JP4683872B2

JP4683872B2 - マイクロ化学チップおよびその製造方法

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Publication number: JP4683872B2
Application number: JP2004219525A
Authority: JP
Inventors: 格石井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2024-07-28
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Description

本発明は、半導体基板に形成された微小電子機械機構とこれに被処理流体を流す流路とを備えて成るマイクロ化学チップ、およびその製造方法に関するものである。

近年、化学分析の高精度化、高効率化の背景から、従来の実験室で行なっていた電位の測定、流量の測定、クロマトグラフや電気泳動に必要な試料の注入、排出、評定などを微小なサイズで実行可能にする、いわゆるマイクロ化学チップが提案されている。

マイクロ化学チップとして従来一般的なものは、流路が形成された半導体やガラス等から成る基板と、流路に被処理流体を流すためのマイクロポンプ等の動力源と、被処理流体に対して各種測定，分析を行なう機能部分とを備えた構成のものである。

マイクロ化学チップのうち、電位等の測定や、試料の移送等の機械的な動き等の機能を１つの半導体基板で実施可能にするものとして、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微小電子機械機構）が提案されている。

マイクロ化学チップ用のＭＥＭＳとは、例えば、一つの半導体基板の主面に、化学変化に応じて発生する気体や液体の圧力変化などを検出するための加速度計，圧力センサ，アクチュエータ等のセンサ、化学変化に応じて生じる変化を光学的に検出する際、高精度での検出等を目的とする光軸の変更のために使用される微細な鏡面体を可動式に形成したマイクロミラーデバイス、光デバイス等の機能部分にマイクロポンプ等を合わせて組み込んだ構造を有するもの等であり、非常に多岐にわたる構造を有するものである。

このＭＥＭＳが形成された半導体基板に、流路が形成されている流路基板等を接続し、流路とＭＥＭＳや機能部分が形成された部分とを連通させた構造とすることにより、ＭＥＭＳが備えるマイクロポンプ等の動力で流路中を被処理流体を流すことが可能で、流路を流れて供給された被処理流体をＭＥＭＳが備える機能部分で分析、測定することが可能なマイクロ化学チップが形成されることになる。

上記ＭＥＭＳは、例えば、電極用やＤＮＡ吸着用等の微細な突起、微小反応槽，マイクロミラー，マイクロポンプ等の微細な構造体や可動体等を備えたものである。

流路基板は、シリコン等の半導体やＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ガラス等から成る基板の一主面に溝状の流路を形成したり、一主面から他主面にかけて貫通する流路を形成した構造である。

なお、ＭＥＭＳおよび流路は、外気からの異物の進入を防いで分析、測定等の化学的な処理を高精度に行なわせるために、ガラス板等から成る蓋体で覆われる。蓋体で覆われた後、外部に露出している流路の開口部分が被処理流体の供給口や排出口となり、供給口から被処理流体が供給される。

シリコン，ＰＤＭＳ等から成る基板に開口した供給口に対する被処理流体（試料）の供給は、外部から液体ノズルや液体吐出装置等の送液装置を用いて加圧送液し、流路を介してＭＥＭＳに被処理流体を流して化学反応、検出等を行わせる。

また、マイクロ化学チップは、一般に、外部接続用の接続パッドが半導体基板の主面等に、ＭＥＭＳに電気的に接続されて形成されており、この接続パッドをプリント回路基板等の外部電気回路基板の電気回路に電気的に接続しておくことにより、分析、測定等の化学処理の結果に応じてＭＥＭＳから発信される電気信号が接続パッドから外部の電気回路に送信される。

このＭＥＭＳを用いたマイクロ化学チップは、化学反応、分析のシステムを小型化し、シリコン基板やＰＤＭＳ基板上に形成した流路基板を用いたもので、マイクロ流路，マイクロポンプ，マイクロリアクタ等からなる。基板の化学反応部をマイクロ化し単位体積あたりの表面積を増大させることで反応時間の大幅な削減を可能にしている。また、流量の精密な制御が可能なため高精度検出を行うことができる。

なお、これら従来のマイクロ化学チップのうち、ＭＥＭＳは、例えば、シリコン等の半導体基板の主面に、焼付け、エッチング等のいわゆる半導体マイクロマシニング技術を用いて電極用やＤＮＡ吸着用等の微細な突起、微小反応槽，マイクロミラー，マイクロポンプ等の微細な構造体や可動体を形成することにより製作される。

また、流路部分は、シリコンやＰＤＭＳ，ガラス等から成る流路基板の主面に、フォトリソグラフィーを応用した、いわゆる鋳型加工やスタンプ加工等の加工を施して溝状、孔状等の構造を形成することにより製作される。
特開２００１−２１４２４１号公報（第４−５頁、第１図）特開２００１−１０８６１９号公報（第４−５頁、第１図）

しかしながら、上記従来のマイクロ化学チップにおいては、検出などに用いられる被処理流体は外部の液体ノズルや液体吐出装置などの装置でマイクロ化学システムに供給されており、液体である被処理流体は一度外気に曝されることが一般的であった。

このため、マイクロ化学チップの外部から被処理流体を流路に供給する際に、外部からの被処理流体中への雑菌やゴミなどの異物の混入（所謂コンタミネーション）の問題があった。

また、大型の液体供給装置を使用するため、被処理流体の流量の微小量化に制限があり、被処理流体の流量を小さく抑えることによる効率的な処理、処理速度の向上等に制約を受けるという問題があった。

また、大型の液体供給装置を別途用意する必要があるので、マイクロ化学システム装置を低コストで作製しても液体供給装置に多額のコストがかかるという問題があった。

また、シリコンやＰＤＭＳは一般的に取り扱いが難しく、例えば外部のプリント板やその他の基板や装置内部への実装を行うときに電気接続と流体接続を行う際に簡便な方法が少ないなどの問題があった。この場合、例えば、流路の開口部分が流路基板の主面に位置し、外部接続用の接続パッドが半導体基板の側面等に位置しているような構造、つまり流路の外部接続用の部分と電気的な接続を行なう部分とが異なる平面に位置するような構造等も多く、例えばチップコンデンサー等の電子部品をマイクロ化学チップに搭載する場合、一般的な表面実装の形態での接続が非常に難しい。

