JP2009115501A - Micropipette, micropipette analysis apparatus, and their manufacturing method - Google Patents

Micropipette, micropipette analysis apparatus, and their manufacturing method Download PDF

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Takahiro Yajima
孝博 矢島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micropipette, a micropipette analysis apparatus, and their manufacturing methods capable of improving mechanical strength, and enhancing long-term reliability and a production yield. <P>SOLUTION: The micropipette includes a substrate 101 formed of single-crystal silicon and a hollow structure 103 constituted of silicon-oxide wall surfaces. A part of the hollow structure 103 is arranged in the substrate 101 formed of single-crystal silicon to enable the administration or suction of a small amount of liquid or the like from a pipette 102, at a tip of the hollow structure 101 and the operation of small particles such as cells and small objects including small mechanical components. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、非常に微小量の液体や気体、或いはそれらに含まれる粒子を投与又は吸引したり、或いは細胞等の微小粒子や微小機械部品等の微小物の操作等に使用されるマイクロピペットに関するものである。また、本発明はそれを用いた分析装置及びそれらの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a micropipette used for administration or aspiration of a very small amount of liquid or gas, or particles contained therein, or manipulation of microparticles such as cells or micromachine parts. Is. The present invention also relates to analyzers using the same and methods for producing them.

従来、幾つかのマイクロ構造体が、非常に少量の液体を投与したり、吸引したりする目的で知られている。また、原生動物、卵細胞等の微小物の操作には、保持道具としてのガラス製ピペットが使用されている。   Conventionally, some microstructures are known for the purpose of administering or aspirating very small amounts of liquid. Further, a glass pipette as a holding tool is used for manipulation of minute objects such as protozoa and egg cells.

特許文献1には、シリコン基板上に微小な膜変位装置と流路を形成し、シリコン基板を2枚のガラスプレートで挟み込み、流路の先にピペットチップを取り付けたマイクロピペットが開示されている。   Patent Document 1 discloses a micropipette in which a minute film displacement device and a flow path are formed on a silicon substrate, the silicon substrate is sandwiched between two glass plates, and a pipette tip is attached to the end of the flow path. .

特許文献2には、2枚のシリコン基板を用いたマイクロピペットが開示されている。同文献のものは、2枚のシリコン基板に溝を形成し、それら2枚のシリコン基板を向かい合わせて高温のシリコン直接接合を行い、シリコンの中空構造を形成する。次に、中空構造に貫通孔を開けて、中空構造の内壁面を酸化し、その後、不要なシリコンのみを選択的にエッチングし、マイクロピペットを作製する。
特開平10−318150号公報 特開平10−076168号公報
Patent Document 2 discloses a micropipette using two silicon substrates. In this document, a groove is formed in two silicon substrates, and the two silicon substrates are faced to each other to perform high-temperature silicon direct bonding to form a silicon hollow structure. Next, a through-hole is opened in the hollow structure to oxidize the inner wall surface of the hollow structure, and then only unnecessary silicon is selectively etched to produce a micropipette.
JP-A-10-318150 Japanese Patent Laid-Open No. 10-076168

従来のマイクロピペットの製法は、いずれも貼り合せプロセスを用いるために、機械的強度が低く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが難しい。更に、シリコン基板やガラス基板を複数枚用いるため、シリコン基板1枚と比較して、低コスト化に限界があった。   All the conventional methods for producing micropipettes use a bonding process, so that the mechanical strength is low, and it is difficult to increase the long-term reliability and manufacturing yield. Furthermore, since a plurality of silicon substrates or glass substrates are used, there is a limit to cost reduction compared to a single silicon substrate.

特に、特許文献1のものは、ピペットチップが微小な大きさであるため、ピペットチップと基板端面における接着部分の機械的強度が弱く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くするには限界がある。また、ピペットチップと基板端面における接着部分の面積が微小であるため、高い位置合わせ精度や微量な接着剤の塗布量制御等、接着工程には困難な作業が伴う。長期的な信頼性や製造歩留まりを上げるために、ピペットチップのサイズを大きくすると、ピペットチップの内部容積が大きくなり、微小量の液体等を取り扱うことが困難となる。   In particular, since the pipette tip has a very small size, the mechanical strength of the bonding portion between the pipette tip and the substrate end surface is weak, and there is a limit to increase long-term reliability and manufacturing yield. is there. In addition, since the area of the bonding portion between the pipette tip and the substrate end surface is very small, difficult operations are involved in the bonding process, such as high alignment accuracy and control of the application amount of a small amount of adhesive. Increasing the pipette tip size to increase long-term reliability and manufacturing yield increases the internal volume of the pipette tip, making it difficult to handle minute amounts of liquid and the like.

