JP2005334874A - Micro channel and manufacturing method therefor and micro system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロリアクタシステムや電気泳動マイクロシステム、遠心力分離マイクロシステムでの液流路を形成するマイクロチャネルとその製造方法およびマイクロシステムに関するものである。 The present invention relates to a microchannel that forms a liquid flow path in a microreactor system, an electrophoresis microsystem, and a centrifugal force separation microsystem, a manufacturing method thereof, and a microsystem.
マイクロリアクタシステムや電気泳動マイクロシステム、遠心力分離マイクロシステムは近年の化学、生物学、医学での小型装置化および高速アッセイ化の進展に伴い広範に利用されるようになってきている。そのシステムにおいてマイクロチャネルは試薬・薬液等の液流路として用いられマイクロシステムの根幹をなす重要な要素である。 Microreactor systems, electrophoresis microsystems, and centrifugal force separation microsystems have come to be widely used in recent years with the progress of miniaturization and high-speed assay in chemistry, biology, and medicine. In such a system, the microchannel is used as a liquid flow path for reagents and chemicals, and is an important element that forms the basis of the microsystem.
システムをマイクロ化するメリットとして、一般的に少量の試薬で高速分析が可能、システムの小型化・軽量化が可能、集積化・並列処理化が可能、また不純物の混入が防止できる等の多くのメリットがある。システムをマイクロ化するためには液流路を小型化することが必須であり、多くのマイクロチャネル方式が提案されてきている。 Advantages of micro-systems are generally many, such as high-speed analysis with a small amount of reagents, miniaturization and weight reduction of the system, integration and parallel processing, and prevention of contamination by impurities. There are benefits. In order to miniaturize the system, it is essential to reduce the size of the liquid flow path, and many microchannel systems have been proposed.
従来、マイクロチャネルは一般にシリコン基板または石英基板上に半導体の微細加工技術を用いて加工されてきた。特に高精度なマイクロシステムにおいてはそのマイクロチャネル形状、大きさ、断面積、平坦度のバラツキが特性、精度に大きく影響し、マイクロリアクタシステムではその反応速度、反応量に影響を与え、DNA、RNA、タンパク質を電気泳動または遠心分離するマイクロシステムにおいては質量分析の精度に影響を与える。 Conventionally, a microchannel has generally been processed on a silicon substrate or a quartz substrate using a semiconductor microfabrication technique. In particular, in a highly accurate micro system, variations in the shape, size, cross-sectional area, and flatness of the micro channel greatly affect the characteristics and accuracy. In the micro reactor system, the reaction speed and reaction amount are affected, and DNA, RNA, In microsystems in which proteins are electrophoresed or centrifuged, the accuracy of mass spectrometry is affected.
また従来のマイクロシステムではその幅が100μm程度、深さが100μm程度、長さが数mm程度のマイクロチャネルが液流路として用いられており、その液流路の微細化の故に反応の高速化、試薬量の低減化が可能になってきた。またマイクロチャネルを複数個並列に並べることにより単数のマイクロチャネルの場合に比べて同時処理が可能になり大幅な高速処理化が可能になってきている。 In the conventional micro system, a micro channel having a width of about 100 μm, a depth of about 100 μm, and a length of about several mm is used as a liquid channel, and the reaction speed is increased due to the miniaturization of the liquid channel. The amount of reagent can be reduced. In addition, by arranging a plurality of microchannels in parallel, simultaneous processing is possible as compared with the case of a single microchannel, and it has become possible to significantly increase the processing speed.
従来、かかるマイクロチャネルは、図6に示すように、厚さ数100μm程度のシリコン基板102を用いてその表面に公知の光リソグラフィ技術でフォトレジストおよびフォトマスクを用いてレジストパターン105を形成し(図6(a))、それを用いてウエットエッチング法またはドライエッチング法を用いて等方的、あるいは異方的にシリコン基板102を所定の深さ分選択的にエッチング除去し(図6(b))、シリコン基板102の表面部に蓋106を形成して(図6(c))、そのパターニングされたシリコン基板102をマイクロチャネル121として用いてきた。その一例は特許文献1に示されている。
Conventionally, as shown in FIG. 6, such a microchannel uses a
また廉価なマイクロシステムを形成する場合は、上記パターニングされたシリコン基板を鋳型としてニッケル電鋳し、さらにこれを金型としてプラスチック材料を射出成形して製造されている。この例は非特許文献1に示されている。
上記従来の製造法では、100μm程度のマイクロチャネル幅設計値に対して、リソグラフィの加工後線幅バラツキはプラスマイナス0.1μm程度、エッチング幅バラツキはプラスマイナス0.5μm程度であり、シリコン基板のエッチング加工後のマイクロチャネル幅バラツキはプラスマイナス0.6μm程度のバラツキで100μmのマイクロチャネル幅設計値に比べてトータル、プラスマイナス0.6%程度で、無視できる範囲である。 In the above-described conventional manufacturing method, the line width variation after lithography is about plus / minus 0.1 μm and the etching width variation is about plus / minus 0.5 μm with respect to the microchannel width design value of about 100 μm. The microchannel width variation after the etching process is a variation of about plus or minus 0.6 μm, and is a total plus or minus 0.6% compared with the designed value of the microchannel width of 100 μm, which is negligible.
一方、深さ方向のエッチング精度については、100μmの設計値の場合、深さに対してエッチング誤差はプラスマイナス10μm以上あり誤差率はプラスマイナス10%以上のバラツキを生じることになる。
On the other hand, with respect to the etching accuracy in the depth direction, in the case of a design value of 100 μm, the etching error with respect to the depth is plus or
この理由は、従来法ではウエットエッチングまたはドライエッチングのいずれにおいてもエッチングの終点検出ができず、このため従来法のエッチングではモニタリングと称するダミーのエッチングを先行して行い、この時のエッチング時間とエッチング量の測定からエッチング速度を算出しその後、本番のエッチング時間を決定するしか手段がなかったためである。 This is because the conventional method cannot detect the end point of etching in either wet etching or dry etching. Therefore, in the conventional etching, dummy etching called monitoring is performed in advance, and the etching time and etching at this time are determined. This is because the only means for calculating the etching rate from the measurement of the amount and then determining the actual etching time.
また、エッチング時のエッチング温度のバラツキやエッチングガスのローディング効果によるバラツキも生じて、数mmにわたる長さのマイクロチャネルでは同一チップ内においても数%の大きなエッチング深さのバラツキを生じていた。さらに複数のマイクロチャネルを有する場合はさらに大きなバラツキを生じることになる。 In addition, variations in etching temperature during etching and variations due to the loading effect of etching gas also occurred, and in a microchannel having a length of several millimeters, a large variation in etching depth of several percent was generated even within the same chip. Further, when there are a plurality of microchannels, a larger variation occurs.
この深さのバラツキはマイクロチャネルの断面積のバラツキになり、そこを流れる流体の移動量のバラツキを生じさせ、精度の良いアッセイは不可能であった。これが、マイクロチャネル構造が従来のキャピラリ方式に比べてアッセイ精度が劣る要因となっている。またDNA、RNA、タンパク質の電気泳動方式や遠心分離方式ではその移動度のバラツキを生じしめ、それらの検出質量のバラツキとなり、高精度な分析は不可能であった。 This variation in depth becomes a variation in the cross-sectional area of the microchannel, resulting in a variation in the amount of movement of the fluid flowing therethrough, and an accurate assay was impossible. This is the reason why the microchannel structure is inferior in assay accuracy compared to the conventional capillary method. In addition, the electrophoresis method and the centrifugal separation method of DNA, RNA, and protein caused variations in mobility, resulting in variations in detected mass, and high-precision analysis was impossible.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述したマイクロチャネルの形成における深さ方向のエッチング量の制御の問題解決のため、マイクロチャネルの深さバラツキを従来法に比べて低減できるマイクロチャネルとその製造方法およびマイクロシステムを実現することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to reduce the variation in the depth of the microchannel in the past in order to solve the above-described problem of controlling the etching amount in the depth direction in the formation of the microchannel. It is to realize a microchannel, a manufacturing method thereof, and a microsystem that can be reduced as compared with a method.
上記の課題を解決するため、本発明に係るマイクロチャネルは、流体の通流路をなすマイクロチャネルにおいて、表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを少なくとも含む基板を用い、前記通流路が、前記表面層シリコンを貫通して前記エッチングストッパー層の表面に到達する深さに形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the microchannel according to the present invention is a microchannel that forms a fluid flow path, and is a stopper for surface layer silicon and etching for forming the microchannel in the surface layer silicon. And the flow path is formed to a depth that penetrates the surface layer silicon and reaches the surface of the etching stopper layer.
ここで「ストッパーとして作用する」とは、エッチングストッパー層におけるエッチング速度が表面層シリコンにおけるエッチング速度よりも小さいため、エッチングが表面層シリコンを貫通してエッチングストッパー層の表面に到達すると、エッチング速度が低下することをいう。 Here, “acting as a stopper” means that the etching rate in the etching stopper layer is smaller than the etching rate in the surface layer silicon. Therefore, when the etching penetrates the surface layer silicon and reaches the surface of the etching stopper layer, the etching rate is increased. It means to decrease.
この構成によれば、表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とが設けられるので、マイクロチャネルを構成する通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングして、エッチングストッパー層の表面に到達すると、エッチングストッパー層がエッチングに対してストッパーとして作用し、エッチング速度が急激に低下する。このため、流体の通流路をなすマイクロチャネルの深さのばらつきを低減することができる。 According to this configuration, the surface layer silicon and the etching stopper layer that acts as a stopper for the etching for forming the microchannel in the surface layer silicon are provided. When the surface layer silicon is etched to form the surface and reaches the surface of the etching stopper layer, the etching stopper layer acts as a stopper against the etching, and the etching rate rapidly decreases. For this reason, it is possible to reduce the variation in the depth of the microchannel forming the fluid flow path.
また本発明に係るマイクロチャネルは、上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、埋め込み酸化膜により構成される。そして、流体の通流路をなすマイクロチャネルにおいて、基板として、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、前記通流路が、該SOIの表面層シリコンを貫通して埋め込み酸化膜に到達する深さに形成されていることを特徴としている。 In the microchannel according to the present invention, in addition to the above configuration, the etching stopper layer is formed of a buried oxide film. Then, in a microchannel forming a fluid flow path, an SOI in which surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are laminated in this order is used as a substrate, and the flow path uses the surface layer silicon of the SOI. It is characterized by being formed to a depth that penetrates and reaches the buried oxide film.
上記の構成により、通流路が、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)の表面層シリコンを貫通して埋め込み酸化膜に到達する深さに形成されている。SOI基板は表面層シリコン(S)/埋め込み酸化膜(I)/シリコン基材の3層構造で形成されている。したがって、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、埋め込み酸化膜を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して精度よくマイクロチャネルを形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できる。 With the above configuration, the flow path is formed at a depth that reaches the buried oxide film through the surface layer silicon of SOI (silicon on insulator). The SOI substrate has a three-layer structure of surface layer silicon (S) / buried oxide film (I) / silicon substrate. Therefore, the buried oxide film can serve as an etching stopper when etching the surface layer silicon to form the flow path. Therefore, variation in the depth direction can be reduced and a microchannel can be formed with high accuracy, and a more stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system can be provided with higher accuracy than conventional methods.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、石英基材により構成される。そして、流体の通流路をなすマイクロチャネルにおいて、基板として、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、前記通流路が、該SOQの表面層シリコンを貫通して石英基材の表面に到達する深さに形成されていることを特徴としている。 In the microchannel according to the present invention, in addition to the above configuration, the etching stopper layer is formed of a quartz substrate. In a microchannel forming a fluid flow path, an SOQ in which surface layer silicon and a quartz base material are stacked is used as a substrate, and the flow path passes through the surface layer silicon of the SOQ and the quartz base material. It is characterized by being formed to a depth that reaches the surface of the film.
上記の構成により、通流路が、SOQ(シリコン・オン・クオーツ)の表面層シリコンを貫通して石英基材の表面に到達する深さに形成されている。すなわち、基板としてSOQを用い、そのSOQの表面層シリコンが石英基材の表面に到達する深さまで除去されて、溝として、通流路が形成されている。SOQ基板は表面層シリコン(S)/石英基材(Q)の2層構造で形成されている。したがって、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、石英基材を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して精度よくマイクロチャネルを形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できる。 With the above configuration, the flow path is formed at a depth that reaches the surface of the quartz substrate through the surface layer silicon of SOQ (silicon on quartz). That is, SOQ is used as a substrate, and the surface layer silicon of the SOQ is removed to a depth that reaches the surface of the quartz base material, and a flow path is formed as a groove. The SOQ substrate has a two-layer structure of surface layer silicon (S) / quartz substrate (Q). Therefore, when etching the surface layer silicon to form the flow path, the quartz substrate can be used as an etching stopper. Therefore, variation in the depth direction can be reduced and a microchannel can be formed with high accuracy, and a more stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system can be provided with higher accuracy than conventional methods.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、上記の構成に加えて、上記表面層シリコンの、SOI又はSOQの積層方向に垂直な面が(110)面からなり、マイクロチャネルの長手方向の側壁が(111)面からなることを特徴としている。 Further, in the microchannel according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the surface layer silicon has a (110) plane perpendicular to the SOI or SOQ stacking direction, and the side wall in the longitudinal direction of the microchannel is ( 111) plane.
上記の構成により、上記表面層シリコンの、SOI又はSOQの積層方向に垂直な面が(110)面からなり、マイクロチャネルの長手方向の側壁が(111)面からなる。一般に、(111)面は、(110)面よりも、エッチング速度が遅い。したがって、表面層シリコンのエッチング後にマイクロチャネルの側壁が表面に対して垂直に形成される。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、側壁の平坦度をより向上させることができ、マイクロチャネルを流れる液流体の移動度の向上および速度バラツキ低減を図ることができる。 With the above configuration, the surface layer silicon of the surface silicon is perpendicular to the SOI or SOQ stacking direction (110), and the side wall in the longitudinal direction of the microchannel is (111). In general, the (111) plane has a slower etching rate than the (110) plane. Therefore, the side wall of the microchannel is formed perpendicular to the surface after the etching of the surface layer silicon. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, the flatness of the side wall can be further improved, the mobility of the liquid fluid flowing through the microchannel can be improved, and the speed variation can be reduced.
また本発明に係るマイクロチャネルは上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンに積層されて2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン基材により構成されていることを特徴としている。 The microchannel according to the present invention has a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less laminated on the surface layer silicon in addition to the above-described configuration. It is characterized by being comprised by the high concentration boron silicon base material containing this.
この構成により、ボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン基材が深さ方向のエッチングストッパーとして作用する。ボロン濃度が2×1019cm−3以上であると、エッチング速度が急激に低下するエッチングストッパー効果が得られる。ボロン濃度が1×1020cm−3を超えると、高濃度ボロンシリコン基材の結晶性が崩れ、その上への表面層シリコンのエピタキシャル成長が困難になる。また表面層シリコンを構成する低濃度シリコンはP型とN型とのいずれでもよいが、その不純物濃度が1018cm−3以下であることが望ましい。 With this configuration, the high-concentration boron silicon substrate containing boron impurities functions as an etching stopper in the depth direction. When the boron concentration is 2 × 10 19 cm −3 or more, an etching stopper effect in which the etching rate rapidly decreases can be obtained. If the boron concentration exceeds 1 × 10 20 cm −3 , the crystallinity of the high-concentration boron silicon base material breaks down, making it difficult to epitaxially grow surface layer silicon thereon. The low-concentration silicon constituting the surface layer silicon may be either P-type or N-type, but the impurity concentration is desirably 10 18 cm −3 or less.
