JP2009115501A - マイクロピペット、マイクロピペット分析装置及びそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度を向上できると共に、長期的な信頼性及び製造歩留まりを高くすることが可能なマイクロピペット、マイクロピペット分析装置、及びそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】単結晶シリコンからなる基板１０１と、酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体１０３とを具備する。中空構造体１０３の一部が単結晶シリコンからなる基板１０１の内部に配置され、中空構造体１０１の先端部のピペット部１０２から少量の液体等の投与或いは吸引したり、細胞等の微小粒子や微小機械部品等の微小物の操作を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非常に微小量の液体や気体、或いはそれらに含まれる粒子を投与又は吸引したり、或いは細胞等の微小粒子や微小機械部品等の微小物の操作等に使用されるマイクロピペットに関するものである。また、本発明はそれを用いた分析装置及びそれらの製造方法に関するものである。

従来、幾つかのマイクロ構造体が、非常に少量の液体を投与したり、吸引したりする目的で知られている。また、原生動物、卵細胞等の微小物の操作には、保持道具としてのガラス製ピペットが使用されている。

特許文献１には、シリコン基板上に微小な膜変位装置と流路を形成し、シリコン基板を２枚のガラスプレートで挟み込み、流路の先にピペットチップを取り付けたマイクロピペットが開示されている。

特許文献２には、２枚のシリコン基板を用いたマイクロピペットが開示されている。同文献のものは、２枚のシリコン基板に溝を形成し、それら２枚のシリコン基板を向かい合わせて高温のシリコン直接接合を行い、シリコンの中空構造を形成する。次に、中空構造に貫通孔を開けて、中空構造の内壁面を酸化し、その後、不要なシリコンのみを選択的にエッチングし、マイクロピペットを作製する。
特開平１０−３１８１５０号公報 特開平１０−０７６１６８号公報

従来のマイクロピペットの製法は、いずれも貼り合せプロセスを用いるために、機械的強度が低く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが難しい。更に、シリコン基板やガラス基板を複数枚用いるため、シリコン基板１枚と比較して、低コスト化に限界があった。

特に、特許文献１のものは、ピペットチップが微小な大きさであるため、ピペットチップと基板端面における接着部分の機械的強度が弱く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くするには限界がある。また、ピペットチップと基板端面における接着部分の面積が微小であるため、高い位置合わせ精度や微量な接着剤の塗布量制御等、接着工程には困難な作業が伴う。長期的な信頼性や製造歩留まりを上げるために、ピペットチップのサイズを大きくすると、ピペットチップの内部容積が大きくなり、微小量の液体等を取り扱うことが困難となる。

一方、特許文献２のものは、シリコン基板を貼り合せた後に高温の熱酸化工程があるため、貼り合せ前にシリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路等の回路部を作ることができない。また、貼り合せ後にシリコン基板上に回路部を作ると、基板厚みが厚くなるため、貼り合せ前に基板を薄くする工程が必要になり、製造歩留まりを著しく低下させるという課題があった。

本発明の目的は、機械的強度を向上できると共に、長期的な信頼性及び製造歩留まりを向上することが可能なマイクロピペット、マイクロピペット分析装置とその製造方法を提供することにある。

本発明のマイクロピペットは、単結晶シリコンからなる基板と、酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体とを有し、前記中空構造体の一部が前記単結晶シリコンからなる基板の内部に配置されていることを特徴とする。

また、本発明のマイクロピペット分析装置は、上記マイクロピペットを含み、前記基板の前記中空構造体を挟む両側の位置に、光を導入する導光部と、前記導光部からの光を前記中空構造体を介して受光するセンサ部を具備することを特徴とする。

また、本発明のマイクロピペットの製造方法は、シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、前記多孔質シリコンの上に第１シリコン層を形成する工程と、
前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、を含むことを特徴とする。

