JP2008290899A - 絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法、絶縁体とシリコンとの積層構造体、および検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁体材料とシリコンとの積層構造体を陽極接合によって接合する方法を提供する。
【解決手段】絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法は、シリコンによって形成される第1の基板と、絶縁体材料によって形成される第2の基板とを積層した積層構造体を製造する方法である。具体的には、第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程(S11)と、第2の基板上の導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程(S12)と、ガラス被膜を介して第1の基板と第2の基板を積層し、第2の基板に負電圧を印加することによって、第1の基板と第2の基板とを陽極接合する工程(S14)とを含む。
【選択図】図1
【解決手段】絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法は、シリコンによって形成される第1の基板と、絶縁体材料によって形成される第2の基板とを積層した積層構造体を製造する方法である。具体的には、第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程(S11)と、第2の基板上の導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程(S12)と、ガラス被膜を介して第1の基板と第2の基板を積層し、第2の基板に負電圧を印加することによって、第1の基板と第2の基板とを陽極接合する工程(S14)とを含む。
【選択図】図1
Description
この発明は、絶縁体基板とシリコン基板との積層構造体を製造する方法、特に、陽極接合によって両者を接合する方法に関するものである。
従来の陽極接合装置101は、例えば、特開2001−220181号公報(特許文献1)に記載されている。図7を参照して、同公報に記載されている陽極接合装置101は、ヒータ102を有するステージ103と、基板に電圧を印加する電源104とを備える。この陽極接合装置101は、例えば、半導体シリコン基板105とガラス基板106とを接合して、積層構造体を形成する。
具体的には、ステージ103に半導体シリコン基板105を載置し、さらにその上にガラス基板106を載置する。次に、ヒータ102によってステージ103を300℃〜500℃程度に加熱した状態で、ガラス基板106に負電圧を印加する。
このとき、ガラス基板106中の可動イオン(陽イオン)が負電極側に移動し、半導体シリコン基板105とガラス基板106との界面に電荷層が形成される。そして、ガラスとシリコンとが静電引力によって引き寄せられ、半導体シリコン基板105とガラス基板106とが接合される。
特開2001−220181号公報
上記構成の陽極接合装置101は、電圧を印加することによって半導体シリコン基板105とガラス基板106とを静電引力によって接合する装置である。すなわち、この装置によって接合することができる基板は導電体材料に限定される。したがって、従来では、陽極接合によって絶縁体基板とシリコン基板との積層構造体を接合することはできなかった。
そこで、この発明の目的は、陽極接合によって接合する絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法、およびこの方法で接合された積層構造体、例えば検出装置を提供することである。
この発明に係る絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法は、シリコンによって形成される第1の基板と、絶縁体材料によって形成される第2の基板とを積層する。具体的には、第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程と、第2の基板上の導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程と、ガラス被膜を介して第1の基板と第2の基板とを積層し、第2の基板に負電圧を印加することによって、第1の基板と第2の基板とを陽極接合する工程とを含む。上記の方法によれば、絶縁体材料とシリコンとを陽極接合によって接合することができる。その結果、接合強度の高い積層構造体を得ることができる。
好ましくは、導電被膜は、スパッタリングによって形成される。これにより、第2の基板の表面に成膜される導電被膜の膜厚を均一にすることができる。
