是故以下將依序介紹本論文設計的微懸臂樑尺寸和選用材料與其使用 的微機電製程。
設計微懸臂樑尺寸、外型
SU-8 微懸臂樑製作
微懸臂樑尺寸模擬
PDMS 微懸臂樑製作
材料性質、位移實驗
實驗結果分析討論
尺寸外型設計改進
3﹒2 微懸臂樑尺寸模擬
因微懸臂樑的尺寸將會影響到位移量的大小，也就會間接影響到我們 量測位移時的誤差程度。在相同力量作用下，我們希望懸臂樑產生的曲撓 越大，這讓我們越容易觀察量測，也就可使實驗的誤差越小、量測越精準。
但是微懸臂樑尺寸也會受到微機電製程極限的影響，有其一定的最小值，
所以如何選擇製作微懸臂樑的尺寸大小也是本論文的關鍵之一。
所以我們預先利用 ANSYS 套裝軟體來作微懸臂樑的尺寸模擬，希望能 先制訂出合適我們後續實驗的微懸臂樑製作尺寸設計。並且還可以預先模 擬出微懸臂樑受到光鉗施予的外力後，位移的尺寸大小等級是否能被本實 驗室的光學量測系統所測得。
以下則為本文所做的各項模擬圖表。
模擬軟體：ANSYS
分析元素：Solid Brick 20node 95
自由度：懸臂樑為一端固定，另一端為自由端 施力方式：在自由端施加一持續固定的力 施力大小： 100pN、100nN、100μN
模擬實驗一：
材料：銅金屬
Young＇s Modulus：120 GPa 微懸臂樑尺寸：厚度 H＝10μm；
寬度 W＝20μm。
【表 3-1 ANSYS 模擬 銅金屬材質表】
ANSYS 模擬 銅金屬材質
長度 L＝500μm 受力大小 位移程度
模擬 1 100pN 5.21pm
模擬 2 100nN 5.21nm
模擬 3 100μN 5.21μm
長度 L＝1000μm 受力大小 位移程度
模擬 4 100pN 41.6pm
模擬 5 100nN 41.6nm
模擬 6 100μN 41.6μm
由此次模擬可得知以銅金屬製作成的微懸臂樑不管何尺寸在受到 100pN、100nN 的力量時，最大位移皆遠小於本實驗室光學儀器可量測範
容易得到製作的金屬材料當中楊氏係數較小的了。所以可得知大部分我們 易得到的金屬材料都不適用於本論文微懸臂樑的製作材料。
模擬實驗二：
材料：SU-8 光阻
Young＇s Modulus：5 GPa 微懸臂樑尺寸：厚度 H＝10μm；
寬度 W＝20μm；
【表 3-2 ANSYS 模擬 SU-8 材質表】
ANSYS 模擬 SU-8 光阻材質
長度 L＝500μm 受力大小 位移程度
模擬 1 100pN 0.125nm
模擬 2 100nN 0.125μm
模擬 3 100μN 125μm
長度 L＝1000μm 受力大小 位移程度
模擬 4 100pN 0.999pm
模擬 5 100nN 0.999μm
模擬 6 100μN 999μm
由此模擬可得知以 SU-8 負光阻製作成的微懸臂樑在受到 100nN 左右的 力量時，最大位移已於本實驗室光學觀測儀器可量測辨讀範圍內。唯獨受 到這樣大小的細胞力量時位移稍嫌略小了點，且無法量測約在 100pN 範圍 的細胞力。但因微懸臂樑尺寸還可在微機電製程中做適當修改，是故 SU-8 乃本文考慮製作的微懸臂樑材料之一。
模擬實驗三：
材料：SU-8 光阻
Young＇s Modulus：5 GPa 微懸臂樑尺寸：厚度 H＝10μm；
寬度 W＝10μm；
【表 3-3 ANSYS 模擬 SU-8 材質表】
ANSYS 模擬 SU-8 光阻材質
長度 L＝500μm 受力大小 位移程度
模擬 1 100pN 1nm
模擬 2 100nN 1μm
長度 L＝1000μm 受力大小 位移程度
模擬 4 100pN 7.99nm
模擬 5 100nN 7.99μm
模擬 6 100μN 0.00799μm
由模擬可得知以此等尺寸製作的 SU-8 微懸臂樑在受到 100nN 左右的力 量時，最大位移已於儀器可量測辨讀範圍內，位移量的大小也很適中，但 受到 100μN 力量時位移稍嫌過大，且同樣無法量測在 100pN 範圍左右的細 胞力。
模擬實驗四：