また、流路封止を行う際に、半導体等のＭＥＭＳが形成されている基板と流路基板とを一つずつ、流路とＭＥＭＳの機能部分等とを位置合わせしながら接続しなければならず、生産性が悪い、コストが高くなるなどの問題があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、低コストで製造でき、不純物の混入が少なく、多種の実装形態を実現できる安定した性能のマイクロ化学チップおよびその製造方法を提供することである。

本発明のマイクロ化学チップは、一方主面から他方主面にかけて配線導体が形成されている絶縁基板と、該絶縁基板の前記一方主面の外周部に形成された枠状の導体層と、前記配線導体に電気的に接続されて前記一方主面の前記導体層よりも外側に形成された接続パッドと、前記絶縁基板の内部に形成された、前記一方主面の前記導体層の内側の部位に一つの開口端を有するとともに前記絶縁基板の外部に露出する表面に他の開口端を有する被処理流体を流通させるための流路と、一主面の中央部に微小電子機械機構および前記一主面の外周部に前記微小電子機械機構に電気的に接続された電極がそれぞれ形成されるとともに、前記一主面の外周部で前記電極よりも内側の部位が前記導体層に全周にわたって接合材を介して接合された半導体基板と、前記接続パッドと前記電極とを電気的に接続するとともに前記接合材と溶融温度が同じである導電性接続材とを具備しており、前記絶縁基板と前記半導体基板との間に前記接合材を側壁の一部とした内部空間が形成されているとともに、前記絶縁基板の前記微小電子機械機構に対向する部位に凹部が形成されており、前記内部空間内に前記微小電子機械機構が収納されていることを特徴とする。

本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記流路は、流通方向に垂直な断面における幅が０．０５乃至０．５ｍｍであることを特徴とする。

また、本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記流路は、平面視で枠状の前記導体層よりも内側に位置していることを特徴とする。

また、本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記微小電子機械機構は、前記流路の前記一つの開口端から前記絶縁基板および前記半導体基板に挟まれた内部空間に湧出した前記被処理流体を化学的に分析するためのものであることを特徴とする。

また、本発明のマイクロ化学チップは好ましくは、前記絶縁基板は、他方主面または側面に前記流路の前記他の開口端が位置しており、前記他の開口端に前記流路と連通する外部接続用のパイプが取着されていることを特徴とする。

本発明のマイクロ化学チップの製造方法は、半導体母基板の一主面に、微小電子機械機構およびそれに電気的に接続された電極が形成されて成る微小電子機械機構領域を多数個縦横に配列形成した多数個取り微小電子機械機構基板を準備する工程と、絶縁母基板に、その一方主面から他方主面にかけて形成された配線導体、前記一方主面の外周部に形成されて表面に接合材が被着されている枠状の導体層、前記一方主面の前記導体層の外側に形成されて表面に導電性接続材が被着されている接続パッド、前記一方主面に形成された凹部、および前記一方主面の前記導体層の内側の部位に一つの開口端を有するように形成された被処理流体を流通させるための流路を一組としたマイクロ化学チップ基板領域を多数
個縦横に配列形成した多数個取りマイクロ化学チップ基板を準備する工程と、前記多数個取り微小電子機械機構基板の前記微小電子機械機構領域の前記各電極を、前記多数個取りマイクロ化学チップ基板の前記マイクロ化学チップ基板領域の前記各接続パッドに前記導電性接続材を介してそれぞれ接続するとともに、前記半導体母基板の前記一主面に形成されている前記各微小電子機械機構に対向するように前記絶縁母基板の前記一方主面に形成されている前記各凹部を配置し、前記半導体母基板の前記一主面と前記絶縁母基板の前記導体層とを前記接合材を介して接合して、前記半導体母基板と前記絶縁母基板との間に前記接合材を側壁の一部とした内部空間を多数個縦横に配列形成し、該各内部空間内に前記半導体母基板の前記一主面に多数個縦横に配列形成されている前記各微小電子機械機構を収納する工程と、互いに接合された前記多数個取り微小電子機械機構基板および前記多数個取りマイクロ化学チップ基板を前記微小電子機械機構領域および前記マイクロ化学チップ基板領域毎に分割して個々のマイクロ化学チップを得る工程とを具備していることを特徴とする。

本発明のマイクロ化学チップによれば、一方主面から他方主面にかけて配線導体が形成されている絶縁基板と、絶縁基板の一方主面の外周部に形成された枠状の導体層と、配線導体に電気的に接続されて一方主面の導体層よりも外側に形成された接続パッドと、絶縁基板の内部に形成された、一方主面の導体層の内側の部位に一つの開口端を有するとともに絶縁基板の外部に露出する表面に他の開口端を有する被処理流体を流通させるための流路と、一主面の中央部に微小電子機械機構および一主面の外周部に微小電子機械機構に電気的に接続された電極がそれぞれ形成されるとともに、一主面の外周部で電極よりも内側の部位が導体層に全周にわたって接合材を介して接合された半導体基板と、接続パッドと電極とを電気的に接続するとともに接合材と溶融温度が同じである導電性接続材とを具備しており、絶縁基板と半導体基板との間に接合材を側壁の一部とした内部空間が形成されているとともに、絶縁基板の微小電子機械機構に対向する部位に凹部が形成されており、内部空間内に微小電子機械機構が収納されていることから、絶縁基板の一方主面の流路の開口端部分に外部の被処理流体の供給口をロウ材等の手段で密着させて接合させることにより、絶縁基板と外部との被処理流体のやりとりが容易となる。その結果、被処理流体の供給から化学反応まで一貫して密閉状態を保つことができるので、外部から異物が混入することを防ぎ、所謂コンタミネーション等の問題の発生を効果的に防止することができる。