一方、特許文献2のものは、シリコン基板を貼り合せた後に高温の熱酸化工程があるため、貼り合せ前にシリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路等の回路部を作ることができない。また、貼り合せ後にシリコン基板上に回路部を作ると、基板厚みが厚くなるため、貼り合せ前に基板を薄くする工程が必要になり、製造歩留まりを著しく低下させるという課題があった。   On the other hand, since the thing of patent document 2 has a high temperature thermal oxidation process after bonding a silicon substrate, circuit parts, such as a film drive device, an arithmetic circuit, and a drive circuit, can be made on a silicon substrate before bonding. Can not. In addition, when a circuit portion is formed on a silicon substrate after bonding, the thickness of the substrate increases, so that a step of thinning the substrate before bonding is required, and there is a problem that the manufacturing yield is significantly reduced.

本発明の目的は、機械的強度を向上できると共に、長期的な信頼性及び製造歩留まりを向上することが可能なマイクロピペット、マイクロピペット分析装置とその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a micropipette, a micropipette analyzer, and a method for manufacturing the same that can improve mechanical strength and improve long-term reliability and manufacturing yield.

本発明のマイクロピペットは、単結晶シリコンからなる基板と、酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体とを有し、前記中空構造体の一部が前記単結晶シリコンからなる基板の内部に配置されていることを特徴とする。   The micropipette of the present invention has a substrate made of single crystal silicon and a hollow structure formed of a wall surface of silicon oxide, and a part of the hollow structure is disposed inside the substrate made of single crystal silicon. It is characterized by being.

また、本発明のマイクロピペット分析装置は、上記マイクロピペットを含み、前記基板の前記中空構造体を挟む両側の位置に、光を導入する導光部と、前記導光部からの光を前記中空構造体を介して受光するセンサ部を具備することを特徴とする。   The micropipette analyzer of the present invention includes the micropipette, and includes a light guide part for introducing light at positions on both sides of the hollow structure of the substrate, and light from the light guide part. A sensor portion that receives light through the structure is provided.

また、本発明のマイクロピペットの製造方法は、シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、前記多孔質シリコンの上に第1シリコン層を形成する工程と、
前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、を含むことを特徴とする。
Further, the micropipette manufacturing method of the present invention includes a step of partially forming porous silicon on a silicon substrate, a step of forming a first silicon layer on the porous silicon,
Removing the porous silicon to form a hollow portion; and oxidizing the wall surface of the hollow portion through perforations communicating with the hollow portion to form a hollow structure having a wall surface made of silicon oxide. And a step of removing a part of the silicon substrate and exposing a part of the hollow structure from the silicon substrate.

更に、本発明のマイクロピペット分析装置の製造方法は、シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、前記多孔質シリコンの上に第1シリコン層を形成する工程と、前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、前記シリコン基板上に光を受光するセンサ部を形成する工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記センサ部に前記中空構造体を介して光を導入する導光部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。   Furthermore, the method for manufacturing a micropipette analyzer of the present invention includes a step of forming porous silicon partially on a silicon substrate, a step of forming a first silicon layer on the porous silicon, and the porous material. Removing silicon and forming a hollow portion; oxidizing a wall surface of the hollow portion through a perforation communicating with the hollow portion; forming a hollow structure having a wall surface made of silicon oxide; and Forming a sensor part for receiving light on a silicon substrate; removing a part of the silicon substrate; exposing a part of the hollow structure from the silicon substrate; and part of the silicon substrate. And removing and forming a light guide part for introducing light into the sensor part through the hollow structure.

本発明によれば、製造工程において貼り合せプロセスを用いないために、機械的強度を向上させることができ、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが可能となる。また、シリコン基板1枚で作製することができるため、低コスト化が実現できる。更に、ピペット部が微小な大きさであっても、接着面がないため、機械的強度の問題を低減することができる。   According to the present invention, since a bonding process is not used in the manufacturing process, mechanical strength can be improved, and long-term reliability and manufacturing yield can be increased. Moreover, since it can be manufactured with one silicon substrate, cost reduction can be realized. Furthermore, even if the pipette part is a minute size, there is no adhesive surface, so that the problem of mechanical strength can be reduced.

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, the best mode for carrying out the invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1に係るマイクロピペットを示す断面図である。図中101は単結晶シリコンからなるシリコン基板、103は酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体である。図1に示すように中空構造体103の一部が単結晶シリコン基板101の内部に配置されている。また、中空構造体103の端部付近のシリコン基板101の表面及び裏面がエッチングされ、中空構造体103の一部がシリコン基板101から露出し、ピペット部102が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a micropipette according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, 101 is a silicon substrate made of single crystal silicon, and 103 is a hollow structure composed of silicon oxide wall surfaces. As shown in FIG. 1, a part of the hollow structure 103 is disposed inside the single crystal silicon substrate 101. Further, the front and back surfaces of the silicon substrate 101 near the end of the hollow structure 103 are etched, and a part of the hollow structure 103 is exposed from the silicon substrate 101 to form a pipette portion 102.

中空構造体103の上部には、下部電極107、圧電体105、上部電極108で構成された圧力発生装置が配置されており、シリコン基板101上に形成された回路部104からの信号によって駆動することができる。そして、圧電体105の駆動によりダイヤフラム106を振動させ、ピペット部102から液体や気体等、或いはそれらに含まれる粒子等の試料を吸引或いは排出することができる。   On the upper part of the hollow structure 103, a pressure generating device including a lower electrode 107, a piezoelectric body 105, and an upper electrode 108 is disposed, and is driven by a signal from the circuit unit 104 formed on the silicon substrate 101. be able to. Then, the diaphragm 106 is vibrated by driving the piezoelectric body 105, and a sample such as liquid, gas, or particles contained in the pipette 102 can be sucked or discharged.

