JP2000063200A

JP2000063200A - 結晶成長方法および結晶成長用装置

Info

Publication number: JP2000063200A
Application number: JP10227879A
Authority: JP
Inventors: Akira Miki; 明三城
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-02-29
Also published as: EP1130138A4; CA2344518A1; WO2000009786A1; EP1130138A1

Abstract

(57)【要約】【課題】タンパク質等の生体高分子を結晶化させるの
に適した方法および装置を提供する。【解決手段】結晶成長用装置は、高分子化合物を含む
溶液２３の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃
度を制御できるよう価電子が制御された領域２２ａを有
する固体素子２２と、領域２２ａの近傍に設けられる発
熱素子２４とを含む。価電子が制御された領域２２ａ
は、シリコン半導体基板上に形成された不純物領域であ
る。発熱素子２４は、Ｃｒの電熱線を有する。結晶成長
方法において、溶液２３は、発熱素子２４によって加熱
される。領域２２ａの表面にもたらされる電気的状態の
下、加熱された溶液２３から、高分子化合物の結晶が生
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学物質の結晶を
成長させるための方法および装置に関し、特に、不純物
が添加された半導体等からなる価電子が制御された領域
を有する固体素子を用いて有機化合物等の結晶を成長さ
せる方法および装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】タンパク質等の生体高分子の結晶化は、
通常の無機塩等の低分子量化合物の場合と同様、高分子
を含む水または非水溶液から溶媒を奪う処理を施すこと
により、過飽和状態にして、結晶を成長させるのが基本
となっている。このための代表的な方法として、バッチ
法、透析法および気液相間拡散法があり、これらは、試
料の種類、量、性質等によって使い分けられている。

【０００３】本発明者は、これらの方法に代わる新たな
方法として、またはこれらの方法と組合せてより効率的
に結晶を成長させるための方法として、価電子が制御さ
れた半導体基板等を用いて結晶化を行なう方法および装
置を開発してきた（国際公開公報ＷＯ９６／２６７８
１、ＷＯ９７／４９８４５およびＷＯ９８／０２６０１
参照）。この方法では、図１（ａ）に示すように、価電
子制御により、所定の電気的状態とされる固体素子１の
表面に、結晶核２が静電的な作用によって固定される。
そして、図１（ｂ）に示すように、タンパク質等の化合
物は、静電的な相互作用により、固体素子表面に凝集
し、結晶核の生成が促進され、結晶の成長がもたらされ
る。したがって、固体素子表面の電気的特性を制御する
ことにより、結晶化の制御が可能となる。たとえば、固
体素子表面に固定される結晶核の種類、量、配列密度等
を価電子制御により調整することでき、それによって結
晶化の制御が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】概して、タンパク質等
の生体高分子は非常に大きな分子量を有し、溶液中での
自己拡散係数が小さいため、結晶核形成に必要な分子同
士の集合または会合が起こりにくい。このことは、タン
パク質等の生体高分子の結晶化が困難である１つの要因
となっている。

【０００５】本発明の１つの目的は、結晶化の制御のた
め価電子が制御された領域を有する固体素子を用いる方
法および装置を改良し、結晶化をより容易にまたはより
速やかに行なうことのできる方法および装置を提供する
ことである。

【０００６】本発明のさらなる目的は、国際出願公報Ｗ
Ｏ９６／２６７８１、ＷＯ９７／４９８４５およびＷＯ
９８／０２６０１に開示される方法および装置を改良
し、結晶化をより容易にまたはより速やかに行なうこと
のできる方法および装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明により、溶液中に
含まれる高分子化合物の結晶を成長させる方法が提供さ
れ、この方法は、高分子化合物を含む溶液の環境に応じ
て表面部分の正孔または電子の濃度を制御できるよう価
電子が制御された領域を有する固体素子を与える工程
と、固体素子の価電子が制御された領域またはその近傍
に、発熱素子を設ける工程と、価電子が制御された領域
上に高分子化合物を含む溶液を保持する工程と、保持さ
れた溶液を発熱素子によって加熱する工程とを備える。
この方法では、制御された価電子により固体素子の表面
にもたらされる電気的状態の下、加熱された溶液から、
高分子化合物の結晶を生成させる。

【０００８】本発明による方法において、発熱素子の加
熱温度を測定する工程をさらに備えることができる。価
電子が制御された領域は、不純物が添加された半導体か
らなることができる。

【０００９】本発明により、結晶成長用装置が提供さ
れ、この装置は、高分子化合物を含む溶液の環境に応じ
て表面部分の正孔または電子の濃度を制御できるよう価
電子が制御された領域を有する固体素子と、固体素子と
は別個に調製され、固体素子に取り付けられた発熱素子
とを備える。発熱素子は、固体素子とは別個に調製され
た基材と、基材上に設けられた電熱材料とを備える。

