JP2007216325A - 中空チューブの作製方法、中空チューブおよび中空チューブを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に中空チューブとは別材料の柱体を形成し、柱体を犠牲層として用いることで、微小な中空チューブを作製する。
【解決手段】基板２上には、膜４および金属膜６が形成される。基板２上には、金属膜６を触媒として、ＶＬＳ結晶成長法により、プローブ８が形成される。プローブ８の周囲には被覆層１０が形成される。その後、プローブ８の先端部の被覆層１０が除去され、プローブ８が基板２上から除去され、中空チューブ１２が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細な中空チューブおよびその作製方法に関するものである。

従来より、MEMS（微小電気機械システム：Micro
Electro Mechanical System）と呼ばれる微小な構造物の研究が行われている。MEMSは微小な構造物であるため、半導体デバイス技術を用いて、半導体基板上に作製される場合が多い。MEMSに関する文献としては、以下のものが存在する。
T.Tokuda et. al. Sensors and Actuators A, Vol.122, pp.88-98(2005) A.Rodriguez et. al., Sensor and Actuatoes B, Vol. 10, No.1, pp.135-140(2005) LiweiLin et. al. IEEE Journal of Microelectromechanical System Vol.8, No.1,pp.78-84(1999) 特開２０００−３３３９２１号公報

上記の３件の非特許文献は、いずれも、シリコン半導体基板上にMEMSを作製するものであり、シリコン基板をエッチング技術を用いて削ることにより、三次元構造のMEMSを形成するものである。また、特許文献１は、シリコン基板上に、針状突起からなるプローブを作製する技術に関するものである。

近年、MEMSを医療分野に応用するための研究が行われている。例えば、MEMS技術を用いてシリコン基板上に微小な三次元構造のチューブ（中空チューブ）を作製し、チューブを用いて薬剤の注入等を行うものが応用例として挙げられる。シリコン基板上に三次元構造のチューブを作製する場合、上記の非特許文献のように、シリコン基板をエッチング技術で削り、三次元のチューブ構造を作製することが考えられる。しかしながら、エッチング技術を用いて微小な三次元チューブを作製するには、チューブの長さがシリコン基板の膜厚に依存してしまい、所望の長さのチューブを作製できないという問題がある。

また、上記非特許文献３のように、シリコン基板を横方向（基板平面に水平な方向）に削ることにより、三次元チューブを作製することも考えられるが、この方法であると三次元チューブのチューブ内径が大きくなってしまい、生体応用デバイスに用いることは困難である。

そこで、本発明は、基板上に中空チューブとは別材料の柱体を形成し、当該柱体を犠牲層として用いることで、微小な中空チューブを作製することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１に係る発明は、基板上に柱体を形成する工程と、前記柱体とは異なる材料の被覆層を、前記柱体の周囲に形成する工程と、前記柱体の先端部の前記被覆層を除去し、前記柱体の先端部を外部に露出させる工程と、前記柱体を基板上から除去する工程と、からなる中空チューブの作製方法によって実現される。上記の発明によれば、被覆層とは異なる材料の柱体を基板上から除去することで、被覆層による中空チューブを作製することができる。本発明では、中空チューブが基板とは別部材の被覆層によって構成されるため、中空チューブの長さを基板の厚さによらず、所望の長さとすることができる。中空チューブの長さは柱体の長さに依存するため、柱体の長さを変えることで中空チューブの長さを変えることができるからである。

また、本発明の中空チューブは、柱体の周囲に形成された被覆層より構成されるものであるため、中空チューブの厚さを所望の厚さとすることができる。中空チューブの厚さは、柱体の周囲の被覆層の厚さを変えることで適宜変更することができる。また、中空チューブの内径は、柱体の外径の大きさを変えることにより所望の内径の中空チューブを作製することができる。

