JP4362324B2

JP4362324B2 - 微粒子保持プレートとその製造方法

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Publication number: JP4362324B2
Application number: JP2003198812A
Authority: JP
Inventors: 智夫池田
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: JP2005038973A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粒径の小さい微粒子を所定の位置で保持するための微粒子保持プレートとその製造方法に関し、詳しくは、はんだボールや細胞を所定の位置に保持するための微粒子保持プレートとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数十μｍから数百μｍの微粒子を所定の位置に保持するための微粒子保持プレートは、多くの分野で利用されている。
例えば半導体実装の分野では以下に示すような利用がなされている。大量の情報を高速に処理する情報処理装置においては、半導体チップに電子回路や電子部品を集積したＬＳＩ、ＶＬＳＩ等が多く用いられている。このような半導体チップを配線基板に取り付けるために、配線基板上の配線部分に合わせてはんだを配置し、はんだの溶着により、半導体チップを配線基板上に固定するとともに、電気的な接続を行っていた。
【０００３】
以下に従来の一般的な半導体チップの取り付け方法を示す。図８は従来の半導体チップの配線基板への取り付け方法を示した図である。微粒子保持プレート２０はシリコンからなっており、シリコンの異方性エッチングの性質を利用して、図８（ａ）に示すような壁面が平面に対して傾斜した貫通孔が所定の位置にあけられている。はんだボール３１０は微粒子保持プレート２０のこの貫通孔に配置される。この時、はんだボール３１０は貫通孔の一方の開口部から負圧吸引されることによって、しっかりと微粒子保持プレート２０に固定される。なお図８では負圧吸引の機構は図示されていない。
【０００４】
一方、配線基板４１０には所定の位置に配線４２０が形成されている。この配線４２０の位置と、微粒子保持プレート２０にあけられた貫通孔の位置は、同じ位置関係にあり、図８（ａ）に示すように、配線基板４１０上の配線４２０の位置に、はんだボール３１０を移動させることができる。
【０００５】
はんだボール３１０を配線４２０の部分まで移動させた後、負圧吸引を絶つことで、図８（ｂ）のように配線４２０上に、はんだボール３１０を配置させることができる。
【０００６】
その後、電気接続部５２０が形成されている半導体チップ５１０を配線基板４１０に押さえつけ（図８（ｃ））、はんだボール３１０を電気接続部５２０及び配線４２０に溶着することで、半導体チップ５１０と配線基板４２０の接続が完了する（図８（ｄ））。以上が従来の一般的な半導体チップの取り付け方法である。
【０００７】
さらに、バイオテクノロジーの分野でも微粒子保持プレートは利用されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。バイオテクノロジー分野では、多量の細胞の懸濁液の中から細胞を一個づつ独立に吸着させ、その細胞を複数の細胞処理チャンバー（細胞処理室）を有する細胞処理装置に個別、かつ一括して注入させるのに用いられている。
【０００８】
上記のはんだボールや細胞を保持する微粒子保持プレートは、いずれもシリコンの異方性エッチングを利用して製造されている。シリコンをウェットエッチングする場合、エッチングされる方向によってエッチング速度に違いが生じるため、ある決まった一定の形状でエッチングがなされる。これが一般にシリコンの異方性エッチングと呼ばれているものである。この異方性エッチングによって製造された微粒子保持プレート２０は図８（ａ）に示されるように、加工部壁面が平面に対して決まった角度θ＝約５５度で形成される。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１−１９１６７６号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】