また、マイクロ化学チップが具備するＭＥＭＳへの送液機能により、別途大型の液体供給装置を使用することなく、流路に被処理流体を流すことができ、微細な流路に見合った微量の被処理流体を準備すればよく、所望の化学処理に要するコストを低く抑えることもできる。

また、本発明のマイクロ化学チップは、被処理流体を流すための流路の開口端および電気的な接続のための接続パッドは、ともに機械的強度等の特性が良好で、取り扱いが容易な絶縁基板に形成されているため、取り扱いが容易である。

また、流路の開口端や接続パッドがともに絶縁基板の一方主面に形成されているため、プリント配線基板等の外部電気回路基板に対する電気的な接続、特に表面実装の形態での接続が容易である。

また、外部から被処理流体を供給するに際して液体供給用装置を別途用いて流路に被処理流体を供給する場合、外部環境をクリーンにする必要が無く、供給される被処理流体の量をより微小量化でき、一般的に高価な化学検出用の被処理流体を少量で効率よく使用することができる。

本発明において好ましくは、流路は、流通方向に垂直な断面における幅が０．０５乃至０．５ｍｍであることから、化学反応を効率的に行なわせることのできる大きさでかつ加工性を保てる小ささなので、絶縁基板への流路の形成がより簡便になり、被処理流体の流通量の制御に有効である。

また、本発明において好ましくは、流路は、平面視で枠状の導体層よりも内側に位置していることから、被処理流体が接続パッドに触れないようにして被処理流体を効率よくＭＥＭＳに供給できるため、腐食性の強い被処理流体をＭＥＭＳに供給したとしても、電気的接続の信頼性が保たれ、導電性の被処理流体をＭＥＭＳ部に供給することも可能となる。また、流路が導体層の内側に位置しているため、マイクロ化学チップの小型化をより効果的にかつ確実に行なうことができる。

また、配線導体および流路を、絶縁基体の内部で交錯しないようにして形成することができるため、製造が容易でコストをさらに低くすることもできる。

また、本発明において好ましくは、微小電子機械機構は、流路の一つの開口端から絶縁基板および半導体基板に挟まれた内部空間に湧出した被処理流体を化学的に分析するためのものであることから、絶縁基板と半導体基板とで挟まれた狭い空間内の少量の被処理流体を効率よく化学分析することができるので、化学分析を効率的に少量の被処理流体で行うことができる。

また、本発明において好ましくは、絶縁基板は、他方主面または側面に流路の他の開口端が位置しており、他の開口端に流路と連通する外部接続用のパイプが取着されていることから、外部接続用のパイプを絶縁基板に直接接続することができるので、接続の作業がより容易なものとなるとともに、被処理流体が供給されるところから化学反応を行うところまで一貫して密閉状態を保つことができる。その結果、マイクロ化学チップと外部の被処理流体供給装置との接続がより一層容易かつ確実になり、被処理流体の供給を簡易で高信頼性なものとすることができる。

本発明のマイクロ化学チップの製造方法によれば、上記各工程を具備することから、縦横に配列形成された多数個のマイクロ化学チップについて、それぞれの電極の外部接続のための接続と微小電子機械機構の封止とを同時に行なうことができるため、互いに接合された微小電子機械機構基板および多数個取り用マイクロ化学チップ基板から成る多数個取りのマイクロ化学チップを、容易かつ確実に製造することができる。

また、互いに接合された多数個取り用マイクロ化学チップ基板および多数個取り用微小電子機械機構基板を、微小電子機械機構領域およびマイクロ化学チップ基板領域毎に分割することにより、絶縁基板と半導体基板との間の微小空間内に微小電子機械機構を封止するとともに微小空間内に被処理流体を供給、排出するための流路を備えて成る個々のマイクロ化学チップを多数個同時に製造することができる。この分割の際、電子機械機構領域の各微小電子機械機構は多数個取り用マイクロ化学チップ基板によりそれぞれ封止されているので、ダイシング加工等による分割で発生するシリコン等の半導体基板の切削粉が微小電子機械機構に付着するようなことはなく、分割後のマイクロ化学チップにおいて微小電子機械機構を確実に作動させることができる。

また、分割して得られたマイクロ化学チップは、絶縁基板の他方主面や側面に配線導体が導出されているので、この導出された端部に金属バンプ等の端子を取着するだけで、表面実装等により外部電子回路基板に実装することができるものとなり、実装の工程を非常に短くかつ容易なものとすることができるマイクロ化学チップとなる。

本発明のマイクロ化学チップおよびその製造方法について以下に詳細に説明する。図１
は本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基板、２は枠状の導体層、３は配線導体、４は接続パッド、５は流路、６は微小電子機械機構（ＭＥＭＳ）、７は電極、８は半導体基板、９は導電性接続材、１０はマイクロ化学チップである。

絶縁基板１と半導体基板８とは枠状の導体層２に接合されている接合材１１を介して接合され、両者の間に形成される内部空間内に微小電子機械機構６が流路５の部分を除いて外部と遮断されて収納されている。流路５を通って内部空間内に供給される被処理流体が微小電子機械機構６で処理され、処理に応じて生じる電気信号が電極７から導電性接続材９を介して接続パッド４に伝わり、接続パッド４と電気的に接続されている配線導体３から外部に伝送され、処理の結果がわかるような仕組みになっている。

本発明における微小電子機械機構６は、例えばバイオセンサー，ＤＮＡチップ，マイクロリアクタ，プリントヘッドなどの流体ＭＥＭＳデバイス、化学センサ，ガスセンサ等の各種センサなどの機能を有するものであり、半導体微細加工技術を基本とした、所謂マイクロマシニングで作る部品であり、１素子あたり１０μｍ〜数１００μｍ程度の寸法を有する。

絶縁基板１は、微小電子機械機構６を封止するための蓋体や封止体として機能するとともに、枠状の導体層２、配線導体３、接続パッド４および流路５を形成するための基体としても機能する。

