自動化檢測晶片之製程

首先利用微機電製程技術於鋁基板電鑄微管道模型，利用高溫壓印高分子材質建構檢測 晶片之基板；接著亦利用電鑄成形之上板結構模型，以矽膠（PDMS）澆灌固化，定義微閥 開關與微幫浦形成檢測晶片之上板。再將上板接合於基板，以完成複合式生物檢測晶片，置 於操作平台以完成檢測流程。

在鋁基材的表面電鑄微閥開關、微幫浦及微管道之模型，並用α-step 儀器量測出微管 道的高度及寬度，用以換算微管道之流阻係數。利用高溫壓印建構晶片之基板，並以彈塑性 極佳之矽膠（PDMS）澆灌固化形成上板，將上板接合於基板即完成檢測晶片之製作。為達微 流體之均勻性，自動化檢測晶片整合一蜘蛛網型蠕動式微幫浦，依生物樣本及試劑注入之順 序完成整個檢測流程。以下將對各製程步驟加以詳述。

2.3.1 製作過程

高分子材質加溫壓印形成晶片基板，而在降溫過程將影響晶片基板之品質，因此除 利用田口方法（Taguchi methods）加以設計製程參數，以提高批次製作之良率。

本研究以高分子材料做為基板，而高分子基材製作微流道乃採為熱壓成形技術製作，因

應力不均勻。微電鑄乃採鋁板做為基材，為使電鑄之微結構與鋁板緊密接和，電鑄之前需先 將鋁板粗化，而微電鑄製程步驟如圖 18(a)所示並分述如後：

1. 將鋁板分別置入 1 莫耳濃度（Mole/l, M）氫氧化鈉（NaOH）及 1 M 鹽酸（HCl）各 10 分鐘，進行三個循環，促使鋁板之表面粗化。

2. 利用 SU8 之製程步驟，於粗化後之鋁板定義微電鑄區域，並計算微電鑄區域面積。

3. 將微電鑄區定義完成之鋁板放入鎳電鍍液中，以恆溫系統控制電鍍液之溫度維持在 50

℃，以微電鑄面積除以電流密度 20 毫安培/平方公分（mA/cm²）即可得微電鑄之時間。

4. 微電鑄完成之母模以磨砂機將微電鑄表面平坦化，置入高溫烘箱，利用 400 ℃之高溫 使 SU8 光阻碳化加以去除，變得到完整之微電鑄母模，如圖 18(b)所示。

電 鍍 液 之 成 分 標準組成

胺基磺酸鎳（Ni(NH

SO

)

‧4H

O）

鹽化鎳（NiCl

‧6H

O）

硼 酸（H

BO

）

添加劑（應力降低劑）

添加劑（平滑劑）

濕潤劑（針孔抑制劑）

450 g/l

3 ~ 5 g/l

35 g/l

17 g/l

17 g/l

2 g/l

1. 鋁基材表面粗化

2. SU-8光阻定義

3. 微電鑄

4. 光阻去除

(a) (b)

圖 18、（a）微結構電鑄製成示意圖[15]；（b）微電鑄母模完成之照片。

2.3.3 微熱壓成形

當微電鑄母模完成後，配合微熱壓成形技術，便可將鋁基板母模上之圖案，大量轉印在 塑膠材質上，而完成塑膠晶片之底板微管道結構。其實驗裝置如圖 19 所示，熱壓機(CARVER, 3851 Model C, USA)包含上下兩塊加熱板，上方加熱板之位置固定，而下方加熱板由於其下 方有油壓系統，因此下方加熱板可伸縮以施加壓力，另外有加熱及冷卻系統。

微電鑄/石英母模 PMMA

液壓幫浦 加熱/冷卻系統

圖 19、熱壓機結構示意圖[14]

在進行微熱壓製程之步驟時，為了使轉印在 PMMA 上之圖形與母模有一致的幾何形狀 尺寸，且每片之間的差異性小，因此需在眾多操作因子如溫度、壓力、持溫時間及持壓時間 中選擇最重要之因子來進行實驗，以使熱壓出來之微管道具有一致性之幾何形狀，且較不易 損毀微電鑄母模。MML 實驗室已於先前之研究計畫利用田口式最佳化方法來探討完成熱壓 製程之最佳參數[14]，並經測試驗證而提出專利。因此在研究過程中，本計畫亦利用相同方 式完成熱壓製程之最佳參數之開發。

在熱壓製程實驗中，會影響品質特性的因子有熱壓溫度、PMMA 預軟化時間、施加壓 力、持壓時間、降溫時有無持壓等因子，此外亦有機台本身水準精準杜、周圍環境等干擾因 素。在此本計畫以魚骨圖詳細列出各因子之參數設計，如圖 20 所示。其中，周圍環境的控 制與熱壓機機台水平準確度皆屬於干擾因子，需以昂貴的代價來控制。此外，降溫持壓之效 果經由實驗結果可得知遠比無持壓之效果佳，因此不將其列於控制因子中。

圖 20、以魚骨圖(Fish-bone Diagram)表示各因子之參數設計[14]

