第二章 文獻回顧
本章首先說明何謂微機電LIGA 製程與精密電鑄技術，其次是 SU-8 厚 膜光阻的製程特性與應用性之探討，最後則是微夾持器發展與近況，並討論 各種驅動方式在微夾持器的夾持力大小、適用的夾持範圍及其應用的場合。
此外，也說明各微夾持器的使用限制及可能會碰到的製程問題。研究動機則 是說明新式微夾持器的設計概念與構想，及可能應用到的相關製程技術，並 說明與其他微夾持器的差別。
2.1 微機電 LIGA 製程
深光刻電鑄模造(LIGA)製程，結合了光刻術、電鑄技術與模造量產技 術，如圖2-1 所示【9】，可應用於微致動器、微熱交換器、微幫浦、微感測 器及微光學系統等元件開發。因使用光刻技術，故產品易與 IC 電路結合，
機電整合效果佳；利用電鑄與模造成形技術，易應用於工業批量生產。
標準的LIGA 製程使用波長 0.2-0.6 nm 的同步輻射 X 光進行深光刻術，
由於同步輻射 X 光具有波長短、繞射現象小、功率大及穿透力強等優點，
使得X-ray LIGA 製程所製作的結構深度、精度、表面粗糙度及深寬比，皆 可達到過去微機械加工所無法達到的境界。然而，同步輻射光源為一龐大且 昂貴的設備，世界上適合用來進行 X-ray LIGA 製程的同步輻射環僅約 30 座，且X-ray 光罩的製作成本與時間的耗費過高。因此以替代性光源發展類 LIGA(LIGA-like)製程已經成為目前研究發展的趨勢。
在 類 LIGA 製 程 中 主 要 的 替 代 性 光 深 刻 術 有 超 導 小 型 同 步 輻 射 (superconducting compact synchrotron radiation)、準分子雷射加工術(excimer laser micromachining) 、 感 應 耦 合 電 漿 反 應 離 子 蝕 刻 (inductively coupled
plasma reactive ion etching, ICP-RIE)及紫外光光刻術(UV lithography)。在這 些替代性光深刻術中，超導小型同步輻射仍屬研發中且罕見的設備；感應耦 合電漿反應離子蝕刻主要以矽晶圓為加工材料之製程技術，其製程設備採用 高電漿密度低氣體壓力(HDLP, high density low pressure)蝕刻系統，不僅可提 升蝕刻速率及改善傳統 RIE 有側向蝕刻的缺點，同時亦能獲得高深寬比(>
40:1)結構【10】；以準分子雷射作為替代性光源的類 LIGA 技術稱之為 Laser-LIGA，準分子雷射是由惰性氣體與化學性質較活潑的鹵素相混合後，
再 經 放 電 所 激 發 之 高 功 率 深 紫 外 光 ， 其 加 工 機 制 為 光 分 解 挖 除 (photoablation)，即工件材料吸收短波長的準分子雷射後，將材料內的鍵結直 接打斷而破壞，雷射照射區域的材料經斷鍵後會產生壓力急速上升，並強迫 材料以微小爆炸(mini-explosion)的方式排出，而達到加工目的【11】；以紫外 光作為替代性光源的類 LIGA 技術稱之為 UV-LIGA，標準微影製程配合厚 膜光阻技術(如 SU-8、JSR430N、JSR611P、AZ P4620)，可實現低成本的 LIGA 製程。它與積體電路製程相容的特性，使其在封裝、微電子、微機電等應用 領域備受重視。
圖2-1. LIGA 製程流程圖【9】
2.2 精密電鑄技術
電 鑄(electroforming) 製 程 係 把 原 型 母 模 放 在 陰 極 上 ， 利 用 電 鍍 (electroplating)原理沉積至適當的厚度，再使其與母模分離，此製程可用以生 產各種金屬模具和精密零組件，其為高效率且精密的模具成形技術。早期主 要應用於票卷印製、低價模具複製，今日則廣泛應用於精密模具、光碟衝模 (CD stamper)及光學模仁製作。在光電、電子及微機電產業蓬勃發展帶動下，
電鑄的應用領域更形擴大，如光學可拋棄式模仁、導波管、光學全像片及航 空零件等，圖2-2 即為電鑄技術應用產業及產品相關圖【1】。
電鑄技術乃利用電鍍原理，將各類金屬(合金)沉積於特殊設計之母模 上，待累積到相當厚度後再與母模脫離，即可產生電鑄工件，圖2-3 即為電 鑄系統架構與陰、陽極反應示意圖【1】，其中光阻模版在電鑄槽中作為陰極，
而欲電鑄的純金屬(99.9%)材料盛於鈦籃(titanium basket)中作為陽極。在電鑄 過程中，接上外部直流電源使兩極間產生電壓，此時陽極金屬會溶解於鑄液 中，形成金屬離子並放出電子，陰極則獲得電子使金屬離子還原並沉積於模 板中，其陰陽極的反應式如下：
Ni → Ni2+ + 2e- ... 陽極反應 Ni2+ + 2e- → Ni ... 陰極反應
此外，陰極上還會發生一副反應，為氫氣的產生。若氫氣泡附著在模版表面 則會形成大量的氣孔(細孔)或阻礙電鑄的形成，其反應式如下：
H+ + e- → 1/2 H2 ... 陰極副反應
導線架 微過濾器
微感測器 微致動器 微閥
微機械零件 精密模具
