專利名稱：：一種混成式三維神經(jīng)元探針陣列結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本專利屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)
技術(shù)領(lǐng)域：
,具體涉及ー種混成式三維神經(jīng)元探針陣列結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：神經(jīng)元微探針陣列是直接溝通大腦和外部客觀世界的重要手段，是研究神經(jīng)系統(tǒng)的有力工具、腦機(jī)接ロ的可行方案和神經(jīng)修復(fù)的關(guān)鍵元件，在神經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究、動(dòng)物機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)醫(yī)療等方面具有重要而廣泛的應(yīng)用。隨著神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展，在功能水平上的研究神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)機(jī)制變得更為重要，研究重點(diǎn)集中于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)神經(jīng)元的協(xié)同活動(dòng)，這需要同時(shí)記錄大量神經(jīng)元的信號(hào)。傳統(tǒng)的金屬絲和微吸管神經(jīng)元探針只能測(cè)量單個(gè)或少數(shù)神經(jīng)元的生物電勢(shì)，不能滿足當(dāng)前神經(jīng)生物學(xué)研究的要求。神經(jīng)元微探針陣列采用成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在微探針上集成大量的微電極和信號(hào)處理電路，有效控制探針植入的損傷，提供10-100級(jí)別的空間分辨率、滿足神經(jīng)元信號(hào)(IOO-IOKHz,20-500uV)要求的頻率分辨率和信噪比。從1969年起，國(guó)際上針對(duì)神經(jīng)元微探針制備開(kāi)展了廣泛而深入的研究。國(guó)際上有以美國(guó)密西根大學(xué)和猶他大學(xué)為代表的兩大技術(shù)路線。密西根大學(xué)成功制備集成了信號(hào)放大電路的ニ維多通路微探針，并在此基礎(chǔ)上組裝成三維微探針。密西根探針的制備過(guò)程的缺點(diǎn)是單片集成需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOSエ藝進(jìn)行調(diào)整，而且三維組裝エ藝繁復(fù)(參閱文獻(xiàn)K.D.WISE,D.J.ANDERSON,J.F.HETKE,D.R.KIPKE,ANDK.NAJAFI.“WirelessImplantableMicrosystems:High-DensityElectronicInterfacestotheNervousSystem”.PROCEEDINGSOFTHEIEEE,VOL.92,NO.I,76-97,JANUARY2004)。猶他大學(xué)采用劃片機(jī)劃片和兩次濕法腐蝕結(jié)合的方法，制備大規(guī)模的硅基準(zhǔn)三維探針陣列，并獲得了一定的應(yīng)用。猶他探針制備過(guò)程的缺點(diǎn)是高溫?zé)Y(jié)エ藝和濕法腐蝕エ藝破壞CMOS電路，導(dǎo)致探針與讀出電路無(wú)法直接集成，從而使得每根探針都有一個(gè)引線ロ，由此導(dǎo)致引腳過(guò)多，從而限制了探針規(guī)模(參閱文獻(xiàn)KellyE.Jones,PatrickK.Campbell,andRichardA.Normann.”AGlass/siliconCompositeIntracorticalElectrodeArray.”AnnalsofBiommedicalEngineering,Vol.20,423-437，1992)。為了解決上述問(wèn)題,WilliamR.Patterson等人的論文中(文SkffilliamR.Patterson,Yoon-KyuSong,et.al.‘-AMic;roelect;rode/Mic;roelect;ronicHybridDeviceforBrainImplantableNeuroprosthesisApplications.，，IEEETRANSACTIONSONBIOMEDICALENGINEERING,NO10，VOL.51，1845-1853，OCTOBER2004)提出用混成方法將制備好的猶他探針倒焊到讀出電路上。該方法在實(shí)施上具有難度，制備好的猶他探針是脆弱的微細(xì)結(jié)構(gòu)，猶他探針底部為玻璃和硅的脆弱的復(fù)雜鑲嵌結(jié)構(gòu)，倒焊過(guò)程中需要兩次借助夾具來(lái)夾持，夾具夾緊探針本身容易導(dǎo)致底部碎裂，在倒焊的加壓過(guò)程中也容易導(dǎo)致底部破裂，當(dāng)探針規(guī)模大底部面積大的時(shí)候這個(gè)問(wèn)題更是突出。
