JP3744515B2 - Ｄｎａチップ用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＤＮＡチップの製造に用いられる基板の新規な製造方法に関する。

遺伝子構造の解析にＤＮＡチップが用いられている。このＤＮＡチップは、通常、シリコーン樹脂やスライドガラスを基板とし、この基板の上に、構造が明らかで、種類が異なる数千から数万種のＤＮＡ断片（いわゆるＤＮＡプローブ）をアレイ状に配列して固定したものである。
このＤＮＡチップは次のようにして使用される。まず、蛍光標識された解析対象のＤＮＡ断片を含む試料を調製する。そして、この試料をＤＮＡチップの上に供給する。試料中のＤＮＡ断片のうち、ＤＮＡチップに固定されているＤＮＡプローブと相補的な構造を有するＤＮＡ断片はＤＮＡチップ上のあるＤＮＡプローブと結合する。そして、結合した部分だけが蛍光を発して識別される。このようにして試料中のＤＮＡ断片の構造が解析される。

このＤＮＡチップは、一般に、ＤＮＡプローブを含む試料溶液を基板の上に所定の配列パターンでスポット供給し、それぞれのＤＮＡプローブをその決められた位置に固定して製造されている。
そして、基板としては、前記したように従来からシリコーン樹脂の基板やスライドガラスの基板が主流であったが、最近では、使用済みＤＮＡチップの廃棄処分の関係で焼却処理が可能な有機系高分子から成る基板が提案されている（特許文献１を参照）。

また、ＤＮＡプローブを確実に基板上の所定位置に固定するために、疎水性であるが、光や熱の作用を受けると親水性に極性が変化する例えば酸化チタンのような材料で表面が構成されている原板の上に、所定のパターンで例えば光照射することによりその箇所を親水性にし、そこにＤＮＡプローブを固定させる基板が提案されている（特許文献２を参照）。

更には、表面に親水性のpoly-L-lisine層を設け、ＤＮＡプローブを固定すべき箇所の中心部分に突起を形成し、試料溶液のスポット供給時に起こることがある微小スポットの位置ずれを自動的に補正させる基板も提案されている（特許文献３を参照）。
特開２００２−１４１００号公報 特開２００３−２８８６４号公報 特開２００１−３４３３８６号公報

特許文献１に記載の基板の場合、使用済みのＤＮＡチップの焼却処理が可能となるので、廃棄処分の面で有利である。しかしながら、この特許文献１の場合、ＤＮＡプローブを基板上の所定位置に固定させるための技術的手段に関する開示はない。
一方、特許文献２と特許文献３に記載の基板は、いずれも、ＤＮＡプローブを基板上の所定位置に固定するための技術的手段を備えている。

しかしながら、それら基板の製造に際しては、使用材料として特殊な材料を使用したり（特許文献２の基板の場合）、また製造工程が複雑であり、結局は基板の製造コストが高くなるという問題がある。
本発明は、これらの問題を考慮して開発された基板であって、基板上の所定位置へのＤＮＡプローブの固定を確実に実現することができ、また、廃棄処分も容易であり、更に、ＤＮＡプローブの配列パターンが多種多様であった場合でも、それに容易に対応することができるＤＮＡチップ用基板の製造方法の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、支持基板の一方の表面を被覆して導電薄層と第１のレジスト層をこの順序で形成する工程Ａ；
前記第１のレジスト層に前記導電薄層との界面にまで至る複数の孔を所定の配列パターンで形成する工程Ｂ；
電気めっきを行って、前記孔の中に導電材料を充填して柱状導体を形成する工程Ｃ；
前記第１のレジスト層を除去して、前記導電基板と、前記導電薄層と前記導電薄層の表面に配列する前記柱状導体の突起群とから成る金型を製作する工程Ｄ；
前記金型の突起群側の面に基板用の樹脂材料を配置し、前記樹脂材料から成る樹脂基板または樹脂フィルムと前記金型との一体化物を形成する工程Ｅ；および、
前記一体化物における前記金型から、前記支持基板を剥離除去し、ついで前記導電薄層および前記突起群を順次エッチング除去する工程Ｆ；
を備えていることを特徴とするＤＮＡチップ用基板の製造方法が提供される。