耐磨零件 伸縮囊管 精密儀器
導波管
光纖耦合器
特殊網罩
珠寶飾品
識別證
票卷印製
光學鏡片
抬頭顯示器 全像片
非球面反射鏡
CD DVD 信用卡
精密電鑄技術
半導體工業 通訊工業 機械工業
光電業 民生工業
圖2-2. 電鑄技術應用產業及產品圖【1】
圖2-3. 鎳電鑄系統架構與陰陽極反應示意圖【1】
2.3 SU-8 厚膜光阻於微機電領域之應用
由於SU-8 光阻適用於高深寬比製程，使得在低成本及結構不需次微米 精度的情況下，可替代X-ray LIGA 於微機電系統之應用。此外，SU-8 光阻 製程與 IC 製程完全相容，並不需要另外增加製程設備，且其元件易與積體 電路相結合，可使產品更具多功能化。表 2-1 即為 SU-8 光阻應用於微機電 領域之範圍【5】。
2.3.1 製程特性之研究
1997 年，Despont 等人【12】提出 SU-8 光阻在單次旋轉塗佈的情況下，
即可達到500 μm 以上的膜厚，而在二次旋轉塗佈後，膜厚則高達 1200 μm，
且光阻微結構的深寬比為18，如圖 2-4 所示。圖 2-5 則是針對光阻黏度探討 在不同溶劑含量之 SU-8 光阻與旋塗膜厚的關係。在製作厚膜光阻的過程 中，由於光阻會產生內應力，導致矽晶圓會出現變形的現象，表2-2 則是比 較在軟烤、曝後烤及硬烤的步驟中，對不同膜厚的光阻造成矽晶圓變形之影 響，而出現此現象的原因，主要是由於光阻層與矽晶圓因不同的熱膨脹係數 所產生應力，導致矽晶圓變形。1998 年，Lorenz 等人【13】更進一步研究 導致矽晶圓產生變形的問題，由前一篇論文可知軟烤步驟影響矽晶圓變形的 程度較小，並不會發生光罩與光阻層接觸不良的問題，而影響到曝光的解析 度。因此造成矽晶圓變形的主要因素是在於曝後烤及硬烤的步驟，此研究針 對曝後烤的溫度及時間所造成的影響進行更深入的探討，圖2-6 為其影響矽 晶圓的變形，在曝後烤過程中，若試片由溫度95 °C 降至室溫的時間越長，
則會使矽晶圓出現越嚴重的變形現象。這是因為在曝後烤期間曝光區域產生 大量的交聯反應，光阻部份區域出現聚合作用，使得在試片冷卻階段時，光
少應力的產生。
由前述可知，烘烤的製程條件嚴重影響光阻圖案定義成功與否。1998 年，Bleidiessel 等人【14】探討烘烤方式對厚膜光阻(ma-P 100)的品質有何影 響，研究中使用三種烘烤方式，分別為烤箱、熱墊板及紅外線加熱器。圖 2-7 即為不同的光阻厚度分別使用三種烘烤方法所需的烘烤時間，結果顯示 紅外線加熱器可縮短光阻的烘烤時間及具有良好的光阻圖案尺寸控制能 力。2000 年，Loechel【15】亦研究厚膜光阻(AZ 4562, ma-P 100)在不同的烘 烤方式所產生的影響，三種烘烤方式亦是烤箱、熱墊板及紅外線加熱器。結 果亦證實紅外線加熱器有利於製程上的應用。2003 年，Kubenz【16】等人 探討紅外線加熱法對SU-8 厚膜光阻的影響。在此研究中其軟烤溫度設定為 75-80 °C，曝後烤溫度為 60 °C，但在製程上所需的時間相較於熱墊板卻可 縮短約 30 %，且由於烘烤溫度低可使光阻內應力大為下降。另外，在結合 性方面亦可改善金與銅基材附著性的問題。圖 2-8 即為 SU-8 光阻定義於銅 基材上，且沒有出現應力及附著性的問題。
在製造高深寬比的金屬微結構方面，SU-8 光阻是非常適合作為電鑄模 版(stencil)，但 SU-8 光阻在完成交聯反應後，光阻本身變成非常難以去除，
而若使用不當的去除方法可能會破壞金屬微結構。針對此問題，Dentinger 等人【17】在 2002 年提出下列四種方法：(1)溶液去除法：利用 MicroChem 公司提供的NANOTM SU-8 Remover PG 光阻去除液，將試片放入 80 °C 的 Remover 溶液中 6 - 8 小時；(2)離子反應蝕刻法：離子反應蝕刻法是破壞 SU-8 光阻內聚合後的環氧基鍵結，以達到去除效果，但所需的去除時間過長；此 外，有金屬結構與無金屬結構的蝕刻速率也不盡相同，造成去除上難以控制 等缺點，因此在厚膜微結構中不適用，而僅適用於去除薄膜微結構之光阻模 版；(3) DCE(downstream chemical etching)法：DCE 是常見用於去除有機物
質的方法，去除速率每分鐘可達數微米，同時也高度相容於半導體製程；(4) 高溫燃燒法：高溫燒結是最簡單便宜的去除方法，在溫度高於 600 °C 的高 溫爐內，聚合後的環氧基會被燒掉，使光阻能完全去除，但衍生的問題是在 高溫的環境中，金屬微結構也容易造成嚴重的破壞，或因熱膨脹係數與基材 的差異而造成結構脫落，而且為避免金屬微結構的氧化，爐內必需是充滿鈍 氣的環境。
雖然有上述的四種去除方法，但是仍然無法有效地完全去除光阻，且不 損壞金屬微結構。對於金屬微結構強鍵性的問題，Ho 等人【18】在 2004 年 提出金屬微結構之嵌根(embedded root)設計法，不但可以加強金屬微結構與 基材的附著性，且亦能抵抗因浸泡Remover PG 所產生的光阻膨脹及變形，