更に、本発明のマイクロピペット分析装置の製造方法は、シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、前記多孔質シリコンの上に第１シリコン層を形成する工程と、前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、前記シリコン基板上に光を受光するセンサ部を形成する工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、前記センサ部に前記中空構造体を介して光を導入する導光部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、製造工程において貼り合せプロセスを用いないために、機械的強度を向上させることができ、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが可能となる。また、シリコン基板１枚で作製することができるため、低コスト化が実現できる。更に、ピペット部が微小な大きさであっても、接着面がないため、機械的強度の問題を低減することができる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るマイクロピペットを示す断面図である。図中１０１は単結晶シリコンからなるシリコン基板、１０３は酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体である。図１に示すように中空構造体１０３の一部が単結晶シリコン基板１０１の内部に配置されている。また、中空構造体１０３の端部付近のシリコン基板１０１の表面及び裏面がエッチングされ、中空構造体１０３の一部がシリコン基板１０１から露出し、ピペット部１０２が形成されている。

中空構造体１０３の上部には、下部電極１０７、圧電体１０５、上部電極１０８で構成された圧力発生装置が配置されており、シリコン基板１０１上に形成された回路部１０４からの信号によって駆動することができる。そして、圧電体１０５の駆動によりダイヤフラム１０６を振動させ、ピペット部１０２から液体や気体等、或いはそれらに含まれる粒子等の試料を吸引或いは排出することができる。

次に、本実施形態のマイクロピペットの製造方法を説明する。図２は本実施形態のマイクロピペットの製造工程を示す断面図である。まず、図２（ａ）に示す工程では、単結晶シリコンからなるシリコン基板２０１に中空構造体を形成する領域以外の全部分を覆うマスク２０２をフォトリソグラフィにより形成する。マスク材としては、後述の陽極化成処理に用いられるフッ化水素に対して、耐性の強いポリイミド膜、窒化膜、耐酸性レジスト等が好適である。

次いで、図２（ｂ）に示す工程では、マスクの開口部である単結晶シリコンが露出した部分を介して多孔質シリコン２０３を形成する。多孔質シリコン２０３は、例えば、電解液（化成液）中で陽極化成処理（陽極化成）を施すことによって形成する。電解液としては、例えば、フッ化水素を含む溶液、フッ化水素とエタノールを含む溶液、フッ化水素とイソプロピルアルコールを含む溶液等が好適である。本実施形態では、４９％フッ化水素酸溶液とアルコール溶液を１：１の割合で混合した溶液を用いている。

多孔質シリコン２０３の多孔度は、陽極化成時の電流密度で制御し、膜厚は陽極化成時間で制御する。多孔質シリコン２０３は、多孔度が一定の単層多孔質シリコン層でも、多孔度が異なる複数の多孔質シリコン層で構成してもよい。後述のエピシリコンを成長させるためには、表面側の多孔質シリコンの多孔度に比べて表面以外の部分の多孔度が大きいことが望ましい。多孔質シリコン２０３の厚さによりマイクロピペット及び中空構造体の高さが決まる。本実施形態では約５〜２０μｍ程度とする。

次に、図２（ｃ）に示す工程では、マスク２０２を剥離した後に単結晶シリコンをエピタキシャル成長させて第１シリコン層２０４を成膜する。この時、多孔質シリコン２０３を溶融させない条件でエピタキシャル成長させることが重要であるため、エピタキシャル成長時の基板温度は９００℃以上１０００℃以下であることが望ましい。

なお、第１シリコン層２０４は、必ずしもエピタキシャル成長した単結晶シリコンでなくてもよい。即ち、後述する熱酸化により酸化シリコンが形成できるならば、多結晶シリコンや非晶質シリコン等の非単結晶シリコンでも構わない。第１シリコン層２０４をエピタキシャル単結晶シリコンで形成することができれば、小型でばらつきが少なく、高速処理が可能な駆動回路及び制御回路を形成することが可能になる。本実施形態では膜厚２μｍの単結晶シリコンを成膜する。

次に、図２（ｄ）に示す工程では、ガスエッチングやウェットエッチングにより多孔質シリコン２０３を除去し、中空部２０５′を形成する。まず、第１シリコン層２０４の一部に多孔質シリコン２０３に連通する不図示の穿孔を形成する。この多孔質シリコン２０３に連通する穿孔を介してエッチング性のあるガスや溶液を用いて多孔質シリコン２０３を除去する。

或いは、還元性の雰囲気における熱処理によって多孔質シリコン２０３を除去し、中空部２０５′を形成することもできる。即ち、シリコン基板２０１を所定の条件下で熱処理、例えば、１１００℃、３時間の条件下において熱処理することで多孔質シリコン２０３を構成するシリコンがマイグレーションし、中空部２０５′を形成する。