次に、本実施形態のマイクロピペットの製造方法を説明する。図2は本実施形態のマイクロピペットの製造工程を示す断面図である。まず、図2(a)に示す工程では、単結晶シリコンからなるシリコン基板201に中空構造体を形成する領域以外の全部分を覆うマスク202をフォトリソグラフィにより形成する。マスク材としては、後述の陽極化成処理に用いられるフッ化水素に対して、耐性の強いポリイミド膜、窒化膜、耐酸性レジスト等が好適である。   Next, the manufacturing method of the micropipette of this embodiment is demonstrated. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the micropipette of this embodiment. First, in the step shown in FIG. 2A, a mask 202 that covers all parts other than a region where a hollow structure is to be formed is formed on a silicon substrate 201 made of single crystal silicon by photolithography. As the mask material, a polyimide film, a nitride film, an acid resistant resist, or the like that is highly resistant to hydrogen fluoride used in anodizing treatment described later is suitable.

次いで、図2(b)に示す工程では、マスクの開口部である単結晶シリコンが露出した部分を介して多孔質シリコン203を形成する。多孔質シリコン203は、例えば、電解液(化成液)中で陽極化成処理(陽極化成)を施すことによって形成する。電解液としては、例えば、フッ化水素を含む溶液、フッ化水素とエタノールを含む溶液、フッ化水素とイソプロピルアルコールを含む溶液等が好適である。本実施形態では、49%フッ化水素酸溶液とアルコール溶液を1:1の割合で混合した溶液を用いている。   Next, in the step shown in FIG. 2B, the porous silicon 203 is formed through the portion where the single crystal silicon which is the opening of the mask is exposed. The porous silicon 203 is formed, for example, by performing anodization treatment (anodization) in an electrolytic solution (chemical conversion solution). As the electrolytic solution, for example, a solution containing hydrogen fluoride, a solution containing hydrogen fluoride and ethanol, a solution containing hydrogen fluoride and isopropyl alcohol, and the like are suitable. In the present embodiment, a solution in which a 49% hydrofluoric acid solution and an alcohol solution are mixed at a ratio of 1: 1 is used.

多孔質シリコン203の多孔度は、陽極化成時の電流密度で制御し、膜厚は陽極化成時間で制御する。多孔質シリコン203は、多孔度が一定の単層多孔質シリコン層でも、多孔度が異なる複数の多孔質シリコン層で構成してもよい。後述のエピシリコンを成長させるためには、表面側の多孔質シリコンの多孔度に比べて表面以外の部分の多孔度が大きいことが望ましい。多孔質シリコン203の厚さによりマイクロピペット及び中空構造体の高さが決まる。本実施形態では約5〜20μm程度とする。   The porosity of the porous silicon 203 is controlled by the current density during anodization, and the film thickness is controlled by the anodization time. The porous silicon 203 may be a single-layer porous silicon layer having a constant porosity or a plurality of porous silicon layers having different porosities. In order to grow episilicon described later, it is desirable that the porosity of the portion other than the surface is larger than the porosity of the porous silicon on the surface side. The thickness of the porous silicon 203 determines the height of the micropipette and the hollow structure. In this embodiment, it is about 5 to 20 μm.

次に、図2(c)に示す工程では、マスク202を剥離した後に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させて第1シリコン層204を成膜する。この時、多孔質シリコン203を溶融させない条件でエピタキシャル成長させることが重要であるため、エピタキシャル成長時の基板温度は900℃以上1000℃以下であることが望ましい。   Next, in the step shown in FIG. 2C, after the mask 202 is peeled off, single crystal silicon is epitaxially grown to form a first silicon layer 204. At this time, since it is important to epitaxially grow the porous silicon 203 under a condition that does not melt, the substrate temperature during the epitaxial growth is desirably 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

なお、第1シリコン層204は、必ずしもエピタキシャル成長した単結晶シリコンでなくてもよい。即ち、後述する熱酸化により酸化シリコンが形成できるならば、多結晶シリコンや非晶質シリコン等の非単結晶シリコンでも構わない。第1シリコン層204をエピタキシャル単結晶シリコンで形成することができれば、小型でばらつきが少なく、高速処理が可能な駆動回路及び制御回路を形成することが可能になる。本実施形態では膜厚2μmの単結晶シリコンを成膜する。   Note that the first silicon layer 204 is not necessarily made of epitaxially grown single crystal silicon. That is, non-single crystal silicon such as polycrystalline silicon or amorphous silicon may be used as long as silicon oxide can be formed by thermal oxidation described later. If the first silicon layer 204 can be formed of epitaxial single crystal silicon, it is possible to form a drive circuit and a control circuit that are small in size, have little variation, and can perform high-speed processing. In this embodiment, single crystal silicon having a thickness of 2 μm is formed.

