JP2019190888A - 流体チップ及び分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微量な試料の分析を行う分析装置に設けられ、この分析装置の小型化を実現でき、かつ、流体チップ自体の小型化と設計の自由度の向上とを図ることができる流体チップ、及びこの流体チップを備えた分析装置を提供する。【解決手段】流体チップ１０は、基板２１の表面に開口する溝状の表面流路としての下側流路２３と、基板２１の表面上に設けられた絶縁膜２２と、下側流路２３の一端に設けられ、下側流路２３へ試料を流入させる流入開口部２２ａと、下側流路２３の他端に設けられ、下側流路２３から試料を流出させる流出開口部２２ｂと、を備え、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとは、絶縁膜２２に設けられており、下側流路２３を介して接続することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、流体チップ及び分析装置に関する。

微量な試料の分析を行う分析装置として、ナノサイズの径の貫通孔（ナノポアともいう）を有する流路が設けられた流体チップを備えたものが知られている。例えば、特許文献１には、直径が数ｎｍ〜数十ｎｍのナノポアが流路内に設けられたシリコン基板を流体チップとして用いて、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid）の塩基配列等の分析を行う分析装置が記載されている。流路は、シリコン基板を貫通する。また、流路は、内壁が傾斜しており、シリコン基板の表面側の開口部が、裏面側の開口部よりも小さくされている。

特許文献１では、シリコン基板は、ＤＮＡが供給される供給部と、ＤＮＡが回収される回収部との間に設けられる。供給部は、シリコン基板の表面側に設けられた開口部を介して流路と接続する。回収部は、シリコン基板の裏面側に設けられた開口部を介して流路と接続する。供給部と回収部には、ＤＮＡの電気泳動を行うための電極対が設けられる。電極対に電圧が印加され、ＤＮＡが電気泳動によりナノポアを通過する際の電流値の変化を測定することにより、ＤＮＡの塩基配列等の分析が行われる。

特開２０１５−１９８６５２号公報

しかしながら、特許文献１では、シリコン基板を両面から挟むように電極対が設けられるため、各電極を保持するための保持部材同士を離して設ける必要があり、分析装置の小型化の障壁となっている。また、特許文献１では、シリコン基板を貫通する流路を形成するために裏面側の開口部を大きくせざるを得ないため、流体チップのサイズが大きくなるとともに、流路とその開口部の設計の自由度が制限される。

本発明は、微量な試料の分析を行う分析装置に設けられ、この分析装置の小型化を実現でき、かつ、流体チップ自体の小型化と設計の自由度の向上とを図ることができる流体チップ、及びこの流体チップを備えた分析装置を提供することを目的とする。

本発明の流体チップは、基板の表面を開口する溝状に形成された表面流路と、前記基板の表面に設けられた絶縁膜と、前記表面流路の一端に設けられ、前記表面流路へ試料を流入させる流入開口部と、前記表面流路の他端に設けられ、前記表面流路から前記試料を流出させる流出開口部とを備え、前記流入開口部と前記流出開口部とは、前記絶縁膜に設けられており、前記表面流路を介して接続することを特徴とする。

本発明の分析装置は、上記の流体チップと、前記流体チップの表面に設けられた上側シートと、前記試料が供給される供給部と、前記試料が回収される回収部とを備え、前記上側シートは、前記供給部に供給された前記試料を前記流入開口部へ案内する第１の上側流路と、前記流入開口部を流出した前記試料を前記回収部へ案内する第２の上側流路とを有し、前記供給部と前記回収部との間で前記試料を流通させる流通経路を形成することを特徴とする。

本発明の別の分析装置は、上記の流体チップと、前記試料が供給される供給部と、前記試料が回収される回収部とを備え、前記第１の上側流路は、前記供給部に供給された前記試料を前記流入開口部へ案内し、前記第２の上側流路は、前記流入開口部を流出した前記試料を前記回収部へ案内し、前記供給部と前記回収部との間で前記試料を流通させる流通経路を形成することを特徴とする。

本発明によれば、基板の表面に表面流路が設けられていることによって、電極対を基板の同一面に配置することができるため分析装置の小型化を図ることができ、かつ、流路とその開口部を所望の形状や大きさとすることができるため流体チップ自体の小型化と設計の自由度の向上とを図ることができる。

