JP2006090910A - Microchemical chip and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板に形成された微小電子機械機構と、これに被処理流体を流す流路とを備えて成るマイクロ化学チップ、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a microchemical chip comprising a microelectromechanical mechanism formed on a semiconductor substrate, and a flow path for flowing a fluid to be processed, and a manufacturing method thereof.
近年、化学分析の高精度化、高効率化の背景から、従来の実験室で行なっていた電位の測定、流量の測定、クロマトグラフや電気泳動に必要な試料の注入、排出、評定などを微小なサイズで実行可能にする、所謂マイクロ化学チップが提案されている。 In recent years, with the background of higher precision and higher efficiency in chemical analysis, the measurement of potential, flow rate, injection, discharge, and evaluation required for chromatographs and electrophoresis, which have been performed in conventional laboratories, are very small. So-called microchemical chips have been proposed that can be implemented in various sizes.
従来、マイクロ化学チップとして一般的なものは、流路が形成された半導体やガラス等から成る基板と、流路に被処理流体を流すためのマイクロポンプ等の動力源と、被処理流体に対して各種測定、分析を行なう機能部分とを備えた構成である。 Conventionally, as a general microchemical chip, a substrate made of a semiconductor, glass or the like in which a flow path is formed, a power source such as a micropump for flowing a processed fluid through the flow path, and a processed fluid And a functional part for performing various measurements and analyses.
マイクロ化学チップのうち、電位等の測定や試料の移送等の機械的な動き等の機能を1つの半導体基板で実施可能にするものとして、所謂MEMS(Micro Electro Mechanical System:微小電子機械機構)が提案されている。マイクロ化学チップ用のMEMSとは、例えば、一つの半導体基板の主面に、化学変化に応じて発生する気体や液体の圧力変化などを検出するための加速度計,圧力センサ,アクチュエータ等のセンサ、化学変化に応じて生じる変化を光学的に検出する際に高精度での検出等を目的とする光軸の変更のために使用される微細な鏡面体を可動式に形成したマイクロミラーデバイス、光デバイス等の機能部分に、マイクロポンプ等を合わせて形成し組み込んだ構造を有するもの等であり、非常に多岐にわたる構造を有する。 Among the micro chemical chips, what is called MEMS (Micro Electro Mechanical System) is one that can perform functions such as measurement of potential and mechanical movement such as sample transfer on a single semiconductor substrate. Proposed. For example, MEMS for microchemical chips are sensors such as accelerometers, pressure sensors, actuators, etc. for detecting changes in pressure of gases and liquids generated in response to chemical changes on the main surface of one semiconductor substrate. A micromirror device, which is a movable micro mirror that is used to change the optical axis for the purpose of high-precision detection when optically detecting changes that occur in response to chemical changes, light It has a structure in which a micropump or the like is formed and incorporated in a functional part such as a device, and has a very wide variety of structures.
このようなMEMSが形成された半導体基板に、流路が形成されている流路基板等を接続し、流路とMEMSや機能部分が形成された部分とを連通させた構造とすることにより、MEMSが備えるマイクロポンプ等の動力で流路中を被処理流体を流すことが可能となり、流路を流れて供給された被処理流体をMEMSが備える機能部分で分析、測定することが可能なマイクロ化学チップが形成される。 By connecting a flow path substrate or the like in which a flow path is formed to a semiconductor substrate in which such a MEMS is formed, and a structure in which the flow path and the part in which the MEMS or functional part is formed are communicated, It is possible to flow the fluid to be processed through the flow path by the power of the micro pump or the like provided in the MEMS, and the micro fluid capable of analyzing and measuring the fluid to be processed supplied through the flow path by the functional part provided in the MEMS. A chemical chip is formed.
上記MEMSは、例えば、電極用やDNA吸着用等の微細な突起、微小反応槽、マイクロミラー、マイクロポンプ等の微細な構造体、可動体等を備えたものである。 The MEMS includes, for example, fine protrusions for electrodes and DNA adsorption, fine structures such as a micro reaction tank, a micro mirror, and a micro pump, a movable body, and the like.
流路基板は、シリコン等の半導体やPDMS(ポリジメチルシロキサン)、ガラス等の基板の一主面に溝状の流路を形成したり、一主面から他主面にかけて貫通するような流路を形成した構造である。 The channel substrate is a channel that forms a groove-like channel on one main surface of a semiconductor such as silicon, PDMS (polydimethylsiloxane), or glass, or penetrates from one main surface to another main surface. It is the structure which formed.
なお、MEMSおよび流路は、外気からの異物の進入を防いで分析、測定等の化学的な処理を高精度に行なわせるために、ガラス板等から成る蓋体で覆われる。蓋体で覆われた後、外部に露出している流路の開口部分が被処理流体の供給口や排出口となり、供給口から被処理流体が供給される。 Note that the MEMS and the flow path are covered with a lid made of a glass plate or the like in order to prevent foreign substances from entering from outside air and perform chemical processing such as analysis and measurement with high accuracy. After being covered with the lid, the opening portion of the flow channel exposed to the outside serves as a supply port and a discharge port for the fluid to be processed, and the fluid to be processed is supplied from the supply port.
