JP2004317340A - Manufacturing method of columnar structure, and electrophoretic device using columnar structure - Google Patents

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JP2004317340A JP2003112636A JP2003112636A JP2004317340A JP 2004317340 A JP2004317340 A JP 2004317340A JP 2003112636 A JP2003112636 A JP 2003112636A JP 2003112636 A JP2003112636 A JP 2003112636A JP 2004317340 A JP2004317340 A JP 2004317340A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a columnar structure capable of acquiring a desired micro-aperture, and an electrophoretic device capable of accurately separating DNA or the like. <P>SOLUTION: Many pillars 3 are formed on a silicon substrate 2 by ICP-RIE, and the pillars 3 are thermally oxidized, and a polycrystal silicon film is stuck on the thermally-oxidized pillars 3. The polycrystal silicon film is thermally oxidized, and a polycrystal silicon film 12 is stuck onto the thermally-oxidized polycrystal silicon film. This electrophoretic device has a micro-passage constituted of the columnar structure manufactured by the measuring method and a glass substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に多数の柱状突起が設けられた柱状構造体の製造方法と、この柱状構造体を有する電気泳動デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジーの一分野であるDNA、RNA等の解析技術や分離技術が注目されている。従来、DNA分離手段として、網目状のゲルやポリマーを用いた電気泳動法が知られている。
【0003】
最近では、シリコン基板上に微細な柱が林立している柱状構造体を設け、これをゲルやポリマーの代わりに用いる技術が報告されている(例えば、特許文献1参照)。
このシリコンの柱状構造体は、熱酸化によってシリコンの柱の体積を膨張させ、柱と柱の間隙を狭めるという方法で製造される。熱酸化が施されることにより、柱全体がシリコン酸化物となっているか又はシリコン酸化物で覆われている。柱と柱の間隙は、ゲルやポリマーの網目と同様の働きをする。
また、上記の柱状構造体の上部にカバーガラスを配置して凹部流路を形成し、電気泳動法により凹部流路内のDNAを分離するデバイスが報告されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平4−211232号公報(第4、5頁、図7、8)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したシリコンの柱状構造体の製造方法は、1回の熱酸化によってシリコンの柱と柱の間隙を狭めるので、微細な間隙の制御が難しいという問題がある。つまり、シリコンの柱を形成するためのエッチング条件やシリコンの柱を膨張させるための熱酸化条件を厳密にコントロールしなければ、所望の間隙を得ることはできない。
【0006】
本発明は、所望の微細間隙を得ることができる柱状構造体の製造方法、およびDNA等の正確な分離が可能な電気泳動デバイスを提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1の柱状構造体の製造方法は、シリコン基板にエッチングにて多数の柱状突起(ピラー)を形成する工程と、柱状突起を熱酸化する工程と、熱酸化された柱状突起に多結晶シリコン膜を付着する工程と、多結晶シリコン膜を熱酸化する工程と、熱酸化された多結晶シリコン膜に多結晶シリコン膜を付着する工程とを有することを特徴とする。
【0008】
(2)請求項1の柱状構造体の製造方法において、熱酸化された柱状突起に多結晶シリコン膜を付着する工程と多結晶シリコン膜を熱酸化する工程を繰り返すことが好ましい。
(3)上記の柱状構造体の製造方法において、エッチング方法は、ICP−RIEであることが好ましく、また、多結晶シリコン膜の付着方法は、LPCVDであることが好ましい。
【0009】
(4)請求項5の柱状構造体は、上記のいずれかに記載の製造方法で製造された柱状構造体であって、表面が多結晶シリコン膜を有することを特徴とする。
【0010】
(5)請求項6の電気泳動デバイスは、請求項5の柱状構造体の柱状突起の先端部に透明基板が接合されて形成される微小流路を有し、電気泳動により微小流路内に試料を通過させ分離することを特徴とする。
(6)上記の電気泳動デバイスにおいて、柱状構造体と透明基板とが陽極接合法により接合されるのが好ましい。
(7)上記の電気泳動デバイスは、微小流路に供給する試料およびマイクロ流路から回収する試料を貯蔵する貯蔵部をさらに備えることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)−柱状構造体の製造方法−
以下、本発明による柱状構造体の製造方法について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態による柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。図2は、図1の柱状構造体の製作工程を示す部分断面図である。
【0012】
図1において、柱状構造体1は、シリコン基板2と柱状突起(ピラー)3から構成され、シリコン基板2とピラー3とは一体構造である。多数のピラー3が配列されて成るピラーアレイ(pillar array)4は、シリコン基板2の凹部5に形成されている。ピラー3の高さは、通常、凹部5の深さに等しい。また、ピラー3の配列ピッチおよびピラー3同士の間隙は、いずれも一定である場合が多いが、後述するように、場所によって異なっていてもよい。
【0013】
