JP4532891B2

JP4532891B2 - マイクロエレクトロニック素子の集積方法

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Publication number: JP4532891B2
Application number: JP2003415635A
Authority: JP
Inventors: エスウォングウィリアム; エルチャビニクマイケル; イーレディスティーブン; エィクネイスルミカエル; アールティープマーク
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Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2010-08-25
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Description

本発明はミクロ流体デバイスに関する。より特定的には、本発明は、光源または光検出器等の超小型電子構造（マイクロエレクトロニック構造）を含む基板上にミクロ流体チャネルを集積する方法に関する。

集積マイクロシステムは、特に生物学の材料分析の分野において多数の重要な用途がある。かかるシステムは、一般的には試料に光源を投射して、該試料からの反射光、透過光、または蛍光を検出する。

このような集積マイクロシステムの広範な適用を妨げている１つの問題は、システムの費用と複雑性である。生体試料同士の相互汚染を最小限に抑えるために、生体試料を輸送するマイクロチャネルは一般的には使い捨てとして設計される。このためマイクロシステムは安価で簡単に製造できる必要がある。

一般に、ミクロ流体デバイスは、ガラスまたはシリコン基板中に特徴物をエッチングする等の減法によって（「チップ上の微小毛管電気泳動ベースの化学分析システムのミクロ機械加工方法（ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＣａｐｉｌｌａｒｙＥｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ−ＢａｓｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍｏｎａＣｈｉｐ）」Ｈａｒｒｉｓｏｎ，Ｄ．Ｊ．；Ｆｌｕｒｉ，Ｋ．；Ｓｅｉｌｅｒ，Ｋ．；Ｆａｎ，Ｚ．；Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒ，Ｃ．Ｓ．；Ｍａｎｚ，Ａ．；サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）１９９３年２６１８９５−８９７掲載）、または一般的にはポリマー材料を使用する成形手順（「可撓性のあるシリコンマイクロデバイス上の集積毛管電気泳動：マイクロチップ上のＤＮＡ制限断片の分析と単一ＤＮＡ分子の検出（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣａｐｉｌｌａｒｙＥｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓｏｎＦｌｅｘｉｂｌｅＳｉｌｉｃｏｎｅＭｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ：ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＮＡＲｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎＦｒａｇｍｅｎｔｓａｎｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＳｉｎｇｌｅＤＮＡＭｏｌｅｃｕｌｅｓｏｎＭｉｃｒｏｃｈｉｐｓ）」Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒ，Ｃ．Ｓ．；Ｂｒｕｉｎ，Ｇ．Ｊ．Ｍ．；Ｐａｕｌｕｓ，Ａ．；Ｅｈｒａｔ，Ｍ．；分析化学（ＡｎａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌｓ）１９９７年６９（１７）３４５１−３４５７掲載）によって作製される。以下に説明するが、これらの方法は完全な集積装置の作製に各種制約を課す。

ミクロ流体チャネルと電子素子とは、従来のシリコン基板上での処理方法を用いて作製できる（「集積ナノリットルＤＮＡ分析装置（ＡｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｎｏｌｉｔｅｒＤＮＡＡｎａｌｙｓｉｓＤｅｖｉｃｅ）」Ｍ．Ａ．Ｂｕｒｎｓ，Ｂ．Ｎ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｓ．Ｎ．Ｂｒａｈｍａｓａｎｄｒａ，Ｋ．Ｈａｎｄｉｑｕｅ，Ｊ．Ｒ．Ｗｅｂｓｔｅｒ，Ｍ．Ｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｔ．Ｓ．Ｓａｍｍａｒｃｏ，Ｐ．Ｍ．Ｍａｎ，Ｄ．Ｊｏｎｅｓ，Ｄ．Ｈｅｌｄｓｉｎｇｅｒ，Ｃ．Ｈ．Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏ，Ｄ．Ｔ．Ｂｕｒｋｅ；サイエンス１９９８年１０月１６日号２８２：４８４−４８７掲載）。一般的には、同一基板材料を用いて、受動流体チャネルの形成と能動電子装置をその上に成長させる成長基板としての機能をもたせる。しかし受動チャネルは一般的に電子装置よりも広い面積をカバーするため、このような方法では各成長基板上で処理される能動装置の密度が低くなる。能動装置の形成に関連した高費用のシリコン処理と成長基板上の能動装置の低密度のため、この方法は高価となってしまう。さらに、ＩＩＩ−Ｖ半導体等の他の固体材料から素子を追加するのが困難な場合もある。

