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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024110171
(43)【公開日】2024-08-15
(54)【発明の名称】センサおよびセンサの製造方法
(51)【国際特許分類】
G01N 5/02 20060101AFI20240807BHJP
H03H 9/24 20060101ALI20240807BHJP
H03H 3/007 20060101ALI20240807BHJP
H01L 29/84 20060101ALI20240807BHJP
【ＦＩ】
G01N5/02 A
H03H9/24 Z
H03H3/007 Z
H01L29/84 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023014585
(22)【出願日】2023-02-02
(71)【出願人】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】三浦 篤志
(72)【発明者】
【氏名】舟山 啓太
(72)【発明者】
【氏名】田中 宏哉
【テーマコード（参考）】
4M112
5J108
【Ｆターム（参考）】
4M112AA06
4M112BA08
4M112CA26
4M112CA31
4M112DA03
4M112DA04
4M112EA02
4M112FA20
5J108AA09
5J108BB08
5J108CC04
5J108CC11
5J108EE03
5J108EE04
5J108EE07
5J108EE13
5J108GG03
5J108GG14
5J108KK02
5J108KK03
5J108KK04
5J108MM01
5J108MM04
5J108MM11
(57)【要約】
【課題】流路振動子を備えたセンサを提供する。
【解決手段】センサは、梁形状の振動子と、振動子の第１端部が接続されている第１基部と、振動子の第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、シリコン電極と、を備える。振動子、第１基部、第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有している。振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びている。第１基部は、流路の第１端部側に接続している第１接続流路を備えている。第２基部は、流路の第２端部側に接続している第２接続流路を備えている。シリコン電極は、振動子を形成している第１シリコン層の下面と対向して配置されている。
【選択図】図１
【解決手段】センサは、梁形状の振動子と、振動子の第１端部が接続されている第１基部と、振動子の第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、シリコン電極と、を備える。振動子、第１基部、第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有している。振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びている。第１基部は、流路の第１端部側に接続している第１接続流路を備えている。第２基部は、流路の第２端部側に接続している第２接続流路を備えている。シリコン電極は、振動子を形成している第１シリコン層の下面と対向して配置されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
梁形状の振動子と、
前記振動子の第１端部が接続されている第１基部と、
前記振動子の前記第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、
シリコン電極と、
を備えるセンサであって、
前記振動子、前記第１基部、前記第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有しており、
前記振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びており、
前記第１基部は、前記流路の前記第１端部側に接続している第１接続流路を備えており、
前記第２基部は、前記流路の前記第２端部側に接続している第２接続流路を備えており、
前記シリコン電極は、前記振動子を形成している前記第１シリコン層の下面と対向して配置されている、
センサ。
前記振動子の第１端部が接続されている第１基部と、
前記振動子の前記第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、
シリコン電極と、
を備えるセンサであって、
前記振動子、前記第１基部、前記第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有しており、
前記振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びており、
前記第１基部は、前記流路の前記第１端部側に接続している第１接続流路を備えており、
前記第２基部は、前記流路の前記第２端部側に接続している第２接続流路を備えており、
前記シリコン電極は、前記振動子を形成している前記第１シリコン層の下面と対向して配置されている、
センサ。
【請求項2】
前記第１基部および前記第２基部は、
前記第１シリコン層の下面に配置されているシリコン酸化膜の第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の下面に配置されており、前記第１シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第１支持層と、
前記第２シリコン層の上面に配置されているシリコン酸化膜の第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の上面に配置されており、前記第２シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第２支持層と、
を備えており、
前記シリコン電極は、前記第１支持層で形成されており、
前記シリコン電極の上面と前記振動子の下面との距離は、第１絶縁層の厚さと略同一である、請求項１に記載のセンサ。
前記第１シリコン層の下面に配置されているシリコン酸化膜の第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の下面に配置されており、前記第１シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第１支持層と、
前記第２シリコン層の上面に配置されているシリコン酸化膜の第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の上面に配置されており、前記第２シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第２支持層と、
を備えており、
前記シリコン電極は、前記第１支持層で形成されており、
前記シリコン電極の上面と前記振動子の下面との距離は、第１絶縁層の厚さと略同一である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
前記振動子を形成している前記第２シリコン層の上面には、前記第２絶縁層が配置されておらず、
