JP2017516666A - 環状マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、とりわけ、マイクロ流体プローブ・ヘッド（１００）の作製方法を提供する。【解決手段】本方法は、二つの層（１１、１２）を含む同じ二層基板（１０、１０ａ）上にｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウト（１４）のセットを設けるステップ（Ｓ１６）を含み、前記レイアウトは当該二層基板上に環状に分置され、前記レイアウトの各々が、前記二層基板の前記二つの層（１１、１２）の一方の層の部分（１１）に対応する第一層（１１０）、および、二層基板の前記二つの層（１１、１２）の他方の層の部分（１２）に対応する第二層であって、当該第二層（１２０）の上部面（１２０ｕ）に開口し、第一層（１１０）の下部面（１１０ｌ）の部分により閉じられた溝によって区画される少なくとも一つのマイクロチャネル（１２３、１２４）を含む該第二層（１２０）を含み；二層基板（１０）のほぼ中央に穴部（１６）を機械加工するステップ（Ｓ２０）であって、当該穴部を区画し、かつ前記レイアウト（１４）の前記少なくとも一つのマイクロチャネルの各々を遮断する前記シリンダ壁（１８）を生成し、前記レイアウト（１４）の各々の少なくとも一つのマイクロチャネル（１２３、１２４）が、溝の終端部のシリンダ壁（１８）のレベルに形成された少なくとも一つの各開口（１２１、１２２）にまで延びているように、機械加工するステップ（Ｓ２０）と；最後に、ｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド（１００）を得るためｎ個のレイアウトの各々を個片化するステップ（Ｓ３０）と；を含む。本発明は、上記により得られるＭＦＰヘッドをさらに対象とする。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的にマイクロ流体プローブ・ヘッドの作製および得られるデバイスに関する。具体的には、本発明は、垂直マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製に関する。

マイクロフルイディクスは、一般に、マイクロ加工されたデバイスを言い、これらは、液体を送液、サンプリング、混合、分析、および投薬（ｄｏｓｉｎｇ）するのに用いられる。これらデバイスの顕著な特徴は、液体がマイクロメートル長のスケールで示す特異な性質に起源する。
マイクロフルイディクス中の液体の流れは、通常層流であり得る。マイクロメートル域の横方向寸法を持つ構造体を作製することによって、１ナノリットルよりはるかに小さい量を得ることが可能である。これにより、大きなスケールでは（反応物質の拡散によって）限定される反応を加速することができる。この故に、マイクロフルイディクスは、様々な用途に使われている。

多くのマイクロ流体デバイスは、ユーザ・チップ・インターフェースおよび閉流路を有する。閉流路は、リークおよび蒸発に関する問題を最小化しながら、一つのデバイスへの機能素子（例えば、ヒータ、ミキサ、ポンプ、ＵＶ検出器、バルブなど）の組み込みを容易にする。

マイクロ流体プローブ（ＭＦＰ）の新規で汎用的なコンセプトである垂直ＭＦＰ（論文中ではｖＭＦＰ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ＭＦＰ）とも称されている）が、近年導入された。非特許文献１を参照。垂直ＭＦＰヘッドは基底層を使って面内に作製されたマイクロ流体フィーチャを有する。かかるヘッドは、作動中、ヘッド頂部（処理平面）を処理対象の表面に平行にして垂直に方向合わせされる。

Ｇ．Ｋａｉｇａｌａら著、Ｌａｎｇｍｕｉｒ誌、２７（９）、ｐｐ．５６８６〜５６９３、２０１１年（ｈｔｔｐ：／／ｐｕｂｓ．ａｃｓ．ｏｒｇ／ｄｏｉ／ａｂｓ／１０．１０２１／ｌａ２００３６３９）。

環状マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法を提供する。

第一態様によれば、本発明は、マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法として具現化され、本方法は、
二つの層を含む同じ二層基板上にｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトのセットを設けるステップを含み、
当該レイアウトは二層基板上に環状に分置され、レイアウトの各々が、
二層基板の二つの層の一方の層の部分に対応する第一層、および
二層基板の二つの層の他方の層の部分に対応する第二層であって、当該第二層の上部面に開口し、第一層の下部面の部分により閉じられた溝によって区画される少なくとも一つのマイクロチャネルを含む第二層を含み、
二層基板のほぼ中央に穴部を機械加工するステップであって、当該穴部を区画し（ｄｅｌｉｍｉｔ）、かつレイアウトの少なくとも一つのマイクロチャネルの各々を遮断するシリンダ壁を生成、レイアウトの各々の少なくとも一つのマイクロチャネルが、溝の終端部にシリンダ壁のレベルに形成された少なくとも一つの各開口にまで延びているように、機械加工するステップと、
ｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッドを得るためｎ個のレイアウトの各々を個片化するステップと、
を含む。

諸実施形態において、本方法は、個片化するステップの前に、前記シリンダ壁を研磨するステップをさらに含む。

望ましくは、本方法は、機械加工するステップの前に、ワックス、ポリマーまたはフォトレジストを含む可鍛性の材料を使って、前記プローブ・ヘッド・レイアウトのマイクロチャネルを充てんするステップと、機械加工するステップの後、前記可鍛性の材料を除去するステップであって、可鍛性材料の除去は、望ましくは、前記シリンダ壁を研磨するステップの後で、さらに望ましくはｎ個のレイアウトの各々を個片化するステップの後で遂行される、該除去するステップと、をさらに含む。

好適な諸実施形態において、本方法は、レイアウトを設けるステップの前に、二つの層の他方の層の上部面上にｎ個のレイアウトの各々の少なくとも一つのマイクロチャネルを溝彫りするステップを含む、ｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトの前記セットを作製するステップ、をさらに含む。

望ましくは、マイクロチャネルを溝彫りするステップは、フォトリソグラフィまたはマイクロマシニングの使用など、マイクロ加工によって遂行され、望ましくは、各マイクロチャネルを湿式またはドライ・エッチングするステップを含む。