このような高濃度ボロンシリコン基材のエッチングストッパー効果により、深さ方向のバラツキを低減して精度よくマイクロチャネルを形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムを提供できる。 Due to the etching stopper effect of this high-concentration boron silicon substrate, it is possible to form microchannels with high precision by reducing variations in the depth direction, and with more accurate and stable microchemical reaction systems and electrophoresis than conventional methods. A micro system and a centrifuge system can be provided.
また本発明に係るマイクロチャネルは上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンに積層されて2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜の前記表面層シリコンと反対側に積層されたシリコン基材をさらに備えることを特徴としている。 The microchannel according to the present invention has a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less laminated on the surface layer silicon in addition to the above-described configuration. The substrate is further provided with a silicon base material laminated on the opposite side of the surface layer silicon of the high-concentration boron silicon film.
この構成により、ボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜が深さ方向のエッチングストッパーとして作用する。ボロン濃度が2×1019cm−3以上であると、エッチングストッパー効果が得られる。ボロン濃度が1×1020cm−3を超えると、高濃度ボロンシリコン膜の結晶性が崩れ、その上への表面層シリコンのエピタキシャル成長が困難になる。 With this configuration, the high-concentration boron silicon film containing boron impurities acts as an etching stopper in the depth direction. When the boron concentration is 2 × 10 19 cm −3 or more, an etching stopper effect can be obtained. When the boron concentration exceeds 1 × 10 20 cm −3 , the crystallinity of the high-concentration boron silicon film is broken, and the epitaxial growth of the surface layer silicon on it becomes difficult.
また、この構成により、前記高濃度ボロンシリコン膜の前記表面層シリコンと反対側に積層されたシリコン基材をさらに備えるので、周知の熱拡散法あるいはイオン注入法によりシリコン基材表面全面にボロンの不純物を導入して高濃度ボロンシリコン膜を形成し、その上にエピタキシャル成長させた比較的低濃度の表面層シリコンを形成した構造を使用することができる。上記構造によれば、熱拡散法でのボロン不純物のデポジション量の最適設定及びイオン注入法でのドーズ量の最適設定により、シリコン表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。このデポジション量におけるデポジションとは、熱拡散法において、シリコン基材の表面全面にボロンを拡散させるときのデポジション、あるいは、シリコン基材の表面に(酸化膜等の)パターンを通してボロンを選択的に拡散させるときのデポジションであり、B2O3、BBr3、BCl3等のボロンを含む不純物ソースからの不純物拡散(デポジション)を意味する。この不純物拡散(デポジション)の後、一般的には、より高温のN2等の不活性ガス中において熱処理(ドライブイン)する。このデポジションの時間を調整することにより、シリコン基材に導入する不純物の量、濃度を制御する。 In addition, this configuration further includes a silicon substrate laminated on the opposite side of the surface layer silicon of the high-concentration boron silicon film, so that the boron surface can be entirely formed on the silicon substrate surface by a known thermal diffusion method or ion implantation method. It is possible to use a structure in which a high-concentration boron silicon film is formed by introducing impurities, and a relatively low-concentration surface layer silicon epitaxially grown thereon is formed. According to the above structure, there is an advantage that the boron concentration on the silicon surface can be freely controlled to a higher concentration by the optimum setting of the boron impurity deposition amount by the thermal diffusion method and the optimum dose amount setting by the ion implantation method. is there. Deposition in this deposition amount is the deposition when boron is diffused over the entire surface of the silicon substrate in the thermal diffusion method, or boron is selected through a pattern (such as an oxide film) on the surface of the silicon substrate. In this case, it means the deposition when the impurity is diffused, and means impurity diffusion (deposition) from an impurity source containing boron such as B 2 O 3 , BBr 3 , BCl 3 . After this impurity diffusion (deposition), heat treatment (drive-in) is generally performed in an inert gas such as N 2 at a higher temperature. By adjusting the deposition time, the amount and concentration of impurities introduced into the silicon substrate are controlled.
また本発明に係るマイクロチャネルは上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を含むシリコン基材をさらに備え、前記高濃度ボロンシリコン膜は、前記通流路に対応した領域に形成されていることを特徴としている。
The microchannel according to the present invention has a high-concentration boron silicon film containing boron impurities at a concentration of 2 × 10 19
この構成により、前記通流路に対応した領域に形成されて、2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜が、エッチングストッパーとして作用する。ボロン濃度が2×1019cm−3以上であると、エッチングストッパー効果が得られる。ボロン濃度が1×1020cm−3を超えると、高濃度ボロンシリコン膜の結晶性が崩れ、その上への表面層シリコンのエピタキシャル成長が困難になる。 With this configuration, a high-concentration boron silicon film formed in a region corresponding to the flow path and containing a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less is used as an etching stopper. Works. When the boron concentration is 2 × 10 19 cm −3 or more, an etching stopper effect can be obtained. When the boron concentration exceeds 1 × 10 20 cm −3 , the crystallinity of the high-concentration boron silicon film is broken, and the epitaxial growth of the surface layer silicon on it becomes difficult.
また、この構成により、前記表面層シリコンの前記高濃度ボロンシリコン膜側に積層されたシリコン基材をさらに備えるので、周知のフォトリソグラフィ技術を用いた熱拡散法あるいはイオン注入法により、ボロンの不純物をシリコン基材の表面に選択的に導入して高濃度ボロンシリコン膜を形成し、その上にエピタキシャル成長された比較的低濃度の表面層シリコンを形成した構造を使用することができる。上記構成では熱拡散のボロン不純物デポジション量やイオン注入のドーズ量の最適設定により、シリコン基材の表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。加えてエピタキシャル成長初期段階でシリコン基材の表面に露出している高濃度ボロンシリコン膜のボロン不純物総量を低減することができる。このため、エピタキシャル成長時における高濃度ボロンシリコン膜からのボロン不純物の再分布やオートドープが抑制でき、より急俊なボロン不純物プロファイルが得られる。その結果、KOH等のアルカリ水溶液でのエッチングに対してより精度の高い深さ制御が可能となる効果を奏する。 In addition, this structure further includes a silicon substrate laminated on the surface layer silicon on the high-concentration boron silicon film side, so that boron impurities can be formed by a thermal diffusion method or ion implantation method using a well-known photolithography technique. Can be selectively introduced into the surface of the silicon substrate to form a high-concentration boron silicon film, and a structure in which a relatively low-concentration surface layer silicon epitaxially grown thereon is formed can be used. The above configuration has an advantage that the boron concentration on the surface of the silicon substrate can be freely controlled to a higher concentration by optimal setting of the boron impurity deposition amount for thermal diffusion and the dose amount for ion implantation. In addition, the total amount of boron impurities in the high-concentration boron silicon film exposed on the surface of the silicon substrate at the initial stage of epitaxial growth can be reduced. For this reason, redistribution and autodoping of boron impurities from the high-concentration boron silicon film during epitaxial growth can be suppressed, and a more abrupt boron impurity profile can be obtained. As a result, there is an effect that depth control with higher accuracy is possible for etching with an alkaline aqueous solution such as KOH.
また本発明に係るマイクロチャネルは上記の構成に加えて、前記ボロン不純物濃度が6×1019cm−3以上であることを特徴としている。 In addition to the above structure, the microchannel according to the present invention is characterized in that the boron impurity concentration is 6 × 10 19 cm −3 or more.
この構成により、さらに高いエッチングストッパー効果を得ることができる。 With this configuration, a higher etching stopper effect can be obtained.
また本発明に係るマイクロチャネルは上記の構成に加えて、前記表面層シリコンの表面が(110)面からなり、前記通流路の長手方向が<112>方向に配置されていることを特徴としている。 The microchannel according to the present invention is characterized in that, in addition to the above configuration, the surface layer silicon has a (110) surface, and the longitudinal direction of the flow path is arranged in the <112> direction. Yes.
この構成により、(110)面からなる表面層シリコンの表面をエッチングして、その長手方向が<112>方向に配置される通流路を形成すると、その通流路の長手方向のエッチング側壁には(111)面が現れる。この(111)面は一般に(110)面よりもエッチング速度が遅い。したがって表面層シリコンのエッチング後にマイクロチャネルの長手方向の側壁が表面層シリコンの表面に対して平滑にかつ垂直に形成される。このため、マイクロチャネルを流れる液流体の移動度の向上および速度バラツキ低減を図ることができる。 With this configuration, when the surface of the surface layer silicon composed of the (110) plane is etched to form a flow path whose longitudinal direction is arranged in the <112> direction, the longitudinal etching side wall of the flow path is formed on the etching side wall. (111) plane appears. The (111) plane generally has a slower etching rate than the (110) plane. Therefore, after the etching of the surface layer silicon, the side wall in the longitudinal direction of the microchannel is formed smoothly and perpendicularly to the surface of the surface layer silicon. For this reason, it is possible to improve the mobility of the fluid flowing through the microchannel and reduce the speed variation.
本発明に係るマイクロシステムは、マイクロチャネルを用いて、マイクロリアクタ、電気泳動装置、および遠心力分離装置の少なくともいずれか一つとして動作するマイクロシステムにおいて、上記マイクロチャネルを用いることを特徴としている。 A microsystem according to the present invention is characterized in that the microchannel is used in a microsystem that operates as at least one of a microreactor, an electrophoresis apparatus, and a centrifugal separator using a microchannel.
この構成によれば、流体の通流路をなすマイクロチャネルを形成するためにエッチングされた表面層シリコンと、前記表面層シリコンへのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを基板が含むので、マイクロチャネルを構成する通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングして、エッチングストッパー層の表面に到達すると、エッチングストッパー層がエッチングに対してストッパーとして作用し、エッチング速度が急激に低下する。このため、流体の通流路をなすマイクロチャネルの深さのばらつきを低減することができ、従来法に比べてより精度が高く安定したマイクロリアクタ、電気泳動装置、および遠心力分離装置を提供できる。 According to this configuration, the substrate includes the surface layer silicon etched to form a microchannel that forms a fluid flow path, and the etching stopper layer that acts as a stopper for etching the surface layer silicon. Therefore, when the surface layer silicon is etched to form the flow path constituting the microchannel and reaches the surface of the etching stopper layer, the etching stopper layer acts as a stopper against the etching, and the etching rate is rapidly increased. descend. For this reason, it is possible to reduce the variation in the depth of the microchannel forming the fluid flow path, and it is possible to provide a microreactor, an electrophoresis apparatus, and a centrifugal separation apparatus that are more accurate and stable than the conventional method.
本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、流体の通流路をなすマイクロチャネルの製造方法において、表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを少なくとも含む基板を用い、前記エッチングストッパー層の表面に到達するまで前記表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴とする。 The microchannel manufacturing method according to the present invention is a microchannel manufacturing method for forming a fluid flow path, and acts as a stopper for surface layer silicon and etching for forming the microchannel in the surface layer silicon. The flow path is formed by etching the surface layer silicon until reaching the surface of the etching stopper layer using a substrate including at least an etching stopper layer.
この構成によれば、表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とが設けられるので、マイクロチャネルを構成する通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングして、エッチングストッパー層の表面に到達すると、エッチングストッパー層がエッチングに対してストッパーとして作用し、エッチング速度が急激に低下する。このため、流体の通流路をなすマイクロチャネルの深さのばらつきを低減することができる。 According to this configuration, the surface layer silicon and the etching stopper layer that acts as a stopper for the etching for forming the microchannel in the surface layer silicon are provided. When the surface layer silicon is etched to form the surface and reaches the surface of the etching stopper layer, the etching stopper layer acts as a stopper against the etching, and the etching rate rapidly decreases. For this reason, it is possible to reduce the variation in the depth of the microchannel forming the fluid flow path.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、埋め込み酸化膜により構成され、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、そのSOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention includes an SOI in which the etching stopper layer is formed of a buried oxide film, and a surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are laminated in this order. The flow channel is formed by etching the surface layer silicon until reaching the buried oxide film of the SOI.
上記の構成により、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成する。SOI基板は表面層シリコン(S)/埋め込み酸化膜(I)/シリコン基材の3層構造で形成されている。したがって、埋め込み酸化膜を表面層シリコンの異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して精度よくマイクロチャネルを形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できる。 With the above configuration, the flow path is formed by etching the surface layer silicon until reaching the buried oxide film of SOI. The SOI substrate has a three-layer structure of surface layer silicon (S) / buried oxide film (I) / silicon substrate. Therefore, the buried oxide film can serve as an etching stopper during anisotropic etching of the surface layer silicon. Therefore, variation in the depth direction can be reduced and a microchannel can be formed with high accuracy, and a more stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system can be provided with higher accuracy than conventional methods.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記の構成に加えて、上記SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチング除去した後、通流路下の埋め込み酸化膜を除去することを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention removes the buried oxide film under the flow path after etching away the surface layer silicon until reaching the buried oxide film of the SOI. It is characterized by that.
上記の構成により、上記SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチング除去した後、通流路下の埋め込み酸化膜を除去する。したがって、チャネルの底面部が疎水性の高いシリコン基材で形成されることになる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、より疎水性が要求される液流路に好都合であるという効果を奏する。 With the above configuration, the surface layer silicon is removed by etching until the SOI buried oxide film is reached, and then the buried oxide film under the flow path is removed. Therefore, the bottom surface of the channel is formed of a highly hydrophobic silicon substrate. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that it is convenient for a liquid flow path that requires more hydrophobicity.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、石英基材により構成され、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、そのSOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴としている。 In addition to the above-described configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention uses an SOQ in which the etching stopper layer is formed of a quartz base material and a surface layer silicon and a quartz base material are laminated. The flow path is formed by etching the surface layer silicon until reaching the surface of the substrate.
上記の構成により、SOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることで上記通流路を形成する。すなわち、基板としてSOQを用い、そのSOQの表面層シリコンが石英基材の表面に到達する深さまで除去されて、溝として、通流路が形成されている。SOQ基板は表面層シリコン(S)/石英基材(Q)の2層構造により形成されている。したがって、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、石英基材を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 With the above configuration, the flow path is formed by etching the surface layer silicon until reaching the surface of the SOQ quartz substrate. That is, SOQ is used as a substrate, and the surface layer silicon of the SOQ is removed to a depth that reaches the surface of the quartz base material, and a flow path is formed as a groove. The SOQ substrate is formed by a two-layer structure of surface layer silicon (S) / quartz substrate (Q). Therefore, when etching the surface layer silicon to form the flow path, the quartz substrate can be used as an etching stopper. Therefore, it is possible to accurately form microchannels by reducing variation in the depth direction, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system that are more accurate than conventional methods. Play.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記の構成に加えて、上記通流路の側壁シリコンを酸化性雰囲気に晒して親水性を帯びさせることを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is characterized in that the sidewall silicon of the flow path is exposed to an oxidizing atmosphere to make it hydrophilic.
