矽奈米線場效電晶體在生化研究上的應用： 1.利用選擇性表面修飾法減低偵測所需樣品量及時間 2.結合生物脂雙層膜與矽奈米線場效電晶體作為偵測平台

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國立台灣大學理學院化學系碩士論文

Department of Chemistry College of Science National Taiwan University

Master Thesis

矽奈米線場效電晶體在生化研究上的應用：

1.利用選擇性表面修飾法減低偵測所需樣品量及時間 2.結合生物脂雙層膜與矽奈米線場效電晶體作為偵測平台

Applications of silicon nanowire field-effect transistors on biochemistry study：

1. Minimizing sample volume and detection time via selective surface modification 2. Coupling supported lipid bilayer to a silicon nanowire transistor as a biosensing

platform

楊婉鈴 Wan-Ling Yang

指導教授: 陳逸聰博士 Advisor: Yit-Tsong Chen, Ph. D

中華民國101 年 6 月 June, 2012

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誌謝

在這短短兩年的碩士生涯裡，首先，感謝陳逸聰老師讓我進入322 這個大家庭內，學習與成長，不論是研究態度或待人處事上，都獲得了許多。

在322 這個大家子裡，有著最堅強的博士後陣容、最認真的碩士級助理和最可愛的學生們。其中，我最要感謝的人也是最照顧我的人-博仁學長，謝謝你!

不藏私的教我實驗技巧，謝謝你!不怕煩的教我思考問題，謝謝你!總是想把我推銷出去，謝謝你!把我當自己妹妹一樣看待，謝謝!我最愛你啦!!!再來，感謝的是身為同組的建維學長，謝謝你!雖然你本人真的話很少，但在我剛進這個家子，

身為菜鳥時，你還是讓我感受到這家子的活潑與溫暖，我跟你和博仁學長，要是永遠的鐵三角唷!凱莉學姊，雖然你提早離開我們這家子，但謝謝你給著個家帶來這麼多歡笑。可欣學長，謝謝你一起陪我無聊的換管和抬槓。均達學長，謝謝你教我許多知識，我真的很佩服你的耐心。怡穎學姊，都是你誤會我，害我們過了大半年才熟起來，真是太可惜了，才剛混很熟，我就要畢業了，我會想念我們整天胡亂說的日子。耕慧學姊，真的太高興認識妳了，多了個懂我的人，真好。

怡成學長，謝謝你成天跟我吵架，還真有趣。我最親愛的同學-令瑋，謝謝你又陪我度過一次的畢業和次次的歡笑與淚水。還有，帝宇學長、博任學長、梁捷學長、佳璋學長、弘杰學長、其勻、家維、耀文和元錫，謝謝你們。

我們是永遠的322 大家庭，充滿著歡笑與淚水，相互扶持與鼓勵。我愛大家!

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摘要

矽奈米線場效電晶體 (silicon nanowire field-effect transistor, SiNW-FET) 生物感測器，具有高靈敏度 (sensitivity)、專一選擇性 (selectivity)、即時回應 (real-time response)、及無標記偵測 (label-free detection) 等優異特性，在近年來的生醫檢測應用上，引起相當廣大的關注與期待。本論文致力於矽奈米線場效電晶體製備之改良，與發展其在生物膜蛋白研究領域上的應用。

傳統上矽奈米線場效電晶體的表面化學修飾，並非僅在矽奈米線的表面，而是全基材表面的修飾 (all area modified, AAM)。而在本研究裡，我們成功地以

“bottom-up”(由上而下) 的方法製作出具選擇性表面修飾 (selective surface modification, SSM) 之矽奈米線場效電晶體。在此實驗中，首先以 3-胺丙基三甲氧基矽烷 (3-aminopropyltrimethoxysilane, APTMS) 修飾於矽奈米線的表面上，再以光刻法 (photolithography) 進行 SSM SiNW-FET 元件的製備。而透過一系列的實驗，我們確認了APTMS 在經過製程技術的操作過後，依然存在並不受破壞。

這種僅修飾矽奈米線感測表面之場效電晶體，仍然保持優異的電學性質 (具有歐姆接觸 (ohmic contact) 和高跨導 (high transconductance))。我們亦將 SSM SiNW-FET 與傳統修飾方法製作 AAM SiNW-FET 相互比較，實驗結果顯示 SSM SiNW-FET 於電訊號偵測時，具有 (1) 反應所需時間短和 (2) 所需樣品量少的優點。此實驗證明了：限制修飾區域，可以改善SiNW-FET 的靈敏度，提供一個具高靈敏度的生物感測平台。此外，我們亦致力於SiNW-FET 的表面上，鋪上生物脂雙層膜 (lipid bilayer) 以取代一般的化學修飾法。這種仿細胞膜的表面修飾，

讓矽奈米線場效電晶體生物感測器，成為全新的生物膜相關研究之平台。在此實驗中，我們使用 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) 中性磷脂質分子以微胞融合 (vesicle fusion) 的方式，於矽奈米線場效電晶體的表面鋪成生物脂雙層膜，並以螢光顯微鏡觀察脂雙層膜的覆蓋情形，以AFM 確認脂雙層膜的

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厚度，且透過一系列的電性實驗觀察脂雙層膜修飾後的性質。實驗結果顯示，矽奈米線場效電晶體的表面在形成脂雙層膜後，因其遮蔽了矽奈米線的表面，造成電訊號強度的下降，對此我們設計出網絡式 (multiple-parallel-connection, MPC) 矽奈米線場效電晶體的系統，以增強訊號強度與偵測極限。結合脂雙層膜與MPC 的優點，我們將可在仿生物所處環境中，利用SiNW-FET 進行相關主題的研究。

關鍵字：矽奈米線場效電晶體、生物脂雙層膜

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Abstract

Silicon nanowire field-effect transistors (SiNW-FETs) have drawn great attention because of their potential as a label-free, real-time, and ultra-sensitive sensor for biomolecular detections. As a biological sensor, the surface of a SiNW-FET device was conventionally all area modified (AAM) with receptors, covering not only the minute SiNW surface area but also the relatively massive surrounding substrate area.

However, target molecules could be captured on the upstream substrate area before reaching the SiNW surface in sensing measurements, thus jeopardizing the detection sensitivity. In this study, we have successfully fabricated SiNW-FETs with the selective surface modification (SSM) of receptors only on the SiNW sensing surface via gas-phase premodification and a bottom-up fabrication technique. Our results show that a SSM SiNW-FET, exhibiting desirable electrical characteristics with regard to ohmic contact and high transconductance, has the merits of faster response time, less sample requirements, and much improved detection sensitivity. Besides, we integrated SiNW-FET with a lipid bilayer to mimic the cell membrane for biological research, especially for the membrane protein studies. Our results show that a 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) lipid bilayer membrane with single or double lipid bilayers could be homogeneously formed on the SiNW-FET surface via a vesicle fusion method. However, because the shielding of the lipid bilayers on the underlying SiNW, signals were reduced in electrical measurement. To improve the signal acquisition from a lipid bilayer membrane covered SiNW-FET, we demonstrated that the electrical signals and the detection limit can be enhanced by utilizing a multiple-parallel-connection (MPC) SiNW-FET system.