なお、本発明において、基板とは、柱体および被覆層を支える板状のものであり、柱体を精度良く形成するためには、基板は結晶方位をもつものであることが望ましい。また、基板上の柱体および被覆層を半導体作製技術で作製する場合は、基板は半導体基板あるいは、半導体基板上に絶縁膜が積層した基板であることが望ましい。基板に半導体基板を用いる場合は、基板の材料としてはシリコン基板、ガリウムヒ素基板等を用いることができる。また、半導体基板上に絶縁膜が積層された基板としては、シリコン基板上に絶縁膜であるα−Ａｌ_２Ｏ_３層やγ−Ａｌ_２Ｏ_３層が積層された基板などを用いることができる。

また、本発明の柱体は、基板上に柱状に形成されるものであり、柱の断面形状は円形でもよいし、矩形や他の形状でも良い。作製すべき中空チューブの形状に応じて適宜選択することができる。なお、基板上に柱体を結晶成長させる場合は、結晶成長の性質上、柱体の断面形状を円形とすることが望ましい。また、柱体の断面形状は、すべての断面形状が同一形状であっても良いし、あるいは、柱体の上部に向かうにつれて断面積が大きくなるような形状としても良いし、下部に向かうにつれて断面積が大きくなるような形状としても良い。また、柱体の材料は、基板材料と同じ材料で形成しても良いし、基板と異なる材料で構成しても良い。柱体を基板上に結晶成長させる場合は、結晶成長の容易性から、柱体の材料を基板の材料と同じ材料とすることが望ましい。

また、本発明の被覆層は、当該被覆層は、柱体とは異なる材料で、柱体の周囲に形成されるものであれば良く、柱体の周りに柱体と別の材料を堆積させて被覆層を形成しても良いし、柱体の周囲の材質を柱体の材料と異なる材質に変化させて被覆層としても良い。柱体の周囲の材質を変化させて被覆層とする場合は、被覆層の厚さを非常に薄くすることができ、また、被覆層の断面形状を長さ方向に均等なものとすることができる。なお、被覆層を柱体の材質と異なるものとする場合は、柱体の周囲を酸化させたり、窒化させたりすることができる。また、被覆層の厚さは、酸化工程の時間や窒化工程の時間により変化させることができる。また、被覆層は柱体の周囲に形成されれば中空チューブを形成することができるが、被覆層が基板上に一体的に形成される場合、基板と一体的に中空チューブを作製することができる。

また、本発明の柱体の先端部とは、柱体の基板側の端部と反対側の端部の先端部を意味する。この柱体の先端部の被覆層を除去する方法は、ドライエッチングでも良いしウエットエッチングでも良いが、柱体の先端部の被覆層のみを除去し、柱体の先端部以外の被覆層を除去しないエッチング方法が望ましい。例えば、柱体先端部の被覆層以外の被覆層を保護した状態で、柱体の先端部のみをエッチングすることが考えられる。柱体の先端部の被覆層が完全に除去されることで、中空チューブの先端部が開放状態とされるのである。

また、本発明で、基板上から柱体を除去する場合は、基板上から柱体が完全に除去されることが望ましい。柱体が基板上から完全に除去された場合は、被覆層からなる中空チューブが完全に中空状態となるからである。また、基板上から柱体を除去する場合は、柱体に加え、基板上の一部を除去しても良い。このようにすれば、より確実に柱体を基板上から除去することができるからである。

また、本発明はさらに、前記柱体は気相液相液相結晶成長法により基板上に形成されることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。この発明によれば、気相液相液相結晶成長法により、柱体を基板上に精度良く作製することができるため、中空チューブの形状を精度良く作製することができる。なお気相液相液相結晶成長法とは、Vapor Liquid Solid結晶成長法（ＶＬＳ結晶成長法）であり、基板上の所望の位置に、所望の長さの柱体を作製することができる。柱体をＶＬＳ結晶成長法により形成した場合、柱体の断面形状は円形となる。また、柱体をＶＬＳ結晶成長法で形成する場合は、柱体の材料を基板材料と同じ材料となるようにガスを供給することが望ましい。

また、本発明はさらに、前記被覆層は、前記柱体の材料を酸化あるいは窒化させて形成されることを特徴とする中空チューブの作製方法より実現することもできる。これによれば、被覆層の厚さを薄く形成することができるため、微小な中空チューブを作製することができる。なお、柱体がシリコンの場合、酸化させる場合には柱体の周囲に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を形成することができ、また、窒化させる場合には柱体の周囲に窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）を形成することができる。