上記の構成により、上記通流路の側壁シリコンを酸化性雰囲気に晒して親水性を帯びさせる。したがって、マイクロチャネルの側壁をより親水性化できる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、液流路(通流路)として親水性が要求される用途に好都合であるという効果を奏する。 With the above configuration, the sidewall silicon of the flow path is exposed to an oxidizing atmosphere to make it hydrophilic. Therefore, the side wall of the microchannel can be made more hydrophilic. Therefore, in addition to the effects of the above-described configuration, there is an effect that the liquid channel (passage channel) is advantageous for applications requiring hydrophilicity.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記の構成に加えて、上記表面層シリコンのエッチングに異方性のドライエッチング法を用いることを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is characterized by using an anisotropic dry etching method for etching the surface layer silicon.
上記の構成により、上記表面層シリコンのエッチングに異方性のドライエッチング法を用いる。したがって、埋め込み酸化膜に対する表面層シリコンのエッチング速度の選択比が十分大きい。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、下地の埋め込み酸化膜をほとんどエッチングすることなく、表面層シリコンを選択的にエッチング可能になるという効果を奏する。 With the above configuration, an anisotropic dry etching method is used for etching the surface layer silicon. Therefore, the selectivity of the etching rate of the surface layer silicon with respect to the buried oxide film is sufficiently large. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that the surface layer silicon can be selectively etched without substantially etching the underlying buried oxide film.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記の構成に加えて、上記表面層シリコンのエッチングに異方性のウエットエッチング法を用いることを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is characterized by using an anisotropic wet etching method for etching the surface layer silicon.
上記の構成により、上記表面層シリコンのエッチングに異方性のウエットエッチング法を用いる。したがって、埋め込み酸化膜に対する表面層シリコンのエッチング速度の選択比が十分大きい。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、下地の埋め込み酸化膜をほとんどエッチングすることなく、表面層シリコンを選択的にエッチング可能になるという効果を奏する。 With the above configuration, an anisotropic wet etching method is used for etching the surface layer silicon. Therefore, the selectivity of the etching rate of the surface layer silicon with respect to the buried oxide film is sufficiently large. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that the surface layer silicon can be selectively etched without substantially etching the underlying buried oxide film.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記の構成に加えて、上記表面層シリコンが(110)面からなり、上記通流路の長手方向の側壁が(111)面からなることを特徴としている。 In addition to the above-described configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is such that the surface layer silicon is formed of a (110) plane and the side wall in the longitudinal direction of the flow path is formed of a (111) plane. It is a feature.
上記の構成により、上記表面層シリコンが(110)面からなり、上記通流路の長手方向の側壁が(111)面からなる。一般に、(111)面は、(110)面よりも、エッチング速度が遅い。したがって、表面層シリコンのエッチング後にマイクロチャネルの側壁が表面に対して垂直に形成される。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、側壁の平坦度をより向上させることができ、マイクロチャネルを流れる液流体の移動度の向上および速度バラツキ低減を図ることができるという効果を奏する。 With the above configuration, the surface layer silicon is formed of the (110) plane, and the side wall in the longitudinal direction of the flow path is formed of the (111) plane. In general, the (111) plane has a slower etching rate than the (110) plane. Therefore, the side wall of the microchannel is formed perpendicular to the surface after the etching of the surface layer silicon. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, the flatness of the side wall can be further improved, and the mobility of the liquid fluid flowing through the microchannel can be improved and the speed variation can be reduced.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンを積層する、2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン基材により構成され、前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン基材の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴としている。 The microchannel manufacturing method according to the present invention has a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less in which the surface stopper silicon is stacked in addition to the above-described configuration. The high-concentration boron silicon base material containing boron impurities of the above, and through the surface layer silicon to reach the surface of the high-concentration boron silicon base material anisotropically with an aqueous alkaline solution to the depth It is characterized by etching.
この構成により、通流路が、比較的低濃度の表面層シリコンを貫通してボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン基材の表面に到達する深さに形成されている。したがって、通流路を形成するために表面層シリコンをKOH等のアルカリ水溶液で異方的にエッチングする時に、高濃度ボロンシリコン基材をそのエッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できる。 With this configuration, the flow path is formed at a depth that reaches the surface of the high-concentration boron silicon substrate containing boron impurities through the relatively low-concentration surface layer silicon. Therefore, when the surface layer silicon is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution such as KOH in order to form the flow path, the high-concentration boron silicon substrate can be used as an etching stopper. Therefore, variation in the depth direction can be reduced and the microchannel can be formed with high accuracy, and a more stable and stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system can be provided as compared with the conventional method.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンを積層する、2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を積層するシリコン基材をさらに備え、前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴としている。 The microchannel manufacturing method according to the present invention has a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less in which the surface stopper silicon is stacked in addition to the above-described configuration. The substrate is further provided with a silicon base material on which the high-concentration boron silicon film is laminated, and penetrates the surface layer silicon to form a surface of the high-concentration boron silicon film. The flow path is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution to a depth reaching the thickness of the film.
この構成により、エッチングストッパーとなる高濃度ボロンシリコン膜をシリコン基材の上に形成する。このため、シリコン基材の表面全面に周知の熱拡散法あるいはイオン注入法でボロンの不純物を導入して高濃度ボロンシリコン膜を形成し、その上にエピタキシャル成長された比較的低濃度の表面層シリコンを形成した構造を使用することができる。上記構造では熱拡散法でのボロン不純物のデポジション量の最適設定及びイオン注入法でのドーズ量の最適設定により、シリコン基材表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。 With this configuration, a high-concentration boron silicon film serving as an etching stopper is formed on the silicon substrate. Therefore, boron impurities are introduced into the entire surface of the silicon substrate by a known thermal diffusion method or ion implantation method to form a high concentration boron silicon film, and a relatively low concentration surface layer silicon epitaxially grown thereon. The structure formed can be used. The above structure has the advantage that the boron concentration on the surface of the silicon substrate can be freely controlled to a higher concentration by the optimum setting of the boron impurity deposition amount by the thermal diffusion method and the optimum dose amount setting by the ion implantation method. .
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を含むシリコン基材をさらに備え、前記高濃度ボロンシリコン膜は、前記通流路に対応した領域に形成され、前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴としている。 In addition to the above-described structure, the method for manufacturing a microchannel according to the present invention includes a high-concentration boron containing the boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less. The silicon substrate is further provided with a silicon base material including the high-concentration boron silicon film, and the high-concentration boron silicon film is formed in a region corresponding to the flow path, and the surface layer silicon is formed. The flow path is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution to a depth that penetrates and reaches the surface of the high-concentration boron silicon film.
この構成により、前記高濃度ボロンシリコン膜を含むシリコン基材をさらに備えるので、周知のフォトリソグラフィ技術を用いた熱拡散法あるいはイオン注入法により、ボロンの不純物をシリコン基材の表面の一部に選択的に導入して高濃度ボロンシリコン膜を形成し、その上にエピタキシャル成長された比較的低濃度の表面層シリコンを形成した構造を使用することができる。上記構造では熱拡散法でのボロン不純物デポジション量やイオン注入法でのドーズ量の最適設定により、シリコン基材表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。加えてエピタキシャル成長初期段階において、シリコン基材の表面に露出している高濃度ボロンシリコン膜のボロン不純物総量を低減することができる。このため、エピタキシャル成長時における高濃度ボロンシリコン膜からのボロン不純物の再分布やオートドープが抑制でき、より急俊な不純物プロファイルが得られる。その結果、KOH等のアルカリ水溶液でのエッチングに対してより高い深さ制御が可能となる。 With this configuration, a silicon base material including the high-concentration boron silicon film is further provided, so that boron impurities are part of the surface of the silicon base material by a thermal diffusion method or ion implantation method using a well-known photolithography technique. A structure in which a high concentration boron silicon film is selectively introduced to form a relatively low concentration surface layer silicon epitaxially grown thereon can be used. The above structure has an advantage that the boron concentration on the surface of the silicon substrate can be freely controlled to a higher concentration by optimal setting of the boron impurity deposition amount in the thermal diffusion method and the dose amount in the ion implantation method. In addition, in the initial stage of epitaxial growth, the total amount of boron impurities in the high-concentration boron silicon film exposed on the surface of the silicon substrate can be reduced. Therefore, redistribution and autodoping of boron impurities from the high-concentration boron silicon film during epitaxial growth can be suppressed, and a more abrupt impurity profile can be obtained. As a result, higher depth control is possible with respect to etching with an alkaline aqueous solution such as KOH.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記通流路に露出するシリコンを酸化性雰囲気に晒すか、あるいはCVD法で堆積して前記通流路の側壁及び底面を酸化膜で覆うことを特徴としている。 In addition to the above-described structure, the microchannel manufacturing method according to the present invention exposes the silicon exposed to the flow path to an oxidizing atmosphere or deposits it by a CVD method so that the side walls and the bottom surface of the flow path are formed. It is characterized by covering with an oxide film.
この構成により、上記通流路の側壁および底面のシリコンを酸化膜により絶縁させる。従ってマイクロチャネルが酸化膜で覆われ絶縁される。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、電気泳動や電気浸透流での駆動力を用いて被検体を泳動や分離する場合に液流路(通流路)を使用できる。 With this configuration, the silicon on the side walls and bottom surface of the flow path is insulated by the oxide film. Therefore, the microchannel is covered with an oxide film and insulated. Therefore, in addition to the effects of the above-described configuration, a liquid channel (flow channel) can be used when a subject is migrated or separated using driving force in electrophoresis or electroosmotic flow.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記通流路に露出するシリコンを酸素プラズマに晒すか、あるいは酸化性薬液に浸すことを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is characterized in that silicon exposed to the flow path is exposed to oxygen plasma or immersed in an oxidizing chemical solution.
この構成により、マイクロチャネルの側壁および底面を親水性化できる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、通流路として親水性が要求される用途に好都合であるという効果を奏する。 With this configuration, the side wall and bottom surface of the microchannel can be made hydrophilic. Therefore, in addition to the effect by the above-described configuration, there is an effect that it is convenient for applications where hydrophilicity is required as a flow path.
また本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は上記の構成に加えて、前記ボロン不純物濃度が6×1019cm−3以上であることを特徴としている。 In addition to the above configuration, the microchannel manufacturing method according to the present invention is characterized in that the boron impurity concentration is 6 × 10 19 cm −3 or more.
この構成により、さらに高いエッチングストッパー効果を得ることができる。 With this configuration, a higher etching stopper effect can be obtained.
本発明に係るマイクロチャネルの他の製造方法は、流体の通流路をなすマイクロチャネルを形成するためにエッチングされる表面層シリコンと、前記表面層シリコンへのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを少なくとも含む基板を備え、前記通流路が、前記表面層シリコンを貫通して前記エッチングストッパー層の表面に到達する深さに形成されている第1鋳型を形成し、前記第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形することにより前記通流路を形成することを特徴とする。 Another method of manufacturing a microchannel according to the present invention includes a surface layer silicon that is etched to form a microchannel that forms a fluid flow path, and an etching that acts as a stopper for etching the surface layer silicon. A first mold having a substrate including at least a stopper layer, wherein the flow path penetrates the surface layer silicon and reaches a surface of the etching stopper layer, and forms a first mold. A second mold is formed based on the mold, and the flow path is formed by injection molding a plastic material using the second mold.
上記の構成によれば、流体の通流路をなすマイクロチャネルを形成するためにエッチングされる表面層シリコンと、前記表面層シリコンへのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とが設けられるので、エッチングストッパー層がエッチングに対してストッパーとして作用し、深さのばらつきを低減した溝を形成した第1鋳型が得られる。この第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形してプラスチック材料性のマイクロチャネルを得る。第1鋳型の溝の深さ方向のばらつきを精度よく形成できるので、深さ方向のばらつきを低減したプラスチック材料性のマイクロチャネルを得ることができる。 According to said structure, the surface layer silicon etched in order to form the microchannel which makes a fluid flow path, and the etching stopper layer which acts as a stopper with respect to the etching to the said surface layer silicon are provided. Therefore, the etching stopper layer acts as a stopper against etching, and a first mold in which grooves having reduced depth variations are formed is obtained. A second mold is formed on the basis of the first mold, and a plastic material is injection molded using the second mold to obtain a plastic material microchannel. Since the variation in the depth direction of the groove of the first mold can be formed with high accuracy, it is possible to obtain a plastic material microchannel with reduced variation in the depth direction.
また本発明に係るマイクロチャネルの他の製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、埋め込み酸化膜により構成され、基板として、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴としている。 In addition to the above-described structure, another manufacturing method of the microchannel according to the present invention is configured such that the etching stopper layer is formed of a buried oxide film, and a surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are arranged in this order as a substrate. Using the stacked SOI, a second mold is formed using the first mold in which the surface layer silicon is etched until reaching the buried oxide film of the SOI, and injection molding is performed with a plastic material using the second mold. Thus, the above-described flow path is formed.
この構成により、表面層シリコンと、エッチングストッパーとして作用する埋め込み酸化膜と、シリコン基材とがこの順に積層されたSOIを用い、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングした第1鋳型が得られる。この第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形してマイクロチャネルを得る。第1鋳型の溝の深さ方向のばらつきを精度よく形成できるので、深さ方向のばらつきを低減したプラスチック材料性のマイクロチャネルを得ることができる。 With this configuration, the SOI in which the surface layer silicon, the buried oxide film acting as an etching stopper, and the silicon base material are stacked in this order is used, and the first surface layer silicon is etched until the SOI buried oxide film is reached. A mold is obtained. A second mold is formed based on the first mold, and a plastic material is injection molded using the second mold to obtain a microchannel. Since the variation in the depth direction of the groove of the first mold can be formed with high accuracy, it is possible to obtain a plastic material microchannel with reduced variation in the depth direction.
また本発明に係るマイクロチャネルの他の製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、石英基材により構成され、基板として、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、SOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴としている。 In addition to the above-described structure, another method for manufacturing a microchannel according to the present invention uses the SOQ in which the etching stopper layer is formed of a quartz base material and the surface layer silicon and the quartz base material are stacked as the substrate. The second mold is formed by using the first mold in which the surface layer silicon is etched until reaching the surface of the SOQ quartz base material, and the second mold is used for injection molding with a plastic material. It is characterized by forming a road.
この構成により、表面層シリコンと、エッチングストッパーとして作用する石英基材とが積層されたSOQを用い、SOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型が得られる。この第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形してマイクロチャネルを得る。 With this configuration, the first mold in which the surface layer silicon is etched until the surface of the SOQ quartz substrate is reached is obtained by using the SOQ in which the surface layer silicon and the quartz substrate serving as an etching stopper are stacked. . A second mold is formed based on the first mold, and a plastic material is injection molded using the second mold to obtain a microchannel.
したがって、石英基材の表面を表面層シリコンの異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせることができる。 Therefore, the surface of the quartz substrate can be used as an etching stopper during anisotropic etching of the surface layer silicon.
それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して第1鋳型の溝を精度よく形成できるので、それを用いて形成したマイクロチャネルは、深さ方向のバラツキが低減されて精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムを提供できる。 Therefore, since the variation in the depth direction can be reduced and the groove of the first mold can be formed with high accuracy, the microchannel formed using the groove can be formed with high accuracy by reducing the variation in the depth direction. Compared to the above, a more accurate and stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system can be provided.
