第二章 理論基礎
2.2 光干涉式感測器原理
2.2.3 MZI 感測原理
其中 L：MZI 感測端(sensing branch)的長度 λ：光波長
N：對應波導中傳導模態之有效折射係數(effective refractive
index of the mode)
∆neff ：覆層的有效折射係數的改變
2.3 高解析度光刻、電鑄、模造製程技術(UV-LIGA Process)
LIGA 製程技術為微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS) 其中一部份，其特點為高解析度、高深寬比的光刻，以及之後的電鑄、 的Institut fur Mikrostrukturtechnik (IMT)為了處理核能鈾料分離問題，所 發展出用以製造高深寬比元件的微製造技術。LIGA 結合了積體電路的光 刻術(Lithography)、電化學的電鑄翻模(Electroforming)及高分子材料模造 技術(Molding)，其中光刻術利用高強度及高準直性的同步輻射 X 光，光 刻品質可達深寬比超過100 以上、厚度 1000µm、橫向精度 0.25µm、表面 粗糙度介於0.03~0.05µm 的微結構，此外利用電鑄及模造可以大量翻造高 深寬比(high-aspect-ratio)或複雜的 3D 形狀微結構，支援元件強度及增加
電、磁制動特性。其標準製程如圖2-8 所示[13]，敘述如下：
1.首先在基板上鋪上一層相當厚度的高分子光阻材料，此光阻材料的選 擇端視所使用的光源而定。X 光經由特殊設計與製造的光罩(mask) 照射在光阻上，將照射過X 光的光阻顯影(developing)後，即可得到 由光罩圖案轉移(pattern transfer)的光阻模版。
2.光刻程序所得到的光阻微結構，就作為電鑄程序中的模版，在電鑄過
在光學方面的應用上，需要較佳的表面粗糙度，紫外光(UV-LIGA)
6.電鑄(Electroplating)：電鑄是生產金屬結構的製程，將模板當作是陰 極，欲電鍍之金屬材料為陽極，將陽極及陰極放入電鍍液中，通上
電流可將金屬離子還原成各類金屬或合金。
7.除去剩餘的光阻：將電鑄完成後的晶片除去光阻模板，在晶片上僅剩 下我們所要的金屬結構。
2.3.2 SU-8 光阻特性
SU-8 是由美國光阻公司Microlithography Chemical Corp., MMC所推 出的一種負型厚膜光阻，商品名稱為NANOTMXP SU-8。此光阻的上市可 以 說 打 破 了 原 本 高 深 寬 比 微 系 統 技 術(High-Aspect-Ratio Microsystem Technology, HARMST)在紫外光-類LIGA製程應用的極限：300 微米。也 就是說在此之前，甚至到了今日，幾乎沒有任何紫外光厚膜光阻，既使
裝、生醫方面。
5.具有低分子量，能均勻的散佈在有機溶劑中，形成高濃度的混合物。
圖2-1 生物感測器之組成
圖2-2 生物感測器作用示意圖
圖2-3 光波導中的光線全反射及折射示意圖[11]
圖2-4 波導的數值孔徑[12]
圖2-5 光波導中的傳導模態[12]
圖2-6 光波導瞬逝波生物感測原理示意圖
圖2-7 MZI 生物晶片之架構簡圖
圖2-8 LIGA 製程流程圖[13]
表 2-1 各種光深刻術的比較 [14]
Method Depth
Micromachining >200µm ~10 Good(µm)at
surface Medium Photolithography
+RIE
100~500µm
(Etch rate limited) ~20 Good(µm) Medium X-ray
Lithography >1000µm >100 Excellent
(Sub-µm) High
第三章 實驗步驟
實驗流程圖
光學模擬與 MZI結構設計
高解析度 UV光刻製程
MZI結構製作
核心材料選擇 與折射率調變 資料收集與研讀
光學平台架設 與光學量測 電鑄模造
本研究利用光學模擬設計 MZI 結構，以黃光製程設備進行 MZI 的製 wafer)上旋塗(spin coating)上SU8 光阻，再利用光刻在光阻材料上製作光 波導微溝槽結構，最後填入核心材料，完成MZI製程。製程參數方面我們 (metricon model 2010 prism coupler)進行材料折射率的量測[17]。稜鏡耦合 器原理如圖 3-1，利用氣壓式頂針(coupling head)頂住待測物去貼合稜鏡，
使稜鏡與欲量測的薄膜材料(film)能保持一定的間隙，當入射光達到某些 EMBOSSING SYSTEM 作為熱壓之儀器搭配 PMMA 材料進行熱壓成型。
圖 3-1 稜鏡耦合器架構與原理[17]
第四章 結果與討論
感測臂(sensing arm)一為參考臂(reference arm)，感測臂長從 4000µm~12000µm，以期達到不同的感測靈敏度。圖 4-2 是其光學模擬結果，其 繞射損失(Maximum Diffraction Error, MDE)定義為光阻實際曝光後側壁 與理想側壁之最大距離，公式如下：
T 為動態衰減係數(kinetic attenuation coefficient) ，B 是自然衰減 係數(nature attenuation coefficient)
λ：光刻使用的波長
影響也很大，本研究利用田口品質實驗將製程參數作最佳化的處理。
我們以直徑 3µm 的圓形光罩對 6µm SU8 光阻做田口品質實驗，調變 的參數為軟烤時間、曝光劑量、曝後烤時間、顯影時間，各選取三個等 級，以L9 直交表進行，成果如圖 4-8。品質決定(D)如圖 4-9 所示，為直 立圓柱上下直徑差，利用望小S/N (signal to noise ratio)公式