特開平８−３３４７６号公報（第６頁、図３）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８（ａ）にあるように、微粒子（はんだボール３１０）をしっかりと保持するためには、微粒子保持プレート２０の厚みｔに、ある程度の厚みが必要となる。しかしながら、従来の微粒子保持プレート２０では、その厚みｔを厚くしようとすると、角度θで傾いた貫通孔壁面は微粒子保持プレート２０の平面方向に広がってしまい、隣り合った貫通孔同士の間隔Ｐを一定の幅以上に狭めることができなかった。その結果、微粒子を狭い間隔で高密度に並べて保持することができなかった。
【００１１】
本発明の目的は、微粒子を狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能な微粒子保持プレートとその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の微粒子保持プレートは、以下に示す構成を採用した。すなわち、本発明の微粒子保持プレートは、貫通孔を有し、貫通孔内部に微粒子を保持して使用する微粒子保持プレートであって、材質が結晶軸のＺ軸に対して垂直な面が平面になるようにカットされるＺ板である水晶からなり、貫通孔はウェットエッチング法によって形成され、且つ貫通孔の内壁が円筒部分と３つの斜面部分とを有することを特徴とする。
【００１３】
さらに円筒部分の直径が微粒子の直径とほぼ同じ寸法であるのが望ましい。
【００１４】
さらには、内径形状が円筒形状である部分が貫通孔の深さの１／２以上の深さにわたって形成されているのが望ましい。
【００１８】
また本発明の微粒子保持プレートの製造方法は、結晶軸のＺ軸に対して垂直な面が平面になるようにカットされるＺ板である水晶板の両平面上に水晶のエッチング液に対して耐食性を有する保護膜を成膜し、かつ一方の平面に成膜された保護膜を所望の形状でパターン化する工程と、
保護膜が形成された水晶板をウェットエッチングをし、内周形状が円筒形状と３つの斜面を有する孔を形成する工程と、
保護膜を除去し貫通孔を開口させる工程とを有している。
【００２０】
さらに所望の形状には、少なくとも微粒子の直径とほぼ同じ寸法の直径からなる円形状が含まれているのが望ましい。
【００２１】
（作用）
本発明の上記手段では、水晶板をウェットエッチング法によって加工し、その時に生じる水晶の異方性エッチング性を利用することによって、平面に対して所定の角度で傾斜した３つの傾斜面と、平面に対してほぼ垂直に円筒状にあけられた壁面とを有する貫通孔を形成している。本発明の微粒子保持プレートでは、このような特殊な形状（円筒形状と３つの斜面を備えた形状）で開けられた貫通孔に微粒子を収め、貫通孔の一方の開口部から負圧吸引することで、微粒子を保持させるようにした。このように平面に対して傾斜した斜面と垂直な円筒状の壁面からなる貫通孔によって、傾斜面だけからなっていた従来の微粒子保持プレートよりも、隣り合った貫通孔同士の間隔を狭めることが出来、その結果、本発明の微粒子保持プレートでは従来よりも微粒子を狭い間隔で保持することが出来るようになった。
【００２２】
また、微粒子を負圧吸引して保持する時、微粒子は板厚方向においては円筒形状の壁面で保持され、平面方向おいては３つの斜面で保持される。このように多くの部分で接触して保持されるため、本発明の微粒子保持プレートでは微粒子を従来よりもしっかりと保持できる。
【００２３】
以上のように、本発明により微粒子を狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能な微粒子保持プレートを提供することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明の微粒子保持プレートに形成される貫通孔の形状を示した図である。図１（ａ）は本発明の微粒子保持プレートに形成される貫通孔を斜め上方から見た斜視図で、図１（ｂ）は本発明の微粒子保持プレートに形成される貫通孔を真上から見た平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ−Ａ部の断面図である。図１に示すように、本発明における貫通孔は円筒部壁面に３つの斜面α、β、γ（図１（ａ）では斜面γは壁面に隠れて見えていない。）が形成される内壁形状になっている。これら３つの斜面α、β、γは図１（ｃ）に示されるように円筒部から連続的に連なって形成されており、且つ図１（ｂ）に示されるように等間隔に１２０度間隔で形成される。このような内壁形状をした貫通孔は水晶板をウェットエッチング法によって加工することで形成することができる。
【００２５】