前記振動子を形成している前記第２シリコン層に垂直な方向からみたときに、前記振動子の少なくとも一部が前記第２支持層によって覆われていない、請求項２に記載のセンサ。
前記振動子を形成している前記第２シリコン層に垂直な方向からみたときに、前記振動子の少なくとも一部が前記第２支持層によって覆われていない、請求項２に記載のセンサ。
【請求項4】
前記流路は、前記第１シリコン層の前記上面および前記第２シリコン層の前記下面の少なくとも一方に形成されている溝部を備えており、
前記流路の内壁の少なくとも一部には、前記金属層が配置されている、請求項１に記載のセンサ。
前記流路の内壁の少なくとも一部には、前記金属層が配置されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項5】
前記金属層の少なくとも一部がパターニングされている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項6】
前記金属層はＡｕを含んでいる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項7】
単結晶シリコンの第１支持層と、シリコン酸化膜の第１絶縁層と、前記第１支持層よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層と、がこの順に積層されている第１ＳＯＩ基板を準備する工程と、
単結晶シリコンの第２支持層と、シリコン酸化膜の第２絶縁層と、前記第２支持層よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層と、がこの順に積層されている第２ＳＯＩ基板を準備する工程と、
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１シリコン層に、前記第１シリコン層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第１トレンチによって第１梁部を形成する第１形成工程と、
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２シリコン層に、前記第２シリコン層の表面から前記第２絶縁層まで到達している第２トレンチによって第２梁部を形成する第２形成工程であって、前記第２梁部は前記第１梁部と同一形状を有している、前記第２形成工程と、
前記第１梁部および前記第２梁部の少なくとも一方に、流路となる溝部を形成する工程と、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の少なくとも一方の表面の少なくとも一部に、金属層を形成する工程と、
前記第１梁部と前記第２梁部とが重なるように、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とを貼り合わせる工程と、
前記第１梁部を形成している前記第１絶縁層および前記第２梁部を形成している前記第２絶縁層を等方エッチングにより除去する工程と、
を備える、センサの製造方法。
単結晶シリコンの第２支持層と、シリコン酸化膜の第２絶縁層と、前記第２支持層よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層と、がこの順に積層されている第２ＳＯＩ基板を準備する工程と、
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１シリコン層に、前記第１シリコン層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第１トレンチによって第１梁部を形成する第１形成工程と、
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２シリコン層に、前記第２シリコン層の表面から前記第２絶縁層まで到達している第２トレンチによって第２梁部を形成する第２形成工程であって、前記第２梁部は前記第１梁部と同一形状を有している、前記第２形成工程と、
前記第１梁部および前記第２梁部の少なくとも一方に、流路となる溝部を形成する工程と、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の少なくとも一方の表面の少なくとも一部に、金属層を形成する工程と、
前記第１梁部と前記第２梁部とが重なるように、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とを貼り合わせる工程と、
前記第１梁部を形成している前記第１絶縁層および前記第２梁部を形成している前記第２絶縁層を等方エッチングにより除去する工程と、
を備える、センサの製造方法。
【請求項8】
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１支持層に、前記第１支持層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第３トレンチによってシリコン電極を形成する工程をさらに備え、
前記第１ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、前記第１トレンチと前記第３トレンチとの少なくとも一部が重複している、請求項７に記載のセンサの製造方法。
前記第１ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、前記第１トレンチと前記第３トレンチとの少なくとも一部が重複している、請求項７に記載のセンサの製造方法。
【請求項9】
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２支持層に、前記第２支持層の表面から前記第２絶縁層まで到達している開口部を形成する工程をさらに備え、
前記第２ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、開口部と前記第２梁部との少なくとも一部が重複している、請求項７に記載のセンサの製造方法。
前記第２ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、開口部と前記第２梁部との少なくとも一部が重複している、請求項７に記載のセンサの製造方法。
【請求項10】
前記金属層を形成する工程は、金属層を所定形状にパターニングする工程をさらに備えている、請求項７に記載のセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は、センサおよびセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロ流路を備えた流路振動子が知られている。マイクロ流路に試料を流すことで、測定対象となる目的物質がマイクロ流路の内壁に吸着される。目的物質の吸着量に応じて、流路振動子の質量が変化する。この質量変化による、流路振動子の振動周波数の変化を検出することにより、試料中の目的物質の有無や濃度を検知することができる。なお、非特許文献１および２には、関連する技術の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【特許文献1】T. P. Burg et al., "Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid," Nature, vol. 446, no. 7139, pp. 1066-9, Apr 26 2007.