發(fā)明內(nèi)容[0005]本專利的目的之一在于，提高混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備成品率。[0006]本專利的又一目的在于，簡(jiǎn)化混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備功工藝。為實(shí)現(xiàn)以上目的或者其他目的，本專利提供以下技術(shù)方案。一種混成式三維神經(jīng)元探針陣列結(jié)構(gòu)，它包括信號(hào)讀出電路襯底，與所述信號(hào)讀出電路襯底倒焊互連的探針陣列；其特征在于所述探針陣列的每個(gè)探針包括針尖，針身，以及針底座；相鄰探針之間的針底座之間相互分離；相鄰所述探針的所述針底座之間的間距范圍為25至75微米，針尖由兩個(gè)相鄰交接的斜面和兩個(gè)相互垂直交接的垂直面圍成，兩個(gè)所述垂直面垂直于所述硅襯底，所述斜面與所述垂直面之間的夾角為V形溝槽的兩個(gè)斜面的夾角的1/2。按照本公開(kāi)的一方面，提供一種混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備方法，其包括以下步驟提供用于制備探針陣列的硅襯底，在所述硅襯底的正面上構(gòu)圖形成第一切割標(biāo)記和第二切割標(biāo)記；在所述硅襯底的背面上構(gòu)圖制備用于將探針陣列的探針的信號(hào)引出的第一焊占.在所述硅襯底的背面上切割形成隔離槽，所述隔離槽使所述硅襯底背面上形成有用于相應(yīng)形成探針的針底座的硅島陣列；提供信號(hào)讀出電路襯底，并在所述信號(hào)讀出電路襯底上制備第二焊點(diǎn)；通過(guò)所述第一焊點(diǎn)和第二焊點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)焊接連接實(shí)現(xiàn)所述硅襯底與所述信號(hào)讀出電路襯底之間倒焊互連；依據(jù)所述第二切割標(biāo)記，在所述硅襯底的正面上切割形成多行多列的V形溝槽，以在所述硅襯底的正面形成錐形臺(tái)陣列；依據(jù)所述第一切割標(biāo)記，將所述硅襯底銑切以形成分離的用于形成探針陣列的硅柱陣列，所述錐形臺(tái)的錐角或部分錐角保留在所述硅柱之上用于形成探針的針尖；以及在硅柱陣列上制備電極以形成探針陣列。按照本專利一實(shí)施例的制備方法，其中，在所述制備電極步驟之后，還包括步驟形成覆蓋除針尖部分之外的探針陣列的絕緣層。按照本專利又一實(shí)施例的制備方法，其中，在構(gòu)圖制備所述第一焊點(diǎn)時(shí)，構(gòu)圖形成用于切割形成所述隔離槽的第三對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。優(yōu)選地，所述硅襯底的電阻率范圍為O.001Ω·cm至O.01Ω·cm。按照本專利還一實(shí)施例的制備方法，其中，所述第一焊點(diǎn)包括第一銦柱以及第一焊點(diǎn)下金屬層，所述第一銦柱形成于所述第一焊點(diǎn)下金屬層上；所述第二焊點(diǎn)包括第二銦柱以及第二焊點(diǎn)下金屬層，所述第二銦柱形成于所述第二焊點(diǎn)下金屬層上。在之前所述任一實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述第一焊點(diǎn)下金屬層和第二焊點(diǎn)下金屬層是Ti/Pt/Au的復(fù)合金屬層,或者是Cr/Au復(fù)合層。在之前所述任一實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述第一焊點(diǎn)下金屬層的面積小于所述針底座的面積。在之前所述任一實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述第一銦柱為單個(gè)銦柱形成，或者為多個(gè)銦柱陣列形成。[0025]在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述硅島陣列的硅島基本為正方形，所述娃柱陣列的娃柱在平行于娃襯底表面方向的截面基本為正方形，在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述隔離槽的深度是所述硅襯底的厚度的1/10至1/2。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述隔離槽的寬度是相鄰所述探針之間的空間間距的1/8至1/4。