図２は本発明の微粒子保持プレートの製造方法を示した図である。以下に本発明の微粒子保持プレート１０の製造方法の一例を説明する。まず図２（ａ）に示すように、水晶板１２０の両平面に水晶のエッチング液に対して耐食性を有する保護膜１３０及び保護膜１４０を平面のほぼ全てに成膜する。さらに、保護膜１４０上に感光性レジスト２１０を保護膜１４０を覆うようにして塗布し、一方保護膜１３０上には感光性レジスト２００を所望の形状でパターン化して形成する。
【００２６】
なお本発明において使用される水晶板は結晶軸のＺ軸に対して垂直な面が平面になるようにカットされるＺ板である事が重要である。
【００２７】
本実施形態では感光性レジスト２００を所望の微粒子の直径とほぼ同じ大きさの直径ｄからなる円形状（平面形状）の抜きパターンでパターニングした。感光性レジスト２００のパターニングはどのような方法を用いても良いが、一般にＬＳＩ分野で利用されているフォトリソグラフィー法を用いるのが、高精度及び微細化という点で有効である。
【００２８】
本実施形態では、保護膜１３０、保護膜１４０として、上層がＡｕで下層がＣｒからなる２層構造の膜を用いた。上層のＡｕは水晶のエッチング液（一般にフッ酸水溶液が利用される。）に対して耐食性を有しているという理由で、一方、下層のＣｒは水晶板１２０とＡｕとの密着性をよくするためにそれぞれ選択した。
【００２９】
次に図２（ｂ）に示すように、感光性レジスト２００のパターンをマスクとして用い、保護膜１３０をエッチングし、感光性レジスト２００とほぼ同じ形状を有する保護膜１３５を形成した。なお本実施形態では保護膜１３０であるＡｕ及びＣｒを、それぞれ王水、硝酸系Ｃｒエッチャントによってエッチングした。
【００３０】
さらに図２（ｃ）に示すように、感光性レジスト２００及び感光性レジスト２１０をそれぞれ除去する。除去には有機溶剤が一般に利用される。その結果、水晶板の一方の面には所望の微粒子の直径とほぼ同じ大きさの直径ｄからなる円形状の抜きパターンで形成された保護膜１３５が表面にあらわれる。
【００３１】
次に図２（ｄ）に示すように、保護膜１３５と保護膜１４０をマスクとして利用し、水晶板をウェットエッチング法によって加工する。本実施形態ではエッチング液として液温５０℃の４０ｗｔ％フッ酸水溶液を使用した。エッチングは保護膜１３５に形成された直径ｄの円形状の抜きパターンに沿って進行し内壁に円筒部１１’が形成されるが、水晶のエッチングには異方性エッチングの性質があるため、エッチングで開口された孔の内壁には円筒部１１’以外に一定の方向に傾斜する３つの斜面部１２’も形成される。なおこの水晶の異方性エッチングとは、一定の方向のみエッチング速度が遅いために発生する現象である。
【００３２】
さらにウェットエッチングを進めると、斜面部１２’であった部分もエッチングが更に進み、図２（ｅ）に示すように、円筒部１１の範囲が広まり、斜面部１２の範囲が狭まっていく。
【００３３】
水晶板１１０の保護膜１３５が形成されている一方の平面から円筒部１１と斜面部１２の交わる点までの深さをｔ１とし、円筒部１１と斜面部１２の交わる点から水晶板１１０の保護膜１４０が形成されている他方の平面までの深さをｔ２とした場合、本実施形態ではｔ１≧ｔ２になるようにしてエッチングを終了させた。
【００３４】
最後に保護膜１３５及び保護膜１４０をエッチングによって除去し、水晶からなる本発明の微粒子保持プレートが完成した。
【００３５】
次に本発明の微粒子プレートの一応用例を示す。図６は本発明の微粒子保持プレートを用いた半導体チップの取り付け方法を示した図である。はんだボール３１０は微粒子保持プレート１０に多数あけられた貫通孔内に配置される。この時、はんだボール３１０は貫通孔の斜面が形成されている側の一方の開口部から負圧吸引されることによって、しっかりと微粒子保持プレート１０に固定される。なお図６（ａ）において、負圧吸引機構は本発明に関し特に重要な部分ではないので、省略して図示されていない。
【００３６】
一方、配線基板４１０には所定の位置に配線４２０が形成されている。この配線４２０の位置と、微粒子保持プレート１０にあけられた貫通孔の位置は、同じ位置関係にあり、図６（ａ）に示すように、配線基板４１０上の配線４２０の位置に、はんだボール３１０を移動させることができる。
【００３７】
はんだボール３１０を配線４２０の部分まで移動させた後、負圧吸引を絶つことで、図６（ｂ）のように配線４２０上にはんだボール３１０を配置させることができる。
【００３８】
その後、電気接続部５２０が形成されている半導体チップ５１０を配線基板４１０に押さえつけ（図６（ｃ））、はんだボール３１０を電気接続部５２０及び配線４２０に溶着することで、半導体チップ５１０と配線基板４１０ははんだボール３１５を介して接続される（図６（ｄ））。