諸実施形態において、本方法は、各マイクロチャネルの溝彫りステップの後、前記二つの層を整列させて接着するステップをさらに含む。

望ましくは、レイアウトのセットを作製するステップは、ｎ個のレイアウトの各々に対し、少なくとも一つのマイクロチャネルに垂直に連結する少なくとも一つのビアを機械加工するステップであって、当該少なくとも一つのビアは、望ましくは二つの層の他方の層を貫通して機械加工される。

好適な諸実施形態において、二つの層の各々はほぼディスク形状を有し、二層基板の二つの層の一方の層は、二層基板の二つの層の他方の層よりも小さな平均直径を有し、二つの層の一方の層によって覆われない、二つの層の他方の層の外側部が残るように、当該他方の層に対して整列され、本方法は、同じ二層基板上にマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトのセットを設けるステップの前に、二つの層の他方の層の少なくとも外側部が金属化されるように、二つの層の他方の層を少なくとも部分的に金属化するステップを望ましくはさらに含む。

望ましくは、本方法は、機械加工するステップの前に、二層基板の各層上にプローブ・ヘッドのレイアウトのいくつかのセット設けるステップと、前記二層基板の各層を重ね合わせるステップであって、機械加工するステップが、重ね合わされた二層基板の各層中のレイアウトの少なくとも一つのマイクロチャネルの各々を遮断する穴部シリンダ壁を生成するために、全ての重ね合された基板を貫通して、重ね合わされた二層基板のほぼ中央に穴部を機械加工するステップを含む、該重ね合わせるステップをさらに含み、望ましくは、本方法は、得られた穴部シリンダ壁を研磨するステップをさらに含む。

諸実施形態において、レイアウトのセットを設けるステップは、内側セットおよび外側セットの各々がそのそれぞれのセット中に環状に分置されたプローブ・ヘッド・レイアウトを含む、同じ二層基板上の該内側のセットおよび該外側のセットを含む、少なくとも二つの同心環状のセットを設けるステップを含み、本方法は、内側セットのマイクロチャネルを遮断する第一シリンダ壁を生成するため、第一穴部が機械加工され、第二穴部は、外側セットのマイクロチャネルを遮断する第二シリンダ壁を生成するために、内側セットを含む二層基板の部分を、二層基板の残りの部分から分離することによって機械加工される、穴部を機械加工する二つのステップを含む。

別の態様によれば、本発明は、前述の実施形態のいずれか一つによる方法によって得られるマイクロ流体プローブ・ヘッドとして具現化され、該ヘッドは、第一層と、第二層とを含み、当該第二層は、その上部面に開口し、第一層の下部面の部分により閉じられた溝によって区画される少なくとも一つのマイクロチャネル、および前記少なくとも一つのマイクロチャネルの終端で、第二層の縁端部のレベルにある少なくとも一つの開口であって、前記縁端部は、前記ヘッドの処理表面の一部を区画する、少なくとも一つの開口を含む。

好適な諸実施形態において、マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法中の穴部の機械加工ステップに起因して、前記処理表面の少なくとも一部が凹面である。

本マイクロ流体プローブ・ヘッドは、２π／ｎ±π／１０の角度、望ましくは２π／ｎ±π／２０の角度をなす二つの側縁部をさらに呈する。

諸実施形態において、本マイクロ流体プローブ・ヘッドは、少なくとも二つのマイクロ流体チャネルをさらに含み、望ましくは、前記少なくとも二つのマイクロチャネルにそれぞれ垂直に連結する少なくとも二つのビアをさらに含む。

望ましくは、ヘッドの処理表面を区画する前記縁端部の反対側の外側部分が金属化される。

以降に、非限定の例を用い、添付の図面を参照しながら、本発明を具現化するデバイスおよび方法を説明することとする。図面に表される技術的フィーチャは、必ずしも縮尺通りではない。

本発明の諸実施形態による、マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法に関わる様々なステップを模式的に表す。 本発明の諸実施形態による、マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法のステップを示すフローチャートである。 本発明の諸実施形態に関わる、同じ二層基板上のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトを模式的に示す。 図３の別形を示す。 諸実施形態に関わる、図３に表されたものなどのレイアウトに対する幾何学的仕様を示す。 諸実施形態による、レイアウトの二つの同心環状セットを用いる作製方法中のステップを模式的に示す。 諸実施形態による、中央穴部の機械加工の前にいくつかの二層基板が重ね合される、作製方法中のステップを模式的に示す。 本発明の諸実施形態による、マイクロ流体プローブ・ヘッドの簡易表現の３Ｄ図である。 諸実施形態による、マイクロ流体プローブ・ヘッドによる表面処理を示す（２Ｄ図、簡易表現）。

導入部で述べたように、垂直ＭＦＰヘッドはいくつかの利点を有する。かかるヘッドはマイクロ加工される。作製ステップの少なくとも一部（研磨を含む）は、個別に（すなわち、各ユニットに対し繰り返して）もしくは３〜４個のヘッドの群で行われる必要がある。ＭＦＰヘッドの大量生産においては、かかる作製ステップが制限的なステップであることが理解できる。ヘッドの研磨（もっと一般的には、ヘッドの処理表面の調製）は、特に労働集約的で、したがって作製コストに大きく影響する。さらに、歩留まり問題（例えば、不十分または過剰な研磨）があり、研磨工具はかなりな設置面積を要しそして高価である。最後に、研磨過程におけるヘッドのずれが相異なる頂部をもたらすことがある。本発明は、環状に分置されたＭＦＰヘッド・レイアウトを利用する新しい作製コンセプトを導入することによって、これらの問題の少なくとも一部を解決する（いくつかの実施形態は、これらの問題の全部に対処する）。このアプローチは、今までに知られた、ヘッドがヘッド・レイアウトの二方向性アレイからダイスカットされるｖＭＦＰレイアウトに対するアプローチと対照をなす。