シリコン、PDMS等から成る基板に開口した供給口に対する被処理流体(生体物質等の試料を含む液体)の供給は、外部から液体ノズルや液体吐出装置等の送液装置を用いて加圧送液し、流路を介してMEMSに被処理流体を流して化学反応や検出等を行わせる。 Supply of a fluid to be processed (liquid containing a sample such as a biological material) to a supply port opened in a substrate made of silicon, PDMS, or the like is performed under pressure using a liquid delivery device such as a liquid nozzle or a liquid ejection device from the outside. Then, a fluid to be treated is caused to flow through the MEMS through the flow path to cause chemical reaction, detection, or the like.
また、マイクロ化学チップは、一般に、外部接続用の接続パッドが半導体基板の主面等に、MEMS部分と電気的に接続されて形成されており、この接続パッドをプリント回路基板等の外部電気回路基板の電気回路に電気的に接続しておくことにより、分析、測定等の化学処理の結果に応じてMEMSから発信される電気信号が接続パッドから外部の電気回路に送信される。 In addition, the microchemical chip is generally formed by connecting a connection pad for external connection to the main surface of the semiconductor substrate and the like and electrically connected to the MEMS portion, and the connection pad is connected to an external electric circuit such as a printed circuit board. By electrically connecting to the electrical circuit of the substrate, an electrical signal transmitted from the MEMS according to the result of chemical processing such as analysis and measurement is transmitted from the connection pad to an external electrical circuit.
このMEMSを用いたマイクロ化学チップは、化学反応、分析システムを小型化し、シリコン基板やPDMS基板上に形成したもので、マイクロ流路、マイクロポンプ、マイクロリアクタ等からなる。流路基板の化学反応部をマイクロ化し単位体積あたりの表面積を増大させることで、反応時間の大幅な削減を可能にしている。また、流量の精密な制御が可能なため高精度検出を行うことができる。 This microchemical chip using MEMS is formed on a silicon substrate or PDMS substrate by downsizing a chemical reaction / analysis system, and includes a microchannel, a micropump, a microreactor, and the like. By making the chemical reaction part of the flow path substrate micro and increasing the surface area per unit volume, the reaction time can be greatly reduced. In addition, since the flow rate can be precisely controlled, highly accurate detection can be performed.
なお、これら従来のマイクロ化学チップに用いられるMEMSは、例えば、シリコン等の半導体基板の主面に、焼付け、エッチング等の所謂半導体マイクロマシニング技術を用いて電極用やDNA吸着用等の微細な突起や微小反応槽、マイクロミラー、マイクロポンプ等の微細な構造体、可動体を形成することにより製作される。 Note that the MEMS used in these conventional microchemical chips are, for example, fine projections for electrodes and DNA adsorption on the main surface of a semiconductor substrate such as silicon using so-called semiconductor micromachining techniques such as baking and etching. And a minute structure such as a micro reaction vessel, a micro mirror, and a micro pump, and a movable body.
また、流路部分は、シリコンやPDMS、ガラス等の基板の主面に、フォトリソグラフィーを応用した、所謂鋳型加工やスタンプ加工等の加工を施して溝状、孔状等の構造を形成することにより製作される。
しかしながら、上記従来のマイクロ化学チップにおいては、検出などに用いられる被処理流体は外部の液体ノズルや液体吐出装置などの装置でマイクロ化学システムに供給されており、被処理流体である試薬は一度外気にさらされることが一般的であった。このため、マイクロ化学チップの外部から被処理流体を流路に供給する際に、外部からの被処理流体中への雑菌やゴミなどの異物の混入(所謂コンタミネーション)の問題があった。 However, in the above-described conventional microchemical chip, the fluid to be processed used for detection or the like is supplied to the microchemical system by an external liquid nozzle, a liquid discharge device or the like, and the reagent as the fluid to be processed is once outside air. It was common to be exposed to For this reason, when the fluid to be treated is supplied to the flow path from the outside of the microchemical chip, there is a problem of contamination of foreign matters such as germs and dust (so-called contamination) into the fluid to be treated from the outside.
また、大型の液体供給装置を使用するため、被処理流体の流量の微小量化に制限があり、被処理流体を小さく抑えることによる処理速度の向上等に制約を受けるという問題があった。 In addition, since a large liquid supply apparatus is used, there is a limit to miniaturization of the flow rate of the fluid to be processed, and there is a problem that the processing speed is increased by limiting the fluid to be processed to be small.
また、大型の液体供給装置を別途用意する必要があるので、マイクロ化学システムを低コストで作製しても液体供給装置に多額のコストがかかるという問題があった。 In addition, since it is necessary to separately prepare a large liquid supply apparatus, there is a problem that even if a microchemical system is manufactured at a low cost, the liquid supply apparatus is expensive.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、低コストで作製できるとともに不純物の混入が少なく、多種の実装形態を採用できるマイクロ化学チップおよびその製造方法を提供することである。 The present invention has been completed in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a microchemical chip that can be manufactured at a low cost, has less impurities, and can employ various mounting forms, and a manufacturing method thereof. Is to provide.
