JP2002521222A - ダクトを有するシリコンの微細加工突起 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の材料の表面に、第１の材料に隣接する基部と、離間又は先端部分と、少なくとも先端部分の領域のダクト（１８２）とを有する微細突起（１８０）を設ける方法であって、第１の材料を微細加工して微細突起ダクトを設ける方法。マイクロ分析システムからの光ガイド及びキュベット、流体の経皮投与のためのマイクロニードル、等を含む、微細突起の種々の用途を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、新規な微細加工構造及びこの構造を提供するための方法に関する
。

【０００２】 ミクロン・オーダーの寸法を有する構造体を提供するためのシリコン（及び他
の物質）の微細加工が知られている。この技術は、バルク材料から製造される構
造体を提供するために使用され、集積回路を製造するために使用される技術と、
幾つかの特徴を共通にしている。例えば、ＷＯ９６／１０６３０には、３０ミク
ロンから８０ミクロンのベース寸法を有する四面体構造体又はバーブを提供する
ことが開示されている。

【０００３】 米国特許第5,591,139号には、基板の表面に平行なマイクロニードルを製造す
ることが開示されており、そこでは、ニードルの壁が低圧化学気相成長法で成長
されたＳｉＯ２で作成される。このようなニードルを作るためには、多数の工程
が要求される。

【０００４】 米国特許第５，２６２，１２８号は、ダクトが貫通する微細突起を開示してい
る。微細突起はLigaプロセスで製造してもよいことが主張されている。当業者で
あれば、このプロセスがシリコンの微細構造の製造のための技術ではなく、金属
や高分子材料を処理するために使用されることを理解できるであろう。更に、Li
gaプロセスによって製造される構造体は、いずれも、それらを構成する基板の表
面に実質的に垂直な縁を有する筈である。この文献の他の部分から、Ligaプロセ
スが、ここに開示する微細突起を作るのに適していないことが明らかになるであ
ろう。

【０００５】 更に、米国特許第５，２６２，１２８号は、これに開示の構造体が、集積回路
の分野で周知の技術によって製造されたことを述べている。米国特許第５，２６
２，１２８号の出願時である１９８９年には、これに開示の構造体を製造したシ
リコン処理技術は公知であった。また、米国特許第５，２６２，１２８号の発行
時である１９９３年には、このような技術が公知であった。アスペクト比の高い
ダクトを製造する技術は、最近になってようやく公知になった。米国特許第５，
２６２，１２８号には、これに開示の構造体をどのようにして作るかについて述
べていないので、実施可能な程度に教示していない。

【０００６】 Georgia Techによるものとされている１９９８年６月２２日付の問題のインタ
ーネットの開示（www.gtri/gatech/edu/res-news/needles.html）は、微細突起
のアレーを開示している。この文献の第２ページには、将来の仕事が中空のニー
ドルを何らかの不明なプロセスで製造する試みを含むことが開示されている。従
って、Georgia Techのものとされているこの文献は、中空の微細突起を実施可能
に開示するものではない（将来の仕事として挙げられているので、それを製造で
きないから）。

【０００７】 更に、当業者であれば、出願人以外の研究機関が米国特許第５，２６２，１２
８号の示す構造体を提供することに取り組んでいるという事実が、米国特許第５
，２６２，１２８号の開示不十分であることを示していると理解するであろう。

【０００８】 本発明の第１の観点によれば、第１の材料の表面に微細突起を設ける方法であ
って、該微細突起が、前記第１の材料に隣接した基部と、離間した部分つまり先
端部分と、少なくとも該先端部分の領域のダクトとを備え、前記方法が、前記第
１の材料を微細加工して前記微細突起及びダクトを設けることを含むことを特徴
とする方法が提供される。 この方法は、先端部分と基部との間に通じるようにダクトを形成することを含
んでいてもよい。

【０００９】 幾つかの実施例では、微細突起を貫通するように、そして、微細突起を支持す
る第１の材料中を通るように形成することができる。このような方法は、物質、
例えば流体が通ることのできる材料の表面に微細突起を設ける。 第１の材料はシリコン材料、又は他の結晶格子構造を有する材料のような半導
体でることもある。第１の材料は、ガラスであることもある。 基部は、好ましくは、約１０００μｍ未満の幅を有し、最も好ましくは、約１
００μｍ未満、可能であれば１０μｍ未満の幅を有する。 微細突起の先端部分は、頂点を有していてもよい。この方法は、ダクトが微細
突起の頂点と整合するように微細突起を作ることができる。これは、多種の用途
を有するニードル状構造を提供することができる。

【００１０】 一つの実施例では、この方法は、ダクトを一つの材料に作成し、その後、前記
微細突起をダクトの周囲に形成することができる。このような方法を使用する場
合は、ダクトを作成して、次に、微細突起の先端部分がダクトと整合するように
、材料を加工する。微細突起の頂点は、ダクトと整合するように作るのがよい。

【００１１】 ダクトは、種々のプロセスによって形成することができ、ディープ（deep）ド
ライエッチング法、レーザアブレーション法、ＨＦ酸でのｎ型シリコンの光アシ
スト陽極酸化法、焦点合わせされたイオンビームミリング法のいずれの方法も適
している。これらの技術は、それぞれ、この方法の実現に向けて適当な寸法のダ
クトを提供することができる。これらの技術は、当業者には公知であろう。

【００１２】 第１の材料の表面には、マスク層を形成してもよい。第１の材料がバルクのシ
リコン結晶である場合は、マスク層は二酸化シリコンで構成してもよい。 マスク層には、公知のリソグラフィー及びエッチング法を使用して、開口を形
成してもよい。 第１の材料は、エッチング法を使用して、マスクの開口の下方領域から除去し
てもよい。この工程は、ダクトを形成する一つの手法である。 ダクト、又はダクトになる孔は、平板状の材料に形成してもよい。複数の（例
えば数百の）ダクトを同時に形成してもよい。

【００１３】 例えばシート状材料に適当なダクトを形成したら、微細突起をその材料から種
々の方法で形成することができる。例えば、アルカリエッチング液を用いるシリ
コンの異方性ウェットエッチング法、焦点合わせされたイオンビームミリング法
、プラズマ／イオンビームエッチングの一種を利用してドーム状レジストマスク
からそのパターンをシリコンに転写する方法は、何れも適している。

【００１４】 マスク材料は、第１の材料から除去してもよい。例えば二酸化シリコンである
第１の材料には第２のマスク層を作ってもよい。第２のマスク層は成長させても
よく（低温酸化プロセスＬＴＯを用いてもよい）、或いは、堆積させてもよい（
プラズマエンハンスド化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いてもよい）。第１の
マスク層を除去して第２のマスク層を作ることの利点は、第１のマスク層はダク
トの内面を保護しないが、第２のマスク層がこの部分を覆って保護することにあ
る。言うまでもなく、第１のマスク層を除去することなく（或いは、これを完全
に除去することなく）、第２のマスク層を設けることもできる。第２のマスク層
は、例えば、孔／ダクト表面を覆うように設られる。

【００１５】 第２のマスク層は、例えば、（例えば、通常のリソグラフィー技術を用いて）
パターニングし、その後、エッチングされる。 第２のマスク層は、円盤形状又は矩形状に残してもよい。好ましいと思われる
実施例では、第２のマスク層を正方形状に残す。第２のマスク層は、第１の材料
の特定の結晶面に沿った端を有していてもよい。第２のマスク層は、例えば二酸
化シリコンである。

【００１６】 一つの実施例では、第１の材料（例えばバルク状シリコン結晶）は、第２のマ
スク層をアンダーカットする異方性エッチング剤でエッチングすることができる
。第１の材料の結晶面は、低エッチングレートを有する面が、エッチングプロセ
スを拘束して所望の微細突起構造を生成させるように、配向させるのがよい。第
２のマスク層は、その後除去すればよい。このようなプロセスの結果、微細突起
が第１の材料で形成されることになる。

【００１７】 別の実施例では、ダクトの内面を覆うように、そしてこの実施例では第１の材
料の上面をも覆うように、第２のマスク層を形成した後、このマスク層の内、ダ
クトの内面を覆う第２のマスク層を残して、第１の材料の上面を覆う部分を除去
する。 その後、マスク層を実質的に痛めることなく、ダクトの内面の第２のマスク層
の周囲から第１の材料を除去する。その結果、第２のマスク層の材料（第２の材
料）から微細突起が形成されることになる。これは、第１の材料とは異なる第２
の材料から微細突起を作成してもよい。第２のマスク層が、第２の材料であって
もよい。 第２の材料で、ほぼ完全にダクトを埋めてもよい。

【００１８】 このような場合、この方法は、第１の材料にダクトを作ることと、ダクトを第
２の材料でライニングすることとを含んでいてもよい。この方法は、その後、第
１の材料を第２の材料のライニングの周囲から除去する工程を含んでいてもよい
。このような方法は、第２の材料を実質的に残すようにすることができる。適当
な除去法を使用できる場合は、第１及び第２の材料は同じ材料であってもよいが
、両材料の除去レートに反映される異なる特性をもたせるために、これらの材料
を異ならせるのが好ましい。