次に、図2(d)に示す工程では、ガスエッチングやウェットエッチングにより多孔質シリコン203を除去し、中空部205′を形成する。まず、第1シリコン層204の一部に多孔質シリコン203に連通する不図示の穿孔を形成する。この多孔質シリコン203に連通する穿孔を介してエッチング性のあるガスや溶液を用いて多孔質シリコン203を除去する。   Next, in the step shown in FIG. 2D, the porous silicon 203 is removed by gas etching or wet etching to form a hollow portion 205 ′. First, a hole (not shown) communicating with the porous silicon 203 is formed in a part of the first silicon layer 204. The porous silicon 203 is removed using an etching gas or solution through the perforations communicating with the porous silicon 203.

或いは、還元性の雰囲気における熱処理によって多孔質シリコン203を除去し、中空部205′を形成することもできる。即ち、シリコン基板201を所定の条件下で熱処理、例えば、1100℃、3時間の条件下において熱処理することで多孔質シリコン203を構成するシリコンがマイグレーションし、中空部205′を形成する。   Alternatively, the porous silicon 203 can be removed by heat treatment in a reducing atmosphere to form the hollow portion 205 ′. That is, when the silicon substrate 201 is heat-treated under a predetermined condition, for example, heat-treated at 1100 ° C. for 3 hours, silicon constituting the porous silicon 203 migrates to form a hollow portion 205 ′.

この時、熱処理雰囲気は水素が望ましいが、第1シリコン層204を成膜する際に多孔質シリコン203内部に水素が取り込まれたまま封止されるため、窒素雰囲気で熱処理を行ってもマイグレーションは起こり、中空部205′が形成される。熱処理の場合、中空部205′を形成した後、第1シリコン層204の一部をエッチングし、中空部205′に連通する不図示の穿孔を形成する。   At this time, the heat treatment atmosphere is preferably hydrogen. However, when the first silicon layer 204 is formed, the porous silicon 203 is sealed while hydrogen is taken in. Therefore, even if the heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, migration is not caused. Occurs and a hollow portion 205 'is formed. In the case of heat treatment, after forming the hollow portion 205 ′, a part of the first silicon layer 204 is etched to form perforations (not shown) communicating with the hollow portion 205 ′.

次いで、図2(e)に示す工程では、ウェット熱酸化によって酸化シリコン(酸化膜)26を形成する。即ち、不図示の穿孔を介して中空構造体205の壁面であるシリコンを酸化し、酸化シリコン(酸化膜)26を形成する。この段階で、内部が中空で酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体205が形成される。本実施形態では酸化シリコン(酸化膜)26の膜厚は約2μmとする。不図示の穿孔とは図2(d)の工程で形成した中空部205′(多孔質シリコン203)に連通する穿孔をいう。   2E, a silicon oxide (oxide film) 26 is formed by wet thermal oxidation. That is, silicon that is the wall surface of the hollow structure 205 is oxidized through a perforation (not shown) to form a silicon oxide (oxide film) 26. At this stage, a hollow structure 205 having a hollow interior and made of silicon oxide wall surfaces is formed. In this embodiment, the thickness of the silicon oxide (oxide film) 26 is about 2 μm. The perforation (not shown) refers to a perforation communicating with the hollow portion 205 ′ (porous silicon 203) formed in the step of FIG.

次に、図2(f)に示す工程では、第1シリコン層204と、中空構造体205と、シリコン基板201の一部分をダイシングする、或いはエッチングすることにより溝207を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 2F, the first silicon layer 204, the hollow structure 205, and a part of the silicon substrate 201 are diced or etched to form the groove 207.

更に、図2(g)に示す工程では、シリコン基板201の表面及び裏面の酸化シリコンをパターニングし、シリコン表面を露出させる。次いで、シリコン基板201を部分的にエッチングすることにより表面及び裏面側に開口部209を形成し、中空構造体205の壁面である酸化シリコンの一部(ピペット部208)を露出させる。例えば、塩素系ガスを用いたガスエッチングやアルカリ等によるシリコンの異方性エッチングによってシリコン部分のみをエッチングすることができる。   Further, in the step shown in FIG. 2G, the silicon oxide on the front surface and back surface of the silicon substrate 201 is patterned to expose the silicon surface. Next, the silicon substrate 201 is partially etched to form openings 209 on the front and back sides, and a portion of the silicon oxide (pipette portion 208) that is the wall surface of the hollow structure 205 is exposed. For example, only the silicon portion can be etched by gas etching using a chlorine-based gas or anisotropic etching of silicon by alkali or the like.

最後に、ダイシングによってチップを切断し、切り離す。以上の製造工程によりマイクロピペットが作製できる。   Finally, the chip is cut by dicing and separated. A micropipette can be manufactured by the above manufacturing process.