好ましくは、第1の基板と第2の基板とを積層するのに先立って、エッチングによって導電被膜、および/または、ガラス被膜の一部を除去する工程をさらに含む。例えば、第2の基板が石英基板であって、光を通過させる透光窓として利用する場合、導電被膜やガラス被膜によって透明度が低下する。そこで、光の通り道となる部分の導電被膜やガラス被膜を除去することにより、このような問題を解消することができる。
さらに好ましくは、ガラス被膜は、シリコンと同等の熱膨張係数を有する。陽極接合は、ガラス被膜中の可動イオンの伝導性を向上するために、所定の温度まで昇温した状態で行われる。したがって、直接接合されるガラス被膜とシリコンとの熱膨張係数が大きく異なると、熱歪み等を生じるおそれがある。
一実施形態として、第2の基板は石英によって形成されている。ガラス被膜はパイレックスガラス(登録商標)の被膜である。
この発明に係る絶縁体とシリコンとの積層構造体は、上記のいずれかの方法で製造される。
この発明に係る検出装置は、被検出物質の吸光度を測定する。具体的には、シリコンによって形成され、表面に被検出物質が通過する検出流路を有する第1の基板と、石英によって形成され、検出流路を閉鎖するように第1の基板に積層される第2の基板と、第2の基板を通して検出流路に光を照射する照射部と、照射部から照射され、検出流路を通過した光を受光する受光部とを備える。そして、第1および第2の基板は、第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程と、第2の基板上の導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程と、ガラス被膜を介して第1の基板と第2の基板とを積層し、第2の基板に負電圧を印加することによって、第1の基板と第2の基板とを陽極接合する工程とを経て接合される。
一実施形態として、第1の基板は、検出流路内に水平方向に対して45°の角度をなし、かつ90°の角度で互いに対面する第1および第2の斜面を有する。照射部は第1の斜面に鉛直方向から光を照射する。受光部は、照射部から照射され、第1の斜面に反射し、検出流路を被検出物質の通過する方向と平行に通過し、第2の斜面に反射する反射光を受光する。
この発明によれば、絶縁体材料とシリコンとの積層構造体を陽極接合によって接合する絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法を得ることができる。
図1〜図5を参照して、この発明の一実施形態に係る絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法を説明する。なお、図1は絶縁体とシリコンとの積層構造体の主な製造工程を示すフロー図、図2〜図5は図1の各工程の模式図である。
まず、この実施形態は、第1の基板11と、絶縁体材料によって形成される第2の基板12とを積層した積層構造体を製造する方法である。第1の基板11としては、シリコン基板を採用する。絶縁体材料は特に限定されないが、例えば石英基板を採用することができる。
次に、図1および図2を参照して、第1の工程では、第2の基板12の表面に導電被膜13を成膜する(S11)。導電被膜13の材料は、例えばチタン(Ti)やアルミニウム(Al)を採用することができる。成膜方法としては、例えばスパッタリングを採用することができる。
次に、図1および図3を参照して、第2の工程では、導電被膜13の表面に可動イオンを含むガラス被膜14を成膜する(S12)。ガラス被膜14の材料は、内部に可動イオンを有すると共にシリコンと同等の熱膨張係数を有するのが望ましい。例えば、パイレックス(登録商標)等を採用することができる。また、ガラス被膜14は、第2の基板12の第1の基板11に当接させる側の壁面に成膜する。ガラス被膜14の成膜方法は特に限定されず、任意の方法を採用することができる。ただし、ガラス被膜14には、後述する陽極接合時の短絡を防止するために絶縁性が必要となる。したがって、絶縁性が得られる膜厚および膜特性としなければならない。
次に、図1および図4を参照して、第3の工程では、導電被膜13、および/または、ガラス被膜14のうちの不要な部分を除去する(S13)。具体的には、表面をレジストでパターニングした後、導電被膜13およびガラス被膜14をエッチングする。チタンで導電被膜13を形成した場合、導電被膜13のエッチャントとしては希フッ酸を採用することができる。また、ガラス被膜14にはフッ酸系のエッチャントを採用することができる。