【００１９】 この方法の変形例では、第２の材料はダクト又は孔のライニングを構成し、第
２の材料の一部は、第１の材料をライニングの周囲から除去する前、又はその間
に、ダクトのライニングから除去する。そうすることによって、その結果として
得られる微細突起の形状を制御することができる。 上記方法で得られる微細突起の断面は、第１の材料に作られるダクトの断面に
よって異なるであろう。 例えば、その断面は、円形、正方形、矩形、楕円形等になるであろう。これら
の断面は、それぞれ、異なる用途に適するであろう。

【００２０】 第２の材料は、第１の材料がシリコンである場合は、ダクトの周囲に容易に形
成できるＳｉＯ２であってもよい。ＳｉＯ２層は、シリコンウェーハの酸化によ
って成長させてもよく、或いは、堆積させてもよい（プラズマエンハンスド化学
気相成長法（ＰＥＣＶＤ）で用いてもよい）。第２の材料が二酸化シリコン以外
の材料である場合は、第２の材料を（やはりＰＥＣＶＤによって）堆積させる必
要があることは、当業者に明らかであろう。 第２の材料は、金属でもよく、他の導体でもよく、或いは、セラミックでもポ
リマーでもよい。第２の材料として金属又は導体を使用することの利点は、電流
や電位を微細突起に供給する導電体が製造されることにある。

【００２１】 別の実施例では、この方法を前記材料から微細突起を作ることと、続いて微細
突起内を通るダクトを形成すること、とから構成することができる。 第１の材料の表面に微細突起を形成するために、第１の表面にマスク層を作る
のがよい。マスク層は、円盤又は矩形形状にすることができる。好ましいと思わ
れる実施例では、マスク層を正方形に作る。マスク層は、第１の材料の特定の結
晶面に沿った端を有していてもよい。マスク層は、例えば二酸化シリコンである
。 マスク層を作ったら、異方性ウェットエッチングを使用したエッチングでマス
ク層の下方から第１の材料を除去してもよい。このエッチングは、マスク層をア
ンダーカットする。

【００２２】 第１の材料の結晶面は、低エッチングレートを有する面が、エッチングプロセ
スを拘束して所望の微細突起構造を生成させるように、配向させるのがよい。こ
のようなプロセスでは、緩やかなエッチングレートの結晶面が現れるまで、異方
性エッチング剤がマスク層をアンダーカットする。 好ましくは、ダクトは微細突起の頂点と整合するように作成される。

【００２３】 微細突起は種々の方法で形成することができる。例えば、アルカリエッチング
液を用いるシリコンの異方性ウェットエッチング法、焦点合わせされたイオンビ
ームミリング法、プラズマ／イオンビームエッチングの一種を利用してドーム状
レジストマスクからそのパターンをシリコンに転写する方法の何れの方法も適し
ている。 この方法は、微細突起を平坦化層で覆うことを含んでいてもよい。次に、平坦
化層を通常のリソグラフィーを用いてエッチングすることによって、微細突起の
先端部分を露出させてもよい。

【００２４】 微細突起の先端部分を露出させたら、平坦化層をマスクとして利用するディー
プ（deep）ドライエッチング法、ＨＦ酸での構造体の陽極酸化法、レーザアブレ
ーション法、焦点合わせされたイオンビームミリング法のいずれか一つの方法を
利用して、ダクトをエッチングすることができる。陽極酸化法を用いる場合は、
微細突起内に、粗い樹木状の孔構造ができる可能性がある（しかし確かではない
）。又、陽極酸化法は、アスペクト比の高い小孔を形成するのに特に有利になり
得る。例えば、１μｍという微小な孔を１００を越えるアスペクト比で作ること
ができる（これは、Journal of Electrochemical Society Vol. 140, October 1
993, pp. 2836-2843に、V. Lehmannによる"The phisics of macropore formatio
n in low doped n-type silicon"と題する論文で説明されている）。これを参考
文献としてここに援用するので、当業者にこの論文を読むことを勧める。

【００２５】 この方法を使用して微細突起及びダクトを作成した後、この方法は、更に、デ
バイスを生成するためのリザーバにダクトを連結することを含んでいてもよい。 このようなプロセスの第１の工程では、ダクトが前記材料を貫通することを補
償して、残りの工程を簡単にするのがよい。 そのための一つの手法は、ダクトが前記材料を貫通するのに十分な長さになる
ようにすることである。これに代えて、或いは、これに加えて、微細突起が作成
されている第１材料の一側とは反対の側から、物質を除去してもよい。これらの
技術は何れも、ダクトが前記材料を貫通することを確実にする。

【００２６】 次に、前記材料を第２の材料の材料に取り付ける。第２の材料には、２つの材
料を互いに合わせたときにダクトと連結して、ダクトをリザーバと連通させるこ
とができるチャンネルを設けることができる。 チャンネルは、第２の材料の上面に切り込んだものでよい。そうすれば、容易
に作成できるチャンネルを設けることができる。 これに代えて、或いはこれに加えて、チャンネルを第１の材料の裏面に切り込
むことができる。

【００２７】 第１及び第２の材料は、同一の材料であってもよい。好ましくは、２つの材料
は、シリコン、好ましくは、バルクのシリコン単結晶であってもよい。或いは、
第１又は第２の材料はガラスであってもよい。 陽極ボンディングを使ってガラスをシリコンに接着することができ、又、ガラ
スにチャンネルをエッチングで形成することもできる。

【００２８】 この方法のもう一つの工程では、材料（第１の材料であってもよく、或いは、
第２の材料であってもよい）の表面は、変えられる。一つの具体的な実施例では
、第１の材料の表面を多孔化して、材料の生物系との相互作用変えることができ
る。このことは、Advanced Materials volume 7 page 1033(1995)におけるL.T.
Canhamによる"Bioactive silicon structure fabrication through nanoetching
techniques"と題する論文に説明されている。これを参考文献としてここに援用
するので、当業者にこの論文を読むことを勧める。

【００２９】 この多孔化は、電気化学陽極酸化法（ＨＦ酸中で行ってもよい）か、構造体を
有色エッチング溶液に浸漬することによって行うことができる。 有色エッチング溶液は、弗化水素酸と硝酸との混合物であってもよい。この混
合物は、シリコンをエッチングするのに特に適している。 微細突起の形状は、次の処理で変えることができる。例えば、微細突起の一部
を切り取ってもよい。この切り取りは、イオンビームエッチング又は他の類似の
プロセスを使って行うことができる。 好ましくは、微細突起は第１の材料の表面にほぼ直角である軸を有する。或い
は、微細突起の軸は、第１の材料の表面に対してある角度で傾斜していてもよい
。

【００３０】 本発明の第２の観点に従って、第１の材料の表面に設けられた基部と、離間又
は先端部分とを含み、少なくとも先端部分の領域にダクトを有する微細突起が提
供される。 ダクトは、先端部分と基部との間に通じていてもよい。このダクトは、微細突
起を貫通するのがよい。 或いは、ダクトは、微細突起の先端部分の領域の窪みとして設けてもよい。こ
れは、窪みの中に液体のような物質を保持できる点で有利であり得る。 微細突起は、マイクロニードルであってもよく、マイクロバーブであってもよ
い。或いは、微細突起は、マイクロチューブと考えてもよい。 微細突起は、シリコン、又は他の半導体材料、或いは他の結晶格子材料のシー
トに作ることができる。 基部は、約１ｍｍ未満、好ましくは１００μｍ未満の幅を有し、約１０μｍ未
満であってもよい。

【００３１】 好ましくは、微細突起は第１の材料の表面をと交差する方向に延び、最も好ま
しくは、該表面に対して直角である。これによって、微細突起を作成しやすくな
り、且つ、処理工程が従来の技術よりも少なくて済む。更に、微細突起を前記表
面に対して直角方向に作ることで、突起のアレーが形成される。マイクロバーブ
をチャンネルに接続することは容易である。微細突起は、勿論、第１の材料の表
面に対して傾斜して作ってもよい。

【００３２】 微細突起は、第１の材料から作ることができる。微細突起は、別の材料で作る
場合よりも、この方が機械的に強くなる。 微細突起のアレーが、共通のキャリアから、好ましくは基板シートの面に対し
て直角に延出するのがよい。微細突起は、共通のリザーバを共有していてもよい
。共通のキャリアは、第１の材料であってよい。 微細突起は、約２ｍｍまでの長さを有していてもよい。或いは、微細突起は、
約５００μｍまでの長さを有していてもよい。一つの実施例では、微細突起は、
実質的に０乃至３００ミクロンの範囲の長さを有していてもよい。

