中国机械工程学会第二十四届全国学术研讨会文集

中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：E07-00301應用濺鍍氧化鋅薄膜於骨細胞檢測沈永康1、歐耿良2、洪榮宏3、徐松志3、吳銘偉3、俞雅峰31台北醫學大學牙體技術系2台北醫學大學生醫材料暨工程技術研究所3龍華科技大學機械工程系摘要由於ZnO[002]薄膜具有高機電偶合係數，是表面聲波元件薄膜類基材中具有相當潛力的壓電材料。故本研究以反應式濺鍍沉積氧化鋅壓電薄膜於Si(100)晶圓上，利用壓電薄膜所產生之壓電特性，達到運用於提升表面生物感測裝置之效能且能兼具生物相容性。氧化鋅薄膜以矽為基材，使用含不同百分比之氧氣與氬氣流量於反應式濺鍍製作氧化鋅薄膜，探討不同氧氣比例對於氧化鋅薄膜的晶格、晶粒、結晶方向成長的影響；此外對於氧化鋅之生物相容性進行檢測。由XRD圖發現，當氧氣比例為30%時，氧化鋅可明顯得到c軸優先成長取向(preferredorientation)(002)方向為主的薄膜，且生物相容性較佳；本研究未來可運用在生物表面聲波感測器。關鍵字：反應式濺鍍，生物相容性，氧化鋅薄膜。1.前言氧化鋅(ZnO)是具六方晶結構(hexagonalstructure)之壓電材料，已經被廣泛地應用在表面聲波(SAW)元件、塊體聲波(BAW)元件、微感測器、微聲波元件及聲光元件[1-2]。ZnO壓電薄膜技術沉積方式可分為化學氣相沉積(chemicalvapordeposition,CVD)、分子束磊晶(MBE)、反應性磁控濺鍍(reactivemagnetronsputtering)、電子迴旋共振離子束濺鍍法和物理氣相沉積(physicalvapordeposition,PVD)，不同薄膜成長技術各有不同用途，就氧化鋅薄膜壓電特性而言，為表面聲波元件應用最為廣泛材料運用之一。而射頻濺鍍系統是最常被用來沉積ZnO薄膜做為聲波元件的技術[3-4]，此種技術不但符合環保，不造成污染而且製得的薄膜品質極佳。ZnO薄膜的特性通常受到製備參數(例如：沉積方法、工作壓力、基板溫度、基材的種類和薄膜厚度)所影響[5]。本研究是在氬氣中加入氧氣濺鍍氣氛中，以射頻磁控濺鍍法直接濺射Zn靶材來沉積ZnO薄膜。ZnO薄膜由於(002)平面有最低表面自由能，因此通常呈現具c軸優先成長取向的多晶結構，而造成明顯(002)優先成長取向的原因，是由於薄膜內晶粒之間彼此競爭成長所造成；隨著薄膜厚度的增加，晶粒亦隨之增加，競爭成長的現象更明顯，對於薄膜的結構將會有很大的影響。為使氧化鋅薄膜可用於生物檢測元件上，本文於氧化鋅薄膜上培養骨細胞以觀察氧化鋅薄膜之生物性。2.實驗方法本實驗室所使用的氧化矽晶圓基板為TekstarterCo.,Ltd生產的四吋晶片，Ptype、方向(100)，厚度為500μm。沉積薄膜前須先將基板上殘餘的氧化層、油漬、雜質等去除，為除去基板表面在研磨及拋光時留下來的研磨材料、油脂、蠟等各種有機物或雜質，必須使用特別的步驟，以獲得乾淨的基板表面，清洗徹底的程度對沉積所得薄膜和基板之間的附著性及減少薄膜中的孔隙，並且對表面聲波傳播、元件特性都有非常關鍵的影響。基板清洗方式如下：1.將基板置入裝有丙酮(Acetone,ACE)的燒杯中，超音波振洗器(Ultrasoniccleaner)內振洗15分鐘，以除去基板上的油性物質。2.基板置入異丙醇(Iso-propanol,IPA)內振洗15分鐘，除去ACE。3.以去離子水(De-ionizedwater)沖洗15分鐘。CSME-5709中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：E07-003024.觀察試片表面有無水漬及油漬殘留，若有則重覆1-3步驟。表面聲波元件需以壓電材料為基材，以正、逆壓電效應為動作方式進行訊號接受以及傳播。本文為了於元件中進行進一步加工製作，所以以矽為基材，並使用濺鍍方式鍍上氧化鋅(ZnO)之壓電材料。