JP5032890B2 - ワンショットバルブ、およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワンショットバルブ、およびその製造方法に関する。詳しくは、ラプチャー機構を有する感温型ワンショットバルブに関するものである。あるいは、燃料電池の圧力開放機構、ラボオンチップやスマートマイクロピルの液送開始機構、等に利用可能な感温型ワンショットバルブ、等におけるマイクロ加工技術を用いた製造方法に関するものである。

１９８０年代以来、多くのマイクロ加工技術によって製造されたバルブ（以下、これをマイクロ加工バルブと記す）が開示されてきた（例えば、非特許文献１参照）。
それらの開示によれば、マイクロ加工バルブは、主に２つの分類、すなわち、受動バルブおよび能動バルブに分類される。
一方、別のマイクロ加工バルブとして、一度だけ動作するように設計された、例えば、ワンショットバルブを含んだマイクロ加工バルブが知られている。

上記ワンショットバルブの応用としては、ラボオンチップにおいて混合反応をトリガするためのバルブ、またはスマートマイクロピルに薬物サンプルを送達するためのバルブとして有効である。
これらのワンショットバルブの動作が温度の作用によって行われる温度作動弁として構成されている場合、小さい燃料タンクを持った、たとえば小型携帯機器用の燃料電池の圧力開放に使うことができる。
すなわち、このようなバルブは、温度上昇によって燃料タンクの圧力が異常に高くなった際、圧力を開放するためのラプチャー機構に応用することができる。
本明細書では、以上のように一度だけ動作するように設計され、マイクロ加工技術によって製造される作動弁を、マイクロ加工ワンショットバルブと定義する。

従来において、温度および圧力に依存して動作するマイクロ加工ワンショットバルブが、開示されている（非特許文献２参照）。
この非特許文献２においては、シリコンウエハを穿孔して設けられたチャネルの上端が、クロムと銅の積層による下地層とその上部にコーティングされた低融点合金によって遮断された構造のマイクロ加工ワンショットバルブが、開示されている。
マイクロ加工ワンショットバルブの温度が合金の融点より高く、チャネル内外の圧力差がクロム／銅複層を破るのに十分高い場合、このバルブは開放状態となる。このときの圧力差は、通常、１００ｋＰａ以上に設定される。
これは、下地層が１００ｋＰａ未満で破れるように設計する場合、下地層の強度が低くなるため、製造プロセス中に壊れる可能性を減らすためである。
したがって、この構造は、１００ｋＰａ以上の圧力差で開くようなバルブの設計において好適である。
また、下地層を構成するクロムと銅の熱膨張率が異なるので、下地層の破損強度が温度に依存する場合がある。
したがって、特定の温度、特定の圧力差で開放になる下地層を実現するためには、注意が必要である。

一方、非特許文献３では、マイクロ加工ワンショットバルブが開示されている。
この非特許文献３のマイクロ加工ワンショットバルブによれば、塞がれているマイクロチャネルの開放は、ポリエチレン層の融解によって行われる。
したがって、このバルブが動作する温度は、ポリエチレンの融解温度によって設定することができる。
また、非特許文献４では、マイクロ球体を使ったマイクロ加工ワンショットバルブが開示されている。
この非特許文献４のマイクロ加工ワンショットバルブでは、設定された温度以上で、膨張可能なマイクロ球体の体積が、約６０倍に増大する。
チャネルの内部に挿入されたこれら球体は、膨張したとき、このチャネルを塞ぐ。
このマイクロ加工ワンショットバルブは、開放位置から閉止位置への切り換え動作が可能に構成されている。

また、非特許文献５においては、電流によってトリガーされるマイクロ加工ワンショットバルブが開示されている。
このバルブは、シリコンウェハの内部に実装された槽内に配置されている。
該槽の上部には、アノードの役目を果たす金属層が溶着されている。該槽の傍らには、カソードの役目を果たす別の金属層が溶着されている。
このバルブを電解液内に入れ、アノードとカソードとの間に電位差を与えることによって、アノードは酸化され、その後、アノード金属層が電解液内に溶解される。この仕組みによって、閉止位置から開放位置への切り換えを行う。