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，在銑切步驟中銑切所述硅襯底的深度大于所述硅襯底的厚度與所述隔離槽的深度之差、且小于所述硅襯底的厚度。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述V形溝槽的兩個(gè)斜面之間的夾角大致為60°。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述V形溝槽的深度為探針的邊長(zhǎng)的I.732倍至2.5倍。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述V形溝槽的深度基本等于180um0在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述錐形臺(tái)陣列的錐形臺(tái)由四個(gè)斜面和ー個(gè)頂面圍成。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述電極為Ti/Pt或Cr/Au復(fù)合金屬層。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述絕緣層為C型聚對(duì)ニ甲基苯、SU8型光刻膠或者聚酰亞胺的有機(jī)薄膜。在之前所述任ー實(shí)施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述針尖基本由所述錐形臺(tái)的錐角或部分錐角的兩個(gè)斜面以及所述硅柱陣列的硅柱的兩個(gè)垂直面圍成。按照本公開(kāi)的又一方面，提供ー種混成式三維神經(jīng)元探針陣列，其特征在于，使用以上所述及的任意一種制備方法制備形成，其中，所述混成式三維神經(jīng)元探針陣列包括信號(hào)讀出電路襯底，與所述信號(hào)讀出電路襯底倒焊互連的探針陣列；所述探針陣列的姆個(gè)探針包括針尖,針身，以及針底座；相鄰探針之間的針底座之間相互分離。按照本專利ー實(shí)施例的混成式三維神經(jīng)元探針陣列，其中，還包括覆蓋除針尖部分之外的探針陣列的絕緣層。較佳地，相鄰所述探針的所述針底座之間的間距范圍為25至75微米。較佳地，所述針尖由兩個(gè)相鄰交接的斜面和兩個(gè)相互垂直交接的垂直面圍成，兩個(gè)所述垂直面垂直于所述硅襯底，所述斜面與所述垂直面之間的夾角為V形溝槽的兩個(gè)斜面的夾角的1/2。按照本公開(kāi)的還一方面，提供一種劃槽刀，用于在以上所述及的任意ー制備方法過(guò)程中切割形成多行多列的V形溝槽，所述劃槽刀的刃面夾角基本等于V形溝槽的斜面之間的夾角。較佳地，所述劃槽刀的刃面夾角大于或等于60°且小于或等于75°。本專利的技術(shù)效果是，采用有斜面刃的劃槽刀直接切割出針尖的斜面，然后采銑刀將硅襯底銑切成分離的探針陣列，避免了猶他探針的切割后的兩次腐蝕過(guò)程，并且劃槽和銑切工藝實(shí)施難度小，硅襯底不易碎裂，因此制備工藝簡(jiǎn)單。而且，探針陣列切割后直接立在厚實(shí)的信號(hào)讀出電路襯底上，后繼對(duì)芯片的操作導(dǎo)致電路襯底碎片的可能性低。整體上來(lái)說(shuō)，該專利的制備成品率相對(duì)較高，適用于大規(guī)模制備。從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說(shuō)明中，將會(huì)使本專利的上述和其他目的及優(yōu)點(diǎn)更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的標(biāo)號(hào)表示。圖I是在硅襯底正面形成切割標(biāo)記后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖I(a)為硅襯底的截面圖，圖I(b)為娃襯底的俯視圖；圖2是在硅襯底背面形成焊點(diǎn)后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是在硅襯底背面構(gòu)圖形成隔離槽后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；·[0050]圖4是在信號(hào)讀出電路襯底上形成焊點(diǎn)后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是信號(hào)讀出電路襯底與硅襯底通過(guò)焊點(diǎn)倒焊互連后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是在硅襯底的正面采用劃槽刀切割出V形溝槽后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖6(a)為硅襯底的截面圖，圖6(b)為通過(guò)V形溝槽在硅襯底的正面形成的錐形臺(tái)陣列的俯視圖；圖7是在硅襯底上采用銑刀銑切形成探針陣列后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖7(a)為截面