受動ミクロ流体チャネル構造の作製には、時に成形手順が用いられる。成形は比較的高精度で行うことができるが、従来の成形方法を用いるとチャネルと電子装置間を良好に見当合わせして能動電子装置を集積するのは困難である（「ミクロ流体応用のためのポリ（ジメチルシロキサン）中での集積蛍光検出システム（ＡｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｉｎＰｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）ｆｏｒＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」Ｍ．Ｌ．Ｃｈａｂｉｎｙｃ，Ｄ．Ｔ．Ｃｈｉｕ，Ｊ．Ｃ．ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ａ．Ｄ．Ｓｔｒｏｏｃｋ，Ｊ．Ｆ．Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ，Ａ．Ｍ．Ｋａｒｇｅｒ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ），「バイオセンサ微細化用の流体工学キューブ（ＦｌｕｉｄｉｃｓＣｕｂｅｆｏｒＢｉｏｓｅｎｓｏｒＭｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ）」Ｊ．Ｍ．Ｄｏｄｓｏｎ，Ｍ．Ｊ．Ｆｅｌｄｓｔｅｉｎ，Ｄ．Ｍ．Ｌｅａｔｚｏｗ，Ｌ．Ｋ．Ｆｌａｃｋ，Ｊ．Ｐ．ＧｏｌｄｅｎおよびＦ．Ｓ．Ｌｉｇｌｅｒ，分析化学２００１年７３（１５），３７７６−３７８０掲載）。

現在の作製技術のもう一つの問題点は、非類似素子を直接成長によって組合わせ、同一基板上でミクロ機械加工して１つの集積装置を形成するのは技術的に困難であると証明されていることである。例えば、マイクロチャネルと半導体発光体と検出器とは、互いに適合性のない材料から形成されるため、これらを１つの工程で同時に作製すると、低品質の装置が出来上がってしまう。この非適合性の原因は、大半の高効率の光電子（オプトエレクトロニック）光源の作製に使用される熱処理安定性および熱操作技術は、マイクロチャネルの形成に一般的に使用されるプラスチックまたはガラス構造の形成と適合しないという事実に一部由来する。

本発明は上記課題等に鑑みてなされたものであり、他の電子または光電子素子と位置合わせされたミクロ流体チャネルを１つのプラットフォーム上に集積させる低コストでより容易なマイクロシステムの改良した製造方法を提供することを目的とする。

参考例の電子装置構造とマイクロチャネルとを基板上に集積する方法は、前記電子装置構造が基板上へ固定されるように前記電子装置構造を形成するステップと、前記基板上で前記電子装置構造に位置合わせしてチャネル特徴部を作製するステップと、前記チャネル特徴部上にモールドを形成するステップと、前記モールド中に流体試料を搬送するチャネルが形成され、かつ前記チャネルが前記電子装置構造と相互作用するように配置されるべく、前記チャネル特徴部を除去するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の光源とマイクロチャネルとを透明基板上に集積する方法は、前記光源が前記透明基板に接着されるように前記光源を形成するステップと、前記透明基板上に、前記光源と位置合わせされたマイクロチャネルを規定する不透明パターンを堆積させるステップと、前記不透明パターン上に光感応性ポリマーを堆積させるステップと、前記透明基板に光を透過させて、前記光感応性ポリマーの前記不透明パターンでマスクされていない領域を硬化させるステップと、前記光感応性ポリマーの未硬化領域を除去して、前記光感応性ポリマー中に流体試料を搬送するチャネルを形成し、前記チャネルは前記光源から発射された光が前記チャネルに投射されるように配置されるステップとを含むことを特徴とする。