材料：PDMS ；
Young＇s Modulus：2.5MPa 微懸臂樑尺寸：厚度 H＝10μm；
寬度 W＝20μm；
【表 3-4 ANSYS 模擬 PDMS 材質表】
ANSYS 模擬 PDMS 高分子材質
長度 L＝500μm 受力大小 位移程度
模擬 1 100pN 0.25μm
模擬 2 100nN 250μm
模擬 3 100μN 0.25m
長度 L＝1000μm 受力大小 位移程度
模擬 4 100pN 2μm
模擬 5 100nN 1999μm
模擬 6 100μN 1.999m
此 PDMS 材質的微懸臂樑位移皆可為本實驗室光學量測儀器判讀範圍 內。故也是可以考慮製作的微懸臂樑材料之一。但是需考慮的是當微懸臂 樑受到 100nN、100μN 力量時位移量太大。因在顯微鏡放大倍率為 1000 倍時（物鏡 100 倍，目鏡 10 倍），我們能擷取的畫面約為 60μm*50μm 大 小的範圍，即使是顯微鏡放大倍率為 100 倍時（物鏡 10 倍，目鏡 10 倍），
擷取的畫面也只約為 600μm*500μm 大小的範圍。這樣大的位移量會超出 光學儀器可擷取的範圍。這也是必須謹慎考慮的問題。
的設計後續製作的微懸臂樑主要尺寸為以下圖 3-2、圖 3-3 所示。
【圖 3-2 微懸臂樑尺寸圖】
【圖 3-3 微懸臂樑尺寸圖】
又因為未來本實驗室想深入探討微懸臂樑與細胞在不同接觸面狀態 下，細胞的變化情形、力量大小與其組成性質是否有所改變。所以針對微 懸臂樑主要的外型又有另外以下幾種設計，如圖3-4所示。
【圖 3-4 微懸臂樑外型設計】
此外若有其他需要還可在後續實驗進行中，針對不同的細胞尺寸，做 適當的微懸臂樑尺寸修改，或者因細胞產生的變化型態做出其他有別於此 的微懸臂樑結構。
根據以上 ANSYS 模擬可知，本次需要利用一楊氏係數（Young＇s Modulus）較金屬材料小的材質，即所謂較金屬材質為軟的材料。目前屬意 接受的有 SU-8、PDMS（polydimethylsiloxan，聚二甲基矽氧烷）兩種材 質。
3﹒3 微懸臂樑製作［17］
3﹒3﹒1 SU-8 微懸臂樑製程流程
（1）Si 晶片清洗 （4）顯影
（2）塗佈 SU-8 負光阻 （5）KOH 蝕刻脫膜
（3）曝光
【圖 3-5 厚模光組 SU-8 製程流程概念圖】
3﹒3﹒2 PDMS 微懸臂樑製程流程
（1）晶片清洗 （4）顯影
（2）塗佈 AZ-4620 正光阻 （5）PDMS 灌模
（3）曝光 （6）PDMS 脫模
3﹒3﹒3 RCA Clean
本研究中矽基材（Si-Wafer）清洗的方式採用美國無線電公司(Radio Corporation of America,RCA)所開發出的清洗製程。RCA Clean主要是用 來去除微塵粉粒、有機物及金屬離子污染，因為塵粒或有機的污染都會造 成基材表面不平整，而造成後續製程中產生失敗，故此清潔的步驟必須要 執行，一般此種清洗方式亦稱為標準清洗，其連續清洗的過程及成分如下 所示：
（1） 有機污染清洗：利用體積比5：1：1之H2O：H2O2：NH4OH移除 不易溶解的有機污染物或微塵。
（2） 氧化層清洗：利用稀釋比例50：1之H2O：HF移除表面自然生 成氧化物。
（3） 金屬離子清洗：利用體積比6：1：1之H2O：H2O2：HCl移除離 子和重金屬離子污染物
此清潔流程中每兩道溶劑清洗步驟中都需間隔一道在室溫中利用去離 子水(D.I. Water)清洗殘餘成分的手續。最後使用氮氣槍將晶片吹乾，即 可進行以下其他流程。
3﹒3﹒4 微影技術
光微影技術主要目的是將光罩上圖形轉移到所需的晶片上，也就是利 用一可檔光的物質(光罩，Mask)，配合平行光光源照射感光材料(光阻，
Photoresist)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)。若光的能量使受光照的感光材料(光阻）
