JP4623518B2

JP4623518B2 - 内部空間を有する複合基板

Info

Publication number: JP4623518B2
Application number: JP2006060867A
Authority: JP
Inventors: 将人甘中; 貴之平野; 信之川上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007237038A

Description

この発明は、凹部が微細加工された一方の基板と、前記凹部を封止して内部空間を形成するように前記基板に直接接合された他方の基板とを有する複合基板に関し、測定用セルやマイクロリアクターデバイスに利用される。

第１の基板の表面に数十μm 乃至数百μm 程度の凹部を微細加工により形成し、前記基板の凹部側表面に第２の基板を接合して、前記凹部を内部空間とした複合基板を備えたデバイスが知られている。例えば、特開２００１−５６２８６号公報（特許文献１）には、２枚の基板を酸化ケイ素膜を用いて接合し、一方の基板に形成した凹部を閉塞して内部空間とし、これに液体試料を導入するための試料導入口と液体試料を排出する排出口を設け、前記内部空間の一部の領域を測定室とした測定用セルが記載されている。また、特開２００５−１８６０３３号公報（特許文献２）には、一方の基板に微小流路を形成し、この流路を封止するように他方の基板を前記基板の流路形成面に接合したマイクロリアクターチップが記載されている。

前記基板同士の接合は、陽極接合やフッ酸接合など、基板自体の接合力によって接合する直接接合が適用されている。これは、接着剤による接合では、以下の問題があり、微細な内部空間を備えたデバイス構造における基板接合法として適さないからである。すなわち、接着剤により基板を接合すると、封止された内部空間に接着剤が広範囲にはみ出し、空間の均一性を損なわれたり、著しい場合は内部空間の一部が接着剤で埋められるという問題がある。また、接合面に比較的厚い接着剤層が形成され、これが基板の側端にて外部に露呈するため、耐薬品性の面でも問題がある。このため、石英やガラス、シリコンなどの基板を用いて接合する場合、多くは陽極接合やフッ酸接合などの直接接合法が用いられる。直接接合によると、平坦面同士の接合に対して良好な接合強度を得ることができ、接着剤による接合のような問題も生じない。
特開２００１−５６２８６号公報特開２００５−１８６０３３号公報

デバイスには、内部空間内に、例えば検出機能を備えた配線構造などのセンサー回路を設けることが必要となるものがある。この様なデバイスでは、内部空間内に設けられたセンサー回路を外部電極に金属配線によって引き出す必要がある。

この金属配線の引き出し方法として、内部空間に連通する貫通孔を基板に設け、この貫通孔に埋設した導電部材を介して内部空間内に設置したセンサー回路を外部電極につなぐ方法が考えられる。実際、このような接続方法は、貫通孔の末端開口が内部空間内に収まるような十分な大きさの空間を備えたものでは実施されている。

しかし、マイクロチャネルなどの幅数十〜数百μm 程度の微細空間に対して、配線引き出し用の貫通穴を開け、金属配線を設けることは、寸法的に実施困難である。すなわち、貫通孔はデバイス内の内部空間に直接開口するように設ける必要があるが、貫通孔を機械的加工によって形成した場合、内部構造に与える影響が大きく、孔の周囲の微細構造が損傷するおそれが高い。また、基板を形成するシリコン等をフッ酸により溶解して貫通穴を形成するとしても、長大なエッチング時間を要し、やはりエッチングによる孔周囲の微細構造への影響が避けられない。また、貫通孔の壁面に金属メッキを施すことで金属配線を形成することができるが、配線形成後、貫通孔自体を埋め合わせるというような面倒な工程が必要となり、工程が煩雑になる上、この微細孔を気密に塞ぐことは容易ではない。
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、一対の基板同士が直接接合された複合基板の内部空間内に設けられたセンサー回路と外部電極とが金属配線によって容易に接続され、しかも内部空間の封止性に優れ、製作が容易な複合基板を提供することを目的とする。

本発明の複合基板は、内部空間用凹部が表面に微細加工された第１基板と、前記内部空間用凹部を封止して内部空間を形成するように前記第１基板の表面に直接接合された第２基板とを有し、前記第２基板の表面には、前記内部空間内に配置されたセンサー回路と、当該センサー回路と外部に配置された外部電極とを電気的に接続する金属配線が積層形成され、前記第１基板又は前記第２基板には前記金属配線を収容する配線凹部が形成され、前記内部空間に開口する前記配線凹部の開口端近傍内周面に硬化樹脂の硬化前の未硬化樹脂と配線凹部の内面との接触角を増大させる濡れ性低下膜が形成され、前記金属配線が収容された前記配線凹部が硬化樹脂により封止されたものである。

