國立成功大學

微機電系統工程研究所

碩士論文

單細胞動作電位量測晶片之研製

Biochip fabrication of action potential measurement for single cells

研 究 生林紀甫

指導教授羅錦興

中華民國 九十四年六月

摘要

膜片箝制(Patch Clamp)技術是電生理學中研究離子通道機制最成

熟完備的一項工具傳統膜片箝制方式是使用玻璃吸管(pipette)移動到

要紀錄的細胞上此方式可得到正確且精準的資訊但卻需要純熟的操

作技術且相當耗費時間導致只能得到少量的紀錄資訊電壓箝制

(Voltage clamp)則是另外一種量測離子通道的方式給予一定程度的電

壓來量測細胞膜間的離子電流進出藉此可量測細胞的動作電位(action

potential)

本論文提出以軟微影(Soft lithography)與蝕刻技術在矽晶片上製作

細胞平台與孔洞以代替傳統膜片箝制的玻璃吸管來進行電壓箝制實

驗至今已成功地以矽晶片細胞平台黏取細胞和以 ICP(感應耦合電漿離

子蝕刻)蝕刻出矽晶片的微小孔洞本研究驗證了此製程的可行性期望

可藉由此晶片量測細胞的離子通道能自動化且即時地得知細胞的生理

現象且節省人力與時間並提高紀錄的資訊產量

關鍵字微機電系統膜片箝制電壓箝制軟微影感應耦合電漿離

子蝕刻

I

ABSTRACT

Patch clamp is a well-developed lelectrophysiological recording

technique used to study ion channel function and regulation The

conventional method of performing patch clamp technique employs a glass

micropipette onto the cell by manual manipulation Despite this technique

is extremely sensitive and information-rich but requires a highly-skilled

operator and is limited in throughput Voltage clamp that determine the

behavior of the ion channel conductances responsible for the generation of

the action potential is the another method to record the flow of ionic current

across the cell membrance The method is held a constant membrane

potential while the ionic current flowing through the membrane is measured

The thesis presents cell-platforms and etcing pores on silicon by using

soft lithography and etching technique insteading of conventional glass

micropipette recording method we successfully demonstrated practicability

of the process by the cells adhered on the platform and the etching pores on

the silicon chip by using ICP The less laborious manipulationtime saving

and high sampling throughput will be expected In the future we can

automatically real time controlled and changed in response to the cellrsquos

physiologic characteristics measured by ionic channel activities KeywordMEMSPatch clampVoltage Clamp Soft lithographyICP

II

誌謝

我仍不相信研究生要有獨立研究的精神

因為這兩年的跨領域研究生活受到太多人的幫助了最感謝的是恩

師羅錦興教授恩師不但在專業上有驚人的傑出表現之外在教導學生

方面又有為人師表的細心認真和寬容大量的氣度每當我實驗方向出現

盲目錯誤時能一針見血地指出謬誤之處並將我拉回正軌每當學生我

有莽撞與不成熟的學習態度時會以寬宏慈藹的引導代替責備種種風

範使學生深感佩服由衷感謝另外感謝口試委員吳勝男教授洪昭南

教授鍾宜璋博士張凌昇博士魏憲鴻博士能抽空前來並給予學生

專業的見解指導尤其感謝鍾宜璋老師對於軟微影的技術提供和奇美醫

院林茂村教授提供的幹細胞才使此論文誕生

感謝團隊中的宗閔學長在這兩年的研究生活一直能精闢地指出

我實驗的問題癥結並給予正確的實驗方向避免我淪落於實驗的工

匠更在我口試前不厭其煩地改正我的論文使我獲益良多還有學弟

永鎮與偉松一年來的幫助總能在我實驗最左右支絀時伸手支援

以及建中博源浩賢宗旗盈捷逸閎銀谷昭蓉等學長姐

的指導與照顧才能使我能很快進入況狀脫離徬徨無助的窘境

感謝南區國家奈米元件實驗室(NDL)的研究員劉建惟博士與工程師

蔡來福薛漢鼎文翔昇大哥們在製程上的指導與機台的保修以及張

瑛昭大姐在行政手續上的幫忙感謝你們才使我能趕在畢業前有實驗

的成果還有一起實驗的同伴協宇弘達與松濤我不會忘記那不眠不

休趕實驗的日子

III

研究室的米蟲大隊賢尚崇文永光聖嘉仁宜宗圻彥迪的

學業陪伴同門之誼與互相扶持的點點滴滴令人難忘以及微機電所

的同伴峻毅旻謙威勳紋慧建宏文亮國政俊穎堯鼎永

耀甫翊國慶俊宏又仁哲安等其他無法一一列出的同學此論

文裡有著你們的足跡感謝你們在實驗上的幫忙另外還有所辦的宜

君姐和微奈米中心的所有同仁感謝你們的協助才使我的實驗能進行

這兩年的生活除了學業的增進外也感謝很多人改變我的生活態

度感謝宜靜改變我一部分個性更感謝崇文偉棠皓云能在我低潮

時拉我一把更讓我在待人處世的視野上有不一樣的成長你們應該很

難相信這是我在研究所碩士生涯最大的收穫彥冰在我剛進來電機館

最不適應時能聽我吐口水你也是我當初決定來此的原因謝謝你

以及女友小伶妳在最後幾個月的陪伴讓我的心情可以很平靜地面對

最後的考驗不可抹滅的回億我會小心珍藏

最後要感謝我的家人父親母親和哥哥你們所給的支持是一

種無後顧之憂的支持一種無可取代的支持出自內心的關懷與鼓勵

難以言諭的親情使我能順利完成學業

我不相信研究生要有獨立研究的精神是因為跨領域的研究中任

何一項小實驗都有著深奧的學問處處皆文章的研究很難在有限的時

間中窮理致知因為有大家的幫忙才有此論文的誕生還有很多未能

列出的人衷心感謝你們

IV

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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69

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

摘要

膜片箝制(Patch Clamp)技術是電生理學中研究離子通道機制最成

熟完備的一項工具傳統膜片箝制方式是使用玻璃吸管(pipette)移動到

要紀錄的細胞上此方式可得到正確且精準的資訊但卻需要純熟的操

作技術且相當耗費時間導致只能得到少量的紀錄資訊電壓箝制

(Voltage clamp)則是另外一種量測離子通道的方式給予一定程度的電

壓來量測細胞膜間的離子電流進出藉此可量測細胞的動作電位(action

potential)

本論文提出以軟微影(Soft lithography)與蝕刻技術在矽晶片上製作

細胞平台與孔洞以代替傳統膜片箝制的玻璃吸管來進行電壓箝制實

驗至今已成功地以矽晶片細胞平台黏取細胞和以 ICP(感應耦合電漿離

子蝕刻)蝕刻出矽晶片的微小孔洞本研究驗證了此製程的可行性期望

可藉由此晶片量測細胞的離子通道能自動化且即時地得知細胞的生理

現象且節省人力與時間並提高紀錄的資訊產量

關鍵字微機電系統膜片箝制電壓箝制軟微影感應耦合電漿離

子蝕刻

I

ABSTRACT

Patch clamp is a well-developed lelectrophysiological recording

technique used to study ion channel function and regulation The

conventional method of performing patch clamp technique employs a glass

micropipette onto the cell by manual manipulation Despite this technique

is extremely sensitive and information-rich but requires a highly-skilled

operator and is limited in throughput Voltage clamp that determine the

behavior of the ion channel conductances responsible for the generation of

the action potential is the another method to record the flow of ionic current

across the cell membrance The method is held a constant membrane

potential while the ionic current flowing through the membrane is measured

The thesis presents cell-platforms and etcing pores on silicon by using

soft lithography and etching technique insteading of conventional glass

micropipette recording method we successfully demonstrated practicability

of the process by the cells adhered on the platform and the etching pores on

the silicon chip by using ICP The less laborious manipulationtime saving

and high sampling throughput will be expected In the future we can

automatically real time controlled and changed in response to the cellrsquos

physiologic characteristics measured by ionic channel activities KeywordMEMSPatch clampVoltage Clamp Soft lithographyICP

II

誌謝

我仍不相信研究生要有獨立研究的精神

因為這兩年的跨領域研究生活受到太多人的幫助了最感謝的是恩

師羅錦興教授恩師不但在專業上有驚人的傑出表現之外在教導學生

方面又有為人師表的細心認真和寬容大量的氣度每當我實驗方向出現

盲目錯誤時能一針見血地指出謬誤之處並將我拉回正軌每當學生我

有莽撞與不成熟的學習態度時會以寬宏慈藹的引導代替責備種種風

範使學生深感佩服由衷感謝另外感謝口試委員吳勝男教授洪昭南

教授鍾宜璋博士張凌昇博士魏憲鴻博士能抽空前來並給予學生

專業的見解指導尤其感謝鍾宜璋老師對於軟微影的技術提供和奇美醫

院林茂村教授提供的幹細胞才使此論文誕生

感謝團隊中的宗閔學長在這兩年的研究生活一直能精闢地指出

我實驗的問題癥結並給予正確的實驗方向避免我淪落於實驗的工

匠更在我口試前不厭其煩地改正我的論文使我獲益良多還有學弟

永鎮與偉松一年來的幫助總能在我實驗最左右支絀時伸手支援

以及建中博源浩賢宗旗盈捷逸閎銀谷昭蓉等學長姐

的指導與照顧才能使我能很快進入況狀脫離徬徨無助的窘境

感謝南區國家奈米元件實驗室(NDL)的研究員劉建惟博士與工程師

蔡來福薛漢鼎文翔昇大哥們在製程上的指導與機台的保修以及張

瑛昭大姐在行政手續上的幫忙感謝你們才使我能趕在畢業前有實驗

的成果還有一起實驗的同伴協宇弘達與松濤我不會忘記那不眠不

休趕實驗的日子

III

研究室的米蟲大隊賢尚崇文永光聖嘉仁宜宗圻彥迪的

學業陪伴同門之誼與互相扶持的點點滴滴令人難忘以及微機電所

的同伴峻毅旻謙威勳紋慧建宏文亮國政俊穎堯鼎永

耀甫翊國慶俊宏又仁哲安等其他無法一一列出的同學此論

文裡有著你們的足跡感謝你們在實驗上的幫忙另外還有所辦的宜

君姐和微奈米中心的所有同仁感謝你們的協助才使我的實驗能進行

這兩年的生活除了學業的增進外也感謝很多人改變我的生活態

度感謝宜靜改變我一部分個性更感謝崇文偉棠皓云能在我低潮

時拉我一把更讓我在待人處世的視野上有不一樣的成長你們應該很

難相信這是我在研究所碩士生涯最大的收穫彥冰在我剛進來電機館

最不適應時能聽我吐口水你也是我當初決定來此的原因謝謝你

以及女友小伶妳在最後幾個月的陪伴讓我的心情可以很平靜地面對

最後的考驗不可抹滅的回億我會小心珍藏

最後要感謝我的家人父親母親和哥哥你們所給的支持是一

種無後顧之憂的支持一種無可取代的支持出自內心的關懷與鼓勵

難以言諭的親情使我能順利完成學業

我不相信研究生要有獨立研究的精神是因為跨領域的研究中任

何一項小實驗都有著深奧的學問處處皆文章的研究很難在有限的時

間中窮理致知因為有大家的幫忙才有此論文的誕生還有很多未能

列出的人衷心感謝你們

IV

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

ABSTRACT

Patch clamp is a well-developed lelectrophysiological recording

technique used to study ion channel function and regulation The

conventional method of performing patch clamp technique employs a glass

micropipette onto the cell by manual manipulation Despite this technique

is extremely sensitive and information-rich but requires a highly-skilled

operator and is limited in throughput Voltage clamp that determine the

behavior of the ion channel conductances responsible for the generation of

the action potential is the another method to record the flow of ionic current

across the cell membrance The method is held a constant membrane

potential while the ionic current flowing through the membrane is measured

The thesis presents cell-platforms and etcing pores on silicon by using

soft lithography and etching technique insteading of conventional glass

micropipette recording method we successfully demonstrated practicability

of the process by the cells adhered on the platform and the etching pores on

the silicon chip by using ICP The less laborious manipulationtime saving

and high sampling throughput will be expected In the future we can

automatically real time controlled and changed in response to the cellrsquos

physiologic characteristics measured by ionic channel activities KeywordMEMSPatch clampVoltage Clamp Soft lithographyICP

