综述：面向高分辨率聚合物神经接口：电子束光刻实用指南

《Advanced Science》：Toward High-Resolution Polymeric Neural Interfaces: A Practical Guide for Electron Beam Lithography

　　

电子束光刻（EBL）为小型化和精细化神经技术植入物提供了极好的机会，这些植入物服务于重要应用领域，如神经系统疾病的治疗以及将身体与外部机器连接。为了提高植入部分的生物相容性和信号分辨率，缩小体积和增加通道数量可以改善组织中的长期整合，同时扩展功能。标准方法是使用光学光刻对这些器件进行图案化，其分辨率限制在微米尺度。近年来，EBL已被用于在聚合物基底上制造纳米级电学特征。尽管已有大量关于EBL用于标准材料基底（如硅）的数据，但聚合物基底特有的挑战仍然存在。这些挑战包括绝缘材料的充电、非平面性和基底的加热。本教程支持对薄膜微纳加工工艺开发的理解，以使用EBL制造高分辨率神经植入物。此外，它还可作为实施EBL以实现高分辨率结构的指南，为基于聚合物的神经假体中的亚微米特征提供实用方案，推动该领域更接近这些设备的临床实施。

1 引言
神经接口已用于治疗癫痫和帕金森病等神经系统疾病，并有望恢复脊髓损伤后的运动功能。现代薄膜生物电子器件基于聚合物如聚酰亚胺（PI）和Parylene C（PaC），并使用Au或Pt等金属以及IrOx等电极材料。植入设备通常包含电极、连接线和电源等。神经技术从刚性硅基材料转向柔性聚合物，以改善机械匹配和生物相容性。小型化可增加通道数量，提高信号分辨率。光刻技术中，光学光刻受衍射限制，而EBL适用于纳米级的原型制作。EBL在聚合物基底上面临非平面性、加热和充电等挑战，因此需要建立稳定的工艺窗口。

2 电子束光刻（EBL）
EBL系统包括电子源、聚光镜、束偏转器、束消隐器、像散器、光阑、物镜和电子探测器等。曝光时，样品台在x-y平面移动，图案被分割成矩形、梯形等基本形状。写入速度主要取决于束流，剂量定义为每单位面积的电荷（μC/cm²）。曝光时间可通过公式计算。例如，一个总面积约0.42 cm²的神经电子器件，在300 μC/cm²剂量和10 nA束流下需约3.5小时。长时间曝光会引起束流漂移。

2.1 使用EBL实现高分辨率
电子束与抗蚀剂相互作用产生弹性散射和非弹性散射，包括前向散射、背向散射和二次电子。加速电压决定电子能量和相互作用体积。高电压减小前向散射，提高分辨率，但增强背向散射。分辨率受束斑直径、步长、光阑和加速电压影响。在优化条件下，束斑可聚焦到约1-2 nm。抗蚀剂的高对比度、低灵敏度、薄膜和优化工艺可实现更精细的特征。

2.2 EBL挑战
主要挑战包括邻近效应、线边缘粗糙度和束流漂移。

2.2.1 邻近效应
电子散射导致非均匀曝光，降低分辨率，称为邻近效应。邻近效应校正（PEC）方法包括剂量校正、图案尺寸补偿和背景曝光补偿。提高加速电压可以减少相互作用体积，从而减轻邻近效应。未校正的示例中，密集线条宽度大于设计值。

2.2.2 线边缘粗糙度（LER）
LER是图案边缘偏离理想直线的偏差，对于小特征尤其重要。它源于抗蚀剂分子不均匀性、电子散射或剂量波动。高束能量和剂量可减少散粒噪声，薄抗蚀剂可减少散射路径，降低粗糙度。

2.2.3 束流漂移
束流漂移可由机械振动、柱充电、磁场干扰和热效应引起，长时间曝光更明显。它会影响写场间的图案和层间对准。对策包括提前曝光对准标记、设计补偿重叠和减少曝光时间。

