JP6372227B2 - 流路デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板に微小な流路を備えた流路デバイスに関する。特に、流路に面して電極を配置した流路デバイスに関する。

近年、半導体基板への素子形成技術（半導体プロセス）を流路（液体や気体が流れる経路）の形成に応用したμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System）、Lab-on-a-chip、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれる流路デバイスが研究され、実用化されている。これらの流路デバイスは、数ｃｍ角の大きさの基板（チップ）の内部にマイクロメートルオーダーの幅を持つ流路を有し、そのような流路を合流させたり、分岐させたりする構造を有する。

例えば、化学反応を行うためのマイクロ流路デバイスは、マイクロリアクタとも呼ばれ、加熱・冷却速度が速い、物質の拡散長が短いので反応が迅速に進行するといったマイクロ流路特有の利点を備えるデバイスとして様々な分野への活用が期待されている。例えば流路近傍に電極を配置し、該電極を用いて得た信号を利用する圧力計や差圧流量計への応用例が報告されている（特許文献１）。

特開２０１０−２２１０７３号公報

流路デバイスは、半導体プロセスを応用して作製した構造体の内部に液体、気体等の流体を通すという構成になるため、流路から流体が漏れるとデバイス全体の信頼性を損なう結果となるおそれがある。

そこで、本発明では、流路からの流体の漏れを防ぎ、信頼性の高い流路デバイスを提供することを課題とする。

本発明の一実施形態に係る流路デバイスは、第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備え、前記第１基板の内部には、前記流路に対向する面を有する電極が設けられ、前記電極の前記流路に対向する面は、前記流路に露出する領域を有し、前記流路に対向する面の周縁は、前記電極と異なる物質で構成される被覆部によって覆われている。

本明細書中において、流路に対向する面の周縁（流路に対向する面を画定する、電極と第１基板との境界）を覆う部位を「被覆部」と呼ぶ。被覆部は、電極が設けられる第１基板の一部を利用して設けることもできるし、第１基板とは別の絶縁層を設けることもできる。いずれにしても、被覆部は、電極と異なる物質で構成される材料（例えば、半導体材料もしくは絶縁材料）で構成されるものである。

本発明の一実施形態に係る流路デバイスの製造方法は、第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備えた流路デバイスの製造方法であって、前記第１基板の裏面に電極形成用溝部を形成する工程と、
前記電極形成用溝部を導電材料で充填して電極を形成する工程と、前記第１基板の表面をエッチングして、前記電極のうち前記流路に対向する面の一部を露出させる工程と、前記第１基板の表面に対向させて前記第２基板を配置する工程と、を備える。

本発明の一実施形態に係る流路デバイスの製造方法は、第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備えた流路デバイスの製造方法であって、前記第１基板の表面に電極形成用溝部を形成する工程と、前記電極形成用溝部を導電材料で充填して電極を形成する工程と、前記第１基板の表面に、少なくとも前記電極の周縁を被覆する絶縁層を形成する工程と、前記第１基板の表面に対向させて前記第２基板を配置する工程と、を備える。

本発明によれば、流路からの流体の漏れを防ぎ、信頼性の高い流路デバイスを実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る流路デバイスを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る流路デバイスの製造工程を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る流路デバイスの製造工程を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る流路デバイスを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る流路デバイスの製造工程を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る流路デバイスを示す図である。 本発明の第３実施形態に係る流路デバイスの製造工程を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る流路デバイスの断面図である。 本発明の第５実施形態に係る流路デバイスを示す図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体装置を示す図である。 参考例に係る流路デバイスを示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号（数字の後にＡ、Ｂなどを付しただけの符号）を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。

＜本発明に至る経緯＞
本発明者は、流路デバイスの開発を進める中で、電気浸透流を利用するという着想に至り、図１１に示す構造の流路デバイスを検討した。

図１１（Ａ）は、参考例として示す流路デバイス１の上面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の流路デバイスをＡ−Ａ’で切断した断面図である。また、図１１（Ｃ）は、図１１（Ｂ）の点線Ｃで囲んだ部分の拡大図である。

