JP6352991B2 - サンプル収集デバイスとその製造方法 - Google Patents
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Description
加えて、気体又は液体溶液サンプルテストピースや乾燥サンプルテストピースなどのような種々のタイプのサンプル収集デバイスが種々の顕微鏡に対して必要とされるようになってきた。
しかし、上記技術は、特定の成分と流体サンプルの表面領域の濃度での低解像度によるバラツキを観察し、解析するために、SEMでのエネルギ分散型X線分析(EDX)に適用し得るにすぎない。
液体流体サンプル収集デバイスのマイクロチャネルに流入すると、液体流体サンプル中の粒子の実際の分布がTEMにより観測し得る。しかし、このサンプル収集デバイスはTEMにおいて使用し得るのみであり、他のタイプの例えばSEMのような電子顕微鏡には適用することができず、化学反応や電気化学反応も観測することは出来ない。
さらに、このサンプル収集デバイスは、効果的に液体サンプルの流れモードを制御することも出来ない。
本発明は、サンプルの観測の必要性に応じて、向かいあって配置された2つの基板の一方に選択的にくぼみを配置することにより、液体溶液サンプルを収納するサンプル収納スペースを形成し、液体溶液サンプルを流入及び流出させることができるサンプル収集デバイスを提供する。
本発明は、液体サンプルのために、そして効果的に液体サンプルの流れ方向と速度とを制御できる異なるサイズのチャネルを有するサンプル収集デバイスを製造するためのサンプル収集デバイスの製造方法を提供する。
2つの基板は第1表面同士が向き合うように配置され、第1のくぼみと少なくとも1つの第2のくぼみとはそれぞれ第1表面に位置している。2つの基板は第1のくぼみ同士は共同で第1チャネルを形成し、2つの基板の第2のくぼみ同士は共同でサンプル収集デバイスの外部に接続される少なくとも1つの第2チャネルを形成する。
第1チャネルと少なくとも1つの第2チャネルとは相互に接続されている。
スペーサは、2つの第1表面間に配置されて2つの基板を結合して固定する。2つの基板とスペーサとの間にサンプル収納スペースが形成される。サンプル収納スペースは第1チャネルと少なくとも1つの第2チャネルとを含む。
スペーサは2つの第1表面間に配置されて2つの基板を結合して固定する。サンプル収納スペースが2つの基板とスペーサとの間に取り囲まれて形成される。
一方の半導体基板の第1表面に、第1のくぼみと少なくとも1つの第2のくぼみとを形成する。半導体基板の第1表面とこの第1表面に向かい合う第2表面とに絶縁層を形成する。第1表面と第2表面とに位置する絶縁層をパターニングし、第2表面の部分エリアを第2表面上の絶縁層により露出させる。他方の基板についても上記工程を繰り返す。2つの半導体基板は絶縁層を介して互いに2つの第1表面同士が結合される。絶縁層によりスペーサが2つの第1表面上に形成され、2つの基板を結合して固定する。2つの第1のくぼみ同士は共同で第1チャネルを形成し、2つの第2のくぼみ同士は共同で第2チャネルを形成する。
第1チャネルと第2チャネルとは相互に接続される。サンプル収納スペースが2つの基板とスペーサとの間に形成される。サンプル収納スペースは第1チャネルと第2チャネルとを含む。
本発明の実施例では、第1深さは0.01μm〜10μmの範囲にある。
本発明の実施例では、第2深さは0.1μm〜400μmの範囲にある。
本発明の実施例では、各基板はさらに観測窓を有し、この観測窓はサンプル収納スペースの第1チャネルに対応する第2表面に配置される。
入口は、第1チャネルと少なくとも1つの第2チャネルとの一端の開口に位置し、出口は第1チャネルと少なくとも1つの第2チャネルとの他端の開口に位置する。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスはさらに入口と出口とを有する。
入口は少なくとも1つの第2チャネルの一端の開口に位置し、出口は少なくとも1つの第2チャネルの他端の開口に位置する。
本発明の実施例では、各第2チャネルの2つの端は、それぞれ入口と出口とを有し、第2チャネルの1つの入口と前記チャネルの他方の出口とは同一側に位置している。