また、特許文献１では、熱作動バルブについて開示されている。
このバルブは、二つの金属配管が繋がれた結合部の内部にはんだによってシールされた部材であり、配管内の流れを止めている。はんだに熱を加えることによって、このはんだが溶け、バルブが開放され、金属配管内の流れが可能になる。
また、特許文献２では、原子炉圧力容器の過圧不良に対する防護用の安全装置について開示されている。
このデバイスは、圧力補償開口部を、はんだでシールしたものである。通常運転の間、はんだは固体であり、かつ開口部は閉止されている。より高い温度において、はんだは溶ける。
さらに、管内の過圧によって、融解はんだが押され、管の開口部が開く。
Ｋ．Ｗ．ＯｈおよびＣ．Ｈ．Ａｈｎ．著、 「マイクロバルブ概説（Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ）」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．出版、１６、Ｒ１３〜Ｒ３９、２００６年。 Ａ．Ｄｅｂｒａｙ、Ｍ．ＳｈｉｂａｔａおよびＨ．Ｆｕｊｉｔａ著 「感温型ワンショットマイクロ加工バルブ（ｏｎｅ−ｓｈｏｔ ｍｉｃｒｏ−ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）」、 Ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ ＭＥＭＳ ２００６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．出版、ｐ．１３７〜１４０、２００６年。 Ｏ．Ｇｕｅｒｉｎ、Ｌ．Ｊ．Ｏ．Ｄｕｂｏｃｈｅｔ、Ｊ．−Ｆ．Ｚｅｂｅｒｌｉ、Ｐｈ．Ｃｌｏｔ、およびＰｈ．Ｒｅｎａｕｄ著、 「小型ワンショットバルブ（Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｏｎｅ−ｓｈｏｔ ｖａｌｖｅ）」、 米電気電子学会微小電子機械システム会議出版（Ｉｎ ＩＥＥＥ ＭＥＭＳ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、ｐ．４２５〜４２８、１９９８年。 Ｐ．Ｇｒｉｓｓ、Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ Ｈ．、およびＧ．Ｓｔｅｍｍｅ著、 「液体処理用膨張可能マイクロ球体（Ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄｓ）」、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ出版，２、ｐ．１１７〜１２０，２００２年。 Ｊ．Ｔ．Ｓａｎｔｉｎｉ、Ａ．Ｃ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ、Ｒ．Ｓｃｈｅｉｄｔ、Ｍ．Ｊ．Ｃｉｍａ、およびＲ．Ｌａｎｇｅｒ著、 「制御された薬物送達デバイスとしてのマイクロチップ（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒｕｇ−ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅｓ）」、 Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．出版、３９、ｐ．２３９６〜２４０７、２０００年。 米国特許第４，３１３，４５３号明細書 米国特許第５，５２６，３８５号明細書

上記従来例のものにおいては、つぎに説明するように、いくつかの問題点を有している。
例えば、感温型マイクロ加工ワンショットバルブを利用する場合、バルブの動作温度は使用目的によって種々の設定ができることが望ましい。
しかしながら、非特許文献２に開示のマイクロ加工バルブでは、１００ｋＰａより小さな圧力差で開放するバルブの製造が困難となる場合がある。また、下地層の材料構成によって、正確な開放圧力差を設計することが難しくなる場合がある。
また、非特許文献３に開示のマイクロ加工バルブの場合、使用目的に応じて望ましい動作温度に設定することができない。

一方、圧力開放のために用いるためには、閉止位置から開放位置への切り換えが必要である。
これに対して、非特許文献４に開示のマイクロ加工バルブの場合、バルブの動作は、開放位置から閉止位置へ切り換え動作しか行えない。
また、燃料タンクの圧力開放機構や種々の送液開始機構として利用するためには、任意の使用環境で動作可能でなければならない。
これに対して、非特許文献５に開示のマイクロ加工バルブの場合、バルブの動作は、電解液環境に限定されてしまう。

また、マイクロ加工ワンショットバルブは、小型のシステムに組み込んで利用されるという理由のほかに、以下の特徴をもつ。
一つは、サイズが小さいことによって周囲温度に対する感度が高い点である。
この高感度は、温度拡散が小さいサイズに対してより速いことによる。
もう一つは、製造方法として、マイクロ加工技術、とりわけＭＥＭＳ技術を用いることができるため、同一支持体上で同時に複数のデバイスを製造するバッチ製造が可能となる点である。
これは、製造コストの低減と、例えばヒータ等の制御機構を同時に、またバルブ近傍に直接作りこむことを可能にする。
しかしながら、特許文献１、特許文献２で開示されている、はんだを用いた例では、いずれもその製造は、典型的なマクロ的技術による必要がある。
このためデバイスのサイズは、２〜３ｍｍ³以下に縮小することはできず、また、製造は、バッチ処理が不可能である。
加えて、ヒータ等の制御機構は、直接的に組み込めない。

以上の感温型マイクロ加工ワンショットバルブにおける解決されるべき課題は、つぎのような点にまとめてみることができる。
周囲温度が、予め設定された温度Ｔ_Cより高いとき、および、圧力が定められた圧力Ｐ_Cより高くなったとき、加圧流体（気体または液体）を放出することが必要である。
すなわち、この設定された温度以下においては、圧力のかかった気体もしくは液体を収容しているタンクに連結されているバルブは、閉じたままであり、この設定された温度以上においては、バルブは開放されるように構成されなければならない。
その際、バルブの開放温度を任意の温度に設定することができ、バルブが液体環境および気体環境のいずれにも使えることが望ましい。
その上、バルブは、小型で、典型的に２〜３ｍｍ³より小さいものである。
さらにその製造工程は、バッチ方式のもので、開放のオンデマンドトリガを与えるために、ヒータを該システム内に容易に組み込むことが必要である。
また、バルブの開放時に、開放を目的とする流体以外の内容物、例えば固形物や固体粒子などがある場合、その飛散を防止できるのが望ましい。そのような場合は、チャネル自体がフィルタとして機能することが望ましい。

