JP2005204837A - 薬液放出制御用マイクロ液体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
検体の微小部位に局所的に作用させる薬液の量、ひいては薬液に含まれる薬物の量を精密に制御する薬液放出制御用マイクロ流体デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】
培養される細胞２１の直下に、埋め込みシリコン酸化膜１３に形成された放出孔１４を配置したので、放出孔１４を介して、細胞２１の微小部位に局所的に薬液２２を作用させることができる。また、放出孔１４の極近傍には、マイクロバルブ１８が配置されている。そのため、マイクロバルブ１８の開閉により、放出孔１４からの薬液２２の放出量、ひいては薬液２２に含まれる薬物の放出量を精密に制御することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、薬液放出制御用マイクロ液体デバイスおよびその製造方法、詳しくは検体に対して微量な薬液の放出を行い、その放出量を制御することが可能な薬液放出制御用マイクロ液体デバイスおよびその製造方法の技術に関する。

近年、細胞レベルでの診断技術や治療技術、細胞（検体）を利用した創薬技術、細胞を利用したバイオセンサ技術にあっては、多数の細胞集団のふるまいや平均値をあつかう手法ではなく、単一細胞レベルの挙動を計測して制御する技術の開発が必要となってきている。
従来、非特許文献１のマイクロ液体デバイスのように、マイクロ流路中で細胞を培養し、流路を通じて薬液中の薬物を細胞に作用させ、その応答を観察する研究がなされていた。
T. Munaka, M. Kanai, H. Abe, Y. Fujiyama, T. Sakamoto, A. Mahara, A. Yamayoshi, H. Nakanishi, S. Shoji, and A. Murakami, In situ Cell Monitoring on a Microchip Using Time-Resolved Fluorescence Anisotropy Analysis, Proceedings of 7th International Conference on Micro Total Analysis Systems, 米国, The Transducers Research Foundation, October 5-9, 2003, pp.283-286

このように、非特許文献１はマイクロ流路中で細胞を培養し、流路を通じて薬液中の薬物を細胞に作用させ、その応答を観察する構成であった。しかしながら、単一細胞の微小部位に局所的に薬物を作用させることは全く考慮されていなかった。
そこで、発明者らは、鋭意研究の結果、薬液を放出する放出孔と、薬液を放出するタイミングや量を制御するマイクロバルブとを同一の基板（シリコン単結晶基板）上に配設すれば、細胞の微小部位に局所的に薬物を作用可能であることに想到した。

ところが、シリコン単結晶基板の厚さは数百μｍを有している。そのため、シリコン単結晶基板の表面側にマイクロ流路を形成し、放出孔付きの酸化膜をその基板の裏面側に形成した場合、基板の厚さ分だけ、放出孔とマイクロバイブとが５００μｍ程度も離間した状態となる。これにより、放出孔とマイクロバルブとは、互いを極近傍に配置することができなくなる。その結果、放出孔からの薬液の放出後にマイクロバルブを閉じると、多量の薬液が放出孔とマイクロバルブとの間の空間に残留してしまう懸念がある。よって、その残留液により、放出孔からの薬液の放出がすぐには止まらず、マイクロバルブの開閉による薬液の放出の制御性（応答性）に大きな課題が生じるおそれがある。

この発明は、検体の微小部位に局所的に薬液を作用させることができ、そのときの薬液の量、ひいては薬液に含まれる薬物の量を精密に制御することができる薬液放出制御用マイクロ液体デバイスを提供することを目的とする。
また、この発明は、マイクロバルブをその構成面の疎水性の性質と外部圧力のみで動作させることができ、これによりマイクロバルブの微小化およびデバイス全体の構成の簡素化を図ることができる薬液放出制御用マイクロ液体デバイスを提供することを目的としている。
さらに、この発明は、薬液の流路の構成面が親水性、疎水性の性質を利用したマイクロ流路を有したものであっても、ガスが混入されてない薬液を放出孔から検体に放出させることができる薬液放出制御用マイクロ液体デバイスを提供することを目的としている。
さらにまた、この発明は、検体の微小部位に局所的に作用させる薬液の量を精密に制御することができ、しかもマイクロバルブの微小化およびデバイス全体の構成の簡素化を図ることができる薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、検体を収納するチャンバと、該チャンバに、放出孔を通じて微量の薬液を輸送するマイクロ流路と、該マイクロ流路に設けられ、前記放出孔を通じて検体に放出される薬液の量を制御するマイクロバルブとを備えた薬液放出制御用マイクロ液体デバイスであって、前記マイクロバルブは、前記マイクロ流路のうち、前記放出孔との連通部に配置された薬液放出制御用マイクロ液体デバイスである。