参考例の光源とマイクロチャネルとを基板上に集積させる方法は、前記光源が基板に接着されるように前記光源を形成するステップと、前記基板上にチャネル特徴部を作製するステップと、前記チャネル特徴部上にモールドを形成するステップと、前記基板から前記モールドを除去するステップと、前記チャネル特徴部を除去するステップと、前記モールド中に流体試料を搬送するチャネルが形成され、かつ前記光源から発射された光が前記チャネルに投射されるように前記チャネルが配置されるべく、前記モールドを前記基板に再設置するステップとを含むことを特徴とする。

電子装置構造とマイクロチャネルとを基板上に集積する方法を説明する。方法は、構造が基板上に固定されるように構造を形成するステップを含む。基板上に構造に近接して位置合わせされたチャネル特徴部を作製する。チャネル特徴部上にモールドを形成する。最後にチャネル特徴部を除去して、検査対象の流体試料を搬送するチャネルを作成する。チャネルは構造がチャネルと相互作用するように位置決めされる。

オプトエレクトロニック素子とミクロ流体デバイスとを集積する方法および構造を提供する。図１は形成可能な一般的な集積構造を示す。図１では、レーザダイオード等の光源１０４を基板１０８に接着する。一般的にはポリ（ジメチルシロキサン）ＰＤＭＳ等のエポキシまたはポリマーからなるハウジング材１１２が該基板１０８に接着され、検査試料を輸送するマイクロチャネル１１６を形成する。

光源１０４から発せられた光１２０はハウジング材１１２中を伝搬して、検査中の試料１２４に入射する。試料１２４は、入射光を反射光、屈折光、または蛍光としてフィルタ１２４を通ってシリコン光検出器等の検出器１２８へ拡散する。検出された光の周波数、強度、およびその他のパラメータを測定することにより、試料に関する情報が得られる。

光源１０４から発せられた光をさらに誘導するため、ハウジング材１１２中に導波管を集積してもよい。導波管は、光源１０４からの光を１つまたは複数のチャネルへ誘導する。図２は、第２のハウジング材２０８中へ集積した導波管２０４を示す。図３は、第２のハウジング材２０８および導波管２０４の作製に使用可能な材料を記載した表である。ＰＤＭＳは、プラスチック基板との適合性と微小自動蛍光特性のため、ハウジング材として好都合である。微小自動蛍光は、蛍光検出システムでは重要である。エポキシは、薄膜層のリフトオフおよび移送技術に適合するという利点があり、かつ生体材料に比較的反応しない。表３に記載した他の材料をＰＤＭＳまたはエポキシと集積することにより、屈折率を制御してハウジング材中に導波管２０４を形成できる。導波管をハウジング材２０８中に集積することにより、光源２１２からの光をより効率的に集光できる。図２に示す構造は２つのチャネル２１６，２２０を含み、２つの試料２２４，２２８の検査が可能である。

導波管をハウジング中に集積する技術は、レンズを形成して光源からの光を集光することもできる。図４は、導波管４０８の終端に接続したレンズ４０４を示す。レンズ４０４は光をチャネル４１２へ集光する。レンズ４０４を用いて光を小さなスポットサイズに集光することにより、図４の構造から形成される生体検出チップの空間解像度をかなり改善する。

または、導波管は光源の出力を２つの異なる光路に分割できる。図５は、光源５０８からの光を２つの成分に分割して、チャネル５１２に沿って流れる試料をモニタ可能な導波管５０４を示す。近接した事象間の時間遅延を測定することにより、溶液中の生体分子の流速および／または空間分布を検出できる。例えば、不透明の対象物が第１のビーム５１６に到達すると、対象物により第１の時間ｔ_０で反射光強度が下がる。該対象物が第２のビーム５２０に到達すると、対象物により第２の時間ｔ_０＋（時間の変化）で反射光強度が再び下がる。その後、第１のビーム５１６と第２のビーム５２０間の距離を（時間の変化）で除算すれば、流速が求められる。

