JP2008303412A - めっきによる検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の検査・解析医療用磁気デバイスの製造する方法のようにスパッタ装置やドライエッチング装置などの真空系装置を使用すると、コスト、大量生産の面で不利であった。そこでスパッタ装置やドライエッチング装置などの真空系装置を使用せず、湿式プロセスのみで安価で大量に生産可能な方法を提供する。
【解決手段】ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に磁性膜を形成する製造工程を電気めっき、無電解めっき等の湿式プロセスのみとした。
【選択図】図２

Description

検査・解析医療用磁気デバイスの製造する方法に関するものである。特に、本発明の方法は、スパッタ装置やドライエッチング装置などの真空系装置を使用せず、湿式プロセスのみで安価で大量に生産可能な方法を実現するものである。

従来、検査・解析医療用磁気デバイスは、例えば、国際公開番号WO/2005/069001「 MICROWELL ARRAY CHIP AND ITS MANUFACTURING METHOD」によれば、シリコン、樹脂、金属あるいはガラスなどに微小孔を設け、その中に対象とする細胞等の被検査体を捕獲していた。

しかしながら、例えば、それらの被検査体に抗原刺激を行い、抗体反応を示す被検査体を同定し、それを再び回収しようとした場合、微小孔から容易には取り出しにくいという欠点があった。

また、被検査体の微小孔への捕獲は、重力による沈降に頼っていること、微小孔に入らない不要な被検査体の洗浄除去作業の際、一端微小孔へ捕獲された被検査体をも流れてしまうということがあった。そのことによって各微小孔への収容率は、低いものであった。

さらに、この微小孔の作製には、高額なエッチング用設備等が必要であり、高額な工数が必要である。また、このようなエッチング装置のほとんどは、真空系容器のなかで加工作業を行うため、スループットが悪く、さらに特殊な工法を必要とした。

その問題を解決するために、特願2004-317543号では微細穴の代わりに磁気スポットを利用した細胞回収システムが記載されている。これは、被検査体を磁気ビーズにより修飾し、ガラス上に形成された磁気スポットに吸引、捕獲するものである。本出願の実施例によると、磁気スポットの形成は、従来の真空系の成膜技術である真空蒸着法によりおこなっている。このため、磁性膜の材質は、真空蒸着可能なものに限られ、その成膜はその材料自身が有する磁性も伴って非常に非効率なものとなっている。さらに、前記出願での方法によると、微細なパターン形状は不可能であり、より効果的な磁気スポットの設計には限界がある。

また東大の一木らの研究グループでは、磁気ビーズを用いたマイクロ流体デバイス、マイクロリアクターアレイを研究している。それらは、Ｎｉあるいはパーマロイ薄膜をスパッタ蒸着にて作成し、CO/H₂/Arプラズマなどによってドライエッチングを行い、パターン形成を行っている。しかしながら、これら磁性膜のスパッタ蒸着は、成膜レートが遅く、また組成ズレなどの問題もある。さらに、成膜からエッチングまで、ドライプロセスを使用しており、スループットは著しく低いものとなっている。

従来技術に基づく方法によれば、磁性膜の形成はできても、磁気修飾された細胞などの捕獲はいまだ実現されていない。理由としては、第１に蒸着等の方法では、細胞の捕獲に必要な厚い強力な磁性膜の形成ができないこと、第２に磁性パターンを形成する際に、ドライあるいはウエットによるエッチングを行うため、磁性膜にダメージを与えるあるいは、残渣が発生したりすることなどが挙げられる。

堀田慎一、鈴木佳司、渡辺幹男、本間英夫、「ガラスと無電解めっきの密着性」：表面技術,Vol.44、No.10、PP831-835、1993年 藤城敏史、小幡 勤、谷野克巳、「免疫診断用マイクロウェルアレイ細胞チップ：バイオチップの最新技術と応用」松永是監修，p218-224，シーエムシー出版，東京，2004年 大津貴己、相沢宏明、一木隆範「マイクロリアクターアレイ上への磁気ビーズ配列に関する検討」、第51回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、p1432 「情報、バイオ、環境とナノテクノロジーの融合による革新的技術の創成」研究領域 領域活動・評価報告書−H17年度終了研究課題− p816−p818 堀池靖浩、一木隆範、沖明男、「プラズマプロセス使用バイオチップ開発」、応用物理 第７３巻第４号(2004)、p470−475 中谷功、「磁性材料Fe、Co-Cr合金、及びNi-Fe合金の反応性イオンエッチング」、日本応用磁気学会研究会資料 Vol.103

