JPH04126324A - 流体制御装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロポンプ及び、それに使われるダイア
フラムバルブ等の流体制御装置及びその製造方法に関す
るものである。

［従来の技術］ 近年、マイクロマシニングが注目されている。

その動向については、日経エレクトロニクスＮｏ。

４８０　（１９８９年８月２１日発行）Ｐ、１２５−１
５５の°゛Ｓ１マイクロマシニング技術パと題する特集
によって一般に広く開示されたものがある。そしてマイ
クロポンプに関しては、その記事のＰ、１３５−１３９
にその構成を含めた解説が記載されている。この中で流
路及びバルブとを同一材料で一体成形したポンプ本体用
のシリコンウェーハをガラス基板等で積層、接合して成
るマイクロポンプは、微量且つ精密な流量制御が可能で
ある。その為医療用や分析用への応用に適し、その開発
が期待されている。

従来のマイクロポンプに於けるダイアフラムバルブの製
造方法は、以下の様なものであった。

第６図と第７図は、従来技術のダイアフラムバルブの構
造を示す断面図である。

第６図と第７図の様に、ダイアフラム４等を形成したシ
リコンウェーハ３を入口側ガラス基板２と出口側ガラス
基板１にて挟み込み陽極接合する事によって、ダイアフ
ラムバルブを製造していた。

この構造に於いては、ダイアフラムバルブに背圧が掛か
った時、出口側穴１０から入口側穴９への逆流を防ぐ為
にダイアフラム４に予圧を付与し、シール性を向上させ
る必要があった。

従来技術の製造方法に於いて、具体的には第８図の様な
製造プロセスをとっていた。厚さ２２０μｍのシリコン
ウェーハ３の両面に、フォトリソグラフィー及びエツチ
ング技術を使って段差及び穴を加工して、厚さ４０μｍ
でφ６ｍｍのダイアフラム４を形成する。条件としては
、エツチングマスクとして１．０μｍのシリコン熱酸化
膜を用い、８０℃に加温した３０％ＫＯＨ水溶液でシリ
コンウェーハ３をエツチングし形成する。

そして接合時、ダイアフラム４を形成したシリコンウェ
ーハ３のガラス基板２例のガラス接合面８と接点部６の
面は、同一面上の寸法関係である。

このまま入口側ガラス基板２と出口側ガラス基板１とて
サンドイッチ状に陽極接合しても、ダイアフラム４に予
圧を付与する事は出来ない。そこでシリコンウェーハ３
の接点部６に予圧付与スペーサ１４を形成してから、サ
ンドイッチ状に陽極接合する事で、ダイアフラム４に予
圧を付与する流体制御装置及びその製造方法であった。

モして予圧付与スペーサ１４を形成する方法は、穴の明
いた板状のマスクをシリコンウェーハ３に重ね穴の明い
た部分でガラス基板との接触する部分の接点部６のみに
スパッタリングで成膜する、マスクスパッタにてＳｉＯ
２を１μｍの厚みに形成していた。

さらに陽極接合前に、シリコンウェーハ３の表裏全面に
ＳｉＯ２を０．１μｍ成膜し、濡れ性の向上を図ってい
た。

［発明が解決しようとする課題及び目的］しかし前記の
従来技術にあっては、ダイアフラムに予圧を付与する為
に接点部６にマスクスパッタにて１μｍの厚みのＳｉＯ
２膜を予圧付与スペーサ１４として形成するだけであっ
た。

つまりマスクスパッタにて１μｍの厚みのＳｉＯ２膜を
予圧付与スペーサ１４として成膜し予圧を付与するが、
条件によりダイアフラムは、接点部側が凹の方向に大き
く反る場合があった。

さらにマスクスパッタでＳｉＯ２を成膜するとき、接点
部６の中心に位置が合わす予圧付与スペーサ１４がずれ
、予圧力が均一にかからない事があった。その高弟７１
２１の様に、接点部６に予圧付与スペーサ１４を形成し
てもシリコン基板の反り方がばらつき、接点部６が入口
側ガラス基板２に全部又は一部接触せず、均一に予圧が
かからない場合があった。これらの為流体が逆流し、不
良になるものが多かった。

