JP2016145764A - マイクロ分析パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ分析チップの損傷を招くことなくパッケージすることができ、且つ十分な機械的強度を得る。
【解決手段】微粒子を検出するためのマイクロ分析パッケージであって、基板６０と、基板６０上に設けられ、微粒子を検出する検出部３０、検体液を注入及び排出するための流路２１，２２、及び外部から検体液を導入するための液溜め部４１，４３を有するマイクロ分析チップ１と、マイクロ分析チップ１上に設けられた第１のモールド層６１と、基板６０上及び第１のモールド層６１上に設けられた第２のモールド層６２と、を備えている。そして、モールド層６１は液溜め部４１，４３上に開口６１ａを有し、モールド層６２は開口６１ａ上に開口６２ａを有し、液溜め部４１，４３上で、各開口６１ａ，６２ａが接続され、外部から液溜め部４１，４３に検体液を導入可能となっている。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、検体液中の微粒子を検出するためのマイクロ分析パッケージに関する。

近年、バイオ技術やヘルスケア分野において、マイクロ流路や検出機構などの微小な流体要素を集積化した、マイクロ分析チップが注目されている。この種のチップでは、流路内に検体液を流し、検体液中の微粒子などの変位を電気信号として取得することにより、検体液中に含まれる微粒子やバイオポリマを検出することができる。

特開２００４−２３３３５６号公報 特表２００８−５４５５１８号公報

発明が解決しようとする課題は、マイクロ分析チップの損傷を招くことなくパッケージすることができ、且つ十分な機械的強度の得られるマイクロ分析パッケージを提供することである。

実施形態のマイクロ分析パッケージは、配線層を有する基板と、前記基板上に設けられ、微粒子を検出するための検出部、該検出部に微粒子検出用の検体液を注入及び排出するための流路、及び該流路へ外部から前記検体液を導入するための液溜め部を有するマイクロ分析チップと、前記マイクロ分析チップ上に設けられた第１のモールド層と、前記基板上及び前記第１のモールド層上に設けられた第２のモールド層と、を具備している。そして、前記第１のモールド層は前記液溜め部上に開口を有し、前記第２のモールド層は前記第１のモールド層の開口上に開口を有し、前記液溜め部上で、前記第１及び第２のモールド層の各開口が接続され、外部から前記液溜め部に前記検体液を導入可能となっている。

マイクロ分析システムの構成例を示す斜視図。 図１のマイクロ分析システムに用いた半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す斜視図。 図２の矢視Ａ−Ａ’断面図。 第１の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの概略構成を示す断面図。 第２の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの概略構成を示す断面図。 第２の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの要部構成を示す断面図。 第３の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの概略構成を示す断面図。 第１〜第３の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの例を示す平面図と断面図。 第１〜第３の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの例を示す斜視図。 第１〜第３の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの例を示す斜視図。

以下、実施形態のマイクロ分析パッケージを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態を説明するためのもので、マイクロ分析システムの構成例を示す斜視図である。

半導体マイクロ分析チップ１は、単体では機能せず、検出ＩＣと共に配線基板（配線層を有する基板）上にマウントされ、これらをモールドしたマイクロ分析パッケージ２として使用される。マイクロ分析パッケージ２は一般に、カセット３にセットして使用される。そして、チップ１の必要箇所に検体液４を滴下した後に、カセット３を判定器５に挿入することにより、微粒子の検査に供される。

図２は、半導体マイクロ分析チップの例を示す斜視図であり、図３は図２の矢視Ａ−Ａ’断面図である。

半導体マイクロ分析チップ１は、半導体基板１０と、第１及び第２のマイクロ流路２１，２２と、微粒子検出用の微細孔３０と、第１〜第４のリザーバ４１〜４４と、リザーバ４１，４２内に形成された第１及び第２の電極５１，５２と、から構成されている。なお、少なくとも半導体基板１０の主面には絶縁膜１１が形成され、更にマイクロ流路２１，２２の上面を覆う絶縁膜（キャップ層）１５，１６が形成されている。

