新型三維微探針陣列製作技術開發

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新型三維微探針陣列製作技術開發

楊啟榮、曾柏翔、賴昶均、羅嘉佑

國立台灣師範大學機電科技學系

摘要本研究提出一種新型微探針陣列製造技術，利用微機電製程特有之矽基體型微加工技術、KMPR 厚膜光阻微影、精密電鑄製程，並結合 PDMS 聚合物材料之選用，於可撓曲基板上製造出三維微探針陣列。於實驗中，建立新型厚膜光阻 KMPR 1050 之相關製程參數，使得以一次旋轉塗佈的製程，便可得到厚度約 130 μm 之光阻膜。配合 KOH 蝕刻、精密電鑄製程與本實驗所提出之二階段式光阻去除步驟，可於撓曲基材上製作出高度約 170 μm、寬為 50 μm，深寬比達 3.4，且具出平面特性之微探針陣列。關鍵字：三維微探針陣列，KMPR 厚膜光阻，精密電鑄。 1. 前言 微機電技術中，微探針之製作一向是熱門的研究領域，不論是與懸臂樑結合，形成探測試片表面形貌之探針【1】；搭配熱致動器，以供加熱高分子材料，做為記錄資料用之探針【2】；與微流道結合，做為藥物釋放系統之微針頭；或與導線結合，形成量測生理訊號之微探針。特別是以微探針做為量測訊號之微電極，更是提高了擷取人體生理訊號之準確度。三維微探針陣列其出平面式的概念，即是設計微探針直立於基板上，其製程於現有的文獻中，大都是直接於矽基板上進行製造【3-4】，僅有極少數使用聚合物類型作為探針之基板【5-6】。以矽基板製造最大的好處在於，能使用感應耦合電漿離子蝕刻技術，製作高深寬比且出平面式的微探針，但卻無法達到聚合物基板所擁有的柔軟度與良好的延展性，且必需負擔其高製造成本的缺點。雖然聚合物基板擁有柔軟度與延展性的優點，但要於聚合物基板上製作高密度與出平面式的微探針陣列也是一大難題。 2. 實驗設計 為了使矽基板製造之微探針所擁有的高深寬比結構，與高密度出平面式微探針陣列之優勢，並結合聚合物基板特有的柔軟度與良好延展性。於是本研究便提出利用 KOH 非等向性蝕刻對矽做體型微加工，以得到微探針頂部之尖點結構；再搭配 KMPR 厚膜光阻與微電鑄製程製作出擁有高深寬比的微探針陣列；最後再以 PDMS 此種聚合物材料作為基板，將微探針黏附於聚合物基板上，如此便可達成同時具有以上兩種基板優點之三維微探針陣列，示意圖如圖 1 所示。其結構可約略分為兩大部分，分別敘述如下： A. 可彎曲基板(flexible substrate)：雖然應用於人體生理訊號的量測電極，其面積不會太大，但於人體任何一個部分量測時，任其面積再小，都不會近似一個完整的平面，於是一個可彎曲的基板，便可因應任何曲面，使微探針可以完整的刺穿皮膚組織，做全面的生醫訊號量測，如圖 2 所示。

B. 三維微電極陣列(3D needle electrode array)：人體皮膚組織由上而下可分為三層：表皮(epidermis)、真皮 (dermis)與皮下組織(subcutaneous layer)，其中表皮又可細分出角質層 (stratum corneum, SC)與下表皮層 (stratum germinativum, SG)。角質層經由下表皮在自我更新後淘汰死亡細胞所累積組成，故此層阻抗值最高且具有電性絕緣的特性，因此不利於訊號之傳遞。真皮層中則開始有血管與神經末稍分佈，也因此層有神經分佈，於是當神經細胞產生電訊號時，量測訊號之微探針，如果能到達此層而鄰近細胞時，此神經信號的變動情況便可在最少雜訊干擾的情況下被正確的記錄下來

。

故本研究設計之微探針高度約為 160 μm ± 10 μm，此高度足以刺穿皮膚組織，而接近待測之神經細胞，以對細胞的傷害相對較小的侵入式胞外量測方式，進行人體訊號之量測。研究中首先要克服的重點，

