JP2008224411A - プローブ担体製造装置及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブ溶液を吐出するノズルにゴミが詰まるのを防ぐ。
【解決手段】液体供給口８から流路７へ供給されるプローブ溶液中のゴミを、液体供給口８とノズル６との間に配設された障壁１４及び障壁柱１５の間で捕捉する。液体供給口８と流路７の連通部には、フォトリソグラフィー技術によって形成された開口１６ａを有する層間膜１６が設けられる。液体供給口８をシリコン基板１のエッチングによって形成する際の、意図せぬエッチングの広がりによって液体供給口８が拡大した場合でも、層間膜１６の開口１６ａの大きさや位置は変わらず、プローブ溶液は障壁１４や障壁柱１５の間を流動する。この間に、ゴミ等の異物を除去することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出装置を用いて基板上にプローブ担体を製造するプローブ担体製造装置及び液体吐出装置に関するものである。

遺伝子ＤＮＡの塩基配列の解析を行う場合、あるいは多項目に関する高信頼性の遺伝子診断を同時に行う場合などにおいて、目的とする塩基配列を有するＤＮＡを複数種のプローブを用いて選別することが必要となる。この選別作業に利用される複数種のプローブを提供する手段として、ＤＮＡマイクロチップが注目を浴びている。薬剤等のハイスループット・スクリーニングあるいはコンビナトリアル・ケミストリーによる薬剤等の開発においても、対象となる多数（例えば９６種、３８４種または１５３６種）のタンパク質あるいは薬物の溶液の秩序立ったスクリーニングを行うことが必要となる。その目的で多数種の薬剤を配列するための手法、その状態での自動化されたスクリーニング技術、専用の装置、一連のスクリーニング操作を制御し、また、結果を統計的に処理するためのソフトウェア等も開発されてきている。

これらの並列的なスクリーニング作業は、評価すべき物質に対する選別手段となる既知のプローブを多数並べたプローブ担体（プローブ・アレイ）を利用して行われ、同一条件下でのプローブ材料に対する作用あるいは反応などの有無を検出するものである。一般的に、どのようなプローブ材料に対する作用あるいは反応を利用するかは予め決定されており、従って、一つのプローブ担体に搭載されるプローブ材料は、例えば、塩基配列の異なる一群のＤＮＡプローブ材料など、大きく区分すると一種類の物質である。すなわち、一群のプローブ材料として利用される物質は、例えば、ＤＮＡ、タンパク質、合成された化学物質（薬剤）などである。多くの場合、一群をなす複数種のプローブからなるプローブ担体を用いることが多い。スクリーニング作業の性質によっては、プローブとして、同一の塩基配列を有するＤＮＡ、同一のアミノ酸配列を有するタンパク質、同一の化学物質を多数点並べ、アレイ状とした形態を利用することもあり得る。これらは主として薬剤スクリーニング等に用いられる。

複数種のプローブからなるプローブ担体では、異なる塩基配列を有する一群のＤＮＡ、異なるアミノ酸配列を有する一群のタンパク質、あるいは異なる化学物質の一群について、その一群を構成する複数種を、所定の配列順序に従って、アレイ状に基板上に配置する。なかでも、ＤＮＡプローブ担体は、遺伝子ＤＮＡの塩基配列の解析を行う際、あるいは信頼性の高い遺伝子診断を同時に多項目に関して行う際などに用いられる。

複数種のプローブを基板上にアレイ状に配置する１つの方法として、液体吐出ユニット（液体吐出装置）を用いて複数種のプローブ溶液を所望のタイミングで順次吐出し、基板上に配置させる方法がある。液体吐出ユニットには、プリンタに一般的に用いられているインクジェット法の技術を、プローブ担体の製造に適するように変更して用いられている。

プローブ担体製造用の液体吐出ユニットでは、できるだけ多くの種類の液体を吐出させることが望まれる。プローブ溶液の種類は、通常数１０〜数１０００種類であり、場合によっては数１０００以上になる。