そこて本発明はこのような課題を解決するもので、その
目的とするところは、バルブとして出口側穴１ｏから入
口側穴９への漏れを防止して、且つ信頼性の高い流体制
御装置の製造方法を提供するところにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の流体制御装置の製造方法は、ダイアフラム、流
路及びバルブとを同一材料で一体成形した流体制御装置
本体用のシリコンウェーハをガラス基板等でｆ１層、接
合して成る流体制御装置の該ダイアフラム部に形成され
た該バルブ部に於いて、前記ガラス基板と接し又離れ流
体の流れを開閉する接点部に形成した予圧付与スペーサ
もしくは該接点部のある側又は該接点部の反対側に成膜
した予圧付与膜の少なくとも一方の膜厚及び応力により
、無負荷状態で該接点部が接合面より凸になる事と、前
記予圧付与スペーサもしくは前記予圧付与膜の少なくと
も一方の膜厚及び応力により、無負荷状態で該接点部が
接合面より凸になる量が、＋５．０μｍ以下で一〇１．
２μｍ以上の範囲の特定の値に管理して製造する事と、
前記予圧付与スペーサと前記予圧付与膜が、ＳｉＯ２の
スパッタ膜である事と、前記予圧付与スペーサと前記予
圧付与膜が、窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）又は、窒化
シリコン（ＳｉＮ）のスパッタ膜である事と、前記ＡＩ
Ｎ又は、ＳｉＮの成膜のスパッタ条件でアルゴン（Ａｒ
）圧力、窒素（Ｎ２）圧力及び、スパッタパワーを調整
する事により、膜応力を管理する事を特徴とする。

［作用］ 本発明の上記構成によれば、無負荷状態で接点部が接合
面より凸になり背圧がかかっても逆流しない予圧力にな
る様に、予圧付与スペーサもしくは予圧付与膜の少なく
とも一方の膜厚及び応力を管理する事で接点部の予圧力
は固定し、ばらつく事はない。

それによって、背圧がかかった時の出口側穴から入口側
穴への逆流を防止し、歩留を向上させる事ができる。

さらに、Ｓｉ○２スパッタ膜は濡れ性が良好である為、
接点部又は接点部の反対面の全面に成膜した予圧付与膜
により、液体が内面を流れる時の濡れ性も向上させる事
もでき、気泡抜けがスムーズに出来る。

実施例 ［実施例１］ 以下図面を用いて、本発明の実施例１について詳細に説
明する。尚本発明の実施例１は、接点部に形成した予圧
付与スペーサの応力をできるだけ小さくする事で、ダイ
アフラムの反りを小さくし、予圧付与スペーサの厚みだ
けで予圧を付与するものである。

第１図は、本発明の実施例１のダイアフラムバルブの構
造を示す断面図である。又第２図は、本発明の実施例１
のダイアフラムバルブの製造方法を示す断面図である。

第２図の様に、厚さ２２０μｍのシリコンウェーハ３の
両面をフォトリソグラフィー及びエツチング技術を使っ
て段差及び穴を加工して、厚さ４０μｍで、直径φ６ｍ
ｍのダイアフラム４と接点部６を形成する。条件として
は、エツチングマスクとして１．０μｍのシリコン熱酸
化膜を用い、８０℃に加温した３０％ＫＯＨ水溶液でシ
リコンウェーハ３をエツチングし形成する。

そして入口側ガラス基板２に接触する接点部６に、予圧
付与スペーサ５を形成する。その方法としては穴の明い
た板状のマスクをシリコンウェーハ３に重ね、穴の明い
た部分でガラス基板と接触する接点部６の部分のみに成
膜するマスクスパッタにて、１μｍの厚みのＳｉＯ２を
成膜し、これを予圧付与スペーサ５とし、予圧を付与し
ていた。