図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示す流路デバイス１において、第１基板２ａと第２基板２ｂとの間には、流路３が形成され、流路３には所定の間隔を置いて電極４が配置されている。なお、流路３は、第２基板２ｂに予め流路となる部分をエッチングして流路形成用溝部を形成しておき、第１基板２ａと第２基板２ｂとを互いに対向配置させた際に、流路形成用溝部によって生じる間隙を利用して形成される。

さらに第２基板２ｂには、流路形成用溝部の内側に、複数の開口部５ａ〜５ｃが設けられ、これらが流路デバイスの試料投入口もしくは試料取出し口として機能する。流路デバイス１では、開口部５ａ及び５ｂからそれぞれ異なる試料（例えば、試料溶液）を投入し、流路３を用いてそれらを混合させ、開口部５ｃから取り出す構成となっている。

このとき、開口部５ａ、５ｂから投入した溶液は、電極４を用いて形成した電気浸透流を利用して流路３を流れて開口部５ｃに到達する。電気浸透とは、液体と固体が接している所に電圧をかけた場合に、液体が移動する現象であり、これにより生じる液体の流れを電気浸透流という。図１１（Ａ）に示す流路デバイス１では、複数の電極４を用いて流路と溶液とが接する部分に電圧を与え、これにより生じる電気浸透流を利用する。

このような構造の流路デバイス１において、本発明者は、電極４と第１基板２ａとの間の僅かな隙間を介して試料となる溶液が漏れる可能性を問題視した。すなわち、図１１（Ｃ）に示すように、電極４と第１基板２ａとの間には、電極４の形成時等に隙間６が生じる場合があり、流路３を流れる試料溶液等の流体が、隙間６を介して流路３の外部へと漏れる可能性があると考えたのである。

また、流路内に電極を配置する方法としては、上記のように貫通電極を用いる方法と、貫通電極ではなく、配線を流路外の面方向に引き出す方法がある。後者の場合、流路を形成する上下基板の接合面に配線を通すことになり、流路内に孤立電極を形成することができない。すなわち、流路側壁部には、必ず配線が存在して壁の影響を受ける。たとえば、配線の厚さ分だけその部分が厚くなり、接合がしっかりとできず、液漏れの要因になる場合がある。仮にうまく接合できたとしても、その部分では上下基板がそり、光学顕微鏡等により流路を観察する際、画像がひずむおそれが発生する。また、流路の流れに悪影響も与える不具合が発生する。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、流路からの流体の漏れを防ぎ、信頼性の高い流路デバイスとして、以下に示す流路デバイスを提供する。

（第１実施形態）
＜流路デバイスの構造＞
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る流路デバイス１１を示す上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の流路デバイス１１をＡ−Ａ’で切断した断面図である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の点線Ｃで囲んだ部分の拡大図であり、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）の点線Ｄで囲んだ部分の拡大図である。

本実施形態に係る流路デバイス１１は、第１基板１２ａと、第１基板１２ａに対向する第２基板１２ｂとの間に流路１３が設けられ、第１基板１２ａの内部には、流路１３に対向する面（流路１３への露出面を含む面）を有する電極１４が所定の間隔を置いて配置された構成となっている。電極１４のうち流路１３に対向する面の一部は、流路１３に対して露出しており、これらの電極１４を用いて流路１３内に電気浸透流を生じさせる構成となっている。なお、流路デバイス１１は、他の基板をさらに備えていてもよいし、第１基板１２ａ、第２基板１２ｂ、他の基板の少なくとも一つが積層体により構成されていてもよい。

第１基板１２ａ、第２基板１２ｂとしては、シリコン、窒化ガリウム、炭化シリコン等の半導体材料で構成された半導体基板を用いてもよいし、ガラス基板（青板ガラス、低膨張ガラス、無アルカリガラスなどで構成される基板）や樹脂基板を用いてもよい。本実施形態の流路デバイス１１では、第１基板１２ａ、第２基板１２ｂともに、例えば厚さ１００μｍ〜１ｍｍの範囲のガラス基板を用いることとする。

