JP6186121B2 - マイクロリアクタの断熱のための方法及びデバイス - Google Patents
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Description
−半導体基板、例えばシリコン基板、例として生体適合性の半導体基板と、
−前記半導体基板内の少なくとも1つのマイクロリアクタと、
−前記少なくとも1つのマイクロリアクタに接続された、前記半導体基板内の1つ以上のマイクロ流体チャネルと、
−1つ以上のマイクロ流体チャネルを封止するための、半導体基板に接合されたカバー層と、
−前記少なくとも1つのマイクロリアクタ及び1つ以上のマイクロ流体チャネルを包囲する、少なくとも1つの基板貫通トレンチとを備えたマイクロ流体デバイスを提供する。当該トレンチは、基板の全厚さに渡ってすべての基板材料を局所的に除去することで作成可能である。トレンチは、できるだけ完全に、例えばマイクロ流体チャネルがマイクロリアクタに接続できるようなスペースのみを残して、少なくとも1つのマイクロリアクタを包囲することができる。
−おもて面及び裏面を有する半導体基板、例えばシリコン基板を準備する工程と、
−前記半導体基板内に少なくとも1つのマイクロリアクタを設ける工程と、
−前記半導体基板のおもて面に、前記少なくとも1つのマイクロリアクタに接続された1つ以上のマイクロ流体チャネルを設ける工程と、
−半導体基板のおもて面へのカバー層の接合、例えばパイレックス層の陽極接合によって前記マイクロ流体チャネルを封止する工程と、
−その後、前記少なくとも1つのマイクロリアクタ及び1つ以上のマイクロ流体チャネルを略完全に包囲する少なくとも1つの基板貫通トレンチを形成するために半導体の裏面から少なくとも部分的なエッチングを施す工程とを含む。
一塩基多型(SNP)が、1つのヌクレオチドのみのDNA配列での差である。ヒトにおいて、SNPは、薬剤反応及び疾病素因にて差を生じる可能性がある。したがって、費用効率が高く有効なSNPの検出は、オーダーメイド医療において重要な役割を果たす可能性がある。高速で、高感度で、特異性の高いSNPの検出のために、ラブオンチップ(LoC)システムを使用することができる。かかるラブオンチップシステム299の代表的な例及びその機能を図1に示している。ラブオンチップシステム299は、反応チャンバ300、及び、マイクロ流体作用を及ぼすための他のコンポーネント、包括的ではないが例えば、血液のような検査対象の液体用のリザーバ307、試薬用のリザーバ308、廃棄物用のリザーバ309、リザーバ307,308からマイクロ流体チャネルに向けて液体を汲み上げるためのポンプ306、例えば検査対象の液体及び試薬を混合するためのミキサ304、マイクロ流体システム内の異なる場所にあるバルブ305、オンチップの高性能液体クロマトグラフィのための単純なシステムを共に形成する移動相303及び分離カラム302、検査対象の液体の特徴を検出するための検出器301を備える。図1に見られるように、本発明の実施形態によれば、全深さ断熱トレンチ310は、熱伝導を目的とした他のコンポーネントからマイクロ反応チャンバ300を分離している。これは、例えばPCRを行う必要がある位置のみで加熱し、他の場所で反応を誘発せず、又は、例えば検出器のような温度感受性の高いコンポーネントに損傷を与えない、という観点から、チップの残りの部分からのマイクロ反応チャンバ300の断熱が望ましいからである。一方、マイクロ反応チャンバ300がチップの残りの部分から断熱されている場合、反応チャンバを加熱するために必要とされる電力は小さくなり、加熱時間は速くなる。欠点は、断熱に起因して冷却時間が遅くなり、これにより冷却手段を設ける必要がある場合があることである。
図1は、多様なSNP検出に使用可能なラブオンチップシステムを概略的に示す。検査対象の流体、例えば血液、及び試薬を適切なリザーバ307,308内に置く。2つのポンプ306は、ミキサ304を介して、それらをDNAの増幅(PCR)を行うことができるマイクロリアクタ300内に押し込む。例として、明確に定義された長さの、SNPが存在する可能性がある配列を包含する断片の数Nを増幅する。そして、流体は、例えば1μm〜2μmの所定の柱間距離を有する例えばシリコンのような半導体の柱からなるフィルタ302に送られる。ここで、N個のDNA成分は、高性能の液体クロマトグラフィの原理によって空間的に分離され、SNPの存在の検出専用の検出器301にそれぞれ送られる。
第2の態様において、本発明は、少なくとも1つの断熱マイクロリアクタ105及び1つ以上のマイクロ流体チャネル101を備えたデバイスを製造するための方法を提供する。
1)半導体基板において、少なくとも1つのマイクロリアクタ及び1つ以上のマイクロ流体チャネルを有する流体構造を、例えばエッチングによって設ける工程と、
2)カバー層、例えばパイレックスウエハの、半導体基板のおもて面への接合、例えば陽極接合、好適な接合材を使用した接着接合、又は溶融接合のいずれか、によってマイクロ流体構造を封止する工程と、
3)基板の裏面から基板貫通トレンチを設ける工程であって、そのトレンチは、少なくとも1つのマイクロリアクタ及び1つ以上のマイクロ流体チャネルを完全に包囲するようにしたトレンチを設ける工程とを含む。
a)半導体基板900を準備する。半導体基板900は、おもて面及び裏面を有する。半導体基板900のおもて面の上部では、ハードマスク層901、例えば酸化物層が形成される。例として、所定厚さ、例えば1000nmを有する酸化物層を堆積してもよい。深い構造をエッチングする必要があるときには、厚いレジスト層を設ける必要があるので、単にレジスト層を使用するよりも、かかるハードマスク層が好ましいが、これは小さいCD構造をエッチングする必要がある場合には不都合である。
