中文摘要
本研究分為兩大部分，第一部分是將微陣列生物探針與薄膜電晶體 放大器一併製作在可撓式基板上，目的是可以使其依待測物體的外型 輪廓來設計安置，這樣探針的接觸效果會比較好。同時將電晶體放大 器一併做在可撓式基板的另個表面上好處是，這樣生物探針所獲得的 信號就近就可以進行放大，並提高信號雜訊比及阻抗匹配性能。
但就現有技術而言，傳統的微陣列生物探針無法與電晶體放大器整 合在一起，其原因係在於電晶體放大器製作過程需要高溫，可撓式基 板在高溫下會變形，使得電晶體放大器不利於製作在可撓式基板上。
所以本研究將利用電子槍蒸鍍機，與雷射退火等技術，以低溫技術進 行軟性基板上薄膜研製。
第二部分，將微陣列生物探針與主動式 RFID 標籤整合，進行生物 阻抗的偵測，並以無線方式進行生物皮膚表面阻抗之監控。
關鍵字：微陣列生物探針、主動式RFID、電子槍蒸鍍機、雷射退火、
生物皮膚表面阻抗、薄膜電晶體放大器
Abstract
This research is divided into two parts, the first part is the integration design of the micro array biology probe and the thin film transistor amplifier on a flexible substrate, such that the probe can put on the object for test, and the probe's contact effect will be better. By the way the signal obtained by the biological probe can be amplified nearby.
Second, this thesis integrates the bio-probes with an active RFID tag, which can monitor the bio-surface skin impedance by way of wireless.
Keywords：Micro-array Biological Probes, E-Beam Evaporator, Active RFID, Laser Annealing, Bioelectric Impedance, Thin Film Transistor Amplifier
致謝
本篇論文可以順利完成，要由衷感謝我的指導教授 林君明博士，
在我這段求學過程中，在課業上與實驗上給予我指導及研究精神的教 誨，讓我在學業上受益良多，促使我不斷的學習、成長。同時也提供 一個相當優良的環境，完善的實驗設備讓我們在實驗上有事半功倍的 效果，在學習上更有效率，使我在學術研究與專業技術是上學習更加 完整與充實。同時要特別感謝口試評審委員陳振文博士、范志海博士、
黃榮興博士、蔡渙良博士給予寶貴的指導與建議，讓本論文更臻完善。
實驗上要感謝工研院辦識與安全科技中心邱錘琦、呂仁超學長；
帆宣的蔡一郎學長與陳叔平博士對我的指導與鼓勵，也要感謝俊杰、
政嶽學長與廷揆、英哲學弟在實驗上與生活上的幫忙，及佩純在這段 時間的陪伴與鼓勵。
最後，更要由衷感謝我的家人陪伴，父、母親對我的支持與栽培，
在生活上與精神上更不斷給予我支持與鼓勵，讓我能夠順利完成碩士 學位，由衷感謝。
謹識 中華民國九十八年七月 于中華大學機械工程學系碩士班
目錄
中文摘要 ……… I Abstract ………II 致謝 ………III 目錄 ……….. IV 表目錄 ………. VII 圖目錄 ………. XII
第一章 緒論……… 2
1.1 前 言……… 2
1.2 研究動機與目的………4
1.3 文獻回顧………6
1.4 研究方法………8
第二章 薄膜沉積與實驗設備介紹……… 9
2.1 薄膜沉積………9
2.2 電子槍蒸鍍機（Electron-Beam Evaporation）………13
2.2.1 電子槍蒸鍍機原理 ………13
2.2.2 電子槍蒸鍍機使用步驟………17
2.2.3 電子槍蒸鍍機優缺點………21
2.3 粗度計 ……… 27
2.4 準分子雷射(Excimer Laser)……….30
2.5 網印機 ……… 34
2.6 真空控溫烤箱(Vacuum Oven)………..36
2.7 四點探針（Four-Point Probe）………38
2.8 IV電性量測儀……… 40
第三章 生物探針與薄膜電晶體放大器整合製作設計 ……… 42
3.1 微陣列生物探針製作流程 ……… 42
3.2 導電銀膠 ……… 46
3.3 微陣列生物探針訊號傳輸線 ……… 49
3.4 可撓式基板上之薄膜電晶體放大器製程設計 ……… 51
3.5 可撓式基板上之微陣列生物探針模組製程設計 ………… 61
3.6 薄膜電晶體放大器與及微陣列生物探針模組整合 ……… 66
第四章 無線射頻系統介紹………68
4-1 何謂 RFID………68
4-2 RFID 原理與構造……… 70
第五章 整合測試與分析………80
5.1 可撓式基板上之薄膜製程與分析 ……… 80
5.1.1 可撓式基板上之薄膜蒸鍍 ………80
5.1.2 雷設退火………82
5.2 微陣列生物探針整合及阻抗測試 ……… 84
5.2.1 電性分析原理………84
5.2.2 阻抗匹配 (Impedance matching)………..86
5.2.3 探針與猪皮的等效電路阻抗(Z)公式推導 ……… 87
5.2.4 R（ω）及 X（ω）曲線量測 ………93
5.2.5 等效電路阻抗 Rs、Cp 及 Rp 解算 ……… 95
第六章 結論與未來展望 ………102
6.1 結論………102
6.2 未來展望……….103
參考文獻………104
表 目 錄
表2-1 薄膜沉積技術………10
表2-2 電子槍蒸鍍機設備規格………17
表 2-3 各類鈀材規格表………23
表 2-4 各類坩鍋規格表………24
表 2-5 準分子雷射退火設備規 格 表 … … … 33
表4-1 不同辨識系統的比較 ………75
表4-2 RFID的操作頻率分類 ……… 76
表4-3 SYRD245-2S Read 規格圖………78
表4-4 主動式標籤功能表 ……… 79
表5-1 各鈀材蒸鍍參數與鍍膜情形 ………82
表5-2 自製探針量測猪皮表面積與阻抗數據表 ………90
表5-3 自製探針 R（ω）量測值對照表 ………93
表5-4 自製探針 Cp（ω）對照表 ………96
表5-5 自製探針 R（ω）計算還原值對照表………98
圖 目 錄
圖1-1 RFID在各個產業可能的應用範疇………5
圖2-1 成島期(The island stage)………..12
圖2-2 合併期(The coalescence stage)……….12
圖2-3 成道期(The channel stage)………...12
圖2-4 連續期(The continuous stage)………..12
圖2-5 電子槍（E-gun）蒸鍍設備 ……… 15
圖2-6 電子槍蒸鍍內部結構示意圖………15
圖2-7 電子束蒸鍍原理示意圖………...16
圖2-8 真空系統示意圖 ……… 16
圖2-9 電子槍內部坩鍋 ………22
圖2-10 電子槍蒸鍍源遮板………22
圖2-11 電子槍蒸鍍機內部腔體圖………22
圖2-12 CTI Torr 10 抽真空冷涷幫浦………..22
圖2-13 銀鈀材………23
圖2-14 鍺鈀材………23
圖2-15 矽鈀材 ……… 23
圖2-16 二氧化矽鈀材………23
圖2-17 坩鍋示意圖………....24