図６〜図１４は、図１〜図５に示した構造を作製するいくつかの方法を示す。図６〜図１４は、ミクロ流体チャネルを含む集積オプトエレクトロニックシステム作製の工程図を示す。図２、図４および図５は導波管および光学系を用いたミクロ流体チャネル構造の各種実施形態を示すが、図６〜図１４に示す手順は、光源およびマイクロチャネルの一般的な製造方法を示す。この手順は、製造時に成形材料の屈折率の調整により導波管およびレンズを追加するように簡単に変形可能である。他の実施形態では、光を誘導する導波管およびレンズが不要になる程度まで、光源をマイクロチャネルおよび検査中の試料に十分近く配置する。

図６は、成長基板６０８上に作製したＧａＮベースのレーザダイオードまたはその他のエッジ発射型レーザ等の発光装置または光源６０４を示す。成長基板材料は、一般的にはレーザダイオードに格子が一致するものを選択する。ＧａＮベースのレーザダイオードに対して良好に格子が一致する材料の一例にはサファイアがある。

図７では、光源６０４を集積装置基板７０４にフリップチップ接着する。光源６０４と装置基板７０４間の隙間には、エポキシ等の接着材料７０８を充填できる。接着材料７０８はこの隙間を充填し、装置基板７０４と光源６０４間に強固な結合を形成する。

例示する実施形態はフリップチップ接着を示すが、このような設計は必須ではない。他の実施形態では、成長基板が集積装置基板としても機能する。従ってミクロ流体チャネルは成長基板上に直接作製し、フリップチップ接着の必要性がなくなる。しかし、この構造はより高価となりうる。サファイア等の大半の成長基板が高価なことに加えて、この光源作製手順の費用のため、この設計はあまり好適とはいえない。従って、各成長基板上に高密度の光学デバイスを形成し、かつ各光源を比較的安価な装置基板７０４にフリップチップ接着するフリップチップ設計のほうが費用が安い。

図８では、成長基板６０８を除去する。成長基板６０８を除去する一般的な方法の一つは、米国特許出願番号第０９／６４８，１８７号（発明の名称「半導体薄膜の分離と非類似基板材料上への移送のための構造および方法（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒＳｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＴｒａｎｓｆｅｒｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｈｉｎＦｉｌｍｓＯｎｔｏＤｉｓｓｉｍｉｌａｒＳｕｂｓｔｒａｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ）」２０００年８月２３日出願）に記載されているレーザリフトオフ法を用いる。成長基板６０８の除去は必須ではないが、高熱を生成する光源を使用した場合は、成長基板６０８の除去とフリップチップ設置の使用とを組み合わせることにより、熱シンクの設置に便利な光源の露出表面を設ける。

図９では、光源６０４に熱シンク９０４を接着する。光源６０４が半導体レーザの場合、特に比較的高電流密度を使用する連続発振動作レーザまたはＧａＮベースの青色レーザの場合は、動作中にかなりの熱が発生する。レーザとマイクロチャネルとの接近度を考慮すると、マイクロシステムの加熱は望ましくない。接近していると、過剰加熱によりマイクロチャネルおよび／または基板構造を歪め、光源とミクロ流体チャネルおよび検出器との位置合わせを劣化させる。過剰加熱はまた、マイクロチャネル中を流れる高感度の生体試料にもダメージを与えうる。このようなダメージを避けるため、熱シンク９０４が光源６０４から発生する熱エネルギを消散させる。

熱シンクを設置する一方法は、露出した光源６０４の裏面に熱伝導率の高い金属９０８を堆積させることを含む。堆積は、スピンコーティング、スパッタリング、またはその他の当該技術分野で周知の堆積技術等の各種技術を用いて行うことができる。その後、この熱伝導率の高い金属に熱シンク９０４を設置または接着する。