そしてこの時のスパッタ膜は、応力が出来るだけ小さく
なる様な条件で成膜し、ダイアフラムが反らない様にし
た。その条件は、スパッタ圧力が３、　５　Ｘ　１０−
３Ｔ　ｏ　ｒ　ｒで、パワーは３インチのＳｉＯ２ター
ゲツトで４００ｗてあり、さらにスパッタ時間は９０分
であった。

さらに濡れ性の向上の為、シリコンウェーハ３の表裏全
面にＳｉＯ２を０．１μｍ成膜していた。

その後第１図の様に、シリコンウェーハ３を入口側ガラ
ス基板２と出口側ガラス基板１にてはさみ込み陽極接合
する事によって、ダイアフラムバルブを製造する。但し
接点部６は、予圧付与スペーサ５の１．０μｍの厚みの
ＳｉＯ２により陽極接合で接合しない。

又、本発明の実施例１では、マスクスパッタ法により予
圧付与スペーサ５を形成していたが、全面にＳｉＯ２を
成膜し、次いでフォトリソグラフィー及びエツチング技
術により所望形状の予圧付与スペーサ５を形成しても効
果は同一である。

尚、本発明の実施例１では、ＳｉＯ２で予圧付与スペー
サを形成し予圧を付与しているが、８１ＮやＡＩＮ等の
他のセラミックでも効果は同しである。

尚、本発明の実施例１ては、予圧付与スペーサ５の厚み
の最適値は１μｍであったが、ダイアフラムの大きさや
、厚み等が異なる場合は、予圧付与スペーサ５の厚みの
最適値は変化する。

次に下の表は、本実゛墓例１の場合の予圧付与スペーサ
のスパッタ条件に対する、ダイアフラムの無負荷状態で
接点部が接合面より凸になる量と、ダイアプラムバルブ
組立後の逆流の歩留の結果を示す。尚、ダイアフラムの
厚みは４０μｍで、直径はφ６ｍｍであり、スパッタで
成膜した予圧付与スペーサ５の厚みは１μｍである。但
しプラスは接点部側に凸である。

下の表の様に、無負荷状態で該接点部が接合面より凸に
なる量（予圧付与スペーサ５の厚みを引いた値）が、＋
５μｍから−０，２μｍまでなら歩留が５５％以上にな
り、その中で反り量の晶適値は０．０μｍである。

本発明の実施例１の場合 ［実施例２コ 以下図面を用い、本発明の実施例２について詳細に説明
する。尚本発明の実施例２は、接点部に形成した予圧付
与スペーサと接点部のある側の全面に成膜した予圧付与
膜による応力及び膜厚によって、無負荷状態で接点部が
接合面より凸になる様にし、この事を利用し予圧が生じ
る様にしたものである。

第３図は、本発明の実施例２のダイアフラムバルブの構
造を示す断面図である。第４図は、本発明の実施例２の
ダイアフラムバルブの製造方法を示す断面図である。

第４図の様に、厚さ２２０μｍのシリコンウェーハ３の
両面にフォトリソグラフィー及びエツチング技術を使っ
て段差及び穴を加工して、厚さ４０μｍで、直径φ６ｍ
ｍのダイアフラム４と接点部６を形成する。条件として
は、エツチングマスクとして１．　０μｍのシリコン熱
酸化膜を用い、８０℃に加温した３０％Ｋ　ＯＨ水溶液
でシリコンウェーハ３をエツチングし形成する。

さらに接点部６に、予圧付与スペーサ１３を成形する。

モして予圧付与スペーサ１３を形成する方法は、本発明
の実施例１と同じマスクスパッタにて、ＳｉＯ２を０．
　７μｍの厚みで成膜し、予圧付与スペーサ１３を成形
していた。そしてこの時のスパッタ条件はスパッタ圧力
が７．５Ｘ１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒで、パワーは３イン
チのＳｉＯ２ターゲツトで４００ｗであり、さらにスパ
ッタ時間は６０分であった。