材質上の観点からは、シリコン基板2は、内部から表面に向かって、シリコン母材2b、シリコン酸化物層11、多結晶シリコン膜12の順に構成されている。ピラー3は、内部がシリコン酸化物層11になっており、その外側に多結晶シリコン膜12が形成された材質構成である。しかし、ピラー3が太い場合には、シリコン基板2と同じように、中心部にシリコンが存在する材質構成になることもある。いずれにしろ、基板表面2a、凹部5の底面、凹部5の側面およびピラー3の表面3aは、いずれも多結晶シリコン膜12になっている。
【0014】
ここで、図2を参照しながら柱状構造体1の製作工程を説明する。図2は、柱状構造体の製作手順を説明するための部分断面図であり、各ピラーの中心軸を通る面で切断した図である。製作工程は、(a)から(f)まで順に進む。ピラー3は、工程が進むにつれて材質と体積が変化してゆくので、各工程でのピラーは、3b〜3fの符号で表す。
【0015】
図2(a)は、シリコン基板2上に塗布されたフォトレジスト膜100にピラーアレイ4となる形状をパターニングしたときの状態を示す。
図2(b)は、ICP−RIE(inductively coupled plasma − reactive ion etching)により、シリコン基板2をエッチングしたときのピラーの状態を示す。例えば、エッチング深さを10μmとした場合、各ピラー3bの径は2μmであり、各ピラー3bの高さは10μmであり、ピラー3b同士の間隔、すなわち配列ピッチは4μmである。
【0016】
ICP−RIEは、0.05〜1Paの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、CClあるいはCF等の酸化性ガスが用いられる。
【0017】
図2(c)は、熱酸化により、シリコン酸化物層11が形成されたピラー3cの状態を示す。熱酸化には、Oガスを用いたドライ酸化、水蒸気またはHO+O混合ガスを用いたスチーム酸化等がある。1050℃で10時間の熱酸化を行うと、シリコン酸化物は2μmの厚さとなるので、ピラー3cはすべてシリコン酸化物となり,体積膨張が生ずる。なお、熱酸化以外の酸化法、例えばOガスをイオン化するプラズマ酸化やエチレングリコール液を用いた陽極酸化によりシリコン酸化物を形成してもよい。
【0018】
図2(d)は、LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)により、多結晶シリコン膜12aを200nm堆積させたピラー3dの状態を示す。
LPCVDは、10〜10Paの減圧下で試料を加熱し、熱エネルギーによる気相化学反応で試料表面に膜を生成させる成膜方法である。この方法は、膜の着き回りに優れ、均一な膜厚が得られるという長所がある。多結晶シリコンの成膜では、プロセスガスとしてSiCl+HあるいはSiHが用いられる。
【0019】
図2(e)は、1050℃で2時間の再度の熱酸化により、多結晶シリコン膜12aが酸化されてシリコン酸化物層11が追加して形成されたピラー3eの状態を示す。
【0020】
図2(f)は、図2(e)のピラー3eの表面に多結晶シリコン膜12を50nm堆積させたピラー3fの状態を示す。この状態は、図1に示したものと同じ状態である。
【0021】
次に、ピラー3同士の間隙の調整について説明する。間隙は、ピラー3の熱酸化による体積膨張を制御することと多結晶シリコン膜12および12aの成膜時の膜厚を制御することで正確に調整される。
熱酸化の理論によると、シリコン酸化物の体積の44%が酸化前のシリコンの体積に相当する。従って、熱酸化後のピラー3cの半径をRc、熱酸化前のピラー3bの半径をRbとすると、式1の関係がある。
【数1】
Rc=Rb/0.44・・・(1)
しかし、熱酸化の実験によると、式2の関係が成り立つので、本実施の形態では、式2を用いる。
【数2】
Rc=Rb/0.55・・・(2)
【0022】
多結晶シリコン膜を熱酸化させた場合は、多結晶シリコン膜が極めて薄いので、式1に関して平面的な近似が成り立つ。すなわち、多結晶シリコン膜の熱酸化前の膜厚をt1、熱酸化後の膜厚をt2とすると、式3の関係が成り立つ。式3は、実験値に適合することが確認されている。
【数3】
t2=t1/0.44・・・(3)
【0023】
式2および式3を熱酸化条件の設定に適用すれば、ピラー3の体積膨張量を制御することができる。また、LPCVDを用いた多結晶シリコンの膜厚を制御することによっても、ピラー3の径の増加量を制御することができる。LPCVDを用いた多結晶シリコンの成膜においては、1nmの精度で膜厚を制御できるので、ピラー3同士の間隙も1nmの精度で制御できる。
【0024】
例えば、図2(b)、(c)において、ピラー3bの径は2μmであるから、完全に熱酸化を行えば、式2から、ピラー3cの径は2.44μmとなる。また、図2(d)、(e)において、多結晶シリコン膜12aを200nm堆積したピラー3dの径は2.84μmとなり、完全に熱酸化を行えば、式3から、ピラー3eの径は3.35μmとなる。200nm厚の多結晶シリコン膜12aは、1050℃×1.5時間の熱酸化条件で完全に酸化することができるが、実際には完全酸化を期するために、1050℃×2時間の熱酸化条件を選択している。
【0025】
しかし、多結晶シリコン膜を一度に厚く成膜すると、膜厚制御の精度が低下する。また、熱酸化の際に、膜の内部ほど酸化速度は低下する。従って、多結晶シリコン膜を比較的薄く成膜して熱酸化を行う方が、膜厚精度も向上し、酸化速度も大きくなる。多結晶シリコンの成膜と熱酸化を繰り返すことによって、ピラー3同士の間隙Gの精度も向上し、処理全体としての効率も上がる。
【0026】
図2(d)と(e)の工程を繰り返して行うことにより、例えば、2回目として、80nm厚の多結晶シリコン膜を形成した後に完全酸化を施せば、ピラー3eの径は3.35μmから3.71μmに増える。(b)の工程で、ピラー3bの配列ピッチは4μmであるから、ピラー3e同士の間隙は、0.29μmとなる。
【0027】
図2(f)の工程において、ピラー3fの最表面には多結晶シリコン膜12が成膜される。この多結晶シリコン膜12には熱酸化を施さない。例えば、多結晶シリコン膜12の厚さを50nmとすると、ピラー3fの径は3.81μmとなり、ピラー3f同士の間隙Gは、0.19μmとなる。
【0028】
上述のような製造方法を用いて柱状構造体1を作製することにより、最終的なピラー3同士の間隙Gを1nmの精度で形成することができる。
【0029】
(第2の実施の形態)−電気泳動デバイス−
図3は、本発明の第2の実施の形態による電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。この電気泳動デバイスのシリコン基板には、第1の実施の形態による柱状構造体が同一製造方法、同一寸法で形成されている。以下、柱状構造体1Aの各構成要素の符号は、図1の柱状構造体1のものを用いる。
図4は、シリコン基板とガラス基板が貼り合わされて成る微小流路を模式的に示す部分透視図である。図4においては、柱状構造体1Aの存在領域のみが示され、凹部5内に林立しているピラーアレイ4は図示を省略されている。
【0030】
図3に示されるように、電気泳動デバイス20は、柱状構造体1A、リザーバー(貯蔵部)21〜24、チャンネル25,26および電極27a,27b,28a,28bが設けられたシリコン基板2Aとガラス基板30とが貼り合わされて構成される。図3は、ガラス基板30を透してシリコン基板2Aを見た図に相当する。