本発明のマイクロ化学チップは、内部に空洞を有する半導体基板と、前記空洞から前記半導体基板の主面にかけて形成されるとともに前記半導体基板の主面に開口部を有する被処理流体を流通させるための第1の流路と、前記空洞内に形成された微小電子機械機構と、前記半導体基板の主面に形成されて前記微小電子機械機構に電気的に接続された電極と、上面に一方の開口端を有し他面に他方の開口端を有する第2の流路が内部に形成されているとともに前記開口部に前記一方の開口端が対向するように配置された外部接続部材と、前記第1の流路の前記開口部と前記第2の流路の前記一方の開口端との間を気密に取り囲んで接続することによって前記第1および第2の流路を連通させる接続材とを具備していることを特徴とする。 A microchemical chip according to the present invention is provided to circulate a semiconductor substrate having a cavity therein, and a fluid to be processed which is formed from the cavity to the main surface of the semiconductor substrate and has an opening in the main surface of the semiconductor substrate. A first flow path; a microelectromechanical mechanism formed in the cavity; an electrode formed on a main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the microelectromechanical mechanism; A second flow path having an end and the other open end on the other surface, and an external connection member disposed so that the one open end faces the opening; and A connecting member that allows the first and second flow paths to communicate with each other by hermetically surrounding and connecting between the opening of the first flow path and the one open end of the second flow path; It is characterized by that.
本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記第2の流路は、流通方向に垂直な断面における幅が0.05乃至0.5mmであることを特徴とする。 The microchemical chip of the present invention is preferably characterized in that the second channel has a width in a cross section perpendicular to the flow direction of 0.05 to 0.5 mm.
また、本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記接続材は、横断面形状が円環状であることを特徴とする。 The microchemical chip of the present invention is preferably characterized in that the connecting material has an annular shape in cross section.
また、本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記微小電子機械機構は、前記空洞内に前記第1の流路から湧出した前記被処理流体を化学的に分析するためのものであることを特徴とする。 In the microchemical chip of the present invention, preferably, the microelectromechanical mechanism is for chemically analyzing the fluid to be processed that has flowed out of the first flow path into the cavity. And
本発明のマイクロ化学チップの製造方法は、半導体母基板に、その内部に形成された空洞と、該空洞から主面にかけて形成されるとともに該主面に開口部を有する被処理流体を流通させるための第1の流路と、前記空洞内に形成された微小電子機械機構と、前記主面に形成されて前記微小電子機械機構に電気的に接続された電極とを一組とした微小電子機械機構領域を多数個縦横に配列形成した多数個取り微小電子機械機構基板を準備する工程と、
上面に一方の開口端を有し他面に他方の開口端を有する第2の流路が内部に形成されている外部接続部材を前記開口部に前記一方の開口端が対向するようにそれぞれ配置するとともに、前記第1の流路の開口部と前記第2の流路の一方の開口端との間を接続材によって気密に取り囲んで接続することによって前記第1および第2の流路を連通させる工程と、
前記外部接続部材が接続された前記多数個取り微小電子機械機構基板を前記微小電子機械機構領域毎に分割して個々のマイクロ化学チップを得る工程とを具備していることを特徴とする。
In the method for producing a microchemical chip of the present invention, a cavity formed in a semiconductor mother substrate and a fluid to be processed which is formed from the cavity to the main surface and has an opening in the main surface are circulated. A first micro-mechanical mechanism formed in the cavity and an electrode formed on the main surface and electrically connected to the micro-electromechanical mechanism. A step of preparing a multi-electron mechanical mechanism substrate in which a large number of mechanism areas are arranged vertically and horizontally;
An external connection member in which a second flow path having one open end on the upper surface and the other open end on the other surface is formed is disposed so that the one open end faces the opening. In addition, the first and second flow paths are communicated by airtightly surrounding and connecting the opening of the first flow path and one open end of the second flow path with a connecting material. A process of
Dividing the multi-chip microelectromechanical substrate to which the external connection member is connected into each microelectromechanical region to obtain individual microchemical chips.
本発明のマイクロ化学チップは、内部に空洞を有する半導体基板と、空洞から半導体基板の主面にかけて形成されるとともに半導体基板の主面に開口部を有する被処理流体を流通させるための第1の流路と、空洞内に形成された微小電子機械機構と、半導体基板の主面に形成されて微小電子機械機構に電気的に接続された電極と、上面に一方の開口端を有し他面に他方の開口端を有する第2の流路が内部に形成されているとともに開口部に一方の開口端が対向するように配置された外部接続部材と、第1の流路の開口部と第2の流路の一方の開口端との間を気密に取り囲んで接続することによって第1および第2の流路を連通させる接続材とを具備していることから、被処理流体の供給から化学反応まで一貫して密閉状態を保つことができるので、外部から異物が混入することを防ぎ、所謂コンタミネーション等の問題の発生を効果的に防止することができる。 The microchemical chip of the present invention is a semiconductor substrate having a cavity inside, and a first fluid for forming a fluid to be processed which is formed from the cavity to the main surface of the semiconductor substrate and has an opening in the main surface of the semiconductor substrate. A flow path, a microelectromechanical mechanism formed in the cavity, an electrode formed on the main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the microelectromechanical mechanism, and the other surface having one open end on the upper surface A second flow path having the other opening end formed therein, and an external connection member disposed so that one opening end faces the opening, and the opening of the first flow path and the first flow path And a connecting material that allows the first and second flow paths to communicate with each other by hermetically surrounding and connecting between one open end of the two flow paths. Can keep sealed until reaction In, prevents foreign matter from the outside is mixed, it is possible to effectively prevent occurrence of problems such as so-called contamination.