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即如何將 KOH 非等向性矽蝕刻後所形成的深洞，與後續之 KMPR 厚膜光阻微影和精密電鑄製程進行順利的銜接。以一體成形的方式製作出高深寬比，且具出平面特性之微探針陣列。圖 3 為本研究之實驗製作流程，總共包含三道光罩，每道光罩設計理念如下： 2.1. 第一道光罩設計理念製作微探針之尖點結構。以 KOH 鹼性蝕刻液於 (100)矽晶圓進行非等向性濕式蝕刻時，由於蝕刻液對 {111}矽晶格面蝕刻速率最慢，故 KOH 濕式蝕刻製程於任意方形之蝕刻視窗(etching window)進行體型微加工後，將形成一倒金字塔形狀之結構。組成此結構的斜面即是由{111}矽晶格面所構成，每個斜面與底平面的夾角約為 54.74° 。本設計便以此倒金字塔結構，作為微探針之尖點結構。以第一道光罩定義之圖形，而完成的實驗製作過程如下所示: 1. 本實驗為了進行 KOH 蝕刻製程，因此需採用外層厚度為 4000 Å 之氮化矽晶片。 2. 接著以薄型正光阻 S1813 塗佈於晶圓上，經曝光、顯影等製程後，將第一道光罩之圖案定義於晶圓上，此圖案即為設計於光罩之微探針陣列圖形。 3. 將塗佈光阻且已定義圖案之晶片，置於反應性離子蝕刻機台中，使用 CF4(10sccm) 氣體在 60 mTorr的環境下，對於未被光阻覆蓋的氮化矽進行蝕刻，蝕刻時間為 20 分鐘，蝕刻後裸露出的矽基材表面，即為KOH濕式蝕刻之蝕刻視窗 (etching window)。 4. 為了能製作出微探針之尖點結構，使用 30 wt% 的 KOH 蝕刻液，並添加陰離子界面活性劑 MA，以提高蝕刻之速率，製程中並利用精密之控溫裝置，以隔水加熱方式將蝕刻溫度控制在 90 °C，而達到最佳之蝕刻效果。 5. 將經過KOH蝕刻後之晶片，放置於真空度為 3.0x10-5 torr之真空腔體，以濺鍍(sputtering)方式，沉積金屬層鉻/銅(Cr/Cu: 200Å/2000Å)，做為為電鑄製程之電鑄起始層。 2.2. 第二道光罩設計理念 決定微探針之柱體高度。厚膜光阻適用於製作高深寬比結構，使得在低成本及結構不需次微米精度的情況下，可以替代 X-ray LIGA 於微機電系統中應用。厚膜光阻能以一次的光阻塗佈製程，做出厚度達 50 至 200 μm 的微結構深度，甚至在精密的控制轉速與時間條件下，尚可達成單次塗佈即可實現厚度 500 μm 以上的光阻厚度，故微探針主體的高度便於此製程中決定。以第二道光罩定義之圖形，而完成的實驗製作過程如下所示: 1. 以旋轉滴定的方式，將 KMPR 厚膜光阻塗佈於帶有倒金字塔結構之晶圓上，並使用旋轉塗佈機使光阻均勻地分佈於晶圓上。為了避免旋轉塗佈中瞬間的昇、降速，而成光阻內部出現內應力的現象，使旋塗後的厚膜光阻有嚴重的高度落差，本實驗中以三段轉速式的方式進行旋轉塗佈光阻，旋塗條件為: 第一階段:300→500 rpm，20 秒鐘；第二階段:700→1000 rpm，30 秒鐘；第三階段:500 rpm，5 秒鐘； 2. 軟烤過程中，若直接將完成塗佈的矽晶圓放罝於 95 °C 之熱墊板上，會因瞬間的升溫導致光阻出現熱應力的現象。因此，在此過程中必須用二段式升溫法，以避免瞬間的升降溫，造成光阻層產生應力過大現象，軟烤條件為: 第一階段: 65 °C，5 分鐘；第二階段: 95 °C，50 分鐘；第三階段: 65 °C，5 分鐘； 3. 在進行曝光的過程中，其曝光劑量依據廠商提供的實驗參數，再依據膜厚設定適當的曝光劑量，最後以曝光劑量約 1800mJ/cm2 ，完成曝光程序。 4. KMPR 厚膜光阻須於曝光後進行曝光後烘烤程序，目的不僅可以消除駐波效應 (standing wave)，亦可讓光阻內部的光酸產生化學連鎖反應，使其成為高度交聯的微結構，以抵抗顯影液的侵蝕，其流程如同軟烤程序，而不同之處僅為烘烤時間的設定不一樣，但此過程的烘烤時間長短將嚴重影響光阻結構的強度，曝後烤條件為: 第一階段: 65 °C，2 分鐘；

