JP2007229851A - マイクロパターン形成装置、マイクロパターン構造体、および、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】試料を含む溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、エレクトロスプレイ手段から静電噴霧される溶液中の試料が堆積されるべきチップ(26)を支持する支持手段(30)と、エレクトロスプレイ手段と前記支持手段との間に配置され、前記チップ上に前記試料のマイクロパターンを形成するために前記溶液を通過させるマスクパターン部を持つ微細マスク手段(24)であって、前記マスクパターン部は前記支持手段側に凹凸が形成されているフォトレジスト剤からなるものである、微細マスク手段とを具えるマイクロパターン形成装置を提供する。
【選択図】図1
Description
(1)窒化シリコン薄膜は非常に脆い(プロセス上、内部応力が非常に大きくなるため破壊しやすく取り扱いが極めて困難)。
(2)窒化シリコン薄膜の場合は、裏面に凹凸形状を形成することが極めて困難である。(3)補強部材としてシリコンウエハー(半導体)を使用しなければならず、導電性を持つシリコンウエハー部分にサンプルが付着する(サンプルが無駄になる)。
窒化シリコン薄膜は、上記の問題点を持つため、これらを解決する手段がない現状では、マイクロパターン形成装置のマスク手段としては使用できない。
また、自己組織化単分子膜(SAM膜)を利用した厚膜フォトレジストによりステンシルマスクを形成する試みも報告されているが実用化には至っていない。
そこで、上述したように、バイオチップ用のESD法では、ガラスや窒化シリコン薄膜のマスク手段でマイクロパターンを形成する技術が開発されている。しかしながら、このようなガラス製のマスクでは数十μmの分解能が限界であり、窒化シリコン薄膜では2μm程度の分解能はあるが取り扱い性において顕著な問題があった。そのため、有機物に使用可能である実用的な微細化パターンの形成技術が求められていた。
試料を含む溶液に電圧を印加して(前記溶液に電圧を印加してエレクトロスプレー・デポジション法で)静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、
前記エレクトロスプレイ手段から静電噴霧される溶液中の試料が堆積されるべきチップ(アースされている)を支持する支持手段と、
前記エレクトロスプレイ手段と前記支持手段との間に配置され、前記チップ上に前記試料のマイクロパターンを形成するために前記静電噴霧された溶液を通過させるマスクパターン部を持つ微細マスク手段であって、前記マスクパターン部は前記支持手段側に凹凸が形成されているフォトレジスト剤からなるものである、微細マスク手段と、
を具えることを特徴とする。
本発明によれば、有機物の1μm以下の線幅を持つマイクロパターンを形成することが可能である。また、ESD法を使用しているため、有機物の試料をドライな微粒子として基板に堆積させることが可能であり、さらに、このドライな微粒子の上に、別試料の微粒子を堆積させることも可能であり、従来にはない複数の微粒子層を持つマイクロパターンを形成することも可能となる。マスクパターン部の支持手段側に形成される凹凸によって、堆積した試料に接触することを防止することも可能である。このように、本発明によれば、少ない試料から、今までにないほど微細な有機物のマイクロパターンを容易かつ確実に形成することが可能となる。
前記エレクトロスプレイ手段が、キャピラリを使用する、
ことを特徴とする。
また、第3の発明によるマイクロパターン形成装置は、
前記エレクトロスプレイ手段が、振動子を使用して前記溶液に振動を与える、
ことを特徴とする。
振動子で溶液に振動を与えることによって、溶液の表面に多数の波頭が発生し、この波頭がキャピラリ先端部として機能し、波頭から溶液を微粒子として噴霧させることが可能である。