【００３３】 微細突起の基部は、その幅が約１ｍｍまであってもよい。もしくは、微細突起
の基部は、約５０ミクロンの幅を有してもよく、或いは、約１０ミクロン又は５
ミクロンの幅を有していてもよい。 当業者は、微細突起の寸法が、突起を形成する際に使用される技術によって制
限され得ることを理解するであろう。即ち、製造技術の許すアスペクト比が制限
要素であり得る。

【００３４】 ダクトを形成するためにアスペクト比の高いドライエッチング方を使用するこ
とができる。これに変えて、或いは、これに加えて、微細突起のダクトは、多孔
シリコンの作成によって形成することができる。

【００３５】 前述の方法で、第２の材料を使用して、第１の材料に設けられたダクト又は孔
をライニングして、その後、第１の材料を除去する場合、ダクトは、長さを約２
００ミクロンに、幅を約１０ミクロンにすることができる。 微細突起は、５ｍｍ正方の材料に約２５００個まで設けることができる。言う
までもなく、当業者は、５ｍｍ正方内に設けることのできる微細突起の数が微細
突起の寸法に依存することを理解するであろう。前述した数は、達成可能な数の
指針であって、現実的な数を示す。

【００３６】 当業者は、微細突起を作るのに使用される製造パラメータを変更することによ
って、微細突起の寸法を用途に合わせて変更可能であることを理解するであろう
。 この方法は、各微細突起のダクトを一つの潮流部に接続した、微細突起のアレ
ーを使用することを含んでいてもよい。

【００３７】 一つの実施例では、微細突起の表面を多孔化してもよい。こうすることによる
利点は、特に第１の材料がシリコンである場合、表面の生理活性を制御できる点
にある。これは、例えば、微細突起が薬品の経皮投与に使用される場合など、幾
つかの用途に有利である。（生理活性とは、材料が特定の生物学的プロセスを誘
導することを意味する。例えば、生体系に燐酸カルシウムの沈降を誘導する）。 ニードルは、多孔化によって生体に適合させることができる。これは、ニード
ルがユーザの皮膚に刺されたときに壊れても、身体に吸収されて壊れたニードル
による問題を低減するので、有利である。

【００３８】 本発明の第３の観点に従って、第１の材料の表面に作成されるマイクロチュー
ブが提供される。 好ましくは、マイクロチューブは、約１ｍｍ未満、より好ましくは１００ミク
ロン未満、できれば１０ミクロン未満の幅を有する基部を備える。 マイクロチューブは、第１の材料以外の物質から作成してもよい。一つの実施
例では、第１の材料はシリコンであり、マイクロチューブはＳｉＯ２で作ること
ができる。勿論、他の材料の組み合わせも可能である。例えば、金属、セラミッ
クス、又はポリマーを、マイクロチューブの作成に使用することができる。 マイクロチューブは、実質的に円形、或いは実質的に正方形、或いは実質的に
楕円形或いは実質的に矩形の断面を有する。 マイクロチューブは、マイクロキュベットであってもよい。 マイクロチューブは、充填剤で充填してもよい。充填剤は、マイクロチューブ
の壁部とは異なる材料であってもよい。もしくは、充填剤は、マイクロチューブ
の壁部と同一の材料であってもよい。マイクロチューブは、中実の微細突起又は
マイクロロッドであってもよい。

【００３９】 本発明の第４の観点に従って、本発明の第３の観点に従ったマイクロチューブ
と、このマイクロチューブ内の物質を分析するための分析手段とが設けられたマ
イクロ分析システムが提供される。 このようなシステムは、閉じられた空間においてサンプルを分析することがで
きる点で、有益であることがわかるであろう。製造されるマイクロチューブには
、ＩＲ、ＵＶ、並びに、場合によっては可視光に対して透過性をもたせ、これに
よって「オン・チップ」分光を可能にすることができる。これは、単一のチップ
又はパッケージに設けられるシステム内での分光である。

【００４０】 マイクロ分析システムは、２以上のマイクロチューブを含んでいてもよく、マ
イクロチューブのアレーを含むこともできる。このような構成で、より多くのサ
ンプル又は種々のサンプルをテストすることができる。マイクロチューブは、マ
イクロキュベットであってもよい。 マイクロチューブのアレーを設けることは、多数のサンプルを同時にテストで
きる点で有利である。 マイクロ分析システムは、マイクロピペットアレーとして作用するマイクロチュ
ーブと組み合わせることができる。 マイクロ分析システムは、テストすべき薬品又は他の物質をマイクロチューブ
に導入することのできる搬送システムを含んでいてもよい。

【００４１】 搬送システムは、マイクロピペットを含んでいてもよく、第１の材料に作成さ
れたダクトを含んでいてもよく、或いは、、マイクロピペット又はダクトのアレ
ーを含んでいてもよい。

【００４２】 分析手段は、マイクロチューブを通して光を当てるようにされた光源と、マイ
クロチューブを透過した光又は入射光によって発生された蛍光を検出する検出器
とを含んでいてもよい。これは、マイクロチューブの内容物を分析するのに適し
た方法である。

【００４３】 光源は、ＬＥＤであってもよく、レーザであってもよい。光源（又は検出器）
は、更に、フィルタを含んでいてもよく、又、所望の特性を有する光が確実にマ
イクロチューブを透過するように、ビーム整形器、レンズ等を含んでいてもよい
。

【００４４】 これらの光学コンポーネントは、マイクロチューブが作成されている、その第
１の材料のウェーハを利用して作ることができる。これは、マイクロ分析システ
ムが再利用できる場合に、特に有利である。これにより、単一のウェーハデバイ
スを作るプロセスを更にコスト効率化することができる。

【００４５】 本発明の第５の観点によれば、本発明の第３の観点に従った構造を用いて、マ
イクロチューブがポンプに接続されたマイクロ操作システムが提供される。 このポンプは真空ポンプであってもよい。 このような装置は、マイクロチューブによって小さいものを拾い上げることが
できる点で有益であることがわかるであろう。 マイクロチューブは、材料に形成されたダクトを介してポンプに連結してもよ
い。そうすれば、単純な構造が得られる。

【００４６】 第１の材料には、デバイスがどのように動作するかを制御する制御電子素子を
設けることができる。このような構造は、制御電子素子とマイクロ操作システム
とを共に含む集積パッケージを可能にする。 これに変えて、或いは、これに加えて、マイクロ流体ポンプ及び／又はマイク
ロ流体バルブを第１の材料に設けることができる。このようなデバイスは、マイ
クロ操作システムの中の流体を必要に応じて別の点に供給することができるので
有利である。マイクロ流体ポンプは、加熱素子であってもよい。加熱素子は、抵
抗であってもよい。

【００４７】 本発明の第６の観点に従って、本発明の第３の観点に従ってマイクロチューブ
を設けることと、マイクロチューブを光結合コンポーネントとして使用すること
とを含む、第１の材料に光ファイバを連結する方法が提供される。 好ましくは、光結合は、導波管である。導波管は、マイクロチューブであって
もよく、マイクロロッドであってもよい。 光は、全ての電磁波、例えば、ラジオ、可視光、紫外線、赤外線等を含む。 このような構造は、光ファイバを材料に連結する単純な方法を提供する。それ
は、ファイバを、材料に対して直角に接続することができ、材料に対して斜めで
ある必要がない点に利点を有する。

【００４８】 本発明の第７の観点に従って、光ファイバを基板に連結する光結合システムで
あって、基板の表面に作成されたマイクロチューブを含む光結合システムが提供
される。 光ファイバは、孤立的な結合を達成するように、マイクロチューブに挿入して
もよい。

【００４９】 本発明の第８の観点に従って、２つのウェーハを光学的に接続する方法であっ
て、第１のウェーハに、本発明の第３の観点に従ってマイクロチューブを設け、
これを、第２のウェーハに、２つのウェーハ間に光を通過させるような方法で結
合する方法が提供される。 これによって、例えば光信号を２つのウェーハ間で低損失で通過させることが
できる。 この方法は、伝達される光が導波管を貫通する（即ち、自由空間を通らない）
ことを確実にすることを含んでいてもよい。これは、種々の自由空間相互接続ス
キームを通じて、埃や他のゴミが信号の品質を低下させることがないという利点
を有する。

【００５０】 本発明の第９の観点に従って、材料の２つのウェーハを光学的に接続する構造
であって、第１のウェーハに作成されて第２のウェーハに接続されたマイクロチ
ューブを含む構造が提供される。

【００５１】 本発明の第１０の観点に従って、微細突起のアレーが提供される。 マイクロニードルのアレーを設けてもよい。マイクロチューブのアレーを設け
ることもできる。