【特許文献2】R. A. Barton, B. Ilic, S. S. Verbridge, B. R. Cipriany, J. M. Parpia, and H. G. Craighead, “Fabrication of a nanomechanical mass sensor containing a nanofluidic channel,” Nano Lett, vol. 10, no. 6, pp. 2058-63, Jun 9 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の流路振動子は、２種類以上の材質を用いて作成されていた。製造プロセスが複雑なため、歩留まりの低下や製造コストの増大などが発生していた。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書が開示するセンサの一実施形態は、梁形状の振動子と、振動子の第１端部が接続されている第１基部と、振動子の第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、シリコン電極と、を備える。振動子、第１基部、第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有している。振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びている。第１基部は、流路の第１端部側に接続している第１接続流路を備えている。第２基部は、流路の第２端部側に接続している第２接続流路を備えている。シリコン電極は、振動子を形成している第１シリコン層の下面と対向して配置されている。
【0006】
上記の構造によれば、単結晶の第１シリコン層と第２シリコン層とを接合することにより、流路を備えた振動子を形成することができる。加工技術が確立されている単結晶シリコンの単一材料で振動子を作製できるため、製造プロセスを簡略化することができる。歩留まりの向上や製造コストの低減などが可能となる。
【0007】
第１基部および第２基部は、第１シリコン層の下面に配置されているシリコン酸化膜の第１絶縁層を備えていてもよい。第１基部および第２基部は、第１絶縁層の下面に配置されており、第１シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第１支持層を備えていてもよい。第１基部および第２基部は、第２シリコン層の上面に配置されているシリコン酸化膜の第２絶縁層を備えていてもよい。第１基部および第２基部は、第２絶縁層の上面に配置されており、第２シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第２支持層を備えていてもよい。シリコン電極は、第１支持層で形成されていてもよい。シリコン電極の上面と振動子の下面との距離は、第１絶縁層の厚さと略同一であってもよい。
【0008】
振動子を形成している第２シリコン層の上面には、第２絶縁層が配置されていなくてもよい。振動子を形成している第２シリコン層に垂直な方向からみたときに、振動子の少なくとも一部が第２支持層によって覆われていなくてもよい。
【0009】
流路は、第１シリコン層の上面および第２シリコン層の下面の少なくとも一方に形成されている溝部を備えていてもよい。流路の内壁の少なくとも一部には、金属層が配置されていてもよい。
【0010】
金属層の少なくとも一部がパターニングされていてもよい。
【0011】
金属層はＡｕを含んでいてもよい。
【0012】
本明細書が開示するセンサの製造方法の一実施形態は、単結晶シリコンの第１支持層と、シリコン酸化膜の第１絶縁層と、第１支持層よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層と、がこの順に積層されている第１ＳＯＩ基板を準備する工程を備える。単結晶シリコンの第２支持層と、シリコン酸化膜の第２絶縁層と、第２支持層よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層と、がこの順に積層されている第２ＳＯＩ基板を準備する工程を備える。第１ＳＯＩ基板の第１シリコン層に、第１シリコン層の表面から第１絶縁層まで到達している第１トレンチによって第１梁部を形成する第１形成工程を備える。第２ＳＯＩ基板の第２シリコン層に、第２シリコン層の表面から第２絶縁層まで到達している第２トレンチによって第２梁部を形成する第２形成工程を備える。第２梁部は第１梁部と同一形状を有している。第１梁部および第２梁部の少なくとも一方に、流路となる溝部を形成する工程を備える。第１シリコン層および第２シリコン層の少なくとも一方の表面の少なくとも一部に、金属層を形成する工程を備える。第１梁部と第２梁部とが重なるように、第１シリコン層と第２シリコン層とを貼り合わせる工程を備える。第１梁部を形成している第１絶縁層および第２梁部を形成している第２絶縁層を等方エッチングにより除去する工程を備える。
【0013】
第１ＳＯＩ基板の第１支持層に、第１支持層の表面から第１絶縁層まで到達している第３トレンチによってシリコン電極を形成する工程をさらに備えていてもよい。第１ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、第１トレンチと第３トレンチとの少なくとも一部が重複していてもよい。
【0014】
第２ＳＯＩ基板の第２支持層に、第２支持層の表面から第２絶縁層まで到達している開口部を形成する工程をさらに備えていてもよい。第２ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、開口部と第２梁部との少なくとも一部が重複していてもよい。
【0015】
金属層を形成する工程は、金属層を所定形状にパターニングする工程をさらに備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】センサ１の平面図である。