本発明は、上記課題に鑑み、バルブの開放温度を任意の温度に設定することができ、流体以外の内容物の飛散を抑制して、液体環境または気体環境のいずれにも使用でき、小型化を図ることが可能となるワンショットバルブの提供を目的とする。
また、本発明は、ヒータを組み込み、バッチ方式で上記ワンショットバルブを製造することが可能となる製造方法の提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成したワンショットバルブ、およびその製造方法を提供するものである。
本発明のワンショットバルブは、
結晶シリコン基板と、
前記結晶シリコン基板の両面に亘る開口部を有するチャネルと、
前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように形成された金属層と、
前記金属層の少なくとも一部を覆い、かつ、前記チャネルの開口部を遮断するように溶着された低融点金属部材と、
を備えていることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記チャネルの直径は１μｍ以上、５００μｍ未満であることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記チャネルの直径が１μｍ以上、３００μｍ未満であることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記金属層は、銅を主成分とすることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記結晶シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を有することを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記接着層は、クロムまたはチタンを主成分とすることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記低融点金属部材は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｄの少なくともひとつの元素を含む合金からなることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記チャネルが、複数本形成されていることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記低融点金属部材は、前記チャネルの内部に一部が侵入していることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記結晶シリコン基板上の、前記低融点金属部材が溶着している部分に、溝が形成されていることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記低融点金属部材の表面および、前記低融点金属部材が溶着している前記結晶シリコン基板の表面が、少なくとも部分的にフォトレジストによって覆われていることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブは、前記低融点金属部材を加熱するためのヒータが配置されていることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、
結晶シリコン基板に、該結晶シリコン基板の厚さ全体を貫く開口部を有するチャネルを形成する工程と、
前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程と、
前記金属層の少なくとも一部を覆い、かつ、前記チャネルの開口部を遮断するように、低融点金属部材を溶着する工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、前記チャネルを形成する工程には、反応性イオンエッチングによって該チャネルを形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、前記チャネルを形成する工程には、ウェットエッチングによって該チャネルを形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、前記低融点金属部材を溶着する工程には、一方の相が前記低融点金属部材を構成する金属材料である二相液浴中に、前記結晶シリコン基板を浸して該低融点金属部材を溶着する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、前記金属層を形成する工程には、スパッタリング法により該金属層を成膜する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、前記金属層のパターニングが、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによって行なわれることを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、
低融点金属部材を溶着する工程が、
前記低融点金属部材の温度を前記低融点金属部材を構成する金属材料の融解温度より高くする工程と、
前記チャネルの両端に圧力差を加える工程と、
により、前記低融点金属部材を前記チャネルの内部に一部侵入させる工程を含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、
前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程の前に、前記結晶シリコン基板一面上に溝を形成する工程を、更に含み、
前記低融点金属部材を溶着する工程において前記結晶シリコン基板上に形成された溝を含み低融点金属部材を溶着することを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、
前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程において、ヒータを形成するパターンを、前記金属層に同時にパターニングする工程を、更に含むことを特徴とする。
また、本発明のワンショットバルブの製造方法は、
前記結晶シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を形成する工程を、更に含むことを特徴とする。

本発明によれば、バルブの開放温度を任意の温度に設定することができ、流体以外の内容物の飛散を抑制して、液体環境または気体環境のいずれにも使用でき、小型化を図ることが可能となるワンショットバルブを実現することができる。また、ヒータを組み込み、バッチ方式で上記ワンショットバルブを製造することが可能となる製造方法を実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、ワンショットバルブ（以下、このワンショットバルブをマイクル加工ワンショットバルブと記す）を、結晶シリコン基板（以下、この結晶シリコン基板をシリコン基板と記す）の両面に亘る該基板の厚さ全体を貫いて穿孔して形成された開口部を有するチャネルと、
前記シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように形成された金属層と、
前記金属層の少なくとも一部を覆って、前記チャネルの開口部を遮断するように溶着された低融点金属部材と、で構成することができる。
このような本実施の形態のマイクル加工ワンショットバルブによれば、マイクロ加工技術を使うので、典型的に２〜３ｍｍ^３より小さく作ることができる。
このため、前述したように周囲温度の変化に対する感度が高くなり、より精密な動作温度設定が可能となる。
また、バッチ処理による製造が可能となるため、製造コストの低減や、同時形成によるヒータの取り付けの簡素化を実現することができる。
また、チャネルの直径またはチャネルの開口部の直径を１μｍまで小さくすることができる。従って、チャネルをフィルタとして用いることができる。
例えば、水素吸蔵合金の粉体は、マイクロ燃料電池のための水素放出材料として想定される。
バルブが開放されたとき、水素吸蔵合金粉末の飛散を防ぐために、フィルタとして働くこともできる。
水素吸蔵合金の粉末は、水素吸蔵材料として用いる場合に、水素化粉砕や、機械的に粉砕することによって製造される。
水素吸蔵合金の粉末が細かすぎると、水素の吸蔵・放出時の水素ガスの流路が確保できず、吸蔵量がばらついたり、吸蔵・放出に長時間を要する。また、大きすぎると、比表面積が小さくなり、吸蔵・放出時に多くの時間を有する。
このため、水素吸蔵合金の大きさは、１０μｍから５００μｍ程度で用いることが望ましい。このため、マイクロ加工ワンショットバルブをフィルタとして、機能させるためには、１０μｍ以上５００μｍ未満のチャネルを設けるのが望ましい。
また、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵・放出の繰り返しにより、より細かくなることもある。
この場合は、予想される粉末の大きさ以下に設定すればよく、結果として、１μｍから５００μｍ未満が好ましく、１μｍ以上３００μｍ未満が更に好ましい。粉末の大きさが１μｍ以下になることはほとんどないため、フィルタとして機能する。