その場合、工程Ｄと工程Ｅの間に、前記突起群の外表面を除いて、前記金型の表面を第２のレジスト層で被覆し、ついで電気めっきを行って、突起群の前記外表面に導電材料の粗粒を電着したのち、前記第２のレジスト層を除去する工程を介在させることが好ましい。

本発明方法によれば、多層プリント配線板の製造時に適用されるフォトリソグラフィーとエッチング処理、電気めっきなどの要素技術を用いて後述する金型を製作し、その金型を樹脂材料に対するスタンパとして使用することにより、目的とするＤＮＡチップ用基板が製造される。
そのため、任意の配列パターンでＤＮＡプローブ固定用の凹没部を高精度で形成することができ、しかも樹脂成形法に準拠して容易に製造することができるので、ＤＮＡチップ用基板の製造コストを大幅に低減することができる。

本発明方法で製造された基板の１例を切欠斜視図として図１に示す。また、図１のII−II線に沿う断面図を図２に示す。
基板は、樹脂基板１と、その一方の表面１ａに、直接、形成され、かつアレイ状に配列している凹没部２で構成されている。この凹没部２はＤＮＡプローブが固定される場所であって、ここにスポット供給されるＤＮＡプローブの大きさとの関係で、その平面視形状とその大きさや深さは適宜に決められる。

図１の基板の場合、ＤＮＡプローブの大きさが３０μｍ程度であると想定して、凹没部２は、直径が３０μｍ以上、深さが１０〜１００μｍのそれぞれが独立した凹孔になっている。
なお、凹没部２は、図１で示したような凹孔に限定されるものではなく、例えば、図３で示したように、２個の凹孔２，２の間を、幅２０μｍ程度で深さが１０〜１００μｍ程度の連結溝２ａで結んだものであってもよい。

図３で示した凹没部の場合、一方の凹孔にＤＮＡプローブを固定し、他方の凹孔に解析対象のＤＮＡ断片を含む試料溶液がスポット供給され、両者を連結溝（反応域）で反応させるという態様で使用される。
本発明の基板の場合、その表面１ａは比較的平滑な面になっているが、上記した凹没部２の側面２ｂと底面２ｃは、いずれも粗化面になっている。

凹没部２の周囲に位置する表面１ａよりも凹没部２の内部表面２ｂ、２ｃの方が粗化面になっているので、スポット供給されたＤＮＡプローブ３が、図２の仮想線で示したように凹没部から若干の位置ずれを起こして供給された場合であっても、当該ＤＮＡプローブ３は平滑な表面１ａから粗化面の凹没部２内に移動して、側面２ｂと底面２ｃの粗化面で確保された状態で凹没部２内に固定されることになる。

この基板は次の工程を経て製造される。以下、図面に則して各工程を説明する。
まず、工程Ａでは、図４で示したように、ＳＵＳ板のようにある程度の強度を有する導電基板１１の片面を被覆して、電気めっきで導電薄層１２を形成し、更にその上に所定厚みの第１のレジスト層を形成して出発素材Ａ₀を製造する。
ここで、導電基板１１は後述する金型における支持基板として機能するが、この導電基板に代えて例えば表面が平滑なガラス基板を用いてもよい。

ガラス基板を支持基板として用いる場合には、当該ガラス基板に例えばスパッタ法で導電材料（例えば銅）を被着せしめて導電薄層１２を形成することにより出発素材Ａ₀を製造してもよい。
なお、後述する工程Ｃとの関係でいえば、支持基板としては導電性の導電基板であることが好ましい。