本発明の実施例では、基板の一方は基板の第2表面上に入口を有し、入口は第2チャネルの一方に接続され、基板の他方は基板の第2表面上に出口を有し、出口は第2チャネルの他方に接続されている。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスは、さらに第1チャネルに設置された少なくとも1セットの反応電極を含む。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスは、さらに少なくとも1つの第2チャネルに設置された少なくとも1セットの加熱素子又は感知素子を含む。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスは、さらに少なくとも1つの第2チャネルの一端の開口近傍に設置された少なくとも1セットの加熱素子又は感知素子を含む。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスの製造方法は、さらに、絶縁層により露出された各半導体基板の第2表面の部分エリアに観測窓を形成することを含む。観測窓は半導体基板を貫通し、第1表面上に位置する絶縁層の一部を露出させる。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスの製造方法は、さらに、各半導体基板の第1表面又は第2表面に入口又は出口を形成することを含み、入口又は出口は少なくとも1つの第2チャネルに接続される。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスの製造方法は、さらに、半導体基板の少なくとも1つの第2のくぼみの一端の開口の近傍に加熱又は感知素子を形成することを含む。
本発明の実施例では、サンプル収集デバイスの製造方法は、さらに加熱又は感知素子上に金属ワイヤを形成することを含む。
本発明の実施例では、金属ワイヤを形成する方法は、金属スパッタ又はソフトオフを含む。
本発明の実施例では、第1のくぼみと少なくとも1つの第2のくぼみとを形成する方法は、第1表面上の絶縁層を使用して半導体基板をエッチングすること又はフォトレジストを塗り、絶縁層上にマスクとしてパターンを画成することを含む。
本発明の実施例では、半導体基板をエッチングする方法は、ドライエッチングを含む。
図面は、本発明の実施例を図示し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明するために使用される。
さらに、いくつかの技術的特徴が以下の実施例のいくつかに同時に記載されているかも知れないが、すべての技術的特徴がそれらの実施例において同時に供わっていることを示すものではない。
図1A〜図1Cを参照すると、本実施例のサンプル収集デバイス100は、基板110,120とスペーサ135とを含む。2つの基板110,120は、例えば、向き合って垂直に配置される。基板110は互いに向き合う第1表面112と第2表面114とを有しており、基板120は互いに向き合う第1表面122と第2表面124を有している。基板110と基板120とは第1表面112と第1表面122とが互いに向き合うように配置される。
同様に、基板120は第1のくぼみ125と少なくとも1つの第2のくぼみ127とを有し、第1のくぼみ125と第2のくぼみ127とはそれぞれ基板120の第1表面122に位置している。本実施例では、基板110の第1のくぼみ115と基板120の第1のくぼみ125とは共同で第1チャネル152を形成し、基板110の第2のくぼみ117と基板120の第2のくぼみ127とは共同で第2チャネル154a,154b(図1Bでは例えば2つのチャネルが示されている)を形成している。さらに、図1Aと図1Bとを参照すると、第1チャネル152と第2チャネル154a,154bとは相互に接続されている。
基板110,120とスペーサ135との間にサンプル収納スペース150が形成され、サンプル収納スペース150は相互接続された第1チャネル152と第2チャネル154a,154bとを含む。
透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型電子顕微鏡(SEM)は、サンプル収納スペース150を通って流れる液体溶液サンプルのプロセスにおける液体溶液サンプル中の粒子のタイプ、形状分布、サイズ分布、集積/凝固状態を定量的に観測するのに使用され得る。
例えば、粒子は液体溶液サンプルが人体の血液からのものである場合、血液中のナノ薬剤であり得る。
観測窓119と129とは、それぞれ、サンプル収納スペース150の第1チャネル152に対応しており、第1表面112と122との一部で絶縁層130を露出させる。本実施例では、サンプル収納スペース150中の液体溶液サンプルの流れ状態は、観測窓119,129を通してTEMで観測し得る。
基板110の第2のくぼみ117と基板120の第2のくぼみ127とは、それぞれ、第1表面112と122とに直交する方向に深さh2を有する。ここで深さh2とは、各第1表面112と122とから各くぼみ117と127の底面までの距離をいう。第2深さh2は第1深さh1よりも大きい。第1のくぼみ115と125との共同で形成される第1チャネル150の高さは、第1深さh1の2倍であり、第2のくぼみ117と127との共同で形成される各第2チャネル154の高さは、第2深さh2の2倍である。