請求項１に記載の発明によれば、例えば検体の直下に放出孔を配置することが可能となり、放出孔を介して、検体の微小部位に局所的に薬液を作用させることができる。また、放出孔の極近傍には、マイクロバルブが配置されている。そのため、マイクロバルブの開閉により、放出孔からの薬液（薬物）の放出量を精密に制御することができる。

薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの本体となる基板（チャンバ、マイクロ流路の各構成部材）は限定されない。例えば、シリコン単結晶基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などを採用することができる。シリコン単結晶基板の場合には、例えば２枚の基板間に薄膜を介在させたものでもよい。具体的には、一方のシリコン単結晶基板の貼り合わせ側にマイクロバルブを含むマイクロ流路を形成し、他方のシリコン単結晶基板の貼り合わせ側にチャンバを形成する。しかも、マイクロ流路とチャンバとの間の薄膜に放出孔を穿設する。ただし、薄膜は必須ではない。また、ＳＯＩ基板の場合には、活性層にマイクロ流路を形成し、支持基板用ウェーハにチャンバを形成し、さらにマイクロ流路とチャンバとの間の薄膜に放出孔を穿設したものでもよい。マイクロ流路は、例えば厚さ数μｍ〜数１０μｍの活性層に形成されるため、その分、前記２枚のシリコン単結晶基板に作り込まれるものより、マイクロバルブと放出孔とが近接する。
検体の種類は限定されない。例えば、各種の細胞、生体組織、試験物質、試験薬などを採用することができる。
薄膜の素材は、薄膜に検体を接着させる場合があることから、検体に対して接着性の良い材料が好適である。例えば、シリコン酸化膜などを採用することができる。しかしながら、検体に対して接着性が低い材料でも、例えば薄膜の表面にコラーゲンなどの検体への接着性を高める生体材料をコーティングすれば使用に耐え得る。

チャンバの大きさは、１個の細胞などの検体が固定される大きさがあればよく、特に限定されない。例えば、縦２０μｍ〜１ｃｍ、横２０μｍ〜１ｃｍ、厚さ２０μｍ〜５ｍｍでもよい。
薬液とは、溶液中に所定量の薬物を溶解または混入したものである。薬物としては、例えばインターロイキンや神経成長因子などの細胞の分化・増殖に関与する因子、グルタミン酸やアセチルコリンなどの細胞間の信号伝達物質、環境ホルモンなどの環境負荷因子、創薬上使用する薬剤などを採用することができる。溶液としては、例えば純水、生理食塩水、培地などを採用することができる。薬液の濃度は限定されない。
マイクロ流路の長さ方向に直交する断面形状は限定されない。例えば、円形、楕円形、三角形以上の多角形などが挙げられる。その他、任意の形状でもよい。
マイクロ流路の断面積は１〜５０００μｍ^２、好ましくは１００〜５００μｍ^２である。

放出孔の大きさは、検体の寸法に応じて決定される。例えば、直径数１０μｍ程度の検体に対しては、内径１μｍ程度の放出孔でよい。しかしながら、例えば神経細胞など直径１μｍ以下の極めて細い線維（軸索）を伴うものには、内径１μｍ以下の放出孔が必要である。放出孔は、できるだけ小径である方が、放出孔からの薬液放出の制御性が高まる。