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第二階段: 95 °C，15 分鐘；第三階段: 65 °C，2 分鐘； 5. 將晶圓浸泡於 KMPR 專用顯影液 2.38 % TMAH 進行顯影程序，時間約為 17.5 分鐘。在過程中，必須使用超音震盪器輔助顯影，以 40W 的震盪功率加強顯影液對於高深寬比結構的質傳效果。 6. 顯影後之晶片，再浸泡於稀釋液 (SU-8 2000 thinner)中約 20 秒、異丙醇(IPA)中約 1 分鐘，避免光阻殘留。完成所有微影製程後，再以氧電漿 (O2 plasma)去除殘留的有機物，以避免在電鑄的過程中，因殘留有機物而造成局部的電鑄起始層無法電鑄成形，進而影響結構的完整性。 2.3. 第三道光罩設計理念 墊高微探針主體結構之高度。雖然於前兩道光罩製程中，便能製作微探針陣列，使得此道製程看似多餘，但其用意在於塗佈 PDMS 此類聚合物材料，以做為微探針陣列基板時，流體狀的 PDMS 藉由包覆所墊高之多餘微探針結構，與過電鑄時形成之特殊類磨菇頭微結構。利用類磨菇頭微結構與探針本體所形成的垂直夾角，使得 PDMS 進行加熱固化後，微探針因此垂直夾角能被 PDMS 緊貼地包覆著，並且直立於聚合物基板上。以第三道光罩定義之圖形，而完成的實驗製作過程如下所示: 1. 於已定義圖形之厚膜光阻上，再塗佈一層約 14-15 μm 的正型光阻 AZ 4620。 2. 最後使用精密電鑄技術將微探針成形。在電鑄過程中，務必嚴謹的計算電鑄面積並慎選電流密度與流量，以得到最佳的電鑄結構。經反覆測試後以 2 個電流密度(2 ASD)下，所得到之電鑄品質較佳。 3. 使用精密電鑄技術製作微探針陣列後，便以丙酮對於光阻 AZ 4620 進行清除，以達到裸露微探針部分結構之目的。 4. PDMS 為一種矽樹脂彈性體 (silicone elastomer)，其組成是由矽樹脂(silicone)與凝固劑(curing agent)以 10：1 之比例所調製，由於攪拌調製的過程中會有氣泡產生，須靜置適當的時間或以抽真空的方式將氣泡去除。最後以 95 °C 高溫加熱的方式將 PDMS 固化。 5. 因 PDMS 為矽膠彈性體，具有足夠的柔軟性與強度，一般均以手動掀離做為 PDMS 的脫膜方式。本研究因考慮黏貼於 PDMS 上之電鑄微結構，無法隨著 PDMS 掀離時而脫離厚膜光阻結構。因此先以 30 wt.%的 KOH 蝕刻液，以隔水加熱方式將蝕刻溫度控制於 90 °C，並以此製程條件對於矽晶圓做蝕刻的動作，直至矽晶圓被蝕刻完畢為止。為了解決厚膜光阻去除的問題，摒棄由 MicroChem 公司所生產的 MCC Remove PG 光阻去除液，另行採用 Gersteltec 公司所製造的 SRGM Striper 光阻去除液，並結合丙酮之使用，而形成二段式的去除厚膜光阻，表 1 為二段式的去除步驟。 3. 實驗結果 3.1. KMPR 厚膜光阻製程 本研究所選用的厚膜光阻為 KMPR 1000 系列，有別於學術界中廣為使用的厚膜光阻 SU-8，其原因在於不論是舊型的 SU-8 光阻，或是新型的 2000 系列 SU-8 光阻，都能因曝光後的交聯反應(crosslinking)，讓光阻形成強韌的結構，因此具有良好機械與物理特性的 SU-8，常被應用於微結構本體材料之使用。但如果將 SU-8 厚膜光阻做為電鑄模版(stencil)，應用於高深寬比的金屬微結構之製作(如本研究中微探針之製程)，卻因為交聯反應後的強韌結構，使得光阻本身變的難以去除，讓完成精密電鑄製程之試片，有著移除 SU-8 光阻模版之困難。若以不適當方法去除光阻，還會造成破壞金屬微結構之後遺症。有鑑於此，本實驗將選擇另一新型厚膜光阻 KMPR 1050 來進行本研究的實驗。本研究中設計之微探針高度約為 170 μm，扣除約 35 μm 之尖點結構，可得知光阻膜厚應達 130 μm，才具有足夠的厚度做為微探針之主體。本實驗中以上述實驗參數，製作出厚度達 130 μm ± 3 μm 的 KMPR 光阻膜。圖 4(a) 為矽晶圓各點上，經數位式千分錶所測得光阻膜厚，圖 4(b) 則是使用表面輪廓儀，對於光阻結構進行表面輪廓掃瞄。