【００１０】本発明による装置において、発熱素子は、
電熱材料による発熱温度を測定するため基材上に設けら
れた抵抗材料を備えることができる。電熱材料は、薄膜
の形状とすることができる。抵抗材料も薄膜の形状とす
ることができる。価電子が制御された領域は、不純物が
添加された半導体からなることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による装置は、たとえば図
２に示すような構造を有することができる。結晶成長用
装置２０は、固体素子２２、および固体素子２２とは別
個に調製され固体素子２２上に設けられた発熱素子２４
を含む。固体素子２２は、価電子が制御された領域（た
とえばシリコン等の半導体に形成された不純物領域）２
２ａを有する。また、固体素子２２には、必要に応じて
結晶化を制御するための溝、孔、アイランド、突起等が
形成される。発熱素子２４は、結晶化において保持され
る溶液２３を加熱するため、固体素子２２上の適当な部
分に設けられる。装置２０では、発熱素子２４は、溶液
２３を保持する領域に対向する素子２２の裏側部分に設
けられる。発熱素子２４は、結晶化のため溶液２３を加
熱する。

【００１２】図３に示すように、発熱素子による加熱に
よって、溶液の温度は上昇し、溶液の底と表面との間に
温度差ΔＴが生じる。また、溶媒分子が溶液の表面から
蒸発し、溶液の表面において溶質の濃度（密度）が高く
なる。こうして、溶液の表面にある分子が下に移動し、
底にある分子が上に移動し、溶液中に液体の運動（対
流）が起こる。加熱エネルギによって、結晶化すべき分
子の移動（マイグレーション）は促進される。このよう
に分子の移動速度が大きくなれば、遠くに存在している
分子も、結晶化のための領域に集合し、結晶核の形成に
寄与することができる。また、溶液中における分子同士
の衝突が起こりやすくなり、結晶核の形成が促進され
る。さらに、加熱により溶媒分子を蒸発させ、結晶化す
べき分子を過飽和状態にすることができる。過飽和溶液
中において、結晶の成長は効率よく進む。

【００１３】図４（ａ）は、結晶化時の自由エネルギ変
化を模式的に示している。グラフにおいて、縦軸は自由
エネルギを表わし、横軸は結晶核のサイズを表わす。曲
線Ａは、結晶化において溶液を静置した場合、曲線Ｂ
は、本発明に従い結晶化において発熱素子による加熱を
行なった場合、曲線Ｃは、結晶の成長が起こらない場合
（非晶質体あるいは単なる分子凝集体が形成される場
合）を示す。通常、結晶核の生成のため最も大きなエネ
ルギが必要である。一旦結晶核ができれば、その後の結
晶成長は、より小さなエネルギで進む。曲線ＡからＢへ
の矢印で示すように、本発明によれば、熱エネルギによ
り分子のマイグレーションを促進させ、核形成時のエネ
ルギ障壁を下げることができる。すなわち、核形成のた
めの活性化エネルギを小さくすることができる。図４
（ｂ）の示すように、互いに離れた状態にあるいくつか
の分子が集合し、規則的に配列されれば結晶核ができ
る。このような過程に必要なエネルギが活性化エネルギ
である。

【００１４】加熱により過飽和溶液を得る方法は、Ｎａ
Ｃｌ、硫酸アンモニウムなどの沈澱剤を用いる方法より
も確実である。沈澱剤は、タンパク質を非晶質の凝集体
にすることがあり、また、過飽和溶液を得るまでに長い
時間を要することがある。

【００１５】本発明において、加熱温度は、３０℃〜８
０℃好ましくは３０℃〜５０℃の範囲とすることができ
る。タンパク質等の生体高分子は、高温において変性す
ることがあるため、オーバヒートを回避することが望ま
しい。加熱温度の管理は、後述するような温度測定手段
によって行なうことができる。本発明による結晶成長プ
ロセスにおいて、結晶化の開始から結晶核が形成される
まで加熱を行ない、結晶核ができた段階で加熱を止める
ことができる。また、発熱素子により、タンパク質等の
分子が変性しない範囲の温度Ａまで溶液を加熱し、水等
の溶媒を蒸発させた後、加熱温度Ａを温度Ｂまで下げ、
温度Ｂにおいて過飽和溶液を作ることができる。温度Ｂ
は、たとえば３０℃〜８０℃好ましくは３０℃〜５０℃
の範囲とすることができる。加熱を止めるタイミング
は、たとえば時間によって管理することができる。すな
わち、結晶化の開始から所定の時間加熱を行ない、所定
の時間が過ぎれば加熱を止めることができる。そのよう
な時間は、予めテストサンプルにおいて測定された結晶
核ができる時間とすることができる。そのようなテスト
において、加熱を行ないながら結晶化の過程を顕微鏡で
観察すれば、結晶核ができるまでの時間を測定すること
ができる。測定された時間は、加熱プログラムの制御に
用いることができる。

