JP4552002B2 - 気液分離膜およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ガスセンサに備えられる気液分離膜としては、例えば、貫通孔が形成された2枚のシリコン基板が有機接着剤等を用いて接合され、その接合面に各シリコン基板の貫通孔同士を連通させる浅溝が形成されたものが提案されている(特許文献1参照)。この気液分離膜は、一方のシリコン基板の片面に有機接着剤を塗布して接着層を設けた後、2枚のシリコン基板を位置合わせ(アライメント)し、重ね合わせて接合することで製造される。
ところで、この製造方法のように、2枚のシリコン基板をアライメントする際には、アライメント装置を用いることができる。アライメント装置でのアライメントでは顕微鏡観察しながら行うため、シリコン基板同士が近接したときにはじめてアライメントが可能になる。しかし、特許文献1に記載の気液分離膜の製造方法では、接着層を設けた分だけシリコン基板間の距離が離れており、顕微鏡のピントを合わせにくくなっているので、アライメントが困難であった。そのため、アライメントが不十分な時点でシリコン基板同士が接触し、不要な部分に有機接着剤が付着してしまうことがあったり、所定の位置以外の位置で接着してしまったりすることがあった。
さらに、有機接着剤からなる接合層の厚みは、接着剤の塗布厚、接合時の加圧条件、硬化における膜厚変化など様々な条件によって変化するため、均一な製品を得ることが困難であった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、有機接着剤を用いずに2枚のシリコン基板を接合した気液分離膜およびその製造方法を提供することを目的とする。
第1のシリコン基板の絶縁膜あるいは第2のシリコン基板上に、気体透過孔となる部分を除いて、気体を選択的に透過し液体を透過しない開口長と同等の厚みのガラス膜を形成するガラス膜形成工程と、
第1のシリコン基板の絶縁膜と第2のシリコン基板とをガラス膜を介して接触させ、これらを陽極接合法により接合する接合工程とを有し、
前記ガラス膜形成工程では、前記気体透過孔となる部分が、第1のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所と第2のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所を有すると共に、前記各々の連通する箇所の間に、対向する第1のシリコン基板及び第2のシリコン基板によって前記ガラス膜の厚みと同等の開口長とされる部分を有するようにして、ガラス膜を成膜することを特徴とする。
また、本発明の気液分離膜は、絶縁膜を備えた第1のシリコン基板と、第1のシリコン基板の絶縁膜に接して、気体透過孔の部分を除き、気体を選択的に透過し液体を透過しない開口長と同等の厚みで設けられたガラス膜と、ガラス膜に接する第2のシリコン基板とを有し、
第1のシリコン基板および第2のシリコン基板には各々貫通孔が形成され、
前記気体透過孔は、第1のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所と第2のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所を有すると共に、前記各々の連通する箇所の間に、対向する第1のシリコン基板及び第2のシリコン基板によって前記ガラス膜の厚みと同等の開口長とされた部分を有することを特徴とする。
ここで、ガラス膜とは、アルカリ金属含有ケイ酸塩ガラスからなる薄膜のことであり、絶縁膜とは、酸化シリコン及び/又は窒化シリコンを主成分とし、アルカリ金属の含有量が1質量%以下の薄膜のことである。
本発明の気液分離膜は高精度であり、ガスセンサに備えた場合にはガス応答性を一定にできる。
図1は、本実施形態例の気液分離膜の構成を示す図である。この気液分離膜10は、シリコン層11の表面に絶縁膜である酸化シリコン膜12aを備えた矩形状の第1のシリコン基板13と、第1のシリコン基板13の酸化シリコン膜12aに接するガラス膜14と、ガラス膜14に接する矩形状の第2のシリコン基板15とを有するものである。
この気液分離膜10の第1のシリコン基板13には、その中央部に、第1のシリコン基板13表裏を貫通する断面矩形状の貫通孔16が1つ形成されている。また、第2のシリコン基板15には、その中央部の両側に、第2のシリコン基板15表裏を貫通する断面矩形状の貫通孔17,17が2つ形成されている。
また、ガラス膜14は、酸化シリコン膜12aと第2のシリコン基板15との間に、各シリコン基板13,15の貫通孔同士を連通する気体透過孔18が形成されるように成膜されている。ここで、気体透過孔18は、第1のシリコン基板13の酸化シリコン膜12aと第2のシリコン基板15との間にてガラス膜が成膜されなかった部分であり、ガラス膜14と第2のシリコン基板15とが重ねられたことにより形成された部分である。よって、気体透過孔18の開口長Lはガラス膜14の膜厚と同じである。
また、酸化シリコン膜12aを備えた第1のシリコン基板13は、市販の酸化膜付きシリコン基板であり、酸化シリコン膜12aのアルカリ金属含有量が1×1018cm−3以下のものである。
第1のシリコン基板13の貫通孔16は、液体が透過できる大きさで開口している。
そのため、この気液分離膜10をガスセンサに備え、第2のシリコン基板15の貫通孔17,17を試料気体導入孔とし、第1のシリコン基板13の貫通孔16に内部液を充填した場合には、試料気体は、第2のシリコン基板15の貫通孔17,17から気体透過孔18を通って第1のシリコン基板13の貫通孔16に充填された内部液に移動することができる。一方、第1のシリコン基板13の貫通孔16に充填された内部液は、第2のシリコン基板15の貫通孔17,17からの漏洩が防がれている。