II

誌謝

我仍不相信研究生要有獨立研究的精神

因為這兩年的跨領域研究生活受到太多人的幫助了最感謝的是恩

師羅錦興教授恩師不但在專業上有驚人的傑出表現之外在教導學生

方面又有為人師表的細心認真和寬容大量的氣度每當我實驗方向出現

盲目錯誤時能一針見血地指出謬誤之處並將我拉回正軌每當學生我

有莽撞與不成熟的學習態度時會以寬宏慈藹的引導代替責備種種風

範使學生深感佩服由衷感謝另外感謝口試委員吳勝男教授洪昭南

教授鍾宜璋博士張凌昇博士魏憲鴻博士能抽空前來並給予學生

專業的見解指導尤其感謝鍾宜璋老師對於軟微影的技術提供和奇美醫

院林茂村教授提供的幹細胞才使此論文誕生

感謝團隊中的宗閔學長在這兩年的研究生活一直能精闢地指出

我實驗的問題癥結並給予正確的實驗方向避免我淪落於實驗的工

匠更在我口試前不厭其煩地改正我的論文使我獲益良多還有學弟

永鎮與偉松一年來的幫助總能在我實驗最左右支絀時伸手支援

以及建中博源浩賢宗旗盈捷逸閎銀谷昭蓉等學長姐

的指導與照顧才能使我能很快進入況狀脫離徬徨無助的窘境

感謝南區國家奈米元件實驗室(NDL)的研究員劉建惟博士與工程師

蔡來福薛漢鼎文翔昇大哥們在製程上的指導與機台的保修以及張

瑛昭大姐在行政手續上的幫忙感謝你們才使我能趕在畢業前有實驗

的成果還有一起實驗的同伴協宇弘達與松濤我不會忘記那不眠不

休趕實驗的日子

III

研究室的米蟲大隊賢尚崇文永光聖嘉仁宜宗圻彥迪的

學業陪伴同門之誼與互相扶持的點點滴滴令人難忘以及微機電所

的同伴峻毅旻謙威勳紋慧建宏文亮國政俊穎堯鼎永

耀甫翊國慶俊宏又仁哲安等其他無法一一列出的同學此論

文裡有著你們的足跡感謝你們在實驗上的幫忙另外還有所辦的宜

君姐和微奈米中心的所有同仁感謝你們的協助才使我的實驗能進行

這兩年的生活除了學業的增進外也感謝很多人改變我的生活態

度感謝宜靜改變我一部分個性更感謝崇文偉棠皓云能在我低潮

時拉我一把更讓我在待人處世的視野上有不一樣的成長你們應該很

難相信這是我在研究所碩士生涯最大的收穫彥冰在我剛進來電機館

最不適應時能聽我吐口水你也是我當初決定來此的原因謝謝你

以及女友小伶妳在最後幾個月的陪伴讓我的心情可以很平靜地面對

最後的考驗不可抹滅的回億我會小心珍藏

最後要感謝我的家人父親母親和哥哥你們所給的支持是一

種無後顧之憂的支持一種無可取代的支持出自內心的關懷與鼓勵

難以言諭的親情使我能順利完成學業

我不相信研究生要有獨立研究的精神是因為跨領域的研究中任

何一項小實驗都有著深奧的學問處處皆文章的研究很難在有限的時

間中窮理致知因為有大家的幫忙才有此論文的誕生還有很多未能

列出的人衷心感謝你們

IV

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

誌謝

我仍不相信研究生要有獨立研究的精神

因為這兩年的跨領域研究生活受到太多人的幫助了最感謝的是恩

師羅錦興教授恩師不但在專業上有驚人的傑出表現之外在教導學生

方面又有為人師表的細心認真和寬容大量的氣度每當我實驗方向出現

盲目錯誤時能一針見血地指出謬誤之處並將我拉回正軌每當學生我

有莽撞與不成熟的學習態度時會以寬宏慈藹的引導代替責備種種風

範使學生深感佩服由衷感謝另外感謝口試委員吳勝男教授洪昭南

教授鍾宜璋博士張凌昇博士魏憲鴻博士能抽空前來並給予學生

專業的見解指導尤其感謝鍾宜璋老師對於軟微影的技術提供和奇美醫

院林茂村教授提供的幹細胞才使此論文誕生

感謝團隊中的宗閔學長在這兩年的研究生活一直能精闢地指出

我實驗的問題癥結並給予正確的實驗方向避免我淪落於實驗的工

匠更在我口試前不厭其煩地改正我的論文使我獲益良多還有學弟

永鎮與偉松一年來的幫助總能在我實驗最左右支絀時伸手支援

以及建中博源浩賢宗旗盈捷逸閎銀谷昭蓉等學長姐

的指導與照顧才能使我能很快進入況狀脫離徬徨無助的窘境

感謝南區國家奈米元件實驗室(NDL)的研究員劉建惟博士與工程師

蔡來福薛漢鼎文翔昇大哥們在製程上的指導與機台的保修以及張

瑛昭大姐在行政手續上的幫忙感謝你們才使我能趕在畢業前有實驗

的成果還有一起實驗的同伴協宇弘達與松濤我不會忘記那不眠不

休趕實驗的日子

III

研究室的米蟲大隊賢尚崇文永光聖嘉仁宜宗圻彥迪的

學業陪伴同門之誼與互相扶持的點點滴滴令人難忘以及微機電所

的同伴峻毅旻謙威勳紋慧建宏文亮國政俊穎堯鼎永

耀甫翊國慶俊宏又仁哲安等其他無法一一列出的同學此論

文裡有著你們的足跡感謝你們在實驗上的幫忙另外還有所辦的宜

君姐和微奈米中心的所有同仁感謝你們的協助才使我的實驗能進行

這兩年的生活除了學業的增進外也感謝很多人改變我的生活態

度感謝宜靜改變我一部分個性更感謝崇文偉棠皓云能在我低潮

時拉我一把更讓我在待人處世的視野上有不一樣的成長你們應該很

難相信這是我在研究所碩士生涯最大的收穫彥冰在我剛進來電機館

最不適應時能聽我吐口水你也是我當初決定來此的原因謝謝你

以及女友小伶妳在最後幾個月的陪伴讓我的心情可以很平靜地面對

最後的考驗不可抹滅的回億我會小心珍藏

最後要感謝我的家人父親母親和哥哥你們所給的支持是一

種無後顧之憂的支持一種無可取代的支持出自內心的關懷與鼓勵

難以言諭的親情使我能順利完成學業

我不相信研究生要有獨立研究的精神是因為跨領域的研究中任

何一項小實驗都有著深奧的學問處處皆文章的研究很難在有限的時

間中窮理致知因為有大家的幫忙才有此論文的誕生還有很多未能

列出的人衷心感謝你們

IV

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

研究室的米蟲大隊賢尚崇文永光聖嘉仁宜宗圻彥迪的

學業陪伴同門之誼與互相扶持的點點滴滴令人難忘以及微機電所

的同伴峻毅旻謙威勳紋慧建宏文亮國政俊穎堯鼎永

耀甫翊國慶俊宏又仁哲安等其他無法一一列出的同學此論

文裡有著你們的足跡感謝你們在實驗上的幫忙另外還有所辦的宜

君姐和微奈米中心的所有同仁感謝你們的協助才使我的實驗能進行

這兩年的生活除了學業的增進外也感謝很多人改變我的生活態

度感謝宜靜改變我一部分個性更感謝崇文偉棠皓云能在我低潮

時拉我一把更讓我在待人處世的視野上有不一樣的成長你們應該很

難相信這是我在研究所碩士生涯最大的收穫彥冰在我剛進來電機館

最不適應時能聽我吐口水你也是我當初決定來此的原因謝謝你

以及女友小伶妳在最後幾個月的陪伴讓我的心情可以很平靜地面對

最後的考驗不可抹滅的回億我會小心珍藏

最後要感謝我的家人父親母親和哥哥你們所給的支持是一

種無後顧之憂的支持一種無可取代的支持出自內心的關懷與鼓勵

難以言諭的親情使我能順利完成學業

我不相信研究生要有獨立研究的精神是因為跨領域的研究中任

何一項小實驗都有著深奧的學問處處皆文章的研究很難在有限的時

間中窮理致知因為有大家的幫忙才有此論文的誕生還有很多未能

列出的人衷心感謝你們

IV

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅡ

誌謝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅢ

目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅤ

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip Ⅷ

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipⅨ

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2微機電系統簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-3細胞動作電位簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-4研究動機helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

1-5文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

1-6論文架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9

第二章 電壓箝制技術與生物微機電的結合helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1離子通道與膜片箝制介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-1離子通道介紹helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

2-1-2細胞膜的運輸helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2-2 利用微機電技術取代傳統膜片箝制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

2-2-1高通量篩選(HTS) 藥物發展科技公司helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

V

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInchelliphelliphelliphellip20

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp(Sunnyvale USA)25

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

第三章 膜片箝制晶片之製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-1 光罩設計與製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

3-2 前製程技術helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-1 清潔(Clean)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

3-2-2 氧化(Oxidation)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

3-2-3 微影( Photolithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

3-3軟微影(Soft lithography)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-1 軟微影簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-2 基板製作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

3-3-3 基板表面改質helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43

3-4 濕式蝕刻 (TMAH蝕刻液)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-1 濕式蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-4-2 濕蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

3-5 乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

3-5-1 電漿簡介helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

3-5-2 電漿蝕刻原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

3-5-3 乾蝕刻製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

VI

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第四章 結果與討論 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-1軟微影helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55

4-2 TMAH濕式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

4-3 ICP乾式蝕刻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

第五章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-1結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

5-2未來工作helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

自述helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 71

VII

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

表目錄

表 1 公司與晶片產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

表 2 公司與機台產品helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

表 3 蝕刻參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

VIII

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖目錄

圖 11 動作電位的傳遞[2]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

圖 13 PDMS底材之晶片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 14 PDMS的微流管道結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖 16 MCA結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip8

圖18 sidewall式膜片箝制微結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

圖 21 細胞膜的圖示[15]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11

圖 23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12

圖 24 鈉離子通道helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

圖27 膜片箝制(Patch Clamp)[61819]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16

圖28 蛋白質離子通道阻抗helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]helliphelliphellip20

圖211 SealChip16helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

圖212 PatchXpress系統TMhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

IX

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖215 CytoPatch Site示意圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

圖216 Flyion的膜片箝制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24

圖217 Flyscreen 8500helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

圖218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HThelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

圖31 晶圓正面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

圖32 晶圓背面製程的光罩圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)

(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影helliphellip36

圖36 南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)

(b)光罩對準曝光系統(Aligner)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖37 製作晶片的細胞平台流程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列

(b)平台寬度的數字標號⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm

高度16microm的平台copy寬度為30microm高度16microm的平台helliphelliphelliphellip42

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液

的PDMS與substrate壓印(b)substrate的凸起處自聚

SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶液

(d) 12小時以後substrate離開DSPC後

X

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

凹處即自聚DSPC分子helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖313 TMAH蝕刻Si速率helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖314 南區NDL (a)感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)

(b)金屬濺鍍系統(Sputter)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

圖316 乾蝕刻步驟流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖41 細胞與平台相對位置關係圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖

(b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於7x7microm 2的平台

(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台

(細胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖44 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖

(b)顯微鏡觀察到的上視圖

細胞黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖45 微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於

直徑18x18microm 2的方形平台helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖46 (a) 27microm x54microm的橢圓形平台

(b) 37umx74um的橢圓形平台

(c)直徑38microm的圓形平台

XI

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(d) 直徑38microm的圓形平台 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip58

圖48 TMAH (25wt) (a)蝕刻後表面型貌

(b)再以BOE去除表面SiO2後形貌(方形寬度為760microm)helliphelliphellip59

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔

(陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔

(此矽破片寬度約為15cm)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖412 (a)未蝕刻前(b) 蝕刻後helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖

(b) 黑晶矽現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

圖416 雜草現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

XII

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第一章

緒論

1-1前言

近年來微機電系統 (Micro ndash Electro ndash Mechanical ndash Systems

MEMS )技術一直蓬勃發展尤其以生醫微機電系統(Bio-MEMS)領域中

的生物晶片(Biochip)受到先進國家投入大量的財力與人力發展寄望

以此技術取代傳統大型機台的檢測優點除了可以減少昂貴的儀器費用

和試劑的消耗量問題之外更可增加檢測分析速度提高資料產量提

升靈敏度與精確性減少試劑用量降低人為操作誤差等

1-2微機電系統簡介

1959 年 諾 貝 爾 物 理 學 獎 得 主 理 查 middot 費 曼 (Richard

Feynmann1918~1988)的著名演講 ldquoThere is plenty of room at the

bottomrdquo[1]開啟了微小化的新觀念各領域的專家相繼投入研發至今

目前微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System MEMS)已結合傳

統電子電機機械科技及半導體製造科技等是一個跨領域的技術

並應用於工程科學及生化醫學等方面其發展出來的微型感測器與

致動器系統等元件除了有輕薄短小的優點且具有高頻率響應

高靈敏度高精度一致性佳平行陣列化及批次(Batch)製造等特性

更重要的是可與積體電路整合使其應用更為廣泛

1

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

生物醫學分析系統是MEMS應用中最受矚目的領域之一其核心為

-生物晶片除了可進行健診及疾病檢測血液篩檢等臨床檢驗之外還可

應用於新藥開發生物醫學等研究方面到底何謂「生物晶片」呢廣

義來說生物晶片是指在矽晶片(Silicon chip)玻璃(glass)塑膠或一些

具有良好生物相容性的材料上利用微電子微機械等精密技術來製造

成可應用於基因表現基因序列或其他生化分析的產品其作用對象可

以是細胞DNA蛋白質抗原或抗體等生物晶片與傳統的分子生化

分析技術的相異處在於使用生物晶片分析速度快所使用的檢體或試劑

量少同時又可獲得大量平行化的實驗數據

1-3細胞動作電位簡介

生物體內的各種細胞由於周遭離子分佈的不均勻因此在平常靜止

狀態時細胞內所帶的電荷是負電荷而細胞外通常帶正電荷此時所

測得的電位差就是所謂的靜止膜電位（resting membrane potential）或稱

「極化現象」 (Polarization)亦即細胞在休息靜止時所具有的膜電壓

在細胞膜上有很多通道藉著這些通道細胞與外界進行物質交換

這些通道由單個分子或多個分子組成允許一些離子通過當細胞興

奮時（如神經傳導肌肉收縮內分泌細胞分泌或外界刺激超過某一定

限度時）膜電壓的提高造成細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開

啟讓細胞外高濃度的離子(如鈉離子)順著濃度梯度流向細胞內使膜

內電位增高甚至成為正電位於是產生了動作電位造成這些部位的

細胞膜非常迅速的「去極化」（depolarize）這些細胞膜的去極化又

影響距離更遠的細胞膜上的離子通道（如鈉離子通道）開啟使得更遠

2

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

的細胞膜去極化動作電位如此接續蔓延傳遞直到去極化訊號傳遍了

整個細胞和組織如圖11所示[2]

圖 21 動作電位的傳遞[2]

1-4研究動機

離子通道的性質深深地影響細胞的動作電位如果我們想要了解離

子通道上電流的微細變化量更必須了解現今的膜片箝制(Patch clamp)

技術此技術可使我們明瞭細胞膜上離子流動細胞內電位及細胞功能

之關聯但傳統膜片箝制技術在操作上卻需要技術相當純熟的人工操

控才能將玻璃吸管精準地移動到所要紀錄的細胞上過程中非常耗費

3

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

時間與精力且造成實驗紀錄產量相當少

故本研究的目的我們期望利用微機電製程做出膜片箝制晶片

(Patch-on-a-chip)[3]改善傳統玻璃微電極的缺點達到以下優點

Patch-on-a-chip 的優點

1利用半導體批次製造晶片之優點可大量且平行化地同時紀錄細

胞的電壓箝制實驗數據

2利用微機電製程可製作精準且多陣列的微細孔洞替代傳統玻璃

管微電極提供大量樣品平行檢測的可能性

3可利用表面改質技術使晶片與細胞間有絕佳的電性絕緣更可

減少雜訊干擾與增加生物相容性

4可用較少的細胞樣品溶液量測

5提高自動化減少人力與節省時間

本研究團隊的最終研究目標為幹細胞只要以微機電技術取代傳統

式玻璃吸管結合微幫浦微混合器與微閥等元件後並整合周邊電路

於晶片上極有機會以晶片形貌取代傳統式機台並提供幹細胞研究領

域的研究人員一項利器

1-5文獻回顧

1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)發明了玻璃微電極他們將玻璃管

拉到零點幾個微米的粗細成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止

4

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

膜電位[4]

1952年霍奇金(Hodgkin)哈克斯利(Huxley)和卡茲(Katz)以烏賊

神經細胞的軸突成功做了電壓箝制(voltage-clamp)的實驗開啟了以大

型細胞內電生理研究的紀元[5]

1976年德國的兩位生理學家 Erwin Neher和 Bert Sakmann兩人發明

了 「 單 離 子 通 道 記 錄 法 」（ single channel recording or patch

clamprecording）即對神經科學及細胞生物學界產生了革命性的影響

並在 1991年獲頒諾貝爾醫學獎[6]

2002年丹麥的 Sophion公司發表 APATCHI-1為全球第一台自動

以玻璃吸管電極為系統的商業化膜片箝制紀錄系統[7]

2002 年德國慕尼黑大學 (Munich University)的奈米科學中心

(Center of Nanoscience)的 Niels Fertig 團隊利用平面微結構之石英玻璃

晶片(Planar micro structured quartz chip) 如圖 12使原本只使用水生

蛙蛙卵(Xenopus oocytes)的細胞貼附式(cell-attached mode)提升至可使用

哺乳動物細胞(mammalian)的全細胞式(whole-cell mode)且有其以商業

化的 Nanion公司 [8]

圖 12 Nanion 石英玻璃基板的晶片

5

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2002 年耶魯 (Yale)大學的 Kathryn 的團隊利用 PDMS

(Polydimethysiloxane)(本文 3-3-3 節會詳細介紹 )的底材取代玻璃管

(pipette)使量測過程中更符合 10 億歐姆緊密(GigaSeal)與極少漏電的優

點如圖 13所示並和 Axon Instruments公司共分享此項技術[9]

圖 13 PDMS底材之晶片

同樣以PDMS為此技術2004年加州大學(University of California)的

Rigo Pantoja 團隊製作出PDMS的微流管道結構但其孔洞相對於玻璃

管的孔仍稍嫌過大如圖14所示[10]

圖 14 PDMS的微流管道結構

6

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2002年瑞士聯邦科技學院(Swiss Federal Institute of Technology)微

電子系統所(Institute of Microelectronics and Microsystems)的Lehnert與

德國漢堡(Hamburg)之Evotec OAI AG的Netzer團隊發表利用二氧化矽

(SiO2)作為微噴嘴(micronozzle)如圖 15使其可應用於吸取細胞之用

途[11]

圖 15 二氧化矽材質之微噴嘴

2003年日本立命館大學與松下電子合作的Masato TANABE團隊

製作一MCA (Micro Channel Array)結構如圖 16可用其陣列電極來偵

測細胞[12]

圖 16 MCA結構

7

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

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表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2004年黎海大學(Lehigh University)的 Santosh Pandey等人利用矽

材質的蝕刻孔討論蝕刻孔內電流傳遞模型 (current transport model) 如

圖 17[13]

圖17 蝕刻孔內電流傳遞模型

2004年美國柏克萊之感應器與制動器中心(Sensor and Actuator)的

JSeo團隊利用玻璃底材與 PDMS做一類似輪胎壁(sidewall)的微結構

以側向 (lateral) 隙縫做為膜片箝制的感測孔洞 如圖 18所示[14]

圖18 sidewall式膜片箝制微結構

8

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

1-6論文架構

本論文將用以下的架構陳述

第一章 緒論

在緒論裡介紹何謂微機電系統細胞動作電位與本實驗的研究動機

與目的並對相關主題作文獻回顧

第二章 電壓箝制(Voltage clamp)技術與生物微機電的結合

對於離子通道與傳統膜片箝制作一詳細說明再以此介紹我們將研

究的重點-電壓箝制說明傳統電壓箝制技術(Voltage Clamp)與生物微機

電(BioMEMS)結合後的膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)原理以及現今商

業公司的發展產品

第三章 晶片製作

此章節將詳細說明本研究所使用到的軟微影(Soft lithography)與蝕

刻製程技術以及製作流程

第四章 結果與討論

此章節將會說明第三章製程的結果並對所得的現象分析評估與探

討

第五章 結論與未來展望

針對本研究結果作一個總結並提出未來的發展方向

9

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第二章

電壓箝制技術與生物微機電的結合

2-1離子通道與膜片箝制介紹

膜片箝制(Patch Clamp)技術是現今研究電生理學的重要方法之一

其優點是可精確的量測到細胞膜上單離子通道的微細電流變化使研究

人員更能清楚了解離子通道開閉調節與細胞之間的關係此外更能

提供神經肌肉心臟血管疾病的分子機制及未來藥物設計的資訊實

為電生理學中不能忽略的重要技術

此章節中的第一小節先介紹細胞膜的離子通道原理第二小節再

介紹細胞膜運輸的種類解釋控制離子運輸的通道是如何運作藉此帶

出第三與第四小節如何利用人為方式去控制離子通道的開關而量測細

胞膜內外離子流動所產生的微電流數值

2-1-1離子通道介紹

細胞膜的基本構造為兩層的脂質(Lipid)薄膜所組成的此二個分子

厚的薄膜稱為「脂雙層」(lipid bilayer)如圖21所示[15]一般細胞膜

只有1~2 層脂雙層而脂雙層的厚度2~6 nm可知細胞膜厚度在12 nm

以下脂雙層具有抗水性因此一般大型水溶性分子無法自由通過細胞

膜故形成對細胞的保護層

10

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖 22 細胞膜的圖示[15]

在這脂肪薄層之間散佈了一些大型的球型蛋白質分子即為細胞膜

蛋白絕大多數屬於醣蛋白(glycoprotein)膜蛋白質可分為兩種嵌在

膜內到處都有的「整合蛋白質」(integral protein)及僅附於細胞膜表面並

不嵌入的「周圍蛋白質」(peripheral protein)如圖22所示[16]

圖22 整合蛋白質與周圍蛋白質[16]

11

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

「整合蛋白」提供通道(channels)或孔道(pores)的構造離子可藉由

這些構造來通過細胞膜此類蛋白依照種類的不同而具有完全不同運輸

特質如圖23有下列三種類型[17]

(1) 運送蛋白(Transport protein)可將物質從一側攜帶到另一側像

是醣類這些營養素即可透過此運送細胞膜上大部分的蛋白都為

此類

(2) 通道蛋白(Channel protein)蛋白全分子均有小間隙而容許特定

的離子或分子自由通行

(3) 攜帶蛋白(Carrier protein)專門改變自己的外型與需運送的物質

相接合然後經由蛋白分子上的小縫把該物質送到細胞膜的另一

邊

能量

Energy

簡單的擴散

(Simple diffusion)

通道蛋白(Channel protein) 攜帶蛋白(Carrier proteins)

方便擴散

(Facilitated diffusion)

擴散

(Diffusuion) 主動運輸

(Active transport)

圖23 穿越細胞膜的運輸途徑及運輸的基本原理

12

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2-1-2 細胞膜的運輸

通過細胞膜的物質運輸無論是直接穿過脂肪雙層或者經由蛋白質

運送其運輸過程不外乎下列兩種「擴散」（diffusion）或者稱為「被

動運輸」（passive transport）及「主動運輸」（active transport）

(1)簡單擴散

透過脂肪雙層進行簡單擴散的蛋白質通道大多數都具有高度的選

擇性只容許某種分子離子或物質通過這是由於該通道本身的特性

所造成例如通道的直徑形狀以及通道表面所帶的電荷等常見的通

道有鈉離子通道鉀離子通道鈣離子通道氯離子通道和一些非選

擇性的陽離子通道而此蛋白質通道閘門開關的控制方法主要有兩種

1電位控制開關（voltage gating）

即細胞膜內外的電位變化會使閘門的分子形狀改變例如當細胞膜

的內側有強烈的負電荷時這些負電荷會將鈉離子拉向通道鈉離子通

道就會選擇性只讓鈉離子通過圖 24 以鈉離子通道例子作為圖示

外側 Outside

閘門開啟

(Gate open)