また、本実施の形態のマイクロ加工ワンショットバルブによれば、低融点金属部材は、温度によってその物理的状態（液体または固体）が変化し、チャネル側からかかる圧力に対する機械的強度が変化する。
低融点金属部材が固体であるとき、チャネルは塞がれており、低融点金属部材が液体であるとき、低融点金属部材が破壊され、チャネルが開放される。
このように、低融点金属部材を使っているため、その材料組成によって任意の融解温度を設定できる。
具体的には、摂氏４７度から数百度まで、摂氏２〜３度刻みで設定できるので、バルブの動作温度を細かく調整することが可能である。

さらに、本実施の形態によれば、チャネルと低融点合金との間に下地層がないため、バルブの動作温度は、合金の融点だけで正確に定めることが可能であり、開放差圧が１００ｋＰａ未満となるように設計することも可能である。
また、開放圧力は、チャネルの直径と、流体／低融点合金界面エネルギーとにのみ依存し、開放差圧の設計がより簡単になる。

以下に、図を用いて本発明を実施するための具体的な実施形態について説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態として、本発明を適用したマイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程について説明する。
図１に、本実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブを説明するための断面図を示す。
図１において、１００はシリコン基板、１０１はチャネル、１０２は低融点金属部材、１０３は金属層、１０４は接着層である
本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブの基本構造は、図１に示すように、シリコン基板１００の厚さ全体を貫いて穿孔されたチャネル１０１と、該チャネル１０１の上に溶着された低融点金属部材１０２で構成される。

つぎに、本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブの製造方法について説明する。
まず、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）用マスクをシリコン基板１００の裏面上に形成する。
このとき、サイズにもよるが、一枚のシリコン基板から多数個のバルブをバッチ処理によって作製することができるので、個々のバルブに対して予めチャネル１０１が形成される位置にマスク形成しておく。
なお、マスクは、耐溶剤性であるのが望ましく、アルミニウムまたは二酸化けい素などで作ることができる。
マスクを形成した面と反対のシリコン基板１００の表面上に、接着層１０４としてクロムまたはチタンを主成分とする接着層を形成する。
また、金属層１０３を成膜し、かつそれをパターニングする。
この金属層の金属材料には、銅を主成分とする材料を用いることができる。
成膜は、成膜された金属層内にピンホールの形成を防ぐために、スパッタリング法によって実施することができる。
なお、ディープＲＩＥ用マスクパターン、金属層のパターンは、いずれも１ミクロンメートル以上のパターンサイズであれば、周知の技術で形成することが可能である。
したがって、該パターン形成は、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによるか、リフトオフ処理によるかのいずれかによって実施することができる。
このとき、図１に示されたように、接着層１０４、金属層１０３のパターンは、チャネル１０１の開口部となる部分を被覆しないように形成される。
このときのパターンも、一枚の基板から作製される複数個のバルブのそれぞれの位置に対して形成される。シリコン基板１００の裏面上に前もって作られたマスクを使い、ディープＲＩＥにより、シリコン基板１００の厚さ全体を貫いてエッチングし、チャネル１０１を形成する。

次に、シリコン基板１００を、２つの相、すなわち底部に融解した低融点金属、上部にｐＨ＝１の希塩酸を収容した二相液浴中に浸す。
この方法は、後に掲載した文献リスト中の文献１に詳述されている。
なお、以下の説明で引用する文献２〜３も、その詳細な文献名は上記文献リスト中に掲載されている。
最初に、希塩酸によって、銅層の表面に形成された自然酸化銅がエッチングされる。
しかしながら、アルミニウム層の表面に形成された酸化層は、希塩酸によってエッチングされない。
水と銅の界面エネルギーは、低融点金属と銅の界面エネルギーより高いので、低融点金属によって銅層はコーティングされる。
他方、水と他の物質（酸化アルミニウム、二酸化けい素、およびシリコン）の界面エネルギーは、低融点金属とこれらの物質の界面エネルギーより小さい。
したがって、低融点金属によって、該物質はコーティングされない。
しかしながら、チャネル１０１の直径が十分に小さく、チャネル１０１の周囲を取り囲むように銅層１０３のパターンがある場合、図１に示すように、低融点金属部材１０２がチャネル１０１上を塞ぐように形成することができる。
その際、このような低融点金属部材は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｄの少なくともひとつの元素を含む合金から選択することができる。
また、このような構造は、融解状態の低融点金属の表面エネルギーや粘性、金属層１０３のパターン形状、プロセス条件等によるが、チャネル１０１の直径が５００μｍ以下であれば、好ましく形成することができる。
最後に、一枚の基板に作製された複数個のバルブをそれぞれ設定されたサイズに切り離す。
なお、バルブの使用時の向きは、図１を参照すると、チャネル１０１からバルブの表面、すなわち低融点金属部材１０２に向けて圧力差がプラスとなる向きである。