前記配線凹部を設けることなく、前記第１基板と第２基板の接合面の間に前記金属配線が挟持され、これによって生じた前記金属配線の幅方向端の隙間が硬化樹脂によって封止された複合基板（以下、「参考基板」という。）によっても、内部空間の封止性に優れ、製作が容易な複合基板を提供することができるが、前記参考基板のように、基板の間に金属配線を挟持すると、基板に応力が生じた状態で基板同士を直接接合することになる。また、金属配線の幅方向両端に形成される隙間は、金属配線の端から隙間間隔が漸次狭くなり、基板同士が密着するに至る。このため、金属配線の幅方向端に形成される隙間の未接合領域が確定せず、また比較的広範囲に及ぶ。これに対し、本発明の複合基板によると、金属配線は基板に形成された配線凹部に収容され、その状態で配線凹部が硬化樹脂により封止されるため、基板に応力が加わらず、また未接合領域が配線凹部の幅に制限されるため、硬化樹脂による配線凹部の封止がより容易になる。

本発明の複合基板において、前記硬化樹脂の硬化前の未硬化樹脂を前記配線凹部に供給する樹脂供給孔を設けることで、基板接合後における未硬化樹脂の配線凹部への供給、充填を容易に行うことができる。

また、本発明の複合基板において、前記内部空間に開口する前記配線凹部の開口端において、前記配線凹部の内周面と前記内部空間用凹部の内周面とが屈曲した形状とすることができる。
前記内部空間に開口する配線凹部の開口端を屈曲形状とすることで、配線凹部に供給された未硬化樹脂は、配線凹部の開口端まで浸透すると、流路の屈曲により接触角が急変するため、ここで一定時間停止する。その間に未硬化樹脂を硬化させることにより、配線凹部の開口端にて硬化樹脂による封止を行うことができる。このため、配線凹部の開口から内部空間用凹部内面に硬化樹脂が流出して、開口端で硬化樹脂が膨出状に硬化したり、未硬化樹脂の浸透が開口端の手前で止まり、そこで硬化することにより開口端が凹んだ状態となるのを防止することができ、ひいては内部空間用凹部内面の面一性、内面品質を向上させることができる。

また、本発明の複合基板においては、前記内部空間に開口する前記配線凹部の開口端近傍内周面に前記硬化樹脂の元になる未硬化樹脂と配線凹部の内面との接触角を増大させる濡れ性低下膜が形成される。
このような濡れ性低下膜を配線凹部の開口端近傍内周面に形成することによって、未硬化樹脂の浸透が配線凹部の開口端にて停止し、その状態で硬化させることで、内部空間用凹部の内周面の面一性を向上させることができ、複合基板の品質を向上させることができる。上記配線凹部の開口端を屈曲形状とするとともに濡れ性低下層を形成することで、配線凹部の開口端における面一性をより確実なものとすることができる。

本発明の複合基板によれば、第１基板又は第２基板に配線凹部が形成され、内部空間に開口する前記配線凹部の開口端近傍内周面に硬化樹脂の硬化前の未硬化樹脂と配線凹部の内面との接触角を増大させる濡れ性低下膜が形成され、金属配線を収容した配線凹部が硬化樹脂で封止されているので、金属配線の配置、内部空間の封止が容易で、しかも未硬化樹脂の浸透が配線凹部の開口端にて停止し、その状態で硬化させることができるので、内部空間用凹部の内周面の面一性を向上させることができ、複合基板の製作も容易である。

以下、本発明の実施形態にかかる複合基板を図面を参照してその製造方法と共に説明する。
まず、図１から図３を参照して参考実施形態に係る第１実施形態について説明する。第１実施形態に係る複合基板は、石英で形成され、内部空間用凹部２が表面に微細加工された第１基板１と、シリコンで形成され、前記内部空間用凹部２を封止して内部空間５を形成するように前記第１基板１の表面に直接接合された第２基板１１とを備えている。