また、マイクロ化学チップが備える微小電子機械機構(MEMS)部分の送液機能により、別途大型の液体供給装置を使用することなく、流路に被処理流体を流すことができ、微細な流路に見合った微量の被処理流体を準備すればよく、所望の化学処理に要するコストを低く抑えることもできる。 In addition, the liquid feeding function of the micro electromechanical mechanism (MEMS) part of the microchemical chip allows the fluid to be processed to flow through the flow path without using a separate large liquid supply device. A suitable amount of fluid to be treated may be prepared, and the cost required for the desired chemical treatment can be kept low.
また、液体供給用装置を別途用いて外部から流路に被処理流体を供給する際に、外部環境をクリーンにする必要が無く、供給される被処理流体の液量をより微小量化でき、その結果一般的に高価な化学検出用の被処理流体を少量で効率よく使用することができる。 In addition, when the fluid to be processed is supplied from the outside to the flow path by using a liquid supply apparatus separately, it is not necessary to clean the external environment, and the amount of the fluid to be processed to be supplied can be further reduced. As a result, a generally expensive process fluid for chemical detection can be efficiently used in a small amount.
本発明において好ましくは、第2の流路は、流通方向に垂直な断面における幅が0.05乃至0.5mmであることから、化学反応を効率的に行うことのできる大きさでかつ加工性を保てる小ささなので、絶縁基板中の流路形成がより容易になり、液量制御に有効である。 Preferably, in the present invention, the width of the second flow path in the cross section perpendicular to the flow direction is 0.05 to 0.5 mm, so that the chemical reaction can be efficiently performed and the workability is improved. Therefore, it is easier to form a flow path in the insulating substrate, which is effective for controlling the liquid amount.
また、本発明において好ましくは、接続材は、横断面形状が円環状であることから、半導体基板の第1の流路の開口部と外部接続部材の第2の流路の一方の開口端との接続部分において局部的な応力集中が起こらないため、より強固でかつ信頼性の高い第1および第2の流路の接続が可能になり、信頼性の高いマイクロ化学チップを得ることができる。 Preferably, in the present invention, since the connecting member has an annular cross-sectional shape, the opening of the first flow path of the semiconductor substrate and one open end of the second flow path of the external connection member Since local stress concentration does not occur at the connection portion, the first and second flow paths can be connected more firmly and highly reliably, and a highly reliable microchemical chip can be obtained.
また、本発明において好ましくは、微小電子機械機構は、空洞内に第1の流路から湧出した被処理流体を化学的に分析するためのものであるため、第1の流路の開口部と、第2の流路の開口端および接続材とで囲まれた狭い空間内を流通する少量の被処理流体を効率よく化学分析することができるので、化学分析を効率的に少量の被処理流体でもって行なうことができる。 In the present invention, preferably, the microelectromechanical mechanism is for chemically analyzing the fluid to be treated that has flowed out of the first flow path into the cavity, and therefore, the opening of the first flow path and Since a small amount of fluid to be processed flowing in a narrow space surrounded by the opening end of the second flow path and the connecting material can be efficiently analyzed chemically, chemical analysis can be efficiently performed with a small amount of fluid to be processed. You can do that.
本発明のマイクロ化学チップの製造方法によれば、上記各工程を具備することから、縦横に配列形成された多数個のマイクロ化学チップについて、多数個取り微小電子機械機構基板とそれぞれの外部接続部の接続と、微小電子機械機構の封止とを同時に行なうことができるため、マイクロ化学チップを、容易かつ確実に製造することができる。 According to the method for producing a microchemical chip of the present invention, since each of the above steps is provided, a large number of microchemical chips arranged in rows and columns are taken and a micro-electromechanical substrate and each external connection portion are taken. And the sealing of the microelectromechanical mechanism can be performed simultaneously, so that the microchemical chip can be easily and reliably manufactured.
また、外部接続部材が接続された多数個取り微小電子機械機構基板を微小電子機械機構領域毎に分割することにより、空洞部と第1の流路と第2の流路と接続材とで囲まれた微小空間内に微小電子機械機構を封止するとともに、微小空間内に被処理流体を供給し微小空間内から被処理流体を排出するための流路を備えて成る個々のマイクロ化学チップを多数個同時に製造することができる。この分割の際、微小電子機械機構領域の各微小電子機械機構は外部接続部材によりそれぞれ封止されているので、ダイシング加工等による分割で発生するシリコン等の半導体基板の切削粉が微小電子機械機構に付着するようなことはなく、分割後のマイクロ化学チップにおいて微小電子機械機構を確実に作動させることができる。 Further, by dividing the multi-electron mechanical mechanism substrate to which the external connection member is connected into each micro electro mechanical mechanism region, the substrate is surrounded by the cavity, the first flow path, the second flow path, and the connection material. In addition to sealing the micro electromechanical mechanism in the micro space, each micro chemical chip comprising a flow path for supplying a fluid to be processed into the micro space and discharging the fluid to be processed from the micro space Many can be manufactured simultaneously. At the time of this division, each micro electro mechanical mechanism in the micro electro mechanical mechanism region is sealed by an external connection member, so that the cutting powder of the semiconductor substrate such as silicon generated by the dicing process is generated by the micro electro mechanical mechanism. The microelectromechanical mechanism can be reliably operated in the divided microchemical chip.