より具体的には、半導体基板１０の主面の一部を掘り込んで基板掘り込み型の第１のマイクロ流路２１が形成されている。さらに、第１のマイクロ流路２１と交差するように、半導体基板１０上に絶縁膜１６の中空構造を形成した絶縁膜トンネル型の第２のマイクロ流路２２が形成されている。第２のマイクロ流路２２は、半導体基板１０内ではなく半導体基板１０上に形成されるため、第１のマイクロ流路２１の上方に位置することになる。そして、第２のマイクロ流路２２は、半導体基板１０の中央部で第１のマイクロ流路２１と交差しており、この交差部分に微粒子検出用の微細孔３０が形成されている。

なお、第２のマイクロ流路２２を形成するには、半導体基板１０上に犠牲層のライン状パターンを形成した後、犠牲層を覆うように絶縁膜１６を形成する。その後、犠牲層を除去することにより、絶縁膜トンネル型の流路が形成される。また、流路２１，２２内に、微細なピラー１２をアレイ配置しても良い。これらのピラー１２は、半導体基板１０の表面上に円形のマスクを設けておくことにより、マイクロ流路を形成するための基板掘り込みと同時に形成することができる。また、ピラー１２は、毛細管現象により検体液の流れを良くすると共に、フィルタとして機能することになる。即ち、ピラー１２の間隔を、検出すべき微粒子よりも僅かに大きくしておくことにより、大きな粒子が検出穴３０を塞ぐのを防止するためのフィルタとして機能させることもできる。

第１のマイクロ流路２１の一端側には、半導体基板１０上に周回状のバンク１４を形成することにより、第１のリザーバ（液溜め部）４１が構成されている。なお、リザーバ４１の部分は、流路形成時に半導体基板１０の一部を掘り込むようにしても良い。第１のマイクロ流路２１の一端は、リザーバ４１に接続されている。また、第１のリザーバ４１内の半導体基板１０の表面には、第１の電極５１が形成されている。この電極５１は、一部がバンク１４の底部を通してリザーバ４１の外側に導出されている。

第２のマイクロ流路２２の一端側には、半導体基板１０上に周回状のバンク１４を形成することにより第２のリザーバ４２が構成されている。第２のリザーバ４２は、第１のリザーバ４１と実質的に同様の構成であり、第２のマイクロ流路２２に接続されている。また、第２のリザーバ４２内の半導体基板１０の表面には、第２の電極５２が形成されている。この電極５２は、一部がバンク１４の底部を通してリザーバ４２の外側に導出されている。

第１のマイクロ流路２１の他端側には、半導体基板１０上に周回状のバンク１４を形成することにより、第３のリザーバ４３が構成されている。第３のリザーバ４３の構成は、電極４１が無いだけで、第１のリザーバ４１と同様である。第２のマイクロ流路２２の他端側には、半導体基板１０上に周回状のバンク１４を形成することにより、第４のリザーバ４４が構成されている。第４のリザーバ４４の構成は、電極４２が無いだけで、リザーバ４２と同様である。

上記のように、第１のマイクロ流路２１は、第１のリザーバ４１と第３のリザーバ４３を結び、上面をキャップ層１５で覆われている。第２のマイクロ流路２２は、第２のリザーバ４２と第４のリザーバ４４を結び、上面及び側面をキャップ層１６で覆われている。

このような半導体マイクロ分析チップの第１のリザーバ４１に検体液等の液体を滴下すると、滴下された液体は第１のリザーバ４１内に広がり、第１のマイクロ流路２１へ導入される。第１のマイクロ流路２１に導入された液体は更に第３のリザーバ４３内へと到達する。同様に、第２のリザーバ４２に検体液等の液体を滴下すると、滴下された液体は第２のリザーバ４２内に広がり、第２のマイクロ流路２２へ導入される。第２のマイクロ流路２２に導入された液体は更に第４のリザーバ４４内へと到達する。

このとき、第１のマイクロ流路２１内の液体は、第１の電極５１と電気的に接続されている。同様に、第２のマイクロ流路２２内の液体は、第２の電極５２と電気的に接続されている。さらに、第１のマイクロ流路２１内の液体と第２のマイクロ流路２２内の液体は微細孔３０を介して接触することになる。従って、第１の電極５１と第２の電極５２は、滴下した液体を介して電気的に接続されることになる。