なお、この工程は絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法の必須の工程ではなく、導電被膜13、および/または、ガラス被膜14を除去する必要がなければ、省略することができる。また、第1および第2の工程で必要な部分にのみ導電被膜13およびガラス被膜14を形成してもよいが、各工程を簡素化すると共に成膜の精度を高めるためには、図1に示す方法が望ましい。
また、第1の基板11を所定の形状に加工する。例えば、エッチング等のリソグラフィ技術によって加工することができる。
次に、図1および図5を参照して、第4の工程では、ガラス被膜14を介して第2の基板12と第1の基板13とを積層し、陽極接合によって両者を接合する(S14)。具体的には、第1の基板11の側をGNDとし、導電被膜13に負電圧を印加する。これにより、ガラス被膜14中の可動イオン(Na+)が負電極側に移動し、第1の基板11との界面には電荷層が形成される。そして、第1の基板11と第2の基板12との界面に生じる静電引力によって両者が接合される。
なお、導体被膜13に印加される電圧は、絶縁破壊しない範囲内で、ガラス被膜14の膜厚に応じて調整する必要がある。また、ガラス被膜14のイオン伝導性を向上するために、基板を350℃〜450℃に昇温した状態で行うのが望ましい。さらに、露出している導電被膜13(図5中の上面および両側面を指す)を必要に応じて除去してもよい。
上記の方法によれば、絶縁体材料とシリコンとの積層構造体を陽極接合によって接合することができる。また、陽極接合により第1および第2の基板11,12を確実に接合することができる。その結果、流体の通路となる流路を内部に有する積層構造体であっても、液漏れの心配がない。
次に、図6を参照して、上記の製造方法によって製造された絶縁体とシリコンとの積層構造体の例を説明する。なお、図6に示す絶縁体とシリコンとの積層構造体は、検出流路17を流れる試料(「被検出物質」ともいう)の吸光度を測定する検出モジュール21である。この検出モジュール21は、例えば、クロマトグラフィによって分離された成分の吸光度を測定する装置として利用することができる。
図6を参照して、検出モジュール21は、検出流路17を分析に適した形状に区切って検出対象となる試料を案内する案内部22と、検出流路17の上面を閉鎖すると共に外部と検出流路17との間で光を透過可能とする透光窓23と、検出流路17に向けて光を照射する照射部24と、検出流路17から出る光を受光する受光部(ディテクタ)25とを有する。なお、この実施形態においては、検出流路17の一部は案内部22の表面に露出しており、透光窓23によって閉鎖されている。
なお、この実施形態において、案内部22はシリコンによって形成される。また、透光窓23には透明度の高い石英ガラスを採用する。さらに、照射部24および受光部25は紫外線(UV)を照射および受光する光ファイバーである。
案内部22は、検出流路17内に第1および第2の斜面26a,26bを有する。この第1および第2の斜面26a,26bは、それぞれ水平面に対して45°傾斜している。また、第1および第2の斜面26a,26bは、90°の角度で互いに対面している。
なお、第1および第2の斜面26a,26bは、反射率の高い鏡面とする。または、スパッタリングによって第1および第2の斜面26a,26bに紫外線の反射率が高いアルミ被膜等を成膜してもよい。
照射部24は、第1の斜面26aに鉛直方向から紫外線を照射する。この実施形態においては、紫外線の波長を200nm〜300nmとする。照射部24から照射された紫外線は、第1の斜面26aで水平方向に反射する。すなわち、検出流路17中を試料の流れる方向と平行に通過する。その後、第2の斜面26bで再度鉛直方向に反射した紫外線は、受光部25に到達する。そして、受光部25で受光した紫外線を分析して検出流路17を通過する試料の吸光度を測定する。なお、図6では紫外線の進行方向を一点鎖線の矢印で示している。
なお、本明細書中の「水平」および「鉛直」の用語は、相対的な角度関係を示すために便宜的に用いた用語であって、絶対的な意味での角度関係に限定されるものではない。
上記構成の検出モジュール21において、第1の基板を案内部22、第2の基板を透光窓23とする。そして、案内部22と透光窓23は、図1〜図5に示したようなこの発明の一実施形態に係る絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法によって接合される。ここで、第3の工程では、紫外線の通り道になる部分(図6において、透光窓23の検出流路17に対面する部分)の導電被膜およびガラス被膜を除去する。なお、図6では、透光窓23に成膜される導電被膜およびガラス被膜の図示を省略している。
なお、上記の実施形態においては、クロマトグラフィによって分離された成分の吸光度を測定する検出モジュール21の例を示したが、これらの用途に限定されるものではなく、絶縁体とシリコンとの積層構造体を製造する方法として広く利用することができる。
