硅和玻璃器件的制造

玻璃和硅微流控芯片是通過采用一些著名的微機電系統(tǒng)（MEMS）和半導體技術(shù)制造的。光刻或電子束光刻、薄膜沉積、干濕蝕刻、晶圓鍵合和激光加工等工藝通常用于制造像 Sensera， Inc. 這樣的微晶圓廠代工廠的微流體器件。

起始材料是硅或玻璃晶圓，通常厚度為675μm，直徑為150mm。晶圓也有直徑為100、200、300甚至450毫米和不同厚度的產(chǎn)品。

在基材上開始任何工藝之前，必須去除典型的污染物（原理圖中的步驟1）：劃線或切割產(chǎn)生的灰塵（通過我們的激光劃線最小化），環(huán)境顆粒（通過我們良好的潔凈室實踐和對顆粒計數(shù)的嚴格SPC控制最小化），先前光刻中的任何光刻膠殘留物（通過執(zhí)行氧等離子灰化最小化），細菌（通過良好的去離子水系統(tǒng)最小化）或任何溶劑， 水或有機殘留物。

然后，為了在清潔的基板上定義所需的設(shè)計或圖案，我們使用光刻工藝，這基本上是將幾何形狀從光掩模轉(zhuǎn)移到選定的基板。該過程本身可以追溯到1796年，當時它是一種使用墨水，金屬板和紙張的印刷方法。如今，光刻技術(shù)使用光輻射將掩?；蛟O(shè)計成像到玻璃或硅晶圓上，使用光刻膠層。

在施加附著力促進劑層后，將晶片旋涂一層薄薄的光刻膠（2），即光敏聚合物。層的厚度取決于所選光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度（通常在 1000 到 4000 RPM 之間，持續(xù) 30-70 秒）。在此過程中可以獲得 1 至 60 μm 的厚度，并將根據(jù)需要解析的最小特征尺寸進行選擇。光刻膠層經(jīng)過預(yù)烘（3）以蒸發(fā)涂層溶劑并在旋涂后使光刻膠致密。在熱板中烘烤抗蝕劑通常更快、更可控，并且不會像對流烤箱烘烤那樣捕獲溶劑。在正反抗性和負性抗蝕劑的預(yù)烘烤過程中，抗蝕劑的厚度通常會減少25%。減少預(yù)烘烤可提高開發(fā)速度。

涂層基板在掩模對準器中通過包含所需圖案的光掩模暴露在紫外光（4）下。對于簡單的接觸、接近和投影系統(tǒng)，光掩模的尺寸和比例與印刷的晶圓圖案相同，即復(fù)制率為1：1。步進器是能夠改變復(fù)制率的投影系統(tǒng)，從而允許在掩模上顯示更大尺寸的圖案。此過程更堅固，可以掩蓋缺陷，并且對準更精確。我們在 Sensera 有兩種選擇，掩模對準器和步進器。根據(jù)所選擇的光刻膠，即負或正，曝光的光刻膠交聯(lián)或溶解在顯影液中。曝光后烘烤 （5） 有助于改善圖案的定義。

在未曝光或暴露區(qū)域的顯影（6）之后，晶圓上用光刻膠定義的最終圖案充當蝕刻的掩模。后烘或硬烘（7）去除任何殘留的涂料溶劑或顯影劑痕跡。這消除了后續(xù)真空加工中的溶劑爆裂效應(yīng)，但會給光刻膠帶來一些應(yīng)力，有時甚至是收縮。此外，烘烤后更長或更熱會使抗蝕劑去除變得更加困難。此步驟必須控制，并且僅根據(jù)需要添加。

進行濕法或干法蝕刻（8），通過蝕刻（或去除）未受掩模保護的材料，將圖案從掩模轉(zhuǎn)移到硅或玻璃基板。這是一個不可逆的過程，將在基板上創(chuàng)建設(shè)計圖案的2D復(fù)制品。特征深度由蝕刻時間控制，并始終測量。當需要深層特征時，應(yīng)使用更具選擇性的掩模，例如金屬或二氧化硅。