以下、本発明で好ましく用いることのできる低融点金属の材料組成に依存する低融点金属の融解温度を簡単に示す。
データは、文献２、文献３による。
低融点金属の組成が、Ｂｉ４４．７％、Ｐｂ２２．６％、Ｓｎ８．３％、Ｃｄ５．３％、およびＩｎ１９．１％であるとき、低融点金属の融解温度は、摂氏４７度である。
これは、非常に低い融解温度の例である。低融点金属の組成をＢｉ４４．７％、Ｐｂ２２．６％、Ｓｎ１１．３％、Ｃｄ５．３％、およびＩｎ１６．１％に変えると、低融点金属の融解温度は、摂氏５２度に上がる。
したがって、組成を少し変えることによって、低融点金属の融解温度はわずかに変わる。

より高い融解温度もまた、組成を微細に調整することができれば、使用可能になる。
例えば、Ｂｉ３３．３３％、Ｓｎ３３．３３％、およびＰｂ３３．３４％の組成によって、摂氏１４３度の融解温度が得られる一方、Ｂｉ６０％およびＣｄ４０％の組成によって、摂氏１４４度の融解温度が得られる。
ＲｏＨＳ指令（鉛フリーおよびカドミウムフリー）に準拠する低融点金属もまた適用できる。
例えば、Ｂｉ３２．５％、Ｓｎ１６．５％、およびＩｎ５１％の組成によって、摂氏６０度の融解温度が得られる。
また、Ｂｉ５％およびＩｎ９５％の組成によって、摂氏１５０度の融解温度が、さらにＢｉ１００％の組成によって、摂氏２７１度の融解温度が得られる。
これで、ＲｏＨＳ指令内において、広い範囲の融解温度が利用できることが分かる。

一方、チャネル１０１は、バルブ開放時の固体内容物飛散を防止するフィルタとして機能させることも可能である。
この場合、チャネル１０１の直径は、内容物の大きさより小さく設定される。
他方、チャネル１０１の長さは、ウエハの厚さによって定まる。バルブの作製プロセスにおいて、通常取り扱うことのできるウエハの厚さは、ウエハ直径が３または４インチであれば、２００μｍ以上である。
ウエハがもっと大きくなれば、もっと厚いものが望ましくなる。ディープＲＩＥによって作製されるチャネルは、直線チャネルであるため、チャネル１０１の直径が厚さと比較して小さすぎると、流れ抵抗が高くなる結果となる。
このような場合、流れ抵抗を低くするために、テーパー壁を有するチャネルを作製することも可能である。
すなわち、シリコンのウェットエッチング、例えば普通のシリコンエッチング剤であるＫＯＨまたはＴＭＡＨを用いればよい。
その際、基板１００の裏面上のマスクには、これらのエッチング液に対して、例えば、ＫＯＨに対しては窒化けい素およびＴＭＡＨに対しては二酸化けい素が適応される。
ウェットエッチングの間、基板１００の表面は、テフロン（登録商標）カバーなどのような普通のマクロ的保護によって保護される。

特定用途の場合、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力が弱すぎて、低融点金属部材１０２がシリコン基板１００から外れるほどになり、低融点金属の融解温度以下の温度でバルブの開放が起こる可能性がある。
この場合には、以下の方法によって、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力を増大させることが可能である。
すなわち、前記低融点金属部材１０２の温度を前記低融点金属部材１０２を構成する金属材料の融解温度より高くし、チャネルの両端に圧力差を加え、前記低融点金属部材１０２を前記チャネルの内部に一部侵入させるようにする。
具体的には、まず、低融点金属部材１０２が溶ける融解温度以上に低融点金属部材１０２の温度を高め、バルブの通常動作中とは逆方向の圧力差をチャネルに加える。
すなわち、図１の低融点金属部材１０２の上部分とチャネル１０１との間に、低融点金属部材１０２の上部分が高い圧力になるように制御された圧力差を加える。
これにより、融解した低融点金属部材１０２は、チャネル１０１の内部に多少侵入することになる。圧力差を保持しながら低融点金属部材１０２の温度を下げることによって、低融点金属部材１０２は、その場所で固まることになる。
低融点金属部材１０２をチャネル１０１の内部に多少侵入させることによって、シリコン基板１００と低融点金属部材１０２との接触面が増加する。
その上、増加した接触面は、通常動作中に低融点金属部材１０２に加えられる圧力差から生じる力の向きに対して平行である。
シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力は、同じ圧力差から生じる張力より、シリコン基板１００の上部層に対して平行である低融点金属部材１０２とシリコン基板１００の界面にあるこのせん断力に対してより抵抗力がある。
低融点金属部材１０２をチャネル１０１の内部に侵入するために加える圧力は、液体またはガスの圧力であってもよく、また減圧弁によって容易に制御することができる。この圧力を、バッチ方式で、すなわち、単一基板上に作られた複数のバルブすべてに、同時に、加え、その後それらを分離することができる。