第１のリザーバ４１と第２のリザーバ４２に微粒子等の被検査物を含む導電性の検体液を滴下した状態で、第１の電極５１と第２の電極５２との間に電圧を印加すると、電極５１，５２間にはイオン電流が流れる。即ち、検体液の導電率、第１及び第２の電極５１，５２のサイズと材質、第１及び第２のマイクロ流路２１，２２のサイズ、微細孔３０のサイズ等に依存したイオン電流が流れる。また、第１及び第２のマイクロ流路２１，２２と微細孔３０にはイオン電流の電流密度に応じた電界が発生し、特に第１及び第２のマイクロ流路２１，２２よりサイズの小さな微細孔３０の近傍では最も電界強度が大きくなる。検体液中の微粒子等の被検査物は通常表面が帯電するため、この表面電荷と前述の電界により電気泳動する。

高い電界強度の微細孔３０の近傍では、微粒子の電気泳動による運動は大きくなり、場合によっては第１のマイクロ流路２１から第２のマイクロ流路２２へ微細孔３０を介して微粒子が移動する、或いはその逆の移動が発生する場合がある。このとき、微細孔３０の検体液を微粒子が排除することになるので、微細孔３０の電気抵抗が上昇し、結果としてイオン電流の大きさが減少することになる。このイオン電流の変化する量と変化する時間は、微細孔３０を通過する微粒子のサイズに対応している。このため、第１の電極５１と第２の電極５２の間を流れるイオン電流の大きさを計測することにより、検体液中の微粒子のサイズを電気的に分析することが可能となる。

なお、微細孔３０を通しての微粒子の移動が第１の流路２１から第２の流路２２への一方向の場合、第２の流路内２２には必ずしも検体液を導入する必要はなく、電極５１，５２間での電気的検出が可能となる電解液を導入するようにしても良い。

図２及び図３に示される半導体マイクロ分析チップ１では、マイクロ流路２２が基板を掘り込むことで形成され、中空構造をしており、機械的強度が著しく低い。このため、パッケージングを施す必要がある。一方、半導体マイクロ分析チップ１は微弱な電流出力素子であるため、直近に電流電圧変換用のＩＣを搭載することが必須となっており、このＩＣは半導体マイクロ分析チップ１と同時にパッケージされる。この場合、半導体マイクロ分析チップ１が図２及び図３のような構造そのままでは、十分な機械的強度が得られないため、マイクロ分析チップに損傷が発生するおそれがある。

そこで本実施形態では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、半導体マイクロ分析チップ１を２段のモールドにてパッケージしている。

図４（ａ）に示すように、半導体マイクロ分析チップ１上は、ポリイミドやエポキシ樹脂などからなる１次パッケージ（第１のモールド層）６１で覆われている。この第１のモールド層６１は、リザーバと外部を繋ぐ液導入穴（開口）６１ａを有している。即ち、モールド層６１のリザーバ４１〜４４に対応する位置にそれぞれ、液導入穴６１ａが形成されている。

第１のモールド層６１に感光性の樹脂を用いることにより、フォトリソグラフィ等の半導体プロセスで液導入穴６１ａを形成することができる。この場合、微細な構造や高い位置決めが可能であり、各リザーバ４１〜４４と接続された液導入穴６１ａを精度良く形成可能である。

第１のモールド層６１が形成された半導体マイクロ分析チップ１は、図４（ｂ）に示すように、配線基板６０上にマウントされる。そして、半導体マイクロ分析チップ１は、エポキシ樹脂等からなる外部モールド（第２のモールド層）６２で覆われる。このとき、第２のモールド層６２には、第１のモールド層６１の液導入穴６１ａ上に液注入穴（開口）６２ａが形成されており、第１のモールド層６１の液導入穴６１ａと第２のモールド層６２の液注入穴６２ａとが接続されている。

より具体的には、図５に示すように、配線基板６０上には、半導体マイクロ分析チップ１と共に電流電圧変換用ＩＣ６がマウントされている。さらに、配線基板６０上には、外部電気接続端子（電気信号入出力端子）７が形成されている。そして、半導体マイクロ分析チップ１は、電流電圧変換用ＩＣ６と共に外部モールド（第２のモールド層）６２で覆われる。

