JP2008093619A - 静電噴霧方法及びマイクロ流体チップ - Google Patents

Abstract

【課題】静電噴霧により、所望の形状の生物活性物質を均一性良く基板上に塗布できる静電噴霧方法を提供する。
【解決手段】基板１上に所定のパターン層を形成するためにレジストを塗布し当該所定のパターンを有するマスク１４を介して露光・現像する工程、現像後の基板１をブラスト加工する工程、ブラスト加工によりレジスト塗布面の基材面とレジスト非塗布面の基材面との間に形成される段差の溝パターンに導電層２を成膜する工程、導電層２の成膜後レジストを除去し導電層２の形状と対応する貫通穴５５を有するカバー２１を介して生物活性を有する物質を静電噴霧する工程、とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、生物活性物質を基板上に所望のパターンにて形成する静電噴霧方法及び当該基板に流路部材を貼り合わせて作成するマイクロ流体チップに関するものである。

生物活性物質を含む溶液を静電噴霧し、生物活性を維持した状態で、基板上に、所望の形状の生物活性物質を形成する方法として、特許文献１に記載の方法が開示されている。特許文献１では、基板上に所望の形状で生物活性物質を形成するために、マスクと呼ばれる貫通穴を形成した部材を用いる。マスクに形成された貫通穴の形状とほぼ同一形状で生物活性物質が基板上に塗布される。生物活性物質を基板上に塗布する技術は、特許文献１に記載の静電噴霧を用いた技術以外にもいくつかあるが、特許文献１に記載の方法では、乾燥した状態で生物活性物質を基板表面に塗布することができるという特徴がある。

静電噴霧以外の方法では、基板上に、不完全な乾燥状態または溶液状態で、生物活性物質を塗布するため、塗布後に乾燥ムラに起因する塗布ムラが発生することが分かっている。特許文献１に開示されている静電噴霧による方法では、乾燥した状態の生物活性物質を基板上に塗布できるため、塗布後の乾燥ムラが発生せず、静電噴霧以外の方法に比較して、塗布均一性に優れているという特徴がある。
特開２００１−２８１２５２号公報

しかし、特許文献１の方法では、絶縁性材料で作製されるマスクの帯電状態が、噴霧された溶液に影響を与えることが分かっており、マスクの帯電が大きいほど基板上に形成される生物活性物質の形状が細くなり、塗布均一性にもばらつきを生じる。高精度な形状及び高い塗布均一性を得るにはマスクの帯電状態が常に一定になるように制御する必要があった。マスクの帯電状態は、湿度の管理やイオナイザーによる除電を行うことで、ある程度制御可能であるが、生物活性物質の形状や均一性に影響がない程、帯電状態を制御することは困難であった。塗布均一性の測定の一般的な方法として、蛍光物質を含む溶液を基板上に塗布し、塗布後の蛍光値を測定することで塗布均一性を評価する方法がある。塗布均一性は、一般的に、変動係数（Coefficient of Variance：ＣＶ）値と呼ばれる数値で表される。本明細書内でも塗布均一性を表す値としてＣＶ値を用いるが、本明細書内でＣＶ値とは、蛍光測定値の標準偏差を蛍光測定値の平均で除算し、１００を乗算した値のことである。ＣＶ値が小さいほど塗布ムラや形状不良の少ない優れた塗布方法であると言える。

特許文献１の方法を用いて作製したバイオチップでは、塗布均一性が不十分であり、改善が望まれていた。

塗布均一性改善の手段として、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように基板１表面に導電層２を形成した基板を用いる方法があり、導電層２をフォトリソグラフィ及びエッチングにより加工することで、高精度なパターニングが可能であり、高精度にパターニングされた導電層に一致した形状で生物活性物質を塗布することができるため、塗布均一性を改善できる。しかし、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示した基板では導電層２が段差６２だけ凸形状になっているため、流路部材６と貼り合わせる必要のある流体チップ用途では、導電層２の周辺に隙間６１が発生し、隙間６１から流路に流した液体が漏れ出る可能性があった。実際の使用上、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す凸形状の導電層を形成した構造の従来の基板でも、流路部材に、ポリジメチルシロキサンを使用しており、ポリジメチルシロキサンはゴムのように容易に変形するため、多少の段差であれば、流路部材自体が変形することで、基板と密着するため、流路に流す液体の漏れを防止することが可能であった。しかし、流路部材６に形成された流路の間隔１０が狭くなると、隣接する流路どうしを隔てる壁の厚みが薄くなり、基板と流路部材６との隙間６１が原因で部分的に隣接する流路どうしがつながってしまうという問題があった。そのため、流路に液体を流すと隣接する流路に液体の漏れを生じる場合があった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、均一性良く生物活性物質を所定の形状に塗布し、かつ流路部材と組み合わせた場合にも流路に流す液体の漏れを生じない基板を提供することを目的とする。また基板の製造方法についても提供する。

従来の課題を解決するために、本発明の静電噴霧方法は、基板上に所定のパターン層を形成するためにレジストを塗布し前記所定のパターンを有するマスクを介して露光・現像する工程、前記現像後の基板をブラスト加工する工程、前記ブラスト加工により前記レジスト塗布面の基材面とレジスト非塗布面の基材面との間に形成される段差の溝パターンに導電層を成膜する工程、導電層の成膜後レジストを除去し前記導電層の形状と対応する貫通穴を有するカバーを介して生物活性を有する物質を静電噴霧する工程、とを備えるものであり、基板上に生物活性物質を所望のパターンに均一性良く形成することができる。