放出孔の形成数は限定されない。例えば１つでもよいし、２つ以上でもよい。
放出孔からチャンバに放出される薬液の量は限定されない。
マイクロバルブが放出孔の極近傍に存在するとは、マイクロバルブと放出孔との離間距離が１００μｍ以下、好ましくは０〜５０μｍである状態をいう。１００μｍを超えると、マイクロバルブを閉じた後、多量の薬液が放出孔とマイクロバルブとの間の空間に残留し、放出孔からの薬液の放出がすぐには止まらず、マイクロバルブの開閉による薬液の放出の制御性（応答性）が悪くなる。
マイクロバルブの構造は限定されない。また、マイクロバルブによる放出孔の開閉操作方法は限定されない。

放出孔の数量は限定されない。ただし、放出孔の数量が少ない方が、検体表面の極めて微小な領域にのみ薬液を作用させることができ、極めて微量の薬液の放出を制御したい場合には有利である。
薬液放出制御用マイクロ液体デバイスは、例えばシリコーン樹脂、シリコンまたはガラスなどからなる架台としての保持基板を有してもよい。

請求項２に記載の発明は、前記マイクロバルブの構成面は、疎水性面を有している請求項１に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイスである。

請求項２に記載の発明によれば、バルブ閉時、マイクロバルブ内の薬液が疎水性面によりはじかれてバルブが閉じる。バルブ開時、マイクロ流路中の薬液に外部からチャンバに向かう圧力を作用させる。これにより、薬液はマイクロバルブを通過し、放出孔から検体に放出される。
このように、マイクロバルブは機械的な動作部を必要とせず、マイクロバルブの構成面の疎水性の性質と、外部からの圧力のみでバルブを開閉させる。そのため、マイクロバルブの微小化が容易で、デバイス全体の構成を極めて簡素化することができる。また、マイクロ流路に疎水性の性質を利用したマイクロバルブを組み込んだので、放出孔の極近傍にマイクロバルブを配置することができる。これにより、バルブ閉時、薬液が放出孔とマイクロバルブとの間の空間に多量に残留することがない。そのため、薬液の放出量の制御が極めて精密になる。

マイクロバルブは、その構成面の全部を疎水性面としてもよい。また、その一部だけを疎水性面としてもよい。
マイクロバルブの構成面を疎水性面とする方法は限定されない。例えば、その構成面を疎水性の材料により形成してもよい。また、親水性を有する構成面に疎水性材料からなる薄膜を成膜してもよいし、疎水性材料をコーティングしてもよい。

請求項３に記載の発明は、前記マイクロ流路の連通部の構成面は、前記マイクロバルブの配置部分より下流部が親水性面で、前記マイクロバルブには、構成面に疎水性面を有し、前記マイクロバルブの内部ガスを排出するガス抜き流路が連通された請求項２に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイスである。

請求項３に記載の発明によれば、バルブ開時、外部の圧力の作用によりマイクロバルブに薬液が押し込まれると、マイクロバルブの内部ガスはガス抜き流路から排出される。マイクロバルブの配置部分より下流部のマイクロ流路は親水性面であることから、バルブの開閉に拘りなく、放出孔は薬液により常に濡れている。その結果、ガス抜きをしながらマイクロバルブに侵入した薬液は、液中にマイクロバルブの内部ガスが取り込まれることなく、前記下流部に残留した薬液と接触して一体化する。よって、その後、薬液が放出孔から検体に放出される際、内部ガスがチャンバに侵入することで発生する検体への薬物作用の効率低下などの不都合をなくすことができる。また、ガス抜きをせずにバルブを開いた場合、マイクロ流路の途中に残ったガスが放出孔から抜けきれず、マイクロバルブを挟んんだその前後の薬液が互いに接触することができず、バルブが開かないおそれもある。

表面張力は、液体の表面または固体の表面が、自ら収縮して可能な限り小さな面積となろうとする力である。薬液と固体面（マイクロ流路の構成面）との関係において、薬液は親水性を有する固体面に対して表面張力がさほど作用しない。言い換えれば、薬液は親水性面に対してなじみやすい。一方、疎水性を有する固体面に対しては、表面張力が作用しやすい。言い換えれば、薬液は疎水性面に対してなじみにくい。請求項３のマイクロバルブを有するマイクロ流路は、これらの性質を生かして形成されている。すなわち、マイクロ流路の連通部は、マイクロバルブの配置部分より下流部の構成面を親水性の高い面、マイクロバルブは疎水性面の高い面とし、マイクロバルブをマイクロ流路中に作り込んでいる。
親水性材料としては、二酸化シリコンなどを採用することができる。また、疎水性材料としては、フッ素樹脂（例えば旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐ）などを採用することができる。外部圧力の発生源は限定されない。例えば、シリンジポンプなどを採用よいし、液面の高さを変えるだけでもよい。