圖2-18 二氧化矽蒸鍍狀態示意圖………25
圖2-19 銀蒸鍍狀態示意圖………25
圖2-20 矽蒸鍍狀態示意圖………25
圖2-21 鉻蒸鍍狀態示意圖………25
圖 2-22 破損坩鍋示意圖………...25
圖2-23 蒸鍍用可撓式塑膠基板………26
圖2-24 蒸鍍矽試片圖………26
圖2-25 蒸鍍銀試片圖………26
圖2-26 ET-4000 粗度計………28
圖2-27 圖 2-27 粗度計內部結構與 X-Y 移動平台示意圖 ………… 28
圖2-28 表面粗度機實際量測圖 ………29
圖2-29 表面粗度計之待測物 CCD 顯示器………29
圖2-30 表面粗度量測操作介面顯示器……… 29
圖2-31 準分子雷射精密聚焦系統外觀圖………32
圖2-32 準分子雷射退火設備………32
圖2-33 雷 射 水 平 輸 出 偏 折 成 垂 直 之 光 學 系 統 示 意 … … … … 32
圖2-34 雷 射 輸 出 預 熱 並 顯 示 電 流 之 面 板 示 意 圖 … … … 33
圖2-35 準分子雷射 X-Y 軸平台示意圖………33
圖2-36 網印機操作介面示意圖………35
圖2-37 網印機外觀圖………35
圖2-38 控溫面板示意圖………37
圖2-39 梯度示意圖………37
圖2-40 真空控溫烤箱外觀圖………37
圖2-41 四點探針原理示意圖………40
圖2-42 四點探針機台外觀圖………40
圖2-43 Keithley 4200 IV 電性量測儀外觀圖………41
圖2-44 Keithley 4200 IV 電性量測儀顯示介面………41
圖2-45 顯微鏡 I-V 電性量測探針平台 ……… 41
圖3-1 PCB 板之生物探針設計與製作流程圖 ………43
圖3-2 微陣列生物探針植針示意圖 ………44
圖3-3 微陣列生物探針 2D 模型………44
圖3-4 雕刻機外觀示意圖 ………45
圖3-5 未經裁切之微陣列生物探針 PCB 板 ………45
圖3-6 ECSI 導電銀膠 ……… 46
圖3-7 植針示意圖 ………47
圖3-8 微陣列生物探針圖……… 47
圖3-9 微陣列生物探針圖 ………48
圖3-10 微陣列生物探針近照圖………48
圖3-11 阻抗為 50 Ω 之同軸電纜 ………49
圖3-12 完成同軸電纜焊接之微陣列生物探針基板示意圖…………50
圖3-13 四個電晶體組成兩組反相放大器示意圖………53
圖4-1 RFID 晶片 ……… 68
圖4-2 RFID系統磁場感應耦合示意圖………71
圖4-3 典型的RFID 系統架構及各方塊及應用圖………..71
圖4-4 RFID Tag 端電路方塊圖………..73
圖4-5 RFID 系統之 Reader 端電路方塊圖………74
圖4-6 SYRD245-2S Read 規格圖 ……… 77
圖4-7 RFID Read 示意圖 ………78
圖4-8 SYTAG245 示意圖 ………79
圖5-1 非晶矽薄膜片電阻………83
圖5-2 經雷射退火過之多晶矽薄膜片電阻………84
圖5-3 蒸鍍矽雷射退火後試片圖………84
圖5-4 電感器的電壓與單位時間電流的變化……… 86
圖5-5 生物探針與猪皮模組之等效電路圖示意圖……… 88
圖5-6 皮膚剖圖……… 89
圖5-7 阻抗量測示意圖 ………91
圖5-8 阻抗量測示意圖 ………91
圖5-9 猪皮阻抗分析實驗示意圖 ………92
圖5-10 阻抗分析儀示意圖………92
圖5-11 自製探針 R（ω）曲線量測結果曲線圖………94
圖5-12 自製探針 X（ω）曲線量測結果示意圖 ………94
圖5-13 自製探針 Cp（ω）曲線圖………97
圖5-14 自製探針 R（ω）計算還原曲線圖……… 99
圖5-15 R（ω）量測值(粉紅色)與計算還原值(藍色)對照比較圖…… 99
圖5-16 SYRD245-2S 操作介面………100
圖5-17 整合 RFID 與生物探針模圖………100
圖5-18 整合 RFID 與生物探針實圖………100
中 華 大 學 碩 士 論 文
題目:主動式 RFID 標籤上之智慧型動物皮膚阻抗 反應偵測及監控系統設計
Intelligent Active RFID Tag-Based Bio-Impedance and Sensing Monitoring System Design
系 所 別：機械工程學系 碩士班 學號姓名：M09508040 侯 忠 慶 指導教授： 林 君 明 博 士
中華民國 九十八 年 七 月
第一章 緒論 1.1 前 言
二十一世紀最新興的產業就是生物科技，生物技術現今已蔚為 各國科技發展的主流，究其原因乃基於其產品對人類具有深遠的影 響：包括創造出藥品、醫療保健、農業、食品、環保、資源以及工業 等領域中難以估計的經濟價值，更遑論其生產製造所衍生的龐大商 機。因此各國無不傾全力發展之【1】。
現今生物科技已經不僅僅侷限於藥物研發與配製，生物科技也整 合了半導體製程的技術。整合半導體製程技術的生物科技，在醫療儀 器與實驗設備上跟傳統比較起來前者有明顯微小化，如現今明星產業 的生物探針晶片就是個很好的例子，目前生物探針晶片有兩大主流，
分別為微陣列生物探針和微處理型晶片【2-4】。
生物探針晶片的概念源自於80年代後期，義地說生物探針晶片它 就是結合微機電製程（MEMS）、及微機械技術與生物醫學技術製成應 用於生物化學分析的產品。生物探針經由以微面積、高密度的微機電 製程（MEMS），微機電系統技術最早應用於積體電路的研究，利用薄 膜沈積、微影、蝕刻的方式改善傳統加工技術及半導體製程技術，製 作輕、薄、短、小的微元件【5-6】。和傳統半導體晶片不同的是，
利用微機電系統所製作的晶片包含了許多可動元件及感測元件，更重
要的是，和積體電路一樣具有大量製造的優點，降低生產成本，精確 的將生物探針製作在玻璃基板、矽晶圓基板、塑膠、或固體材質的基 板上。製作完成的生物探針晶片，優點有（１）分析結果的精確度高
（２）分析速度快（３）採用樣品及試劑少（４）可獲得整體性 (平 行化)的生物資訊(5) 低成本，容易大量生產，所以生物探針晶片是 微小化、快速、平行處理之生物及醫療用檢測元件，可在微小面積上 同步快速進行大量生化感測或反應的晶片。
所以將生物醫學及微機電系統技術結合，所發展出的生醫微機電 系統（Bio-MEMS），對醫學界而言，生物晶片可以準確的掌握生物 資訊，採用樣品少降低污染問題、分析結果快速；對產業界而言，生 物晶片元件能大量生產、降低生產成本，如此多的優點與龐大商機已 成為產、學界相繼研究的重點研究技術，也成為二十一世紀的關鍵科 技。
而無線射頻系統(RFID)主要是透過無線通訊技術將電子標籤 (Tag)內晶片中的數位資訊，以非接觸的通訊方式傳送到讀取器 (Reader)中，讀取器將擷取、辨識的電子標籤資訊後，即可作為後端 應用系統進一步處理，應用相當廣，已成為近二年RFID成為許國家發 展重要的新興科技。
1.2 研究動機與目的
半導體為國家重點發展計畫中之兩兆雙星產業，目前年產量已為世 界第二位，我國的半導體產業也非常成熟。另一方面，生物產業也將 是一個非常有潛力的產業，而生物電阻抗量測是一種電阻抗測量技 術，極具生物醫學研究與應用的潛力，也是一個很重工具。本研究的 目的是在可撓式基板上，進行微陣列生物探針與薄膜電晶體放大器的 整合設計【7-8】與 PCB 板上微陣列生物探針設計製作並進行生物阻 抗的量測與分析並整合無線射頻系統(RFID)，將探針所量測到的生物 訊號以無線方式傳輸達到即時監控效能。
本論文研究首先是設計將微陣列生物探針與薄膜電晶體放大器一 併製作在可撓式基板上，目的是為了它可以依待測物體的外型輪廓，