以後の説明では、支持基板として導電基板を用いた場合について行う。
導電基板に、直接、第１のレジスト層を形成してもよいが、後述するように、樹脂基板を金型から除去するときの作業安定性のことを考えると、導電基板１１には導電薄層１２を形成すべきである。
なお、銅で導電薄層１２を形成する場合、電気めっきの条件を選択して、電着するめっき粒子の大きさを概ね０.１〜１μｍと微細にすることにより、当該導電薄層１２の表面を平滑面にする。

第１のレジスト層１３Ａは、導電薄層１２に例えばドライフィルムを貼着したり、または液体レジストを塗布して形成することができる。その場合、第１のレジスト層１３Ａの厚みは、形成すべき凹没部の設計深さと略同じ値にする。
工程Ｂでは、出発素材Ａ₀の第１のレジスト層１３Ａに、所定の配列パターンで複数の孔が形成されることにより、図５で示した中間体Ｂ₀が製造される。

すなわち、第１のレジスト層１３Ａの表面に、形成すべき凹没部の配列パターンでフォトリソグラフィーを行い、ついで現像処理を行って、導電薄層１２と第１のレジスト層１３Ａの界面（導電薄層の表面）１２ａにまで到達する深さの孔１４を穿設する。
したがって、中間体Ｂ₀の第１のレジスト層１３Ａには、一端は開口し、他端には導電薄層１２の平滑な表面１２ａが表出し、形成すべき凹没部の設計深さと略同じ深さの孔が目的とする配列パターンで形成されている。

工程Ｃでは、中間体Ｂ₀の孔を導電材料で充填して図６で示した中間体Ｃ₀が製造される。
すなわち、充填する導電材料をプラス極、中間体Ｂ₀の導電基板１１（導電薄層１２）をマイナス極にそれぞれ接続した状態で電気めっきを行い、導電薄層１２の表面１２ａに導電材料を電着することにより孔１４を埋めて柱状導体１５を形成する。

充填する導電材料としては、導電薄層と同じ材料が用いられ、通常は銅が好適に用いられる。
この工程Ｃにおいて、電気めっき条件を選択することにより、充填されるめっき粒子を１〜５μｍ程度の粗粒にすることができる。その場合、導電薄層１２は０.１〜１μｍ程度のめっき粒子で形成されているので、孔１４の中では、比較的平滑な表面１２ａに、粗粒のめっき粒子が順次堆積していき、外周が粗化面になっている柱状導体１５が形成される。

工程Ｄでは、中間体Ｃ₀の第１のレジスト層１３Ａを除去して図７で示した中間体Ｄ₀が製造される。
この中間体Ｄ₀では、導電薄層１２の表面１２ａに、形成すべき凹没部の深さと略同じ値の高さを有する複数の柱状導体１５が突出し、しかもこれらは形成すべき凹没部の配列パターンで突出している。いわば、導電薄層１２の表面１２ａには、形状において形成すべき凹没部とポジ−ネガの関係にある突起群の配列パターンが形成されている。

したがって、この中間体Ｄ₀は、その突起群側の面を凹没部を形成する際のスタンプ面として使用することができる。この意味で、本発明では、この中間体Ｄ₀を以後金型と呼ぶ。
工程Ｅでは、金型Ｄ₀の突起群側の面に基板用の樹脂材料を配置し、その樹脂材料を固化して樹脂基板が形成される。

なお、工程Ｃで柱状導体１５が０.１〜１μｍの微細なめっき粒子で構成されている場合には、この工程Ｅに先立ち、製作した金型Ｄ₀の突起（柱状導体）１５の外表面１５ａに、電気めっきにより、突起の導電材料と同じ導電材料から成る粗粒を電着する工程を配置することが好ましい。
具体的には、図８で示したように、突起の外表面１５ａ以外の金型表面を第２のレジスト層１３Ｂで被覆し、電着する導電材料をプラス極、導電基板１１をマイナス極にそれぞれ接続して電気めっきを行う。このとき、電気めっき条件を適切に選択することにより、めっき粒子を１〜５μｍ程度の粗粒にし、それを突起の外表面１５ａに１層または２層程度電着すればよい。