また、本発明はさらに、前記柱体は、前記被覆層のエッチングレートよりも前記柱体のエッチングレートが大きいエッチング方法により除去されることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、被覆層の厚さを確保した状態で柱体を除去することができるため、良好な中空チューブを作製することができる。例えば、柱体をシリコンで形成し、被覆層を酸化シリコンで形成した場合、エッチング方法は２フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）ガスによるエッチング方法が望ましい。また、２フッ化キセノンに代えて、６フッ化ヨウ素（ＳＦ_６）を用いることもできる。

また、本発明はさらに、前記基板の材料は、シリコン基板であることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、シリコン基板は結晶性が良いため、柱体の形状を精度良く形成することができる。また、シリコン基板は、信号処理回路などの集積化技術が確立されているため、本発明の中空チューブと他の回路と一体化させることも可能となる。なお、基板にシリコン基板を用いる場合でも、シリコン基板の結晶方位が揃っていることが望ましく、結晶方位は（１１１）面、（１００）面、（１１０）面などが挙げられる。

また、本発明はさらに、前記シリコン基板は、結晶方位が（１１１）面であることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、結晶方位が（１１１）面であるシリコン基板は、他の結晶方位のシリコン基板に対して結晶方位が非常に良く揃っており、結晶方向の揃った柱体を形成することができるため、精度良く中空チューブを作製することができる。

また、本発明はさらに、前記柱体の材料がシリコンであることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、柱体の周りに被覆層を容易に形成することができるため、精度良く中空チューブを作製することができる。柱体がシリコンである場合は、周囲に別の材料を堆積させることが容易となる。また、柱体がシリコンである場合は、シリコンの周囲に酸化膜や窒化膜を容易に形成することができる。

また、本発明はさらに、前記被覆膜は酸化シリコンであることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、酸化シリコン膜は非常に安定性が高く、シリコンの酸化により容易に形成することができるため、精度良く中空チューブを作製することができる。

また、本発明は、前記エッチング方法は、２フッ化キセノンあるいは６フッ化硫黄のガスを用いたエッチングであることを特徴とする中空チューブの作製方法により実現することもできる。これによれば、柱体のシリコンを被覆層の酸化シリコンにダメージを与えることなく、良好にエッチングを行うことができ、精度良く中空チューブを作製することができる。

また、本発明は、基板と、前記基板上に形成された被覆層と、から構成される中空チューブであって、前記被覆層は、前記基板上に形成された柱体の周囲に形成された後、前記柱体が除去されて中空形状となることを特徴とする中空チューブによって構成される。この構成によれば、被覆層とは異なる材料の柱体を基板上から除去することで、被覆層による中空チューブを作製することができる。本発明では、中空チューブが基板とは別部材の被覆層によって構成されるため、中空チューブの長さを基板の厚さによらず、所望の長さとすることができる。

また、本発明はさらに、前記柱体は気相液相液相結晶成長法により基板上に形成されることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記被覆層は、前記柱体の材料を酸化あるいは窒化させて形成されることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記柱体は、前記被覆層のエッチングレートよりも前記柱体のエッチングレートが大きいエッチング方法により除去されることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記基板の材料は、シリコン基板であることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記シリコン基板は、結晶方位が（１１１）面であることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記柱体の材料がシリコンであることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記被覆膜は酸化シリコンであることを特徴とする中空チューブによって構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記エッチング方法は、２フッ化キセノンあるいは６フッ化硫黄のガスを用いたエッチングであることを特徴とする中空チューブとして構成することもできる。

また、本発明はさらに、前記中空チューブと、前記中空チューブと同一基板上に、センサ、ポンプ、細針、集積回路のうちの少なくとも１つを形成したもの、とからなる中空チューブを用いた装置によって構成することもできる。この構成によれば、中空チューブと、ポンプ、センサ、細針、集積回路のうちの少なくとも１つを同一基板上に形成することができるため、微細な構造の装置を構成することができる。例えば、中空チューブ、細針、集積回路が同一基板上に形成された装置においては、細針で測定対象物の測定を行い、測定値を集積回路で演算し、測定値に異常が見られた場合に中空チューブを通して薬剤等の注入をすることができる。