さらに詳しくは、図１、２、および６、７および８を併せ参照しながら、まず、本発明の或る態様を説明するものとし、これはマイクロ流体プローブ・ヘッド１００の作製方法に関する。

最も一般的には、この新規の作製コンセプトはｎ個のＭＦＰレイアウト１４のセットを必要とし、これらは同じ二層基板１０の上に配置される。この二層基板は少なくとも二つの層１１、１２を含む。

レイアウト１４は、二層基板１０上に環状に分置される。さらに詳しくは、各レイアウト１４は、
・ 第一層１１０、すなわち、二層基板１０を形成する層１１、１２の一つの部分１１と、
・ これらの層１１、１２の別の一つの部分１２に対応する第二層１２０と、
を含む。

明瞭さのため、単一のレイアウト１４（または最終的には一つのＭＦＰヘッド１００）に対応する層部分１１０、１２０の間の区別を述べているが、層１１、１２は、ＭＦＰヘッドの作製に使われる、二層基板１０を当初に形成するもっと大きな層である。

二層基板とは、少なくとも二つの層１１、１２を含む任意の適切な基板を指す。第一および第二層１１、１２の各々は、最も実用的にはディスク、すなわちウエハ・ディスクとすればよい。但し、層１１、１２が円形である必要はなく、唯一必要とされるのは、レイアウト１４の環状の分置である。これら二つの層１１、１２は、同じ材料であっても（またはなくても）よい。好ましい材料は、ガラスまたはシリコンである。さりながら、層１１、１２の材料は（どの層に対しても）、プラスチック、セラミック、金属もしくは、本作製方法に適合する任意の他の硬質材料またはこれらの組み合わせを含んでもよい。

一つのレイアウト１４のレベルで、通常、一つの層（例えば、第二層１２０）が層上に構築されるマイクロ流体フィーチャ（マイクロチャネル、ビアなど）のほとんどを含むものとする。以下に説明する諸実施形態のほとんどが二つのマイクロチャネル１２３、１２４を想定してはいるが、厳密に言えば、該層は、偏見なくいえば少なくとも一つのマイクロチャネル１２３、１２４を含む。マイクロチャネルは、層１２０の上部面１２０ｕに開口する溝によって区画される。この溝は、他方の層の下部面１１０ｌの一部によって閉じられ、この層は本明細書では「第一」層１１０であると仮定される（図８参照）。

レイアウトの環状分置（またはリング配置）の故に、ｎ個のレイアウト１４の各々の機能フィーチャの一つ以上（例えば、マイクロチャネル、ビアなど）は、通常、レイアウト１４によって区画される環状形状の中央を通過する横断方向の対称軸に対し、２π／ｎの回転対称性を有する不変量でなければならない。しかして、基板１０は、少なくともこれらの機能フィーチャに関しては２π／ｎの回転対称性を有する不変量であり得る。当然のことながら、このことは、図４に示されるように、同じ基板１０ａに相異なるレイアウトが設けられる場合にはあてはまらない。

通常、６、１２、場合によっては２４より多いレイアウトを、同じ二層基板１０上に設けることが可能である。収量上の理由から、レイアウトの数ｎを、例えばｎ＝３６、４８、または７２に最大化することが求められることがある。レイアウトの好適な数は、基板のサイズ、レイアウトの複雑さ（これは意図される用途の如何による）より決まる。それはあっても、本明細書で説明する作製方法は、原則として、ｎ≧２任意の数のレイアウト（例えば、ｎ≧３、４、５、７・・・）を実装することが可能である。

本作製方法の重要なステップは、二層基板１０のほぼ中央に穴部１６（図１または２中のステップＳ２０参照）を機械加工するステップである。この穴部の機械加工は、（前記穴部を区切る）シリンダ壁１８を生成する。レイアウトおよびこの穴部は、シリンダ壁１８がレイアウト１４の対象となるマイクロチャネルを遮断するように設計される。すなわち、これらマイクロチャネルの各々の終端に開口が生成される。しかして、このとき、マイクロチャネル１２３、１２４は、図１、３、および８に最善に見られるように、シリンダ壁１８のレベルのそれぞれの開口１２１、１２２（これらは穴部１６が機械加工される際に形成される）まで延びる。

穴部１６を機械加工するステップは、ドリル開口、フライス加工、切削などを含んでもよい。このステップは、シリンダまたはレーザの回転、ウォーター・ジェット、エッチングなどをさらに含んでもよい。なお、同心のレイアウトが用いられる実施形態では（図６参照）、第一（内側）環状リング中の穴部の機械加工（図６中のステップＳ２０ｉ）と、第二（外側）リングを得るための内側リングの切り出しとに、同じ機械加工技法を使うことができる。別形では、これら二つのリングを得るために相異なる穴部機械加工技法を使うことも可能である。図６の実施形態については、後記で詳細を説明することとする。

最後に、図１に示されているように、ｎ個のレイアウトの各々は、結果としてｎ個のＭＦＰヘッド１００を得るために個片化される（図１、２中のステップＳ３０）。当業者には当然のことながら、半径方向の分離は、事前加工された切込みラインを利用しての、レイアウト１４のダイスカット、割裂、または個片化が必要となろう。図３は、本文脈で、一般的に使用可能な、ダイスまたは切削ライン（点線）のパターンを示す。

本明細書で説明する作製方法は、ＭＦＰヘッドの処理表面のウエハレベルの加工を可能にし、これにより、先に述べたｖＭＦＰヘッドの作製の問題の一部を解決する。本作製方法を使って、いくつかのヘッド（一般には多くの）処理表面３１０、３２０を単一のステップで得ることができる。