また本発明に係るマイクロチャネルの他の製造方法は上記の構成に加えて、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンに積層されて2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴としている。
In addition to the above-described configuration, another method for manufacturing a microchannel according to the present invention includes the etching stopper layer laminated on the surface layer silicon and having a thickness of 2 × 10 19
この構成により、前記エッチングストッパー層は、前記表面層シリコンに積層されて2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン膜により構成され、高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングした第1鋳型が得られる。この第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形して、マイクロチャネルを得る。第1鋳型の溝は、深さ方向のばらつきを低減して精度よく形成できるので、深さ方向のばらつきを低減したプラスチック材料性のマイクロチャネルを得ることができる。 With this configuration, the etching stopper layer is formed of a high-concentration boron silicon film that is laminated on the surface layer silicon and contains a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, A first mold obtained by etching the surface layer silicon until reaching the surface of the high-concentration boron silicon film is obtained. A second mold is formed based on the first mold, and a plastic material is injection molded using the second mold to obtain a microchannel. Since the groove of the first mold can be accurately formed by reducing variations in the depth direction, a plastic material microchannel with reduced variations in the depth direction can be obtained.
本発明に係るマイクロチャネル、マイクロシステム及びマイクロチャネルの製造方法によれば、流体の通流路をなすマイクロチャネルを形成するためにエッチングされた表面層シリコンと、前記表面層シリコンへのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とが設けられるので、マイクロチャネルを構成する通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングして、エッチングストッパー層の表面に到達すると、エッチングストッパー層がエッチングに対してストッパーとして作用し、エッチング速度が急激に低下する。このため、流体の通流路をなすマイクロチャネルの深さのばらつきを低減することができる。 According to the microchannel, the microsystem, and the microchannel manufacturing method according to the present invention, the surface layer silicon etched to form the microchannel forming the fluid flow path, and the etching on the surface layer silicon The etching stopper layer that acts as a stopper is provided, so that when the surface layer silicon is etched to form the flow path constituting the microchannel and reaches the surface of the etching stopper layer, the etching stopper layer is etched. On the other hand, it acts as a stopper, and the etching rate rapidly decreases. For this reason, it is possible to reduce the variation in the depth of the microchannel forming the fluid flow path.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、基板として、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、前記通流路が、該SOIの表面層シリコンを貫通して埋め込み酸化膜に到達する深さに形成されている構成である。 In addition, the microchannel according to the present invention uses, as a substrate, SOI in which surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are laminated in this order, and the flow path penetrates the surface layer silicon of the SOI. In this configuration, the depth reaches the buried oxide film.
これにより、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、埋め込み酸化膜を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 Thereby, when the surface layer silicon is etched to form the flow path, the buried oxide film can serve as an etching stopper. Therefore, it is possible to accurately form microchannels by reducing variation in the depth direction, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system that are more accurate than conventional methods. Play.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、基板として、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、前記通流路が、該SOQの表面層シリコンを貫通して石英基材の表面に到達する深さに形成されている構成である。 In addition, the microchannel according to the present invention uses, as a substrate, SOQ in which surface layer silicon and a quartz base material are laminated, and the flow path penetrates the surface layer silicon of the SOQ to the surface of the quartz base material. It is the structure formed in the depth which reaches | attains.
これにより、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、石英基材を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 Thereby, when etching the surface layer silicon to form the flow path, the quartz substrate can be used as an etching stopper. Therefore, it is possible to accurately form microchannels by reducing variation in the depth direction, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system that are more accurate than conventional methods. Play.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、そのSOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることで上記通流路を形成する構成である。 The method for manufacturing a microchannel according to the present invention uses SOI in which surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are stacked in this order, and etches the surface layer silicon until reaching the buried oxide film of the SOI. Thus, the above-described flow path is formed.
これにより、埋め込み酸化膜を表面層シリコンの異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 Thereby, the buried oxide film can be used as an etching stopper at the time of anisotropic etching of the surface layer silicon. Therefore, it is possible to accurately form microchannels by reducing variation in the depth direction, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system that are more accurate than conventional methods. Play.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、そのSOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることで上記通流路を形成する構成である。 Also, the microchannel manufacturing method according to the present invention uses SOQ in which surface layer silicon and a quartz substrate are laminated, and etches the surface layer silicon until reaching the surface of the quartz substrate of the SOQ. It is the structure which forms a flow path.
これにより、通流路を形成するために表面層シリコンをエッチングする時に、石英基材を、エッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 Thereby, when etching the surface layer silicon to form the flow path, the quartz substrate can be used as an etching stopper. Therefore, it is possible to accurately form microchannels by reducing variation in the depth direction, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system that are more accurate than conventional methods. Play.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することで上記通流路を形成する構成である。 In addition, the method for manufacturing a microchannel according to the present invention forms a second mold using a first mold in which surface layer silicon is etched until reaching a buried oxide film of SOI, and uses the second mold to form a plastic. The above-mentioned flow path is formed by injection molding with a material.
これにより、埋め込み酸化膜を表面層シリコンの異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して第1鋳型の溝を精度よく形成できるので、この第1鋳型に基づいて形成した第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成型すると、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 Thereby, the buried oxide film can be used as an etching stopper at the time of anisotropic etching of the surface layer silicon. Therefore, the variation in the depth direction can be reduced and the groove of the first mold can be accurately formed. Therefore, when the plastic material is injection molded using the second mold formed based on the first mold, the depth direction It is possible to form a microchannel with high accuracy by reducing variation, and to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system with higher accuracy than conventional methods.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、SOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することで上記通流路を形成する構成である。 Also, the method for manufacturing a microchannel according to the present invention forms a second template using the first template etched with surface layer silicon until reaching the surface of the SOQ quartz substrate, and uses the second template. Thus, the flow passage is formed by injection molding with a plastic material.
これにより、石英基材の表面を表面層シリコンの異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせることができる。それゆえ、深さ方向のバラツキを低減して第1鋳型を精度よく形成できるので、この第1鋳型に基づいて形成した第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成型すると、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネルを精度よく形成でき、従来法に比べてより精度の高い安定したマイクロ化学反応システムや電気泳動マイクロシステム、遠心分離システムが提供できるという効果を奏する。 As a result, the surface of the quartz substrate can serve as an etching stopper during anisotropic etching of the surface layer silicon. Therefore, the variation in the depth direction can be reduced and the first mold can be formed with high accuracy. Therefore, when the plastic material is injection-molded using the second mold formed based on the first mold, the variation in the depth direction is reduced. Thus, the microchannel can be formed with high accuracy, and it is possible to provide a stable microchemical reaction system, electrophoresis microsystem, and centrifuge system with higher accuracy than the conventional method.
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るマイクロチャネルについて説明する。 Hereinafter, microchannels according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態において、例えばマイクロチャネル21のように、図面の参照符号を付してマイクロチャネルと表記するときは、流体の通流路をなすマイクロチャネルそのものを意味するものとする。一方、図面の参照符号を付すことなく、単に、マイクロチャネルと表記するときは、流体の通流路をなすマイクロチャネルを形成した構造体を意味するものとする。この構造体は、マイクロ流体チップと表記することもある。
In the present embodiment, for example, the
まず、本形態に係るマイクロチャネルの構造と特徴について述べる。ウエハ張り合わせ技術を用いたSOI技術では、表面層シリコンの厚みが数十μmの場合において、表面層シリコンの厚みバラツキは容易にプラスマイナス2%に制御でき、既に市販されている。本実施の形態では、このことを利用して、マイクロチャネルを形成する材料として、シリコン基板に代えてSOI基板を用いる。SOI基板は、表面層シリコン(S)/埋め込み酸化膜(I)/シリコン基材の3層構造で形成されている。 First, the structure and characteristics of the microchannel according to this embodiment will be described. In the SOI technique using the wafer bonding technique, when the thickness of the surface layer silicon is several tens of μm, the thickness variation of the surface layer silicon can be easily controlled to plus or minus 2% and is already commercially available. In this embodiment, utilizing this, an SOI substrate is used as a material for forming the microchannel instead of the silicon substrate. The SOI substrate has a three-layer structure of surface layer silicon (S) / buried oxide film (I) / silicon substrate.
埋め込み酸化膜としては、より具体的には、例えば、埋め込みシリコン酸化膜(SiO2またはSiO2−x)を用いることができる。一般的には熱酸化膜(SiO2)が考えられるが、CVDによる酸化膜(SiO2−x)も考えられる。選択比の観点からはSiO2が望ましい。また、シリコン酸化膜以外の膜の例としては、例えばAl2O3等を挙げることもできる。 More specifically, for example, a buried silicon oxide film (SiO 2 or SiO 2-x ) can be used as the buried oxide film. Generally, a thermal oxide film (SiO 2 ) can be considered, but an oxide film (SiO 2−x ) by CVD can also be considered. From the viewpoint of selectivity, SiO 2 is desirable. Moreover, as an example of films other than the silicon oxide film, for example, Al 2 O 3 can be cited.
図1(a)〜(d)はこの実施形態に係るマイクロチャネルの基本的製造方法を示す図である。このマイクロチャネルは例えばシリコン半導体基板であるシリコン基材2を含むSOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板1に、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて実現される。なお、図1(a)〜(d)中、紙面の奥行き方向が、マイクロチャネル内の試料が流れる方向である。後述する図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、図5(a)〜(d)、図6(a)〜(c)、図7(a)〜(d)、図9(a)〜(d)、図10(a)〜(d)及び図11(a)〜(d)も同様である。図1(a)〜(d)に示すように、液体の通流路となるマイクロチャネル21の深さに相当する厚みの表面層シリコン4を有するSOI基板1を用い、ガスまたは薬液を用いてその表面層シリコン4をSOI基板1の表面から埋め込み酸化膜3まで貫通させることで、選択的に表面層シリコン4を除去する。このようにして、本発明はその埋め込み酸化膜3を表面層シリコン4の異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせる。この場合、厚い表面層シリコン4を持つSOIは一般にウエハ張り合わせ方法により製作され、その場合の表面層シリコン4の厚さは0.5μmから100μmが製作可能である。
1A to 1D are views showing a basic method for manufacturing a microchannel according to this embodiment. This microchannel is realized, for example, on a SOI (silicon on insulator)
これにより、SOI基板1の表面に異方性エッチングにより形成された100μm程度のマイクロチャネル21について、システム上の全てのマイクロチャネルにわたってその深さバラツキをプラスマイナス2μm程度以下に制御できる。これは深さに対してプラスマイナス2%程度に相当し、従来技術の1/5程度に低減される。したがって、基板上に液体の通流路となる単数または複数のマイクロチャネルを形成するにあたり、そのマイクロチャネルの深さの製作精度を向上させることができる。
As a result, the depth variation of about 100 μm microchannels 21 formed by anisotropic etching on the surface of the
SOIを使った場合、表面層シリコン4のエッチングは、KOHあるいはエチレンジアミン水溶液のように埋め込み酸化膜3に対して十分大きなエッチング速度の選択比を有するウエットエッチング法、または異方性ドライエッチングのいずれも可能である。埋め込み酸化膜3に対する表面層シリコン4のエッチングの選択比は、ドライエッチングでは適当なエッチングガスを用いることにより、100以上が得られ、またKOHあるいはエチレンジアミン水溶液を使うウエットエッチング法では殆ど無限大の選択比が得られる。
When SOI is used, the etching of the
すなわち、埋め込み酸化膜3としては、上記のように、埋め込み酸化膜3に対する表面層シリコン4のエッチングの選択比が大きいものを適宜選べばよい。
That is, as the buried
上記のように選択比が大きいので、100μm程度の深さのシリコンエッチング時に5%程度のオーバーエッチングを行っても、下地の埋め込み酸化膜3のエッチング量は0.05μm以下であり僅かのものになる。
Since the selection ratio is large as described above, the etching amount of the underlying buried
この手法によりSOI基板1を用いて埋め込み酸化膜3をエッチングストッパーとしてエッチングすることにより、下地の埋め込み酸化膜3をほとんどエッチングすることなく、表面層シリコン4を選択的にエッチング可能になる。
By etching the buried
また、ドライエッチングを用いた場合はエッチングの反応ガスを検出することにより表面層シリコン4のジャストエッチングが可能であり、下地の埋め込み酸化膜3へのエッチングアタックも防止できる。
In addition, when dry etching is used, the
また、KOHあるいはエチレンジアミン水溶液のウエットエッチングを用いた場合は反応のガスによる泡の検出によりジャストエッチングが検出でき、この場合も下地の埋め込み酸化膜3に対して余分なエッチングアタックが防止できる。
Further, when wet etching of KOH or ethylenediamine aqueous solution is used, just etching can be detected by detecting bubbles by a reaction gas, and in this case, an excessive etching attack can be prevented with respect to the underlying buried
上記に示した手法により、SOIの埋め込み酸化膜をマイクロチャネル形成に用いることにより、そのマイクロチャネル深さのバラツキを、ほぼSOIの表面層シリコン4の厚みバラツキ程度に高精度に制御できる。
By using the SOI buried oxide film for forming the microchannel by the above-described method, the variation in the microchannel depth can be controlled with high accuracy to approximately the thickness variation of the
以上説明したように、本構成によれば、マイクロチャネルの形成において、マイクロチャネルの深さ方向のバラツキを精度よく形成できる。その結果、このマイクロチャネルを用いて製造すれば、従来に比べてより精度の高い安定したマイクロリアクタ(マイクロ化学反応システム)や電気泳動装置(電気泳動マイクロシステム)、遠心力分離装置(遠心分離システム)等が提供できる。 As described above, according to this configuration, in the formation of the microchannel, the variation in the depth direction of the microchannel can be formed with high accuracy. As a result, if manufactured using this microchannel, stable microreactors (microchemical reaction systems), electrophoresis devices (electrophoresis microsystems), and centrifugal force separation devices (centrifugation systems) with higher accuracy than before. Etc. can be provided.