なお、図1の回路部104は、例えば、図2(e)と図2(f)の工程の間で、酸化シリコンを部分的に除去した後に一般的なCMOS技術を用いて形成する。また、下部電極107、圧電体105、上部電極108からなる圧力発生装置は、例えば、図2(f)の工程の後等でシリコン基板201上に作り込む。   The circuit unit 104 in FIG. 1 is formed by using a general CMOS technique after partially removing silicon oxide between the steps in FIGS. 2E and 2F, for example. In addition, the pressure generating device including the lower electrode 107, the piezoelectric body 105, and the upper electrode 108 is formed on the silicon substrate 201, for example, after the step of FIG.

本実施形態では、製造工程においてシリコン基板のウェハボンディング等の機械的な貼り合せプロセスを用いないため、ピペット部102や中空構造体103の機械的強度が高く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが可能になる。また、ピペット部が微小な大きさであっても接着することがないため機械的強度の問題がない。更に、製造歩留まりを上げるためにピペット部のサイズを大きくする必要がないため、ピペット内部の容積を小さくでき、微量の液体等を扱うことが容易である。   In this embodiment, a mechanical bonding process such as wafer bonding of a silicon substrate is not used in the manufacturing process. Therefore, the mechanical strength of the pipette unit 102 and the hollow structure 103 is high, and long-term reliability and manufacturing yield are achieved. It becomes possible to make it higher. In addition, there is no problem of mechanical strength because the pipette portion is not adhered even if it has a minute size. Furthermore, since it is not necessary to increase the size of the pipette portion in order to increase the manufacturing yield, the volume inside the pipette can be reduced, and it is easy to handle a very small amount of liquid.

また、シリコン基板1枚で形成することができるため、低コスト化が実現できる。更に、シリコン基板2枚を貼り合せると、従来の半導体プロセス装置で処理するために基板を薄くする必要があるが、本実施形態によれば、その必要がないために製造歩留まりを低下させることがない。   Further, since it can be formed with one silicon substrate, cost reduction can be realized. Furthermore, when two silicon substrates are bonded together, the substrate needs to be thinned for processing by a conventional semiconductor processing apparatus. However, according to the present embodiment, this is not necessary, so that the manufacturing yield can be reduced. Absent.

更に、ガラス基板を用いずにシリコン基板中に中空構造体103を形成するため、シリコン集積回路技術を用いて、1μm以下の加工精度の集積回路を形成することが可能となる。熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、シリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路等を自由に作ることができる。そのため、小型でばらつきが少なく高速処理が可能な駆動回路及び制御回路と、ピペット部及びそれに連結される中空構造体を混載することができる。以上のように機械的強度や長期信頼性が高く、小型で低コストのマイクロピペットを実現することができる。   Furthermore, since the hollow structure 103 is formed in the silicon substrate without using the glass substrate, it is possible to form an integrated circuit with a processing accuracy of 1 μm or less using the silicon integrated circuit technology. Since there is no high-temperature process after the thermal oxidation step, a film driving device, an arithmetic circuit, a driving circuit, etc. can be freely formed on the silicon substrate. Therefore, the drive circuit and control circuit that are small in size and have little variation and can perform high-speed processing, and the pipette unit and the hollow structure connected thereto can be mounted together. As described above, a small and low-cost micropipette with high mechanical strength and long-term reliability can be realized.

(実施形態2)
図3は本発明の実施形態2に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。図1と同様にシリコン基板301の内部に酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体303の一部が配置されている。また、中空構造体303の端部付近のシリコン基板301の表裏面がエッチングされ、中空構造体303の一部がシリコン基板301から露出し、ピペット部302が形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a micropipette analyzer according to Embodiment 2 of the present invention. As in FIG. 1, a part of a hollow structure 303 made of a silicon oxide wall surface is disposed inside a silicon substrate 301. Further, the front and back surfaces of the silicon substrate 301 near the end of the hollow structure 303 are etched, and a part of the hollow structure 303 is exposed from the silicon substrate 301 to form a pipette portion 302.

更に、中空構造体303の中央部付近のシリコン基板301の裏面がエッチングされ、中空構造体303が露出して導光部306が形成されている。そして、中空構造体303を挟んで導光部306と対向する位置に光電変換装置であるセンサ部305が配置されている。つまり、中空構造体303の両側の位置に導光部306とセンサ部305が対向配置されている。   Further, the back surface of the silicon substrate 301 near the center of the hollow structure 303 is etched, and the hollow structure 303 is exposed to form a light guide portion 306. And the sensor part 305 which is a photoelectric conversion apparatus is arrange | positioned in the position facing the light guide part 306 on both sides of the hollow structure 303. FIG. That is, the light guide unit 306 and the sensor unit 305 are disposed opposite to each other at positions on both sides of the hollow structure 303.

センサ部305は導入部306から導入された光を中空構造体303を介して受光する。そのセンサ部305からシリコン基板301上に形成された回路部304へ信号を送ることができる。従って、回路部304とセンサ部305からなる分析ユニットがシリコン基板上に一体に構成されている。   The sensor unit 305 receives the light introduced from the introduction unit 306 through the hollow structure 303. A signal can be sent from the sensor unit 305 to the circuit unit 304 formed on the silicon substrate 301. Therefore, the analysis unit including the circuit unit 304 and the sensor unit 305 is integrally formed on the silicon substrate.