圖，圖7(b)為銑切后形成的探針的針尖部分的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是在探針陣列上制備電極后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9所示為沉積絕緣層后形成的混成式三維神經(jīng)元探針陣列的截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本專利一實(shí)施例的使用的劃槽刀的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面介紹的是本專利的多個(gè)可能實(shí)施例中的一些，旨在提供對(duì)本專利的基本了解，并不旨在確認(rèn)本專利的關(guān)鍵或決定性的要素或限定所要保護(hù)的范圍。容易理解，根據(jù)本專利的技術(shù)方案，在不變更本專利的實(shí)質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以提出可相互替換的其他實(shí)現(xiàn)方式。因此，以下具體實(shí)施方式以及附圖僅是對(duì)本專利的技術(shù)方案的示例性說(shuō)明，而不應(yīng)當(dāng)視為本專利的全部或者視為對(duì)本專利技術(shù)方案的限定或限制。在附圖中，為了清楚起見(jiàn)，夸大了層和區(qū)域的厚度，并且，由于刻蝕等引起的圓潤(rùn)等形狀特征未在附圖中示意出。在本文描述中，使用方向性術(shù)語(yǔ)(例如“上”、“下”、“正面”和“背面”等)以及類似術(shù)語(yǔ)來(lái)描述的各種結(jié)構(gòu)實(shí)施例表示附圖中示出的方向或者能被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的方向。這些方向性術(shù)語(yǔ)用于相對(duì)的描述和澄清，而不是要將任何實(shí)施例的定向限定到具體的方向或定向。本專利提供的混成式三維神經(jīng)元探針陣列基本地包括探針陣列以及能夠與該探針陣列電連接的信號(hào)讀出電路，該信號(hào)讀出電路形成于信號(hào)讀出電路襯底上，信號(hào)讀出電路的具體形式在本專利中不是限制性的，在以下圖中也未具體示例給出。本文中的“混成式三維神經(jīng)元探針陣列”的“三維神經(jīng)元探針”可以且不限于為準(zhǔn)三維神經(jīng)元探針。圖I至圖9為按照本專利一實(shí)施例的混成式三維神經(jīng)元探針陣列制備方法制備圖9所示實(shí)施例混成式三維神經(jīng)元探針陣列的結(jié)構(gòu)變化示意圖。圖I所示為在硅襯底正面形成切割標(biāo)記后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖I(a)為硅襯底的截面圖，圖I(b)為硅襯底的俯視圖；圖2所示為在硅襯底背面形成焊點(diǎn)后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為在硅襯底背面構(gòu)圖形成隔離槽后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4所示為在信號(hào)讀出電路襯底上形成焊點(diǎn)后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5所示為信號(hào)讀出電路襯底與硅襯底通過(guò)焊點(diǎn)倒焊互連后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6所示為在硅襯底的正面采用劃槽刀切割出V形溝槽后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖6(a)為硅襯底的截面圖，圖6(b)為通過(guò)V形溝槽在硅襯底的正面形成的錐形臺(tái)陣列的俯視圖；圖7所示為在硅襯底上采用銑刀銑切形成探針陣列后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖7(a)為截面圖，圖7(b)為銑切后形成的探針的針尖部分的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖8所示為在探針陣列上制備電極后的截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9所示為沉積絕緣層后形成的混成式三維神經(jīng)元探針陣列的截面結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖I至圖9實(shí)例性的地說(shuō)明陣列規(guī)模為5X5(在此為探針個(gè)數(shù))的混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備方法過(guò)程，并說(shuō)明該三維神經(jīng)元探針陣列實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。