Key words：silicon nanowire field-effect transistor、supported lipid bilayer

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圖目錄

圖 1-1 以 SiNW-FET 生物感測器偵測目標生物分子之示意圖 ... 3

圖 1-2 利用“top-down”方法製造 SiNW-FET 之示意圖 ... 5

圖 1-3 使用“bottom-up”方法製備 SiNW-FET 之示意圖 ... 7

圖 1-4 以 AAM SiNW-FET 和 SSM SiNW-FET 作為生物感測器示意圖 ... 8

圖 1-5 磷脂質的化學結構 ... 13

圖 1-6 雙層磷脂質的結構 ... 13

圖 1-7 三種不同的膜蛋白 ... 14

圖 1-8 模擬生物細胞膜的模型 ... 15

圖 1-9 以 LB 技術製備 SLBs 示意圖 ... 16

圖 1-10 以微胞融合的方法製備 SLBs ... 17

圖 1-11 單根與多根 In2O3奈米線電晶體之比較 ... 19

圖 1-12 MPC SiNW-FET 設計概念 ... 19

圖 1-13 以DOPC 中性磷脂質分子於 MPC SiNW-FET 的表面製備脂雙層膜作為仿細胞膜的生物感測元件 ... 22

圖 2-1 (a) VLS 生長機制合成矽奈米線 (b) 金-矽二元相圖 ... 23

圖 2-2 CVD 合成系統示意圖 ... 25

圖 2-3 外層電極之光罩設計圖 ... 27

圖 2-4 接觸轉印矽奈米線的步驟流程圖 ... 28

圖 2-5 內層電極之光罩設計圖 ... 29

圖 2-6 完成晶片製程步驟後之 SiNW-FET 實體圖 ... 30

圖 2-7 以 APTMS 修飾之矽奈米線 ... 31

圖 2-8 氣相修飾裝置示意圖 ... 32

圖 2-9 Biotin 固定化於 SiNW-FET 之化學反應機制圖 ... 34

圖 2-10 PDMS 化學結構 ... 35

圖 2-11 以 PDMS 製作的微流體通道 ... 35

圖 2-12 (a) 打線機 (b) 壓克力座架設裝置 (c) 流體實驗架設系統 ... 38

圖 2-13 電訊號量測系統示意圖 ... 39

圖 2-14 磷脂醯膽鹼的化學結構 ... 41

圖 2-15 DOPC 的化學結構 ... 41

圖 2-16 微胞製備流程圖 ... 42

圖 2-17 16:0-06:0 NBD-PC 的化學結構 ... 44

圖 2-18 螢光顯微鏡原理示意圖 ... 45

圖 2-19 製備脂雙層膜之實驗架設 ... 46

圖 2-20 以 AFM 量測 SLB 厚度之示意圖 ... 47

圖 2-21 MPC SiNW-FET 之內、外層電極設計圖 ... 49

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圖 3-1 硼摻雜矽奈米線以不同物鏡倍率下觀察之光學影像圖 ... 51

圖 3-2 硼摻雜矽奈米線之 HR-TEM 和 ED 影像圖 ... 52

圖 3-3 氣相與液相修飾矽奈米線之 SEM 影像 ... 53

圖 3-4 液相與氣相修飾之矽奈米線光學顯微影像 ... 54

圖 3-5 氣相修飾 APTMS 之矽奈米線和未修飾之矽奈米線以 AFM 和 KPFM 偵 測之影像圖 ... 55

圖 3-6 ESCA 圖譜 ... 56

圖 3-7 ESCA 圖譜之 N1s (401 eV) 圖譜訊號比例 ... 57

圖 3-8 SSM APTMS/SiNW-FET 以數位型多功能三用電表量測之 Isd-Vsd圖 .... 59

圖 3-9 AAM APTMS/SiNW-FET、SSM APTMS/SiNW-FET 和 Bare SiNW-FET 之Isd-Vg曲線 ... 59

圖 3-10 未經修飾之 p-type SiNW-FET 其電導隨不同 pH 溶液之變化 ... 60

圖 3-11 在不同 pH 溶液的環境下，APTMS 修飾之 p-type SiNW-FET 表面會發生 質子化和去質子化的反應 ... 61

圖 3-12 SSM APTMS/SiNW-FET 以不同 pH 緩衝溶液作電訊號的即時偵測 ... 62

圖 3-13 SSM APTMS/SiNW-FET 以不同 pH 值溶液作電訊號的偵測，其電導對 pH 的關係 ... 63

圖 3-14 基材面積與矽奈米線的比例約為 10⁶：1 ... 65

圖 3-15 以 avidin 偵測修飾有 biotin 之 SSM 和 AAM APTMS/SiNW-FET 的電訊 號 ... 66

圖 3-16 以相對電阻變化量對樣品消耗量作圖，比較 SSM APTMS/SiNW-FET 和 AAM APTMS/SiNW-FET 的偵測靈敏度。 ... 67

圖 3-17 以濃度 1 mg/mL 的微脂粒鋪成之脂雙層膜的螢光影像圖 ... 68

圖 3-18 「未離心」和「離心」兩種不同情況下，脂雙層膜的螢光影像 ... 69

圖 3-19 以不同濃度之微胞溶液製備脂雙層膜之螢光影像圖 ... 70

圖 3-20 在微流體通道的系統下，以不同實驗條件觀察脂雙層膜的穩定性 ... 72

圖 3-21 以 AFM 測量脂雙層膜 (以濃度 1 mg/mL 的微胞溶液製備) 所得之高度 影像圖，脂雙層膜的厚度約為10 nm ... 74

圖 3-22 以 AFM 測量脂雙層膜 (以濃度 0.01 mg/mL 的微胞溶液製備) 所得之高 度影像圖，脂雙層膜的厚度約為5 nm ... 74

圖 3-23 以濃度 0.01 mg/mL 的微胞溶液製備脂雙層膜，並以非利刃型器具對已 鋪成之脂雙層膜做十字形狀刮離，以螢光顯微鏡觀察之影像圖 ... 75

圖 3-24 以光學顯微鏡觀察製備完成之 MPC SiNW-FET 的內層電極 ... 76

圖 3-25 以光學顯微鏡觀察 MPC SiNW-FET 中任一組源-汲極電極 ... 76

圖 3-26 以 MPC SiNW-FET 量測 Isd-Vg曲線 ... 77

圖 3-27 分別以 MPC SiNW-FET 和 single SiNW-FET 在固定 Vsd下，以參考電極給予不同的Vg，量測Vg變化對電流的影響 ... 78 圖 3-28 比較未經修飾及表面鋪成有單層脂雙層膜之 MPC SiNW-FET 的 I-Vg曲

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線變化 ... 79 圖 3-29 比較未經修飾及表面鋪成有單層脂雙層膜之 MPC SiNW-FET 當溶液 pH

變化時，電訊號所受之影響 ... 80

表目錄

表 1-1 SSM SiNW-FET 各種製備方式 ... 10 表 3-1 MPC SiNW-FET 與 single SiNW-FET 之跨導與雜訊比得比較 ... 78

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簡稱用語對照表

AAM —all area modification, 全基材面積修飾 APTMS — 3-aminopropyltrimethoxysilane

biotin-HPDP — N-(6-(Biotinamido)hexyl)-3’-(2’-pyridyldithio)-propionamide BLM — black lipid membrane, 黑脂膜

CNT-FET — carbon nanotube field-effect transistor, 奈米碳管場效電晶體 CVD — chemical vapor deposition, 化學氣相沉積法

DOPC — 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine DTT — dithiothreitol

G — transconductance, 跨導

Isd — source-drain current, 源-汲極電流

MBS — 3-maleimidobenzoic acid N-hydroxy succinimide ester MLV — mutilamellar vesicle, 多層微脂粒

MPC SiNW-FET — multiple-parallel-connection silicon nanowire field-effect transistor, 網絡式矽奈米線場效電晶體

PC — phosphatidylcholine, 磷脂醯膽鹼 PDMS — polydimethylsiloxane

RIE — reactive ion etching, 反應性離子蝕刻

SiNW-FET — silicon nanowire field-effect transistor, 矽奈米線場效電晶體 SLB — supported lipid bilayer, 基板支撐之脂雙層膜

SSM — selective surface modification, 選擇性表面修飾 SUV — small unilamellar vesicle, 單層微脂粒

VLS — vapor-liquid-solid, 氣-液-固 λ^D — Debye-Hückel length

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第一章導論

第一節選擇性表面修飾之研究目標

1.1.1 矽奈米線場效電晶體生物感測器

生物感測器 (biosensor) 係指利用感測元件將生物訊息、或溶液中特定生化分子的改變量，轉換成電訊號以便紀錄分析的一種裝置。隨著科技不斷的進步，

其應用也越來越廣，包括在：化學分析¹、醫療診斷²、食品工業³、環境監測⁴… 等領域上，皆可見到各種生物感測器的運用。

建構生物感測器的材料與方法已歷經數十年的研究，值得一提的是在過去十多年間，奈米材料 (例如：量子微粒、奈米粒子、奈米線、奈米管、和奈米薄膜…

等) ^5-11 亦被導入生物感測器的製備當中。而隨著奈米技術的進步，也為生物感測器的改進產生了革命性的影響。由於這些尺寸約在1-100 nm的奈米物質，與核酸、蛋白質、病毒、和細胞…等生物分子大小相若，所以對於這些生物分子所造成的相對作用也特別的顯著。正因如此，以奈米材料和技術做成的生物感測器，

在偵測生物分子上顯得更加靈敏。

截至目前為止，已有多種不同的奈米級偵測技術被運用在生物領域的研究與應用上，包括了：奈米金標記、奈米線場效電晶體…等。而這些奈米級生物感測器的應用，均具有高靈敏度、選擇性、快速分析、低花費…等優勢。其中，又以一維半導體奈米材料所研發而成的矽奈米線場效電晶體 (silicon nanowire field-effect transistor, SiNW-FET) ^12-14 及奈米碳管場效電晶體 (carbon nanotube field-effect transistor, CNT-FET) ^15-17 廣受矚目。

