(57)【要約】  本発明は反応を起こさせるため少なくとも２つの窪み群を備えたウエハで構成されたデバイスに関する。発明によるデバイス１によると、デバイスの１つの層の溝２によって窪み８は互いに熱的に分離されるが、一方、溝で分離された部分は局部的にブリッジ４で結合される。この方法でデバイスは良好な機械的強度と良好な熱絶縁とを併せ備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの窪み群を備えたウエハで構成され反応を起こさせるデバイスにおいて、
窪みは互いに熱的に分離され、デバイスは窪みの温度を変化させる手段を備え、ウエハは少なくとも２つの層で構成され、頂部層である第１の層は窪みの底を形成し、第１の層の下方に位置する第２の層の少なくとも１つのレセスによって熱分離が行われ、
２つの隣接する窪み間に少なくとも１つのレセスが存在し、
第２の層は第１の層に出現し窪みの底において少なくとも底の一部となり、この出現し少なくとも底の一部となる第２の層の部分は機械的補強部分と呼ばれ、また第２の層は第２の層上の窪みの底の出現部分の外側となる第２の層の一部と少なくとも１つのブリッジで結合され、底の外側に位置する第２の層の突出部分はバルク部分と呼ばれ、
窪みの温度を変化させる手段は、第１の層に突出して、窪みの底に位置する
ことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
レセスは溝状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
窪みの下方に位置する機械的補強部分は補強部分の周囲に分散配置された少なくとも３つのブリッジによってバルク部分に結合されることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
窪みの温度を変化させる手段は第２の層に集積化されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
温度を変化させる手段は窪みを加熱する手段であることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
第１の層は少なくとも光透過層であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のデバイスを製造する方法であって、
第２の層を形成するウエハに頂部層である第１の層を設け、
第１の層の隣接する２つの窪み間において第２の層の底側でウエハにレセスを設ける
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のデバイスを使用してポリヌクレオチド増幅を行う方法であって、周期的に温度を変化させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも２つの窪み群を備えたウエハで構成され反応を起こさせるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなデバイスは、例えば生化学的反応を起こさせる分野で知られている。
集積回路技術で製造されたデバイスの重要な点は、実際に使用するために、実際の条件（機械応力および熱応力など）に耐える必要があるという点である。換言すれば、このデバイスは十分に強いものでなければならない。しかしながら、熱応力を受けるデバイスに関して、隣接する窪みに影響を与えない、または少なくともできるだけ影響を与えないために必要とする熱絶縁をできるだけ少なくするようにしなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は良好な機械的強度と良好な熱絶縁を併せもつデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的のために本発明は序文に記載した種類のデバイスを備え、このデバイスの特徴は、少なくとも２つの窪み群を備えたウエハで構成され反応を起こさせるデバイスにおいて、窪みは互いに熱的に分離され、デバイスは窪みの温度を変化させる手段を備え、ウエハは少なくとも２つの層で構成され、頂部層である第１の層は窪みの底を形成し、第１の層の下方に位置する第２の層の少なくとも１つのレセスによって熱分離が行われ、
２つの隣接する窪み間に少なくとも１つのレセスが存在し、
第２の層は第１の層に出現して窪みの底において少なくとも底の一部となり、この出現して少なくとも底の一部となる第２の層の部分は機械的補強部分と呼ばれ、また第２の層は第２の層上の窪みの底の出現部分の外側となる第２の層の一部と少なくとも１つのブリッジで結合され、底の外側に配置される第２の層の突出部分はバルク部分と呼ばれ、