また、本発明のマイクロ流体チップは、生物活性物質を検査するマイクロ流体チップであって、両端部に注入口を配置し前記注入口に繋がり流路を形成する溝部とから成る流路部材を、請求項１に記載の静電噴霧方法を用いて前記生物活性物質を塗布された基板に貼りあわせて作成することを特徴としたものである。

本発明に記載の静電噴霧方法を用いると、基板上に生物活性物質を所望の形状に均一性良く形成することが可能であり、かつ流路部材と組み合わせた場合でも流路に流した液体が漏れ出ることがない。

以下に、本発明の静電噴霧方法を用いて、マイクロ流体チップの作製に関して、図面とともに詳細に説明する。ここで、生物活性物質は、それ自体が液体であったり、希釈液と混合した溶液又は、生物活性物質の検査試薬を含むものであり、以降は、単に生物活性物質という。生物活性物質は、一般的に、ＤＮＡや蛋白質などをいうが、もちろん、生物活性物質以外を含有する溶液の場合も同様に適用できることは、当然である。

図１は、本発明の静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの一例を示す図である。図のマイクロ流体チップは、流路部材６とガラス基板１を貼り合わせた構造になっている。図１において、基板１は、材料としてガラスを用い、当該基板１上に電気導電層２を形成する。そして、導電層２の上に生物活性物質３を塗布する。基板材料は、ガラス以外のプラスチックや絶縁樹脂材料なども利用できる
そして、流路部材６の貼り合わせ面１１には、流路９が形成されており、注入口７及び注入口８とつながった構造になっている。また流路９は、貼り合わせ面１１側が塞がれていない。つまり、貼り合わせ面１１上に溝が形成された構造になっており、基板１と貼り合わせることで、注入口８から排出口９の間をつなぐ、閉じた流路が形成される。図２は、図１（ａ）及び図１（ｂ）のマイクロ流体チップの特徴を説明するための図である。従来のマイクロ流体チップは、図１３（ａ）、（ｂ）及び図１４に示すように、基板１の表面に導電層２が段差６２だけ凸形状になる構造であった。本発明の基板では、図２に示すように、基板１の表面と導電層２の表面が一致する構造になっている。つまり、流路部材６の貼り合わせ面１１に接触する面は平坦である。そのため、図１３及び図１４に示すような導電層２の段差６２のために生じる隙間６１は、本発明の基板では発生しない。そのため、隣接する流路への漏れは発生しない。

このようにして作成されるマイクロ流体チップにおいては、注入口7又は注入口８から所定の試薬溶液を注入し、導電層２に成膜されている生物活性物質と反応させて当該生物活性物質を検査することができる。

図３はガラス基板１の詳細な構造を示す図である。図３において、１は基板であり、材質としてガラスを用いた。２は、電気導電性を有する導電層である。３は、生物活性物質であり、本実施例では、蛍光色素標識抗体タンパク（モレキュラープローブ製Alexa Fluor 568 標識Anti-goat IgG）を使用した。生物活性物質３は、導電層２上に導電層２にほぼ一致した形状で形成されている。４は、接続線であり、１０本の導電層２のすべて及び接続部５と電気的に導電性が得られるようにつながっており、接続線４及び導電層２の電位は接続部５に与えられた電位と等しくなるように構成されている。

図３に示す基板の加工方法について、図４を参照しながら詳細に説明する。
（１）レジスト塗布工程から成膜工程までについて
まず、図４に示すようにレジスト塗布工程で基板１に対して、一様にレジスト１３を塗布する。レジスト１３はスピンコートにより塗布する。本実施例ではレジスト１３として、ＯＦＰＲ８００（粘度３０ｃｐ）を用いた。次に、露光工程において、マスク１４を介して、光１５をレジスト１３に照射する。本実施例で用いたレジスト１３はポジ型レジストであるため、マスク１４は、基板１表面のブラスト加工する領域に一致する形状で、レジスト１３を露光できるように設計されている。マスク１４の光１５を遮光する領域はマスク１４作製時に、自由に設計できるため、所望の形状にレジスト１３を露光することができる。

以上のようにしてレジスト１３を光１５により露光した後、現像液１６に浸して現像した。現像液１６には、ＮＭＤ−３を用いた。現像後、レジスト１３は、現像工程の図に示すように、光１５の照射された部分が溶解し、光１５が遮光された領域の形状に一致した形状にレジスト１３が残る。レジスト１３の厚みは、１０μｍにした。

現像工程後の基板１のレジスト１３が形成された面に対して、ブラスト加工を行う。

ブラスト加工により、基板１のレジスト１３を形成した面において、レジスト１３が形成されていない部分とレジスト１３が形成されている部分の間に、段差１７が形成されるように加工を行った。本実施例ではブラスト加工に、平均粒径７μｍのシリカ粒子を用い、粒子を噴出するための空気圧を０．５ＭＰａとして加工を行った。加工時間は１２秒とした。使用する粒子及び空気圧が同じであれば、加工深さはほぼ加工時間に比例するため、加工時間の制御により深さを制御することが可能である。本実施例の条件では、段差１７は約０．２μｍであった。

