本計畫採用之研究方法與原因

第一年：熱壓印製造PMMA流體晶片

聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)、在光學、照明、建材等各領域，壓克力 樹脂PMMA 是一個各方面物性都均衡的原料，加上價格便宜容易取得、製造簡易，具備量好的加 工性質，目前一直都被廣泛使用，故本計畫將採用PMMA 來作為生物可拋棄式晶片的基材，以增 加量產商業化的可能性。由於一般生物晶片多為流體晶片，所以首先必須在PMMA 基版上做出流 道，而做流道的技術，目前能達到奈米尺寸的微影(Lithography)技術有：電子束(E-beam)微影、離 子束(Ion-beam)微影、極紫外光(EUV)微影及奈米壓印(Nanoimprint)微影[31]。其中奈米轉印技術不 受光學繞射極限之限制且具有解析度高、速度快、以及成本低廉等特色，因此應用領域相當廣泛。

在2002 年 MNE(micro- and nano-engineering)研討會上，以奈米壓印微影技術發展成果最為顯著，

2003 年二月，Technology Review 報導指出「奈米壓印微影技術將改變世界的十大新興技術」之一 [32]。根據文獻目前奈米壓印微影技術已可製作出 5 奈米之線寬，大幅提高了製作奈米元件的可行 性[33]。

壓印微影製程如 Figure3.1 所示，主要利用事先已設計好圖案之母模(Mold)，藉施加壓力方式 將母模壓入阻劑中，使阻劑產生預期圖案，此技術可製作線寬 50 nm 以下的奈米結構，具有高解 析度，大量生產及低成本之潛力[34]。其中阻劑定型有兩種方式：一為美國普林斯頓大學 Stephen Y.

Chou 教授[35]使用 PMMA 或 PS 阻劑，藉加熱方式使阻劑到達玻璃轉換溫度(Tg)，當母模與阻劑 完全密合後再降溫使阻劑凝固，最後再將母模與阻劑分離；另一為美國德州大學C. G. Willson 教授 利用光敏阻劑(Photoresist)，在母模壓入阻劑後以紫外光源照射，使阻劑產生交鏈而凝固。之後利 用反應離子蝕刻(RIE)將底部殘餘阻劑移除，即完成壓印微影步驟[36]。壓印微影術之優勢為使阻劑

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產生相同圖案之重複率極高，且製作圖案快速、簡易、低成本。然而，面對完整的微奈米結構複製 及量產技術的挑戰，壓印機台之平行度與均壓性、溫度與週期時間之控制；壓印模具之製作、壽命 與脫模機制；壓印阻劑材料；與現有製程搭配等相關的技術都是環環相扣的。奈米轉印技術發展至 今已屆十年之久，根據文獻資訊以及技術發展趨勢，目前可歸納為三大主流技術：（1）熱壓成形奈 米壓印（Hot embossing Nanoimprint Lithography，HE-NIL）；（2）紫外光硬化成形奈米轉印（UV-curing Nanoimprint Lithography，UV-NIL）；（3）軟微影技術（Soft Lithography）。這三大主流技術雖然製 程方法皆不相同，但主要皆源自於模具輔助（Mold-Assisted）的轉印概念，技術發展至今各擅其長，

