TW201630802A - 具圖案化磁性薄膜之微奈米磁性致動器與磁性夾取器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種具圖案化磁性薄膜之微米磁性致動器與磁性夾取器之製備方法。微米磁性致動器之設計包含高可撓性微伸縮結構與圖案化磁性薄膜。圖案化磁性薄膜之非等向性細長型狀，造成單一區域磁性。磁性夾取器之設計包含雙夾具包含微伸縮結構、微夾具結構與圖案化磁性薄膜。藉由磁力驅使作動過程，使雙夾具產生側向位移而夾具間彼此互相靠近與遠離，造成如手臂之開合行為。控制磁性夾取器開合量則有抓取功能，另因磁膜具備之磁力吸引性，可以吸引流體中磁性標的物移動至磁性夾取器。
Description
本發明關於微奈米磁性致動器與磁性夾取器之製備，特別係包含非等向性細長型狀圖案化磁性薄膜與高可撓性微伸縮結構用於致動器，以及整合致動器特徵搭配微夾具結構用於磁性夾取器。
微奈米動結構的可以利用微製程技術進行設計與製造。微奈米致動結構的驅動方式，包括熱、靜電、壓電、直接機械接觸等方法。目前最常用的方法為熱致動與靜電致動二種驅動方式，而二者都必須面對熱與電對目標物，尤其是生物樣品，所造成的損害。此外，壓電材料的驅動方式則必須要考慮到壓電轉換效率的問題，而機械力致動的方式則很難達到微奈米尺度的控制。除此之外，上述的微結構驅動方式都必須透過導線來輸送電力，增加了使用的不方便、也增加了製造的複雜度與成本。
磁致動器可以通過給以一外部磁場誘導驅動，產生微/納米尺度的轉矩而可致動。過去有使用懸臂梁於磁驅動器中，懸臂結構材料混合磁性粒子與聚合物，但是此類致動器必須精確地控制該聚合物材料的磁性粒子的量而有致成上困難度。
因此，為克服以上缺點，因此本發明提供一種新穎的微奈米致動器並將致動器應用至微夾取器。
本發明之目的在於提供一種具圖案化磁性薄膜之微致動器並將其應用至微奈米夾取器。
根據本發明之一觀點，提供一種具圖案化磁性薄膜之微奈米致動器之形成方法。包含提供一基板，形成一微伸縮結構薄膜圖案於基板之上作為，該微伸縮結構上形成一磁性薄膜圖案。其中微伸縮結構為一鋸齒狀結構，最後，
移除微伸縮結構下方之基板材料，而形成懸空的致動器。
根據本發明另之一觀點，提供一種具圖案化磁性薄膜之磁性夾取器。包含提供一基板，形成雙夾具薄膜圖案於基板之上，該夾具圖案包含一微伸縮結構與一微夾具結構，其中微伸縮結構為鋸齒狀或曲折結構，微夾具結構位於微伸縮結構之一端，且對稱以形成一對夾取手臂。接下來，形成一磁性薄膜圖案於微伸縮結構之上。最後，移除雙夾具下方之基板材料，而形成懸空的磁性夾取器。
在一觀點中，基板為矽基板，微伸縮結構薄膜與微夾具薄膜圖案為高分子薄膜。微伸縮結構薄膜圖案化薄膜形成過程包括，於薄膜上形成一光阻層，對該光阻層進行微影以及與對一薄膜進行蝕刻等製程。形成一磁性薄膜圖案於微伸縮結構之上包括形成一第二光阻層於薄膜之上，對第二光阻層進行一微影製程後沉積一磁性材料於第二光阻圖案之微伸縮結構之上，以及形成開口區域於微伸縮結構薄膜與微夾具薄膜圖案邊緣。其中，該開口區域有利於透過一蝕刻流程移除微伸縮結構薄膜與微夾具底下的基板形成凹槽。
此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
100‧‧‧基板
101‧‧‧薄膜
102、106‧‧‧光阻層
103、107‧‧‧光阻層圖案
104‧‧‧蝕刻開口區域
105‧‧‧薄膜圖案
105a‧‧‧微伸縮結構
108‧‧‧磁性薄膜圖案
109‧‧‧凹槽
110‧‧‧微夾具結構
111‧‧‧目標(靶)細胞