回路部304は演算処理や素子選択処理ができるため、マイクロピペットとセンサ部305の組の複数と回路部304とからなる分析ユニットを一枚のシリコン基板上に形成することも可能である。   Since the circuit unit 304 can perform arithmetic processing and element selection processing, an analysis unit including a plurality of pairs of micropipettes and sensor units 305 and the circuit unit 304 can be formed on a single silicon substrate.

また、図1の実施形態と同様にピペット部302の先端部から液体や液体に含まれた粒子等を毛管力により吸引することができる。更に、図1と同様に中空構造体303上に圧電体105や上部及び下部電極等を有する圧力発生装置を配置し、その圧力発生装置を駆動することによってピペット部302から液体や気体或いはそれらに含まれる粒子を吸引或いは排出してもよい。   Further, as in the embodiment of FIG. 1, liquid and particles contained in the liquid can be sucked from the tip of the pipette unit 302 by capillary force. Further, as in FIG. 1, a pressure generating device having the piezoelectric body 105, upper and lower electrodes, etc. is disposed on the hollow structure 303, and by driving the pressure generating device, the pipette unit 302 supplies liquid, gas, or the like. The contained particles may be sucked or discharged.

更に、不図示の光源から光を照射し、センサ部305で受光することで中空構造体303内を移動する試料の吸光度を測定することが可能である。その場合、光源は外部光源であるならば、単色光に分光されているものでもよいし、波長を自由に選択してもよい。また、吸引された液体や気体或いはそれらに含まれる粒子等の試料が、中空構造体303の中を移動し、導光部306の上に達すると、センサ部305で試料の吸光度を測定することができる。   Furthermore, it is possible to measure the absorbance of the sample moving in the hollow structure 303 by irradiating light from a light source (not shown) and receiving light by the sensor unit 305. In that case, if the light source is an external light source, it may be split into monochromatic light, or the wavelength may be freely selected. Further, when a sample such as a sucked liquid or gas or particles contained therein moves in the hollow structure 303 and reaches the light guide unit 306, the absorbance of the sample is measured by the sensor unit 305. Can do.

ここで、図3のマイクロピペット分析装置の製造方法としては、まず、図2に示す工程でマイクロピペットを作製する。その際、図3の回路部304及びセンサ部305は、図2(e)と図2(f)の工程の間で、酸化シリコンを部分的に除去した後に一般的なCMOS技術等を用いて形成する。回路部304とセンサ部305とは不図示の配線により接続されている。導光部306は、図2(g)の工程で、開口部209のエッチングと同時にエッチングして形成する。   Here, as a manufacturing method of the micropipette analyzer of FIG. 3, first, a micropipette is manufactured by the process shown in FIG. At that time, the circuit unit 304 and the sensor unit 305 in FIG. 3 use a general CMOS technology or the like after the silicon oxide is partially removed between the processes in FIGS. 2E and 2F. Form. The circuit unit 304 and the sensor unit 305 are connected by a wiring (not shown). The light guide unit 306 is formed by etching at the same time as the etching of the opening 209 in the step of FIG.

本実施形態では、熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、一枚のシリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路の他に受光素子等も自由に作ることができる。それにより、小型で低コストの試料分析が可能なマイクロピペット分析装置が得られる。また、シリコン基板1枚で形成できるため、回路部等を形成するための基板を薄くする工程が不要であり、製造歩留まりを低下させることがない。   In this embodiment, since there is no high-temperature process after the thermal oxidation step, a light receiving element and the like can be freely formed on a single silicon substrate in addition to a film driving device, an arithmetic circuit, and a driving circuit. Thereby, a micropipette analyzer capable of analyzing a small sample at a low cost can be obtained. In addition, since a single silicon substrate can be used, a process for thinning the substrate for forming a circuit portion or the like is not necessary, and the manufacturing yield is not reduced.

(実施形態3)
図4(a)は本発明の実施形態3に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図、図4(b)は図4(a)のA−A’線における断面図である。図3の分析装置とは導光部の位置が異なり、シリコン基板401の内部に導光部406が形成され、窓407から導光部406を介して中空構造体403に光を導入する。
(Embodiment 3)
FIG. 4A is a cross-sectional view showing a micropipette analyzer according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. The position of the light guide is different from that of the analyzer of FIG. 3, a light guide 406 is formed inside the silicon substrate 401, and light is introduced into the hollow structure 403 from the window 407 through the light guide 406.

即ち、図1、図3と同様にシリコン基板401の内部に酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体403の一部が配置されている。中空構造体403の端部付近のシリコン基板401が表面及び裏面がエッチングされ、シリコン基板401から中空構造体403の一部が露出してピペット部402が形成されている。   That is, as in FIGS. 1 and 3, a part of the hollow structure 403 made of a silicon oxide wall surface is disposed inside the silicon substrate 401. The front and back surfaces of the silicon substrate 401 near the end of the hollow structure 403 are etched, and a part of the hollow structure 403 is exposed from the silicon substrate 401 to form a pipette portion 402.