また、ブラスト加工時に、レジストが形成されていない部分の表面粗さが、測定範囲１μｍ四方において算術平均粗さ（以降Ｒａと省略して記述）で０．７ｎｍから１００ｎｍの範囲になるように加工し、この後の成膜工程で導電層２を形成した。導電層２の形成手段については後述する。表面粗さの測定には原子間力顕微鏡を用いた。表面粗さをＲａ０．７ｎｍ以上にすることで、導電層２形成後に、導電層２表面にテープを貼り付けて引き剥がす剥離試験を行っても、導電層２の剥離は見られず、実用上問題のない剥離強度が得られることが分かった。表面粗さがＲａ０．７ｎｍ以下では、一部に導電層２の剥離が見られた。従来、基板１上に導電層２を形成する場合、導電層２及び基板１の材質により、密着性を確保できる中間層を形成していた。例えば、酸化インジウム錫では、中間層として、酸化ケイ素を用いていた。これに対して、本発明の方法を用いれば中間層が不要になるため、工程を簡素化することができ、生産性の向上が可能になる。

また、レジストが形成されていない部分の表面粗さが１００ｎｍより粗い場合、生物活性物質３の塗布均一性が悪化することが分かった。レジストが形成されていない部分は、導電層２の下地層となるため、表面粗さが１００ｎｍ以上になると、導電層２表面に大きな凹凸が発生し、生物活性物質３の導電層２表面での付着状態が大きな凹凸に影響されて均一でなくなることが均一性悪化の原因と考えられる。そのため、ブラスト加工後のレジストが形成されていない部分、つまり導電層２が形成される部分は、Ｒａで０．７ｎｍから１００ｎｍの範囲にすることが望ましい。

ブラスト加工後に、導電層２の成膜は図６に示す装置を用いて行った。図６中の３７は真空チャンバーであり、３８は基板１を固定するための導体で構成された基板ホルダーであり、３９は導電体で構成された基板ホルダー３８に高周波電力を印加する高周波電源であり、４０は真空チャンバー３７を真空に排気する排気装置であり、４１は真空チャンバー３７と排気装置４０を接続するメインバルブであり、４２は金属を加熱蒸発させる蒸着ボートであり、４３は蒸着材料であり、４４は真空チャンバー３７内に所定のガスを導入するガス導入管であり、４５はアースである。

本実施例では、蒸着材料４３に銅を用い、導電層２を銅で形成した場合について記載するが、導電層２の材質としては、例えば、銅以外でも金、銀、白金、アルミなどの金属や、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの非金属でも導電性があれば使用可能である。特に、基板１に付着させた生物活性物質３を基板１の裏表の両方から光学的に観察する場合があり、そのような用途では薄膜材料として透明で導電性を有するＩＴＯのような材料を用いる必要がある。

導電層２の形成手順として、まず、基板１を基板ホルダー３８に設置後、真空チャンバー３７内を真空引きする。真空チャンバー３７内の圧力は１．０×１０^-3Ｐａ以下にする。
次にガラス基板１の表面をプラズマ処理する。プラズマ処理はガラス基板１の表面を粗化する目的で行う。プラズマ処理時には真空チャンバー３７内に純度９９．９％以上の窒素ガスを導入し、圧力を５．０×１０^-2Ｐａにし、高周波電源３９によりガラス基板１を支持する基板ホルダー３８に高周波電力を印加する。高周波電力の印加により、真空チャンバー３７内にグロー放電が生じ、窒素プラズマが発生する。

図６に示す基板１において、窒素プラズマの発生とともに基板１に第１の負のバイアス電圧が誘起され、基板１が窒素プラズマ処理される。本実施例では、第１の負のバイアス電圧を３００Ｖとした。窒素プラズマ処理後に、真空チャンバー３７内の圧力を１．０×１０^-4Ｐａ以下まで真空引きする。真空引き後にアルゴンガスを導入し、真空チャンバー３７内の圧力を１．０×１０^-2Ｐａとし、蒸着ボート４２から銅を蒸発させると同時に基板１を支持する基板ホルダー３８に高周波電圧を印加する。高周波電圧の印加により真空チャンバー３７内にグロー放電が生じ、アルゴンと銅のプラズマが発生する。アルゴンと銅のプラズマの発生とともにガラス基板１には第２の負のバイアス電圧が誘起されるため、プラズマ中のアルゴンイオンおよび銅イオンは第２の負のバイアス電圧で加速されて基板１の表面に向かって加速される。

本実施の形態では第２の負のバイアス電圧を４００Ｖにして銅成膜を行った。銅イオンがガラス基板１の表面に衝突して銅薄膜を形成する効果とイオン化していない銅が真空蒸着される効果により基板１の表面に銅薄膜が形成される。また、銅薄膜を形成させる速度を０．１ｎｍ／ｓｅｃ〜１０ｎｍ／ｓｅｃの間で成膜開始から終了まで徐々に成膜速度を増加させるように制御した。上記の条件で膜厚が０．２μｍとなるように成膜を行った。
（２）レジスト除去工程について
次に、図４（ｆ）に示すようにレジスト除去工程について説明する。銅薄膜を成膜した基板１上を、レジスト剥離液２０に浸す。レジスト剥離液２０には、アセトンを用いた。レジスト１３の剥離と同時に、レジスト上に成膜された銅薄膜が除去され、基板１の表面はほぼ平坦な平面になる。完全な平面を作製する場合、レジスト除去工程の後に、基板１の表面を研削することで実現可能である。