蝕刻后，去除掩模（9）。簡單的溶劑通常足以去除非后烘烤的光刻膠，而用O2（灰化）等離子刻蝕更好地去除任何殘留的聚合物碎片。通過將蝕刻的基板粘合到另一個基板上，可以關(guān)閉通道。根據(jù)要粘合的材料（即玻璃、硅或聚合物）、溫度要求等因素，可以使用不同的粘合工藝。

對于不同的特定設(shè)計，工藝可能會有很大差異。可以在基板中進行多個光刻和蝕刻步驟或粘合過程，以獲得多個深度和層。還可以調(diào)整工藝參數(shù)以更改某些器件屬性，例如某些波段的表面粗糙度、疏水性或光學透明度。例如，當設(shè)備中需要更高的表面積時，更高的表面粗糙度可能是有益的。然而，同樣的參數(shù)對于細胞可能因粗糙度而損壞的特定應(yīng)用可能是有害的。

在Sensera的開發(fā)中，蛇形微通道的蝕刻深度高達800μm。可以生產(chǎn)關(guān)鍵尺寸低至 1 um 的特征，其縱橫比高達 1：30。例如，Sensera目前為具有非常具有挑戰(zhàn)性的尺寸和缺陷公差的器官芯片器件制造微柱模具，即直徑為7±0.7μm，高度為50±7μm，并且在蝕刻區(qū)域的任何地方都沒有大于30μm的缺陷，并且在蝕刻區(qū)域的1 mm2截面內(nèi)不超過5個小于30 um的缺陷， 分別?？紤]到芯片的大尺寸（即 45 mm2），這些公差非常嚴格。實施非常嚴格的質(zhì)量體系并精確控制照片CD和蝕刻均勻性使我們不斷交付這些產(chǎn)品（De Jesus，2018）。

此外，Sensera在硅與玻璃的陽極鍵合、硅與聚合物的鍵合以及相同材料的熔融鍵合等方面表現(xiàn)出了豐富的專業(yè)知識，從而實現(xiàn)了新的細胞生物學創(chuàng)新。

微流體應(yīng)用

器官芯片設(shè)備

器官芯片是微流控細胞培養(yǎng)裝置，它提供了一個體外實驗平臺，通過模擬器官的功能來模擬器官，而無需在人類或動物身上進行實驗。它們用于快速跟蹤藥物開發(fā)，旨在減少動物試驗，并用于實施新藥的個性化安全測試。

它們可以準確監(jiān)測藥物效率。這些設(shè)備還可以應(yīng)用于疾病建模和精準個人醫(yī)療。心臟，肺，腎臟，肝臟，大腦和皮膚是已經(jīng)使用微流體裝置復(fù)制的器官，無論是它們自己（單個器官芯片）還是與一個或多個其他器官（多器官芯片）結(jié)合（Ronaldson-Bouchard和Vunjak-Novakovic）。

護理點和芯片實驗室設(shè)備

這些設(shè)備使用微通道與裝滿試劑的腔室或孔耦合，以檢測和測量用于診斷目的的特定生物標志物。它們還可用于核酸樣本、DNA 和 RNA 以及蛋白質(zhì)的快速靈敏研究。這些設(shè)備中產(chǎn)生的電場導致蛋白質(zhì)，DNA和RNA沿著分離通道遷移，隨后由檢測器測量。

細胞培養(yǎng)設(shè)備

這些用于細胞生物學研究。它們促進對受控環(huán)境中細胞（如癌細胞和干細胞）生理和病理變化的理解。它們有可能提高體外模型在癌癥研究中的生理相關(guān)性（TMR，2018）。

液滴微流控裝置

這些是通道幾何形狀和/或靜電力與液體相互作用以產(chǎn)生或操縱液滴的裝置。然后，液滴可以具有允許局部反應(yīng)的特定特性，同時防止化合物擴散到液滴外。

審核編輯：郭婷