此節將分成三個部分來介紹微流元件之製程步驟。第一部分著重在製作出流道與 多孔薄膜所需的矽晶圓母模，第二部分為 PDMS 流道的翻模製程及製作薄膜所需的 壓塊製作，第三部分為薄膜的製作與 PDMS 流道的組裝。
2.2.1 矽晶圓清洗
為了避免矽晶圓上的原生二氧化矽 (native oxide) 、表面附著的粉塵或碰觸產生 的油脂影響母模附著力，故在製作母模前必須先清洗。清洗步驟如下
(a) 以體積比為 3:1 的硫酸與雙氧水調製成食人魚清洗液 (piranha solution)，先將比例 為 3 之硫酸倒入清洗過的玻璃容器，再倒入比例為 1 之雙氧水。
(b) 將欲清洗之矽晶圓放入食人魚清洗液浸泡，以去除表面有機物，5 分後以晶圓夾 取出，並浸泡在去離子水 (deionized water) 中，以洗去清洗液。5 分後由去離子 水中取出再以去離子水沖洗表面，並以氮氣槍吹乾。
(c) 將吹乾後的矽晶圓放入稀釋氫氟酸 (buffer oxide etchant, BOE) 浸泡，以去除原生 二氧化矽，15 秒後以鐵氟龍製晶圓夾取出，再以去離子水沖洗，沖洗完畢後以氮 氣槍吹乾。
(d) 放入 120°C 的烘箱 (oven, Deng Yng, DS45) 內，烘烤 10 分鐘後取出，即完成矽 晶圓清洗步驟。
2.2.2 母模製作
實驗所使用的流道之母模材料為負光阻 SU-8 (negative photoresist, MicroChem, SU-8) ，微影製程完成後的 SU-8 與矽晶圓有良好的附著性，微影製程步驟如圖 2.3 所示，上層濃度梯度供給流道母模之製程參數如表 2.2 所示，使用 SU-8 2150 製作，
下層微孔穴流道母模之製程參數如表 2.3 所示，使用 SU-8 2150 製作，多孔薄膜母模 之製程參數如表 2.4 所示，使用 SU-8 2075 製作。完整之濃度梯度供給流道、薄膜與 微孔穴流道的 SU-8 母模製作步驟如下。
(a) 光阻旋塗 (photoresist spin coating)
製作流道母模時，將 SU-8 負光阻倒在矽晶圓中心後，將其放置於旋轉塗佈 機 (spin coater, M&R Nano Technolog) 內，濃度梯度供給流道之母模的部分，第 一階段以低轉速 500 rpm 旋塗 20 秒，使光阻平均散佈在晶圓表面，第二階段改以 高轉速 3000 rpm 旋塗 40 秒，利用旋轉所產生的離心力甩開多餘的光阻，以達到 目標厚度。微孔穴流道之母模改以 500 rpm 旋塗 420 秒。多孔薄膜之母模，第一 階段以低轉速 500 rpm 旋塗 30 秒，第二階段改以高轉速 4000 rpm 旋塗 40 秒。
(b) 軟烤 (soft baking)
將旋塗後的晶圓放置在加熱平台 (hot plate, YEONG-SHIN, HP-303DN) 上，
以兩段式加熱方式進行軟烤。先以低溫 65°C 加熱，濃度梯度供給流道之母模、微 孔穴流道之母模與多孔薄膜之母模的加熱時間分別為 10 分、10 分、3 分，使 SU-8 光阻內之溶劑擴散至表面，第二階段改以 95°C 加熱，濃度梯度供給流道之母模、
微孔穴流道之母模與多孔薄膜之母模的加熱時間分別為 30 分、120 分、9 分，使 表面溶劑蒸發，並增強內部鍵結，避免母模因熱應力產生裂痕。軟烤後將晶圓移
至室溫冷卻。
(c) 曝光 (exposure)
使用光罩對準曝光機 (mask aligner, EV Group, EVG620) 對 SU-8 光阻進行曝 光，曝光功率約為 10.7 mW cm-2，以暗場光罩將軟烤後的光阻進行曝光，濃度梯 度供給流道之母模、微孔穴流道之母模與多孔薄膜之母模的曝光時間分別為 40 秒、
60 秒、30 秒。
(d) 曝後烤 (post exposure baking)
將曝光後的晶圓放置在加熱平台 (hot plate, YEONG-SHIN, HP-303DN) 上，
以兩段式加熱進行曝後烤。先以低溫 65°C 進行加熱，濃度梯度供給流道之母模、