本研究是採用反應性射頻磁控濺鍍法成長ZnO薄膜，RF濺鍍系統裝置示意圖如圖1所示。濺鍍靶材是採用純度為99.99%的鋅靶，並與內含有冷卻水迴路的圓形磁控裝置緊密接觸，以確保磁控系統不因高熱而消磁和鋅靶防止熔化，同時利用高純度的氧氣(O2)作為反應氣體。首先，將洗淨的基板置於腔體內的基座上，腔體的壓力經由油迴轉幫浦(Rotarypump)的粗抽和擴散幫浦(Diffusionpump)的細抽，經100℃烘烤十分鐘將其烘乾，待基板溫度升高到濺鍍條件所需的溫度後，持溫30分鐘做Outgassing處理，等待派藍尼真空計(Piranigauge)到達基準壓力(Basepressure)5.0*10-6Torr後，便將氬氣經由流量控制器(Massflowcontroller,MFC)的設定將所需要的氣體流量，導入腔室中作10分鐘的清靶，目的是要除去鋅靶表面的氧化層和污染物。清靶完畢後，再將氬氣經由流量控制器的控制與氧氣混和並導入腔體中，並藉由控制主閥門(MV)來調整濺鍍壓力，待派藍尼真空計顯示的壓力值穩定在所要的濺鍍壓力後，調整射頻功率，打開擋板(Shutter)開始沉積薄膜。適當地控制濺鍍功率、腔體壓力、氮氣濃度與基板溫度，以期能濺鍍出高c軸排列取向[002]的ZnO薄膜。選擇氬氣做為濺鍍時通入氣體的緣故是因為它的價格便宜、取得容易、對鋅的濺射率高。本文將清洗好之4吋晶圓為基材以純度99.99%之純鋅為靶材，使用於反應性射頻磁控濺鍍機濺鍍上，反應之氣體以不同比例之氧氣與氬氣反應，濺鍍不同含氧量之氧化鋅薄膜；其氧氣流量比依。所得之氧化鋅薄膜使用表面輪廓儀(AlphaStep500)量測薄膜於矽基材上的鍍率；場發射電子顯微鏡(JEM-6500,日本電子株式會社)檢測薄膜表面形貌和氧化鋅結晶晶粒大小；原子粒顯微鏡(DI-3100,DigitalInstrumentCo.,Ltd)觀察不同含氧量薄膜之表面粗糙度；為了觀察藉以分析薄膜之晶向排列，以決定薄膜沉積的最佳條件本研究使用X光晶格繞射儀；最後本研究將於鍍有不同含氧量之氧化鋅薄膜基材上培養類骨母細胞，並使用SEM觀察細胞生長及與基材依附之其生物現象。細胞培養方面，觀察其生長現象，是檢測材料的生物相容性之重要方法；本文樣本以紫外燈照射滅菌後，使用類人類成骨細胞(Osteoblast-likecell,MG63)培養於不同含氧量之氧化鋅壓電薄膜上，經4小時、一天、三天及五天，以3%戊二醛固定細胞；待其五天後觀察細胞持續生長現象；接著再以場發射電子顯微鏡(SEM)觀察細胞於ZnO薄膜上之表面形貌。3.結果與討論為了明白濺鍍時間對於鍍膜厚度之影響，本實驗先於同一濺鍍參數(功率：100W、基材溫度：200℃、鍍膜時間：60分鐘、氣體含氧量：10%、30%、50%、70%)下製作ZnO薄膜，再藉由表面輪廓儀進行薄膜厚度量測。分別於不同含氧量之試片上取5點進行量測，其結果如表1，本文藉由此結果得之不同含氧量之氧化鋅薄膜濺鍍鍍率，所得之鍍率可依此製作出所需之薄膜厚度。由圖2中SEM所量測之表面形貌可得含氧量50%其晶粒為最小，約0.4μm；其次為30%含氧量之氧化鋅薄膜。圖3為不同含氧量之氧化鋅薄膜表面粗糙度圖，由圖中可知氧化鋅薄膜含氧量於50%時，其粗糙度最小，其粗糙度為12.167nm。圖4為氧化鋅於不同含氧量條件下的XRD圖，由於氧化鋅薄膜具有壓電性，其結晶方向需要c軸(002)之取向，本研究將透過X-Ray繞射分析確定最強繞射方向之繞射值(2θ)，以確定其結晶性與優選方向；由圖可知於34∘時，氧化鋅晶格排列方式（002）有較強的強度；其中以含氧量30%及50%最強，表示含氧量30%、50%之氧化鋅薄膜有較佳的結晶向，而含氧量10%氧化鋅薄膜(002)結晶向強度最差。