JP2016145767A - マイクロ分析パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体マイクロ分析チップの小型化をはかることができ、製造コストの低減をはかる。
【解決手段】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であって、半導体基板１０の主面に、両端が半導体基板１００の周辺部で開口する流路２１，２２及び該流路の途中に微粒子が通過可能な微細孔３０を有する半導体マイクロ分析チップ１と、半導体マイクロ分析チップ１が載置されたパッケージ基板６０と、パッケージ基板６０上に、半導体マイクロ分析チップ１の流路２１，２２の開口２１ａ，２２ａを囲むように土手１４により形成されたリザーバ４１〜４４と、リザーバ４１，４２の底面の一部に設けられた電極５１，５２と、を具備した。
【選択図】図６

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、半導体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、半導体マイクロ分析チップの小型化をはかることができ、製造コストの低減をはかり得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、半導体基板の主面に、両端が前記半導体基板の周辺部で開口する流路及び該流路の途中に微粒子が通過可能な微細孔を有する半導体マイクロ分析チップと、前記半導体マイクロ分析チップが載置されたパッケージ基板と、前記パッケージ基板上に設けられ、前記半導体基板の流路の各開口にそれぞれ接続された液溜め部と、少なくとも一部が前記液溜め部の底面の一部に設けられ、且つ前記微細孔の上流側と下流側に対応する位置にそれぞれ設けられた電極と、を具備している。

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られる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に用いた半導体マイクロ分析チップの構成を示す斜視図。 第１の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージに用いたパッケージ基板の構成を示す斜視図。 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平面図。 第２の実施形態に係わるマイクロ分析パッケージに用いた半導体マイクロ分析チップの構成を示す斜視図。 図７の矢視Ｂ−Ｂ’断面図。 第１及び第２の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの変形例を示す平面図と断面図。 第１及び第２の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの変形例を示す斜視図。 第１及び第２の実施形態に用いる半導体マイクロ分析チップの変形例を示す斜視図。

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と共にパッケージ基板上にマウントされる。さらに、半導体マイクロ分析チップ１は強度的に弱いため、実際に製品として使用する場合、モールド等によりパッケージする必要がある。このようにモールドしたものが、マイクロ分析パッケージ２である。

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は一般的な半導体マイクロ分析チップの基本構成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、大きな粒子が検出孔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では、マイクロ流路２１，２２及びリザーバ４１〜４４が半導体基板１０に形成されているため、高価な半導体基板１０が大きくなり、コスト上昇を招くという課題があった。そこで本実施形態では、半導体基板１０側に流路のみを形成し、半導体マイクロ分析チップをマウントするパッケージ基板側にリザーバを形成するようにする。

図４〜図６は、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説明するためのもので、図４は半導体マイクロ分析チップ単体の斜視図、図５はパッケージ基板の構成を示す斜視図、図６は半導体マイクロ分析チップをパッケージ基板にマウントした状態を示す平面図である。

図４に示すように、半導体基板１０の表面を掘り込むことにより、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。流路２１は、基板１０の対向する２辺に亘って形成され、端部が基板１０の側面に開口している。流路２１の上面は絶縁膜のキャップ層１５により覆われている。なお、流路２１内にフィルタ及び表面張力のコントロールのためにピラー１２を形成しても良い。

半導体基板１０上に、流路２１と交差するように第２のマイクロ流路２２が形成されている。この流路２２は、上面及び側面を絶縁膜１６で囲まれた絶縁膜トンネル型の流路であり、端部が基板１０の側面に開口している。また、第２のマイクロ流路２２を形成した半導体基板１０上は保護膜１８で覆われており、表面が平坦化されている。なお、図中の２１ａは第１のマイクロ流路２１の開口、２２ａは第２のマイクロ流路２２の開口を示している。