また、プローブ担体の製造では、一般的なプリンタ用のインクジェットヘッドにより紙面に印字する場合ほど液体を消費するわけではないので、液体吐出ユニットのリザーバーの容積も比較的小さなもので十分である。また、使用するプローブ溶液の交換も必要であるため、リザーバーは液体交換の行いやすい簡便な構造が望まれる。

従って、プローブ担体の製造に用いられる液体吐出ユニットは、これらの要求を満たす構造が求められる。

特許文献１には、プローブ溶液を収納する液体供給口（リザーバー）と、それに一対一で対応して接続される液体吐出用のノズルを、塗布する複数種のプローブに対応する個数備えてなる液体吐出ユニットを用いるプローブ担体の製造方法が開示されている。

図７ないし図１３は、特許文献１に開示された液体吐出ユニットを示すもので、図７の（ａ）は、液体吐出ユニットを構成する半導体チップを示す平面図、（ｂ）は（ａ）の円Ｃ₁ で囲んだ部分を拡大して示す部分拡大図である。

図７において、２０１はシリコン基板、２０２はＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＡｌ等からなるヒータ、２０３はアルミニウム等からなる第１の配線、２０４はアルミニウム等からなる第２の配線、２０５は液体吐出ユニットと外部との電気的接触をとるためのパッドである。また、２０６はノズル、２０７は流路、２０８は基板裏面から基板表面に液体を供給する液体供給口である。液体供給口２０８はシリコンの異方性エッチングにより作成するが、その際シリコン基板２０１の裏面では、破線Ｃ₂ で示す大きさに広がっている。

ヒータ２０２は、その両端を第１及び第２の配線２０３、２０４と接続されている。

図８は、図７の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面を示し、図９は、図７の半導体チップの裏面を示す平面図である。

図８において、２１０は絶縁膜、２１１は保護膜、２１２はノズル材、２１３はＴａ等からなる耐キャビテーション膜である。

液体供給口２０８は、ＴＭＡＨ溶液を用いたシリコンの異方性エッチングにより作製され、図８に示すように、基板表面に対して、例えば５４．７°の角度で開口する。

液体供給口２０８は、液体のリザーバーとして用いられる。チップを裏面から見た場合、各液体供給口２０８は図９に示す形状になる。

液体は、基板裏面側から液体供給口２０８を経て基板表面に導かれ、流路２０７を通ってノズル２０６まで導かれる。ヒータ２０２の両端に電圧が印加されると、図１０に示すようにヒータ近傍の液体が加熱されて膜沸騰を起こし、液滴として吐出される。

多数の液体供給口２０８は大気に開放されており、この開放された状態で液体が供給され、吐出される。この構造は液体の入れ替えには適した構造ではあるが、液体供給口２０８から流路２０２内にゴミ等の異物が浸入しやすい構造であるという問題点があった。すなわち、ゴミ等の異物がノズルに詰まり、液体の不吐出や、吐出が不安定になったり、着弾位置がずれるなどの不良現象を引き起こす可能性が高かった。

この問題点を解決するため、特許文献２には以下のような液体吐出ユニットが提案されている。

図１１及び図１２に示すように、液体供給口２０８の一辺側に障壁２１４を配設し、さらに、障壁２１４と吐出口２０６の間の流路２０７に複数の障壁柱２１５を配設する。

この障壁２１４と障壁柱２１５は共に流路２０７を形成している材料と同一材料で流路２０７を形成するのと同時にフォトリソ工程で形成されるため、コストアップが生じないばかりか液体吐出に関わる信頼性でも全く問題がない。

障壁２１４と障壁柱２１５の間隔や、隣接する障壁柱２１５同士の間隔は、ノズル２０６の直径より狭くなるように設定されている。

プローブ溶液の吐出や、回復動作や溶液の入れ替えのため溶液の吸引を行う際、プローブ溶液は図１２に矢印Ｒで示したように、液体供給口２０８からノズル２０６に向かって流れる。

従って溶液中にゴミ等の異物が含まれていたとしても、ノズル２０６を詰まらせてしまう大きさの異物は障壁２１４と障壁柱２１５の間、あるいは隣接する障壁柱２１５同士の間でトラップされてしまうため、ノズル２０６に異物が詰まることがない。