前記第２基板１１は、表面に熱酸化ＳｉＯ₂膜を有しており、その上にセンサー回路１２と、外周部に配置された外部電極１４と、前記センサー回路１２と外部電極１４とをつなぐ金属配線１３がフォトリソグラフィーなどの手法によって積層形成されている。前記センサー回路１２は前記内部空間５内に配置されるように配置される。前記金属配線１３は、例えば５０〜２００μm 程度の幅に形成され、またその厚さは１０ｎｍ〜１μm 、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とごく薄く形成される。

一方、前記第１基板１には、前記内部空間用凹部２が形成されるほか、その両端部に前記凹部内に貫通する試料供給孔４Ａ、試料排出孔４Ｂが形成される。前記内部空間用凹部２のサイズは、用途にもよるが、例えば幅５００〜１０００μm 、深さ２００μm 程度の寸法とされる。
また、前記第１基板１には、第１基板１が第２基板１１に接合された状態で、前記金属配線１３の一部およびその幅方向両端に形成される隙間６を含むように開口する、口径１mm程度の樹脂供給孔３が機械加工により貫通形成されている。樹脂供給孔３の加工に際しては、接合面に損傷を与えないように、接合面を樹脂シートで保護した上で接合面側から加工することが好ましい。

前記第１基板１は、その内部空間用凹部２の開口が前記第２基板１１に積層されたセンサー回路１２に被さるように、また前記金属配線１３を挟持するように前記第２基板１１に重ね合わされて、フッ酸接合や陽極接合などの方法により直接接合されている。例えば、フッ酸接合は、上記二枚の基板の接合面をフッ酸０．１％で表面処理し、位置合わせして３ｋＰ程度の圧力で２４ｈｒ程度保持することによって行われる。

前記第１基板１と第２基板１１とが接合された結果、前記内部空間用凹部２は内部空間５となり、また金属配線１３が挟持された基板部分では、図３に示すように、第１基板１が変形し、金属配線１３の幅方向両端には幅方向に漸次間隔が狭くなった隙間６が金属配線１３に沿って形成される。前記隙間６は、金属配線の厚さを２０ｎｍ程度とした場合、幅方向の長さは５０μm 程度である。なお、前記センサー回路１２から引き出す金属配線１３は、内部空間用凹部２の内周面に開口する隙間６の影響を軽減するため、センサー回路１２に影響がない程度にこれから離れた位置に配置することが好ましい。

前記樹脂供給孔３及びその金属配線側の下面開口を中心として金属配線１３及びその両端の隙間６に硬化樹脂Ｒが充填され、隙間６は封止されている。この硬化樹脂Ｒは、第１基板１と第２基板１１とを直接接合した後、前記樹脂供給孔３から未硬化樹脂を供給し、未硬化樹脂が前記金属配線１３の幅方向両端に生じた隙間６に沿って、これを充填するように浸透し、硬化されたものである。未硬化樹脂を浸透させる前には、前記隙間６は前記内部空間５と外部とを連通する連通空間を構成するが、未硬化樹脂の浸透、充填およびその硬化処理により、連通空間の連通が遮断され、内部空間５は封止される。なお、金属配線１３の上面は第１基板１によって挟持され、通常、隙間は生じないが、僅かな隙間が生じたとしても、未硬化樹脂が金属配線の上面に浸透して、金属配線の上面も第１基板の接合面に接合される。

前記硬化樹脂の充填による封止領域としては、基板に挟持された金属配線１３の全区間で行われている必要はなく、その区間の一部でよいが、図２に示すように、内部空間５側については、隙間６が内部空間５に開口する境界まで充填されることが好ましい。内部空間５の開口する部分では、隙間６を形成する基板１の接合面と内部空間用凹部２の内面とが屈曲した状態となるので、未硬化樹脂は内部空間５内に流出し難く、その部分で停止する。このため、その状態で未硬化樹脂を硬化させることで、開口境界まで硬化樹脂を容易に充填することができる。これにより、内部空間５の外周面（内部空間用凹部２の内面）は面一になり、流体試料の測定精度が向上する。もっとも、隙間６の断面はごく小さいものであるので、内部空間５に隙間６が開口してもその影響はわずかであり、金属配線１３の長さ方向の中途部において、隙間６が硬化樹脂により封止されるだけでもよい。