また、分割して得られたマイクロ化学チップは、半導体基板の主面に電極が導出されているので、この導出された電極に金属バンプ等の端子を取着するだけで、外部電子回路基板に実装することができるものとなり、実装の工程を非常に短くかつ容易なものとすることができるマイクロ化学チップとなる。 In addition, since the microchemical chip obtained by dividing has an electrode led out to the main surface of the semiconductor substrate, it is possible to attach the terminal such as a metal bump to the leaded electrode to the external electronic circuit board. The microchemical chip can be mounted, and the mounting process can be made extremely short and easy.
本発明のマイクロ化学チップおよびその製造方法について以下に詳細に説明する。図1は本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1は外部接続部材、2は一方の開口端、3は第1の流路、4は空洞、5は他方の開口端、6は微小電子機械機構、7は電極、8は半導体基板、9は第2の流路、10はマイクロ化学チップ、11は接続材、12は開口部である。 The microchemical chip and the manufacturing method thereof of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a microchemical chip of the present invention. In FIG. 1, 1 is an external connection member, 2 is one open end, 3 is a first flow path, 4 is a cavity, 5 is the other open end, 6 is a microelectromechanical mechanism, 7 is an electrode, and 8 is a semiconductor. A substrate, 9 is a second flow path, 10 is a microchemical chip, 11 is a connecting material, and 12 is an opening.
外部接続部材1と半導体基板8とは、半導体基板8にある第1の流路3と外部接続部材1にある第2の流路9とを接続する接続材11を介して接合されている。また、半導体基板8の内部には空洞4が存在し、空洞4内に微小電子機械機構6が形成されている。第2の流路9を通って、接続材11によって囲まれた空間に供給される被処理流体が、第1の流路3を介して空洞4内にある微小電子機械機構6で処理され、処理に応じて生じる電気信号が電極7から外部に伝送され、処理の結果がわかる仕組みになっている。
The
本発明における微小電子機械機構6は、例えばバイオセンサー、DNAチップ、マイクロリアクタ、プリントヘッドなどの流体を用いたMEMSデバイスや化学センサ、ガスセンサ等の各種センサなどの機能を有するものであり、半導体微細加工技術を基本とした、所謂マイクロマシニングで作る部品であり、1素子あたり10μm〜数100μm程度の寸法を有する。
The
外部接続部材1は、微小電子機械機構6を封止するための部材として機能するとともに、一方の開口端2および他方の開口端5を有し、第2の流路9を形成するための部材として機能する。
The
この外部接続部材1は、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金(42アロイ)等の鉄−ニッケル系合金、無酸素銅、アルミニウム、ステンレス、銅−タングステン合金、銅−モリブ合金等の金属材料、あるいは酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミック材料や、パイレックス(登録商標)ガラス等の無機材料、ポリイミド、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミックスやガラス等の無機粉末をエポキシ樹脂等の樹脂で結合して成る複合材等により形成される。
This
例えば、外部接続部材1は、外部接続部材1にある第2の流路9と半導体基板8にある第1の流路3とを接続する接続材11を介して半導体基板8に機械的に接合されるので、半導体基板8との接合の信頼性、つまり外部接続部材1と半導体基板8との間に形成される空間の外部との遮蔽性や、マイクロ化学チップ10として長期間の使用に耐える長期信頼性を高くするためには、ムライト質焼結体、または例えばガラス成分の種類や添加量を調整することにより熱膨張係数を半導体基板8に近似させるようにした酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系等のガラスセラミックス焼結体等のような、半導体基板8との熱膨張係数の差が小さい材料で形成することが好ましい。
For example, the
また、外部接続部材1は、被処理流体に対する保温性を高めて、微小電子機械機構6で施される処理、例えば化学反応等の処理の安定性を高める上では、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱伝導率の低い材料で形成することが好ましい。また、外部接続部材1は、微小電子機械機構6で行なわれる処理を目視で確認したり、処理のために光を照射するような場合、ガラス材等の透光性を有するものであることが好ましい。
In addition, the
上記のように本発明のマイクロ化学チップ10は、用途等に応じて種々の材料を選択することが可能で、機械的強度等の特性が良好であるとともに取り扱いが容易な外部接続部材1を用いることができ、外部接続部材1に被処理流体を流すための第2の流路9の開口端が形成されているため、取り扱いが容易である。
As described above, the
また、外部接続部材1と半導体基板8とは、外部接続部材1にある第2の流路9と半導体基板8にある第1の流路3とを接続する接続材11を介して互いに接合されており、それらの接合部には接続材11を密閉された側壁とした内部空間が形成される。
The
半導体基板8は、シリコン、ポリシリコン等の半導体材料を板状に加工して成り、内部には空洞4が存在し、空洞4内に微小電子機械機構6が形成されている。微小電子機械機構6は、シリコン、ポリシリコン等から成る半導体基板8の一主面に対してフォトリソグラフィー技術やレーザ加工などの所謂マスクレスエッチング技術、フッ酸エッチング、ドライエッチングなどのエッチング技術を用いて所望の構造を形成することにより作製される。
The
微小電子機械機構6は、例えば、化学処理用のものであれば、その用途に応じてエッチング加工で所定の構造に成形した後、スピンコートやディップコートなどのコーティング技術を用いて表面状態を変化させることによって薬品の濡れ性や化学反応性などを制御することができ、そして化学分析やDNAの同定、クロマトグラフィーなどの各種分析などに用いられる。
For example, if the
また、半導体基板8の一方の主面には、微小電子機械機構6に電気的に接続された電極7が形成されている。この電極7は、微小電子機械機構6で行なわれた化学処理等の処理の結果に応じて発信される電気信号を半導体基板8の外部に伝える機能をなし、アルミニウムや金等の金属材料等の導電性材料で形成されている。
An