【００５２】 本発明の第１１の観点に従って、第１の材料の隣接する基部を有する材料の表
面のマイクロバーブであって、多孔の表面を有するマイクロバーブが提供される
。 基部は、好ましくは約１０００ミクロン未満、最も好ましくは１００ミクロン
未満、可能であれば１０ミクロン未満の幅を有する。 バーブは、本発明の第１の観点に関して記載されたプロセスで形成することが
できる。 多孔化は、電気化学陽極酸化法（ＨＦ酸中で行ってもよく、或いは、構造体を
有色エッチング溶液に浸漬してもよい）によって行うことができる。有色エッチ
ング溶液は、弗化水素酸と硝酸との混合物であってもよい。

【００５３】 具体例によって、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。 図１は、バルクシリコン、典型的には単結晶シリコンの、ウェーハ２を示し、
微細突起６の構造が形成される前に、ウェーハ２に対して、ダクト４を形成する
ための種々のプロセスが行われる。

【００５４】 このプロセスの第１の工程は、適当なマスク層と、通常のリソグラフィー及び
エッチング技術を使用してダクトの縁８、１０を規定することである。この例で
は、１０００℃、１６０分のウェット酸化によって、ウェーハ上に６５０ｎｍの
厚みの二酸化シリコン層９を成長させた。このとき、ウェーハ上に４２００ｒｐ
ｍでＨＰＲ−５０５フォトレジストを設けた。これによって、厚さ１．５５ミク
ロンのレジストが形成される。このフォトレジストは、その後、１２０℃で４５
秒間、軽く焼かれる。次に、フォトレジストは、Ｓｕｓｓマスクアライナを使用
してパターニングされる。次にフォトレジストは、このレジストに適した処理法
を使用して現像される。次に、フォトレジストは、１０５℃で４５秒間、硬く焼
かれる。

【００５５】 次に、ウェーハは、透き通るまで、即ち、表面が疎水性になるまで、５：１の
緩衝フッ化水素（５部のフッ化アンモニアに対して１部の４０重量％ＨＦ溶液）
内に置かれる。これには約５分かかる。レジストマスクは、強度のドライエッチ
ングプロセスに備えて、所定位置に置かれる。

【００５６】 ＳＴＳ強ドライエッチング装置において、３５分間の時間制限エッチングによ
り、ダクト４を形成する約１００ミクロンの深さに、孔をあける。ここでは、継
続的に繰り返される２段階プロセスを使用するプラズマエッチング法を用いる。
ダクトを形成する工程は、図１ｂに示す。この工程で、レジストマスクと二酸化
シリコンがシ リコンウェーハを保護する。

【００５７】 次に、フッ化水素酸を使用して、ＳｉＯ２層が除去され（図１ｃ）、厚さ６５
０ｎｍの別の二酸化シリコン層１２がウェーハの表面に成長される（図１ｄ）。
（当業者は、ＳｉＯ２層がウェーハの裏面にも成長することを理解するであろう
）。酸化層の成長は、既に概説したようなプロセスを利用して行うことができる
。

【００５８】 次に、ＳｉＯ２層をフォトレジストでマスクして、各ダクト４の周囲にＳｉＯ
２を正方形に残すように、リソグラフィープロセス、次いで、エッチングプロセ
スが使用される。ＳｉＯ２（１２）をパターニングするために、上述したウェッ
トマスキング及びエッチングプロセスを用いることができるが、エッチング液が
ダクト４内に漏れることが防止されるように、ドライエッチングプロセスを使用
するのが好ましい。

【００５９】 次に、水酸化カリウム内でのシリコンのウェットエッチングを用いて（この場
合、１００ｍｌの溶液につき３０ｇのＫＯＨ、９０℃、２０分間）、シリコンウ
ェーハがエッチングされる。他のエッチング剤も可能であり、その一例として、
水酸化テトラエチルアンモニウムの水溶液がある。水酸化カリウムは、シリコン
の結晶面の配向に対する所望のエッチング依存性を示すので、これを利用するの
が好ましい。しかし、水酸化カリウム中におけるシリコンと二酸化シリコンとの
エッチングレートの比較的低い選択性が問題になる場合は、水酸化テトラメチル
アンモニウム（ＴＡＭ）を使用することも可能である。６％ＴＡＭ水溶液が適し
ているであろう。

【００６０】 このエッチングは、異なる結晶面が異なるレートでエッチングされるという事
実に依存している。従って、エッチングレートの低い面が露出すると、その面で
エッチングが停止する。すると、最終的構造は、エッチングレートの低い面によ
って拘束される。従って、出発材料の配向とエッチングマスクの配向とを、高い
アスペクト比と鋭い先端を有するニードルを形成するように配列することができ
る。このプロセスに通常使用されるマスクは、前述したように、シリコンの高温
酸化により生成されるＳｉＯ２層である。酸化工程は、好都合なことに、ダクト
の内側にもＳｉＯ２層を生成し、これが、次のウェットエッチング段階で、ダク
トを保護する役目をする。こうして、微細突起構造が形成される（図１ｅ）。

【００６１】 しかし、シリコンの熱酸化ではなく、堆積プロセスを使用して層（１２）を設
けることも可能である。ステップカバレッジの良いプロセス、例えば、化学気相
成長法（ＣＶＤ）を使用できることが必要である。

【００６２】 十分な量のシリコンがエッチングされると、プロセスが停止され、残ったＳｉ
Ｏ２マスク（１２）が、ＨＦ酸を用いたエッチングで除去される。これによって
、図１ｆに示す構造が残る。図１４に示す構造は、微細突起の頂部に残されたマ
スク２００の面を有し、図１ｅに示す構造を示している。このマスク２００は、
マスクをエッチングする一方で微細突起をエッチングしないＨＦ酸溶液を使用し
て、簡単に除去することができる。

【００６３】 当業者は、上述したプロセスの、使用可能な変形例があることを認めるであろ
う。例えば、レーザアブレーション（これは１ミクロンという微小な孔を約１０
：１のアスペクト比（深さ対幅）の限度内で作ることのできるシリアルな技術で
ある）や、低濃度（実質的に１〜５００Ωｃｍの範囲の抵抗率にすることができ
る）ｎ型シリコンの光アシスト陽極酸化法（各ダクトが実質的に０．１ミクロン
から２０ミクロンの範囲であり、同程度のダクト間距離を有するように、ダクト
のアレーを形成するパラレルな技術で、実質的に１００：１のアスペクト比が得
られる）を含む多数の異なるプロセスを使用して、ダクトをシリコンに形成する
ことができる。しかし、この技術にとって、空間比（即ち、孔間の距離：孔の直
径）に対するマークも重要で、実質的に１０：１に制限してもよいことがわかる
であろう。ｎ型シリコンの陽極酸化は、The Journal of the Electrochemical S
ociety (1993) Vol. 140 pp. 2836-2843に、V. Lehmannによる"The phisics of
macropore formation in low doped n-type silicon"と題する論文で説明されて
いる。これを参考文献としてここに援用するので、当業者はこの論文を読んでい
ただきたい。焦点合わせされたイオンビームミリングも使用可能である。これは
、作られるチャンネルを、実質的に１０：１のアスペクト比で、実質的に１ミク
ロンと小さくすることができるシリアルな技術である。

【００６４】 また、微細突起の形状も種々の形にすることができる。例えば、マスク層を使
用せずに、表面を走査する細く集束させたイオンビームを使用して材料を直接削
り取る、焦点合わせされたイオンビームミリングを利用することができる。

【００６５】 更に別の例では、ドーム状レジストマスクを使用して、且つ、シリコンがマス
ク層よりも遙かに高いレートでエッチングされるようにマスクとシリコンとの高
い選択性を有するプラズマ／イオンビームエッチングの一種を利用して、そのパ
ターンをシリコンに転写することだできる。これは、仮想のエッチングされた層
のドーム状のマスクを拡大するように注意深く制御される。ドーム状レジストの
形状は、例えば、加熱によってレジストの像を流すか、或いは、グレースケール
リソグラフィーを利用することによって、作られる。（ドーム状レジストの形状
は、マイクロレンズを作る際に使用されてきた：M. McCormick, large area ful
l fill factor micro-lens arrays, IEE colloquium on micro engineering app
lications in optoelectronics vol. (1996) p 10/1-10/3)。これを参考文献と
してここに援用するので、当業者にこの論文を読むことを勧める。

【００６６】 ドーム状のレジストマスクを使用する原理は、図１５ａ及びｂに示されている
。図１５ａは、ウェーハ２０４に最初のマスク形状２０２が形成されることを示
し、図１５ｂは、最終構造が最初のマスクとどのように関係しているかを示す。

【００６７】 本発明に従う微細突起を作るための他の手法では、ダクトがウェーハに形成さ
れる前に、バーブの外面が作成される。このルートを実行するために可能なプロ
セスが図２に示されている。バーブ２０の構造は既に形成されており、図２ａで
は、シリコンウェーハ１９の頂に示されている。これに適したプロセスは、上述
の図１に関連して概説されており、異方性ウェットエッチング、焦点合わせされ
たイオンビームミリング、又はドーム状レジストマスクを使用することを含む。