來設計安置，這樣探針的接觸效果，比傳統探針【9-18】(做在堅硬 的矽晶圓基板上)的接觸效果會更好，克服不平整輪廓的問題。將電 晶體放大器製作再一起的好處是：同時將電晶體放大器一併做在可撓 式基板的另個表面上，這樣生物探針所獲得的信號就近就可以進行放 大，以提高信號雜訊比及阻抗匹配性能是，增加實驗設數據的準確性。
將傳統微陣列型生物探針製作做於可撓式基板上，雖可以依待測生 物體的外型輪廓來設計與安置，提高微陣列型生物探針與待測物的接 觸效果，但就現有技術而言，傳統的微陣列生物探針無法與電晶體放
大器整合在一起，以獲得更佳之信號處理結果，以利後續分析與判 斷，其原因係在於電晶體放大器製作過程需要高溫，可撓式基板在高 溫下會變形，使得電晶體放大器不利於製作在可撓式基板上。所以本 研究將利用電子槍蒸鍍機與雷射退火等技術來克服製程上產生高溫 不利製作於可撓式基板上的問題。
在 PCB 板上製作微陣列生物探針進行生物阻抗的量測並與主動式 RFID 標籤整合，以無線方式進行生物阻抗與頻率反應之監控。
圖1-1 RFID 在各個產業可能的應用範疇
1.3 文獻回顧
生物晶片的概念起源於二十世紀80年代後期，由於生物戰劑的快速 發展，歐美許多研究單位便結合微電子、微機械、生命科學和生物訊 息等技術，著手開發一種方便攜帶同時又能快速偵測戰場環境的儀器
－生物晶片。廣泛地定義，生物晶片就是在矽晶圓、玻璃、可撓式基 板上以微機電技術製作出可應用於化學生物分析的產品。和傳統分子 化學技術分析不同的是，具有分析速度快、使用樣品少、精確度高、
低成本、能在微小面積上同步快速進行大量生檢測或反應的晶片等優 點，也成為生物及醫療用的重要檢測元件。
目前生物晶片有兩大主流，分別為微陣列晶片和微處理型晶片：
(一) 微陣列生物探針晶片
微陣列晶片在微小面積的基質上種植高密度的生物探針，做為大量 篩檢及平行分析的工具。微陣列晶片具備快速、方便、經濟、省時等 特性，適用於大量基因表達、篩檢、及比對等研究，可以應用在病原 體基因檢測、基因表現比較、基因突變分析、基因序列分析、及新藥 物開發等領域。
(二) 微處理型晶片
微處理型生物晶片可用來處理生物樣品、進行生物性反應、或分析 生物體之工具。樣品前處理晶片可用來處理血液、組織、植物等樣品，
減少人為操作時，可能產生的危險和污染；反應型晶片用來從事微量 化有機化學反應、生化反應、或酵素反應；另外分析型晶片用來進行 毛細管電泳或高速篩檢等反應。
1.4 研究方法
本論文研究分成三個部分，第一部份為微陣列生物探針整合薄膜 電晶體放大器之設計並進行可撓式基板上薄膜研製。第二部分為PCB 板上微陣列生物探針的設計製作，並進行生物阻抗與頻率的量測與分 析。第三部份整合有主動式RFID之生物探針測試與分析等三個部份。
第一部份，微陣列生物探針整合薄膜電晶體放大器之設計。首先 利用微機電製程(MEMS)設計流程將微陣列生物探針整合薄膜電晶體 放大器設計製作在可撓式基板上，並使用電子槍蒸鍍機進行各層材質 薄膜的蒸鍍與分析、搭配雷射退火與電性量測進行薄膜開發之研究。
第二部份， 微陣列生物探針在PCB 基板設計與製作。首先是微 陣列生物探針的設計及製作，我們使用電腦輔助設計軟體，將微陣列 生物探針的電路圖與生物探針的分佈情形，在2D平面上建構出來，
在以雕刻機在基板上鑽出微陣列生物探針的植針孔洞，接著利用網印 機進行導電銀膠再基板的均勻塗佈，最後送進加熱爐中進行烤乾。
第三部份，微陣列生物探針結合RFID模組進行生物阻抗分析測 分析。實驗時訊號傳輸線與阻抗分析儀之間會產生阻抗匹配的問題，
所以我們採用同軸電纜作為訊號傳輸線，焊接同軸電纜作為訊號傳輸 線，即完成微陣列生物探針，最後使用整合有RFID模組之微陣列生 物探針，進行電性與生物阻抗的分析與量測。
第二章 薄膜沉積與實驗設備介紹 2.1 薄膜沉積
薄膜的沉積方法有分為兩大類（表 2-1）；分為物理氣象沉積法 (Physical Vapor Deposition ，簡稱 PVD)、化學氣象沉積法(Chemical Vapor Deposition，簡稱 CVD)。
化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，通常簡稱為 CVD），
是利用氣體混合物所產生的化學反應，在基底表面發生化學反應或/
及化學分解來產生欲沉積的薄膜。在半導體製程的發展上，主要的 CVD 技術大致可分為 AP CVD(Atmospheric CVD)、LPCVD(Low Pressure CVD)、PECVD(Plasme Enhanced CVD)等。
物理氣相沉積（physical Vapor Deposition，通常簡稱為 PVD），
就是以物理現象的方式，來進行薄膜沉積的一種技術，其成膜過程可 分為三個步驟，1.將薄膜材料由固態變成氣體；2.薄膜之氣態原子(分 子或離子)穿過真空抵達基板表面；3.薄膜材料沈積在基板上逐漸形 成薄膜。在半導體製程的發展上，主要的 PVD 技術，有蒸鍍
（Evaporation）及濺鍍（Sputtering）等兩種。前者是藉著對被蒸 鍍物體加熱，利用被蒸鍍物在高溫（接近其熔點）時所具備的飽和蒸 氣壓，來進行薄膜的沉積；而後者，則是利用電漿所產生的離子，藉 著離子對被濺鍍物體電極（Electrode）的轟擊（Bombardment），使
電漿的氣相（Vapor Phase）內具有被鍍物的粒子（如原子），來產 生沉積薄膜的。
表 2-1 薄膜沉積技術
化學氣相沉積 (CVD)
電鍍 物裡氣相沉積 (PVD 或濺鍍)
蒸鍍 旋塗方式
常壓
CVD
次常壓CVD
電化學沉積
(電鍍)
直流二極體 燈絲及
電子束
旋塗式玻璃
低壓
CVD
無電極電鍍 射頻(RF) 分子束磊晶 旋塗式介電質電漿
CVD
高密度電漿
CVD
直流磁控
氣相沉積及有機金 屬
CVD
離子化金屬電漿
薄膜在基板上的沉積我們大致可將成長過程分為四個階段【19】
【20】：
1. 成島期(The island stage):
撞擊基板的粒子失去垂直於基板的速度分量，而物理性的吸附於 基板上，因此晶粒在基面上分開成為孤島狀，各自成長，如圖2-1。
2. 合併期(The coalescence stage):
當晶粒漸漸長大而互相靠近時，可能因周界的接觸而產生合併。
合併後，晶粒表面積減少，界面能量降低，故系統更趨於穩定。
被吸附的晶粒粒子並不是屬於熱平衡狀態，可以利用一些剩餘能 量來造成粒子移動而結合成更大面積。此外，晶粒在形狀、高度 或表面積上亦都會發生改變。因為隨著沈積參數的改變隨時有可 能從表面脫附，如脫附時與吸附粒子發生撞擊，而尺寸將逐漸增 加。在這一個階段會形成一個穩定化學吸附及臨界大小的晶核，
可稱為孕核，如圖2-2。
3. 成道期(The channel stage):
合併現象的後期，在到達臨界尺寸的晶核，數量上及尺寸會不斷 的增加，一直到飽和階段，晶粒將表面舖成類似溝道的形狀，而 仍有一部份的固體面上是不被晶粒所覆蓋的，如圖2-3。
4. 連續期(The continuous stage):
由於表面能因素，逐漸成長而非增加個數，可稱為聚結。經歷長 晶、晶粒成長島狀核聚結，薄膜結構由單孔非連續的結構形成多 孔但連續的網狀結構，藉由溝道重合整個固體面佈滿了所鍍的材 料，形成一連續膜面，如圖2-4。
圖2-1 成島期(The island stage)
圖2-2 合併期(The coalescence stage)
圖2-3 成道期(The channel stage)
圖2-4 連續期(The continuous stage)
2.2 電子槍蒸鍍機（Electron-Beam Evaporation）
