JP2007533467A - ナノチャンネルを製造する方法およびこの方法で製造したナノチャンネル - Google Patents

Abstract

本発明は基板に付着される半導体材料に少なくとも１つのナノチャンネルを製造する方法に関し、半導体材料にエッチング処理を行なうとともに、カバリング層を基板に取り付けるように前記基板に結合処理を行なう方法であり、この結合処理において半導体材料を結合剤として適用し、エッチングに先立ち、電極形成のため半導体材料に局部的にドーピングを行なう。
【選択図】なし

Description

本発明は基板上に付着させる半導体材料に少なくとも１つのナノチャンネルを製造する方法に関し、この方法で半導体材料にエッチング処理を行い、またカバリング層を基板に取り付けるため前記基板に結合処理を行なう。また本発明はこの方法により製造したナノチャンネルに関する。

非特許文献１には圧力およびフロートセンサー、反応室、およびリザーバーが含まれる真空密封マイクロシステム用の６つのマスク製造工程が記載されているが、チャンネルは水圧直径において１００ｎｍから１０μｍの範囲である。この文献によると、ガラスウエハにはチャンネルを形成するためレセスが形成され、下部金属連結層を備えるためにガラスウエハは金属化される。シリコンウエハ上に絶縁積層を付着した後、２つのポリシリコン層のパターン付けがされる。２つの層はアノード結合されてシリコンは溶解し、それに続いて、絶縁積層に接触カットがされて上部金属層の付着とパターン付けの工程が完成する。

最近、分離した分子の操作および検出に対する関心が増加している関係上、ナノチャンネルの製造が脚光を浴びている。光学技術分野における発展により、分子レベルで行なわれるバイオケミカルプロセスを研究する可能性は絶えず改善されている。これは、例えば医薬およびバイオケミカル分野で大きな研究の可能性を開いている。マイクロチャンネルおよびナノチャンネルは、例えば、生体分子、酵素アッセイおよび免疫混成反応に使用できる。マイクロチャンネルおよびナノチャンネルの使用例として分子の光学的検出がある。この場合、チャンネルの少なくとも１つの側面は光に対し透明であることが重要となる。このために、多くの研究は透明材料にナノチャンネルを作って行なわれる。またナノチャンネルで分子を電気的に操作することは研究として関心がもたれる。この目的のためにチャンネルの両端に電極が適用される。したがって多くの研究は電極を備えたナノチャンネルの発展上で行なわれる。

普通、従来技術においては、１つのガラス板または２つのガラス板の絶縁中間層にチャンネルをエッチングで作り、続いて接着剤を使用して２つのガラス板を結合する方法がとられていた。この従来の方法の欠点は、このやり方ではナノチャンネルの寸法精度は２つのガラス板の間に使用される接着層の限られた精度で決定されるということにある。この限られた精度は漏洩の原因となる。

また、チャンネルのエッチング後に、蒸着により電極を付着して、その後で２つのガラス板を接着剤により結合する従来技術も知られている。この公知の技術の欠点は、この公知のやり方で得られたナノチャンネルの使用を制限するかなりの構造的な困難性を有する電極とチャンネルの位置合わせを非常に正確に行なう必要があるということである。さらに、この方法による電極の適用は中間層の厚さの局部的変動の原因となり、ガラス板の結合後に漏洩を引き起こすことになる。

特許文献１にはシリコンウエハとガラス板で構成されたマイクロ流体構造装置が知られており、シリコンウエハにチャンネルが設けられるが、ウエハはガラス板への接着剤としても役立つ。
ＵＳ−５１７７３６−Ｂ マクマラ他；「ガス反応装置およびサンプリングマイクロシステム用に高熱分離および真空密閉案内移動を伴う製造工程」、マイクロ電子機械システムのＩＥＥＥ第１６回国際会議の会報、ＭＥＭＳ２００３、京都、日本、ＡＮ１９−２３，２００３、ＩＥＥＥ国際マイクロ電子機械システム会議、ニューヨーク，ＮＹ：ＩＥＥＥ、アメリカ合衆国、第１６回会議，２００３年１月１９日（２００３−０１−１９）、６４６−６４９頁、ＸＰ０１０６３７０５５ ＩＳＢＮ；０−７８０３−７７４４−３

本発明の目的は、形成されたナノチャンネルの寸法が極めて正確であり、そのため漏洩を引き起こさないナノチャンネルを基板とカバリング層の間に作る方法を提供することである。製造には通常の技術を使用するのが好ましい。

本発明のさらなる目的は、上記ナノチャンネルの周りに電極を正確に配置する方法であり、実施が容易で、またナノチャンネルの正確な寸法の妨げにも漏洩の原因にもならない
方法を提供することである。

発明の第１の態様では、半導体材料の層内にチャンネルをエッチングで作る前に、半導体材料の層を電極形成のために局部的にドーピングする。イオン注入技術を使用して、半導体材料の予め定めた位置をこのやり方で導体部分にする。引き続き、前記導体部分を一直線に横切ってチャンネルをエッチングで作り、チャンネルの両端側に２つの電極を作る。この方法の結果、２つの電極は相互にまたチャンネルに対して完全に位置合わせされる。ドーピングが適用された電極によって、半導体材料の層の表面は非常に平滑に維持され、そのため頂部層と底部層とが結合されないことで引き起こされる漏洩の発生が最小となる。