所謂場效電晶體為一種透過外加電場效應，以控制半導體內部電流的電子元件。一般之設計包括三電極系統：源極 (source, S)、汲極 (drain, D)、和閘極 (gate, G)。此三電極控制的半導體，其中源極和汲極是以半導體通道做為架橋，閘極則

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是負責調控通道之電導 (conductance)。以p-型半導體為例，當在閘極施以負電壓時，將導致主要電荷載子 (電洞) 的累積，使得電導上升。而當使用場效電晶體做為感測器，由於帶電、或極性之生物系統及化學物質與場效電晶體之介電面結合時，其情形類似於以閘極提供一電壓於場效電晶體上，致使場效電晶體能因此而產生電訊號的變化。

在傳統場效電晶體的設計裡，源極和汲極之間的架橋是微米等級的二維平面半導體通道。當這二維微米通道以一維之半導體奈米線取代時，就成了奈米線場效電晶體。而此一通道尺寸的改變，正是場效電晶體偵測靈敏度大幅提升的重要關鍵。相較於微米平面，一維奈米線具有極高的表面容積比 (surface-to-volume ratio)，當場效電晶體做為感測器時，分析物結合在一維奈米線的表面時，會產生較大的電導變化¹⁸。

過去的數十年間，奈米級場效電晶體作為生物感測器廣受矚目，特別是在 SiNW-FET的發展上。SiNW-FET是以單晶矽做為材料，易與以矽基材為基礎的半導體技術進行整合，從而獲得相關成熟半導體技術的支援與成本控制，除此之外，其亦具有高靈敏度 (sensitivity)、專一選擇性 (selectivity)、即時回應 (real-time response)、無標記偵測 (label-free detection) 等優異特性。至今，已被廣泛應用在蛋白質¹⁷、DNA¹⁵、RNA¹⁸之檢測，神經傳導物質¹⁹、腫瘤標誌物²⁰、和病毒的識別²¹…等。

SiNW-FET生物感測器，是在矽奈米線的表面修飾上特定的受體 (receptor) 做為感測元件。當系統暴露在含有目標分子 (例如：蛋白質、DNA、RNA…等) 的溶液環境中，目標分子會與受體結合於SiNW-FET的表面。此時，生物分子所帶的電荷形成之電場，便會影響SiNW-FET內之電子或電洞數目，進而引發電導度的上升或下降 (圖1-1) ¹⁹。而藉由電導度的變化量，便可定量地計算出目標生物分子的濃度。此種偵測方式不需對生物分子做任何標記，相對於一般用來研究生物分子間作用的方法，例如：螢光共振能量傳輸 (fluorescence resonance energy

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transfer)、共同免疫沉澱 (coimmunoprecipitation)…等技術，皆需以螢光分子來標定待測之樣品，然而SiNW-FET生物感測器則具有免標記檢測的優點。此外，半導體通道的粗細也會影響奈米線場效電晶體的靈敏度^22,23。直徑粗的通道，因其表面容積比減小，所以當帶電粒子接近時，此外來電場所影響的通道截面積，僅止於離表面不遠處，致使導通與截止比 (on/off ratio) 不高。相反地，當通道直徑縮小至奈米等級時，表面容積比急速地增加。因此同樣的帶電粒子接近時，相同的外來電場強度，就可以很容易地影響到奈米線的全部橫截面，致使導通與截止比大幅增加，同時靈敏度也會大幅提升。

圖 1-1 以 SiNW-FET 生物感測器偵測目標生物分子之示意圖。左圖表示在緩衝 溶液中，目標生物分子結合到表面修飾有受體之SiNW-FET 感測器。右上圖顯示，

在源-汲極間維持固定的電壓下，未與待測物結合的 SiNW-FET 顯示了固定的電流值。右下圖顯示：當目標生物分子與SiNW-FET 表面上的受體相結合時，待測物所帶的靜電場，會對矽奈米線產生表面電位變化，而導致電流值的改變。因此，

我們可透過對這些電訊號的監控，來判定目標生物分子與SiNW-FET 表面上的受體是否相結合¹⁹。

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1.1.2 矽奈米線場效電晶體之元件製備

SiNW-FET 的製備主要為：“top-down” (由上而下) 和 “bottom-up” (由下而上) 兩種方法。“top-down” 的方法是透過光刻 (photolithography) 過程，並結合電子束微影的技術，以對單晶矽晶片做物理蝕刻。而“bottom-up” 方法，一般是使用化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition, CVD) 先合成矽奈米線，接著對矽奈米線進行組裝，最後再以光顯影技術刻畫電極，完成元件的製備。

“Top-down” SiNW-FET

以“top-down”方法製造SiNW-FET，主要的工作在於運用絕緣體層上覆矽晶圓 (silicon-on-insulator, SOI) 施予光刻加工。SOI晶圓結構包含三個部分：矽晶圓基底、二氧化矽夾層 (約200-400 nm)、頂部矽層 (約50-100 nm)。如圖1-2所示，

“top-down”之製程需要經過蝕刻的標準程序，包括：反應性離子蝕刻 (reactive ion etching, RIE)、離子植入 (ion implantation)、電子束微影製程 (electron-beam lithography)、和熱蒸鍍 (thermal evaporation)，以連結矽奈米線和電極形成 SiNW-FET裝置。

典型的“top-down”製程方法如圖1-2所示，其第一步 (圖1-2 (i)) 為將頂部矽層摻雜低密度的硼或磷，以決定矽奈米線為p-型或n-型半導體屬性；第二步 (圖 1-2 (ii)) 是在光罩設計圖案上之電極預留處，予以高密度摻雜，定義出高導電度 的電極區域；第三步 (圖1-2 (iii)) 係利用RIE蝕刻出微米等級區塊；下一步 (圖 1-2 (iv)) 則是利用電子束或是精準控制的化學液相蝕刻法，刻畫出奈米級的矽奈 米線；最後，利用熱蒸鍍法製作背向閘極 (back-gate)，並於晶片之正面鍍上一絕緣層於SiNW-FET上。

相較於“bottom-up”的方法，“top-down”的製程較為複雜，且因其過程需仰賴高解析的顯影技術，故有較多昂貴儀器的需求。“top-down”技術之另一挑戰，則是其所產生的矽奈米線寬度最小僅可達約100 nm。因此，如何就此兩點做改善，

一直是“top-down”製程技術面臨的重要課題。

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圖 1-2 利用“top-down”方法製造 SiNW-FET 之示意圖。首先將 SOI 晶片之上層 矽晶圓做低密度參雜，使具適當的低電導度；然後在特定區間做高密度參雜，使其成為具高導電度之導體區塊。接著利用定向乾式蝕刻電漿，蝕刻出微米等級之微米線結構。最後使用高能電子束蝕刻出奈米等級之矽奈米線¹²。

“Bottom-up” SiNW-FET

在“bottom-up”的製作過程中，首先是利用CVD方法生成矽奈米線，再藉由各種不同的技術，將矽奈米線組裝在矽基底上¹²，最後透過光顯影、或電子束微影技術以完成SiNW-FET的製作。

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以CVD 方法成長矽奈米線的過程 ( 圖 1-3 (i)) ，係依據氣 - 液 - 固 (vapor-liquid-solid，簡稱VLS) 的生長機制以完成²⁴。此法利用金屬奈米粒子做為合成矽奈米線的催化劑，金屬奈米粒子之粒徑同時亦可控制合成的矽奈米線之直徑大小。隨後 (圖1-3 (ii))，將矽奈米線懸浮於乙醇溶液中，並散佈在矽基底的表面。接下來 (圖1-3 (iii))，將兩層光阻 (分別為LOR3A和S1805) 利用旋轉塗佈法將其覆蓋於矽基底上，並透過光罩曝光、洗除照光後之光阻，製作出微電極之預留空間。下一步驟 (圖1-3 (iv)) 則是利用熱蒸鍍法，鍍上金屬的源極和汲極；最後 (圖1-3 (v)) 使用去光阻液 (remover PG) 除去殘餘的光阻層，

留下的金屬圖案便是所需的微電極。

相較於“top-down”，以“bottom-up”方法合成的矽奈米線具有：高結晶度、可隨意指定摻雜密度、可控制覆蓋於矽奈米線上之氧化層的薄度 (2-3 nm)、和易掌控矽奈米線直徑大小 (可輕易達 < 10 nm) 的優點。一般而言，此一方式所產生的SiNW-FET，有較高的偵測品質，唯每一奈米線的各項性質參數可能有所差別。