前記硬化樹脂Ｒとしては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を硬化（固化）したもの、紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化したもの、シリコーンオイルをＵＶ硬化結合させたもの等を用いることができる。使用する硬化樹脂の種類は、硬化前の未硬化樹脂液と基板との濡れ性が良いものが好ましい。例えば、この実施形態のように、基板材料がガラス、石英、シリコンなどの場合は、紫外線硬化樹脂などの親水性の未硬化樹脂が馴染みやすく、ＰＤＭＳや樹脂系の基板を用いる場合は疎水性の硬化樹脂が馴染みやすい。

さらに、前記未硬化樹脂の隙間６への浸透を促進するには、未硬化樹脂が浸透する基板表面に、予め未硬化樹脂液と基板との濡れ性を向上させるように、基板の浸透部表面に親水性あるいは疎水性処理を施すとよい。例えば、親水性の紫外線硬化樹脂を用いる場合、基板の未硬化樹脂の浸透面に事前にＵＶを照射し、表面の有機分子を分解除去しておくことで親水度が増し、未硬化樹脂液の隙間への浸入が起こり易くなる。

上記実施形態では、第１基板１は内部空間用凹部２に連通する試料供給孔４Ａ，試料排出孔４Ｂを設けたが、試料を内部空間５に封じ込める場合など、測定態様によってはこれらの供給、排出孔を設ける必要がない場合がある。また、上記実施態様では、内部空間５に設置されるセンサー回路１２は一つであり、また樹脂供給孔３も１本の金属配線１３につき一つの例を示したが、これらの設置数は任意であり、例えば図４に示すように樹脂供給孔３を複数個（図例では２個）設けてもよく、また図５に示すようにセンサー回路１２を複数個（図例では３個）設けてもよい。

次に、本発明の実施形態である第２実施形態にかかる複合基板を図６〜８を参照して説明する。なお、第１実施形態と同部材は同符号を付してその説明を省略する。
第２実施形態の複合基板は、第１基板１には、第２基板１１にセンサー回路１２と共に形成された金属配線１３を収容する配線凹部７が形成されている。この配線凹部７に金属配線１３を収容することで、第１基板１には、金属配線１３を挟持することに起因した変形、応力が生じず、また横幅が比較的広く、かつ未確定な隙間６の発生を防止することができる。このため、樹脂供給孔３からの未硬化樹脂の供給、浸透がこの配線凹部１３だけとなり、効率のよい封止が可能となる。

前記配線凹部７は、金属配線１３が収容可能な寸法、形状とすればよいが、製作の容易さも考慮して、例えば金属配線１３を幅２００μm 、厚さ２０ｎｍ程度に形成する場合、幅２６０〜３００μm 程度、深さ５０〜６００ｎｍ程度とすればよい。もっとも、これらのサイズは、未硬化樹脂が適度に浸透するように決めることが好ましく、この際、未硬化樹脂液と浸透面との濡れ性、未硬化樹脂液の粘性や表面張力が考慮される。

前記配線凹部１３は、第１基板１の接合面に金属配線１３のパターンに対応した部分をエッチングすることにより加工される。その後、樹脂供給孔３が加工され、フッ酸等による接合処理を行い、第２基板１に形成された金属配線１３を前記配線凹部７に収容するように、第２基板１１に第１基板１が重ね合わせれて直接接合され、その後、樹脂供給孔３から未硬化樹脂を供給し、金属配線１３が収容された配線凹部７に浸透、充填させ、硬化処理を施すことにより、前記配線凹部７に硬化樹脂が充填され、内部空間５と外部とをつなぐ配線凹部によって形成された連通路は遮断され、内部空間５は封止される。

前記配線凹部７に硬化樹脂Ｒを充填するに際しては、第１実施形態と同様、前記配線凹部７が前記内部空間５に開口する前記配線凹部７の開口端まで未硬化樹脂を浸透、充填し、これを硬化させることが好ましい。この実施形態においても、前記配線凹部７の開口端では、前記配線凹部７の内周面と前記内部空間用凹部２の内周面とが屈曲した状態となるので、未硬化樹脂の浸透はここで停止し易く、その状態で硬化させることで容易に硬化樹脂Ｒを配線凹部７の開口端まで充填することができ、内部空間用凹部２の内面を面一にすることができる。