【図4】センサ１の製造方法を説明するフローチャートである。
【図5A】第１ＳＯＩ基板ＳＢ１の加工工程を説明する図である。
【図5B】第１ＳＯＩ基板ＳＢ１の加工工程を説明する図である。
【図6A】第１ＳＯＩ基板ＳＢ１の加工工程を説明する図である。
【図6B】第１ＳＯＩ基板ＳＢ１の加工工程を説明する図である。
【図7A】第２ＳＯＩ基板ＳＢ２の加工工程を説明する図である。
【図7B】第２ＳＯＩ基板ＳＢ２の加工工程を説明する図である。
【図8A】第２ＳＯＩ基板ＳＢ２の加工工程を説明する図である。
【図8B】第２ＳＯＩ基板ＳＢ２の加工工程を説明する図である。
【図9A】センサ１の加工工程を説明する図である。
【図9B】センサ１の加工工程を説明する図である。
【図10A】センサ１の加工工程を説明する図である。
【図10B】センサ１の加工工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
（センサ１の構造）
図１に、本実施例に係るセンサ１の平面図を示す。図２は、図１のII－II線における断面図である。図３は、図１のIII－III線における断面図である。図２および図３の断面図に示すように、センサ１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを材料として形成されている。具体的には、各種加工が行われた第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を互いに貼り合わせて形成されている。第１ＳＯＩ基板ＳＢ１は、単結晶シリコンの第１支持層１３と、シリコン酸化膜の第１絶縁層１２と、第１支持層１３よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層１１と、がこの順に積層されて形成されている。同様に、第２ＳＯＩ基板ＳＢ２は、単結晶シリコンの第２支持層２３と、シリコン酸化膜の第２絶縁層２２と、第２支持層２３よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層２１と、がこの順に積層されて形成されている。
図１に、本実施例に係るセンサ１の平面図を示す。図２は、図１のII－II線における断面図である。図３は、図１のIII－III線における断面図である。図２および図３の断面図に示すように、センサ１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを材料として形成されている。具体的には、各種加工が行われた第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を互いに貼り合わせて形成されている。第１ＳＯＩ基板ＳＢ１は、単結晶シリコンの第１支持層１３と、シリコン酸化膜の第１絶縁層１２と、第１支持層１３よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層１１と、がこの順に積層されて形成されている。同様に、第２ＳＯＩ基板ＳＢ２は、単結晶シリコンの第２支持層２３と、シリコン酸化膜の第２絶縁層２２と、第２支持層２３よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層２１と、がこの順に積層されて形成されている。
【0018】
第１シリコン層１１の表面には、金属層１０が配置されている。第２シリコン層２１の表面には、金属層２０が配置されている。金属層１０および２０の材料は、第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を接合する接着層として機能する材料であれば、特に限定されない。本実施例では、金を用いている。
【0019】
金属層２０は、任意の２次元パターンが形成されている。なお図２の断面図では、第２シリコン層２１の下面の一部に金属層２０を記載することで、金属層２０が２次元パターンに形成されていることを示している。
【0020】
センサ１は、振動子２、第１基部３、第２基部４、シリコン電極５、を主に備えている。振動子２は、空間に浮かんでいる梁形状の部材である。具体的に説明する。振動子２は、ｘ方向に延びている。振動子２の－ｘ方向の第１端部２ｅ１は、第１基部３に接続されている。第１端部２ｅ１と反対側の第２端部２ｅ２が、第２基部４に接続されている。第１基部３および第２基部４は、第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２によって形成されている。振動子２を形成している第１シリコン層１１の下面の全面には、第１絶縁層１２が配置されていない。よって振動子２の下側には、スペースＳＰ１が形成されている。同様に、振動子２を形成している第２シリコン層２１の上面の全面には、第２絶縁層２２が配置されていない。よって振動子２の上側には、スペースＳＰ２が形成されている。また振動子２の幅方向（ｙ方向）の両側には、スペースＳＰ０が形成されている。
【0021】
振動子２は、第１シリコン層１１の上面と第２シリコン層２１の下面とが、金属層１０および２０を介して接合されている構造を有している。振動子２を形成している第１シリコン層１１の上面には、長手方向（ｘ方向）に延びる溝部ＴＲ０が形成されている。これにより、振動子２の内部には、長手方向（ｘ方向）に延びる中空の流路ＦＰが形成されている。
【0022】
流路ＦＰの内壁には、金属層１０が配置されている。金属層１０の表面には、不図示の感応膜が形成されている。感応膜は、検出対象の目的物質を吸着可能な膜である。感応膜は、例えば、金属層１０の表面をペプチド、タンパク質、抗体などで修飾することで形成してもよい。感応膜や目的物質の種類および組み合わせは、様々であってよい。本実施例では、目的物質を、特定のウィルスとしている。
【0023】