本発明を実施した分析装置を示す分解斜視図である。 本発明を実施した分析装置の平面図である。 分析装置における試料の流通経路を説明する説明図である。 下側流路形成工程を説明する説明図である。 酸化膜埋込工程を説明する説明図である。 開口部形成工程を説明する説明図である。 埋込酸化膜除去工程を説明する説明図である。 第２実施形態の流体チップを実施した分析装置を示す断面概略図である。 第２実施形態の上側流路形成工程を説明する説明図である。 第２実施形態の埋込酸化膜除去工程を説明する説明図である。 第３実施形態の流体チップを実施した分析装置を示す断面概略図である。 第３実施形態の上側流路形成工程を説明する説明図である。 第３実施形態の開口部形成工程を説明する説明図である。 第３実施形態の埋込酸化膜除去工程を説明する説明図である。 第４実施形態の流体チップを実施した分析装置を示す断面概略図である。 第４実施形態の上側流路形成工程を説明する説明図である。 第４実施形態の上側流路追加工工程を説明する説明図である。 第４実施形態の開口部形成工程を説明する説明図である。 第４実施形態の埋込酸化膜除去工程を説明する説明図である。 第５実施形態の流体チップを実装した分析装置を示す断面概略図である。 第１絶縁膜形成工程を説明する説明図である。 溝形成工程を説明する説明図である。 第２絶縁膜形成工程を説明する説明図である。 絶縁膜加工工程を説明する説明図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、流体チップ１０は、微量の試料の分析を行うための分析装置１１に用いられる。分析装置１１は、電解質を含む溶液に試料が分散した試料液が内部を流れ、試料が流体チップ１０を通過する際の電流値の変化を検出することにより、試料の分析を行う。具体的には、後述する電極対１６に電圧を印加することによって、分析装置１１内を流通する試料の流通経路のうち、開口面積が最小の最小開口部の内部空間を流れるイオン電流を発生させる。最小開口部の電気抵抗値は、試料が最小開口部を通る際に増大する。このため、イオン電流の値は、最小開口部を通る試料の体積に応じて変化する。最小開口部の内部空間に大きい体積の試料が侵入した場合はイオン電流の値が大きく変化し、最小開口部の内部空間に小さい体積の試料が侵入した場合はイオン電流の値の変化が小さい。分析装置１１では、上記の電流値の変化に基づいて、試料の大きさや形状等の分析が行われる。試料は、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid）、たんぱく質、花粉、ウイルス、細胞、有機粒子または無機粒子、ＰＭ(Particulate Matter)２．５等の粒子状物質等であり、この例では、ＤＮＡである。本実施形態では、後述する流体チップ１０の流入開口部２２ａが最小開口部とされているため、分析装置１１は、ＤＮＡが流入開口部２２ａを通過する際の電流値の変化を検出することにより、ＤＮＡを構成する核酸塩基分子を識別し、ＤＮＡの塩基配列などの分析を行う。なお、本明細書では見やすさを考慮して図面を拡大して示している。

分析装置１１は、流体チップ１０の他、流路シート１２と、カバーシート１３と、供給部１４と、回収部１５と、電極対１６とを備える。分析装置１１の平面形状は、例えば矩形であり、本実施形態では１辺の長さが２５ｍｍの正方形である。

流路シート１２は、流体チップ１０の表面に設けられる。流路シート１２の材料としては、例えばゴムや樹脂等が用いられる。流路シート１２は、第１の上側流路１２ａと第２の上側流路１２ｂとを有する。第１の上側流路１２ａと第２の上側流路１２ｂとは、本実施形態では、互いに直交する方向に延びている。本図の場合、第１の上側流路１２ａがＹ方向に延び、第２の上側流路１２ｂがＸ方向に延びている。なお、第１の上側流路１２ａと第２の上側流路１２ｂの方向は、互いに直交する方向に限られず適宜設計することができる。流路シート１２は、特許請求の範囲に記載の「上側シート」に対応する。

第１の上側流路１２ａは、後述する供給部１４から供給されたＤＮＡを流体チップ１０へ案内する。第１の上側流路１２ａは、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。本実施形態では、第１の上側流路１２ａの幅は、長手方向における一端から他端へ向かって段階的に拡大している。第１の上側流路１２ａの長手方向は図１のＹ方向であり、第１の上側流路１２ａの幅方向は図１のＸ方向である。

第２の上側流路１２ｂは、流体チップ１０からのＤＮＡを後述する回収部１５へ案内する。第２の上側流路１２ｂは、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。本実施形態では、第２の上側流路１２ｂの幅は、長手方向における一端から他端へ向かって段階的に拡大している。第２の上側流路１２ｂの長手方向は図１のＸ方向であり、第２の上側流路１２ｂの幅方向は図１のＹ方向である。

カバーシート１３は、流路シート１２の表面に設けられる。カバーシート１３は、分析装置１１の上面を構成する。カバーシート１３の材料としては、例えばゴムや樹脂等が用いられる。

供給部１４と回収部１５とは、分析装置１１の同一面に設けられる。本実施形態では、供給部１４と回収部１５は、カバーシート１３、すなわち分析装置１１の上面に設けられている。

供給部１４は、流体チップ１０にＤＮＡを供給するためのものである。供給部１４は、第１の上側流路１２ａの他端に設けられ、第１の上側流路１２ａを介して流体チップ１０と接続する。

回収部１５は、流体チップ１０からＤＮＡを回収するためのものである。回収部１５は、第２の上側流路１２ｂの他端に設けられ、第２の上側流路１２ｂを介して流体チップ１０と接続する。

電極対１６は、供給部１４と回収部１５に設けられる。電極対１６は、図示しない電源と電流検出装置とに接続する。電源は、電極対１６に対して電圧を印加する。電極対１６に電圧が印加されることにより、ＤＮＡの電気泳動が行われ、ＤＮＡが流体チップ１０を通過する。なお、供給したＤＮＡは、圧力により流体チップ１０を通過するようにしてもよく、電気泳動と圧力を併用して流体チップ１０を通過するようにしてもよい。電流検出装置は、ＤＮＡが流体チップ１０を通過する際に電流値が変化することを利用して、電流値の変化を検出する。

流体チップ１０は、基板２１と絶縁膜２２とを備える。基板２１はシリコン基板である。基板２１の厚みは、本実施形態では７７５μｍである。厚み方向は、図１のＺ方向である。基板２１の裏面は、分析装置１１の下面を構成する。

基板２１には下側流路２３が設けられている。下側流路２３は、基板２１の表面を開口する溝状に形成されている。下側流路２３は、特許請求の範囲に記載の「表面流路」に対応する。下側流路２３は、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。本実施形態では、下側流路２３の幅は、長手方向における一端から他端へ向かって段階的に拡大する。下側流路２３の長手方向は図１のＸ方向であり、下側流路２３の幅方向は図１のＹ方向である。下側流路２３の一端は、第１の上側流路１２ａの一端の下方に配置される。下側流路２３の他端は、第２の上側流路１２ｂの他端の下方に配置される。