【００６８】 好ましい実施例では、具体的なプロセスの詳細は、図１に関連して述べたのと
同様である。突起が形成される前にダクトを作る必要がないことがわかるであろ
う。

【００６９】 図１に関連して述べたプロセスのように、マスク層が形成されるた後、シリコ
ンウェーハが再度エッチングされる。ここでも、好ましいエッチングは、水酸化
カリウム溶液を使用する。このエッチングは、異なる結晶面が異なるレートでエ
ッチングされるという事実に依存している。従って、エッチングレートの低い面
が露出すると、その面でエッチングが停止する。すると、最終的構造は、エッチ
ングレートの低い面によって拘束される。従って、出発材料の配向とエッチング
マスクの配向とを、高いアスペクト比と鋭い先端を有するニードルを形成するよ
うに配列することができる。こうして、図２ａに示すように、微細突起構造が形
成される。尖鋭がバーブを形成する具体的な詳細は、次の文献に記載されている
。即ち、Sensors and Actuators (1991), volume 25-27の第９〜１３頁に掲載さ
れた、H.L. Offereins, K. Kuhl, H. SandmaierによるMethods for fabrication
of convex corners in anisotropic etching of <100> silicon in aqueous KO
H。これを参考文献としてここに援用するので、当業者にこの論文を読むことを
勧める。

【００７０】 微細突起が形成されたら、ダクトを中心部を通るように形成しなければならな
い。これを達成するために、微細突起２０は、微細突起２０の頂点だけを露出さ
せるようにして、マスクで保護しなければならない。マスクを形成するために使
用されるリソグラフィーが、平坦な表面に全体的に行われることを、当業者は理
解するであろう。微細突起２０の先端は平坦ではないから、マスクが作られる前
に、それを平坦にしなければならない。

【００７１】 これを達成するための一つの方法は以下の通りである。図２ｂに示すように、
一つの実施例ではウェーハ上に張られる有機ポリマーである平坦化層２２を、微
細突起２０を覆うように設ける。平坦化層２２が設けられた後は、２つのルート
がある。これらのルートのうちの一つ目は、図２ｃに示すとおりであり、フォト
レジスト層２４が設けられた平坦化層の頂に通常のリソグラフィーが実行され、
次のリソグラフィー工程が行われる。フォトレジスト層２４は、ｉ）フォトレジ
スト層をもうける工程、ｉｉ）フォトレジストを現像して、フォトレジストの種
類に応じて、露出されたフォトレジスト又は露出されないフォトレジストの領域
を除去する工程を使用して、形成することができる。これによって、微細突起２
０の頂点上のマスク２４にギャップ２６がある、図２ｃの構造が得られる。

【００７２】 この平坦化層２２は、その後、フォトレジスト２４をマスクとして使用するド
ライエッチングでエッチングされる。これは、図２ｅに示されている。

【００７３】 次に、強度のドライエッチング又は構造の陽極酸化法を使用して、微細突起２
０にダクト２８をエッチングで形成し、図２ｆに示す所望の構造にする。強度の
ドライエッチングプロセスは、上述したプロセスに類似したものでよいであろう
。そして、前掲のLehmannの参考文献に記載された陽極酸化法を使用できるであ
ろう。

【００７４】 構造の陽極酸化において、マスクは、光アシスト陽極酸化溶液、例えば、数パ
ーセントのフッ化水素酸水溶液（典型的には４％ＨＦ水溶液）に耐えられなけれ
ば成らない。このようなプロセスでは、ニードルの中に、粗い樹木状の孔構造が
できる可能性がある。このようなプロセスが有効であるためには、ダクトの直径
とダクト間の距離とのマーク空間比が１０未満である必要がある。ダクトの半径
は、実質的に０．２ミクロンから２０ミクロンの範囲に制限してもよい。

【００７５】 所望の構造を得るための別の方法では、平坦化層２２自体をマスクとして使用
することができる。すると、微細突起２０の先端が、例えば位置３０で露出され
るように、図２ｂの構造がエッチングされる。次に、ダクトの断面が、微細突起
の露出された部分の最大断面に対応するように、ダクト２８が、上述したように
、微細突起２０の中にエッチングによって形成される。

【００７６】 或いは、レーザアブレーション又は焦点合わせされたイオンビームミリングを
使用して、ダクトを微細突起に直接削り込むこともできる。この場合は、平坦化
層も、リソグラフィーの実施も不要である。

【００７７】 図１６に示す構造を作るために、図１及び２に関して説明したプロセスを使用
することができる。図１６では、バーブ２１２の頂点２１０の領域に、ダクト２
１１が既に作成されている。当業者は、そのように記載されたプロセスを用いる
ことによって、頂点の領域のみに（図１６に示すように）、ダクト２１１を、如
何なる深さにも形成することができ、第１の材料を貫通させることができる。

【００７８】 図１ｆ及び２ｆの構造が得られたら、幾つかの実施例では、更に別の処理工程
を実施することができ、このような別の処理工程を、図３を参照して説明する。

【００７９】 図３ａは、図１ｆ及び２ｆに示すように、中心部を貫通してシリコンウェーハ
３４に取り付けられたダクト３３を有するバーブ３３を示す。図３ｂも、ダクト
３３がウェーハ３４を貫通するように、ウェーハ３４が微細突起３２の下方で薄
くされていることを除いて、同様のものを示す。ウェーハ３４を薄くする他の例
は、ダクトが（図１及び２を参照して説明したように）作成されるときに、ダク
ト３３がウェーハ３４を貫通するのに十分な長さになることを確実にすることで
あろう。

【００８０】 図３ｃでは、表面にエッチングされたチャンネル３８（チャンネル３８をウェ
ーハ３６の表面に作るプロセスは、当業者に自明であろう）を有する第２のシリ
コンウェーハ（又はハンドルウェーハ）が、微細突起３２を貫通するダクト３３
と連通するように、第１のウェーハ３４の下側に取り付けられている。勿論、チ
ャンネル３８を、微細突起３２を貫通するダクト３３と連通させるように第１の
ウェーハ３４の裏面にエッチングで形成して、平坦な面を有する第２のウェーハ
を第１のウェーハ３４と重ね合わせることもできる。勿論、第１及び第２のウェ
ーハは、両者にそれぞれのチャンネルがエッチングで形成されていてもよい。

【００８１】 当業者は、二つのウェーハを結合するための適当な技術を知っているであろう
が、適当な例は、接着剤を使用すること、或いは、ウェーハボンディングを使用
することである。

【００８２】 使用時には、材料が、微細突起３２の頂点から押し出される前に、チャンネル
３８を通じ、微細突起の中を通るダクト３３を通じて圧送される。更に、ダクト
３８は、リザーバ等に連結されていてもよい。

【００８３】 最終構造内の表面の全て又は一部は、生物系との相互作用を変更するように処
理されてもよい。これは、層又は多孔のシリコンを形成することによって（電気
化学陽極酸化法でもよく、フッ化水素酸と硝酸との混合物のような有色エッチン
グ溶液に浸漬することでもよい）達成することができる。これによって、例えば
、体液中にヒドロキシアパタイトの成長を促すことができる。

【００８４】 図４は、本発明に従う微細突起を作るための、他の方法を示す。図４ａ乃至４
ｃに示される工程は、図１ａ乃至１ｄに関連して説明したものと同じである。即
ち、二酸化シリコン層４０は、シリコンウェーハ４２の熱酸化により作られる。
酸化物層４０には、リソグラフィー及びエッチング技術を使用して、開口４１が
作られる。その結果、図４ａの構造が得られる。

【００８５】 次に、適当なエッチングプロセスを用いて、ダクト４４がシリコンウェーハに
エッチングで形成される。この場合は、１００ミクロンの深さに達する２０ミク
ロンの断面の正方形のダクトを作るために、プラズマ系エッチングシステム（Ｓ
ＴＳ）が使用された。ダクトを作るための他の可能な技術は、レーザアブレーシ
ョン、焦点合わせされたイオンビームエッチング又はシリコンの光アシスト陽極
アブレーションであろう。

【００８６】 二酸化シリコン層４０は除去され、酸素中で、上昇された温度で適当な時間、
シリコンウェーハ４２を加熱することにより、新たな酸化物層４６が形成される
。或いは、溶液からの電気メッキ法、もしくは、プラズマエンハンスド化学気相
成長法（ＰＥＣＶＤ）又は低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）のような気相法に
よる堆積を利用して、材料を堆積させることもできる。（酸化物以外の材料から
成る新たな層、例えば、金属層又はセラミック層を設けることも可能であろう。
）この新たな酸化物（又は他の）層は、符号４７で示すように、ウェーハの元の
表面とダクト４４の表面とを覆う。

【００８７】 ダクト４４の中をこの新たな材料（第２の材料）で完全に埋めるように、十分
な酸化物（又は他の材料）を堆積又は成長させることが可能であることは、当業
者に明らかであろう。その結果、第１の材料の表面に、第２の材料から作成され
た中実の微細突起が形成されることになる。

