JP2009505058A - アクセス可能な前方側部を有するマイクロチップ - Google Patents

Abstract

本発明は、関連のマイクロチップ１０の感応性のある前方側部１３がサンプルに近づけられなければならないバイオセンサ用途に特に適したマイクロチップアセンブリ４０に関する。マイクロチップ１０は、電気的トラック４２に対する接続部が位置付けられるその基板の前方側部における溝又は凹所を有する。したがって、この組立体の相互接続面は、マイクロチップ１０の感応性のある前方側部１３に対して後方にシフトされ、その前方側部への自由なアクセスを可能にする。

Description

本発明は、基板の前方側部における処理回路を有するマイクロチップに関する。
さらに、本発明は、このようなマイクロチップを有するマイクロチップ組立体及び微小流体装置、並びに当該マイクロチップ組立体の製造方法に関する。

国際特許出願に係る文献のＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１及びＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２からは、例えば電磁ビーズの付けられた生体分子の検出のための微小流体バイオセンサに用いられることの可能なマイクロチップが知られている。このセンサチップには、磁界の発生のための配線と、磁化されたビーズにより発生される漂遊磁界の検出のための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ；Giant Magneto Resistance）とを有する結合回路が設けられる。この結合回路は、半導体基板上のチップの「感応性側部」に組み立てられ、各センサチップは、当該チャネルに面したその感応性側部を備える微小流体チャネルの壁部における孔の後部に付着される。こうした既知の装置の不利な点は、サンプル流体が当該感応性チップ面に届くよう凹所に飛び込まなければならないことである。これは、低いすなわち停滞した流れの領域を作り、概して測定の支障を来たすものとなりうる。

こうした状況に基づいて、本発明の目的は、特に上述した種類の改善された微小流体装置の構成を可能にする手段を提供することである。

この目的は、請求項１に記載のマイクロチップ、請求項７に記載のマイクロチップ組立体、請求項８に記載の微小流体装置及び請求項９に記載のプロセスにより達成される。従属請求項には好適実施例が開示される。

その第１の態様によれば、本発明は、次の構成部を有する超小型電子チップすなわち「マイクロチップ」に関する。
ａ）基板
ｂ）基板の側部（すなわち表面の略平面の部分）（以下では当該基板又はマイクロチップの「前方側部」と呼ぶ）に位置付けられた処理回路
ｃ）当該基板の当該前方側部における少なくとも１つの凹所
ｄ）前述の凹所に位置付けられる、当該処理回路への電気的接続のための少なくとも１つの端子パッド

当該処理回路が配され又は組み付けられる基板は、特に、既知の半導体材料（シリコンＳｉ又はＧａＡｓのようなもの）、ガラス、セラミック及び有機材料又はこれらの混合物のうちの１つとすることができる。通常は、基板と処理回路との間に緊密な接触及び接合が形成され、当該回路は、例えば、当該基板の表層におけるドーピング及び／又は当該面上の材料の堆積により作られる。

このマイクロチップの端子パッドは凹所に位置付けられるので、外部ライン又は配線への対応の接続は、当該基板の前方側部に対して背後に向かう形でシフトされる。したがって、当該前方側部における処理回路は、より良好にアクセス可能なものとなり、当該マイクロチップを、他のオブジェクトに当該処理回路を近づける予定のある用途に適したものとする。

所期の接合技術（例えばワイヤボンディング）による接続におけるマイクロチップの少なくとも１つの凹所の寸法は、如何に良好に当該処理回路がアクセス可能なものになるかを決める。好適実施例によれば、この少なくとも１つの凹所は、（当該基板の前方側部に対しての測定で）２０μｍを超える、好ましくは３０μｍを超える深さを有する。さらに、当該少なくとも１つの凹所は、好ましくは１００ないし１０００μｍの範囲の幅を有するのが良く、最も好ましいのは２００ないし４００μｍの範囲の幅を有するのが良い。この凹所は、特に、当該基板の境界に配置されるようにしてもよく、これにより当該マイクロチップの段付けされたエッジが形成される。

好適実施例によれば、バンプ（すなわち、隆起したコンタクトパッド）は、端子パッド上に配置される。最新技術において知られているように、各バンプは、電気的トラックすなわち配線が接合可能な金若しくは銅のような金属又は半田材料からなるものとすることができる。当該凹所におけるそれらの配置により、これらバンプは、通常はそうであると考えられるように、当該マイクロチップの前方方向において相応にそれほど遠くない形で延在する。好ましくは、これらバンプは、前方側部から完全に引き込まれるようにもされ、すなわち当該前方側部を越えて突出しないものとするのが良い。この場合、どちらか前方側部を越えて延びないバンプへの電気的接続部を作ることができ、これにより当該前方側部において当該処理回路の自由にアクセス可能な露出した位置が提供される。