次に、マイクロチャネルの製造工程について述べる。まず、図1(a)に示すように、SOI基板1は例えばシリコン基材2として300−800μm程度の厚みを有しており、その上部に1−10μmの厚みを有する埋め込み酸化膜3を有している。埋め込み酸化膜3の上部には表面層シリコン4が5−150μmの厚みで形成されている。このSOI基板1は通常のウエハ張り合わせ方法によりウエハメーカーから提供されており、張り合わせSOI法と称され、UNIBOND法(仏SOITEC社)、PASE(信越化学)、ELTRAN(キャノン)が代表的なのものである。表面層シリコン4の膜厚は通常のIC用途では1−30μmの厚さが一般的であるが、必要に応じてSOI上にシリコンをエピタキシャル成長させることにより容易に50−150μm厚みにすることができる。
Next, the manufacturing process of the microchannel will be described. First, as shown in FIG. 1A, the
張り合わせSOIでは表面層シリコン4の膜厚バラツキは一般にプラスマイナス2%以内に制御されている。すなわち100μm厚みの場合は高々プラスマイナス2μmの誤差である。
In the bonded SOI, the film thickness variation of the
次に、SOI基板1に通常のフォトリソグラフィに準じたフォトレジスト塗布、ベーク後にフォトマスクを用いてSOI基板1上に露光機を用いて光照射する。この場合フォトレジストはポジタイプ、ネガタイプを問わない。またはフォトレジストに代えてメタルマスクを使用してもよい。
Next, a photoresist is applied to the
次に、周知の現像、ベーク処理を行ってレジストパターン5を形成した後、図1(b)に示すように、レジストパターン5をマスクにして高密度プラズマエッチング装置で異方的に表面層シリコン4を選択的にエッチングする。高密度プラズマエッチング装置として例えば住友精密社製MULTIPLEX−ICPが挙げられる。この場合エッチング速度は20μm/分であり例えば100μm厚みのシリコン層をエッチングする場合は5分程度でエッチングが完了する。
Next, after performing well-known development and baking processes to form a resist
ドライエッチングを用いる場合、表面層シリコン4のエッチングガスとして埋め込み酸化膜3との選択比が十分高いシリコンエッチングガスが用いられる。例えば日本ゼオン社のZFL−58では埋め込み酸化膜3と表面層シリコン4とのエッチングにおいて150以上の選択比が可能であり、100μmのシリコンエッチング時に仮に5%のオーバーエッチングを行ったとしても、埋め込み酸化膜3のエッチング量は高々0.04μm程度である。
When dry etching is used, a silicon etching gas having a sufficiently high selectivity with respect to the buried
また上記の方法ではシリコンエッチング時の反応排出ガスを検出して正確にエッチング終点検出ができ、正確にエッチングをストップできる。エッチングした後、図1(c)に示すように、周知の手法を用いてレジストパターン5もしくはマスクとして使用された金属が除去される。これによりマイクロチャネル21を形成する。
In the above method, the reaction exhaust gas during silicon etching can be detected to accurately detect the etching end point, and the etching can be stopped accurately. After the etching, as shown in FIG. 1C, the resist
このように、図1(a)〜(c)の構成では、表面層シリコン4の側からエッチングを開始して、埋め込み酸化膜3の表面、すなわち、埋め込み酸化膜3の、表面層シリコン4と接している面にちょうど到達したところでエッチングを終了している。
1A to 1C, the etching is started from the
上記の手法で形成されたマイクロチャネルは、図1(d)に示すように、その表面部に透明なプラスチック平板、ガラス平板あるいは石英平板を用いて蓋6が施される。この蓋6の形成は、適当な接着剤、光、熱等を用いて行える。
As shown in FIG. 1D, the microchannel formed by the above method is covered with a
上記手法で形成されたマイクロチャネル21では、その側壁は表面層シリコン4のシリコンから形成され、底面部は埋め込み酸化膜3から形成されることになるが、そのシリコンと埋め込み酸化膜3では疎水性度、親水性度が異なる(埋め込み酸化膜3のほうがシリコンより親水性が高い)ため、本マイクロチャネルは流体混合性が向上して、多くの場合に望ましい結果を与える。
In the
また上記手法で形成されたマイクロチャネル21をシリコンの酸化性薬液、または低温度での酸化性ガスに晒すことにより、エッチング後のマイクロチャネル21の側壁に数〜数十オングストロームの厚みを有する、シリコンの酸化膜を形成することができる。これにより、マイクロチャネルの側壁をより親水性化でき、液流路(通流路)として親水性が要求される用途の場合に好都合である。
Further, by exposing the
図2(a)〜(c)は、上記手法で加工されたシリコンのマイクロチャネル21の形成後(図2(b)参照)に異方性ドライエッチングを用いて選択的に埋め込み酸化膜3を除去(図2(c)参照)してマイクロチャネル22を形成した例である。図2(a)、図2(b)はそれぞれ図1(a)、図1(b)と同じである。なお、図2(c)の後、蓋6を形成するのは図1の例と同様であり、説明および図示を省略する。シリコン基材2に対する埋め込み酸化膜3の選択比が十分に高いエッチングガスを用いることにより、下地のシリコン基材2を損傷することなく埋め込み酸化膜3のみがエッチング除去できる。この場合にはチャネルの底面部が疎水性の高いシリコンで形成されることになるため、より疎水性が要求される液流路(通流路)の場合に好都合である。
2A to 2C, after the formation of the
図3(a)〜(c)は、上記の手法で形成されたマイクロチャネル(この例では、図1(a)〜(d)のマイクロチャネルであって、蓋6を形成する前のもの)を鋳型(第1鋳型)にして(図3(a))周知の手法でニッケル基板7を鋳型成型し(図3(b))、その後、このニッケル基板7を鋳型(第2鋳型)として、プラスチック材料8の射出成型を行ってマイクロチャネル23を形成した(図3(c))例である。プラスチック材料を使うことにより安価で大量生産が可能になる。本発明の手法により鋳型の深さの膜厚制御がなされているため、プラスチック成型品の深さ精度も従来品に比べて精度の高いものが供給できる。
3A to 3C are microchannels formed by the above-described method (in this example, the microchannels shown in FIGS. 1A to 1D and before the
SOI基板1にマイクロチャネルを形成する場合に、図4に示すように、面方位が(110)面9であるような、すなわちマイクロチャネル24の底面に平行な面が(110)面9であるような表面層シリコン4からなるSOI基板1を用い、そのマイクロチャネル24の長さ方向の側壁にエッチング速度の遅い(111)面10が現れるようにマイクロチャネルパターンをレイアウトするのが好ましい。すなわち、(111)面10は、(110)面9よりもエッチング速度が遅い。これにより、ウエットエッチング、例えば表面層シリコン4のKOHまたはエチレンジアミン水溶液によるウエットエッチングの後に、マイクロチャネル24の側壁が表面層シリコン4の表面に対して垂直に形成され、また、側面の平坦度をより向上させることができる。これはマイクロチャネルを流れる液流体の移動度の向上および速度バラツキ低減の観点からして好都合である。本方式ではまた、高額な高密度プラズマエッチング装置を必要としないというメリットもある。
When the microchannel is formed on the
上記方法ではシリコン基材2上に絶縁体膜として埋め込み酸化膜3を有するSOI基板1を基板として用いた例を示したが、シリコン基材に限らず、石英、ガラス、プラスチック等、他の絶縁物の場合にも適用できる。
In the above method, an example in which the
また、図5(a)〜(d)に示すように、石英基材12上に表面層シリコン4を直接有するSOQ(シリコン・オン・クオーツ)基板11にも容易に適用できる。
Further, as shown in FIGS. 5A to 5D, the present invention can be easily applied to an SOQ (silicon on quartz)
図5(a)〜(d)の構成では、厚さ300−800μmの石英基材12上に厚さが30−150μm程度の表面層シリコン4が形成されたSOQ基板11に、レジストパターン5をマスクにして(図5(a))、表面層シリコン4がドライエッチング、またはウエットエッチングにより選択的にエッチング除去される(図5(b))。レジストパターン5を除去し(図5(c))、図1(d)同様蓋6を形成する(図5(d))。これによりマイクロチャネル25を形成する。この場合は下地の石英基材12がエッチングのストッパーとして働き、上記に示したSOIと同様の効果が得られる。
5A to 5D, the resist
SOQを用いた場合にも、表面層シリコン4の面方位を(110)面とし、マイクロチャネル25の側壁が(111)面となるようにレジストパターン5をレイアウトすることにより、KOHやエチレンジアミン水溶液のウエットエッチングで表面層シリコン4の表面に対して垂直でかつ表面のスムースなマイクロチャネルが形成でき、流れる液流体の移動量が大きく安定な流れが実現できる。本方式ではまた、高額な高密度プラズマ装置を必要としないというメリットもある。
Even when SOQ is used, the resist
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、流体の通流路をなすマイクロチャネルの製造方法において、その基板としてSOI(シリコン・オン・インシュレータ)を用い、そのSOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表層面のシリコンをエッチングするように構成してもよい。 Further, the microchannel manufacturing method according to the present invention uses a SOI (silicon on insulator) as a substrate in the microchannel manufacturing method for forming a fluid flow path, and reaches the buried oxide film of the SOI. You may comprise so that the silicon of a surface layer may be etched.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、前記シリコンのエッチングに異方性のドライエッチング法を用いるように構成してもよい。 Further, the microchannel manufacturing method according to the present invention may be configured to use an anisotropic dry etching method for etching the silicon in the above configuration.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、前記基板のSOIにシリコン基板を用いるように構成してもよい。 Moreover, the method for manufacturing a microchannel according to the present invention may be configured such that, in the above configuration, a silicon substrate is used for the SOI of the substrate.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、チャネルの側壁シリコンを酸化性雰囲気に晒して親水性を帯びさせるように構成してもよい。 Moreover, the method for manufacturing a microchannel according to the present invention may be configured such that, in the above configuration, the side wall silicon of the channel is exposed to an oxidizing atmosphere to make it hydrophilic.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、シリコンのエッチングに異方性のウエットエッチング法を用いるように構成してもよい。 Further, the microchannel manufacturing method according to the present invention may be configured such that an anisotropic wet etching method is used for etching silicon in the above configuration.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、流体の通流路をなすマイクロチャネルの製造方法において、その基板としてSOQ(シリコン・オン・クオーツ)を用い、さらにSOQの表面層シリコンを石英表面に到達するまで選択的にエッチングするように構成してもよい。 Also, the microchannel manufacturing method according to the present invention is a microchannel manufacturing method for forming a fluid flow path, wherein SOQ (silicon on quartz) is used as the substrate, and the surface layer silicon of SOQ is quartz surface. Alternatively, the etching may be selectively performed until reaching the above.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、流体の通流路をなすマイクロチャネルの製造方法において、その基板としてSOIを用い、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまでシリコンをエッチング除去しさらに、通流路下の埋め込み酸化膜を除去するように構成してもよい。 The microchannel manufacturing method according to the present invention is a microchannel manufacturing method for forming a fluid flow path, using SOI as the substrate, etching away silicon until reaching the buried oxide film of the SOI, The buried oxide film below the flow path may be removed.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、表層シリコン層が(110)面からなり、チャネルの長辺方向の側壁が(111)面からなるように構成してもよい。 The microchannel manufacturing method according to the present invention may be configured such that, in the above configuration, the surface silicon layer is formed of the (110) plane, and the side wall in the long side direction of the channel is formed of the (111) plane.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、上記構成において、表層シリコン層が(110)面からなり、チャネルの長辺方向の側壁が(111)面からなるように構成してもよい。 The microchannel manufacturing method according to the present invention may be configured such that, in the above configuration, the surface silicon layer is formed of the (110) plane, and the side wall in the long side direction of the channel is formed of the (111) plane.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、基板としてSOIが用いられており、SOIの埋め込み酸化膜に到達するまでシリコンがエッチングされているマイクロチャネルを鋳型にしてプラスチック材料で射出成型するように構成してもよい。 Also, in the microchannel manufacturing method according to the present invention, SOI is used as a substrate, and injection molding is performed with a plastic material using a microchannel in which silicon is etched until reaching the buried oxide film of SOI as a mold. You may comprise.
また、本発明に係るマイクロチャネルの製造方法は、基板としてSOQが用いられており、SOQの石英表面に到達するまでシリコンがエッチングされているマイクロチャネルを鋳型にしてプラスチック材料で射出成型するように構成してもよい。 Also, in the microchannel manufacturing method according to the present invention, SOQ is used as a substrate, and injection molding is performed with a plastic material using a microchannel in which silicon is etched until reaching the quartz surface of SOQ as a mold. It may be configured.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、流体の通流路をなすマイクロチャネルであって、基板としてSOI(シリコン・オン・インシュレータ)を用い、前記通流路がSOIの埋め込み酸化膜に到達する深さに形成されているように構成してもよい。 The microchannel according to the present invention is a microchannel that forms a fluid flow path, and uses an SOI (Silicon On Insulator) as a substrate, and the flow path reaches a depth at which the SOI reaches a buried oxide film. You may comprise so that it may be formed.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、上記構成において、基板としてSOQ(シリコン・オン・クオーツ)を用い、さらにSOQの表面層シリコンが石英表面に到達する深さまで選択的に除去されて溝が形成されているように構成してもよい。 The microchannel according to the present invention uses the SOQ (silicon-on-quartz) substrate as the substrate in the above configuration, and further selectively removes the SOQ surface layer silicon to a depth that reaches the quartz surface to form a groove. It may be configured as described.
また、本発明に係るマイクロチャネルは、上記構成において、表層シリコン層が(110)面からなり、チャネルの長辺方向の側壁が(111)面からなるように構成してもよい。 Further, the microchannel according to the present invention may be configured such that, in the above configuration, the surface silicon layer is formed of the (110) plane, and the side wall in the long side direction of the channel is formed of the (111) plane.
また、本発明は、上記構成のマイクロチャネルを用いるマイクロリアクタシステム、電気泳動マイクロシステム、または遠心力分離マイクロシステムであるように構成してもよい。 Further, the present invention may be configured to be a microreactor system, an electrophoresis microsystem, or a centrifugal force separation microsystem using the microchannel having the above configuration.
次に、本実施の形態に係るマイクロチャネルの別の構造と特徴について述べる。前述したように、シリコンのエピタキシャル技術では、表面層シリコンの厚みが数十μmの場合において、この表面層シリコンの厚みバラツキはプラスマイナス2%に制御できる。本実施の形態では、このことを利用して、マイクロチャネルを形成する材料として、SOI基板またはSOQ基板に代えて、高濃度のボロン不純物を含む高濃度ボロンシリコン基材と、この高濃度ボロンシリコン基材の上にエピタキシャル成長した低濃度の表面層シリコンとを含む基板を用いる。この基板は、表面層シリコン/高濃度ボロンシリコン基材の2層構造により形成されている。表面層シリコンはN型とP型とのいずれでも良い。 Next, another structure and features of the microchannel according to this embodiment will be described. As described above, in the silicon epitaxial technique, when the thickness of the surface layer silicon is several tens of μm, the thickness variation of the surface layer silicon can be controlled to plus or minus 2%. In this embodiment, by utilizing this fact, instead of the SOI substrate or the SOQ substrate, the material for forming the microchannel is replaced with a high-concentration boron silicon base material containing a high-concentration boron impurity, and the high-concentration boron silicon. A substrate containing low concentration surface layer silicon epitaxially grown on a substrate is used. This substrate is formed by a two-layer structure of surface layer silicon / high-concentration boron silicon base material. The surface layer silicon may be either N-type or P-type.
高濃度のボロンを含む高濃度ボロンシリコン基材としては、より具体的には例えば、シリコンの引き上げ法による結晶成長時に多量のボロン不純物を添加したシリコン結晶が用いられる。ボロン不純物濃度として2×1019cm−3以上1×1020cm−3以下の濃度が望ましくより高いエッチングストッパー性を得るためには6×1019cm−3程度以上が望ましい。高濃度不純物としてP、Ge等の不純物よりもボロンの方が、後のエッチング工程において、より高い選択比が得られるので好ましい。 More specifically, as the high-concentration boron silicon substrate containing high-concentration boron, for example, a silicon crystal to which a large amount of boron impurities are added during crystal growth by a silicon pulling method is used. The boron impurity concentration is preferably 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, and preferably about 6 × 10 19 cm −3 or more in order to obtain higher etching stopper properties. Boron is more preferable as a high-concentration impurity than impurities such as P and Ge because a higher selectivity can be obtained in a later etching step.