ガラス基板としては、厚さ50〜500μmのパイレックスガラス(米国コーニング社の登録商標)が用いられる。また、Li,Na、K等のアルカリ金属を含むガラスも用いることができる。
【0031】
4個のリザーバー21〜24は、外部から供給されたDNA分子、RNA分子等のサンプルを貯蔵したり、電気泳動により分離されたサンプルを回収するための窪みである。チャンネル25と26は、例えば50μmの幅を有し、交差部分Cで互いに連通している溝である。チャンネル25は、リザーバー22と24に接続され、チャンネル26は、リザーバー21と23に接続されている。
【0032】
柱状構造体1Aは、電気泳動デバイス20のチャンネル26の一部分を構成している。柱状構造体1Aは、交差部分Cからリザーバー23寄りに0.1〜0.3mm程度離れた箇所に配設される。柱状構造体1Aのチャンネルに沿った長さは、DNA分子等を分離できる泳動距離に基づいて設定され、例えば0.3〜50mmの範囲である。
柱状構造体1A、リザーバー21〜24およびチャンネル25,26は、シリコンの微細加工技術、すなわちシリコンマイクロマシーニングによって、シリコン基板2Aと一体に形成される。
【0033】
電極27a,27b,28a,28bは、シリコン基板2A上にAu,Pt等の導電膜を蒸着あるいはスパッタリングを用いて形成される。電極27aはリザーバー22の近傍に、電極27bはリザーバー24の近傍に配置されている。また、電極28aはリザーバー21の近傍に、電極28bはリザーバー23の近傍に配置されている。
【0034】
図3では、電極27a,27bは、それぞれ直流電源27cの負極、正極に接続される。また、電極28a,28bは、それぞれ直流電源28cの負極、正極に接続される。但し、後述するように、電気泳動処理を行うときには、負極は接地、正極も随時接地に切り替えられる。
【0035】
シリコン基板2Aは、柱状構造体1A、リザーバー21〜24、チャンネル25,26および電極27a,27b,28a,28bが設けられた後に、陽極接合によってガラス基板と貼り合わされる。陽極接合の前に、ガラス基板には、リザーバー21〜24にそれぞれ連通するように位置決めされた4つの貫通孔(不図示)が形成される。貫通孔の径は、1〜3mmである。貫通孔の形成には、超音波加工、砥粒噴射加工等が用いられる。
【0036】
図4においては、柱状構造体1Aの存在領域のみが示され、凹部5内に林立しているピラーアレイ4は図示を省略されている。図示のように、柱状構造体1Aの凹部5は、ガラス基板30により上部が閉塞され、矢印方向に延在するトンネル状の微小流路10となる。
【0037】
シリコン基板2Aとガラス基板30とを貼り合わせる陽極接合について説明する。
シリコン基板2Aの表面2aおよびピラー3の表面3aは、いずれも多結晶シリコン膜12になっている。図示のように、柱状構造体1Aとガラス基板30を接触させ、500〜600℃に加熱した状態で、500〜800Vの高電界を印加する。このとき、柱状構造体1Aを陽極、ガラス基板30を陰極とすると、両者の界面において、柱状構造体1A側に正電荷、ガラス基板30側に負電荷が対向するように蓄積される。この正電荷と負電荷との間に働く静電引力によって、多結晶シリコン膜12中のSi原子とガラス基板30中の酸素イオンが化学結合する。つまり、柱状構造体1Aの最表面の多結晶シリコン膜12が接着剤の役割をして、シリコン基板2Aの表面2aおよび各々のピラー3の頭部は、ガラス基板30と強固に接合される。
【0038】
従って、微小流路10にDNA分子、RNA分子等のサンプルを流したときに、これらが外部に漏れる恐れはない。同様に、図3に示されるリザーバー21〜24およびチャンネル25,26からサンプルが外部に漏れる恐れもない。
【0039】
なお、従来のDNA分離デバイスは、カバーガラスを柱の上に配置しているが、柱がシリコン酸化物となっているので、柱とカバーガラスとの間で十分な結合を得るのは困難であった。十分な結合性が保証されないと、分離作業中に流路内のDNA等のサンプルが溢れ出る可能性があり、正確なデータの取得や分離過程の観察に支障をきたす恐れがあった。
【0040】
多結晶シリコン膜12は、第1の実施の形態で述べたように、厚さ50nmと極めて薄いので、高抵抗である。微小流路10の内面は全面が多結晶シリコン膜12に覆われている。従って、多結晶シリコン膜12に直接に電極27a,27b,28a,28bを形成し電界を印加しても、多結晶シリコン膜12中を流れる電流による電圧降下やショート等の問題は生じない。
【0041】
次に、図3を参照しながら、本実施の形態の電気泳動デバイス20を用いてDNAを分離する手順を説明する。
分析用バッファー液が電気泳動デバイス20内に注入された後、蛍光試薬で染色されたDNAサンプルは、リザーバー22に供給される。DNAサンプルは、各種の分子サイズを有する混合サンプルである。電極27bを正極として電圧が印加される。このとき、電極27a,28a,28bは接地されている。DNA分子はマイナスに帯電しているので、チャンネル25内を紙面上で下から上に向って移動する。
【0042】
DNAサンプルが交差部分Cに移動してきたときに、電極28bを正極として電圧が印加される。このとき、電極27a,27b,28aが接地されている。DNAサンプルは、向きを変えてチャンネル26内を紙面上で右から左に向って移動し、微小流路10内を通過していき、リザーバー23で回収される。
【0043】
電気泳動デバイスの改良例として、図3の電気泳動デバイスに交流回路あるいは電磁コイルを追加した構成がある。図3において、不図示の交流回路により、柱状構造体1Aの幅方向(紙面上で上下方向)に交流電界が印加される。この作用により、DNA分子は、幅方向に伸長されながら泳動する。DNA分子にはモーメントがかかるので、分子長に応じて泳動速度に差が生じる。各DNA分子にはこの速度差があるために、より精密な分離がなされる。交流電圧は、数V〜1000Vの範囲である。
また、図3において、不図示の電磁コイルにより、柱状構造体1Aの上下方向(紙面に垂直な方向)に磁場を発生させた場合も同様の作用により、各DNA分子について、より精密な分離がなされる。磁場の強さは、0.1〜10テスラの範囲である。
【0044】
DNAサンプルが微小流路10内を通過する様子は、蛍光顕微鏡により、ガラス基板30を透して観察することができる。蛍光顕微鏡の対物レンズは、その光軸がガラス基板30の表面と直交するように、微小流路10の真上にセットされる。ガラス基板30の厚さは、50〜500μmであるが、観察倍率が高いときには、焦点深度が短いので、薄いガラス基板を用いるのが望ましい。
【0045】
なお、本発明では、ガラス基板以外の透明基板として、シリコーンゴムシート、合成ゴムシート等も用いることができる。これらのゴムシートは、シリコン基板2Aの表面2aおよびピラー3の表面3aに押し付けられることで接合される。
【0046】