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3.2. 微探針陣列製程 4. 結論首先，本實驗中以 KOH 對於矽蝕刻後之孔洞深度可先由下式計算得知， 1. 本研究建立新型厚膜光阻 KMPR 1000 系列之相關製程參數，並以單次旋轉塗佈製程，即可得到厚度約為 130 μm 之光阻膜。 tan 54.74 2 a b= ° (1) 2. 對於以 KMPR 厚膜光阻做為電鑄模版之製程，本實驗中所使用的二段式去除步驟，能於短時間內不因電鑄微結構之形狀，而有效地達到去除的效果。 (1)式中，a 為蝕刻視窗之寬度；b 則為四個{111}矽晶格面經蝕刻後交接至一點時，其蝕刻視窗至尖點之垂直深度。以本研究中所設計之微探針寬度為 50 μm，經(1)式計算後便可得知其孔洞深度約 35.4 μm。經蝕刻後之晶片，於沉積鉻/銅之電鑄起始層後，便進行膜厚為 130μm 之 KMPR 厚膜光阻製程。接著為了得到裸露微探針結構之目的，便將 AZ 4620 光阻堆疊於厚膜光阻之上。 3. 本研究中所提出新型微探針製程，可於 PDMS 膜上製作出高度約 170 μm、寬為 50 μm，深寬比達 3.4 且具出平面特性之微探針陣列。

5.

謝誌感謝國立台灣師範大學薄膜暨接合工程實驗室於掃描式電子顯微鏡之協助。由於 AZ 4620 與 KMPR 厚膜光阻，為兩種相異性質之光阻材料。使得進行 AZ 4620 堆疊於 KMPR 厚膜光阻之製程時，由於 AZ 4620 的 100 °C 軟烤高溫，使得兩光阻中的溶劑產生化學反應。由於反應後產生的氣體無法揮發於空氣中，導致停留於 AZ 4620 中的氣體，形成隨機分佈之氣泡，而破壞 AZ 4620 光阻結構，其結果如圖 5(a)所示。為解決此問題，於是提出以 60 °C 低溫烘烤的方式，做為 AZ 4620 之軟烤參數。由圖 5(b)可看出，此方式確實能解決此製程問題。 參考文獻

1. K. D. Jandt, “Atomic force microscopy of biomaterials surfaces and interface”, Surface Science, vol. 491, pp. 303-332, 2000

2. G. C. P. Vettiger, M. Despont, U. Drechsler, U. Dig, B. Gotsmann, M. A. W. Herle, H.E. Rothuizen, R. Stutz and G. Binnig, ”The millipede-nanotechology entering data storage”, IEEE Transactions on Nanotechology, Vol. 1-1, pp. 39-55, 2002

3. P. Griss, P. Enoksson, T. L. Heli, P. Merilainen and S. Ollmar, “Spiked biopotential electrodes”, IEEE

Journal of Microelectromechanical Systems, pp.