上述した外部接続部材1と半導体基板8との接合は、外部接続部材1にある第2の流路9と半導体基板8にある第1の流路3とを接続する接続材11を介して接合することにより行なわれる。
The connection between the
接続材11は、錫−銀合金半田、錫−銀−銅合金半田等の半田、金−錫合金ろう材等の低融点ろう材、銀−ゲルマニウム合金ろう材等の高融点ろう材、銀,銅等の導電性粉末を樹脂で結合して成る導電性樹脂接着剤等により形成されている。
The connecting
また、外部接続部材1の内部には、外部接続部材1の上面に開口部12に対向するように一方の開口端2が形成されるとともに、外部接続部材1の他面に他方の開口端5が形成されている第2の流路9が形成されている。第2の流路9を通って被処理流体が接続材11に囲まれた空間に供給され、続いて第1の流路3を介して空洞4内にある微小電子機械機構6に供給される。これにより、化学分析を行なう試料等の被処理流体を流し、電位測定、DNAの検出,同定、クロマトグフィー、光化学反応等の化学処理等の処理の機能を有するマイクロ化学チップ10が形成される。
Further, inside the
本発明のマイクロ化学チップ10は、上記の構成により、主として処理等の機能を有する半導体基板8側と、被処理流体の通り道および外部接続の機能を有する外部接続部材1側との機械的な接続、接合を容易に行なうことができ、マイクロ化学チップ10としての生産性を優れたものとすることができる。
The
本発明において、例えば、半導体基板8側および外部接続部材1側をそれぞれ予め多数個縦横に配列しておき、これらを互いに一括して接続、接合することも容易であり、マイクロ化学チップ10を多数個同時に気密封止することができ、生産性を極めて優れたものとすることができる。
In the present invention, for example, it is also easy to arrange a large number of
第2の流路9は、レーザ加工やドリル加工若しくはエッチング加工を用いて作製したり、セラミック材料等の無機材料の場合は、グリーンシート上にプレス金型、NCパンチングやレーザ加工を用いて窪みを作製し、その後グリーンシートを複数積層することによって作製される。
The
また、第2の流路9は、流通方向に垂直な断面形状が矩形状であると、グリーンシートの状態での断面をSEMや金属顕微鏡を用いて観察する際に観察、評価が容易となることから、流通方向に垂直な断面形状が矩形状であるのがよく、さらに流通方向に垂直な断面における幅が0.05乃至0.5mmであることが好ましい。0.05mm未満の場合、第2の流路9を加工形成することが困難になり、生産性の低下やコストの上昇等を招くおそれがある。0.5mmを超えると、第2の流路9の断面積が大きくなり、微小化して化学反応を効率的に行なわせることに対して支障をきたす。そのため、微量の被処理流体で高精度、高効率の化学分析を行なうマイクロ化学チップ10としての機能が低下するおそれがある。
In addition, when the
ここで、第2の流路9について、外部接続部材1を厚さが0.5mmの円筒状の酸化アルミニウム質で形成し、その一方主面から他方主面にかけて、流通方向に垂直な断面の形状が円形状の流路を形成したときの、加工性や化学反応性を試験した具体例を以下に示す。
Here, for the
グリーンシートは、酸化アルミニウムと酸化ケイ素を主成分とする原料粉末を有機溶剤、樹脂バインダとともにシート状に成形して作製し、第2の流路9はNCパンチング加工により形成した。加工性の判断基準は、グリーンシートに円形状の穴が作製できるかの外観検査で判断しており、マイクロスコープを用いて観察し判断した。穴が全域にわたり貫通しているか否か、また、穴の内面の垂直方向(軸方向)からの傾斜角度(所謂テーパー角)が、穴の縦断面において、穴の内面が垂直方向に完全に平行である場合(テーパー角=0°)の仮想線と、実際の内面の線との間に形成される三角形状について、三角形状の部分の{幅(三角形の上端側または下端側の底辺)}:{長さ(三角形の穴の軸方向の辺の長さ:穴の深さ)}の比率で1:3以下を○とした。
The green sheet was produced by forming a raw material powder mainly composed of aluminum oxide and silicon oxide into a sheet shape together with an organic solvent and a resin binder, and the
また、化学反応性は、半導体基板8であるSi基板上に作製されたMEMS6において化学反応を行う際に、必要最小な送液量に対して実際にMEMS6に供給される被処理流体の量が2倍以下になる場合を○とし、2倍を超える場合を△とした。表1に上記の加工性、化学反応性の結果を示す。
表1より、第2の流路9の流通方向に垂直な断面における幅が0.05mm未満では、加工性に不具合を生じやすくなる傾向があり、0.5mmを超えると、化学反応性に不具合が生じる傾向が見られた。
From Table 1, if the width in the cross section perpendicular to the flow direction of the
また、本発明において、接続材11は、横断面形状が円環状であることが好ましい。これにより、半導体基板8内部の第1の流路3の開口部12と、外部接続部材1内部の第2の流路9の一方の開口端2の接続部分において、局部的な応力集中が起こらないため、より強固でかつ信頼性の高い接合が可能になり、信頼性の高いマイクロ化学チップ10を得ることができる。
In the present invention, the connecting
また、本発明において、微小電子機械機構6は、空洞4内に第1の流路3から湧出した被処理流体を化学的に分析するためのものであることが好ましい。これにより、第1の流路3の開口部12と、第2の流路9の一方の開口端2と、接続材11とで囲まれた狭い空間内を流通する少量の被処理流体を効率よく化学分析することができるので、化学分析を効率的に少量の被処理流体で行うことができる。
In the present invention, the
化学的に分析するものとしては、例えば、多数のピン状の突起体の露出表面に予めそれぞれ異なるDNAの標準試料を被着させておき、被処理流体中のDNAが吸着する突起体により被処理流体中のDNAの同定を行なう、所謂DNAチップのような機能をなすもの、または分子を捕捉する突起状の吸着体を被処理流体の流れる方向に沿って多数個配列しておき、被処理流体中の分子を順次吸着させるクロマトグラフ分析の機能を有するものなどが挙げられる。 For chemical analysis, for example, a different standard sample of DNA is previously deposited on the exposed surface of a large number of pin-shaped projections, and the sample is treated by the projection that adsorbs the DNA in the fluid to be treated. A plurality of adsorbents that function as a so-called DNA chip for identifying DNA in a fluid or that trap molecules are arranged in the direction of flow of the fluid to be treated. Examples include those having a chromatographic analysis function for sequentially adsorbing molecules therein.