b)マイクロ流体構造、及び、特にマイクロリアクタのキャビティ102、並びに、必要に応じて他のマイクロ構造をハードマスク901で規定する。レジスト材料902をハードマスク層901の上部に設け、例えば塗布し、好適にパターニングする。
c)パターニングしたレジスト層902を使用して、マイクロ流体構造をエッチングするためのマスクを規定するようにハードマスク層901をエッチングする。
d)マイクロ流体構造、例えばキャビティ102及びマイクロ流体チャネル101は、半導体基板900内でエッチングする。
e)レジスト材料902及びハードマスク材料901を除去し、微細マイクロ流体構造を有する半導体基板900を作成する。
f)マイクロ流体構造を封止するために、半導体基板を、カバー層903、例えばパイレックスのカバー層に、接合、例えば陽極接合する。
g)必要に応じて、半導体基板900を裏面から研削してもよい。
h)半導体基板900の裏面に、レジスト材料層904を設け、例えば塗布し、また、基板貫通トレンチ100を規定するためのリソグラフィマスクを形成するために好適にパターニングする。
i)パターニングしたレジスト層904を使用して、半導体基板900の裏面から基板貫通トレンチをエッチングする。
a)半導体基板900を準備する。半導体基板900は、おもて面及び裏面を有する。半導体基板900のおもて面の上部では、ハードマスク層901、例えば酸化物層が形成される。例として、所定厚さ、例えば1000nmを有する酸化物層を堆積してもよい。
b)マイクロ流体構造、及び、特にマイクロリアクタのキャビティ102、並びに、必要に応じて他のマイクロ構造は、ハードマスク901、及びトレンチ100の位置で規定される。レジスト材料902をハードマスク層901の上部に設け、例えば塗布し、好適にパターニングする。
c)パターニングしたレジスト層902を使用して、マイクロ流体構造及びトレンチ100の一部をエッチングするためのマスクを規定するようにハードマスク層901をエッチングする。
d)マイクロ流体構造、例えばキャビティ102及びマイクロ流体チャネル101、並びにトレンチ100の一部は、半導体基板900内でエッチングする。このとき、トレンチ100は、限られた深さ、例えばマイクロ流体構造が設けられるのと同じ深さまでしか設けられない。
e)レジスト材料902及びハードマスク材料901を除去し、微細マイクロ流体構造及びトレンチの一部を有する半導体基板900を作成する。
f)マイクロ流体構造を封止するために、半導体基板を、カバー層903、例えばパイレックスのカバー層に、接合、例えば陽極接合する。
g)必要に応じて、半導体基板900を裏面から研削してもよい。
h)半導体基板900の裏面に、レジスト材料の層904を設け、例えば塗布し、また、基板貫通トレンチ100の第2の部分を規定するためのリソグラフィマスクを形成するために好適にパターニングする。
i)パターニングしたレジスト層904を使用して、半導体基板900の裏面から基板貫通トレンチ100の第2の部分をエッチングする。
本発明の文脈では、マイクロリアクタ105の熱的特性に焦点が合わせられる。一実施形態の概略を図6〜図8に示す。
Claims (6)
- おもて面及び裏面を有する半導体基板(900)を準備する工程と、
前記半導体基板(900)内に、少なくとも1つのマイクロリアクタ(105)を設ける工程と、
前記半導体基板(900)のおもて面に、前記少なくとも1つのマイクロリアクタ(105)に接続された1つ以上のマイクロ流体チャネル(101)を設ける工程と、
カバー層(903)を半導体基板(900)のおもて面に接合することにより、前記マイクロ流体チャネル(101)を封止する工程と、
その後、前記少なくとも1つのマイクロリアクタ(105)及び1つ以上のマイクロ流体チャネル(101)を包囲する少なくとも1つの基板貫通トレンチ(100)を形成するために、半導体の裏面から少なくとも部分的なエッチングを施す工程とを含む、マイクロ流体デバイス(104)を製造するための方法。 - 少なくとも1つの基板貫通トレンチ(100)を形成するために半導体の裏面から少なくとも部分的なエッチングを施す工程は、基板(900)の裏面からトレンチ(100)を完全に形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つの基板貫通トレンチ(100)を形成するために半導体の裏面から少なくとも部分的なエッチングを施す工程は、基板(900)のおもて面からトレンチ(100)を部分的に形成することと、基板(900)の裏面からトレンチ(100)を部分的に形成することとを含む、請求項1に記載の方法。
- マイクロ流体チャネル(101)を設ける工程は、マイクロリアクタ(105)の周囲に部分的に、完全に、又は複数回巻回するマイクロ流体チャネル(101)を設けることを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記マイクロリアクタ(105)を加熱又は冷却するための手段を設ける工程をさらに含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 半導体の裏面から基板貫通トレンチ(100)を設ける工程は、
半導体基板(900)を研磨して、裏面リソグラフィを実施することと、
前記基板貫通トレンチ(100)をパターニング及びエッチングすることを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
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