以上のような背景から、検査・解析医療用磁気デバイスには、以下のような課題の解決が求められている。

検査・解析医療用磁気デバイスが広く一般的に用いられない理由の一つには、コストにある。

検査・解析医療用磁気デバイスである以上、安全や衛生の観点からディスポーザブル（使い捨て）である必要があるが、磁性膜の成膜に従来の真空系技術を利用して、しかもパターニング、エッチングの工程を用いていては、所望の性能を得ることは困難であり、また価格的に高価であり使い捨てに適する価格で作製することが不可能であった。

そこで本発明の目的は、使い捨て用途にも利用可能な検査・解析医療用磁気デバイスを従来よりも性能を向上させ、さらに大量にかつ安価に提供することにある。

上記課題を解決するための発明は、以下の通りである。

めっきによる検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に磁性膜を形成することを特徴とするめっきによる検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に形成された磁性膜を、エッチング処理することなく、微細パターンを形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に形成された磁性膜上の被検査体を、その上下いずれの方向からも観察可能であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に形成され、エッチング処理することなく、微細パターン化された磁性膜を、電気めっきで形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に形成され、エッチング処理することなく、微細パターン化された磁性膜を、無電解めっきで形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

基板の上に最初に無電解めっきを形成し、磁性膜を形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

基板の上に最初に形成される無電解めっきが無電解Ni系であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

基板の上に最初に形成される無電解めっきが無電解銅であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

磁性膜が形成されたガラス、セラミックあるいは樹脂基板表面に機能性表面改質層を有することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法。

本発明によれば、磁気修飾された被検査体を基板上に形成された磁気スポットに１つ１つ固定することができ、また個別に取り出すことが容易になる。

例えば、被検査体としてリンパ球を選択した場合、外部からの抗原刺激に対して特異的に反応したリンパ球を個別に検出、抽出することが可能である。その結果、例えば、検出され取り出された抗原特異的リンパ球から、抗原特異的抗体遺伝子やT細胞受容体遺伝子をクローニングすることも可能になる。さらに、例えば、抗原特異的抗体遺伝子がクローニング出来ると、それを用いて大量にヒト型モノクローナル抗体を生産することが出来る。この抗体を感染症などの患者に投与することにより、感染症などの治療、予防に用いることが出来ると考えられる。

このような機能を提供する検査・解析医療用磁気デバイスを、真空排気系製造装置を使用せずに生産する本発明の方法は、安価で大量に製造する手段を提供することが可能になる。図１は、従来技術の製造工程フローとの比較である。本発明による方法によると従来技術に比べ、大幅に工数が削減可能である。

（磁気スポットアレイチップ）
本発明による検査・解析医療用磁気デバイス製造法によって作製される磁気スポットアレイチップは、少なくとも１つの基板とその上に形成される磁気スポットによって構成される。基板は、ガラス、セラミック、シリコン、樹脂材料などよって構成される。基板は、透明であればさらによい。図２は、磁気スポットアレイチップ例の外観図である。

基板２-d上には、磁気修飾された被検査体2-aが磁力によって固定されるように、シード層2-cを介して磁性体で作成されたスポット2-bを形成する。磁性体の材料は、たとえばニッケル、フェライト、コバルト合金膜である。またスポットは、円形状、多角形状あるいはそれらを組み合わせで構成される形状を有しており、サイズは、1〜30ミクロンであり、好ましくは、8〜12ミクロンであるが、被検査体の大きさによって適宜選択する。これらのスポットは、アレイ状に配置することで同時に複数の被検査体の評価が可能になる。

磁性膜の形成は、めっき工法を利用することで行われる。まず、シード層となる例えば、Ni-Pや銅を無電解めっきによって基板2-d上に形成する。その上に、半導体集積回路形成技術の一つであるフォトリソグラフィ技術により、フォトレジストによるパターンニングを行う。このとき、磁性膜を形成する部分のシード層2-cがフォトレジストより露出していることが必要である。フォトレジストは、例えば東京応化工業株式会社（TOK）社製TSMR-8800が使用でき、めっき工程に耐性があるフォトレジストであれば、自由に選択することが可能である。

フォトレジストより露出したシード層2-c上には、電気めっきによって磁性膜2-bが形成される。その厚みは、被検査体の形状や、アプリケーションにより適宜選択する。例えば、被検査体の直径に対して0.1〜2.0倍の範囲であり、好ましくは0.2〜1.3倍の範囲であることが適当である。

電気めっきにより磁性膜2-bを形成後、フォトレジストは取り除く。以上で、本発明による磁気スポットアレイチップが完成する。さらに、磁性膜2-bが形成されず、露出しているシード層2-c部分については、必要があればエッチングにより取り除いてもかまわない。取り除くことで、磁気スポットパターンを適宜選択することで、基板裏からの被検査体の観察が可能となる。