【００８８】 図４が示すプロセスが図１に関連して示したものと相違するのは、この点によ
る。酸化物層４６は、図４ｄに示すように、ダクト４４の内側の酸化物層４７の
領域のみを残して、シリコンウェーハ４２の表面から除去する。これを達成する
ために、ダクト４４の頂を覆うようにマスク層を設け、ダクト４４内の酸化層４
７の領域が除去されないようにする。酸化物（又は他の材料）の層４６は、Ｓｉ
Ｏ２を除去可能な通常のエッチングを用いて除去することができる。（例えば、
ＨＦ酸又はプラズマ系エッチングプロセスを用いることができる）。

【００８９】 酸化物層の領域４７を残してＳｉＯ２の領域４６を除去したら、シリコンを破
壊してＳｉＯ２（又は他の材料）をそのまま残すエッチング剤を用いて、シリコ
ンウェーハをエッチングする。これによって、先にダクト４４をライニングして
いたＳｉＯ２層４７が残される。図４ｅに示す構造の走査型電子顕微鏡写真を図
６に示す。エネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）を利用して行った分析によって、
材料は、炭素レベルがこの技術の検出限度を下回る（即ち、約５原子パーセント
未満の）二酸化シリコンであることがわかる。

【００９０】 ダクト４４の内側をＳｉＯ２以外の材料で被覆することができることは明らか
である。この場合、図４ｅ及び図６の最終構造は、その材料で作られることにな
る。例えば、種々の金属、セラミックス、プラスティック材料、又はポリマーを
使用することができる。

【００９１】 図４に示すプロセスの変形例を図５に示す。図４ａ乃至４ｃの工程は同じであ
り、その結果得られる構造を図５ａに示す。酸化物層４６は、シリコンウェーハ
４２の表面に対して直角以外の角度で入射するイオンビーム４８を使用して除去
することができる。この場合、使用されたイオンビームは、５００ｅＶのエネル
ギーを有するアルゴンイオンビームであり、０．２ｍＡｃｍ２のビーム電流で４
０分間、４５℃の角度で照射された。図５ｂからわかるように、イオンビームの
入射角によって、ダクト４４内の酸化物層４７の一部が除去される。つまり、ウ
ェーハの構造が、残りの領域をイオンビーム４８から遮蔽する。

【００９２】 シリコンウエーハ４２は、次いで、ＳｉＯ２を痛めることのない適当なエッチ
ング剤で再びエッチングされる。この場合、テトラメチルアンモニウム水酸化物
が再び用いられた。図５ｃの構造の走査型電子顕微鏡イメージの写真を図７に見
ることができる。図５に関連して述べたプロセスを、図４ｅ及び図６に示すもの
と同様の微細突起に傾斜部分を設ける方法を提供するのに用いてもよい。 当業者であれば、もし微細突起が丸い断面が用いられるとしたら、最終構造は
丸い断面を有するであろうことが分かるであろう。この微細突起が、図６、図７
のように除去された部分を有する場合、最終構造は、尖った端部分を有する。例
えば、経皮投薬システムの一部として材料の注入のためのニードルとして微細突
起が用いられるのであれば、このようなプロファイルは有益かも知れない。

【００９３】 図４、図５で説明したプロセスは、第１の材料の表面に対して或る角度で傾斜
した微細突起を作るのに用いられ、そのような構造が図１７に示されている。当
業者であれば、図４、図５のプロセス中に初期ダクト４４を或る角度に作ること
によって、最終の微細突起をその角度で作ることができる。図１、図２のプロセ
スは、また、第１の材料の表面に対して或る角度で傾斜した微細突起を作るのに
用いられてもよい。このことは、単に、エッチングを行うために焦点合わせした
イオンビームのレーザアブレーションを用いることで行うことができるであろう
。ここに述べた残る技術は、表面に対して垂直の面を作るのに適しているだけで
ある。

【００９４】 図６、図７のダクトの幾つかの潜在的な用途を図８〜図１１に示す。 図９は、図６の微細突起９０（この場合には、マイクロチューブ９０として述
べる）が、制御回路と一体化されるマイクロ分析システムの一部として用いられ
ることを示す。このマイクロチューブ９０は、先に述べたように、シリコンウエ
ーハの頂に形成されている。また、このウエーハには、光源９２と、検出器９４
と、２つの導波管９６、９８が設けられている。第１の導波管９６は、光源９２
から発せられる光をキュベット９０に案内し、第２の導波管９８は、マイクロチ
ューブ０を通過して検出器９４に至る光を案内する。

【００９５】 使用中、参照符号１００で示すように、テストすべきサンプルがマイクロチュ
ーブ９０の中に置かれる。この材料は、化学的又は生物化学的なものであっても
よく、また、分離したマイクロアレーを経て又はオンチップ（on-chip）マイク
ロ流体薬品投与システムを経てマイクロチューブ９０のチャンバーの中に入れら
れ及びマイクロチューブ９０のチャンバーから取り出される。

【００９６】 キュベット９０の中の材料によって吸収される光量を測定し又は吸収される光
量が反応が進むにつれてどのように変化するかを測定するのに検出器９４を用い
てもよい。 キュベット９０の中の材料に光が入射されると蛍光を発する材料を提供して、光
ビームがキュベット９０に入射された時の材料からの蛍光の量を測定することも
可能であろう。このような状況では、蛍光の量を検出するセンサを入射ビームに
対して傾斜して設けることもできるであろう。このセンサは、入射ビームに対し
て実質的に直角であってもよい。 キュベット９０はマイクロリアクタであってもよい。例えばキュベット９０は
、ＤＮＡ拡大分析システムの一部としてのポリメラーゼ連鎖リアクタ（ＰＣＲ）
であってもよい。

【００９７】 図８に示す構成は、図９に示すマイクロ分析システムのアレーを示す。５つの
ＬＥＤ１０１の列が設けられ、その各々が、この場合には、５つのＬＥＤの（λ
１〜λ５）の各々に関して異なる特定の波長で光を出力する。発せられる光が正
しい特性を有するのを更に確実なものにするのに、ＬＥＤの各々に光学フィルタ
１０２が設けられる。ＬＥＤが互いに類似するように、また、幅広い波長スペク
トルで発光するように、また、各フィルタ１０２が狭い波長範囲を透過させるよ
うに構成できることは勿論である。 重要な試薬を含有するように、数多くの列、この場合には、３つのキュベット
１０４、１０６、１０８が設けられ、このシステムを通じて伝達される光の量を
測定するのに検出器１１０の列が設けられる。

【００９８】 特定の反応のための２つの出発材料が、マイクロチューブ１０４、１０８の列
に保持される。ウエハーに形成された搬送システム（図示せず）を用いて、出発
材料の各々をキュベット１０６の列の中に移動させてもよい。光源がある範囲の
波長で光を発するので、反応が所望の生成物を作っているか否かを見るために、
反応を迅速に遮蔽してもよい。生成物は、キュベット１０６の中に異なる波長λ
１〜λ５の特定の吸収プロファイルを有するので。それゆえ、迅速に遮蔽される
。キュベット１０６の中に輸送されるのに用いられる複数のリザーバの中の複数
の試薬を有することによって、一連の反応の全てを迅速に遮蔽することができる
。

【００９９】 図６の微細突起（又はマイクロチューブ）をどのようにして用いるかの更なる
例を図１０に示す。図４に関して説明したようなプロセスを用いて第１のシリコ
ンウエーハ１２２にＳｉＯ２微細突起が設けられる。ダクト１２１が第１のシリ
コンウエーハ１２２を完全に貫通することが確実にされる。このことは、ダクト
１２１がウエハー１２２を貫通することを確実にすることによって達成され、又
は、ウエハー１２２の下側から材料を取り去ることによって達成される。

【０１００】 第２のシリコンウエーハ１２４はその上面にエッチングされたチャンネル１２
６を有し、このシリコンウエーハ１２４には、チャンネル１２６はダクト１２１
と連通するように第１のシリコンウエーハ１２２の下側に取り付けられる。第２
のウエハー１２４は、例えば接着剤又はウエハー結合を用いて、第１のウエハー
に取り付けることができる。

【０１０１】 この装置は、マイクロ操作システムとして用いることができ、また、小さな物
体を取り上げるのに用いることができる。真空ポンプ（図示せず）は、チャンネ
ル１２６及びダクト１２１に真空を供給することによって、微細突起１２０の端
部分に対して置かれた小さな物体を取り上げることができるように、チャンネル
１２６に連結することができる。シリコンウエーハ１２４上の電子制御をするこ
とも可能である。真空ポンプはウエハー１２２の外部に配置されてもよく、又は
、マイクロエッチング技術を用いてシリコンマイクロポンプを提供することもか
のうであろう。