造成對金屬微結構產生推力及剪力的影響。
2.3.2 SU-8 厚膜光阻之應用研究
SU-8 光阻在完成交聯反應後有去除困難的問題，不利於作為金屬微結 構的複製模版，但其完成交聯反應後的光阻微結構卻具有良好的機械與物理 特性，如表2-4 及表 2-5 所示【19】，因此大部份的應用研究皆以 SU-8 光阻 作為結構本體材料。在本小節將針對其應用研究進行文獻探討。在蝕刻技術 應用方面，Lee 等人【20】在 1995 年以 SU-8 光阻作為矽晶圓乾式蝕刻製程 的蝕刻遮罩。其中所使用的製程設備僅為一般的反應離子蝕刻機，但其蝕刻 深度卻可超過100 μm。在蝕刻氣體方面則探討 SF6/CBrF3及SF6/CHF3/O2兩 種不同混合成份的蝕刻氣體，對矽晶圓蝕刻特性的影響，其中若採用 SF6/CBrF3的混合蝕刻氣體，矽晶圓與 SU-8 光阻的蝕刻選擇比可大於 3:1，
且能得到平滑及近垂直度的側壁結構，如圖 2-9 所示。另外，若採用 SF6/CHF3/O2 的混合蝕刻氣體，則因為有氧氣的成份存在，導致選擇比小於
等人【21】應用 SU-8 光阻作為玻璃基材溼式蝕刻的遮罩材料，一般在蝕刻 玻璃的遮罩材料是使用 Cr/Au/PR 的複合遮罩層，但此種複合層材料若長間 浸泡在氫氟酸蝕刻溶液中會產生針孔及附著性不佳的現象，不利於蝕刻高深 度的結構。但應用SU-8 光阻作為蝕刻遮罩材料，蝕刻深度即可輕易超過 100 μm。
在接合技術應用方面，Jackman 等人【22】在 2001 年提出以 SU-8 光阻 作為微混合器元件之封裝接合材料，利用其負型光阻的特性，先在矽晶圓上 定義 SU-8 光阻的圖案，再將 SU-8 光阻旋塗於另一透明的基材上(如 Pyrex 或石英基板)，並進行軟烤步驟，完成去除溶劑的步驟，將溫度降至 75 °C 後，
把先前完成圖案定義的矽晶圓置於其上，並且施加壓力於矽晶圓上，然後使 其溫度漸漸降至室溫後，即可完成接合步驟。此方法是利用 SU-8 光阻的玻 態轉換溫度約為55 °C，在此溫度以上能使其光阻變為液狀，而能黏附於另 一基材上。在完成接合步驟後，再進行曝光、曝後烤之步驟，可使SU-8 光 阻完成交聯反應，而形成一密封的微流道結構，如圖2-11 所示。2003 年，
Li 等人【23】提出微噴孔元件之低溫接合製作技術，首先利用 Deep RIE 在 矽晶圓上蝕刻貫穿孔，而在封裝上則應用 SU-8 光阻作為黏著接合層的材 料，並探討在不同溫度下對接合特性的影響。圖 2-12 顯示其實驗結果，若 接合溫度超過 SU-8 光阻的玻態轉換溫度時，將會造成具有極佳流動性的 SU-8 光阻流到微流道中。因此若使接合溫度低於玻態轉換溫度時，則會有 較佳的接合效果。
在感測元件之應用方面，Tseng 等人【24】在 2002 年提出如圖 2-13 所 示之高靈敏度 Fabry-Perot 剪應力感測器，其中 SU-8 光阻結構是製作於 PDMS (Polydimethysiloxane)薄膜上，並且濺鍍一層金，使側壁成為一反射鏡 面。在感測方面是利用 PDMS 薄膜具有高撓度的特性，當流體流過薄膜表 SU-8 柱狀結構與光纖之間的間距，
再應用Fabry-Perot 的原理，即可量測間距的變化相對於剪應力之間的關係。
同年，Thaysen 等人【25】提出整合應變感測元件之高分子結構感測器，如 圖2-14 所示。一般而言，由於矽晶圓材料對應變的改變具有高靈敏係數(KSi
= 140)的特性，因此適用於作為壓阻材料，但缺點為製程過於複雜。因此在 此研究中，利用SU-8 光阻作為懸臂樑的結構材料，且以金作為壓阻材料，
雖然其靈敏係數(KAu = 2)遠低於矽晶圓，但 SU-8 光阻的彈性係數(5 GPa)卻 遠低於矽晶圓的彈性係數(180 GPa)，可彌補靈敏係數低的缺陷。因此其元件 的感測靈敏度可接近於以矽晶圓材料製作之感測元件。另外，此元件最小可 檢測之表面應力相較於矽晶圓結構之應變感測元件則有較佳的靈敏度。
在微致動器之應用方面，2003 年，Roch 等人【26】提出如圖 2-15 所示 以形狀記憶合金薄膜為致動源之微夾子，其中微夾子結構是以SU-8 光阻製 作而成。在此研究證實 SU-8 光阻是非常適合於微機電應用領域之結構材 料，且實驗亦證實SU-8 光阻的塑性特徵與形狀記憶合金薄膜的致動行為具 有高度的相容性，而且在位移方面也是有相當大的位移行程，如圖 2-16(a) 所示。另外，利用其優異的夾持力及高分子結構與生物的高相容性之特點，
可適合應用於微生物的夾取，但此元件的缺點則是致動頻率太低，如圖 2-16(b)所示。
在其他應用方面，Genolet 等人【27】在 2000 年提出以 SU-8 光阻製作 掃描式探針顯微鏡中的微探針結構，如圖 2-17 所示。一般皆以矽晶圓材料 製作微探針結構，但有製程過於複雜的缺點。但此研究先以溼式蝕刻技術將 矽晶圓蝕刻出一微小的四角錐形凹洞，再以SU-8 光阻製作於上方，最後將 SU-8 光阻與矽基材分離，即可得到微探針結構。以此製程技術所製作的微 探針具有尖點尺寸一致的優點。此外，由於微探針結構為高分子材料，具有 DNA 分子之檢測。2003 年，