半導体材料は、例えばＬＰＣＶＤ（低圧化学気相堆積法）により基板に付着させる。基板およびカバリング層として特にガラスまたは半導体ウエハを使用することが可能である。しかし、ガラスは可視光線に対し透明であるのでガラスの方が好ましく、この場合は光学検出方法が使用される適用にナノチャンネルを備えた製品が使用できる。半導体材料としては、適当な種類の半導体であればどのようなものも使用できる。しかし、材料の堆積率が小さいことからアモルファスシリコンが好ましく、半導体材料は非常に正確に所望の厚さに堆積する。半導体材料の層の厚さはｎｍの数十倍のオーダーであるが、適用に左右される。作られた層によりナノチャンネルができ、また基板とカバリング層の間が有効に結合されるのであれば、勿論この層はより厚くてもより薄くてもかまわない。

ナノチャンネルはエッチングにより半導体材料に作られるが、場合によってはさらにその下の基板にまで部分的に達して作られる。これは通常のエッチング技術で達成できる。チャンネルの寸法はなかんずく使用する技術によって決まる。通常のリトグラフィック技術ではチャンネルの幅は約０．５μｍとなる。これよりも狭い幅のチャンネルを所望する場合は、例えばｎｍの数十倍のチャンネル幅でも得られるビームリトグラフィを使用することが可能である。チャンネルの深さはエッチングを行なう間の時間により決定できるので、したがって所望の深さは調整可能である。

最後に、基板上に設けられた半導体材料の層を介してカバリング層を基板に結合する。これはアノード結合で行なうのが好ましい。アセンブリを少なくとも３５０℃、好ましくは約４００℃の温度に加熱し、引き続いてアセンブリに好ましくは約１０００Ｖから１５００Ｖの高電圧を印加することでアノード結合を行なう。

また本発明は以上説明した方法で得られたナノチャンネルに実現される。これらのナノチャンネルは基板と基板に取り付けられたカバリング層とが境界となり、その特徴は基板とカバリング層を結合する半導体材料の層で決定されるが、電極を形成するために半導体材料に局部的にドーパントが添加される。

本発明を説明するため以下に典型的な実施例を挙げる。

この実施例は２つのガラス板の間にナノチャンネルを形成する好ましい方法である。
基板およびカバリング層として、アメリカ合衆国のブレンウルトラソニック（Bullen Ultrasonics）社から入手できるボロフロートタイプ（Borofloat type）のガラス板を使用した。これらの板にはナノチャンネルの入口および出口として予め穴をあけた。ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相堆積法）により厚さ３３ｎｍのアモルファスシリコンの中間層を基板上に形成した。フォトレジストマスクを使用して中間層上にナノチャンネルのパターンを付けたあと、アルカテル（Alcatel）社のフッ化物エッチング液を使用し、中間層に、および部分的に基板にエッチングを施しチャンネルをつくった。

その後、処理を行なった中間層付き基板とカバリング層の両方を硝酸溶液で洗浄した。続いて、中間層が形成された基板上にカバリング層を当てて、そのアセンブリをエレクトロビジョン（Electronic Visions）EVG501の結合剤を使用して結合した。このために、そのアセンブリは２時間、４００℃に予熱し、その後、１時間にわたり同一温度において１０００Ｖ電圧を印加して結合を行なった。このやり方で深さ５０ｎｍ、幅４０μｍ、長さ３ｍｍのナノチャンネルを作った。

実施例１の方法によって、様々な寸法のナノチャンネルを作った。一連の実験において、チャンネル寸法は深さ５０ｎｍ、長さ３ｍｍとしたが、幅は様々に変化させた。最も狭いチャンネル幅は２μｍであり、最も広いチャンネル幅は１００μｍとした。別の一連の実験においては、はしご状のチャンネルを形成し、１方の脚は幅２μｍとし、他方の脚は幅５μｍとした。このときもチャンネルの深さは５０ｎｍとした。

形成されたチャンネルの品質は電子顕微鏡および蛍光顕微鏡を使用して検査した。蛍光顕微鏡検査では形成されたナノチャンネルに蛍光液（ローダミン６Ｇ）を流した。すべての場合において蛍光液は加圧または減圧しなくても毛管現象の結果としてナノチャンネルを通って流れた。電子顕微鏡検査からの電子顕微鏡像によりチャンネルに不規則性がないことがわかった。さらに本発明により作られたナノチャンネルのいずれにも漏洩は観測されなかった。

この実施例が示すように、本発明による方法によると、流れが生じ得る予め決められた様々な寸法のナノチャンネルをいかなる障害を生じることもなく作ることができる。本発明による方法により作られたナノチャンネルには漏洩は生じなかった。

Claims (4)

1. 基板上に付着された半導体材料に少なくとも１つのナノチャンネルを製造する方法であって、半導体材料にエッチング処理を行なうとともに、基板にカバリング層を取り付けるため前記基板に結合処理を行なうことからなり、この結合処理において半導体材料が結合剤として適用される方法において、
   エッチング処理を行なう前に、電極形成のため半導体材料に局部的にドーピングすることを特徴とする方法。
2. 少なくとも３５０℃の温度において基板とカバリング層の間に高電位差を印加することで基板とカバリング層を結合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 電位差は約１０００−１５００Ｖであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 基板と基板に取り付けられたカバリング層により境界が形成されたナノチャンネルであって、半導体材料の層により基板とカバリング層が結合し、半導体材料に電極を形成するため局部的にドーパントが添加されたことを特徴とするナノチャンネル。