各有其適當發揮的應用領域。本研究將採用熱壓成形奈米壓印來進行DNA 萃取晶片流道的製作。

在壓印模具方面，現有奈米級結構製作不易，需要多道特殊且昂貴製程(如 E-beam)，成本極 高且量少。再者傳統矽基或電鑄鎳模具，阻劑會沾黏(Adhesion)模面造成脫模困難，需額外進行抗 沾黏處理[37]。壓印受限於硬質壓板、模具和基底(Substrate)三者之平行/平坦度等因素，壓力不均 勻，壓印面會有不完整接觸(Poor Contact)產生，奈米結構複製精度不佳，及產生應力集中現象使晶 圓破裂，因此大面積的壓印良率一直受到限制[38]。但是本研究所壓印的流道並無奈米流道的要 求，所以將良率問題可以降到最低。但是脫膜沾黏的問題還是需要克服，本計畫將採用自組裝技術 在母模表面形成低表面能脫膜劑。自組裝技術簡便易行，無須特殊裝置，通常以水為溶劑，具有沈 積過程以及成膜結構分子級控制的優點。可以利用連續沈積不同組成，製備二維甚至三維比較有序 的結構，實現膜的光、電、磁等功能。自組裝的層與層間沈積方式與氣相沈積有些相似，但氣相沈 積主要是在高真空下使物質氣化的，所以不適用。反之，高分子很適合於自組裝，通常得到的是兩 種組成的複合膜，氣相沈積製備的通常是同一組成的單層膜。本計畫預計利用 Silicon 表面的 OH 基與含氟低表面能的矽烷做反應，採用Trichloro(3,3,3-trifluoropropyl)silane (FPTS, Cl3SiCH2CH2CF3) 與 trichloro(1H,1H,2H,2Hperfluorooctyl)-silane (FOTS, Cl3Si(CH2)2(CF2)5CF3) 兩種化合物，其反應機 制如Figure 3.2 所示。將 FPTS 與 FOTS 接枝於模具表面，並進行表面能計算，以瞭解表面能與模 具壓印結果的關係。由於本計畫預計製造生物萃取晶片，所以必須設計流道，流道的設計上主要包 含樣品注入處、樣品混合處、萃取 DNA 處，預計晶片的模型如 Figure3.3 所示。接著將設計圖以 電子束微影製作出光阻的圖案，電子束微影與光學微影製程的步驟類似，目的都是將所需的圖形縮 小複製到晶片上，差別在於光微影術是利用「光線」來刻劃圖形，電子束微影則是利用能量為數萬 電子伏特(eV)的「電子束」作為曝光源。由於電子的波長比一般光微影製程所使用的光源波長更小，

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因此能提供更高的解析度。電子束微影中亦有所謂的正、負光阻劑(此處我們將用來曝光或曝電子 源的化學藥劑統稱為光阻劑，resist)，光阻劑是一種易受電子束影響的化學材料，在定義圖形前要 先均勻塗抹在晶圓上。正光阻利用電子轟擊時會破壞其化學鍵的原理，將圖形「寫」在晶圓上，再 經過顯影處理，即可得到我們所需的圖形；若使用負光阻，則還需要一個反轉圖形的動作，才可得 到所需的圖形。其製程如 Figure3.4。接著將具備光阻圖案的矽晶片利用 CF4氣體來蝕刻，接著將 光阻去除，即可得到奈米壓印所需的母模，做出母模之後，利用氧電漿加以清洗，並浸入不同濃度 的FPTS 與 FOTS 溶液中，變化不同的浸泡時間，把低表面能脫膜劑自組裝於母模上，接著進行熱 壓印步驟，利用不同的溫度與壓力變化將母模的圖形轉印到PMMA 上，並找出最佳製程條件。所 以第一年預計將奈米壓印所需的母模製造出來，並將PMMA 的生物萃取晶片模型製造出來。本階 段的執行年限為2009/8/1~2010/7/31，執行計畫的甘梯圖如表 3.1 所示。

第二年：LDHs於PMMA載體上的固定化

由於LDHs 一般被用於藥物釋放上，由於中心帶電的結構，可以與 DNA 進行離子交換，藉此 把DNA 夾於其雙層結構中，所以本年度的實驗主要著重在 LHDs 的固定。PMMA 基板由於價格便 宜，被選為拋棄式晶片的最佳材料，本計畫預計選用分子量10000~50000 之間的 PMMA 基版進行 測試，由於 LDHs 為無機物所組成，在表面性質上應該屬於親水性質，故實驗目標預計將 PMMA 基板的表面轉變為親水性質，但目前的PMMA 基板表面都十分光滑，不易將 LDHs 固定在上面，

