JPS6326552A - 粒子カウンタ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〕 本発明は、コウルタ（Ｃｏｕｌｔｅｒ）　　（Ｒ）のカ
ウンタ形式の改良された粒子カウンタおよびその製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

本発明に関連する特許としては、アメリカ合衆国特許第
２，６５６，５０８号、第３，５０２，９７３号、第３
．５０’２゜９７４号、第３，７１０，９３３号および
第４，２９８，８３６号がある。

合衆国特許第２，６５６，５０８号は、懸濁液における
顕微鏡的粒子の電子式計数、寸法室めおよび分析用の装
置を説明している。この装置では、愚濁液は、１つの絶
縁された容器から他の容器へ小穴を通って流れるように
仕向けられている。この２つの容器に取り付けられてい
る電極によって、２つの容器の間に、直流電流が設定さ
れる。小穴を通って流れる液体は、２つの容器の間の電
気路だけを通るので、電流の流れと電界が小穴内に設定
される。

小穴と、その小穴内およびその周囲に発生する電界は、
感知帯を構成する。各粒子が感知帯を通るに従って、感
知帯の中味のインピーダンスは、通過の持続中に変化し
、それによって、感知帯の電流と電界を調節する。電流
と電界の変化は、このような変化に対応するように適正
に取り付けられた探知器に印加する信号を生ずる。

１つの粒子が通過するときの、感知帯の中味のインピー
ダンスの変化は、小穴の直径がその小穴の軸長よりも小
さい場合、はぼ粒子の容積に比例することが証明された
。

このインピーダンス感知理論は、コウルタ（Ｃｏｕｌｔ
ｅｒ）他への合衆国特許第３，５０２，９７４号と第３
．５０２，９７３号に開示されているように、粒子を構
成している材料の成分や性質のような粒子の特性に関す
る情報を提供するように進展された。これらの装置は、
一般に少なくとも２つの電流源を持ち、これら両方が同
時に感知帯に印加され、１つは無線周波数を持ち、かつ
、他の１つは「零周波数」の直流であるか、または、粒
子インピーダンスの反応部分が装置の応答には取るに足
りない効果を有する十分に低い周波数を持っている。こ
の２重電源配設から得られる有用な粒子記述器の１つは
１粒子の「電波を通さないこと」としての技術で知られ
ている。一般的な意味で、「電波を通さないこと」は、
低いまたは零周波数で測定された寸法と比較して無線周
波数で測定されるように寸法の差異を測定する。

細胞学技術で評価されているように、測定可能な新しい
粒子記述器は、どれも粒子の区分、分析および種別に有
用である。例えば、細胞は、絶縁体の範囲の非常に高い
抵抗性の被膜を持っている。

しかしながら、細胞の内部は、変化する内部抵抗をもつ
粒子とは異なる形式であり、かなり導電体である。また
、細胞の病理学的状態がその内部抵抗に作用することが
期待される。結果的に、細胞における内部抵抗を細胞基
準で測定することが望ましい。例えば、合衆国特許第４
，２９８，８３６号には。

抵抗を測定する装置について述べられている。合衆国特
許第３，７１０，９３３号には、光吸収、散乱光および
蛍光灯の測定の組合せに使用されるインピーダンス感知
小穴について述べられている。

第２図は、従来の技術の粒子カウンタを示す概略図であ
る０図示された従来技術の粒子カウンタは、入口チャン
バ１０．出口チャンバ２０、これらのチャンバを相互に
連結している小穴およびａｍ光学系４０と電子系５０を
含む０元来加圧されている貯水器（図示せず）からの個
々に懸濁された粒子の液体の流れは、毛細管１２を通っ
てチャンバ１０に進む。元来他の圧力貯水器（図示せず
）からの薄層液体鞘管は１粒子の流れを取り囲むように
管１４を通って進む１粒子の液体の流れが管１２から出
て行くに従って、動水力学的圧力は、流れが液体鞘管の
速度を得るに従って粒子の流れの直径を減少する。また
、液体鞘管は、粒子の流れを中心に集めるように作用す
るので、粒子は、細長い粒子と共に、中心軸１８に沿っ
て小穴３０を通過する、もし必要なら、中心軸１８に沿
って並べられたそれらの細長い軸を持たせることもでき
る。小穴３０を出た後、粒子はチャンバ２０に入る。チ
ャンバ２０は、懸濁した粒子を除去する適当な液体のた
めの入口２２と出口２４を持つ。