本実施形態に係る流路デバイス１１では、２つの流路を途中で合流させることにより、流路内でそれぞれ異なる溶液を混合し、最終的に混合溶液を生成する構造となっている。そのため、流路１３には、２つの開口部１５ａ及び開口部１５ｂ（投入口）が設けられ、両者からそれぞれ異なる溶液が投入される。そして、流路１３内で生成された混合溶液が、開口部１５ｃ（取出し口）から取り出される。なお、流路の形態は図示のものに限るものではない。

ここで、本実施形態に係る流路デバイス１１と、図１１に示した参考例に係る流路デバイス１との間で大きく異なる点は、図１（Ｃ）に示すように、電極１４と第１基板１２ａとの間に隙間１６が存在したとしても、第１基板１２ａの一部が電極１４と第１基板１２ａとの間の境界を覆うため、隙間１６を介した溶液の漏れが生じない点である。

具体的には、図１（Ｃ）に示す断面図における電極１４と第１基板１２ａとの境界、すなわち、図１（Ｄ）に示す拡大図において、流路１３に対向する電極面の周縁（電極面を画定する、電極１４と基板１２ａとの境界）が、第１基板１２ａの一部（第１基板１２ａと同一の物質で構成される部位）で構成される被覆部１７で被覆されている。つまり、図１（Ｃ）及び図１（Ｄ）の拡大図に示されるように、電極１４のうち流路１３に対向する面の周縁が、被覆部１７で被覆されている点に特徴がある。

これにより、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、被覆部１７で被覆された状態となって流路１３を流れる流体に接することがないため、境界に生じた隙間１６を介して流体が流路１３の外部に漏れるといった問題を防ぐことができる。

＜流路デバイスの製造方法＞
次に、本実施形態に係る流路デバイス１１の製造方法について図２、３を用いて説明する。

まず、第１基板１２ａとして、例えば厚さ１００μｍ〜１ｍｍの範囲のガラス基板を準備し、図２（Ａ）に示すように、第１基板１２ａの裏面に、レーザー加工、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の公知の方法により、電極形成用溝部（トレンチとも呼ばれる）２１を形成する。ここで、第１基板１２ａの裏面とは、後述する第１基板１２ａの表面とは反対側の面を指し、第１基板１２ａにおいて実効的に利用される２つの平面のうち流路を形成しない側の面を指す。

電極形成用溝部２１の外形（縁の形状）は、任意であり、円形でもよいし、多角形でもよく、サイズは、例えば１０μｍ〜１００μｍの範囲で適宜選択すればよい。また、電極形成用溝部２１の深さは、第１基板１２ａとして用いるガラス基板の厚さにも依存するが、例えば１００μｍ〜５００μｍの範囲で適宜選択すればよい。

次に、図２（Ｂ）に示すように、電極形成用溝部２１を銅、タングステンなどの金属材料のような導電材料で充填して電極１４を形成する。電極１４の形成方法は、公知の方法を用いることができるが、シード層を利用した電解めっき法、溶融した導電材料を圧力差を利用して吸引する方法、もしくは、導電性ペースト材料を充填する方法等を用いればよい。また、電極１４を形成した後、露出した電極面に対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を施してもよい。

次に、図２（Ｃ）に示すように、第１基板１２ａの表面にマスク２２を形成する。ここで、第１基板１２ａの表面とは、第１基板１２ａにおいて実効的に利用される２つの平面のうち流路１３を形成する面（すなわち、第２基板１２ｂに対向する面）を指す。また、マスク２２としては、第１基板１２ａをエッチングする際の選択比を確保できる材料を用いて形成すればよい。

なお、マスク２２は、前述した「被覆部１７」が後に形成される位置に設けられる。具体的には、図１（Ｄ）に示す電極１４の周縁（電極１４と第１基板１２ａとの境界）を被覆するように、電極１４の流路１３に対向する面の周縁に沿って形成されている。

次に、図３（Ａ）に示すように、ガラスで構成される第１基板１２ａに対し、フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行う。この場合、マスク２２としては、例えばフッ酸に対して耐性のあるクロム膜のマスクを用いるとよい。ここでは、ウェットエッチングによりエッチングが等方的に進行するので、マスク２２の下方にもエッチングが進行する。