図６に、本発明を適用し、実際に作製されたマイクロ加工ワンショットバルブの一例を示した。
この写真は、マイクロ加工ワンショットバルブの断面を斜めから、観察したものである。
シリコン基板にチャネルが形成され、そのチャネルの入り口を低融点金属部材で覆っている様子が観察された。
この観察画像により、本発明によるマイクロ加工ワンショットバルブが実用的であることが明らかとされており、特に、本方法によって封止された低融点金属部材を得ることが可能であり、低融点金属はチャネルの内部に侵入しないことが明らかとされている。
図７は、本発明を適用し、実際に作製されたマイクロ加工ワンショットバルブを説明する写真である。
図７（ａ）は、バルブの動作温度以下の閉止状態にあるバルブを上方より見たものであり、バルブが作動する前の第１実施形態に対応するマイクロ加工ワンショットバルブの上面の光学顕微鏡像を示す写真である。
図７（ａ）中、略四角形に見える黒い部分が低融点金属部材であり、バーの長さは１００μｍである。
図７（ｂ）は、バルブの周囲温度を上昇させ、かつバルブにかかる圧力差を与えることで、バルブを開放させた後の状態を見たものである。
ここでは、周囲温度を６０℃に上げ、チャネルの差圧を１０．１ｋＰａに上げることによる開放動作後の同じワンショットマイクロバルブの上面の光学顕微鏡像が示されている。
バーの長さは１００μｍであり、低融点金属部材は取り除かれ、チャネル（中央の黒い円形の部分）が開放されている。
なお、図７の例では、低融点金属の融点は４７℃のものを用い、バルブにかかる圧力差を２.５気圧とされ、バルブは、周囲温度約４９℃で開放されている。

また、以下の表１には、チャネル直径を変えて、開放差圧を測定した時の、結果を示した。その結果、チャネル直径が、２００μｍの場合は１０.１ｋＰａ、１００μｍの場合は２４.７ｋＰａであった。
［表１］

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態として、バルブが開放された際に、飛散しようとする固体内容物の粉末の詰まりを抑制するようにしたマイクロ加工ワンショットバルブの構成例について説明する。
図２に、本実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブを説明するための断面図を示す。
図２には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図２において、２００は複数本形成されたチャネルである。

本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブは、バルブが開放された時に、飛散しようとする固体内容物の粉末の詰まりによる流路抵抗を減らすため、チャネルの直径を制御するように構成されている。
飛散しようとする固形内容物の粉末が、チャネル１０１への入り口を覆ってしまうと、チャネル１０１の流路抵抗は大きくなる。
低融点金属１０２の下に、複数本のチャネル２００を作製することによって、チャネル１０１を大きくせずに流路抵抗を小さくすることが可能である。

複数本のチャネル２００を有することによって、バルブは、詰まりにくくなる。
例えば、一本のチャネル１０１が固体内容物の粉末によってひどく遮断されても、流体は、他のチャネル２００により流路を確保することができる。
この複数本のチャネル構成は、ディープＲＩＥ（直線チャネル）またはシリコンのウェットエッチング（テーパー壁を有するチャネル）のどちらによっても作製することができる。
しかし、テーパー壁の場合、システムはより大きくなり、デッドスペースが必要になる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態として、低融点金属部材とシリコン基板との接着力を向上させるようにしたマイクロ加工ワンショットバルブの構成例について説明する。
図３に、本実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブを説明するための断面図を示す。
図３には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図３において、３００はシリコン基板上に形成された溝部である。

本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブは、低融点金属部材１０２とシリコン基板１００との接着力をさらに改善するように構成されている。
本実施形態において、接着層１０４としてクロム層および金属層１０３として銅層を成膜する前に、シリコン基板１００の表面に溝部３００を形成する。
これらの溝部３００は、従来のマスキング、フォトリソグラフィーおよびシリコンエッチングによる技法を用いて作製することができる。
従って、本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、第１及び第２実施形態で述べた作製プロセスと同様の作製プロセスを用いることができる。
溝部３００の壁が垂直であり、接着層１０４としてクロム層および金属層１０３として銅層が、スパッタリングによって成膜される。
そのため、溝部３００の垂直壁も、接着層１０４としてのクロム層および金属層１０３としての銅層によって被覆され、低融点金属部材１０２はこれらの溝部３００に一分が侵入することになる。
これらの溝部３００を導入することによって、低融点金属部材１０２と金属層１０３としての銅層、との接触表面の面積は増加する。
この結果、低融点金属部材１０２とシリコン基板１００との、接着強さが改善される。