振動子２の上方に配置されている第２支持層２３には、開口部２３ｗが形成されている。すなわち図１に示すように、振動子２を形成している第２シリコン層２１に垂直な方向（＋ｚ方向）からみたときに、開口部２３ｗを介して振動子２の一部を観察することができる。
【0024】
第１基部３は、流路ＦＰの第１端部２ｅ１側（－ｘ方向側）に接続している第１接続流路ＣＰ１を備えている。第１接続流路ＣＰ１は、第１シリコン層１１の上面に形成されている溝部ＴＲ１によって構成されている。第１接続流路ＣＰ１のｙ方向の幅は、流路ＦＰのｙ方向の幅以上であってもよい。第１接続流路ＣＰ１の－ｘ方向端部には、入口流路ＩＰが形成されている。入口流路ＩＰは、第２支持層２３の表面２３ｓに形成された入口開口ＩＡと第１接続流路ＣＰ１とを接続している。
【0025】
同様に、第２基部４は、流路ＦＰの第２端部２ｅ２側（＋ｘ方向側）に接続している第２接続流路ＣＰ２を備えている。第２接続流路ＣＰ２は、第１シリコン層１１の上面に形成されている溝部ＴＲ２によって構成されている。第２接続流路ＣＰ２の＋ｘ方向端部には、出口流路ＯＰが形成されている。出口流路ＯＰは、第２支持層２３の表面２３ｓに形成された出口開口ＯＡと第２接続流路ＣＰ２とを接続している。
【0026】
シリコン電極５は、第１支持層１３で形成されている。シリコン電極５は、振動子２を形成している第１シリコン層１１の下面と対向して配置されている。シリコン電極５の上面と振動子２の下面との距離Ｄ１は、第１絶縁層１２の厚さと略同一である（図２参照）。シリコン電極５は、不図示の電極パッドに接続している。シリコン電極５によって、振動子２に駆動電界を印加することができる。
【0027】
（センサ１の動作）
シリコン電極５の電極パッドに、交流電圧を印加する。これにより、シリコン電極５を介して、振動子２に駆動電界を印加することができる。振動子２を、所定の振動周波数で±ｚ方向に振動させることができる。そして開口部２３ｗを介して、振動子２の振動周波数を測定する（図２および図３、矢印Ａ１参照）。周波数の測定方法は様々であってよい。本実施例では、レーザドップラ振動計を用いた。
シリコン電極５の電極パッドに、交流電圧を印加する。これにより、シリコン電極５を介して、振動子２に駆動電界を印加することができる。振動子２を、所定の振動周波数で±ｚ方向に振動させることができる。そして開口部２３ｗを介して、振動子２の振動周波数を測定する（図２および図３、矢印Ａ１参照）。周波数の測定方法は様々であってよい。本実施例では、レーザドップラ振動計を用いた。
【0028】
入口開口ＩＡから試料流体を流入させる（図３、矢印Ａ２参照）。試料流体は、入口流路ＩＰ、第１接続流路ＣＰ１、流路ＦＰ、第２接続流路ＣＰ２、出口流路ＯＰを介して出口開口ＯＡから流出する（図３、矢印Ａ３参照）。これにより、流路ＦＰ内の金属層１０に形成されている感応膜を試料流体に暴露することで、目的物質（例：ウィルス）を感応膜に吸着させることができる。目的物質の吸着量に応じて感応膜の質量が変化するため、振動子２の質量も変化する。この質量変化による、振動子２の振動周波数の変化を検出することにより、試料流体中の目的物質の有無や濃度を検知することができる。
【0029】
（センサ１の製造方法）
図４のフローチャートおよび図５－図１０の断面図を用いて、センサ１の製造方法を説明する。図５Ａ－図１０Ａは、図２と同一部分の断面図である。図５Ｂ－図１０Ｂは、図３と同一部分の断面図である。ステップＳ１０において、第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を準備する。なお以下において、ステップを単に「Ｓ」で略記する場合がある。
図４のフローチャートおよび図５－図１０の断面図を用いて、センサ１の製造方法を説明する。図５Ａ－図１０Ａは、図２と同一部分の断面図である。図５Ｂ－図１０Ｂは、図３と同一部分の断面図である。ステップＳ１０において、第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を準備する。なお以下において、ステップを単に「Ｓ」で略記する場合がある。
【0030】
Ｓ２０－Ｓ６０において、センサ１の下側半分に対応する、第１ＳＯＩ基板ＳＢ１の加工が行われる。具体的に説明する。Ｓ２０において、第１支持層１３の表面に合わせマークＡＭ１を加工する（図５Ａ参照）。合わせマークＡＭ１は、後述するＳ１１０の貼り合わせ工程での位置合わせに用いるマークである。合わせマークＡＭ１は、既知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって加工できる。合わせマークＡＭ１の形状や深さは様々であってよい。本実施例では、合わせマークＡＭ１の深さを２０μｍとした。
【0031】
Ｓ３０において、第１シリコン層１１の表面１１ｓに、溝部ＴＲ０、ＴＲ１、ＴＲ２を形成する（図５参照）。溝部ＴＲ０、ＴＲ１、ＴＲ２は、第１絶縁層１２に到達していない。
【0032】
Ｓ４０において、第１シリコン層１１に、第１トレンチＴ１１を形成する（図５Ａ参照）。第１トレンチＴ１１は、第１シリコン層１１の表面１１ｓから第１絶縁層１２まで到達している。第１トレンチＴ１１は、第１絶縁層１２をストッパとしてドライエッチングにより加工することができる。これにより、第１梁部２ａが完成する。
【0033】
Ｓ５０において、第１シリコン層１１の上面の全面に、金属層１０を形成する。金属層１０は、例えばスパッタ法により形成することができる。Ｓ６０において、金属層１０を所定形状にパターニングする（図６参照）。本実施例では第１トレンチＴ１１（図６Ａ）、溝部ＴＲ１およびＴＲ２（図６Ｂ）の金属層１０を除去するようにパターニングした。パターニングは、例えば、金属層１０の除去領域が開口しているマスクを金属層１０の表面に形成し、マスクを介してドライエッチングすることで行ってもよい。
【0034】