如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。
第一圖顯示根據本發明之一實施例之具圖案化磁性薄膜之微致動器之製作流程之示意圖；第二圖顯示根據本發明之磁性薄膜之受力圖；第三圖(a)與(b)顯示根據本發明之微致動器之圖案化磁性薄膜受正向磁場作用與反向磁場之受力圖；第四圖(a)與(b)顯示本發明之微伸縮結構之形狀分別為鋸齒狀與波浪狀；第五圖(a)與(b)顯示本發明之四臂微致動器之圖案化磁性薄膜受磁場作用而拉伸之示意圖；第六圖為本發明之微致動器實施例，各為二臂與四臂微致動器，受正向磁場作用而外展與反向磁場而內收；
第七圖A與B為本發明之二臂微致動器外展與內收之位移對磁場大小關係圖；第八圖(a)、(b)與(c)顯示根據本發明之磁性夾取器受不同磁場方向作用而拉伸、壓縮之示意圖；第九圖為本發明之磁性夾取器實施例，受磁場大小與方向影響，而有開合行為；第十圖顯示根據本發明之磁性夾取器於磁場作用下夾取與釋放目標細胞之示意圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。
本發明之具圖案化磁性薄膜之微致動器，藉由磁力的方式，能以無線的方式來操控磁性微結構。因此，可以在特殊環境下，例如水溶液或是真空環境進行微結構致動的驅動技術。主要的致動原理在於利用磁性材料在外加磁場下會產生一個磁力矩，使得微結構產生致動。
另外，在微米/奈米尺度下，磁性材料的磁區結構(Domain)將影響磁致動器在外加磁場下的行為。因此，在設計或選用上必須考慮磁性微結構之微磁學特性與行為。
本發明揭露一種具圖案化磁性薄膜之微米磁性致動器與磁性夾取器之製備方法。微米磁性致動器之設計包含高可撓性微伸縮結構與圖案化磁性薄膜。圖案化磁性薄膜之非等向性細長型狀，造成單一區域磁性，而可藉由調整外加磁場控制施加於磁性薄膜上的力矩，而後帶動具高可撓性微伸縮結構，而造成作動。磁性夾取器之設計包含雙夾具包含微伸縮結構、微夾具結構與圖案化磁性薄膜，藉由磁力驅使作動過程，使雙夾具產生側向位移而夾具間彼此互相靠近與遠離，造成如手臂之開合行為，控制磁性夾取器開合量則有抓取功能，另因磁膜具備之磁力吸引性，可以吸引流體中磁性標的物移動至磁性夾取器。
本發明之主要特徵在於運用磁性薄膜結合微結構製程技術以形
成具圖案化磁性薄膜之微米/奈米致動器與夾取器(如第一圖所示)。在本發明中，微致動器與夾取器之結構係利用一連串的薄膜沉積製程、微影製程、以及剝離製程所製成。如第一圖(a)~(h)所示，其顯示微致動器結構之製作流程。首先，提供一基板100，例如矽基板。然後，於矽基板100之上形成一薄膜，例如形成厚度200~500奈米的高分子(聚二甲基矽氧烷矽)或是矽氧化物(二氧化矽、氮化矽，如第一圖(a)所示。薄膜101可以利用蒸鍍或化學氣相沉積法來形成。之後，於薄膜101之上形成一光阻層102，如第一圖(b)所示。光阻層102可以利用旋轉塗佈的方法形成。光阻層102的材料可以選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA；950 A5，MicroChem公司)。接下來，針對光阻層102進行一微影製程以定義一光阻層圖案103以及蝕刻開口區域104，如第一圖(c)所示。而後可以在對光阻層102進行微影後，利用顯影液以將光阻層(正光阻)102曝光的部分移除，而形成光阻圖案103。