過濾器的製作方式是微流道與微過濾結構分別製作於不同矽晶圓或玻璃基 板上，所以必需應用多層的接合技術組裝，但卻會出現對準上的問題及元件 的密合性問題。但垂直型微過濾結構的設計則能簡化製程的複雜性，在製作 過程中微過濾結構與微流道是同時製作於基材上，因此在製程上能夠有效地 提昇良率。
表2-1. SU-8 光阻應用於微機電領域【5】
MICROELECTRONICS Bonding Pads Dielectric Coatings Sub-micron Devices
STORAGE DEVICES Dielectric Layer Coil Manufacturing Head Manufacturing Slider Manufacturing
MICROFLUIDICS Ink Jets Membranes Valves, Pumps Polymeric Channels Storage/Mixing Cells PACKAGING
Packaging Resist MCM Fabrication
RAPID PROTOTYPING Photo Plastic Parts
Plated Metal Parts
MICRO-OPTICS Connectors Grid Arrays Polymer Waveguides ETCH MASK
Silicon Micromachining
PRINTED CIRCUIT BOARDS Additive Multilayer
BIO-MEDICAL Stents
Cell Growth Platform Cell Growth Chambers
SENSORS ACTUATORS
PDP Spacers Barrier Ribs
MICRO (NANO) STAMPING
表2-2. 比較軟烤、曝後烤及硬烤步驟中，對不同膜厚的光阻造成 矽晶圓變形之影響【12】
SU-8 thickness Bowing over 40 mm, b (μm)
t (μm) after prebake after postbake after hardbake
6.75 0 2 6 19 2 18 33 200 11 150 out of range
表2-3. 曝光區域的多寡影響矽晶圓的變形程度【13】
Additional bowing over 40mm, b (μm)
% of illuminated area
after prebake after postbake
30 4.45 82.1 60 5.2 115.5 100 12 142
表2-4. SU-8 光阻的機械特性【19】
Characteristics Value Conditions 4.02 GPa in tension, postbaked at 95 °C,
screw tensile testing machine 4.95 +/- 0.42 GPa hardbaked at 200 °C, beam
deflection test Modulus of elasticity: E
4.4 GPa postbake at 95 °C, SM blend Bi-axial modulus of
elasticity: E/(1-ν) 5.18 +/- 0.89 GPa postbaked at 95 °C, thermal cycling test on silicon wafer Poisson ratio 0.22 postbaked at 95 °C, SM blend
Film stress 16-19 MPa
for 0 – 400 mic. thick SU-8 film coated on a 3 inch 375 mic. thick silicon wafer, probaked,
illuminated, postbaked at 95 °C and brought back to room temperature (20 °C)
Max stress 34 MPa hardbaked at 200 °C, lateral deflection FEM analysis Max sheer 0.009 hardbaked at 200 °C, lateral
deflection FEM analysis Plastic domain limit No plastic domain
observed
hardbaked at 200 °C, sample pulled until fracture
Friction coefficient: μ 0.19 postbaked at 95 °C, pin-on-disc installation (10 g load)
表2-5. SU-8 光阻的物理特性【19】