その後、第２のレジスト層１３Ｂを除去する。その結果、導電薄層１２の平滑な表面１２ａには、粗粒の電着によって外表面１５ａは粗化面になっている柱状導体から成る突起が所定のパターンで配列している金型が得られる。
なお、前記したように、工程Ｃにおける孔１４の充填工程において、粗粒のめっき粒子を充填する場合には、上記した工程を実施しなくてもよい。

再び工程Ｅの説明に戻ると、工程Ｅでは、用いる基板用の樹脂材料として熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれをも使用することができる。
まず、樹脂材料としてアクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン樹脂のような熱可塑性樹脂を用いる場合には、図９で示したように、これら材料で形成されている基板またはフィルム１６の上に金型Ｄ₀の突起群側の面を重ね合わせたのち、全体を所定温度と所定圧で熱圧プレスする。

基板（フィルム）１６は軟化して導電薄層１２に圧着される。そのとき、突起群は軟化した基板（フィルム）１６に喰い込み、金型Ｄ₀と基板（フィルム）１６は一体化する。そして、室温にまで冷却することにより、基板（フィルム）１６は固化するので、その樹脂基板または樹脂フィルムを備えた、図１０で示した中間体Ｅ₁になる。
一方、樹脂材料としてエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＴレジン、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂のような熱硬化性樹脂を用いる場合には、まず、図１１で示したように、金型Ｄ₀の突起群側の面を囲んだハウジング１７を金型Ｄ₀に対して液密に形成する。

そして、未硬化状態でかつ液状の熱硬化性樹脂１８を用意し、これをハウジング１７の内部空間に注入して突起群を樹脂液中に沈潜させる。ついで、樹脂液を周囲から所定温度に加熱して当該樹脂液を熱硬化させたのちハウジング１７を除去する。
その結果、図１２で示したように、固化した樹脂から成る樹脂基板１８Ａと金型Ｄ₀が一体化している中間体Ｅ₂が得られる。この工程では、樹脂液の注入量を調節して中間体Ｅ₂の厚みが決められる。

工程Ｆでは、上記した中間体Ｅ₁または中間体Ｅ₂からそれぞれの樹脂基板（または樹脂フィルム）を除去して目的とするＤＮＡチップ用基板が製造される。
中間体Ｅ₁の場合には、図１３で示したように、当該中間体Ｅ₁から導電基板１１を剥離する。その結果、導電薄層１２、突起群（柱状導体群）１５、および樹脂基板１６が一体化している中間体Ｆ₁が得られる。

ついで、この中間体Ｆ₁の導電薄層と、樹脂基板１６に埋め込まれている突起群１５を例えば銅エッチャントを用いてエッチング除去する。その結果、図１４で示したような樹脂基板１６が得られる。
この樹脂基板は、その片面に突起群をエッチング除去した痕跡である凹没部２が所定のパターンで配列し、また表面１２ａは細かいめっき粒子で構成されていた導電薄層の平滑面が転写された平滑面になっており、更に凹没部２の側面２ｂと底面２ｃは、外表面が粗化面になっていた突起群の当該外表面が転写された粗化面になっている。すなわち、図１と図２で示したＤＮＡチップ用基板になっている。

中間体Ｅ₂の場合は、まず、樹脂基板（固体樹脂）１８Ａの上面を研削して樹脂基板の厚みを整え、その後は、中間体Ｅ₁についての除去作業を同様に行えばよい。

本発明の基板は、ＤＮＡチップ用基板だけではなく、ＤＮＡチップの使用方法と同様の方法で使用されるチップ、すなわち、抗体や蛋白質などの反応性物質を担持させる反応チップとしても使用可能である。