舉一實施例而言，顯影液為甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone)與2-丙醇(2-propanol)以1：3的比例混合之混合液，利用其可將光阻層(負光阻)102未曝光的部分移除，而形成光阻圖案103。通常在形成光阻圖案103之後，都會利用掃描式電子顯微鏡(例如，SEM；JSM-6390，Jeol)來觀看與量測光阻圖案103是否符合所設定的規格；若不符合，可以於製程當中修正各項參數，例如：光阻厚度、曝光量、曝光時間、顯影時間..等，以使得光阻圖案103接近、符合所設定的規格。
接下來進行一濕式蝕刻製程，由於鄰近光阻圖案103之蝕刻開口區域104以及光阻圖案103不含光阻之區域其下方薄膜101上表面裸露，可受濕式蝕刻過程溶解而被移除，但光阻圖案103之具有光阻區域下方之薄膜101，則可因光阻保護而保存下來。舉一實施例而言，蝕刻溶液為NH4F：HF=6：1的緩衝氧化蝕刻液(BOE；buffer oxide etch)。蝕刻完成之後，於矽基板100之上形成蝕刻開口區域104，以及於不含光阻之區域形成薄膜圖案105於矽基板100之上，如第一圖(d)所示。之後再將所有的光阻移除。
接下來，形成圖案化磁性薄膜(magnetic thin film)於薄膜圖案105之上。如第一圖(e)~(h)所示，其顯示圖案化磁性薄膜結構之製作流程。在形成薄膜圖案105之後，於薄膜圖案105之上形成一光阻層106，如第一圖(e)所示。類似地，光阻層106可以利用旋轉塗佈的方法形成。光阻層106的材料可以選用
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。接下來，針對光阻層106進行一微影製程，以定義一磁性薄膜沉積的區域，並形成一光阻層圖案107，如第一圖(f)所示。舉一實施例而言，所沉積的磁性薄膜的材料包括鐵片90奈米(nm)厚、鉻7奈米(nm)作為黏合層以及7奈米(nm)的鉻作為的覆蓋層，以避免氧化和腐蝕，黏合層材料可以選用與底下的薄膜具有較佳的黏著性之材料，例如鈦、鉻金屬。沉積磁性薄膜的期間，厚度可以透過一石英晶體來監控，而基板的溫度可以保持在室溫。
舉一實施例而言，沉積的速率可以保持在0.3~1.0埃/秒，反應室的壓力可以為10-8托(torr)~10-6托(torr)。整個沉積的過程無需外加磁場。然後，利用丙酮溶液以移除整個光阻層106，以在薄膜105之上形成一磁性薄膜圖案108，如第一圖(g)所示。
接下來，直接對磁性薄膜圖案108底下、矽基板100之上的開口區域104進行濕式蝕刻。舉例而言，此濕式蝕刻係將矽基板100浸泡在四甲基氫氧化銨(TMAH)之中大約兩小時，以將懸臂樑(cantilever beams)底下的矽去除，以於矽基板100之中形成一凹槽109，隨後得到懸浮的微伸縮105a，以完成具圖案化磁性薄膜之致動器與夾取器元件，如第一圖(h)所示。其中磁性薄膜圖案108位於微伸縮105a之上。在另一實施例中，矽基板100底下之凹槽109亦可以完全去除成為一中空結構。因此，基板100可為一犧牲層基板。
本發明之所制備磁性制動器與夾取器能藉由調整外加磁場大小可以無線地使薄膜致動。致動原理為利用一個電磁鐵以提供一個均勻的磁場(H)，施加在微致動器元件的旁側。在均勻的磁場(H)的環境中，微伸縮結構105a之上的磁性薄膜圖案108受到磁場的作用而於其二端產生一對方向相反的力(F,-F)，因而產生一個力矩(τ)，此力矩的大小表示為力矩(τ)=m(磁力矩)×H(磁場)，如第二圖所示。基於磁場對於微伸縮結構105a之上的磁性薄膜圖案108所產生的力矩(τ)作用，以達到磁性微結構致動的效果。
基於非等向性細長型狀的橢圓形磁性薄膜圖案108能藉由調整外加磁場方向形成不同大小之磁力矩，可帶動其下方具高可撓性之微伸縮結構105a，而造成外展與內收之作動，第三圖所示。