含氧量10%的氧化鋅薄膜基材之細胞培養，由圖5中可觀查出，在五天後細胞萎縮凝聚成團，且觸角CSME-5710中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：E07-00303於基材上並無明顯增長以及抓附；而含氧量30%的氧化鋅薄膜基材之細胞培養，由圖可知細胞之觸角已經伸長於細胞周圍氧化鋅基材上並且有明顯的生長分化現象；而含氧量50%的氧化鋅薄膜基材也可看出其細胞生長現象良好，觸角可與基材緊密的依附並無萎縮現象；而含氧量70%的氧化鋅薄膜之細胞生長情形，細胞之觸角雖然有依附於基材上，但是細胞卻有些萎縮現象產生。4.結論不同含氧量之氧化鋅薄膜中，百分比為50%時表面粗糙度為最小值，粗糙度12.16nm，粒徑大小為0.5μm。而在使用XRD觀察(002)晶格排列方向時，可知含氧量30%、50%有明顯的c軸優先排列取向。由細胞生長圖中可看出細胞不僅貼附於氧化鋅薄膜表面，且細胞觸角也沿氧化鋅薄膜延伸，故可知類人類成骨細胞可於氧化鋅薄膜上生長並延伸出無數觸角，其中以含氧量50%為最佳，且培養時間愈長，其生長分化情形愈佳。故氧化鋅薄膜可應用於人類成骨細胞上進行相關性實驗，並可以結合氧化鋅薄膜壓電效果進行相關性研究。5.參考文獻1.E.S.Kim,R.S.Muller,“MicromachinedZnOonsiliconNitridePressureSensor,IEEEInternationalElectronDevicesMeeting”,(1986)32807-808.2.J.S.WangandK.M.Lakin,“SputteredC-AxisInclinedZnOfilmsforShearWaveResonators”,Proc.IEEE1982UltrasonicsSymposium,(1982)480-483.3.JunKoike,HiroshiTanaka,HideharuIeki,“Quasi-MicrowaveBandLongitudinallyCoupledSurfaceAcousticWaveResonatorFiltersUsingZnO/SapphireSubstrate”,JapaneseJournalofAppliedPhysics.(1995)342678-2682.4.T.Mitsuyu,S.Ono,andK.Wasa,“StructuresandSAWpropertiesofRF-sputteredsingle-crystalfilmsofZnOonsapphire”,JapaneseJournalofAppliedPhysics.(1980)51(5)2464-2470.5.WonTaegLim,ChangHyoLee,“HighlyorientedZnOthindepositedonRu/Sisubstrates”,ThinSolidFilms(1999)35312-15.表一同一製程參數不同含氧量之氧化鋅薄膜厚度表量測點含氧量第一點第二點第三點第四點第五點平均10%2.9732.8822.9562.7652.6402.843230%0.48470.47260.47090.41030.45010.45950%1.47121.46281.48211.47641.47081.47270%0.69630.69360.70050.72290.66750.6962圖一濺鍍設備示意圖真空馬達系統氬氣瓶氧氣瓶電源供應器ZnO薄膜基材(Si)Zn靶材陰極陽極輝光放電區CSME-5711中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集中原大學桃園、中壢中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日論文編號：E07-00304圖二含氧量10%、30%、50%、70%之氧化鋅薄膜表面形貌。(SEM)圖三含氧量10%、30%、50%、70%之氧化鋅薄膜表面形貌。(AFM)203040502θIntensityO2(10%)O2(30%)O2(50%)O2(70%)圖四氧化鋅於不同含氧量條件下之XRD圖。圖五不同含氧量氧化鋅薄膜細胞第五天培養圖。Usingthesputteri