具体的には、ヘッドを個片化する前に全ヘッドの研磨を単一のステップで実施できるように（ウエハレベルの研磨）、ヘッドがウエハ上に配置される。この点において、本作製方法の実施形態は、個片化ステップの前に、シリンダ壁１８を研磨するステップ（図１、２中のＳ２４）をさらに含むことができる。そうではあるが、穴部１６を機械加工するステップと一緒にまたはその過程で、研磨ステップを実施することも可能である。穴部１６の機械加工に用いられる技法の如何によっては、追加的別個の研磨ステップは、実際は不必要なことがある。しかして、研磨ステップが機械加工ステップに相伴うことがあり得る。この場合、研磨ステップは必ずしも機械的研磨手段を意味しないこともある。代わりに、高圧ウォータ−ジェット切削などの手段を用いてもよい。全ての場合において、機械加工もしくは研磨ステップまたはその両方は、出来上がったＭＦＰヘッド１００に対し、低い表面粗さを有し典型的なｖＭＦＰ用途によく適した、クリーンな処理表面３１０、３２０を得ることを可能にする。

有利には、本作製方法は、機械加工ステップの前に、後続の作製ステップの過程で特に穴部１６の機械加工Ｓ２０ステップの過程において、マイクロチャネルを保護するために、レイアウトのマイクロチャネルを可鍛性の材料で充てんするステップＳ１８をさらに含むことができる。同様に、レイアウトの他のマイクロ流体フィーチャを可鍛性の材料で充てんすることも可能である。この材料は、後で（ステップＳ２０またはその後）除去するＳ４０ことができる。可鍛性の材料は、使われている場合、望ましくは研磨ステップＳ２４の後除去される。さらに望ましくは、個片化の工程においてもマイクロ流体フィーチャを保護するために、該材料は個辺化するステップＳ３０の後においてだけ除去される。

可鍛性の材料とは、保護のため、マイクロ流体フィーチャを充てんし塞ぐために使用可能な任意の材料を指す。通常、この可鍛性の材料は、それを加熱および融解し、その後マイクロ流体フィーチャの適切な洗浄およびすすぎを行うことによって除去することが可能である。かかる材料は、ワックス、フォトレジスト、またはさらに一般的には、一つ以上のポリマーを含み得る。

フォトレジストは、露光によりレジストの架橋を切断（ｕｎ−ｃｒｏｓｓｌｉｎｋ）し、それによって非常に溶け易くし、これが後の簡単な除去を容易にするので、チャネルを清浄にできる点で有利ある。望ましくは、この可鍛性の材料は、ダイシング作業に通常使用される液体（例えば、基板１０およびヘッドを冷却するために水が使われる可能性がある）に不溶である必要がある。フォトレジスト類は非常にクリーンでフィルタ処理され、これらが何らかの粒子状物質を残す可能性はほとんどない。より一般的には、光反応性材料には利点があることが判明していると言える。

別法として、チャネルを充てんして塞ぐため、低温（約６０〜８０℃）ワックスを使ってもよい。穴部を機械加工した後、ワックスを加熱し、次いで真空を使って除去することができる。また、例えばヘプタンを使って溶解することも可能である。（例えば８０℃で）低粘度を有する任意のクリーンな低温ワックスは、この目的に潜在的に適している可能性があろう。

別形において、他のポリマーも使用が可能で、これらは、光、温度、または溶媒によって溶解させるもしくは液化させるまたはその両方が可能である。

ここまで、事前加工された基板が利用可能であった（図１、２中のステップＳ１６）という仮定で、本作製方法の最も基本的態様を説明してきた。さりながら、本作製方法の実施形態は、川上の作製ステップ（図１、２中のＳ８、Ｓ１０、Ｓ１２）を含むことができる。

とりわけ、かかるステップはマイクロチャネル１２３、１２４、２２４を溝彫りするステップ（Ｓ１２）を含み得る。層１１、１２のうちの一つの表面、例えば層１２の上部面１２０ｕ上にマイクロチャネルが溝彫りされる。これらの層が、例えば接着の後、他方の層によって閉じられる限り、二つの層のどちらの層上にチャネルが溝彫りされるかは、原理的にはかかわりはない。

マイクロチャネルを溝彫りするステップＳ１２は、望ましくはマイクロ加工によって遂行される。これは、フォトリソグラフィまたはマイクロマシニングを含み得る。溝は、例えば、工具によって、基底層１２０の上部面上に直接的に、彫り込むもしくはフライス加工するまたはその両方で行うことができる。この溝は、例えば円形、正方形、Ｕ、またはＶ断面など、任意の適切な断面形状を有してよい。必要な工具は、基底層の材料に合わせて選択すればよい。別形では、レーザ切除を考えることも可能である。さらに有利には、マイクロチャネルの作製のために、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）が使われる。上記以外に、このマイクロ加工は、通常、マイクロチャネルの各々を湿式またはドライ・エッチングするステップも含み得る。有利には、本明細書で提案するウエハレベルでのアプローチによって、チャネル群を全部一度にエッチングすることができる。

本作製は、マイクロチャネルを溝彫りするステップＳ１２の後、二つの層１１、１２を整列して接着するステップをさらに含み得る、図１または２中のステップＳ１４を参照。
なお、図１において、層１２の上部面１２０ｕは、層１１の下部面１１０ｌ（図１の最下部）と同様、読者の目の方に向いている。但し、層１１の下部面１１０ｌが、図１中のステップＳ１６で層１２の上部面１２０ｕに面するように、層１１は、接着ステップＳ１４の前に反転される。

第一の例として、６００℃で４時間の間、ガラス層１１、１２に熱接着を施すことができる（加熱および冷却速度：７５℃／時間）。これは、ガラス基板の溶融接着（不可逆）をもたらす。ガラス基板を用いる場合、応力を回避するためには冷却速度が１００℃／時間を超えないことが望ましい。さらに、ガラス・ウエハの熱膨張が等しい必要がある。