【００１６】本発明では、結晶化の制御のため価電子が
制御された領域を有する固体素子が用いられる。そのよ
うな固体素子は、ＷＯ９６／２６７８１、ＷＯ９７／４
９８４５およびＷＯ９８／０２６０１に開示される。価
電子が制御された領域は、たとえば、所定の濃度で不純
物が添加された半導体からなる。半導体には、Ｇｅ、Ｓ
ｉ等の単体のもの、Ｇａ−Ａｓ、ＣｄＳ等の化合物のも
のが含まれる。また本発明では、価電子制御が可能なも
のであれば、その他の材料を用いることもでき、たとえ
ば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等の強
誘電体、ならびに価電子制御が可能なその他の無機材料
および有機材料を用いることができる。

【００１７】価電子制御された半導体材料は、ｐｎ接合
部を有することができる。また、価電子制御された材料
において空間電荷層を形成し、空間電荷層に基づく表面
電位によって、結晶化を制御することができる。この表
面電位を固体素子の表面の部位によって異ならしめ、そ
れにより、表面の特定の領域で所望の結晶化を行なうこ
とができる。固体素子の表面電位または表面の電気的状
態は、固体素子中にドーピングされる不純物の濃度によ
って制御することができる。また、固体素子の表面部分
において、第１の所定領域から第２の所定領域まで、不
純物の濃度を連続的または段階的に減少または増加させ
ることができる。さらに、固体素子の表面部分におい
て、不純物濃度は、特定の領域において極大もしくは最
大または極小もしくは最小とすることができる。

【００１８】本発明において、固体素子は、複数の溝ま
たは孔を有してもよい。複数の溝または孔の深さおよび
／または開口部の幅は、異なるものとすることができ
る。この固体素子において、溝または孔の内と外とにお
いて異なる態様で価電子を制御することができる。たと
えば、半導体基板を用いた固体素子において、添加され
た不純物の種類および／または濃度を、半導体基板に形
成された溝または孔の内と外とで異ならしめることがで
きる。また、固体素子上には、形成された複数の溝また
は孔を取囲むように撥水層を設けることができる。

【００１９】本発明において、固体素子は、２つの対向
する主要面を有し、さらにこの２つの主要面の一方の面
側に形成された深さおよび／または開口部の幅が異なる
２つ以上の溝または孔と、この２つの主要面の他方の面
側から上記溝または孔に高分子化合物を含む溶液を供給
するための貫通孔とを有することができる。この固体素
子において、溝または孔の外よりも内で高分子化合物の
結晶化が促進されるよう価電子が制御される。このよう
な固体素子のため、不純物添加された半導体基板を用い
ることができる。半導体基板には、複数のサイズの異な
る溝または孔が形成されており、不純物の種類および／
または濃度は、溝または孔の内と外とで異なっている。

【００２０】また、深さおよび／または開口部の幅が異
なる２つ以上の溝または孔を有する複数の固体素子と、
複数の固体素子を向かい合わせにし、所定の隙間をあけ
て保持するための手段とを備える、結晶成長用装置を本
発明に用いてもよい。この装置では、向かい合わせにさ
れた固体素子の間に、結晶化すべき分子を含む溶液が保
持される。

【００２１】本発明において、結晶成長のために必要な
溶液を保持するための複数の溶液貯留部と、複数の溶液
貯留部の間に設けられた流路とを有する装置を用いるこ
とができる。このような溶液貯留部および流路は、価電
子が制御された領域を有する基板上に設けることができ
る。複数の溶液貯留部の少なくとも１つにおいて、価電
子が制御された領域が設けられており、この領域におい
て結晶化を行なうことができる。たとえば、結晶成長用
装置は、２種類以上の溶液をそれぞれ保持するための複
数の第１溶液貯留部と、結晶を成長させるため高分子化
合物を含む溶液を滞留させる複数の第２溶液貯留部と、
複数の第１溶液貯留部と複数の第２溶液貯留部とを連結
し、溶液の流通を可能にする複数の流路とを有すること
ができる。少なくとも第２溶液貯留部において、結晶化
の制御のため、価電子が制御されている。特に、第２溶
液貯留部の特定の領域で結晶核の形成および結晶の成長
が促進され、かつその他の領域で結晶核の形成が抑制さ
れるよう、価電子が制御されていることが好ましい。こ
のような場合、第２溶液貯留部の特定の領域において選
択的に結晶を成長させることができる。価電子が制御さ
れた領域は、たとえば不純物が添加された半導体からな
る。また、第２溶液貯留部には、溝または孔を形成して
もよい。