この製造方法では、図2に示すような、酸化シリコン膜12a,12bがシリコン層11の両面に設けられたシリコン基板21を出発材料として用い、まず、貫通孔形成工程において、シリコン基板21の一方の酸化シリコン膜12aの中央部に、矩形状の孔部を1つ形成するようなエッチングパターンをフォトリソグラフィ技術により転写する。続いて、図3に示すように、一方の酸化シリコン膜12aをエッチングして、酸化シリコン膜12a中央部に矩形状の孔部22を1つ形成させる。そして、このようなパターンが形成された酸化シリコン膜12aを、その下層のシリコン11層のマスクパターンとして利用して、酸化シリコン膜12aで覆われていないシリコン基板21中央部のシリコン層11をエッチングし、図4に示すように、貫通加工して貫通孔16を形成する。このようにして貫通孔16を有する第1のシリコン基板13を得る。
また、ガラス膜形成工程において、ガラス膜14の膜厚を制御する方法としては、スパッタ装置における、プラズマを発生させるアルゴンガスの流量、高周波電源の電圧、成膜時間を適宜選択する方法が挙げられる。
さらに、上述した製造方法では、シリコン基板に浅溝を形成しないで、第1のシリコン基板13の酸化シリコン膜12aと第2のシリコン基板15との間に、ガラス膜14の膜厚に応じた気体を選択的に透過する気体透過孔18を形成するので、シリコン基板に浅溝を形成する場合に比べて気液分離膜を製造する工程数を少なくできる。
図13および図14に、この窒素酸化物濃度測定装置を示す。この窒素酸化物濃度測定装置30は、厚さ1mmのケイ酸塩ガラス板31と、ケイ酸塩ガラス板31に接し、酸化シリコン膜32を備えた厚さ300μmの第1のシリコン基板33と、第1のシリコン基板33の酸化シリコン膜32に接する厚さ2μmのガラス膜34と、ガラス膜34に接する厚さ300μmの第2のシリコン基板35とを有するものである。
この窒素酸化物濃度測定装置30において、第1のシリコン基板33および第2のシリコン基板35には各々貫通孔36,37が形成されている。また、ガラス膜34は、各シリコン基板の貫通孔36,37同士を連通し、気体を選択的に透過する気体透過孔38が形成されるように成膜されている。ここで、気体透過孔38が形成された部分およびその周辺のことを気液分離膜40という。
第2のシリコン基板35に形成された貫通孔37,37は、第1のシリコン基板33と重ねた際に第1の直線部47の少し外側の部分に対応する位置にスリット状に形成されている。
ケイ酸塩ガラス板31には、2つの貫通孔41,42が形成されており、一方の貫通孔41が発色試薬導入孔になり、他方の貫通孔42が発色試薬排出孔になる。
次いで、測定部48にてケイ酸塩ガラス板31側から第1のシリコン基板の貫通孔36内の発色試薬に向けて測定光を当てる。光源から発した光は第1のシリコン基板33の貫通孔36を流れる発色試薬を透過し、さらに第2のシリコン基板35にて反射する。そして、その反射光の減衰量を測定することで、大気中の窒素酸化物濃度を求めることができる。
まず、図15に示すように、ケイ酸塩ガラス板31に2つの貫通孔41,42を形成させる。
次いで、酸化シリコン膜がシリコン層の両面に設けられ、ケイ酸塩ガラス板31と同じ大きさの厚さ1μmの市販のシリコン基板を出発材料として用い、貫通孔形成工程において、図16に示すように、シリコン基板の一方の酸化シリコン膜に、1つの貫通孔36をICPエッチングにより形成して第1のシリコン基板33を得た。ここで、ICPエッチングの際に用いたエッチング装置は、住友精密工業製STS Multiplex−ICP:9809020であり、エッチングガスとしてSF6、C4F8、O2を用い、エッチング時間を1時間以内とした。
次いで、ガラス膜の上に保護層としての粘着シートを貼り合わせた後、貫通孔が形成されていない他方の酸化シリコン膜を、1:6バッファードフッ酸でエッチング除去した。
このようにして、図13または図14に示されるような、気体を選択的に透過する気体透過孔が形成された気液分離膜を設けた窒素酸化物濃度測定装置30を得た。
12a 酸化シリコン膜(絶縁膜)
13 第1のシリコン基板
14 ガラス膜
15 第2のシリコン基板
16,17 貫通孔
18 気体透過孔
Claims (2)
- 表面に絶縁膜を備えた第1のシリコン基板と、第2のシリコン基板とに各々貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
第1のシリコン基板の絶縁膜あるいは第2のシリコン基板上に、気体透過孔となる部分を除いて、気体を選択的に透過し液体を透過しない開口長と同等の厚みのガラス膜を形成するガラス膜形成工程と、
第1のシリコン基板の絶縁膜と第2のシリコン基板とをガラス膜を介して接触させ、これらを陽極接合法により接合する接合工程とを有し、
前記ガラス膜形成工程では、前記気体透過孔となる部分が、第1のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所と第2のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所を有すると共に、前記各々の連通する箇所の間に、対向する第1のシリコン基板及び第2のシリコン基板によって前記ガラス膜の厚みと同等の開口長とされる部分を有するようにして、ガラス膜を成膜することを特徴とする気液分離膜の製造方法。 - 絶縁膜を備えた第1のシリコン基板と、第1のシリコン基板の絶縁膜に接して、気体透過孔の部分を除き、気体を選択的に透過し液体を透過しない開口長と同等の厚みで設けられたガラス膜と、ガラス膜に接する第2のシリコン基板とを有し、
第1のシリコン基板および第2のシリコン基板には各々貫通孔が形成され、
前記気体透過孔は、第1のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所と第2のシリコン基板の貫通孔と連通する箇所を有すると共に、前記各々の連通する箇所の間に、対向する第1のシリコン基板及び第2のシリコン基板によって前記ガラス膜の厚みと同等の開口長とされた部分を有することを特徴とする気液分離膜。
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