本発明によれば、被覆層とは異なる材料の柱体を基板上から除去することで、被覆層による中空チューブを作製することができる。従って、中空チューブが基板とは別部材の被覆層によって構成されるため、中空チューブの長さを基板の厚さによらず、所望の長さとすることができる

本発明を実施するための実施の形態について以下に詳細に説明する。図１および図２は、本発明が適用された第１の実施形態の中空チューブの作製方法を説明するための断面図である。図１（ａ）の工程では、基板２上に、膜４が形成される。基板２は、結晶方位を持った基板であり、半導体基板、サファイア基板（α−Ａｌ_２Ｏ_３）、γ−Ａｌ_２Ｏ_３基板などを用いることができる。また、半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）基板やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板などを用いることができる。また、基板２としてシリコン基板を用いる場合、（１１１）の結晶方位を持つ基板を用いることが望ましいが、（１００）、（１１０）の結晶方位のものを用いても良い。

また、膜４は、中央部に円形の空隙部を持ち、この空隙部に金属膜６が形成される。この膜４の空隙部の大きさは、後のプローブの径の大きさに応じて変化させることができる。なお、膜４は、例えば、基板２としてシリコン基板を用いた場合は、酸化シリコンＳｉＯ_２膜を用いることができる。膜４は、他の絶縁膜でも良いし、絶縁膜以外にもレジスト等により膜４を形成しても良い。

また、膜４の空隙部の基板２上には、後のＶＬＳ結晶成長法のための触媒である金属膜６が形成される。金属膜６に用いられる金属材料は、金、白金等が用いられる。

続いて、図１（ａ）の工程の後に、図１（ｂ）の工程が行われる。図１（ｂ）の工程では、基板２上にプローブ８が形成される。プローブ８の形成には、ＶＬＳ結晶成長法が用いられる。ＶＬＳ結晶成長法においては、触媒としての金属層６が成膜された基板２が高真空チャンバー内に配置される。その後、チャンバー内に、熱処理が行われた状態でプローブ８を形成する材料が含まれたガスが供給される。この熱処理では、金属層６の金属と基板２の材料が共晶を起こし、液的状態となる。この液的状態の層にガスから材料が供給され、プローブ８が円柱状に形成される。なお、プローブ８の高さ（長さ）は、ガスを供給する時間によって制御することができる。また、プローブ８の径は、膜４の中央の空隙部の大きさや金属膜６の面積により変化させることができる。基板２にシリコン基板を用いた場合は、供給ガスはダイシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガス等が供給される。

なお、図１（ｂ）の工程が終了した状態では、金属膜６がプローブ８の先端部に残された状態となっている。プローブ８はガスから供給された材料により形成されており、基板２の結晶方位に沿って成長する。

続いて、図１（ｂ）の工程の後に図１（ｃ）の工程が行われる。図１（ｃ）の工程では、プローブ８の先端部の金属層６が除去される。金属層６は、金属層６を溶かし、かつ、プローブ８の材料を溶かさない溶液を用いることにより除去することができる。金属層６に金を用いた場合は、王水を用いることができる。また、溶液により金属層６を溶かす以外にも、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｎｇ：反応性イオンエッチング）法を用いて金属層６を除去することもできる。ＲＩＥ法には、３塩化ボロン（ＢＣｌ_３）等の塩素系のガスを用いることができる。ＲＩＥ法によっても、金属層６のみが削られ、プローブ８はダメージを受けないことが必要とされる。