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圖 1-3 使用“bottom-up”方法製備 SiNW-FET 之示意圖。首先利用 CVD 方法合成 出參雜有微量硼或磷之矽奈米線，接著將此矽奈米線塗佈於矽晶片上。接著以塗佈光阻、曝光、顯影、蒸鍍等技術，製作連結矽奈米線兩端之微電極¹²。

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1.1.3 研究動機

以CVD方法合成的矽奈米線，因曝露於空氣當中，表面易生成二氧化矽氧化層 (silica sheath) ，此氧化層使得矽奈米線的表面可藉由修飾特定的受體 (receptor) 來偵測目標分子 (target molecule)，而最常用來修飾SiNW-FET表面的分子是3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS)，其一端可接有特定受體，另一端則與矽奈米線表面上的二氧化矽氧化層相連接。然而，因為矽奈米線的表面與用於製作SiNW-FET之矽晶圓表面皆為相同的二氧化矽材質，造成APTMS化學鍵結分子的修飾並非僅於矽奈米線的表面，連帶周遭基材的表面亦與修飾分子反應，

這樣全基材面積修飾的矽奈米線場效電晶體我們稱它為all area modification SiNW-FETs (AAM SiNW-FETs) (圖1-4)。利用AAM SiNW-FET作生物分子的偵測 時，因矽奈米線的表面相對基材表面來說，其所佔比例極小，造成絕大部分的目標分子是被位於基材表面上修飾的特定受體所捕捉，不具有偵測的效果，使得偵測靈敏度的下降。

圖 1-4 以 AAM SiNW-FET 偵測生物分子時，絕大部份的目標分子是被位於基材 表面上修飾的特定受體所捕捉，不具有偵測的效果，造成樣品的浪費；相反地，

SSM SiNW-FET 因選擇性修飾特定受體於矽奈米線的表面，可避免樣品的浪費且減少偵測所需的時間。

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依據文獻，將受體僅修飾於偵測感應區域，以改善偵測靈敏度的方法有數種，

包括：光刻法 (photolithography) ²⁵、微接觸印刷 (microcontact printing) ²⁶、靜電吸引 (electrostatic attraction) ²⁷、奈米墨水筆 (dip-pen nanolithography) ²⁸ …等以上方法皆可製備出僅在感應區域作選擇性修飾的場效電晶體，我們稱之它為 selective surface modification SiNW-FET (SSM SiNW-FETs) (圖1-4)，但其所能控 制的最小修飾面積受限於微米等級，或者是需要專業技術的操作。另外，亦有文獻指出以silicon-on-insulator (SOI) 為基礎利用焦耳熱 (Joule heating) ²⁹ 和化學蝕刻 (chemical etching) ³⁰ 兩種方法，製作SOI-based SSM SiNW-FET以達靈敏度改善的目的。前者的作法，係將SOI SiNW-FET的表面預先塗佈一層聚合物，再藉由高源-汲極電流 (source-drain current, Isd) 產生焦耳熱，消融位於矽奈米線上方的聚合物，因此化學鍵接分子即可被修飾於矽奈米線的表面，達到選擇性表面修飾的目的；後者則是藉由控制蝕刻的速度，僅將矽奈米線表面上的二氧化矽去除，留下基材表面上的氧化層，此時矽奈米線的表面化學結構為Si-H，再利用紫外光輔助催化反應，將含烯基的化學鍵接分子修飾在矽奈米線的表面。這兩種方法皆成功地製作了SSM SiNW-FET，但因為高源-汲極電流所產生的焦耳熱可能會造成SiNW-FET結構的破壞，而蝕刻法若控制不得當，也很可能導致在進行生物感測實驗時產生漏電的情形，除此之外，這兩種方法僅適合以SOI為基礎之「由上至下」場效電晶體的製程方式，並不適用於「由下至上」的元件製備方式。

製備高品質的SSM SiNW-FET以提高偵測效率，在SiNW-FET作為生物感測器的應用上已成為一重要的課題。截至目前為止，大部分的SSM SiNW-FET都是建立在以SOI為基礎之「由上至下」的製程方式 (表1-1)，在本研究中，我們以「由下至上」的方法，首先將矽奈先線的表面修飾上APTMS，然後再以光刻法製作出預修飾APTMS之SSM APTMS/SiNW-FET。

(21)

10

The fabrication methods used to prepare SSM SiNW-FETs via a top-down or bottom-up approach.

Chip

type^(a) Modification method

Selective modified

area

Test of selective modification

Test of detection sensitivity Ref.

Top-down patterned photoresist μm² - biotin/avidin 31

Top-down thermal^(b) wire only -NH2/nano gold - 29

Top-down Si-H^(c) wire only -NH2/nano gold - 30

Top-down Si-H^(c) wire only - PNA/DNA 32

Bottom-up

surface modification of SiNWs prior to device

fabrication

wire only AFM/KPFM biotin/avidin

this study

表 1-1 (a) 以 SOI 為基礎的 Top-down (由上至下) SiNW-FET；以 CVD 合成法 製備之Bottom-up (由下至上) SiNW-FET。 (b) 施以高源-汲極電流將位於矽奈米線上方的聚合物熱消融。 (c) 以 HF 和 NH4F 蝕刻矽奈線表面的二氧化矽層，使矽奈米線的表面結構變為Si-H 並以含烯基的化學鍵接分子作表面修飾之。

(22)

11

1.1.4 研究目標

一般場效電晶體的表面修飾方法為「液相」修飾，但此法所修飾的範圍，不僅是在矽奈米線的感測表面上，尚包括了整個基材的表面，不具有選擇性，導致在作流體電訊號偵測時，偵測樣品是被大部分不位在矽奈米線感測表面上的受體 (receptor) 所抓取，造成樣品的浪費，也降低了偵測靈敏度。除此之外，因液相修飾APTMS 化學鍵接分子時，易發生聚積的現象，造成矽奈米線表面累積過厚的APTMS 分子，導致偵測靈敏度的下降。

為改善液相修飾所造成的缺點，在此篇論文中，將APTMS 化學鍵接分子預修飾於矽奈米線的表面上，以 bottom-up 的製程方式，製備選擇性表面修飾的 SiNW-FET，以提高偵測靈敏度、減少樣品的浪費，並避免修飾分子聚積的情形。

(23)

12

第二節生物脂雙層膜作為偵測平台之研究價值與目的

1.2.1 生物細胞膜

生物細胞膜 (cell membrane) 為細胞結構中用來分隔細胞內、外不同介質和組成成份的界面，其主要的功能為：維持細胞結構的完整性以保護細胞內的成份、

控制細胞內外物質的進出及訊號的傳遞、藉由表面之醣基化胜肽提供辨識功能以調控細胞間的交互作用…等。

細胞膜作為細胞的疆界，將細胞內的物質包圍起來，使其不與細胞外的物質產生混淆，為細胞中重要的構造之一，而此構造需符合能將細胞內、外的物質作有效的分割和使細胞能與環境之間進行物質交換的要求。因細胞內、外的物質皆屬水溶性，故細胞膜為一不溶於水的結構，也就是脂質 (lipid)，且其必需為一層連續的脂質，才可將細胞內、外的物質作有效的分割，而細胞的生命必須仰賴於環境中吸取養分，亦必須將廢物排出至環境中，且因養分和廢物都是水溶性物質，

所以細胞必需要有機制能將水溶性物質運輸通過以脂質組成的膜，而此傳輸通道通常由蛋白質所組成。因此，細胞膜主要是由脂質作為基本單位重複組成，且鑲嵌有各種類型的蛋白質。

細胞膜的結構可由1972 年美國加州大學 S. J. Singer 和 G. L. Nicolson 所提出的「流體鑲嵌模型」 (Fluid Mosaic Model) 來解釋³³，此觀點主張構成膜的蛋白質和脂質分子具有鑲嵌的關係，且膜的結構處於流體變化之中。

在流體鑲嵌模型下，細胞膜主要是由磷脂質分子雙層排列所組成。磷脂質分子為兩性 (amphiphilic) 分子，具有親水性的頭端和疏水性的尾端 (圖 1-5)，且因細胞膜內、外皆為水溶液，故雙層磷脂質分子的頭端皆朝向水相，而疏水性尾端則兩兩相接埋於膜內 (圖 1-6)，形成一穩定的結構。

(24)

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圖 1-5 磷脂質的化學結構，具有親水性的頭端和疏水性的長碳鏈尾端³⁴。