図2A〜図2Dにおいて、黒の実線の矢印は、第1チャネル152中の液体溶液サンプルの流れ方向を示すのに使用され、白の実線矢印は第2チャネル154aと154b中の液体溶液サンプルの流れ方向を示すのに使用されている。第1チャネル152中の点線範囲のサイズは、液体溶液サンプルの流速の相対変動を示す。
換言すると、第2チャネル154aに近い第1チャネル152の近くの液体溶液サンプルは、第2チャネル154aの方向と同じ方向に流れ、第2チャネル154bに近い第1チャネル152の近くの液体溶液サンプルは第2チャネル154bの方向と同じ方向に流れる。これは第2チャネル154aと154b中の液体溶液サンプルによってそれぞれ駆動されるためである。こうして、第1チャネル152中の液体溶液サンプルは反対方向に分離される。
さらに、図2Cを参照すると、第1チャネル152中の液体溶液サンプルが第1チャネル152の中央からそれぞれ反対方向に分離された後、流速は両サイドの第2チャネル154aと154bに向かって線形に増加する。
図3A〜図3Cは本発明の他の実施例に係るサンプル収集デバイスを示す概略図である。
図3A〜図3Cにおいて、黒の実線の矢印は、サンプル収納スペース150中の液体溶液サンプルの流れ方向を示すために使用されている。本実施例では、液体溶液サンプルの少なくとも1つの共通入口と少なくとも1つの共通出口とが、それぞれ、第1チャネル152の両端の開口と少なくとも1つの第2チャネル154aと154bの両端の開口とに配置される。
本実施例では、入口151aと出口153aの設置により、サンプル収納スペース150の液体溶液サンプルが同一方向に等しく流入/流出することを容易にしている。
一方、第2チャネル154bの他端の開口は、液体溶液サンプル用の入口151cに設置することができる。これにより、単一方向のチャネルが、他方側の第2チャネル154a,154bの開口間に図3Cに示すように矢印に沿って形成される。
これにより、再循環流が第1チャネル152内に形成され、液体溶液サンプルにかき混ぜ効果を引き起こす。
これにより、液体溶液サンプルは、サンプル収集デバイス100のサンプル収納スペース150に上側の入口155aからn流入し、下側の出口157bから流出する。
図5Aを参照すると、本実施例では、陽極と陰極とを有する反応電極164をサンプル収納スペース150の第1チャネル152に設置することができる。
反応電極164の電界に影響されて、反応電極164を通って流れる液体溶液サンプル中の異なる粒子が電界中で異なる移動速度を持ち、電気泳動的な分離効果が得られる。従って、合成溶液の組成と濃度とを反応電極164の配置を通してサンプル収集デバイス100によってさらに分析することができる。
本実施例では、反応電極164は、白金(Pt),銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、タングステン(W)又は前述の金属材料の組み合わせにより作製される。
例えば、感知素子168は、白金温度センサで、第1チャネル152を通って流れる液体溶液サンプルの温度を感知することができる。本実施例では、感知素子168は、第1チャネル152の中央と開口の両端近傍の位置にそれぞれ配置し、液体溶液サンプルが第1チャネル152を通って流れる前後の温度変化を感知することができる。なお、例えば、上記の実施例では白金温度センサが示されているが、他の実施例では、感知素子168は、例えば、Pt,Al,Cu,Ti,Crなど他の金属材料で作製することもできる。また感知素子168は例えば、ポリシリコンなどの半導体材料で作製することもできる。
基板310は第1のくぼみ315と2つの第2のくぼみ317とを有し、第2のくぼみ317は第1のくぼみ315の左右にそれぞれ配置されている。さらに、2つの基板310,320が薄板化されると、基板310の両端の第2のくぼみ317の2つの開口は、サンプル収集デバイス300の外部に接続され、液体溶液サンプルは第2のくぼみ317の両端を通って流入及び流出する。さらに、本実施例では基板320にはくぼみは設けられていない。
さらに、図7Bを参照すると、観測窓329が基板320の第2表面324に形成される。サンプル収集デバイス300が、例えば、SEMに適用されると、ユーザは観測窓329を通してサンプル収納スペース350中の液体溶液サンプルの変化を観測することができる。
まず、図8Aを参照すると、基板として機能する、例えば、シリコン基板が半導体基板110が用意される。本実施例では半導体基板110に露光及び現像工程が実施され、半導体基板110の第1表面122がエッチングされ、約0.1μmの深さを有する第1のくぼみ115の構造が形成される。
その後、図8Cを参照すると、約100nmの厚さを有する絶縁層130が前述の工程により形成された第1のくぼみ115、第2のくぼみ117及び半導体基板110の第2表面114に高温化学反応プロセスによって堆積される。本実施例では、絶縁層130の形成に使用される材料は、例えば、窒化珪素(シリコン)である。この他、絶縁層130の材料としては、酸化珪素や、酸化珪素と窒化珪素とを混合した複合膜も使用し得る。