本論文蒸鍍薄膜是利用電子槍，通以低電流、高電壓的電子束，
將坩鍋內的高純度顆粒鈀材熔化再轉成氣態的形式，或是直接昇華附 著在基板上，鍍膜後，取出待鍍物，並討論材料的鍍率、膜厚特性及 其導電性能。薄膜沉積是使用物理氣相沉積中的電子束蒸鍍法來沉積 薄膜，實驗室的電子槍蒸鍍機為倍強公司所代理(圖2-5)，型號與規 格為表2-2 所示，以下為電子槍蒸鍍機蒸鍍原理介紹。
2.2.1 電子槍蒸鍍機原理：
電子束的產生：當陰級燈絲被施以低壓電流而達到白熱化時，電子 將從燈絲表面釋出而向四方發射，而隨燈絲溫度提升而增加其釋放 量，此為熱電子。對於非射向正前方的電子則會受接負電位的燈絲背 檔板排斥而反彈向前，然後再與原本射向前方之電子一起被接地電位 的陽極所加速。熱電子的放射電流密度可以 Richardson 方程式表示，
其中 J 為電流密度，A 為 Richardson 常數，T 為溫度(K)，e 為電子 電荷，φ為功函數，而 k 則是 Boltzmann 常數。由上式可知，當燈絲 材料選定，則功函數便被確定，此時熱電子之電流密度就隨溫度之增
(emission limit region)；而在相對高溫時，指數項的影響漸減，
放射電流密度隨溫度增加之幅度漸趨於零，此區稱為空間電荷限制區 (space charge limit region)，此時電流密度大小是受陰陽極間距 及供應電壓的控制，可以 Langmuir-Child 方程式描述之，
其中 V 為供應電壓，d 為陰陽極間距，B 為常數( 安培/單 位面積)。
電子束的加速：由於電子帶有電荷，所以可以施以電場加速，亦即 施以 V 電位差，則電子束所擁有的動能為 1/2 me =eV，me 為電子 質量，一般 V 為5KV 到 l5KV，設 V 為 7KV，則電子速度可高達 6× km/sec，如此高速電子撞擊在膜材料上將轉換成熱能，溫度可 高達數千度，而把膜材料蒸發成氣體。內部結構如圖 2-6 所示。
當電子束加速後可直接打在膜材料上使之蒸發，但如此蒸發原子 或分子會污染電子源，因此通常都將電子源藏在裝膜材料之鎗座底下 而利用強力磁場將電子束轉彎 180°或 270°，如圖 2-7 所示。
在蒸鍍槍體內，固態的沉積材料，稱為蒸鍍源（Source），將被放 置在由高溫材料（Refractory）所製程的坩堝（Crucible）內(圖 2-7)。
當適當的電流通入坩堝之後，藉著坩堝因電阻效應所產生的熱，置於
V
210
-4坩堝內的蒸鍍源將被加熱，直到接近蒸鍍源的熔點附近。這時，原本 處於固態的蒸鍍源的蒸發能力將非常強，利用這些被蒸發出來的蒸鍍 源原子，可以在離蒸鍍源上方不遠處的基板表面上，進行薄膜的沉積。
圖 2-5 電子槍（E-gun）蒸鍍設備
圖 2-7 電子束蒸鍍原理示意圖
圖 2-8 真空系統示意圖
表 2-2 電子槍蒸鍍機設備規格
廠牌 倍強科技股份有限公司
名稱 功能與條件
電源供應器 Maximum Output Power 10KW Maximum Output Power 500mA 坩堝容量(圖 9) 4*25CC
粗抽氣系統（Pumping System）
型號:AlcaTEL 2033SD
抽氣速率: 660 l/mn
壓力:6.7~7.5 X 10-2torr 細抽氣系統（Pumping System）
型號:CTI Torr 10冷涷幫浦(圖8)
終極壓力:5.0 X 10-7torr 以下 抽氣速率: 9000 l/sec for water vapor
水循環系統（Water System） 腔體外部直接水冷型
2.2.2 電子槍蒸鍍機使用步驟
（A）製程前置步驟：
（1）清洗水塔
電子槍中所使用的 Cryo-Pump 是以 He 氣壓縮冷卻，在冷卻的過 程中，會產生大量的廢熱，需要由水冷卻，否則溫度過高，在壓縮機 無自動關閉的情況下，易造成機台的毀損，於此所使用的冷卻系統是
開放式的冷卻水塔冷卻系統，因此水塔必需固定時間（每週兩次）清 洗，否則易造成管路堵塞。
（2）打開水源馬達以及冷卻水塔的開關。
冷卻水源及水塔的開關是獨立的，必須分別打開，並同時作用，
才能讓冷卻水所帶走的廢熱，經由冷卻水塔風散散熱。
（3）對 Cryo-Pump 充以氮氣以做再生用。(若使用前該 Pump 以達 10k，
則無須進行此步驟)
Cryo-Pump 在無開啟的狀況下，其內部逐漸回壓至一大氣壓，而 通以氮氣再生的主要是藉以沖淡其內部的水氣，否則在低溫的狀況 下，水氣易凝結成冰，進而影響壓縮。
一般而言，需以氮氣連續沖約 35 分鐘，但是於此可先於再生前用 機械 Pump 粗抽一段時間後，開氮氣再生，約5 至 10 分鐘後，再用機 械 Pump 粗抽一段時間，如此反覆 2 次，即可快速完成再生的動作。
（4）以機械 Pump 對 Cryo-Pump 進行粗抽的工作。(抽氣至壓力顯示 兩個燈的低壓等級)
再生結束後，必需先對 Cryo-Pump 初步降壓，於此後開啟 Pump 壓縮時，可縮短壓縮的時間。
（5）開啟 Cryo-Pump，並使其壓縮冷卻至 10k。
如在上述的步驟中，有無落實之處，將有可能使 Cryo-Pump 在 壓縮過程中停機，或是在不停機的狀況下仍繼續壓縮，此時將造成 Cryo-Pump 外部周圍大量結冰，不僅不能壓縮冷卻至 Cryo-Pump 所需 要的工作溫度，進而可能造成機台嚴重損壞。
（6）按下自動抽氣開關。(抽至低壓顯示登全亮)
待 Cryo-Pump 壓縮結束後，即可進入電子槍腔體內部的降壓過 程，而在機台的內部設定中，對腔體內部的抽氣流程已自動化，因此 只需自動降壓即可。
（7）開啟冰水機。
在蒸鍍的過程當中，有些許冷卻水的管路遍佈於腔壁及待鍍靶材 的底座，當蒸鍍時，會將待鍍物熔化或昇華，過程中會產生大量的廢 熱，由冰水機的水循環冷卻，將所產生的廢熱利用水循環帶走，達到 降溫的效果，否則會造成底座過熱破損。
（B） 薄膜蒸鍍製程中相關步驟：
(1) 開啟高電壓變壓裝置。(開機後並待機約 10 分鐘) (2) 打開槍體內加熱裝置。
(3) 打開電壓及電流控制開關，開始蒸鍍。
(4) 打開電子束掃瞄控制器。
(5) 啟動待鍍物旋轉裝置。
(6) 調整所須之電壓電流並以電子束掃瞄控制器控制所掃區域。
(7) 待材料開始熔化或揮發時打開蒸鍍遮罩(圖 2-10)，讓材料附 著在待鍍物上。
（C）完程薄膜製程後相關步驟：
(1) 關掉蒸鍍遮罩。
(2) 將電流歸零，關掉電劉及電壓控制器。
(3) 關閉電子束掃瞄控制器。
(4) 讓高電壓變壓裝置冷機 10 分鐘後關閉。
(5) 關閉冰水機。
(6) 破真空，打開搶體並取出待鍍物。
(7) 實驗結束後，將腔體用機械 pump 粗抽，抽氣至壓力顯示兩個 燈的低壓等級後關閉機械 pump。
(8) 將取出待鍍物後，利用粗度計與電氣性能量測儀進行薄膜
2.2.3 電子槍蒸鍍機優缺點：
電子槍蒸鍍機優、缺點說明如以下：
優點：
（1） 因為電子束直接在坩鍋加熱被蒸鍍材料上且一般裝被蒸鍍材料 坩堝之鎗座都有水冷卻，因此比起熱電阻加熱法污染較少，膜 品質較高。
（2） 由於電子束可加速到很高能量，一些膜性質良好的氧化層在熱 電阻加熱法中不能蒸鍍的，在此皆可。而且可以做成許多個坩 堝裝放不同被蒸鍍材料排成一圈，要鍍時就轉到電子束打擊位 置，因此鍍多層膜相當方便。
（3） 若膜層甚多需要很多材料則做半徑很大的坩鍋或上升 型圓柱狀的設計，而且若擴大電子束之掃描範圍，亦即 增大蒸發源面積，有助於提高鍍膜厚度分佈的均勻性。
缺點：
（1） 若電子束及電子流控制不當會引起材料分解或游離，前者會造 成吸收後者會造成基板累積電荷而造成膜面放電損傷，坩鍋也 會因溫度過高而破裂(圖 2-22)。