首先，步驟S10，提供硅襯底110，如圖I(a)和圖I(b)所示，在該實(shí)施例中，在硅襯底110正面制備形成第一切割標(biāo)記120、第二切割標(biāo)記130，還可以在硅襯底110的背面形成光刻用的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。硅襯底110的厚度基本直接決定了探針的高度，其厚度范圍可以為I.例如，I.5mm;娃襯底110也可以影響探針的電阻，因此，優(yōu)選地，米用重?fù)诫s的硅片，電阻率范圍為0.001-0.01Qcm，這樣，可以降低探針本身的體電阻。第一切割標(biāo)記120可以采用金屬線；具體地，可以在正面蒸發(fā)ー層金屬，例如鋁，然后通過(guò)光刻腐蝕的方法制備金屬線的圖案；也可以采用剝離的方法來(lái)制備金屬線。金屬線的正面的第一切割標(biāo)記130供以后的劃出V形溝槽步驟中對(duì)準(zhǔn)使用，金屬線的正面的第二切割標(biāo)記120供以后的正面形成的錐形臺(tái)陣列步驟中對(duì)準(zhǔn)使用。第一切割標(biāo)記130和第二切割標(biāo)記120具體形狀如圖2示意，圓點(diǎn)140示意預(yù)定形成的探針的大致位置，第一切割標(biāo)記130和第二切割標(biāo)記120也基本地決定了其后步驟中形成的探針的位置。進(jìn)ー步，步驟S20，在硅片襯底110的背面上制備用于將探針的信號(hào)引出的焊點(diǎn)。如圖2a和2b所示，在該實(shí)施例中，焊點(diǎn)包括銦柱160以及焊點(diǎn)下金屬層(UBM)150，具體采用雙面光刻技術(shù)，依照正面的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(可以在步驟SlO中形成)，在背面采用剝離的方法制備UBM150和銦柱160。UBM150可以是Ti/Pt/Au的復(fù)合金屬層，Ti/Pt/Au的厚度分別20nm/50nm/50nm；UBM150也可以是Cr/Au，Cr/Au厚度是20nm/1000nm。每ー個(gè)UBM150對(duì)應(yīng)一根探針，UBMl50的面積大小不大于探針的針底座410的面積大小,但是其邊長(zhǎng)不小于相鄰探針的中心之間的距離的40%；UBM150典型邊長(zhǎng)大小為200iim。每個(gè)UBMl50上可以只有ー個(gè)銦柱，銦柱160的邊長(zhǎng)可以為UBM150的邊長(zhǎng)的90%(如圖2b所示)。每個(gè)UBM160上也可以形成有一組小的銦柱陣列，例如，每個(gè)銦柱的面積大小為10umXIOum,間距為10um,規(guī)模為9X9。在制備UBM150的同時(shí)，可以形成其后步驟S30中形成隔離槽180所需的第三切割標(biāo)記170。進(jìn)ー步，步驟S30，在硅襯底110的背面用劃片刀在縱橫兩個(gè)方向切割出的隔離槽180。如圖3所示，在該實(shí)施例中，隔離槽180的深度相對(duì)較淺，其深度等于或大于其后形成的探針的針底座410的高度。通過(guò)多條縱橫排列的隔離槽180，在硅襯底110的背面形成5X5個(gè)硅島陣列。在切割的過(guò)程中，劃片刀可以對(duì)準(zhǔn)第三切割標(biāo)記170進(jìn)行，切割位置之一可以為相鄰的UBM150之間的中間線；具體也可以選擇合適厚度尺寸的劃片刀，控制隔離槽180的寬度尺寸，確保本次切割不傷害硅片背面的UBM和焊點(diǎn)。本次切割的切割位置之二為UBM陣列的最外圍的外側(cè)，此處切割的位置相對(duì)于最外圍的UBM中心的距離與UBM內(nèi)側(cè)的切割槽與UBM中心點(diǎn)的距離相等。具體地，隔離槽180的深度是相對(duì)于探針的高度來(lái)說(shuō)的，也就是相對(duì)于硅襯底110的厚度來(lái)說(shuō)的，一般在硅襯底110的厚度(或者探針的高度)的1/10-1/2之間，硅襯底110的典型厚度為I.5mm，那么本步驟切割的隔離槽180的深度在150-750μm。隔離槽180的寬度是相對(duì)于相鄰探針之間的空間距離來(lái)定義的，一般在相鄰探針的距離的1/8-1/4，典型的探針的距離為400μm，那么本步驟切割的隔離槽180的寬度為50-100μm。進(jìn)一步，步驟S40，在信號(hào)讀出電路襯底210上制備相應(yīng)的焊點(diǎn)，該焊點(diǎn)用于與硅襯底110的背面的焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)焊接，其能用作信號(hào)讀出電路的輸入端。如圖4所示，在該實(shí)施例中，信號(hào)讀出電路襯底210上的信號(hào)讀出電路上包含信號(hào)調(diào)理電路和多路選擇電路等(圖中未示出)，將探針陣列探測(cè)的神經(jīng)元信號(hào)放大后，通過(guò)多路選擇電路將眾多的神經(jīng)元信號(hào)從有限的輸出端口上輸出。