なお、エッチングに際して、第１基板１２ａの裏面には、フッ酸に対して耐性のある保護層（図示せず）を形成しておいてもよい。保護層は絶縁膜でも導電膜でもよいが、後で除去することを考慮すると、少なくとも第１基板１２ａ及び電極１４に対してエッチング選択比を確保できる材料であることが必要である。

図３（Ａ）の状態からそのままエッチングを続けると、図３（Ｂ）に示すように、マスク２２がリフトオフされ、マスク除去工程を要することなしにマスク２２が配置されていた部分に被覆部１７として機能する凸部が簡便に形成される。これ以降のエッチングでは、第１基板１２ａの表面全体がほぼ同じ速度でエッチングされるため、ここで形成された凸部は、最終的に被覆部１７として残り続けることとなる。

さらにエッチングを続けると、図３（Ｃ）に示すように、電極１４の一部が露出し、最終的に、電極１４と第１基板１２ａとの境界を被覆するように被覆部１７が形成される。これにより、図１に示した本実施形態に係る流路デバイス１１の第１基板１２ａが完成する。

この後は、最終的に流路１３となる部分に形成された流路形成用溝部と、その内側に形成された開口部１５ａ〜１５ｃとを有する第２基板１２ｂを準備し、第１基板１２ａ及び第２基板１２ｂを対向させて貼り合わせれば、図１に示した本実施形態に係る流路デバイス１１の第１基板１２ａが完成する。

このとき、流路１３の高さ（流路１３を構成する、第１基板１２ａと第２基板１２ｂとの間の距離）は、第２基板１２ｂに形成された流路形成用溝部の深さで決まり、流路１３の用途に応じて、１０〜１００μｍの範囲で設定することができる。

なお、第１実施形態では、第２基板１２ｂとして、第１基板１２ａと同様にガラス基板を用い、第１基板１２ａと第２基板１２ｂとの貼り合わせには、樹脂で構成された接着材を用いている。その他、第１基板１２ａ及び第２基板１２ｂのいずれか一方として半導体基板を用いることも可能であり、その場合、第１基板１２ａと第２基板１２ｂとを公知の陽極接合により貼り合わせればよい。

（第２実施形態）
＜流路デバイスの構造＞
本発明の第２実施形態に係る流路デバイス４１について、図４を用いて説明する。図４（Ａ）は、本実施形態に係る流路デバイス４１を示す上面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の流路デバイス４１をＡ−Ａ’で切断した断面図である。また、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の点線Ｃで囲んだ部分の拡大図であり、図４（Ｄ）は、図４（Ａ）の点線Ｄで囲んだ部分の拡大図である。

本実施形態に係る流路デバイス４１は、電極１４と第１基板１２ａとの間の境界を被覆する被覆部の形成方法が、第１実施形態に係る流路デバイス１１と異なる。その他の点は、第１実施形態に係る流路デバイス１１と同じである。

具体的には、本実施形態では、第１基板１２ａの表面に開口部４２を設け、その開口部４２により、電極１４の流路１３に対向する面の一部を露出させる構成となっている。その際、図４（Ｄ）に示すように、電極１４の露出面の周縁（すなわち、開口部４２の周縁）は、電極１４の流路１３に対向する面の周縁の内側に形成される。これにより、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、第１基板１２ａの一部で構成される被覆部４３で被覆される構造となり、境界に生じた隙間１６を介して流体が流路１３の外部に漏れるといった問題を防ぐことができる。

＜流路デバイスの製造方法＞
次に、本実施形態に係る流路デバイス４１の製造方法について図５を用いて説明する。

まず、第１基板１２ａの裏面側の内部に電極１４を形成し、図５（Ａ）の状態を得る。ここまでの工程は、第１実施形態において、図２（Ａ）、図２（Ｂ）を用いて説明した工程と同じであるので、ここでの説明は省略する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、第１基板１２ａの表面に対してエッチング工程を行う。エッチング工程は、ウェットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。また、ＣＭＰ等を用いて機械的に研削してもよい。この工程は、電極１４の上方に、第１基板１２ａを構成する材料（本実施形態の場合はガラス）を膜厚ａで残存させることを目的としている。この膜厚ａで残存させた部分が、最終的に本実施形態の流路デバイス４１における被覆部４３を構成する。