図５に示すように、パッケージ基板６０は、図４の半導体マイクロ分析チップが搭載される領域を囲むように、ポリイミドやエポキシ等の樹脂からなる４つの土手（バンク）１４が設けられている。即ち、半導体マイクロ分析チップ１の各流路２１，２２の開口２１ａ，２２ａと接続されるように、バンク１４による液溜め部（リザーバ）４１〜４４が設けられている。さらに、バンク１４は各々のリザーバ４１〜４４を囲むように設けられ、各々のバンク１４の一部に流路開口と接続するための切り欠き部が設けられている。そして、流路２１の開口２１ａはリザーバ４１，４３に接続され、流路２２の開口２２ａはリザーバ４２，４４に接続されるものとなっている。なお、パッケージ基板６０は、表面が平坦で配線等を形成できるものであれば良く、ガラス基板や樹脂基板等を用いることができる。

また、２つのリザーバ４１，４２内には電極５１，５２が形成され、これらの電極５１，５２はバンク１４とパッケージ基板６０との間を通してバンク外に導入されている。そして、電極５１，５２の一方は電流電圧変換用のＩＣ６に接続され、他方は外部電気接続端子（電気信号入出力端子）７に接続されている。なお、電極５１，５２は、必ずしもバンク１４の下を通す必要はなく、バンク１４の上を通すようにしても良い。

図４に示す構成の半導体マイクロ分析チップ１を図５に示す構成のパッケージ基板６０上に搭載すると、図６に示すように、チップ１の各流路２１，２２の開口２１ａ，２２ａは各々のリザーバ４１〜４４に接続されることになる。即ち、半導体マイクロ分析チップ１をパッケージ基板６０上にマウントした状態で、流路２１，２２及びリザーバ４１〜４４が接続された構造が得られることになる。

このような構成であれば、前記図２に示す半導体マイクロ分析チップと実質的に同様となり、リザーバ４１，４２に検体液を滴下し、電極５１，５２間の電流をモニタすることにより、微粒子の検出を行うことができる。そしてこの場合、リザーバ４１〜４４をパッケージ基板６０上に設けることから、半導体基板１０上にリザーバ４１〜４４を設ける必要がなくなるため、半導体基板１０の面積を小さくすることができる。従って、半導体マイクロ分析チップ１の小型化をはかることができ、製造コストの低減をはかることができる。

なお、バンク１４は、パッケージ基板６０に半導体マイクロ分析チップ１を搭載した後に、ディスペンス等の方法により形成し、リザーバ４１〜４４を設けてもよい。この場合、バンク１４の一部を半導体マイクロ分析チップ１と隙間なく接触させることができるため、液漏れを防止することが可能となる。

（第２の実施形態）
図７及び図８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説明するためのもので、図７は斜視図、図８は図７の矢視Ｂ−Ｂ’断面図である。なお、図４〜６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。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、第１のマイクロ流路２１の上面を蓋するキャップ層１５を、チップ端部近傍で除去したことにある。

パッケージ基板６０上に形成されたリザーバ４１からチップ１の流路２１に液を導入する流路端部において、流路端部に液体が接触した場合、天井が存在する場合は、流路入口の表面張力が大きいものとなる。このため、流路入口で液体が止まってしまい、流路内部に流入しにくくなるおそれがある。

これに対して本実施形態では、流路２１の天井部を一部内部にオフセットしておくことで、流路端部に液体が濡れやすくし、流路底面と壁面により作られた角における毛細管現象で内部に流入しやすくなるという効果がある。流路２２に対しても同様に、チップ端部近傍で天井部のキャップ層１６を除去しても良い。

従って本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、リザーバ４１から流路２１への検体液の導入をよりスムーズに行うことができる利点がある。

また、上側の流路２２の一部（端部側）を、下側の流路２１と同様に半導体基板１０への掘り込みによって作製し、流路２２の中央部側と端部側を接続穴で接続することによって、上側流路の開口２２ａも下側流路２１の開口２１ａと同様の形状にすることが可能である。

（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。

半導体マイクロ分析チップの構成は、前記図４、図７、図８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微細孔等の検出部と、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を有するものであれば良い。