小穴３０は、宝石質のサファイヤの仕切板に典型的に加
工された顕微鏡的穴である。この小穴の大きさは、１個
の粒子が計数可能に十分に小さい。

この目的のため、この小穴は１通常インチの十分の４　
（１００マイクロメータ）またはそれ以下のオーダーの
直径を持つ。

電子系５０は、チャンバ１０と２０内に各々設けられた
電極５２および５４、定電流源５６と信号処理要素６０
を含む。電極５２と５４および定電流源５６は、小穴３
０を通過し、かつ、小穴における粒子の通過によって変
化する電流をチャンバ１０と２０に設定するのに用いら
れる。

信号処理要素は、図示のごとく、増幅器６２、ベースラ
イン−リストア６４、トリガ回路６６、カウンタ６８、
ピーク検波器７２および寸法決定回路７４を含む。

信号処理回路の詳細は、例えば、上記に参照されている
特許において開示されている技術により良く理解される
。信号処理回路は、典型的には、入口および出口チャン
バから離れた、別のパッケージ内の回路基板上に取り付
けられる。

〔問題点を解決するための手段〕

電極と信号処理要素少なくともの一部が、小穴が設けら
れた仕切板上に一体に形成された改良された粒子カウン
タを発明した。

本発明によれば、使用される仕切板は、従来サファイヤ
上のシリコン集積回路の製作に使用される等級のサファ
イヤのウェハから形成されている。

このような回路の製作の場合として、いくつかの仕切板
が、ホトリソグラフィー技術を使用するウェハの上に同
時に形成される。

シリコンの層が、最初に、サファイヤのウェハの一方側
の上に、エピタキシャル成長により形成され、その後、
従来のホトリソグラフィー技術を用いて、このシリコン
層中に集積回路が形成される。図示のように、集積回路
は技術的現状の粒子カウンタによる別のパッケージで適
用可能な同じ粒子計数と粒子の寸法決め機能を提供する
。

次に、導線は、信号入力と信号出力と同様に、各集積回
路に電力とアースを提供するように形成される。電極は
、エピタキシャル成長されたシリコンを伝導性の多結晶
シリコンへ一部変換するか、または金属層を堆積するか
によって、ウェハの集積回路と同じ側に形成され、かつ
電極は、集積回路の信号入力線に接続される。

次に、望ましくは、接地された導体の保護層は。

集積回路と信号導線の上に形成され、なお、そこで、信
号雑音を最小にし、環境からこれらの部材を保護するた
めに絶縁されている。

第２の電極は、そこで金属層の堆積によって。

ウェハの反対表面上に形成される。次に、小穴は製作さ
れるべき各々の装置のウェハに形成される。

最後に、ウェハは、個々の仕切板またはダイスに分離す
るように切断される。

望ましくは、本発明は、直径で３または４インチ（３８
から５１ミリメータ（Ｉ１１１＋））、厚さで１２５か
ら２５０マイクロメータの半導体等級のサファイヤウェ
ハを用いて実施される。小穴の直径は、約５０マイクロ
メータで、隣接して小穴を取り囲む部分のウェハの厚さ
は、約５０マイクロメータに減少している。小穴、電極
および、ウェハから分離後の集積回路を含む装置の寸法
は約４　ｍｍ　Ｘ　４　ｔｒｔａである。

〔実施例〕

本発明の目的、特徴および利点は、以下の本発明の望ま
しい実施例の詳細な説明からより容易に明白になるであ
ろう。

第１図は９本発明の望ましい実施例を示す概略図、第３
図は、第２図の部分拡大図、第４図は、第２図の部分上
面図、第５図は、本発明の実施に使用したいくつかの工
程を示す図である。