微孔穴流道之母模與多孔薄膜之母模的加熱時間分別為 5 分、15 分、2 分，期間 可看見曝光圖形顯現，第二階段以 95°C 進行加熱，以增強內部鍵結，濃度梯度供 給流道之母模、微孔穴流道之母模與多孔薄膜之母模的加熱時間分別為 15 分、30 分、7 分。完成曝後烤後將晶圓移至室溫冷卻，需時約 10 分。
(e) 顯影 (developing)
顯影時，將晶圓浸入適量的顯影液 (SU-8 developer, MicroChem)中，並加以搖 晃，使未曝光的光阻脫離晶圓表面，時間約需 10~15 分，視光阻厚度而定。顯影 後可以異丙醇 (isopropyl alcohol) 檢查是否有光阻殘留，若有殘留則會產生白色 物質，需用去離子水洗淨後，以氣槍吹乾，再置入顯影液中重複顯影步驟。
(f) 硬烤 (hard baking)
完成顯影之光阻後需要進行硬烤以確保將內部溶劑與水完全逼出，以 150°C 加熱 30 分鐘，即完成微影製程。
(g) 厚度量測 (thickness measurement)
以厚度規 (dial indicator, Mitutoyo, No.2113S-10) 量測光阻厚度，得知上層濃 度梯度供給流道 SU-8 的母模厚度為 195 μm，下層微孔穴流道 SU-8 的母模厚度 為 383 μm，多孔薄膜層 SU-8 的母模厚度為 80 μm。
2.2.3 PVA-PDMS Stack 製程
在製作完整的微流元件前，需先進行流道翻模與薄膜壓塊 (PVA-PDMS Stack) 的 製作，製作方式如圖 2.4 所示。因薄膜的製作方式為以重力擠壓成型 (press molding)，
用來壓模的材料必須要有高度平整性，且需要容易與薄膜分離，以避免薄膜破裂，因 此我選用水溶性的聚乙烯醇 (PVA, polyvinyl alcohol) 作為擠壓 PDMS 之壓塊的表面 材料進行製程，材料為聚乙烯醇水溶液 (PVA solution, Ryohin Keikaku, glue)，將其旋 塗於預先固化之 PDMS 表面，烘乾後即可成為 PVA 薄膜。詳細製程步驟如下。
(a) PDMS 調配 (PDMS mixing)
將矽樹脂 (silicone resin, GE silicones, SYLGARD 184A) 與固化劑 (curing agent, GE silicones, SYLGARD 184B) 以重量 10 : 1 之比例攪拌混合。
(b) PDMS 注模 (PDMS pouring)
將調製完成的 PDMS，注入清洗乾淨之矽晶圓上，直到厚度約 10 mm。接著 將其置入真空泵 (vacuum pump, Gast Manufacturing, ROA-V210-AA)，去除 PDMS 內部氣泡，需時約 30 分鐘。
(c) 固化成型 (PDMS curing)
將注入 PDMS 的矽晶圓母模放置在水平的加熱板上，以 85°C 加熱 2 小時，
即可使 PDMS 固化。
(d) 氧電漿處理 (O2 plasma treatment)
為了使 PDMS 產生親水性，容易 PVA 之附著，將 PDMS 以氧電漿清洗機 (oxygen plasma cleaner, Harrick Plasma, PDC-001) 處理表面，使用功率為 50 W，
時間設定為 30 秒。
(e) PVA 旋塗 (PVA spin coating)
將表面處理後的 PDMS 置於光阻旋塗機 (spin coater, Karl Suss, RC8) 中，以 500 rpm 旋轉 10 秒，使 PVA 水溶液完全覆蓋於 PDMS 表面，再以 2000 rpm 旋轉 30 秒，使 PVA 水溶液達到極薄且均勻的厚度。
(f) PVA 固化 (PVA curing)
將旋塗完畢之 PDMS 置於加熱板 (hot plate, YSC, HP-303DN) 上，以 85°C 加 熱 30 分鐘，PVA 水溶液的水分蒸發後，即成為固態並完全附著於 PDMS 表面的 PVA 薄膜，即完成 PVA-PDMS stack 的製作。
2.2.4 PDMS 流道製程
在製作完整的微流元件前需先進行流道翻模，製作方式如圖 2.5 所示。詳細製程 步驟如下。
(a) PDMS 調配 (PDMS mixing)