Na+

閘門關閉

(Gate closed)

內側 Inside

圖 24 鈉離子通道

13

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2鍵結控制開關（ligand gating）

有些蛋白質通道是與其它的分子結合時才會打開這也使得蛋白分

子發生形狀的變化而使閘門打開或關閉此稱為鍵結控制開關而與之

結合的物質即是鍵結元（ligand）鍵結控制開關中最主要的例子就

是乙醯膽鹼（acetylcholine）對於乙醯膽鹼通道（acetylcholine channel）

的作用它可以使該通道閘門打開形成直徑約 065的通路而容許

小於其直徑的各種分子和帶正電的離子通過如圖 25所示這個閘門

對於神經細胞之間以及神經細胞與肌纖維之間訊號傳達是非常重要的

乙醯膽鹼

（acetylcholine）離子

未活化 活化後

圖 25 乙醯膽鹼之鍵結控制開關

(2)主動運輸

主動運輸依據其運輸能量的來源可分為兩種形式初級主動運輸及

次級主動運輸在初級主動運輸中能量直接來自於 ATP或其它高能

磷酸化合物的裂解反應而次級主動運輸的能量則間接地來自於次級主

動運輸所建立的離子濃度梯度 經由初級主動運輸的物質有鈉離子鉀

離子鈣離子氫離子以及一些其它的離子

14

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

目前研究最清楚的主動運輸機轉就是「鈉鉀幫浦」(sodium -

potassium pump）如圖 26所示它可以使鈉離子由細胞內排出細胞外

而同時將鉀離子由細胞外移至細胞內這種幫浦存在於人體所有的細胞

中它負責維持細胞膜內外的鈉離子與鉀離子濃度差同時也建立了細

胞內的負電位

3-Na+

2-k+

ATP ADP+Pi2-K+

3-Na+

ATPase 細胞內 Inside

細胞外 Outside

圖 26 鈉-鉀幫浦的運輸機制

2-1-3膜片箝制技術量測離子通道

1976年德國的兩位生理學家艾爾溫尼爾 (Erwin Neher) 和伯特

沙克曼(Bert Sakmann)發明了「單離子通道記錄法」（single channel

recording or patch clamp recording）他們使用微細之玻璃吸管（pipette）

電極去緊貼吸附著細胞膜使溶液中的任何單一離子也無法通過吸量管

與細胞膜的間隙故當離子只能通過細胞膜上的離子通道並流動到玻璃

吸管的電極時玻璃吸管內電極就會感測到微弱的電流而精準地量測

管口中 1~2 個離子通道的電流變化圖 27進行對離子通道與細胞間

15

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

關係的研究[61819]又因為生物細胞內不會產生方形波電位模式故

膜片箝制大多數以方形波（rectangular voltage-clamp steps ）來當作刺激

電位藉此觀察離子通道的電流

圖27 膜片箝制(Patch clamp)[61819]

膜片箝制紀錄(Patch clamp recording)之重要性有(1) 可精確量到單

一離子通道之電流變化對於單一離子通道開關之動力學可作更深入之

探討(2)可適用於各種細胞如肝腎心淋巴球及腦神經細胞研究細

胞膜上離子通道之性質和疾病病因產生之關聯性(3)使用細胞貼附式

(cell attached)膜片箝制方法之方法可研究藥物對離子通道的調控作用

(4)使用全細胞紀錄(whole cell recording)及內側向外箝制(Inside-out patch)

方法可直接看藥物或二次訊息子 (secondary messengers)在細胞內之作

用 (5)對於較小之細胞如腦神經細胞此方式比傳統之細胞內記錄法

（intracellular recording）容易學習而且設備並不昂貴 (6)作膜片箝

制量測電流之外可同時用螢光顯微鏡 (Fluorescence microscope)觀察細

胞內〔Ca++〕濃度之改變與細胞功能之關聯性

16

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

膜片箝制方法之發明可以讓我們更清楚細胞膜離子流動及細胞功

能之關聯而能深入了解一些疾病的成因相對地更能針對細胞的缺陷

設計藥物治療毫無疑問地膜片箝制技術對於生命的奧妙以及疾病病

因之探討有著不可或缺的貢獻

2-1-4電壓箝制 (Voltage Clamp)

電壓箝制(Voltage Clamp)方法顧名思義即為將電壓嚴格的箝制

（clamp）在特定的大小然後觀察電流的變化[20] 如圖29所示

主要原因為帶電離子只能在細胞膜上的離子通道進出而這些離子通道

皆受到膜電壓的控制如果我們控制的電壓沒有在定值膜上的離子通

道也隨著不穩定而開或關帶電離子的流動會造成不穩定的電流現象

使我們無法進行定量的量測

在電壓箝制時因為蛋白質離子通道具有電阻值R單位為歐姆ohms

簡稱Ω但是為了計算方便我們通常將其視為導納(Conductance簡稱

G) 單位為西門斯siemens簡稱S即為電阻的倒數(G=1R)亦即當沒

有離子進出流動時蛋白質離子通道電阻值無限大 G即為零另外

離子通道旁的脂雙層則被視為等效電容如圖28如此一來以這樣

的假設可以使我們更方便推算離子微電流進出細胞膜的數值

17

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖28 蛋白質離子通道阻抗

圖29 電壓箝制之電壓與電流圖[20]

18

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

採用電壓箝制(voltage clamp)有三種原因

1電壓箝制可消除電容效應電流

2除了充電時間外電流的流動只會等比例於細胞膜的導納 (例如

離子通道開啟的數量多寡)

3如果離子通道只由穿膜電壓決定(相較對於電流或電壓的低靈敏

度)電壓箝制即為開關離子通道的首要原因

電壓箝制技術中膜電位必控制在一定的電位程度此時通常可著

重觀察於細胞膜的導納反而比較不在意細胞膜電流因為細胞膜導納

可反應離子通道的瞬間開關而細胞膜電流亦等比例於細胞膜導納的大

小

2-2利用微機電技術取代傳統膜片箝制

微機電技術的引進可滿足小型化與精度的要求配合傳統半導體技

術衍生的乾蝕刻技術製作出微小孔洞替代傳統玻璃吸管如圖210所

示[21]不再使用人力操作微玻璃吸管去貼附細胞而使用流體吸力的

方式去使細胞定位於微孔上如此一來除了整個儀器體積可大幅縮小

外更可減省人力降低耗電量試劑消耗量與減低操作時間之外

更能因為半導體的優點使我們在一片晶片上做出陣列式的微孔洞進

而提高資料產量

19

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖210 (A)傳統玻璃吸管與(B)微機電製作孔洞之差別[21]

2-2-1高通量篩選(HTS)藥物發展科技公司

以下章節介紹目前商業界發展「高通量電生理篩選」 (High -

throughput screening)技術的公司

2-2-1-1 AVIVA Biosciences Corp Axon InstrumentsInc

SealChip16是AVIVA公司的產品利用玻璃基版來做平面式的膜片箝

制技術如圖211所示[22]具有90的10億歐姆緊密( gigaseal)成功紀

錄率和超過75的全細胞膜片箝制(whole cell patch-clamp )成功率

whole-cell可超過15分鐘紀錄時間並低於15 MΩ阻抗細胞膜阻抗

(membrane resistance)超過200MΩ

圖211 SealChip16

20

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

SealChip16 已成功商業化並藉由Axon Instrument公司的PatchXpress

系統TM 如圖212對具有16個管道的SealChip16 同時進行膜片箝制紀

錄此晶片具有16個直徑1microm平面式的孔每個間隔45mm排列於一條

玻璃基板上每一個紀錄孔皆可獨立紀錄一個哺乳動物細胞的離子通道

電流

圖212 PatchXpress系統TM

PatchXpress系統與SealChip晶片具有下列優點

1 對於whole cell patch-clamp具有高成功紀錄率

2 16個獨立膜片箝制放大器可同時自動化紀錄

3 16個獨立壓力控制器可確保高效率的 gigasealwhole cell

patch-clamp與紀錄過程中的接入阻抗(access resistence)

4 結合藥物流體管道系統可快速改變管道內的藥物溶液和加於細胞的

約為50microl測試溶液

5 單晶片16通道的膜片箝制紀錄量可超過每天2000筆

6 特殊改良表面的玻璃基板

21

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2-2-1-2 Cytocentrics CCS(Reutlingen Germany)

Cytocentrics CCS 公司研發CytoPatchTM 晶片此晶片材質為石英玻

璃晶片而其表面上的孔為利用聚焦式離子束 (focused ion beam)製作

CytoPatchTM系統在自動化一次紀錄一個數據情況下一天可紀錄大約

200個細胞之數值[21]

Cytocentering技術也同樣將傳統玻璃管孔反轉成平面型並運用流

體力量與機械力量將細胞定位於孔上接觸式的管道有高效率的

gigaseal如圖213所示石英玻璃(SiO2)材質的CytoPatchTM chip如同傳

統式玻璃管具有電阻值小於5百萬歐姆和低漏電流等優點圖2 14所

示CytoPatchTM chip內SEM圖可看出CytoPatchTM 晶片的中心有兩個

同心圓的開孔包含了cytocentring流道與CytoPatchTM流道外圈的孔為

吸住細胞於定位之用途使細胞定位於內圈的孔上而內圈的孔洞實為

真正紀錄膜片箝制時的量測孔洞

晶片嵌在有微流道的塑膠套條裡此塑膠套條可緊密的嵌住晶片

並可快速置換而生產大量的紀錄數據拋棄式的晶片與細胞混合溶液皆

可自動化讓CytoPatch Site更換如圖215所示CytoPatch Automat包含

1~50個CytoPatch sites且一次可同時批次執行紀錄藉由高知名的Multi

Channel Systems 和npi electronic提供高速多管道的電壓或電流箝制放

大器

22

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖213 CytoPatchTM 晶片箝制細胞示意圖

圖214 CytoPatchTM 的SEM圖

圖 215 CytoPatch Site示意圖

23

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2-2-1-3 Flyion GmbH (Tubingen Germany)

Flyion Gmbh公司發明一種富具創意地低技術難度的膜片箝制技

術雖然仍使用傳統的玻璃吸管但細胞卻是注入玻璃吸管內當一個

細胞流動堵住玻璃吸管開口處時即可形成高阻值的緊密膜片箝制如

圖216所示[23]細胞混合溶液可直接由玻璃管內作替換而省卻替換

細胞的手續Flyscreen 8500是設計有1~6個紀錄管的膜片箝制機台如

圖217所示

式 式

圖216 Flyion的膜片箝

圖 217 Flyscree

24

傳統

制方式

n 8500

Flyion

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

2-2-1-4 Ionworks HT ndashMolecular Devices corp

(Sunnyvale USA)

Ionwork HT系統利用48個放大器同時箝制玻璃基板上8個區域中的

384個細胞流管道井(well)將細胞分別注入各自紀錄井中每個細胞的

離子通道開關為電位控制（voltage gating）而每個平行的井皆位於基板

的流體系統上細胞可被每個井中的小孔吸取固定此孔為連通上板的

溶液腔體與下板的腔體流道上下板的腔體內各自有緩衝溶液與獨立的

感應電極其原理是當孔上的細胞被吸住後阻斷了上下腔體的電流

流動而下方腔體的溶劑促使細胞膜產生破洞後電流會由此孔通過

如圖218所示[24]藉此即可量到細胞的電性此量測時間只須幾分鐘

即可完成

此機台系統中的一條玻璃基板上有標準的96或384井和12個通道配

藥手臂此機台的目標是被定位為商業市場的HTS與現有市面上最高產

能的機台

不同於其它機台使用吸力吸破細胞膜此機台是利用抗菌素和抗黴

菌藥物Amphotericin B 滲透細胞膜利用此方法以量測細胞內的電流(歸

類於perforated patch)可保持細胞內的輔助因子(co-factor)此輔助因子的

重要性為可調變離子通道然而因為此機台的串聯電阻沒有被量測或補

償故仍存在著超時的細胞電阻值改變導致電流放大器數值變異與藥物

阻塞定量誤差的可能性與平常所觀測到的whole-cell之大於1GΩ的紀錄

電阻值比較此機台的中間緊密電阻(seal resistance)值為100MΩ是低很

多此HT系統電壓箝制與紀錄是採用48個的移動式headstage當混合液

加入時headstage可移動讓混合液加入並使細胞不在被箝制的狀態

25

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

當電壓箝制不進行時細胞膜上的離子通道型態也會變的不乾淨這會

使得state-dependent block變的困難以及快速desensitising 鍵結控制開

關（ligand gating）變得不可能雖然與傳統的膜片箝制比較上仍有些誤

差但此機台仍可以正確紀錄出離子通道對對藥物的反應

圖 218 Ionworks HT 之晶片與其紀錄方式

2-2-1-5 Sophion Biosciences(BallerupDemark)