絶縁膜２２は、基板２１の表面上に設けられる。絶縁膜２２は、例えばＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）やＳｉＯ膜（シリコン酸化膜）等により形成される。本実施形態では、絶縁膜２２はＳｉＮ膜により形成される。絶縁膜２２の厚みは、本実施形態では５０ｎｍである。

絶縁膜２２には、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとが設けられている。本実施形態では、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂは、流体チップ１０の厚み方向に設けられている。流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとは、下側流路２３を介して接続する。

流入開口部２２ａは、下側流路２３の一端に設けられ、下側流路２３と第１の上側流路１２ａとを接続する。流入開口部２２ａは、第１の上側流路１２ａから下側流路２３へＤＮＡを流入させる。流入開口部２２ａの平面形状は、例えば円形である。本実施形態では、流入開口部２２ａの直径は２００ｎｍである。なお、流入開口部の直径は、試料に応じて適宜変更してよい。流入開口部の平面形状は、円形の場合に限られず、楕円形、矩形、多角形等としてよい。

流出開口部２２ｂは、下側流路２３の他端に設けられ、下側流路２３と第２の上側流路１２ｂとを接続する。流出開口部２２ｂは、下側流路２３から第２の上側流路１２ｂへＤＮＡを流出させる。流出開口部２２ｂは、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。本実施形態では、流出開口部２２ｂの幅は、長手方向における一端から他端へ向かって段階的に拡大する。流出開口部２２ｂの長手方向は図１のＸ方向であり、流出開口部２２ｂの幅方向は図１のＹ方向である。

図２に示すように、分析装置１１の平面視において、第１の上側流路１２ａの一端と下側流路２３の一端とは交差しており、この交差部分に流入開口部２２ａが設けられている。

上記の構成を有する分析装置１１は、供給部１４と回収部１５との間でＤＮＡを流通させる流通経路を形成する。ＤＮＡの流通経路について、図２と図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は図２の流入開口部２２ａを通るＹ方向のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３（ｂ）は図２の流入開口部２２ａを通るＸ方向のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。以降の説明では、流入開口部を通るＹ方向の直線に沿った断面図をＹ方向断面図と称し、流入開口部を通るＸ方向の直線に沿った断面図をＸ方向断面図と称する。

図３（ａ）に示すように、供給部１４に供給されたＤＮＡは、第１の上側流路１２ａを移動し、流入開口部２２ａから下側流路２３へ流入する。図３（ｂ）に示すように、下側流路２３に流入したＤＮＡは、流出開口部２２ｂから第２の上側流路１２ｂへ流出し、回収部１５で回収される。本実施形態では流入開口部２２ａが最小開口部とされているため、分析装置１１は、ＤＮＡが流入開口部２２ａを通過する際の電流値の変化を検出することによりＤＮＡの分析を行う。

以下、流体チップ１０の製造方法について図４〜図７を参照して説明する。流体チップ１０は、下側流路形成工程と、酸化膜埋込工程と、開口部形成工程と、埋込酸化膜除去工程とにより製造される。図４〜図７の各図において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。

図４に示すように、下側流路形成工程は、基板２６の表面に下側流路２３を形成する。基板２６としては、シリコン基板が用いられる。基板２６の厚みは、本実施形態では７７５μｍである。下側流路形成工程では、基板２６の表面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層（図示なし）を形成し、フォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト層をパターニングする。フォトレジスト層には、下側流路２３に対応する部分が開口するレジストパターンが形成される。レジストパターンが形成されたフォトレジスト層をマスクとして基板２６の表面をドライエッチングする。ドライエッチングの深さは、目的とする下側流路２３の深さに基づき設定される。これにより、基板２６の表面に下側流路２３が形成される。下側流路２３が形成された基板２６が、流体チップ１０の基板２１となる。

図５に示すように、酸化膜埋込工程は、基板２６に形成された下側流路２３に酸化膜を埋め込むことにより、埋込酸化膜２７を形成する。酸化膜埋込工程では、まず、基板２６の表面に酸化膜を成膜する。酸化膜は、例えば、原料ガスとしてＴＥＯＳ（テトラエキシシラン）を用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されるＳｉＯ膜（シリコン酸化膜）である。これにより、基板２６の表面と下側流路２３内に酸化膜が成膜される。次に、酸化膜の表面を平坦化する。平坦化には、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置が用いられる。平坦化は、基板２６の表面が露出するように行うことが好ましい。平坦化により、基板２６の表面上の酸化膜が除去され、下側流路２３内の酸化膜が残る。下側流路２３内に残った酸化膜が埋込酸化膜２７である。

図６に示すように、開口部形成工程は、基板２６の表面に設けられた絶縁膜２８に流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとを形成する。開口部形成工程では、まず、基板２６の表面に絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は、例えば、原料ガスとしてＤＣＳ（ジクロロシラン）を用いたＣＶＤ法により形成される。その後、絶縁膜２８に流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとを形成する。流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂは、例えば下側流路２３と同様の方法により形成される。すなわち、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂは、絶縁膜２８の表面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層（図示なし）を形成し、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、レジストパターンが形成されたフォトレジスト層をマスクとして絶縁膜２８をドライエッチングすることにより形成される。流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとが形成された絶縁膜２８が、流体チップ１０の絶縁膜２２となる。

図７に示すように、埋込酸化膜除去工程は、下側流路２３内の埋込酸化膜２７を除去する。埋込酸化膜除去工程は、開口部形成工程を経た基板２６をウェットエッチング液に浸漬してウェットエッチングを行う。ウェットエッチング液としては、例えばＨＦ（フッ化水素酸）が用いられる。ウェットエッチング液が、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとから入り込み、等方性エッチングにより埋込酸化膜２７が除去され、流体チップ１０が得られる。