また、中空構造体403を挟む両側の位置に光電変換装置であるセンサ部405と導光部406が対向配置されており、センサ部405の信号はシリコン基板401上の演算処理を行う回路部404aに送ることができる。なお、図4(b)では図4(a)の回路部404aの一部が回路部404bとしてA−A’断面に現れているが、この回部部の配置は特に限定されるものではない。   In addition, a sensor unit 405 that is a photoelectric conversion device and a light guide unit 406 are disposed opposite to each other on both sides of the hollow structure 403, and a signal from the sensor unit 405 is a circuit unit 404a that performs arithmetic processing on the silicon substrate 401. Can be sent to. In FIG. 4B, a part of the circuit portion 404a of FIG. 4A appears as a circuit portion 404b in the AA ′ cross section, but the arrangement of the rotating portion is not particularly limited. .

導光部406は窓407と繋がっており、外部の不図示の光源から窓407を介して導光部406に光を導入することができる。導光部406は、例えば、酸化シリコンや多孔質酸化シリコンで構成された光ファイバーとなる。光ファイバーにはイオン打ち込み装置等により部分的に不純物が添加され、従来の光ファイバーと同様に中央部と端部で屈折率に差がつけられている。   The light guide unit 406 is connected to the window 407, and light can be introduced into the light guide unit 406 from an external light source (not shown) through the window 407. The light guide unit 406 is, for example, an optical fiber made of silicon oxide or porous silicon oxide. Impurities are partially added to the optical fiber by an ion implantation apparatus or the like, and the refractive index is differentiated between the central portion and the end portion as in the conventional optical fiber.

また、図1、図3と同様にピペット部402の先端部から液体や液体に含まれた粒子等を毛管力により吸引することができる。更に、図1と同様にシリコン基板上に不図示の圧力発生装置を配置することにより、ピペット部402から液体や気体或いはそれらに含まれる粒子を吸引又は排出することもできる。   In addition, as in FIGS. 1 and 3, the liquid and particles contained in the liquid can be sucked by the capillary force from the tip of the pipette unit 402. Furthermore, by arranging a pressure generator (not shown) on the silicon substrate in the same manner as in FIG. 1, it is possible to suck or discharge liquid, gas, or particles contained therein from the pipette unit 402.

更に、不図示の発光ダイオードやレーザダイオード等の光源から光を窓407に照射し、センサ部405で受光することで、中空構造体403内を移動する試料の吸光度を測定することが可能である。吸引された液体や気体或いはそれらに含まれる粒子等の試料が、中空構造体403の中を移動し、導光部406とセンサ部405の間に達するとセンサ部405で試料の吸光度を測定することができる。   Furthermore, it is possible to measure the absorbance of the sample moving in the hollow structure 403 by irradiating the window 407 with light from a light source such as a light emitting diode or laser diode (not shown) and receiving the light with the sensor unit 405. . When the sample such as the sucked liquid or gas or the particles contained therein moves in the hollow structure 403 and reaches between the light guide unit 406 and the sensor unit 405, the sensor unit 405 measures the absorbance of the sample. be able to.

ここで、図4の分析装置の製造方法としては、図2や図3の分析装置で説明した製造方法と同様であるが、シリコン基板の内部に導光部406等を形成する必要がある。図2を用いて導光部406の形成方法を簡単に説明する。   Here, the manufacturing method of the analysis apparatus of FIG. 4 is the same as the manufacturing method described with reference to the analysis apparatus of FIGS. 2 and 3, but it is necessary to form the light guide 406 and the like inside the silicon substrate. A method of forming the light guide unit 406 will be briefly described with reference to FIG.

図2(d)に示す工程で中空部205′を形成した後、導光部406を形成する領域以外の全部分を覆うマスクをフォトリソグラフィにより形成し、上記と同様に多孔質シリコンを形成する。更に、単結晶シリコン層を形成する。   After forming the hollow portion 205 ′ in the step shown in FIG. 2D, a mask that covers the entire portion other than the region where the light guide portion 406 is formed is formed by photolithography, and porous silicon is formed in the same manner as described above. . Further, a single crystal silicon layer is formed.

次に、図2(e)に示す工程のウェット熱酸化によって導光部406の領域に形成された多孔質シリコンも酸化され、導光部以外の領域との界面で光が反射されるため、良好な光の伝達効率が得られるようになる。多孔度の選択や複数多孔質層の組合せ等により光の伝達効率を上げることもできる。   Next, since the porous silicon formed in the region of the light guide unit 406 is also oxidized by wet thermal oxidation in the process shown in FIG. 2E, and light is reflected at the interface with the region other than the light guide unit, Good light transmission efficiency can be obtained. The light transmission efficiency can be increased by selecting the porosity or combining a plurality of porous layers.