以上の手順により、基板１上にパターニングされた導電層２を形成した基板を作製した。導電層２は、マスク１４において光１５が透過する領域の形状に一致した形状に加工されている。光１５が透過する領域の形状はマスク１４の設計製作時に自由に作製できるため、上記手順により、基板１上に、任意の形状の導電層２を形成することが可能である。

本実施例と異なり、レジスト１３にネガ型レジストを用いた場合には、マスク１４のおいて光１５が遮光される部分が、基板１表面のブラスト加工する領域に一致するようにマスク１４を作製することで、所望の形状の導電層２を形成した基板１を作製可能である。
（３）噴霧工程１及び噴霧工程２について
次に、図４（ｇ）から図４（ｈ）の工程においては、図４（ｆ）までの工程で作製した基板を、図７に示す装置にセットし、基板１の導電層２上に、生物活性物質３を塗布した。

図７に示す４６は、キャピラリであり、４７はレジスト除去工程後の基板であり、キャピラリ４６の下側に配置される。また２２は、高電圧電源であり、電源のマイナス極はレジスト除去後の基板４７に接続される。高電圧電源２２のプラス極側は、キャピラリ４６内に挿入される電極線３６に接続される。高電圧電源２２が、キャピラリ４６とレジスト除去後の基板４７の間に電位差を発生させるように構成されている。高電圧電源２２には制御装置４８が接続されており、高電圧電源２２が発生する電圧を制御する。また、２１はカバーであり、図８に示すように貫通穴５５が形成されている。貫通穴５５の寸法５６は、１．５ｍｍとした。また、貫通穴５５の寸法５７は、１４ｍｍとした。

カバー２１はキャピラリ４６とレジスト除去後の基板４７の間に配置され、レジスト除去後の基板４７表面の生物活性物質３を付着させたい部分が、貫通穴５５と重なるように位置合わせする。カバー２１と基板の位置合わせの有効な方法については、後述する実施例２に記載する。

本実施例では、高電圧電源２２によりキャピラリ４６とレジスト除去後の基板４７の間に３ｋＶの電圧を加えた。また、キャピラリ４６の先端からレジスト除去後の基板４７の表面までの距離は３５ｍｍとし、キャピラリ４６の先端は外形が５０μｍのものを使用した。カバー２１の材質としては、厚さ０．１ｍｍのガラスエポキシを用いた。噴霧量はキャピラリ内の溶液の液高さをＣＣＤカメラにより画像認識し、計測することで、１μｌ噴霧した。キャピラリ内には、キャピラリ先端と反対側から溶液を供給する。キャピラリに溶液供給のための配管をつなぎ連続的に溶液を供給するとキャピラリ内の溶液の高さ変化をＣＣＤカメラで観察することが不可能になるため、溶液の供給は、噴霧工程が終了した後、キャピラリ先端と反対側から供給し、溶液供給後の液高さがＣＣＤカメラにより観察できる状態にした。

本実施例では、図４の噴霧工程１に示すように、導電層２の１箇所にのみ生物活性物質３を付着させた。また、カバー２１と導電層２の表面との間隔５４は、０．０５ｍｍ以下になるように配置した。間隔５４が０．０５ｍｍ以上あると、導電層２上に形成される生物活性物質３の形状が導電層２の形状よりも小さくなることが分かった。

原因について、発明者らは次のように考えている。噴霧を開始すると、プラスに帯電した生物活性物質３の液滴が発生する。帯電した液滴は、カバー２１や装置外壁にも拡散していき、付着する。付着した部分が絶縁性である場合、液滴の持つプラス電荷のために液滴が付着した部分はプラスに帯電する。カバー２１は本実施例では、ガラスエポキシから作製されており、絶縁性材料であるため、噴霧中はプラスに帯電すると考えられる。カバー２１がプラスに帯電しており、カバー２１の貫通穴５５を通過する液滴もプラスに帯電しているため、液滴はカバー２１から電気的な反発力を受け、貫通穴５５よりも小さな形状で導電層２上に付着する。カバー２１から導電層２までの間隔が長いと、液滴は、導電層２から離れた位置でカバー２１の帯電による反発力を受けることになり、カバー２１からの電気的な反発力で変化した軌道で、導電層２到達までに長い距離を飛行することになる。そのため、噴霧された生物活性物質３の液滴が、導電層２に到達した時には、カバー２１から導電層２までの間隔が短い場合に比較して、貫通穴５５の形状より小さな形状で導電層２上に付着すると考えられる。また、寸法５６及び寸法５７は、導電層２の寸法より大きくすることが望ましい。導電層２と寸法５６及び５７が同じ寸法だと、導電層２の寸法より小さな寸法で、噴霧した生物活性物質３が導電層２上に付着するためであり、発明者らは、カバー２１の帯電が原因と考えている。本実施例では、寸法５６が１．５ｍｍ、寸法５７が１４ｍｍであるのに対して導電層２の寸法は、０．８ｍｍと１１ｍｍであり、寸法５６及び５７が大きくなるように作製した。

図４に示す噴霧工程１までで作製された基板の表面を蛍光顕微鏡により観察した結果を図１１に示す。蛍光測定には、ＯＬＹＭＰＵＳ製蛍光顕微鏡ＢＸ５１Ｗ１を用いた。観察倍率は１倍であり、２０ｍＷの出力で、波長５４０ｎｍから５９０ｎｍの励起光をサンプルに１秒間照射し、６１５ｎｍから６９５ｎｍの間の光を透過するフィルターを介して、サンプルの蛍光強度を測定した。実験は３回行い、それぞれの結果をサンプル１、サンプル２、サンプル３として測定された蛍光強度を記載している。図１２は、作製したサンプルの導電層２の形状を示している。測定点ＡからＧは、図１２中で、接続線４に近い側の導電層２上を測定点Ａとし、接続線４から遠い側を測定点Ｇとして、その間を等間隔に分割し、測定点ＢからＦとした。図１２中では、５９が測定点Ａであり、６０が測定点Ｇである。