3 聚合物基底上的EBL
聚合物薄膜器件制造通常采用剥离工艺。聚合物如PI和PaC可通过EBL图案化，而SU-8和PDMS是电子敏感材料，不适合作为基底。石英具有类似挑战，但厚度不同。表1总结了常见聚合物的电学和热学性质。

3.1 基底非均匀性
高度测量和平整度对EBL至关重要。旋涂厚度变化影响工艺。示例显示PI厚度偏差约0.185 μm。旋涂加速度需要控制，通常使用低速预涂。

3.2 聚合物基底的充电
聚合物绝缘导致电荷积累，引起束偏转和图案畸变。对策包括蒸发10-20 nm金属层或使用导电聚合物如E-spacer。但可能不总是需要，应逐例评估。优化写入顺序可减少充电和加热。

3.3 聚合物基底的加热
电子束曝光可引起局部过热，聚合物导热性差。可能导致聚合物膨胀、达到玻璃化转变温度、开裂或化学变化。PI热稳定性好，PaC对热敏感。低加速电压可减少热效应，但需权衡。

4 EBL工艺实施
工艺开发需要系统优化参数。典型步骤包括掩蔽、显影、曝光、金属化和剥离。

4.1 掩蔽和显影
4.1.1 抗蚀剂的选择和旋涂参数
抗蚀剂需要高灵敏度、高对比度和良好的附着力。常见正性抗蚀剂包括PMMA、ZEP520A、AR-P6200，负性抗蚀剂包括HSQ和ma-N 2400。PMMA高分辨率但灵敏度低，可采用双层剥离。旋涂参数控制厚度，影响分辨率和展宽比。

4.1.2 电荷缓解层
示例显示在100 kV下PI基底无需电荷缓解层，无E-spacer时线宽更接近目标。因此可根据情况选择性使用。

4.1.3 显影
显影参数如稀释、时间、搅拌影响分辨率。示例使用IPA:H₂O 80:20显影2分钟，然后用IPA停止反应。

4.2 曝光
4.2.1 加速电压的选择
高加速电压（如100 kV）提高分辨率并减少充电，但对热敏感基底如PaC可能需10-20 kV。

4.2.2 剂量参数的选择
通过剂量测试确定最佳剂量，测试图案需包含关键特征。高剂量可能增加加热和充电。

4.2.3 优化束斑尺寸
根据特征尺寸调整束斑尺寸可提高产量并减少漂移。示例中10 nA和30 nA束流下结构线宽无显著差异，曝光时间可从3.5小时降至70分钟。大特征可使用更大束斑。

4.3 金属化和剥离
4.3.1 金属化
剥离工艺适合蒸发金属。抗蚀剂需足够厚，等离子处理可改善附着力但消耗抗蚀剂。需要粘附层，示例使用10 nm Cr和90 nm Pt。

4.3.2 剥离
溶剂选择取决于抗蚀剂，NMP或DMSO有效，但需与聚合物兼容。主动或被动剥离。示例使用DMSO浸泡数小时，无需搅拌。

4.4 曝光参数和制备特征的评估
4.4.1 高分辨率成像方法
AFM、SEM和FIB-SEM用于亚微米特征表征。SEM适合快速线宽测量，但绝缘基底需电荷缓解。FIB-SEM可用于截面观察。

4.4.1.1 SEM分析
示例中测试结构线宽与剂量关系，过程窗口可通过SEM评估。较厚的底层抗蚀剂（共聚物EL10）可改善剥离但会缩小过程窗口。

4.4.2 电学测量
通过四点探针测量桥式结构的电阻，可确定电学线宽和间距。示例中测量结果与设计值线性对应，需要尺寸偏置补偿。

5 讨论与结论
EBL在聚合物基底上的数据有限，但具有潜力。高通道密度有利于脑机接口（BCI/BMI）系统。挑战包括非平面性、加热和充电。尽管挑战，EBL可重复制造50/200 nm宽/间距特征，本文经验实现了100/200 nm。优化束斑尺寸是关键。系统工艺优化可节省时间和成本。未来需评估植入硬件的可靠性和连接器、数据传输、电源传递等辅助挑战。