別の例として、二つのＳｉウエハ１１、１２の組み立ては、蓋ウエハの研磨側上への、約３μｍのポリイミド接着剤（ドイツ、ノイ−イーゼンブルク、ＨＤ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｒ）ＧｍｂＨ社製）のスピンコーティング、およびその後の両ウエハの配列および接着によって達成が可能である。接着は、３２０℃、２バール（約２．０ＭＰａ）の圧力で１０分間（ＰＲＥＳＳＹＳ ＬＥ、Ｐａｕｌ−Ｏｔｔｏ Ｗｅｂｅｒ（Ｒ）ＧｍｂＨ社、ドイツ、レムスハルデン）行われる。その後、ＭＦＰヘッドはダイスカットして保管することができる。

これらの川上の作製ステップは、他のマイクロ流体フィーチャをさらに対象とすることが可能で、例えば、これらには、とりわけ、ビア１１１、１１２の機械加工ステップＳ１０を含めることが可能である。すなわち、ｎ個のレイアウト１４の各々に対し、それぞれのマイクロチャネル１２３、１２４に垂直に連結するため、少なくとも一つのビア１１１、１１２を設けることができる。簡単にするために、ビアは、望ましくは、これらが、チャネル１２３、１２４を既にシールしているのと同じ層１１によって容易に閉じることができるように、層１２を貫通するスルー・ホールとして機械加工される。ヘッド１００の垂直作動を簡単に可能にするために、層１２中の１２０ｕ側の反対の側から連結するため、さらなる装備（配管ポートおよび管）を設けることができる。

他の作製ステップは、とりわけ、接着の前に層の整列するため、各層１１、１２中の整列穴２１、２２の生成（それぞれステップＳ８、Ｓ６）を対象とすることが可能である。

図５は、ガラス層１１、１２をドリル穿孔するため特に使い易い幾何学仕様のセットの一例を示す。両方の層の整列穴２１、２２を一緒にドリルすればよい。このため、層１１、１２は、前もって例えばワックスを使って一緒に接着することが可能である。次いで、両方の層１１、１２を貫通して、整列穴２１、２２をドリルすることができる。ビア１１１、１１２に関しては、ドリル穿孔は、一つの層１２だけがビア１１１、１１２を含むように、両方の層１１、１２の接触面で停止する。

ガラス・ウエハを用いる場合、例えばコンピュータ数値制御（ＣＮＣ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）マシンでの、高精度のガラスドリル穿孔のため、適切なホルダを有利に使用することができる。

例えば、５００μｍの厚さおよび４インチ（約１０ｃｍ）のウエハ・サイズを有する、Ｓｃｈｏｔｔ Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ（Ｒ）３３ホウケイ酸塩ガラス・ウエハを用いるとよい。望ましい最小穴径は０．２５ｍｍである。この場合、望ましいドリル穿孔パラメータは、
− 小穴（０．４ｍｍ）：３０，０００ｒｐｍで、３０ｍｍ／分、且つ
− 整列穴（１．５ｍｍ）：２５，０００ｒｐｍで、２５ｍｍ／分、
である。

ドリル穿孔は、望ましくは、水性冷却液中で行われる。ダイヤモンド・コートされたドリルを使うとよい。

中央穴部は、標準のフライス盤およびダイヤモンド・ドリルを使ってマニュアルでドリル穿孔する（２０ｍｍ直径）ことができる。中央穴部の研磨は、研磨パッドおよび１マイクロメートルのダイヤモンド・ペーストを使って実施すればよい。ヘッドを個辺化するため、その後で標準的ダイスカットを行うことができる。

図４中に示されるように、同じセットのレイアウト１４が全て同一である必要はなく、同図では、基板１０ａの四つのレイアウトが、残りのレイアウトに比較して追加されたマイクロチャネルを表している。この図でも、マイクロチャネルは、同様に、これらチャネルが中央穴部で交わり、後の段階でドリル穿孔され、研磨され、最終的に開口部を形成するように配置されている。このレイアウトに対し、ウエハ・サイズは１００ｍｍであり、ドリル穿孔される中央穴部の直径は２０ｍｍである。

いくつかのＭＦＰの応用では、ヘッドのレベルで電極を設計する必要がある。この点において、本作製方法は金属化に完全に対応可能である。金属化は、望ましくは、層１１、１２のうちの一つだけに行われる。例えば、ガラス上にＰｔ／Ｔｉパターンを構成することが知られている。電極は、加熱、電気化学的感知などのために有利に実装することができる。

この点において、本方法は外部電気パッドを簡単に作製することを可能にする。例えば、二つの層１１、１２の各々がほぼディスク形状を有すると仮定し、層１１には、層１２よりも小さな平均直径が与えられるとする。これら二つの層を整列する際に、層１２の外側部分はしかして、層１１で覆われないようにするものとする。これは、この外側部分のレベルに追加の機能的フィーチャを設けることを可能にする。具体的には、層１２のこの外側部分が少なくとも部分的に金属化されるように、層１２の上部側１２０ｕを（少なくとも部分的に、または選択的に）金属化すればよい。金属化は、通常、より大きな層全体の上に選択的に行われる。これにより、該外側部分上に設けられた金属化パッドを介して接続が可能な、加熱構造体または電気化学的電極などのマイクロ構造体を得ることができる。より小型のウエハは、電極の接点パッドへのフリーアクセスを確実にする。前述と同様に、チャネル１２３、１２４は、これらの作製が金属化処理から切り離されているので、層１１、１２のどちらの上に設けることも可能である。

ここで、本作製方法の収量を増大させることを可能にする改良点を、図６および７を参照しながら説明する。

作製収量を増大する一つのやり方は、レイアウトの同心リングを利用して、ウエハ表面を最大限に利用することである（図６参照）。例えば、同じ二層基板１０上にレイアウト１４の同心環状の二つの（またはそれ以上の）セット（内側セットおよび外側セット）を設けることができる。内側セットおよび外側セットの各々は、それぞれのセット中に環状に分置されたプローブ・ヘッド・レイアウト１４ｉ、１４ｏを含む。次いで、内側セットのマイクロチャネルを遮断する第一シリンダ壁を生成するため、第一穴部を機械加工すればよい（ステップＳ２０ｉ）。次に、基板１０の内側セット１４ｉを含む部分を、基板１０の残りの部分から分離することによって、第二穴部を機械加工する（ステップＳ２０ｏ）ことが可能である。該穴部は、外側セット１４ｏのマイクロチャネルを遮断する第二シリンダ壁を生成する。先に述べたように、第一および第二シリンダ壁を生成するために、同じまたは同質の機械加工技法を用いることが可能である。