また、発明者らは、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す構造の基板を用いて同様の検討を行ったことがある。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す基板は、基板表面に形成される導電層２が寸法６２だけ凸形状になっている。このような基板は、基板１上に導電層２を形成した後、エッチングを行うことで作成でき、本発明の方法のように導電層２の形成前に基板１の表面を加工する必要がないため、比較的簡単な手順で導電層２を形成できるというメリットがある。しかし、導電層２が寸法６２の分だけ凸形状になっているため流路部材６との間に隙間６１が発生し、隣接する流路と隙間６１でつながってしまい、流路に液体を流した場合、隣接する流路にも液体が漏れ出す可能性があった。本発明の基板では、導電層２の表面が基板１の表面と一致しており、平坦である。そのため、従来問題であった隣接する流路への液体の漏れがなくなると考えられる。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す基板と本発明の基板を用いてマイクロ流体チップを作製した場合の性能比較のため、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す基板についても、本発明の基板と同様の評価を行った。結果を図１１に示す。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す基板１表面に凸形状になるように導電層２を形成した基板では、３回の実験でＣＶ値として、２．１％から３．２％という値が得られている。これに対して、本発明の基板１表面が平坦な基板では、３回の実験でＣＶ値として、１．９％から３．５％という結果が得られた。基板１表面に凸形状になるように導電層２を形成した基板と同程度の塗布均一性が得られており、塗布均一性については、基板１表面の形状はほとんど影響しないことが分かった。

発明者らの知る限りにおいて、静電噴霧により、ＣＶ値３％程度の均一性が得られたという報告はない。

発明者らは、特許文献１で開示されている従来の静電噴霧技術と比較して、塗布均一性が改善できる理由を以下のように考えている。

特許文献１に記載の従来の静電噴霧技術では、マスクと呼ばれる貫通穴を有する部材で基板表面を覆うことで、貫通穴の形状に対応した形状で、生物活性物質を基板上に塗布する。

特許文献１の方法により、マスクの貫通穴の形状に対応した形状で、生物活性物質を塗布することが可能である。しかし、マスクの帯電状態が、噴霧された溶液に影響を与えることが分かっており、マスクの帯電が大きいほど形成される生物活性物質の形状が細くなるため、高精度な形状で均一性の良く生物活性物質を基板上に形成するにはマスクの帯電状態が常に一定になるように管理する必要があった。マスクの帯電状態は、湿度の管理や、イオナイザーによる除電を行うことで、ある程度制御可能であるが、生物活性物質の形状や均一性に影響がない程、帯電状態を制御することは困難であった。

本発明の方法では、基板１表面に生物活性物質３を塗布したい形状に一致する形状で、導電層２を形成しており、導電層２をアースまたはマイナス電位にすることで、プラスに帯電した生物活性物質を含む小滴が、導電層２に収束し、導電層２の形状に一致した形状で生物活性物質を基板上に形成できる。カバー２１は、基板１表面全面への微量な付着を防止するために用いられるのであり、特許文献１に記載のマスクと異なり、基板上に形成される生物活性物質の形状を決定しない。本発明において、基板１表面に形成される生物活性物質３の形状は導電層２の形状により決定される。そのため、本発明におけるカバー２１は特許文献１記載のマスクと異なり、導電層２上に付着させる生物活性物質３の形状に比較して、帯電の影響が十分小さくなる程度にカバー２１の貫通穴５５の形状を大きく形成し、基板１上に配置される。カバー２１の帯電は、基板１上に形成される生物活性物質３にほとんど影響を与えないため、帯電状態のばらつきによる基板１上に付着した生物活性物質３の形状や塗布均一性への影響はほとんどない。本発明の方法は、特許文献１に記載の方法に比較して、帯電状態のばらつきに起因した塗布均一性のばらつきを生じないため、優れた均一性が得られると考えている。

本発明において、カバー２１の寸法５６及び５７が、導電層２の寸法より大きいため、カバー２１に覆われていない部分に生物活性物質３が付着することも考えられるが、結果としてはほとんど付着していなかった。導電層２が帯電した粒子を収束させる効果は、導電層２に近いほど強く働くため、カバー２１の寸法５６及び５７を導電層２の寸法より多少大きくしても、カバー２１の貫通穴５５を通過した小滴のほとんどが、導電層２に収束するため、導電層２の周辺に生物活性物質がほとんど付着しないものと考えられる。