微小流路10の長さを1mm、ピラー同士の間隙を300nm、電極28aと28b間の印加電圧を600Vとして、分子サイズ200bpと300bpのDNAサンプルを用いて、電気泳動処理を行った。蛍光顕微鏡による観察において、DNA分子が微小流路10内を移動している状態が観察できた。また、2種類のDNA分子の分離が確認できた。
【0047】
本実施の形態の電気泳動デバイス20では、微小流路10内に林立するピラー同士の間隙は300nmであったが、本発明はこれのみに限られず、DNAサンプルの分子サイズに応じて適宜選択することができる。分子サイズが大きい場合は、ピラー同士の間隙を広くし、分子サイズが小さい場合は、ピラー同士の間隙を狭くするのが、短時間で正確な分離を可能にする。ピラー同士の間隙を調整するには、第1の実施の形態で説明したように、多結晶シリコン膜12,12aの膜厚を制御すればよい。
【0048】
また、ピラーアレイ4の配列ピッチは4μmと一定であったが、微小流路10の上流部分では配列ピッチを大きくし、下流部分では配列ピッチを小さくしてもよい。配列ピッチは、連続的に変化するようにしてもよい。これは、図2(a)のパターニングにより実現できる。これにより、ピラー同士の間隙も変化する。分子サイズが広範囲にわたるDNAサンプルに対しては、大きな分子サイズのDNAの目詰まりを防止できるとともに、小さな分子サイズのDNAの分離も正確に行うことができる。
【0049】
さらに、ピラー3の形状は、ストレートな円柱であったが、ピラーの径が高さ方向に変化するように形成してもよいし、ピラーの形状が部分的に屈曲していてもよい。ピラー同士の間隙が広い部分は、大きな分子サイズのDNAの目詰まりを防止する効果があり、ピラー同士の間隙が狭い部分は、小さな分子サイズのDNAの分離を正確に行うことができる。
【0050】
本発明の製造方法による柱状構造体は、電気泳動デバイスのみならず、タンパク質の分離フィルタ、微小パーティクルフィルタ等の各種のフィルタにも適用できる。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法で柱状構造体を製作すれば、所望の微細間隙を得ることができる。この柱状構造体を有する電気泳動デバイスは、DNA等の正確な分離が可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る製造法で製作された柱状構造体の構造を模式的に示す部分斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る柱状構造体の製作工程を示す部分断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る電気泳動デバイスの全体構成を模式的に示す平面図である。
【図4】本発明の第2実施の形態に係る電気泳動デバイスの構成要素である微小流路を模式的に示す部分透視図である。
【符号の説明】
1,1A:柱状構造体
2,2A:シリコン基板
3:ピラー(柱状突起)
4:ピラーアレイ
5:凹部
10:微小流路
11:シリコン酸化物層
12,12a:多結晶シリコン膜
20:電気泳動デバイス
21〜24:リザーバー
25,26:チャンネル
27a,27b,28a,28b:電極
30:ガラス基板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a columnar structure in which a large number of columnar projections are provided on a silicon substrate, and an electrophoretic device having the columnar structure.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been focused on analysis techniques and separation techniques for DNA and RNA, which are one field of biotechnology. Conventionally, as a DNA separation means, an electrophoresis method using a mesh gel or a polymer has been known.
[0003]
Recently, a technique has been reported in which a columnar structure in which fine columns are erected on a silicon substrate is used instead of a gel or a polymer (for example, see Patent Document 1).
This silicon columnar structure is manufactured by a method of expanding the volume of the silicon column by thermal oxidation and narrowing the gap between the columns. As a result of the thermal oxidation, the entire column is made of silicon oxide or covered with silicon oxide. The gap between the columns works like a gel or polymer network.
Further, there has been reported a device in which a cover glass is arranged on the columnar structure to form a concave flow path and the DNA in the concave flow path is separated by electrophoresis.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-4-21232 (pages 4, 5; FIGS. 7, 8)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described method for manufacturing a silicon columnar structure has a problem that it is difficult to control a minute gap because a single thermal oxidation narrows the gap between silicon columns. That is, a desired gap cannot be obtained unless the etching conditions for forming the silicon pillars and the thermal oxidation conditions for expanding the silicon pillars are strictly controlled.