さらに、配線凹部７の開口端にて未硬化樹脂を確実に停止させるには、第１基板１と第２基板１１とを直接接合する前に、図９に示すように、第１基板１の配線凹部７が内部空間用凹部２内面に開口する、開口端近傍内周面に未硬化樹脂と配線凹部７の内面との接触角を増大させる濡れ性低下膜９を形成するとよい。例えば、未硬化樹脂として親水性の紫外線硬化樹脂によって配線凹部７を封孔する場合、濡れ性低下膜９として撥水性を有するカーボン膜を形成すればよい。このカーボン膜は、配線凹部７を含む、第１基板１の接合側表面にＣＶＤなどにより厚さ１００〜３００ｎｍ程度のアモルファスカーボン膜を成膜した後、前記開口端近傍内周面にマスクを施して、ＵＶ照射を行う。これにより、マスクを掛けた領域以外のアモルファスカーボンを分解除去し、マスクを除去することにより、配線凹部７の開口端近傍内周面のみにカーボン膜を形成することができる。

また、第２実施形態、第１実施形態において、未硬化樹脂として紫外線硬化樹脂やシリコンオイルを用いる場合、内部空間５を遮蔽する領域に事前にマスクをかけた状態で、隙間６や配線凹部７に未硬化樹脂を浸透充填し、硬化光線（紫外線）を照射することにより、内部空間５内の未硬化樹脂の硬化を抑制し、隙間６や配線凹部７に存在する未硬化樹脂のみを選択的に硬化させ、その後、内部空間５内の未硬化樹脂を除去することで、隙間６や配線凹部７の内部空間開口部に凹凸が生じないようにすることができる。

上記第２実施形態では、第１基板１の接合面をエッチングすることにより配線凹部７を形成したが、図１０（Ａ）に示すように、第１基板１の金属配線１３に対応するパターン外の表面部にＳｉＯ₂膜２１を成膜することで、配線用凹部７を容易に形成することができる。また、図１０（Ｂ）に示すように、第２基板１１の接合面に金属配線パターン外の表面部に例えばＣＶＤによってＳｉＯ₂膜２２を成膜することで、金属配線を含むように配線凹部７を形成することができる。
また、第２実施形態においても、用途によっては試料供給口４Ａ、試料排出口４Ｂを設ける必要はなく、またセンサー回路１２や樹脂供給孔３を複数個（図例では２個）設けることができる。

第１実施形態に係る複合基板の一部切り欠き平面図である。図１のＡ線断面図である。図１のＢ線断面図である。複数の樹脂供給孔を備えた複合基板の、金属配線に沿った縦断面図である。複数のセンサー回路を備えた複合基板の一部切り欠き平面図である。第２実施形態に係る複合基板の一部切り欠き平面図である。図６のＡ線断面図である。図６のＢ線断面図である。配線凹部の開口端近傍内周面に濡れ性低下膜が形成された第１基板の配線凹部に沿った縦断面図である。配線凹部が形成された基板の要部断面図である。

符号の説明

１第１基板２内部空間用凹部
３樹脂供給孔５内部空間
６隙間７配線凹部
９濡れ性低下膜１１第２基板
１２センサー回路１３金属配線
１４外部電極

Claims

内部空間用凹部が表面に微細加工された第１基板と、前記内部空間用凹部を封止して内部空間を形成するように前記第１基板の表面に直接接合された第２基板とを有し、
前記第２基板の表面には、前記内部空間内に配置されたセンサー回路と、当該センサー回路と外部に配置された外部電極とを電気的に接続する金属配線が積層形成され、
前記第１基板又は前記第２基板には前記金属配線を収容する配線凹部が形成され、前記内部空間に開口する前記配線凹部の開口端近傍内周面に硬化樹脂の硬化前の未硬化樹脂と配線凹部の内面との接触角を増大させる濡れ性低下膜が形成され、前記金属配線が収容された前記配線凹部が硬化樹脂により封止された、複合基板。
前記第１基板には、前記硬化樹脂の硬化前の未硬化樹脂を前記配線凹部に供給する樹脂供給孔が設けられた、請求項１に記載した複合基板。
前記配線凹部が前記内部空間に開口する前記配線凹部の開口端において、前記配線凹部の内周面と前記内部空間用凹部の内周面とが屈曲した、請求項１又は２に記載した複合基板。