（2） 對不同材料所需之電子束的大小及掃瞄方式不同，因若鍍膜過 程中使用不同鍍膜材料時必須不時調換。
（3） 對於昇華材料或稍微溶解及會蒸發之材料，如
SiO
2，其蒸發速 率及蒸發分佈不穩定，此對於膜厚的均勻性有很影響。若將SiO
2由顆粒狀改為塊材並調好電子束掃瞄之形狀，則可望獲得 較好的分佈穩定性。圖 2-9 電子槍內部坩鍋圖 圖 2-10 電子槍蒸鍍源遮板
圖 2-11 蒸鍍機內部腔體圖 圖 2-12 抽真空冷涷幫浦
蒸鍍薄膜所使用的鈀材(圖 2-13~2-16)與規格(表 2-3)如以下所示：
圖 2-13 銀鈀 圖 2-14 鍺鈀材
圖 2-15 矽鈀材 圖2-16 二氧化矽鈀材
表2-3 各類鈀材規格表
鈀材種類 顏色 純度 大小
Silver slug 銀色 99.995％ dia 3*6mm Germanium
granules
銀灰色 99.9999％ 10~15mm
Chromiun slug 銀灰色 99.99％ 1~3mm
Silicon 深灰色帶點 藍色
99.999％ 1~5mm
SiO
2 乳白色 99.99％ 1~3mm Nickel 銀灰色 99.999％ 1~5mm薄膜沉積所使用的坩鍋(圖 2-17)與規格(表 2-4)及使用過蒸鍍的情 形 (圖 2-18~2-21)如以下所示：
圖 2-17 坩鍋示意圖 表2-4 各類坩鍋規格表
坩鍋種類 坩鍋大小 熔點 Graphite (C) 25 cc 3700℃
Copper (Cu) 25 cc 1100℃
Tungsten (W) 25 cc 3300℃
Molybdenum (Mo) 25cc 2600°C
圖 2-18 二氧化矽蒸鍍狀態示意圖 圖 2-19 銀蒸鍍狀態示意圖
圖 2-20 矽蒸鍍狀態示意圖 圖 2-21 鉻蒸鍍狀態示意圖
圖2-22 破損坩鍋示意圖
蒸鍍完成的可撓式基板，基板表面顏色會因為鍍膜的材料、鍍膜的厚 度、鍍膜的溫度而有所變化(圖2-24~圖2-25)。
以下為蒸鍍於可撓式基板上的是試片：
PET 塑膠具質輕、透明度高、可撓性佳，耐溫約 110℃，外觀如圖所 示(圖 2-23)：
圖 2-23 蒸鍍用可撓式塑膠基板 圖 2-24 蒸鍍矽試片圖
圖 2-25 蒸鍍銀試片圖
當鍍膜完成後，接下來就要利用表面粗度計來進行膜厚的量測。方 法是我們在蒸鍍試片時，每次蒸鍍試片中，取2-4片在試片中間以保 護膜蓋住，在利用真空膠帶貼附於星型轉盤上來進行蒸鍍，其目的是 為了讓試片中間未蒸鍍地方產生斷差，利用表面粗度計來進行膜厚的 量測。
2.3 粗度計
本實驗室是使用三朋儀器股份有限公司所代理的 ET-4000 膜厚 段差測定儀，適合量測範圍 100A°~100μm 薄膜段差量測，本設備是 利用微型觸針檢測物體表面形狀、平坦度、波紋度、粗度、膜厚；其 觸針變位的檢出，是採用線性可變差動變壓器，利用此機構來保持觸 針穩定度，而觸針上之彈簧係拉引觸針於尖端位置上，設置於被測定 面上，使觸針的重量不會加於被側面上，接著，往上至被測定面，測 定面承受相當彈簧的力牽引，觸針沿著待測物掃描追隨特性，檢驗物 體表面輪廓，表面粗度計的外形如(圖 2-26)所示，
表面粗度計使用步驟：
（1）開啟機台、CCD、控制電腦。
（2）按下硬體搜尋鈕及軟體操作介面(圖 2-27)。
（3）放入校準片，進行機台校準。
（4）校準完畢，即可進行量測。
（5）利用表面粗度計之 CCD 顯示器觀察並調整，待探針就定位後，
即可放入待測物，如(圖 2-28)。
（6）開始下針，如(圖 2-29)。
（7）待探針接觸到待測物；此時也可由 CCD 觀察探針接觸點，是 否合乎需求如（圖2-30），待探針停止時，即按下量測鈕。
（8）量測後電腦將顯示平面的相對厚度圖形（圖 2-31）。
圖 2-26 ET-4000 粗度計
圖 2-27 粗度計內部結構與 X-Y 移動平台示意圖
圖 2-28 表面粗度機實際量測圖
圖2-29 表面粗度計之待測物 CCD 顯示器
2.4 準分子雷射(Excimer Laser)
雷 射 退 火 系 統 ， 是 由 光 束 整 形 ， 自 動 對 焦 系 統 ， 局 部 真 空 機 構 ， 及 雷 射 系 統 四 大 部 分 組 成 。 初 期 進 行 小 面 積 UV 直 接 激 發 的 退 火 ， 將 來 再 改 成 為 大 面 積 真 空 下 ， 與 多 波 長 式 雷 射 加 熱 退 火 系 統 。 雷 射 活 化 是 藉 由 X-Y 軸 掃 描 功 能 達 成 ， 利 用 連 續 側 向 成 長 (Sequential Lateral Solidification, SLS) 的 原 理 ， 可 以 使 得 活 化 後 具 有 連 續 性 的 側 向 均 勻 分 佈 。 另 外 運 用 光 學 透 鏡 ， 將 原 來 圓 點 式 輸 出 之 半 導 體 雷 射 ， 轉 換 成 條 狀 式 輸 出 （ Laser Bar） ， 擴 大 其 照 射 面 積 及 可 靠 等 特 性 ， 以 取 代 其 它 大 型 雷 射 ， 使 此 系 統 更 便 宜 ， 具 商 品 化 價 值 。 雷 射 退 火 系 統 應 用 方 面 ， 將 著 重 在 可 撓 性 或 軟 性 等 非 結 晶 基 材 上 ， 如 塑 膠 或 金 屬 薄 膜 等 ， 現 有 之 電 子 槍 蒸 鍍 矽 晶 薄 膜 ， 進 行 多 晶 粒 成 長 ， 或 離 子 佈 植 活 化 等 兩 大 應 用 。
傳統是運用準分子雷射退火做為活化，不需要加熱基板，所以有 很多優點，如可以解決硼原子雜質活化時，容易發生 Diffusion in 等 問題。後來為 進 一 部 減 少 活 化 時 間，則 是 藉 由 脈 衝 雷 射 活 化 的 方 式 達 成 。 目 前 常 見 所 使 用 於 活 化 過 程 的 光 源 為 波 長 308 nm 脈 衝 式 準 分 子 雷 射 (Excimer Laser)光 源 ， 脈 衝 長 度 為 數 十 奈 秒 ， 典 型 的 功 率 則 為 0.2 ~ 0.4 J/cm2，但是這種準分子雷射 維護很不容易。
本 論 文 實 驗 所 用 的 退 火 雷 射 如 圖 2-32、 圖 2-33， 功 能 如
表 2-5， 使 其 使 用 很 方 便 ，更容易維護， 是 將 Nd:YAG(波 長 為 1065 奈 米 ) 固 態 脈 衝 雷 射 三 倍 頻，取 其 355 奈 米 之 波 長 輸 出 信 號 ， 能 量 為 5 mJ/mm2， 作 為 退 火 之 加 熱 源 ， 將 非結晶矽 薄 膜 ， 或離子損傷處局部區域淺 接 面 高 摻 雜 區 ， 在 數 十 奈 秒 時 間 內 ， 加 溫 至 近 融 化 狀 態 後 ， 再 急 劇 地 降 溫 。 因 此 ， 在 高 溫 下 被 活 化 的 非結晶矽 薄 膜 及 摻 雜 物，在 極 短 時 間 內 就 會 再結晶或 停 在 晶 格 位 置 上 。
實 驗 中 為 了 將 水 平 射 出 的 雷 射 ， 轉 成 垂 直 方 式 ， 以 利 加 工 ， 故 用 一 組 光 學 系 統 將 雷 射 光 ，加 以 偏 折 ， 如 圖 2-34。 而 本 設 備 可 由 控 制 面 板 進 行 雷 射 射 出 、 預 熱 、 調 整 並 顯 示 輸 出 電 流 ， 如 圖 2-35。 而 尚 可 經 監 控 畫 面 如 圖 2-36， 進 行 雷 射 輸 出 頻 率 、 電 流 等 調 整 ， 因 本 雷 射 為 點 狀 輸 出 ， 所 以 本 研 究 運 用 XY 平 台 如 圖 2-37、圖 2-38，進 行 薄 膜 之 平 面 退 火 掃 描。
雷射操作步驟如下：