上記構成によれば、非常に簡単な構成でノズルからの液体の吐出が不吐になったり、吐出方向が乱れたり、吐出量が変化したりといった不安定な吐出の発生を防止できる。従って、安定的に連続した液体吐出を行うことができるため、多数のプロ−ブ担体を効率的に製造することができる。
特開２００２−３１８２３２号公報 特開２００５−１２５５２５号公報

しかしながら、上記の構成においても、完全にゴミ等の異物の詰まりを防止することはできなかった。詳しく説明すると、一般的に液体供給口はシリコンを異方性エッチングすることによって形成する。＜１００＞面を表面に持つシリコン基板の異方性エッチングにおいては、原理的にはエッチングは＜１１１＞面で停止し、基板表面に対して５４．７°の角度で開口し、液体供給口の大きさ及び位置も一義的に決定されるはずである。しかし、現実的にはシリコン基板内の結晶欠陥や、製造プロセス中に発生した基板裏面の傷により、エッチングが局部的に進む現象があるため、液体供給口の大きさ及び位置のばらつきが発生する場合がある。

図１３は、ノズル２０６に最も近い辺の液体供給口２０８のエッジ２０８ａが設計値と比較して大きくずれた場合を示す。この場合、矢印Ｒ₁ で示したように、プローブ溶液が障壁２１４と障壁柱２１５の間や、隣接する障壁柱２１５同士の間を通ることなくノズル２０６に流れてしまうため、充分なフィルタ効果が得られず、ノズル詰まりを生じてしまう。

液体吐出ユニットでは、吐出できるプローブ溶液の種類は多いほど望ましい。従って、一つの液体吐出ユニットが数多くのリザーバーを備える。

この多数のリザーバーの内、ある頻度で前述のような開口寸法及び位置が設計値から大きくずれるものが発生するため、多数のリザーバーを備える液体吐出ユニットほど、問題が生じる可能性は高い。

本発明は、液体供給口の大きさや位置が設計値から外れた場合でも、ゴミ等の異物による不吐出や不良吐出を発生させることなく、安定してプローブ溶液の吐出を行うことができるプローブ担体製造装置及び液体吐出装置を提供することを目的とするものである。

本発明のプローブ担体製造装置は、複数のノズルからプローブ溶液を基板上に吐出することにより、複数種のプローブが配置されたプローブ担体を製造するプローブ担体製造装置において、前記複数のノズルと、前記複数のノズルからそれぞれ吐出するためのプローブ溶液を供給する複数の流路と、前記複数のノズルからプローブ溶液を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記流路にプローブ溶液を供給するための液体供給口と、前記流路内のプローブ溶液の流れを制御する障壁及び障壁柱と、前記液体供給口と前記流路との連通部の周囲に沿って前記流路の壁面に積層され、前記液体供給口を前記流路に連通させる開口をフォトリソグラフィー技術によって形成された樹脂膜と、を備えたことを特徴とする。

シリコンの異方性エッチングによって形成される液体供給口の流路への連通部に、フォトリソグラフィー技術によって開口された樹脂膜を配置し、液体供給口から流路に連通する開口の開口寸法を樹脂膜の開口寸法によって決定する。

液体供給口の開口寸法が、フォトリソグラフィー技術によって決定されるため、精度良く開口寸法を制御でき、また、障壁等に対する液体供給口と流路との連通部の開口位置も正確に制御することができる。

シリコンの異方性エッチングのばらつきが生じても、液体供給口からノズルに移動する際のプローブ溶液の流れ方には変化がないため、ノズルに到達するまでに必ず障壁や障壁柱の間を通る。従って、異物がノズルに到達することはない。

その結果、プローブ担体を高い歩留まりで製造することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１の（ａ）は、プローブ担体を製造するプローブ担体製造装置を示すもので、液体吐出ユニット（液体吐出装置）１０１、液体吐出ユニット１０１の移動を略平行に案内するシャフト１０２、プローブ担体の基板が固定・保持されるステージ１０３等を備える。プローブ担体の基板はガラス基板１０４である。