[0006]
The present invention provides a method for producing a columnar structure capable of obtaining a desired fine gap, and an electrophoresis device capable of accurately separating DNA and the like.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
(1) A method for manufacturing a columnar structure according to claim 1 includes a step of forming a large number of columnar projections (pillars) on a silicon substrate by etching, a step of thermally oxidizing the columnar projections, and a step of thermally oxidizing the columnar projections. The method includes a step of attaching a polycrystalline silicon film, a step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film, and a step of attaching a polycrystalline silicon film to the thermally oxidized polycrystalline silicon film.
[0008]
(2) In the method for manufacturing a columnar structure according to claim 1, it is preferable that the step of attaching a polycrystalline silicon film to the columnar protrusions thermally oxidized and the step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film be repeated.
(3) In the method for manufacturing a columnar structure, the etching method is preferably ICP-RIE, and the polycrystalline silicon film is preferably deposited by LPCVD.
[0009]
(4) A columnar structure according to a fifth aspect is a columnar structure manufactured by any one of the above-described manufacturing methods, wherein the surface has a polycrystalline silicon film.
[0010]
(5) The electrophoretic device according to claim 6 has a microchannel formed by joining a transparent substrate to the tip of the columnar protrusion of the columnar structure according to claim 5, and the electrophoresis device causes the microchannel in the microchannel by electrophoresis. The sample is passed and separated.
(6) In the above electrophoretic device, it is preferable that the columnar structure and the transparent substrate are bonded by an anodic bonding method.
(7) It is preferable that the electrophoresis device further includes a storage unit that stores a sample to be supplied to the microchannel and a sample to be collected from the microchannel.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)-Manufacturing method of columnar structure-
Hereinafter, a method for manufacturing a columnar structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial perspective view schematically showing the structure of the columnar structure according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a manufacturing process of the columnar structure of FIG.
[0012]
In FIG. 1, a columnar structure 1 includes a silicon substrate 2 and columnar projections (pillars) 3, and the silicon substrate 2 and the pillar 3 have an integral structure. A pillar array 4 in which a number of pillars 3 are arranged is formed in a concave portion 5 of the silicon substrate 2. The height of the pillar 3 is usually equal to the depth of the recess 5. In addition, the arrangement pitch of the pillars 3 and the gap between the pillars 3 are often constant, but may differ depending on the location as described later.
[0013]
From the viewpoint of the material, the silicon substrate 2 includes a silicon base material 2b, a silicon oxide layer 11, and a polycrystalline silicon film 12 in this order from the inside toward the surface. The pillar 3 has a material configuration in which the inside is a silicon oxide layer 11 and the polycrystalline silicon film 12 is formed outside the silicon oxide layer 11. However, when the pillar 3 is thick, the material may have a structure in which silicon is present at the center, similarly to the silicon substrate 2. In any case, the substrate surface 2a, the bottom surface of the concave portion 5, the side surface of the concave portion 5, and the surface 3a of the pillar 3 are all polycrystalline silicon films 12.
[0014]
Here, the manufacturing process of the columnar structure 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view for explaining a manufacturing procedure of the columnar structure, and is a view cut along a plane passing through the central axis of each pillar. The manufacturing process proceeds in order from (a) to (f). Since the material and volume of the pillar 3 change as the process progresses, the pillar in each process is represented by reference numerals 3b to 3f.
[0015]
FIG. 2A shows a state in which the shape to be the pillar array 4 is patterned on the photoresist film 100 applied on the silicon substrate 2.
FIG. 2B shows a state of a pillar when the silicon substrate 2 is etched by ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching). For example, when the etching depth is 10 μm, the diameter of each pillar 3b is 2 μm, the height of each pillar 3b is 10 μm, and the interval between the pillars 3b, that is, the arrangement pitch is 4 μm.
[0016]
In the ICP-RIE, a sample is etched under a relatively low pressure of 0.05 to 1 Pa using a chemical reaction between ions of a process gas in a high-density plasma and the sample surface. High etching process is possible. An oxidizing gas such as CCl 2 F 2 or CF 4 is used as the process gas.
[0017]
FIG. 2C shows a state of the pillar 3c on which the silicon oxide layer 11 is formed by thermal oxidation. Examples of the thermal oxidation include dry oxidation using O 2 gas and steam oxidation using steam or a mixed gas of H 2 O and O 2 . When thermal oxidation is performed at 1050 ° C. for 10 hours, the silicon oxide has a thickness of 2 μm, so that all the pillars 3c become silicon oxide and volume expansion occurs. The silicon oxide may be formed by an oxidation method other than thermal oxidation, for example, plasma oxidation for ionizing O 2 gas or anodic oxidation using an ethylene glycol solution.
[0018]
FIG. 2D shows a state of a pillar 3d in which a polycrystalline silicon film 12a is deposited to a thickness of 200 nm by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition).
LPCVD is a film formation method in which a sample is heated under a reduced pressure of 10 to 10 3 Pa, and a film is formed on the sample surface by a gas phase chemical reaction using thermal energy. This method has an advantage that the film can be deposited easily and a uniform film thickness can be obtained. In forming polycrystalline silicon, SiCl 4 + H 2 or SiH 4 is used as a process gas.
[0019]
FIG. 2E shows a state of the pillar 3e in which the polycrystalline silicon film 12a is oxidized by the second thermal oxidation at 1050 ° C. for 2 hours and the silicon oxide layer 11 is additionally formed.
[0020]
FIG. 2F shows a state of the pillar 3f in which the polycrystalline silicon film 12 is deposited on the surface of the pillar 3e of FIG. This state is the same as the state shown in FIG.
[0021]
Next, adjustment of the gap between the pillars 3 will be described. The gap is accurately adjusted by controlling the volume expansion of the pillar 3 due to thermal oxidation and controlling the film thickness of the polycrystalline silicon films 12 and 12a at the time of film formation.