作製収量を増大する別のやり方は、例えば、ディスクを貫通する穴部を機械加工する前に、重ね合されたディスクを準備することによって、第三寸法、すなわちウエハ表面への垂直方向を利用することである（図７参照）。例えば、ステップＳ１６で、それぞれの二層基板１０上にあるプローブ・ヘッド・レイアウト１４のいくつかのセットを準備することができる。次いで、ステップＳ１９で、これらの基板１０を重ね合わせ、その後、全ての重ね合された基板を貫通して、これら積み重ねられた基板１０のほぼ中央に穴部を機械加工すること（Ｓ２０）が可能である。これは穴部１６の生成をもたらし、これの壁１８が重ね合された基板１０の各々中のマイクロチャネルを遮断する。前述したように、得られた穴部１６のシリンダ壁は必要に応じて研磨される。

図６および７の実施形態は組み合せることが可能である。同心リングの数×重ね合された基板の数、に応じて作製収量が増大する。

次いで図１、３〜５、８、および９を併せ参照しながら、ここで本発明の別の態様を説明するものとし、これは、本作製方法によって得られたＭＦＰに関する。前述した作製方法と同様に、このＭＦＰも、第一層１１０および第二層１２０を含むものとする。後者の層は、一つ以上のマイクロチャネル１２３、１２４を呈示し、これらは、図８で最善に見られるように、それぞれの溝で区画され、第二層１２０の上部面１２０ｕに開口し、第一層１１０の下部面１１０ｌの一部で閉じられる。また、機械加工処理Ｓ２０、Ｓ２４の結果として、開口１２１が、マイクロチャネルの終端に、これらチャネルが中に溝彫りされた層１２０の縁端部３２０のレベルで区画される。縁端部面３２０は、ヘッドの各層１１０、１２０の縁端部面３１０、３２０によって区画される処理表面の部分を形成する。当然のことながら、先に述べたように、かかるＭＦＰヘッドは、マイクロチャネルを連結するビア１１１、１１２など、他のマイクロ流体フィーチャを含むことができる。

なお、得られたＭＦＰヘッドは、必ずしも、前述した作製方法によって左右されない。
− 第一に、さらに詳細に図９を参照すると、ＭＦＰヘッド１００の処理表面３１０、３２０は、（凹面を除去するための追加の実質な表面処理が行われていなければ）穴部１６の機械加工ステップＳ２０に起因して凹面であり得る。
− 第二に、次いで図５、８、および９を参照すると、ヘッド１００の一般的形状は、レイアウト１４の当初の環状分置をさらに反映し得る。例えば、ヘッドは、例として±π／１０の許容差を条件として、２π／ｎに近い角度をなす側縁部（または少なくともその部分）を有し得る。この許容差は、レイアウト中のヘッドのスペーサ・ストライプ（図１または３中の点線を参照）、および使われる個辺化技法の如何に左右される。しかしながら、得られる縁部は、個辺化ステップの過程で十分な注意が払われることを条件として、通常、２π／ｎ±π／２０の角度を呈すべきである。
− ヘッド１００は、本作製技法の他の明確な特徴をさらに呈することが可能で、例えば、
〇 側縁部の微細表面状態は、使われる相異なる技法（すなわち、側縁部の個辺化、対、処理表面の機械加工／ドリル穿孔／研磨）に所以して、処理表面の状態とは異なり得、そして
〇 本作製技法からは、（分円図のセクタに類似した）ヘッド１００の扇形の形状、と、さらに一般的には、レイアウトの当初の環状分置の残余と、レイアウトの対称性と、処理表面を生成するため機械加工された穴部１６などとがもたらされ得る。

ここで、ヘッド１００には、個片化の後、これらが前述の本作製の明確な特徴の全てを必ずしも保持可能でないように、後続の処理または加工を施すことも可能である。

先に述べたように、ＭＦＰの典型的な実施形態は、少なくとも二つのマイクロチャネル１２３、１２４、および、これに整合して、これらマイクロチャネルをそれぞれ垂直に連結する少なくとも二つのビア１１１、１１２を含む。また、層１１、１２のうちの一つの外側部は、電気パッドを備えるため、部分的に金属化することができる。この外側部は、処理表面３１０、３２０の反対側にある。

マイクロチャネル１２３、１２４に加え、図８に示されるように、横方向チャネル２２４も設けることもできよう。興味深いことに、横方向チャネルの終端に開口２２２を区画するため、個辺化ステップを利用することが可能である。

図８は、本作製方法の実施形態より得られた二層ＭＦＰヘッド１００の処理端部の図を示す。ヘッド１００は、基底層１２０を有し、処理液のマイクロチャネル１２３、１２４は、浸漬液のマイクロチャネル２２４（本図には一つの横方向チャネルだけが示されている）と一緒に設けられている。各チャネルはそれぞれの開口１２１、１２２、２２２に流体連通し、この例では、各開口は基底層１２０の面上に位置している。カバー層１１０は、基底層１２０の上部面１２０ｕ上に開口するチャネルを閉じている。開口は、基底層１２０の縁端部表面３２０のレベルに形成される。本作製工程に所以して、処理表面３１０、３２０は、通常、鋭形となり、これは、対象となる面２００上へのコンパクトな液体堆積を可能にし、容易な光学的監視のための余地を残す。図８では頂部の凹面は見えない。

ビア１１１および１１２（図８、９中では見えない）との流体連通を可能にするため、本ヘッドには配管ポート（図示せず）をさらに設けることができる。ビアとポートとは、それぞれのビアを介してポートから開口１２１、１２２、２２２への流体連通が可能なように構成するものとする。