圖 1-6 雙層磷脂質的結構³⁵。

在流體鑲嵌模型中，因磷脂質分子之間是依靠凡得瓦力 (van der Waals force) 互相吸引，且此作用力相當微弱，使得磷脂質分子之間很容易互相吸引，亦很容易相互分離，故磷脂質分子可以隨著液體分子之間的流動性而靠近或分離，使得細胞膜具有流體的特性，而細胞膜的鑲嵌性則是源自於蛋白質的附著，這種附著於細胞膜上的蛋白質我們稱之為「膜蛋白」(membrane protein)。根據與細胞膜相連接的位置，可將其分為三類 (圖 1-7)：

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14

1. 外周膜蛋白 (peripheral membrane protein)：附著於細胞膜表面或內在膜蛋白的蛋白質分子。

2. 內在膜蛋白 (integral membrane protein)：蛋白質分子僅部分與膜結合，並不跨越細胞膜。

3. 跨膜蛋白 (transmembrane protein)：跨越細胞膜兩端的蛋白質。

圖 1-7 三種不同的膜蛋白³⁶。

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1.2.2 基板支撐之脂雙層膜

一般用來模擬生物細胞膜的模型有兩種：(1) 黑脂膜 (black lipid membranes, BLMs) ³⁷ 基板支撐之脂雙層膜 (supported lipid bilayers, SLBs) ³⁸。BLMs 的形成是將脂雙層膜製備於疏水性基板間的微小孔洞之間 (圖 1-8(a))，常被用來研究離子通道的形成^37,39，但由於BLMs 是懸浮在溶液中，易遭受破壞，導致其穩定性不佳；SLBs 則是一種製備於固體基材表面上具流動性的脂質膜 (圖 1-8(b))，其穩定性較佳，可用來作為脂質擴散⁴⁰、膜蛋白嵌入^41-51和蛋白質與雙層膜的結合

52-56等相關研究的平台。常見用來鋪成 SLBs 的基材有雲母 ⁵⁷、硼矽玻璃 ⁵⁸、二

氧化矽⁵⁹…等，這些表面皆具備有親水、平滑、乾淨等特性，因為雙層磷脂質分子的親水性頭端朝向外，同樣為親水性的基材表面可將其吸引，使其吸附於表面上，而平滑且乾淨的表面可提高SLBs 鋪成的品質，減少脂雙層膜缺陷的產生。

圖 1-8 模擬生物細胞膜的模型：(a) 黑脂膜 (black lipid membranes, BLMs) (b) 基板支撐之脂雙層膜 (supported lipid bilayers, SLBs) ⁶⁰。

因為SLBs 的穩定性佳且較適合使用在 SiNW-FET 的偵測平台上，故在本研究中我們選擇SLBs 作為模擬生物細胞膜的模型。

常見製備SLBs 的方法有：LB 技術 (Langmuir-Blodgett technique) 和微胞融合 (vesicle fusion method)。

(27)

16

 LB 技術 (Langmuir-Blodgett technique)

LB 技術是利用機械方式，將界面分子薄膜轉移至固體基板以製備分子單層與多層薄膜的系統，其步驟可簡單分為下列兩部分：

I. 兩性脂質分子於液氣介面間散佈

當兩性脂質分子分佈在液體表面上形成單分子層時，此單分子層級是所謂的 Langmuir單分子層。Langmuir 單分子層的形成是藉由具揮發性的溶劑 (通常使用n-hexane或CHCl³)，將脂質分子均勻分布在空氣/液體的界面上，當有機溶劑揮發後，兩性分子分佈在水和空氣的界面間，親水基向下和水接觸，疏水基則朝上遠離水層，再藉由擠壓表面的兩性脂質分子，使得分子和分子間的距離減小，形成緊密堆積的單分子層 (圖1-9 (a))。

II. LB 薄膜沉積於固體基板

首先，將一適當的固體基板移出佈滿 Langmuir 單分子層的液面，並同時利用電動機械手臂維持表面壓力，使單分子層可由液面轉移至固體基板上，形成親水端面向基板表面、疏水端暴露於空氣中、規則、排列緊密且具有方向性的單層分子薄膜 (圖 1-9 (b))。

將已鋪有單層分子薄膜的基板再度浸入佈滿 Langmuir 單分子層的液面中，

使得脂質分子以尾對尾的方式堆疊，於基板的表面上形成SLBs (圖 1-9 (c))。

圖 1-9 以 LB 技術製備 SLBs 示意圖。(a) 兩性脂質分子於液氣介面間散佈，並 藉由電動機械手臂的擠壓，形成緊密堆積的單分子層。(b) 將固體基板移出液面，

使單分子層轉移至基板表面。(c) 將固體基板浸入液面中，形成 SLBs 於基板表面⁶¹。

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 微胞融合 (vesicle fusion method)

以微胞融合法製備SLBs (圖 1-10) 是目前最常見的一種方法，其製備步驟可簡單分為下列兩項：

I. 微胞吸附於基材表面。

II. 利用帶二價之陽離子，使微胞相互融合，形成SLBs 於基材表面上⁶²。

圖 1-10 以微胞融合的方法製備 SLBs。

由於微胞融合法相較於LB 技術，其製作方式來得較為簡單、方便且不須使用昂貴的器材，即可完成SLBs 的製備，故為目前最受歡迎的製備方式。在本實驗中亦以微胞融合的方式製備SLBs 於 SiNW-FET 的表面上，進行相關主題的研究。

(29)

18

1.2.3 網絡式矽奈米線場效電晶體

文獻 ⁶³指出，SiNW-FET 的表面在鋪成 SLB 後，因其遮蔽了矽奈米線的表面，造成電訊號強度的下降，對此我們設計出網絡式矽奈米線場效電晶體 (multiple-parallel-connection silicon nanowire field-effect transistor, MPC SiNW-FET) 的系統，以增強訊號強度與降低偵測極限。

MPC SiNW-FET 的設計概念是欲將偵測所得之訊號雜訊比提高，而電訊號偵測之訊雜比 (signal-to-noise ratio, SNR) 又與 Isd-Vg曲線之斜率有關⁶⁴，關係式如下：

當Isd-Vg曲線之斜率增加，ΔI 值上升，使得 SNR 上升，故如何使 I^sd-Vg曲線之斜率增大，為一重要的課題。在此Isd-Vg曲線之斜率即所謂跨導 (transconductance, G)，其公式如下：

2004 年，Zhou 的研究團隊以 In2O3奈米線電晶體選擇性偵測NO2氣體 ⁶⁵，其研究指出，當奈米線的數量由單根增加至多根時，可使得感測器的靈敏度增加 且降低偵測極限。圖 1-11 顯示，當只有單根 In2O3奈米線的電晶體作為偵測NO2

氣體的平台時，其偵測極限約為20 ppb，若將 In2O3奈米線的數量增加至數百根以上，則偵測極限可降低至5 ppb，故認為奈米線數量的增加，可以提高偵測靈敏度並有效降低偵測極限。

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圖 1-11 (a)以 Ti/Au 作為源-汲極電極之單根 In2O3奈米線電晶體。(b)以單根 In2O3

奈米線電晶體偵測NO2氣體，偵測極限約20 ppb。(c)多根 In2O3奈米線電晶體。

(d) 以多根 In2O3奈米線電晶體偵測NO2氣體，偵測極限可達約5 ppb ⁶⁵。

類似的概念轉換至 SiNW-FET 上，將奈米線的數量增加 (圖 1-12)。原先一 對一 (共 180 對) 源-汲極電極之 SiNW-FET 的設計上 (簡稱 single SiNW-FET)，

每對源-汲極電極間大約只含有一至數條 (< 10) 的矽奈米線，其跨導值約在 1000~3000 之間，若可以將源-汲極電極間的矽奈米線數量提升，使得 Isd-Vg曲線斜率增加，跨導值上升，提升訊號雜訊比，即可增加SiNW-FET 的靈敏度且降低偵測極限，以避免在脂雙層膜形成於SiNW-FET 的表面後，因遮蔽了矽奈米線的表面，造成電訊號強度的下降，導致後續生物分子偵測實驗的偵測極限受限。

圖 1-12 MPC SiNW-FET 設計概念。將矽奈米線的數量增加，以提升 Isd-Vg曲線斜率值，得較佳的訊雜比。

(31)

20

1.2.4 研究動機

呼吸作用 (cell respiration) 為生物體細胞將養分分解產生能量的過程，而絕大部分的分解作用是藉由催化酶促進氧化還原反應的進行。在呼吸作用中，養分的來源有三大物質，分別為碳水化合物、蛋白質和脂質。而以粒腺體為例，呼吸作用是透過糖解作用 (glycolysis)、丙酮酸脫羧 (pyruvate decarboxylation) 和檸檬酸循環 (citric acid cycle) 等步驟，將能量暫存至 NADH 與 FADH2中，最後經由電子傳遞鏈 (electron transfer chain)，生成三磷酸腺苷 (ATP)，提供細胞能量，以供生命活動使用。電子傳遞鏈是由一系列電子傳遞蛋白所組成，而組成的聚合蛋白分子皆嵌合於粒腺體內膜，包括了五個膜蛋白複合物 (complex I, II, III, IV, V) 和脂溶性電子載體 (quinone)。