Sophion Biosciences 生物科技公司的商業化產品個別是以玻璃吸

管的Apatchi-1TM 系統與以矽基板為系統的QPatch 16TM 和QPatch HT

如圖219所示[25]此兩者各有16和48個流道其特色除了在矽基板

上開出一個小孔外矽基板表面的孔邊緣也有塗佈一些非導電性和生物

相容性的材質並使孔邊緣可以更平滑與操作gigaseal

26

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖219 QPatch 16TM 和QPatch HT

下兩表為整理市面上公司比較表[26]分別是晶片與機台產品的比

較藉此兩表可讓我們可以清楚比較各公司間可以達到的規格與其所

使用的技術欄位中的NA為Not available

27

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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69

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

28

表 1 公司與晶片產品

Institution Chip Cell positioning Gigaseal rate Whole-cellaccess

Whole-cell recording rate Status

Affymax Galsslaser drilling Suction NA NA NA NA

AVIVA Biosciences

Axon Instruments

Galss with modified surface Suction gt90 gt1GΩ

dielectrophoresis Suction

(losslt1)

gt75 15min Ralt15MΩ

Rmgt200MΩ

Patch Xpress and Seal chip available

Axon Instruments PDMSmolding Suction ~50 Suction ~50 NA

CeNeS Various substrates laser

drilling and other methods

Suction NA NA NA NA

Cytocentrics CCS Quartz glass Suction NA NA NA Under development

Cytion Si3N4 membrane supported by a Si Chip Electrophoresis NA NA NA Under

development

Essen Instrument Molecular Devices

Plastic chip laser drilling with a glass

coating Suction 20-250MΩ Perforated

patch

60-80 6min Ra=10-15MΩ Rm=10MΩ

IonWork HT and

PatchPlate available

Nanion Technologies

Glass chip gold ion-etched track

followed by wet etchingSuction 30-50 Suction 30-50 30min

NPC 16 under

development

Sophion Biosciences Silicon chip etching with biocompatible

coating

Fluid channel Suction NA Suction NA

Qpatch 16 and 96 under

development

Yale University PDMS molding Suction Xenopus occyte 13 gigaseal NA NA NA

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

29

Manu fac tu r e r w e b s i t e r e f e r e n c ee

Produts SubstrateSeal

DescriptionThroughput AmplifiersSource Costs per chip perdata point

Status partners

Axon Instruments Inc Union City CAUSA

PatchXpressTM

7000A planar patch glass chip GΩ Seal

16 channel Sealchip 16 channel washout head1 channel dispenser 20000 dpday

16 channel parallelAxon

range$140-180lt$38dp

availableAviva BioSciences

Cytocentrics CCSGmbH Reutlingen Germany

CytoPatchTM Automat

planar patch quartz chip GΩ Seal

modular instrument with up to 20 patch calmp sites 2000 dpstieday(if fast acting compounds) 40000 dpday with 20 sitesunit

up to 20 channelsswitched mode parallel operationnpi electronic and Multi Channel Systems

$8lt$32dp β-test inQ3 03 BionChip MultiChannel Systems NMI npi electronic no sales commercialization partner

lFlyion GmbH Tubingen Germany

FlyScreen reg8500

glass micropipette embedded in plastic jacket(Flip Tip) GΩ Seal

single channel Flip Tipreg

dispenser with 2 channels(functions) 3-6Flip Tip recordings positions (scalable) 300-1000 dpday

up to 6 independent channelsHEKA

FliptipsregA-$3 FliptipsregL-$4 lt$16dp

available in Europe HEKATecan Manz Automation no sales commercializtion partner

Molecular Devices Corp Sunnyvale CAUSA

IonWorksTMHT planar patch plastic chip Avg~150MΩ seal

384 PatchPlate at 1536spacing(~14μLwell)12 channel dispenser 3000dpday

48 channel parallelproprietary development

range $ 145-200 per patch platelt$20dp

available lower throughut IonworksTMAPC target launch Q1 04

Nanion TechnologiesGmbH Munich Germany

NPCcopy1(Port-a-Patch) NPCcopy16s(sequential) NPCcopy16p(parallel)

planar patch glass chip perfusioncartidgeGΩ seal

1 or 16 channel chips (scalable) 1 channel dispenser NPCcopy1-50 dpday NPCcopy16s-200 dpday NPCcopy 16p-2000 dpday

1 channel sequentialHEKA 16 channel parallel (asynchronous)Dagan

NPCcopy1-$10 NPCcopy16-$100 lt$25dp forNPC

NPC

copy16

copyinβ-testtarget launch Q4 03 HEKADagan Tecan Bruxton No sales commercializtion partner

Sophion Bioscience AS Ballerup Denmark

QPatchTM16 QPatchTM96

planar patch silicon chip GΩ seal

QpatchTM16-16channel-250-1200 dpday QpatchTM96-96channel-1500-7000dpday 48 channel dispenser

16 and 96 channel parallel (asynchronous)proprietary development

QPatchTM16-$100lt$25dp

QPatchTM16 inβ-test targen launch Q3 03CRLno sales commercialization partner

表 2 公司與機台產品

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第三章

膜片箝制晶片之製作

此章節將詳細介紹本研究所使用到的製程技術以及製作流程並說

明如何利用這些製程技術製作膜片箝制晶片(Patch-on-a-chip)以量測細

胞動作電位

3-1光罩設計與製作

一般微機電製程上所使用的光罩(Photomask)依材質分類可分成石

英光罩玻璃光罩及簡易塑膠光罩石英光罩與玻璃光罩皆是利用雷射

曝光系統將圖形製作在光罩基板的鉻膜上優點是具有高透光性高解

析度與耐用使得圖形不易失真但是價格昂貴且製作時間冗長因本

實驗製程的晶圓正面圖形線寬最小為3microm如圖31所示故採用此玻璃

光罩製作圖形主要目的是做出替代玻璃管的微小孔洞

圖31 晶圓正面製程的光罩圖

30

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

簡易塑膠光罩是利用高解析度的雷射印表機輸出優點是製作成

本低方便快速缺點是光罩本身為高分子材料透光性與解析度皆

不如玻璃光罩適合最小線寬30microm以上而本實驗的背後蝕刻孔之線寬

達710microm如圖32所示故本實驗的晶圓背面光罩採用塑膠光罩圖形

主要目的是做出與晶圓正面孔洞能夠貫通的背後流道

圖32 晶圓背面製程的光罩圖

光罩設計軟體是使用電腦繪圖輔助軟體(AutoCAD 2004)而光罩

是由國科會南區微系統研究中心製作塑膠光罩則是由聯鑫公司製作

3-2前製程技術

接下來的小節將對晶片所需的前製程技術先行詳細介紹其步驟

方式

3-2-1清潔(Clean)

因為一般晶片表面容易沾染手的油漬空氣中的微粒子及有機殘餘

物這些污染都會對製程產生不同的缺陷影響所以晶片表面的清潔乃

31

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

是微製程中很重要的一個步驟即使剛拆封的空片晶圓也是同樣需要

空片清潔的製程步驟本節以南部科學工業園區的國家奈米元件實驗室

南區辦公室(以下皆簡稱為南區NDL)的清潔製程為例來說明此部分

南區NDL的潔淨室(Clean room)裡的濕式蝕刻清洗系統( Wet Bench )

採用RCA清洗法如圖33所示為美商RCA公司所發展之矽晶圓清洗

技術於1965年應用於RCA元件製作上並於1970年發表其清洗過程

RCA清洗法可以有效去除晶圓上油漬原生氧化層塵粒有機物及金

屬離子污染一般亦稱之為標準清洗RCA清洗方法為四個步驟依照

順序使用CARO酸DHF酸SC-1清洗溶液SC-2清洗溶液以下分段

介紹清洗溶液

(1)CARO酸

在進行RCA清洗之前若是晶圓表面沾附有機物污染形成疏水性

（hydrophobic）表面使接續之水溶液清洗步驟效用大減有機物污染

可藉由3份硫酸加1份雙氧水混合液加溫至攝氏120- 130度去除硫酸可

以造成有機物使脫水而碳化而雙氧水可將碳化物氧化成一氧化碳或二

氧化碳氣體

(2)DHF酸

矽原子非常容易在含氧氣及水的環境下氧化形成氧化層稱為原生

氧化層為了去除原生氧化層可用稀釋氫氟酸水溶液清洗去除氧化同

時矽晶體圓表面會形成矽氫鍵而呈現疏水性（hydrophobic）表面

以方便之後用去離子水(DIwater)沖洗(rinse)

32

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(3)SC-1清洗溶液

Standard clean 1 或簡稱SC-1為標準清洗的第一段製程由5份去離

子水加上1份30雙氧水和1份29氨水組成之鹼性過氧化物混合液加

溫至攝氏70 - 80度清洗之後再以去離子水沖洗SC-1溶液作用為去除

晶圓表面之塵粒吸附並可氧化及去除輕微的有機物污染及部份金屬原

子污染

(4)SC-2清洗溶液

Standard clean 2 或簡稱SC-2為標準清洗第二步驟由6份去離子水

加上1份30雙氧水和1份37鹽酸組成之酸性過氧化物混合液加溫至

攝氏70 - 80度清洗過後再以去離子水沖洗SC-2溶液作用可溶解鹼金

屬離子和鋁鐵及鎂之氫氧化物此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留金屬離

子形成錯合物而溶解於水溶液中

圖33 南區NDL濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)

33

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

3-2-2氧化(Oxidation)

氧化(oxidation)是指矽和氧或其替代物合成為二氧化矽(SiO2)以做

為後續製程的蝕刻罩幕(mask)電性絕緣層或晶圓表面保護矽表面對

氧而言有很高的親和力亦即只要使矽暴露在有氧氣之環境中便會

迅速產生SiO2 層以室溫為例矽表面經常有10~20Aring 之原始氧化矽薄

膜一但氧化層升成矽原子必須穿過氧化層才能與晶片表面的氧分子

反應或者氧分子必須穿過氧化層到矽表面才能與矽起反應故緻密的

SiO2 層須升溫至600以上使矽或氧分子具有足夠的動能穿透自然氧

化層熱氧化法(thermal oxidation)製程的氧化層無論在本體或與矽相

接的界面均具有最少的缺陷所生成之二氧化矽其氧原子來自外加

氣體矽原子則來自矽晶圓本身因此每層SiO2 中有56來自原來的矽

以高溫爐管而言SiO2 的成長可分為濕式氧化（Wet Oxidation）以

及乾式氧化（Dry Oxidation）兩種類型以下介紹此兩種類型

1 乾式熱氧化利用乾燥氧做為製程氣體其熱氧化方程式如下

Si（s） + O2(g）rarrSiO2（s）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式31)

2濕式熱氧化利用水蒸氣氧化其熱氧化方程式如下

Si（s）+2H2O（g）rarrSiO2（s）+ 2H2（g）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (式32)

34

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

在成長相同的 SiO2 厚度之下以濕式氧化法較乾式氧化法所需的

時間較少但以乾式氧化法所成長的 SiO2 較為緻密在上式中可以

知道Si 在成長 SiO2 之時本身也是反應物是故生成氧化物的同時也會

消耗矽因此隨著氧化層的增加氧分子以及水分子必須經由擴散經

過氧化層到達矽表面才能夠發生反應所以成長氧化層有一定限制圖

34(a)為國科會南區微系統研究中心(以下簡稱南微)無塵室之氧化爐採

用濕式熱氧化方式溫度為1092圖34(b)則為學生實驗二氧化矽厚

度與氧化時間的參數圖同ㄧ矽晶圓上各區域的誤差值大約50Aring

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4

氧化時間(hr)

