，延長了芯片的使用壽命，適合長期植入。
2.采用一體化結構，集成程度高。本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片在平面單片上集成了單光源發(fā)射模塊、分束式多點激勵探頭、記錄電路層、探測電極和記錄電極。通過調整制備過程中所使用的光掩模及刻蝕深度，整體解決了光源、傳輸波導與波導探頭間的牢固接合和光學對準問題，傳輸過程中的光功率損耗有所降低，總傳輸損耗約 20%。
3.每個交互點使用獨立記錄電路。對每一個探針設計了一條獨立傳輸電路作為記錄電路，每一路電信號通路的總電阻R= σ 1/S大約為50歐，其中σ為線路的電阻率，I 為傳輸方向上的線性長度，S為傳輸方向上的線路截面積，記錄端對于神經(jīng)信號的響應靈敏可達毫伏級。
4.采用光電隔離的結構，消除信號間的干擾。本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的傳輸光路與記錄電路間采用絕緣厚二氧化硅薄膜實現(xiàn)了隔離，二氧化硅為絕緣生物相容材料，硬度大，能夠勝任神經(jīng)組織植入，有效解決了傳統(tǒng)電激勵中激勵與記錄信號相互干擾形成死區(qū)的問題；
5.采用楔形波導探頭，提高激勵光束出射時的中心功率。本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片采用楔形波導探頭作為出射端面，與普通平頭端面相比，使得出射光束的中心功率得到了提高。
6.實現(xiàn)晶圓級一體化制備。本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的制備工藝，首先在襯底表面制備傳輸電路層，然后制備傳輸光路及光波導探頭，再將襯底刻蝕掉一部分以制備探測電極和記錄電極，最后將準備好的單光源發(fā)射模塊黏合在襯底上，實現(xiàn)了晶圓級的處理，制備效率高，在一塊玻璃晶圓上實現(xiàn)了成批制備。


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圖1為本發(fā)明的芯片的結構剖視圖。2為圖1中的A-A剖視圖。3為本發(fā)明中第二分束式多點激勵探頭的俯視圖。4為圖1中的 B-B剖視圖。5為本發(fā)明的制備方法中步驟10)完成后，芯片的結構剖視圖。6為本發(fā)明的制備方法中步驟20)完成后，芯片的結構剖視圖。7為本發(fā)明的制備方法中步驟30)完成后，芯片的結構剖視圖。8為本發(fā)明的制備方法中步驟40)完成后，芯片的結構剖視圖。9為本發(fā)明的制備方法中步驟50)完成后，芯片的結構剖視圖。 10為本發(fā)明的制備方法中步驟60)完成后，芯片的結構剖視圖。 11為圖10中的C-C剖視圖。12為本發(fā)明的制備方法中步驟70)完成后，芯片的結構剖視圖。 13為本發(fā)明提供的測試中，對象I的測試結果圖。
圖14為本發(fā)明提供的測試中，對象2的測試結果圖。
圖中有襯底1、第一絕緣隔離層21、第二絕緣隔離層22、記錄電路層3、平面導線 31、探測電極觸點311、記錄電極觸點312、鎢塞32、激勵光路層4、分束式多點激勵探頭41、 第一分束式多點激勵探頭411、第二分束式多點激勵探頭412、光包層42、單光源發(fā)射模塊5、外接驅動電極51、有源層52、探針組6、探測電極7、記錄電極8。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。
