硅和玻璃器件的制造

玻璃和硅微流控芯片是通過(guò)采用一些著名的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和半導(dǎo)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(kāi)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(xiàn)或切割產(chǎn)生的灰塵（通過(guò)我們的激光劃線(xiàn)最小化），環(huán)境顆粒（通過(guò)我們良好的潔凈室實(shí)踐和對(duì)顆粒計(jì)數(shù)的嚴(yán)格SPC控制最小化），先前光刻中的任何光刻膠殘留物（通過(guò)執(zhí)行氧等離子灰化最小化），細(xì)菌（通過(guò)良好的去離子水系統(tǒng)最小化）或任何溶劑， 水或有機(jī)殘留物。

然后，為了在清潔的基板上定義所需的設(shè)計(jì)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(guò)程本身可以追溯到1796年，當(dāng)時(shí)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(jì)成像到玻璃或硅晶圓上，使用光刻膠層。

在施加附著力促進(jìn)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(guò)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(jìn)行選擇。光刻膠層經(jīng)過(guò)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(huì)像對(duì)流烤箱烘烤那樣捕獲溶劑。在正反抗性和負(fù)性抗蝕劑的預(yù)烘烤過(guò)程中，抗蝕劑的厚度通常會(huì)減少25%。減少預(yù)烘烤可提高開(kāi)發(fā)速度。

涂層基板在掩模對(duì)準(zhǔn)器中通過(guò)包含所需圖案的光掩模暴露在紫外光（4）下。對(duì)于簡(jiǎn)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(jìn)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(guò)程更堅(jiān)固，可以掩蓋缺陷，并且對(duì)準(zhǔn)更精確。我們?cè)?Sensera 有兩種選擇，掩模對(duì)準(zhǔn)器和步進(jìn)器。根據(jù)所選擇的光刻膠，即負(fù)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(dāng)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(huì)給光刻膠帶來(lái)一些應(yīng)力，有時(shí)甚至是收縮。此外，烘烤后更長(zhǎng)或更熱會(huì)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(jìn)行濕法或干法蝕刻（8），通過(guò)蝕刻（或去除）未受掩模保護(hù)的材料，將圖案從掩模轉(zhuǎn)移到硅或玻璃基板。這是一個(gè)不可逆的過(guò)程，將在基板上創(chuàng)建設(shè)計(jì)圖案的2D復(fù)制品。特征深度由蝕刻時(shí)間控制，并始終測(cè)量。當(dāng)需要深層特征時(shí)，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(jiǎn)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(guò)將蝕刻的基板粘合到另一個(gè)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(duì)于不同的特定設(shè)計(jì)，工藝可能會(huì)有很大差異?？梢栽诨逯羞M(jìn)行多個(gè)光刻和蝕刻步驟或粘合過(guò)程，以獲得多個(gè)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(xué)透明度。例如，當(dāng)設(shè)備中需要更高的表面積時(shí)，更高的表面粗糙度可能是有益的。然而，同樣的參數(shù)對(duì)于細(xì)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(kāi)發(fā)中，蛇形微通道的蝕刻深度高達(dá)800μm?？梢陨a(chǎn)關(guān)鍵尺寸低至 1 um 的特征，其縱橫比高達(dá) 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(méi)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(guò)5個(gè)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(yán)格。實(shí)施非常嚴(yán)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(yáng)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了新的細(xì)胞生物學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)裝置，它提供了一個(gè)體外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)模擬器官的功能來(lái)模擬器官，而無(wú)需在人類(lèi)或動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它們用于快速跟蹤藥物開(kāi)發(fā)，旨在減少動(dòng)物試驗(yàn)，并用于實(shí)施新藥的個(gè)性化安全測(cè)試。

它們可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)藥物效率。這些設(shè)備還可以應(yīng)用于疾病建模和精準(zhǔn)個(gè)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(wú)論是它們自己（單個(gè)器官芯片）還是與一個(gè)或多個(gè)其他器官（多器官芯片）結(jié)合（Ronaldson-Bouchard和Vunjak-Novakovic）。

護(hù)理點(diǎn)和芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備

這些設(shè)備使用微通道與裝滿(mǎn)試劑的腔室或孔耦合，以檢測(cè)和測(cè)量用于診斷目的的特定生物標(biāo)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(chǎng)導(dǎo)致蛋白質(zhì)，DNA和RNA沿著分離通道遷移，隨后由檢測(cè)器測(cè)量。

細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備

這些用于細(xì)胞生物學(xué)研究。它們促進(jìn)對(duì)受控環(huán)境中細(xì)胞（如癌細(xì)胞和干細(xì)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(shí)防止化合物擴(kuò)散到液滴外。

審核編輯：郭婷