氧化厚度(nm)

二氧化矽厚度

(a) (b)

圖34 (a)南微之高溫氧化爐 (Oxidation Furnace)(b)氧化時間與氧化層厚度關係圖

3-2-3微影( Photolithography)

微影在製程中是最令人苦惱的步驟因為此步驟為定義晶片上的

圖形常常會因為光阻的塗佈不均勻曝光秒數的不足顯影時間的過

長或短等因素導致不正確的定義圖形進而影響接續的製程

35

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

微影技術的原理首先在晶片的表面塗佈一層感光材料平行光經

過光罩對感光材料進行選擇性的感光於是光罩上的圖形便完整的轉移

至晶片上此步驟稱為曝光 (Exposure)當曝光後經由顯影

(Development)光阻所獲得圖形與光罩圖形相同稱為正光阻圖形與

光罩互補的即為負光阻如圖35所示[27]

正光阻 光源

負光阻

光罩

光阻

基材

(a) (b) (c)

圖35 微影製程(a)光阻塗佈於基材上(b)對準與曝光(c)顯影

微影製程基本上由旋塗光阻曝光及顯影三步驟所構成但是為了

加強圖案轉移的精確性與可靠性微影製程還包括去水烘烤

(DehydrationBake)塗底（Priming）軟烤(Soft bake)及硬烤(Hard Bake)

等步驟以下將依序來說明微影步驟

(1) 去水烘烤晶片表面通常具有吸附的水分子將晶片置於加溫

的環境中數分鐘以便將水分子從晶片表面清除

(2) 塗 底 在 晶 片 表 面 上 塗 一 層 六 甲 基 雙 氧 矽 甲 烷

(Hexamethyldisilazane HMDS)以提升晶片與光阻

間的附著力

36

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(3) 旋轉塗佈光阻將光阻均勻覆蓋在晶片上最廣為使用者是旋塗

法(Spincoating)其作法為將定量的光阻塗佈

於晶片中心再藉由兩階段不同的轉速和時間

控制使光阻均勻的塗布在晶片表面上光阻

的厚度主要由黏度及旋轉速度所決定較高黏

度係數的光阻及較慢的轉速所塗出來的光阻

會較厚

(4)軟 烤軟烤用來將光阻層殘餘的溶劑去除增加光阻層對晶

片附著力提昇非曝光區及曝光區光阻顯影速率比降

低光阻層內部應力防止光阻龜裂

(5) 曝 光曝光的目的主要是使光阻吸收適當的能量以便進行

光化學產生斷鏈或鏈結因而使照到光的部分和沒有照

到光的部分對顯影液的溶解度產生極大的差異進而

達到圖形轉移的目標主要操作條件為曝光光源的能量

和曝光時間

(6) 曝後烤部分光阻需要在曝光之後作曝後烤的動作目的在於

減少駐波(Standing wave)效應與提供化學放大型光阻

反應能量

(7) 顯 影光阻經過曝光後改變了原有的化學性質使曝光區與

非曝光區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別顯影

37

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

液即是將易溶的區域溶解以達成圖形顯現之目的

(8) 硬 烤硬烤溫較軟烤為高主要目的為藉由降低光阻的溶劑

含量增加光阻的附著性蝕刻的阻擋能力

本實驗的微影製程是使用南區NDL之自動化光阻塗佈及顯影

系統(Track)與光罩對準曝光系統(Aligner)如圖36所示

(a) (b)

圖36南區NDL(a)自動化光阻塗佈及顯影系統 (Track) (b)光罩對準曝光系統

(Aligner)

38

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

3-3軟微影(Soft lithography)

此節為後製程章節介紹利用軟微影的技術進行晶圓表面改質製

程處理後的矽晶圓表面可更輕易地牽絆住細胞將細胞固定於晶片表

面的平台上以利於接下來的觀察與量測

3-3-1軟微影簡介

傳統材質表面改良技術大致上有塗佈(surface coating)電漿處理

(plasma treatment)自聚性分子膜製備方式(self-assembly monolayer

SAM)與LB膜(Langmuir-Blodgett film)表面處理等而表面改質的技術可

由軟微影的製程技術執行在軟微影的領域內方法有微觸印刷

（microcontact printingμCP）複製翻模（replica moldingREM）

微轉印翻模（microtransfer moldingμTM）毛細微翻模（ micromolding

in capillariesMIMIC）助溶劑微翻模（solvent-assisted micromolding

SAMIM）相偏移光微影術（phase-shift photolitography）等[28]

3-3-2基板製作

本實驗採用微觸印刷(microcontact printing)方式 利用有如蓋印章

方式將自聚性分子微接觸轉印蓋在基材上利用分子自發性聚集在材

質表面的特性而產生所需之薄膜進行晶片的表面改質

首先製作一個可以適合細胞停留的平台圖形稱為基板(substrate)

其製程步驟以圖(圖37)說明

39

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a)以RCA標準步驟清潔矽晶圓表面

(b)將矽晶圓放入溫度1092的高溫爐管內2小時以濕式熱氧化方式在

矽晶圓表面氧化一層厚度約09microm的SiO2

(c)黃光微影方式在定義出蝕刻平台圖形

(d)以BOE (Buffer Oxide Etch)溶液蝕刻氧化層50nmmin的速率蝕刻20

分鐘定義出SiO2罩幕接著以丙酮去除光阻

(e)溫度90的TMAH溶液蝕刻矽晶圓以09micrommin的蝕刻矽速率05~4

分鐘

(f)BOE溶液去除其餘之氧化層

(g)在晶圓表面以電子束蒸鍍機(E-Beam)蒸鍍金屬鉻(Cr)和金(Au)厚度

分別為500Aring與1500Aring

40

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a) (e)

清洗矽晶圓表面 TMAH蝕刻矽晶圓

(b) (f)

生長氧化層 去除氧化層

(c) (g)

微影定義光阻圖形 鍍上金和鉻

(d)

蝕刻氧化層且去除光阻

圖37製作晶片的細胞平台流程

製作完後的圖形如圖38(a)所示可見陣列式的平台圖37(b)則

為陣列上方的數字圖形以方便我們清楚在光學顯微鏡(OM)觀察中的平

台寬度圖39(a~c)為表面粗度儀(Alpha-step)所量測細胞平台的表面形

貌平台高度16μm而平台寬度則有16μm20μm和30μm

41

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a) (b)

圖38 細胞平台之OM上視圖 (a)陣列式排列(b)平台寬度的數字標號

-05

0

05

1

15

2

0 5 10 15 20 25 30 35

寬度(um)

高度(um)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 5

寬度(um)

高度(um)

0

(a) (b)

-05

0

05

1

15

2

0 10 20 30 40 50 60

寬度(um)

高度(um)

(c)

圖39 (a)寬度為16microm高度16microm的平台(b)寬度為20microm高度16microm的平台(c)寬度

為30microm高度16microm的平台

42

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

3-3-3基板表面改質

接下來則是利用PDMS做為印章(Stamp)以微觸轉印技術將可黏

取細胞的化學分子印在基板(substrate)上高凸的細胞平台結構表面並

將細胞平台以外之區域處理為無法黏取細胞的性質

先介紹印章的材質其為PDMS(Polydimethysiloxane)名稱為聚二

甲基矽氧烷採用Dow Corning 公司出品的膠態矽樹脂(Sylgard 184

silicone elastomer)與固化劑(Curing agent)以101的比例混合而成 其

優點有可塑性高可高溫滅菌透光性佳且具良好生物相容性在微

觸轉印中採用PDMS的最大原因為(1)其材質具有彈性在不需太大的壓

力下即可與不平整的基材表面有緊密完整的接觸(2)可多次重複使用

且表面具有化學惰性與只有22 dynecm2的低表面能因此接觸完基材表

面後可使自聚分子與基材產生鍵結並輕易脫離PDMS表面

以乙醇將PDMS印章清洗乾淨和用氮氣吹乾後如圖310所示再

以SH-(CH2)11COOH的溶液塗佈於在其表面上後將PDMS壓印在晶片模

板上並使用鑷子慢慢擠壓出PDMS與晶片模板間的氣泡使其晶片上

的細胞平台可與PDMS緊密接觸時間約60秒後即可拿開PDMS

SH-(CH2)11COOH會轉印到鍍有金膜的平台表面上 SH-(CH2)11COOH

的頭端官能基為硫原子硫與金可產生帶有極性的共價鍵結另一端為

一長鏈的烷基鏈此長鏈烷基可使相鄰分子間具有凡得瓦力(Van der

Waals force)而相吸引自聚型單分子膜（self-assembled monolayers

SAM）並促進膜更緻密的排列而末端官能基為COOH對於蛋白質具

有親和性以利於我們黏取細胞

43

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a) (b)

圖310 (a)清洗乾淨PDMS (b)將塗佈完自聚分子的PDMS微觸壓印在晶片上 (此表面改質工程由高雄大學化工所鍾宜璋老師實驗室協助完成)

處理完平台表面的性質後接著處理平台旁低陷處欲使其表面性

質對於蛋白質不具親和性故將整片晶片浸泡在DSPC之溶液中12小時

小時以上 DSPC為高雄大學鍾宜璋老師實驗室研發的溶液由原本的

PC(phosphorylcholine) 溶 液 進 行 調 配 [29] 其 自 聚 方 式 與

SH-(CH2)11COOH相同中間的硫-硫雙鍵會斷裂與金形成共價鍵結

中間烷基鏈undecyl與相鄰烷基鏈產生凡得瓦力相互吸引而更緊密排

列末端官能基cholinyl與COOH相較下較不具有蛋白質親和性不適

合細胞的附著圖310故我們完成此表面改質實驗其整個流程(圖311)

由高雄大學鍾宜璋老師實驗室協助完成

44

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖310 DSPC分子式與金薄膜鍵結方式

PDMS PDMS

SH-(CH2)11COOH

(a) (b)

DSPC

DSPC

(c) (d)

圖311 表面改質製程步驟(a)表面塗佈SH-(CH2)11COOH溶液的PDMS與substrate壓

印(b)substrate的凸起處自聚SH-(CH2)11COOH分子(c)再將substrate浸入DSPC溶

液(d) 12小時以後substrate離開DSPC後凹處即自聚DSPC分子

45

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

3-4濕式蝕刻(TMAH蝕刻液)

TMAH蝕刻液 (Tetramethyl ammonium hydroxide (CH3)4NOH

氫氧化四甲銨))為一非等向性蝕刻液其蝕刻罩幕(Etch mask)為二氧化

矽(SiO2)TMAH溶液無毒且在溫度110degC 以下不會分解危險性低

很適合微機電與IC半導體製程

3-4-1濕式蝕刻原理

蝕刻液的濃度由邊界層往蝕刻面則大幅遞減所以濕蝕刻的機制可

分為下列三個主要過程

1 蝕刻液通過邊界層(Boundary)擴散至被蝕刻表面

2 蝕刻液與蝕刻面產生化學反應消耗反應物產生生成物

3 生成物由蝕刻面擴散通過邊界層至溶液

濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制溶液

濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率提高溶液溫度可

加速化學反應速率進而加速蝕刻速率

3-4-2濕蝕刻製程

本實驗採用此蝕刻液原因為TMAH 幾乎不蝕刻二氧化矽層本

研究使用南微之高溫氧化爐在矽晶圓表面氧化一層SiO2做為蝕刻抵擋

層已知蝕刻液蝕刻矽晶圓的(111)晶面與(100)晶面夾角為5474deg [30]

故本實驗利用蝕刻停止(Etching Stop)技巧亦即TMAH蝕刻液蝕刻到底

部後幾乎不蝕刻SiO2的特性利用估算角度的方式即可作出3microm孔

46

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

洞如圖312所示而實驗結果的蝕刻速率如圖313

5474 ﾟ

3um

圖312 利用蝕刻停止技術製作微小孔洞

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

TMAH蝕刻Si時間(hr)

蝕刻

Si深度

(microm

)

5wt

25wt

圖313 TMAH蝕刻Si速率

3-5乾式蝕刻(感應耦合電漿離子蝕刻ICP)