（1） 將按鈕轉至 Stand-by，此時是讓雷射先暖機約 3~5 分鐘。
（2） 按鈕轉至 Laser-on，開始有雷射功率輸出，我們藉由微調轉盤 來控制雷射輸出功率大小。
（3） 結束後，也是將按鈕轉至 Stand-by，等待約 3~5 分鐘，在關掉。
圖 2-31 準分子雷射精密聚焦系統外觀圖
圖 2-32 準分子雷射退火設備
圖 2-33 雷 射 水 平 輸 出 偏 折 成 垂 直 之 光 學 系 統 示 意 圖
圖 2-34 雷 射 輸 出 預 熱 並 顯 示 電 流 之 面 板 示 意 圖
圖 2-35 準分子雷射 X-Y 軸平台示意圖
表 2-5 準分子雷射退火設備規 格 表 準分子雷射退火設備規格
Wavelength 355 nm
DIVA Output energy 2.5 mJ DIVA HP output energy 5 mJ
Beam Diameter < 1.5 mm
2.5 網印機
本實驗網印導電銀膠的網印設備(圖 2-42)，是採用微閣工業所製 造的平面吸風網印機。優點在於為吸風平台加吸風馬達，適用於紙 張、貼紙、塑膠薄膜、刻度尺、皮革、磁磚、布、木板、標籤、塑膠 袋、醫藥用品、壓克力、銘板等較薄之平面產品印刷。所以很適合我 們在 PCB 板，或可撓式基板上網印導電銀膠。
操作介面（圖2-41）與步驟如下：
（A）調整
（1）打開電源後，設定網版與基版的厚度，3mm 是最小的高度。
（2）固定物件，開啟吸氣鈕（15）吸住物件，先按 6 再按 7，最後 按 2，直到右刮刀輕觸到物件。
（3）右刮刀調完後，再將網印版放入，對版後準備調整左刮刀，再 按 1。
（B）啟動
（1）用 5，6 之前，先要將 15 轉開。
（2）6 是手動式的，一按就會吸住物件。
（3）5 是開始網印時自動吸住物件，網印結束就停止吸附物件。
（4）平常使用時，一定要開 5。
（5）使用 7，8 前，3 或 4 要先關掉。
（6）9 是全自動，會一直印
（7）10 是半自動，只會輸入一次才印一次。
（8）11 是右至左的速度，12 左至右的速度，14 左右馬達。
（最常用的是4，5，10＝>量產模式。）
圖2-36 網印機操作介面示意圖
圖2-37 網印機外觀圖
2.6 真空控溫烤箱(Vacuum Oven)
真空控溫烤箱(Vacuum Oven)主要是由加熱爐，與抽真空設備，及 PID 回饋控制器控溫面板示意圖（圖 4-43）等兩個單元所組成，如 圖2-45。設定溫度，調整 PID 回饋控制器的相關參數，將待測物樣 品放入高溫爐中央，可由溫度顯示器觀察溫度的變化。烤箱上方連接 抽氣管，可將待燒結物體的廢棄物抽去。本研究中使用將經過導電銀 膠網印過後的基板上，依照基板的耐熱程度，可調控適當的溫度，進 行導電銀膠的固化作用。抽真空的目的在於真空脫泡，除水份，防氧 化加熱等製程，也適用於我們薄膜回火、光阻的烤乾等實驗所用。
溫控設定步驟如下：
等開機程序結束之後（PV 顯示實際鎗體溫度，SV 顯示溫度 0.0），
然後SET 扭按六次就會進入溫度的設定，要修該設定都是按 5，再由 6 和 7 去調整。而溫度的設定通常是設定三段，梯度示意圖如圖 2-44。
操作步驟：
（1）打開抽真空設備。
（2）第一階段設定，設定的是溫度，控溫精度是到小數點後 一位，然後是設定多少時間到達所設定的溫度值，最後是輸 出功率的設定，固定是 100％。
（3）第二階也是先設定要維持的溫度，然後是所要維持的時間，這 時所設定的時間也就是你加熱物件所需的溫度，輸出功率一樣 固定在 100％。
（4）第三階降溫設定，通常是降到室溫，時間建議是緩慢降溫，
以免造成設備的損壞，功率輸出設定降為 50％。
（5）然後按 SET 直到回復原來的實際溫度和預設溫度的項目，再 按約 7 兩秒。
圖2-38 控溫面板示意圖 圖 2-39 梯度示意圖
2.7 四點探針（Four-Point Probe）
量測導電性薄膜厚度最實用的方法就是量測片電阻[23]，片電阻 (Sheet Resistance)是傳導性材料之重要特性之一，尤其是導電薄 膜。片電阻值會受到薄膜厚度、晶粒尺寸、合金比例與雜質濃度等因 素影響，因此在製程過程中，常常會仔細的監控片電阻值，以建立片 電阻與晶片良率之間的關係。薄片電阻為一定義之參數，一條導線之 電阻可以表示成：
其中R 代表電阻，ρ為導體之電阻係數，L 為導線之長度，而A 為 該導線之截面積；若導線為一長方形之導線，寬度為W，厚度為t，長 度為L，則電線的電阻可寫成：
若為長寬相等的正方形薄片導線，即 L=W，則上列之等式可改寫成：
其中摻雜矽的電阻率ρ主要由摻雜物的濃度來決定，而厚度 t 主要 由摻雜物的接面深度來決定，由得知的離子能量、離子的種類和基片 的材料就能估計接面的深度，因此量測片電阻可以獲得有摻雜物濃度 之資料。
四點探針是最常用來量測薄片電阻的工具(圖 2-43)，其原理為只 要在其中兩個探針間加上固定之電流，並同時量測另外兩個探針間之 電壓差值，就可以計算出薄片電阻。一般而言，探針之間隔
S1=S2=S3=1mm，假設在薄膜面積無限大之狀況下，若電流 I 加在 P1 與 P4 之間，則薄片電阻為 Rs = 4.53 V/I，此處的 V 為 P2 與 P3 之 間的電壓；若電流加在 P1 與 P3 之間，則薄片電阻 Rs = 5.75 V/I，
V 為 P2 與 P4 之間的電壓。通常先進的工具都會進行四次量測，以 程式依序進行上述兩種量測組態，並改變每一種組態的電流方向來減 少邊緣效應以得到更準確之數值。
薄膜片電阻以四點探針量測(圖 2-44)，以四點探針搭配機台型號 為 Keithley 4200 IV 電性量測儀圖 2-45、圖 2-46，進行對各材質薄 膜片電阻的量測，其基本原理為使用四根平行探針， 由兩根探針對 試片通以固定電流(I)， 電流流經未知電阻， 再由其他兩根探針測 其相對電壓(V)，即可得到其片電阻值(R)，單位為Ω /□ 。利用下 列公式可算出片電阻值：
圖 2-41 四點探針原理示意圖
圖2-42 四點探針機台外觀圖
2.8 IV電性量測儀：
具有簡單設計完成一個I-V 量測特性，2~8SMU ，最大1A 電流 具0.1fA 電流解析能力，可量測Pre-Amp 或由無到100fA。本實驗 中，利用此設備觀察各薄膜沉積層之電性狀態分析。
圖 2-43 Keithley 4200 IV 電性量測儀外觀圖
圖 2-44 Keithley 4200 IV 電性量測儀顯示介面
第三章 生物探針與薄膜電晶體放大器整合製 作設計
3.1 微陣列生物探針製作流程
本實驗將設計不同大小植針面積的微陣列生物探針，將設計好 的微陣列生物探針圖形在印刷電路板上進行鑽孔並植針，完成微陣列 生物探針進行探針電性測量與進行生物阻抗的測試與分析，以下為設 計與製作微陣列生物探針電極的流程：
(1) 利用 AutoCAD 繪圖軟體，將微陣列生物探針 2D 建模。如圖 3-1 (2) 將建模完成的微陣列生物探針 2D 匯入雕刻機中,在 PCB 板上雕 刻植針孔。如圖 3-2
(3) PCB 板上雕刻完成如圖 3-3，並裁切，將 PCB 裁切不同面積的植 針板。
(4) 將不同面積大小的植針板放置不同深度夾置具上如圖 3-4，利 用導入導電銀膠並開始進行植針如圖 3-5。
(5) 把植針完畢的微陣列生物探針，送入加熱爐內進行導電銀膠的 固化階段。
(6) 固化完成,取出探針，即完成微陣列生物探針。圖 3-6
圖 3-1 PCB 板之生物探針設計與製作流程圖 PCB 板之微陣列生物探針設計
雕刻機進行 PCB 板鑽孔
網印導電銀膠並進行植針
固化銀膠，探針完成
微陣列生物探針電性測試
阻抗測試與分析 實驗開始
實驗結束
圖 3-2 微陣列生物探針植針示意圖