本構成によれば、試料の活性を保持したまま、或いは、変性あるいは変質させずに、基板上にマイクロパターンを形成することができる。特に、キャピラリを使うESD法では、電気伝導度の高い溶液(電気伝導度の高いバッファー溶液を含む場合など)は使用できなかったが、本構成では、機械的な振動と帯電によって同時に霧化するため、電気伝導度の高い溶液を使用することができるようになる。即ち、蛋白質などを固定化する場合、蛋白質を安定な状態で保持するバッファー溶液を除去しなくても本装置で使用できるため、マイクロパターン形成の作業時間を短時間でしなくて済むし、さらに、より活性の高い試料を含む薄膜を作製できるというメリットがある。また、キャピラリを用いるESD法では、試料を完全に溶解させなければ使用できなかったが(キャピラリー先端の穴が試料で詰まってしまうため)、本装置では、試料が溶解しないようなものでも分散させた状態で使用することもでき、実用性が高い。さらにまた、本構成は、キャピラリを使うESD法に比べて、非常に高速に溶液を霧化して、その結果チップを高速で作製できる。例えば、従来のESD法で5μg/μlのBSA溶液を処理する際の処理速度は、1μl/秒であったが、同じ溶液を、本発明による霧化エリアが5×5mmの振動子を用いたマイクロパターン形成装置では、10μl/秒という高速で処理することができるようになる。さらに、キャピラリを使うESD法では、処理速度を増加させるためには、キャピラリの数を増加させなければならずコストが高くなる、或いはメインテナンス上の手間(例えば、キャピラリーは洗浄がしにくい)がかかるなどの問題があったが、振動子を使う場合では、単に振動子のサイズを大きくすれば処理速度や霧化効率を増加させることができるため、コストが安く、かつメインテナンスし易いという顕著な利点がある。
本構成の原理は、振動によって溶液表面に多くの波頭が生じ、そこから溶液が微小粒子として形成され飛んでいくというものである。この時、帯電も同時に加えられると、静電気による反発力により、この微小粒子生成はさらに促進され速やかに進む。また、形成された微小粒子は、この静電気反発力により互いに癒着することがなく、また、微小粒子はその中においてさらに小さなクラスターへとより微小化されていく。このような理由により、振動や電圧を単独で加えた時に比べ、振動と帯電の相乗効果は非常に大きなものとなる。
前記微細マスク手段のマスクパターン部に形成されている凹凸が、
リソグラフィ法で(基板上に)フォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンを形成し、この凹凸形成用パターン上に反応性イオンエッチング法でフルオロカーボン薄膜を形成し、このフルオロカーボン薄膜上にフォトレジスト剤からなる前記マスクパターン部をリソグラフィ法で形成し、前記基板上の前記フルオロカーボン薄膜から前記マスクパターン部を剥離することによって形成されたものである、
ことを特徴とする。
このように、リソグラフィ法と反応性イオンエッチング法とを組み合わせることによって、凹凸を設けた微細マスクを作製することが可能となる。
微細マスク手段が、フォトレジスト剤からなる補強リブ部を持つ、ことを特徴とする。
補強リブ部を追加することによって、ある程度の強度を持つ取り扱い性に優れたマスクが得られる。マスクは、目標とするマイクロパターンに応じて取り替える必要があるが、薄い微細マスク手段は慎重に取り扱う必要があるが、補強リブ部による強度アップで作業性が飛躍的に向上する。
基板上にフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記凹凸形成用フォトレジストパターンが形成された基板上に、フルオロカーボン薄膜を反応性イオンエッチング法で形成するステップと、
前記フルオロカーボン薄膜が形成された基板上にフォトレジスト剤からなるマスクパターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記マスクパターンが形成された基板上に、フォトレジスト剤からなる補強リブパターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記フルオロカーボン薄膜から、前記マスクパターンを剥離して、前記凹凸形成用パターンの形状に応じた凹凸が形成されている前記マスクパターンと、補強リブパターンとからなる微細マスクを得るステップと、
を含むものである。
例えば、本発明によるマイクロパターン構造体(チップ)は、
前記マイクロパターン形成装置のいずれか1つによって形成されたマイクロパターン構造体であって、
前記マイクロパターン構造体が、数十ナノメーター単位の有機物の粒状体の塊からなる構造を持つ、
ことを特徴とする。
また、本発明によるマイクロパターン構造体(チップ)製造方法は、
前記マイクロパターン形成装置のいずれか1つによって有機物のマイクロパターン構造体を製造するマイクロパターン構造体製造方法である。