According to the theory of thermal oxidation, 44% of the volume of silicon oxide corresponds to the volume of silicon before oxidation. Therefore, if the radius of the pillar 3c after the thermal oxidation is Rc and the radius of the pillar 3b before the thermal oxidation is Rb, there is a relationship of Expression 1.
(Equation 1)
Rc 3 = Rb 3 /0.44 (1)
However, according to the thermal oxidation experiment, the relationship of Expression 2 is established. Therefore, in this embodiment, Expression 2 is used.
(Equation 2)
Rc 3 = Rb 3 /0.55 (2)
[0022]
When the polycrystalline silicon film is thermally oxidized, the polycrystalline silicon film is extremely thin, so that a planar approximation holds with respect to Equation (1). That is, assuming that the thickness of the polycrystalline silicon film before thermal oxidation is t1 and the thickness after thermal oxidation is t2, the relationship of Equation 3 holds. Equation 3 has been confirmed to be compatible with experimental values.
[Equation 3]
t2 = t1 / 0.44 (3)
[0023]
If Equations 2 and 3 are applied to the setting of the thermal oxidation conditions, the volume expansion of the pillar 3 can be controlled. Also, the amount of increase in the diameter of the pillar 3 can be controlled by controlling the thickness of the polycrystalline silicon using LPCVD. In polycrystalline silicon film formation using LPCVD, since the film thickness can be controlled with an accuracy of 1 nm, the gap between the pillars 3 can be controlled with an accuracy of 1 nm.
[0024]
For example, in FIGS. 2B and 2C, since the diameter of the pillar 3b is 2 μm, if thermal oxidation is performed completely, the diameter of the pillar 3c is 2.44 μm from Equation 2. 2D and 2E, the diameter of the pillar 3d on which the polycrystalline silicon film 12a is deposited to a thickness of 200 nm is 2.84 μm. .35 μm. The polycrystalline silicon film 12a having a thickness of 200 nm can be completely oxidized under a thermal oxidation condition of 1050 ° C. × 1.5 hours. However, in order to achieve complete oxidation, a thermal oxidation of 1050 ° C. × 2 hours is performed. You have selected a condition.
[0025]
However, when the polycrystalline silicon film is formed thick at a time, the accuracy of controlling the film thickness is reduced. Also, during thermal oxidation, the oxidation rate decreases as the inside of the film is increased. Therefore, when the polycrystalline silicon film is formed to be relatively thin and thermal oxidation is performed, the film thickness accuracy is improved and the oxidation rate is increased. By repeating the polycrystalline silicon film formation and the thermal oxidation, the accuracy of the gap G between the pillars 3 is improved, and the efficiency of the entire process is increased.
[0026]
By repeating the steps of FIG. 2D and FIG. 2E, for example, if a second oxidation is performed after forming a polycrystalline silicon film having a thickness of 80 nm, the diameter of the pillar 3e can be reduced from 3.35 μm. Increase to 3.71 μm. In the step (b), the pitch between the pillars 3b is 4 μm, so that the gap between the pillars 3e is 0.29 μm.
[0027]
In the step of FIG. 2F, a polycrystalline silicon film 12 is formed on the outermost surface of the pillar 3f. This polycrystalline silicon film 12 is not subjected to thermal oxidation. For example, if the thickness of the polycrystalline silicon film 12 is 50 nm, the diameter of the pillar 3f is 3.81 μm, and the gap G between the pillars 3f is 0.19 μm.
[0028]
By manufacturing the columnar structure 1 using the manufacturing method as described above, the final gap G between the pillars 3 can be formed with an accuracy of 1 nm.
[0029]
(Second embodiment)-Electrophoresis device-
FIG. 3 is a plan view schematically showing the entire configuration of the electrophoresis device according to the second embodiment of the present invention. On the silicon substrate of this electrophoretic device, the columnar structures according to the first embodiment are formed with the same manufacturing method and the same dimensions. Hereinafter, the reference numerals of the components of the columnar structure 1A are the same as those of the columnar structure 1 in FIG.
FIG. 4 is a partial perspective view schematically showing a microchannel formed by bonding a silicon substrate and a glass substrate. In FIG. 4, only the area where the columnar structure 1A exists is shown, and the pillar array 4 standing in the recess 5 is not shown.
[0030]
As shown in FIG. 3, the electrophoresis device 20 includes a silicon substrate 2A provided with a columnar structure 1A, reservoirs (storage portions) 21 to 24, channels 25 and 26, and electrodes 27a, 27b, 28a, and 28b, and glass. The substrate 30 is configured to be bonded. FIG. 3 corresponds to a view in which the silicon substrate 2A is seen through the glass substrate 30.
Pyrex glass (registered trademark of Corning Incorporated, USA) having a thickness of 50 to 500 μm is used as the glass substrate. Further, glass containing an alkali metal such as Li, Na, and K can also be used.
[0031]
The four reservoirs 21 to 24 are recesses for storing samples of DNA molecules, RNA molecules, and the like supplied from the outside, and for collecting samples separated by electrophoresis. The channels 25 and 26 are grooves having a width of, for example, 50 μm and communicating with each other at the intersection C. Channel 25 is connected to reservoirs 22 and 24, and channel 26 is connected to reservoirs 21 and 23.
[0032]
The columnar structure 1A constitutes a part of the channel 26 of the electrophoresis device 20. The columnar structure 1 </ b> A is disposed at a position about 0.1 to 0.3 mm away from the intersection C toward the reservoir 23. The length of the columnar structure 1A along the channel is set based on the migration distance that can separate DNA molecules and the like, and is, for example, in the range of 0.3 to 50 mm.
The columnar structure 1A, the reservoirs 21 to 24 and the channels 25 and 26 are formed integrally with the silicon substrate 2A by a silicon micromachining technique, that is, silicon micromachining.