次に、図１（ｃ）の工程に続き、図２（ａ）の工程が行われる。図２（ａ）の工程では、プローブ８の周囲にプローブ８とは別の材料の被覆膜１０を形成する。被覆膜１０は堆積法によってプローブ８の周囲に堆積させても良いが、プローブ８の材料を酸化させて酸化膜を形成し、酸化膜を被覆膜１０とすることが望ましい。この被覆膜１０は、後の中空チューブを形成するものであり、堆積法による被覆膜１０の厚さ均一性よりも酸化膜による厚さ均一性の方が良好となるからである。この場合、プローブ８と被覆膜１０は、互いに異なる材料となる。なお、被覆膜１０を酸化膜によって形成する場合は、高温の炉の中に水素と酸素のガスを供給してプローブ８の周囲を酸化させる。被覆膜１０の厚さは酸化工程の時間によって制御することができるが、中空チューブとしての性能を考慮すると、５００ｎｍの厚さ以上であることが望ましい。なお、プローブ８をシリコンで形成した場合、被覆層１０としてシリコンの酸化膜を用いることができ、被服膜１０はＳｉＯ_２膜となる。

なお、図２（ａ）には示さないが、プローブ８の周囲に被覆膜１０を形成した後に、被覆膜１０の周りに樹脂コーティング層を形成することが望ましい。樹脂コーティング層は、中空チューブを医療用に用いた場合に、生体に対する低侵襲性を確保するためのものである。樹脂コーティング層の厚さは、適宜設計することができるが、望ましくは５００ｎｍ程度とされる。

次に、図２（ａ）の工程に続き、図２（ｂ）の工程が行われる。図２（ｂ）の工程は、プローブ８の上端部の被覆膜１０を除去する工程であり、この工程により、プローブ８の先端部が露出することになる。この被覆膜１０の除去には、フォトリソグラフィー技術を用いた選択エッチング法やＲＩＥ法が用いられる。

次に図２（ｃ）の工程が行われる。図２（ｃ）の工程は、プローブ８を除去し、中空チューブ１２を形成する工程である。図２（ｃ）ではエッチング技術により、プローブ８が除去されるが、プローブ８の材料を除去し、かつ、被覆膜１０をほとんど除去しないか、あるいは被覆膜１０のエッチングレートが非常に小さいエッチング技術を用いる必要がある。プローブ８がシリコンで、被覆膜１０がＳｉＯ_２の場合は、２フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）や６フッ化ヨウ素（ＳＦ_６）を用いることができる。特に、２フッ化キセノンのエッチングレートは、シリコン：ＳｉＯ_２＝１０００００：１となるため、ＳｉＯ_２をほとんど削ることなく、プローブ８のシリコンを削ることができる。また、プローブ８にガリウムヒ素を用いた場合は、塩素系のガス（例えば、３塩化ボロン（ＢＣｌ_３））がエッチングガスとして用いられる。

図２（ｃ）に示すように、プローブ８が完全に除去されると、被覆膜１０により中空チューブ１２が形成される。中空チューブ１２内部のプローブ８の材料を確実に除去するために、プローブ８を除去する際、基板２内部までエッチングが行われることが望ましい。

上述した第１の実施形態では、プローブ８を犠牲層として中空チューブ１２を形成するため、従来のように、基板をエッチングしてチューブを作製する場合に比べ、内径が小さい中空チューブを作製することができる。また、プローブ８の高さを変えることにより、中空チューブ１２の長さ（高さ）を長くすることができる。従来の基板をエッチングして中空チューブを作製する方法では、基板の厚さよりも長い中空チューブの作製は困難であったが、本実施形態では、プローブ８の高さを変えることにより、所望の長さの中空チューブ１２を得ることができる。なお、プローブ８の高さは、プローブ８を作製するＶＬＳ結晶成長法の結晶成長時間を変えることにより、制御することができる。

また、本実施形態の中空チューブ１２の内径は、プローブ８の径を変えることにより変化させることができる。プローブ８の径は、膜４の空隙部の大きさと金属層６の大きさによって制御することができる。

また、本実施形態では、プローブ８を犠牲層として中空チューブ１２を形成するため、基板をエッチングして中空チューブを作製する場合に比べ、中空チューブ１２の形状を精度良く形成することができる。従来のエッチング技術では、中空チューブの位置によってエッチングレートが異なるため、中空チューブの内径を均一にすることが困難である。これに対し、本実施形態では、プローブ８を犠牲層として用いており、中空チューブ１２の内径側が削られる量は少ないため、中空チューブ１２の内径を略均一にすることができる。