【００２２】他の態様において、本発明に用いる結晶成
長用装置は、２種類以上の溶液をそれぞれ保持するため
の複数の第１溶液貯留部と、複数の第１溶液貯留部から
それぞれ溶液を排出させて１方向に流すための複数の第
１流路と、複数の第１流路によりそれぞれ送られる２種
類以上の溶液を同時に受入れる第２溶液貯留部と、第２
溶液貯留部から溶液を排出させて１方向に流すための第
２流路と、第２流路により送られる溶液を受入れる第３
溶液貯留部とを備えることができる。少なくとも第２溶
液貯留部において、結晶化のため価電子が制御されてい
る。第１流路および／または第２流路は、基板上に形成
された溝とすることができる。これらの溶液貯留部も、
基板上に形成することができる。溝は、溶液を１方向に
流すために階段形状であるかまたは勾配を有するものと
することができる。第１流路および第２流路は、基板上
に形成された幅および深さの異なる複数の溝から構成す
ることもできる。溝の幅は、上流から下流にいくに従っ
て広げることができ、溝の深さは上流から下流にいくに
従って深くなっていることが好ましい。この装置におい
て、価電子が制御された領域は、不純物が添加された半
導体からなることができる。この装置においても、第２
溶液貯留部の特定の領域で結晶核の形成および結晶の成
長が促進され、その他の領域で結晶核の形成が抑制され
るよう、価電子を制御することができる。

【００２３】他の態様において、本発明に用いる結晶成
長用装置は、対応する１対の主表面を有し、かつ価電子
が制御された領域を有する基板を備え、そこにおいてこ
の基板は、１対の主表面の一方に設けられた、結晶成長
のために用いられる溶液を保持するための第１溶液貯留
部と、１対の主表面の一方に設けられた、第１溶液貯留
部から溶液を排出させて所定の方向に流すための流路
と、１対の主表面の一方に設けられた、該流路より送ら
れる溶液を受入れるための第２溶液貯留部と、第２貯留
部にある溶液を１対の主表面の他方に導くための貫通孔
と、貫通孔を介して送られる溶液を１対の主表面の他方
において受入れるための第３溶液貯留部とを備える。こ
の基板の少なくとも第２溶液貯留部および／または第３
溶液貯留部において、結晶化のため価電子が制御されて
いる。この装置において、流路は、幅および／または深
さの異なる複数の溝から構成することができる。第２溶
液貯留部から第３溶液貯留部に溶液を送る貫通孔の径
は、結晶成長条件に応じて変えることができる。第２溶
液貯留部に溝または孔を形成してもよい。第２溶液貯留
部および／または第３溶液貯留部の特定の領域で結晶核
の形成および結晶の成長が促進され、他の領域で結晶核
の形成が抑制されるよう、価電子を制御することができ
る。価電子が制御された領域は、たとえば不純物が添加
された半導体からなる。価電子の制御は、不純物の濃度
および／または種類の制御により行なうことができる。

【００２４】本発明において、ｎ型およびｐ型のシリコ
ン結晶が固体素子のための材料として好ましく用いられ
る。シリコン結晶は、通常のＬＳＩプロセスに用いられ
るシリコンと同等の特性を有するものでよい。シリコン
結晶の比抵抗は、０．０００１〜１０００Ωｃｍ程度の
範囲内であればよく、より好ましくは０．００１〜１０
０Ωｃｍの範囲のものを用いることができる。ｎ型およ
びｐ型に価電子制御されたシリコンは、種々の方法によ
って得ることができる。最も簡便で不純物濃度の制御が
正確に行なえる方法の１つは、イオン注入法である。ｐ
型およびｎ型の価電子制御は、それぞれ周期律表第ＩＩ
Ｉ族および第Ｖ族に属する元素のイオンをシリコンに注
入、アニールすることによって容易に行なうことができ
る。ｐ型にするためのＩＩＩ族元素には、Ｂ、Ａｌ、Ｇ
ａ、Ｉｎ、Ｔｌ等が含まれる。特にＢが一般的である。
ｎ型にするための第Ｖ族元素として、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓ
ｂ、Ｂｉが含まれる。特に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂが一般的で
ある。シリコン結晶の表面は、ミラーポリッシュされて
いることが好ましい。シリコン基板の表面に不純物層を
生成する際、その厚みは０．１〜２００μｍが好まし
く、１〜５０μｍの範囲がより好ましい。シリコン以外
の半導体結晶も、本発明に好ましく用いることができ
る。さらには、半導体結晶以外の材料、たとえば電荷分
布の制御された無機化合物、有機化合物、高分子化合物
およびそれらの複合物を候補として挙げることができ
る。基板表面に形成される溝または孔の開口部のサイズ
および溝または孔の深さは、結晶化すべき分子の種類に
応じて、好ましい範囲を設定することができる。一般的
に溝または孔の開口部の幅は０．０１〜１００μｍとす
ることができ、溝の長さは１〜１０ｍｍとすることがで
きる。複数の溝または孔は、１μｍ〜１ｍｍの範囲の間
隔で作製することができる。溝または孔の深さは、０．
０１〜２００μｍとすることができる。溶液貯留部およ
び流路を取囲むように形成される撥水層の厚みは、０．
１〜１００μｍとすることができる。撥水層は、溶液の
保持に寄与する。撥水層は、ポリイミドなどの撥水性の
樹脂によって形成することができる。