この絶縁基板１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料、ポリイミド，ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミックスやガラス等の無機材料粉末をエポキシ樹脂等の樹脂で結合して成る複合材等により形成される。

絶縁基板１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム，ガラス粉末等の原料粉末，樹脂バインダー，溶剤等を混合して成るガラスセラミックスラリーをシート状に成形して成るガラスセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製するとともにその複数枚を積層し、焼成することにより形成される。なお、絶縁基板１は、酸化アルミニウム質焼結体で形成するものに限らず、用途や気密封止するマイクロ化学チップ１０の特性等に応じて適したものを選択することが好ましい。

例えば、絶縁基板１は、枠状の導体層２を介して半導体基板８と機械的に接合されるので、半導体基板８との接合の信頼性、つまり絶縁基板１と半導体基板８との間に形成される内部空間の外部に対する遮蔽性や、マイクロ化学チップとして長期間の使用に耐える長期信頼性を高くするためには、ムライト質焼結体、または例えばガラス成分の種類や添加量を調整することにより熱膨張係数を半導体基板８に近似させるようにした酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系等のガラスセラミックス焼結体等のような半導体基板８との熱膨張係数の差が小さい材料で形成することが好ましい。

また、絶縁基板１は、配線導体３により伝送される電気信号の遅延を防止するような場合、ポリイミド，ガラスエポキシ樹脂等の有機樹脂材料、セラミックスやガラス等の無機粉末をエポキシ樹脂等の有機樹脂で結合して成る複合材、または酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系や酸化リチウム系等のガラスセラミックス焼結体等のような比誘電率の小さい材料で形成することが好ましい。

また、絶縁基板１は、被処理流体に対する保温性を高めて、微小電子機械機構６で施される処理、例えば化学反応等の処理の安定性を高める上では、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱伝導率の低い材料で形成することが好ましい
また、絶縁基板１は、微小電子機械機構６で行なわれる処理を目視で確認したり処理のために光を照射する場合、枠状のセラミック材料の中央部の開口にガラス材等の透光性材料を取着したもの等の、少なくとも一部に透光性を有するものであることが好ましい。

上記のように、本発明のマイクロ化学チップは、用途等に応じて種々の材料を選択することが可能で、機械的強度等の特性が良好であるとともに取り扱いが容易な絶縁基板１を用いることができ、この絶縁基板１に、被処理流体を流すための流路５の開口端および電気的な接続のための接続パッド４がともに形成されているため、取り扱いが容易である。

絶縁基板１の一方主面（微小電子機械機構６を封止する側の主面）から他方主面にかけて配線導体３が導出されている。この配線導体３は、一部が絶縁基板１の側面に導出されていてもよい。また、絶縁基板１の一方主面の外周部には枠状の導体層２が形成され、枠状の導体層２は、絶縁基板１を半導体基板８に接合するための下地金属層として機能する。枠状の導体層２に接合材１１を接合し、この接合材１１を半導体基板８に接合することにより、絶縁基板１と半導体基板８とが接合され、両者の間に接合材１１を側壁の一部とした内部空間が形成される。この内部空間内に、半導体基板８の一主面の中央部に形成されている微小電子機械機構６が収納される。

半導体基板８は、シリコン，ポリシリコン等の半導体材料を板状に加工して成り、一主面の中央部に微小電子機械機構６が形成されている。微小電子機械機構６は、シリコン，ポリシリコン等から成る半導体基板８の一主面に対してフォトリソグラフィー技術やレーザー加工などのいわゆるマスクレスエッチング技術、フッ酸エッチング，ドライエッチングなどのエッチング技術を用いて所望の構造を形成することにより作製される。

微小電子機械機構６は、例えば、化学処理用のものであれば、その用途に応じてエッチング加工で所定の構造に成形した後、スピンコートやディップコートなどのコーティング技術を用いて表面状態を変化させ薬品の濡れ性や化学反応性などを制御して用いられ、化学分析やＤＮＡの同定、クロマトグラフィーなどの各種分析などを行う。

また、半導体基板８の一主面の外周部には、微小電子機械機構６と電気的に接続された電極７が形成されている。この電極７は、微小電子機械機構６で行なわれた化学処理等の処理の結果に応じて発信される電気信号を半導体基板８の外部に接続し伝える機能をなし、アルミニウムや金等の金属材料等の導電性材料で形成されている
絶縁基板１と半導体基板８との接合は、半導体基板８の一主面の外周部のうち電極７よりも内側の部位を、接合材１１を介して絶縁基板１の枠状の導体層２に接合することにより行われる。また、絶縁基板１の一方主面側の枠状の導体層２の外側の部位には、配線導体３と電気的に接続された接続パッド４が形成されている。

配線導体３および接続パッド４は、半導体基板８の電極７から送られてくる電気信号を、マイクロ化学チップ１０の外部に伝送する導電路として機能する。これらの配線導体３，接続パッド４および導体層２は、銅，銀，金，パラジウム，タングステン，モリブデン，マンガン等の金属材料から成る。これらの配線導体３，接続パッド４および導体層２の形成の手段としては、メタライズ層として形成する手段、めっき層として形成する手段、蒸着等の金属を薄膜層として被着させる手段等を用いることができる。例えば、配線導体３，接続パッド４および導体層２がタングステンのメタライズ層から成る場合、タングステンの導体ペーストを絶縁基板１となるグリーンシートに印刷し、この導体ペーストをグリーンシートとともに焼成することにより形成される。

そして、絶縁基板１と半導体基板８との接合の際、半導体基板８の一主面の電極７が、接続パッド４に導電性接続材９を介して電気的に接続され、これにより微小電子機械機構６、電極７、接続パッド４および配線導体３の間が電気的に接続される。