ここで、液注入穴６２ａは、第２のモールド層６２を形成した後にエッチングで形成しても良いし、第２のモールド層６２の形成前に、第１のモールド層６１の液導入穴６１ａ上にマスク材やモールドピンを設けておき、第２のモールド層６２の形成後にマスク材やモールドピンを除去又は抜去するようにしても良い。また、第２のモールド層６２の液注入穴６２ａを第１のモールド層６１の液導入穴６１ａよりも大きくしておくことで、第２のモールド層６２を形成する際の位置精度の低いモールドでも、液注入孔６２ａを内部の液導入穴６１ａと確実に接続することが可能となる。

このように本実施形態では、半導体マイクロ分析チップ１に１次パッケージを施すことにより、その後の外部モールドの際に十分な機械的強度を有することができ、中空のマイクロ流路を破壊することなくパッケージすることが可能となる。このため、マイクロ分析パッケージの信頼性向上をはかることができる。

また、１次パッケージを有しているため、マイクロ分析チップ単体で個別に検査可能であるという効果も得られる。さらに、第２のモールド層６２の液注入穴６２ａの穴径を第１のモールド層６１の液導入穴６１ａの穴径よりも大きくすることにより、位置精度の低いモールドであっても、液導入穴６２ａを内部の液導入穴６１ａと確実に接続することが可能となる利点もある。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの概略構成を示す断面図であり、半導体マイクロ分析チップ又は電流電圧変換用ＩＣの電極とリザーバの位置関係を変えた場合の例である。なお、図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

図６（ａ）は、電極及びリザーバが同じ上面に形成されている場合を示す。配線基板６０上に、半導体マイクロ分析チップ１及びＩＣ６がマウントされている。半導体マイクロ分析チップ１は、第１の実施形態と同様に、上面が第１のモールド層６１により覆われている。

半導体マイクロ分析チップ１とＩＣ６は、ボンディングワイヤ６５により電気的に接続され、ＩＣ６は、ボンディングワイヤ６６よりインターボーザ６０に電気的に接続されている。

半導体マイクロ分析チップ１及びＩＣ６をマウントした配線基板６０上に、半導体マイクロ分析チップ１及びＩＣ６を覆うように、第２のモールド層６２が形成されている。第２のモールド層６２に液注入穴６２ａを有するのは、第１の実施形態と同様である。

半導体マイクロ分析チップ１及びＩＣ６をパッケージしたものがマイクロ分析パッケージ２である。このマイクロ分析パッケージ２を収容する筐体７０が設けられている。筐体７０の一部には、第２のモールド層６２に液注入穴６２ａに接続される開口７０ａが設けられている。また、配線基板６０に設けた接続端子７は、筐体７０の外に露出されている。

このような構成では、半導体マイクロ分析チップ１の構造が簡単で、電流電圧変換用ＩＣ６との電気接続にボンディングワイヤ６５を用いることで、寄生容量を小さくすることが可能である。

図６（ｂ）は、半導体マイクロ分析チップ１の電極とリザーバが上面で、ＩＣ電極が下面にある場合を示す。半導体マイクロ分析チップ１は、ボンディングワイヤ６７により配線基板６０に電気的に接続されている。ＩＣ６は、裏面側のパッド６８により配線基板６０に電気的に接続されている。この場合、ＩＣ６にワイヤボンディングをする必要がないため、配線基板６０の小型化が可能である。

図６（ｃ）は、さらに半導体マイクロ分析チップ１の電極も下面からとる構造で、ワイヤボンディングが必要ないため、さらに小型化が可能な構造である。なお、図６（ｃ）の構成では、図７に示すように、半導体基板１０を貫通し、半導体基板１０の裏面側にパッド６９を設ける必要がある
（第３の実施形態）
図８（ａ）（ｂ）は、第３の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージの概略構成を示す断面図である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

配線基板６０上に半導体マイクロ分析チップ１及び電流電圧変換用ＩＣ６を有する基本構成は、第２の実施形態と同様である。これに加えて、図８（ａ）では、配線基板６０の裏面に第１のシールドメタル８１が設けられ、第２のモールド層６２上に第２のシールドメタル８２が設けられている。第１のシールドメタル８１及び第２のシールドメタル８２は、筐体７０内で、配線基板６０上に設けた接続端子７に電気的に接続されている。

図８（ｂ）では、配線基板６０の裏面に第１のシールドメタル８１が設けられ、筐体７０の上面に第２のシールドメタル８３が設けられている。第２のシールドメタル８３は、筐体３０を貫通し、筐体３０内で、配線基板６０上に設けた接続端子７に電気的に接続されている。