【００２５】結晶化のため価電子が制御された領域、
溝、孔、アイランド、溶液貯留部、溶液のための流路お
よび必要に応じて設けられるその他の構造は、ＷＯ９６
／２６７８１、ＷＯ９７／４９８４５およびＷＯ９８／
０２６０１の開示に従って得ることができる。本発明に
用いられる固体素子の構造およびその製造方法について
は、ＷＯＯ９６／２６７８１、ＷＯ９７／４９８４５お
よびＷＯ９８／０２６０１をここに引用により援用す
る。

【００２６】図５は、本発明に用いる発熱素子の一具体
例を示している。発熱素子５４は、外部電源に接続する
ためのパッド５５ａおよび５５ｂと、これらのパッドを
接続する電熱線５７とを有する。電熱線５７は、パッド
５５ａと５５ｂの間にコンパクトに折り畳まれている。
パッド５５ａおよび５５ｂは、アルミニウム、銅などの
良導体からなり、電熱線５７は、Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金などの電熱材料からなる。
パッド５５ａおよび５５ｂを介して電熱線５７に電流を
流し、電熱線５７を発熱させる。電熱線５７の長さ、幅
等を変えることにより、単位時間あたりの発熱量が異な
る素子を得ることができる。

【００２７】本発明の好ましい態様に従って、電熱材料
は基材上に設けられる。図６は、好ましい発熱素子の一
具体例を示す。発熱素子６４において、基材６１上に
は、パッド６５ａおよび６５ｂが形成される。パッド６
５ａと６５ｂとの間には、コンパクトに折り畳まれた電
熱線６７が設けられる。パッド６５ａおよび６５ｂなら
びに電熱線６７は、基材６１上に形成された薄膜であ
る。基材６１には、シリコン基板やガラス基板等を用い
ることができる。パッド６５ａおよび６５ｂは、アルミ
ニウム、銅等の良導体からなる薄膜であり、電熱線６７
は、Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金
等の電熱材料からなる薄膜である。電熱線６７の隣に
は、温度測定用の抵抗線６８が設けられる。抵抗線６８
の両端には、パッド６５ｃおよび６５ｄが設けられる。
パッド６５ｃおよび６５ｄは、アルミニウム、銅などの
良導体からなる薄膜であり、抵抗線６８は、Ｃｒ、銅マ
ンガン合金、銅ニッケル合金などの抵抗材料からなる薄
膜である。厳密な温度管理が必要な場合、図６に示すよ
うに電熱線の隣に温度測定用の抵抗線を設けることが好
ましい。たとえば、電熱線６７の厚みは、０．１μｍ〜
１．０μｍであり、パッド６５ａ〜６５ｄの厚みは、
０．５μｍ〜２．０μｍである。電熱線６７の幅は、た
とえば５０μｍ〜１００μｍである。一方、発熱素子の
温度を正確に測定するため、抵抗線６８の熱容量はでき
るだけ小さくすることが望ましい。したがって、抵抗線
６８のサイズは、必要な範囲でできるだけ小さくするこ
とが望ましい。たとえば抵抗線６８の幅は、１０μｍ以
下が好ましく、たとえば１〜１０μｍである。抵抗線６
８の厚みは、０．３μｍ以下が好ましく、たとえば０．
１〜０．３μｍである。