分析装置１１は、上記の工程を経て製造された流体チップ１０の表面に、流路シート１２とカバーシート１３とを順に貼り付けて、供給部１４と回収部１５に電極対１６を設けることにより作製される。分析装置１１は、ＤＮＡが流通する流通経路のうち、流入開口部２２ａの開口面積が、流入開口部２２ａ以外の流路の各開口面積よりも十分に小さいことが好ましい。こうすることで、流入開口部２２ａの電気抵抗値と、流入開口部２２ａ以外の流路の電気抵抗値との差が十分に大きくなり、より確実に分析を行うことができる。

以上のように、流体チップ１０は、基板２１の表面に下側流路２３が設けられていることにより、供給部１４と回収部１５を同一面に設けることができる。このため、流体チップ１０では、電極対１６を同一面に配置することができ、分析装置１１の小型化が図れる。さらに、流体チップ１０は、第１の上側流路１２ａ、第２の上側流路１２ｂ、下側流路２３、流入開口部２２ａ、及び、流出開口部２２ｂなどを所望の形状や大きさとすることができるため、流体チップ１０自体の小型化と設計の自由度の向上とを図ることができる。

流体チップ１０は、第１の上側流路１２ａと下側流路２３との各面積を小さくすることで、第１の上側流路１２ａと下側流路２３とで対を成す流路対を複数設けることができる。複数の流路対を形成する際は、例えば、１つの第１の上側流路１２ａに対して複数の下側流路２３を交差させ、各交差部分に流入開口部２２ａを設ける。また、１つの下側流路２３に対して複数の第１の上側流路１２ａを交差させてもよいし、複数の第１の上側流路１２ａと複数の下側流路２３とを互いに交差させてもよい。このように、流体チップ１０に複数の流路対を形成し、第１の上側流路１２ａと下側流路２３との各交差部分に流入開口部２２ａを設けることにより、複数の試料を効率的に分析することができる。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、流体チップ１０の表面に流路シート１２を貼り付けることにより第１の上側流路１２ａと第２の上側流路１２ｂを形成しているが、第２実施形態では、流路シート１２を用いずに上側流路を形成する。以下、上記第１実施形態と同じ部材については、同符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、分析装置４１は、カバーシート１３と、供給部１４と、回収部１５と、電極対１６と、流体チップ４０とを備える。第２実施形態では、カバーシート１３が流体チップ４０の表面に設けられる。図８において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。

流体チップ４０は、基板２１と、絶縁膜２２と、上側流路膜４２とを備える。上側流路膜４２は、絶縁膜２２の表面に設けられる。上側流路膜４２の材料としては、例えば、フォトリソグラフィー技術によりパターニングすることができる材料が用いられる。本実施形態では、上側流路膜４２の材料として感光性ポリイミドが用いられる。上側流路膜４２は、特許請求の範囲に記載の「第１の流路膜」に対応する。

上側流路膜４２には、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとが形成されている。第１の上側流路４２ａは、供給部１４から供給されたＤＮＡを流入開口部２２ａへ案内する。第２の上側流路４２ｂは、流出開口部２２ｂから流出したＤＮＡを回収部１５へ案内する。図示していないが、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂは、平面視において互いに直交する方向に延びる。なお、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂの方向は、互いに直交する方向に限られず、適宜設計することができる。第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂの平面形状は、第１の上側流路１２ａと第２の上側流路１２ｂの平面形状と同様であり、それぞれ、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。

上記の構成を有する分析装置４１では、図８（ａ）に示すように、供給部１４に供給されたＤＮＡが、第１の上側流路４２ａを移動し、流入開口部２２ａから下側流路２３へ流入する。図８（ｂ）に示すように、下側流路２３に流入したＤＮＡは、流出開口部２２ｂから第２の上側流路４２ｂへ流出し、回収部１５で回収される。このように、分析装置４１は、供給部１４と回収部１５との間でＤＮＡを流通させる流通経路を形成する。

流体チップ４０の製造方法について図９及び図１０を参照して説明する。図９及び図１０の各図において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。流体チップ４０は、下側流路形成工程と、酸化膜埋込工程と、開口部形成工程と、上側流路形成工程と、埋込酸化膜除去工程とにより製造される。流体チップ４０の製造方法は、開口部形成工程と埋込酸化膜除去工程の間に上側流路形成工程を有することが、第１実施形態の流体チップ１０の製造方法とは異なる。

下側流路形成工程、酸化膜埋込工程、及び、開口部形成工程は、第１実施形態の流体チップ１０の製造方法と同様である。すなわち、下側流路形成工程は、基板２６の表面に下側流路２３を形成する（図４参照）。酸化膜埋込工程は、基板２６に形成された下側流路２３に酸化膜を埋め込むことにより、埋込酸化膜２７を形成する（図５参照）。開口部形成工程は、基板２６の表面に設けられた絶縁膜２８に流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとを形成する（図６参照）。

図９に示すように、上側流路形成工程は、絶縁膜２８の表面に設けられた上側流路膜４２に第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとを形成する。上側流路形成工程では、まず、絶縁膜２８の表面に例えばポジ型の感光性ポリイミドを塗布して感光性ポリイミド層（図示なし）を形成する。その後、図示しない露光装置を用いて感光性ポリイミド層を露光する。露光装置により、感光性ポリイミド層のうち、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとに対応する部分が露光される。露光は、例えば、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとに対応する部分のみが開口したフォトマスクを用いて行われる。露光後の感光性ポリイミド層を現像することにより、感光性ポリイミド層のうち、感光された部分、すなわち第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとに対応する部分が除去され、感光されていない部分が残る。現像後の感光性ポリイミド層は、絶縁膜２８の表面に形成されており、これが流体チップ４０の上側流路膜４２となる。