液体吐出ユニット１０１は、図中のＸ方向に移動することができ、ステージ１０３はＹ方向に移動することができる。従って、液体吐出ユニット１０１は、ステージ１０３に対して相対的に２次元的に移動できることになる。

液体吐出ユニット１０１がステージ１０３上のガラス基板１０４の上を通過する際、所望のタイミングで液体吐出ユニット１０１からプローブ溶液（液体）の吐出を行い、図１の（ｂ）に示すように、プローブ１０５をガラス基板１０４上に配置する。

図１の（ｂ）はプローブ担体を示す模式図であり、プローブ１０５は、このように規則的にガラス基板１０４に配置される。

各プローブ１０５の直径は、１０μｍないし１５０μｍであり、隣接したプローブ１０５間の距離は、５０μｍないし１０００μｍである。

予め合成および精製されたプローブ材料（たとえばＤＮＡ）を基板上に配置する場合、液体吐出ユニット１０１は、ガラス基板１０４上に配置するプローブ１０５と同数のノズルを備えた構成が好ましい。

図１の（ａ）では、複数のガラス基板１０４を固定して、プローブ１０５を配置する場合を示したが、１枚の大きなガラス基板上にプローブを配置し、その後、ガラス基板を切断して複数のプローブ担体を得てもよい。

次に、液体吐出ユニット１０１の構成を図２ないし図４に基づいて説明する。

図２は、ノズル近傍における液体吐出ユニット１０１の構成を示す模式断面図である。液体（プローブ溶液）を吐出させる方式としては、エネルギー発生手段であるヒータから発生する熱エネルギーにより液体の吐出を行うサーマルジェット方式と、ピエゾ素子に電圧を印加して生じる素子の変形により液体の吐出を行うピエゾジェット方式がある。図２にはサーマルジェット方式の液体吐出ユニットの構造を示した。

図２の液体吐出ユニット１０１は、シリコン基板１、ヒータ２、ノズル６、流路７、液体供給口８を備える。ヒータ２はＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＡｌ等からなるヒータであり、液体供給口８は基板裏面から基板表面の複数のノズル６にそれぞれ液体を供給する。シリコン基板１は、絶縁膜１０、保護膜１１を有し、その上にノズル材１２、Ｔａ等からなる耐キャビテーション膜１３、障壁１４及び障壁柱１５、樹脂膜である層間膜１６が配設される。

ヒータ２の両端にはアルミニウム等からなる配線(不図示)が接続され、該配線を介してヒータ２に所望の電圧パルスが印加される。

絶縁膜１０は、シリコン基板１を熱酸化して作成される熱酸化膜、あるいはＣＶＤにより形成される酸化膜もしくは窒化膜等のいずれの膜でもよい。

保護膜１１は、ＣＶＤにより形成される酸化膜または窒化膜等いずれの膜でもよい。

ノズル６及び流路７を構成しているノズル材１２は、あらかじめノズル及び流路を形成したノズル材をシリコン基板に貼り付けてもよいし、フォトリソグラフィー技術による半導体プロセスを用いて形成してもよい。

液体供給口８は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）溶液を用いたシリコンの異方性エッチングにより作製され、理想的には基板表面に対して約５４．７°の角度で傾斜して開口する。液体供給口８は、基板裏面から基板表面に液体を供給すると共に、液体（プローブ溶液）を保持するリザーバーとしても機能する。

図３に示すように、障壁１４と障壁柱１５の間隔や、隣接する障壁柱１５同士の間隔は、ノズル６の直径より狭くなるように設定されている。

プローブ溶液の吐出、回復動作や、溶液の入れ替えのため液体の吸引を行う際、液体は供給口８からノズル６に向かって液体が流れる。この時液体中にゴミ等の異物が含まれていたとしても、ノズル６を詰まらせてしまう大きさの異物は、障壁１４と障壁柱１５の間若しくは、隣接する障壁柱１５同士の間でトラップされてしまうため、ノズル６に異物が詰まることがない。