図7(a)〜図7(d)はこの実施形態に係るマイクロチャネル(マイクロ流体チップ)の基本的製造方法を示す図である。前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。したがって、その詳細な説明は省略する。以下の図面も同様である。このマイクロチャネルは高濃度ボロンを含む(110)面からなる高濃度ボロンシリコン基材32の上に、比較的低濃度の不純物を含んで(110)面からなる表面層シリコン33をエピタキシャル成長させた基板31に、周知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成される(図7(a))。
FIG. 7A to FIG. 7D are diagrams showing a basic manufacturing method of a microchannel (microfluidic chip) according to this embodiment. The same reference numerals are given to the same components as those described above. Therefore, the detailed description is abbreviate | omitted. The same applies to the following drawings. The microchannel is a substrate obtained by epitaxially growing a
上記において、マイクロチャネル26を形成するマスクパターンには、図8に示すように、液体が流動する方向に沿ったマイクロチャネル26の長手方向が〈112〉方向54に沿って配置されるように形成したパターンが用いられる。(110)面51を有する表面層シリコン33に〈112〉方向54に沿った長辺を有するパターンを形成すると、図8に示すマイクロチャネル26のように、アルカリ水溶液でのエッチング時に、エッチング速度の遅い(111)面53が、マイクロチャネル26の長手方向に沿って(110)面51に垂直に出現するため、マイクロチャネル26に好都合である。またマイクロチャネル26の終端部にも、エッチング速度の遅い(111)面52が、別の<112>方向に現れる。マスクパターンはマイクロチャネル26の長手方向に垂直であるが、エッチングすると別の<112>方向に沿ってエッチング速度の遅い(111)面52が終端部に現れてしまう。この(111)面52は、マイクロチャネル26の長手方向に沿った(111)面53と直交しておらず、110度(又は70度)で交差する。前述した図4では、この終端部に現れる(111)面を省略して描いている。
In the above, the mask pattern forming the
図7に示すように、液体の通流路となるマイクロチャネル26の深さに相当する厚みの表面層シリコン33を有する基板31を用い、KOH、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)又はTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド)のアルカリ水溶液を用いて、表面層シリコン33を表面から高濃度ボロンシリコン基材32の表面まで貫通させることで、選択的に表面層シリコン33を除去する(図7(b))。このようにして、本発明はボロンの高濃度ボロンシリコン基材32を、KOH、EDP又はTMAHのアルカリ水溶液による異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせる。表面層シリコン33はエピタキシャル法により製作され、その場合の表面層シリコン33の厚さは1μmから150μmの範囲で製作可能である。
As shown in FIG. 7, a
このようにして、基板31の表面にKOH、EDP又はTMAHのアルカリ水溶液で異方性エッチングにより形成された深さ100μm程度のマイクロチャネル26の深さバラつきを低減できる。マイクロチャネル26は複数個形成することもでき、この場合は、基板31上の全てのマイクロチャネル26にわたってその深さバラツキを低減できる。
In this manner, the variation in depth of the
高濃度ボロンシリコン基材32のボロン濃度が2×1019cm−3以上に増大すると、ボロン濃度が1018cm−3以下の場合に比べて高濃度ボロンシリコン基材32のアルカリエッチング液でのエッチング速度は低下し始めて、ボロン濃度の約4乗程度に反比例して遅くなると言われている。そして、高濃度ボロンシリコン基材32のボロン濃度がさらに増大して6×1019cm−3以上になると、そのエッチング速度はボロン濃度が1018cm−3以下の場合に比べ1/10以下(例えば約1/100)に低下する。
When the boron concentration of the high-concentration boron
このようにボロン濃度が1018cm−3から6×1019cm−3以上に増大したためにエッチング速度が1/10以下に低下すると、表面層シリコン33の膜厚バラツキを見越してオーバーエッチング量を5パーセントとした場合、100μmの深さだけエッチングした時のエッチングの深さバラツキは、
100μm×0.05×1/10=0.5μm、
となり、エッチングの深さバラツキを0.5μm程度以下に制御できる事になる。これは深さ100μmに対して0.5%程度に相当する。厚み100μmにエピタキシャル成長した表面層シリコン33の厚みばらつきを±2μm(2%)とすると、表面層シリコン33の厚みばらつき(±2μm(2%))とエッチングの深さバラツキ(±0.5μm(0.5%))とのトータルのバラツキは、±2.5μmとなる。したがってエッチングの深さバラツキは、従来技術のバラツキの±10μmに比べて1/4程度に低減される。
Thus, when the etching rate is reduced to 1/10 or less because the boron concentration is increased from 10 18 cm −3 to 6 × 10 19 cm −3 or more, the over-etching amount is increased in anticipation of the film thickness variation of the
100 μm × 0.05 × 1/10 = 0.5 μm,
Thus, the etching depth variation can be controlled to about 0.5 μm or less. This corresponds to about 0.5% for a depth of 100 μm. When the thickness variation of the
上記の方法により基板31上に液体の通流路となる単数または複数のマイクロチャネル26を形成するにあたり、そのマイクロチャネル26の深さの製作精度を約4倍向上させることができる。マイクロチャネルは図7(d)に示すように最終的に蓋6が形成され完成する。
In forming one or a plurality of
上記のように低濃度の表面層シリコン33とボロンを高濃度に含む高濃度ボロンシリコン基材32とではそのKOH等のアルカリ水溶液でのエッチング速度の差が大きいので、下地の高濃度ボロンシリコン基材32がエッチングストッパーの役目を果たしマイクロチャネル26の深さ形成の加工精度が向上する。
As described above, the difference in etching rate between the low-concentration
また、アルカリ水溶液でのエッチングにおいて表面層シリコン33のエッチングが終了した後は反応ガスによる泡の発生量が低下するためこれを観察することによりジャストエッチングが検出できる。このためオーバーエッチング時間の短縮化が可能で下地の高濃度ボロンシリコン基材32に対して余分なエッチングアタックが防止できる。アルカリ水溶液でのエッチングは下記の反応で進み反応ガスとして水素ガスが発生する。
Further, after the etching of the
Si+2H2O+2OH‐ → 2H2+SiO2(OH)2 2−、
上記に示した手法により、ボロンを高濃度に含む高濃度ボロンシリコン基材32をマイクロチャネル26の形成に用いることにより、そのマイクロチャネル26の深さのバラツキを、エピタキシャル成長した表面層シリコン33の厚みバラツキ(±2%)程度に高精度に制御できる。
Si + 2H 2 O + 2OH − → 2H 2 + SiO 2 (OH) 2 2− ,
By using the high-concentration
以上説明したように、本構成によれば、マイクロチャネルの形成において、深さ方向のバラツキを低減してマイクロチャネル26を精度よく形成できる。その結果、このマイクロチャネルを用いることにより、従来に比べてより精度の高い安定したマイクロリアクタ(マイクロ化学反応システム)や電気泳動装置(電気泳動マイクロシステム)、遠心力分離装置(遠心分離システム)等を提供できる。
As described above, according to this configuration, the
また別の実施形態として、図9(a)に示すように半導体基板として(110)低濃度シリコン基材36の表面全面に、周知の手法のボロン不純物の熱拡散法、あるいはボロンイオン注入法とその後の熱処理工程を用いてボロン不純物を拡散して、2×1019cm−3以上の表面濃度と数ミクロン程度の深さとを有する高濃度ボロンシリコン膜32Bを形成する。そして、液体の通流路となるマイクロチャネル26の深さに相当する厚みの低濃度の表面層シリコン33をエピタキシャル成長法により形成する。表面層シリコン33と高濃度ボロンシリコン膜32Bとシリコン基材36とは、基板31Aを構成する。
As another embodiment, as shown in FIG. 9A, a boron impurity thermal diffusion method or a boron ion implantation method, which is a well-known method, is applied to the entire surface of a (110) low-
上記構造によれば、熱拡散法でのボロン不純物のデポジション量の最適設定及びイオン注入法でのドーズ量の最適設定により、シリコン表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。このデポジション量におけるデポジションとは、熱拡散法において、シリコン基材の表面全面にボロンを拡散させるときのデポジションであり、B2O3、BBr3、BCl3等のボロンを含む不純物ソースからの不純物拡散(デポジション)を意味する。この不純物拡散(デポジション)の後、一般的には、より高温のN2等の不活性ガス中において熱処理(ドライブイン)する。このデポジションの時間を調整することにより、シリコン基材に導入する不純物の量、濃度を制御する。 According to the above structure, there is an advantage that the boron concentration on the silicon surface can be freely controlled to a higher concentration by the optimum setting of the boron impurity deposition amount by the thermal diffusion method and the optimum dose amount setting by the ion implantation method. is there. The deposition in this deposition amount is a deposition when boron is diffused over the entire surface of the silicon substrate in the thermal diffusion method, and is an impurity source containing boron such as B 2 O 3 , BBr 3 , BCl 3. Impurity diffusion from (deposition). After this impurity diffusion (deposition), heat treatment (drive-in) is generally performed in an inert gas such as N 2 at a higher temperature. By adjusting the deposition time, the amount and concentration of impurities introduced into the silicon substrate are controlled.
次に、液体が流動する方向に沿ったマイクロチャネルの側壁に対応する長辺が〈112〉方向に形成されたパターンを有するマスクを用いて、レジストパターン34を表面層シリコン33上に形成する。なお、レジストパターン34の代わりに酸化膜パターン又はメタルマスクパターンをマスキング部材として形成してもよい。
Next, a resist
図9(b)に示すように、KOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液を用いて表面層シリコン33を表面から高濃度ボロンシリコン膜32Bの表面まで貫通してエッチングすることにより、選択的に低濃度の表面層シリコン33を除去する。
As shown in FIG. 9B, the
このようにして、本発明はボロンを高濃度に含む高濃度ボロンシリコン膜32BをKOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液による異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせる。この場合、低濃度の表面層シリコン33はエピタキシャル法により製作され、その場合の表面層シリコン33の厚さは1μmから150μmまで製作可能である。
In this way, the present invention allows the high-concentration
これにより、基板31Aの表面にKOH、EDP、TMAH等の水溶液で異方性エッチングにより形成された深さ100μm程度のマイクロチャネル26について、システム上の全てのマイクロチャネルにわたってその深さバラツキを±2.5μm程度以下に制御できる。これは深さに対し±2.5%程度に相当し、従来技術の±10μmのバラツキに比べて1/4程度に低減される。
As a result, with respect to the
マイクロチャネルは図9(c)、図9(d)に示されるようにレジストパターン34を除去し、蓋6が取り付けられ最終的に完成する。
The microchannel is finally completed by removing the resist
上記方法で基板上に液体の通流路となる単数または複数のマイクロチャネルを形成するにあたり、そのマイクロチャネルの深さの製作精度を向上させることができる。さらに本発明ではボロンを高濃度に含む高濃度ボロンシリコン膜32Bを熱拡散法やイオン注入法で形成するので、高濃度ボロンシリコン膜32Bの表面濃度を自由に設定でき、より高濃度に設定できる効果がある。
When forming one or a plurality of microchannels to be liquid flow paths on the substrate by the above method, the manufacturing accuracy of the depth of the microchannels can be improved. Furthermore, in the present invention, since the high concentration
また別の実施形態として、図10(a)に示すように、表面が(110)面のシリコン基材36Aの表面の一部に、周知のフォトリソグラフィおよび半導体プロセス技術による熱拡散法あるいはイオン注入法に基づいて、ボロンをその表面濃度が2×1019cm−3以上になるような条件で選択的に拡散して高濃度ボロンシリコン膜32Aを形成する。そして、液体の通流路となるマイクロチャネルの深さに相当する厚みの低濃度の表面層シリコン33を、高濃度ボロンシリコン膜32Aを覆うようにシリコン基材36A上にエピタキシャル法により形成する。シリコン基材36A、高濃度ボロンシリコン膜32A及び表面層シリコン33は、基板31Bを構成する。
As another embodiment, as shown in FIG. 10 (a), a thermal diffusion method or ion implantation by a well-known photolithography and semiconductor process technology is performed on a part of the surface of the
上記構造によれば、熱拡散法でのボロン不純物のデポジション量の最適設定及びイオン注入法でのドーズ量の最適設定により、シリコン表面のボロン濃度をより高濃度にまた自由に制御できるメリットがある。このデポジション量におけるデポジションとは、熱拡散法において、シリコン基材の表面に(酸化膜等の)パターンを通してボロンを選択的に拡散させるときのデポジションであり、B2O3、BBr3、BCl3等のボロンを含む不純物ソースからの不純物拡散(デポジション)を意味する。この不純物拡散(デポジション)の後、一般的には、より高温のN2等の不活性ガス中において熱処理(ドライブイン)する。このデポジションの時間を調整することにより、シリコン基材に導入する不純物の量、濃度を制御する。 According to the above structure, there is an advantage that the boron concentration on the silicon surface can be freely controlled to a higher concentration by the optimum setting of the boron impurity deposition amount by the thermal diffusion method and the optimum dose amount setting by the ion implantation method. is there. The deposition in this deposition amount is a deposition when boron is selectively diffused through a pattern (such as an oxide film) on the surface of the silicon base material in the thermal diffusion method. B 2 O 3 , BBr 3 , Impurity diffusion (deposition) from an impurity source containing boron such as BCl 3 . After this impurity diffusion (deposition), heat treatment (drive-in) is generally performed in an inert gas such as N 2 at a higher temperature. By adjusting the deposition time, the amount and concentration of impurities introduced into the silicon substrate are controlled.