この時、熱処理雰囲気は水素が望ましいが、第１シリコン層２０４を成膜する際に多孔質シリコン２０３内部に水素が取り込まれたまま封止されるため、窒素雰囲気で熱処理を行ってもマイグレーションは起こり、中空部２０５′が形成される。熱処理の場合、中空部２０５′を形成した後、第１シリコン層２０４の一部をエッチングし、中空部２０５′に連通する不図示の穿孔を形成する。

次いで、図２（ｅ）に示す工程では、ウェット熱酸化によって酸化シリコン（酸化膜）２６を形成する。即ち、不図示の穿孔を介して中空構造体２０５の壁面であるシリコンを酸化し、酸化シリコン（酸化膜）２６を形成する。この段階で、内部が中空で酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体２０５が形成される。本実施形態では酸化シリコン（酸化膜）２６の膜厚は約２μｍとする。不図示の穿孔とは図２（ｄ）の工程で形成した中空部２０５′（多孔質シリコン２０３）に連通する穿孔をいう。

次に、図２（ｆ）に示す工程では、第１シリコン層２０４と、中空構造体２０５と、シリコン基板２０１の一部分をダイシングする、或いはエッチングすることにより溝２０７を形成する。

更に、図２（ｇ）に示す工程では、シリコン基板２０１の表面及び裏面の酸化シリコンをパターニングし、シリコン表面を露出させる。次いで、シリコン基板２０１を部分的にエッチングすることにより表面及び裏面側に開口部２０９を形成し、中空構造体２０５の壁面である酸化シリコンの一部（ピペット部２０８）を露出させる。例えば、塩素系ガスを用いたガスエッチングやアルカリ等によるシリコンの異方性エッチングによってシリコン部分のみをエッチングすることができる。

最後に、ダイシングによってチップを切断し、切り離す。以上の製造工程によりマイクロピペットが作製できる。

なお、図１の回路部１０４は、例えば、図２（ｅ）と図２（ｆ）の工程の間で、酸化シリコンを部分的に除去した後に一般的なＣＭＯＳ技術を用いて形成する。また、下部電極１０７、圧電体１０５、上部電極１０８からなる圧力発生装置は、例えば、図２（ｆ）の工程の後等でシリコン基板２０１上に作り込む。

本実施形態では、製造工程においてシリコン基板のウェハボンディング等の機械的な貼り合せプロセスを用いないため、ピペット部１０２や中空構造体１０３の機械的強度が高く、長期的な信頼性や製造歩留まりを高くすることが可能になる。また、ピペット部が微小な大きさであっても接着することがないため機械的強度の問題がない。更に、製造歩留まりを上げるためにピペット部のサイズを大きくする必要がないため、ピペット内部の容積を小さくでき、微量の液体等を扱うことが容易である。

また、シリコン基板１枚で形成することができるため、低コスト化が実現できる。更に、シリコン基板２枚を貼り合せると、従来の半導体プロセス装置で処理するために基板を薄くする必要があるが、本実施形態によれば、その必要がないために製造歩留まりを低下させることがない。

更に、ガラス基板を用いずにシリコン基板中に中空構造体１０３を形成するため、シリコン集積回路技術を用いて、１μｍ以下の加工精度の集積回路を形成することが可能となる。熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、シリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路等を自由に作ることができる。そのため、小型でばらつきが少なく高速処理が可能な駆動回路及び制御回路と、ピペット部及びそれに連結される中空構造体を混載することができる。以上のように機械的強度や長期信頼性が高く、小型で低コストのマイクロピペットを実現することができる。

（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。図１と同様にシリコン基板３０１の内部に酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体３０３の一部が配置されている。また、中空構造体３０３の端部付近のシリコン基板３０１の表裏面がエッチングされ、中空構造体３０３の一部がシリコン基板３０１から露出し、ピペット部３０２が形成されている。

更に、中空構造体３０３の中央部付近のシリコン基板３０１の裏面がエッチングされ、中空構造体３０３が露出して導光部３０６が形成されている。そして、中空構造体３０３を挟んで導光部３０６と対向する位置に光電変換装置であるセンサ部３０５が配置されている。つまり、中空構造体３０３の両側の位置に導光部３０６とセンサ部３０５が対向配置されている。