用途の一例として、図９に模式的に示されるように、ヘッドを面２００の近傍に移動するとき、処理液ＰＬは開口１２１を通して分注することができ、これは浸漬液ＩＬ（おそらくはヘッドの横側開口を介して供給され、図９には示されていない）と合体して溶け合うことになる。なお、諸寸法、特に開口の寸法は原寸に比例しておらず、明瞭化のため意図的に誇張されている。デバイス１００は、望ましくは、層流を得ることが可能なように構成される。諸開口の寸法は、実際は、例えば数十マイクロメートルであり得る。これらは、通常、数十〜数百マイクロメートルに寸法設定される。本図では処理チャネル／開口のペアが用いられているので、処理液ＰＬは、浸漬液ＩＬの一部と一緒に、開口１２２で吸引することができる。開口１２１と１２２との間で流路を逆にしてもよい、すなわち処理液を開口１２２から投入し、開口１２１が液体を吸引してもよい。作動中、処理液は、基本的に開口１２１および１２２のすぐ近くに配置され、通常、ヘッド１００の近傍だけに存在が可能な浸漬液によって取り囲まれる。

ここで、図９に模式的に表されているように、作製工程から自然にもたらされた、処理表面３１０、３２０の凹面を、処理表面と処理対象面との間に形成される凸空間中に液体を閉じ込めるために利用することができる。但し、それはあっても、浸漬液が処理液を流体力学的に閉じ込め、これにより、処理液が分散するのを回避することが必要であり得る。そうではあるが、デバイスが該面に接触しているとき、この頂部の凹面形状が、この凹面内への処理液のフローのある程度の閉じ込めを既に確実にしている。このモードの作業では距離の制御は不要である。なお、特定の量の液体を包含するよう「設計」するために、この頂部の曲率を変えることができる。最後に、この曲率は、固有の流れ抵抗を定義し、フローの閉じ込めの幾何学的形状に影響を与える。

前述したようなＭＦＰヘッドは、とりわけ表面処理応用に特に有用である。上記の応用は、生物学的応用と違って、液体および化学物質の潜在的により小さなパターンとより広い範囲とを必要とする。基底層１２を作製するため薄いＳｉウエハ（例えば厚さ１００μｍ）を用い、従来のＤＲＩＥまたは集束イオンビームを使って、例えば、横方向寸法が１０μｍより小さい明確に区画された開口を作製することも可能で、十分な厚さを有するＳｉ蓋１１でヘッドの機械的強度を確保することができる。また、本明細書で説明したような積層ヘッドは、層１１、１２上に多くのポートを加えるための十分なスペースを残すのに十分に扇形展開する水平のマイクロチャネルを有し、開口を小さくして相互に近接させることが可能なので、多くの処理液の使用に対しより適している。さらに、より一般的には、本ＭＦＰ技術は、面をパターン取りし、材料を処理し、面上の生態分子および細胞を堆積および除去し、面上の細胞および生体分子を分析し、面上に化学勾配を生成し、組織切片などの複雑な生物試料を調査し、および先細のキャビティなど独特なプロフィールを有する構造体を生成する、潜在力を有する。

本明細書で説明した方法は、ＭＦＰヘッドおよびＭＦＰチップの作製に用いることができる。産出されたヘッド／チップは、作製者によって生の形で（すなわち、構造化された二層基板）またはパッケージされた形で流通させることが可能である。後者の場合、チップは、単一のチップ・パッケージ中に搭載すればよい。いずれの場合も、その後、ヘッドまたはチップは他の素子と共に（ａ）中間製品、または（ｂ）最終製品の部分として組み込むことができる。

前述の実施形態は、添付の図面を参照しながら簡潔に説明されており、多くの別形を包含し得る。前述のフィーチャのいくつかの組み合せを考えることができる。かかる組み合せの例が図中に示されている。限られた数の実施形態、別形、および添付の図面を参照して本発明を説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、等価物で代替することも可能である。具体的には、所与の実施形態、別形において言及された、または図面中に示された（デバイス様または方法様の）フィーチャは、本発明の範囲を逸脱することなく、別の実施形態、別形、または図面中の別のフィーチャと組み合わせる、またはそれで代替することが可能である。前述の諸実施形態または変形のいずれかに関し説明されたフィーチャの様々な組み合わせは、したがって、添付の特許請求の範囲内にとどまることが意図されている。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるため、本発明の範囲を逸脱することなく多くのマイナーな修改を加えることも可能である。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を包含することが意図されている。さらに、前述において明示で触れた以外の多くの他の別形を考案することが可能である。例えば、本明細書に明示で述べたもの以外の材料を層１１、１２の各々に用いることができよう。同様に、チャネル、ビア、開口は、異なる寸法で設けることができよう。

１０、１０ａ 二層基板
１００ マイクロ流体プローブ（ＭＦＰ）ヘッド（群）
１１、１２ 基板の第一および第二層
１１０ ヘッド１００の第一（蓋）層
１１０ｌ 第一層１１、１１０の下部面
１１１、１１２ 垂直ビア
１２０ ヘッド１００の第二（基底）層
１２０ｕ 第二層１２、１２０の上部面
１２１、１２２ マイクロチャネルの開口
１２３、１２４ マイクロチャネル
１４ ＭＦＰレイアウト
１４ｉ、１４ｏ 同心プローブ・ヘッド・レイアウト
１６ 中央穴部
１８ 中央穴部を区切るシリンダ壁
２１、２２ 整列穴
２２２ 横方向マイクロチャネル開口
２２４ 横方向マイクロチャネル
３１０、３２０ ヘッドの処理表面

Claims (15)