Characteristics Value Conditions
~ 50 °C unexposed film(not polymerized)
>200 °C Fully crosslinked (exposured and post(hard)baked)
Glass temperature: Tg
~ 55 °C MCC blend before PEB Degradation temperature:
Td ~ 380 °C fully crosslinked (exposured and post(hard)baked)
52 +/- 5.1 ppm/K
SM10#0 postbaked at 95 °C, thermal cycling test on silicon wafer
30 ppm/K SM2050 with 50 % filler in the blend
Coefficient of thermal expansion: CTE
21 ppm/K SM2070 with 50 % filler in the blend
Thermal conductivity 0.2 W/mk General value for thermoplastic not for SU-8
Polymer shrinkage 7.5 % Postbaked at 95 °C
265 cSt SU-8 5 (52 % solid), density 1.1641, 20 °C
989 cSt SU-8 10 (59 % solid) 2646 cSt SU-8 25 (63 % solid) 14953 cSt SU-8 50 (69 % solid) Kinematic viscosity
52407 cSt SU-8 100 (73 % solid)
15 Pa.s SM 1070 (70 % solid + GBL)
1.5 Pa.s SM 1060 (60 % solid + GBL) DIN 53019
Viscosity
01059 Pa.s SM 1040 (40 % solid + GBL)
圖2-4. 膜厚為 1200 μm 的 SU-8 光阻，深寬比為 18【12】
圖2-5. 不同溶清含量之 SU-8 光阻與旋塗膜厚的關係【12】
圖2-6. 曝後烤溫度與時間所造成的影響，晶圓厚度 300 μm 與 SU-8 膜厚 80 μm【13】
圖2-7. 不同光阻厚度與烘烤方式的影響【14】
圖2-8. 在銅基材上 SU-8 光阻沒有出現應力及附著性的問題【16】
圖2-9. 採用 SF6/CBrF3的混合蝕刻氣體，能夠得到平滑且近垂直度的側壁結 構【20】
圖 2-10. 採用 SF6/CHF3/O2混合蝕刻氣體，因含有氧氣成分而得到切底 (undercut)與結構垂直度不佳的現象，(a)切底現象；(b)去除光阻【20】
圖 2-11. (a) 利用 SU-8 接合(bond)技術製作微混合器(micromixer)；(b) SU-8 微混合器的剖面圖【22】
圖2-12. 不同接合溫度對於接合特性的影響，(a) 48 ℃；(b) 75 ℃【23】
圖2-13. 高靈敏度的剪應力感測器【24】
圖2-14. 高分子結構感測器，(a) 元件設計的示意圖；(b) 微懸臂樑元件【25】
圖2-15. 以 SU-8 為機械結構並用形狀記憶合金驅動之微夾持器【26】
(a)
(b)
圖2-16. (a) 夾爪位移量與驅動電流的關係；(b) 夾爪位移量與操作頻率的關 係【26】
圖2-17. 以SU-8光阻製作掃描式探顯微鏡之微探針結構，(a) 微探針結構；(b) 微探針結構放大【27】
圖 2-18. 整合三個濾器與通道應用於多直徑微粒的分離【28】
2.4 微夾持器驅動方式
1990年後，微機電系統技術蓬勃發展，微致動器元件也相形增加，而驅 動動力也逐漸由單一的靜電演變成電磁、電熱、壓電、形狀記憶合金(SMA) 及氣動等方式。以下將分別簡述各類驅動方式的微夾持器與其相關製程技 術、夾持力大小、夾持範圍與應用場合等。
2.4.1 靜電式驅動
1990年，Kim等人【29】利用面型微加工製程，製作出以多晶矽為驅動 結構的微夾持器。圖2-19為微夾持器的示意圖，結構由兩個可動電極與三個 固定電極所構成；利用靜電吸附方式，驅動交叉的梳狀電極作動，故三個固 定電極分別驅使可動電極彎曲吸附，以進行閉合與張開的動作，亦即雙向的 作動。製程使用磷矽玻璃(PSG)為犧牲層再沉積多晶矽為結構主體，最後將 犧牲層去除，完成結構的釋放；其結構結構總長度為500μm，厚度為2.2μ m的多晶矽。驅動方面，成功地以20V電壓得到10μm的夾持範圍且其致動 順暢、穩定與可控性佳。1992年，Kim等人【30】結合面型微加工與體型微 加工製程，以改良在1990年發表之微夾持器的缺點，其利用面型微加工製 程，致使微夾持器前端的微夾爪與晶圓表面距離只有數微米，因而限制了微 夾持器整體使用的空間與應用的場合。圖2-20為結合面型微加工與體型微加 工製程之微夾持器的示意圖，由圖中明顯看出微夾持器只佔整個晶粒(die) 的一小部份，其將可動電極與固定電極的引線墊(pad)延伸至數厘米處，以製 作出修長形狀的微夾持器，增加其整體使用的空間性。此外，由圖2-21中可 知結合面型與體型兩大製程，其需要克服一些問題。(1)在進行晶圓背面蝕刻 (back-side etching)時，其雙面對準(double-side alignment)是否能精確對準，