例えば、図９（ａ）に平面図を、図９（ｂ）に（ａ）のＣ−Ｃ’断面図を示すように、左右に開口する流路を有するものであっても良い。図９（ａ）（ｂ）では、上面が絶縁膜１５で蓋された基板掘り込み型の流路２１が基板１０の一側面に開口し、上面及び側面が絶縁膜１７，１８で囲まれた絶縁膜トンネル型の流路２２が基板１０の一側面に開口し、流路２１，２２間の絶縁膜１５に微細孔３０が形成されている。さらに、流路２１の導入開口側には、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が形成されている。

また、図１０に示すように、基板掘り込み型の第１及び第２のマイクロ流路２１，２２を一部近接して設け、微細孔３０を挟んで両側に電極５１，５２を設けたものであっても良い。この場合の電極５１，５２は、半導体マイクロ分析チップ１をパッケージ基板６０上に搭載した際に、ボンディングワイヤ等によりパッケージ基板６０上の配線に接続すればよい。

また、図１１に示すように、第１のマイクロ流路２１を基板掘り込み型とし、第２のマイクロ流路２２を絶縁膜トンネル型とし、これらを交差させるようにしても良い。この点は第１の実施形態と同様である。さらに、微細孔３０を挟んで両側に電極５１，５２を設けた構成となっている。この場合も、電極５１，５２は、半導体マイクロ分析チップ１をパッケージ基板６０上に搭載した際に、ボンディングワイヤ等によりパッケージ基板６０上の配線に接続すればよい。

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…パッケージ基板
６５，６６…ボンディングワイヤ

Claims (12)

1. 半導体基板の主面に、両端が前記半導体基板の周辺部で開口する流路及び該流路の途中に微粒子が通過可能な微細孔を有する半導体マイクロ分析チップと、
   前記半導体マイクロ分析チップが載置されたパッケージ基板と、
   前記パッケージ基板上に設けられ、前記半導体基板の流路の各開口にそれぞれ接続された液溜め部と、
   少なくとも一部が前記液溜め部の底面の一部に設けられ、且つ前記微細孔の上流側と下流側に対応する位置にそれぞれ設けられた電極と、
   を具備したことを特徴とするマイクロ分析パッケージ。
2. 前記液溜め部は、前記パッケージ基板上に突出して設けられた土手で囲まれていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ分析パッケージ。
3. 前記パッケージ基板上に、前記電極に電気的に接続された電気信号入出力端子を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ分析パッケージ。
4. 前記流路の端部で、該流路の天井が開口していることを特徴とする、請求項１〜３の何れか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１に記載のマイクロ分析パッケージ。
6. 前記第１及び第２の流路は、前記半導体基板の主面の一部を掘り込んで形成された基板掘り込み型の流路であることを特徴とする、請求項５に記載のマイクロ分析パッケージ。
7. 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１に記載のマイクロ分析パッケージ。
8. 前記第１の流路は、前記半導体基板の主面の一部を掘り込んで形成された基板掘り込み型の流路であり、前記第２の流路は、前記半導体基板の主面上に上面及び側面を絶縁膜で囲まれた絶縁膜トンネル型の流路であることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ分析パッケージ。
9. 前記パッケージ基板上に、前記半導体分析チップによる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が搭載されていることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載のマイクロ分析パッケージ。
10. 前記流路内に、フィルタ及び表面張力のコントロールのために形成されたピラー、を備えてい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。
11. 半導体基板と、
    前記半導体基板の主面に設けられ、両端が前記半導体基板の周辺部で開口する流路と、
    前記流路の途中に設けられ、微粒子が通過可能な微細孔と、
    を具備したことを特徴とする半導体マイクロ分析チップ。
12. 両端が周辺部で開口する流路を有する半導体マイクロ分析チップを載置するための領域を有する基板と、
    前記基板上に設けられ、前記半導体マイクロ分析チップを載置した状態で該チップの流路の各開口にそれぞれ接続される液溜め部と、
    前記液溜め部の底面の一部に設けられた電極と、
    を具備したことを特徴とするパッケージ基板。

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