就薄膜圖案105而言，對於制動器包括一微伸縮結構105a，對於夾取器具有微伸縮結構105a與微夾具結構110。薄膜圖案105係作為後續承載圖案化磁性薄膜之微伸縮結構。微伸縮結構105a之形狀可為鋸齒狀或波浪
狀，已增加致動器伸縮行進時的自由度，如第四圖所式，薄膜圖案105之材料包含但不限定為高分子(例如聚二甲基矽氧烷矽)、矽氧化物(例如二氧化矽、氮化矽)、玻璃、薄膜材料的選項。
就磁性薄膜圖案108而言，其中該磁性薄膜具備高磁性異向性的特性，該異向性可為磁晶異向性或形狀異向性，以維持磁性薄膜圖案108形成近似單磁區組態。若是磁性薄膜圖形108具備高形狀異向性，可控制該沉積之多層材料，藉由交錯沉積磁性金屬材料(鐵、鈷、鎳、鎳鐵、鎳鈷合金)與非磁性材料(鉻、鈦、鋁)膜層，並控制交錯層沉積次數，可控制致動器各個磁性薄膜產生之力矩強度。
致動器具備高可撓性微伸縮結構105a懸空於基板之上，該薄膜之形狀可為串聯重複形狀組成，例如鋸齒狀，然不以此為限，該薄膜上方沉積相同數量之非等向性細長型狀的磁性薄膜圖案108，三維結構圖如第圖四所式，致動距離因串聯之微伸縮結構105a薄膜數量與其上方磁性薄膜圖案108不同，可造成不同程度的位移量。一最佳實施例中，顯示當二臂與四臂鋸齒形狀致動器尺寸相同時，四壁鋸齒狀致動器有較大位移量，如第六圖所示。
另當改變外加磁場大小與方向時，可控制致動器磁性薄膜圖案108的磁力矩，進而控制微伸縮結構105a外展與內收的位移量。位於二氧化矽微伸縮結構105a之磁性薄膜圖案108為一高的非等向性形狀，可為橢圓形外亦可為菱形，且長寬比可為1：2到1：10，舉一實施例，橢圓形磁性的長軸和短軸比為1：10，實際長度分別為80毫米和8毫米，其微伸縮結構105a長為125微米寬為170微米時，外展與內收之位移量可以達到40微米(μm)，如第七圖A，B所示。
另根據實際需求，致動器之可撓性微伸縮結構105a之尺寸可進行等比例放大與縮小，且該薄膜上方可沉積相同數量之磁性薄膜圖案108之尺寸與下方支持薄膜之尺寸縮放比例一致，而能造成致動器能有不同程度的位移量。
本發明之另一主要特徵在於運用磁性薄膜結合微結構製程技術以形成具圖案化磁性薄膜之微米/奈米磁性夾取器。磁性夾取器之設計包含高可撓性微夾具結構薄膜110與微伸縮結構105a，磁性薄膜圖案108位於該二氧化矽基結構105a的曲折結構之上。微夾具結構110位於微伸縮結構105a之一端，
且微夾具結構110對稱以形成一對夾取手臂，微夾具結構彼此相對間距可因實驗需求進行設計，如第八圖(a)所示。該微伸縮結構105a上方沉積非等向性細長型狀的圖案化磁性薄膜圖案108，藉由控制外加磁場，使該磁膜形成磁力矩而帶動微伸縮結構105a作動，能產生側向位移而使微夾具結構110彼此互相靠近與遠離，造成如手臂之開合行為。在一實施例中，磁場的方向與微夾具結構110的拉伸、壓縮的方向垂直，若在初始磁場(Hi)的作用之下，微夾具結構110往外拉伸，使二個手臂之間的間距變大，如第八圖(a)。當外加磁場(H)的方向與初始磁場(Hi)的方向一致，則微夾具結構110之間的間距將變的更大，亦即微夾具結構110更往外拉伸，如第八圖(b)所示。而當外加磁場(H)的方向與初始磁場(Hi)的方向相反，則微夾具結構110之間的間距變小，亦即微夾具結構110往內壓縮，如第八圖(c)所示。在發明人所作的實驗中發現，當藉由改變磁場的大小與方向，微伸縮結構105a的作動(位移量)也出現了磁滯的特性(hysteresis characteristic)。