このような構成であれば、第１の実施形態の効果に加えて、半導体マイクロ分析チップ１の周辺が電磁シールドされるため、チップ１内で微粒子を検出する際に、外来ノイズの影響を除去することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態として、第１〜第３の実施形態に用いた半導体マイクロ分析チップの各種例を、図９〜図１１を参照して説明しておく。

図９（ａ）（ｂ）は、第１の半導体マイクロ分析チップの概略構成を説明するためのもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ’断面図である。ここでは、図９（ａ）の最表面は、図９（ｂ）におけるキャップ層１８を取り除いた状態で表示している。

この半導体マイクロ分析チップは、半導体基板１０の上に絶縁膜１５、絶縁膜１７、絶縁膜１８を積層成膜している。半導体基板１０としては、例えばＳｉを用いるが、Ｓｉと同様に加工可能な他の基板、例えばＧｅ、ＳｉＣなどを用いることも可能である。また、絶縁膜１５，１７，１８は、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、Ａｌ₂Ｏ₃ などの誘電膜やポリイミドなどのポリマー材料を用いることができる。Ｓｉ基板１０の表面には第１のマイクロ流路２１を例えば２μｍ掘り込んで形成しており、流路２１の一端側は検体液の導入開口４５に接続している。第１の流路２１の導入開口４５側には、流路底面から流路上面に伸延する柱状体（ピラー）アレイ５０を形成している。

絶縁膜１５は、第１の流路２１に蓋をするように形成しており、その一部に微細孔３０を形成している。絶縁膜１７は、導入開口４５、排出開口４６と、第２のマイクロ流路２２を形成している。絶縁膜１８は、第２のマイクロ流路２２に蓋をするように形成し、その一部に導入開口４５、排出開口４６を形成している。微細孔３０は、第１のマイクロ流路２１の上面から第２のマイクロ流路２２の底面に連通しており、第１のマイクロ流路２１と第２のマイクロ流路２２は微細孔３０を介して空間的に接続されている。

微細孔３０の開口サイズは、検出する微粒子（ウィルス、細菌、花粉などやそれらを他の粒子に結合させた複合体の最大径）より僅かに大きなサイズとする。具体的には検出する微粒子の外径より５％以上大きくし、微粒子が液体圧送や電気泳動などで微細孔を通過可能なサイズとする。また、微細孔３０の開口サイズは、検出する微粒子の通過し易さと後述するイオン電流変化の感度を考慮して決めれば良く、例えば検出する微粒子外径の１．５倍から５倍以内とする。

上記のように構成した半導体マイクロ分析チップにおいて、導入開口４５に検体液（検出する微粒子を含む液体）を注入すると、毛細管現象により第１のマイクロ流路２１に検体液が流入して微細孔３０に達する。検出する微粒子（検体）を含ませる液体は通電が可能な液体、例えばＫＣｌ水溶液などの電解質溶液、ＴＥ（Tris Ethylene diamine tetra acetic acid）緩衝溶液やＰＢＳ（Phosphate Buffered Saline）緩衝溶液などの各種緩衝溶液などを用いることができる。その後、第２のマイクロ流路２２に検体微粒子を含まない通電可能な液体を満たす。検体液中の微粒子は、毛細管現象による第１のマイクロ流路２１の検体液の流入に乗って流路内を移動するが、この状態で必要に応じて導入開口４５及び排出開口４６にそれぞれ金属ワイヤなどの電極を挿入し、電極間に電圧印加して検体微粒子を強制的に電気泳動させても構わない。

次に、導入開口４５及び排出開口４６にそれぞれ微細孔３０の通過電流観測用の電極（金属ワイヤなど）を挿入して電圧印加し、その間に流れるイオン電流を観測する。微粒子が電界により泳動されて微細孔３０を通過する際、微粒子が絶縁性の場合には微粒子が微細孔３０の開口を遮蔽するためイオン電流経路の電気抵抗が増大し、イオン電流が減少する。逆に、微粒子が導電性で且つ電子親和力が検体液との電位障壁を形成しにくい関係の場合にはイオン電流の増加が観測される場合もある。このイオン電流の変化を観測することで、微粒子が微細孔３０を通過したことを検出可能となる。