由於四氫呋喃（Tetrahydrofuran，THF）對於 PMMA 為 good solvent，所以可將 PMMA 基板直接浸 入THF 溶劑中，藉此來澎潤 PMMA 基板表面的高分子末端基，來增加 PMMA 基板表面的粗糙度，

使得LDHs 可以被 PMMA 高分子末端基所纏繞，藉此固定 LDHs 於 PMMA 上，而由於 PMMA 末 端基為疏水性質，若要加強 LDHs 與 PMMA 高分子鏈的作用力，則必須把 PMMA 末端基改變為 親水性質，並增加其靜電力，使得LDHs 會牢固的吸附於 PMMA 基板的表面，而能夠符合這樣的 製程以氧電漿為主，所謂電漿處理，主要是利用電漿(Plasma)，而非濕式的溶液來對薄膜進行表面 處理的一種技術，其主要優點是蝕刻為非等向性，亦即垂直方向的速率遠大於橫向的速率，根據電 漿使用的特性可以分為三種機制：

(1) 物理性表面處理

基板置於帶負電的陰極之上，因此當帶正電荷的離子被陰極吸引並加速向陰極方向前進時，

會以垂直角度撞擊到基板表面，由於直接以電漿離子加速轟擊，導致垂直方向的的表面處理速率比

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橫向的速率要快，而少量在電漿中產生的帶負電荷離子無法到達基板表面，所以在表面處理過程中 並不扮演任何角色。此反應完全為物理性碰撞，並無化學反應。所以物理性表面處理為非等向性蝕 刻，並對於不同材料有選擇性(即不同材質有不同的表面處理性質)，以及較高的離子轟擊所造成的 損害。

(2) 化學性表面處理

利用反應性氣體，例如含鹵素原子的氣體，通入真空腔中，並受外加電壓作用形成反應性電 漿離子，其基板放置位置在高電位的極板上，所以受電漿離子撞擊的效應極小，所以表面處理作用 是藉由反應性電漿離子和基板表面原子之間的化學反應使基板表面原子變成揮發性的反應生成物 而由真空幫浦抽走。化學表面處理具有高蝕刻率及較低的離子轟擊所造成的損害，以及較佳選擇 性，但是卻會產生等向性蝕刻而造成底切(under cut)現象的發生。

(3) 混合性之表面處理

混合性蝕刻則包含物理性與化學性的蝕刻機制，此蝕刻機制結合物理性的離子轟擊與化學反 應的表面處理。

本計畫主要為在 PMMA 表面形成親水性質以及靜電性，故採用氧電漿來對 PMMA 進行表面 處理，整個LDHs 固定化流程如 Figure 3.5 所示，其中 A：將 PMMA 基板浸泡於 THF 溶劑中，依 照不同浸泡時間利用AFM 觀察 PMMA 表面基板粗糙度的變化，以找出最佳浸泡時間，此時 PMMA 的末端分子鏈會浮出表面而造成粗糙度的變化。B：利用氧電漿處理表面。由於浮出的 PMMA 末 端分子鏈主要以疏水性為主，利用氧電漿處理把 PMMA 末端分子鏈轉變成親水性質。C：將不同 濃度的LDHs 直接塗佈在 PMMA 的表面上，而由於 LDHs 不會分散在水溶液中，預估會在 PMMA 表面上形成聚集的現象，而若加入分散劑則可能影響 LDHs 的帶電性質，故選擇不用分散劑來當 LDHs 的溶液，最後將殘留沒有固定住的 LDHs 用水清洗去除。D：將大腸桿菌與人的血液混合，

並加入可以溶解細胞膜的試劑，並將樣品塗佈於PMMA 基板上，再利用清水洗淨表面，由於需要 測試LDHs 對於 DNA 的吸附條件，在本階段實驗以平面 PMMA 基板為主，等找出最佳條件，即

並加入可以溶解細胞膜的試劑，並將樣品塗佈於PMMA 基板上，再利用清水洗淨表面，由於需要 測試LDHs 對於 DNA 的吸附條件，在本階段實驗以平面 PMMA 基板為主，等找出最佳條件，即