図１０に示すように、埋込酸化膜除去工程は、上側流路形成工程を経た基板２６をウェットエッチング液に浸漬してウェットエッチングを行うことにより、埋込酸化膜２７を除去する。ウェットエッチング液としては、例えばＨＦが用いられる。埋込酸化膜２７を除去することにより、流体チップ４０が得られる。

流体チップ４０は、フォトリソグラフィー技術により絶縁膜２８の表面に上側流路膜４２を形成することができる。このため、流体チップ４０は、絶縁膜２８の表面に、良好な合わせ精度で第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂとを形成することができる。第１実施形態では、流路シートの寸法精度と、流路シートを貼り付ける工程における合わせ精度を確保することが難しいが、第２実施形態では、第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂの寸法精度および合わせ精度を確保しつつ、製造工程の簡略化を図ることができる。また、流体チップ４０は、上側流路膜４２を例えばメッシュ構造とするなど用途に合わせて微細加工することができるため、設計の自由度に優れる。

なお、上側流路形成工程では、上記のように感光性ポリイミド層を露光及び現像したものを上側流路膜４２とすることに限られない。例えば、上側流路形成工程では、基板２６の表面に上側流路膜４２の材料となる膜を形成し、その膜の表面にフォトレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー技術によりフォトレジスト層をパターニングし、レジストパターンが形成されたフォトレジスト層をマスクとして膜をエッチングし、フォトレジスト層を除去することで、上側流路膜４２を形成してもよい。

［第３実施形態］
上記第２実施形態では、絶縁膜２８の表面上に上側流路膜４２が設けられているが、第３実施形態では、基板と絶縁膜との間に上側流路膜が設けられる。

図１１に示すように、分析装置５１は、カバーシート１３と、供給部１４と、回収部１５と、電極対１６と、流体チップ５０とを備える。図１１において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。

流体チップ５０は、基板２１と、上側流路膜５２と、絶縁膜５３とを備える。上側流路膜５２は、基板２１と絶縁膜５３との間に設けられる。上側流路膜５２は、後述する絶縁膜５３の形成の際に変質等しない程度の耐熱性を有する材料で形成されることが好ましい。例えば、上側流路膜５２は、ＳｉＮ膜やＳｉＯ膜などの無機膜により形成され、本実施形態ではＳｉＮ膜により形成される。上側流路膜５２は、特許請求の範囲に記載の「第２の流路膜」に対応する。

上側流路膜５２には、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとが形成されている。第１の上側流路５２ａは、後述する流入開口部５３ａを介して、下側流路２３と接続する。第２の上側流路５２ｂは、下側流路２３と接続する。図示していないが、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂは、平面視において互いに直交する方向に延びる。なお、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂの方向は、互いに直交する方向に限られず適宜設計することができる。第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂの平面形状は、第１実施形態の第１の上側流路４２ａと第２の上側流路４２ｂの平面形状と同様であり、それぞれ、長手方向における一端の幅が他端の幅よりも狭い。

絶縁膜５３は、上側流路膜５２の表面に設けられる。絶縁膜５３は、例えばＳｉＮ膜により形成される。絶縁膜５３には、上側流路膜５２の表面と基板２１の表面に沿って段差部５４が形成されている。

絶縁膜５３には、流入開口部５３ａと流出開口部５３ｂとが設けられている。流入開口部５３ａは、段差部５４に設けられており、第１の上側流路５２ａと下側流路２３とを接続する。第３実施形態では、流入開口部５３ａが最小開口部とされている。流出開口部５３ｂは、絶縁膜５３のうち第２の上側流路５２ｂに対応する部分に設けられ、第２の上側流路５２ｂを介して下側流路２３と接続する。

上記の構成を有する分析装置５１では、図１１（ａ）に示すように、供給部１４に供給されたＤＮＡが、第１の上側流路５２ａを移動し、流入開口部５３ａから下側流路２３へ流入する。図１１（ｂ）に示すように、下側流路２３に流入したＤＮＡは、第２の上側流路５２ｂと流入開口部５３ａとを順に通過し、回収部１５で回収される。このように、分析装置５１は、供給部１４と回収部１５との間でＤＮＡを流通させる流通経路を形成する。

流体チップ５０の製造方法について図１２〜図１４を参照して説明する。図１２〜図１４の各図において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。流体チップ５０は、下側流路形成工程と、酸化膜埋込工程と、上側流路形成工程と、開口部形成工程と、埋込酸化膜除去工程とにより製造される。流体チップ５０の製造方法は、酸化膜埋込工程と開口部形成工程との間に上側流路形成工程を有することが、第２実施形態の流体チップ４０の製造方法とは異なる。

下側流路形成工程と酸化膜埋込工程は、第２実施形態の流体チップ４０の製造方法と同様である。すなわち、下側流路形成工程は、基板２６の表面に下側流路２３を形成する（図４参照）。酸化膜埋込工程は、基板２６に形成された下側流路２３に酸化膜を埋め込むことにより、埋込酸化膜２７を形成する（図５参照）。

図１２に示すように、上側流路形成工程は、基板２１の表面に設けられた無機膜５６に、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとを形成する。上側流路形成工程では、まず、基板２１の表面に無機膜５６としてＳｉＮ膜を形成する。無機膜５６は、例えば、原料ガスとしてＤＣＳを用いたＣＶＤ法により形成される。その後、無機膜５６に第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとを形成する。第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂは、例えば、無機膜５６の表面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層（図示なし）を形成し、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、レジストパターンが形成されたフォトレジスト層をマスクとして無機膜５６をドライエッチングすることにより形成される。第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとが形成された無機膜５６が、流体チップ４０の上側流路膜５２となる。