本実施形態では、熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、シリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路、受光素子の他に導光部となる光ファイバも自由に作ることができる。また、導光部となる光ファイバにより光を中空構造体403に導入できるため、光が入射する窓407の位置を自由に選択できる。即ち、図4(b)に示すようにシリコン基板401を裏面からエッチングする必要がなく、製造プロセスが簡単になる。よって、マスク枚数の削減や製造歩留まりの向上によりより低コスト化が可能となる。   In this embodiment, since there is no high-temperature process after the thermal oxidation step, an optical fiber serving as a light guide unit can be freely made on the silicon substrate in addition to the film driving device, the arithmetic circuit, the driving circuit, and the light receiving element. . In addition, since light can be introduced into the hollow structure 403 by an optical fiber serving as a light guide portion, the position of the window 407 through which light enters can be freely selected. That is, as shown in FIG. 4B, it is not necessary to etch the silicon substrate 401 from the back surface, and the manufacturing process is simplified. Therefore, the cost can be further reduced by reducing the number of masks and improving the manufacturing yield.

以上のように小型でより低コストで試料分析が可能なマイクロピペット分析装置が得られる。   As described above, a micropipette analyzer capable of analyzing a sample with a small size and at a lower cost can be obtained.

本発明の実施形態1に係るマイクロピペットを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the micropipette which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係るマイクロピペットの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the micropipette which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the micropipette analyzer which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the micropipette analyzer which concerns on Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101、201、301、401 シリコン基板
102、302、402 ピペット部
103、303、403 中空構造体
104、304、404 回路部
105 圧電体
106 ダイヤフラム
107 下部電極
108 上部電極
202 マスク
203 多孔質シリコン
204 第1シリコン層
205 中空構造体
205′ 中空部
206 酸化膜
207 溝
208 ピペット部
209 開口部
305、405 センサ部
306、406 導光部
407 窓
101, 201, 301, 401 Silicon substrate 102, 302, 402 Pipette part 103, 303, 403 Hollow structure 104, 304, 404 Circuit part 105 Piezoelectric body 106 Diaphragm 107 Lower electrode 108 Upper electrode 202 Mask 203 Porous silicon 204 First 1 Silicon layer 205 Hollow structure 205 ′ Hollow part 206 Oxide film 207 Groove 208 Pipette part 209 Opening part 305, 405 Sensor part 306, 406 Light guide part 407 Window

Claims (6)

単結晶シリコンからなる基板と、酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体とを有し、前記中空構造体の一部が前記単結晶シリコンからなる基板の内部に配置されていることを特徴とするマイクロピペット。 It has a substrate made of single crystal silicon and a hollow structure made of silicon oxide wall, and a part of the hollow structure is arranged inside the substrate made of single crystal silicon, Micropipette to be used. 前記中空構造体の上部に圧力発生装置を有することを特徴とする請求項1に記載のマイクロピペット。 The micropipette according to claim 1, further comprising a pressure generator on an upper portion of the hollow structure. 前記基板上に前記圧力発生装置を駆動する回路部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロピペット。 3. The micropipette according to claim 1, further comprising a circuit unit that drives the pressure generating device on the substrate. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のマイクロピペットを含み、前記基板の前記中空構造体を挟む両側の位置に、光を導入する導光部と、前記導光部からの光を前記中空構造体を介して受光するセンサ部を具備することを特徴とするマイクロピペット分析装置。 A light guide part that includes the micropipette according to any one of claims 1 to 3 and that introduces light to positions on both sides of the hollow structure of the substrate, and light from the light guide part A micropipette analyzer comprising a sensor unit that receives light through a hollow structure. シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、
前記多孔質シリコンの上に第1シリコン層を形成する工程と、
前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、
前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、
前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、
を含むことを特徴とするマイクロピペットの製造方法。
Forming porous silicon partially on a silicon substrate;
Forming a first silicon layer on the porous silicon;
Removing the porous silicon to form a hollow portion;
Oxidizing the wall surface of the hollow portion through a perforation communicating with the hollow portion, and forming a hollow structure having a wall surface made of silicon oxide;
Removing a part of the silicon substrate and exposing a part of the hollow structure from the silicon substrate;
A method for producing a micropipette, comprising:
シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、
前記多孔質シリコンの上に第1シリコン層を形成する工程と、
前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、
前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、
前記シリコン基板上に光を受光するセンサ部を形成する工程と、
前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、
前記シリコン基板の一部を除去し、前記センサ部に前記中空構造体を介して光を導入する導光部を形成する工程と、
を含むことを特徴とするマイクロピペット分析装置の製造方法。
Forming porous silicon partially on a silicon substrate;
Forming a first silicon layer on the porous silicon;
Removing the porous silicon to form a hollow portion;
Oxidizing the wall surface of the hollow portion through a perforation communicating with the hollow portion, and forming a hollow structure having a wall surface made of silicon oxide;
Forming a sensor part for receiving light on the silicon substrate;
Removing a part of the silicon substrate and exposing a part of the hollow structure from the silicon substrate;
Removing a part of the silicon substrate and forming a light guide part for introducing light into the sensor part through the hollow structure;
A method for manufacturing a micropipette analyzer, comprising:
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JP2013518283A (en) * 2010-01-27 2013-05-20 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Method for forming a semiconductor device for detecting molecules and integrated circuit, chromatography device and semiconductor device for detecting molecules
JP2015158489A (en) * 2010-02-09 2015-09-03 株式会社マイクロジェット Discharge device for droplet including particle-like bodies

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