Ｓ７０－Ｓ１０５において、センサ１の上側半分に対応する、第２ＳＯＩ基板ＳＢ２の加工が行われる。具体的に説明する。Ｓ７０において、第２支持層２３の表面に合わせマークＡＭ２を加工する（図７Ａ参照）。Ｓ８０において、第２シリコン層２１に、第２トレンチＴ１２を形成する（図７Ａ参照）。第２トレンチＴ１２は、第２シリコン層２１の表面２１ｓから第２絶縁層２２まで到達している。これにより、第２梁部２ｂが完成する。ｚ方向からみたときに、第１梁部２ａと第２梁部２ｂとは同一形状を有している。
【0035】
Ｓ９０において、第２シリコン層２１の上面の全面に、金属層２０を形成する。Ｓ１００において、金属層２０を所定形状にパターニングする（図８参照）。本実施例では、第２トレンチＴ１２、入口流路ＩＰ、出口流路ＯＰ、の金属層２０を除去した。またそれ以外の領域の金属層２０には、任意の２次元パターンをパターニングした。
【0036】
Ｓ１０５において、第２絶縁層２２を等方エッチングする。これにより、第２トレンチＴ１２の底部の第２絶縁層２２を、自己整合的に除去することができる（図８、領域Ｒ１参照）。また入口流路ＩＰおよび出口流路ＯＰの第２絶縁層２２を、自己整合的に除去することができる（領域Ｒ２参照）。なお、等方エッチングの方法は様々であってよい。本実施例では、ＢＨＦによるウェットエッチングを行った。
【0037】
Ｓ１１０において、接合が行われる（図９Ａおよび図９Ｂ参照）。具体的には、基板からセンサ１となる領域をダイシングにより切り出す。合わせマークＡＭ１とＡＭ２とが一致するように、第１シリコン層１１と第２シリコン層２１とを貼り合わせる。これにより、第１梁部２ａと第２梁部２ｂとが重なるように貼り合わせることができる。貼り合わせ後に昇温および加圧することで、接合強度を高めることができる。
【0038】
Ｓ１２０において、第２支持層２３に、第２支持層２３の表面２３ｓから第２絶縁層２２まで到達している開口部２３ｗを形成する（図１０参照）。開口部２３ｗは、第２ＳＯＩ基板ＳＢ２に垂直な方向（＋ｚ方向）からみたときに、開口部２３ｗと第２梁部２ｂとの少なくとも一部が重複するように、形成される。また、第２支持層２３の表面２３ｓから第２絶縁層２２まで到達している入口流路ＩＰおよび出口流路ＯＰを形成する（図１０Ｂ参照）。
【0039】
Ｓ１３０において、第１支持層１３に、第１支持層１３の表面１３ｓから第１絶縁層１２まで到達している第３トレンチＴ１３を形成する（図１０Ａ参照）。第３トレンチＴ１３は、第１ＳＯＩ基板に垂直な方向（－ｚ方向）からみたときに、第１トレンチＴ１１と第３トレンチＴ１３との少なくとも一部が重複するように、形成される。
【0040】
Ｓ１４０において、絶縁層を等方エッチングする。本実施例では、ＢＨＦによるウェットエッチングを行った。第１梁部２ａおよび第２梁部２ｂのｙ方向の幅Ｗ１（図１０Ａ参照）は、他の部位の幅に比して十分に小さい。従って、等方エッチングのエッチング時間を適宜に設定することで、第１梁部２ａを形成している第１絶縁層１２および第２梁部２ｂを形成している第２絶縁層２２を、選択的かつ自己整合的に除去することができる。これにより、図２および図３に示す構造が完成する。
【0041】
（効果）
単結晶の第１シリコン層１１と第２シリコン層２１とを接合することにより、流路ＦＰを備えた振動子２を形成することができる。加工技術が確立されている単結晶シリコンの単一材料で振動子２を作製できるため、製造プロセスを簡略化することができる。センサ１の歩留まりの向上や製造コストの低減などが可能となる。
単結晶の第１シリコン層１１と第２シリコン層２１とを接合することにより、流路ＦＰを備えた振動子２を形成することができる。加工技術が確立されている単結晶シリコンの単一材料で振動子２を作製できるため、製造プロセスを簡略化することができる。センサ１の歩留まりの向上や製造コストの低減などが可能となる。
【0042】
振動子２を、単一材料（単結晶シリコン）の貼り合わせによって形成することができる。異種材料の貼り合わせによって振動子を形成する場合に比して、応力の制御や共振周波数の設計を簡易にすることができる。センサ１の精度を高めることが可能となる。
【0043】
本明細書の技術では、接着層として機能する金属層２０に、任意の２次元パターンを形成している。これにより、金属層１０と２０との接合時に、２次元パターン部分に応力集中させることができる。パターンが形成されていない場合に比して、金属層１０と２０との接合面の接触圧力を高めることができるため、接着力を高めることが可能となる。
【0044】
金属層１０および２０を、流路ＦＰの内壁にも配置することができる（Ｓ５０、Ｓ９０）。そして金属層１０および２０を各種物質で修飾することで、感応膜を形成することができる。接着層である金属層１０および２０を、感応膜を形成するための下地として流用できるため、製造コスト削減が可能となる。
【0045】
第１ＳＯＩ基板ＳＢ１および第２ＳＯＩ基板ＳＢ２を用いて、センサ１を構成している。これにより、第１絶縁層１２や第２絶縁層２２をエッチングで除去することにより、振動子２を自己整合的に形成することができる。センサ１の製造プロセスの簡略化が可能となる。また振動子２のｚ方向の厚さを、第１シリコン層１１および第２シリコン層２１の厚さによって規定することができる。加工ばらつきの影響を抑制できるため、振動子２の加工精度を高めることが可能となる。
【0046】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【0047】
（変形例）
振動子２の数は１本に限られず、複数でもよい。例えば、複数の振動子２を平行に並べてもよい。また複数の振動子２の各々に対応して、入口開口ＩＡ、第１接続流路ＣＰ１、第２接続流路ＣＰ２、出口開口ＯＡが複数備えられていてもよい。
振動子２の数は１本に限られず、複数でもよい。例えば、複数の振動子２を平行に並べてもよい。また複数の振動子２の各々に対応して、入口開口ＩＡ、第１接続流路ＣＰ１、第２接続流路ＣＰ２、出口開口ＯＡが複数備えられていてもよい。
【0048】
振動子２、第１接続流路ＣＰ１および第２接続流路ＣＰ２の形状は様々であってよい。例えばカーブしていてもよい。