図１０では、装置基板７０４上に一連のチャネル特徴部１００４，１００８，１０１２を印刷する。各チャネル特徴部は、検査試料材料を輸送するマイクロチャネルを規定する。チャネル特徴部を形成する一方法は、米国特許出願番号第０９／８３８，６８４号（発明の名称「位相変化材料を使用したエッチマスクの印刷方法（ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｉｎｔｉｎｇＥｔｃｈＭａｓｋｓＵｓｉｎｇＰｈａｓｅ−ＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒｉａｌｓ）」２００１年４月１９日出願）に記載されているワックスインクジェット印刷法を用いる。チャネル特徴部は、通常、移送された光源６０４に位置合わせされる。

各特徴部と光源６０４または他のオプトエレクトロニック装置との位置合わせは、各種技術を用いて行うことができる。かかる位置合わせを行う一方法は、カメラ等のセンサとフィードバック制御システムとを利用する。センサまたはカメラは、特徴部１０４を堆積させる圧電プリントヘッド等の堆積メカニズムの位置に対する光源６０４の位置を決定する。フィードバック制御システムはセンサから情報を受信し、理想の位置に達するまで堆積メカニズムを配置し直す。堆積メカニズムが特徴部を光源６０４に位置合わせして形成するような位置にくると、理想位置が規定される。このような制御システムの追加詳細は、米国特許出願番号第１０／２２４，７０１号（発明の名称「マルチイジェクタプリントヘッドを使用した均質電子材料の印刷方法（ＭｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅＰｒｉｎｔｉｎｇｏｆＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈａＭｕｌｔｉ−ＥｊｅｃｔｏｒＰｒｉｎｔＨｅａｄ）」２００２年８月２０日出願）に記載されている。

チャネル特徴部１００４と隣接するチャネル特徴部１００８との接近度、および各チャネル特徴部の寸法は、印刷システムの解像度によって決定される。特別な印刷システム、特に前出の米国特許出願番号第１０／２２４，７０１号に記載の圧電ドライバを使用して微細滴を発射する印刷システムを用いて、かつ前出の米国特許出願第０９／８３８，６８４号に記載の噴射小滴と装置基板表面との温度調整による微小滴の広がりの制御によって、極小チャネル特徴部を形成できる。このような特別の印刷システムを用いた場合、隣接するチャネル特徴部間の間隔は一般的には１００マイクロメートル〜３００マイクロメートルであり、各チャネル特徴部の断面の幅は１００マイクロメートル未満である。

マイクロチャネル作製のため、ミクロ流体チャネルの壁部を形成する材料をチャネル特徴部１００４，１００８，１０１２上に堆積する。図１１では、堆積したプレポリマーモールド１１０４材料がチャネル特徴部１００４，１００８，１０１２を被包している。またプレポリマーモールドは、光源６０４は被包してもしなくてもよい。しかし光源６０４を囲うと、プレポリマーモールド−エアーインターフェースを通る光源出力の透過がなくなり、かかる透過に関連した光の損失を回避できる。他の実施形態では、屈折率の異なる各材料を層状に堆積して、プレポリマーモールド１１０４中に導波管を形成する。かかる導波管構造は図２、図４および図５に示す。

モールドの形成後、チャネル特徴部１００４，１００８、１０１２を除去して、流体試料を輸送するチャネルを形成する。以下にワックスの除去またはチャネル構造を形成する４つの技術を説明するが、他の技術も使用できる。

チャネル構造を形成する参考例として、第１の方法は、プレポリマーモールド１１０４が硬化するまで待ってから、チャネル特徴部とモールド１１０４とを溶剤に浸漬させることを含む。溶剤がチャネル特徴部を溶解して、流体試料を搬送する開チャネルを残す。チャネル特徴部が印刷したワックス、例えばＣｒｏｍｐｔｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＴａｆｔ（米国ルイジアナ州）販売のＫｅｍａｉｄｅベースのワックス等の場合は、適当な溶剤はテトラヒドロフランまたは他の有機溶剤である。

チャネル構造を形成する参考例として、第２の方法は、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）材料または同様の材料からプレポリマーモールドを形成する方法である。図１２に示すように、ＰＤＭＳモールド１２０４は硬化可能で、その後、装置基板１２０８から剥離できる。従ってモールド１２０４の形成に使用する材料は、構造上の一体性を維持しながら装置基板から分離可能なものでなければならない。ＰＤＭＳモールド１２０４の除去後、溶剤または平坦化等の他の引き剥がし技術を用いて、チャネル特徴部１００４、１００８，１０１２を除去する。

