JPH0466786A - マイクロポンプおよびその製造方法 - 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］ この発明はマイクロポンプの製造方法に関し、特にマイ
クロマシーニング技術を応用した精密流体制御用デバイ
スの一環として医療・分析の分野でその実用化が強く期
待されているマイクロポンプの製造方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 上記のようなマイクロマシーニング技術は高度の新技術
分野を開拓するものとして現在その研究が進展中のもの
である。その動向については、日経エレクトロニクスＮ
ａ４８０（１９８９年８月２１日発行）ｐ、　１２５−
１５５の”Ｓｉマイクロマシーニング技術”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。

この中で、マイクロポンプに関してはその記事の第１３
５頁〜第１３９頁にその構成を含めた解説が記載されて
いる。マイクロポンプは微量かつ精密な流量制御が可能
なので、医療用や分析化学用への応用が可能であること
からその開発が期待されているものである。

そして、上記マイクロポンプなどがその範晴に入るマイ
クロメカニカルデバイスの製造方法等については、上記
文献の後半に記載されている。すなわち、その記事の第
１４６頁〜第１４９頁には、半導体のエツチング技術を
駆使してＳｉ　（シリコン）を複雑な３次元構造に加工
する（異方性エツチングなど）方法が、第１５０頁〜第
１５２頁には基板を張り合わせて様々な形状のものを作
る基板の接合技術（ガラスとＳｉの基板同志を接合する
陽極接合法など）が詳説されている。

マイクロメカニカルデバイスとして早くから開発されて
実用化段階にあるものとしてはＳｉ圧力センサがあるが
、その後の研究で最も進んでいるといわれるマイクロポ
ンプは現在試作段階であって実用に供せられるものは見
当たらない現状である。

したがって、マイクロポンプの製造方法も模索段階であ
って特に確立されたものはないということができよう。

［発明が解決しようとする課題］ 上記課題を解決するために本発明者らにより、以前に提
示された特許では、マイクロポンプの基本的な製造方法
を確立したものがあった。即ち、正確な吐出量を示すマ
イクロポンプの製造方法を提示したからである。

しかしながら、マイクロポンプのダイヤフラムは、Ｓｉ
ウェーハの厚さ方向において、中央部に作成するため、
弁部の異方性エツチングによるエツチング量が多く、弁
部の形状が変形しやすく、密閉性が低下する恐れがある
。また、このために弁部の変形を考慮して、マイクロポ
ンプのマスクを設計しなければならないので、マイクロ
ポンプの設計に制約が生じてしまう。

一方、Ｓｉウェーハの両面から異方性エツチングを行っ
て貫通孔を形成すると、貫通孔が変形しやすく貫通孔の
形状がいびつになり、液体または気泡の抜けが悪くなり
やすい。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたも
ので、前記ダイヤフラム及び弁膜をＳｉウェーハの厚さ
方向において、弁の形成される側に偏在させて形成する
ことにより、弁部の異方性エツチングによる変形をなく
し、さらに設計の自由度を向上させ、なおかつ貫通孔の
変形のない構造を有するマイクロポンプとその製造方法
を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明のマイクロポンプはダイヤフラム、流路、弁およ
び弁膜を湿式異方性エツチングにより形成したＳｉ基板
をガラス基板でサンドイッチした構造を有し、前記ダイ
ヤプラム及び弁膜をＳｉウェーハの厚さ方向において、
弁が形成される側に偏在させて形成したことを特徴とし
ている。

また、その製造方法は（１００）面方位のＳｉウェーハ
に、片側の面にダイヤフラム及び弁膜に相当するエツチ
ング用マスクを形成し、前記Ｓｉウェーハの前記片側の
面を湿式異方性エツチングにより所定深さの凹部を形成
した後、前記Ｓｉウェーハの前記片側の面を酸化シリコ
ン膜でマスキングし、そして前記Ｓｉウェーハの前記片
側の面と反対側の面に貫通孔に相当するエツチング用マ
スクを形成し、前記Ｓｉウェーハの前記片側の面と反対
側の面を湿式異方性エツチングにより所定量エツチング
して、前記貫通孔になるべき凹部を形成し、さらに前記
Ｓｉウェ〜ハの前記片側の面と反対側の面に相当するエ
ツチング用マスクを形成し、前記Ｓｉウェーハの前記片
側の面と反対側の面を所定量湿・武具方性エツチングす
ることにより、所望形状のダイヤフラム、弁、弁膜及び
貫通孔を形成することを特徴とする。

［実施例］ 第１図はこの発明によるマイクロポンプの本体部材を構
成するＳｉ基板の製造方法の一実施例を示す模式断面図
である。第一図（ａ）〜第１図（１）の工程図類に、各
工程段階の形成方法と形成状態を説明する。

まず、第１図（ａ）において、面方位（１００）のＳｉ
ウェーハを両面研磨した後洗浄して厚さ２８０μｍの基
板１を形成する。この基板１を熱酸化により第１図（ｂ
）に示すように、全面に１．０μｍの酸化膜（Ｓｉｎ、
膜）２を形成する。