その後、図8Eを参照すると、半導体基板110と120とに製造工程が完了した後、くぼみ構造が形成された2つの半導体基板110と120は第1表面112と122の構造に沿って整合されて積層される。この間第1表面112,122上の窒化珪素膜である絶縁層130に溶解結合工程が施される。本実施例では、基板110の第1表面112と基板120の第1表面122上の絶縁層130が、溶解結合後に基板110と基板120との間のスペーサ135として機能する。
その後、図8Fを参照すると、観測窓119,129が、半導体基板110の第2表面114と半導体基板120の第2表面をサンプル収納スペース150に向かう方向に、例えば、湿式又は乾式エッチングによって形成され、第1表面112の一部の絶縁層130と第1表面122の一部の絶縁層130とがそれぞれ露出される。
このようにして、サンプル収集デバイス100が実質的に作製される。
その他、加熱素子166又は感知素子も第2のくぼみ177の両端の開口の近傍に形成し得る。本実施例では、加熱素子166又は感知素子168の配置位置は実際の観測又は測定要求に従って適応的に変更及び調整され得る。
次いで図9Fを参照すると、2つの半導体基板110,120は、第1表面112上の絶縁層130と第1表面122上の絶縁膜130とを、例えば、高温溶解結合法により結合させることにより接着される。即ち、スペーサ135が、半導体基板110の第1表面112と半導体基板120の第1表面122と間に形成され、半導体基板110と半導体基板120とを結合して固定する。
サンプル収納デバイスは、第1チャネルの両側に位置する第2チャネルの配置位置の変更及び第1チャネルを通って流れる液体溶液サンプルの温度、速度及び流れ方向を変化させることにより、第1チャネル内の液体溶液サンプルの速度、流れ方向及び温度に影響を与えることができる。
110,120,210,220,310,320:基板/半導体基板
112,122,312,322:第1表面
114,124,314,324:第2表面
115,125,215,225,315:第1のくぼみ
117,127,217,227,317:第2のくぼみ
119,129,219,229,319,329:観測窓
130,230:絶縁層
135:スペーサ
150,250,350:サンプル収納スペース
151a,151b,151c,155a,155b,155c:入口
153a,153b,153c,157a,157b,157c:出口
152:第1チャネル
154a,154b:第2チャネル
159:再循環ゾーン
162:ブロックゾーン
164:反応電極
166:加熱素子
167:金属ワイヤ
168:感知素子
h1:第1深さ
h2:第2深さ
Claims (16)
- 2つの基板とスペーサとからなるサンプル収集デバイスであって、
前記2つの基板は、互いに向かい合って配置され、各基板は第1表面、この第1表面に向かい合う第2表面、第1のくぼみ及び少なくとも1つの第2のくぼみを有し、前記2つの基板は、前記第1表面同士が向き合うように配置され、前記第1のくぼみと前記少なくとも1つの第2のくぼみとはそれぞれ前記第1表面に位置し、前記2つの基板の前記第1のくぼみ同士は共同で第1チャネルを形成し、前記2つの基板の前記第2のくぼみ同士は共同で前記サンプル収集デバイスの外部に接続される少なくとも1つの第2チャネルを形成し、前記第1チャネルと前記少なくとも1つの第2チャネルとは相互に接続されており、
前記スペーサは、前記2つの第1表面間に配置されて前記2つの基板を結合して固定し、
前記2つの基板と前記スペーサとの間には前記第1チャネルと前記少なくとも1つの第2チャネルとからなるサンプル収納スペースが形成され、
前記少なくとも1つの第2のくぼみは、前記第1のくぼみ側の側壁の上縁が前記第1のくぼみの側縁をなすように設けられ、前記第1のくぼみと相互に直接接続されていることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記第1チャネルと前記少なくとも1つの第2チャネルとは、それぞれ第1深さと第2深さとを有し、前記第2深さは前記第1深さより大きいことを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項2に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記第1深さは0.01μm〜10μmの範囲にあることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項2に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記第2深さは0.1μm〜400μmの範囲にあることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
