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（MEMS）和半導體技術制造的。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）：劃線或切割產生的灰塵（通過我們的激光劃線最小化），環境顆粒（通過我們良好的潔凈室實踐和對顆粒計數的嚴格SPC控制最小化），先前光刻中的任何光刻膠殘留物（通過執行氧等離子灰化最小化），細菌（通過良好的去離子水系統最小化）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，光刻技術使用光輻射將掩模或設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速度（通常在 1000 到 4000 RPM 之間，持續 30-70 秒）。在此過程中可以獲得 1 至 60 μm 的厚度，并將根據需要解析的最小特征尺寸進行選擇。光刻膠層經過預烘（3）以蒸發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烘烤過程中，抗蝕劑的厚度通常會減少25%。減少預烘烤可提高開發速度。

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，光掩模的尺寸和比例與印刷的晶圓圖案相同，即復制率為1：1。步進器是能夠改變復制率的投影系統，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。根據所選擇的光刻膠，即負或正，曝光的光刻膠交聯或溶解在顯影液中。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。這消除了后續真空加工中的溶劑爆裂效應，但會給光刻膠帶來一些應力，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，將圖案從掩模轉移到硅或玻璃基板。這是一個不可逆的過程，將在基板上創建設計圖案的2D復制品。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，可以關閉通道。根據要粘合的材料（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。還可以調整工藝參數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，同樣的參數對于細胞可能因粗糙度而損壞的特定應用可能是有害的。

在Sensera的開發中，蛇形微通道的蝕刻深度高達800μm。可以生產關鍵尺寸低至 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，并且在蝕刻區域的任何地方都沒有大于30μm的缺陷，并且在蝕刻區域的1 mm2截面內不超過5個小于30 um的缺陷， 分別。考慮到芯片的大尺寸（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出了豐富的專業知識，從而實現了新的細胞生物學創新。

微流體應用

器官芯片設備

器官芯片是微流控細胞培養裝置，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，旨在減少動物試驗，并用于實施新藥的個性化安全測試。

它們可以準確監測藥物效率。這些設備還可以應用于疾病建模和精準個人醫療。心臟，肺，腎臟，肝臟，大腦和皮膚是已經使用微流體裝置復制的器官，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）結合（Ronaldson-Bouchard和Vunjak-Novakovic）。

護理點和芯片實驗室設備

這些設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 以及蛋白質的快速靈敏研究。這些設備中產生的電場導致蛋白質，DNA和RNA沿著分離通道遷移，隨后由檢測器測量。

細胞培養設備

這些用于細胞生物學研究。它們促進對受控環境中細胞（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生或操縱液滴的裝置。然后，液滴可以具有允許局部反應的特定特性，同時防止化合物擴散到液滴外。

審核編輯：郭婷