本発明の方法は塗布均一性の改善以外にも、特許文献１に記載の従来の方法に比較して優れた点がある。本発明の方法では、基板１表面に形成される生物活性物質３の形状は導電層２の形状により決定されため、基板１上に付着する生物活性物質３の形状の精度は、導電層２の加工精度により決定されることになる。導電層２の形状は、フォトリソグラフィ及びエッチング加工により形成され、非常に精度が高いため、生物活性物質３の形状を高精度に形成することができる。これに対して特許文献１の方法は、マスクの貫通穴を通過した生物活性物質を含む液滴を、マスクの貫通穴の形状に対応した形状で、導電層に付着させるものであり、マスクの貫通穴は通常機械加工により行うため、数十μｍ程度の加工誤差を生じる。マスクの貫通穴の形状が導電層上に付着する生物活性物質の形状を決定するため、生物活性物質の形状の精度は、数十μｍの誤差を持つことになる。特許文献１に記載のマスクもフォトリソグラフィ及びエッチング加工により、貫通穴を形成することで、高い精度を得ることは可能であるが、マスクの取り扱いの都合上、一定の剛性が必要であり、厚みを厚く作製する必要がある。そのため、貫通穴を形成する工程で相当な厚みをエッチングで除去する必要が生じ、加工時間が長時間になるため、加工コストが高くなるという問題を生じる。

更に、本発明では、キャピラリ内の液高さを画像認識するため、生物活性物質の噴霧量を、高精度に制御可能であり、基板１上に付着した生物活性物質３の形状は上述のように非常に高精度であるため、高精度に制御された噴霧量を所定の高精度な形状内に噴霧可能であり、１回の噴霧で形成される生物活性物質の形状や塗布均一性だけでなく、複数回の噴霧で形成される複数の生物活性物質間の形状ばらつきや塗布均一性ばらつきも小さく抑えて塗布することが可能である。

本発明の方法を用いて、複数の異なる生物活性物質を基板上に塗布したマイクロ流体チップを作製する場合には、図４の噴霧工程１の後に、噴霧工程２を必要な回数だけ繰り返し行う。噴霧工程２では、基板１をカバー２１に対して相対的に移動した後、噴霧を行う。噴霧に用いる生物活性物質３は、噴霧毎に異なる材料を用いることが可能であり、導電層２の形状は前述の露光・現像・エッチング工程で記載のように任意に形状を作製できるため、噴霧工程２を繰り返し行うことで、所望の材料を所望の形状に形成したマイクロ流体チップを作製することが可能である。

本発明の方法では、噴霧前にカバー２１の貫通穴５５と生物活性物質３を塗布する導電層２とを位置合わせして配置する必要がある。位置合わせ精度が悪いと、カバー２１の貫通穴５５のエッジ部分が導電層２に近づくことになり、カバー２１の帯電の影響が強く働くため、導電層２上に塗布される生物活性物質３の塗布均一性が悪化する。また、カバー２１の貫通穴５５のエッジ部分が導電層２を覆う程、位置合わせ誤差があると、カバー２１で覆われた部分には、生物活性物質３が塗布されない。本発明において、カバー２１と基板１の位置合わせが重要であり、位置合わせに対する要求精度を緩和できれば、位置合わせ機構の簡素化による低コスト化や、位置合わせ時間の短縮が可能になるというメリットが得られる。位置合わせに対する要求精度を緩和するには、カバー２１の貫通穴５５を大きな寸法にすることが効果的である。貫通穴５５の寸法が大きいければ、位置合わせ誤差を生じても、貫通穴５５の寸法が小さい場合に比較して、カバー２１のエッジと導電層２の間に大きな間隔をあけることができる。そのため、カバー２１の帯電が、生物活性物質３の塗布均一性に与える影響を小さく抑えることができる。しかし、カバー２１の貫通穴５５の寸法を大きくすると、わずかであるが、導電層２周辺の基板１上に噴霧した生物活性物質３が付着することが確認されている。付着量は、貫通穴５５の寸法に比例するため、付着量を減らすには、貫通穴５５を小さくする方が望ましい。つまり、貫通穴５５の寸法を大きくして、カバー２１と基板１の位置合わせ精度への要求を緩和するには、貫通穴５５を大きくしても、導電層２周辺の基板１上への生物活性物質の付着を抑えられる方法が必要になる。発明者らは、貫通穴５５の寸法を大きくしても、導電層２周辺の基板１上への生物活性物質の付着を抑えられる方法として、以下に記載の方法を考案した。

詳細について図４及び図５及び図７及び図８を用いて説明する。

図４に示すレジスト塗布工程で基板１上にレジスト１３を塗布する。次に、露光工程からレジスト除去工程で図５（ｂ）に示す形状に導電層２を加工する。レジスト１３として、ポジ型レジストのＯＦＰＲ８００（粘度３０ｃｐ）を用いたため、マスク１４の光１５を遮光する領域の形状は、図５（ｂ）の導電層２５から２９と同じ形状になっている。

以上の手順により、基板１上に、導電層２５、２６、２７、２８、２９を作製した。

次に、導電層２５から２９上に生物活性物質３を付着させるための手順について説明する。レジスト除去工程後の導電層２５から２９を形成した基板を図７に示すキャピラリ４６の下部に配置する。４７がレジスト除去工程後の基板である。ここで図５（ａ）に示すように導電層２７は、高電圧電源２２のマイナス極に接続する。高圧電源２２のプラス極またはマイナス極からの配線は、カバー２１と基板１の間に配置し、導電層２５から２９に所定の電圧を加えた。本実施例では行わなかったが、カバー２１の基板１側の表面に導電層を形成し、カバー２１を基板１に重ねて配置することで、カバー２１に形成した導電層が基板１上の導電層２５から２９と接触し所定の電圧を導電層２５から２９に供給する構造にすることも可能である。