請求項４に記載の発明は、支持基板用ウェーハと活性層との間に埋め込み絶縁膜が介在されたＳＯＩ基板を準備し、該ＳＯＩ基板の支持基板用ウェーハの一部を除去して、前記埋め込み絶縁膜の支持基板用ウェーハ側の面の一部を露出させることにより、前記支持基板用ウェーハの一部に検体を収納するためのチャンバを形成するチャンバ形成工程と、前記ＳＯＩ基板の活性層の一部を除去して、前記埋め込み絶縁膜の活性層側の面を露出させることにより、前記活性層の一部に、前記チャンバに微量の薬液を輸送するためのマイクロ流路を形成する流路形成工程と、前記チャンバおよびマイクロ流路の形成後、該マイクロ流路から露出した埋め込み絶縁膜の活性層側の面に疎水性膜を成膜し、前記マイクロ流路にマイクロバルブを設けるバルブ設置工程と、該マイクロバルブの設置後、前記埋め込み絶縁膜にチャンバとマイクロ流路とを連通し、前記マイクロ流路の薬液をチャンバに放出させる放出孔を形成する穿孔工程と、該放出孔の形成後、前記ＳＯＩ基板の活性層側の面を貼り合わせ面として、前記ＳＯＩ基板を保持基板に貼り合わせる貼り合わせ工程とを備えた薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法である。

請求項４に記載の発明によれば、放出孔を介して、検体の微小部位に局所的に微量の薬物を高精度に作用させることが可能で、しかもマイクロバルブの微小化およびデバイス全体の構成の簡素化を図ることができる薬液放出制御用マイクロ液体デバイスを製造することができる。

ＳＯＩ基板の種類は限定されない。例えば、支持基板用ウェーハに埋め込み絶縁膜を介して貼り合わせた活性層用ウェーハを表面研削、表面研磨して薄膜の活性層を形成した貼り合わせＳＯＩウェーハ、活性層の薄膜化に選択エッチングを採用したＥＬＴＲＡＮＳＯＩウェーハ、活性層の薄膜化に水素イオン剥離を採用したスマートカットＳＯＩウェーハ、活性層の薄膜化に局所プラズマエッチングを採用したＰＡＣＥ−ＳＯＩウェーハ、単結晶シリコンウェーハ中有に高濃度の酸素イオンを注入し、その後、高温熱処理により注入された酸素をシリコンと反応させて埋め込みシリコン酸化膜を形成するＳＩＭＯＸＳＯＩウェーハなどを採用することができる。ＳＯＩ基板は、例えば平面視して縦５〜３０ｍｍ、横５〜３０ｍｍの矩形状にカットされたものを使用してもよい。

支持基板用ウェーハの種類としては単結晶シリコンウェーハ、ガリウム・ヒ素ウェーハなどを採用することができる。
埋め込み絶縁膜としては、例えば酸化膜（シリコン酸化膜など）、窒化膜などを採用することができる。
埋め込み絶縁膜の厚さは限定されない。例えば０．１〜３μｍ、好ましくは０．３〜０．５μｍである。０．１μｍ未満では液体の圧力により埋め込み絶縁膜が破壊されやすくなるという不都合が若干生じる。また、１０μｍを超えると微小な放出孔を形成するのが若干困難になる。
活性層の厚さは限定されない。例えば１〜５０μｍ、好ましくは１０〜１５μｍである。１μｍ未満では流体抵抗が極めて大きくなるためマイクロバルブの開閉が困難になるという若干の不都合が生じる。また、５０μｍを超えると放出孔とマイクロバルブとの間の空間の体積が大きくなり、マイクロバルブの開閉による薬液の放出の制御性（応答性）が若干低下する。