信號(hào)讀出電路的輸入端口陣列與探針陣列相對(duì)應(yīng)，輸入端口的位置和間距與探針的位置和間距分別是一致對(duì)應(yīng)的。在信號(hào)讀出電路襯底210的輸入端的焊點(diǎn)在該實(shí)施例中包括UBM250和銦柱260，UBM250和銦柱260的制備方法以及要求與步驟S20中的UBM150和銦柱160—樣，二者之間位置也——對(duì)應(yīng)，形狀也可以——對(duì)應(yīng)相同，這樣，在其后步驟S50中能方便地實(shí)現(xiàn)銦柱160與銦柱260之間的對(duì)應(yīng)倒焊互連。進(jìn)一步，步驟S50，將硅襯底110與信號(hào)讀出電路襯底210之間通過(guò)焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)倒焊互連。如圖5所示，在該實(shí)施例中，采用倒裝焊設(shè)備，例如FC150，將硅襯底110與信號(hào)讀出電路襯底210的銦柱相應(yīng)對(duì)準(zhǔn)焊接互連在一起。在倒焊互連過(guò)程中，對(duì)硅襯底110和信號(hào)讀出電路襯底210加熱到100-150°C，加熱溫度不可超過(guò)銦的熔點(diǎn)155°C。進(jìn)一步，步驟S60，用具有傾斜角度的刃的劃槽刀60，沿硅襯底110的正面的第二切割標(biāo)記130，在硅襯底110的正面切割出V形溝槽，從而在硅襯底的正面形成的錐形臺(tái)陣列。如圖6a和6b所示，在該實(shí)施例中，可以先沿X方向切割，再沿Y方向切割，其具體切割的順序不是限制性的；當(dāng)然，沿X方向切割形成的溝槽與沿Y方向形成的溝槽的形狀可以對(duì)應(yīng)基本相同。圖10所示為本專利一實(shí)施例的使用的劃槽刀的結(jié)構(gòu)示意圖。該劃槽刀60在步驟S60中使用，用于切割出V形溝槽。刃的兩個(gè)刃面610之間的夾角為θ，Θ典型值為60°，Θ越小切割形成的斜面越傾斜，最后形成的探針的針尖越尖，越有利于探針穿刺；Θ的范圍可以為60°-75。。劃槽刀60的寬度不小于探針的寬度的兩倍，典型寬度為200μm。依照步驟SlO的第二切割標(biāo)記130，進(jìn)行切割。當(dāng)劃槽刀的Θ為60。時(shí)，V形溝槽的深度為探針邊長(zhǎng)的I.732倍，典型的深度為173.2μm，考慮一定的切割余量，可以為180μm。切割后，硅片正面形貌基本地如圖6b所示，由315、316、318、319四個(gè)斜面和頂面317組成一個(gè)錐形臺(tái)，斜面315、316、318和319均由劃槽刀60的傾斜的刃面切割硅襯底110形成，錐形臺(tái)的頂面317上的第一切割標(biāo)記120部分地殘留，從而以下步驟S70中使用。進(jìn)一步，步驟S70，用平頭刃的銑刀將硅襯底110銑切成相互分離的探針陣列40。如圖7a所示，在該實(shí)施例中，本次銑切工藝與機(jī)械加工中的銑的工藝原理基本一致，平頭刃的銑刀從相互垂直的兩個(gè)方向?qū)⑻结樦g的硅銑去，使硅襯底成為分離的硅柱陣列形狀以形成探針陣列。在該步驟中，依照步驟SlO中制備的第一切割標(biāo)記120，進(jìn)行銑切。在步驟S60的切割過(guò)程中，硅襯底110的上表面形成了四方錐形臺(tái)，在銑切的過(guò)程中，可以從以第一切割標(biāo)記120對(duì)準(zhǔn)，銑切的結(jié)果是只保留四方錐形臺(tái)的其中ー個(gè)錐角，其余部分的硅體均被銑去。如果銑刀的刀體寬度與相鄰探針之間的間距一致，可以在相鄰兩探針之間切割一次。如果銑刀的刀體寬度小于相鄰探針之間的間距，可以在相鄰兩探針之間進(jìn)行多次銑切。銑切的深度是從硅襯底110的正面切割到硅襯底余下30iim左右厚為止，也即典型銑切割深度為1470iim，這樣，隔離槽180之上的硅均被去除，實(shí)現(xiàn)了相鄰探針之間的分離。當(dāng)然，銑切的深度設(shè)定時(shí)，并不限于以上具體實(shí)施例，同樣硅襯底余下的厚度不限于以上具體實(shí)施例，硅襯底余下的厚度也可以在20-100微米內(nèi)設(shè)定，硅襯底余下的厚度要比銑刀的定位精度與跟硅襯底厚度的測(cè)量精度之和大兩倍，從而避免刀片把整個(gè)硅劃穿(避免破環(huán)信號(hào)讀出電路襯底210)，同時(shí)硅襯底余下的厚度也要使隔離槽180之上的硅均被去除。探針陣列40的每根探針包括三部分，即針尖430、針身420和針底座410。針身420是由本次銑切形成的與信號(hào)讀出電路襯底210垂直的四個(gè)面包圍的硅柱。針尖430的具體結(jié)構(gòu)在圖7b中示出，在該實(shí)施例中，針尖430由步驟S60中的兩個(gè)斜面315和316的一部分形成，也即針尖430的斜面315和316。