図１３に示すように、開口部形成工程は、無機膜５６の表面に設けられた絶縁膜５７に流入開口部５３ａと流出開口部５３ｂとを形成する。開口部形成工程では、まず、無機膜５６の表面に絶縁膜５７を形成する。絶縁膜５７は、例えば、原料ガスとしてＤＣＳを用いたＣＶＤ法により形成される。絶縁膜５７のうち、第１の上側流路５２ａに対応する部分には段差部５４が形成される。その後、絶縁膜５７に流入開口部５３ａと流出開口部５３ｂとを形成する。流入開口部５３ａと流出開口部５３ｂは、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成したフォトレジスト層をマスクとして用いて、絶縁膜５７をドライエッチングすることにより形成される。流入開口部５３ａは、段差部５４に形成される。流出開口部５３ｂは、絶縁膜５７のうち第２の上側流路５２ｂに対応する部分に形成される。流入開口部５３ａと流出開口部５３ｂとが形成された絶縁膜５７が、流体チップ５０の絶縁膜５３となる。

図１４に示すように、埋込酸化膜除去工程は、開口部形成工程を経た基板２６をウェットエッチング液に浸漬してウェットエッチングを行うことにより、埋込酸化膜２７を除去する。ウェットエッチング液としては、例えばＨＦが用いられる。埋込酸化膜２７を除去することにより、流体チップ５０が得られる。

流体チップ５０は、フォトリソグラフィー技術により基板２１の表面に上側流路膜５２を形成することができるため、流体チップ４０と同様に、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂの寸法精度および合わせ精度を確保しつつ、製造工程の簡略化を図ることができ、かつ、設計の自由度に優れる。

［第４実施形態］
第４実施形態は、上側流路を形成する際に深さ方向にオーバーエッチングし、上側流路を第３実施形態よりも深くしたものである。

図１５に示すように、分析装置６１は、カバーシート１３と、供給部１４と、回収部１５と、電極対１６と、流体チップ６０とを備える。図１５において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。

流体チップ６０は、基板６２と、上側流路膜５２と、絶縁膜６３とを備える。基板６２はシリコン基板である。基板６２の表面には、第１の凹部６４と、第２の凹部６５と、下側流路６６とが形成されている。第１の凹部６４は、第１の上側流路５２ａに対応する。第２の凹部６５は、第２の上側流路５２ｂに対応する。下側流路６６は、第１の凹部６４と第２の凹部６５に設けられている。

絶縁膜６３は、上側流路膜５２の表面に設けられる。絶縁膜６３は、例えばＳｉＮ膜により形成される。絶縁膜６３は、上側流路膜５２の表面と第１の凹部６４の表面とに沿って形成された段差部６７を有する。

絶縁膜６３には、流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂとが設けられている。流入開口部６３ａは、絶縁膜６３のうちの段差部６７に設けられている。第４実施形態では、流入開口部６３ａが最小開口部とされている。流入開口部６３ａを介して、第１の上側流路５２ａと下側流路６６とが接続される。流出開口部６３ｂは、絶縁膜６３のうちの第２の上側流路５２ｂに対応する部分に設けられており、第２の上側流路５２ｂと第２の凹部６５を介して、下側流路６６と接続する。

上記の構成を有する分析装置６１では、図１５（ａ）に示すように、供給部１４に供給されたＤＮＡが、第１の上側流路５２ａを移動し、流入開口部６３ａから下側流路６６へ流入する。図１５（ｂ）に示すように、下側流路６６に流入したＤＮＡは、第２の凹部６５、第２の上側流路５２ｂ、流入開口部６３ａを順に通過し、回収部１５で回収される。このように、分析装置６１は、供給部１４と回収部１５との間でＤＮＡを流通させる流通経路を形成する。

流体チップ６０の製造方法について図１６〜図１９を参照して説明する。図１６〜図１９の各図において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。流体チップ６０は、下側流路形成工程と、酸化膜埋込工程と、上側流路形成工程と、上側流路追加工工程と、開口部形成工程と、埋込酸化膜除去工程とにより製造される。

図１６は、下側流路形成工程、酸化膜埋込工程、上側流路形成工程を順に実施して得られた製造途中の流体チップを示す。下側流路形成工程では、基板６８の表面に下側流路６６が形成される。下側流路６６の形成方法は、ドライエッチングの深さが異なること以外は、下側流路２３の形成方法と同様である。酸化膜埋込工程では、基板６８に形成された下側流路６６に酸化膜を埋め込むことにより、埋込酸化膜２７を形成する。上側流路形成工程では、基板６８の表面に設けられた無機膜５６に、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとが形成される。

図１７に示すように、上側流路追加工工程は、基板６８の表面をオーバーエッチングすることにより、第１の凹部６４と第２の凹部６５とを形成する。上側流路追加工工程では、例えば無機膜５６をマスクとして、基板６８と埋込酸化膜２７のエッチングを行う。これにより、基板６８と埋込酸化膜２７のうち、第１の上側流路５２ａと第２の上側流路５２ｂとに対応する部分が除去され、第１の凹部６４と第２の凹部６５とが形成される。第１の凹部６４と第２の凹部６５と下側流路６６とが形成された基板６８が、流体チップ６０の基板６２となる。なお、上側流路追加工工程では、無機膜５６をマスクとして用いる代わりに、上側流路形成工程において無機膜５６をエッチングするためにパターニングしたフォトレジスト層をマスクとして用いてもよい。これにより、無機膜５６のエッチングと、第１の凹部６４及び第２の凹部６５のエッチングとを連続して行うこととしてもよい。