所以，本計畫選擇以熱壓之溫度、PMMA 預軟化之時間、施加之壓力及持壓之時間等 四項控制因子進行分析，如表 2 所列。熱壓之溫度為 A 因子，其主要目的是在找出 PMMA 晶片的軟化溫度，使其適當軟化，因此是一項相當重要之參數；B 因子為 PMMA 預軟化之 時間，是由於熱傳導率受限制，因此需持溫一段時間，使 PMMA 有足夠時間均勻軟化；為 將微電鑄母模凸出之微結構形狀轉印至 PMMA 晶片上，故將施加之壓力列為 C 因子；而為 使 PMMA 有足夠時間進行受熱膨脹而緊密貼合在母模凸出微結構之周圍，以形成與母模一 致性佳之幾何形狀，所以選擇持壓之時間為 D 因子。此外，每個控制因子有三個控制水準，

因此選擇田口式 L₉(3⁴)直交表為實驗計畫之依據設計 9 組實驗，每組實驗均量測 PMMA 微管 道之寬度值並加以記錄，如表 3 所示。

控制因子

說明 Level 1 Level 2 Level 3

A 熱壓溫度（℃） 105 120 135

B 預軟化時間（分鐘） 5 10 15

C 施加壓力（MPa） 0.49 1.47 2.45

D 持壓時間（分鐘） 5 10 15

表 2、熱壓實驗中各因子之參數水準設計值

表 3、塑膠熱壓成形實驗之實驗計畫及實驗數據

表 3 中最右第二行及第三行計算了每組實驗的平均值（Ave）及標準偏差（S），另外最 右一列亦計算出 S/N 比之值，有了各組實驗的 S/N 比後，可以對各組的 S/N 比及品質特性之 平均值作因子反應分析，找出一組最佳的製程參數，使得 S/N 比為最大，而品質特性最接近 目標值，其中 S/N 比越小表示便異性越小。因此，在適當的熱壓條件下，其熱壓製程技術所 壓製之微管道具有一致性高的幾何形狀，經掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)

拍攝後可得知，利用熱壓所得之微管道結構具有良好的形狀尺寸，如圖 21 所示。

圖 21、經掃瞄式電子顯微鏡所拍攝的 PMMA 微管道幾何形狀

2.3.4 晶片封裝

自動化檢測晶片基板之微管道為開放式，而微閥開關與微幫浦之設計均位於上板，若微 管道不為密閉，微流體將溢出微管道造成檢測極大之誤差，且微閥開關與微幫浦並非置放在 微管道上，根本無法發揮作用，因此自動化檢測晶片必須將上板與基板結合。而文獻報告中，

矽膠（PDMS）與其餘高分子材質之接合計數極為困難，然高分子材質表面特性之改良技術已 有相當的進步，因此配合改良技術將提高接合效果。

因本計畫之複合式檢測晶片上板採 PDMS 製作自動化為流體控制原件，下板則採 PMMA 為 基材加以製作微管道及檢測區，兩種材料分別為熱固性及熱塑性，其材料性質差異相當大，

故本計畫採用雙面膠與濃氧電漿接和兩種方式加以進行。首先以濃氧電漿來進行晶片之封 裝。先將晶片置於濃氧電漿機腔體，達到其要求之真空度再通入高濃度氧氣，於低壓狀態下 施以高電壓，將氧氣激發或解離成各種不同的帶電荷離子、原子團、分子和電子，這些粒子 組成便是電漿。因施加高電壓，電漿中形成高能離子進而撞擊高分子材料表面，引起高分子 材料表面發生離子鍵之斷裂形成氫氧基，再將上、下板對位接合而形成複合式檢測晶片。封 裝完成之檢測晶片經過接合壓力的測試，可測得其接合強度足夠承受 120 psi 的壓力，確定 高濃度氧電漿封裝之可行性。

然因電漿封裝檢測晶片需有高壓高濃度之高能離子，才能將高分子材料表面之鍵結加以 打斷以形成氫氧基，進而兩片不同性質之高分子材料才能進行接合，而要產生高壓高濃度之 高能離子之設備相當昂貴，且其電漿均勻度是目前業界極力克服的目標，若運用於大量生產 尚不足以符合成本，故本計畫亦利用雙面膠進行晶片之封裝。

雙面膠封裝為現行光碟片封裝最主要之技術，利用雙面膠封裝便能夠達到大量製程之效 果。本計畫採用之雙面膠(AR clear DEV-8930, Adhesives Research Inc.)厚度分別為 25 µm、50 µm 以及 100 µm，最為明顯之影響在於隨著雙面膠厚度之增加，氣動式微閥門及蠕 動式微幫浦的薄膜厚度也隨之增加，進而降低自動化微流體控制原件之效能，因此本計畫最 後採用 25 µm 厚度之雙面膠來進行晶片封裝。

而雙面膠封裝之另一問題在於雙面膠之平坦度。雙面膠之黏貼採半人工方式進行晶片封

30µL/min 20µL/min 10µL/min

圖 23、不同之起始流率下，對微閥門施加不同氣壓造成出口流率變化之關係圖[12]