窪みの温度を変化させる手段は、第１の層に突出して、窪みの底に位置する。
【０００５】
１つ以上のレセスは優れた熱絶縁となり、また一方では機械的補強部分として底を補強し、少なくとも１つのブリッジで第２の層との補強接合が保証される。少なくとも１つのブリッジは第１の層と接触しても接触しなくてもよい。温度を変化させる手段は、例えば、ペルチェ素子である。本発明において第１の層および第２の層について言及すれば、１つまたは２つの層がいくつかのサブレイヤ（sublayer）で構成される可能性を除外するものではない。例えば、第１の層は、電気的に温度を変化させる手段を含む第１のサブレイヤと、第１のサブレイヤを電気絶縁する第２のサブレイヤと、第１のサブレイヤに給電するため第２のサブレイヤを貫通する導電性の第３のサブレイヤとで構成することができる。第３のサブレイヤ上に形成された第４のサブレイヤは、第１のサブレイヤに接続するが第３の導電性サブレイヤには接続しない導電性の第５のサブレイヤに対して電気絶縁し、さらに電気絶縁の第６のサブレイヤで窪みの実際の底が形成される。本願において窪みとは立設する壁で囲まれたデバイス上の場所であり、このような壁のない場合は温度を変化させる手段が設けられた場所であると理解されるべきである。本発明によるデバイスは、好ましくは特にそれぞれの窪みの１つの箇所に配置された１つ以上の統合されたセンサで構成することができる。第１の層の上側をより明確に限定し、例えばより平滑にするため、変換器（温度、センサなどを変換する手段）の接続を含む層は下部層である第２の層とするのが好ましい。このことは分析を行うのに便利になる。レセスは完全には貫通しない、すなわちデバイスの合計厚さに対して貫通しない開口列の形にすることができる。
【０００６】
Korsjes Rなどは酸化物を充填した溝で熱絶縁を行ったフローセンサについて述べている（Sensors and Actuators A, ４６−４７、３７３−３７９頁、１９９５）。溝に充填すると一方では機械的強度が増加するが、他方では温度が変化したときデバイスの機械的応力が増加する。さらに絶縁の程度が制限される。
【０００７】
好ましい実施形態によると、レセスは溝状に形成される。
このようなレセスによって相当な距離にわたって優れた熱絶縁が与えられる。したがって、標準のＩＣ製造技術を使用することが容易に実現される。
【０００８】
好ましい実施形態によると、窪みの下方に配置された機械的補強部分は補強部分の周囲に分散配置された少なくとも３つのブリッジによってバルク部分に結合される。
この方法によって顕著な機械強度を得ることができる。
【０００９】
窪みの温度を変化させる手段は第２の層に統合されると有利となる。
重要な実施形態によると、温度を変化させる手段は窪みを加熱する手段である。
例えば、デバイス上の隣接する箇所では反応を起こさずに、加熱によって局部的に化学反応を開始することができる。例えば、このような反応は窪みにおけるオリゴペプチドまたはオリゴヌクレオチドの合成に使用することができる。重要で可能な別の方法は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などのポリヌクレオチド増幅にデバイスを使用することである。
【００１０】
少なくとも第１の層は光透過層であることが有利となる。
その場合は窪みで光学測定を実施することが可能となり、検出器および／または選択的励起源は窪み側に配置する必要がなくなる。例えば、励起は第１の層で起こさせることができる。
【００１１】
また本発明は発明によるデバイスを製造する方法に関する。この方法は
第２の層を形成するウエハに頂部層である第１の層を設け、
第１の層の隣接する２つの窪み間において第２の層の底側でウエハにレセスを設けることを特徴とする。
【００１２】
最後に、発明によるデバイスの重要な適用として、本発明はポリヌクレオチド増幅を行う方法に関する。この方法は発明によるデバイスを使用して温度を周期的に変化させることに特徴がある。
【００１３】
発明によるデバイスは熱容量がほとんどなく良好な熱絶縁が可能であるので非常に好都合であり、そのため、ポリヌクレオチド増幅サイクルが急速に完成できる（加熱／冷却で引き起こされる時間損失がほとんどない）。冷却は受動で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に本発明を一般的な実施形態および図面を使用して詳細に説明する。
図１は集積回路（ＩＣ）技術によって製造した本発明によるデバイス１の平面図を示す。アイランド３の境となる溝２はデバイスの底側に示される。ここに示すデバイスは４つのアイランド３で構成される。ここに示す実施形態ではアイランド３は結合ブリッジ４を介して、バルク部分である第２の層５の別の部分と４箇所で結合される（図３）。アイランド３は機械的に補強された部分として機能し、発明によると、結合ブリッジ４で特別に強い構造が付与される。
