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研究生:謝政宇
論文名稱:應用於感測半導體製程監控之APM感測器之研製
指導教授:柳克強曾繁根曾繁根引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:感測器APM
外文關鍵詞:sensorAPM
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本論文研究之主要目的為聲波平板模式(APM-Acoustic Plate Mode)感測器之研製。本論文所研製之APM感測器在應用上分為兩類:一為將APM感測器應用於即時偵測細胞増生反應之研究;二為利用APM感測器做半導體蝕刻製程監控之研究。原擬進行之半導體蝕刻製程監控研究由於蝕刻機台故障而無法進行,因此,本論文係集中於APM感測器在即時偵測細胞増生反應之研究。(本論文較適宜之題目應為應用於即時偵測細胞増生反應之APM感測器之研製)
由於APM感測器之指叉式電極對(IDT-Inter Digital Transducer)和細胞增生的感測區位於相反的兩側。兼且使用的基材ST-cut石英為低壓電性材料,可以直接培養細胞於感測區上而不需要額外的處理。在設計APM感測器上,使用數學軟體Maple,作為分析波傳力學型式之用。本感測器使用ST-cut之500 µm石英壓電材料製作,使用Cu金屬蒸鍍50對指叉式電極對(IDT),基本操作頻率為31 MHz。首先探討本APM感測器對於不同黏度變化時的靈敏度,使用甘油與去離子水的混合溶液調配出不同的黏度比例作為量測溶液,黏度的變化由6.08 cp到455.47 cp。所量得之相位變化靈敏度在31.485 MHz為0.019度/cp,在57.79 MHz為0.061度/cp。為了量測細胞增生的靈敏度變化,實驗使用CCL60之兔眼角膜細胞。實驗從細胞植入之23小時後開始量測。量測得到細胞增生的平均靈敏度為3.122度/(70 cells/mm2)。
The main purpose to study in this thesis is the fabrication and the application of APM sensor. APM sensor in this thesis divide into two kinds of application:One is applying to detect real-time cells growth with APM sensor. The other is using APM sensor as an ICP etching chamber monitor device. However dewing to the broke down of ICP, the originally application of APM sensor as a ICP monitoring device can’t be achieve. So this thesis concentrates on APM sensor using for monitoring real-time cell growth. (Therefore, should this thesis with more suitable topic is using APM sensor for real-time cell growth detection.)
Because the IDT (Inter Digital Transducer) and sensing surface of the APM sensor are separated into different sides. And the substrate is ST-cut quartz a low piezoelectricity material. We can culture cells without needing extra treatment. In designing APM sensor, use mathematics software Maple, as analyzing that the wave propagates and mode couples issue. The sensor is fabricated on a 500 �慆 ST-cut quartz substrate with 50 pairs copper IDT. The fundamental frequency of the APM sensor is 31MHz. Probe into the sensitivity when APM sensor changes to different viscosities at first, then using glycerol-water mixture solution for APM sensor measurement. The change of the viscosity is from 6.08 cp to 455.47 cp. It is 0.019 degrees / cp in 31.485 MHz that the phase changes as the sensitivity; it is 0.061 degrees / cp in 57.79 MHz. The experiment of monitoring real-time cell growth was carried out by using the rabbit eyes cornea cell (CCL60) . The measurement began after 23 hours since the cell was planting on the APM sensor. The experiment shows an average sensitivity of cell growth as 3.122 degree/ (70 cells/mm2).
目錄
第一章 序論…………………………………………………..…….17
1.1 研究動機………………………………………..……..17
1.2 歷史背景………………………………………..……..17
1.3 APM感測器……………………………………..…….19
1.4 聲波感測器比較…………………………………..…..20
1.5 研究目的………………………………………………22
第二章 文獻回顧………………………………………………..….23
2.1 平板波模態頻譜………………………………………23
2.2 APM感測器應用……………………………………..25
2.3 APM與液體間的影響………………………………..26
2.3.1 APM對物質的靈敏度………………....26
2.3.2 APM受黏性物體的影響……………....28
2.3.3 APM的聲電效應……………………....30
第三章 基本原理…………………………………………………...33
3.1 壓電效應……………………………………………...33
3.1.1 正壓電效應……………………………..33
3.1.2 逆壓電效應……………………………..34
3.2 壓電晶體的切割方向………………………………...34
3.3 壓電方程式…………………………………………...36
3.4 Christoffel’s wave equation……………………..…….37
3.5 傳播於壓電材料中的純剪力波………………..….....39
第四章 APM感測器設計……………………………………..……43
4.1 相位匹配條件……………………………………......43
4.2 平板波模態解析度…………………………………..43
4.3 電極對數目…………………………………………..44
4.4 使用Maple解聲波方程式…………………………..49
4.5 APM感測器設計規格………………………………..52
4.6 APM震盪電路設計…………………………………..53
第五章 APM感測器製程與封裝…………………………………..56
5.1 製程規劃……………………………………………...56
5.1.1 黃光製程流程圖………………………..56
5.2 震盪電路佈局設計…………………………………...59
5.3應用於ICP和即時細胞增生之APM封裝………….62
第六章 實驗結果分析與討論………...…….……………………...64
6.1 量測方法…………………….………………………..64
6.2 APM感測器頻率響應…….…………………………..66
6.2.1 質量靈敏度試驗………………………..74
6.2.2 APM感測器重現性試驗………………..77
6.2.3 APM震盪器頻率響應…………………..81
6.3 細胞計數步驟………………………………………...82
6.4 實驗設計……………………………………………...85
6.4.1溫度試驗………………………………...85
6.4.2黏度試驗………………………………...91
6.4.3細胞增生試驗…………………………...95
6.5量測結果與討論……………………..………………105
第七章 結論……………………………………………………….107
7.1 研究成果…………………………………………….107
7.2後續研究建議………………………………………..107
附錄………………………………………………………………...109
附錄一 製程與封裝流程……………………………….109
附錄二 細胞繼代培養………………………………….113
參考資料 ……………………………………………..……………117