ここで、図５（Ｂ）に示す工程で残存させる膜厚ａは、後に開口部４２を形成する際のエッチング方法とエッチング精度とに応じて決定すればよい。例えば、ウェットエッチングのように、等方性エッチングを前提とするならば、横方向へのエッチング進行も加味して、最終的に所望の位置に被覆部４３が形成されるように予め計算しておく必要がある。逆に、反応性イオンエッチングのように、異方性エッチングを前提とするならば、縦方向へのエッチング進行のみを考慮すればよい。

本実施形態では、第１基板１２ａに形成する電極形成用溝部のサイズ（すなわち、電極１４の流路１３に対向する面のサイズ）を１０μｍ〜１００μｍの範囲で設定する際、膜厚ａは、１μｍ≦ａ≦４５μｍの範囲とすることが好ましい。下限を１μｍとしたのは、図５（Ｂ）に示すエッチング工程において、第１基板１２ａの表面に対して行うエッチングのばらつき（±１μｍ程度）を考慮したからである。また、上限を４５μｍとしたのは、電極形成用溝部のサイズを１００μｍとした場合に、ウェットエッチングを採用した場合に確実に被覆部４３を形成することができるように、横方向へのエッチング進行（左右に４５μｍずつ）を考慮したからである。

次に、図５（Ｃ）に示すように、開口部４４を有するマスク４５を形成する。マスク４５は、第１基板１２ａとのエッチング選択比を確保できる材料であればよく、本実施形態では、クロム膜をパターニングして形成する。このとき、開口部４４の位置は、図４（Ｄ）を用いて説明した開口部４２の位置と同じであり、電極１４の流路１３に対向する面の周縁の内側に位置するように形成される。また、開口部４４のサイズは、例えば１μｍ〜１０μｍの範囲で適宜決定すればよい。

次に、マスク４５を用いて第１基板１２ａに対してエッチングを行い、開口部４２を形成する。本実施形態では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたドライエッチングによりエッチング工程を行うが、ウェットエッチングを行ってもよい。これにより、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、第１基板１２ａの一部で構成される被覆部４３によって被覆される構造となる。

こうして電極１４の形成された第１基板１２ａが完成したら、後は第１実施形態と同じ方法で第２基板１２ｂと貼り合わせ、図４に示した本実施形態に係る流路デバイス４１を完成すればよい。第２実施形態に係る流路デバイス４１においても、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、第１基板１２ａの一部で構成される被覆部４３によって被覆される構造となり、境界に生じた隙間１６を介して流体が流路１３の外部に漏れるといった問題を防ぐことができる。

（第３実施形態）
＜流路デバイスの構造＞
本発明の第３実施形態に係る流路デバイス６１について、図６を用いて説明する。図６（Ａ）は、本実施形態に係る流路デバイス６１を示す上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の流路デバイス６１をＡ−Ａ’で切断した断面図である。また、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の点線Ｃで囲んだ部分の拡大図であり、図６（Ｄ）は、図６（Ａ）の点線Ｄで囲んだ部分の拡大図である。

本実施形態に係る流路デバイス６１は、電極１４と第１基板１２ａとの間の境界を被覆する被覆部の形成方法が、第１実施形態に係る流路デバイス１１と異なる。その他の点は、第１実施形態に係る流路デバイス１１と同じである。

具体的には、本実施形態では、第１基板１２ａの表面に、開口部６２を有する絶縁層６３を設け、この絶縁層６３を電極１４と第１基板１２ａとの境界を被覆する被覆部として機能させる構造となっている。

このとき、絶縁層６３は、第１基板１２ａとは異なる材料で構成されていてもよく、酸化シリコン、窒化シリコンといった絶縁膜を用いてもよいし、樹脂膜を用いてもよい。ただし、流路１３に接することになるため、流路１３に流れる流体との反応性が低い材料を用いることが望ましい。