導電性接続材９および接合材１１は、錫−銀系半田，錫−銀−銅系半田等の半田、金−錫ろう材等の低融点ろう材、銀−ゲルマニウム系等の高融点ろう材、銀，銅等の導電性粉末を樹脂で結合して成る導電性樹脂接着剤等により形成されている。この場合、接合材１１を介した絶縁基板１と半導体基板８との間の機械的な接合と、導電性接続材７を介した接続パッド４と電極８との間の電気的な接続の両方を容易かつ強固とするため、接合材１１および導電性接続材７は、溶融温度が同じものとする必要がある。両者の溶融温度は厳密に同じ温度とする必要はなく、接合、接続の作業（実際には周知のトンネル炉やバッチ式の炉等を用いた加熱溶融）を同時に行なえる程度の温度差があってもよい。

そして、配線導体３のうち絶縁基板１の他方主面に露出している部分を外部の電気回路に錫−鉛半田等を介して接合することにより、マイクロ化学チップ１０の電極７が導電性接続材９、接続パッド４および配線導体３を介して外部の電気回路に電気的に接続される。これにより、微小電子機械機構６と外部の電気回路とが電気的に接続される。

また、絶縁基板１の内部には、一方主面の導体層２の内側の部位に一つの開口端を有するとともに絶縁基板１の外部に露出する表面に他の開口端を有する被処理流体を流通させるための流路５が形成されている。この流路５を通って被処理流体が、絶縁基板１と半導体基板８と接合材１１とで形成されて内部に微小電子機械機構６が収納されている内部空間に供給される。これにより、化学分析を行なう試料等の被処理流体を流し、電位測定、ＤＮＡの検出，同定、クロマトグフィー、光化学反応等の化学処理等の処理の機能を有するマイクロ化学チップ１０が形成されることになる。

本発明のマイクロ化学チップ１０によれば、上記の構成としたことから、主として処理等の機能を有する半導体基板８側と、被処理流体や電気信号の通り道および外部接続の機能を有する絶縁基板１側との電気的、機械的な接続、接合を容易に行なうことができ、マイクロ化学チップ１０の生産性を優れたものとすることができる。この場合、例えば、半導体基板８側および絶縁基板１側をそれぞれ予め多数個縦横に配列しておき、これらを互いに一括して接続、接合し、マイクロ化学チップ１０を多数個同時に気密封止することができ、生産性を極めて優れたものとすることができる。

流路５は、グリーンシート上にプレス金型，ＮＣパンチングやレーザ加工を用いて窪みを作製し、その後グリーンシートを積層することによって作製される。また、流路５はグリーンシートの状態での断面をＳＥＭや金属顕微鏡を用いて観察するとき、断面が矩形状に安定して作製できることを評価条件とすると、流通方向に垂直な断面における幅が０．０５乃至０．５ｍｍであることが好ましい。０．０５ｍｍよりも小さくなると加工することが困難になり、生産性の低下やコストの上昇等を招くおそれがある。また、０．５ｍｍよりも大きくなると、流路５の断面積が大きくなり流路５が微小化されることによる化学反応の効率化に支障をきたす。そのため、微量の被処理流体で高精度の化学分析を行なうマイクロ化学チップ１０としての機能が低下するおそれがある。

ここで、流路５について、絶縁基板１を厚さが０．５ｍｍの板状の酸化アルミニウム質焼結体で形成し、一方主面から他方主面にかけて断面が円形状の流路５を形成したときの、加工性や化学反応性を試験した具体例を以下に示す。

グリーンシートは酸化アルミニウムと酸化ケイ素を主成分とする原料粉末を有機溶剤、樹脂バインダーとともにシート状に成形して作製し、流路５はＮＣパンチング加工により形成した。加工性の判断基準は、グリーンシートに断面が円形状の貫通穴が作製できるかの外観検査で判断しており、マイクロスコープを用いた。貫通穴がグリーンシートの上下面間にわたり貫通しているか否か検査するとともに、貫通穴の内面の軸方向からの傾斜角度（テーパー角）が、貫通穴の縦断面において、内面がグリーンシートの上下面に対して完全に垂直である場合（テーパー角＝０°）の仮想線と、実際の内面の線との間に形成される三角形状の部分の幅（三角形の底辺の長さ）と深さ（仮想線の長さ）との比率（幅：深さ）が１：３以下を○とした。

また、化学反応性は、Ｓｉの半導体基板８に作製されたＭＥＭＳ６において化学反応を行う際に、必要最小な送液量に対し実際にＭＥＭＳ６に供給される被処理流体量が倍以下になる場合を○、実際にＭＥＭＳ６に供給される被処理流体量が倍以上になる場合を△とした。表１に上記の加工性、化学反応性の結果を示す。

表１より、流路５の流通方向に垂直な断面における幅が０．０５ｍｍ未満では、加工性に不具合を生じやすくなる傾向があり、０．５ｍｍを超えると、化学反応性に不具合が生じる傾向が見られた。

また、本発明において、流路５は、平面視で枠状の導体層２よりも内側に位置していることが好ましい。これにより、被処理流体が接続パッド４に触れずに効率よく微小電子機械機構６に供給されるため、腐食性の強い被処理流体を微小電子機械機構６に供給したとしても、電気的な接続の信頼性が保たれ、導電性の被処理流体を微小電子機械機構６に供給することも可能となる。また、流路５が導体層２の内側に位置しているため、マイクロ化学チップ１０の小型化をより効果的にかつ確実に行なうことができる。また、配線導体３および流路５を、絶縁基体１の内部で交錯しないようにして形成することができるため、製造が容易でコストをさらに低くすることもできる。

また、本発明において、微小電子機械機構６は、流路５の一つの開口端から絶縁基板１および半導体基板８に挟まれた内部空間に湧出した被処理流体を化学的に分析するためのものであることが好ましい。これにより、絶縁基板１と半導体基板８とで挟まれた狭い内部空間内の少量の被処理流体を効率よく化学分析することができる。化学的分析をする微小電子機械機構６としては、例えば、多数のピン状の突起体の露出表面に予めそれぞれ異なるＤＮＡの標準試料を固定しておき、突起体により被処理流体中のＤＮＡを吸着させることにより、被処理流体中のＤＮＡの同定を行なう、所謂ＤＮＡチップの機能をなすもの、分子を捕捉する突起状の吸着体を被処理流体の流れる方向に沿って多数個配列しておき、被処理流体中の分子を吸着体に順次吸着させるクロマトグラフィ分析の機能を有するものなどが挙げられる。