本発明方法で製造されたＤＮＡチップ用基板の１例を示す一部切欠斜視図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 基板に形成する凹没部（連結溝構造）例を示す斜視図である。 本発明方法における工程Ａで製造した出発素材の１例Ａ₀を示す断面図である。 工程Ｂで製造した中間体Ｂ₀を示す断面図である。 工程Ｃで製造した中間体Ｃ₀を示す断面図である。 工程Ｄで製造した金型（中間体）Ｄ₀を示す断面図である。 突起群の外表面を除いて、金型Ｄ₀の表面を第２のレジスト層で被覆した状態を示す断面図である。 金型Ｄ₀を熱可塑性樹脂基板に熱圧プレスする状態を示す断面図である。 中間体Ｅ₁を示す断面図である。 金型Ｄ₀の突起群側の面に未硬化の液状熱可塑性樹脂を注入する状態を示す断面図である。 中間体Ｅ₂を示す断面図である。 中間体Ｅ₂から導電基板を剥離して得られた中間体Ｆ₁を示す断面図である。 中間体Ｆ₁から得られたＤＮＡチップ用基板を示す断面図である。

符号の説明

１ 樹脂基板または樹脂フィルム
１ａ 樹脂基板（フィルム）１の表面
２ 凹没部（凹孔）
２ａ 連結溝
２ｂ 凹没部２の側面
２ｃ 凹没部２の底面
３ ＤＮＡプローブ
１１ 導電基板
１２ 導電薄層
１２ａ 導電薄層１２の表面
１３Ａ 第１のレジスト層
１４ 孔
１５ 柱状導体（突起）
１５ａ 突起１５の外表面
１６ 樹脂基板（熱可塑性樹脂）
１７ ハウジング
１８ 未硬化の液状熱硬化性樹脂
１８Ａ 固化した熱硬化性樹脂（樹脂基板）

Claims (5)

1. 支持基板の一方の表面を被覆して導電薄層と第１のレジスト層をこの順序で形成する工程Ａ；
   前記第１のレジスト層に前記導電薄層との界面にまで至る複数の孔を所定の配列パターンで形成する工程Ｂ；
   電気めっきを行って、前記孔の中に導電材料を充填して柱状導体を形成する工程Ｃ；
   前記第１のレジスト層を除去して、前記支持基板と、前記導電薄層と、前記導電薄層の表面に配列する前記柱状導体の突起群とから成る金型を製作する工程Ｄ；
   前記金型の突起群側の面に基板用の樹脂材料を配置し、前記樹脂材料から成る樹脂基板または樹脂フィルムと前記金型との一体化物を形成する工程Ｅ；および、
   前記一体化物における前記金型から、前記支持基板を剥離除去し、ついで前記導電薄層および前記突起群を順次エッチング除去する工程Ｆ；
   を備えていることを特徴とするＤＮＡチップ用基板の製造方法。
2. 前記支持基板が導電基板またはガラス基板である請求項１のＤＮＡチップ用基板の製造方法。
3. 工程Ｄと工程Ｅの間に、前記突起群の外表面を除いて、前記金型の表面を第２のレジスト層で被覆し、ついで電気めっきを行って、突起群の前記外表面に導電材料の粗粒を電着したのち、前記第２のレジスト層を除去する工程を介在させる請求項１のＤＮＡチップ用基板の製造方法。
4. 工程Ｅが、前記金型の突起群側の面に、熱可塑性樹脂から成る基板またはフィルムを重ね合わせたのち、熱圧プレスする工程である請求項１〜３のいずれかのＤＮＡチップ用基板の製造方法。
5. 工程Ｅが、前記金型の突起群側の面を液密に囲んでハウジングを形成し、前記ハウジングに未硬化状態でかつ液状の熱硬化性樹脂を注入したのち、前記未硬化の熱硬化性樹脂を熱硬化させる工程である請求項１〜３のいずれかのＤＮＡチップ用基板の製造方法。

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