323-328, (2001). 完成三道黃光微影後，於並以精密電鑄製程完成微探針之製作，圖 6 所示為精密電鑄製程後，尚未去除 AZ 4620 之微探針結構。為了製作厚度均勻的聚合物基板，本研究中仍是以旋轉滴定的方式將 PDMS 塗佈於晶圓上，並利用旋轉塗佈機以 700 rpm 之固定轉速下，將 PDMS 均勻地分佈。最後利用本研究中選用的 SRGM Striper 光阻去除液，搭配二段式去除步驟，對於 KMPR 執行去除的動作。實驗結果如圖 7 所示，本研究設計之製程，確實能製作出直立於聚合物基板之微探針陣列；而於圖 8 中，則可看出微探針陣列因垂直夾角的設計，使得微探針能被 PDMS 緊貼地包覆住，且微探針受基板彎曲之影響，使得微探針可以指向不同方向。因此由以上實驗結果證明此設計構想與製程之可行性。

4. P. Griss, P. Enoksson and G. Stemme, “Barbed spike arrays for mechanical chip attachment”, The 14th IEEE international conference on micro electro mechanical systems, pp. 46-49. (2001)

5.N. Akamatsu, T. Suzuki, K. Mabuchi, H. Fujita, B. J. Kim and S. Takeuchi, “Fabrication and evaluation of a silicon probe array on a flexible substrate for neural recording”, IEEE EMBS The 25th Annual

International Conference, pp. 3802-3805, (2003).

6. A. Hung, D. Zhou, R. Greenberg, and J. W. Judy, “Micromachined electrodes for retinal prostheses,”

IEEE-EMB Special Topic Conference On

Microtechnologies In The Medicine & Biology, pp.

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圖 1. 微探針陣列於彎曲基板之示意圖圖 2. 彎曲基板可適應於任何曲面之示意圖圖 3. 新型微探針陣列之製程圖 (a) (b) 圖 4. 單次塗佈所製作出 130 μm KMPR 光阻膜之量測：(a) 使用數位式千分錶；(b) 使用表面輪廓儀 (a) (b) 圖 5. AZ 4620 在不同軟烤溫度下與 KMPR 厚膜光阻之反應：(a) 100 °C 高溫軟烤；(b) 60 °C 低溫烘烤

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圖 6. 類磨菇頭微結構與墊高探針之光阻 AZ 4620 (a) (b) 圖 7. 微探針陣列之電子顯微鏡圖圖 8. 微探針陣列製作於彎曲基板表 1. 二段式之厚膜光阻去除步驟

A novel manufacturing technique

of 3D microneedle array

Chii-Rong Yang, Bo-Hsiang Tseng,

Chang-Chun Lai, Jia-You Lo,

Department of Mechatronic Technology,

National Taiwan Normal University

Abstract

The research has developed a novel method of microneedle array through the combination of integrating silicon bulk micromachining, thick photoresist KMPR1050, electroforming and polymer material PDMS.The microneedle array was successful fabricated on a flexible PDMS substrate. This study complete establish experimental parameters of KMPR, and can produce thickness of 130 μm KMPR by single spin. Combination of 130 μm KMPR, KOH etching, electroforming, two-step removing KMPR, the length of the microneedle array is 170 μm and width is 50 μm (aspect ratio, 3.5) which is out of plane was successful fabricated on a flexible PDMS substrate.

Keywords：3D microneedle array; KMPR 1050; electroforming. 程序操作說明 1 浸入丙酮溶液，使具有小分子團特性之丙酮，對於光阻此類有機物攻擊，讓厚膜光阻形成一鬆散結構。 2 1. 浸入 SRGM stripper 溶液，與 KMPR 光阻反應，形成膠狀物質。 2. 浸入環戊酮溶液潤洗(rise)，清潔殘留的 SRGM stripper。