高電圧電源２２のマイナス極はアース２４に接続されているため、導電層２７はアース電位になる。残りの導電層２５、２６、２８、２９は、直流電源２３のプラス極に接続し、直流電源２３のマイナス極をアース２４に接続した。導電層２５、２６、２８、２９はアース電位より直流電源２３の電圧分だけ高いプラスの電位になる。また、図７中のカバー２１には、図８に示すように貫通穴５５が形成されており、カバー２１は、貫通穴５５内に導電層２７が入るように位置合わせされる。貫通穴５５の寸法５６は、２．０ｍｍ、寸法５７は、１４ｍｍとし、貫通穴５５の中心が導電層２７の中心と一致するように位置合わせした。このように位置合わせすることで、導電層２５及び２９は、カバー２１により覆われることになり、キャピラリ４６から噴霧された生物活性物質３の付着を防止することができる。

以上のような構成で、キャピラリ４６に３ｋＶの電圧を加え、導電層２５、２６、２８、２９に＋１４０Ｖの電圧を加えて、静電噴霧を行った。キャピラリ４６から導電層２７までの距離は３５ｍｍである。導電層２周辺の基板１上の蛍光強度を測定したところ、貫通穴５５の寸法が１．５ｍｍの場合と同様に、生物活性物質３の付着はほとんど観察されなかった。このため、カバー２１の貫通穴５５の寸法を大きくしても、導電層２５、２６、２８、２９にプラス電圧を加えることで、基板１上への生物活性物質３の付着を抑えた条件で、導電層２７上に生物活性物質３を塗布できることが分かった。以上記載のように、貫通穴５５の寸法を大きくできるため、基板１とカバー２１の位置合わせ精度に対する要求を緩和できる。

複数の異なる種類の生物活性物質３を付着させる場合には、静電噴霧すべき導電層をキャピラリ４６の直下に移動していき、噴霧すべき導電層のみをアース電位に、他の導電層を所定のプラス電位に設定して、噴霧工程を行って、導電層２５から２９の上に順次所望の生物活性物質を形成する。

また、上記の条件では導電層２７をアース電位としたが、導電層２７をマイナス電位にすることにより、噴霧された生物活性物質を積極的に導電層上に集める効果が生じるため、生物活性物質の利用効率を改善する効果が期待できる。

以上のようにして生物活性物質を導電層２上に塗布した基板１を、図１に示すように、流路部材６と貼り合せて使用した場合、従来の構造で問題であった０．２μｍの導電層２の段差６２により生じる流路部材６との隙間６１がなくなっており、流路部材６に検査対象の液体を流した場合でも、液体が漏れ出ることがない。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す基板表面に凸形状の導電層を形成した構造の従来の基板でも、流路部材に、ポリジメチルシロキサンを使用しており、ポリジメチルシロキサンはゴムのように容易に変形するため、多少の段差であれば、流路部材自体が変形することで、基板と密着するため、流路に流す液体の漏れを防止することが可能であった。しかし、流路部材６に形成された流路の間隔１０が狭くなると、隣接する流路どうしを隔てる壁の厚みが薄くなり、基板と流路部材６との隙間６１が原因で部分的に隣接する流路どうしがつながってしまうという問題があった。そのため、流路に液体を流すと隣接する流路に液体の漏れを生じる場合があった。本発明の方法では、基板表面に段差がないため、流路部材に形成する流路の間隔を狭くしても、基板表面と流路部材の間に隙間を生じず、隣接する流路への液体の漏れをなくすことが可能である。

つまり、本発明の基板を用いることにより、生物活性物質の塗布均一性において、従来の基板と同程度の性能を維持した状態で、流路間の液体の漏れがないマイクロ流体チップを作製することが可能である。

実施例１に記載のカバー２１を使用して作製する基板を量産する場合、静電噴霧工程を行う前に、基板の位置を正確に調整し、固定するための効率的な方法が必要になる。理由として、カバー２１を使用する場合には、カバー２１の位置調整誤差が、貫通穴５５と生物活性物質３を付着させたい位置との誤差になり、誤差が大きいと隣接する導電層に付着を生じるため、製品の品質上問題になる。位置調整誤差は小さく抑える必要があるが、噴霧毎に作業者が観察して調整していたのでは、調整に時間がかかり、効率的でない。

本実施例では、位置調整時間の短縮と調整精度の向上のため、基板表面の電気的または光学的な性質を変化させた調整用マークを形成する方法について、以下に記載する。

図９は、本実施例の位置調整用マーク６３を形成した基板の構造を示す図であり、実施例１に記載の図１の基板の表面に位置調整用マーク６３を形成した構造になっている。位置調整用マーク６３は、銅薄膜であり、細い直線形状とした。位置調整用マーク６３の形成は、図４に示す加工方法のレジスト塗布工程からレジスト除去工程までの工程において導電層２の加工と同時に行った。具体的には、露光用マスクとして、図１０に示した構造のマスク５８を用い、導電層２を形成する部分と位置調整用マーク６３を形成する部分にレジスト１３形成されないように、露光及び現像を行い、その後ブラスト加工を行う。更に、その後の成膜工程で導電層２を成膜し、レジスト１３を除去することで、図９に示す基板を作製する。