【0049】
シリコン電極５の形状は様々であってよい。
【0050】
流路ＦＰ内に供給する試料流体は、液体に限られず、気体であってもよい。
【0051】
なお本明細書においては、ウィルス検出を基本としたバイオセンサ実施例を挙げてその動作を説明したが、この形態に限られない。各種の物質を検出する一般的なセンサに対しても、本明細書の技術を適用および展開することができる。
【0052】
以下に、本技術の態様を列挙する。
［態様１］
梁形状の振動子と、
前記振動子の第１端部が接続されている第１基部と、
前記振動子の前記第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、
シリコン電極と、
を備えるセンサであって、
前記振動子、前記第１基部、前記第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有しており、
前記振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びており、
前記第１基部は、前記流路の前記第１端部側に接続している第１接続流路を備えており、
前記第２基部は、前記流路の前記第２端部側に接続している第２接続流路を備えており、
前記シリコン電極は、前記振動子を形成している前記第１シリコン層の下面と対向して配置されている、
センサ。
［態様２］
前記第１基部および前記第２基部は、
前記第１シリコン層の下面に配置されているシリコン酸化膜の第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の下面に配置されており、前記第１シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第１支持層と、
前記第２シリコン層の上面に配置されているシリコン酸化膜の第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の上面に配置されており、前記第２シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第２支持層と、
を備えており、
前記シリコン電極は、前記第１支持層で形成されており、
前記シリコン電極の上面と前記振動子の下面との距離は、第１絶縁層の厚さと略同一である、態様１に記載のセンサ。
［態様３］
前記振動子を形成している前記第２シリコン層の上面には、前記第２絶縁層が配置されておらず、
前記振動子を形成している前記第２シリコン層に垂直な方向からみたときに、前記振動子の少なくとも一部が前記第２支持層によって覆われていない、態様２に記載のセンサ。
［態様４］
前記流路は、前記第１シリコン層の前記上面および前記第２シリコン層の前記下面の少なくとも一方に形成されている溝部を備えており、
前記流路の内壁の少なくとも一部には、前記金属層が配置されている、態様１－３の何れか１項に記載のセンサ。
［態様５］
前記金属層の少なくとも一部がパターニングされている、態様１－４の何れか１項に記載のセンサ。
［態様６］
前記金属層はＡｕを含んでいる、態様１－５の何れか１項に記載のセンサ。
［態様７］
単結晶シリコンの第１支持層と、シリコン酸化膜の第１絶縁層と、前記第１支持層よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層と、がこの順に積層されている第１ＳＯＩ基板を準備する工程と、
単結晶シリコンの第２支持層と、シリコン酸化膜の第２絶縁層と、前記第２支持層よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層と、がこの順に積層されている第２ＳＯＩ基板を準備する工程と、
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１シリコン層に、前記第１シリコン層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第１トレンチによって第１梁部を形成する第１形成工程と、
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２シリコン層に、前記第２シリコン層の表面から前記第２絶縁層まで到達している第２トレンチによって第２梁部を形成する第２形成工程であって、前記第２梁部は前記第１梁部と同一形状を有している、前記第２形成工程と、
前記第１梁部および前記第２梁部の少なくとも一方に、流路となる溝部を形成する工程と、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の少なくとも一方の表面の少なくとも一部に、金属層を形成する工程と、
前記第１梁部と前記第２梁部とが重なるように、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とを貼り合わせる工程と、
前記第１梁部を形成している前記第１絶縁層および前記第２梁部を形成している前記第２絶縁層を等方エッチングにより除去する工程と、
を備える、センサの製造方法。
［態様８］
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１支持層に、前記第１支持層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第３トレンチによってシリコン電極を形成する工程をさらに備え、
前記第１ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、前記第１トレンチと前記第３トレンチとの少なくとも一部が重複している、態様７に記載のセンサの製造方法。
［態様９］
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２支持層に、前記第２支持層の表面から前記第２絶縁層まで到達している開口部を形成する工程をさらに備え、