また、本実施形態では、プローブ８の材料と被覆層１０の材料を異なる材料としているため、プローブ８と被覆層１０を選択的にエッチングすることができる。これにより、中空チューブ１２の形状を精度良く形成することができる。

また、本実施形態では、被覆層１０としてプローブ８の材料を酸化させて形成される酸化膜を用いた場合、中空チューブ１２のチューブの厚さをより均一なものとすることができる。被覆層１０は、堆積法などによりプローブ８の周りに別の材料を堆積させることによっても形成することができるが、堆積法では被覆層１０の厚さを均一にすることが困難である。一方、被覆層１０をプローブ８の材料の酸化膜で形成した場合、プローブ８の材料の酸化はプローブ８の周囲から一様に進行するため、被覆層１０の厚さ、すなわち、中空チューブ１２のチューブ厚さを略均一とすることができる。また、プローブ８の材料としてシリコンを用い、被覆層１０をシリコンの酸化物であるＳｉＯ_２とした場合、被覆層１０であるＳｉＯ_２は安定な材料であり、均一な厚さの被覆層１０を形成することができる。また、この場合、図２（ｂ）で用いるエッチングガスに２フッ化キセノンとすることにより、中空チューブ１２の材料であるＳｉＯ_２をあまり削ることなく、シリコンのプローブ８を削ることができる。２フッ化キセノンのエッチングレートは、シリコン：ＳｉＯ_２＝１０００００：１とされるからである。

また、本実施形態では、プローブ８の作製方法に、ＶＬＳ結晶成長法を用いているため、プローブ８の形状を精度良く作製することができ、中空チューブ１２の形状を良好なものとすることができる。また、基板２としてシリコン基板を用い、プローブ８をシリコンで形成した場合、シリコンは結晶方位が揃った材料であるため、プローブ８を良好に結晶成長させることができる。

また、本実施形態では、基板２にシリコン基板を用い、シリコン基板の結晶方位を（１１１）面とした場合、プローブ８のシリコンを（１１１）面に沿った結晶方向とすることができ、結晶性の良いプローブ８を形成することができる。（１１１）面のシリコン基板は、他の結晶方位のシリコン基板よりも、ＶＬＳ結晶成長法によって良好な結晶を成長させることができ、これにより、精度良く中空チューブ１２を作製することができる。

また、本実施形態では、プローブ８の作製に、ＶＬＳ結晶成長法を用いているため、プローブ８あるいは中空チューブ１２と他の半導体デバイス、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、集積回路、メモリデバイスなどと一体化させることができる。基板をエッチングしてプローブ８を作製する場合は、プローブ８と他の半導体デバイスの高さ方向の位置関係が問題となり、一体化は困難であるが、本実施形態はそのような困難性はない。

また、本実施形態では、プローブ８の作製方法として、ＶＬＳ結晶成長法を用いているため、基板２上の任意の位置に所望の数のプローブ８を形成することができる。

次に、第１の実施形態により作製された中空チューブを利用した応用例について説明する。図３は第１の実施形態の中空チューブを微小な注射器１４に応用した例について説明するための断面図である。注射器１４は３本の中空チューブ１６より構成されている。３本の中空チューブ１６は、それぞれ高さ（長さ）が異なるものとされている。また、３本の中空チューブ１６の下方の基板１８内には、ポンプ２０が形成されている。ポンプ２０は、３本の中空チューブ１６に対し、それぞれ独立に作動することができる。ポンプ２０の作動により、注射器１４は、中空チューブ１６を通して薬剤の注入や注出を行うことができる。

従って、図３に示す注射器１４により、微小な場所に対し薬剤の注入および注出を可能とすることができる。中空チューブ１６を微小なものとすれば、生体の微小な細胞等に対し、細胞単位で薬剤の投与を行うことができる。また、中空チューブ１６を互いに異なる高さで構成した場合、対象となる細胞に対して選択的に薬剤の投与を行うことができる。