細胞色素 c (cytochrome c, cyt c) 為一個微小的血紅素蛋白，位在粒腺體的內 膜與外膜之間，是電子傳遞鏈中不可或缺的重要角色。在電子傳遞鏈中，cyt c 負責作為電子傳遞鏈中複合物 III (cytochrome c reductase) 和複合物 IV (cytochrome c oxidase, CcO) 間的架橋，將電子由複合物 III 傳遞至複合物 IV，行 氧化還原反應⁶⁶。而至目前為止，普遍認為在電子傳遞機制的多個步驟中，cyt c 和CcO 的結合為機制當中的速率決定步驟⁶⁷，且依據文獻^68,69所指，當cyt c 與 CcO 結合時，會引發結構的改變，接著結構改變的 cyt c 會重新安排其與 CcO 結 合的位置，並將電子傳遞至CcO 上。

然而在文獻中，受限於現有的研究方法， cyt c 與 CcO 結合之機制仍未明確。

因此我們欲以SiNW-FET 能免標記偵測蛋白結合的優勢，來建立新的偵測平台。

同時，我們將藉由控制不同的電位，來研究cyt c 或 CcO 在不同的氧化還原態下 的結合情形。而由於 CcO 為膜蛋白，為維持蛋白質在生物體內的構形，我們須 仿造一個類似細胞膜的實驗平台，以測量CcO (膜蛋白) 與 cyt c (水溶性蛋白質) 間之交互作用。

脂雙層膜的結構可以用來維持細胞的構形、保護細胞中的元素，形成一個穩

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21

定和天然的屏障，控制細胞內、外物質的進出，除此之外，脂雙層膜亦可容納大量具識別、運輸、信號傳遞功能的蛋白質。故以磷脂質雙層膜模擬生物細胞膜，

除了可以維持脂質分子二維的流動性之外，亦可維持膜蛋白的構形，並保持其功能性，而如何建造可維持膜蛋白功能的生物奈米偵測介面，為一個相當重要課題。

近年來的研究中，許多學者開始致力於利用脂質膜建造奈米級生物感測元件

63,70,71，儘管已經取得了初步的研究工作，但其尚具有許多應用的可能性，假若

我們亦可成功地將脂質膜鋪成在SiNW-FET 的表面上，對後續膜蛋白作用等相關主題的研究具有一定程度的幫助。

(33)

22

1.2.5 研究目標

此論文的第二部分，目前僅進行至生物脂雙層膜與SiNW-FET 的結合，作為一個全新的生物感測平台。

一般SiNW-FET 生物感測器，是藉由化學鍵接分子在矽奈米線的表面修飾上特定的受體 (receptor) 作為感測元件。在此部分的研究中，我們欲以 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) 中性磷脂質分子於 SiNW-FET 的表面鋪上一層脂雙層膜 (圖 1-13)，模仿生物細胞膜的環境，取代一般的化學修飾法，以維持欲偵測蛋白之構形與功能。

依據文獻所指⁶³，SiNW-FET 的表面在形成脂雙層膜後，因其遮蔽了矽奈米線的表面，造成偵測電訊號強度的下降。故為避免因訊號強度的下降，導致偵測極限受限，對此我們以MPC SiNW-FET 的系統作為全新的感測元件，以提高偵測之訊雜比與降低偵測極限。結合脂雙層膜與MPC SiNW-FET 的優點，我們將可在仿生物所處環境中利用SiNW-FET 進行膜蛋白等相關主題的研究。

圖 1-13 以DOPC 中性磷脂質分子，於 MPC SiNW-FET 的表面製備脂雙層膜，

作為仿細胞膜的生物感測元件。

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第二章實驗方法

第一節實驗方法: 電晶體製程與選擇性表面修飾

2.1.1 矽奈米線合成

在此研究中，我們所使用的矽奈米線是以化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition, CVD) ，並藉由氣-液-固 (vapor-liquid-solid, VLS) 之生長機制合成 (圖 2-1) ^72-74。

圖 2-1 (a) VLS 生長機制合成矽奈米線 (b) 金-矽二元相圖⁷³。

簡單來說，VLS 生長機制其為利用金屬奈米顆粒作為催化劑，進而引發反應物之吸附、溶解、過飽和，長成為一微奈米線。在我們的實驗中，使用直徑 20 nm 金奈米粒子當作催化劑，並依照金-矽二元相圖之條件來進行矽奈米線的合成，其合成機制包括了三大部分: 第一部分合金過程 (alloy process) 是將金奈米粒子加熱至460 ℃，當通入反應氣體 silane 後，其會逐漸吸附於金奈米粒子的表面，受金奈米粒子的催化後，SiH4被分解形成H2和Si，矽原子融熔於金奈米粒

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24

子中形成合金，並開始液化；第二部分則是成核 (nucleation) 過程，當持續通入反應氣體，合金中的矽含量增加，矽原子於金奈米粒子中的成分將達到過飽和狀態而開始析出；最後一部分為軸相生長 (axial growth)，矽原子析出後於液/固介面開始形成結晶，持續通入SiH4後，將以軸相的生長方式長成單晶 (single-crystal) 矽奈米線。

合成過程中，我們亦通入 diborane (B2H6) 氣體，得硼參雜之矽奈米線，並藉由調整diborane 的流量，改變參雜的比例，最佳化矽奈米線的性質。

合成矽奈米線流程：

1. 將晶圓切割成適當的大小 (約 3 cm × 1.5 cm)之破片，並以丙酮-異丙酮-去離子水的順序清洗破片表面。

2. 利用氧氣電漿 (Oxygen Plasma) 以功率 100 W 及時間 200 s 清潔破片表面有機雜質。

3. 將 0.1 % poly-L-lysine (w/v, Sigma) 滴於破片上，並完全覆蓋其表面，待 2 min 後，以去離子水清洗並以氮氣吹乾表面。此時表面帶正電之電性。

4. 調配稀釋比例為 1：3 的金奈米粒子膠體溶液 (20 nm, Sigma, ~0.01 % HAuCl4) 水溶液，將其吸取並覆蓋於破片表面，待約10 s 後，以去離子水清洗並以氮氣吹乾表面。此時，呈負電之金奈米粒子會與帶正電的poly-L-lysine 鍵結。

5. 將含金奈米粒子修飾的破片以 Oxygen Plasma (100 W, 5 min) 再次清潔其表面。

6. 開啟 Dry pump，將腔體抽真空並抽除管路內殘餘氣體。此步驟為安全起見，

因所使用氣體具有危險性 (SiH4可自燃；B2H6含劇毒)。

7. 將合成破片送入石英管中，放置於中心位置。

8. 再度開啟 Dry pump 待壓力值達 0.3 torr 後，改以 Diffusion pump 抽真空直至壓力達5 × 10^-6 torr。

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25

9. 始流入 10 sccm 的高純度 Ar (g)，開始升溫至460 ℃。

10. 待溫度抵達 460 ℃時，立即通入 99.999 % SiH4(g) (6 sccm) 和 10 ppm B2H6(g)

(7.5 sccm)，並利用壓力計控制腔體總壓為 25 torr。

11. 當石英管內壓力值達穩定狀態後，開始計時合成時間約 15 min。

12. 合成完畢後，關閉所有氣體之閥門，利用 Pump 將反應氣體抽除，並關閉高溫爐使其降溫冷卻之。

13. 待溫度降至 50 ℃以下，以 Ar (g) 破真空並取出合成破片。

14. 完畢後，須以 Pump 將腔體及管路內殘餘氣體抽除，以確保安全。

圖 2-2 CVD 合成系統示意圖。

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2.1.2 晶片製程 (cowork with 李博仁博士、陳建維研究助理) SiNW-FET 晶片的製程，可分為內層電極和外層電極兩個部分⁷⁴。

 外層電極的製作 外層電極製作流程：

圖 2-3 為外層電極之光罩設計圖，大小為17 mm × 17 mm，其正中心長方形的電極 (500 μm × 300 μm) 是作為water gate 的用處，源極和汲極則分別以 500 μm × 500 μm的方塊金屬製程電極。