圖 3-3 微陣列生物探針 2D 模型
圖 3-4 雕刻機外觀示意圖
圖 3-5 未經裁切之微陣列生物探針 PCB 板
3.2 導電銀膠
本研究所用之 ECSI 導電銀膠，專門用在薄膜開關接點、晶片電子 零件、PCB 電路印刷及貫孔，具有高導電性、高附著性及耐震盪等優 點。適用於所有對電子 PC 板銅箔線路的修改、修補、清潔 、保護、
潤滑、接合之情況，如圖，ECSI 導電銀膠特性如下：
（1）固體含銀量：50％以上。
（2）黏稠度 10000~25000CPS（視室溫而定）。
（3）阻抗：0.07Ω/平方英吋（標準測試電阻 50Ω）。
（4）可使用甲醇做稀釋劑。
（5）加熱烘烤對附著性、導電性及耐磨性有很大的影響，在此使用 最普遍的方法，加熱 150℃烤 30 分鐘。
圖 3-6 ECSI 導電銀膠
將每根探針皆裁切成為約長度約 5mm 後進行植針。當探針穿過洞口 並頂到置具板所加工之深度時，則基板下方凸出的探針即是我們所需 探針之長度。在植針之前我們將每根探針的針頭皆裁切成 45。，以利 之後刺破皮膚之用。(探針所使用之材料為 0.2um 銀質金屬絲)。
圖 3-7 植針示意圖
’ 圖3-9 微陣列生物探針圖
圖3-10 微陣列生物探針近照圖
3.3 微陣列生物探針訊號傳輸線
當微陣列生物探針建置完成後，接下來即是進行微陣列生物探針訊 號的擷取。首先擷取一段阻抗為50 Ω 的同軸電纜(Coaxial Cable)，
以剝線鉗將同軸電纜兩端的中心導線，及外層的網狀導體分離，並將 網狀導體的銅絲，捲成細線以利後續製程焊接。
此處使用阻抗 50 Ω 的同軸電纜，主要是一般工業量測儀器所搭配 的接頭，亦多為阻抗50 Ω 之 SMA 接頭，故選擇同為阻抗 50Ω 之 同軸電纜，以利阻抗匹配訊號時，有最大功率的傳輸。
圖3-11 阻抗為 50 Ω 之同軸電纜
同軸電纜內外有兩種導體共同一個中心軸，外部是利用編織細密 的銅網來保護中心的導體，以避免受到外部電流的干擾。兩者之間由 一個絕緣材料分隔，最外層則是另一個具有整體保護作用的絕緣體。
在同軸纜線中，真正用於訊號傳輸的部份是內導線 (Inner Con- ductor)，網狀導體一般為接地 (Ground)以防止電磁波能量散射出去，
或被外界干擾。
將同軸電纜的一端，與製作完成之微陣列生物探針基板焊接一 起。銲接方式，同軸電纜的中間導線部分，需焊接在微陣列生物探針 基板的探針中間，當訊號傳輸之用；而同軸電纜外圍之銅線，則焊接 在微陣列生物探針基板溝槽的外圍，用於接地以隔離電磁波雜訊，如 圖3-10。焊接完成後要使用三用電表量測微陣列生物探針基板，測試 內外圍是否導通，若發生導通現象，將有可能是產生短路情形。
圖3-12 完成同軸電纜焊接之微陣列生物探針基板示意圖
3.4 可撓式基板上之薄膜電晶體放大器製程設計
以下是本研究所設計的電晶體閘極在上方結構之薄膜電晶體放大器 模組製程【24】【25】：
Step 1 運用高能雷射，在可撓式基板，燒蝕出複數個小貫通孔 (Through Hole)，以使兩面信號導通。
Step 2 在正反兩面，分別蒸鍍一層TiN(或其他導體)，做為種子層 (Seed)，而後雙面電鍍銅。
Step 3 電子槍蒸鍍二氧化矽或S i N3 4 或其他絕緣材料，進行光罩及黃 光製程，而後蝕刻此絕緣層，將連通至另一面(接觸生物)之兩
Step 4 蒸鍍非晶矽，運用光罩進行黃光製程，而後蝕刻此非晶矽，
使非晶矽部分區域形成4個電晶體元件島區(Island Q1、Q2、
Q3、Q4)，及連接至另一面(接觸生物)的兩個長條形區域，而 後進行雷射退火。
說明: 此將四個電晶體組成兩組反相放大器，其最後完成電路之接線 如圖3-13。
圖 3-13 四個電晶體組成兩組反相放大器示意圖
Step 5 先蒸鍍一層二氧化矽(或其他絕緣材料)及非結晶矽，運用光罩 進行黃光製程，而後蝕刻此非結晶矽，只留下閘極及連接至另 一面(接觸生物)的兩個L 長條形引線部份成形。
Step 6 運用光罩及黃光製程，將蓋在左邊三個NMOS 電晶體的閘 極，源極，汲極及兩個L 長條形引線部分的光阻去掉，以進行 N+離子植入，而後將光阻去掉。
Step 7 運用光罩及黃光製程，將蓋在PMOS 電晶體的閘極，源極 和汲極部分的光阻去掉，以進行P+離子植入，而後將光阻去 掉，並進行雷射退火。
Step 8 先蒸鍍一層絕緣層Si N3 4或或其他絕緣材料，再運用光
罩及黃光製程，而後蝕刻此絕緣層，開出可和各源極，汲極，
閘極及兩個L 長條形區域，進行連結的洞口。
Step 9 先蒸鍍金屬,再運用光罩及黃光製程,而後蝕刻此金屬層,以 便蓋住各源極，汲極，閘極，兩個L 長條形區域金屬連線的洞 口，及外圍10 個焊墊區成型。
Step 10 以電子槍蒸鍍
SiO
2，製作外層隔離濕氣及保護作用之絕緣 層。再運用光罩及黃光製程，蝕刻此絕緣層，開出對外連接 之外圍10 個焊墊位置的洞口，並無電電鍍鎳及金。Step 11 用網印方式，將導電膠，或焊錫膏印在連接Step 9 外圍焊墊 的10 個洞口，而後烘烤或迴焊形成凸塊，以便和電源、接地 及輸入/出之介面板(背面有BNC 等電氣接頭)完成連線，至此
即完成閘極在上方結構之薄膜電晶體放大器模組。
(2)薄膜電晶體放大器之介面整合模組製程
Step 1 將可撓式透明基板模組，雙面已鍍銅箔，做為模組電源、接 地及輸入/出之介面板。模組比模組要大，以便在外圍安裝性 能良好之BNC電氣接頭。
Step 2 運用光罩黃光製程，而後以蝕刻銅的溶液，將模組的雙面數 排，狗骨頭式的圖案，蝕刻出來，製作出上下兩表面完全對應 的圖案。
Step 3 用雷射加工方式，分別將表面連線外圍10 個洞口位置(要連到 BNC 電氣接頭) ，及內側(要連到模組)的部分燒穿(以利下 一步驟在下表面對應模組的部分，用網板印刷方式，製作凸 塊)。
Step 4 以網印方式,將導電膠或焊錫膏印在模組下表面。導電膠或焊 錫膏會因毛細現象，充滿孔洞部分及上表面。
Step 5 將薄膜電晶體放大器模組與透明之模組對準接合，並以迴 焊方式完成連線。而後在外圍10 個洞口位置安裝上BNC 接頭，
至此即完成薄膜電晶體放大器介面整合模組之製程。
薄膜電晶體放大器之介面整合模組上視圖
3.5 可撓式基板上之微陣列生物探針模組製程設計
以下是本研究所設計的可撓式基板上之微陣列生物探針模組製程 設計【24】【25】：
Step 1 用高能雷射在可撓式基板上，依微陣列探針的位置，驅動 xyz平台(承載基板)，進行雷射鑽孔加工。
Step 2 用第一塊光罩及黃光製程，做一層厚度為100um 的SU-8 光阻，以分隔陣列探針成為兩大區塊。
Step 3 雙面蒸鍍TiN,再電鍍銅,鎳及金5um。
Step 4 去掉SU-8 光阻。
Step 5 運用第一塊光罩及黃光製程，在反面先做一層厚光阻 (100um)，以便後續進行光阻掀離製程(Lift-off Process)。
Step 6 在反面運用第二塊光罩及黃光製程，再做一層SU-8 光阻 (100um)，以便做出陣列式的探針。
Step 7 再蒸鍍或濺鍍一層TiN(2um)，作為陣列探針接觸生物之介面 層。
Step 8 去掉SU-8 光阻，即完成陣列式生物探針之製程。
3.6 薄膜電晶體放大器與及微陣列生物探針模組整合
用導電膠或焊錫膏結合方式
Step1.將薄膜電晶體放大器與介面模組的背面,用網印方法,舖上一層 導電膠(如銀膠)或焊錫膏，以便與下一步微陣列生物探針模組, 以背對背方式接合。
Step2.將陣列生物探針製作完成的模組,背面用網印方法,塗上一層導 電膠(如銀膠)或焊錫膏，以便與模組以背對背方式接合。