次に、液体が流動する方向に沿ったマイクロチャネルの側壁に対応する長辺が〈112〉方向に形成されたパターンを有するマスクを用いて、レジストパターン34を表面層シリコン33上に形成する。なお、レジストパターン34の替りに酸化膜パターン又はメタルマスクパターンをマスキング部材として形成してもよい。
Next, a resist
図10(b)に示すように、KOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液を用いて表面層シリコン33を表面から高濃度ボロンシリコン膜32Aの表面までエッチングして貫通させることで、低濃度の表面層シリコン33をレジストパターン34に沿って選択的に除去してマイクロチャネル26を形成する。このようにして、本発明は高濃度ボロンシリコン膜32AをKOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液による異方性エッチング時のエッチングストッパーとして働かせる。この場合、表面層シリコン33はエピタキシャル法により製作され、その場合の表面層シリコン33の厚さは1μmから150μmが製作可能である。次に図10(c)に示すようにレジストパターン34を表面層シリコン33上から除去し、図10(d)に示すようにマイクロチャネル26を覆って表面層シリコン33上に蓋6を取り付ける。
As shown in FIG. 10B, the
これにより、基板31Bの表面にKOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液で異方性エッチングにより形成された深さ100μm程度のマイクロチャネル26の深さバラツキを±2.5μm程度以下に制御できる。これは深さに対して±2.5%程度に相当し、従来技術の±10μmのバラツキに比べ1/4程度に低減される。マイクロチャネル26を複数個形成した場合には、その全てのマイクロチャネルにわたって深さバラツキを±2.5μm程度以下に制御できる。
As a result, the depth variation of the
上記方法により、基板31B上に液体の通流路となる単数または複数のマイクロチャネル26を形成するにあたり、そのマイクロチャネル26の深さの製作精度を向上させることができる。
According to the above method, when forming one or a plurality of
さらに本発明ではボロンの高濃度領域である高濃度ボロンシリコン膜32Aを熱拡散法やイオン注入法で形成するので、自由にその表面濃度が設定でき、より高濃度に設定できる効果が得られる。また、表面層シリコン33を形成する高温エピタキシャル工程において、高濃度ボロンシリコン膜32Aの露出している面積が少ないので、望ましくないボロン不純物の再分布やオートドープが低減できる。このため、不純物プロファイルを、より急峻にすることが可能なので、エッチングの制御性が向上する効果がある。
Further, in the present invention, since the high concentration
次に、図7(a)〜図7(d)に示したマイクロチャネル(マイクロ流体チップ)の製造工程について述べる。まず、図7(a)に示すように、(110)面からなる表面を有してボロンを含む高濃度ボロンシリコン基材32は、例えば200〜1000μm程度の厚みを有している。高濃度ボロンシリコン基材32上に、エピタキシャル法により低濃度の表面層シリコン33を例えば1〜150μmの厚みに形成する。表面層シリコン33の膜厚は通常のIC用途では1〜30μmが一般的であるが、本用途向けに容易に50〜150μm厚みにすることができる。
Next, a manufacturing process of the microchannel (microfluidic chip) shown in FIGS. 7A to 7D will be described. First, as shown in FIG. 7A, the high-concentration boron
エピタキシャル法では成長シリコン層の膜厚バラツキは一般に±2%以内に制御されている。すなわち表面層シリコン33が100μm厚みの場合は高々±2μmのバラツキである。
In the epitaxial method, the thickness variation of the grown silicon layer is generally controlled within ± 2%. That is, when the
次に、高濃度ボロンシリコン基材32と表面層シリコン33との二層構造の基板31に通常のフォトリソグラフィに準じたフォトレジストを塗布し、ベーク後にフォトマスクを用いて表面層シリコン33上を露光機を用いて光照射する。この場合フォトレジストはポジタイプ、ネガタイプを問わない。用いるマスクパターンは流路の長手方向の側壁に対応する長辺がシリコンの〈112〉方向に配置されるよう設計されている。次に、周知の現像、ベーク処理を行ってレジストパターン34を形成する(図7(a))。
Next, a photoresist according to ordinary photolithography is applied to a
その後図7(b)に示すように、レジストパターン34をマスクにしてKOH、EDP、TMAH等のアルカリ水溶液を用いて表面層シリコン33を選択的にエッチングする。この場合レジストパターン34に代えて酸化膜マスクパターンやメタルマスクパターンをマスク部材として用いても良い。表面が(110)面51の表面層シリコン33に〈112〉方向54に長辺を有するパターンを使用すると、図8に示すようにアルカリ水溶液でのエッチング時にエッチング速度の遅い(111)面52及び53が(110)面51に垂直に出現するためマイクロチャネルに好都合である。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, the
表面層シリコン33のエッチング時間は、表面層シリコン33の膜厚バラツキ、エッチング速度及びオーバーエッチング時間を勘案して設定される。エッチング速度は事前にモニタリングを行ないそのエッチング時間とエッチング量から決定される。またアルカリ水溶液でのエッチングではシリコンエッチング時における泡の発生の低下の観察により、エッチング速度の速い低濃度の表面層シリコン33のエッチング終了を判定できるので、オーバーエッチング時間の短縮に効果がある。
The etching time of the
エッチング後、図7(c)に示すように、周知の手法を用いて、レジストパターン34もしくはマスク部材として使用された酸化膜パターンやメタル膜パターンが除去される。これによりマイクロチャネル26が形成される。
After the etching, as shown in FIG. 7C, the resist
上記形成されたマイクロチャネル26には、その用途に応じてその側壁及び底面に酸化膜等の絶縁膜が形成される。この絶縁膜としては、熱酸化法による酸化膜、及びカバーレッジの優れたCVD法による酸化膜系、窒化膜系が用いられる。マイクロチャネル26を電気泳動装置に用いて、電気浸透流を流体移動の駆動力とする場合には、この絶縁膜を形成することが好ましい。
In the formed
上記絶縁膜は、遠心力や圧力を流体移動の駆動力とする場合では必ずしも必要でない。またこのマイクロチャネル26を鋳型にしてプラスチック成型する場合も必要ではない。
The insulating film is not necessarily required when centrifugal force or pressure is used as a driving force for fluid movement. Further, it is not necessary when plastic molding is performed using the
またマイクロチャネル26に親水性を必要とする場合は、酸素プラズマへの曝露や酸化性の薬液への浸析により、マイクロチャネル26の側壁及び底面の表面状態を変えて、親水性を帯びさせることができる。
In addition, when the
このように、図7(a)〜図7(d)の方法では、表面層シリコン33の高濃度ボロンシリコン基材32と反対側の表面からエッチングを開始して、高濃度ボロンシリコン基材32の表面層シリコン33側の表面にちょうど到達したところでエッチングを終了している。
7A to 7D, etching is started from the surface of the
上記の手法で形成されたマイクロチャネル26は、図7(d)に示すように、透明なプラスチック平板、ガラス平板あるいは石英平板を用いた蓋5を、マイクロチャネル26を覆うように表面層シリコン33上に形成して完成する。この蓋5の形成は、適当な接着剤、光、熱等を用いて行える。
As shown in FIG. 7 (d), the
次に、図9(a)〜図9(d)に示したマイクロチャネル(マイクロ流体チップ)の製造工程の別実施形態について述べる。まず、図9(a)に示すように、シリコン基材36は例えば200〜1000μm程度の厚みを有しており、その不純物濃度は1018cm−3以下である。この場合その不純物タイプはN型、P型かは問われない。
Next, another embodiment of the manufacturing process of the microchannel (microfluidic chip) shown in FIGS. 9A to 9D will be described. First, as shown to Fig.9 (a), the
次にシリコン基材36の表面の全面に、不純物拡散法あるいはイオン注入法と熱処理によりボロンを拡散させて、2×1019cm−3以上の表面近傍の不純物濃度を有する高濃度ボロンシリコン膜32Bを形成する。しかるのち周知のエピタキシャル法により低濃度の表面層シリコン33を1〜150μmの厚みで堆積させる。表面層シリコン33の膜厚は通常のIC用途では1〜30μmが一般的であるが、本用途向けに容易に50〜150μm厚みにすることができる。
Next, boron is diffused over the entire surface of the
エピタキシャル法では成長シリコン層の膜厚バラツキは一般に±2%以内に制御されている。すなわち表面層シリコン33が100μm厚みの場合は高々±2μmのバラツキである。
In the epitaxial method, the thickness variation of the grown silicon layer is generally controlled within ± 2%. That is, when the
次に、表面層シリコン33に通常のフォトリソグラフィに準じてフォトレジストを塗布し、ベーク後にフォトマスクを用いて表面層シリコン33を露光機を用いて光照射する。この場合フォトレジストはポジタイプ、ネガタイプを問わない。用いるフォトマスクには、液体が流動する方向に沿ったマイクロチャネルの側壁に対応する長辺が〈112〉方向に形成されたパターンが形成されている。
Next, a photoresist is applied to the
次に周知の現像、ベーク処理を行ってレジストパターン34を形成した後、図9(b)に示すように、レジストパターン34をマスクにしてKOH、EDP及びTMAHのアルカリ水溶液を用いて表面層シリコン33を選択的にエッチングする。この場合レジストパターン34に代えて酸化膜マスクパターンやメタルマスクパターンを用いても良い。
Next, the resist
表面層シリコン33のエッチング時間は表面層シリコン33の膜厚バラツキ、エッチング速度及びオーバーエッチング時間を勘案して設定される。エッチング速度は事前にモニタリングを行ないそのエッチング時間とエッチング量から決定される。またアルカリ水溶液でのエッチングでは高濃度ボロンシリコン膜32Bをエッチングする時の泡の発生の低下の観察により、エッチング速度の速い低濃度の表面層シリコン33のエッチング終了が判定できるので、オーバーエッチング時間の短縮に効果がある。
The etching time of the
エッチング後、図9(c)に示すように、周知の手法を用いてレジストパターン34もしくはマスク部材として使用された酸化膜パターンやメタル膜パターンが除去される。これによりマイクロチャネル26が形成される。
After the etching, as shown in FIG. 9C, the resist
上記形成されたマイクロチャネル26はその用途に応じてその側壁及び底面に酸化膜等の絶縁膜が形成される。絶縁膜として、熱酸化法による酸化膜、及びカバーレッジの優れたCVD法による酸化膜系や窒化膜系の絶縁膜が用いられる。マイクロチャネル26を電気泳動装置に用いて、電気浸透流を流体移動の駆動力とする場合には、この絶縁膜を形成することが好ましい。一方、遠心力、圧力を流体移動の駆動力とする場合では必ずしも必要でない。またこのマイクロチャネル26を鋳型にしてプラスチック成型する場合も必要ではない。
In the formed
またマイクロチャネル26に親水性が必要とされる場合は、酸素プラズマの曝露や酸化性の薬液の浸析により側面の表面状態を変えて親水性を帯びさせることが出来る。
If the
上記のように図9(a)〜図9(d)の構成では、表面層シリコン33の高濃度ボロンシリコン膜32Bと反対側の表面からエッチングを開始して、高濃度ボロンシリコン膜32Bの表面層シリコン33側の表面にちょうど到達したところでエッチングを終了している。
9A to 9D, etching is started from the surface of the
上記の手法で形成されたマイクロチャネル26は、図9(d)に示すように、透明なプラスチック平板、ガラス平板あるいは石英平板による蓋6が、表面層シリコン33上に形成される。この蓋6の形成は、適当な接着剤、光、熱等を用いて行える。
In the
次に、図10(a)〜図10(d)に示したマイクロチャネル(マイクロ流体チップ)の製造工程の別実施形態について述べる。まず、図10(a)に示すように、シリコン基材36Aは(110)面からなる表面を有し、厚みは200〜1000μm程度であり、その不純物濃度は1018cm−3以下である。その不純物タイプはN型、P型かは問われない。 Next, another embodiment of the manufacturing process of the microchannel (microfluidic chip) shown in FIGS. 10 (a) to 10 (d) will be described. First, as shown to Fig.10 (a), 36 A of silicon base materials have the surface which consists of (110) surface, thickness is about 200-1000 micrometers, and the impurity concentration is 10 < 18 > cm < -3 > or less. It does not matter whether the impurity type is N-type or P-type.
次に、周知のフォトリソグラフィを用いてパターニングされたレジスト膜または酸化膜、メタル膜をマスキング材として、不純物拡散法あるいはイオン注入法と熱処理により、シリコン基材36Aの表面の一部に選択的にボロンを拡散させて、表面近傍の不純物濃度が2×1019cm−3以上である高濃度ボロンシリコン膜32Aを形成する。この時使用するマスクパターンはマイクロチャネルの流体が流れる方向に沿った長辺パターンが〈112〉方向になるように配置されている。
Next, a resist film, oxide film, or metal film patterned using well-known photolithography is used as a masking material to selectively form a part of the surface of the
しかるのち周知のエピタキシャル法により低濃度の表面層シリコン33を1〜150μmの厚みで形成する。表面層シリコン33の膜厚は通常のIC用途では1〜30μmの厚さが一般的であるが、本用途向けに容易に50〜150μm厚みにすることができる。
Thereafter, the low-concentration
エピタキシャル法では成長シリコン層の膜厚バラツキは一般に±2%以内に制御されている。すなわち表面層シリコン33が100μm厚みの場合は高々±2μmのバラツキである。
In the epitaxial method, the thickness variation of the grown silicon layer is generally controlled within ± 2%. That is, when the
次に、通常のフォトリソグラフィに準じたフォトレジスト塗布、ベーク後にフォトマスクを用いて表面層シリコン33上を露光機を用いて光照射する。この場合フォトレジストはポジタイプ、ネガタイプを問わない。この時、用いるマスクパターンは下地の高濃度ボロンシリコン膜32Aを形成するマスクパターン内に入るように配置されており、また高濃度ボロンシリコン膜32Aに対してアライメントされる。
Next, after applying a photoresist according to ordinary photolithography and baking, the
次に、周知の現像、ベーク処理を行ってレジストパターン34を形成した後、図10(b)に示すように、レジストパターン34をマスクにしてKOH、EDP及びTMAHのアルカリ水溶液を用いて表面層シリコン33を選択的にエッチングする。この場合、レジストパターン34に代えて酸化膜マスクパターンやメタルマスクパターンを用いても良い。
Next, after a well-known development and baking process is performed to form a resist
表面層シリコン33のエッチング時間は表面層シリコン33の膜厚バラツキ、エッチング速度及びオーバーエッチング時間を勘案して設定される。エッチング速度は事前にモニタリングを行ないそのエッチング時間とエッチング量とから決定される。またアルカリ水溶液でのエッチングではシリコンエッチング時の泡の発生の低下の観察により、エッチング速度の速い低濃度表面層シリコン33のエッチング終了が判定できるので、オーバーエッチング時間の短縮に効果がある。
The etching time of the
エッチング後、図10(c)に示すように、周知の手法を用いてレジストパターン34もしくはマスク部材として使用された酸化膜パターンやメタル膜パターンが除去される。これによりマイクロチャネル26が形成される。
After the etching, as shown in FIG. 10C, the resist
上記形成されたマイクロチャネル26はその用途に応じてその側壁及び底面に酸化膜等の絶縁膜が形成される。絶縁膜としては、熱酸化膜やカバーレッジの優れたCVD法によるSiOx,SiNx等の絶縁膜が形成される。
In the formed
マイクロチャネル26を電気泳動装置に使用して、電気浸透流を流体移動の駆動力とする場合は、この絶縁膜を形成することが好ましい。一方、遠心力、圧力を流体移動の駆動力とする場合では必ずしも必要でない。またこのマイクロチャネル26を鋳型にしてプラスチック成型する場合も必要ではない。
When the
またマイクロチャネル26に親水性が必要である場合は、酸素プラズマの曝露や酸化性の薬液の浸析により側面の表面状態を変えて、親水性を帯びさせる。
Further, when the
上記のように図10(a)〜図10(d)の構成では、表面層シリコン33の高濃度ボロンシリコン膜32Aと反対側からエッチングを開始して、高濃度ボロンシリコン膜32Aの表面層シリコン33側の表面にちょうど到達したところでエッチングを終了している。
As described above, in the configuration of FIGS. 10A to 10D, etching is started from the opposite side of the high-concentration
上記の手法で形成されたマイクロチャネル26は、図10(d)に示すように、その表面部に透明なプラスチック平板、ガラス平板あるいは石英平板を用いた蓋6が表面層シリコン33上に形成される。この蓋6の形成は、適当な接着剤、光、熱等を用いて行える。
As shown in FIG. 10 (d), the
図11(a)〜図11(c)は、上記の手法で形成されたマイクロチャネル26(この例では、図7(a)〜図7(d)のマイクロチャネルであって、蓋6を形成する前のもの)を鋳型(第1鋳型)にして(図11(a))周知の手法でニッケル基板41を鋳型成型し(図11(b))、その後、このニッケル基板41を鋳型(第2鋳型)として、プラスチック材料42の射出成型を行ってマイクロチャネル27を有するマイクロチャネル(マイクロ流体チップ)を形成した(図11(c))例である。
11A to 11C show the microchannel 26 formed by the above-described method (in this example, the microchannel of FIGS. 7A to 7D and the
上記の方法ではプラスチック材料を使うことにより安価で大量生産が可能になる。本発明の手法により鋳型の深さの膜厚制御がなされているため、プラスチック成型品の深さ精度も従来品に比べて精度の高いものが供給できる。 In the above method, mass production is possible at low cost by using a plastic material. Since the thickness of the mold is controlled by the method of the present invention, the depth accuracy of the plastic molded product can be supplied with higher accuracy than the conventional product.
