ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО МИКРОЗОНДА ДЛЯ МАЛОИНВАЗИВНОГО НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОГО ИНТЕРФЕЙСА

  • Е. Ю. Гусев Южный Федеральный Университет
  • Ю. Ю. Житяева Южный Федеральный Университет
Ключевые слова: Нейрокомпьютерный интерфейс, микрозонд, нейрозонд, монокристаллический кремний, поверхностная микрообработка, анизотропное жидкостное травление, технология изготовления

Аннотация

Работа посвящена разработке технологии изготовления многоэлектродного микро-
зонда (нейрозонда) методами поверхностной микрообработки и анизотропного жидкост-
ного травления кремния на основе инфраструктуры научно-образовательного центра
«Нанотехнологии» Южного федерального университета. Разработка выполнена для реа-
лизации типовой конструкции нейрозонда, которая состоит из основания, нескольких ба-
лок прямоугольной формы с заостренным концом и электрического интерфейса. Техноло-
гический маршрут основан на 4 фотолитографиях и включает 18 основных операций, в
т.ч. очистку подложки, термическое окисление, плазмохимическое осаждение оксида и
нитрида кремния, быстрый термический отжиг, плазмохимическое травление нитрида и
оксида кремния, жидкостное изотропное и анизотропное травление оксида кремния и мо-
нокристаллического кремния, электронно-лучевое напыление металлов. Проведены экспе-
риментальные исследования анизотропного жидкостного травления монокристаллическо-
го кремния в растворе гидроксида калия через маску плазменного оксида кремния, а также
влияния быстрого термического отжига на стойкость маски. Исследовано влияние кон-
центрации раствора на скорость и шероховатость поверхности травления в диапазоне от
10 до 40 % при температуре 80 °C. Установлено, что травление в 27–30 % растворе при-
водит к формированию поверхности с наименьшим среднеарифметическим значением шероховатости 13 нм. Скорости травления монокристаллического кремния и оксида кремния составили 1,5 мкм/мин для грани (100), 3 нм/мин для (111), и 10 нм/мин, соответственно.
Установлено, что отжиг при 600 °С в течение 3 мин повышает стойкость оксида крем-
ния к действию раствора щелочи в 2 раза. Апробация разработки проведена на примере
изготовления серии двухбалочных микрозондов на пластине КЭФ (100) диаметром 100 мм
и толщиной 420 мкм. Настоящий технологический процесс может быть использован для
изготовления нейрозондов с различным количеством и размещением балок и электродов