如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片采用平面多層結構。該芯片包括襯底1、中部設有記錄電路層3的第一絕緣隔離層21、第二絕緣隔離層22、激勵光路層4和單光源發(fā)射模塊5。第一絕緣隔離層21固定連接在襯底I頂面。第一絕緣隔離層21包覆在記錄電路層3的表面。激勵光路層4固定連接在第一絕緣隔離層 21頂面，且激勵光路層4的底面與第一絕緣隔離層21頂面重合。第一絕緣隔離層21和激勵光路層4形成交互層。該交互層相對的兩端分別為伸出襯底I邊緣的伸出端。第二絕緣隔離層22固定連接在襯底I的底面和交互層兩個伸出端的底面。單光源發(fā)射模塊5位于交互層上，單光源發(fā)射模塊5中部設有一有源層52，且單光源發(fā)射模塊5頂面設有外接驅動電極51。交互層的一個伸出端形成梳齒狀探針組6。探針組6作為芯片的可植入部分。探針組6包含m個探針單元。每個探針單元的底面上設有一個探測電極7。交互層的另一個伸出端的底面上設有m個記錄電極8，記錄電極8和單光源發(fā)射模塊5位于交互層的同側。 每個記錄電極8與一個探測電極7相對應。記錄電路層3包括m路平面導線31。平面導線 31的一端為探測電極觸點311，每個探測電極觸點311與一個探測電極7相對應，且每個探測電極觸點311通過鎢塞32和與該探測電極觸點311對應的探測電極7連接；平面導線31 的另一端為記錄電極觸點312,每個記錄電極觸點312與一個記錄電極8相對應,且每個記錄電極觸點312通過鎢塞32和與該記錄電極觸點312對應的記錄電極8連接。激勵光路層4包括分束式多點激勵探頭41和光包層42。光包層42包覆在分束式多點激勵探頭41 的表面。位于襯底I上方的分束式多點激勵探頭41為第一分束式多點激勵探頭411，第一分束式多點激勵探頭411呈級聯(lián)式1X2分束結構，級聯(lián)級數(shù)為η，η為整數(shù)，且2η = m。η 的范圍優(yōu)選1 < η < 10。位于探針組6中的分束式多點激勵探頭41為第二分束式多點激勵探頭412。第二分束式多點激勵探頭412為梳齒狀。第一分束式多點激勵探頭411的入射端和第二分束式多點激勵探頭412的出射端均露出光包層42。第一分束式多點激勵探頭 411的入射端與有源層52連接，第一分束式多點激勵探頭411的出射端與第二分束式多點激勵探頭412的入射端連接，第二分束式多點激勵探頭412的出射端末端為楔形波導。第一分束式多點激勵探頭411的入射端為分束式多點激勵探頭41的入射端。第二分束式多點激勵探頭412的出射端為分束式多點激勵探頭41的出射端。
進一步，所述的單光源發(fā)射模塊5的有源層52發(fā)出的光信號的波長范圍為360 2000nm，且光信號的傳播方向與襯底I平行。
上述結構的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的工作過程是對單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片進行封裝，外接驅動電極51與驅動電路相連，記錄電極8與記錄及后處理電路相連，將交互層上的梳齒狀探針組6植入目標神經(jīng)組織；驅動電路產(chǎn)生驅動信號，經(jīng)外接驅動電極51驅動單光源發(fā)射模塊5的有源層52，向第一分束式多點激勵探頭 411的入射端發(fā)射激勵光信號，由第一分束式多點激勵探頭411進行η級1X2分束后均分入射第二分束式多點激勵探頭412，同步傳輸至第二分束式多點激勵探頭412的m路梳齒狀輸出端，出射到目標神經(jīng)組織中，激勵目標神經(jīng)組織中的神經(jīng)細胞；神經(jīng)細胞被激勵后產(chǎn)生神經(jīng)電信號，在目標神經(jīng)組織中各向同性傳輸，被探測電極7同步探測到，并經(jīng)鎢塞32傳輸至記錄電路層3的探測電極觸點311，經(jīng)平面導線31傳輸至探測電極觸點312，再經(jīng)鎢塞 32傳輸至記錄電極8，再傳輸至記錄及后處理電路進行相應處理，完成一次神經(jīng)多點同步交互。
上述結構的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的制備方法，包括以下步驟