また、本発明において、絶縁基板１は、他方主面または側面に流路の他の開口端が位置しており、他の開口端に流路と連通する外部接続用のパイプ（図示せず）が取着されていることが好ましい。これにより、外部接続用のパイプを絶縁基板１に直接接続することができるので、マイクロ化学チップ１０の外部電気回路基板等への接続の作業がより容易になるとともに、被処理流体が供給されるところから化学反応を行うところまで一貫して密閉状態を保つことができ、マイクロ化学チップ１０と外部の被処理流体供給装置との接続がより一層容易かつ確実になり、被処理流体の供給を簡易で高信頼性なものとすることができる。

パイプは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料、またはそれらに金メッキを施した耐薬品性を増したもの、ＳｉＯ_２等を主成分とするガラス、アルミナ，窒化アルミニウム等のセラミック材料等により形成される。また、パイプの絶縁基板１に対する取着は、ろう材，樹脂接着剤，低融点ガラス（封止用ガラス）等の接合材を介して接合する方法、表面をプラズマ装置やブラスト装置などを用いて活性化させた後に圧着やアニールすることにより接合を行う表面活性化接合等により行なうことができる。

次に、本発明のマイクロ化学チップの製造方法について図２（ａ）〜（ｄ）に基づいて説明する。図２は本発明のマイクロ化学チップの製造方法の実施の形態の一例をそれぞれ工程順に示した断面図であり、図２において図１と同じ部位には同じ符号を付してある。

まず、図２（ａ）に示すように、半導体母基板２８の一主面に、微小電子機械機構６およびそれに電気的に接続された電極７が形成されて成る微小電子機械機構領域２９を多数個縦横に配列形成した多数個取り微小電子機械機構基板３０を準備する。

半導体母基板２８は、例えば単結晶や多結晶等のシリコン基板から成る。このシリコン基板の表面に酸化シリコン層を形成する。その中に微小な振動体等の微小電子機械機構６を形成し、円形状パターン等の導体から成る電極７が形成された微小電子機械機構領域２９を主面に多数個配列形成することにより、多数個取り微小電子機械機構基板３０が形成される。この例では、微小電子機械機構６と電極７とは、それぞれ半導体母基板２８の主面に形成された微細配線（図示せず）を介して電気的に接続されている。

次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁母基板２１に、その一方主面から他方主面にかけて形成された配線導体３、一方主面の外周部に形成されて表面に接合材１１が被着されている枠状の導体層２、一方主面の導体層２の外側に形成されて表面に導電性接続材９が被着されている接続パッド４、および一方主面の導体層２の内側の部位に一つの開口端を有するように形成された被処理流体を流通させるための流路５を一組としたマイクロ化学チップ領域２２を、主面に多数個縦横に配列形成した多数個取りマイクロ化学チップ基板２３を準備する。

絶縁母基板２１は、例えば、それが酸化アルミニウム質焼結体から成り、配線導体３がタングステンのメタライズ層から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム等の原料粉末を、樹脂バインダ、有機溶剤とともに混練してスラリーを作製し、このスラリーをドクターブレード法やリップコータ法等によりシート状に成形して複数のグリーンシートを形成し、このグリーンシートの表面および必要に応じてグリーンシートに予め形成しておいた貫通孔に、タングステンの導体ペーストを印刷塗布して充填し、その後これらのグリーンシートを積層して焼成することにより形成することができる。

枠状の導体層２は、例えば、配線導体３と同様のメタライズ層等の導体層から成り、絶縁母基板２１が酸化アルミニウミ質焼結体等のセラミックスから成る場合の絶縁母基板２１に対する接合強度、生産性、コスト等を考慮すれば、配線導体３と同様の組成のメタライズ層からなるものが好ましい。

接続パッド４は、例えば、配線導体３や導体層２と同様の材料から成り、タングステンの導体ペーストを絶縁母基板２１となるグリーンシートのうち最表面側のものに、配線導体３となる印刷された導体ペーストと接続されるようにして、かつ多数個が縦横に配列形成されるようにして、スクリーン印刷法等により印刷しておくことにより形成される。

流路５は、例えば、絶縁母基板２１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、絶縁母基板２１となるグリーンシートにプレス金型やＮＣパンチング、レーザ加工等の穴あけ加工、打抜き加工、切削加工等の機械的加工を施して、グリーンシートに開口部や貫通孔、溝等を形成しておくことにより形成される。例えば、流路５が、図２（ｂ）に示すように絶縁母基板２１の一方主面から他方主面にかけて貫通するような貫通孔から成る場合、各グリーンシートにＮＣパンチング加工で貫通孔を形成しておき、この貫通孔が最上層から最下層にかけて連通するようにしてグリーンシートを積層することにより形成される。

なお、流路５は、全長にわたって貫通孔状のものである必要はなく、絶縁母基板２１を分割した後の状態で、絶縁母基板２１の厚み方向の中央部等から各マイクロ化学チップ１０の側面にかけて横溝状に形成された形態等の他の形態でもよい。この場合、グリーンシートの所定部位に、レーザ加工等で細長い溝状の開口部を形成しておき、この開口部の上下に他のグリーンシートを積層することにより、絶縁母基板２１の内部に溝状の流路５を形成することができる。