図１８に示すように、開口部形成工程は、無機膜５６の表面に設けられた絶縁膜６９に流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂとを形成する。絶縁膜６９は、例えば、原料ガスとしてＤＣＳを用いたＣＶＤ法により形成される。絶縁膜６９のうち、第１の上側流路５２ａと第１の凹部６４に対応する部分には段差部６７が形成される。その後、絶縁膜６９に流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂとを形成する。流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂの形成方法は、第３実施形態と同様である。すなわち、流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂは、フォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成したフォトレジスト層をマスクとして用いて、絶縁膜６９の表面をドライエッチングすることにより形成される。流入開口部６３ａと流出開口部６３ｂとが形成された絶縁膜６９が、流体チップ６０の絶縁膜６３となる。

図１９に示すように、埋込酸化膜除去工程は、開口部形成工程を経た基板６８をウェットエッチング液に浸漬してウェットエッチングを行うことにより、埋込酸化膜２７を除去する。ウェットエッチング液としては、例えばＨＦが用いられる。埋込酸化膜２７を除去することにより、流体チップ６０が得られる。

流体チップ６０は、基板６２の表面に第１の凹部６４と第２の凹部６５とが形成され、第１の凹部６４と第２の凹部６５に下側流路６６が設けられているため、十分な流路高さが得られる。このため、流体チップ６０は、長い試料の分析を行う場合であっても、試料をスムーズに流通させることができる。

［第５実施形態］
上記各実施形態では、流体チップの厚み方向に最小開口部としての流入開口部が設けられているが、第５実施形態では、流体チップの厚み方向とは異なる方向に最小開口部が設けられる。

図２０に示すように、流体チップ７０は、例えば第１実施形態の流体チップ１０の代わりに分析装置１１に設けられる。流体チップ７０は、基板２１と絶縁膜２２に加え、流路内開口部７２を備える。図２０において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。

流路内開口部７２は、下側流路２３のうち、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂとの間に設けられている。第５実施形態では、流路内開口部７２が最小開口部とされている。すなわち、流路内開口部７２の開口面積は、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂの各開口面積よりも小さい。流路内開口部７２は、流体チップ７０の厚み方向とは異なる方向に設けられており、この例では流体チップ７０の厚み方向と直交する方向に設けられている。

図２１〜図２４を参照し、流体チップ７０の製造方法の一例を説明する。図２１〜図２４の各図において、（ａ）はＹ方向断面図であり、（ｂ）はＸ方向断面図である。流体チップ７０は、下側流路形成工程、第１絶縁膜形成工程、溝形成工程、第２絶縁膜形成工程、絶縁膜加工工程、酸化膜埋込工程、開口部形成工程、埋込酸化膜除去工程を順に実施することにより製造される。流体チップ７０の製造方法は、第１絶縁膜形成工程、溝形成工程、第２絶縁膜形成工程、及び、絶縁膜加工工程を有することが、第１実施形態の流体チップ１０の製造方法とは異なる。

下側流路形成工程は、第１実施形態の流体チップ１０の製造方法と同様である。すなわち、下側流路形成工程は、ドライエッチングにより基板２６の表面に下側流路２３を形成する（図４参照）。

図２１に示すように、第１絶縁膜形成工程は、下側流路２３に第１の絶縁膜７５を形成する。第１の絶縁膜７５は、例えば、原料ガスとしてＤＣＳを用いたＣＶＤ法と、ＣＭＰ装置を用いた平坦化とを行うことにより形成される。この例では、第１の絶縁膜７５は、ＳｉＮ膜により形成される。

図２２に示すように、溝形成工程は、第１の絶縁膜７５に溝７６を形成する。溝７６の平面形状は、例えば長方形とされる。図２２（ａ）に示すように、溝７６の短辺の長さは、流路内開口部７２における厚み方向と直交する幅方向の長さ、すなわち流路内開口部７２の幅となる。溝７６の深さは、流路内開口部７２における厚み方向の長さ、すなわち流路内開口部７２の高さとなる。溝７６は、例えば、第１の絶縁膜７５の表面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト層（図示なし）を形成し、フォトリソグラフィー技術によりパターニングし、レジストパターンが形成されたフォトレジスト層をマスクとして第１の絶縁膜７５をドライエッチングすることにより形成される。

図２３に示すように、第２絶縁膜形成工程は、溝７６に第２の絶縁膜７７を形成する。第２の絶縁膜７７は、例えば、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法と、ＣＭＰ装置を用いた平坦化とを行うことにより形成される。この例では、第２の絶縁膜７７は、ＳｉＯ膜により形成される。

図２４に示すように、絶縁膜加工工程は、第１の絶縁膜７５と第２の絶縁膜７７とを加工して板状体７８を形成する。板状体７８の平面形状は、長方形とされる。図２４（ｂ）に示すように、板状体７８の短辺の長さは、流路内開口部７２における厚み方向および幅方向と直交する方向の長さ、すなわち流路内開口部７２の長さとなる。絶縁膜加工工程では、例えば、ドライエッチングが行われる。