第１図に示されるように、本発明の粒子カウンタの望ま
しい実施例は、入口チャンバ１１０、出口チャンバ１２
０、小穴１３０および透視光学の１４０から構成されて
いる。チャンバ１１０と１２０は、互いに電気的に絶縁
されているが、小穴１３０に相互に連結されている。こ
れらの部材の各々は、第２図の対応している部材と同一
であり、１００をプラスした同じ数字を持っている。し
かし、明らかなように、小穴１３０は、第１図のウェハ
３２とはかなり異なるウェハ１３２の中に形成される。

第２図の装置の場合のように、元来加圧された貯水器（
図示せず）からの個々に懸濁された粒子の液体の流れは
、毛細管１１２を通って、チャンバ１１０の中に流れる
。元来値の圧力貯水器からの薄層液体鞘管は、粒子の流
れを取り囲むように管１１４を介して流れる。

粒子の液体の流れが毛細管１１２を出るに従って、動水
力学的圧力は、流れが液体鞘管の速度を得るに従って粒
子の流れの直径を減少する。液体鞘管はまた、粒子の流
れを中心に集めるように作用するので、中心軸１１９に
沿って、小穴１３０を介して細長い粒子で通過する。も
し必要であれば、中心軸１１８に沿って並べられた、そ
れらの細長い軸を持つ。

チャンバ１３０を出た後で１粒子はチャンバ１２０に入
るや チャンバ１２０は、懸濁した粒子を除去するのに適した
液のために、入口１２２と出口１２４を持っている。

小穴１３０は、一般に、サイファイヤ上のシリコン集積
回路の製作に使用される等級のサファイヤのウェハから
切断された仕切板１３２の中の顕微鏡的な穴である。サ
イファイヤ上のシリコン工程の詳細については、Ｓ　、
　Ｍ、　Ｓｚｅ、　ＶＬ　Ｓ　Ｔテクノロジー、第８２
頁（１９８３年マグロ−ヒル（ＭａｃＧｒａｗ−ＨｉＬ
ｌ）　）参照。

小穴の大きさは、十分に小さいので、単一の粒子も計数
できる０図示のように、小穴は約５０ミクロメータの直
径をもっている。

第３図にさらに明確に示されているように、サファイヤ
の仕切板１３２は、小穴１３０を取り囲む薄い部分１３
４とその薄い部分を取り囲む厚い部分１３６を持ってい
る。

部分１３４は十分に薄いので、その部分の仕切板の厚さ
は、小穴の直径、例えば、５０マイクロメータと比較さ
れ得る１部分１３６は、集積回路に使用される商業的に
入手可能なサファイヤのウェハの厚さである。このよう
なウェハは、１２５と２５０マイクロメータの厚さおよ
び３または４インチ（３８箇または５１　ｒｒｍ　）の
直径またはそれ以上大きな寸法に適用可能である。

典型的に、各仕切板１３２の寸法は、約４ｍ×４扇であ
る。

また、第３図と第４図の上から見た図に示されているよ
うに、電極１５２，１５４は、仕切板１３２の大部分の
表面上に形成されている。これらの電極は、各々、従来
の技術の粒子カウンタの入口と出口チャンバの電極５２
．５４と同じ容量で作動するが、電極は、チャンバ連結
小穴１３０が位置する仕切板の上に形成されている。さ
らに、少なくともある信号処理回路が、仕切板１３２の
大部分の表面上に形成されているエピタクシャルシリコ
ン層１６２の集積回路として形成される。望ましくは、
集積回路１６０と入力および出力信号線１７０．１７２
は、集積回路と信号線から絶縁され、かつ、擬似信号か
らの保護と同様に、仕切板がさらされる環境から防護す
る電導体の保護層１８０によって被覆されている。