步驟10):如圖5所示，在襯底I上制備第一絕緣隔離層21 :利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在襯底I的頂面制備一層絕緣隔離層的材料，作為下隔離層，然后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)方法，在下隔離層上制備記錄電路層3的平面導線31，接著再次利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在平面導線31上方制備一層絕緣隔離層的材料，作為上隔離層，最終形成包括上隔離層、下隔離層和記錄電路層3的第一絕緣隔離層21，該第一絕緣隔離層21中部包覆記錄電路層3。
步驟10)具體包括步驟101)——步驟105)
步驟101)采用等離子增強化學氣相沉積(文中簡稱PECVD)法，制備二氧化硅 (SiO2)絕緣隔離層，厚度5-10 μ m，反應氣體為硅烷(SiH4)、氧化二氮(N2O),載流氣體為氮氣(N2)或氬氣(Ar)，總氣體流量為3600-4500sCCm (標準毫升每分鐘)，載流氣體占總流量的90%，反應氣體體積比氧化二氮硅烷=30-70 I，反應溫度為200-400° C，產(chǎn)生等離子所用射頻(RF)頻率中的高頻為13. 56MHz，低頻為100-350kHz，脈沖頻率源的功率為 400-900W ；
步驟102)采用紫外光刻制備記錄電路層3的圖形，所用光刻膠的型號為AZ5214e， 旋涂轉速為3000-5000rpm，紫外光波長為360_405nm，曝光量為500-2000mJ/cm2，反轉曝光量為200-500mJ/cm2，采用電熱板進行烘焙，軟烘溫度100-110° C，時間40-60秒，反烘溫度 110-130° C，時間1. 5-2. 5分，硬烘溫度110-130° C，時間40-60秒，采用體積濃度25%的 AZ 726顯影劑顯影，采用AZ 100溶劑去膠；
步驟103)采用電子束蒸發(fā)(EBE)法依次制備記錄電路層3的鉻/金(Cr/Au)層， 蒸發(fā)的真空度< lX10_7Torr，保持顯影后的芯片溫度為100-300° C，電子槍束流5_10mA， 電壓為6-8kV，蒸發(fā)時間為5-10分鐘，鉻和金的厚度各自為10-20nm和50 IOOnm ；
步驟104)采用有機溶劑丙酮對淀積金屬層后的芯片進行清洗，去除光刻膠圖形及其上附著的金屬，得到記錄電路層3 ；
步驟105)再次采用PECVD法制備二氧化硅絕緣隔離層，厚度8-15 μ m，工藝參數(shù)與程序均和步驟101)相同。從而制備出第一絕緣隔離層21。
步驟20)如圖6所示，制備激勵光路層4 :在步驟10)制成的第一絕緣隔離層21頂面上，采用溶膠和凝膠法，制備一層光包層42的材料，作為上光包層，然后采用紫外光刻， 在上光包層的頂面制備分束式多點激勵探頭41，接著再次采用溶膠和凝膠法，在分束式多點激勵探頭41上方制備一層光包層42材料，作為下光包層，得到包括上光包層和下光包層的光包層42，光包層42將分束式多點激勵探頭41包覆，形成激勵光路層4 ;第一絕緣隔離層21和激勵光路層4形成交互層。
步驟20)具體包括步驟201)——步驟205)
步驟201)采用堿催化法，將正硅酸乙酯(TEOS，C8H20O4Si)、乙醇(C2H5OH)、水和鹽酸(HCl)在70。C以摩爾比為1: 10 : 3. 5 : O. 003混合，反應時間90 120分鐘，冷卻 30分鐘后添加質濃度為O. lml/L的氨水(NH3 · H2O)作為催化劑，攪拌后形成二氧化硅凝膠 (SiO2 · H2O)；
步驟202)在第一絕緣隔離層21上旋涂8_12ml制備好的二氧化硅凝膠，旋涂轉速為1000-2000rpm，冷卻凝結后，得到的二氧化硅凝膠薄膜的厚度約O. 5微米；
步驟203)重復步驟202)，直到制備厚度為10_50微米的二氧化硅凝膠薄膜，作為波導的下光包層；
