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研究生： 沈威志
Wei Chih Shen
論文名稱： 光鉗操控微生物蝕刻銅金屬
Etching Copper by Microbes under Optical Tweezers
指導教授： 賀陳弘
Hong Hocheng
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 78
中文關鍵詞： 雷射光鉗 、微流道 、氧化亞鐵硫桿菌 、氧化硫硫桿菌 、微生物蝕刻
外文關鍵詞： Laser Tweezers, Microfluidic Channel, Thiobacillus Ferrooxidans, Thiobacillus Thiooxidans, Microbe Machining
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    • 摘要
    生物加工為微加工開啟了新的方向。目前半導體產業以銅製程為主，本研究即開發微生物在微加工的應用，使用微生物做為工具，對銅工件進行分解，並利用雷射光鉗及微流道來控制微生物的移動，形成加工位置。目前已有許多文獻指出氧化亞鐵硫桿菌、及氧化硫硫桿菌擁有運用在微生物蝕刻金屬上的潛力。在本研究中將會使用此兩種微生物來評估材料移除加工的表現，並量測金屬被移除的深度。本論文實驗分為三個部分：量測光鉗對此二菌的夾持效率、觀測Nd：YAG雷射對氧化硫硫桿菌的傷害，以及以光鉗抓取此二菌進行銅金屬加工。實驗結果發現，在雷射功率為450 mw輸出下光鉗對氧化硫硫桿菌及氧化亞鐵由桿菌之拖拉速度分別為 與 。而氧化硫硫桿菌在900 mw光鉗夾持下持續3小時，其活動力並未衰減；氧化硫硫桿菌在光鉗的挾持下仍對銅金屬有蝕刻能力，最大蝕刻深度為80 nm。Nd：YAG雷射在氧化亞鐵流桿菌菌液以及無菌上清液之照射區會產生銅金屬的堆積，本研究利用此現象成功的在銅片上寫出所預期的英文字母。