集積回路上の信号線は、図示されているように、仕切板
１３２の縁に取り付けられている末端結線（図示せず）
によって、外部の信号線に接続されている。適正な封止
１３４は、仕切板１３２と粒子カウンタの外部との間に
、液密インターフェイスを提供している。

本発明シとよると、サイファイヤ上のシリコン集積回路
の製作に使用される等級の商業的に入手可能なサファイ
ヤのウェハに多くの仕切板１３２が都合良く、同時に形
成される。サファイヤのウェハに集積回路を形成するた
めに、集積回路、信号線、電極およびそれらの類似物の
部材の必要な特徴を決定する一連のホトリソグラフィー
のマスクがまず設計される。

各小穴を取り囲む部分のサファイヤウェハの厚さを修正
するために、このウェハは、各装置が形成される約０．
５閣の直径の円形部分にわたって約５０マイクロメータ
の厚さに加工される。

各装置は、ウェハ上で約４閣Ｘ４！Ｅｌに計測されるの
で、厚さを減少したこれらの部分は、約４ｍａ＋の中心
上に１点の平方列を形成している。都合が良いことに、
この操作は、標準のステップアンドリピート装置を使っ
てなされる。シリコンに３−Ｄマイクロ構造物を形成す
るために、交互に、適切に使用されるマイクロ−機械加
工技術は、ウェハを薄くするのに適用可能である。これ
は、その部分のサファイヤのドライまたはウェットエツ
チングの後で、薄くすべきべき部分のホトリソグラフィ
ーの限界によって達成される。

次に、ウェハは、ウェハの一方の側止のシリコンのエピ
タクシャル層を形成するように、良く知られている方法
で加工される。典型的にこの層は、約１マイクロメータ
の厚さになる。

次に、集積回路１６０は、従来の技術で、エピタクシャ
ルシリコン内に形成される。形成される特定の回路は、
選択の問題である。

望ましくは、信号・雑音の比率に、相当の改良を提供す
る増幅器を含んでいる。ベースライン・リストア、トリ
ガ回路および粒子カウンタのような他の電気回路が、第
２図の従来技術の回路によって、提供されるのと同じ粒
子計数能力を供給するように設けられるであろう、また
、これは積分器、および寸法決定回路または、小穴を流
れるような粒子の分析に有用な他の信号処理回路を含む
。

次に、結線は、各集積回路およびその入力信号線１７０
．出力信号線１７２、電源線１７４とアース線１７６の
間に形成される０次に、電極１５２は、シリコン層と同
じ側のウェハ上に各装置のために形成され、またそれは
シリコン層とそれが集積回路への入力信号線１７０に接
続される。＠極は、シリコンの部分を電導性の多結晶シ
リコンに変換、または金属層の堆積によって製作される
。いずれの場合でも、電極の形は、従来のホトリソグラ
フィー技術で決定される。最後に、伝導性の層は、集積
回路１６０と信号線１７０，１７２の上に堆積されるが
、そこから、ウェハがさらされる環境からそれを保護す
ると同様に回路と信号線を電気的雑音から保護するため
に絶縁される。

第２の電極は、そこで、各装置の反対側の大部分の表面
上に、金属層の堆積と電極を形づくる従来のホトリソグ
ラフィー技術を使用して形成される。

次に、各装置の小穴は、厚さを減少したその各点でウェ
ハ内に形成される。望ましくは、小穴は、それが位置す
べき場所の面積をホトリソグラフィーにより決定し、か
つ、従来のエツチング技術を使用してサファイヤをエツ
チング除去して形成される０代替的に、小穴は、レーザ
で穴開けして形成され得る。