性質改變，造成鍵結斷裂因而在顯影(develop)時被溶解去除掉，未受光照 部分則形成圖案以作為蝕刻之阻擋，此即為正光阻（Positive
Photoresist），例如：AZ-4620，AZ-6400等光阻。反之，若感光後變成不 溶解的感光材料(光阻)則稱為負光阻（Negative Photoresist），例如：
SU-8等光阻。
微影製程基本上由旋塗光阻、曝光及顯影三步驟所構成，但是有時為 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
（Dehydration Bake）、塗底（Priming）、軟烤(Soft Bake)及硬烤(Hard Bake)等步驟。
光罩選擇（Mask）
製程要用到的光罩材質有很多種，有石英光罩、玻璃光罩、膠片光罩 等，各有其優缺點，可視不同的應用適當選擇。石英光罩在紫外線範圍具
但成本最為昂貴。玻璃光罩之透光性較石英光罩稍差，且玻璃熱膨脹係數 較大，適合用來做線寬大於2μm的圖形，成本較石英光罩稍低。
石英光罩 與玻璃光罩皆是將圖形製作在基材的鉻膜上，優點是具有高透光性與高 解析度，使得圖形不易失真，但是價格昂貴且製作時間冗長。
膠片光罩 由於是高分子材料所組成的，因此透光性更不如玻璃，且因其製作方式是 以高解析度之雷射印表機輸出，因此解析度均不如石英光罩及玻璃光罩，適合線寬約10μm 以上的圖形，不過其成本為玻璃光罩的十分之一，且製 作方式方便快速，為快速微機電光罩製作之良好選擇。
表3-5即為這三種材質光罩的比較。由於本研究圖形目前之特徵尺寸均 在10μm以上，為使光罩得以快速製作及修改，且降低其製作成本，因此本 研究首先選用膠片光罩來完成晶片製作。
【表3-5 三種材質光罩的比較表】
成本 透光性 解析度 耐用度 製作速度
石英光罩 最高 最高 較高 最高 較慢
玻璃光罩 次之 次之 較高 次之 較慢
膠片光罩 最低 最低 較低 最低 較快
本文圖型的繪製是利用套裝軟體L-Edit來完成。製作的乃是膠片光
罩，一片光罩的大小為長寬各為5英吋的正方形。光罩周圍都設計上對準記 號（Alignment Key），以利於多層光罩對準的製成需要。最後將設計好的 圖檔，送至光罩輸出公司，以高解析度雷射印表機輸出。以下圖3-7所示即 為本次實驗所設計的光罩圖形。
光阻塗佈（Photoresist Coating）
一般而言，在光阻的選用上除了搭配所需的製程目的外，對於塗佈光 阻的參數也是很重要的考慮因素。光阻塗佈主要分成兩階段，第一階段的 低轉速主要目的是能將光阻均勻的散佈在基材表面上，第二階段的高轉速 主要目的是將散佈在基材表面的光阻有效控制所需厚度及整體的均勻性。
而塗佈過程當中影響厚度的參數主要有：塗佈轉速、光阻黏滯度和外在環 境。當塗佈轉速愈高，光阻厚度則愈薄而且其厚度的均勻性也就愈好。本 實驗製作所使用的光阻塗佈機如下圖3-8所示。
光阻塗佈機（日本 KYOWARIKEN K-359SD-1）
【圖 3-8 Photoresist Spinner 圖】
軟烤（Soft Bake）
軟烤的作用在於除去光阻的溶劑，使光阻固化，並增加對晶片的附著 力。光阻在塗佈過程中會因外圈切線速度大，使溶劑揮發較快，形成邊緣
突起（edge-bead）的現象，經由軟烤可增加光阻的平整性。但若烘烤過度 則會使光阻過早聚合，而引起曝光不靈敏。
曝光（Exposure）
曝光的目的主要為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，對顯影液的溶解速度 產生差異，達到圖形轉移的目標。主要操作參數為曝光光源的能量和曝光 時間。曝光劑量（照射時間）由光阻厚度決定，需反覆測試找出最佳值。
曝光的目的主要為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，對顯影液的溶解速度 產生差異，達到圖形轉移的目標。主要操作參數為曝光光源的能量和曝光 時間。曝光劑量（照射時間）由光阻厚度決定，需反覆測試找出最佳值。