チャンバおよびマイクロ流路を形成する方法はそれぞれ限定されない。例えば、シリコンの結晶異方性エッチング、超小型エンドミルによる機械的加工、シリコーン樹脂による鋳造などを採用することができる。
疎水性膜の素材は限定されない。例えばフッ素樹脂、CH₃基などの官能基をもつシランカップリング剤やチオール系カップリング剤などを採用することができる。
疎水性膜の成膜方法は限定されない。例えば、スピンコート法、ディッピング法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを採用することができる。

疎水性膜の厚さは限定されない。例えば０．０１〜０．３μｍ、好ましくは０．０１〜０．１μｍである。０．３μｍを超えると疎水性膜端部の段差が大きくなるため流体抵抗が大きくなり、マイクロバルブの開閉が困難になるという若干の不都合が生じる。
放出孔の形成方法は限定されない。例えば、集束イオンビーム・エッチング、プラズマエッチング、リアクティブ・イオンエッチングなどを採用することができる。
ＳＯＩ基板と保持基板との貼り合わせ方法は限定されない。例えば、陽極接合、熱圧着、シリコーン樹脂を密着させるだけの方法などを採用することができる。

請求項５に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法は、前記ＳＯＩ基板は、予め表裏両面に酸化膜が形成されたもので、前記チャンバ形成工程では、前記支持基板用ウェーハ側の酸化膜に窓部を形成し、該窓部から露出した支持基板用ウェーハの部分をエッチングし、前記流路形成工程では、前記活性層側の酸化膜に窓部を形成し、該窓部から露出した活性層の部分を埋め込み絶縁膜が露出するまでエッチングする請求項４に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法である。

ＳＯＩ基板の表裏両面に形成される酸化膜は、例えばシリコン酸化膜などである。酸化膜の厚さは限定されない。例えば０．１〜０．５μｍである。酸化膜の形成方法としては、例えば各種のドライ酸化法、各種のウエット酸化法を採用することができる。
窓部の形成方法は限定されない。例えばエッチングなどを採用することができる。
チャンバ形成時の支持基板用ウェーハのエッチング方法およびマイクロ流路形成時の活性層のエッチング方法はそれぞれ限定されない。例えば各種のドライエッチング法、各種のウエットエッチング法を採用することができる。

請求項１に記載の発明によれば、マイクロバルブを、マイクロ流路のうちの放出孔との連通部に配置し、マイクロバルブの開閉により放出孔を通じて検体に放出される薬液の量を制御するように構成したので、検体の微小部位に局所的に薬液を作用させることができ、そのときの薬液の量、ひいては薬液に含まれる薬物の量を精密に制御することができる。

特に、請求項２に記載の発明によれば、マイクロバルブを、その構成面に疎水性面を有することで構成したので、マイクロバルブは機械的な動作部を必要とせず、薬液の流路の構成面の親水性、疎水性の性質と、外部圧力のみで動作させることができる。その結果、マイクロバルブの微小化が可能で、デバイス全体の構成を簡素化することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、マイクロ流路の連通部のうち、マイクロバルブの配置部分より下流部の構成面が親水性面で、マイクロバルブにガス抜き流路を連通したので、薬液の流路の構成面が親水性、疎水性の性質を利用したものであっても、ガスが混入していない薬液を放出孔から検体に放出させることができる。

さらに、請求項４および請求項５に記載の発明によれば、請求項１および請求項２に記載された効果を有する薬液放出制御用マイクロ液体デバイスを製造することができる。

以下、この発明の実施例を参照して説明する。

図１および図２において、１０はこの発明の実施例１に係る薬液放出制御用マイクロ液体デバイスで、この薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０は、ＳＯＩ基板Ａを本体とし、支持基板用ウェーハ１１に形成され、細胞（検体）２１を培養するチャンバ１２と、活性層１５に形成され、チャンバ１２に微量の薬液２２を輸送するマイクロ流路１９と、マイクロ流路１９の一端部に連通された薬液導入用流路１６と、薬液導入路１６の下流部に連通され、その流路内の空気を排出するエアベント用流路１７と、マイクロ流路１９の薬液２２をチャンバ１２に放出する放出孔１４が形成され、チャンバ１２とマイクロ流路１９とを隔てる埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み絶縁膜）１３と、マイクロ流路１９に設けられたマイクロバルブ１８と、これらの支持体となる保持基板２０とを備えている。これらの支持基板用ウェーハ１１、埋め込みシリコン酸化膜１３および活性層１５により、前記ＳＯＩ基板Ａが構成される。活性層１５有するＳＯＩ基板Ａに代えて、例えば図示しない２枚のシリコンウェーハ間に埋め込みシリコン酸化膜を介在させたものを採用してもよい。
また、埋め込みシリコン酸化膜１３と保持基板２０とは協同して、前記薬液導入路１６、エアベント用流路１７およびマイクロ流路１９を内部空間に画成する。