步驟204)采用紫外光刻法，制備分束式多點激勵探頭41，所用光刻膠為負性光刻膠Su-82005、Su-82010或Su_82025，旋涂轉速為2500_4000rpm，厚度為12-25微米，采用電熱板烘焙，軟烘溫度90-100° C，時間5分鐘，軟烘后采用波長360-405nm紫外光曝光得到分束式多點激勵探頭41的圖形，曝光量150-200mJ/cm2，曝光后進行硬烘，溫度90-100° C， 時間5分鐘，硬烘后等待自然冷卻10分鐘，然后將芯片置入體積濃度為20%的AZ300MIF顯影劑顯影，制備出分束式多點激勵探頭41 ；
步驟205)重復步驟201)-步驟203)，在分束式多點激勵探頭41上制備出厚度為 10-50微米的二氧化硅凝膠薄膜，作為波導的上光包層，從而制得激勵光路層4。
步驟30):如圖7所示，光刻放置單光源發(fā)射模塊5的凹槽在步驟20)制成的光包層42上涂一層光刻膠作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，在交互層上光刻單光源發(fā)射模塊5的圖形，然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝，在交互層上按照單光源發(fā)射模塊5的圖形刻蝕放置單光源發(fā)射模塊5的凹槽。
步驟30)具體包括步驟301)和步驟302)
步驟301)采用厚負性光刻膠Su-82025制得單光源發(fā)射模塊5的圖形，作為刻蝕保護層，除使用光掩模(光掩模工藝參見《半導體制造工藝基礎》第278頁索引所示，[美] 施敏，梅凱瑞著，安徽大學出版社，ISBN 978-7-81110-292-5)不同外，工藝參數(shù)與條件均與步驟204)相同；
步驟302)采用感應耦合等離子(文中簡稱ICP)刻蝕法對波導的光包層42進行刻蝕，腔室的工作氣壓保持15-20mTorr，芯片溫度保持20-40° C，感應功率500-2000W，直流偏置電壓-100到-800V，刻蝕氣體為六氟化硫(SF6)，附加氣體為氬氣(Ar)，六氟化硫與氬氣的體積比為1-2 1，保持總氣體流量為180-240sCCm，制得放置單光源發(fā)射模塊5的凹槽。
步驟40):如圖8所示，制備第二絕緣隔離層22 :首先將襯底I倒置，采用厚度 10 30微米的光刻膠，作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，將該刻蝕保護層光刻在襯底I 的底面上；然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝，刻蝕襯底I相對的兩側，使位于襯底I下方的各層伸出襯底I邊緣，作為交互層的兩個伸出端；然后采用紫外光刻工藝，在襯底I的底面和交互層伸出端的底面分別制備第二絕緣隔離層22。
步驟40)具體包括步驟401)——步驟403)
步驟401)倒置襯底1，采用厚負性光刻膠Su-82025制備襯底的刻蝕圖形，作為刻蝕保護層，除使用光掩模不同外，工藝參數(shù)與條件均與步驟204)相同；
步驟402)采用ICP刻蝕對襯底I進行刻蝕，工藝參數(shù)與條件均與步驟302)相同；
步驟403)采用等離子增強化學氣相沉積法制備二氧化硅絕緣隔離層，厚度 5-10 μ m，工藝參數(shù)與程序與步驟101)相同，制得第二絕緣隔離層22。
步驟50):如圖9所示,制備探測電極7和記錄電極8 :采用感應稱合等離子刻蝕工藝，刻蝕第一絕緣隔離層21和第二絕緣隔離層22，刻蝕深度直至到達記錄電路層3的平面導線31所在位置，形成安放鎢塞32的過孔，然后采用化學氣相沉積和感應耦合等離刻蝕法，在該過孔中制備鎢塞32，接著采用紫外光刻工藝，在交互層的一個伸出端底面光刻記錄電極8圖形，在交互層的另一個伸出端底面光刻探測電極7圖形，最后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)法，制備記錄電極8和探測電極7。