<実施例1>
本発明で提案する手法は、反応性イオンエッチング(RIE)により形成されたフルオロカーボン膜を利用することで、両面に凹凸を持った構造体(凹部と凸部が設けられた構造体)を形成可能であり、ESD法にてパターニングを複数回行う際のマスクによるパターンの損傷を防ぐことが可能である。また、本発明の実施態様では、ESD法で使用可能な微細ステンシルマスクを厚膜フォトレジストにて形成した。
前記マスクに要求される条件としてはまず材料が絶縁性物質であることが求められる。導電性のある材料の場合、帯電した電荷がすぐに逃げてしまい、マスク上にもデポジットが形成されてしまうためである。また、ミクロン以下の分解能を達成するためには、マスクの厚さも同等にする必要があるが、一方で構造体としての機械強度は保つ必要があるため、適切な補強体を持つ構造が必要である。さらに、複数回のパターニングを行う場合を考えると、すでに形成されたパターンとマスクが接触しないように、マスク下面にも突起(凹凸)を設ける必要がある。こうした条件を満たすマスクの製作方法として厚膜フォトレジスト(SU-8)とRIEによるフルオロカーボン薄膜によるリフトオフプロセスを考案した。図2に、マスク形成プロセスの概要を示す。
(ステップ1)
シリコンウエハー(基板)40上に裏面凹凸と逆パターンの形状をフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターン部(第1のSU-8層)41を形成する。
(ステップ2)
RIEによりフルオロカーボン薄膜42を形成する(約500nm)。
(ステップ3)
マスクパターン部43(第2のSU-8層)を形成する(厚さ1〜5μm程度)。
(ステップ4)
補強リブ部44((第3のSU-8層)となる構造体を形成する(厚さ50〜100μm)。
(ステップ5)
ナイフ47をフルオロカーボン薄膜の面とマスクパターン部43の界面に差し込み、マスクパターン部43を物理的にリフトオフ(剥離)する。
なお、上記ステップで使用したフォトレジストは、化薬マイクロケム社の「SU-8 3050」である。これ以外のSU-8シリーズ(数社より市販されている)でも可能であり、あるいはSU-8以外の厚膜フォトレジストでも利用可能である。
なお、上記の場合は、ネガ型のレジスト剤を用いたが、微細マスク手段のフォトレジスト剤からなるパターン部は、レーザ光(紫外線)などを照射して硬化させた部分を残すネガ型以外のポジ型であってもよい。
上記実施例では、剥離層として使用しているフルオロカーボンは、RIE(リアクティブイオンエッチング装置)を用いてCHF3ガスより形成されたものである。ガスから作成しているため組成は正確には不明であるが、[−CFx−]なるチェーンの繰り返しと考えられる(x=1〜2)。
実際の生成条件
RIE装置(サムコインターナショナルFA-1)にてCHF3ガス流量30sccm、圧力40Pa、RF出力50Wにて約5〜15分程度で膜厚約0.5〜2μm程度のフロオロカーボン薄膜を形成した。
また、代替手法として、サイトップ(旭硝子社)を基板にスピンコートしても同様の薄膜を形成可能である。
図6は、振動子を使用した本発明によるマイクロパターン形成装置の基本的な構成の一例を示す概念図である。図において、110は霧化器、120は高電圧電源、130はコリメータ電極、140はフッ素樹脂シールド、150はマスク、160はサンプルホルダー、170はチャンバー、180は精密制御溶液供給部、190は高周波電源である。図に示すように、霧化器110は、主として、平坦な表面を有する振動子(即ち基板)から構成される。この霧化器110の基板の表面上に、精密制御溶液供給部180から蛋白質溶液を供給する。この溶液は、基板上において高電圧電源120から供給された所定の電圧によって電荷が充電、即ち帯電される。或いは、帯電は、霧化された後の粒子状物質に施すこともできる。また、霧化器110の基板には、高周波電源190から所定の高周波信号が供給され、この信号によって振動子は機械的な振動を発生させる。発生した振動によって、溶液は霧化され、帯電された微細な粒子状物質(即ち帯電微粒子)となりチャンバー170内へ飛び出す。
そして、試料固定用基板350の振動子300に対向する面に、乾燥状態でスポット340として固定化される。