次に、第１の実施形態により作製された中空チューブを利用した他の応用例について説明する。図４は第１の実施形態の中空チューブを微小な注射器２２に応用した例について説明するための断面図である。図４において、基板２４上には、第１の実施形態により作製された中空チューブ２６が形成されている。プラスチックシリンジ２８は、基板２４に対して治具３０を用いて固定されており、プラスチックシリンジ２８の開口部と基板２４の開口部が接続されている。

以上説明した図４の注射器２２においても、微小な場所に対し、薬剤の注入および注出を可能とすることができる。中空チューブ２６を微小な大きさのもので構成することができるため、細胞単位で薬剤の投与を行うことができる。また、プラスチックシリンジ２８を用いることにより、注射器２２の無痛針として使用することも可能である。

次に、第１の実施形態により作製された中空チューブと他のデバイスとを一体化した応用例について説明する。図５は第１の実施形態の中空チューブを他のデバイスと一体化させた生体用集積回路３２について説明するための斜視図である。図５に示すように、集積回路３２の基板上には、微小な中空チューブ３４が形成されている。また、中空チューブ３４から所定距離隔てた位置にプローブ３６が設けられており、プローブ３６はＭＯＳＦＥＴ３８上に形成されている。このＭＯＳＦＥＴ３８を集積化することにより、信号処理回路４０が形成される。また、中空チューブ３４の下部には、ポンプ部４２が設けられている。

図５の生体用集積回路３２では、プローブ３６により、生体のある部分の状態がセンシングされ、ＭＯＳＦＥＴ３８および信号処理回路４０により、センシングされたデータが正常であるか異常であるかが判断される。データが異常である場合、ポンプ４２が作動し、薬剤が中空チューブ３４を通して生体の特定の部分に注入される。

したがって、上述したように、第１の実施形態の中空チューブを用いた各応用例においては、中空チューブの径が非常に小さいため、微小な細胞内に薬剤等の投与、点滴を行うことができる。また、中空チューブの径が小さいため、細胞に対して低侵襲性および無痛性を確保することができる。

また、図５に示す生体用集積回路３２においては、中空チューブ３４、プローブ３６等を同一の基板内に集積化することができるため、生体の検査と同時に薬剤の投与等を行うことができ、従来になかった新規なデバイスの実現が可能となり、様々な分野への応用も期待できる。

また、上述した応用例においては、微小な中空チューブを用いて、薬剤の注入および注出を行う例について説明したが、これ以外にも、例えば、中空チューブを用いてＤＮＡを検出したり、細胞内の化学変化を検出するように構成しても良い。

以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。結晶方位（１１１）面上のシリコン基板上に、膜としてＳｉＯ_２の絶縁膜を用いた。また、金属層としては金（Ａｕ）膜を用いた。

その後、ＶＬＳ結晶成長法において、超高真空チャンバー内において、６５０〜７００℃で熱処理を行い、ガスとしてダイシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガスを供給し、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー法）を用いて極微細シリコンプローブを形成した。

その後、プローブ先端のＡｕ−Ｓｉ合金（シリコン含有量１８アトミックパーセント（ａｔ％）を王水を用いて除去した。

Ａｕ−Ｓｉ合金を除去した後、酸化炉にて、水素ガス：酸素ガス＝１：１の雰囲気内でウェット酸化を行い、プローブ全表面にシリコン酸化膜を形成した。酸化温度は１０００℃、酸化時間は２時間であった。このとき、酸化膜の厚さは約５００ｎｍ程度てあった。

次に、プローブ先端部に形成されたシリコン酸化膜を除去した。この除去には、フォトレジストのエッチバック法を用いた。具体的には、基板にフォトレジストを塗布した後、ＲＩＥ法により、プローブ先端部のフォトレジストのみ除去した。その後、プローブ先端部のフォトレジスト開口部から露出したシリコン酸化膜をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）液によりエッチングを行った。

その後、プローブ先端部をエッチング開口部として、プローブをフッ化キセノンガスによりエッチングし、除去した。

上記の工程により作製された中空チューブをＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：走査電子顕微鏡）を用いて観察した結果を図６に示す。図６の（ａ）と（ｂ）はＳＥＭ観察の角度を変えて撮影したものである。また、図６（ｃ）は中空チューブをアレイ状に形成した様子を撮影したものである。図６によれば、微小な中空チューブが精度良く形成されていることが確認できる。なお、図６の中空チューブの内径は２μｍ、外径は３μｍ、長さは８μｍである。