【００１５】
ここに示す実施形態では、隣接するアイランド３，３’の結合ブリッジ４、４’はできるだけ離れて配置される。またデバイス１のアイランド３は添加された多結晶シリコン製の抵抗加熱素子６を備える。加熱素子６に通電するとアイランド３は加熱されるが、溝２が存在するため熱はほとんど消散しない。
【００１６】
図２は図１のデバイスの斜視平面図を示す。第１の層７が見えるが、この層７には抵抗加熱素子６および第２の層５が含まれる。デバイスには、垂直壁９で囲まれ、この場合第１の層の一部である４つの窪み８が備わる。
【００１７】
図３は図１のデバイスの斜視底面図を示す。第１の層７と溝２を有する第２の層とが見える。結合ブリッジ４によってアイランド３がアイランド３の外部に配置された第２の層５の部分と結合し機械的強度が付与される。この強度はデバイスを取り扱うためだけでなく、アイランド３の加熱の結果生じるデバイス内の応力に耐えるためにも重要である。
【００１８】
この実施形態では、溝２の深さは第２の層５が残らないようになっているが、必ずしもこの深さにする必要はない。溝の深さは第２の層の厚さの少なくとも５０％が好ましく、少なくとも８０％、例えば１００％がさらに好ましい。
【００１９】
上記実施形態は反応温度を周期的に変化させる必要のあるポリメラーゼ連鎖反応、生化学ヌクレオチド増幅技術を実施するのに適している。反応をリアルタイムにモニターするために上記実施形態の各アイランドに感光性領域１０と、加熱素子６によって上昇した温度を測定する温度センサ１１とを備える。以下に、前述のデバイスの製造工程について説明する。
【００２０】
（ＰＣＲチップ製造）
（標準製造工程）
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップを製造する製造工程はシリコンの局部的酸化（ＬＯＣＯＳ）に基づく、標準１．６μｍの通常の多結晶シリコンゲートの相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）工程に基づく。前面側でエピタキシャル成長をさせた１２μｍの層を有する５２５μｍ厚さのＰ型基板上にこの構造を形成する。製造工程の第１の工程はアクチュエータ（加熱素子６）のウエハの前面側にセンサ（読み出して電子を制御する光検出用と温度測定用の１０，１１）を形成する。この工程自体には半導体製造技術で一般的ないくつかの製造工程が含まれる。
【００２１】
光検出器１０は２段に積み重ねたｐｎ接合で構成する。下の接合はｐエピレイヤとｎウエルとで形成する。上の接合は通常ドレンコンタクトとソースコンタクトに使用されるｎウエルと平滑なインプラントｐ層とで形成する。抵抗加熱素子６はリンを添加した多結晶シリコンで作る。温度センサ１１はＣＭＯＳ工程におけるラテラルＰＮＰトランジスタで作り、ラテラルＰＮＰトランジスタはインプラントｐ層とｎウエルとｐエピレイヤとで形成する。形成された構造を絶縁して保護するためにプラズマエンハンス化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）を使用して８００ｎｍ層の窒化ケイ素を適用する。
【００２２】
（特別の後製造工程）
上記標準のＣＭＯＳ製造工程の後、標準にはなっていない後製造工程を多数適用する。この後製造におけるリソグラフィ工程では３つのマスクだけが使用される。これらのマスクはＳＵ−８フォトレジストによる窪みの（選択的）形成用に、膜のエッチング用に、さらに断熱溝２の形成用に使用される。後製造工程の第１の工程として厚さ１から２μｍの窒化ケイ素層をウエハの裏側に適用する。リソグラフィおよびエッチング工程によって、ＳｉＮ層にパターンを付ける。水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用したエッチング工程によってシリコンバルク層を約１５０μｍ厚さの膜にまでエッチングすることができる。引き続き、ウエハの裏側の残りのＳｉＮ層をエッチング工程を使用して除去する。ウエハの表側にＳＵ−８フォトレジストの（選択的）層を塗布する。この層に、表側に形成される窪みおよび電気接続用開口に相当するパターンをリソグラフィ的に与える。フォトレジストを現像した後、所望の窪みおよび電気接続を行う開口がＳＵ−８フォトレジストに形成される。裏側は２μｍ厚さのシリコン酸化物を設ける。この層にエッチングされる溝に相当するパターンをリソグラフィ的に与える。最後の工程として、シリコン酸化物で停止する反応性イオンエッチング工程（ＲＩＥ）を実施することで、裏側に熱絶縁用の溝２を形成する。