圖表索引
圖目錄:
圖1-1:BAW感測器……………………………………………………19
圖1-2:SAW氣體感測器………………………………………………19
圖1-3:APM感測器[14]……………………………………………….20
圖1-4:聲波感測器靈敏度和頻率關係圖[6]…………………………22
圖2-1:平板波型態…………………………………………………….23
圖2-2:ST-cut quartz頻譜[3]…………………………………………..24
圖2-3:基材的厚度和波長比值和介入損耗關係圖[4]………………25
圖2-4:不同沉積物密度與速度變化比值關係圖[14]………………..28
圖2-5:正負離子受到電場的影響[14]………………………………..30
圖2-6:介面聲電效應的等效電路模型[14]…………………………..31
圖2-7:四種不同的導電率溶劑對傳遞速度的變動關係圖[14]……..31
圖3-1:正壓電效應…………………………………………………….33
圖3-2:逆壓電效應…………………………………………………….34
圖3-3:未旋轉晶格方向定位[9]………………………………………35
圖3-4:ST-cut 晶格方向(YXl)-42.75………………………………….36
圖3-5:晶格座標軸(X、Y、Z)和波傳座標(x、y、z)定義…………..40
圖3-6:分析座標圖…………………………………………………….40
圖4-1:相位匹配示意圖[13]………………………………………….43
圖4-2:基頻傅立葉轉換關係圖[15]………………………………….45
圖4-3:通帶傅立葉轉換關係圖[15]………………………………….46
圖4-4:分析座標[15]………………………………………………….46
圖4-5:電極對符號示意[15]………………………………………….47
圖4-6:分析座標圖…………………………………………………....50
圖4-7:在ST-cut quartz之純剪力波之波慢圖…………………….....51
圖4-8:APM傳波常數與操作頻率關係………………………………52
圖4-9:震盪電路示意圖[17]…………………………………………....54
圖5-1:黃光製成後的電極……………………………………………57
圖5-2:切割完成後的元件……………………………………………57
圖5-3:Al和電極打線………………………………………………...58
圖5-4:封裝元件……………………………………………………….58
圖5-5:震盪電路佈局………………………………………………….60
圖5-6:APM震盪電路圖………………………………………………61
圖5-7:APM震盪電路元件….………………………………………..61
圖5-8:應用於ICP腔體之APM封裝………………………………..62
圖5-9:應用於細胞增生實驗之APM封裝…………………………..63
圖6-1:S參數定義圖………………………………………………….65
圖6-2:網路分析儀量測圖示………………………………………….65
圖6-3:實際元件量測…………………………………………………..66
圖6-4:20對感測器之頻率響應……………………………………….66
圖6-5:40對感測器之頻率響應……………………………………….67
圖6-6:50對感測器之頻率響應……………………………………...67
圖6-7:20對感測器第一到第三波模之頻率響應……………………68
圖6-8:40對感測器第一到第三波模之頻率響應……………………68
圖6-9:50對感測器第一到第三波模之頻率響應……………………69
圖6-10:20對感測器之相位變化………………………………………69
圖6-11:40對感測器之相位變化……………………………………..70
圖6-12:50對感測器之相位變化……………………………………..70
圖6-13:40對感測器第七波模之頻率響應…………………………..71
圖6-14:40對感測器第七波模之相位變化…………………………..71