次に、図４の注射器２２を作製し、作動させた実施例の測定結果を図７に示す。図７はシリコン基板上にＳｉＯ_２の中空チューブを複数形成したものを光学顕微鏡を用いて観察したものである。図７の中空チューブの内径は１．５μｍ、長さは２０μｍであった。中空チューブ内を流れる溶液には、純水を食紅により赤く染めたものを用いた。図７に示すように、溶液が中空チューブ内を通過し、基板表面に染み出していることが分かる。これにより、基板状に微細な中空チューブが形成されていると考えることができる。

本発明に係る第１実施形態の中空チューブの作製方法を説明するための断面図である。 本発明に係る第１実施形態の中空チューブの作製方法を説明するための断面図である。 本発明に係る第１実施形態の中空チューブを応用した注射器１４を説明するための断面図である。 本発明に係る第１実施形態の中空チューブを応用した注射器２２を説明するための断面図である。 本発明に係る第１実施形態の中空チューブを応用した生体用集積回路３２を説明するための斜視図である。 本発明に係る実施例の中空チューブの構造を走査型電子顕微鏡で観察した結果である。 本発明に係る実施例の中空チューブの作動状況を観察した結果である。

符号の説明

２ 基板
４ 膜
６ 金属膜
８ プローブ
１０ 被覆層
１２ 中空チューブ

Claims (19)

1. 基板上に柱体を形成する工程と、
   前記柱体とは異なる材料の被覆層を、前記柱体の周囲に形成する工程と、
   前記柱体の先端部の前記被覆層を除去し、前記柱体の先端部を外部に露出させる工程と、
   前記柱体を基板上から除去する工程と、
   からなる中空チューブの作製方法。
2. 前記柱体は気相液相液相結晶成長法により基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の中空チューブの作製方法。
3. 前記被覆層は、前記柱体の材料を酸化あるいは窒化させて形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の中空チューブの作製方法。
4. 前記柱体は、前記被覆層のエッチングレートよりも前記柱体のエッチングレートが大きいエッチング方法により除去されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空チューブの作製方法。
5. 前記基板の材料は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空チューブの作製方法。
6. 前記シリコン基板は、結晶方位が（１１１）面であることを特徴とする請求項５に記載の中空チューブの作製方法。
7. 前記柱体の材料がシリコンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の中空チューブの作製方法。
8. 前記被覆膜は酸化シリコンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の中空チューブの作製方法。
9. 前記エッチング方法は、２フッ化キセノンあるいは６フッ化硫黄のガスを用いたエッチングであることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の中空チューブの作製方法。
10. 基板と、
    前記基板上に形成された被覆層と、から構成される中空チューブであって、
    前記被覆層は、前記基板上に形成された柱体の周囲に形成された後、前記柱体が除去されて中空形状となることを特徴とする中空チューブ。
11. 前記柱体は、ＶＬＳ結晶成長法により基板上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の中空チューブ。
12. 前記被覆層は、前記柱体の材料を酸化あるいは窒化させて形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の中空チューブ。
13. 前記柱体は、前記被覆層のエッチングレートよりも前記柱体のエッチングレートが大きいエッチング方法により除去されることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の中空チューブ。
14. 前記基板の材料は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の中空チューブ。
15. 前記シリコン基板は、結晶方位が（１１１）面であることを特徴とする請求項１４に記載の中空チューブ。
16. 前記柱体の材料がシリコンであることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の中空チューブ。
17. 前記被覆膜は酸化シリコンであることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の中空チューブ。
18. 前記エッチング方法は、２フッ化キセノンあるいは６フッ化硫黄のガスを用いたエッチングであることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の中空チューブ。
19. 前記中空チューブと、
    前記中空チューブと同一基板上に、センサ、ポンプ、細針、集積回路のうちの少なくとも１つを形成したもの、
    とからなる請求項１０〜１８のいずれかに記載の中空チューブを用いた装置。