さらに、溝部３００の壁が垂直なとき、低融点金属部材１０２に作用し、ワンショットバルブにかかる差圧により、低融点金属部材１０２と接着層１０４としてのクロム層との間にせん断力が生じる。
このため、低融点金属部材１０２がチャネル１０１の内部に部分的に導入される第１実施形態の場合と同様に、これは、低融点金属部材１０２のシリコンウエハ１００への接着強さを増加させる結果となる。
当然のことながら、溝部３００の数は、図３に記載された数に限定されるものではない。低融点金属１０２とシリコン基板１００との接着をさらに増加させるために、複数個の溝部３００をワンショットバルブに加えてもよい。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態として、低融点金属部材１０２の接着力を更に向上させるようにしたマイクロ加工ワンショットバルブの構成例について説明する。
本実施例においては、前記低融点金属部材１０２の表面および、前記低融点金属部材１０２が溶着している前記シリコン基板の表面が、少なくとも部分的にフォトレジストによって覆い、接着力を向上するように構成されている。
図４に、本実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブを説明するための断面図を示す。
図４には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図４において、４００はフォトレジスト層である。

本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブは、低融点金属部材１０２の接着力をより改善するように構成されている。
この改善は、単一工程によって提供される。第１実施形態のワンショットバルブの表面に、フォトレジスト層４００を、フォトリソグラフィーによってパターン形成する。
図４には、第１実施形態に適用した構成例が示されているが、これに限られず第２実施形態、第３実施形態、等への適応も可能である。

フォトレジスト層４００は、低融点金属部材１０２の中央にある開口部を除いて、ワンショットバルブ全面を被覆するようにパターン形成される。
前記開口部の形状は、必要に応じてディスクの形状であってもよいし、または別の形状であってもよい。
フォトレジスト層４００とシリコン基板１００との接触表面の面積は、低融点金属部材１０２とシリコン基板１００との接触表面の面積より大きい。
従って、フォトレジスト層４００とシリコン基板１００との接着強さは、接着層１０４としてのクロム層および金属層１０３としての銅層を介しての低融点金属部材１０２とシリコン基板１００との接着強さより大きい。

さらに、フォトレジスト層４００が低融点金属部材１０２を保持するため、低融点金属部材１０２とシリコン基板１００の接着強さを増加させる。
フォトレジスト層４００はシリコン基板１００と接着層１０４としてのクロム層との間に起こり得る内部からのガス漏れに対して、シリコン基板１００と接着層１０４としてのクロム層の接着面が曲がりくねっているため、封止状態をより改善できる。
フォトレジスト層４００には、多くの溶媒および酸に抵抗性がある材料、Ｓｕ−８（エポキシ系感光材料）を用いることができる。
他のフォトレジスト材料としては、例えば、ＯＭＲフォトレジストのような耐溶媒性のフォトレジスト材料も用いることができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態として、ワンショットバルブの中にマイクロヒータが内蔵されたマイクロ加工ワンショットバルブの構成例について説明する。
本実施形態においては、前記低融点金属部材１０２を加熱するためのヒータが配置され、低融点金属の温度を上げるように構成されている。
図５に、本実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブを説明するための断面図を示す。
図５には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図５において、５００はボンディングパッド、５０１はマイクロ抵抗器である。

本実施形態でマイクロ加工ワンショットバルブは、ワンショットバルブの中にマイクロヒータが内蔵されている。
本実施形態のマイクロヒータは、低融点金属部材１０２を通り抜けるマイクロ抵抗器５０１からなる。
２つのボンディングパッド５００はマイクロヒータを、外部に、電気的に接続するために、配置される。
マイクロヒータに電流を流すことによって、マイクロヒータの温度を増加させ、低融点金属部材１０２の温度を上げることができる。
低融点金属部材１０２が融解されれば、差圧が加わり、バルブを開くことができる。これによって、オンデマンドでのワンショットバルブの開放が可能になる。この場合に低融点金属部材１０２に合金を用いることは、組成を変えることによって、動作温度の調節が可能になる。
開放動作は、電流をマイクロヒータに流すことによって制御されるため、保持される気体または液体の種類によって、動作温度を適合するように調整することができる。

本実施形態のマイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、第１実施形態で述べた作製プロセスと同様の作製プロセスを用いることができる。
接着層１０４としてのクロム層、および金属層１０３としての銅層をパターン形成するとき、マイクロヒータのマイクロ抵抗器５０１およびボンディングパッド５００のパターン形成も行なう。
低融点金属部材１０２を形成するため、溶融した低融点金属の浴中に、シリコン基板１００を浸漬する前に、マイクロヒータのマイクロ抵抗器５０１およびボンディングパッド５００が低融点金属の浴によってコーティングされないようにフォトレジストで被覆する。

［文献リスト］
１．Ｄ．Ｈ．Ｇｒａｃｉａｓ、Ｊ．Ｔｉｅｎ、Ｔ．Ｌ．Ｂｒｅｅｎ、Ｃ．Ｈｓｕ、およびＧ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ著、
「自己集合による３次元電気的ネットワークの形成について（Ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｂｙ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）」、
Ｓｃｉｅｎｃｅ出版、２８９、ｐ．１１７０〜１１７２、２０００年。
２．「ビスマスを含有するインダロイ金属混合物の材料安全データシート（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｓａｆｅｔｙ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ ｏｆ ｉｎｄａｌｌｏｙ ｍｅｔａｌ ｍｉｘ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｂｉｓｍｕｔｈ）」、
Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ−Ｅｕｒｏｐｅ−Ａｓｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ出版。
３．「ビスマス合金（Ｂｉｓｍｕｔｈ ａｌｌｏｙｓ）」、Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｓ Ｉｎｃ．出版、
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍａｌｌｐａｒｔｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ／ｌｍａ．ｃｆｍ、２００６年。