上記説明では高濃度のボロンを含む高濃度ボロンシリコン上にエピタキシャル成長された表面層シリコン33を形成した場合の例を示したが、本発明はエピタキシャル法に限らず、少なくともその一部の領域に高濃度ボロンシリコンを有する(110)面シリコン層上に例えば周知の張り合わせ技術を用いて(110)面低濃度表面層シリコンを張り合わせた場合にも適用できるものである。
In the above description, an example in which the
図12(a)は本発明に係るマイクロチャネル26及び26Aを形成したマイクロ流体チップを用いたマイクロリアクタ60の構成を模式的に示す平面図であり、図12(b)は図12(a)に示す断面AAに沿った断面図である。前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 12A is a plan view schematically showing a configuration of a
マイクロリアクタ60は、基板31を備える。基板31には、概ね基板31の<112>方向54に沿って形成されたマイクロチャネル26と、試薬等のサンプルをマイクロチャネル26に注入するための2個の注入ポート61及び62と、マイクロチャネル26からサンプルを排出するための排出ポート63とが形成される。マイクロチャネル26は、注入ポート61から排出ポート63に向かって<112>方向54に沿って形成された注入流路64と、注入ポート62から注入流路64に斜交する別の<112>方向に沿って形成された注入流路65と、上流側において注入流路64及び65に連通して、<112>方向54に沿って形成されて、下流側において排出ポート63に連通する合流流路66とを含む。注入流路65は、角度B=110度で合流流路66に交わる。
The
このように注入流路64及び合流流路66は、<112>方向54に沿って形成されているので、エッチング速度の遅い(111)面が側壁として現れ、この側壁は、基板31表面の(110)面に対して垂直に形成される。また注入流路65は、別の<112>方向に沿って形成されているので、注入流路64及び合流流路66と同様に、(111)面が側壁として現れて、基板31表面の(110)面に対して垂直に形成される。
Thus, since the
基板31には、マイクロチャネル26Aと、マイクロチャネル26Aにサンプルを注入するための2個の注入ポート61A及び62Aと、マイクロチャネル26Aからサンプルを排出するための排出ポート63Aとがさらに形成される。マイクロチャネル26Aは、注入ポート61Aから別の<112>方向に沿って注入流路65と平行に形成された注入流路64Aと、注入ポート62Aから注入流路64Aに交差するさらに別の<112>方向に沿って形成された注入流路65Aと、上流側において注入流路64A及び65Aに連通して<112>方向54に沿って形成された合流流路66Aと、上流側において合流流路66Aの下流側に連通して注入流路64Aと平行に形成され、下流側において排出ポート63Aに連通する排出流路67とを含む。注入流路64A、65A及び排出流路67は、それぞれ角度B=110度で合流流路66Aに交わる。
The
このように合流流路66Aは<112方向>54に沿って形成されているので、エッチング速度の遅い(111)面が側壁として現れ、この側壁は、基板31表面の(110)面に対して垂直に形成される。また注入流路64Aと排出流路67とは別の<112方向>に沿って形成され、注入流路65Aはさらに別の<112>方向に沿って形成されているので、合流流路66Aと同様に、(111)面が側壁として現れて、基板31表面の(110)面に対して垂直に形成される。注入ポート61、62、61A及び62A、並びに排出ポート63及び63Aには、基板31の裏面に貫通する貫通孔68がそれぞれ形成される。基板31の表面には、マイクロチャネル26及び26A、注入ポート61、62、61A及び62A、並びに排出ポート63及び63Aを覆う透明な蓋6が設けられる。
As described above, since the
このように構成されたマイクロリアクタ60においては、マイクロチャネル26の2個の注入ポート61及び62に貫通孔63を通してそれぞれ試薬を供給すると、各試薬はそれぞれ注入流路64及び65を流れ、合流流路66において混合して化学反応し、排出ポート63から排出される。マイクロチャネル26Aの2個の注入ポート61A及び62Aにそれぞれ試薬を供給すると、各試薬はそれぞれ注入流路64A及び65Aを流れ、合流流路66Aにおいて混合して化学反応し、排出流路67を通って排出ポート63Aから排出される。
In the
マイクロチャネル26及び26A内の化学反応は、透明な蓋6を通して光学的に観察することができる。また化学反応を分析するために、各種センサー、温度調節器及び発振器等の計測用回路を基板31に設けてもよい。
The chemical reaction in the
本実施の形態に係るマイクロチャネル26及び26Aは深さのばらつきが低減されているので、従来よりも精度が高く安定したマイクロリアクタを提供することができる。
Since the
図13は、本発明に係るマイクロチャネル26を形成したマイクロ流体チップを用いた電気泳動装置70の構成を模式的に示す斜視図である。電気泳動装置70は2本のマイクロチャネル26を形成した基板31を備える。各マイクロチャネル26の一端には試薬導入孔74が形成され、他端には試薬排出孔75が形成される。各試薬導入孔74の近傍には負電極71がそれぞれ配置され、各試薬排出孔75の近傍には正電極72がそれぞれ配置される。各マイクロチャネル26の上方には検出部73がそれぞれ設けられる。
FIG. 13 is a perspective view schematically showing a configuration of an
このように構成された電気泳動装置70においては、試薬導入孔74に導入された試薬は、マイクロチャネル26を流れて試薬排出孔75から排出される。正電極72及び負電極71に電圧を印加すると両電極間に電界が生じる。そしてマイクロチャネル26を流れる試薬は、両電極間に生じた電界の作用により分離される。検出部73は、分離された試薬を検出する。
In the
本実施の形態に係るマイクロチャネル26は深さのばらつきが低減されているので、従来よりも精度が高く安定した電気泳動装置を提供することができる。
Since the
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
また、本発明は、上記構成のマイクロチャネルを用いるマイクロリアクタシステム、電気泳動マイクロシステム、または遠心力分離マイクロシステムであるように構成してもよい。 Further, the present invention may be configured to be a microreactor system, an electrophoresis microsystem, or a centrifugal force separation microsystem using the microchannel having the above configuration.
マイクロリアクタシステムや電気泳動マイクロシステム、遠心力分離マイクロシステム等の用途にも適用できる。 It can also be applied to uses such as microreactor systems, electrophoresis microsystems, and centrifugal force separation microsystems.
1 SOI基板
2 シリコン基材
3 埋め込み酸化膜(エッチングストッパー層)
4 表面層シリコン
5 レジストパターン
6 蓋
7 ニッケル基板
8 プラスチック材料
9 (110)面
10 (111)面
11 SOQ基板
12 石英基材(エッチングストッパー層)
21、22、23、24、25、26、26A、27 マイクロチャネル
31、31A、31B 基板
32 高濃度ボロンシリコン基材(エッチングストッパー層)
32A、32B 高濃度ボロンシリコン膜(エッチングストッパー層)
33 表面層シリコン
34 レジストパターン
36、36A シリコン基材
41 鋳型
42 プラスチック材料
51 (110)面
52 (111)面
53 (111)面
54 <112方向>
60 マイクロリアクタ
70 電気泳動装置
1
4
21, 22, 23, 24, 25, 26, 26A, 27
32A, 32B High-concentration boron silicon film (etching stopper layer)
33
60
Claims (28)
表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを少なくとも含む基板を用い、
前記通流路が、前記表面層シリコンを貫通して前記エッチングストッパー層の表面に到達する深さに形成されていることを特徴とするマイクロチャネル。 In the microchannel that forms the fluid flow path,
Using a substrate including at least a surface layer silicon and an etching stopper layer that acts as a stopper for etching for forming the microchannel in the surface layer silicon,
The microchannel, wherein the flow path is formed to a depth that penetrates the surface layer silicon and reaches the surface of the etching stopper layer.
基板として、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、前記通流路が、該SOIの表面層シリコンを貫通して埋め込み酸化膜に到達する深さに形成されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロチャネル。 The etching stopper layer is composed of a buried oxide film,
As a substrate, an SOI in which a surface layer silicon, a buried oxide film, and a silicon base material are laminated in this order is used, and the flow path is formed at a depth that reaches the buried oxide film through the surface layer silicon of the SOI. The microchannel according to claim 1, wherein the microchannel is provided.
基板として、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、前記通流路が、該SOQの表面層シリコンを貫通して石英基材の表面に到達する深さに形成されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロチャネル。 The etching stopper layer is composed of a quartz substrate,
As the substrate, an SOQ in which surface layer silicon and a quartz base material are laminated is used, and the flow path is formed to a depth that penetrates the surface layer silicon of the SOQ and reaches the surface of the quartz base material. The microchannel according to claim 1.
前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を積層するシリコン基材をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロチャネル。 The etching stopper layer is composed of a high-concentration boron silicon film containing a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, on which the surface layer silicon is laminated,
The microchannel according to claim 1, wherein the substrate further includes a silicon base material on which the high-concentration boron silicon film is stacked.
前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を含むシリコン基材をさらに備え、
前記高濃度ボロンシリコン膜は、前記通流路に対応した領域に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロチャネル。 The etching stopper layer is composed of a high-concentration boron silicon film containing boron impurities having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less,
The substrate further comprises a silicon substrate including the high-concentration boron silicon film,
The microchannel according to claim 1, wherein the high-concentration boron silicon film is formed in a region corresponding to the flow path.
請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のマイクロチャネルを用いることを特徴とするマイクロシステム。 In a microsystem that uses a microchannel to operate as at least one of a microreactor, an electrophoresis device, and a centrifugal separation device,
A micro system using the micro channel according to claim 1.
表面層シリコンと、前記表面層シリコンに前記マイクロチャネルを形成するためのエッチングに対してストッパーとして作用するエッチングストッパー層とを少なくとも含む基板を用い、
前記エッチングストッパー層の表面に到達するまで前記表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴とするマイクロチャネルの製造方法。 In a method of manufacturing a microchannel that forms a fluid flow path,
Using a substrate including at least a surface layer silicon and an etching stopper layer that acts as a stopper for etching for forming the microchannel in the surface layer silicon,
A method of manufacturing a microchannel, wherein the flow path is formed by etching the surface layer silicon until reaching the surface of the etching stopper layer.
表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、そのSOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴とする請求項11に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a buried oxide film,
Using the SOI in which the surface layer silicon, the buried oxide film, and the silicon base material are laminated in this order, and etching the surface layer silicon until reaching the buried oxide film of the SOI, the above-mentioned flow path is formed. The method for producing a microchannel according to claim 11.
表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、そのSOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングすることにより上記通流路を形成することを特徴とする請求項11に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a quartz substrate,
12. The flow path is formed by using SOQ in which surface layer silicon and a quartz base material are laminated, and etching the surface layer silicon until reaching the surface of the quartz base material of the SOQ. A method for producing a microchannel according to claim 1.
前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン基材の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴とする請求項11に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a high-concentration boron silicon base material containing boron impurities having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, on which the surface layer silicon is laminated,
12. The microchannel according to claim 11, wherein the flow path is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution to a depth reaching the surface of the high-concentration boron silicon substrate through the surface layer silicon. Channel manufacturing method.
前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を積層するシリコン基材をさらに備え、
前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴とする請求項11に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a high-concentration boron silicon film containing a boron impurity having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less, on which the surface layer silicon is laminated,
The substrate further comprises a silicon base material on which the high-concentration boron silicon film is laminated,
The microchannel according to claim 11, wherein the flow channel is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution to a depth reaching the surface of the high-concentration boron silicon film through the surface layer silicon. Manufacturing method.
前記基板は、前記高濃度ボロンシリコン膜を含むシリコン基材をさらに備え、
前記高濃度ボロンシリコン膜は、前記通流路に対応した領域に形成され、
前記表面層シリコンを貫通して前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達する深さにアルカリ水溶液で異方的に前記通流路をエッチング形成することを特徴とする請求項11に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a high-concentration boron silicon film containing boron impurities having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less,
The substrate further comprises a silicon substrate including the high-concentration boron silicon film,
The high-concentration boron silicon film is formed in a region corresponding to the flow path,
The microchannel according to claim 11, wherein the flow channel is anisotropically etched with an alkaline aqueous solution to a depth reaching the surface of the high-concentration boron silicon film through the surface layer silicon. Manufacturing method.
前記第1鋳型に基づいて第2鋳型を形成し、
前記第2鋳型を用いてプラスチック材料を射出成形することにより前記通流路を形成することを特徴とするマイクロチャネルの製造方法。 A substrate including at least a surface layer silicon to be etched to form a microchannel forming a fluid flow path, and an etching stopper layer acting as a stopper against etching on the surface layer silicon; Forming a first mold in which a path is formed to a depth reaching the surface of the etching stopper layer through the surface layer silicon;
Forming a second mold based on the first mold;
A method of manufacturing a microchannel, wherein the flow path is formed by injection molding a plastic material using the second mold.
基板として、表面層シリコン、埋め込み酸化膜、シリコン基材がこの順に積層されたSOIを用い、
SOIの埋め込み酸化膜に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴とする請求項25に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a buried oxide film,
As a substrate, using SOI in which surface layer silicon, buried oxide film, and silicon base material are laminated in this order,
A second mold is formed using the first mold in which the surface layer silicon is etched until reaching the buried oxide film of SOI, and the above flow path is formed by injection molding with a plastic material using the second mold. 26. The method of manufacturing a microchannel according to claim 25.
基板として、表面層シリコンおよび石英基材が積層されたSOQを用い、
SOQの石英基材の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴とする請求項25に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is composed of a quartz substrate,
As a substrate, using SOQ with surface layer silicon and quartz substrate laminated,
The second flow path is formed by forming a second mold using the first mold in which the surface layer silicon is etched until reaching the surface of the quartz substrate of SOQ, and then performing injection molding with a plastic material using the second mold. The method of manufacturing a microchannel according to claim 25, wherein:
前記高濃度ボロンシリコン膜の表面に到達するまで表面層シリコンをエッチングされた第1鋳型を用いて第2鋳型を形成し、該第2鋳型を用いてプラスチック材料で射出成型することにより上記通流路を形成することを特徴とする請求項25に記載のマイクロチャネルの製造方法。 The etching stopper layer is formed of a high-concentration boron silicon film that is stacked on the surface layer silicon and contains boron impurities having a concentration of 2 × 10 19 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less,
A second mold is formed by using the first mold in which the surface layer silicon is etched until reaching the surface of the high-concentration boron silicon film, and the second flow mold is used for injection molding with a plastic material. 26. The method of manufacturing a microchannel according to claim 25, wherein a path is formed.
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