【００２８】図７に示すように、電熱線６７はパッド６
５ａおよび６５ｂを介して発熱のために外部電源に接続
され、抵抗線６８はパッド６５ｃおよび６５ｄを介して
抵抗計に接続される。抵抗線６８の抵抗率と温度との間
には相関関係がある。たとえば、室温およびそれに近い
温度において、抵抗線６８の抵抗率は温度に比例する。
したがって、抵抗線６８の抵抗率を測定することによっ
て、発熱素子６４の温度を求めることができる。温度測
定の結果は、電熱線６７に流される電流値の制御に用い
られる。すなわち、温度が必要以上に高ければ、電熱線
６７に流される電流が低減され、温度が下げられる。測
定温度が低い場合、電熱線６７における電流が増大され
る。このようにして、発熱素子の加熱温度が管理され
る。

【００２９】本発明において、発熱素子は、固体素子に
おいて必要な任意の位置に必要な数だけ配置できる。固
体素子が、結晶化のための領域を複数有する場合、対応
する数の発熱素子を固体素子に設けることができる。ま
た、発熱素子は、固体素子上に保持される溶液を効果的
に加熱することができしかも溶液に接触することのない
適当な位置に設けることができる。さらに、大量生産さ
れた発熱素子を、固体素子の必要な位置に必要な数だけ
装着できる。配置の自由度という観点において、個別に
調製された発熱素子を固体素子に装着する方が、発熱部
分を固体素子自体にモノリシックに作るよりも顕著に有
利である。

【００３０】１つの固体素子に複数の発熱素子を設ける
場合、発熱素子を直列接続し、１つの電源からそれらの
発熱素子に電力を供給できる。図８は、そのような場合
を示している。固体素子８０上には、２つの発熱素子６
４および６４′が設けられる。また固体素子８０上に
は、パッド８５ａ、８５ｂ、８５ｃおよび８５ｄが形成
される。発熱素子６４のパッド６５ａおよび６５ｂは、
それぞれワイヤボンディング８３ａおよび８３ｂを介し
て固体素子８０のパッド８５ａおよび８５ｂに接続され
る。同様に発熱素子６４′のパッド６５′ａおよび６
５′ｂは、ワイヤボンディング８３ｅおよび８３ｄによ
って固体素子のパッド８５ｄおよび８５ｃに接続され
る。パッド８５ｂと８５ｃとの間もワイヤボンディング
８３ｃによって接続される。パッド８５ａおよび８５ｄ
に外部電源が接続され、電熱線６７および６７′に同時
に電力が供給される。抵抗線６８は、パッド６５ｃおよ
び６５ｄを介して抵抗計に接続され、抵抗線６８′は、
パッド６５′ｃおよび６５′ｄを介して別の抵抗計に接
続される。発熱素子６４および６４′の温度は、それぞ
れ独立して測定することができる。

【００３１】電熱線の長さ、幅、厚さなどが異なる複数
の発熱素子を設けた場合、発熱素子ごとに異なった温度
条件を作ることができる。この場合、異なる温度条件下
で、結晶化プロセスを進めることができる。この場合、
各発熱素子の温度は、独立に測定することが好ましい。
一方、同じ発熱素子を複数配置する場合、すべての発熱
素子について温度を測定してもよいし、いずれか１つの
発熱素子について温度を測定してもよい。複数の発熱素
子間で条件がほぼ同じである場合、それらの温度はほぼ
同じになる。

【００３２】図９（ａ）および（ｂ）は、結晶化を行な
う複数の反応セルを有し、それに対応して複数の発熱素
子を有する結晶成長用装置を示す。装置において、固体
素子９０は、２つの溶液セル、３つの反応セルおよび３
つの排液用セルを有する。反応セルの１つ１０１ａは、
流路１０２ａを介して溶液セル１００ａに繋がる。また
反応セル１０１ａは、流路１０２ｂを介して溶液セル１
００ｂに繋がる。さらに反応セル１０１ａは、流路１０
３ａを介して排液用セル１０４ａに繋がる。他の反応セ
ルも、同様に流路を介して溶液セル１００ａおよび１０
０ｂ、ならびに排液用セルに繋がる。これらのセルおよ
び流路は、シリコン基板上に形成される。流路は、溶液
セルから反応セル、反応セルから排液用セルに溶液を流
すように形成される。各溶液セルは、所定のサイズの領
域の周囲に、Ｖ溝をエッチングによって形成し、この領
域を他の領域から仕切ることにより得られる。反応セル
を得るため、所定のサイズの領域の周囲にＶ溝がエッチ
ングにより形成され、さらに所定のサイズの領域が所定
の深さで異方性エッチングされる。排液用セルを得るた
め、所定のサイズの領域が異方性エッチングされる。固
体素子９０において、約３０Ω・ｃｍの比抵抗のｎ型シ
リコン基板の表面に、リン元素のイオン注入およびアニ
ールにより低抵抗のｐ型シリコン層（比抵抗：約０．０
１Ω・ｃｍ、厚み：約５μｍ）が形成されている。さら
に、その表面に熱酸化によって酸化シリコン層が２００
ｎｍの厚みで形成されている。各反応セルにおいては、
エッチングによって、所定の幅を有する薄いｐ型層の領
域が露出されている。流路は、基板に溝を形成すること
によって得られる。図９（ａ）は、点線によって各セル
および流路の配置を示し、図９（ｂ）は、各セルおよび
流路が形成されている基板表面の形状を示している。ｐ
型シリコン層が露出されている反応セルにおいて結晶化
が行なわれる。