乾式蝕刻（Dry Etching）又稱為電漿蝕刻（Plasma Etching）且屬於

非等向性蝕刻是目前最常使用的蝕刻方式電漿蝕刻是一種以氣體為

主要的蝕刻媒介並藉由電漿能量來驅動反應本研究在此處所使用的

乾式蝕刻機台為南區NDL的電感應耦合電漿反應離子蝕刻機

（Inductively Coupled PlasmaICP）圖314(a)所示

47

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a) (b)

圖314 南區NDL (a) 感應耦合式電漿蝕刻系統(ICP)(b) 金屬濺鍍系統(Sputter)

3-5-1電漿簡介

電漿(Plasma)是由正電荷（離子）負電荷（電子）及中性自由基

(Radical)所構成的部份解離氣體(Partially Ionized Gas)所含的氣體具高

度的活性利用外加電場的驅動使氣體崩潰

一剛開始電子是由於光解離(photoionization)或場放射(field

emission)的作用而被釋放出來由於電場的作用力而被加速動能也

會因而提高電子在氣體中行進時會經由撞擊而將能量轉移給其他的

電子隨著電子能量的增加最終將具有足夠的能量可以將電子激發

並且使氣體分子解離和釋放出電子而被解離產生的氣體正離子則會被

電場作用往陰極移動正離子與陰極撞擊之後並可以再產生『二次電

子』如此的過程不斷連鎖反覆發生解離的氣體分子以及自由電子的

48

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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69

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

數量將會快速增加一旦電場超過氣體的崩潰電場氣體就會快速的解

離

這些氣體分子中被激發的電子回復至基態時會釋放出光子因此氣

體的光線放射主要是由於電子激發所造成產生輝光放電(Glow

Discharge)現象蝕刻用的電漿中氣體的解離程度很低通常在

10-5~10

-1之間在一般的電漿或活性離子反應器中氣體的解離程度約為

10-5~10

-4若解離程度到達 10

-3~10

-1則屬於高密度電漿

使電漿產生的電場可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓而電

漿中的電子來源通常有二種(1)分子或原子解離後所產生的電子(2)

為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)在直流(DC)電

場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主而交流射頻(RF)電場下

產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主

在射頻放電(RF Discharge)狀況下由於高頻操作使得大部份的

電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極因此這些電子將會在

電極間作振盪並與氣體分子產生碰撞而射頻放電所需的振盪頻率下

限將視電極間的間距壓力射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位

能等因素而定而通常振盪頻率下限為 50kHz一般的射頻系統所採用

的操作頻率大都為 1356MHz

相較於直流放電射頻放電具有下列優點(1) 放電的情況可一直

持續下去而無需二次電子的發射當晶圓本身即為電極的一部份時這

點對半導體材料製程就顯得十分重要了(2) 由於電子來回的振盪因

此離子化的機率大為提昇蝕刻速率可因而提昇(3) 可在較低的電極

49

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

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第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

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69

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研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

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[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

電壓下操作以減低電漿對元件所導致之損壞(4) 對於介電質材料同

樣可以運作

3-5-2電漿蝕刻原理

電漿蝕刻包含物理性（Physical）與化學性（Chemical）蝕刻物理

性蝕刻是指電漿中帶電荷的離子與電子受電極板所產生的電位差影響

而加速朝向薄膜或晶圓上撞擊然後無化學反應將表面的原子擊出此

法的優點是擁有極佳的非等向性化學性蝕刻是指電漿將蝕刻氣體解離

成各種離子然後這些離子對薄膜或晶圓產生化學反應鍵結而氣化

ㄧ般而言化學性蝕刻為等向性蝕刻即被蝕刻物向下與側向的蝕刻速

率相等亦造成結構底切(undercut)的缺點

ICP 是混合物理性與化學性的蝕刻機制針對蝕刻高深比微結構所

發展出來的乾式蝕刻機台可以在低壓及低直流偏壓下提供高濃度電

漿達到高蝕刻速率高選擇比高非等向性蝕刻等要求蝕刻矽的反

應方程式如下

SF6 (g)+e- rarr Sx Fy(g)+ Sx Fy + F-(g)+e- helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-1式)

Si+ F-1 rarr Si- nFhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-2式) Si-nFrarrSiFx (adsorb)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-3式) SiFx(adsorb) rarrSiF4(g)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(3-4式)

50

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

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recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

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69

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Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

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[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖3-15為ICP系統整個系統包括load-lock腔體製程腔體電子控

制箱氣體質流控制箱幫浦與水氣管路等製程腔體上電極線圈為

1000 W1356 MHz 的 RF 電源下電極板為 30W1356 MHz 的 RF

電源晶片固定方式為機械挾持式晶片背面以氦氣冷卻 (backside

helium cooling)製程氣體從上方的氣體入口輸入經由電極線圈游離

後由下電極板控制產生的靜電偏壓此靜電偏壓使得氣體解離成電

漿並使的電漿中大部分的正離子被電位差之電場吸引至蝕刻底部並

且被加速因而撞擊蝕刻底部蝕刻速率通常可由氣體種類流量溫度

電漿源及功率等所控制[31]

圖315 感應耦合電漿離子蝕刻系統

ICP 機台所具有之高密度電漿蝕刻的優點為(1) 低壓下操作離

子的平均自由徑大則離子有很好的方向性(2) 高離子密度使得離子

主控蝕刻過程因此可減少甚至不需要聚合物(Polymer)的側壁保護

51

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

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方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

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[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

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[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

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Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(Passivation)製程將變得更乾淨且蝕刻後的輪廓更具非等向性

再者高離子密度可減少直流偏壓之使用因而降低或消除電漿所導致的

元件損傷而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加(3) 由於離子密度

與離子能量並無關係因此製程可變動範疇可加大而其的缺點則為

(1) 機台系統較為複雜(2) 機台所需的空間較大成本較高(3) 電

漿不易聚集則腔體管壁損壞較快

3-5-3乾蝕刻製程

為了代替微小玻璃細管的孔洞本研究以乾式蝕刻方式在矽基底材

上蝕刻孔洞並採用鋁為蝕刻罩幕鋁金屬為使用南區NDL的金屬濺鍍

系統(Sputter)(圖314(b))將其濺鍍在矽基板上

本實驗的步驟則如圖 316 所示並採用的蝕刻參數如表 3而實驗

結果的蝕刻速率如圖 317所示

步驟 (a) 清洗矽晶圓

(b) 在矽晶圓正面鍍上鋁

(c) 以光阻定義蝕刻孔洞

52

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

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69

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(d)蝕刻鋁罩幕

(e)去除光阻後以ICP蝕刻矽晶圓

(f)移去正面鋁罩幕在背面鍍鋁

(g)以光阻定義背後蝕刻孔

(h)蝕刻背後鋁罩幕

( i )去除背後光阻後再以ICP蝕刻背部 ( j )移除背部鋁蝕刻罩幕

圖316 乾蝕刻步驟流程

53

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

機台設定選項 參數設定值 Forward Power (W) 6 RF Generator Reflect Power (W) 1 Forward Power (W) 1200 ICP Generator Reflect Power (W) 10

DC Bias (V) 35 SF6 flow rate (sccm) 100 O2 flow rate (sccm) 9

C4F8 flow rate (sccm) 0 Ar flow rate (sccm) 0

Chamber Pressure (mtorr) 98 APC Controller Valve position (Deg) 617 CRYO Temperature () -100

Pressure (Torr) 15 Helium cooling Flow Meter (sccm) 113

表 3 蝕刻參數

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000 1200

蝕刻孔寬度(μm)

ICP蝕刻

Si速率

(microm

min

)

圖 317 ICP蝕刻速率與蝕刻孔關係圖

54

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

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[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

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[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第四章 結果與討論

此章節將討論前章節的實驗結果並對結果做檢討研究

4-1軟微影

本實驗所使用的測試細胞為幹細胞名稱為 human CD34+

Progenitor Cell稀釋液為01M 的 PBS (Phosphate Buffered Saline) 由

109克的Na2HPO432克的NaH2PO490克的NaCl與1000毫升的Distilled

water調配而成pH值為72並使用Trypan blue細胞染色劑

將此細胞溶液滴在晶片的細胞平台上如圖41可觀察到改質後的

平台(高度16μm)對於細胞具有明顯吸附性 圖42(a)為側面示意圖

代表即使細胞大於平台寬度 平台上的官能基與細胞的吸引力仍可

將細胞固定於平台上圖42(b)與圖42(c)為邊長寬度各為7μm與8μm

的方形平台

圖43-5所示平台圖形為圓形橢圓形與方形實驗發現只要細

胞長度與平台寬度相近細胞就會伸展去服貼平台的圖形

胞

細

動

平台

圖41 細胞與平台相對位置關係圖

55

矽基底材

流

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

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[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

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69

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Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

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techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

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研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(

圖42 (a)細胞黏著於平台上的側面示意圖 (b) 顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著

(b)

圖43 (a)細胞黏著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到的上視圖

(a) b)

(c)

於7x7microm 2的平台(c)顯微鏡觀察之上視圖細胞黏著於8x8microm 2的平台(細

胞由台南奇美醫院林茂村教授提供)

(a)

細胞黏著於直徑18microm的圓形平台

56

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

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[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(b)

圖44 (a)細胞黏 的上視圖細胞

圖45 m 2的方形平台

當平台比細胞還大時則可能發生圖46的情形細胞可能會沿著

圖形邊緣貼附

圖46 (a) 38microm

的圓形平台 (d) 直徑38microm的圓形平台

(a)

著於平台上的斜上方示意圖 (b)顯微鏡觀察到

黏著於直徑18microm x36microm的橢圓形平台

微鏡觀察到的上視圖細胞黏著於直徑18x18micro

(a) (b) (c) (d)

27microm x54microm的橢圓形平台(b) 37umx74um的橢圓形平台(c)直徑

57

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

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69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

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[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

只是染色後的細胞在完全鍍有金的表面很難觀察其顏色變化亦

無法判斷細胞的存活狀態但若估算從即我們 細胞開始滴放在晶片上

至細胞黏著於平台的時間而言

TMAH濕式蝕刻

液有兩種濃度(5wt與25wt)以同樣的

參數(溫度時間與攪拌方式等)但不同濃度的蝕刻矽晶圓結果可發現

濃度

2

其實全程時間非常短暫甚至可以視為

細胞一但觸碰到平台即被黏著故以作為量測晶片的功能而言此表面

改質將發揮其極大的功用甚至可討論培養與變形的生理現象

4-2

本實驗使用之TMAH蝕刻

低者蝕刻速率越快但表面相對也越粗糙由圖47(a)與圖48(a)可

比較得知兩者粗糙度的差別圖47(b)與圖48(b)為BOE (Buffer Oxide

Etch)去除表面SiO 後的形貌可知即使因為蝕刻過程導致蝕刻罩幕(Etch

mask)的表面粗糙仍不影響矽基底材的形貌不必擔心接下來的後製

程會因此而受到缺陷誤差的影響

(a) (b)

圖47 TMAH (5wt) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表面SiO2後形貌

(方形寬度為 microm) 760

58

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(a) (b)

圖48 TMAH (25w 面SiO2後形貌

(方形寬度為760microm)

49所示Wm為背後蝕刻孔的寬度Wo為正

面開孔的寬度z為矽晶圓的厚度已知矽晶片的規格厚度為500μm假設我們預估蝕刻出正面Wo為3μm的孔洞直徑寬度時推算可知設計

Wo=Wm

t) (a)蝕刻後表面型貌 (b)再以BOE去除表

依照公式(4-1)如圖

背後蝕刻孔寬度Wm為710μm

Wo

Wm

z

- 2 z helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip(4-1式)

圖49 背後蝕刻孔與晶圓厚度之關係圖

59

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

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[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

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[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖410中陣列 發現破孔的位置

不在預期的中間甚至兩蝕刻孔間的邊界線也有斷裂的現象而圖411

則為

格即為矽晶圓的背後蝕刻孔蝕刻後

矽晶圓的正面蝕刻貫穿的孔實驗發現矽晶圓正面的Wo孔洞寬度

竟然比預期值大很多甚至有寬達數百微米

圖410 矽晶圓背後的陣列蝕刻孔 (陣列寬度1cm蝕刻孔寬度710μm)