以下、これらの構成体を詳細に説明する。
細胞２１は、直径１０μｍ程度の動物の神経細胞である。チャンバ１２は、平面視して四角形（縦５ｍｍ、横５ｍｍ）を有した厚さ３５０μｍの支持基板用ウェーハ１１の中央部を切欠して得られた平面視して四角形（縦約６００μｍ、横約６００μｍ）の凹部である。
薬液２２は、神経成長因子を濃度１００ｎｇ／ｍｌだけ培地に添加後、攪拌混合したものである。

マイクロ流路１９は、チャンバ１２の外周部の一部分の直下に、埋め込みシリコン酸化膜１３を介在して配置されている。マイクロ流路１９は、長さ５０μｍ、幅５０μｍの平面視して矩形状の短尺な流路である。
埋め込みシリコン酸化膜１３は、厚さ０．５μｍを有している。埋め込みシリコン酸化膜１３のマイクロ流路１９との対向部分には、４つの放出孔１４が格子状に配置されている。各放出孔１４は平面視して正方形状で、各開口面積は０．２５μｍ^２程度である。
保持基板２０はシリコーン樹脂製で、厚さ５ｍ、平面視して四角形（縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ）を有している。

次に、マイクロバルブ１８の動作原理を、図３を参照して説明する。
薬液導入用流路１６の下流部の埋め込みシリコン酸化膜側の構成面と、エアベント用流路１７の埋め込みシリコン酸化膜側の構成面と、マイクロ流路１９の上流部（マイクロバルブ１８の形成部）の埋め込みシリコン酸化膜側の構成面とには、互いに連続する疎水性膜の１つであるフッ素樹脂層（例えば旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐ）２４がそれぞれ形成され、疎水性面となっている。
素材的に言えばシリコン酸化膜の露出面は親水性面であり、単結晶シリコンの露出面と保持基板２０の素材のシリコーン樹脂面は、何れも疎水性面である。そのため、薬液導入用流路１６の下流部の構成面と、エアベント用流路１７の構成面と、マイクロ流路１９の上流部の構成面は、何れも疎水性面となる。これにより、図３（ａ）に示すように、薬液導入用流路１６中に薬液を導入すると、疎水性面から画成されたマイクロバルブ１８の形成領域で、薬液は薬液導入用流路１６側の部分とマイクロ流路１９の放出孔直下の部分とに、空気により分離される。この状態が、マイクロバルブ１８が閉じた状態である。

次に、薬液導入用流路１６にシリンジポンプを用いて外部より圧力を作用させると、図３（ｂ）に示すように薬液が疎水性面のマイクロバルブ１８内に侵入し、最終的には図３（ｃ）に示すように放出孔直下のマイクロ流路１９中の薬液と結合する。この状態が、マイクロバルブ１８が開いた状態である。薬液２２には所定濃度で薬物が溶解している。マイクロバルブ１８の開口により、放出孔直下のマイクロ流路１９中の薬液２２が拡散し、最終的には放出孔１４よりチャンバ１２内へ薬液２２、ひいては薬液２２に溶解された薬物が、拡散によって放出される。

薬液導入用流路１６への外部圧力の作用を解除すると、再び薬液２２は、マイクロバルブ１８を構成する疎水性面上ではじかれて二つに分かれ、マイクロバルブ１８は閉じる。このとき、例えば前述した２枚のシリコンウェーハ間に埋め込みシリコン酸化膜が介在された基板の場合には、放出孔直下のマイクロ流路中に薬液が残留し、チャンバ内に放出された薬液の濃度と薬物の濃度とが等しくなるまで放出孔から薬液の放出が継続され、薬液の放出の制御性が低下するおそれがある。これに対して、薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０では、マイクロバルブ１８を放出孔１４の極近傍に設けることで、放出孔直下のマイクロ流路１９の体積が小さくなる。その結果、バルブ閉弁後における薬液２２の漏出量が低減され、制御性の高い薬液２２の放出が可能になる。