第１のマイクロ流路２１中に流路底面から流路上面に伸延するピラーアレイ５０を適切なピラー間隔となるように配置しておくことで、サイズの大きな不要粒子をトラップし、サイズの小さな微粒子のみを下流に通過させることが可能となる。例えば、約１００ｎｍ前後の大きさのウィルスを検出しようとする場合、ピラーアレイ５０のピラー間隔を２５０ｎｍとしておけば、少なくとも０．５μｍ以上の巨大粒子が微細孔３０に達して孔を塞いでしまうようなことを防止できる。また、ピラーアレイ５０のピラー間隔とアレイ長を適切に調整してやることにより、微細孔３０に達する微粒子の最大サイズを揃えることが可能となる。そして、検出するイオン電流変化のピーク電流値のある値以上をノイズ分布の一部として割り出せることから、検出精度を向上できるようになる。

なお、ピラーアレイ５０は、排出開口側からのダスト逆流などを防ぐため第２のマイクロ流路２２中にも形成することも可能であり、また、ピラーアレイ５０の代わりにスリット状流路アレイ等を用いることも可能である。

図１０は、第２の半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す斜視図である。

図中の１０は半導体基板であり、この基板１０としては、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮなど各種の半導体を用いることができる。

４１〜４４は検体液の注入、排出を行うためのリザーバであり、４１は検体液導入領域、４２は電解液導入領域、４３は検体液排出領域、４４は第２の電解液排出領域となる。これらのリザーバ４１〜４４は、Ｓｉ基板１０の表面部を例えば選択エッチングにより、例えば１ｍｍ角の正方形のパターンに２μｍ掘り込むことで形成されている。

２１は検体液を通流させるための第１のマイクロ流路、２２は電解液を通流させるための第２のマイクロ流路である。これらのマイクロ流路２１，２２は、異なるレイアウトで一部が近接するように配置され、Ｓｉ基板１０を例えば５０μｍ幅で２μｍ深さに掘り込んで形成されている。さらに、マイクロ流路２１，２２は、上部がシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）やシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）、アルミナ膜（Ａｌ₂Ｏ₃ ）などの絶縁薄膜（例えば厚さ２００ｎｍ）で覆われ、前記図３に示すようにキャップ層１５（流路をシールする蓋）が形成されている。これにより、第１及び第２のマイクロ流路共に溝型トンネル流路となっている。

このとき、キャップ層１５の形成は、リザーバ４１〜４４に接続する部分までとし、リザーバ上部と流路の接続部には検体液や電解液が通過可能となるように、少なくとも一部は流路キャップを形成しないようにする。これにより、マイクロ流路２１及び２２はリザーバ部分で開口したトンネル状流路となる。

３０は第１のマイクロ流路２１と第２のマイクロ流路２２との接触部に設けた微細孔であり、流路２１と流路２２の隔壁３１（例えば０．２μｍ厚のＳｉＯ₂ ）の一部をスリット状にエッチング除去することにより形成されている。微細孔３０の大きさ（幅）は検出する粒子のサイズより僅かに大きいサイズとし、検出する微粒子サイズが１μｍφの場合、微細孔３０の幅を例えば１．５μｍとする。

５１，５２は微粒子を検出するための電極であり、それぞれマイクロ流路２１，２２の内部に一部露出するように形成されている。これらの電極材料としては、検体液接触面がＡｇＣｌ，Ｐｔ，Ａｕなどとなるように構成すれば良い。また、電極は必ずしも図１０のように集積化されていなくとも良く、それぞれの流路のリザーバに外部電極を差し込むことでも微粒子の検出は可能である。

微細孔３０を通るイオン電流、即ち２つのマイクロ流路２１，２２に電解液（電解質を溶融させてイオン電流が流れ得る溶液）を充填し、電極５１と５２に電圧印加して流れる電流（微粒子非通過時の定常電流）は、基本的に微細孔３０の開口サイズで決定する。また、検出する微粒子が微細孔３０を通過する際には、微粒子が微細孔３０の一部を塞いでイオンの通過を阻害するため、その度合いに応じた電流の減少が生じる。但し、微粒子が導電性又は表面準位伝導可能な場合、微粒子がイオン電荷の授受を行って微粒子自体の電気伝導で電流が増加する場合もある。このイオン電流変化は、微細孔３０と微粒子の形状、大きさ、長さなどの相対関係で決定するため、イオン電流の変化量や継時変化などを観測することで、微細孔を通過した微粒子内容を割出すことが可能になる。