続いて接点部６に予圧力を付与する方法として、接点部
６例のシリコンウェーハ３の全面にスパッタリングにて
ＳｉＯ２を０．・　３μｍの厚みに成膜し、予圧付与膜
７を形成し予圧を付与していた。

そしてこの時のスパッタリングは、スパッタ膜の応力に
よりダイアフラムが弁側に凸に反る様に成膜する。その
条件はスパッタ圧力が７．５Ｘ１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ
でパワーは３インチのＳｉＯ２ターゲツトで４００Ｗで
あり、さらにスパッタ時間は２５分であった。この時の
、無負荷状態で接点部が接合面より凸になる量が１．　
５μｍであった。

そして第３図の様に、シリコンウェーハ３を入口側ガラ
ス基板２と出口側ガラス基板１にてはさみ込み陽極接合
する事によって、ダイアフラムバルブを製造する。但し
接点部６は、予圧付与スペーサ１３（７）Ｓｉ０２０．
７μｍと、予圧付与膜７のＳｉＯ２０．３．ｃｚｍの合
計１．０μｍの厚みのＳｉＯ２により陽極接合で接合し
ない。

そして、本発明の実施例２の第５図の様に、接点部に厚
み０．７μｍの予圧付与スペーサ１４を形成し、接点部
６の反対面にスパッタ膜て予圧付与膜７を成膜したとこ
ろ、ダイアフラムが反り接点部６の予圧付与スペーサ１
４部分が接合面８より無負荷状態で１．５μｍの高さに
飛び出し、同じ効果が得られた。その条件はスパッタ圧
力が１゜５　ｘ　１０−３Ｔ　ｏ　ｒ　ｒでパワーは３
インチのＳｉｏ２ターゲットで４００Ｗであり、さらに
スパッタ時間は３０分で、膜の厚みは０．３μｍであっ
た。

又、本発明の実施例２では、マスクスパッタにて予圧付
与スペーサ１３を成膜していたが、マスクをレジストで
形成するりフトオフ方式にて形成しても効果は同じであ
る。

尚、本発明の実施例２では、マスクスパッタにてＳｉＯ
２を０．７μｍの厚みに成膜し予圧付与膜５としたが、
全面にＳｉｏ２を成膜してからフォトリソグラフィー及
びエツチング技術にて形成しても効果は同じである。

尚、ＳｉＯ２スパツタ膜でなくダイアフラム形成でエツ
チングマスクとして使った熱酸化膜で予圧用スペーサを
形成しても、効果は同じである。

尚、本発明の実施例２ては、予圧付与膜を５１０２で形
成し予圧を付与しているが、ＳｉＮやＡｌＮ等の他のセ
ラミックでも効果は同じである。

尚、本発明の実施例２では、Ｓｉｏ２を０．３μｍの厚
みに全面成膜する予圧付与膜７を成膜し予圧を付与して
いたが、ダイアフラムの大きさや、厚み等ダイアフラム
バルブの構成により、晟適な厚みにかえても効果は同じ
である。

尚、本発明の実施例に於いて予圧付与膜の膜の成膜方法
がスパッタリングであるが、蒸着やＣＶＤでも膜の応力
を管理できれば、効果は同じである。

次に下の表に、本実施例２の場合の予圧付与膜のスパッ
タ条件に対する応力と歩留結果を示す。

尚、ダイアフラムの厚みは４０μｍで、直径はφ６ｍｍ
であり、スパッタで成膜した厚みは０．３μｍである。

但しプラスは接点部側に凸である。

下の表の様に、無負荷状態で該接点部が接合面より凸に
なる量（予圧付与スペーサ１３と予圧付与膜７による応
力及び膜厚の和）が、＋５μｍから０．５μｍまでなら
歩留が５５％以上になり、その中で最適値は１．５μｍ
である。