本発明の第１実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブの構成例を説明するための断面図。 本発明の第２実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブの構成例を説明するための断面図。 本発明の第３実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブの構成例を説明するための断面図。 本発明の第４実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブの構成例を説明するための断面図。 本発明の第５実施形態におけるマイクロ加工ワンショットバルブの構成例を説明するための断面図。 本発明を適用し、実際に作製されたマイクロ加工ワンショットバルブの一例を示すものであり、マイクロ加工ワンショットバルブの断面を斜めから、観察した写真。 本発明を適用し、実際に作製されたマイクロ加工ワンショットバルブを説明する写真である。図７（ａ）は、バルブの動作温度以下の閉止状態にあるバルブを上方より見た写真。図７（ｂ）は、バルブの周囲温度を上昇させ、かつバルブにかかる圧力差を与えることで、バルブを開放させた後の状態を見た写真。

符号の説明

１００：シリコン基板
１０１：チャネル
１０２：低融点金属部材
１０３：金属層
１０４：接着層
２００：複数本作製されたチャネル
３００：シリコン基板の表面に形成された溝部
４００：フォトレジスト層
５００：ボンディングパッド
５０１：マイクロ抵抗器

Claims (22)

1. ワンショットバルブであって、
   結晶シリコン基板と、
   前記結晶シリコン基板の両面に亘る開口部を有するチャネルと、
   前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように形成された金属層と、
   前記金属層の少なくとも一部を覆い、かつ、前記チャネルの開口部を遮断するように溶着された低融点金属部材と、
   を備えていることを特徴とするワンショットバルブ。
2. 前記チャネルの直径は１μｍ以上、５００μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のワンショットバルブ。
3. 前記チャネルの直径が１μｍ以上、３００μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のワンショットバルブ。
4. 前記金属層は、銅を主成分とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
5. 前記結晶シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
6. 前記接着層は、クロムまたはチタンを主成分とすることを特徴とする請求項５に記載のワンショットバルブ。
7. 前記低融点金属部材は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｃｄの少なくともひとつの元素を含む合金からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
8. 前記チャネルが、複数本形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
9. 前記低融点金属部材は、前記チャネルの内部に一部が侵入していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
10. 前記結晶シリコン基板上の、前記低融点金属部材が溶着している部分に、溝が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
11. 前記低融点金属部材の表面および、前記低融点金属部材が溶着している前記結晶シリコン基板の表面が、少なくとも部分的にフォトレジストによって覆われていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
12. 前記低融点金属部材を加熱するためのヒータが配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のワンショットバルブ。
13. ワンショットバルブの製造方法であって、
    結晶シリコン基板に、該結晶シリコン基板の厚さ全体を貫く開口部を有するチャネルを形成する工程と、
    前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程と、
    前記金属層の少なくとも一部を覆い、かつ、前記チャネルの開口部を遮断するように、低融点金属部材を溶着する工程と、
    を含むことを特徴とするワンショットバルブの製造方法。
14. 前記チャネルを形成する工程には、反応性イオンエッチングによって該チャネルを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載のワンショットバルブの製造方法。
15. 前記チャネルを形成する工程には、ウェットエッチングによって該チャネルを形成する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載のワンショットバルブの製造方法。
16. 前記低融点金属部材を溶着する工程には、一方の相が前記低融点金属部材を構成する金属材料である二相液浴中に、前記結晶シリコン基板を浸して該低融点金属部材を溶着する工程を含むことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。
17. 前記金属層を形成する工程には、スパッタリング法により該金属層を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１３から１６のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。
18. 前記金属層のパターニングが、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによって行なわれることを特徴とする請求項１７に記載のワンショットバルブの製造方法。
19. 低融点金属部材を溶着する工程は、
    前記低融点金属部材の温度を前記低融点金属部材を構成する金属材料の融解温度より高くする工程と、
    前記チャネルの両端に圧力差を加える工程と、
    により、前記低融点金属部材を前記チャネルの内部に一部侵入させる工程を含むことを特徴とする請求項１３から１８のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。
20. 前記結晶シリコン基板の一面上に、前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程の前に、前記結晶シリコン基板の一面上に溝を形成する工程を、更に含み、
    前記低融点金属部材を溶着する工程において前記結晶シリコン基板上に形成された溝を含み低融点金属部材を溶着することを特徴とする請求項１３から１９のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。
21. 前記チャネルの開口部を塞がないように金属層をパターニングして形成する工程において、
    ヒータを形成するパターンを、前記金属層に同時にパターニングする工程を、更に含むことを特徴とする請求項１３から２０のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。
22. 前記結晶シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を形成する工程を、更に含むことを特徴とする請求項１３から２１のいずれか１項に記載のワンショットバルブの製造方法。

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