これら処理回路は、何らかのデザインを原則として有し何らかの目的を果たすことが可能である。好ましくは、これら処理回路は、無線の物理的相互作用を行い処理するように適合させられた結合回路を有するのが良い。この物理的相互作用は、特に、電磁界の発生及び／又は検出を有するのが良い。但し、他の物理的現象（例えば熱伝導）を含むものとしてもよい。通常は、これら相互作用は、マイクロチップの延在の程度において、特にゼロないし１００μｍ、好ましくは１０μｍの範囲をとることの可能なチップ又はその構成部の厚さの程度において短い距離に限定される。なお、結合回路も、物理的相互作用を処理することが可能である。これは、かなり概略的に言えば、かかる結合回路がこれら相互作用に対する制御可能な作用があること及び／又は制御可能な方法により当該相互作用により作用を受けることを意味するものである。これにより、マイクロチップの普通の回路から当該結合回路を区別し、当該結合回路は、勿論物理的相互作用も受けるが、当該相互作用は、専ら（所望されない）妨害でありしかも当該回路の通常の処理機能に効果的に影響を与えないものとなる。これとは対照的に、当該結合回路は、特に、実績のある無線の物理的相互作用を利用するように設計される。

当該結合回路は、特に、センサ、好ましくは容量センサ、光センサ、電気的電流センサ、電圧センサ及び／又は磁気電気センサを実現するような態様でデザイン可能である。さらに、結合回路は、近傍の位置、例えば（バイオ）ケミカル反応チャンバにおいて温度制御（すなわち、加熱、冷却及び／又は温度の測定）をなすように設計可能である。上述した用途においては、結合回路をオブジェクトに出来る限り近づけることが、しばしば必要である。本提案のマイクロチップは、その感応性前方側部へのアクセスが嵩張る外部接続部により妨害されないので、密接な接触を可能にする。

本発明の特定の実施例によれば、当該結合回路は、電磁界の発生のための回路、例えば（交番又は静的）磁界を発生するように方向付けられることができる（ＡＣ又はＤＣ）電流を通じる配線を有する。これに加え、又はこれの代わりに、結合回路は、電磁場の検出のための回路、特に磁界の検出のための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）のような磁気センサ装置を有してもよい。電磁界の発生及び検出のための双方の回路が設けられる場合、マイクロチップは、上記種類のバイオセンサ用途に特に適したものとなる。

本発明はさらに、次の構成部を有するマイクロチップ組立体に関する。

ａ）上述した種類のマイクロチップ。すなわち基板、処理回路及び当該基板の前方側面における少なくとも１つの凹所と、当該凹所における端子パッドとを備えたマイクロチップ。

ｂ）当該マイクロチップを少なくとも一部につき埋める充填材。この充填材は特に、プラスチック若しくはエポキシ材料又は接着剤としてもよい。さらに、この充填材は、処理回路が配置される前方側部を除き完全にマイクロチップを全部埋め込むのが好ましい。

ｃ）基板／マイクロチップの前方側部を有し、マイクロチップのパッドに接続される平面の中又は下に充填材の一面（以下では充填材の「前方側部」と呼ぶ）上に配置された電気的トラック。なお、「下に」の定義は、当該基板がその前方側部の「下に」あることに相当する。

上述したマイクロチップ組立体は、マイクロチップの前方側部（定義によればマイクロチップの基板の前方側部と同じ）における処理回路が非常に良好にアクセス可能なものとなるという利点を有する。何故なら、これら回路を外部装置に接続する電気的トラックが当該前方側部の中又は下に位置付けられるからである。

本発明はさらに、液体、気体又は固体サンプルを中に供給することの可能な少なくとも１つのサンプルチャンバを備えた微小流体装置、特に、上述した種類のマイクロチップを有する生体サンプルの調査のためのバイオセンサに関する。この微小流体装置は、基板の前方側部における無線の物理的相互作用のための結合回路を備えたマイクロチップを有するのが好ましい場合がある。当該前方側部における結合回路の自由なアクセス性は、マイクロチップと当該装置のサンプルチャンバにおけるサンプルとの間の接触を改善する様々な態様でこのような微小流体装置において利用可能である。