[0033]
The electrodes 27a, 27b, 28a, 28b are formed on the silicon substrate 2A by depositing a conductive film such as Au, Pt, or the like by using evaporation or sputtering. The electrode 27a is arranged near the reservoir 22 and the electrode 27b is arranged near the reservoir 24. The electrode 28a is arranged near the reservoir 21 and the electrode 28b is arranged near the reservoir 23.
[0034]
In FIG. 3, the electrodes 27a and 27b are respectively connected to the negative electrode and the positive electrode of the DC power supply 27c. The electrodes 28a and 28b are connected to a negative electrode and a positive electrode of the DC power supply 28c, respectively. However, as described later, when performing the electrophoresis process, the negative electrode is switched to ground, and the positive electrode is switched to ground as needed.
[0035]
The silicon substrate 2A is bonded to a glass substrate by anodic bonding after the columnar structure 1A, the reservoirs 21 to 24, the channels 25 and 26, and the electrodes 27a, 27b, 28a and 28b are provided. Prior to the anodic bonding, four through holes (not shown) positioned so as to communicate with the reservoirs 21 to 24 are formed in the glass substrate. The diameter of the through hole is 1 to 3 mm. Ultrasonic processing, abrasive grain injection processing, or the like is used to form the through holes.
[0036]
In FIG. 4, only the area where the columnar structure 1A exists is shown, and the pillar array 4 standing in the recess 5 is not shown. As shown in the figure, the upper part of the concave portion 5 of the columnar structure 1A is closed by the glass substrate 30 to form a tunnel-shaped microchannel 10 extending in the direction of the arrow.
[0037]
The anodic bonding for bonding the silicon substrate 2A and the glass substrate 30 will be described.
The surface 2a of the silicon substrate 2A and the surface 3a of the pillar 3 are both polycrystalline silicon films 12. As shown in the figure, a high electric field of 500 to 800 V is applied while the columnar structure 1A is in contact with the glass substrate 30 and heated to 500 to 600 ° C. At this time, assuming that the columnar structure 1A is an anode and the glass substrate 30 is a cathode, at the interface between the two, a positive charge is accumulated on the columnar structure 1A side and a negative charge is accumulated on the glass substrate 30 side. Due to the electrostatic attraction acting between the positive charge and the negative charge, Si atoms in the polycrystalline silicon film 12 and oxygen ions in the glass substrate 30 are chemically bonded. That is, the polycrystalline silicon film 12 on the outermost surface of the columnar structure 1A functions as an adhesive, and the surface 2a of the silicon substrate 2A and the head of each pillar 3 are firmly joined to the glass substrate 30.
[0038]
Therefore, when a sample such as a DNA molecule or an RNA molecule is flown through the microchannel 10, there is no possibility that the sample leaks outside. Similarly, there is no possibility that the sample leaks from the reservoirs 21 to 24 and the channels 25 and 26 shown in FIG.
[0039]
In the conventional DNA separation device, the cover glass is arranged on the pillar. However, since the pillar is made of silicon oxide, it is difficult to obtain a sufficient bond between the pillar and the cover glass. there were. If sufficient binding is not ensured, a sample such as DNA in the flow path may overflow during the separation operation, which may hinder accurate data acquisition and observation of the separation process.
[0040]
As described in the first embodiment, the polycrystalline silicon film 12 has a very small thickness of 50 nm, and thus has a high resistance. The entire inner surface of the microchannel 10 is covered with the polycrystalline silicon film 12. Therefore, even if the electrodes 27a, 27b, 28a, and 28b are formed directly on the polycrystalline silicon film 12 and an electric field is applied, problems such as a voltage drop and a short circuit caused by a current flowing through the polycrystalline silicon film 12 do not occur.
[0041]
Next, a procedure for separating DNA using the electrophoresis device 20 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
After the analysis buffer solution is injected into the electrophoresis device 20, the DNA sample stained with the fluorescent reagent is supplied to the reservoir 22. DNA samples are mixed samples having various molecular sizes. A voltage is applied using the electrode 27b as a positive electrode. At this time, the electrodes 27a, 28a, 28b are grounded. Since the DNA molecule is negatively charged, the DNA molecule moves from bottom to top on the paper surface in the channel 25.
[0042]
When the DNA sample moves to the intersection C, a voltage is applied with the electrode 28b as the positive electrode. At this time, the electrodes 27a, 27b, 28a are grounded. The DNA sample changes its direction and moves from right to left on the paper surface in the channel 26, passes through the microchannel 10, and is collected by the reservoir 23.
[0043]
As an improved example of the electrophoretic device, there is a configuration in which an AC circuit or an electromagnetic coil is added to the electrophoretic device of FIG. In FIG. 3, an AC electric field is applied to the columnar structure 1A in the width direction (vertical direction on the paper) by an AC circuit (not shown). By this action, the DNA molecules migrate while being elongated in the width direction. Since a moment is applied to the DNA molecule, a difference occurs in the migration speed according to the molecular length. Each DNA molecule has this velocity difference, resulting in more precise separation. The AC voltage is in the range of several volts to 1000 volts.
In FIG. 3, when a magnetic field is generated in a vertical direction (a direction perpendicular to the paper surface) of the columnar structure 1A by an electromagnetic coil (not shown), more precise separation of each DNA molecule is performed by the same operation. Done. The strength of the magnetic field ranges from 0.1 to 10 Tesla.
[0044]
The appearance of the DNA sample passing through the microchannel 10 can be observed through the glass substrate 30 with a fluorescence microscope. The objective lens of the fluorescence microscope is set right above the microchannel 10 so that the optical axis is orthogonal to the surface of the glass substrate 30. Although the thickness of the glass substrate 30 is 50 to 500 μm, it is desirable to use a thin glass substrate when the observation magnification is high because the depth of focus is short.
[0045]
In the present invention, a silicone rubber sheet, a synthetic rubber sheet, or the like can be used as a transparent substrate other than the glass substrate. These rubber sheets are joined by being pressed against the surface 2a of the silicon substrate 2A and the surface 3a of the pillar 3.