微細孔３０の開口サイズは、検出する微粒子の通過し易さとイオン電流の変化度合い（感度）を考慮して決めれば良く、例えば検出微粒子外径の１．５倍から５倍以内とする。また、検出する微粒子を分散させる電解液として、例えばＫＣｌ水溶液などの電解液、ＴＥ（Tris Ethylene diamine tetra acetic acid）緩衝溶液やＰＢＳ（Phosphate Buffered Saline）緩衝溶液などの各種緩衝溶液を用いることができる。

このような半導体マイクロ分析チップにおいては、検体液の導入と電気的な観測だけで微粒子検出ができ、更に半導体加工技術による超小型化と大量生産が可能で微粒子検出回路や識別判定回路などの集積も可能である。このため、超小型で高感度のマイクロ分析チップを低コストに大量生産することが可能である。従って、細菌やウィルスなどの高感度検出を手軽に実施できるようになり、伝染性病原体や食中毒原因菌の簡易検出などに応用することで、流行性疾病の拡大防止や食の安全確保といった分野に貢献することが可能となる。例えば、新型インフルエンザなど緊急隔離対策が必要な疾病に対する高速一次検査キットや一般家庭での簡易食中毒検査など、莫大数量を非常に低コストに提供する必要がある用途などに適している。

なお、図中の５０ａ，５０ｂは微小サイズのピラーアレイであり、微小な柱状構造体（ピラー）を等間隔に配列し、その配置間隔により検体液中微粒子をサイズでフィルタリングするものである。ピラーアレイ５０ａ，５０ｂには、壁状構造体（スリット）アレイなどを用いることも可能である。

図１１は、第３の半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図であり、マイクロ流路２１とマイクロ流路２２を別々の工程によって形成し、２つの流路２１，２２の交差する積層部（接触部）を設ける例である。ここでは、検体導入流路となる２１を下側に形成し、検体受容流路となる２２を上側に形成した、２段型流路とする。このとき、微細孔３０は２つの流路の積層部（接触部）に設け、第１のマイクロ流路２１の上面及び第２のマイクロ流路の下面となる隔壁（第１の流路のキャップ絶縁膜）にフォトリゾグラフィーにより形成する。

図１０の半導体マイクロ分析チップでは、２つのマイクロ流路２１，２２が隔壁を挟んで横方向に隣接しており、微細孔３０をＳｉ基板１０に対して垂直な隔壁に形成する必要があり、隔壁側部からパターンニングしてスリット状の微細孔３０を形成していた。このときの微細孔形状は、流路深さが微細孔幅と同じ場合で正方形に近い四角形であるが、流路深さが微細孔幅より深い場合は縦長のスリットとなっていた。このため、微細孔３０を微粒子が通過する際、微粒子で微細孔３０の開口を十分に遮蔽することができず、イオン電流の変化が円形微細孔に比し小さいという問題があった。

これに対し、図１１の半導体マイクロ分析チップにおいては、微細孔３０を直接パターンニング可能であり、微細孔３０の開口形状を任意に形成可能であるため、微粒子によるイオン電導を最も効果的に遮蔽可能な円形開口とすることができる。これにより、検出する微粒子が微細孔３０を通過する際のイオン電流変化を最大化することができ、第２のマイクロ分析チップよりも更に高感度の微粒子検出が可能となる。

第１のマイクロ流路２１は掘り込み型のトンネル流路となり、第２のマイクロ流路２２は絶縁膜トンネル型の流路となる。また、２つの流路２１，２２の交差する接触部において、絶縁膜１５に微細孔３０を形成しており、その開口形状は任意に形成可能である。イオン電流を観測する電極は、第１のマイクロ流路２１の下面と第２のマイクロ流路２２の上面に形成されている。これにより、微細孔形状の最適化による高感度化が実現できる。

なお、ここでは２つの流路２１，２２が交差するように配置しているため、リザーバ４１に滴下した検体液はリザーバ４３に排出されるようになる。これは勿論、２つの流路２１，２２が積層接触する部分の後、元の流路側に戻すように配置（４１への滴下検体液を４４に排出）することでも構わないものである。