步驟50)具體包括步驟501)——步驟507)
步驟501)采用厚負性光刻膠Su-82025制備鎢塞32所在過孔的圖形，作為刻蝕保護層，除使用光掩模不同外，工藝參數(shù)與條件均與步驟204)相同；
步驟502)采用ICP刻蝕制備鎢塞32所在過孔，工藝參數(shù)與條件均與步驟302)相同，刻蝕深度要從刻蝕表面直到記錄電路層3所在金屬層；
步驟503)采用化學氣相沉積(文中簡稱CVD)法制一層氮化鈦(TiN)阻擋層，反應溫度為800-1200° C，反應氣體為四氯化鈦(TiCl4)、氮氣和氫氣，三種氣體的體積比為 2:1: 4，氫氣的流量約為40-50sccm，氮化鈦的厚度為20-100nm ;
步驟504)采用CVD法制備鎢塞5，反應溫度為300-400° C，反應氣體為硅烷 (SiH4)和六氟化鶴(WF6),兩種氣體的體積比為3 2,其中娃燒的流量約為120sccm,六氟化鎢的流量約為80SCCm，所淀積鎢層的厚度為O. 5-0. 8 μ m ;
步驟505)采用ICP刻蝕對鎢層進行刻蝕，其工藝參數(shù)與條件均與步驟302)相同， 直到刻蝕到氮化鈦阻擋層為止；
步驟506)采用紫外光刻制備記錄電極8和探測電極7的圖形，所用光刻膠為 AZ5214e，工藝參數(shù)與條件均與步驟102)相同；
步驟507)采用電子束蒸發(fā)(文中簡稱EBE)法制備記錄電極8和探測電極7的鉻/金(Cr/Au)層，工藝參數(shù)與條件均與步驟103)相同，鉻和金的厚度各自為10-20nm和 50-100nm,制得探測電極7和記錄電極8。
步驟60):如圖10和圖11所示，制備探針組6 :將襯底I正置，采用厚度10 30 微米的光刻膠作為掩模，對交互層設有探測電極7的伸出端進行刻蝕，形成梳齒狀的探針組6。
步驟60)具體包括步驟601)和步驟602)
步驟601)正置襯底1，采用厚負性光刻膠Su-82025制備梳狀排列的探針陣列的圖形，作為刻蝕保護層，除使用光掩模不同外，工藝參數(shù)與條件均與步驟204)相同；
步驟602)采用ICP刻蝕對襯底I進行刻蝕，工藝參數(shù)與條件均與步驟302)相同， 得到梳齒狀的探針組6。
步驟70):如圖12所示，安裝單光源發(fā)射模塊5 :采用紫外固化環(huán)氧樹脂系膠結劑，將單光源發(fā)射模塊5黏合在步驟30)刻制的凹槽中，并使單光源發(fā)射模塊5的有緣層52 對準分束式多點激勵探頭41的入射端，制成單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片。
下面測試芯片各路出射端的相對光強。
測試對象有兩個對象I是采用本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片結構，但是第二分束式多點激勵探頭末端采用平面端頭。對象2是采用本發(fā)明的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片結構，第二分束式多點激勵探頭末端采用楔形波導，楔形波導的楔部長度與波導寬度之比為2. 5 I。在對象I和對象2中，第一分束式多點激勵探頭的分束級數(shù)為5。
圖13為對象I的測試結果圖。圖14為對象2的測試結果圖。圖13和圖14中， 橫坐標為32路探頭出射端的位置，縱坐標為32路探頭出射端輸出的相對光功率(假設光源初始功率為I)。從圖13和圖14中可知，32路出射端的相對光強，其均勻性良好，最大和最小的兩路波導之間的差別< 10%。對比圖13和圖14可知采用楔形波導的對象2，經(jīng)楔形波導聚焦，對象2的出射端中心光強比對象I大約`提高1. 5倍。
權利要求