【００２３】
このようにして形成されたウエハは個々にチップとして使用できるように切断される。
（実験）
このようにして製造したチップをキャリアに取り付ける。チップはキャリアに接着接合によって取り付ける。接着に際しては熱絶縁構造を損なわないように注意する必要がある。このキャリアの目的はチップをより容易に取扱い、電気接続を可能にし、かつチップを保護するためである。
【００２４】
チップは電子制御調節することができる。この場合、チップと外部界との連絡はチップの制御装置を介して行うことができる。しかし以下の記載は、電子制御調節することなく、チップの最も簡単な形態から出発して、多結晶シリコン熱抵抗器および温度測定用の膜統合ダイオードのみを使用することを意味する。
【００２５】
この実験の組立てにおいては熱抵抗器を制御するのに外部電力源を使用する。例えば、基板を通り抜ける場合に電力供給が制限されることが電力源の利点になるが、電圧源を使用する場合にはそうはならない。実際にチップを試験局面以外で使用するときには、電力源および電圧源の両方を使用することができる。
【００２６】
膜の温度は膜に備わったダイオードによって測定する。このダイオードの順方向電圧の温度係数は約−２．１ｍＶ／℃である。この順方向電圧を測定するために、電力源によって発生した一定電流をダイオードに導く。好ましくはデジタル電圧計を使用して、ダイオードの順方向電圧を測定する。測定に先立って、温度を正確に測定できるようにダイオードの温度依存度を正確に決定する。このために、ダイオードを備えたチップを空調ボックスに入れる。空調ボックスの温度を多数のステップに渡って上昇させ、それぞれの温度ステップにおいて空調ボックス内のダイオードの温度が十分安定する時間に渡って空調ボックスの温度を一定に維持する。この温度でダイオードの順方向の電圧を測定する。このようにして得られた温度特性はＰＣＲサイクルの最終の温度測定に使用できる。
【００２７】
ＰＣＲサイクルを行うため、プログラム化可能な直流源を使用する。この直流源は下記の温度ステップを経過するようプログラム化する。
・  第１ステップ：９４℃
・  第２ステップ：５５℃
・  第３ステップ：７２℃
・  第４およびこれに続くステップ（約３０ｘ）：ステップ１から３を繰り返す
・  最終ステップ：周囲温度に冷却
所望の温度に達したという事実は統合されたダイオードによって記録される。所望の温度に達したとき、電力源は次の温度ステップの温度に達するため必要な電力に調節する。
【００２８】
このステップを自動化するために、ダイオードの順方向電圧を測定するデジタルマルチ測定器に接続したコンピュータおよびプログラム化可能な電力源を使用して熱抵抗を制御することが可能である。コンピュータは制御ソフトウエア、例えばAgilentのVEEを備え、連絡バスを介して測定装置に接続される。コンピュータは、ＰＣＲサイクルが（十分迅速に）完了するようプログラム化可能である。
【００２９】
この試験において窪みに水性試験液体を充填させる。充填後に、試験液体の蒸発を防止するため窪みの上側を密封する。このシステムを使用し約３分半の操作時間でＰＣＲサイクルの完了を実現することが可能である。このことを説明するため、図５に窪みがいかに速く所望の温度に達するかを示す。点線は理想的な温度曲線に相当する。また点線は加熱素子６によって導入された電力に対応する。言うまでもなく、最初に加熱素子６に、より強い電流を送ることによって、一層容易に理想の温度曲線に近づけることができる。ホットスポットと、それに伴う、例えば反応で酵素を不活性化させる危険性とは避けなければならない。
【００３０】
前記タスクを自動的に行うためチップに統合される電子制御調節でさらに完全化することが可能となる。このシステム反応は比例積分微分制御システムを使用することでさらに改善できる。
【００３１】
また本発明は底部層である第２の層のレセスに加えて、またはそれに代えて、頂部層である第１の層に熱絶縁用のレセスを設けることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】４つの窪みで構成される本発明によるデバイスの平面図を示す。
【図２】図１に描いたデバイスの一部斜視平面図を示す。
【図３】図１に描いたデバイスの一部斜視底面図を示す。
【図４】図１に描いたデバイスの線ＩＶ−ＩＶで切断した断面図を示す。
【図５】本発明によるデバイスで実施した温度サイクルのグラフを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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