【００３９】
本発明の微粒子保持プレート１０によれば、配線４２０が非常に狭い間隔で形成されている配線基板４１０であっても半導体チップ５１０を接続させることが可能になった。図４は本発明の微粒子保持プレートによるはんだボールの保持状態と従来の微粒子保持プレートによるはんだボールの保持状態とを比較した図である。図４（ｂ）に示すように従来の微粒子保持プレート２０で保持される２つのはんだボール３１０の間隔Ｐ２に対して、図４（ａ）に示されるように、本発明の微粒子保持プレート１０で保持される２つのはんだボールの間隔Ｐ１は狭い間隔にすることができる。これは従来貫通孔の内壁全てが斜面であったものを、貫通孔の一方の開口部側内壁のみに斜面を形成し、別の開口部側内壁には平面に対して垂直な壁面（円筒状の壁面）を形成した効果である。
【００４０】
また本発明の微粒子保持プレート１０によれば、はんだボール３１０を吸引する際の吸引力を、従来の微粒子保持プレート２０よりも大きくすることができ、その結果、はんだボール３１０の保持不良を少なくすることができた。図５は本発明の微粒子保持プレートによるはんだボールの吸引状態と従来の微粒子保持プレートによるはんだボールの吸引状態とを比較した図である。また図３は本発明の微粒子保持プレートの貫通孔断面形状とはんだボールの保持状態を示した図である。従来の微粒子保持プレート２０によりはんだボール３１０を吸引した場合、図５（ｂ）に示すように、四角形の内周形状をなす貫通孔で球状のはんだボール３１０を保持するため、貫通孔の角部に必ず隙間が生じる。そのため吸引してもその隙間から空気が抜けてしまい、吸引力が小さかった。
【００４１】
本発明の微粒子保持プレート１０ではんだボール３１０を吸引すると、図５（ａ）及び図３（ａ）に示すように、貫通孔の一方の開口部側の内壁が微粒子の直径Ｄとほぼ同じ直径ｄの円筒形状で形成されているため、微粒子と円筒状の内壁面との間にはほとんど隙間が生じない構造になっている。そのため、空気の抜けが少なく、充分に大きな吸引力を得ることができる。
【００４２】
このような理由から、本発明の微粒子保持プレート１０によりはんだボール３１０を保持した場合、はんだボール３１０を保持できず落としてしまうといった保持不良は非常に少なくなった。
【００４３】
さらに、本発明の微粒子保持プレートでは、図３（ａ）に示すように、貫通孔の断面形状の最適化をはかることによって、はんだボール３１０の保持不良をより少なくすることができる。
【００４４】
水晶板１１０の保護膜１３５が形成されている一方の平面から円筒部１１と斜面部１２の交わる点までの深さをｔ１とし、円筒部１１と斜面部１２の交わる点から水晶板１１０の保護膜１４０が形成されている他方の平面までの深さをｔ２とした場合において、図３（ｂ）に示すようにｔ１＜ｔ２の寸法で形成した微粒子保持プレート１０’では、はんだボールを斜面部１２’でしか保持することができない。一方、図３（ａ）に示すようにｔ１≧ｔ２の寸法で形成した微粒子保持プレート１０では、はんだボールを斜面部１２と円筒部１１との両方で保持できることがわかる。よって本発明の微粒子保持プレート１０において、ｔ１≧ｔ２である貫通孔、すなわち円筒形状である部分が貫通孔の深さの１／２以上の深さにわたって形成されている貫通孔であれば、はんだボール３１０の保持不良をさらにより少なくすることができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に本発明の微粒子プレートの別の応用例を示す。本発明の微粒子保持プレートはバイオテクノロジーの分野にも利用することができる。バイオテクノロジーの分野では、少量の細胞を培養して増やし、そこで増やされた細胞を、同時に一括して検査することによって、一度に多くの結果を得て、バイオテクノロジー技術の進歩に役立てている。そうした検査工程の中で、多量の細胞が培養されている培養チャンバー内から検査チャンバー内に細胞を一つ一つ取り出す作業は非常に時間のかかる作業であり、検査の作業効率を悪くする工程であった。本実施形態により、本発明の微粒子保持プレートをこの検査工程に利用することによって、検査の作業効率を向上させることができる。
【００４６】
図７は本発明の微粒子保持プレートを用いた培養チャンバーから検査チャンバーへの細胞の移し替え方法を示した図である。図７（ａ）に示すように培養チャンバー７００内には培養液８００が満たされており、その培養液８００中には培養された多量の細胞３２０が混入されている。この培養チャンバー８００内に本発明の微粒子保持プレート１０を負圧吸引しながら降ろすと、微粒子保持プレート１０の貫通孔内に、１つずつ細胞３２０が吸着される。