前記第２ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、開口部と前記第２梁部との少なくとも一部が重複している、態様７または８に記載のセンサの製造方法。
［態様１０］
前記金属層を形成する工程は、金属層を所定形状にパターニングする工程をさらに備えている、態様７－９の何れか１項に記載のセンサの製造方法。
［態様１］
梁形状の振動子と、
前記振動子の第１端部が接続されている第１基部と、
前記振動子の前記第１端部と反対側の第２端部が接続されている第２基部と、
シリコン電極と、
を備えるセンサであって、
前記振動子、前記第１基部、前記第２基部は、単結晶の第１シリコン層の上面と単結晶の第２シリコン層の下面とが金属層を介して接合されている構造を有しており、
前記振動子の内部には、中空の流路が長手方向に延びており、
前記第１基部は、前記流路の前記第１端部側に接続している第１接続流路を備えており、
前記第２基部は、前記流路の前記第２端部側に接続している第２接続流路を備えており、
前記シリコン電極は、前記振動子を形成している前記第１シリコン層の下面と対向して配置されている、
センサ。
［態様２］
前記第１基部および前記第２基部は、
前記第１シリコン層の下面に配置されているシリコン酸化膜の第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の下面に配置されており、前記第１シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第１支持層と、
前記第２シリコン層の上面に配置されているシリコン酸化膜の第２絶縁層と、
前記第２絶縁層の上面に配置されており、前記第２シリコン層よりも厚いシリコン単結晶層である第２支持層と、
を備えており、
前記シリコン電極は、前記第１支持層で形成されており、
前記シリコン電極の上面と前記振動子の下面との距離は、第１絶縁層の厚さと略同一である、態様１に記載のセンサ。
［態様３］
前記振動子を形成している前記第２シリコン層の上面には、前記第２絶縁層が配置されておらず、
前記振動子を形成している前記第２シリコン層に垂直な方向からみたときに、前記振動子の少なくとも一部が前記第２支持層によって覆われていない、態様２に記載のセンサ。
［態様４］
前記流路は、前記第１シリコン層の前記上面および前記第２シリコン層の前記下面の少なくとも一方に形成されている溝部を備えており、
前記流路の内壁の少なくとも一部には、前記金属層が配置されている、態様１－３の何れか１項に記載のセンサ。
［態様５］
前記金属層の少なくとも一部がパターニングされている、態様１－４の何れか１項に記載のセンサ。
［態様６］
前記金属層はＡｕを含んでいる、態様１－５の何れか１項に記載のセンサ。
［態様７］
単結晶シリコンの第１支持層と、シリコン酸化膜の第１絶縁層と、前記第１支持層よりも薄い単結晶シリコンの第１シリコン層と、がこの順に積層されている第１ＳＯＩ基板を準備する工程と、
単結晶シリコンの第２支持層と、シリコン酸化膜の第２絶縁層と、前記第２支持層よりも薄い単結晶シリコンの第２シリコン層と、がこの順に積層されている第２ＳＯＩ基板を準備する工程と、
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１シリコン層に、前記第１シリコン層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第１トレンチによって第１梁部を形成する第１形成工程と、
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２シリコン層に、前記第２シリコン層の表面から前記第２絶縁層まで到達している第２トレンチによって第２梁部を形成する第２形成工程であって、前記第２梁部は前記第１梁部と同一形状を有している、前記第２形成工程と、
前記第１梁部および前記第２梁部の少なくとも一方に、流路となる溝部を形成する工程と、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層の少なくとも一方の表面の少なくとも一部に、金属層を形成する工程と、
前記第１梁部と前記第２梁部とが重なるように、前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とを貼り合わせる工程と、
前記第１梁部を形成している前記第１絶縁層および前記第２梁部を形成している前記第２絶縁層を等方エッチングにより除去する工程と、
を備える、センサの製造方法。
［態様８］
前記第１ＳＯＩ基板の前記第１支持層に、前記第１支持層の表面から前記第１絶縁層まで到達している第３トレンチによってシリコン電極を形成する工程をさらに備え、
前記第１ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、前記第１トレンチと前記第３トレンチとの少なくとも一部が重複している、態様７に記載のセンサの製造方法。
［態様９］
前記第２ＳＯＩ基板の前記第２支持層に、前記第２支持層の表面から前記第２絶縁層まで到達している開口部を形成する工程をさらに備え、
前記第２ＳＯＩ基板に垂直な方向からみたときに、開口部と前記第２梁部との少なくとも一部が重複している、態様７または８に記載のセンサの製造方法。
［態様１０］
前記金属層を形成する工程は、金属層を所定形状にパターニングする工程をさらに備えている、態様７－９の何れか１項に記載のセンサの製造方法。
【符号の説明】
【0053】
１：センサ ２：振動子 ３：第１基部 ４：第２基部 ５：シリコン電極 １０、２０：金属層 １１：第１シリコン層 １２：第１絶縁層 １３：第１支持層 ２１：第２シリコン層 ２２：第２絶縁層 ２３：第２支持層 ２３ｗ：開口部 ＦＰ：流路 ＣＰ１：第１接続流路 ＣＰ２：第２接続流路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】