作製された基板の位置調整用マーク６３と導電層２は、前述のようにフォトリソグラフィで加工されるため、位置誤差は数μｍ以下に抑えられる。本実施例では位置調整用マーク６３が銅薄膜で形成されているため、位置調整用マーク６３は光を反射する。位置調整用マーク６３の周辺はガラス表面であるため、光を透過する。この性質を利用して、位置調整用マーク６３を画像認識することにより、自動で高精度に位置調整を行うことが可能である。カバー２１に対して位置合わせする具体的な方法としては、カバー２１の貫通穴５５のエッジの一部分を画像認識し、位置調整用マーク６３を貫通穴５５のエッジから所定の位置に位置調整することで、位置誤差を数μｍ以下にすることが可能である。本実施例では光学的な位置調整方法について記載したが、例えば、位置調整用マーク６３は導電性であるため、電気抵抗値の変化を測定するための測定針により、基板上を走査することで、位置調整用マーク６３を認識し、カバー２１のエッジの画像認識結果に対して位置調整する方法でも、高い位置調整精度が得られる。

以上のように構成された静電噴霧による微細形状を形成した基板及び基板の作製方法について、以下その動作、作用を説明する。

本発明にかかる静電噴霧方法による微細形状の形成方法及び製品は、微細な形状に均一性良くに材料を塗布することが可能であり、生物活性物質を基板上に所定の形状に塗布する必要があるバイオチップとして有用である。

本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの構成図 本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの特徴を説明するための図 本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの基板の詳細な構造を示す図 本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの基板の加工手順を説明するための図 本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成したマイクロ流体チップの導電層パターンを変更した基板の構成図 本発明の実施例における静電噴霧方法を行なう静電噴霧装置（導電層の成膜装置）を示す図 本発明の実施例における静電噴霧方法を行なう静電噴霧装置の構成図 本発明の実施例における静電噴霧方法を行なう静電噴霧装置に用いるカバーを示す図 本発明の実施例２における静電噴霧方法を用いて作成した基板の構成図 本発明の実施例２における静電噴霧方法に用いる基板の露光用マスクを示す図 本発明の実施例１における静電噴霧方法を用いて作成した基板の蛍光強度の測定結果を示す図 本発明の実施例１における静電噴霧方法の蛍光測定位置を説明するための図 従来のマイクロ流体チップの構成図 従来のマイクロ流体チップの特徴を説明するための図

符号の説明

１ 基板
２ 導電層
３ 生物活性物質
４ 接続線
５ 接続部
６ 流路部材
７ 注入口
８ 排出口
９ 流路
１０ 流路間隔
１１ 貼り合わせ面
１２ 導電性のない部分
１３ レジスト
１４ マスク
１５ 光
１６ 現像液
１７ 段差
１８ ブラストノズル
１９ ブラスト粒子
２０ レジスト剥離液
２１ カバー
２２ 高電圧電源
２３ 直流電源
２４ アース
２５、２６、２７、２８、２９ 導電層
３０、３１、３２、３３、３４ 切換部
３５ 電極線
３６ 高電圧線
３７ チャンバー
３８ 基板ホルダー
３９ 高周波電源
４０ 排気装置
４１ メインバルブ
４２ 蒸着用ボート
４３ 蒸着材料
４４ ガス導入管
４５ アース
４６ キャピラリ
４７ レジスト除去後の基板
４８ 制御装置
４９ 基板ホルダー
５０ チャンバー外壁
５１ キャピラリホルダー（Ｘ）
５２ キャピラリホルダー（Ｙ）
５３ 抑え部材
５４ 間隔
５５ 貫通穴
５６ 寸法
５７ 寸法
５８ 露光用マスク
５９ 測定点Ａ
６０ 測定点Ｇ
６１ 隙間
６２ 段差
６３ 位置調整用マーク

Claims (9)

1. 基板上に所定のパターン層を形成するためにレジストを塗布し前記所定のパターンを有するマスクを介して露光・現像する工程、
   前記現像後の基板をブラスト加工する工程、
   前記ブラスト加工により前記レジスト塗布面の基材面とレジスト非塗布面の基材面との間に形成される段差の溝パターンに導電層を成膜する工程、
   導電層の成膜後レジストを除去し前記導電層の形状と対応する貫通穴を有するカバーを介して生物活性を有する物質を静電噴霧する工程、
   とを備える静電噴霧方法。
2. 前記段差は、略０．２μｍであることを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧方法。
3. 前記ブラスト加工は、レジスト非塗布面の表面粗さを０．７ｎｍから１００ｎｍとすることを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧方法。
4. 前記導電層を成膜する工程は、
   前記基板と所定の距離をおいて内部に生物活性物質の溶液と電極線を有するキャピラリを配置し、当該電極線に所定の高電圧を印加して前記生物活性物質の溶液を前記カバーを介して静電噴霧することを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧方法。
5. 前記基板とカバーとの距離は、０．０５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項４に記載の静電噴霧方法。
6. 前記カバーに形成される貫通穴は、前記導電層の形状より若干大きく形成することを特徴とする請求項５に記載の静電噴霧方法。
7. 前記溝パターンを複数有し、静電噴霧すべき溝パターンをアース電位又はマイナス電位に設定するとともに他の溝パターンを当該電位より高く設定して導電層を成膜することを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧方法。
8. 前記基板上に形成すべき所定のパターン層の基準位置となる位置調整用マークを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の静電噴霧方法。
9. 生物活性物質を検査するマイクロ流体チップであって、
   両端部に注入口を配置し前記注入口に繋がり流路を形成する溝部とから成る流路部材を、
   請求項１に記載の静電噴霧方法を用いて前記生物活性物質を塗布された基板に貼りあわせ
   て作成することを特徴とするマイクロ流体チップ。
   
   

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