    Abstract
    Biomachining has provided a new vision of the property of micromachining. Presently, copper processing is the main stream in semiconductor industry. The main purpose of this research is the application of microorganism in micromachining of copper workpiece. Optical tweezers and microfluidic channel are used for manipulating microorganism. Thiobacillus ferrooxidans and thiobacillus thiooxidans have proved their potential for etching metal. In this study, two bacteria mentioned above are evaluated for material removal. There are three parts in this study, including the measurement of the tweezing efficiency, the investigation of the possible damage to thiobacillus thiooxidans under Nd：YAG laser and biomachining copper by microbers under optical tweezers. It is noted that thiobacillus thiooxidans and thiobacillus ferrooxidans were moved at and by optical tweezers with 450 mw of laser power. The activity of thiobacillus ferrooxidans has not been weakened at 900 mw of laser power lasting for 3 hours. The depth of the metal removal is measured. From the results of the experiment, thiobacillus thiooxidans show a machining depth of 80 nm in copper under the laser of tweezers. The accumulation of copper by thiobacillus ferrooxidans and the extracellular polymeric substances irradiated by Nd：YAG laser was firstly observed. The alphabet was successfully written on the copper sheet by their method in the study.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XII 第一章　□論 1 1-1 研究動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 光鉗技術與發展 2 1-4 雷射對微生物的傷害 5 1-5 微流道製程技術 7 第二章　理論分析 11 2-1 光鉗理論簡介 11 2-2 簡化的GLMT模型 12 2-3 微生物蝕刻機制 14 2-3-1 氧化劑與還原劑的強度 15 2-3-2 標準還原電位 15 2-3-3 使用標準還原電位 17 2-3-4 濃度對電位的影響 18 第三章 實驗規劃 21 3-1 實驗設備 21 3-2 微流道的製作 22 3-2-1 黃光製程 22 3-2-2 PDMS翻模過程 24 3-2-3 蓋玻片接合 24 3-3 細菌的培養 25 3-3-1 氧化亞鐵硫桿菌 25 3-3-2 氧化硫硫桿菌 25 3-4 實驗步驟 26 第四章 光鉗夾持效率測試實驗 31 4-1 實驗菌液調配 31 4-2 實驗參數及試片製作 32 4-3 實驗數據及結果 33 第五章 觀測Nd-YAG雷射對細菌的傷害 37 5-1 微流道之設計 37 5-1-1 微流道圖案之設計概念 37 5-1-2 微流道之CFDRC模擬參數設定 39 5-1-3 微流道之CFDRC模擬結果 40 5-2 Nd-YAG雷射照射細菌之實驗步驟 41 5-3 實驗結果 42 第六章 微生物金屬蝕刻 50 6-1 光鉗可見光路架構之更改 50 6-2 光鉗的失焦問題 51 6-3 光鉗操控微生物之銅金屬加工實驗 52 6-3-1 氧化硫硫桿菌銅金屬加工實驗之參數設定 52 6-3-2 氧化硫硫桿菌銅金屬加工之實驗結果 53 6-3-3 飽和濃度對銅蝕刻量的影響 54 6-3-4 氧化亞鐵硫桿菌對厚銅片加工的實驗結果 55 6-4 微生物加工處污染物之檢測 57 第七章 結論與未來工作 75 7-1 結論 75 7-2 未來工作 75 文獻回顧 77 圖目錄 圖 1 1酵母菌被光鉗嵌住於P點並進行出芽繁殖[4] 8 圖 1 2黃金葡萄球菌在Nd-YAG雷射照射下的死亡區塊[10] 9 圖 1 3用Nd:YAG加熱大腸桿菌至50℃[11] 9 圖 1 4用隔水加熱大腸桿菌至50℃[11] 9 圖 1 5用Nd:YAG雷射加熱大腸桿菌至60℃[11] 10 圖 2 1光鉗 力隨著粒子大小的變化圖[13] 20 圖 3 1系統光路架設示意圖 28 圖 3 2實際光路設置 29 圖 3 3實驗用注射式幫浦及注射針筒 29 圖 3 4微流道母模黃光製程 30 圖 4 1微生物拖拉速度之實驗試片 35 圖 4 2氧化硫硫桿菌的光鉗功率與拖拉速度之關係表 35 圖 4 3氧化亞鐵硫桿菌的光鉗功率與拖拉速度之關係表 36 圖 5 1立體微流道圖 44 圖 5 2微流道工作區直徑500μm之菌液及培養基混和比例 44 圖 5 3微流道工作區直徑750μm之菌液及培養基混和比例 45 圖 5 4微流道工作區直徑1000μm之菌液及培養基混和比例 45 圖 5 5微流道工作區直徑1250μm之菌液及培養基混和比例 46 圖 5 6光鉗操控軌跡 46 圖 5 7微流道工作區直徑500μm之操控軌道上流速分佈 47 圖 5 8微流道工作區直徑750μm之操控軌道上流速分佈 47 圖 5 9微流道工作區直徑1000μm之操控軌道上流速分佈 48 圖 5 10微流道工作區直徑1250μm之操控軌道上流速分佈 48 圖 5 11微流道晶片 49 圖 5 12觀測已區隔之細菌之活動力 49 圖 6 1可見光光路示意圖 59 圖 6 2可見光路元件架構圖 59 圖 6 3光鉗失焦情況與細菌夾持位置 60 圖 6 4氧化硫硫桿菌之薄銅片蝕刻區（左為SEM、右為光學顯微鏡拍攝） 60 圖 6 5氧化硫硫桿菌上清液之薄銅片雷射照射區 61 圖 6 6氧化硫硫桿菌培養基之薄銅片雷射照射區 61 圖 6 7氧化硫硫桿菌之厚銅片蝕刻區 62 圖 6 8氧化硫硫桿菌培養基之厚銅片雷射照射區 62 圖 6 9氧化硫硫桿菌厚銅片蝕刻深度之量測圖 63 圖 6 10氧化硫硫桿菌厚銅片蝕刻區域之量測圖 63 圖 6 11氧化亞鐵硫桿菌液之厚銅片雷射照射區 64 圖 6 12氧化亞鐵硫桿菌上清液之厚銅片雷射照射區 64 圖 6 13 Nd：YAG雷射照射氧化亞鐵硫桿菌菌液所堆積而成之圖案 65 圖 6 14堆積圖案”H”（左）字母之SEM拍攝圖 65 圖 6 15堆積圖案”C”字母之SEM拍攝圖 66 圖 6 16堆積圖案”H”（右）字母之SEM拍攝圖 66 圖 6 17旋轉45度角之堆積圖案”H”（左）字母之SEM拍攝圖 67 圖 6 18旋轉45度角之堆積圖案”C”字母之SEM拍攝圖 67 圖 6 19旋轉45度角之堆積圖案”H”（右）字母之SEM拍攝圖 68 圖 6 20氧化亞鐵硫桿菌液之厚銅片雷射照射處的EDS量測區域 69 圖 6 21氧化亞鐵硫桿菌液之厚銅片雷射照射處的元素組成 69 圖 6 22氧化亞鐵硫桿菌液之厚銅片雷射照射處的EDS測量點 70 圖 6 23氧化亞鐵硫桿菌液之厚銅片雷射照射處的結晶元素成分 70 圖 6 24氧化亞鐵硫桿菌上清液之厚銅片雷射照射處的EDS量測區域 71 圖 6 25氧化亞鐵硫桿菌上清液之厚銅片雷射照射處的元素組成 71 圖 6 26氧化亞鐵硫桿菌上清液之厚銅片雷射照射處的EDS測量點 72 圖 6 27氧化亞鐵硫桿菌上清液之厚銅片雷射照射處的結晶元素成分 72 圖 6 28氧化硫硫桿菌之厚銅片蝕刻區的EDS量測範圍 73 圖 6 29氧化硫硫桿菌之厚銅片蝕刻區的元素組成 73 圖 6 30各微生物加工區之元素比例 74 表目錄 表 3 1氧化亞鐵硫桿菌培養基培養法 27 表 3 2氧化硫硫桿菌培養基培養法 28 表 5 1微流道中可檢測微生物活動力之範圍大小 43 表 6 1氧化硫硫桿菌之銅金屬加工實驗結果 58 表 6 2氧化亞鐵硫桿菌之銅金屬加工實驗結果 58

    8 文獻回顧

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