センサ部３０５は導入部３０６から導入された光を中空構造体３０３を介して受光する。そのセンサ部３０５からシリコン基板３０１上に形成された回路部３０４へ信号を送ることができる。従って、回路部３０４とセンサ部３０５からなる分析ユニットがシリコン基板上に一体に構成されている。

回路部３０４は演算処理や素子選択処理ができるため、マイクロピペットとセンサ部３０５の組の複数と回路部３０４とからなる分析ユニットを一枚のシリコン基板上に形成することも可能である。

また、図１の実施形態と同様にピペット部３０２の先端部から液体や液体に含まれた粒子等を毛管力により吸引することができる。更に、図１と同様に中空構造体３０３上に圧電体１０５や上部及び下部電極等を有する圧力発生装置を配置し、その圧力発生装置を駆動することによってピペット部３０２から液体や気体或いはそれらに含まれる粒子を吸引或いは排出してもよい。

更に、不図示の光源から光を照射し、センサ部３０５で受光することで中空構造体３０３内を移動する試料の吸光度を測定することが可能である。その場合、光源は外部光源であるならば、単色光に分光されているものでもよいし、波長を自由に選択してもよい。また、吸引された液体や気体或いはそれらに含まれる粒子等の試料が、中空構造体３０３の中を移動し、導光部３０６の上に達すると、センサ部３０５で試料の吸光度を測定することができる。

ここで、図３のマイクロピペット分析装置の製造方法としては、まず、図２に示す工程でマイクロピペットを作製する。その際、図３の回路部３０４及びセンサ部３０５は、図２（ｅ）と図２（ｆ）の工程の間で、酸化シリコンを部分的に除去した後に一般的なＣＭＯＳ技術等を用いて形成する。回路部３０４とセンサ部３０５とは不図示の配線により接続されている。導光部３０６は、図２（ｇ）の工程で、開口部２０９のエッチングと同時にエッチングして形成する。

本実施形態では、熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、一枚のシリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路の他に受光素子等も自由に作ることができる。それにより、小型で低コストの試料分析が可能なマイクロピペット分析装置が得られる。また、シリコン基板１枚で形成できるため、回路部等を形成するための基板を薄くする工程が不要であり、製造歩留まりを低下させることがない。

（実施形態３）
図４（ａ）は本発明の実施形態３に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。図３の分析装置とは導光部の位置が異なり、シリコン基板４０１の内部に導光部４０６が形成され、窓４０７から導光部４０６を介して中空構造体４０３に光を導入する。

即ち、図１、図３と同様にシリコン基板４０１の内部に酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体４０３の一部が配置されている。中空構造体４０３の端部付近のシリコン基板４０１が表面及び裏面がエッチングされ、シリコン基板４０１から中空構造体４０３の一部が露出してピペット部４０２が形成されている。

また、中空構造体４０３を挟む両側の位置に光電変換装置であるセンサ部４０５と導光部４０６が対向配置されており、センサ部４０５の信号はシリコン基板４０１上の演算処理を行う回路部４０４ａに送ることができる。なお、図４（ｂ）では図４（ａ）の回路部４０４ａの一部が回路部４０４ｂとしてＡ−Ａ’断面に現れているが、この回部部の配置は特に限定されるものではない。

導光部４０６は窓４０７と繋がっており、外部の不図示の光源から窓４０７を介して導光部４０６に光を導入することができる。導光部４０６は、例えば、酸化シリコンや多孔質酸化シリコンで構成された光ファイバーとなる。光ファイバーにはイオン打ち込み装置等により部分的に不純物が添加され、従来の光ファイバーと同様に中央部と端部で屈折率に差がつけられている。

また、図１、図３と同様にピペット部４０２の先端部から液体や液体に含まれた粒子等を毛管力により吸引することができる。更に、図１と同様にシリコン基板上に不図示の圧力発生装置を配置することにより、ピペット部４０２から液体や気体或いはそれらに含まれる粒子を吸引又は排出することもできる。