【００３３】固体素子９０の表側に各セルおよび流路が
形成される一方、裏側には発熱素子およびそれに電力を
供給するための配線層およびパッド、ならびに温度測定
用の抵抗線に抵抗計を繋ぐためのパッドおよび配線層が
設けられている。図９（ａ）は、実線により、発熱素
子、パッドおよび配線層の配置を示す。固体素子９０の
裏側において、各反応セルに対応する位置に発熱素子６
４ａ、６４ｂおび６４ｃが取付けられている。また、固
体素子９０の裏側には、配線層９６ａ〜９６ｈ、ならび
にパッド９５ａ〜９５ｋ、９５ｍ、９５ｎ、９５ｐ〜９
５ｖが形成される。これらの配線層およびパッドは、適
当なリソグラフィおよびアルミニウム、銅などの金属の
蒸着によって、形成される。パッドと発熱素子との間、
およびパッドとパッドとの間はワイヤボンディング９３
によって接続される。パッド９５ｅ〜９５ｇ、９５ｍ、
９５ｎ、９５ｐ〜９５ｒ、配線層９６ｃ、９６ｆおよび
ワイヤボンディングによって、３つの発熱素子６４ａ〜
６４ｃは直列接続される。パッド９５ｇと９５ｒに外部
電源を接続すれば、３つの発熱素子に同時に電力を供給
できる。また各発熱素子の温度測定用抵抗線のためのパ
ッドは、ワイヤボンディング９３により固体素子９０上
のパッドに接続される。各発熱素子に設けられた温度測
定用の抵抗線は、固体素子９０のパッド９５ａ〜９５
ｄ、９５ｈ〜９５ｋ、９５ｓ〜９５ｖ、配線層９６ａ、
９６ｂ、９６ｄ、９６ｅ、９６ｇ、９６ｈ、ワイヤボン
ディングおよびスイッチ１０５ａ、１０５ｂを介して抵
抗計に接続される。スイッチ１０５ａおよび１０５ｂを
切換えることによって、１つの抵抗計で各発熱素子の温
度を測定することができる。

【００３４】図９（ａ）および（ｂ）に示す装置に設け
られる３つの発熱素子６４ａ、６４ｂおよび６４ｃは、
図１０に示すような構造を有する。発熱素子間で電熱線
の長さは異なっている。発熱素子６４ａの電熱線が最も
長く、発熱素子６４ｃの電熱線が最も短い、したがっ
て、単位時間あたりの発熱量は発熱素子６４ａが最も大
きく、発熱素子６４ｃが最も小さい。これらの発熱素子
は、異なる加熱条件を反応セルに与える。発熱能力の異
なる複数の発熱素子を固体素子上に配列し、それらを直
列接続すれば、１つの電源で異なる加熱条件をもたらす
ことができる。

【００３５】発熱素子は、たとえば図１１に示すような
プロセスによって得られる。図１１（ａ）に示すよう
に、所定の厚みおよびサイズの基板１１０を準備する。
シリコン基板は、加工性の点において好ましい材料であ
る。図１１（ｂ）に示すように、必要に応じて基板１１
０上に電気絶縁層１１１を形成する。シリコン基板を用
いる場合、酸化シリコン膜を電気絶縁層１１１に用い
る。基板１１０上にレジスト材料を塗布した後、フォト
リソグラフィによってレジストパターン１１２を得る。
レジストパターン１１２は、電熱線に対応するパターン
および必要に応じて抵抗線に対応するパターンを有す
る。基板１１０上に電熱材料および必要に応じて抵抗材
料を堆積した後、レジストパターンを除去すれば、図１
１（ｄ）に示すような電熱層１１７および必要に応じて
抵抗層（図示せず）が得られる。電熱材料および抵抗材
料は、たとえばスパッタリングなどの物理蒸着によって
基板１１０上に堆積される。次に、レジスト材料を基板
上に厚く塗布した後、フォトリソグラフィにより図１１
（ｅ）に示すようなレジストパターン１１２′を得る。
レジストパターン１１２′は、電熱層のためのパッドお
よび必要に応じて抵抗線のためのパッドに対応する形状
を有する。基板１１０上に導電率の高い金属を堆積し、
レジストパターンを除去すれば、パッド１１８が得られ
る。得られた発熱素子は、固体素子に載置されるか、接
着剤によって固体素子に付着される。好ましくは、熱伝
導性にすぐれた銀ペースト等の導電性ペーストを用いて
固体素子に接着する。