次に、第１図（ｃ）に示すように、Ｓｉウェーハの片側
の面の酸化膜２にレジストパターニングを行い、フッ酸
系エツチングにてパターン部分の酸化膜２を除去し、ダ
イヤフラムおよび弁膜に相当するマスクパターン３ｄ及
び３Ｃを形成する。

ついで、Ｓｉウェーハの一回目の異方性エツチングを行
い、第１図（ｄ）に示す深さ１９０μｍのダイヤフラム
６ｂ、弁膜６ａを形成する。エツチングは、水酸化カリ
ウム３０重量％水溶液で、８０°Ｃでエツチングを行っ
た。この場合、Ｓｉウェーハに正確に１９０μｍの深さ
のエツチングを行うため、エツチング液は、水浴による
保温と撹拌を行った。

次に、第１図（ｅ）に示すように、熱酸化によりＳｉウ
ェーハを酸化膜２で覆った。この場合、ダイヤフラム６
ｂ、弁膜６ａのエツチング面を酸化膜で覆えば良いため
、５ｉｎ２膜をスパッタリングで形成してもよい それから、Ｓｉウェーハの前記片側の面の反対側の面の
酸化膜２にレジストパターニングを行い、フッ酸系エツ
チングにてパターン部分の酸化膜２を除去し、第１図（
ｆ）に示すように貫通孔に相当するマスクパターン３を
形成する。

そして、−回目の異方性エツチングと同様にＳｉの二回
目の異方性エツチングを行い、第１図（ｇ）に示すよう
にＳｉウェーハの裏面に深さ６０μ■の未貫通孔４を形
成する。さらにもう−度、Ｓｉウェーハの前記片側の面
の反対側の面の酸化膜２にレジストパターニングを行い
、フッ酸系エツチングにてパターン部分の酸化膜２を除
去し、第１図（ｈ）に示すようにダイヤフラム及び弁形
酸のためのマスクパターン３ｂ及び３ａを形成する。

そして、もう−変異方性エッチングを行い、第１図（ｉ
）に示すようにＳｉウェーハの裏面に深さ３０μｍのダ
イヤフラム及び弁を形成する。この様にダイヤフラム６
を厚み方向において、弁の形成される側へ偏在させると
弁の形成のための異方性エツチングは３０μｍ程度です
み、このため弁の変形及び欠けは全くなく、弁の密閉性
を向上させることができる。また、未貫通孔４も弁の裏
側が酸化膜で覆われているので、貫通孔の変形がなく液
体及び気泡の抜けがよくなるとおもわれる。この後、フ
ッ酸系溶液で酸化膜２．２ａを除去して貫通孔４ａを形
成し、第１図（ｊ）に示した状態とする。

次に、第１図（ｋ）に示すように、この状態の基板の弁
５部に厚さ１μｍの付勢膜７を形成するために５ｉｎ２
のマスクスパッタリングを行う。これは、この後の組立
における陽極接合工程において、弁５の付勢膜７のみが
ガラスと接合しないようにするためである。

この後、Ｓｉウェーハ全面に前述の熱酸化を行い、第１
図（１）に示したように全面に酸化膜２ｂを厚さ０．１
３μｍ形成する。この全面熱酸化の工程は液体を流れや
すくするためと液体に薬液を用いたときなどの耐食性を
向上するために行われる。このようにして、第１図く１
）に示したように、弁５の部分に酸化膜からなる付勢膜
７が１μ口程度残されたまま形成されたポンプ本体用の
Ｓｉ基板の形成が終了する。

第２図、第３図はマイクロポンプの組立て方法を説明す
る模式断面図であり、第２図は断面図、第３図は第２図
の断面個所を説明する平面構成図である。すなわち、第
２図は第３図に示したＡ−Ａ、Ｉ！に沿う断面図である
。なお、第２図においてＳｉ基板は薄い酸化膜２ｂの記
載を省略して示している。

図に見られるように、ダイヤフラム６と弁５と流路１１
とが形成されたＳｉ基板を下面に図示しない電極面を有
する下ガラス板ｌＯにより所定の位置に陽極接合する（
前記文献参照）、ついで、上面に図示しない電極面を有
する上ガラス板９を同様に接合して流路１１及びこれに
連結する圧力室１２を形成する。この時、上ガラス板９
を、下ガラス板１０にはともに厚さ１■のホウケイ酸ガ
ラスを用い、あらかじめ下ガラス板１０には液体の供給
口１３、吐出口１４となる孔を、上ガラス板９にはダイ
ヤフラム６の上部位置に圧電素子板１７を設置する孔１
８を設けておく。なお、この場合、酸化膜２ｂは０．１
３μ重と薄いので陽極接合が可能であるが、付勢膜７は
１μｍの厚さを有する酸化膜であるので、陽極接合され
ない。