本発明の実施例２の場合 ［発明の効果］ 以上述べてきたように本発明によれば、予圧付与スペー
サもしくは予圧付与膜の少なくとも一方の膜厚及び応力
を管理する事で、シリコンウェーハがガラス板に接触す
る接点部の予圧力を最適値に固定し、ばらつく事はなく
なる。その為背圧が掛かった時の出口側穴から入口側穴
への逆流を完全に防止し、耐漏れ性が向上し逆流による
歩留が安定する製造が可能となった。

さらに本発明の実施例２の様に、ＳｉＯ２スパツタ膜は
濡れ性が良好である為、接点部又は接点部の反対面の全
面に成膜した予圧付与膜により、液体が内面を流れる時
の濡れ性も向上させる事もでき、気泡抜けがスムーズに
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１のダイアフラムバルブの構
造を示す断面図。 第２図は、本発明の実施例１のダイアフラムバルブの陽
極接合前までの製造方法を示す断面図。 第３図は、本発明の実施例２のダイアフラムバルブの構
造を示す断面図。 第４図は、本発明の実施例２のダイアフラムバルブの陽
極接合前までの製造方法を示す断面図。 第５図は、本発明の実施例２の他のダイアフラムバルブ
の陽極接合前までの製造方法を示す断面図。 第６図は、従来技術のダイアフラムバルブの構造を示す
断面図。 第７図は、従来技術、のダイアフラムバルブの不良製品
になる構造を示す断面図。 第８図は、従来技術のダイアフラムバルブの陽極接合前
までの製造方法を示す断面図。 １・　　・出口側ガラス基板 ２・　　・入口側ガラス基板 ３・・・・シリコンウェーハ ４・・・・ダイアフラム ５・・・・本発明の実施例１に於ける 予圧付与スペーサ ６・・　・接点部 ７・　・・本発明の実施例２に於ける予圧付与膜８・・
・・接合面 ・入口側穴 ・出口側穴 ・本発明の実施例２に於ける 予圧付与スペーサ ・従来技術に於ける予圧付与スペーサ 以上 出願人セイコーエプソン株式会社 代理人弁理土鈴木喜三部（他１名） 第２図 第４図 第５図 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイアフラム、流路及びバルブとを同一材料で一
   体成形した流体制御装置本体用のシリコンウェーハをガ
   ラス基板等で積層、接合して成る流体制御装置の該ダイ
   アフラム部に形成された該バルブ部に於いて、前記ガラ
   ス基板と接し又離れ流体の流れを開閉する接点部に形成
   した予圧付与スペーサもしくは該接点部のある側又は該
   接点部の反対側に成膜した予圧付与膜の少なくとも一方
   の膜厚及び応力により、無負荷状態で該接点部が接合面
   より凸になる事を特徴とする流体制御装置。
2. （２）前記予圧付与スペーサもしくは前記予圧付与膜の
   少なくとも一方の膜厚及び応力により、無負荷状態で該
   接点部が接合面より凸になる量が、＋５．０μｍ以下で
   −０．２μｍ以上の範囲の特定の値に管理して製造する
   事を特徴とする請求項１記載の流体制御装置の製造方法
   。
3. （３）前記予圧付与スペーサと前記予圧付与膜が、Ｓｉ
   Ｏ２のスパッタ膜である事を特徴とする請求項１記載の
   流体制御装置の製造方法。
4. （４）前記予圧付与スペーサと前記予圧付与膜が、窒化
   アルミニュウム（ＡｌＮ）又は、窒化シリコン（ＳｉＮ
   ）のスパッタ膜である事を特徴とする請求項１記載の流
   体制御装置の製造方法。
5. （５）請求項３及び４の流体制御装置の製造方法に於い
   て、スパッタのアルゴン（Ａｒ）圧力、窒素（Ｎ２）圧
   力及び、スパッタパワーを調整し、膜応力を管理する事
   を特徴とする請求項１記載の流体制御装置の製造方法。