Литература

1. Seymour J.P., Wu F., Wise K.D., Yoon E. State-of-the-art MEMS and microsystem tools for
brain research, Microsystems & Nanoengineering, 2017, Vol. 3, pp. 16066.
2. HajjHassan M., Chodavarapu V., Musallam S. NeuroMEMS: Neural Probes Microtechnologies,
Sensors, 2008. – Vol. 8, No. 10, pp. 6704-6762.
3. Govindarajan A.V., Je M., Park W.-T., Achyuta A.K.H. MEMS as implantable neuroprobes, in
MEMS for Biomedical Applications. Woodhead Publishing Limited, 2012, pp. 361-395.
4. Ruther P., Herwik S., Kisban S., Seidl K., Paul O. Recent progress in neural probes using silicon
MEMS technology, IEEJ Transactions on electrical and electronic engineering, 2010,
Vol. 5, pp. 505-515.
5. Herwik S., Kisban S., Aarts A.A.A., Seidl K., Girardeau G., Benchenane K., Zugaro M.B., Wiener
S.I., Paul O., Neves H.P. Fabrication technology for silicon-based microprobe arrays used
in acute and sub-chronic neural recording, Journal of Micromechanics and Microengineering,
2009, Vol. 19, No. 7, pp. 074008.
6. Archer M.J., Ligler F.S. Fabrication and characterization of silicon micro-funnels and tapered
micro-channels for stochastic sensing applications, Sensors, 2008, Vol. 8, pp. 3848-3872.
7. Gao K., Li S., Zhuang L., Qin Z., Zhang B., Huang L., Wang P. In vivo bioelectronic nose using
transgenic mice for specific odor detection, Biosensors and Bioelectronics, 2018, Vol. 102,
pp. 150-156.
8. Norlin P., Kindlundh M., Mouroux A., Yoshida K., Hofmann U.G. A 32-site neural recording
probe fabricated by DRIE of SOI substrates, Journal of Micromechanical and
Microengineering, 2002, Vol. 12, pp. 414-419.
9. Raducanu B.C., Yazicioglu R.F., Lopez C.M. [et al.]. Time Multiplexed Active Neural Probe
with 1356 Parallel Recording Sites, Sensors, 2017, Vol. 17, No. 10, pp. 2388.
10. Sokolov L.V., Zhukov A.A., Parfenov N.M., Anurov A.E. Analiz sovremennykh tekhnologiy
ob"emnogo mikroprofilirovaniya kremniya dlya proizvodstva chuvstvitel'nykh elementov
datchikov i MEMS [Analysis of modern technologies for volumetric micro-profiling of silicon
for the production of sensitive elements of sensors and MEMS], Nano- i mikrosistemnaya
tekhnika [Nano-and Microsystem technology], 2014, No. 10, pp. 27-35.
11. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnology in microelectronics], ed. by O.A. Ageeva,
B.G. Konopleva. Moscow: Nauka, 2019, 511 p.
12. Alekseev A.N., Sokolov I.A., Ageev O.A., Konoplev B.G. Kompleksnyy podkhod k
tekhnologicheskomu osnashcheniyu tsentra prikladnykh razrabotok. Opyt realizatsii v NOTS
«Nano-tekhnologii» YuFU [An integrated approach to the technological equipment of the center
for applied research. Experience of implementation at REC "Nanotechnology" of Southern
Federal University], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2011, No. 4 (117), pp. 207-210.
13. Alekseev A., Ageev O., Gusev E., Konoplev B., Lysenko I., Petrov S. Tandem ZAO «NTO» i
NOTS «Nanotekhnologii» YuFU – primer uspeshnogo vzaimodeystviya proizvodstva i nauki
[Tandem of JSC "NTO"and REC "Nanotechnologies" of the southern Federal University-an
example of successful interaction of production and science], Elektronika: nauka, tekhnologii,
biznes [Electronics: science, technology, business], 2016, No. 7 (157), pp. 78-83.
14. Malokhatko S.V., Gusev E.Yu., Ageev O.A. Razrabotka strelovidnogo kantilevera dlya
mnogochastotnoy atomno-silovoy mikroskopii [The development of the arrow-shaped cantilever
for multi-frequency atomic force microscopy], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 3 (205), pp. 171-178.
15. Gusev E.Yu. Razrabotka tekhnologii izgotovleniya mikromekhanicheskikh akselerometra na
osnove polikristallicheskogo kremniya metodami poverkhnostnoy mikroobrabotki [Development
of technology for the manufacture of micromechanical acceleration sensors based on
polycrystalline silicon by surface micromachining], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 10 (183), pp. 52-64.
16. Kirt R.W., Muller R.S. Etch rates for micromachining processing, Journal of
microelectromechanical systems, 1996, Vol. 5, No. 4, pp. 256-269.
17. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Avdeev S.P., Ageev O.A. Effect of substrate temperature on the
properties of plasma deposited silicon oxide thin films, Journal of Physics: Conference Series,
2018, Vol. 1124, No. 2, pp. 022034.
18. Gusev E.Yu., ZHityaeva Yu.Yu., Kolomiytsev A.S., Gamaleev V.A., Kots I.N., Bykov A.V.
Issledovanie rezhimov zhidkostnogo travleniya zhertvennogo sloya SiO2 dlya formirovaniya
mikromekhanicheskikh struktur na osnove Si*/SiO2/Si [Investigation of the modes of liquid
etching of the SiO2 sacrificial layer for the formation of micromechanical structures based on
Si* / SiO2/Si /], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2015, No. 2 (163), pp. 236-245.
19. Konoplev B.G., Ageev O.A, Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Serbu N.I. Modifikatsiya zondov
dlya skaniruyushchey zondovoy mikroskopii metodom fokusirovannykh ionnykh puchkov
[Modification of probes for scanning probe microscopy using focused ion beams],
Mikroelektronika [Microelectronics], 2012, Vol. 41, No. 1, pp. 47-56.
20. Ageev O.A., Gusev E.Yu., Kolomiytsev A.S., Lisitsyn S.A., Bykov A.V. Fabrication of tunnelling
gap of nanomechanical accelerometer by focused ion beam, Journal of Physics: Conference
Series, 2016, Vol. 741, No. 1, pp. 012177.
21. Kots I.N., Kolomiytsev A.S., Lisitsyn S.A., Polyakov V.V., Klimin V.S., Ageev O.A. Issledovanie
rezhimov profilirovaniya poverkhnosti kremniya metodom fokusirovannykh ionnykh puchkov
[Investigation of silicon surface profiling modes using focused ion beams], Mikroelektronika
[Microelectronics], 2019, Vol. 48, No. 2, pp. 97-105.
Опубликован
2020-02-26
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