次に、本発明のマイクロ化学チップ10の製造方法について、図2(a)〜(d)に基づいて説明する。図2は本発明のマイクロ化学チップの製造方法の実施の形態の一例をそれぞれ工程順に示した断面図であり、図2において図1と同じ部位には同じ符号を付してある。
Next, a method for manufacturing the
まず、図2(a)に示すように、半導体母基板28の一主面に、微小電子機械機構6およびそれに電気的に接続された電極7が形成されて成る微小電子機械機構領域29を多数個縦横に配列形成した多数個取り微小電子機械機構基板30を準備する。半導体母基板28は、例えば単結晶や多結晶等のシリコン基板から成る。このシリコン基板の表面に酸化シリコン層を形成する際に、その中に微小な振動体等の微小電子機械機構6を形成し、円形状パターン等の導体から成る電極7が形成された微小電子機械機構領域29を多数個配列形成することにより、多数個取り微小電子機械機構基板30が形成される。この例においては、微小電子機械機構6と電極7とは、それぞれ半導体母基板28の一主面に形成された微細配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。
First, as shown in FIG. 2A, a large number of micro electro
次に、図2(b)に示すように、外部接続部材1の上面に一方の開口端2が形成されるとともに、外部接続部材1の他面に他方の開口端5が形成されている第2の流路9が形成されている。
Next, as shown in FIG. 2B, one
外部接続部材1は、例えば、外部接続部材1が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム等の原料粉末を、有機溶剤、樹脂バインダとともに混練してスラリーを得て、このスラリーをドクターブレード法やリップコータ法等によりシート状に成形して複数のグリーンシートを形成し、このグリーンシートの表面および必要に応じてグリーンシートに予め形成しておいた貫通孔内に、タングステンのメタライズペーストを印刷塗布、充填し、その後、これらのグリーンシートを積層して焼成することにより形成することができる。
For example, when the
第2の流路9は、例えば、外部接続部材1が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、外部接続部材1となるグリーンシートにプレス金型やNCパンチング、レーザ加工等の穴あけ加工、打抜き加工、切削加工等の機械的加工を施して、グリーンシートに開口部や貫通孔、溝等を形成しておくことにより形成される。例えば、第2の流路9が図2(b)に示すような、一方主面から他方主面にかけて貫通するような貫通孔であれば、各グリーンシートにNCパンチング加工で貫通孔を形成しておき、この貫通孔が最上層から最下層にかけて連通するようにしてグリーンシートを積層することにより形成される。
For example, when the
なお、第2の流路9は、全長にわたって貫通孔である必要はなく、外部接続部材1を分割した後の状態で、外部接続部材1の厚み方向の中央部等から外周の側面にかけて横溝状に導かれたような形態等の他の形態(図示せず)でもよい。この場合、グリーンシートの所定部位に、レーザ加工等で細長い溝状の開口部を形成しておき、この開口部の上下を覆うように他のグリーンシートを積層することにより、外部接続部材1の内部に溝状の第2の流路9を形成することができる。
In addition, the
接続材11としては、錫−銀合金半田、錫−銀(銅)−ビスマス合金半田、錫−鉛合金半田等の半田、または銀、銅、金、白金、パラジウム等の金属の粉末やこのような金属を樹脂等の粉末コア材の表面にめっき等の手段で被着した導電性フィラー粉末をエポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂で結合して成る導電性樹脂接着剤等の材料を用いることができる。
As the connecting
また、接続材11は、導電性を有するものでなくてもよい。例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂や、樹脂にガラス、シリカ等の無機粉末を添加したものでもよい。
Moreover, the
次に、図2(c)に示すように、多数個取り微小電子機械機構基板30の微小電子機械機構基板領域29において、半導体母基板28の一主面と外部接続部材1の一方主面とを接続材11を介して接合する。この工程において、多数個取り微小電子機械機構基板30と外部接続部材1とが機械的に接合、接続され、各微小電子機械機構領域29と外部接続部材1毎に形成された多数のマイクロ化学チップ10が一括して縦横に配列された状態で形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, in the micro electro mechanical
このように、半導体母基板28の一主面と外部接続部材1の一方主面とを接続材11を介して接合する工程を一つの工程で行うことにより、多数個取りの状態でマイクロ化学チップ10を形成することを容易なものとすることができる。
In this way, by performing the process of joining one main surface of the
ここで、半導体母基板28の一主面と外部接続部材1の一方主面とを接続材11を介して行う接合は、例えば、接続材11が錫−銀合金半田から成る場合、半導体母基板28の上に外部接続部材1を位置合わせして載せ、これらを約250〜300℃程度の温度のリフロー炉中で熱処理すること等により行なわれる。
Here, the joining performed by connecting one main surface of the
このように本発明のマイクロ化学チップ10の製造方法によれば、半導体母基板28(半導体基板8)と外部接続部材1との接合を、多数個配列した状態で行なうことができるため、数時間程度を要する半田(ろう)付け等の接合の工程を1回で済ませることができ、また同時に多数個のマイクロ化学チップを配列させた状態で作製することができるので、マイクロ化学チップの生産性を非常に高めることができる。
As described above, according to the method for manufacturing the
そして、図2(d)に示すように、外部接続部材1および微小電子機械機構領域基板30を、微小電子機械機構領域29毎に分割して、半導体基板8に外部接続部材1が接合されて成る個々のマイクロ化学チップ10を得る。
Then, as shown in FIG. 2D, the
なお、互いに接合された外部接続部材1と半導体母基板28の接合体の切断は、この接合体に対して、ダイシング加工等の切断加工を施すことにより行なうことができる。本発明のマイクロ化学チップ10の製造方法においては、このダイシング加工等の切断加工の際に、各微小電子機械機構6は、半導体基板8と外部接続部材1とにより形成される内部空間に収納されているので、半導体基板8や絶縁基板1等の切断に伴って発生するシリコン、金属等の切削粉等が微小電子機械機構6に付着することが効果的に防止され、完成したマイクロ化学チップ10において、微小電子機械機構6を確実に正常に作動させることができる。
