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EDEP 晶片之設計與實驗設備 晶片之設計與實驗設備 晶片之設計與實驗設備 晶片之設計與實驗設備

PDMS 以灌注的方法來完成翻膜,製成 PDMS 微流道與壓縮微結構;最後,

PDMS 與電極的玻璃基材封裝成 EDEP 晶片。EDEP 晶片製作方式如下所述:

3.2.1 矽晶片清洗 矽晶片清洗 矽晶片清洗 矽晶片清洗

晶片清洗目的主要是除去粉塵微粒、金屬離子和有機物污染。本研究所使 用之 PDMS 微結構母模是以矽晶圓作為基板,矽基板在塗佈光阻時,其晶片 的清洗往往可以決定光阻在塗佈的均勻性,與 PDMS 母模完成時的平整性。

故採用矽晶片製程常用的 RCA 工業標準清洗步驟,此清洗步驟為 1965 年由 Werner Kern 發展出來。其步驟如下所述:

1. 有機污染清洗:調配 H2O:H2O2:NH4OH(體積比 5:1:1)之混合溶液來移除有 機物質。

2. 氧化層清洗:調配 H2O:HF(體積比 50:1)之混合溶液來移除表面沈積氧化 層。

3. 金屬離子清洗:調配 H2O:H2O2:HCl(體積比 6:1:1)之混合溶液來移除離 子和重金屬離子污染物。

3.2.2 玻璃基板清洗 玻璃基板清洗 玻璃基板清洗 玻璃基板清洗

EDEP 晶片的電極,是以電子束蒸鍍的方式在玻璃基板上製作電極,因此 玻璃基材的清洗決定金屬電極蒸鍍時與玻璃基板的附著性。本研究所使用之 玻璃基板為顯微鏡之載玻片,玻璃基板清洗主要也是要去除玻璃基板上的粉 塵微粒、金屬離子和有機物之污染。其清洗步驟流程如下:

1.首先先將載玻片以丙酮沖洗以去除粉成及油汙,沖洗後再以去離子水沖 淨載玻片上之丙酮,再以氮氣槍吹乾。

2.將載玻片放置在熱墊板上,以 100℃烘乾載玻片。

(Positive PR)與負光阻(Negative PR)兩種,此二種光阻之性質與功能各 不相同,所以能視其所需的製程來選擇適當的光阻來應用,本研究之製程所

學性質等特性,故能在標準黃光製程中製作出高深寬比(High-aspect-ratio, HAR)之微米結構,非常適合作為 PDMS 複製模造之母模。在微流體應用中,

常用來定義微流體流道,使得流道能具較大之截面積而減少流阻,也可減少 晶片上配置流道之空間,因此 SU8 負光阻在微機電系統與生醫光電等應用領 域備受重視。

(1) 旋轉塗佈光阻 旋轉塗佈光阻 旋轉塗佈光阻 旋轉塗佈光阻 (Spin-Coating)

旋轉塗佈機主要功能為將光阻塗佈在矽晶圓上。光阻塗佈厚度取決於幾 個要素:光阻之黏滯係數、旋轉塗佈之轉速與旋轉塗佈時之旋轉圈數。光阻 塗佈前須注意光阻上有無氣泡殘留,氣泡會破壞母模的精度與完整性。本實 驗所設計之EDEP晶片其微流道深度為500µm ,我們藉由設定轉速與時間來 控制SU-8光阻的厚度與均勻性。塗佈光阻時分為三階段,第一階段使用低轉 速將光阻均勻分佈在晶片表面上,第二階段為高轉速主要是將晶片表面上之 光阻調整至所需的厚度,第三階段維持高轉速持續一段時間,此階段是因為 雖然SU-8光阻劑會因旋轉產生之離心力而變薄,但因為SU-8光阻劑是具有黏 滯性的材質旋轉時,會產生表面張力而聚集在晶片邊。當靜止平放時,周圍 突起光阻劑,會回流回中心,如此一來結構厚度就非原本設計好之厚度,故 需高速旋轉持續一段時間,將聚集在晶片邊光阻靠離心力甩出, 盡可能減少 回流產生的誤差。

