Inhaltszusammenfassung:
Die Integration von CMOS-Chips in flexible elektrisch aktive Implantate eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten für intelligente Implantate, die in einem geschlossenen Regelkreis Körperwerte ermitteln und verarbeiten, um dann gezielt darauf zu reagieren.
Diese Arbeit wurde im Zuge eines Projekts zur Entwicklung eines neuartigen Mikroelektrodenarrays auf Basis eines Arrays kleiner ungehäuster Chips erstellt.
Dazu wurde ein vollständiger Herstellungsprozess ausgehend von der Vereinzelung und der Anordnung der Chips, über deren Einbettung in eine Folie, bis hin zur Herstellung der die Chips verbindenden Leiterbahnen entwickelt. Zum Übertragen und Anordnen der Chips wurde ein selektiver Transfer Printing Prozess mit einem Silikonstempel entwickelt. Durch das Übertragen einer Subgruppe von Chips kann der Abstand benachbarter Chips auf ein ganzzahliges Vielfaches vergrößert werden. Der Prozess funktioniert zuverlässig mit einer Übertragungsquote zwischen 90% und 100%. Die maximalen Kräfte, mit denen die Silikonstempel Chips von einer Klebefolie abziehen können wurden ermittelt und betragen für Stempel mit einem Profil aus (300 µm)² großen Erhebungen je nach Härte des Silikons 65 kPa bzw. 83 kPa bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 10 mm/min.
Um die Höhe der Chips auszugleichen wurden die Chips in Silikon eingebettet. Dazu wurde das Chip-Array mit den Chipoberseiten nach unten in eine dünne Schellackschicht gesetzt und mit Silikon übergossen. Abstandshalter am Rand im Zusammenspiel mit einem Deckglas sorgten für eine homogene Schichtdicke. Nach dem Aushärten des Silikons diente die Schellackschicht als Trennschicht. Die Topographie der aus dem Einbettungsprozess resultierenden Oberfläche hatte eine Amplitude < 10 µm. Diese Oberfläche ermöglichte die Strukturierung von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen mittels photolithographischer Prozesse.
Für die Leiterbahnen wurde Ti/Au/Ti aufgesputtert und gegen eine Lackmaske trocken geätzt. Um Durchkontaktierungen durch das Parylen ätzen zu können musste eine Aluminiumhartmaske strukturiert werden, da sich die Oberfläche im Vakuum bewegte, was in einer Lackmaske zur Rissbildung führte.
Die einzelnen Prozessschritte wurden erfolgreich zusammengefügt, um ein auf funktionslosen Chip-Dummys basierendes Demonstratorsystem aufzubauen. Für das Demonstratorsystem wurde ein Array aus 7 × 7 Chip-Dummys mit einer Größe von jeweils 250 µm × 250 µm × 200 µm eingebettet und mit zwei Leiterbahnebenen verbunden. Das System ließ sich komplett aufbauen, aber Fehler während der Herstellung führten sowohl zu unterbrochenen als auch zu kurzgeschlossenen Leiterbahnen. Daher waren keine elektrischen Messungen mit dem System möglich.
Die Lage der neutralen Ebene innerhalb des Systems kann mit einem einfachen Model berechnet werden. Ihre Lage im Schichtsystem lässt sich durch die Variation der Schichtdicke einzelner Lagen gezielt einstellen.
Für Anwendungen im Körper ist die Langzeitstabilität elektrisch aktiver Implantate von herausragender Bedeutung. Flexible Systeme können dabei nicht auf ein starres hermetisches Gehäuse zurückgreifen. Atomlagenabscheidung (ALD) ist ein Verfahren, das die Abscheidung defektfreier Schichten hoher Güte erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit wurden erfolgreich Al2O3 und TiO2 Schichten mittels ALD bei niedrigen Temperaturen ≤ 120°C abgeschieden. Messungen an mittels ALD beschichteten Folien wiesen eine um bis zu 18.000-fach reduzierte Heliumleckrate gegenüber unbeschichteten Folien auf. Dies ist ein deutlicher Hinweis auf die hervorragenden Barriereeigenschaften der ALD-Schichten.
Abstract:
The integration of CMOS-dies into flexible electrically active implants offers numerous new opportunities for smart implants. Due to a closed control loop such implants can measure and analyze body signals, before reacting to them with a specific response. This work was conducted as part of a project aiming for the development of a new kind of microelectrode array based on an array of small dies. Therefor a complete fabrication process starting with the separation and assembly of the dies, continuing with their embedding into a foil, and ending with the fabrication of conducting tracks connecting the dies was developed.
For the transfer and embedding of the dies a selective transfer printing process based on a silicone stamp was developed. The transfer of a subgroup of dies allows the increase of the spacing of neighboring dies to any integer multiple. The process works reliable with a yield between 90% and 100%. The maximum strength the stamps can pull off dies from a tape was determined. For a stamp with a profile of (300 µm)² square bumps it is – depending on the softness of the PDMS – 65 kPa or 83 kPa for a peeling speed of 10 mm/min.
To equalize the height of the dies they were embedded in silicone. The die array was placed upside down in a thin shellac film before it was cast in silicone. Spacers together with a covering glass guaranteed for a homogeneous layer thickness. After curing of the silicone the shellac was used as a release layer. The resulting surface topography has an amplitude < 10 µm.
This surface then allows the structuring of conducting tracks and VIAs (vertical interconnect access) using processes based on photolithography. To fabricate conducting tracks Ti/Au/Ti was sputter deposited on the surface and then dry etched against a resist mask. Etching of the VIAs required the structuring of an aluminum hardmask, as the surface moved in the vacuum leading to the formation of cracks in a resist mask.
The different process steps have been successfully combined to build a demonstrator system based on inoperable die-dummies. For the demonstrator system a 7 × 7 array of die-dummies with a size of 250 µm × 250 µm × 200 µm each was embedded and electrically connected by two layers of conducting tracks. The system could be completely built, but failure during fabrication lead to both interrupted and short-circuited tracks. Thus, no electrical measurements were possible with the system.
The location of the neutral axis within the system can be calculated using a simple model. Ist location within the layer system can be set by proper variation of the thickness of the different material layers.
For any application of an electrically active implant inside the body the longtime stability of the device is of outstanding importance. Flexible systems cannot use rigid hermetic housings.
Atomic layer deposition (ALD) is a method allowing the deposition of defect free layers of high quality. Within this work Al2O3 and TiO2 films have been successfully deposited at
temperatures < 120°C using ALD. Measurements of ALD coated foils showed up to 18,000 times lower helium leak rates than uncoated foils. This is a distinct sign for the excellent barrier properties of the ALD layers.
atomic layer deposition
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