外層電極的製作是利用黃光製程，包括了三個主要的步驟：光阻塗佈、曝光和顯影。

1. 首先，以 Oxygen Plasma (100 W, 200 s) 清潔四吋晶圓的表面。

2. 利用旋轉塗佈機 (spin coater) 於晶圓表面塗佈 LOR5B 光阻並以 185 ℃烘烤 5 min，接著再塗佈 S1813 光阻並以 115 ℃烘烤 1.5 min。光阻塗佈完成後，

LOR5B 和 S1813 的厚度各約為 300 nm 和 500 nm。

3. 利用光照對準機 (mask aligner)，將光照對準後，以波長範圍為 350-430 nm 的光曝光0.8 s。

4. 將晶圓置入 MF319 顯影液當中，約 1 min，使圖案顯現後，以去離子水清洗，

並以氮氣吹乾。

5. 利用 Oxygen Plasma (30 W, 1 min) 清潔晶圓表面殘留的光阻。

6. 將晶圓置入蒸鍍機 (evaporator) 的腔體中，並抽真空至 10^-7 torr 後開始蒸鍍金屬電極。第一層為鉻 (厚約 5 nm)，第二層為金 (厚約 60 nm)。

7. 金屬電極蒸鍍完成後，以 PG remover 將剩餘光阻徹底清除。

8. 外層電極完成後，於晶圓表面塗佈一層 S1805 光阻，以保護電極，避免後續步驟造成電極的損傷，並使用晶圓切割機，將晶圓上的電極陣切割成 17 mm

× 17 mm 的晶片，即完成外層電極的製作。

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圖 2-3 外層電極之光罩設計圖，其大小為17 mm × 17 mm，且藍色框、紫色框、綠色框和紅色框內的記號是用來作為光罩對準之標記，而正中心長方形的電極 (500 μm × 300 μm) 是作為water gate 的用處。(紅色箭頭) 下方圖為紅色虛線框格的放大圖，源極為較大的方塊金屬電極 (500 μm × 500 μm)，並以小寫字母 a~l 作標記，汲極則為較小的方塊金屬電極 (250 μm × 250 μm)，並以大寫字母 A~L 作標記⁷⁴。

製作完成後的外層電極，我們將合成於破片上的矽奈米線以接觸轉印(contact printing) ⁷⁵ 的方式抹在晶片上，再進行內層電極的製作。接觸轉印，係將合有矽奈米線的破片切割成適當的大小後，以氮氣槍輕吹表面，除去因切割破片所產生

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的碎屑，並將其黏著於工具上，以適當的力道將奈米線抹於晶片表面上欲製作內 層電極處 (圖 2-4)。

圖 2-4 接觸轉印矽奈米線的步驟流程圖。

 內層電極的製作 內層電極製作流程：

圖 2-5 為內層電極之光罩設計圖，在內層電極的製作前，需先將晶片以Oxygen Plasma 清除 S1805 光阻，再利用黃光製程進行內層電極的製作。

1. 利用旋轉塗佈機 (spin coater) 於晶圓表面塗佈 LOR5B 光阻並以 185 ℃烘烤 5 min，接著再塗佈 S1813 光阻並以 115 ℃烘烤 1.5 min。光阻塗佈完成後，LOR5B 和S1813 的厚度各約為 300 nm 和 500 nm。

2. 利用光照對準機 (mask aligner)，將光照對準後，以波長範圍為 350-430 nm 的光曝光0.8 s。

3. 將晶圓置入 MF319 顯影液當中，約 1 min，使圖案顯現後，以去離子水清洗，

並以氮氣吹乾。

4. 利用 Oxygen Plasma (30 W, 1 min) 清潔晶圓表面殘留的光阻。

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圖 2-5 內層電極之光罩設計圖，藍色框、紫色框、綠色框和紅色框內的記號是 用來作為光罩對準之標記，每一藍色箭頭所指為前一圖的紅色虛線框中之放大圖

74。

5. 將晶片放入氫氟酸 (BOE, buffer of oxide etching) 約 5~8 s，再以去離子水清洗，並以氮氣吹乾。

6. 將晶圓置入蒸鍍機 (evaporator) 的腔體中，並抽真空至 10^-7 torr 後開始蒸鍍金屬電極。第一層為鎳 (厚約 70 nm)，第二層為鋁 (厚約 100 nm)。

7. 金屬電極蒸鍍完成後，以 PG remover 將剩餘光阻徹底清除，以去離子水清洗，

並以氮氣吹乾，即完成內層電極的製作。

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晶片製作完成後 (圖 2-6)，由於金屬電極與矽奈米線間具有接面 (junction) 的存在，導致高電阻，為此我們利用熱退火 (thermal annealing) 使此接面達良好的歐姆接觸 (ohmic contact)，降低電阻且具線性的 I-V 曲線。熱退火是利用退火爐 (ULVAC-RIKO MILA-3000)，在抽真空至 100 mtorr 後，通入 forming gas (10 % H2/90 % N2)，升溫至 360 ℃，待 2 min，即完成熱退火的動作。

圖 2-6 完成晶片製程步驟後之 SiNW-FET 實體圖。右側圖中，藍色箭頭所指之 處，為微流體通道對準之樣板，亦為矽奈米線接觸轉印處，紅色框為內層所在位置，紫色框為任一組源汲極電極，且每組中含多對的源汲極，藍色框則為放大其中一對源汲極電極，將其於光學顯微鏡下觀察，可見矽奈米線橫跨於源汲極間。

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2.1.3 表面修飾

SiNW-FET 生物感測器，是在矽奈米線的表面修飾上特定的受體 (receptor) 做為感測元件。而要連結特定受體與矽奈米線表面，在我們的實驗中，使用了 APTMS 作為化學鍵結 (chemical linker) 分子。

SiNW-FET 的表面含有大量的矽醇基 (silanol group, Si-OH) ，與 APTMS 反應後自組裝成單分子層的APTMS，此時表面含一級胺基 (amino group, -NH2)，

藉此可作特定受體與矽奈米線表面的連結 (圖 2-7)。

圖 2-7 以 APTMS 修飾之矽奈米線。APTMS 分子中-OCH3官能基會與Si-OH 反應，產生化學鍵結，與矽奈米線的表面連結。

1. All area modification (AAM)

一般使用液相修飾 (solution-phase modification) 的方式對 SiNW-FET 表面作修飾。

此法係將已完成製程步驟的SiNW-FET 先經 Oxygen Plasma (30 W, 60 s) 清潔表面過後，浸泡於1 %的 APTMS 溶液 (以 95 %酒精稀釋之) 中，反應時間為 30 min，而後以酒精清洗表面，並利用 N2吹乾表面，最後，以110 ℃加熱約 5 min，

即完成修飾步驟。

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2. Selected surface modification (SSM)

在此實驗中，我們利用氣相修飾 (gas-phase modification) 的方式，針對矽奈 米線的表面作選擇性的修飾，其裝置圖如圖 2-8。

首先，我們切取一適當大小且表面上已長有矽奈米線之矽晶圓破片，將其懸掛於三頸瓶的中央，並於平底處注入不經稀釋之 APTMS 原液，利用 Dry pump 將其於室溫中抽真空約1 min，使 APTMS 汽化，最後，將其送進 40 ℃的烘箱中靜置，此時 APTMS 會被固定化於矽奈米線的表面，這種表面上修飾有 APTMS 分子的矽奈米線，我們稱之它為APTMS-SiNWs。

在修飾步驟完成過後，我們亦將含APTMS-SiNWs 的破片置於 110 ℃加熱板上加熱約10 min，為使 APTMS 固定化於矽奈米線上的情形更佳良好。

此法與 AAM SiNW-FET 製作方式上的不同，是在於我們先對矽奈米線作 APTMS 的氣相修飾，而後將其接觸轉印在含有外層電極的晶片上，再進行內層電極的製程作業。

圖 2-8 氣相修飾裝置示意圖。

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3. 生物素 (biotin) 的固定化

為比較SSM APTMS/SiNW-FET 和 AAM APTMS/SiNW-FET 之間靈敏度的差異，在我們的實驗中，利用biotin (生物素) 和 avidin (抗生物素) 具高度親和力的特點，對兩種SiNW-FET 作電訊號的即時偵測。