【０１０２】 図６、図７のバーブの更なる用途は、経皮投薬用スキンパッチ又は経皮投薬シ
ステムの分野にあってもよい。このような用途に関し、図７のように取り出され
た部分を備えた円形断面微細突起は、形成される尖った端部分の故に好ましいか
も知れない。更に、第２のウエハーが、材料を搬送するチャンネルを提供するた
めにバーブが作られたウエハーの裏に取り付けられてもよい。ニードルが導電材
料から作られる場合には、これらに電圧を印加することができる。

【０１０３】 図６、図７の微細突起は、また、光ファイバーの形状及び寸法に一致するよう
に作られてもよい。当業者であれば、光ファイバーが円形断面を有していること
から、図６、図７の微細突起が円形断面を有する必要があることが分かるであろ
う。ファイバーとシリコンウエーハとの間を連結することは、微細突起のダクト
の中にファイバーを挿入することによって達成される。当業者であれば、このこ
とが、ファイバーが表面に対して直交するというよりは垂直であるという点で、
在来の連結とは異なっていることが分かるであろう。ウエハーの平面に光を反射
するために或る装置（多分、ミラー）を提供することが必要かも知れない。

【０１０４】 光ファイバーカプラーの考えの延長線を図１１に見ることができる。ここに、
第１のシリコンウエーハ１３０は、第１のシリコンウエーハ１３２に連結されて
おり、第１のシリコンウエーハ１３２の上に微細突起（又はマイクロチューブ）
１３４が図４に関連して説明したプロセスに従って形成されている。微細突起１
３４を受け入れるのに十分な大きさの第２のウエハー１３０を通じて穴１３６が
作られている。

【０１０５】 当業者であれば、微細突起１３４は、図４に関連して説明したように、中実又
は中空であってもよいことが分かるであろう。レーザ１４０を接着する第１のウ
エハーに処理エレクトロニクスが形成されてもよい（又はその上に設けられても
よい）。レーザ１４０の出力は、微細突起１３４に差し向けられる。導波管１４
４はバーブ１３４の上を通って受光器１４６まで移動する光を案内し、受光器１
４６は、光を受け取って、これを、第２の電子デバイス１４８まで伝達される信
号に変換する。

【０１０６】 レーザ１４０からダクトへの光の入射が微細突起１３４に沿って差し向けられ
るのを確かなものにするために、微細突起１３４の底領域１５０に方向付け手段
が設けられる。導波管１４４は、入射光を導波管１４４に沿って受光器１４６に
差し向けるように作用する部分１５２を備えている。

【０１０７】 この方向付け手段は、チューブの内側の凹凸であってもよく、又は、導波構造
１４４の端部分の反転であってもよい。当業者であれば、この方向付け手段を実
現するのに他の手段であってもよいことが分かるであろう。 使用において、レーザ１４０から信号が出力される。レーザ１４０からの光は
微細突起１３４まで進み、方向付け手段によってバーブ１３４を通って上方に差
し向けられる。導波管１４４に沿って進み、受光器１４６によって電子信号に変
換される光信号の結果として、第２の電子デバイス１４８に電気信号が入力され
る。 このようなスキームは、光が自由空間内で移動せず、したがって、空気媒体粒
子からの干渉に影響されない点で効果的であろう。当業者であれば、導波管の位
置決めなどが光が自由空間を通過できないように行われるであろうことが分かる
であろう。

【０１０８】 図１２は、シリコンウエーハ１６２の表面に作られたマイクロバーブ１６０を
示す。このバーブ１６０の表面は多孔化されている。ＷＯ９６／１０６３０に開
示のように、シリコンウエーハの表面にバーブを作ることが可能である。しかし
ながら、この表面を多孔化することは、主にバルクシリコンのバーブに、バーブ
の表面に物質が不動化されるのを確かなものにする多孔コーティングを形成する
。このバーブは中心部分を通るダクトを備えていてもよく、また、備えていなく
てもよい。 電気化学陽極酸化法によるか、又は、フッ化水素酸と硝酸との混合物のような
有色溶液の中に構造体を沈めることによっても可能であろうが、この多孔化した
コーティングが形成される。

【０１０９】 図１３は、チャンネル１８４に連結された中心部分に沿ったダクト１８２を各
々が備えたマイクロバーブ１８０のアレーを示す。これらのバーブ１８０は、図
１〜図３に関連して説明した技術に従って作ることができる。 例えば、チャンネル１８４に連結されたリザーバから、例えば経皮的に、物質
を注入するのにマイクロバーブアレーを用いてもよい。 この明細書の全般で、ダクトを備えた微細突起に言及した。この微細突起は、
第１の材料（その上に微細突起が作られる材料と同じであってもよい）から作ら
れてもよく、又は、第２の材料（その上に微細突起が作られる材料とは異なるも
のであってもよい）から作られてもよい。実施例では、ダクトが第２の材料で満
たされる（又は第２の材料とは別の第３の材料で満たされてもよい）第２の材料
から微細突起が作られる点に注目すべきである。このように、微細突起は、単一
の材料から作られてもよい中実ロッドであってもよい。このような中実の微細突
起は導波管として用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従うバーブ又はマイクロニードルの製造プロセスの、第１部分におけ
る種々の段階を概略的に示す。

【図２】 本発明に従う微細突起の製造のための、図１に示すプロセスに代わるプロセス
の、第１部分における種々の段階を概略的に示す。

【図３】 本発明に従う微細突起の製造のためのプロセスの、第２部分における種々の段
階を概略的に示す。

【図４】 本発明に従う微細突起の製造のための、別のプロセスにおける種々の段階を概
略的に示す。

【図５】 図４に示すプロセスの変形例における種々の段階を概略的に示す。

【図６】 本発明に従った微細突起の、電子顕微鏡イメージの写真である。

【図７】 図６に示した微細突起の変形例の、電子顕微鏡イメージの写真である。

【図８】 材料のウェーハに配設された、本発明に従うマイクロチューブのマイクロ分析
アレーを示す。

【図９】 本発明に従うマイクロ分析システムの断面を示す。

【図１０】 本発明に従うマイクロ操作システムの断面を示す。

【図１１】 本発明の方法を用いて光学的に連結された材料の２つのウェーハの断面を示す
。

【図１２】 多孔の表面を有する微細突起の別の実施例の断面を示す。

【図１３】 微細突起のアレーの断面を示す。

【図１４】 本発明に従って作成された更に別の微細突起の走査型電子顕微鏡イメージの写
真を示す。

【図１５】 微細突起を作るための、ドーム型レジストマスクの使用を示す。

【図１６】 本発明に従って作成された微細突起の更に別の実施例を示す。

【図１７】 本発明に従って作成された微細突起の、更に別の実施例を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ (72)発明者 カーナム リー トレヴァー イギリス ウースターシャー ダブリュー アール14 ３ピーエス モルヴァーン セ ント アンドリュース ロード （番地な し） ディーイーアールエイ モルヴァー ン (72)発明者 コックス ティモシー イングラム イギリス ウースターシャー ダブリュー アール14 ３ピーエス モルヴァーン セ ント アンドリュース ロード （番地な し） ディーイーアールエイ モルヴァー ン (72)発明者 リーヴス クリストファー レスリー イギリス ウースターシャー ダブリュー アール14 ３ピーエス モルヴァーン セ ント アンドリュース ロード （番地な し） ディーイーアールエイ モルヴァー ン