The joined body of the
また、切削時に併用される洗浄用の水の流速を速くしたり、流れる方向を流路の開口端に対して直角方向にするなどの対応を行なうことで、より確実に微小電子機械機構6を正常に作動させることができる。
Further, by taking measures such as increasing the flow rate of cleaning water used at the time of cutting or making the flowing direction perpendicular to the opening end of the flow path, the
このように、本発明のマイクロ化学チップ10の製造方法によれば、微小電子機械機構6が収納される内部空間の形成と、内部空間内に被処理流体を湧出させる流路を開口させる工程とを、一つの工程で行なうことができるので、マイクロ化学チップ10の生産性を非常に高いものとすることができる。また、このようにして製造されたマイクロ化学チップ10は、すでに気密封止されているとともに、その電極7が外部に導出された状態であるので、外部の電気回路に半田ボール等の外部端子を介して接続するだけで、外部電気回路基板に実装して使用することができる。
As described above, according to the method of manufacturing the
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態では一つのマイクロ化学チップ内に一つの微小電子機械機構を気密封止したが、一つのマイクロ化学チップ内に複数の微小電子機械機構を気密封止してもよい。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible if it is in the range of the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, one microelectromechanical mechanism is hermetically sealed in one microchemical chip, but a plurality of microelectromechanical mechanisms may be hermetically sealed in one microchemical chip.
1:外部接続部材
2:一方の開口端
3:第1の流路
4:空洞
5:他方の開口端
6:微小電子機械機構
7:電極
8:半導体基板
9:第2の流路
10:マイクロ化学チップ
11:接続材
12:開口部
1: external connection member 2: one open end 3: first flow path 4: cavity 5: other open end 6: micro electromechanical mechanism 7: electrode 8: semiconductor substrate 9: second flow path 10: micro Chemical chip 11: connecting material 12: opening
Claims (5)
上面に一方の開口端を有し他面に他方の開口端を有する第2の流路が内部に形成されている外部接続部材を前記開口部に前記一方の開口端が対向するようにそれぞれ配置するとともに、前記第1の流路の開口部と前記第2の流路の一方の開口端との間を接続材によって気密に取り囲んで接続することによって前記第1および第2の流路を連通させる工程と、
前記外部接続部材が接続された前記多数個取り微小電子機械機構基板を前記微小電子機械機構領域毎に分割して個々のマイクロ化学チップを得る工程とを具備していることを特徴とするマイクロ化学チップの製造方法。 A cavity formed in the semiconductor mother substrate; a first flow path for flowing a fluid to be processed formed from the cavity to the main surface and having an opening in the main surface; A large number of microelectromechanical mechanism regions formed by arranging a plurality of microelectromechanical mechanisms formed in the main surface and electrodes electrically connected to the microelectromechanical mechanism formed on the main surface, vertically and horizontally. A step of preparing a substrate for micro-electromechanical mechanism,
An external connection member in which a second flow path having one open end on the upper surface and the other open end on the other surface is formed is disposed so that the one open end faces the opening. In addition, the first and second flow paths are communicated by airtightly surrounding and connecting the opening of the first flow path and one open end of the second flow path with a connecting material. A process of
A step of dividing each of the micro-electromechanical mechanism substrates to which the external connection members are connected into each micro-electromechanical mechanism region to obtain individual microchemical chips. Chip manufacturing method.
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