(2) 軟烤 軟烤 軟烤 軟烤 (Soft Bake)

光阻塗佈完成後將晶片放置在熱墊板上作軟烤處理,軟烤的目的在於揮 發光阻中的有機溶劑與避免曝光時與光罩沾黏,也可使光阻平坦化並增加光

阻與矽基板的附著力。若軟烤的溫度與時間不足導致有機溶劑殘留過多會造 成圖形解析度下降。若時間過長或溫度過高而過度烘烤,會使光阻對光的敏 感度下降較不容易顯影。

(3) 曝光 曝光 曝光 曝光 (Exposure)

微影技術(Lithography technology)依照光源的不同可區分為三種方式:

紫外光光學微影(UV lithography)、電子束微影(E-beam lithography)、X 光 微影(X-ray lithography),此三種微影方式對不同正、負光阻有不同的感光度。

本實驗是使用一般黃光微影製程的光源,為低壓及高壓汞燈或汞-氙 (Hg-Xe)弧燈,這兩種光源在紫外光波長範圍(350~450nm)有兩條高強度之發 射光譜線,即為 g-line(436nm)與 i-line(365nm)。光阻曝光的目的,主要是讓 光阻產生鏈結或斷鏈,因此受光照部份和沒受光照部份,對顯影液的溶解度 產生極大的差異,而達到圖形轉移的目的。曝光前須先使用照度計(Power Meter)量測曝光機曝光功率(mW/ cm2)來計算光阻曝光所需的時間。

曝光時間之理論公式如下:

曝光劑量(mJ/cm

2

)=曝光功率(mW/ cm

2

)× 曝光時間(sec)

本實驗製作晶片時時將理論曝光時間延長 10%,以確保有足夠的曝光劑 量,可觀察顯影過後之圖形線寬大小,來判斷曝光劑量是否足夠,由於本實 驗晶片製作時包含掀去製程,所以稍微延長曝光時間對於圖形定義能更確 定,使掀去製程能更加的順利。

(4) 曝後烤 曝後烤 曝後烤 曝後烤 (Post-Exposure Bake)

當曝光進行時,部分沒有被光阻吸收的光,將透過光阻到達基板的表面,

由基板表面反射的光與入射的光波產生建設性及破壞性干涉,而形成駐波效 應(Standing wave effect)。這將使得光阻層接受曝光的強度不均勻,所以經 過顯影後,光阻的側面將成為波紋狀,導致光阻線寬改變,而影響後續的製 程。曝光後烘烤可以使曝光過的光阻結構重新排列,以使駐波的現象減輕。

(5) 顯影 顯影 顯影 顯影 (Development)

光阻曝光後將晶片置入超音波清洗機進行顯影,曝光區與非曝光區對顯 影液溶解度不同,我們利用此一特性進行晶片顯影。以 SU-8 負光阻為例因曝 光區曝光後產生鍵結,而未曝光區經酸性顯影液沖洗而溶解,故負光阻被存 留下來是為被紫外光照射的部份,所以得到與光罩上相反之圖形。

SU-8 所採用的顯影液為乙酸乙二醇丁醚酯(propyleneglycol monomethyl ether acetate, PGMEA)。將晶片與酸性顯影溶液在超音波震盪器中進行震盪顯 影,震盪顯影時會產生氣泡,此現象是觀測顯影是否完成的最好判別方式,

當氣泡幾乎消失時,就是顯影將完成的時候。使用光學顯微鏡來辨別與檢視 顯影是否真正完成,顯完影後,使用丙酮沖洗晶片以沖洗晶片 SU-8 上顯影溶 液,並阻斷顯影溶液繼續顯影,再用異丙醇沖洗掉晶片上的丙酮,最後用去 離子水反覆洗淨,最後用用氮氣將晶片吹乾。