以免影響後續蝕刻的偏差；(2)在蝕刻程序時，如何能完善的保護已製作完成
出懸臂樑之形狀，再上下各塗佈一層磷矽玻璃，以保護多晶矽結構在蝕刻過 程中的完整性。當蝕刻完成後，進行切割、封裝的程序，即進行一些微小物 體的夾持，如圖2-22所示，其已成功的夾持一個綠蟲藻科的單細胞生物。
2003年，Mita等人【31】利用絕緣層上覆矽晶片(SOI)，結合感應耦合電 漿離子蝕刻技術(ICP RIE)與區域性矽氧化技術(LOCOS)，製作出具高深寬比 結構與可在二維平面內任意作奈米移動量之微夾持器，如圖2-23所示。整體 元件結構是由兩組二維靜電式微致動器與一對奈米間隙之探針所組成。利用 平行板靜電驅動方式，在X與Y方向作動；且相較於具相同間隙與結構尺寸 的梳狀式結構，更能產生較大的夾持力。圖2-24為靜電驅動微夾持器之情 形，其利用不同方向的平行板電極以控制微夾爪作直線或斜線的位移；若同 時驅動兩微夾爪，除了做線性的移動之外，更能將夾持物做一旋轉之動作，
如圖2-25所示。圖2-26中成功的利用微夾爪的尖端，夾持一奈米金粒。
2.4.2 電磁式驅動
1996年，Suzuki【32】利用微加工技術製作出彎曲式微夾持器(FMG)，
應用於其新式的微量測系統中，如圖2-27所示。使用金與氮化矽雙層材料製 作出薄膜結構並進行晶片接合(bonding)而完成此夾持器，其中尖端上具有許 多微小的尖點及金屬薄膜，以幫助夾持效果與增加微夾爪前端的影像清晰 度。輸入1V電壓能使指狀長度為1000 μm之結構，分別在空氣與水中具有210 μm與80 μm的位移量，且成功的夾持聚苯乙稀顆粒與海膽蛋，如圖2-28所 示。此外，更利用勞倫茲力(Lorentz force)與熱偶(thermocouple)原理，在微 量測系統中進行夾持力與溫度的量測。
2000年，Yi等人【33】提出相較於傳統LIGA製程更簡單的光罩對準與 更容易去除犧性層之新製程，製作出鎳金屬結構之微夾持器。圖2-29中，元
件共分為五個部份組成：固定端(fixing part)、鉗口端(clip part)、可動樑 (movable beam)、磁性體(magnetic body)及端效器(end-effector)，其藉由外加 電場產生磁性致磁性體相互的吸附，使端效器產生夾持的動作，其位移量為 20.8μm，如圖2-30所示。
2.4.3 電熱式驅動
1997年，Pan等人【34】提出一新型電熱式橫向致動的多晶矽微致動器。
而操作原理是在結構設計時，讓其擁有不同長度的支臂，而非一般的不同截 面面積的設計，在受熱時因不同長度而會造成不均勻的熱膨脹情形，造成冷 熱臂的彎曲，達到夾持行為，如圖2-31所示。此外，更結合有限元素模擬分 析軟體，進行電性、熱特性及機械性質之模擬，並與實際的結果進行比較分 析。圖2-32中發現其模擬與實際情況具有平均8 %誤差存在；隨著輸入電壓 越高，誤差量逐漸增大，其歸究原因在於高溫時，多晶矽的性質與常溫是不 相同的，且無法得知與修正，故誤差增大；而電壓為15V以上時，微結構溫 度將達至多晶矽的熔點，使其致動支臂無法作動的情形發生。利用面型微加 工製作結構時，總是會伴隨結構會基材表面吸附的現象發生，而為解決此一 問題，結合了非等向性濕式蝕刻，進行矽基材的淘空，以增加結構與基材的 間隙，克服吸附現象的問題。
2004年，Nguyen等人【35】將SU-8厚膜光阻為機能材料並結合鈦/鉑雙 層金屬製一電熱式的微夾持器，如圖2-33所示。SU-8光阻具有低楊氏係數 (4.02GPa)(為矽的1/40倍)、高熱膨脹係數(52±5×10-6 K-1)(矽為2.4×10-6K-1)、生 物相容性高等優點，故將其使用為機能材料，而非一般被動的作為結構材 料。結構形狀與電性串並聯原理相互結合之下，提出三種電性配置情形，並
並成功使用10V電壓致動出100 μm的夾持範圍，但電壓在13V以上時，整個 微夾爪功能散失，因SU-8材料特性，使其無法處在高溫的工作環境。
2.4.4 形狀記憶合金驅動
形狀記憶效應(shape memory effect)【36】是由於一些鎳-鈦(Ni-Ti)、鎳- 鈦-銅(Ni-Ti-Cu)等合金材料，藉由熱源誘使材料晶格在延性相(ductile phase) 與高強度相(high strength phase)之間作轉換的現象；即形狀記憶合金(SMA) 在低溫時為麻田散鐵相，當加熱至高溫時，其晶相轉換為沃斯田鐵相，利用 溫度的差異造成合金變形，以達到致動的目的。