1.一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，其特征在于，所述的芯片為平面多層結構，包括襯底(I)、中部設有記錄電路層(3)的第一絕緣隔離層(21)、第二絕緣隔離層(22)、激勵光路層(4)和單光源發(fā)射模塊(5);其中，第一絕緣隔離層(21)固定連接在襯底(I)頂面，第一絕緣隔離層(21)包覆在記錄電路層(3)的表面，激勵光路層(4)固定連接在第一絕緣隔離層(21)頂面，且激勵光路層(4)的底面與第一絕緣隔離層(21)頂面重合；第一絕緣隔離層(21)和激勵光路層(4)形成交互層，該交互層相對的兩端分別為伸出襯底(I)邊緣的伸出端，第二絕緣隔離層(22)固定連接在襯底(I)的底面和交互層兩個伸出端的底面，單光源發(fā)射模塊(5)位于交互層上，單光源發(fā)射模塊(5)中部設有一有源層(52)，且單光源發(fā)射模塊(5)頂面設有外接驅動電極(51)；所述的交互層的一個伸出端形成梳齒狀探針組(6)，探針組(6)作為芯片的可植入部分，探針組(6)包含m個探針單元，每個探針單元的底面上設有一個探測電極(7)，交互層的另一個伸出端的底面上設有m個記錄電極(8)，記錄電極(8)和單光源發(fā)射模塊(5)位于交互層的同側，每個記錄電極(8)與一個探測電極(7)相對應；所述的記錄電路層⑶包括m路平面導線(31)，平面導線(31)的一端為探測電極觸點(311)，每個探測電極觸點(311)與一個探測電極(7)相對應，且每個探測電極觸點(311)通過鎢塞(32)和與該探測電極觸點(311)對應的探測電極(7)連接，平面導線(趴)的另一端為記錄電極觸點(312)，每個記錄電極觸點(312)與一個記錄電極(8)相對應，且每個記錄電極觸點(312)通過鶴塞(32)和與該記錄電極觸點(312)對應的記錄電極(8)連接；所述的激勵光路層(4)包括分束式多點激勵探頭(41)和光包層(42)，光包層(42)包覆在分束式多點激勵探頭(41)的表面；位于襯底(I)上方的分束式多點激勵探頭(41)為第一分束式多點激勵探頭(411)，第一分束式多點激勵探頭(411)呈級聯(lián)式1X2分束結構，級聯(lián)級數(shù)為η，η為整數(shù)，且2n = m;位于探針組(6)中的分束式多點激勵探頭(41)為第二分束式多點激勵探頭(412)，第二分束式多點激勵探頭(412)為梳齒狀；第一分束式多點激勵探頭(411)的入射端和第二分束式多點激勵探頭(412)的出射端均露出光包層(42)；第一分束式多點激勵探頭(411)的入射端與有源層(52)連接，第一分束式多點激勵探頭(411)的出射端與第二分束式多點激勵探頭(412)的入射端連接，第二分束式多點激勵探頭(412)的出射端末端為楔形波導。
2.按照權利要求1所述的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，其特征在于，所述的η的范圍為1 < η < 10。
3.按照權利要求1所述的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，其特征在于，所述的單光源發(fā)射模塊(5)的有源層(52)發(fā)出的光信號的波長范圍為360-2000nm,且光信號的傳播方向與襯底⑴平行。
4.一種權利要求1所述的單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟步驟10):在襯底(I)上制備第一絕緣隔離層(21):利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在襯底(I)的頂面制備一層絕緣隔離層的材料，作為下隔離層，然后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)方法，在下隔離層上制備記錄電路層(3)的平面導線(31)，接著再次利用等離子增強化學氣相沉積工藝，在平面導線(31)上方制備一層絕緣隔離層的材料，作為上隔離層，