更に、不図示の発光ダイオードやレーザダイオード等の光源から光を窓４０７に照射し、センサ部４０５で受光することで、中空構造体４０３内を移動する試料の吸光度を測定することが可能である。吸引された液体や気体或いはそれらに含まれる粒子等の試料が、中空構造体４０３の中を移動し、導光部４０６とセンサ部４０５の間に達するとセンサ部４０５で試料の吸光度を測定することができる。

ここで、図４の分析装置の製造方法としては、図２や図３の分析装置で説明した製造方法と同様であるが、シリコン基板の内部に導光部４０６等を形成する必要がある。図２を用いて導光部４０６の形成方法を簡単に説明する。

図２（ｄ）に示す工程で中空部２０５′を形成した後、導光部４０６を形成する領域以外の全部分を覆うマスクをフォトリソグラフィにより形成し、上記と同様に多孔質シリコンを形成する。更に、単結晶シリコン層を形成する。

次に、図２（ｅ）に示す工程のウェット熱酸化によって導光部４０６の領域に形成された多孔質シリコンも酸化され、導光部以外の領域との界面で光が反射されるため、良好な光の伝達効率が得られるようになる。多孔度の選択や複数多孔質層の組合せ等により光の伝達効率を上げることもできる。

本実施形態では、熱酸化工程の後は高温プロセスがないため、シリコン基板上に膜駆動装置や演算回路、駆動回路、受光素子の他に導光部となる光ファイバも自由に作ることができる。また、導光部となる光ファイバにより光を中空構造体４０３に導入できるため、光が入射する窓４０７の位置を自由に選択できる。即ち、図4（ｂ）に示すようにシリコン基板４０１を裏面からエッチングする必要がなく、製造プロセスが簡単になる。よって、マスク枚数の削減や製造歩留まりの向上によりより低コスト化が可能となる。

以上のように小型でより低コストで試料分析が可能なマイクロピペット分析装置が得られる。

本発明の実施形態１に係るマイクロピペットを示す断面図である。 本発明の実施形態１に係るマイクロピペットの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係るマイクロピペット分析装置を示す断面図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１、４０１ シリコン基板
１０２、３０２、４０２ ピペット部
１０３、３０３、４０３ 中空構造体
１０４、３０４、４０４ 回路部
１０５ 圧電体
１０６ ダイヤフラム
１０７ 下部電極
１０８ 上部電極
２０２ マスク
２０３ 多孔質シリコン
２０４ 第１シリコン層
２０５ 中空構造体
２０５′ 中空部
２０６ 酸化膜
２０７ 溝
２０８ ピペット部
２０９ 開口部
３０５、４０５ センサ部
３０６、４０６ 導光部
４０７ 窓

Claims (6)

1. 単結晶シリコンからなる基板と、酸化シリコンの壁面で構成された中空構造体とを有し、前記中空構造体の一部が前記単結晶シリコンからなる基板の内部に配置されていることを特徴とするマイクロピペット。
2. 前記中空構造体の上部に圧力発生装置を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロピペット。
3. 前記基板上に前記圧力発生装置を駆動する回路部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロピペット。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロピペットを含み、前記基板の前記中空構造体を挟む両側の位置に、光を導入する導光部と、前記導光部からの光を前記中空構造体を介して受光するセンサ部を具備することを特徴とするマイクロピペット分析装置。
5. シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、
   前記多孔質シリコンの上に第１シリコン層を形成する工程と、
   前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、
   前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、
   前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、
   を含むことを特徴とするマイクロピペットの製造方法。
6. シリコン基板上に部分的に多孔質シリコンを形成する工程と、
   前記多孔質シリコンの上に第１シリコン層を形成する工程と、
   前記多孔質シリコンを除去し、中空部を形成する工程と、
   前記中空部に連通する穿孔を介して前記中空部の壁面を酸化し、壁面が酸化シリコンで構成された中空構造体を形成する工程と、
   前記シリコン基板上に光を受光するセンサ部を形成する工程と、
   前記シリコン基板の一部を除去し、前記中空構造体の一部を前記シリコン基板から露出させる工程と、
   前記シリコン基板の一部を除去し、前記センサ部に前記中空構造体を介して光を導入する導光部を形成する工程と、
   を含むことを特徴とするマイクロピペット分析装置の製造方法。

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