以下に本発明による検査・解析医療用磁気デバイスの実施形態について説明する。

以下、第一実施例を説明する。実施例１は、ガラス上に無電解めっき法により、Ni-Pをめっきし、パターニングした後に、その上に電気めっきにより磁性体をめっきし、レジストを除去することにより、パターニングされた磁気デバイスを作製する。

図３に第１実施例のプロセス工程の断面図、図４に平面図を示す。
（1）はガラス基板を示す。めっき素地にはソーダライムガラスを基板（スライドガラス）として使用し、基板を純水中で、常温で５分間の超音波洗浄を行った後、１mol/LのNaOH溶液に３０秒間浸漬し、水洗した。その後、１mol/LのH_２SO_４溶液に３０秒間浸漬した後、純水中で、超音波洗浄を行った。

上記のようにして洗浄した基板を、さらに常温で1.0g/ＬのSnCl_２水溶液に６０秒間浸漬して感受性化処理し、常温で0.1ｇ/LのPdCl_２水溶液に ６０秒間浸漬して触媒活性化処理した。この感受性化処理及び触媒活性化処理を、水洗操作をはさんで３回繰り返した。

さらに、（2）に示すように、感受性化及び触媒活性化処理した基板を、硫酸ニッケル１mol/L、グリシン0.4mol/L、次亜りん酸ナトリウム0.2mol/Lで構成されるめっき浴（pH：４．５、浴温：６０℃）で３０分間無電解めっきして、膜厚０．３μｍのNi-Pめっき層を形成した。

続いて、（3）の工程で、東京応化工業株式会社（TOK）社製、ポジ型レジストTSMR−8800 10ｃｐのレジストを塗布する。レジストは、4000rpmの回転数でスピンコートすることによって、約１μｍの膜厚で形成した。ここでレジストの膜厚は、レジストの粘度及びスピンコートの回転数を適宜設定することで所望の膜厚を実現可能である。

（4）の工程で、マスクを用いて、露光、現像を行い、レジストのパターニングを行なった。マスクに形成された微細なパターンを、ズース・マイクロテック社MA6マスクアライナーによって、２秒間露光し、東京応化工業株式会社（TOK）社製、ポジ型レジスト現像液NMD-W２．３８％によって現像した。露光部分は、下地基板が露出し、この部分にめっきが析出するようにしてある。パターン形状は、丸形状あるいは多角形状あるいはそれらを組み合わせたものである。また、パターン内部を例えばドーナツ形状のように切り抜くことも可能である。パターンの大きさは、捕獲しようとする被検査体によって適宜決定される。例えばリンパ球の場合、細胞の直径の0.1〜2.0倍の範囲であり、好ましくは0.2〜1.3倍の範囲であることが適当である。

その後、（5）に示す用に電気めっき法により、無電解コバルト合金をめっきする。無電解コバルト合金は、例えばCoNiRePであり、そのめっき浴組成は以下の通りである。
・硫酸アンモニウム 0.50
・コハク酸二ナトリウム 0.75
・(+)酒石酸ナトリウム二水和物 0.20
・DL-リンゴ酸二ナトリウム・ｎ水和物 0.90
・硫酸コバルト(II)水和物 0.06
・硫酸ニッケル(II)六水和物 0.15
・過レニウム酸アンモニウム 0.003
・次亜リン酸ナトリウム 0.20
(mol/dm3)
・浴温：80℃
・ｐH：9.2

（6）に示すように、レジスト溶剤を用いてレジストを剥離し磁気デバイスアレイを作製する。レジストは、レジスト溶剤、例えばアセトンを用いて除去することが可能である。基板をアセトンで数分間、例えば３分間超音波洗浄を行い、その後表面が乾かないようにして超純水でリンスを行った。基板は、十分にリンスを行った後、エアブローあるいはスピンドライヤーで乾燥した。この後、必要に応じて基板をダイサー、レーザーなどで所望のサイズにカットすることも可能である。

本発明は、図３、４の図に示されるように、パターニングされていない無電解Ni-Pの上にパターニングされた電気めっき法によるコバルト合金膜が形成されている。本実施例で示す無電解Ni-Pは、りんを10wt%以上含んでおり、非磁性である。図５に、振動試料型磁力計（VSM、理研電子社製）により、測定した磁気特性を示す。図５より明らかなように、下地の無電解Ni-Pは非磁性である。上地の電気Co合金は強磁性体であるので、磁気デバイスとしてはパターニングされている上地のみが作用する。図６には、上地の磁気特性を示す。これより強磁性体であることが確認できる。