圖411 矽晶圓正面之被蝕刻穿的孔(此矽破片寬度約為15cm)

60

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

此實 化層

薄膜的缺陷和薄膜應力導致局部蝕刻缺陷2蝕刻過程中蝕刻液的液壓

造成孔洞的破裂擴大

4-3 ICP乾式蝕刻

因為化學濕式蝕刻的缺點無法依理論做出微小的蝕刻孔故以感應

P）之乾式蝕刻代替但影響ICP蝕刻結果的因

素有許多包括射頻

射頻(RF)功率主要用來產生電漿及提供離子能量功率的設定值

會影響電漿中離子的密度及撞擊能量進而影響蝕刻結果壓力也會影

響離子的密度及撞擊能量

驗結果與當初預期相差甚遠推測其失敗原因應有1氧

3蝕刻過程中所產生的氣泡干擾蝕刻速度導致

部分區域過度蝕刻4蝕刻時間過久導致各區域蝕刻速率不同而有些

區域過蝕

耦合電漿離子蝕刻機（IC

(RF)功率壓力氣體種類及流量蝕刻溫度及腔

體的設計等因素

另外也會改變化學聚合的能力而且蝕刻反

應物滯留在腔體內的時間正比於壓力的大小延長反應物滯留的時間將

會提高化學蝕刻的機率與提高聚合速率氣體流量的大小同樣也會影響

反應物滯留在腔體內的時間增加氣體流量將加速氣體的分佈並增進蝕

刻速率因此可降低負載效應(Loading Effect)溫度則是影響化學反

速率及反應物的吸附係數(Adsorption Coefficient)提高晶片溫度將

使得聚合物的沉積速率降低導致側壁的保護減低但表面在蝕刻後會

較為乾淨晶圓背部氦氣循環流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均

61

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

勻性以避免蝕刻輪廓變形

在分析上述綜合因素之後雖然理論的了解可以提高實驗結果的良

率但本研究的實作製程上仍無可避免的出現下列問題

412(a)為定義鋁蝕刻罩幕的圖形圖中可見到下方小孔洞此時

4μm經過ICP蝕刻後發現圖形旁邊的鋁罩幕產生塌陷

現象

(1) 側蝕

圖

孔洞直徑仍為

如圖412(b)所示當去除鋁罩幕後發現原本直徑4μm的孔洞已

擴大將近成15μm圖412(c-d)

(a) (b)

圖412 (a)未 蝕刻後 蝕刻前(b)

62

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(c) (d)

圖412 (c)蝕刻後且去除鋁罩幕(d) 被側蝕的孔洞

推測失敗理由為光罩問題當初設計光罩圖為圖31佈局但因

為送件的製作單位之光罩機雷射針頭功率問題導致光罩圖中左上方3

μm陣列的圖形沒有出現圖413所示如同IC設計時必須在主結構

旁加上蝕刻補償圖形(dummy)如圖414所示否則將因不對稱的圖形排

列 導致主圖形的被蝕刻速率與效果產生誤差

圖413 因光罩機問題導致光罩小線寬區域消失

63

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖414 IC設計製程的蝕刻補償圖形(dummy)

(2)黑晶矽

低溫蝕刻(cryo-etching)製程中矽基材表面在低溫下容易冷凝雜

質造成黑矽現象如圖415(a)為將正面矽晶圓橫切剖面的斜上視圖

再仔細觀察箭頭圖形時如圖415(b)所示可發現箭頭圖形表面有層

異於矽晶圓表面的顏色故推測在蝕刻前或過程中已受到汙染

(a) (b)

圖415 (a)矽晶圓正面的橫切剖面之斜上視圖(b) 黑晶矽現象

64

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

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Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

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[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

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[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

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[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

(3)雜草現象

通入的氣體量不足導致蝕刻電漿密度太低情況輕微時導致

蝕刻之粗糙度變差嚴重時蝕刻底部出現雜草的現象如圖416所示

圖416 雜草現象

經歷上述問題後實驗仍接續著原本的製程繼續最後終於成功蝕

刻出微小孔洞在圖417可看出晶圓背後蝕刻孔之側面圖圖418則看

出正面蝕刻穿的319μm直徑的孔洞

圖417 背後蝕刻孔側視SEM圖

65

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

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[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

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[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

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[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

圖418 矽晶圓正面的蝕刻孔

由於為了使用SEM去觀察孔洞的橫剖面圖故採用研磨方式去切

邊並以肉眼判斷研磨孔洞的位置此過程中很容易因誤差而導致過

磨也因此消耗了很多實驗成功的寶貴孔洞除此之外切邊的橫剖面

仍然有些粗糙會影響視覺上的觀察而無法判斷真正微小孔洞的位置

而孔洞與背後蝕刻孔的貫通與否則是採用背面打光的光學顯微鏡以

光線的連通與否以及搭配SEM的切邊圖判斷實際孔道貫通的情形

希望藉此提供之後實驗參數的判斷依據

66

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

[20] The Axon Guide for Electrophysiology amp Biophysics Laboratory Techniques Axon Instruments wwwaxoncom

[21] httpwwwcytocentricscomhomehomehtml [22] httpwwwavivabiocom [23] httpwwwflyioncom [24] httpwwwmoleculardevicescom [25] httpwwwsophiondk [26] 莊信弘ldquo高通量電生理篩選元件之裝置rdquo 國立臺灣大學應用力學

研究所碩士論文 [27] 莊達人rdquordquoVLSI製造技術rdquo高立圖書台北1997 [28] B D Gates ldquoNanofabrication with molds amp stampsrdquo Materials Today

Vol 8 2005 [29]Y C Chung Y H Chiu Y W Wu Y T Tao rdquo Self-assembled

biomimetic monolayers using phospholipidcontaining disulfidesrdquo Biomaterials Vol 26 pp 2313ndash2324 2005

[30]E Steinsland T Finstad A Hanneborg ldquoEtch rates of (100) (111) and (110) single-crystal silicon in TMAH measured in situ by laser reflectance interferometryrdquo Sensors and Actuators Vol 86 pp 73ndash80 2000

[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

第五章 結論與未來展望

5-1結論

本研究成功利用軟微影之表面改質技術黏取細胞可知若設計平台

的寬度適當即能黏取單一細胞於平台上而避免量測到群聚的細胞

如此一來群聚細胞間的串聯電阻(series resistance)與注入電流的驅散等

類的電耦合(electrical couple)問題即可被排除

因為光罩本身的問題導致製程上浪費過多耗時且比較性參數的實

驗但是相信一但找出錯誤的癥結與參數的建立此後可幫助接下來

的實驗能更有效且快速的進行光罩圖形排除dummy效應和將矽晶圓

磨薄增加蝕刻阻擋層的厚度此皆可助使我們增快蝕刻的準確度與時

間

即使濕式蝕刻在此研究中是失敗的但不代表溼式蝕刻是不能採用

的製程只要根據此研究所獲得的製程參數先乾式蝕刻一定深度後

再使用濕式蝕刻如此混合搭配可節省製程的時間皆能增加實驗的良

率此外乾式蝕刻可尋找具有Bosch製程的ICP機台如此一來我們能

更有效做出微小與垂直側壁的孔洞

5-2未來工作

平台的圖形對於細胞的變形影響相當大對於細胞的變形應可使細

胞與平台有更緊密的接觸隨之提高seal resistance減少細胞外離子的

干擾雜訊但細胞的變形是否會影響細胞的生理現象導致影響量測值

的正確性在往後的圖形設計上我們仍須詳加實驗與比較討論

67

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

細胞心臟細胞或其他細胞和培養分化的細胞長成組織的流程與配

方使此晶片未來對醫學研究和臨床應用能有更貢獻性的發展

68

參考文獻

[1] R Feynman ldquoTheres Plenty of Room at the Bottomrdquo Journal of Microelectromechanical Systems Vol 1 pp 60-66 1992

[2] 莊惠怡ldquo簡明圖解生理學rdquo合記出版 1998 [3] A Brueggemann M George M Klau M Beckler J Steindl J C

Behrends and N Fertig ldquoIon Channel Drug Discovery and Research The Automated Nano-Patch-Clamp Technologyrdquo Current Drug Discovery Technologies Vol 1 pp 91-96 2004

[4] 吳勝男 rdquo開啟細胞電生理的新紀元膜片箝制術rdquo 《科學月刊》 1991

[5] 嚴震東 rdquo探索神經系統之鑰電生理與神經科學rdquo 《科學月刊》 1990

[6] B Sakmann E Neher ldquoSingle Channel Recording Plenum Pressrdquo 1995

[7] httpwwwsophiondk [8] N Fertig R H Blick J C Behrends rdquoWhole cell patch clamp

recording performed on a plannar galss chiprdquo Biophysical journal Vol 82 pp 3056-3062 2002

[9] K G Klemic J F Klemic M A Reed F J Sigworth ldquoMicromolded PDMS planar electrode allows patch clamp electrical recordings from cellsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 17 pp 597ndash604 2002

[10] R Pantoja J M Nagarah D M Starace N A Melosh R Blunck F Bezanilla J R Heath ldquoSilicon chip-based patch-clamp electrodes integrated with PDMS microfluidicsrdquo Biosensors and Bioelectronics Vol 20 pp 509-517 2004

[11] T Lehnert R Netzer rdquoRealization of hollow SiO2 micronozzles for electrical measurements on living cellrdquo Apply physics letters vol 81 2002

[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

[13] S Pandey R Mehrotra S Wykosky M H WhiterdquoCharacterization of a MEMS BioChip for planar patch-clamp recordingrdquo Solid-State Electronics Vol 48 pp 2061-2066 2004

[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

eshtml [17]劉華茂編譯 rdquo蓋氏生理學rdquo 杏文出版1987 [18] O P Hamill A Marty E Neher B Sakmann ldquo Improved patch clamp

techniques for high resolution current recording from cells and cell-free membrane patchesrdquo Pflugers Arch Vol 391 pp85-100 1981

[19] J Denyer J Worleyc B Coxb G Allenbya M Banksa ldquoHTS approaches to voltage-gated ion channel drug discoveryrdquo Drug Discovery Today Vol 3 pp 323-332 1998

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[31] S A McAuley H Ashraf L Atabo A Chambers S Hall J Hopkins G Nicholls ldquoSilicon micromachining using a high-density plasma sourcerdquo Journal of physics d applied physics Vol 34 pp 2769ndash2774 2001

70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

縱使在矽晶片上以ICP製程蝕刻出孔洞後我們仍得小心處理孔洞

周圍的表面使其能與細胞膜表面產生最緊密的接觸除了避免漏電流

產生之外更須避免傷害刺破細胞膜表面另外孔洞本身在溶液中的

電阻與電容值也是我們待測之值因為此值與往後的放大電路必須一

同計算處理才能使我們能正確推算出電壓箝制後的電流圖

對於此晶片的未來發展將配合微幫浦(Micro-pump)(成功大學電機

系張凌昇老師實驗室)和微混合器(Micro-mixer) (成功大學化工系魏憲鴻

老師實驗室)的功能並加上週邊電路於晶片上再以本實驗室儀器系統

整合的能力完成單細胞微晶片操作平台儀器此儀器除了可幫助藥理

學界的研究人員能更節省時間並快速大量的獲取細胞動作電位的數

值之外 更可使本計畫的研究團隊未來研究最適合幹細胞分化成神經

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參考文獻

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[12] M Tanabe J Makinodan rdquoDevelopment of micro channel array with detecting electrodes for electrophysiological biomedical sensorrdquo Micro Electro Mechanical Systems pp 407-410 2003

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[14] J Seo C Ionescu-Zanetti J Diamond R Lal rdquoIntegrated multiple patch-clamp array chip via lateral cell trapping junctionsrdquo Applied physics letters Vol 84 2004

69

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70

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

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成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

[15] W K Purves D Sadava G H Orians H C Heller ldquoLife The

Science of Biologyrdquo Sinauer Associates and WH Freeman 1994 [16]httpusersrcncomjkimballmaultranetBiologyPagesCCellMembran

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自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

71

自述

姓名林紀甫

生日19800615

籍貫高雄市

學歷成功大學土木工程學系

成功大學微機電工程所

住址高雄市三民區遼寧一街 373 號

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