Step3.將模組及模組以背對背方式接合,並加以烘烤(Curing)或迴焊 (Reflow),使二者電性連通,並完成機械之結合。本實施例步驟1 及2 使用銀膠之目的，是銀膠加熱後可軟化而分離,所以將來微 陣列生物探針模組這個部分可以抽換,維護成本低,也較方便。
第四章 無線射頻系統介紹 4-1 何謂 RFID
RFID是Radio Frequency Identification －「無線射頻身份識別 系統」，主要由讀卡機(Reader)和標籤卡片(Tag)這兩方面所組成的，
簡單來說，就是此系統利用射頻(RF)訊號以無線方式傳送及接收數據 資料，同時也利用此射頻訊號來做無線傳輸能量，以提供Tag端卡片 中所有電路運作的電源。因此在理想的使用情況下識別卡不需與讀卡 機接觸即可使讀卡機能讀、寫識別卡中所儲存的數據資料，進行資料 的傳輸、識別和交換。
RFID（Radio Frequency Identification；射頻無線辨識系統）【26】
【27】，是將一個極小的IC晶片貼在商品上，然後利用射頻技術將IC 內儲存之辨識資料傳遞至系統端作為追蹤、統計、查核、結帳、存貨 控制等用途。實際上RFID的應用包羅萬象，將是2005年最熱門的明星 產業。
圖 4-1 RFID 晶片
RFID 本身並不是很新的科技。早於二次大戰期間，它已被用作分
辨出友好戰機之用。戰後 RFID 的應用亦被擴展至保安系統，出入口 控制及自動閘口等多方面。多年來因為缺乏一套共用的標準，所以 RFID 技術一直未能被廣泛採用於供應鏈管理或其他的重要問題上。
但是，近年的技術改進，讓它有了新的生命。RFID 的系統架構大致 可分為標籤、讀卡機與系統應用三大部分，分述如下：
1.電子標籤(Tag)：分為被動式和主動式兩種。被動式 Tag 是接收讀 取器所傳送的 能量，轉換成電子標籤內部電路操作電能，不需外加 電池；可達到體積小、價格便宜、壽命長以及數位資料可攜性等優點。
2.讀卡機(Reader)：利用高頻電磁波傳遞能量與訊號，電子標籤的 辨識速率每秒可達50 個以上。可以利用有線或無線通訊方式，與應 用系統結合使用。
3 .系統應用（System application）：RFID 系統結合資料庫管理系 統、電腦網路與防火牆等技術，提供全自動安全便利的即時監控系統 功能。相關整合應用包括航空行李監控、生產自動化管控、倉儲管理、
運輸監控、保全管制以及醫療管理等。
RFID 技術的主要特色可以簡述如下：
（1）體積小：Hitachi 發展出之被動式 RFID 晶片僅 0.4mm X 0.4m
（2）成本低廉：估計 RFID 晶片被大量應用時單顆成本降至 5 分美金 以下。
（3）不易被仿製：RFID 可隱藏於物品內，除非是大型 IC 製造廠，
否則無法被仿製。
（4）可儲存大量資料：晶片內有 96 bits 容量，可辨識 1600 萬種產 品，680 億個不同序號。可以避免條碼方式常遭遇到的序號重 複問題。
（5）快速非接觸式資料讀取：接受器和晶片的間隔在 4 公尺內即可 感應，每秒可讀取 250 個標籤，比條碼辨識快數十倍，也無須 人工手持條碼機逐個掃描。
（6）其他特色：可以減少人工手動操作的錯誤，確保品質並降低成 本，提供即時資料等。
4-2 RFID 原理與構造
完整的RFID 系統，是由讀卡機(Reader)、標籤(TAG)，應用程式 (Software)，和資料庫電腦系統(Data Base)四個部份組成【28】，其動 作原理為：由Reader發射特定頻率之無線電波能量給TAG，用以驅動 TAG電路，並將內部之ID Code 送出，此時Reader依序接收解讀此ID Code，送至應用程式資料庫系統。RFID 讀卡機及電子標籤之間的通 訊及傳能感應方式為感應耦合(Inductive Coupling) (如圖4-2)
圖4-2 RFID系統磁場感應耦合示意圖
一般的 RFID 系統架構，主要由兩部份組成（如圖 4-3），第一：客 戶使用端所持有的 RFID 標籤(TAG)卡片，第二：可固定式或可攜帶式 的系統管理端的讀卡機。
以下是針對 RFID 系統各方塊圖及應用，進行說明：
圖4-3 典型的RFID 系統架構及各方塊及應用圖
（1） RFID 標籤(TAG)卡片（如圖4-4）
(a) 天線(Antenna)：接收、感應、讀取由讀卡機傳送的信號和能量，
並把所要求的數據資料，再經天線回傳給讀卡機。
(b) AC/DC整流、濾波、穩壓電路：把讀卡機傳送的射頻訊號，轉換 成DC電源，並經電容儲存能量，再由穩壓電路提供IC穩定的電源。
(c) 解調變電路(Demod)：將讀卡機傳送信號中的載波頻率移除，以 取出真正的調變訊號。
(d) 調變電路(Mod)：由微處理器編碼後，所送出的資訊，再經由調 變電路，將資料調變後傳至天線，再送回讀卡機。
(e) 編解碼電路(Codec)：將讀卡機傳送的信號，經由解調變電路，進 行解碼動作，取出數據資料，或可將記憶體中所存放的數據資料，
進行編碼動作。
(f) 記憶體(Memory)：為系統運作及讀取、存放識別資料的裝置，通 常使用EEPROM、SRAM、ROM等記億，以存放不同的資料型態。
(g) 微處理器(uP)：把讀卡機所傳送的信號，進行解碼動作，並依照 要求，回送資料給讀卡機，如果是有加密的RFID系統，則必需設 計有做加解密動作的電路。
(h) 時脈產生電路(Clock Generator)：在Tag Chip內，建時脈產生 電路，產生數位電路所需的標準參考時脈訊號。
圖4-4 RFID Tag 端電路方塊圖 (2) 讀卡機(Reader)（如圖4-5）
（a）天線：用來發送無線信號(包括Clock、Data、Energy)，給所有 使用端的Tag卡片，並接收從Tag 端所傳送回的無線訊號。
（b）RS-232 界面：負責連接讀卡機內部微處理器(μP)電路，及電腦 (PC)之間的連線。
（c）微處理器(uP)：負責控制所有數位編解碼資料的處理，及協調 讀卡機內主要電路的運作，也把傳送和接收所得的資料，傳回給 電腦，若應用於有加密的RFID系統，就必需做加解密電路的動作。
（d）記憶體(Memory)：為 RFID系統運作及存放所有識別的資料。
（e）調變電路(Mod)：把所要傳送給RFID Tag端的數位編碼信號，作 調變後再將這個調變信號，傳送給射頻電路的功率放大器，或
（f）解調變電路(Demod)：把從Tag端傳送的微弱射頻信號，解調變 回原本的數位編碼信號，再傳至微處理器，作資料的處理。
（g）RFID主系統的時脈產生器(Clock Generator)：負責產生 RFID系 統，所有數位邏輯電路的標準工作時脈。
（h）鎖相迴路+電壓控制盪器 (PLL+VCO)：電壓控制盪器，負責產 生射頻調變訊號，所需要的載波訊號，並且經由鎖相迴路，維持 固定頻率的載波信號。
圖4-5 RFID 系統之 Reader 端電路方塊圖
表4-1 不同辨識系統的比較
條碼系統 光學符號識別 生物識別
IC 卡 RFID
資料量(Bytes)
1~100 1~100 - 16~64k 16~64k
資料密度 低 低 高 非常高 非常高
機器讀取能 力
好 好 貴 好 好
受塵污影響 極高 極高 - 低 不受影響
受封套影響 高 高 可能 不受影響 不受影響
方向及位置 影響
低 低 - 有或無方向
性
不受影響
老化或磨損 有限制 有限制 - 接觸式有限
制
不受影響
成本 極低 中等 很高 低 中等
盜拷仿製 可能 可能 不可能 不可能 不可能
讀取速度 慢(0~4 秒) 慢(0~3 秒) 非常慢 (>5 秒)
慢(0~4 秒) 快(0~0.5 秒)
讀取距離
0~50cm <1 cm，掃瞄器 接觸 接觸式/非接 觸式
0~5 m，無 線電波