本発明はさらに、上述した種類のマイクロチップ組立体の製造のための、以下のステップを有する製造方法に関する。

ａ）上述した種類のマイクロチップ（すなわち、基板、処理回路及び基板の前方側部における少なくとも１つの凹所と、当該凹所におけるパッドとを備えたマイクロチップ）の端子パッドを、キャリア基板の表面上の電気的トラックに接合するステップ。その際、当該キャリア基板が例えば銅又はアルミニウムのような金属としてもよい。

ｂ）充填材の中に当該マイクロチップを埋め込むステップ。その際、マイクロチップの前方側部における処理回路は、通常は、充填材からは自由なままであるとし、又は充填材料の非常に薄い層により殆どが被覆されるものとする。

ｃ）例えばエッチング、ピーリング又は機械加工により当該キャリア基板の除去のステップ。

上述のプロセスは、精密な幾何学的配置形状寸法を備える電気的トラックがキャリア基板に最初に固定されるのでマイクロチップに接合可能であるという利点を有する。マイクロチップを充填材の中に埋め込み電気的トラックを当該充填材へ付着させた後、キャリア基板は、マイクロチップの前方側部への自由なアクセスを提供するように除去可能である。

当該製造方法のさらなる展開によれば、ステップａ）の前にキャリア基板に凹所が作られ、その際、マイクロチップの処理回路及び関連の基板材料は、当該接合ステップａ）の間と後で当該凹所の中へ突出可能である。これにより、処理回路を有するマイクロチップの前方側部が、高い全部がアクセス可能な位置を呈するマイクロチップ組立体の製造を可能にする。

本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下に説明される実施例に基づいて詳しく説明する。図における同様の参照番号（又は±１０の違いのある番号）は、同一又は同様の構成部を指すものである。

以下、本発明を添付図面を用いて例示により説明する。

以下に説明する装置は、特に（磁気）バイオセンサ又はバイオチップのために用いることができるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、例えば、容量センサ、電子光検出器、アンペア測量センサ、ボルタ測量センサ、磁気電気センサなどの電気的接続を必要とする全てのセンサに適用可能なものである。さらに、このような装置は、例えば、ＤＮＡ増幅のために用いられるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ；Polymerase Chain Reaction）チャンバの（底面）壁部の中へ統合される場合、サンプル空間における温度制御を提供するよう設計可能である。

磁気抵抗バイオチップは、感度、特異度、集積化、利用し易さ及びコストに関して、生体分子診断の有望な特性を有する。このようなバイオチップの例は、例えば、国際特許出願に係る文献のＷＯ２００３／０５４５６６、ＷＯ２００３／０５４５２３、ＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２、ＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１又はRife氏らによるもの（Sens. Act. A vol. 107, p. 209 (2003)）に記述されており、参照により本願に組み込まれる。しかし、これら既知のバイオセンサは、幾つかの欠点がある。すなわち、
・主要な液体の流れが少しの量しかセンサ面に届かない。これはサンプルチャンバ壁部のキャビティに位置付けられるからである。
・当該キャビティから気泡を除去するために大きな液体の流れが必要とされる。

これら２つの問題は、必要な抗原及び電磁ビーズの量を増加させ、カートリッジにおける洗浄及び流体の取り扱いを複雑にし、安価で使用し易い使い捨てのバイオセンサとは両立しない。

これら欠点の原因は、主として、センサの感応面及びセンサ接続部が同じ面に位置づけられていることにある。この問題の解決策は、その感応面（「前方側部」）ではない面においてセンサと接触することである。このアプローチの幾つかの実施例は以下に説明する。これら実施例は、特に、電磁ビーズを備えたキャリアに密接に接触させられる読取ヘッド装置において用いられることが可能である。当該キャリアは、例えば、薄膜、マイクロタイターウェル又は多孔性媒体とすることができる。このような読取ヘッドセンサは、数多くの異なるサンプルに対して何度も再使用することができる。

図１ないし図５は、本発明によるマイクロチップ１０の製造の連続した５つのステップを示しており、すなわちチップ面すなわち前方平面Ｅの下の相互接続レベルとともに示している。これにより、チップの感応面はチップパッケージのレベル又はその上のレベルとなる。

図１は、未処理の基板層、例えばＳｉウェーハ１１の側面図を概略的に示している。図２において、溝又は凹所１２の矩形グリッドは、ウェーハ１１の上面におけるダイスカットにより製造されており、上面に材料の絶縁された高所を持つ基板１４が得られる。ダイスカットの代わりに、例えばＫＯＨによるエッチング又は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；reactive ion etch）など、他の適切な処理が適用可能である。以下における基板／マイクロチップの「前方側部」と称される当該高所の頂部側１３は、全て、「前面」Ｅに存在する。なお、基板の「前面」は、無限の延長を伴う抽象的な幾何学的対象を意味し、当該基板の前述した「前方側部」を有する。凹所１２の代表的幅ｗは３００μｍであるが、前面Ｅに対するそれらの深さｈは、３０μｍを上回るのが普通である。