本発明によれば、図１のフローに示すようにスパッタ蒸着装置などの真空系の成膜技術を用いず、かつ、レジストのパターニングを１回行うのみで、エッチングも用いていない、さらに、めっき素地もスライドガラスと安価であるので、磁気デバイスとして高性能かつ低価格でディスポーザブルである。

第2の実施例は、下地の無電解Ni-Pをエッチングすることにより、基板のデバイス部以外を透明にすることにより、機能を高めることを特徴とする。

図７と８に、第2実施例の断面図と平面図を示す。
（6）の工程までは、第１実施例と同様であり、（7）の工程に下地の無電解Ni-Pめっきのエッチング工程を加えている。使用するエッチング液は、例えば硝酸セリウムアンモニウムなどである。

無電解Ni-Pをエッチングすることにより、磁気デバイス部分以外は透明になるので、被検査体をデバイスの上下から同時に観察することができるようになる。このとき、磁性膜は、レジストにより保護されているので、薄い無電解Ni-Pは短時間でエッチングされるので、磁性膜へのダメージはない。

磁気デバイス部分が透過型になることによって、医療・創薬分野での研究で使用される倒立型顕微鏡での利用において有効である。当該顕微鏡は、ガラス基板下側から観察しながら、被検査体を上側から操作できるものであり、当該磁気デバイスで捕獲された被検査体を下側から観察しながら、上側から操作することを容易にするものである。

下地の無電解Ni-Pを無電解銅に変更することを特徴とする。

図７、８と基本的には同様であるが、（2）の工程が、無電解銅めっきである。

銅は、無電解Ni-Pに比して、抵抗が低い（無電解Ni-Pは非磁性にするために、りんを10wt％以上含有する必要があり、そのために、結晶構造が非晶質になるので、抵抗が高くなる）、また、エッチングも容易である。

下地の抵抗が低いので、配線抵抗が小さくなり、場所によるめっき厚みの差が小さくなる。さらに、エッチングも容易になるので、磁性デバイスに対するダメージも小さくなる。

第４の実施例は、磁気めっき上に表面改質層を形成することを特徴としている。実施例１〜３において形成された、磁性デバイス上を機能性表面へ改質するものである。

上記実施例によって形成された磁気デバイスに、表面改質剤、たとえばシランカップリング剤や機能性樹脂により表面処理することにより、機能性を付加するものである。
表面処理は、例えば図３の場合、（5）、（6）の工程後で行うことができる。（5）の工程の後に行うと、磁性めっき表面だけに選択的に処理することができ、また（6）の工程の後に行うと、磁気デバイス全体を処理することが可能である。

表面改質には、例えば、シランカップリング剤のHMDS（ヘキサメチルジシラザン）を用いる。本処理は、基板を溶剤に浸すあるいはガス拡散法などによって可能である。
プラズマ処理や真空蒸着、スピンコート法などによってフルオロカーボン等を成膜すれば、疎水表面を得ることも可能である。
なお、以上の表面処理における材料、手段は、種々のものが考えられ、本実施例の処理に限定されるものではない。

カップリング処理によって、例えば表面にシリル基やアミノ基が形成されると、タンパク質などの修飾がしやすくなる。これにより、被検査体と修飾分子との相互作用が容易に観察できるようになる。また、非細胞接着表面として改質すれば、磁気デバイスによって捕獲された細胞を基板に接着させることなく、容易にマイクロピペットなどによって回収可能である。

本発明と従来技術の工程フローの比較である。 本発明による検査・解析医療用磁気デバイスの簡単な構造図である。 第一実施例の断面図である。 第一実施例の平面図である。 下地Ni-Pの磁気特性である。 第一実施例による電気Co合金鍍金の磁気特性である。 第二実施例の断面図である。 第二実施例の平面図である。

符号の説明

２−a 被検査体
２−b 磁性膜
２−c シード層、
２−d 基板。

Claims (10)

1. めっきによる検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
2. 請求項１で、ガラス、セラミックあるいは樹脂基板の上に磁性膜を形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
3. 請求項２で、磁性膜をエッチング処理することなく、微細パターンを形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
4. 請求項３で、磁性膜上の被検査体を、その上下いずれの方向からも観察可能であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
5. 請求項４での磁性膜を、電気めっきで形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
6. 請求項４での磁性膜を、無電解めっきで形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
7. 請求項５で、ガラスの上に最初に無電解めっきを形成し、磁性膜を形成することを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
8. 請求項７で、無電解めっきが無電解Ni系であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
9. 請求項７で無電解めっきが無電解銅であることを特徴とする検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法
10. 表面に機能性表面改質層を有することを特徴とする請求項１〜９に記載される検査・解析医療用磁気デバイスの製造方法