次に、電極の形成後、ウェハは、そこで、個々の仕切板
に切断される０次に、仕切板は、テストされ、かつ第１
図に示すように、粒子カウンタに組込まれる。

この技術の熟練した人々には明らかなように、多くの変
形が、本発明の精神と範囲内で、なされ得る。

一方で１本発明は、サイファイヤ上のシリコン集積回路
技術の関係文で説明されているが、サファイヤの代わり
に他の絶縁性の下層が使用され得るし、他の半導体材料
がシリコンの代わりに使用され得ることは理解されるで
あろう。また、もし希望すれば、混成回路が、一部また
はすべての集積回路の代わりに使用され得る。サファイ
ヤの各仕切板の表面に形成される電極の形成に、多くの
応用変形がなされ得るが、ある適用例では、電極を小穴
と、その中に形成された仕切板から離れた装置の部分内
に位置させるのが望ましい。

もし希望すれば、同じ、または異なる大きさの複数の小
穴が、サファイヤの同じ仕切板の中に、この発明により
製作され得るし、このような小穴は、この技術で知られ
ているテクニックにより使用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の望ましい実施例を示す概略図、第２
図は、従来技術の粒子カウンタを示す概略図、第３図は
、第１図の部分拡大図、第４図は、第１図の部分上面図
、第５図は、本発明の実施に使用したいくつかの工程を
示す図である。 才　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入口チャンバ、上記チャンバから絶縁されている出
   口チャンバ、上記入口チャンバおよび上記出口チャンバ
   を相互に連結している小穴、上記小穴を通って流れる流
   体を介する２つの小空間に電流を設定するために、２つ
   のチャンバの電極、および上記電流または、そこで関連
   し合っているまたはそれに特徴付けられる電界の感知変
   更に対する電気的回路を含んで成り、かつ、上記小穴は
   、絶縁性の材料のシートに形成され、少なくとも上記電
   気回路の一部は、上記絶縁材料のシート上に取り付けら
   れ、少なくとも上記電極の１つは、上記シートの大部分
   の表面上に形成されることを特徴とする粒子カウンタ。 ２、上記絶縁材料がサファイヤである特許請求範囲第１
   項記載の粒子カウンタ。 ３、上記半導体層がシリコンから成る特許請求範囲第１
   項記載の粒子カウンタ。 ４、上記双方の電極が、上記シートの反対側の大部分の
   表面に形成されている特許請求の範囲第１項記載の粒子
   カウンタ。 ５、上記半導体層が、上記絶縁材料シートの１枚の表面
   上にエピタキシャル成長されており、かつ少なくとも上
   記電気回路の一部は、上記エピタキシャル半導体層内に
   集積回路として形成される特許請求の範囲第１項記載の
   粒子カウンタ。 ６、上記絶縁層に取り付けられた上記電気回路の一部は
   、増幅器を含む特許請求の範囲第１項記載の粒子カウン
   タ。 ７、上記小穴を通る粒子の数を計数するために、上記電
   気回路は、増幅器、トリガ回路およびカウンタを含む特
   許請求の範囲第１項記載の粒子カウンタ。 ８、上記電気回路は、Ｒ．Ｆ．とＤ．Ｃ．双方の測定を
   行うことができる特許請求の範囲第１項記載の粒子カウ
   ンタ。 ９、サファイヤから成るウェハに、厚さを減少した部分
   の列を定め、上記厚さは、形成されるべき小穴の直径に
   比較することができ、上記ウェハの１つの表面上に、シ
   リコンのエピタクシの層を形成し、上記シリコンのエピ
   タクシャル層に、電流の変化を感知するために、少なく
   とも、電気回路の部分を備えるように形成された集積回
   路を形成し、上記ウェハの１つの大部分の表面に、粒子
   カウンタに取り付けられている上記小穴を通る電流を設
   定するように形成された電極を形成し、上記ウェハの上
   記厚さが減少された部分の各々に小穴を形成し、それら
   の各々が、小穴、集積回路および電極を、それらの部品
   として持っている別々の装置を形成するように、上記ウ
   ェハを加工する工程を含んで成る、電気回路が上記小穴
   を通って流れる流体の中を流れる電流の変化を感知する
   粒子カウンタの製造方法。 １０、上記複数の小穴が、絶縁材料のシートに形成され
   る特許請求の範囲第１項記載の粒子カウンタの製造方法
   。