凹所１２のダイスカットの後、当業者に知られている金属化又は他の処理ステップは、基板の前方側部１３上の必要な処理回路１６を製造するために行われるようにしてもよい。既に述べたように、処理回路１６は、特に、磁界を発生するための電気的トラックと磁界を検知するためのＧＭＲ（巨大磁気抵抗）のような検知装置とを備える結合回路とすることができる。処理回路１６の重要な特徴は、それらの端子パッドが凹所１２の底面側に位置付けられることである。

図３は、半田材料、金又はこれらと同様のものによるバンプ１５が上述したパッド上に堆積された後のウェーハを示している。当業者には知られているように、このようなバンプ１５は、外部リードの処理回路１６への電気的接触のための接合（例えば、半田付け、接着、超音波ボンディングなどによるフリップチップボンディング）のために用いることができる。バンプ１５は、処理回路１６の端子パッドに適用される。これら端子パッドは、電気的トラックにより処理回路１６を接続する。これは、端子パッドが処理回路１６に実装されることを意味する。なお、バンプ１５は、前方側部１３／基板の前面Ｅの下に留まるものである。

図４において、このウェーハは、個々のマイクロチップ１０に切断又は分離されており、図５は、これらマイクロチップ１０の１つがトラックによりどのようにして基板２０に取り付けられるかを概略的に示している。処理回路１６を備える前方側部１３が相互接続面を越えて延びていることが分かる。

図６ないし図９は、上述した種類のマイクロチップ１０を備えたマイクロチップ組立体３０の製造の連続した４つのステップを詳細に示している。この製造は、図６において、その底面側に電気的トラック３２を備えたキャリア基板３１（例えば、Ｃｕ又はＡｌのような金属）で始まる。図７において、マイクロチップ１０は、キャリア基板３１の電気的トラック３２へバンプ３３により接合される。図８は、マイクロチップ１０が充填材３４の中に埋め込まれ又は外側被覆された後のマイクロチップ組立体を示している。この充填材は、例えばプラスチック又は接着剤とすることができる。図９によれば、キャリア基板３１は、充填材３４が固化した後に、例えばエッチング又はピーリングにより最終的に除去されることが可能である。これにより、マイクロチップの感応側１３が当該組立体の前方側部にあるものとしたマイクロチップ組立体３０が得られる。

図１０ないし図１４は、別のマイクロチップ組立体４０の製造の連続したステップを示している。図６ないし図９における実施例のものと同じか又は同様の構成部は、同じ参照番号に１０を足したものにより示される。

図１０は、その底面側に電気的トラック４２を備える初期のキャリア基板４１を示している。

図６ないし図９の第１の製造プロセスに対する主な違いは、図１１に示される。すなわち、この第２の製造方法は、凹所４５がトラック４２によりカバーされていない箇所において当該キャリア基板の底面側に作られることを特徴としている（これを達成する方法は、例えば、国際特許出願に係る文献のＷＯ２００３／０８６０３７に記述されている）。

そして、図１２ないし図１４は、バンプ４３を介したマイクロチップ１０のボンディング、充填材４４におけるその埋設、及び最終的マイクロチップ組立体４０を得るための当該キャリア層の除去を示している。これらステップは、図７ないし図９に示されるものと同様であり、再度詳細を説明する必要がない。但し、図１４は、マイクロチップの感応側１３がここでは当該組立体の前面の上方に突出していることを示している。

図１５ないし図２０は、第３のマイクロチップ組立体５０の製造を示している。これらの図は、左側に上部からの透視図及び右側に下部からの透視図による当該製造物品を示している。簡明にするため、装置を１つだけしか描いていないが、実際には複数の製品を持つ細片のアレイが製造される。

図１５は、一方側に導電体トラック５２と接触パッド５３とを備えた、屈曲した暫定の金属キャリア基板５１を示している。図１６は、外部装置に対してのマイクロチップ組立体の相互接続のための可撓性薄膜５５が当該暫定基板５１及びその導電体トラック５２にそれぞれどのようにして付着させられるかを示している。図１７において、上述した種類のマイクロチップ１０は、対応するバンプを介して電流伝導体５２に接合される。