1. マイクロ流体プローブ・ヘッドの作製方法であって、前記方法は、
   二つの層を含む同じ二層基板上にｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトのセットを設けるステップを含み、
   前記レイアウトは前記二層基板上に環状に分置され、前記レイアウトの各々が、
   前記二層基板の前記二つの層の一方の層の部分に対応する第一層、および
   前記二層基板の前記二つの層の他方の層の部分に対応する第二層であって、当該第二層の上部面に開口し、前記第一層の下部面の部分により閉じられた溝によって区画される少なくとも一つのマイクロチャネルを含む、前記第二層を含み、
   前記二層基板のほぼ中央に穴部を機械加工するステップであって、前記穴部を区画し（ｄｅｌｉｍｉｔ）、かつ前記レイアウトの前記少なくとも一つのマイクロチャネルの各々を遮断するシリンダ壁を生成し、前記レイアウトの各々の前記少なくとも一つのマイクロチャネルが、前記溝の終端部のシリンダ壁のレベルに形成された少なくとも一つの各開口にまで延びているように、機械加工するステップと、
   ｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッドを得るため前記ｎ個のレイアウトの各々を個片化するステップと、
   を含む方法。
2. 前記個片化するステップの前に、前記シリンダ壁を研磨するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記機械加工するステップの前に、ワックス、ポリマーまたはフォトレジストを含む可鍛性の材料を使って、前記プローブ・ヘッド・レイアウトの前記マイクロチャネルを充てんするステップと、
   前記機械加工するステップの後、前記可鍛性の材料を除去するステップであって、可鍛性材料の前記除去は、望ましくは前記シリンダ壁を研磨するステップの後で、さらに望ましくは前記ｎ個のレイアウトの各々を個片化するステップの後で遂行される、前記除去するステップと
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記レイアウトを設けるステップの前に、前記二つの層の前記他方の層の前記上部面上に前記ｎ個のレイアウトの各々の前記少なくとも一つのマイクロチャネルを溝彫りするステップを含む、ｎ個のマイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトの前記セットを作製するステップ、をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記マイクロチャネルを溝彫りするステップは、フォトリソグラフィまたはマイクロマシニングの使用など、マイクロ加工によって遂行され、望ましくは、各マイクロチャネルを湿式またはドライ・エッチングするステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記マイクロチャネルを溝彫りするステップの後、前記二つの層を整列させて接着するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記レイアウトのセットを作製するステップは、前記ｎ個のレイアウトの各々に対し、前記少なくとも一つのマイクロチャネルに垂直に連結する少なくとも一つのビアを機械加工するステップであって、前記少なくとも一つのビアは、望ましくは前記二つの層の前記他方の層を貫通して機械加工される、請求項４、５、または６に記載の方法。
8. 前記二つの層の各々はほぼディスク形状を有し、
   前記二層基板の前記二つの層の前記一方の層は、
   前記二層基板の前記二つの層の前記他方の層よりも小さな平均直径を有し、
   前記二つの層の前記一方の層によって覆われない、前記二つの層の前記他方の層の外側部が残るように、前記他方の層に対して整列され、
   前記方法は、前記同じ二層基板上に前記マイクロ流体プローブ・ヘッド・レイアウトの前記セットを設けるステップの前に、前記二つの層の前記他方の層の少なくとも前記外側部が金属化されるように、前記二つの層の前記他方の層を少なくとも部分的に金属化するステップを望ましくはさらに含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記機械加工するステップの前に、前記二層基板の各層上にプローブ・ヘッド・レイアウトのいくつかのセット設けるステップと、
   前記二層基板の各層を重ね合わせるステップであって、
   前記機械加工するステップが、前記重ね合わされた二層基板の各層中の前記レイアウトの前記少なくとも一つのマイクロチャネルの各々を遮断する前記穴部シリンダ壁を生成するために、全ての前記重ね合された基板を貫通して、前記重ね合わされた二層基板のほぼ中央に前記穴部を機械加工するステップを含む、前記重ね合わせるステップと、をさらに含み、
   望ましくは、前記方法は、前記得られた前記穴部シリンダ壁を研磨するステップをさらに含む、
   請求項１〜８のいずか一項に記載の方法。
10. 前記レイアウトのセットを設けるステップが、内側セットおよび外側セットの各々がそのそれぞれのセット中に環状に分置されたプローブ・ヘッド・レイアウトを含む、同じ二層基板上の前記内側のセットおよび前記外側のセットを含む、少なくとも二つの同心環状のセットを設けるステップを含み、前記方法は、前記内側セットのマイクロチャネルを遮断する第一シリンダ壁を生成するため、第一穴部が機械加工され、
    第二穴部は、前記外側セットのマイクロチャネルを遮断する第二シリンダ壁を生成するために、前記内側セットを含む前記二層基板の部分を、前記二層基板の残りの部分から分離することによって機械加工される、
    前記穴部を機械加工する二つのステップを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法によって得られるマイクロ流体プローブ・ヘッドであって、前記ヘッドは、
    第一層と、第二層とを含み、
    第二層は、その上部面に開口し、前記第一層の下部面の部分により閉じられた溝によって区画される少なくとも一つのマイクロチャネル、および、前記少なくとも一つのマイクロチャネルの終端で、前記第二層の縁端部の前記レベルにある少なくとも一つの開口であって、前記縁端部は、前記ヘッドの処理表面の一部を区画する、前記少なくとも一つの開口を含む、
    マイクロ流体プローブ・ヘッド。
12. 前記マイクロ流体プローブ・ヘッドの前記作製方法中の前記穴部の前記機械加工ステップに起因して、前記処理表面の少なくとも一部が凹面である、請求項１１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
13. ２π／ｎ±π／１０の角度、望ましくは２π／ｎ±π／２０の角度をなす二つの側縁部をさらに呈する、請求項１１または１２に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
14. 少なくとも二つのマイクロ流体チャネルを含み、望ましくは、前記少なくとも二つのマイクロチャネルにそれぞれ垂直に連結する少なくとも二つのビアをさらに含む、請求項１１、１２または１３のいずれか一項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
15. 前記ヘッドの前記処理表面を区画する前記縁端部の反対側の外側部分が金属化される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。

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