最終形成包括上隔離層、下隔離層和記錄電路層(3)的第一絕緣隔離層(21)，該第一絕緣隔離層(21)中部包覆記錄電路層(3);步驟20)制備激勵光路層(4):在步驟10)制成的第一絕緣隔離層(21)頂面上，采用溶膠和凝膠法，制備一層光包層(42)的材料，作為上光包層，然后采用紫外光刻，在上光包層的頂面制備分束式多點激勵探頭(41)，接著再次采用溶膠和凝膠法，在分束式多點激勵探頭(41)上方制備一層光包層(42)材料，作為下光包層，得到包括上光包層和下光包層的光包層(42)，光包層(42)將分束式多點激勵探頭(41)包覆，形成激勵光路層(4);第一絕緣隔離層(21)和激勵光路層(4)形成交互層；步驟30):光刻放置單光源發(fā)射模塊(5)的凹槽在步驟20)制成的光包層(42)上涂一層光刻膠作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，在交互層上光刻單光源發(fā)射模塊(5)的圖形，然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝，在交互層上按照單光源發(fā)射模塊(5)的圖形刻蝕放置單光源發(fā)射模塊(5)的凹槽；步驟40):制備第二絕緣隔離層(22):首先將襯底(I)倒置，采用厚度10 30微米的光刻膠，作為刻蝕保護層，采用紫外光刻工藝，將該刻蝕保護層光刻在襯底(I)的底面上；然后采用感應耦合等離子刻蝕工藝，刻蝕襯底(I)相對的兩側，使位于襯底(I)下方的各層伸出襯底(I)邊緣，作為交互層的兩個伸出端；然后采用紫外光刻工藝，在襯底(I)的底面和交互層伸出端的底面分別制備第二絕緣隔離層(22)；步驟50):制備探測電極(7)和記錄電極(8):采用感應耦合等離子刻蝕工藝，刻蝕第一絕緣隔離層(21)和第二絕緣隔離層(22)，刻蝕深度直至到達記錄電路層(3)的平面導線(31)所在位置，形成安放鎢塞(32)的過孔，然后采用化學氣相沉積和感應耦合等離刻蝕法，在該過孔中制備鎢塞(32)，接著采用紫外光刻工藝，在交互層的一個伸出端底面光刻記錄電極(8)圖形，在交互層的另一個伸出端底面光刻探測電極(7)圖形，最后采用紫外光刻和電子束蒸發(fā)法，制備記錄電極⑶和探測電極⑵；步驟60):制備探針組￠):將襯底(I)正置，采用厚度10-30微米的光刻膠作為掩模， 對交互層設有探測電極(7)的伸出端進行刻蝕，形成梳齒狀的探針組(6)；步驟70):安裝單光源發(fā)射模塊(5):采用紫外固化環(huán)氧樹脂系膠結劑，將單光源發(fā)射模塊(5)黏合在步驟30)刻制的凹槽中，并使單光源發(fā)射模塊(5)的有緣層(52)對準分束式多點激勵探頭(41)的入射端，制成單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單光源植入式神經(jīng)多點同步交互芯片，包括襯底、中部設有記錄電路層的第一絕緣隔離層、第二絕緣隔離層、激勵光路層和單光源發(fā)射模塊；第一絕緣隔離層包覆在記錄電路層的表面，激勵光路層固定連接在第一絕緣隔離層頂面；第一絕緣隔離層和激勵光路層形成交互層，該交互層相對的兩端分別為伸出襯底邊緣的伸出端，第二絕緣隔離層固定連接在襯底的底面和交互層兩個伸出端的底面，單光源發(fā)射模塊位于交互層上；交互層的一個伸出端形成梳齒狀探針組。該結構的芯片通過引入分束式多點激勵探頭減少了所需光源數(shù)量，降低了能耗與發(fā)熱量，提高了持續(xù)工作的穩(wěn)定性。同時，本發(fā)明還公開了該芯片的制備方法，該制備方法簡單易行。
文檔編號H01L31/18GK103035774SQ20121059108
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權日2012年12月31日
發(fā)明者孫小菡, 董納, 蔣衛(wèi)鋒, 陳源源 申請人:東南大學