圖6-15:50對感測器第九波模之頻率響應…………………………..72
圖6-16:50對感測器第九波模之相位變化…………………………..72
圖6-17:量測打線之傳輸響應元件…………………………………..73
圖6-18:量測鋁線之頻率響應…………………………………………73
圖6-19:量測鋁線之相位變化…………………………………………74
圖6-20:第10波模之頻率響應和鍍膜厚度關係..................................75
圖6-21:第10波模之相位變化和鍍膜厚度關係……………………..75
圖6-22:第1波模鍍膜相位變化平均差值……………………………76
圖6-23:第10波模鍍膜相位變化平均差值…………………………..77
圖6-24:第一波模傳輸響應之重複性…………………………………78
圖6-25:第一波模相位變化之重複性…………………………………78
圖6-26:第一波模相位變化之重現性…………………………………79
圖6-27:第十波模傳輸響應之重複性…………………………………79
圖6-28:第十波模相位變化之重現性…………………………………80
圖6-29:第十波模相位變化之重現性…………………………………80
圖6-30:震盪頻譜量測…………………………………………………81
圖6-31:相位雜訊量測………………………………………………....82
圖6-32:血球計數器……………………………………………………82
圖6-33:10倍物鏡下之血球計數器腔體………………………………83
圖6-34:細胞計數示意圖………………………………………………84
圖6-35:第一到第三波模的傳輸響應和溫度變化……………………86
圖6-36:第一波模的相位變化和溫度關係……………………………86
圖6-37:第一波模在不同溫度下相位差的平均值變化………………87
圖6-38:第一波模的相位變化和溫度關係…………………………....88
圖6-39:第十波模的傳輸響應和溫度變化……………………………88
圖6-40:第十波模的相位變化和溫度關係……………………………89
圖6-41:第十波模在不同溫度下相位差的平均值變化………………90
圖6-42:第十波模的相位變化和溫度關係…………….……………...90
圖6-43:第一到第三波模的傳輸響應和甘油黏度變化關係…………92
圖6-44:第一波模相位變化和甘油黏度關係…………………………92
圖6-45:第一波模通帶峰值隨著甘油黏度增加時相位變化關係……93
圖6-46:第十波模的傳輸響應和甘油黏度變化關係…………………94
圖6-47:第十波模相位變化和甘油黏度關係…………………………94
圖6-48:第十波模通帶峰值隨著甘油黏度增加時相位變化關係……95
圖6-49:CCL-60細胞貼盤情形………………………………………..96
圖6-50:CCL-60細胞脫盤情形………………………………………..96
圖6-51:倒立顯微鏡和定位平台………………………………………98
圖6-52:10倍物鏡面積區域……………………………………………98
圖6-53:細胞計數判別…………………………………………………99
圖6-54:鋁電極氧化現象……………………………………………100
圖6-55:CCL-60細胞生長於感測器上23小時………………………101
圖6-56:CCL-60細胞生長於感測器上24小時………………………102
圖6-57:CCL-60細胞生長於感測器上26小時………………………102
圖6-58:CCL-60細胞生長於感測器上28小時………………………103
圖6-59:CCL-60細胞生長於感測器上30小時………………………103
圖6-60:CCL-60細胞生長於感測器上32小時………………………104
圖6-61:第一波模通帶共振峰值和細胞生長時間關係……………104
圖6-62:第一波模通帶共振峰值和細胞生長時間關係……………105






