特に、接合部分に高いシール性が要求される積層構造体、例えば、内部に流体(液体および気体を含む)が通過する流路を有する積層構造体に適用すれば、高い効果が期待できる。例えば、流体の圧力を測定する圧力センサ、流体の流速を測定する流速センサ、流体の流量を測定する流速センサ等が挙げられる。
特に、接合部分に高いシール性が要求される積層構造体、例えば、内部に流体(液体および気体を含む)が通過する流路を有する積層構造体に適用すれば、高い効果が期待できる。例えば、流体の圧力を測定する圧力センサ、流体の流速を測定する流速センサ、流体の流量を測定する流速センサ等が挙げられる。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
この発明は、絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法に有利に利用される。
11 第1の基板、12 第2の基板、13 導電被膜、14 ガラス被膜、17 検出流路、17a 水平流路、17b,17c 交差流路、18 モジュール支持部、21 検出モジュール、22 案内部、23 透光窓、23a 石英基板、23b 導電被膜、23c ガラス被膜、24 照射部、25 受光部、101 陽極接合装置、102 ヒータ、103 ステージ、104 電源、105 半導体シリコン基板、106 ガラス基板。
Claims (8)
- シリコンによって形成される第1の基板と、絶縁体材料によって形成される第2の基板とを積層した積層構造体を製造する方法であって、
前記第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程と、
前記第2の基板上の前記導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程と、
前記ガラス被膜を介して前記第1の基板と前記第2の基板とを積層し、前記第2の基板に負電圧を印加することによって、前記第1の基板と前記第2の基板とを陽極接合する工程とを含む、絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法。 - 前記導電被膜は、スパッタリングによって形成される、請求項1に記載の絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法。
- 前記第1の基板と前記第2の基板とを積層するのに先立って、
エッチングによって前記導電被膜、および/または、前記ガラス被膜の一部を除去する工程をさらに含む、請求項1または2に記載の絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法。 - 前記ガラス被膜は、シリコンと同等の熱膨張係数を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法。
- 前記第2の基板は、石英によって形成されており、
前記ガラス被膜は、パイレックスガラス(登録商標)の被膜である、請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁体とシリコンとの積層構造体の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかの方法で製造される、絶縁体とシリコンとの積層構造体。
- 被検出物質の吸光度を測定する検出装置であって、
シリコンによって形成され、表面に被検出物質が通過する検出流路を有する第1の基板と、
石英によって形成され、前記検出流路を閉鎖するように前記第1の基板に積層される第2の基板と、
前記第2の基板を通して前記検出流路に光を照射する照射部と、
前記照射部から照射され、前記検出流路を通過した光を受光する受光部とを備え、
前記第1および第2の基板は、
前記第2の基板の表面に導電被膜を形成する工程と、
前記第2の基板上の前記導電被膜の表面に可動イオンを含むガラス被膜を形成する工程と、
前記ガラス被膜を介して前記第1の基板と前記第2の基板とを積層し、前記第2の基板に負電圧を印加することによって、前記第1の基板と前記第2の基板とを陽極接合する工程とを経て接合される、検出装置。 - 前記第1の基板は、前記検出流路内に水平方向に対して45°の角度をなし、かつ90°の角度で互いに対面する第1および第2の斜面を有し、
前記照射部は、前記第1の斜面に鉛直方向から光を照射し、
前記受光部は、前記照射部から照射され、前記第1の斜面に反射し、前記検出流路を被検出物質の通過する方向と平行に通過し、前記第2の斜面に反射する反射光を受光する、請求項7に記載の検出装置。
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