針尖的垂直面431和432在切銑過(guò)程中形成，斜面315與垂直面432的角度基本為0/2，斜面316與垂直面431的角度基本為0/2，因此0越小，針越尖。針底座410是由步驟S30切割形成的硅島形成的，在本次銑切中，沒(méi)有穿透整個(gè)硅片，保證銑切不損傷信號(hào)讀出電路襯底210，同時(shí)本次銑切的深度與隔離槽180的深度之和是超過(guò)硅片本身的厚度的，確保本次銑切可以在隔離槽180之處切透硅襯底，硅島余下的厚度就是針底座410的厚度。進(jìn)ー步，步驟S80，在探針的表面濺射金屬，制備電極440。如圖8所示，在該實(shí)施例中，先在信號(hào)讀出電路襯底210上滴正膠，例如經(jīng)過(guò)稀釋后具有良好流動(dòng)性的AZ1500，通過(guò)膠的自然流動(dòng)來(lái)覆蓋信號(hào)讀出電路襯底210表面；然后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的低溫烘烤固化，例如50°C，8小時(shí)；然后濺射金屬，例如Ti/Pt，厚度為20nm/50nm，或者例如是Cr/Au。濺射結(jié)束后，將樣品浸入丙酮中，去除掉信號(hào)讀出電路襯底210上的正膠，同時(shí)也去除正膠上的金屬。濺射的金屬附著在探針的針尖的斜面315、斜面316、垂直面431和垂直面432、針身420側(cè)壁和針底座410的正面上，在信號(hào)讀出電路襯底210上沒(méi)有金屬。這樣可以保證探針之間不短路。如果金屬?zèng)]有覆蓋針身420和針底座410也可以，因?yàn)樘结樀牡碗娮杪实墓璨牧?，不?huì)引入較大的串聯(lián)電阻。進(jìn)ー步，步驟S90，在探針陣列40上淀積有機(jī)薄膜作為絕緣層510，然后去除針尖430的有機(jī)薄膜，露出金屬電極440。在該實(shí)施例中，如圖9所示，有機(jī)薄膜可以是C型聚對(duì)ニ甲基苯、SU8型光刻膠或者聚酰亞胺。在淀積有機(jī)薄膜之前，用聚酰亞胺膠帶將信號(hào)讀出電路襯底210四周的引線ロ覆蓋住。C型聚對(duì)ニ甲基苯的典型厚度為5pm，聚酰亞胺的典型厚度是IUm。淀積有機(jī)薄膜后，將聚酰亞胺膠帶去除。電極440的暴露可以通過(guò)以下方法過(guò)程完成。將探針穿過(guò)ー張鋁箔，鋁箔的厚度為6iim。探針針尖的部分露出鋁箔20-40iim，將信號(hào)讀出電路襯底210放在另ー張鋁箔的上，將兩張鋁箔的邊緣黏合在一起，以將探針陣列40和信號(hào)讀出電路襯底210包裹在鋁箔中，只露出針尖部分。然后用氧等離子體刻蝕有機(jī)薄膜510，從而可以露出針尖的金屬，形成電極440。去掉鋁箔，制備完成。至此，形成了如圖9所示實(shí)施例的混成式三維神經(jīng)元探針陣列。該混成式三維神經(jīng)元探針陣列中，探針陣列40的相鄰探針的針底座410是完全分離的，也即相鄰探針之間是完全分離的，并且還可以通過(guò)絕緣層510隔離，因此，探針之間的信號(hào)隔離好。相比于猶他大學(xué)提出的混成式三維神經(jīng)元探針陣列(參閱文獻(xiàn)=KellyE.Jones,PatrickK.Campbell,andRichardA.Normann.，，AGlass/SiliconCompositeIntracorticalElectrodeArray.，，AnnalsofBiommedicalEngineering,Vol.20,423-437，1992)，猶他大學(xué)制作的探針陣列(簡(jiǎn)稱為“猶他探針”)中，先在硅襯底背面劃淺槽，在硅襯底背面上形成硅島陣列，然后在淺槽中填入玻璃粉，高溫?zé)Y(jié)玻璃粉形成一個(gè)玻璃網(wǎng)格框架。然后從硅襯底正面銑切硅襯底至玻璃框架上，將硅襯底切割成平頭的方形硅柱陣列。玻璃網(wǎng)格框架是支撐結(jié)構(gòu)，每一個(gè)網(wǎng)格中形成一根探針，通過(guò)玻璃框架使探針在電學(xué)上相互隔離。然后用兩步濕法腐蝕將探針腐蝕成尖。對(duì)于猶他探針的制備過(guò)程來(lái)說(shuō)，將硅襯底切割成平頭的方形娃柱陣列后，襯底是一個(gè)玻璃網(wǎng)格和網(wǎng)格包含著娃的復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常脆弱。對(duì)這么脆弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后繼的多次復(fù)雜的操作，很容易使襯底破碎。而本專利的優(yōu)點(diǎn)之一在探針陣列成型工藝，采用有斜面刃的劃槽刀直接切割出針尖的斜面，然后采銑刀將硅襯底銑切成分離的探針陣列，避免了猶他探針的切割后的兩次腐蝕過(guò)程。劃槽和銑切工藝實(shí)施難度小。而且探針陣列切割后直接立在厚實(shí)的信號(hào)讀出電路襯底上，后繼對(duì)芯片的操作導(dǎo)致電路襯底碎片的可能性低。整體上來(lái)說(shuō)，該專利的制備成品率相對(duì)較高。