導電性接続材９および接合材１１は、錫−銀半田，錫−銀−ビスマス半田，錫−銅−ビスマス半田，錫−鉛半田等の半田、銀，銅，金，白金，パラジウム等の金属、このような金属を樹脂等の粉末コア材の表面にめっき等の手段で被着した導電性フィラー粉末をエポキシ樹脂，アクリル樹脂等の樹脂で結合して成る導電性樹脂接着剤等の材料を用いることができる。また、接合材１１は導電性を有するものでなくてもよい。例えば、エポキシ樹脂，アクリル樹脂等の樹脂、または樹脂にガラス，シリカ等の無機粉末を添加したものでもよい。導電性接続材９および接合材１１は、例えば、ともに錫−銀半田等の半田から成る場合、この半田を接続パッド４および導体層２上に位置決めして載置し、加熱、溶融、接合させることにより形成される。

次に、図２（ｃ）に示すように、多数個取り微小電子機械機構基板３０の微小電子機械機構基板領域２９の各電極７を、多数個取りマイクロ化学チップ基板２３のマイクロ化学チップ基板領域２２の接続パッド４に導電性接続材９を介してそれぞれ接続するとともに、半導体母基板２８の一主面と絶縁母基板２１の導体層２とを接合材１１を介して接合する。この工程において、多数個取り微小電子機械機構基板３０と多数個取りマイクロ化学チップ基板２３とが機械的、電気的に接合、接続され、各微小電子機械機構領域２９とマイクロ化学チップ基板領域２２毎に形成される内部空間内に微小電子機械機構６が収納された多数のマイクロ化学チップが一括して、縦横に配列された状態で形成される。

このように、電極７と接続パッド４とを導電性接続材９を介して接続するとともに、半導体母基板２８の一主面と導体層２とを接合材１１を介して接合する工程を一つの工程で行なうことを可能とし、多数個取りの状態でマイクロ化学チップを形成することを容易なものとするとともに、電極７と接続パッド４との間の電気的接続や、半導体母基板２８と導体層２および絶縁母基板２１との間の機械的な接合を確実に強固なものとするために、導電性接続材９と接合材１１とは、溶融温度が同じものとしておく。

また、導電性接続材９および接合材１１は同じ高さであることが好ましい。これにより、導電性接続材９の電極７に対する接続面と、接合材１１の半導体母基板２８の一主面に対する接合面とが同じ高さになるため、電極７と接続パッド４とを導電性接続材９を介して接続するとともに、半導体母基板２８の一主面と導体層２とを接合材１１を介して接合する工程を一つの工程で行なうことが、より一層容易なものとなる。また、電極７と接続パッド４との間の電気的な接続、半導体母基板２８と導体層２および絶縁母基板２１との間の機械的な接合がより確実に強固なものとなる。

接合材１１の高さを導電性接続材９の高さと同じとする方法としては、例えば、導電性接続材９となる錫−銀半田を溶融させて接続パッド４上に取着形成する際に、その上面を接合材１１と同じ高さとなるようにしてセラミックス製の治具等で押さえておく等の方法を用いることができる。

ここで、電極７と接続パッド４との接合は、例えば、接続パッド４および接合材１１が錫−銀半田から成る場合、電極７上に接続パッド４を位置合わせして載せ、これらを約２５０〜３００℃程度の温度のリフロー炉中で熱処理すること等により行なわれる。

また、各微小電子機械機構領域２９の外周部分の半導体母基板２８の一主面に対する接合材１１による接合は、例えば、接合材１１を半導体母基板２８の一主面に押し当てておき、上述の電極７と接続パッド４との導電性接続９を介した接続と同時にリフロー炉中で熱処理することにより行なうことができる。この場合、上述のように、接続パッド４の高さを枠状の導体層２の高さと同じとしておくと、電極７と接続パッド４との導電性接続材９を介した接続と、接合材１１と半導体母基板２８の一主面との接合をさらに容易かつ確実に、同時に行なうことができる。

このように、本発明のマイクロ化学チップ１０の製造方法によれば、微小電子機械機構領域２９の電極７の外部への導出のための接合と、半導体母基板２８（半導体基板８）と絶縁母基板２１（絶縁基板１）との接合とを同時に、しかも多数個配列した状態で行なうことができるため、数時間程度を要する半田（ろう）付け等の接合の工程を１回で済ませることができ、また同時に多数個のマイクロ化学チップ１０を配列させた状態で作製することができるので、マイクロ化学チップ１０の生産性を非常に高めることができる。

そして、図２（ｄ）に示すように、互いに接合された多数個取りマイクロ化学チップ基板２３および微小電子機械機構領域基板３０を、微小電子機械機構領域２９およびマイクロ化学チップ領域２２毎に分割して、絶縁基板１に半導体基板８が接合されて成る個々のマイクロ化学チップ１０を得る。この場合、互いに接合された絶縁母基板２１と半導体母基板２８の接合体の切断は、この接合体に対してダイシング加工等の切断加工を施すことにより行なうことができる。

本発明のマイクロ化学チップ１０の製造方法においては、ダイシング加工等の切断加工の際に、各微小電子機械機構６は枠状の導体層２と半導体基板８と絶縁基板１とにより形成される内部空間に収納されているので、半導体基板８や絶縁基板１等の切断に伴って発生するシリコンやセラミックス等の切削粉等が微小電子機械機構６に付着することは効果的に防止され、完成したマイクロ化学チップ１０において、微小電子機械機構６を確実に正常に作動させることができる。

なお、この場合、流路５を経て微小電子機械機構６が収納されている内部空間に切削粉等が侵入する可能性があるが、流路５の開口面積を０．３ｍｍ^２以下と小さくすることにより、内部空間に切削粉等が侵入する可能性を実用上支障の無い程度に抑制することができる。また、切削時に併用される洗浄用の水の流速を速くしたり、流れる方向を流路５の開口端に対して直角方向にするなどの対応を行なうことで、より確実に微小電子機械機構６を正常に作動させることができる。

このように、本発明のマイクロ化学チップ１０の製造方法によれば、微小電子機械機構６が収納される内部空間の形成工程と、微小電子機械機構６に電気的に接続された電極７を、表面実装が可能な形態で外部に導出する導電路に接続する工程と、内部空間内に被処理流体を湧出させる流路５を開口させる工程とを一つの工程で行なうことができるので、マイクロ化学チップ１０の生産性を非常に高くすることができる。