層間膜１６は、液体供給口８と流路７との連通部の周囲に沿って、流路７の壁面を構成する保護膜１１上に積層され、液体供給口８と流路７とを連通させるために、その中心部に開口１６ａを有する。層間膜１６の開口１６ａは、開口寸法Ｄが基板表面の液体供給口８の開口端の大きさとほぼ等しくなるように、フォトリソグラフィー技術を用いたパターニングによって形成されている。

このような構成にすることにより、液体供給口８の大きさ及び位置のばらつきが発生した場合においても、層間膜１６の開口１６ａが所望の位置に開口しているため、図１３に示したような意図せぬ経路での液体の移動は生じない。図４の矢印Ｒで示すように、液体は設計通り、流路７内の液体の流れを制御する障壁１４及び障壁柱１５の存在する領域を通ってノズル６に移動するため、この間にゴミ等の異物を障壁柱１５によってトラップすることができる。

従って、ゴミ等の異物がノズル６に詰まり、吐出不良を起こすことはない。

層間膜１６は、ポリエーテルアミド樹脂等の樹脂で作成され、障壁１４及び障壁柱１５に密着している。パターニングはフォトリソグラフィー技術によって行われるため、開口１６ａの配置される位置や、開口寸法Ｄはきわめて正確に制御することができる。障壁１４及び障壁柱１５に対する層間膜１６の開口１６ａの位置を、数μｍ以内のきわめて正確な距離で決定することができ、これらの位置合わせのマージンをもたせるための無駄な領域を流路内に作る必要はない。その結果、泡溜り等の起き難い微細な流路構造が可能となる。

図２ないし図４では、層間膜１６の開口１６ａと、液体供給口８のシリコン基板１の表面での開口端がほぼ一致する構成を示したが、これらは必ずしも一致させる必要はない。例えば、図５に示すように、層間膜１６の開口寸法が、液体供給口８のシリコン基板１の表面での開口端の幅より小さくてもよい。

また、層間膜１６は液体供給口８と流路７との連通部の周囲だけではなく、図６に示すように、シリコン基板１のほぼ全面に及ぶように配置（積層）してもよい。図６では、液体供給口８の開口端及びヒータ２の上方の部分のみ層間膜１６が配置されていない場合を示した。

プローブ担体の製造枚数が少なく、かつ１つのプローブに対するプローブ溶液の吐出量が少ない場合は、液体供給口内に存在するプローブ溶液量で、一連のプローブ担体製造に充分な場合がある。より多くのプローブ溶液の吐出が必要とされる場合は、液体供給口８に接続される第２のリザーバーを設けるとよい。

プローブ溶液は基板裏面から、液体供給口８を経て基板表面に導かれ、流路７を通ってノズル６まで導かれる。ヒータ２の両端に所望の電圧パルスが印加されると、ヒータ近傍のプローブ溶液が加熱されて膜沸騰を起こし、液滴を吐出する。

プローブ溶液を安定して吐出させるためには、安定的に膜沸騰を起こすことが必須である。安定な膜沸騰を起こすためには、ヒータ２に対して０．１ないし５μｓの電圧パルスを印加することが望ましい。

１個のノズルから吐出されるプローブ溶液の量は、プローブ溶液の粘度、プローブ溶液とガラス基板の親和性、プローブ材料とガラス基板との反応性などの様々の要素を考慮の上で、形成されるプローブ（アレイ）のドットサイズや形状に応じて、適宜選択される。プローブ溶液は水性溶媒を用いることが一般的であり、液体吐出ユニットの各ノズルから吐出されるプローブ溶液の液滴は、一般的に、その液量を０．５ｐｌから１００ｐｌの範囲内で選択される。このため、その液量に合わせてノズル径などを設計することが好ましい。

プローブ材料はガラス基板等の固相基板に結合可能な構造を有するものとし、プローブ溶液を吐出し、塗布した後、かかる結合可能な構造を利用して固相基板に結合させることが望ましい。この固相基板へ結合可能な構造は、例えば、アミノ基、メルカプト基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、酸ハロゲン化物（−ＣＯＸ）、ハロゲン化物、アジリジン、マレイミド、スクシイミド、イソチオシアネート、スルホニルクロリド（−ＳＯ₂ Ｃｌ）、アルデヒド（−ＣＨＯ）、ヒドラジン、ヨウ化アセトアミドなどの有機官能基をプローブ材料分子に予め導入する処理を施すことで形成することができる。その場合、基板表面には、前記の各種有機官能基と反応して共有結合を形成する構造、有機官能基を導入する処理を予め行っておくことが必要となる。