另外，猶他探針從硅襯底的背面引線，每根探針引一個(gè)輸出線，工藝繁復(fù)，引線數(shù)量眾多，接口電路復(fù)雜，因此猶他探針的規(guī)模有限。本專利的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是工藝不破壞信號(hào)讀出電路襯底上的CMOS讀出電路，在信號(hào)讀出電路襯底上制備探針，通過(guò)多路選擇電路，使輸出的信號(hào)線下降到幾根，使輸出引線數(shù)量不再是探針規(guī)模擴(kuò)大的限制，使本專利的制備方法非常適合制備大規(guī)模的混成式三維神經(jīng)元探針陣列。并且避免了繁復(fù)的引線工藝，數(shù)據(jù)接口簡(jiǎn)潔，這對(duì)于生物在體實(shí)驗(yàn)是非常有意義的。相對(duì)于將猶他探針倒焊到信號(hào)讀出電路襯底上的方案，本專利的優(yōu)點(diǎn)在于將厚的硅襯底倒焊到信號(hào)讀出電路襯底上比將探針倒焊到信號(hào)讀出電路襯底上工藝簡(jiǎn)單而且可靠。對(duì)脆弱的猶他探針進(jìn)行倒焊工藝，操作必須非常小心，難度不亞于三維微組裝，特別是當(dāng)探針的規(guī)模比較大的時(shí)，工藝更加艱難，很容易在施加壓力的過(guò)程中使襯底破裂。對(duì)于可靠的倒焊互連工藝來(lái)說(shuō)，施加一定的壓力是必須的。而本專利先將厚硅片倒焊到讀出電路，這步工藝是成熟和可靠的，而且與探針陣列規(guī)模無(wú)關(guān)。因此，本專利的制備方法過(guò)程簡(jiǎn)單、成品率高，并且非常適合于大規(guī)模制備。需要理解的是，以上實(shí)施例中，盡管僅以陣列規(guī)模為5X5的混成式三維神經(jīng)元探針陣列及其制備方法進(jìn)行說(shuō)明，但是，陣列規(guī)模的具體大小不是限制性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)以上教導(dǎo)制備更大規(guī)模陣列的混成式三維神經(jīng)元探針陣列。需要理解是，以上實(shí)施例的步驟S40并不限于在步驟S10、S20和/或S30之后，其也可以在步驟S10、S20和/或S30之前完成。步驟S40中的信號(hào)讀出電路襯底210中已經(jīng)制備形成了各種形式的信號(hào)讀出電路。以上例子主要說(shuō)明了本專利的混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備方法、使用該制備方法制備形成的混成式三維神經(jīng)元探針陣列以及制備方法過(guò)程中所使用的劃槽刀。盡管只對(duì)其中一些本專利的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本專利可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其他的形式實(shí)施。因此，所展示的例子與實(shí)施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本專利精神及范圍的情況下，本專利可能涵蓋各種的修改與替換。權(quán)利要求1.一種混成式三維神經(jīng)元探針陣列結(jié)構(gòu)，它包括信號(hào)讀出電路襯底，與所述信號(hào)讀出電路襯底倒焊互連的探針陣列；其特征在于所述探針陣列的每個(gè)探針包括針尖，針身，以及針底座；相鄰探針之間的針底座之間相互分離；相鄰所述探針的所述針底座之間的間距范圍為25至75微米，針尖由兩個(gè)相鄰交接的斜面和兩個(gè)相互垂直交接的垂直面圍成，兩個(gè)所述垂直面垂直于所述硅襯底，所述斜面與所述垂直面之間的夾角為V形溝槽的兩個(gè)斜面的夾角的1/2。專利摘要本專利公開(kāi)了一種混成式三維神經(jīng)元探針陣列結(jié)構(gòu)，它包括信號(hào)讀出電路襯底，與所述信號(hào)讀出電路襯底倒焊互連的探針陣列；所述探針陣列的每個(gè)探針包括針尖，針身，以及針底座；相鄰探針之間的針底座之間相互分離；相鄰所述探針的所述針底座之間的間距范圍為25至75微米，針尖由兩個(gè)相鄰交接的斜面和兩個(gè)相互垂直交接的垂直面圍成，兩個(gè)所述垂直面垂直于所述硅襯底，所述斜面與所述垂直面之間的夾角為V形溝槽的兩個(gè)斜面的夾角的1/2。該混成式三維神經(jīng)元探針陣列的制備成品率高，并且制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模制備。文檔編號(hào)B81B1/00GK202657949SQ20122020770公開(kāi)日2013年1月9日申請(qǐng)日期2012年5月9日優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日發(fā)明者程正喜,莊佚溦,張學(xué)敏,翟厚明,施永明,馬斌申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所