このように、細胞２１の直下に薬液２２を放出する放出孔１４を設け、放出孔１４の極近傍に薬液２２の放出量を制御するマイクロバルブ１８を設けたので、バルブ閉弁時、放出孔１４とマイクロバルブ１８との間の空間に薬液２２がほとんど残留しない。その結果、細胞２１の微小部位に、局所的に薬物を所望の量だけ作用させることができる。
また、マイクロバルブ１８は機械的な動作部を必要とせず、薬液２２が通過する各流路の構成面の親水性、疎水性の性質と、外部圧力のみで動作する。これにより、マイクロバルブ１８の微小化が可能となり、デバイス全体の構成を簡素化することができる。
この薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０は、細胞レベルでの診断技術や治療技術、細胞２１を利用した創薬技術、細胞２１を利用したバイオセンサ技術の開発において、単一細胞レベルの挙動を計測制御する技術への応用が可能である。

次に、実施例１の薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０の製造方法を、図４を参照して説明する。
薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０は、ＳＩＭＯＸ基板であるＳＯＩ基板Ａを本体とする。ＳＯＩ基板Ａは、支持基板用ウェーハ１１と、活性層１５との間に、埋め込みシリコン酸化膜１３を介在させた３層構造を有している。

まず、ＳＯＩ基板Ａを熱酸化装置の炉内に挿入し、酸素９０％、アンモニア１０％の混合ガス雰囲気中で１１００℃、３時間の熱酸化処理を施す。これにより、ＳＯＩ基板Ａの露出面（図４中、支持基板用ウェーハ１１の表面と活性層１５の裏面を含む）の全域に、厚さ０．３μｍのシリコン酸化膜２３が形成される。その後、シリコン基板１１側のシリコン酸化膜２３に、エッチング液として１５．１容量％の１水素２フッ化アンモニウムを含む常温のバッファードフッ酸溶液を使用したリソグラフィ技術により、平面視して矩形状のチャンバ形成用の窓部２３ａをフッ酸エッチングする（図４（ａ））。次に、窓部２３ａを通して、２４〜２７容量％、約８０℃のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液により、支持基板用ウェーハ１１の一部分を異方性エッチングする。異方性エッチングは、ＳＯＩ基板Ａ中の埋め込みシリコン酸化膜１３が露出するまで行う。得られた凹部がチャンバ１２となる（図４（ｂ））。

その後、ＳＯＩ基板Ａの裏面（活性層１５側の面）から、薬液導入用流路１６、エアベント用流路１７およびマイクロ流路１９をそれぞれ形状するパターニングを行う（図４（ｃ））。次に、このパターニングに沿って、ＳＯＩ基板Ａの裏面側のシリコン酸化膜２３の一部分をフッ酸エッチングし、マイクロ流路などの形成用の窓部２３ｂを形成する。
続いて、窓部２３ｂを介して、２４〜２７容量％、約８０℃のＴＭＡＨにより活性層１５を埋め込みシリコン酸化膜１３が露出するまで異方性エッチングする。これにより、薬液導入用流路１６、エアベント用流路１７およびマイクロ流路１９がそれぞれ形成される。

次に、ＳＯＩ基板Ａの裏面にパターニングし、埋め込みシリコン酸化膜１３の裏面のうち、薬液導入用流路１６の下流部と、エアベント用流路１７と、マイクロ流路１９のマイクロバルブ１８が形成される上流部とにフッ素樹脂（旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐ）をスピンコートし、厚さ０．１μｍのフッ素樹脂層２４を形成する（図４（ｄ））。
次いで、集束イオンビーム装置により、放出孔１４を４つドライエッチングする。エッチング条件はビーム径が２２ｎｍ、プローブ電流が３．６ｐAであり、放出孔１個当たりのエッチング時間は約３０秒である（図４（ｅ））。
その後、活性層１５の裏面（露出面）を貼り合わせ面とし、ＳＯＩ基板Ａを保持基板２０に貼着する（図４（ｆ））。以上のようにして、実施例１の薬液放出制御用マイクロ液体デバイス１０を製造することができる。