図１８は、サポートピン５６がマイクロチップに付着（例えば接着）されるオプションのステップを示している。図１９において、アンダーフィル材料５４が塗布され、これがマイクロチップ１０、導電体トラック５２及び（部分的に）サポートピン５６を埋める。

図２０の最終ステップにおいて、暫定金属基板５１が除去されており、これにより、マイクロチップの感応性のある前方側部１３が全パッケージの当該面の中又は上方に存在するようなマイクロチップ組立体５０が得られる。

図に示される実施例のセンサチップ１０は、１．４×１．５ｍｍの代表的面積を有する。これは、代表的には、１５０μｍのピッチを持つ３０個のボンディングパッドを有し、当該リードの厚さは、約１０μｍであり、当該センサ面の上方の相互接続部の全体の厚さは、３０μｍより小さい。

最後に、本願において「有する」なる文言は他の要素又はステップを排除するものではなく、単数表現は複数の存在を排除するものではなく、単一のプロセッサ又は他のユニットが複数の手段の機能を充足しうることを注記する。本発明は、あらゆる新規な特徴的事項及び特徴的事項のあらゆる新規な組み合わせに存するものである。さらに、請求項における参照符号はそれらの範囲を限定するものと解釈してはならない。

本発明によるマイクロチップの製造の連続したステップの１つを示す図。 本発明によるマイクロチップの製造の連続したステップの１つを示す図。 本発明によるマイクロチップの製造の連続したステップの１つを示す図。 本発明によるマイクロチップの製造の連続したステップの１つを示す図。 本発明によるマイクロチップの製造の連続したステップの１つを示す図。 マイクロチップ組立体の第１の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第１の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第１の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第１の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第２の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部の上に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第２の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部の上に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第２の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部の上に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第２の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応面が当該組立体の前方側部の上に存在するところを示す図。 マイクロチップ組立体の第２の実施例の製造の連続したステップの１つであって、当該マイクロチップの感応性表面が当該組立体の前方側部に存在するところを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。 透視画法の上面図（左）及び底面図（右）におけるマイクロチップ組立体の第３の実施例の製造の連続したステップの１つを示す図。

Claims (10)

1. ａ）基板と、
   ｂ）前記基板の前方側部における処理回路と、
   ｃ）２０μｍを上回る深さを有する、前記基板の前記前方側部における少なくとも１つの凹所と、
   ｄ）前記凹所に配され、前記処理回路に対する外部ラインの電気的接続部のための少なくとも１つの端子パッドと、
   を有するマイクロチップ。
2. 請求項１に記載のマイクロチップであって、前記凹所は、前記前方側部に対して３０μｍを超える深さを有する、マイクロチップ。
3. 請求項１に記載のマイクロチップであって、前記凹所は、１００μｍないし１０００μｍの範囲をとる幅又は２００μｍないし４００μｍの範囲をとる幅を有する、マイクロチップ。
4. 請求項１に記載のマイクロチップであって、前記基板の前記前方側部を越えて突出しないバンプがパッド上に配置されている、マイクロチップ。
5. 請求項１に記載のマイクロチップであって、前記処理回路は、無線の物理的相互作用を行い処理するよう適合された結合回路を有し、前記結合回路は、温度コントローラ、容量センサ、光センサ、電流センサ、電圧センサ及び／又は磁気電気センサを実現する、マイクロチップ。
6. 請求項５に記載のマイクロチップであって、前記結合回路は、電磁界の発生のための回路及び／又は電磁界の検出のための回路若しくは巨大磁気抵抗を有する、マイクロチップ。
7. ａ）請求項１ないし６のうちいずれか１つに記載のマイクロチップと、
   ｂ）前記マイクロチップを埋める充填材と、
   ｃ）前記マイクロチップの基板の前方側部を有する面の中又は下において前記充填材の前方側に位置付けられ、前記マイクロチップの端子パッドに接続される電気的トラックと、
   を有するマイクロチップ組立体。
8. 請求項１ないし６のうちいずれか１つに記載のマイクロチップを有する、サンプルチャンバを備えた微小流体装置又はバイオセンサ。
9. 請求項７に記載のマイクロチップ組立体の製造方法であって、
   ａ）キャリア基板の表面上において関連のマイクロチップの少なくとも１つの端子パッドを電気的トラックに接合するステップと、
   ｂ）前記マイクロチップを充填材に埋めるステップと、
   ｃ）前記キャリア基板を除去するステップと、
   を有する方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記マイクロチップの処理回路が前記ステップａ）の接合の後に中へ突出することができるような凹所を前記キャリア基板において形成する方法。

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