1995年，Lee等人【37-38】使用沉積的鎳-鈦-銅合金薄膜並應用體型微 加工製程、雙面對準(double-side alignment)技術及共熔接合(eutectic bonding) 技術等，製作出具有大夾持力(13 mN)、大夾持範圍(110 μm)及低溫驅動(70
℃)的微夾持器，如圖2-35所示。在2001年，Bütefisch等人【39】利用組裝接 合之方式，將矽基致動微夾爪結構與鎳-鈦合金薄片進行組合，並藉由鎳-鈦 合金的變形推動整個微夾爪結構，達到夾持的目的，但其間接的傳動存有著 不精確的疑慮，如圖2-36所示。Kohl等人【40】則強調一體成型所製作出的 形狀記憶合金結構，其即為結構亦為驅動源，故能確實的傳動所需，而其製 程也相當的簡單，使用230 μm厚之鎳-鈦合金冷輥軋板，經由雷射切割出所 需的結構形狀，即完成微夾持器結構；該元件使用齒輪致動器(gear actuator) 與線性致動器(linear actuator)，二階段控制夾爪開張與閉合的方式，以解決 形狀記憶合金反應緩慢的缺點，更結合光感測器，以探討二階段控制之成 效，圖2-37與圖2-38所示。
2.4.5 壓電式驅動
使用壓電驅動的原因，多數是因其精確可靠且能產生極高的夾持力，但 僅能產生數微米的位移，若藉由一放大機械裝置，可將其位移量放大數十 倍，甚至於百倍等。Carrozza等人【41-42】首先利用精密機械加工方式製作 出 以 黃 銅 為 微 夾 持 器 結 構 ， 其 結 構 致 動 分 為 彎 曲 式(flexible)與 槓 桿 式 (lever)，以探討壓電致動器經結構放大後，何者產生的位移效果最佳，如圖 2-39所示。隨後更以彎曲式結構為深入探討之對象，並採用四種不同加工方 式(精密機械、雷射切割、光化學蝕刻及LIGA)製作，探討不同加工方式，其 結構的剛性及表面特性是否對於致動有所影響，最後LIGA製程以優越的高 深寬比及平整的表面之加工特性勝出，如圖2-40所示。此外，該元件更結合 應變規感測器，建立一套夾持的回饋系統，以探討夾持力與夾持範圍的特 性。相較於此，Salim等人【43-44】卻是使用二種特殊的感光玻璃，並經由 紫外光(UV)曝光、熱處理及蝕刻後，完成結構定義，如圖2-41所示。隨後，
Salim等人又另提出一新型結構，以解決夾持過程，夾爪呈現弧形的軌跡；
其結構形狀如圖2-42所示，是將平行四邊形的連桿機構應用於支臂上，以達 到夾持時，夾爪呈現直線軌跡。
2.4.6 氣動式驅動
2002年，Seidemann等人【45-46】先後發表一連串關於氣動式微夾持器 之研究，其採用不同的材料(矽與SU-8光阻)和製程技術，以進行研究探討；
SU-8光阻因本身材料特性，可製作出容易驅動之高深寬比微結構，並以類似 三明治方式，使用Pyrex玻璃在SU-8結構上下層進行接合封裝，如圖2-43所 示；反之，矽擁有優越的機械性質，使用感應耦合電漿離子蝕刻技術進行結 構加工，相同的利用陽極接合技術將Pyrex-silicon-Pyrex封裝，如圖2-44所 示，最後在作動頻率為150 Hz時，可得到600 μm的夾持範圍、10 mN的夾持
2003年，Lu等人【47】模仿海葵觸手捕捉食物的動作，設計一結合矽基 材 與 聚 對 二 甲 苯(Parylene) 之 結 構 ， 製 作 出 具 主 動 且 靈 敏 的 鉸 接 式 (articulated)微觸手，如圖2-45所示，其作動原理如圖2-46所示，觸手結構使 用氣球接點(balloon joint)連接不同的矽塊，當未作動時為一伸直狀，而作動 時氣球膨脹連帶將連接的矽塊捲起，形成彎曲狀，當同時作動四隻觸手時，
其動作就苑如海葵捕捉食物狀。此外，觸手藉由氣動方式，使其容易操控且 觸手與生物相容性佳，可應用於生物檢測或顯微外科手術。
圖2-19. 微夾持器的示意圖【29】
圖 2-20. 結合面型與體型微加工製程之微夾持器的示意器，(a) 俯視圖；(b)
圖2-21. 微夾持器的製程流程圖【30】
圖2-22. 成功利用微夾持器夾持一個綠蟲藻科的單細胞生物【30】
圖2-24. 靜電驅動後之微夾持器示意圖【31】
圖2-25. 微夾爪於平面的運動機構說明圖【31】
圖2-26. 成功夾持 200 nm 的奈米結構【31】
圖2-27. 彎曲式微夾持器之示意圖【32】
圖2-28. 成功夾持 100 μm 的海膽蛋【32】
圖2-29. 微夾持器各細部名稱【33】
圖2-30. 鎳金屬結構之微夾持器【33】
圖2-31. 利用電熱式原理驅動長短支臂作動【34】
圖2-32. 整合模擬與實驗結果的位移量與輸入電壓關係【34】
圖2-33. 微夾持器的設計，(a) SU-8 的夾爪與支撐結構；(b) 沉積鈦/鉑金屬 的遮罩層【35】
圖2-34. 三種電性配置的情形，(a) A-BC；(b) A-B；(c) AB-C【35】
圖2-35. 微夾持器立體示意圖【38】
圖2-36. 利用形狀記憶合金薄片驅動矽基微夾持器【39】