【００４７】
次に、図７（ｂ）に示すように、細胞３２０が吸着された状態のまま、微粒子保持プレート１０を検査チャンバー６００の位置まで移動し、そこで負圧吸引を止めると、検査チャンバー６００内に１つ１つ細胞３２０を配置させることができる（図７（ｃ））。このようにして本発明の微粒子保持プレート１０を用いることによって、細胞３２０を一括して培養チャンバー内から取り出し、且つ個別に検査チャンバー６００内に移すことができるため、非常に作業効率が良好になった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の微粒子保持プレートによれば、微粒子を狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能となった。その結果例えば本発明の微粒子保持プレートを半導体チップの接続作業に使用した場合、非常に狭い間隔で配線が形成されている配線基板であっても半導体チップを接続させることが可能になった。
【００４９】
また本発明の微粒子保持プレートによれば、微粒子を吸引する際の吸引力を、従来のものより大きくすることができ、その結果、微粒子の保持不良を少なくすることができた。
【００５０】
さらに本発明の微粒子保持プレートをバイオテクノロジー分野に利用することも可能であり、本微粒子保持プレートを用いることによって、細胞を一括して培養チャンバー内から取り出し、且つ個別に検査チャンバー内に移すことができ、その結果、このような作業における作業効率が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微粒子保持プレートに形成される貫通孔の形状を示した図である。
【図２】本発明の微粒子保持プレートの製造方法を示した図である。
【図３】本発明の微粒子保持プレートの貫通孔断面形状とはんだボールの保持状態を示した図である。
【図４】本発明の微粒子保持プレートによるはんだボールの保持状態と従来の微粒子保持プレートによるはんだボールの保持状態とを比較した図である。
【図５】本発明の微粒子保持プレートによるはんだボールの吸引状態と従来の微粒子保持プレートによるはんだボールの吸引状態とを比較した図である。
【図６】本発明の微粒子保持プレートを用いた半導体チップの取り付け方法を示した図である。
【図７】本発明の微粒子保持プレートを用いた培養チャンバーから検査チャンバーへの細胞の移し替え方法を示した図である。
【図８】従来の半導体チップの配線基板への取り付け方法を示した図である。
【符号の説明】
１０、１０’ 微粒子保持プレート
１１、１１’ 円筒部
１２、１２’ 斜面部
２０微粒子保持プレート
１１０、１２０水晶板
１３０、１３５、１４０保護膜
２００、２１０感光性レジスト
３１０、３１５はんだボール
３２０細胞
４１０配線
４２０配線基板
５１０半導体チップ
５２０電気接続部
５５０第２の成形型
６００検査チャンバー
７００培養チャンバー
８００培養液

Claims

貫通孔を有し、該貫通孔内部に微粒子を保持して使用する微粒子保持プレートであって、材質が結晶軸のＺ軸に対して垂直な面が平面になるようにカットされるＺ板である水晶からなり、前記貫通孔はウェットエッチング法によって形成され、且つ前記貫通孔の内壁が円筒部分と３つの斜面部分とを有する微粒子保持プレート。
前記円筒部分の内径が、保持する微粒子の直径とほぼ同じ寸法であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子保持プレート。
前記円筒部分が前記貫通孔の深さの１／２以上の深さにわたって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微粒子保持プレート。
結晶軸のＺ軸に対して垂直な面が平面になるようにカットされるＺ板である水晶板の両平面上に水晶のエッチング液に対して耐食性を有する保護膜を成膜し、一方の平面に成膜された該保護膜を所望の形状でパターン化する工程と、
前記保護膜が形成された水晶板をウェットエッチングをし、内壁が円筒部分と３つの斜面部分とを有する孔を形成する工程と、
前記保護膜を除去し前記孔を開口させて貫通孔を形成する工程とを有する微粒子保持プレートの製造方法。
前記所望の形状には、保持する微粒子の直径とほぼ同じ寸法の直径からなる円形状が含まれていることを特徴とする請求項４に記載の微粒子保持プレートの製造方法。