このような半導体マイクロ分析チップでは、２つのマイクロ流路２１，２２を交差させることにより微細孔３０を円形開口とすることができるため、より高感度の微粒子検出が可能となる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

マイクロ分析チップの構成は、前記図２、図９〜図１１に何ら限定されるものではなく、微粒子を検出するための検出部と、該検出部に微粒子検出用の検体液を注入及び排出するための流路と、該流路へ外部から前記検体液を導入するための液溜め部とを有するものであれば良い。さらに、マイクロ分析チップを形成する基板は必ずしも半導体基板に限るものではなく、例えば半導体を全て酸化した石英等の材料でも良く、微細な流路や微粒子検出用の微細孔を作製可能な基板であればよい。

マイクロ分析パッケージがモールドのみでも十分な強度が得られる場合は、前記図５、図６、図８に示したような筐体は必ずしも必要なく、省略することも可能である。さらに、マイクロ分析パッケージは必ずしもカセットにセットして用いられる必要はなく、パッケージ単体で使用することも可能である。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…半導体マイクロ分析チップ
２…マイクロ分析パッケージ
３…カセット
４…検体液
５…判定器
６…電流電圧変換用ＩＣ
７…外部電気接続端子（電気信号入出力端子）
１０…半導体基板
１１，１５，１６，１７，１８…絶縁膜
１２…ピラー
１４…バンク
２１…第１のマイクロ流路
２２…第２のマイクロ流路
３０…微粒子検出用の微細孔
４１〜４４…リザーバ
５０…ピラーアレイ
５１，５２…電極
６０…配線基板（配線層を有する基板）
６１…１次パッケージ（第１のモールド層）
６１ａ…液導入穴
６２…外部モールド（第２のモールド層）
６２ａ…液注入穴
６５，６６，６７…ボンディングワイヤ
７０…筐体
７０ａ…開口
８１，８２，８３…シールドメタル

Claims (10)

1. 配線層を有する基板と、
   前記基板上に設けられ、微粒子を検出するための検出部、該検出部に微粒子検出用の検体液を注入及び排出するための流路、及び該流路へ外部から前記検体液を導入するための液溜め部を有するマイクロ分析チップと、
   前記マイクロ分析チップ上に設けられた第１のモールド層と、
   前記基板上及び前記第１のモールド層上に設けられた第２のモールド層と、
   を具備し、
   前記第１のモールド層は前記液溜め部上に開口を有し、前記第２のモールド層は前記第１のモールド層の開口上に開口を有し、
   前記液溜め部上で、前記第１及び第２のモールド層の各開口が接続され、外部から前記液溜め部に前記検体液を導入可能となっていることを特徴とするマイクロ分析パッケージ。
2. 前記第２のモールド層の開口の径は、前記第１のモールド層の開口の径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ分析パッケージ。
3. 前記検出部は、前記流路の一部に設けられ、検出すべき微粒子が通過可能な微細孔を有し、前記微細孔の上流側と下流側とで前記検体液に電圧を印加可能となっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ分析パッケージ。
4. 前記流路は、一端側に前記検体液を導入可能な導入口を有し、他端側に前記微細孔が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ分析パッケージ。
5. 前記流路は、一部が隣接する第１及び第２の流路を有し、該第１及び第２の流路の隣接部に前記微細孔が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ分析パッケージ。
6. 前記流路は、一部が上下に重なる、又は互いに交差する第１及び第２の流路を有し、該第１及び第２の流路の重なり部又は交差部に前記微細孔が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ分析パッケージ。
7. 前記基板上に、前記検出部の検出結果を電気信号に変換するための検出用半導体素子と電気信号入出力端子が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載のマイクロ分析パッケージ。
8. 前記基板の裏面側に第１のシールドメタルが配置され、且つ前記第２のモールド層の前記第１モールド層と反対側に第２のシールドメタルが配置されていることを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載のマイクロ分析パッケージ。
9. 前記基板、前記マイクロ分析チップ、及び前記各モールド層を収容する筐体を有し、
   前記第２のシールドメタルは、前記筐体の上面に設けられていることを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ分析パッケージ。
10. 前記流路内に複数のピラーを有することを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載のマイクロ分析パッケージ。

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