開口部６２は、電極１４の流路１３に対向する面の一部を露出させるために絶縁層６３に設けられた貫通孔であり、図６（Ｄ）に示すように、電極１４の露出面の周縁（すなわち、開口部６２の周縁）は、電極１４の流路１３に対向する面の周縁の内側に形成される。これにより、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、被覆部４３として機能する絶縁層６３で被覆される構造となり、境界に生じた隙間１６を介して流体が流路１３の外部に漏れるといった問題を防ぐことができる。

＜流路デバイスの製造方法＞
次に、本実施形態に係る流路デバイス６１の製造方法について図７を用いて説明する。

まず、第１基板１２ａの表面側の内部に電極１４を形成し、図７（Ａ）の状態を得る。第１基板１２ａの内部に電極１４を形成する工程は、第１実施形態において、図２（Ａ）、図２（Ｂ）を用いて説明した工程と同じであるので、ここでの説明は省略する。ただし、本実施形態では、第１基板１２ａの表面に電極形成用溝部を形成する点が異なる。

次に、図７（Ｂ）に示すように、第１基板１２ａの表面に絶縁層６３を形成する。絶縁層６４は酸化シリコン、窒化シリコンといった絶縁膜や樹脂膜であり、その膜厚ａは、好的には１μｍ≦ａ≦４５μｍの範囲で適宜設定すればよい。この膜厚ａの数値設定については、第２実施形態と同じである。

次に、図７（Ｃ）に示すように、図示しないマスク（例えばレジストマスク）を用いて絶縁層６３に対してエッチングを行い、開口部６２を形成する。こうして、開口部６２を有する絶縁層６３が形成される。なお、開口部６２の位置やサイズ、並びに開口部６２の形成方法については、第２実施形態で説明した開口部４２の形成と同じであるため、ここでの説明は省略する。図７（Ｃ）の工程を経て、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、被覆部として機能する絶縁層６３で被覆される。

こうして電極１４が形成された第１基板１２ａが完成したら、後は第１実施形態と同じ方法で第２基板１２ｂと貼り合わせ、図６に示した本実施形態に係る流路デバイス６１を完成すればよい。第３実施形態に係る流路デバイス６１においても、電極１４と第１基板１２ａとの境界は、被覆部として機能する絶縁層６３で被覆される構造となり、境界に生じた隙間１６を介して流体が流路１３の外部に漏れるといった問題を防ぐことができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る流路デバイス８１について、図８を用いて説明する。図８は、第４実施形態に係る流路デバイス８１の流路１３に沿って切断した断面図である。

本実施形態に係る流路デバイス８１は、基本的な構造は、第２実施形態に係る流路デバイス４１と同様であるが、流路１３の一部に流路拡張部８２を設けた点で第２実施形態に係る流路デバイス４１と異なる。その他の点は、第２実施形態に係る流路デバイス４１と同じである。

図８において、流路拡張部８２は、流路１３を流れる流体が流路１３から受ける抵抗（いわゆる配管抵抗のように流路１３の壁面から受ける抵抗）を低減するために設けられる。具体的には、第２基板１２ｂにおける流路１３を形成する流路形成用溝部の内側に、さらに第２基板１２ｂの厚みを減じた領域を形成し、当該領域に対応する流路１３の高さを増やすことで抵抗を低減する構造となっている。

流路拡張部８２は、第２基板１２ｂの一部をエッチングすることにより形成可能であり、エッチングは、レーザー加工でもよいし、別途マスクを用いたウェットエッチングもしくはドライエッチングでもよい。しかし、抵抗を効果的に低減するためには、第２基板１２ｂの厚みを減じた領域の形状が滑らかな傾斜を持つことが望ましいため、等方エッチングにより形成することが好ましい。等方エッチングを用いて流路拡張部８２を形成する場合、基板１２ｂの表面に対して水平方向と垂直方向のエッチング量が同じになるため、隣接する電極１４間の距離の半分程度が流路拡張部８２における垂直方向のエッチング量（第２基板１２ｂの表面からの深さ）となる。したがって、典型的には、流路拡張部８２における流路の高さが、電極１４の位置における流路の高さの２〜３倍となるようにエッチング加工を行えば良い。