【００３６】本発明は、種々の高分子化合物、特に高分
子電解質を結晶化するために用いることができる。本発
明は特に、酵素および膜タンパク質等のタンパク質、ポ
リペプチド、ペプチド、ポリサッカライド、核酸、なら
びにこれらの複合体および誘導体等を結晶化させるため
好ましく適用される。本発明は、生体高分子の結晶化の
ため好ましく適用される。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、発熱素子による加熱に
よって、結晶核の生成を促進し、結晶成長を加速するこ
とができる。本発明によれば、大型の結晶を得ることが
困難なタンパク質などの生体高分子について、Ｘ線構造
解析を可能にし得る大型の結晶を得ることができる。本
発明は、製薬産業や食品産業等において、有用な物質、
特にタンパク質、核酸等の生体高分子の研究、開発およ
び製造に適用される。また、本発明は、関心のある分子
の精製または結晶化に適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は、価電子が制御された固
体素子の表面に結晶核が固定化され、結晶成長が進んで
いく様子を示す模式図である。

【図２】本発明による結晶成長用装置を模式的に示す断
面図である。

【図３】発熱素子による加熱によって、固体素子上に保
持される溶液において対流が生じかつ溶媒分子の蒸発が
起こる様子を示す模式図である。

【図４】（ａ）は、結晶核の形成および結晶成長におい
て自由エネルギと結晶核サイズとの関係を示す図であ
り、（ｂ）は、分子が集合して結晶核が形成される様子
を示す模式図である。

【図５】本発明に用いられる発熱素子を示す平面図であ
る。

【図６】基板上に薄膜を形成した発熱素子を示す斜視図
である。

【図７】図６に示す発熱素子に外部電源および抵抗計を
それぞれ接続する様子を示す模式図である。

【図８】固体素子上で直列接続された２つの発熱素子を
示す模式図である。

【図９】（ａ）は、本発明により複数の発熱素子を有す
る結晶成長装置を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）
に示す装置のＸ−Ｘ断面図である。

【図１０】図９に示す結晶成長用装置に用いられる３種
類の発熱素子を示す平面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明に用いられる発熱
素子の製造プロセスを模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

２０結晶成長用装置２２固体素子２２ａ価電子制御領域２３溶液２４、５４、６４、６４′、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ
発熱素子５５ａ、５５ｂ、６５ａ〜６５ｄ、６５′ａ〜６５′ｄ
パッド５７、６７、６７′ 電熱線６８、６８′ 温度測定用抵抗線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を
成長させる方法であって、前記高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の
正孔または電子の濃度を制御できるよう価電子が制御さ
れた領域を有する固体素子を与える工程と、前記固体素子の前記価電子が制御された領域またはその
近傍に、発熱素子を設ける工程と、前記価電子が制御された領域上に前記高分子化合物を含
む溶液を保持する工程と、前記保持された溶液を、前記発熱素子によって加熱する
工程とを備え、前記制御された価電子により前記固体素子の表面にもた
らされる電気的状態の下、前記加熱された溶液から、前
記高分子化合物の結晶を生成させることを特徴とする、
結晶成長方法。
【請求項２】前記発熱素子の加熱温度を測定する工程
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記価電子が制御された領域は、不純物
が添加された半導体からなることを特徴とする、請求項
１または２に記載の方法。
【請求項４】溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を
成長させるための装置であって、前記高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の
正孔または電子の濃度を制御できるよう価電子が制御さ
れた領域を有する固体素子と、前記固体素子とは別個に調製され、前記固体素子に取り
付けられた発熱素子とを備え、前記発熱素子は、前記固体素子とは別個に調製された基材と、前記基材上に設けられた電熱材料とを備えることを特徴
とする、結晶成長用装置。
【請求項５】前記発熱素子が、前記電熱材料による発
熱温度を測定するため前記基材上に設けられた抵抗材料
を備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】前記電熱材料が、薄膜の形状であること
を特徴とする、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】前記抵抗材料が、薄膜の形状であること
を特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】前記価電子が制御された領域は、不純物
が添加された半導体からなることを特徴とする、請求項
４〜７のいずれか１項に記載の装置。