在此，我們將biotin 作為特定受體，固定化在 SiNW-FET 的表面上。於 SSM APTMS/SiNW-FET 和 AAM APTMS/SiNW-FET 製備完成後，將晶片浸泡於 1 mM 3-maleimidobenzoic acid N-hydroxy succinimide ester (MBS, 溶於 1：9 (v/v) 的 DMSO 和 1 × PBS)中約 30 min，此時 MBS 會與 APTMS 的胺基反應，形成醯胺鍵，再以去離子水清洗表面，並以氮氣吹乾之。配製 5 mM 的 N-(6-(Biotinamido)hexyl)-3’-(2’-pyridyldithio)-propionamide (biotin-HPDP) 和 100 mM dithiothreitol (DTT) 於 1：9 (v/v) 的 DMSO 及 1 × PBS 的溶液中，將晶片再度浸泡於其中約1 hr，此時 biotin-HPDP 的 sulfhydryl group 會與 MBS 的 maleimide group 反應，以去離子水清洗表面，並以氮氣吹乾之，完成 biotin 的固定化 (圖 2-9)。

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圖 2-9 Biotin 固定化於 SiNW-FET 之化學反應機制圖。固定化的步驟為 APTMS-MBS-biotin，但因為實驗所用的 biotin-HPDP 具有雙硫鍵，故實驗中添加DTT 以切斷雙硫鍵，使其可與 MBS 反應之。

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2.1.4 微流體通道製備

在我們的實驗中，使用微流體通道來操作一系列的流體實驗。而微流體通道的製作是將 polydimethylsiloxane (PDMS, 喬越實業有限公司 ) 之 A 劑 (Sylgard-184 silicone elastomer) 和 B 劑 (Sylgard-184 silicone elastomer curing agent) 以體積比 10：1 的比例混合均勻後 (圖 2-10)，倒入以玻璃培養皿盛裝之 母模中，利用真空幫浦抽氣，除去因劇烈攪拌所產生之氣泡，直到氣泡完全被趕出，方可將其送入烘箱當中，以80 ℃烘烤約 10 min，其可依所需之軟硬程度調整烘烤時間。

圖 2-10 PDMS 化學結構。

待 PDMS 冷卻後，可將其取下並裁切成適當大小，並利用中空鋼管依照微流體通道上兩端的形狀做鑽孔的動作，使得外徑1.09 mm 的聚乙烯 (polyethylene, PE) 管可順利穿入 (圖 2-11)，藉此將溶液帶進或帶出微流體通道中。

微流體通道之母模的製作是將光阻 SU-850 利用旋轉塗佈 (spin coating) 的方式將其鋪於空白晶片上，並使用黃光顯影製程，在空白晶片上留下長6.25 mm、

寬500 μm、高 50 μm 突起的立體微流通道。

圖 2-11 以 PDMS 製作的微流體通道，其長、寬和高各為 6.25 mm、500 μm、

50 μm。

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2.1.5 實驗儀器

1. 鎖相放大器 (lock-in amplifier)：

電訊號量測的實驗，使用鎖相放大器 (Stanford Research System, SR830)，輸入交流電，以供應SiNW-FET 源-汲極間的電壓，並得直流輸出訊號。

鎖相放大器，因其具有窄頻寬的優點，為一個能夠被用來偵測非常小之交流電訊號的儀器，且因為其中內建有PSD (phase sensitive detector)，能將電路中特定頻率、相位鎖住，過濾其他雜訊，進而量測出正確的訊號。

2. 資料擷取系統 (data acquisition system, DAQ)：

實驗中，藉由NI (national instrument) DAQ card 作為電壓的來源，給予元件閘極電壓，以量測元件之傳導性質 (I-Vg)，其最大可輸出± 10 V 的電壓，16 個類比輸入及2 個類比輸出。

3. 原子力顯微鏡 (atomic force microscopy, AFM)：

1986 年，第一部原子力顯微鏡誕生，其具有原子級的解像能力，為掃描式探針顯微技術的代表儀器。主要原理是利用感應原子間凡得瓦力的作用來呈現樣品表面結構形狀，此儀器可應用於多種材料表面的偵測，並能在真空、氣體或液體的環境下操作。

AFM 的操作模式可區分為接觸式 (contact mode)、非接觸式 (non-contact mode) 和輕敲式 (tapping mode) 三大類，在我們的實驗中以輕敲式來測量矽奈米線的表面結構特性。輕敲式的原理係將探針與樣品的距離加近，增大振幅，使得探針在振盪至坡谷時接觸樣品，由於樣品表面的高低起伏，導致振幅改變，再利用迴饋控制的方式，取得高度的影像。

本實驗室所使用的AFM 型號為 Digital Instruments/Veeco Bioscope SZ with Nanoscope IVa controller。

4. 克爾文力顯微鏡 (Kelvin probe force microscopy, KPFM)：

如果將 AFM 的探針換成可導電的材質並且在針和樣品表面間施以電位差，

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利用它來偵測樣品表面的功函數，則稱為克爾文力顯微鏡 (Kelvin probe force microscopy, KPFM)，其圖像可紀錄針尖和樣品間的電位變化。

在 KPFM 的實驗中，所使用的探針為表面鍍有 Pt/Ir 之 Si tip (PPP-EFM, Nanosensors)，且因樣品表面上所吸收的水分子對於功函數的量測會造成一定的遮蔽效果，故我們將所有的實驗環境控制在濕度為55± 2 %之下，減少因水分子遮蔽效應所造成的誤差。

KPFM 影像的量測是經過來回兩次的掃描，第一次的掃描是以輕敲式 (tapping mode) 來回掃描，取得高度變化的影像；第二次則是以抬起式 (lift mode) ，於針尖施以一電壓值 (Vtip) 使其與樣品表面保持一固定距離 (htip) 量測表面電位的變化⁷⁶。

5. 化學分析電子儀 (electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA)：

ESCA 是一種分析材料表面元素及化學鍵結的儀器，其原理乃根據光電效應，

當足夠能量的電磁波 (X-ray) 照射於樣品表面時，原子內的電子因吸收電磁波的能量而被游離出來形成光電子，而光電子的動能為入射電磁波的強度減去電子的束縛能，因此依不同元素的光電子具有不同的動能，來判斷表面元素的成分。

本實驗室所使用的 ESCA 廠牌與型號為英國 VG Scientific ESCALAB 250。

6. 掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscopy, SEM)：

SEM 為一種利用電子束掃描樣品表面，從而獲得樣品資訊的電子顯微鏡。

實驗中，藉由SEM 的量測，我們可得知樣品表面結構的高解析度圖像。

本實驗室所使用的SEM 型號為Hitachi S-4800。

7. 穿透式電子顯微鏡 (transmission electron microscopy, TEM)：

TEM 是將加速且聚集的電子束投射到樣品表面上，藉由電子與樣品中原子的碰撞而改變方向，產生立體角散射，而散射角度的大小與樣品的結構組成有關，

因此可產生明暗不同的顯微影像。藉由TEM 的量測，我們可以得知物質的化學

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特性、晶體方向和電子結構等資訊。

本實驗室所使用的TEM 型號為 JEOL JEM-2100。

2.1.6 電性量測系統

 流體實驗裝置架設

將完成製程手續的SSM APTMS/SiNW-FET 以丙酮-異丙醇-去離子水的順序清潔表面，因每一晶片中皆含有180 組元件，故先利用 probe station 於空氣中量測其電性，選擇電阻值約1 MΩ且跨導值較佳的元件，來進行實驗。

將晶片以銅膠黏著於十字型外接電路板上，利用打線機 (wire binder) (圖 2-12 (a)) 將所選元件連接至電路板上，而後將 PDMS 所製作的微流體通道黏著 於元件上的相對位置，並以特製壓克力座架設之 (圖 2-12 (b))。

流體量測實驗的進行，樣品係透過微流通道以注射幫浦 (KD-101, KD Scientific) 在固定速率 (0.3 mL/hr) 下抽取樣品進行電訊號的偵測 (圖 2-12 (c))。

圖 2-12 (a) 打線機 (b) 壓克力座架設裝置 (c) 流體實驗架設系統。

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 電性量測

本研究中，包含了許多電性量測的實驗，以下是各種量測中所使用的實驗儀器與實驗條件：

1. Source-drain current vs. bias voltage：使用數位型多功能三用電表 (Keithley 6487) 量測在空氣下 SiNW-FET 源-汲極電流對偏壓 (Isd-Vsd) 的曲線。

2. Source-drain current vs. gate voltage：利用鎖相放大器 (Stanford Research System, SR830) 固定偏壓 Vsd = 30 mV，並以 DAQ card 給予閘極電壓，掃描 Vg從0.4 V 到-0.4 V 之源-汲極電流對閘極電壓曲線。

3. Source-drain current vs. time：利用鎖相放大器設定參數為 Vsd = 0.03 V (source-drain voltage)、f = 79 Hz (modulation frequency)、τ = 100 ms (time constant)，並以參考電極 (Ag/AgCl reference electrode)作為閘極，進行電訊號 的量測 (圖 2-13)。

圖 2-13 電訊號量測系統示意圖。