また、上記のように製造されたマイクロ化学チップ１０は、すでに気密封止されているとともに、その電極７が配線導体３を介して外部に導出された状態であるので、これを別途パッケージ内に実装するような工程を追加する必要はなく、配線導体３の導出された部分を外部の電気回路に半田ボール等の外部端子を介して接続するだけで、外部電気回路基板に実装して使用することができる。

また、上記のように製造されたマイクロ化学チップ１０は、被処理流体の流出入口である流路５の開口端が絶縁基板１側にあるので、絶縁基板１に金属製のパイプなどを流路５と連通するようにして取着するだけで簡易に外部との接続を行うことができる。この場合、配線導体３および流路５の少なくとも一つの開口端は、絶縁基体１の他方主面または側面に導出されているので、外部電気回路に表面実装の形態で接続することができ、高密度に実装することや、外部電気回路基板を効果的に小型化することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば、種々の変形は可能である。例えば、上述の実施の形態の例では、一つのマイクロ化学チップ１０内に一つの微小電子機械機構６を気密封止したが、一つのマイクロ化学チップ１０内に複数の微小電子機械機構６を気密封止してもよい。また、図１に示した例では、配線導体３は絶縁基板１の他方主面側に導出されているが、一部を側面に導出したり、複数の部位に導出したりしてもよい。また、この導出された部分の外部電気回路への電気的な接続は錫−銀半田等の半田を介して行なうものに限らず、リード端子、ピン端子、導電性接着剤や導電性クリップ等を介して行なってもよい。

本発明の電子部品封止用基板について実施の形態の一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明のマイクロ化学チップの製造方法について実施の形態の一例をそれぞれ工程順に示した断面図である。

符号の説明

１：絶縁基板
２：枠状の導体層
３：配線導体
４：接続パッド
５：流路
６：微小電子機械機構
７：電極
８：半導体基板
９：導電性接続材
１０：マイクロ化学チップ
１１：接合材
２１：絶縁母基板
２２：マイクロ化学チップ領域
２３：多数個取りマイクロ化学チップ基板
２８：半導体母基板
２９：微小電子機械機構領域
３０：多数個取り微小電子機械機構基板

Claims

一方主面から他方主面にかけて配線導体が形成されている絶縁基板と、該絶縁基板の前記一方主面の外周部に形成された枠状の導体層と、前記配線導体に電気的に接続されて前記一方主面の前記導体層よりも外側に形成された接続パッドと、前記絶縁基板の内部に形成された、前記一方主面の前記導体層の内側の部位に一つの開口端を有するとともに前記絶縁基板の外部に露出する表面に他の開口端を有する被処理流体を流通させるための流路と、一主面の中央部に微小電子機械機構および前記一主面の外周部に前記微小電子機械機構に電気的に接続された電極がそれぞれ形成されるとともに、前記一主面の外周部で前記電極よりも内側の部位が前記導体層に全周にわたって接合材を介して接合された半導体基板と、前記接続パッドと前記電極とを電気的に接続するとともに前記接合材と溶融温度が同じである導電性接続材とを具備しており、前記絶縁基板と前記半導体基板との間に前記接合材を側壁の一部とした内部空間が形成されているとともに、前記絶縁基板の前記微小電子機械機構に対向する部位に凹部が形成されており、前記内部空間内に前記微小電子機械機構が収納されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
前記流路は、流通方向に垂直な断面における幅が０．０５乃至０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップ。
前記流路は、平面視で枠状の前記導体層よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロ化学チップ。
前記微小電子機械機構は、前記流路の前記一つの開口端から前記絶縁基板および前記半導体基板に挟まれた内部空間に湧出した前記被処理流体を化学的に分析するためのものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
前記絶縁基板は、他方主面または側面に前記流路の前記他の開口端が位置しており、前記他の開口端に前記流路と連通する外部接続用のパイプが取着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
半導体母基板の一主面に、微小電子機械機構およびそれに電気的に接続された電極が形成されて成る微小電子機械機構領域を多数個縦横に配列形成した多数個取り微小電子機械機構基板を準備する工程と、絶縁母基板に、その一方主面から他方主面にかけて形成された配線導体、前記一方主面の外周部に形成されて表面に接合材が被着されている枠状の導体層、前記一方主面の前記導体層の外側に形成されて表面に導電性接続材が被着されてい
る接続パッド、前記一方主面に形成された凹部、および前記一方主面の前記導体層の内側の部位に一つの開口端を有するように形成された被処理流体を流通させるための流路を一組としたマイクロ化学チップ基板領域を多数個縦横に配列形成した多数個取りマイクロ化学チップ基板を準備する工程と、前記多数個取り微小電子機械機構基板の前記微小電子機械機構領域の前記各電極を、前記多数個取りマイクロ化学チップ基板の前記マイクロ化学チップ基板領域の前記各接続パッドに前記導電性接続材を介してそれぞれ接続するとともに、前記半導体母基板の前記一主面に形成されている前記各微小電子機械機構に対向するように前記絶縁母基板の前記一方主面に形成されている前記各凹部を配置し、前記半導体母基板の前記一主面と前記絶縁母基板の前記導体層とを前記接合材を介して接合して、前記半導体母基板と前記絶縁母基板との間に前記接合材を側壁の一部とした内部空間を多数個縦横に配列形成し、該各内部空間内に前記半導体母基板の前記一主面に多数個縦横に配列形成されている前記各微小電子機械機構を収納する工程と、互いに接合された前記多数個取り微小電子機械機構基板および前記多数個取りマイクロ化学チップ基板を前記微小電子機械機構領域および前記マイクロ化学チップ基板領域毎に分割して個々のマイクロ化学チップを得る工程とを具備していることを特徴とするマイクロ化学チップの製造方法。