將矽樹脂與固化劑以重量 8 : 1 之比例攪拌混合。
(b) PDMS 注模 (PDMS pouring)
以鋁箔紙包覆濃度梯度供給流道與微孔穴流道之矽晶圓母模，將調製完成的
PDMS 注入，直到厚度約 5 mm。接著將其置入真空泵，去除 PDMS 內部氣泡，
需時約 30 分。
(c) 固化成形 (PDMS curing)
將注入 PDMS 的矽晶圓母模放置在水平的加熱板 (hot plate, YEONG-SHIN, HP-303DN) 上，以 85°C 加熱 2 小時，即可使 PDMS 固化。
(d) 脫模 (PDMS peeling off)
將固化後的 PDMS 剝離母模，即完成流道層脫模。
(e) 流道鑽孔 (through hole drilling)
將作為濃度梯度供給流道的 PDMS 的出入口以外徑 2 mm 的不鏽鋼管進行鑽 孔，分別為上層濃度梯度供給流道的 4 個流體出入口與下層微孔穴流道的 2 個流 體出入口，以利流體管路之連接。在此，作為下層微孔穴流道的 PDMS 並不進行 鑽孔，下層微孔穴流道內之流體將經過上層濃度梯度供給流道預先貫穿的孔洞連 接至微孔穴流道的出入口。
2.2.5 使用 PDMS 多孔薄膜之微營養鹽濃度梯度元件組裝製程
製作完 PVA-PDMS stack、上層濃度梯度供給流道與下層的微孔穴流道之翻模後，
即可進行薄膜製作與微營養鹽濃度梯度元件組裝，製程如圖 2.6 所示。因 PDMS 多 孔透膜不容易單獨從母模上撕下，且撕下後不易保存，故需先將濃度梯度供給流道與 薄膜接合後再一起從母模上剝離，完整製程過程如下。
(a) PDMS 調配 (PDMS mixing)
將矽樹脂與固化劑以重量 8 : 1 之比例攪拌混合。
(b) PDMS 注模 (PDMS pouring)
將調配好的 PDMS 塗滿多孔薄膜母模表面，藉由真空泵去除 PDMS 內部大部 分的空氣，需時約 30 分。
(c) 薄膜製作 (membrane making)
利用 2.2.3 節所述 PVA-PDMS stack 將其 PVA 面放置在已塗滿未固化 PDMS 的多孔薄膜母模上，並以約 400 g 的金屬壓塊置於 PVA-PDMS stack 上，使未固化 的 PDMS 被壓成平面，靜置 5 分後，以 85°C 加熱 1 小時使 PDMS 固化。
(d) 泡水 (water immersing)
將薄膜連同母模與 PVA-PDMS stack 置於蒸餾水 (蒸餾水, 皓峰)中，靜置一 天使 PVA 薄膜吸收水分後軟化。
(e) 移除 PVA-PDMS stack (removing PVA-PDMS stack)
PVA 因吸收水分變成白色後，即可輕輕地從一端撕起 PVA-PDMS stack。為防 止 PVA 殘留在 PDMS 薄膜上，需以大量蒸餾水沖洗 PDMS 薄模。在此可使用乙 醇 (ethanol, 台灣菸酒) 檢查 PDMS 薄膜之上是否殘留 PVA，若有殘留，PVA 會 變成白色，需以去離子水持續沖洗。
(f) 氧電漿處理 (O2 plasma treatment)
將製作好的 PDMS 薄膜與預先製作好的 PDMS 濃度梯度供給流道之接合面 以氧電漿處理，準備接合。
(g) 濃度梯度供給流道與薄膜接合 (PDMS bonding)
對準 PDMS 濃度梯度供給流道與薄膜，接合時必須注意 PDMS 接合處不能有 氣泡，接著將其放置於加熱板上以 85°C 加熱 2 小時使其完全接合。
(h) 撕除薄膜與濃度梯度供給流道 (composite structure peeling off)
將濃度梯度供給流道從薄膜母模上撕下，即可得到附著 PDMS 多孔薄膜的濃 度梯度供給流道，撕下薄膜時要盡可能的慢，否則會導致薄膜的多孔區域破裂。
(i) 氧電漿處理 (O2 plasma treatment)
將包含多孔薄膜的濃度梯度供給流道與預先製作好的微孔穴流道之接合面以 氧電漿處理。
(j) 流道接合 (PDMS bonding)
將濃度梯度供給流道與微孔穴流道藉由對準記號貼合，再放置於加熱板上，
以 85°C 加熱 2 小時，使其完全接合，即完成微流元件的製程。