このように、本実施形態に係る流路デバイス８１は、流路１３の一部に流路拡張部８２を設けたことにより、第２実施形態に係る流路デバイス４１が奏する効果に加えて、流路１３を流れる流体が流路１３から受ける抵抗を低減できるという効果を奏する。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る流路デバイス９１について、図９を用いて説明する。図９（Ａ）は、本実施形態に係る流路デバイス９１を示す上面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の流路デバイス９１をＡ−Ａ’で切断した断面図である。また、図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の流路デバイス９１をＢ−Ｂ’で切断した断面図である。

本実施形態に係る流路デバイス９１は、第１基板９２ａと、第１基板９２ａに対向する第２基板９２ｂとの間に設けられた絶縁層により流路の高さを確保する点で第２実施形態に係る流路デバイス４１と異なる。その他の点は、第２実施形態に係る流路デバイス４１と同じである。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）において、第１基板９２ａと第２基板９２ｂとの間には、流路９３が形成され、流路９３内には、一定の間隔を置いて電極９４が配置されている。電極９４と第１基板９２ａとの境界は、被覆部として機能する第１絶縁層９５によって被覆され、電極９４と第１基板９２ａとの境界を介して流路９３内を流れる流体が漏れる現象を防止する構造となっている。

また、本実施形態の流路デバイス９１では、第１基板９２ａと第２基板９２ｂとの間に第２絶縁層９６が設けられ、この第２絶縁層９６を介して第１基板９２ａと第２基板９２ｂとが接着されている。その結果、流路９３の高さ（電極９４の流路９３への露出面と第２基板９２ｂとの間の距離）は、第１絶縁層９５と第２絶縁層９６の合計膜厚で決まることとなる。第１絶縁層９５と第２絶縁層９６の合計膜厚は、流路デバイスの用途によって異なるが、１０〜１００μｍの範囲となるように設定すればよい。

本実施形態の流路デバイス９１の構造を採用した場合、第２基板９２ｂに対しては開口部９７ａ、９７ｂを形成するだけで済み、例えば第１実施形態にて説明したように、流路を形成するための流路形成用溝部をわざわざ形成する必要がない。また、第２絶縁層９６を介して第１基板９２ａと第２基板９２ｂとを接着するため、例えば第２絶縁層９６として樹脂を用いれば、別途接着材を設けずに基板同士を接着することが可能である。

（第６実施形態）
本実施形態では、本発明の流路デバイスを半導体装置の冷却用流路として用いた例を示す。具体的には、第１実施形態に係る流路デバイス１１の基本構造を、半導体装置に適用した例について図１０を用いて説明する。

図１０（Ａ）は、本実施形態に係る半導体装置１０１の上面図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示す半導体装置１０１をＡ−Ａ’で切断した断面図であり、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示す半導体装置１０１をＢ−Ｂ’で切断した断面図である。

本実施形態に係る半導体装置１０１は、第１実施形態に係る流路デバイス１１について説明した流路全体が冷却水を循環させる目的で使用され、第１基板１０２ａもしくは第２基板１０２ｂに形成された半導体素子の放熱を促進する構造となっている。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）において、第１基板１０２ａは、ガラス基板であり、第２基板１０２ｂは、シリコン基板である。本実施形態では、第１基板１０２ａと第２基板１０２ｂとが公知の陽極接合により接着されている。また、第２基板１０２ｂの裏面（流路１０３に対向しない側の面）には、公知の半導体プロセスにより、トランジスタ等の半導体素子で構成される半導体集積回路（図示せず）が形成されている。

なお、本実施形態では、第２基板１０２ｂをシリコン基板とし、その裏面に半導体集積回路が形成された例を示したが、第１基板１０２ａをシリコン基板とし、その裏面に半導体集積回路を形成してもよい。