チャネル特徴部の除去後、ＰＤＭＳチャネルモールド１２０４を最初に形成された元位置に戻し、装置基板１２０８に再度取り付ける。元位置ではチャネルと光源とが正しく位置合わせされる。このモールド除去および再設置方法は、モールドの除去を行わずにチャネル特徴部を溶剤に浸漬させる方法と比べて、回路の溶剤浸漬時間が短くなる。また、平坦化等の他のチャネル特徴部除去技術の使用もできる。しかしモールド除去および再設置方法は、ＰＤＭＳチャネルモールド１２０４と光源とを再度位置合わせしてモールドを再設置する追加ステップを導入してしまう。

第３のチャネル形成方法は、米国特許出願番号第１０／３０３，５５１（発明の名称「マイクロ流体チャネルを用いた電子装置の製造方法（ＭｅｔｈｏｄｏｆＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓＵｓｉｎｇＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌｓ）」２００２年１１月２２日出願）に記載のものと同様の、裏面露光によるものである。この第３方法は、透明な装置基板７０４を使用する。装置基板７０４上に不透明の薄膜を堆積させる。この不透明膜は、マイクロチャネルのパターンの規定に使用されるエッチマスクである。パターンが形成された不透明膜上にＳＵ−８等の光感応性ポリマーを堆積させる。透明装置基板７０４を透過した光は、裏面露光方法により光感応性ポリマーの露光領域を硬化させる。光感応性ポリマーの未効果領域は、一般にはトルエン等の溶剤を用いて除去され、硬化した光感応性ポリマー中にマイクロチャネルのパターンを残す。このチャネル上にＰＤＭＳから形成したキャップ構造が配置され、検査対象の流体試料が流れるキャップ付きマイクロチャネルを形成する。

上述した技術のいずれかを用いて、または当業者に利用可能な他の技術を用いて、マイクロチャネルを形成した後、チャネル中を流れる試料に対する入射光の相互作用を検出するシステムを実現できる。かかる方法の１つは、マイクロチャネルが形成された場所の上部に光フィルタと検出器を集積させることである。図１３〜図１５はかかる光フィルタおよび検出器構造の一形成方法を示す。

図１３では、フィルタ成長基板１３０８上にフィルタ１３０４を成長させる。フィルタ１３０４はモールド１１０４に接着またはそれ以外の方法で取り付ける。フィルタ１３０４をモールド１１０４に接着するには、エポキシまたはその他の接着剤を用いることができる。チャネル中の試料によって拡散した光を検出する適切なフィルタは、光源出力の周波数に同調しなければならない。光源６０４がサファイア成長基板上で形成されたＩｎＧａＮベースのレーザの場合、適切なフィルタはやはりサファイア成長基板上で成長させたＩｎＧａＮの薄膜である。ＩｎＧａＮ薄膜層は、ＩｎＧａＮベースのレーザダイオードの出力周波数に同調される。

図１４では、成長基板１３０８を除去する。成長基板１３０８の除去は各種技術を用いて行うことができ、そのなかには前出の米国特許出願第０９／６４８，１８７号に記載されているレーザリフトオフ、表面の平坦化、または各種エッチング技術が含まれるが、これらに限定するものではない。成長基板１３０８の除去後、フィルタ１３０４に検出器を設置してもよい。図１５はフィルタ１３０４上に取り付けた検出器１５０４を示す。検出器は一般的には半導体光検出器であり、試料からの反射光または屈折光によって拡散した光の周波数に感応する。フィルタ１３０４は、他の光源からの「ノイズ」が検出器１５０４に到達するのを防止する。