⎟⎠ 田口品質驗證實驗，得到的結果如圖4-11，經過電子顯微鏡量測，Y-branch tip 頂部寬度為 1.15µm，底部為 1.53µm，由圖 4-4 可以知道這個尺寸的 tip
材料(SU8-2005 photoresist)之折射率，然後利用與覆層相同的材料填入覆 層結構中，使核心與覆層材料都為SU8 光阻。圖 4-13 是不同溫度進行固 化後的SU8 光阻經由稜鏡耦合方式量測所得之折射率，由圖可知固化溫 度越高，SU8 光阻折射率值越低，200℃時達到 1.57038，與原始折射率 差異為0.0037，很接近我們的設計值 0.004，由圖 4-12 可知這樣的折射率
1. 清洗晶圓，
圖 4-19 則為系統架設完成後之照片，其中立體顯微鏡可以在入光及
證實MZI整體結構可以導光後，接下來我們想進一步量測初步的干涉
4.7 電鑄模造製程
稱為電鑄遮罩(shielding)，如圖 4-26 所示，並調整其與陰極的距離，使電 流能最均勻的分佈至陰極的矽基模仁上。
在參數最佳化利用微熱壓機搭配 PMMA 塑膠進行熱壓模造，圖 4-28 為 熱壓成品之電子顯微鏡觀察圖，可看到塑膠成品上有清楚的Y-branch tip 的結構，其Y-branch tip 與 channel 尺寸亦達到設計範圍，證實了利用電 鑄模造搭配低價塑膠材料進行大量生產的可行性，將來可利用此技術製 作低價的塑膠MZI 晶片。
圖4-1 MZI 結構示意圖
圖4-2 MZI 結構之光學模擬圖
圖4-3 UV 光源光刻後的 Y-branch tip 結構
0 1 2 3 4 5 6
Y-branch tip size (um)
0.4 0.6 0.8 1
P/ P
0圖4-4 Y-brahch tip 線寬與光傳導效率關係圖(光學模擬結果)
圖4-5 光阻曝光時的繞射誤差示意圖[20]
圖4-6 SU8 光阻對各波長光源之吸收度
圖4-7 濾除短波長 UV 波段後光刻的 Y-branch tip 結構
圖4-8 田口品質實驗結果(E1~E9 為L9直交表參數編號)
圖4-9 田口品質決定—圓柱上下直徑差
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3
S/N (dB)
圖4-10 田口品質實驗因子影響圖
圖 4-11 最佳參數田口驗證實驗結果(SEM 照片)
0.004 0.008 0.012 0.016 0.02
- n
0.7 0.8 0.9 1
P/ P
0圖4-12 ∆n 值對導光效率之影響(光學模擬結果)
80 120 160 200
Temperature (0C)
1.57
Refractive index (n)
原始折射率
圖4-13 各種溫度固化對 SU8 折射率之影響
200 300 400
Time (sec)
Refractive index (n)
圖4-14 SU8 光阻以 200℃固化不同時間之折射率
圖4-15 MZI 製程流程圖
Channe
Y-branch Tip
圖 4-16 MZI 微結構之 Y-branch tip 上視圖
Channel SU8 layer 2 SU8 layer 1
圖4-17 MZI 微結構之 channel 剖面圖
圖4-18 光學平台示意圖
圖 4-19 光學平台實際照片
圖4-20 利用長距離顯微鏡(a),(b)與立體顯微鏡(c),(d)在出光與入光處作 光纖/光波導初步對準
圖 4-21 Half-MZI Chip 光傳導實驗結果(IR-CCD 照片)
圖4-22 MZI Chip 光傳導實驗結果(IR-CCD 照片)
1E-012 1E-009 1E-006 0.001
Concentration (g/L)
0 40 80 120
Output Power (nW)
圖4-23 氯化鈉水溶液 MZI 干涉實驗
圖4-24 金屬模仁之 SEM 照片
圖4-25 金屬模仁之外觀
(a)無電鑄遮罩 (b)有電鑄遮罩 圖 4-26 電鑄遮罩造成電力線重新分布示意圖
(a)無電鑄遮罩 (b)有電鑄遮罩
圖4-27 電鑄遮罩對金屬模仁平坦度之影響
圖 4-28 熱壓成形成品之 SEM 觀察圖
第五章 結論
構，與設計值∆n～0.004 相符合。
4. 為了量測 MZI 之性質，本論文架設光學平台並利用光纖耦合方式將光 成功導入 MZI 晶片中，並且量測到光學訊號，證實 MZI 結構的 Y 型 波導可達到預期分光效果以及MZI 結構與材料參數之可行性。
5. 利用不同濃度的氯化鈉水溶液去驗證MZI感測器之感測靈敏度，初步 證實MZI感測器可以偵測到 10-6 g/L的溶液濃度。
6. 為了達到低價量產之目的，本論文利用前述的高解析度光刻技術製作 MZI 光阻結構，翻鑄成金屬模仁後，利用熱壓技術搭配塑膠材料進行 熱壓模造，製作出符合設計值之微結構，證實利用熱壓複製微結構量 產之可行性。
第六章 未來展望
本研究所建立的高解析度UV光刻技術與相關UV-LIGA製程技 術，已成功的製造出光干涉式感測器結構，並藉由光學量測得知所設 計製造出的MZI感測器可以偵測到濃度 10-6 g/L的氯化鈉水溶液。不 過在結構上仍然需要尋找適合的上覆層材料以利於生化檢測。
此外未來希望能結合電鑄模造技術並搭配塑膠材料，達到真正低 價大量製造 MZI 感測器，並結合微光柵結構使光耦合更為簡便有效 率，整合生物探針固定化技術後，更可以使 MZI 感測晶片達到生物 檢測目的，有助於滿足將來醫療品質與生命維護之需求與期待，
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