第１基板１０２ａの内部には、流路１０３に対向する面（流路１０３への露出面を含む面）を有する電極１０４が所定の間隔を置いて配置された構成となっている。電極１０４のうち流路１０３に対向する面の一部は、流路１０３に対して露出しており、これらの電極１０４を用いて流路１０３内に電気浸透流を生じさせる構成となっている。なお、本実施形態に係る半導体装置１０１には、第１基板１０２ａと第２基板１０２ｂとを貼り合わせた際に流路１０３の入り口１０５及び出口１０６が形成されるように、予め第２基板１０２ｂに対してエッチング加工が施されている。

また、本実施形態に係る半導体装置１０１では、第１基板１０２ａを貫通するように電極１０４を設けているが、第３実施形態に係る流路デバイス６１のように、第１基板１０２ａに電極形成用溝部を設け、その中に埋め込み電極として電極１０４を形成してもよい。

以上の構造を採用する本実施形態に係る半導体装置１０１は、第１基板１０２ａもしくは第２基板１０２ｂに形成された半導体集積回路に近接して冷却水を循環させるための流路１０３を確保することができ、信頼性が高く、放熱特性に優れた半導体装置を実現することができる。

なお、本実施形態では、第１実施形態に係る流路デバイス１１の基本構造（電極と第１基板との境界を被覆部で覆う構造）を半導体装置に適用した例を示したが、第１実施形態に限らず、第２〜第５実施形態に係る流路デバイスの基本構造を適用してもよい。

１１：流路デバイス
１２ａ：第１基板
１２ｂ：第２基板
１３：流路
１４：電極
１５ａ〜１５ｃ：開口部
１６：隙間
１７：被覆部

Claims (12)

1. 第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備えた流路デバイスであって、
   前記第１基板の内部には、前記流路に対向する面を有する電極が設けられ、
   前記電極の前記流路に対向する面は、前記流路に露出する領域を有し、
   前記流路に対向する面の周縁は、前記電極と異なる物質で構成される被覆部によって覆われている、流路デバイス。
2. 前記被覆部は、前記第１基板の一部である、請求項１に記載の流路デバイス。
3. 前記被覆部は、前記第１基板の表面に設けられた絶縁層である、請求項１に記載の流路デバイス。
4. 前記電極は、前記第１基板を貫通して設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路デバイス。
5. 前記電極は、複数設けられており、
   前記複数設けられた電極のうち、隣接する２つの電極間に電界を形成可能に構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路デバイス。
6. 前記第２基板の表面には、流路形成用溝部が設けられ、該流路形成用溝部と前記第１基板の表面とによって前記流路が形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路デバイス。
7. 前記第１基板、前記第２基板、及び、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた絶縁層によって、前記流路が形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路デバイス。
8. 第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備えた流路デバイスの製造方法であって、
   前記第１基板の裏面に電極形成用溝部を形成する工程と、
   前記電極形成用溝部を導電材料で充填して電極を形成する工程と、
   前記第１基板の表面をエッチングして、前記電極のうち前記流路に対向する面の一部を露出させる工程と、
   前記第１基板の表面に対向させて前記第２基板を配置する工程と、
   を備える、流路デバイスの製造方法。
9. 前記電極のうち前記流路に対向する面の一部を露出させる工程は、前記電極形成用溝部の底面の周縁の内側に、前記電極に達する開口孔を形成する工程を含む、請求項８に記載の流路デバイスの製造方法。
10. 第１基板と、該第１基板に対向する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に形成された流路と、を備えた流路デバイスの製造方法であって、
    前記第１基板の表面に電極形成用溝部を形成する工程と、
    前記電極形成用溝部を導電材料で充填して電極を形成する工程と、
    前記第１基板の表面に、少なくとも前記電極の周縁を被覆する絶縁層を形成する工程と、
    前記第１基板の表面に対向させて前記第２基板を配置する工程と、
    を備える、流路デバイスの製造方法。
11. 前記第２基板の表面に、流路形成用溝部を形成する工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の流路デバイスの製造方法。
12. 膜厚が１０〜１００μｍの絶縁層を介して前記第１基板と前記第２基板とを貼り合わせる工程をさらに含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の流路デバイスの製造方法。
    

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