その後、供給口１３の下には供給チューブ１５を、吐出
口１４の下には吐出チューブ１６を接合する。

最後に圧電素子板（ピエゾ）１７をダイヤフラム６の上
部に接着し、図示しない圧電素子駆動用電気配線、さら
に供給口１５、吐出口１６に図示しない配管を施してマ
イクロポンプが完成する。

以上の工程を通して完成したマイクロポンプの形状は変
形が少なく設計どおりになり、さらに異方性エツチング
による弁の変形も少ないものが得られた。

また、実際に圧電素子板に通電させて駆動を行い水等の
液体をマイクロポンプより吐出させるとほぼ設計値どお
りの吐出量が得られた。これは、Ｓｉ基板の流路、弁お
よび圧力室のある側の異方性エツチング量が少ないため
、エツチングによる流路、弁および圧力室等の変形が少
なく設計値に近くなったためである。

今度は、上記の状態で圧電素子板の駆動を止め、ポンプ
の供給口より所定の水圧をかけて、水の漏れ（ポンプの
密閉性）を調べた。その結果、全く水の漏れはなかった
。さらに、ポンプの吐出口に所定の水圧をかけて、水の
逆流の有無を調べたが、全く逆流はなかった。これらマ
イクロポンプの密閉性および逆流抑止性は、第１図（１
）においてＳｉ基板のダイヤフラム６を弁５のある側に
偏在させたため、弁５のある側の異方性エツチング量が
減り、それに伴う弁５部の変形や欠けがほとんどなくな
ったためである。

次に、マイクロポンプの気泡の抜は具合（気泡波は性）
を調べた。その方法は、供給口より所定の圧力以上の水
圧をかけて、マイクロポンプ中の気泡の出方を観察した
。その結果非常に気泡波は性が良く、弁及び貫通孔に気
泡が引っ掛かって抜けなくなることはなかった。

なお、以上のように本発明をダイヤフラム駆動手段とし
て圧電素子を用いた一実施例について説明したが、本発
明による製造方法はこの実施例構造のマイクロポンプに
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
他の構成によるマイクロポンプやこれに類似する流体制
御用デバイスに適応し得るものであることは言うまでも
ない。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、特にマイクロポン
プ本体を構成するＳｉ基板の形成方法で、Ｓｉウェーハ
にリソグラフィおよび湿式異方性エツチングを片側ずつ
合計３回繰り返し行い、ダイヤフラムを弁の形成される
側に偏在させて形成するため、異方性エツチングによる
ダイヤプラム、流路、貫通孔および弁の変形および欠け
がない。したがって、マイクロポンプの吐出量を正確に
規制する構造となり、さらに密閉性および逆流抑止性の
優れたマイクロポンプを製造できる効果を有する。

また、マイクロポンプの設計の自由度が増し、より効率
の良いマイクロポンプの設計を可能にするという効果も
有する。

さらに、貫通孔の変形もないので、気泡波は性も非常に
良いマイクロポンプを製造できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すマイクロポンプのＳｉ
基板の製造方法を説明する模式断面工程図。 第２図は本発明の製造方法で形成されるマイクロポンプ
の組立て方法を説明する断面図。 第３図は第２図の断面個所を説明する平面構成図。 図において、１はＳｉウェーハ、２　、２ａ、２ｂは酸
化膜、３．３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄはエツチングマスク
パターン、４は未貫通孔、４ａは貫通孔、５は弁、６，
６ａはダイヤフラム、６ｂは弁膜、７は付勢膜、８はＳ
ｉ基板、 ９は上ガラス板、 １０は下ガラス板、 １１は流 路、 １２は圧力室、 １３は供給口、 １４は吐出口、 １５は 供給チューブ、 １６は吐出チューブ、 １７は圧電素子 板である。 以 上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤフラム、流路、弁及び弁膜を湿式異方性エ
   ッチングにより形成したＳｉ基板をガラス基板でサンド
   イッチした構造を有するマイクロポンプにおいて、前記
   ダイヤフラム及び弁膜をＳｉウェーハの厚さ方向におい
   て、弁が形成される側に偏在させて形成したことを特徴
   とするマイクロポンプ。
2. （２）（ａ）（１００）面方位のＳｉウェーハに、片側
   の面にダイヤフラム及び弁膜に相当するエッチング用マ
   スクを形成し、 （ｂ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面を湿式異方性エ
   ッチングにより所定深さの凹部を形成し、 （ｃ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面を酸化シリコン
   膜でマスキングし、 （ｄ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面と反対側の面に
   貫通孔に相当するエッチング用マスクを形成し、 （ｅ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面と反対側の面を
   湿式異方性エッチングにより所定量エッチングして、前
   記貫通孔になるべき凹部を形成し、 （ｆ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面と反対側の面に
   相当するエッチング用マスクを形成し、 （ｇ）前記Ｓｉウェーハの前記片側の面と反対側の面を
   所定量湿式異方性エッチングすることにより、所望形状
   のダイヤフラム、弁、弁膜及び貫通孔を形成することを
   特徴とする請求項１記載のマイクロポンプの製造方法。