[0046]
Electrophoresis was performed using a DNA sample having a molecular size of 200 bp and 300 bp, with the length of the microchannel 10 set to 1 mm, the gap between the pillars set to 300 nm, and the applied voltage between the electrodes 28a and 28b set to 600V. In the observation by the fluorescence microscope, a state where the DNA molecules were moving in the microchannel 10 could be observed. In addition, separation of two types of DNA molecules was confirmed.
[0047]
In the electrophoresis device 20 of the present embodiment, the gap between the pillars standing in the microchannel 10 is 300 nm. However, the present invention is not limited to this, and is appropriately selected according to the molecular size of the DNA sample. be able to. When the molecular size is large, the gap between the pillars is widened, and when the molecular size is small, the gap between the pillars is narrowed, thereby enabling accurate separation in a short time. To adjust the gap between the pillars, the thickness of the polycrystalline silicon films 12 and 12a may be controlled as described in the first embodiment.
[0048]
Although the arrangement pitch of the pillar array 4 is constant at 4 μm, the arrangement pitch may be increased in the upstream portion of the microchannel 10 and reduced in the downstream portion. The arrangement pitch may be changed continuously. This can be realized by the patterning of FIG. Thereby, the gap between the pillars also changes. For a DNA sample having a wide range of molecular sizes, clogging of large molecular size DNA can be prevented, and small molecular size DNA can be accurately separated.
[0049]
Further, the shape of the pillar 3 is a straight cylinder, but may be formed so that the diameter of the pillar changes in the height direction, or the shape of the pillar may be partially bent. A portion having a large gap between pillars has an effect of preventing clogging of DNA having a large molecular size, and a portion having a small gap between pillars can accurately separate DNA having a small molecular size.
[0050]
The columnar structure according to the production method of the present invention can be applied not only to an electrophoretic device but also to various filters such as a protein separation filter and a fine particle filter.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, if a columnar structure is manufactured by the manufacturing method of the present invention, a desired fine gap can be obtained. The electrophoresis device having the columnar structure enables accurate separation of DNA and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial perspective view schematically showing a structure of a columnar structure manufactured by a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a manufacturing process of the columnar structure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view schematically showing an overall configuration of an electrophoretic device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partial perspective view schematically showing a microchannel as a component of an electrophoresis device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1A: columnar structure 2, 2A: silicon substrate 3: pillar (columnar projection)
4: pillar array 5: recess 10: microchannel 11: silicon oxide layers 12, 12a: polycrystalline silicon film 20: electrophoretic devices 21 to 24: reservoirs 25, 26: channels 27a, 27b, 28a, 28b: electrodes 30 : Glass substrate

Claims (8)

シリコン基板にエッチングにて多数の柱状突起を形成する工程と、
前記柱状突起を熱酸化する工程と、
前記熱酸化された柱状突起に多結晶シリコン膜を付着する工程と、
前記多結晶シリコン膜を熱酸化する工程と、
前記熱酸化された多結晶シリコン膜に多結晶シリコン膜を付着する工程とを有することを特徴とする柱状構造体の製造方法。
Forming a large number of columnar projections by etching on the silicon substrate;
Thermally oxidizing the columnar protrusions;
Attaching a polycrystalline silicon film to the thermally oxidized columnar protrusions,
Thermally oxidizing the polycrystalline silicon film;
Attaching a polycrystalline silicon film to the thermally oxidized polycrystalline silicon film.
請求項1の柱状構造体の製造方法において、
熱酸化された柱状突起に多結晶シリコン膜を付着する前記工程と前記多結晶シリコン膜を熱酸化する前記工程を繰り返すことを特徴とする柱状構造体の製造方法。
The method for manufacturing a columnar structure according to claim 1,
A method of manufacturing a columnar structure, comprising repeating the step of attaching a polycrystalline silicon film to the thermally oxidized columnar projections and the step of thermally oxidizing the polycrystalline silicon film.
請求項1または2の柱状構造体の製造方法において、
前記エッチング方法は、ICP−RIEであることを特徴とする柱状構造体の製造方法。
The method for manufacturing a columnar structure according to claim 1 or 2,
The method for manufacturing a columnar structure, wherein the etching method is ICP-RIE.
請求項1または2の柱状構造体の製造方法において、
前記多結晶シリコン膜の付着方法は、LPCVDであることを特徴とする柱状構造体の製造方法。
The method for manufacturing a columnar structure according to claim 1 or 2,
The method of manufacturing a columnar structure, wherein the method of attaching the polycrystalline silicon film is LPCVD.
請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法で製造された柱状構造体であって、表面が多結晶シリコン膜を有することを特徴とする柱状構造体。A columnar structure manufactured by the manufacturing method according to claim 1, wherein a surface of the columnar structure has a polycrystalline silicon film. 請求項5の柱状構造体の柱状突起の先端部に透明基板が接合されて形成される微小流路を有し、電気泳動により前記微小流路内に試料を通過させ分離することを特徴とする電気泳動デバイス。6. A column having a micro channel formed by joining a transparent substrate to a tip of a columnar projection of the columnar structure according to claim 5, wherein a sample is passed through the micro channel by electrophoresis and separated. Electrophoresis device. 請求項6の電気泳動デバイスにおいて、
前記柱状構造体と前記透明基板とが陽極接合法により接合されることを特徴とする電気泳動デバイス。
The electrophoretic device of claim 6,
An electrophoretic device, wherein the columnar structure and the transparent substrate are bonded by an anodic bonding method.
請求項6の電気泳動デバイスにおいて、
前記微小流路に供給する試料および前記微小流路から回収する試料を貯蔵する貯蔵部をさらに備えたことを特徴とする電気泳動デバイス。
The electrophoretic device of claim 6,
An electrophoresis device further comprising a storage unit for storing a sample to be supplied to the microchannel and a sample to be collected from the microchannel.
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