本実施例によれば、異方性エッチングによって形成された液体供給口の大きさ及び位置が設計値から外れた場合においても、ノズルにゴミ等の異物が詰まるのを防止し、不吐出や不良吐出を発生させることなく、安定的にプローブ溶液の吐出を行うことができる。

そして、プローブ担体を高い歩留まりで製造することができる。

一実施例によるプローブ担体製造装置を示すもので、（ａ）はその主要部を示す模式平面図、（ｂ）は（ａ）の装置によって製造されたプローブ担体を示す平面図である。 図１の装置の液体吐出ユニットのノズル近傍の構成を示す模式断面図である。 液体供給口の近傍における障壁と障壁柱と層間膜の位置関係を示す平面図である。 液体吐出ユニットの液体の流れを示す図である。 一変形例による液体吐出ユニットのノズル近傍の構成を示す模式断面図である。 別の変形例による液体吐出ユニットのノズル近傍の構成を示す模式断面図である。 一従来例による液体吐出ユニットを示すもので、（ａ）はその全体を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の円Ｃ₁ で囲んだ部分を拡大して示す拡大部分平面図である。 図７の装置のノズル近傍の構成を示す模式断面図である。 図７の装置の裏面側を示す平面図である。 図８の装置における液体の流れを説明する図である。 別の従来例による液体吐出ユニットの構成を示す模式断面図である。 図１１の装置における液体の流れを説明する図である。 図１１の装置における問題点を説明する図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ ヒータ
６ ノズル
７ 流路
８ 液体供給口
１０ 絶縁膜
１１ 保護膜
１２ ノズル材
１３ 耐キャビテーション膜
１４ 障壁
１５ 障壁柱
１６ 層間膜
１６ａ 開口
１０１ 液体吐出ユニット
１０２ シャフト

Claims (7)

1. 複数のノズルからプローブ溶液を基板上に吐出することにより、複数種のプローブが配置されたプローブ担体を製造するプローブ担体製造装置において、
   前記複数のノズルと、前記複数のノズルからそれぞれ吐出するためのプローブ溶液を供給する複数の流路と、前記複数のノズルからプローブ溶液を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記流路にプローブ溶液を供給するための液体供給口と、前記流路内のプローブ溶液の流れを制御する障壁及び障壁柱と、前記液体供給口と前記流路との連通部の周囲に沿って前記流路の壁面に積層され、前記液体供給口を前記流路に連通させる開口をフォトリソグラフィー技術によって形成された樹脂膜と、を備えたことを特徴とするプローブ担体製造装置。
2. 前記液体供給口はシリコンの異方性エッチングによって形成されていることを特徴する請求項１記載のプローブ担体製造装置。
3. 前記障壁及び前記障壁柱が、前記樹脂膜に密着していることを特徴する請求項１又は２記載のプローブ担体製造装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項記載のプローブ担体製造装置を用いてプローブ担体を製造することを特徴とするプローブ担体の製造方法。
5. 液体を吐出する複数のノズルと、前記複数のノズルからそれぞれ吐出するための液体を供給する複数の流路と、前記複数のノズルから液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記流路に液体を供給するための液体供給口と、前記流路内の液体の流れを制御する障壁及び障壁柱と、前記液体供給口と前記流路との連通部の周囲に沿って前記流路の壁面に積層され、前記液体供給口を前記流路に連通させる開口をフォトリソグラフィー技術によって形成された樹脂膜と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
6. 前記液体供給口はシリコンの異方性エッチングによって形成されていることを特徴する、請求項５記載の液体吐出装置。
7. 前記障壁及び前記障壁柱とが、前記樹脂膜に密着していることを特徴する請求項５又は６記載の液体吐出装置。

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