図9は、本発明によるマイクロパターン形成装置で形成された有機物のマイクロパターン構造体のSEM写真を示す図面代用写真である。このSEM写真は、インベルターゼ(たんぱく質)を2.5g/LにてESD法でマイクロパターン形成装置を用いて3分間スプレーして形成したマイクロパターン構造体を高分解能走査型電子顕微鏡で撮影したものである。図に示すように、直径約200nmのパーティクルが得られているのが観察される。
12 ガラスキャピラリー
14 溶液
16 ガードリング
18 スプレーフレーム
20 テフロンシールド
22 コリメータ電極
24 マスク
26 基板
28 サンプルデポジット
30 支持手段
40 シリコンウエハー(基板)
41 凹凸形成用パターン部(第1のSU-8層)
42 フルオロカーボン薄膜
43 マスクパターン部(第2のSU-8層)
44 補強リブ部(第3のSU-8層)
45 スリット
46 凹部
47 ナイフ
110 霧化器
111 ピエゾ基板
111 基板
111 ピエゾ基板
112 モノリシック構造体
112 メッシュ
113 板
120 高電圧電源
130 コリメータ電極
131 電極
131 コリメータ電極
132 電極
133 電極
134 電極
135 電極
140 フッ素樹脂シールド
150 マスク
160 サンプルホルダー
170 チャンバー
180 精密制御溶液供給部
190 高周波電源
210 霧化器
211 基板
216 霧化エリア
217 針金
300 振動子
310 針金
320 波頭
320 波頭部
330 粒子状物質
340 スポット
350 試料固定用基板
SAW 表面弾性波
V1 高圧電源
V2 高圧電源
Claims (7)
- マイクロパターン形成装置であって、
試料を含む溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、
前記エレクトロスプレイ手段から静電噴霧される溶液中の試料が堆積されるべきチップを支持する支持手段と、
前記エレクトロスプレイ手段と前記支持手段との間に配置され、前記チップ上に前記試料のマイクロパターンを形成するために前記静電噴霧された溶液を通過させるマスクパターン部を持つ微細マスク手段であって、前記マスクパターン部は前記支持手段側に凹凸が形成されているフォトレジスト剤からなるものである、微細マスク手段と、
を具えることを特徴とするマイクロパターン形成装置。 - 請求項1に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記エレクトロスプレイ手段が、キャピラリを使用する、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。 - 請求項1に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記エレクトロスプレイ手段が、振動子を使用して前記溶液に振動を与える、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記微細マスク手段のマスクパターン部に形成されている凹凸が、
リソグラフィ法でフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンを形成し、この凹凸形成用パターン上に反応性イオンエッチング法でフルオロカーボン薄膜を形成し、このフルオロカーボン薄膜上にフォトレジスト剤からなる前記マスクパターン部をリソグラフィ法で形成し、前記フルオロカーボン薄膜から前記マスクパターン部を剥離することによって形成されたものである、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のマイクロパターン形成装置において、
微細マスク手段が、フォトレジスト剤からなる補強リブ部を持つ、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のマイクロパターン形成装置によって形成されたマイクロパターン構造体であって、
前記マイクロパターン構造体が、数十ナノメーター単位の有機物の粒状体の塊からなる構造を持つ、
ことを特徴とするマイクロパターン構造体。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のマイクロパターン形成装置によって有機物のマイクロパターン構造体を製造するマイクロパターン構造体製造方法。
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