圖2-37. 機械式夾持器，(a) 元件驅動機構圖；(b) 夾爪開張的方式；(c) 夾 爪閉合的方式【40】
圖2-38. 微夾持器系統之組合圖【40】
圖2-39 以黃銅製作微夾持器的致動結構【41】
圖2-40. (a) 完整的端效器(微夾持器與壓電致動器)示意圖；(b) 雷射加工的 微夾持器；(c) 光化學蝕刻的微夾持器；(d) LIGA 製程的微夾持器【42】
圖2-41. 各種設計型式的微夾持器【43】
圖2-42. 平行連桿機構的微夾持器示意圖【44】
圖2-43. 氣動式 SU-8 微夾持器結構【45】
圖2-44. 氣動式矽基微夾持器結構【46】
圖2-45. 微夾持器夾持方式示意圖【47】
圖2-46. 為鉸接式的作動原理【47】
2.5 研究動機
從第一章介紹微夾持器的應用以及未來的市場需求，到第二章的相關文 獻回顧，已更能瞭解微夾持器在微機電系統中，已逐漸佔有一席之地；此外，
微夾持器的設計與驅動源方式也是千奇百怪的，其目的就是希望能獲得具有 大出力、大位移、反應快、結構強度佳、操控簡單及應用廣泛(工作環境)之 精密微夾持器，而本研究目的也正是希望能研發出具備上述特點的新型精密 微夾持器。表2-6 所示，為相關文獻中各微夾持器的優缺點比較。此外，更 由本表延伸出對於新型微夾持器的設計構想，其構想說明如下：
1. 靜電驅動：微夾持器的驅動種類相當眾多，如靜電、電磁、電熱、SMA、
壓電、氣動等，其皆具有某些特點；但具備反應速率快之特點的驅動源 卻只有靜電、電磁及壓電等，因電磁容易受到外在磁場的影響，而壓電 須藉由外加結構致動，其組裝效果有待考慮，而選擇靜電驅動的考量在 於材質只需為導電體即可。
2. 大出力與大位移：靜電致動的梳狀結構與平行板結構，普遍存有小出力、
小位移及電極間距過大，所需電壓也相對增大等缺點，希望藉由曲面電 極的特點(逐漸吸附)，以改善位移、出力及電壓等問題。
3. 結構強度與廣用廣泛：本研究欲採用 MicroChem 公司的 SU-8 光阻產品，
其經過軟烤(soft bake)、曝光(exposure)、曝後烤(post exposure bake; PEB) 與顯影(develop)後，結構具有良好的機械性質；此外，其楊氏模數更是 矽基材的1/40 倍，對於夾持器的位移，將有很大的功效。微夾持器目前 已知被用於精密組裝、生物檢測、顯微外科及危險或嚴酷的工作環境，
而SU-8 本身具備良好的化學穩定性，對於酸鹼場合及溶液中生物檢體，
SU-8 皆能有良好的耐腐性及極佳的生物相容性。
4. 高深寬比結構：由靜電原理可知，當吸附面積增加，其產生的靜電力也
增加，而驅動電壓卻相對降低，故期望利用SU-8 光阻結合類 LIGA 製程 達到結構所需的高深寬比，以獲取更佳的出力與減少輸入電壓。
經由上述的說明，更加確定本研究的動機與需求；對於新型微夾持器的設與 製程規劃，也逐一在下章節討論。
氣 動 壓 電 形狀記憶合金 電 熱 電 磁 靜 電
Y. Lu V. Seidemann S. Bütefisch R. Salim M. C. Carrozza M. Kohl S. Bütefisch A. P. Lee N. T. Nguyen C. S. Pan F. Yi Y. Suzuki M. Mita C. J. Kim C. J. Kim Designer
矽/聚對二甲苯 SU-8/Pyrex玻璃 感光玻璃 黃銅與鎳 鎳-鈦薄片 矽/鎳-鈦 矽/鎳-鈦-銅 SU-8/鉑/鈦 多晶矽 鎳 氮化矽/金 SOI晶片 多晶矽 多晶矽 Material
面型與體型 體型與接合 體型 LIGA 雷射 體型與雷射 體型與接合 面型與體型 面型與體型 UV-LIGA 面型與體型 體型 面型與體型 面型 Fabrication Microgripper condition
0.6 mN 10 mN 20 mN - 35 mN - 13 mN - 2.8μN - 29.9 nN - - - Force
- 600 μm 100 μm 50 μm 300 μm - 110 μm 100 μm 20 μm 20.8μm - 80 nm 10 μm 10 μm Rang Actuation value
生物傷害性小、出平面夾持 夾持力，大夾持範圍、製程簡單 大夾持力，大夾持範圍、製程簡單 大夾持力，大夾持範圍 大夾持力，大夾持範圍、製程簡單 製程簡單 夾持力較大，大夾持範圍 不同截面的冷熱臂，利用高分子材料、大夾持範圍 不同長度的冷熱臂，單一材料 創新犧性層技術 可量測力與溫度特性 平面移動 可不受拘束夾持 製程簡單 Characteristic
氣壓控制不精確 氣壓控制不精確、封裝誤差 位移小需放大機構、需特殊玻璃 位移小需放大機構 反應較緩慢 反應較緩慢、組裝誤差 反應較緩慢，界面結合 雙層材料，界面結合、反應較緩慢 反應較緩慢 受外界磁場影響 受外界磁場影響 晶片、製程昂貴 夾持力較小 夾持力較小 Defect 表2-6 各微夾持器的優缺點