一最佳實施例中，為了方便於顯微鏡底下觀察微致動器元件的致動情況，可以於微夾具110之上形成一鉻金屬層。藉由給予不同大小與方向之外加磁場，使該磁膜形成不同大小之磁力矩而帶動微夾具110彼此互相靠近與遠離，造成開合行為，如第九圖所示。
另因磁性夾取器上方磁膜具備磁吸引力，可以吸引流體中磁性標的物移動至磁性夾取器，如第十圖(a)所示，當細胞於一流體之中向左流，而施加磁場的方向是向右，微夾具彼此遠離，目標(靶)細胞111受流體帶動直接通過微夾具器不被夾取；當藉由改變外加磁場使得微夾具彼此靠近，則單一目標(靶)細胞111可被微夾取器夾取，如第六圖(b)所示。當藉由改變外加磁場使得微夾具彼此遠離則又可釋放目標(靶)細胞111，如第六圖(c)所示。舉例而言，目標(靶)細胞111的大小可以為20微米，夾取手臂的位移量可以達到20微米。本發明之細胞微夾取器可以提供重要的資訊，以利於生物晶片、生物醫學、生醫檢測方面的應用。
本發明包括磁性微致動器、磁性微夾具，致動器的部分可以應用在目標物的拉伸與壓縮、目標物之分離器以及微型裝置之推進器等等；微夾具部分除了可作為目標物(生物細胞)的夾取器，也可以用在微創手術機械手臂上。
除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所
達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。
100‧‧‧基板
104‧‧‧開口區域
105‧‧‧薄膜圖案
105a‧‧‧微伸縮結構
108‧‧‧磁性薄膜圖案
109‧‧‧凹槽
Claims (10)
- 一種形成微致動器之方法，包含：提供一基板；形成一微伸縮結構薄膜圖案及開口區域於該基板之上；形成一磁性薄膜圖案於該微伸縮結構之上，其中該磁性薄膜圖案具有高磁性異向性特性，以維持近似單磁區組態；以及移除該微伸縮結構底下的該基板，以形成懸空的微伸縮結構。
- 如請求項1所述之形成微致動器之方法，其中該基板為矽基板，該薄膜之材料為高分子或是矽氧化物，該磁性薄膜圖案之形成包括形成一光阻層於該磁性薄膜之上，對該光阻層進行一微影與蝕刻製程以形成該磁性薄膜圖案。
- 如請求項1所述之形成微致動器之方法，其中該移除該微伸縮結構薄膜底下的基板係透過一蝕刻製程來執行。
- 如請求項1所述之形成微致動器之方法，其中該微伸縮結構包括串聯的重複形狀，該形狀為波浪狀或鋸齒狀。
- 如請求項1所述之形成微致動器之方法，其中該磁性薄膜圖案具有高非等向性形狀。
- 一種形成微磁夾具之方法，包含：提供一基板；形成一雙夾具薄膜圖案及開口區域於該基板之上，其中該雙夾具薄膜圖案包含微伸縮結構與一端之微夾具結構形成對稱結構；形成一磁性薄膜圖案於該微伸縮結構之上，其中該磁性薄膜圖案具有高磁性異向性，以維持近似單磁區組態；以及移除該雙夾具薄膜圖案之底下的基板，以形成懸空的該微伸縮結構與該微夾具結構。
- 如請求項6所述之形成微磁夾具之方法，其中該基板為矽基板，該薄膜之材料為高分子或是矽氧化物，該雙夾具薄膜圖案之形成包括形成一光阻層於該薄膜之上，對該光阻層進行一微影與蝕刻製程以形成該雙夾具薄膜圖案。
- 如請求項6所述之形成微磁夾具之方法，其中該移除該雙夾具薄膜圖案底下的基板係透過一蝕刻製程來執行。
- 如請求項6所述之形成微磁夾具之方法，其中該雙夾具薄膜結構包括串聯的重複形狀，該形狀為波浪狀或鋸齒狀。
- 如請求項6所述之形成微磁夾具之方法，其中該磁性薄膜圖案具有高非等向性形狀。
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