表目錄:
表1-1:聲波感測器特性比較…………………………………………21
表2-1:表面聲波基材特性比較………………………………………24
表4-1:感測器設計參數………………………………………………53
表4-2:電路元件參數…………………………………………………55
附錄
附錄一:製程與封裝流程

1-1 APM元件製程[16]:
步驟一
準備單面拋光的石英基材其規格如下:
Q-value: >=1.8x10
Centriclty seed: within central 5 mm
Qriention: ST-cut 42.75+/-6
Diameter: 100+/-0.13 mm
Reference Flat: 32+/-3 mm
Perpend icular to X-axis: within+/-5
Thickness: 0.5+/-0.013 mm
Parallelism: <=4 um
Bow: <40 um
Surface: Front side-Mirror polished;
Rrms,<=0 Back side-Ra.>=0.2 um
之後經過標準的RCA清洗程序(H2SO4 DI water NH4OH DI water HCL DI water)。
步驟二
使用E-gun蒸鍍上2000Å的Al作為電極層。
步驟三
利用微影與濕式蝕刻製程將第一道光罩上的電極層的圖案轉移到晶片上,其製程參數如下:
a. Coating HMDS 時間約5 min。
b. 上光阻AZ5214E,旋佈機3000 rpm ,時間為30 sec。
c. 軟烤100℃ ,時間為1 min。
d. 曝光4.9 mJ/ 時間為21 sec。
e. 顯影AZ:DI water=1:2 時間約4 min。
f. 硬烤120℃時間為2 min。
g. 使用Al的蝕刻液[磷酸( )、醋酸( )硝酸( )與(DI water)]將電極層的圖案蝕刻出來。蝕刻溫度為約為35℃,時間約4 min。
h. 用丙酮將剩餘的AZ5214E清除

1-2 PDMS 製程[16]:
(一) 進無塵室拿一塑膠杯並用無塵紙擦拭內部,再以空氣槍輕吹。
(二) 在化學藥品櫃上面取出Sylgard 184和Dow corning二樣物品至電子天秤旁。取二根滴管及一大張無塵紙放置在電子天秤旁。
(三) 開啟電子天秤,並進行歸零的動作。
(四) 配置PDMS。取一根滴管進行攪拌,使其均勻混合。
(五) 進行真空機器的清潔。將PDMS放置在化學室中真空機器裡進行抽真空,並請於下方置放鋁箔紙,以防PDMS外滲時對腔體造成的污染。
(六) 開啟烤箱並設定溫度,將載具放到烤箱燒結。
真空機台操作順序:
(一)進行真空機台清潔。
(二)將欲抽真空物品置放裡頭並緊密蓋緊蓋子。
(三)將三向閥調至《開口、真空腔、機器》。
(四)打開真空機器電源進行抽真空。
(五)抽氣完畢將機器關閉。
(六)將三向閥調至《機器、開口、無》並拉開開口閥門,進行機器油氣的回流動作。
(七)再慢慢調整三向閥至《開口、無、真空腔》。
※注意此步驟不得漏氣過快,以免造成真空腔體污染和吹氣過強
(八)破真空結束後取出抽完真空物品,並以鋁箔紙覆蓋。

1-3 印刷電路板製程:
(一) 印刷電路的投影片必須清潔乾淨
(二) 將玻璃基材的電路板,以日光燈曝光,大約10到12分鐘。
(三) 放入電路板顯影液中,顯影液照1:20的比例加自來水稀釋。
(四) 顯影時間和曝光長短有關約為1~2分;如果電路中有太細小的線路(0.2 mm以下)則顯影過程不要搖晃。
(五) 顯影過程決定印刷電路的好壞,必須完全顯乾淨。
(六) 將電路板用清水沖洗,洗去殘留的顯影液。
(七) 使用FeCl3將表面的銅箔蝕刻去除,在蝕刻過程可以使用加熱板加熱至50度(液溫)以上。
(八) 清水洗去蝕刻液,吹乾電路板後再切割,得到成品。