例示した構造は多数の応用に適しているが、集積オプトエレクトロニックミクロ流体チャネル構造に特に適した用途は、生体分析検査の実行である。ＧａＮベースの発光ダイオードは、一般的には生体分析で使用する大半の蛍光染料に適合する波長３９０ｎｍ〜５３０ｎｍの光を発射する。コリメートした光源が必要な場合は、発光ダイオードをレーザダイオードで代用してもよい。導波管およびレンズを用いれば、さらなる焦点合わせかつ光検出が可能である。

波長の短いＧａＮベースのＬＥＤ、および２６０ｎｍ〜３５０ｎｍの波長を目標にしたレーザダイオード装置は、開発途中である。このような装置が利用できるようになれば、本明細書で説明した集積技術と組合わせて、ＤＮＡまたはタンパク質の直接蛍光励起が可能になると考えられる。

生体分析システムには、波長の長い光源も適用できる。赤色および赤外線領域の波長に感応する特定の染料とともに使用する光源も、染料蛍光励起に使用できる。ヒ化物およびリン化物材料系をベースにしたレーザダイオードおよび発光ダイオード等の固体オプトエレクトロニック装置は、容易に入手でき、集積生体分析システム用の入射励起源となりうる。

電子装置構造とマイクロチャネル中の流体との相互作用は、光源からの光励起だけではない。マイクロチャネルと位置合わせした装置は、マイクロチャネル中の流体のポンピング、進路変更、または混合に使用される超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置となりうる。本発明の一実施形態では、マイクロチャネルをＭＥＭＳと整列配置して、流体をＭＥＭＳ構造中へ誘導する。例えば図１６は、２つの流体をポンピングかつ混合するように設計したＭＥＭＳ構造または集積装置１６１０の一例を示す。図１６では、分岐装置１６５０によって、一方のチャネル１６３０中の第１の流体１６６０と第２のチャネル１６４０中の第２の流体１６７０との２つの流体を組み合わせる。組合わせられた流体１６８０は第３のマイクロチャネル１６３５へ流れて、マイクロポンプ１６００を介して別領域１６５０へ分配される。

薄膜フィルタと光検出器とを集積した単純なマイクロチャネルの一実施形態の図である。集積微細構造として実現した導波管の図である。チャネル壁の作製に使用可能な成形材料と各材料の屈折率とを記載した表である。光源とマイクロチャネル壁中にレンズを一体化させたマイクロチャネルとを集積した図である。光源と、該光源からの光を分割する導波管を含むマイクロチャネルとを集積した図である。光源を形成し、該光源を基板上に集積する工程図である。光源を形成し、該光源を基板上に集積する工程図である。光源を形成し、該光源を基板上に集積する工程図である。光源を形成し、該光源を基板上に集積する工程図である。モールドによってチャネルを形成する工程図である。モールドによってチャネルを形成する工程図である。モールドによってチャネルを形成する他の工程図である。集積した光源およびマイクロチャネル構造にフィルタと検出器とを設置する工程図である。集積した光源およびマイクロチャネル構造にフィルタと検出器とを設置する工程図である。集積した光源およびマイクロチャネル構造にフィルタと検出器とを設置する工程図である。複数のミクロ流体チャネルとの集積に適したＭＥＭＳ構造の一例の図である。

符号の説明

１０４光源、１０８基板、１１２ハウジング部材、１１６マイクロチャネル、１２４試料、１２８検出器。

Claims

光源とマイクロチャネルとを透明基板上に集積する方法であって、
前記光源が前記透明基板に接着されるように前記光源を形成するステップと、
前記透明基板上に、前記光源と位置合わせされたマイクロチャネルを規定する不透明パターンを堆積させるステップと、
前記不透明パターン上に光感応性ポリマーを堆積させるステップと、
前記透明基板に光を透過させて、前記光感応性ポリマーの前記不透明パターンでマスクされていない領域を硬化させるステップと、
前記光感応性ポリマーの未硬化領域を除去して、前記光感応性ポリマー中に流体試料を搬送するチャネルを形成し、前記チャネルは前記光源から発射された光が前記チャネルに投射されるように配置されるステップとを含む方法。
前記光源を形成するステップ後に、前記光源上に、前記光源から発生する熱エネルギを消散させる熱シンクを接着するステップを備える請求項１に記載の方法。