絶縁膜加工工程後、第１実施形態の流体チップ１０の製造方法と同様に、酸化膜埋込工程、開口部形成工程、埋込酸化膜除去工程を順に実施する。酸化膜埋込工程では、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法と、ＣＭＰ装置を用いた平坦化とを行うことにより、下側流路２３に埋込酸化膜２７を形成する（図示省略）。開口部形成工程では、原料ガスとしてＤＣＳを用いたＣＶＤ法を行うことにより基板２６の表面に絶縁膜２８を形成し（図示省略）、フォトリソグラフィー技術を用いて絶縁膜２８に流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂを形成する（図示省略）。第５実施形態では、流入開口部２２ａと流出開口部２２ｂの各開口面積が流路内開口部７２の開口面積よりも十分に大きくなるように開口部形成工程を実施する。埋込酸化膜除去工程では、ウェットエッチング液としてＨＦを用いたウェットエッチングを行う。埋込酸化膜除去工程の実施により、埋込酸化膜２７が除去され、板状体７８のうちの第２の絶縁膜７７が除去され、下側流路２３内には第１の絶縁膜７５が残る。残った第１の絶縁膜７５により形成される板状体７８が、流路内開口部７２となる。流路内開口部７２の開口面積は、溝７６の短辺の長さと溝７６の深さとにより決定される。溝７６の短辺の長さと溝７６の深さとのうち、溝７６の深さはフォトリソグラフィー技術の最小加工寸法以下とすることができる。このため、流体チップ７０は、最小開口部としての流路内開口部７２の設計の自由度に優れる。

なお、流路内開口部７２は、第４実施形態の流体チップ６０の下側流路６６に設けてもよい。流路内開口部７２は、下側流路２３，６６に設ける場合に限られず、第１の上側流路１２ａ，４２ａ，５２ａに設けることができる。例えば、第２実施形態の流体チップ４０の場合は、流路内開口部７２は、第１の上側流路４２ａのうち、流入開口部２２ａよりも上流に設けられる。この例では、流体チップ４０の製造方法として、上側流路形成工程と埋込酸化膜除去工程との間に、第１絶縁膜形成工程、溝形成工程、第２絶縁膜形成工程、絶縁膜加工工程を追加して順に実施することにより、流路内開口部７２を形成することができる。

上記各実施形態では、第１の上側流路、第２の上側流路、流出開口部、及び、下側流路の各平面形状は、長手方向における一端から他端へ向かって幅が段階的に拡大する形状とされているが、これに限られず、例えば直線状としてもよい。

第１の上側流路、第２の上側流路、及び、下側流路は、メッシュ構造の流路としてもよい。第１の上側流路と第２の上側流路とをメッシュ構造とした場合は、カバーシートのたわみによって流通経路が塞がれることが抑制される。

供給部と回収部は、分析装置の上面に設けられる場合に限られず、分析装置の側面に設けてもよい。例えば、第１実施形態の分析装置１１において、供給部１４と回収部１５を流路シート１２の側面のうちの同一面に設けてもよい。この例では、流路シート１２に、第１の上側流路１２ａの他端と供給部１４とを接続する第１の接続溝と、第２の上側流路１２ｂの他端と回収部１５とを接続する第２の接続溝とを形成する。このように、供給部と回収部を分析装置の同一面に設けることにより、電極対を同一面に配置することができるので、分析装置の小型化が図れる。

１０，４０，５０，６０，７０ 流体チップ
１１，４１，５１，６１ 分析装置
１２ 流路シート
１２ａ，４２ａ，５２ａ 第１の上側流路
１２ｂ，４２ｂ，５２ｂ 第２の上側流路
１３ カバーシート
１４ 供給部
１５ 回収部
１６ 電極対
２１，２６，６２，６８ 基板
２２，２８，５３，５７，６３，６９ 絶縁膜
２２ａ，５３ａ，６３ａ 流入開口部
２２ｂ，５３ｂ，６３ｂ 流出開口部
２３，６６ 下側流路
２７ 埋込酸化膜
４２，５２ 上側流路膜
５４，６７ 段差部
５６ 無機膜
６４ 第１の凹部
６５ 第２の凹部
７２ 流路内開口部

Claims (8)

1. 基板の表面を開口する溝状に形成された表面流路と、
   前記基板の表面に設けられた絶縁膜と、
   前記表面流路の一端に設けられ、前記表面流路へ試料を流入させる流入開口部と、
   前記表面流路の他端に設けられ、前記表面流路から前記試料を流出させる流出開口部と
   を備え、
   前記流入開口部と前記流出開口部とは、前記絶縁膜に設けられており、前記表面流路を介して接続することを特徴とする流体チップ。
2. 前記流入開口部を介して前記表面流路と接続する第１の上側流路と、
   前記流出開口部を介して前記表面流路と接続する第２の上側流路と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体チップ。
3. 前記絶縁膜の表面に設けられた第１の流路膜を備え、
   前記第１の上側流路と前記第２の上側流路は、前記第１の流路膜に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体チップ。
4. 前記基板と前記絶縁膜との間に設けられた第２の流路膜を備え、
   前記第１の上側流路と前記第２の上側流路は、前記第２の流路膜に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体チップ。
5. 前記基板の表面には凹部が形成されており、
   前記表面流路は、前記凹部に設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の流体チップ。
6. 請求項１に記載の流体チップと、
   前記流体チップの表面に設けられた上側シートと、
   前記試料が供給される供給部と、
   前記試料が回収される回収部と
   を備え、
   前記上側シートは、前記供給部に供給された前記試料を前記流入開口部へ案内する第１の上側流路と、前記流入開口部を流出した前記試料を前記回収部へ案内する第２の上側流路とを有し、
   前記供給部と前記回収部との間で前記試料を流通させる流通経路を形成することを特徴とする分析装置。
7. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の流体チップと、
   前記試料が供給される供給部と、
   前記試料が回収される回収部と
   を備え、
   前記第１の上側流路は、前記供給部に供給された前記試料を前記流入開口部へ案内し、
   前記第２の上側流路は、前記流入開口部を流出した前記試料を前記回収部へ案内し、
   前記供給部と前記回収部との間で前記試料を流通させる流通経路を形成することを特徴とする分析装置。
8. 前記供給部と前記回収部とが同一面に設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の分析装置。

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