この発明の実施例１に係る薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの一部断面図を含む斜視図である。 この発明の実施例１に係る薬液放出制御用マイクロ液体デバイスにおける放出孔からの薬液放出状態を示す要部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）この発明の実施例１に係る薬液放出制御用マイクロ液体デバイスにおけるマイクロバルブの動作原理を説明する要部平面図である。 （ａ）〜（ｆ）この発明の実施例１に係る薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法のフローシートである。

符号の説明

１０ 薬液放出制御用マイクロ液体デバイス、
１１ 支持基板用ウェーハ、
１２ チャンバ、
１３ 埋め込みシリコン酸化膜（埋め込み絶縁膜）、
１４ 放出孔、
１５ 活性層、
１８ マイクロバルブ、
１９ マイクロ流路、
２０ 保持基板、
２１ 細胞（検体）、
２３ シリコン酸化膜（酸化膜）、
２３ａ 窓部、
２４ フッ素樹脂層（疎水性膜）、
Ａ ＳＯＩ基板。

Claims (5)

1. 検体を収納するチャンバと、
   該チャンバに、放出孔を通じて微量の薬液を輸送するマイクロ流路と、
   該マイクロ流路に設けられ、前記放出孔を通じて検体に放出される薬液の量を制御するマイクロバルブとを備えた薬液放出制御用マイクロ液体デバイスであって、
   前記マイクロバルブは、前記マイクロ流路のうち、前記放出孔との連通部に配置された薬液放出制御用マイクロ流体デバイス。
2. 前記マイクロバルブの構成面は、疎水性面を有している請求項１に記載の薬液放出制御用マイクロ流体デバイス。
3. 前記マイクロ流路の連通部の構成面は、前記マイクロバルブの配置部分より下流部が親水性面で、
   前記マイクロバルブには、構成面に疎水性面を有し、前記マイクロバルブの内部ガスを排出するガス抜き流路が連通された請求項２に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイス。
4. 支持基板用ウェーハと活性層との間に埋め込み絶縁膜が介在されたＳＯＩ基板を準備し、該ＳＯＩ基板の支持基板用ウェーハの一部を除去して、前記埋め込み絶縁膜の支持基板用ウェーハ側の面の一部を露出させることにより、前記支持基板用ウェーハの一部に検体を収納するためのチャンバを形成するチャンバ形成工程と、
   前記ＳＯＩ基板の活性層の一部を除去して、前記埋め込み絶縁膜の活性層側の面を露出させることにより、前記活性層の一部に、前記チャンバに微量の薬液を輸送するためのマイクロ流路を形成する流路形成工程と、
   前記チャンバおよびマイクロ流路の形成後、該マイクロ流路から露出した埋め込み絶縁膜の活性層側の面に疎水性膜を成膜し、前記マイクロ流路にマイクロバルブを設けるバルブ設置工程と、
   該マイクロバルブの設置後、前記埋め込み絶縁膜にチャンバとマイクロ流路とを連通し、前記マイクロ流路の薬液をチャンバに放出させる放出孔を形成する穿孔工程と、
   該放出孔の形成後、前記ＳＯＩ基板の活性層側の面を貼り合わせ面として、前記ＳＯＩ基板を保持基板に貼り合わせる貼り合わせ工程とを備えた薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法。
5. 前記ＳＯＩ基板は、予め表裏両面に酸化膜が形成されたもので、
   前記チャンバ形成工程では、前記支持基板用ウェーハ側の酸化膜に窓部を形成し、該窓部から露出した支持基板用ウェーハの部分をエッチングし、
   前記流路形成工程では、前記活性層側の酸化膜に窓部を形成し、該窓部から露出した活性層の部分を埋め込み絶縁膜が露出するまでエッチングする請求項４に記載の薬液放出制御用マイクロ液体デバイスの製造方法。

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