Claims (63)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の材料の表面に微細突起を設ける方法であって、 該微細突起は、 前記第１の材料に隣接した基部と、 離間した部分つまり先端部分と、 少なくとも該先端部分の領域内のダクトとを備え、 前記方法が、前記第１の材料を微細加工して前記微細突起及びダクトを設ける
   ことを含むことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記ダクトが前記先端部分と前記基部との間に延びている、
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記ダクトが前記微細突起を貫通している、請求項１又は２
   に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記基部が約１０００μｍ未満の幅を有する、請求項１〜３
   のいずれか一項に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記ダクトが前記微細突起の頂点と整合するように作られて
   いる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記ダクトが一つの第１の材料に作られ、続いて、前記微細
   突起が前記ダクトと整合するように、前記微細突起が前記第１の材料に作られる
   、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記第１の材料の表面にマスク層が形成される、請求項１〜
   ６のいずれか一項に記載の方法。
8. 【請求項８】 前記マスク層が二酸化シリコンを含む、請求項７に記載の方
   法。
9. 【請求項９】 リソグラフィー技術を用いて前記マスク層に開口が形成され
   る、請求項７又は８に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記第１の材料が前記マスク層の前記開口の下の領域から
    除去されてダクトを形成する、請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記微細突起が、ａ）アルカリエッチング液を用いるシリ
    コンの異方性ウェットエッチング法、ｂ）焦点合わせされたイオンビームミリン
    グ法、ｃ）プラズマ／イオンビームエッチングを利用してマスク層のドーム状領
    域からパターンを第１の材料に転写する方法のいずれかの方法で形成される、請
    求項６〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 【請求項１２】 マスク層が第１の材料から除去される、請求項７〜１０の
    いずれか一項に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記第１のマスク層の除去後に、前記第１の材料に第２の
    マスク層が作られる、請求項１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記第２のマスク層が二酸化シリコンである、請求項１３
    に記載の方法
15. 【請求項１５】 前記第１の材料が、前記マスク層をアンダーカットする異
    方性エッチング剤を用いてエッチングする、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 低エッチングレートを有する面が、エッチングプロセスを
    拘束して所望の微細突起構造を生成させるように、第１の材料の結晶面を配向さ
    せる、請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記第２のマスク層をその後除去する、請求項１５又は１
    ６に記載の方法。
18. 【請求項１８】 前記ダクトの内面を覆う前記第２のマスク層を残すように
    、前記第１の材料の上面を覆う前記第２のマスク層の一部を除去する、請求項１
    ３又は１４に記載の方法。
19. 【請求項１９】 その後、前記マスク層を実質的に痛めることなく、前記ダ
    クトの内面の第２のマスク層の周囲から前記第１の材料を除去する、請求項１８
    に記載の方法。
20. 【請求項２０】 前記微細突起を前記第１の材料の材料とは異なる第２の材
    料で形成する、請求項１９に記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記第２のマスク層の周囲から前記第１の材料が除去され
    る前に、ダクトの内面を覆う第２のマスク層の一部が除去される、請求項１８〜
    ２１のいずれか一項に記載の方法。
22. 【請求項２２】 微細突起の断面がダクトの断面によって規定される、請求
    項１８〜２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 【請求項２３】 前記ダクトの断面が、円形、正方形、矩形、又は楕円形で
    ある、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 【請求項２４】 前記第２のマスク層が、ＳｉＯ２、金属、セラミック、ポ
    リマー、又は半導体である、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記方法が、前記材料から前記微細突起を作って、次に、
    該微細突起を通る前記ダクトを作ることを含む、請求項１〜５のいずれか一項に
    記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記プロセスの第１の工程として、前記第１の材料の表面
    にマスク層が作られる、請求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記マスク層が、実質的に、正方形又は変形された正方形
    である、請求項２６に記載の方法。
28. 【請求項２８】 前記マスク層が二酸化シリコンである、請求項２６又は２
    ７に記載の方法。
29. 【請求項２９】 前記第１の材料が、前記マスク層をアンダーカットする異
    方性エッチング剤を用いてエッチングされる、請求項２５〜２８のいずれか一項
    に記載の方法。
30. 【請求項３０】 低エッチングレートを有する面がエッチングプロセスを拘
    束して所望の微細突起構造を作るように、第１の材料の結晶面が配向される、請
    求項２９に記載の方法。
31. 【請求項３１】 前記ダクトはが、該ダクトが前記微細突起の頂点と整合す
    るように作られる、請求項２５〜３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 【請求項３２】 前記微細突起が、ａ）アルカリエッチング液を用いるシリ
    コンの異方性ウェットエッチング法、ｂ）焦点合わせされたイオンビームミリン
    グ法、ｃ）プラズマ／イオンビームエッチングの一種を利用してドーム状レジス
    トマスクからそのパターンをシリコンに転写する方法のいずれか一つの方法で形
    成する、請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の方法。
33. 【請求項３３】 残存する前記第１の材料が平坦化層で覆われる、請求項２
    ９又は３０に記載の方法。
34. 【請求項３４】 前記平坦化層が、リソグラフィーを用いてパターニング及
    びエッチングすることによってパターン化されて、第１の材料の一部を露出させ
    る、請求項３３に記載の方法。
35. 【請求項３５】 前記第１の材料の露出部分が、その軸に対して直角方向に
    取った形成すべきダクトの断面積と実質的に等しい、前記軸に対して直角方向に
    とった最大断面積を有する、請求項３４に記載の方法。
36. 【請求項３６】 前記第１の材料の前記部分が露出されると、前記ダクトが
    エッチングされる、請求項３８又は３９に記載の方法。
37. 【請求項３７】 前記微細突起及びダクトが作られたら、前記方法が、前記
    ダクトをリザーバに連結することを更に含む、請求項１〜３６のいずれか一項に
    記載の方法。
38. 【請求項３８】 前記第１の材料の一部が、前記微細突起が作られている第
    １の材料の側とは反対の側から除去される、請求項３７に記載の方法。
39. 【請求項３９】 前記第１の材料が第２の材料に取り付けられる、請求項３
    ７又は３８に記載の方法。
40. 【請求項４０】 前記第２の材料がチャンネルを有し、該チャンネルが前記
    ダクトと連結して前記ダクトをリザーバに連結する、請求項３９に記載の方法。
41. 【請求項４１】 前記第１の材料が、前記ダクトと連通して前記ダクトをリ
    ザーバに連結するチャンネルを有する、請求項３９又は４０に記載の方法。
42. 【請求項４２】 前記２つの材料が同一の材料から作られる、請求項３９〜
    ４１のいずれか一項に記載の方法。
43. 【請求項４３】 前記微細突起の材料の表面が変質される、請求項１〜４２
    のいずれか一項に記載の方法。
44. 【請求項４４】 前記微細突起の前記材料の表面が多孔化される、請求項１
    〜４３のいずれか一項に記載の方法。
45. 【請求項４５】 前記多孔化が、電気化学陽極酸化法、又は、構造体を有色
    エッチング液に浸漬することにより行われる、請求項４４に記載の方法。
46. 【請求項４６】 前記微細突起が、前記第１の材料の表面に実質的に直角に
    作られる、請求項１〜４５のいずれか一項に記載の方法。
47. 【請求項４７】 前記微細突起が、前記第１の材料の表面に関して鋭角に傾
    斜して作られる、請求項１〜４６のいずれか一項に記載の方法。
48. 【請求項４８】 前記ダクトをエッチングするのに、ａ）前記平坦化層がマ
    スクとして機能するディープドライエッチング法、ｂ）構造体の陽極酸化法、、
    ｃ）レーザアブレーション法、ｄ）焦点合わせされたイオンビームミリング法の
    いずれか一つの方法が用いられる、請求項１〜４７のいずれか一項に記載の方法
    。
49. 【請求項４９】 ＨＦ含有液を用いて構造体の陽極酸化を行う、請求項４８
    に記載の方法。
50. 【請求項５０】 第１の材料の表面に設けられた基部と、 離間した部分つまり先端部分とを含み、 少なくとも前記該先端部分の領域にダクトとを有することを特徴とする微細突
    起。
51. 【請求項５１】 前記ダクトが、前記先端部分と前記基部との間に延びてい
    る、請求項５０に記載の微細突起。
52. 【請求項５２】 前記ダクトが前記微細突起を貫通する、請求項５０又は５
    １に記載の微細突起。
53. 【請求項５３】 前記微細突起が、マイクロニードル、マイクロバーブ又は
    マイクロチューブ、マイクロキュベット、マイクロコンデュイット、マイクロコ
    ネクタ、マイクロロッド等からなる、請求項５０〜５２のいずれか一項に記載の
    微細突起。
54. 【請求項５４】 前記基部が、約１０００μｍ未満の幅を有する、請求項５
    ０〜５３のいずれか一項に記載の微細突起。
55. 【請求項５５】 第１の材料の表面に作られたマイクロチューブ。
56. 【請求項５６】 前記マイクロチューブが、約１０００μｍ未満の幅の基部
    を有する、請求項５５に記載のマイクロチューブ。
57. 【請求項５７】 前記マイクロチューブが、前記第１の材料の材料とは異な
    る材料から作られる、請求項５５又は５６に記載のマイクロチューブ。
58. 【請求項５８】 前記第１の材料がシリコンであり、また、前記マイクロチ
    ューブがＳｉＯ２、金属、セラミック、ポリマー、半導体又はプラスティック材
    料のいずれか一つの材料から作られる、請求項５５に記載のマイクロチューブ。
59. 【請求項５９】 前記マイクロチューブが、実質的に、正方形、矩形、円形
    、楕円形の断面のいずれか一つの断面を有する、請求項５５〜５８のいずれか一
    項に記載のマイクロチューブ。
60. 【請求項６０】 マイクロキュベットからなる、請求項５５から５９のいず
    れか一項に記載のマイクロチューブ。
61. 【請求項６１】 請求項５５〜６０のいずれか一項に記載のマイクロチュー
    ブが設けられ、該マイクロチューブ内の物質を分析するために分析手段が設けら
    れているマイクロ分析システム。
62. 【請求項６２】 ２以上のマイクロチューブを有する、請求項６１に記載の
    マイクロ分析システム。
63. 【請求項６３】 薬品又はその他の物質のマイクロチューブへの搬送を可能
    にする搬送手段を含む、請求項６０又は６２に記載のマイクロ分析システム。