附錄二:細胞繼代培養

2-1 細胞培養環境用品:
1. 細胞培養環境
a. 37℃恆溫培養箱
b. 培養箱氣體控制為5%
2. 細胞培養用品
a. PBS溶液 1X
一倍PBS是用來清洗細胞用的,為活細胞之等張溶液,在更換培養皿內之培養液時,需用PBS來清洗,已被使用過後的培養液,以維持培養皿內的清潔。
b. TE buffer
內容物為Trypsin-EDTA,是收集吸附型細胞常用之方法。Trypsin為胰蛋白酵素,其作用為分解細胞與瓶壁之附著蛋白, EDTA為chelating agent,其作用為去除Ca2+、Mg2+等離子,trypsin與EDTA二者共同作用,可使附著之細胞自瓶壁脫落。 除了trypsin-EDTA,亦可使用cell scraper(細胞刮勺)刮落細胞。
c. 化學成分培養液(chemically defined media)
使用這些培養液時,需添加少量取自胎牛、小牛、馬或人的血清(約10%),以提供動物細胞生長所需的生長因子。血清使用前須經熱處理(37°C, 30 min),以去除免疫補體反應(complement)及減少黴漿菌量,再與化學成分培養基混合。這類培養動物細胞所用的血清,大多從牛或馬的血液中分離而取得,所以其品質會受到不同批次(batch)、品種與產地而有所影響。在培養動物細胞時,培養基必須控制在生理中性酸鹼值約略在pH 7. 4以利細胞生長。目前最常使用的方法是於培養基添加碳酸氫鈉(NaHCO3),利用溶液中解離後的HCO3-與培養箱的5%~10%CO2氣體濃度形成氣液相平衡,達到維持培養基酸鹼值於pH 6.9-7.4的功效。我們所使用的的培養液是動物細胞培養基會再加入phenol red顯示劑,以便利於觀察酸鹼值之變化。當培養基酸鹼值在pH 7.4時,培養基顏色為紅色。當培養基酸鹼值過高時,培養基顏色變成粉紅色(pH 7.6)及紫色(pH 7.8)。當培養基酸鹼值過低時,培養基顏色變成橘色(pH 7.0)及黃色(pH 6.5)。
3. 無菌操作台(laminar flow)
等級至少在classII之等級,實驗進行前,無菌室及無菌操作台以紫外燈照射30-60分鐘滅菌,以70%酒精擦拭無菌操作抬面,並開啟無菌操作台風扇運轉10分鐘後,才開始實驗操作。
4. 二氧化碳培養箱(incubator)
使用二氧化碳培養箱﹙常用之比例為5% CO2,95% air﹚,或是 灌入適量二氧化碳至培養容器內,放入一般培養箱中培養即可。為使二氧化碳能夠流通,培養瓶(例如T-flask)放入二氧化碳培養箱時應鬆開瓶蓋,或使用透氣瓶蓋。取出觀察時,則關緊瓶蓋,以避免污染。

2-2 細胞繼代步驟:
1. 先將laminar flow紫外燈開啟照射30分鐘以維持無菌狀態。
2. 同時將PBS、TE buffer、培養液自冰箱去出放入恆溫槽加熱至37℃。加熱後,將三罐溶液用70%之酒精噴灑表面滅菌,再拿進laminar flow。
3. 用玻璃吸管吸取培養皿內之舊培養液,玻璃吸管在使用前應該用酒精燈烤過一次,以維持器具的無菌,培養皿內之培養液因為被細胞利用過了,已失去他的活性,在換新的培養液時,務必將培養皿內被使用過的培養液移除乾淨,因為使用過的培養液中有細胞殘骸,會影響新細胞生長,而且培養液成分會中和TE buffer之蛋白酵素,必需使用PBS來沖洗培養皿三次(每次用玻璃吸管吸取約5 ml PBS)。
4. 洗淨後,培養皿內盡量不要殘留液體,其後用TE buffer 1000μl加進培養皿內,使培養皿中細胞能順利脫盤。加進TE buffer後,將培養皿放入二氧化碳培養箱中靜置約5分鐘,讓TE buffer活化使細胞脫盤。但是Trypsin-EDTA作用時間勿太久,否則可能對細胞造成傷害或死亡。
5. 約7分鐘後,吸取一定比例培養液加進培養皿中,先中和TE buffer作用。其後,再依照移植細胞的比例將TE buffer和培養液之混合液體加入新培養皿中。最後依照培養皿大小加入新的培養液,即完成細胞繼代程序。

















參考資料
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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