各基板は観測窓を有し、前記観測窓は、前記サンプル収納スペースの前記第1チャネルに対応する前記第2表面に配置されることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
さらに入口と出口とを有し、前記入口は、前記第1チャネルと前記少なくとも1つの第2チャネルとの一端の開口に位置し、前記出口は、前記第1チャネルと前記少なくとも1つの第2チャネルとの他端の開口に位置することを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
さらに入口と出口とを有し、前記入口は前記少なくとも1つの第2チャネルの一端の開口に位置し、前記出口は、前記少なくとも1つの第2チャネルの他端の開口に位置することを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記少なくとも1つの第2チャネルの数は2であり、前記第2チャネルの長手延在方向は、前記第1チャネルの長手延在方向に平行していることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項8に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記各第2チャネルの2つの端は、それぞれ入口と出口とを有し、
前記第2チャネルの1つの前記入口と前記第2チャネルの他方の前記出口とは同一側に位置することを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項8に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記基板の一方は前記基板の前記第2表面上に入口を有し、前記入口は前記第2チャネルの一方に接続され、前記基板の他方は前記基板の前記第2表面上に出口を有し、前記出口は前記第2チャネルの他方に接続されることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項8に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記基板の1つは、入口と出口とを有し、前記入口と前記出口とはそれぞれ前記基板の前記第2表面に位置し、それぞれ少なくとも前記第2チャネルの1つに接続されていることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
さらに、前記第1チャネルに設置された少なくとも1セットの反応電極を含むことを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
さらに、前記少なくとも1つの第2チャネルに設置された少なくとも1セットの加熱素子又は感知素子を含むことを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項1に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
さらに、前記少なくとも1つの第2チャネルの一端の開口近傍に設置された少なくとも1セットの加熱素子又は感知素子を含むことを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 2つの基板とスペーサとからなるサンプル収集デバイスであって、
前記2つの基板は、向かい合って配置され、各基板は第1表面とこの第1表面に向かい合う第2表面とを有し、前記基板の1つは、第1のくぼみと少なくとも1つの第2のくぼみとを有し、前記第1のくぼみと前記少なくとも1つの第2のくぼみとはそれぞれ前記第1表面に位置し、前記少なくとも1つの第2のくぼみは前記サンプル収集デバイスの外部に接続され、前記2つの基板は前記2つの第1表面が互いに向かい合って配置され、前記少なくとも1つの第2のくぼみは、前記第1のくぼみ側の側壁の上縁が前記第1のくぼみの側縁をなすように設けられ、前記第1のくぼみと相互に直接接続されており、
前記スペーサは、前記2つの第1表面間に配置されて前記2つの基板を結合して固定し、
サンプル収納スペースが前記2つの基板と前記スペーサとの間に取り囲まれて形成されることを特徴とするサンプル収集デバイス。 - 請求項15に記載のサンプル収集デバイスにおいて、
前記2つの基板の少なくとも一方は、前記第2表面上で前記第1のくぼみに対応して配置された観測窓を有することを特徴とするサンプル収集デバイス。
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