JP4661125B2 - 成分分離素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、たんぱく質やＤＮＡ等を電気泳動させて成分分離する成分分離素子およびその製造方法に関するものである。

たんぱく質やＤＮＡの分析用途に、平面基板上に設けた数十ミクロンオーダーの幅、深さを持つ溝中に、電気泳動技術を用いて被分析物質を移動、分離させる方法が広く用いられている。

電気泳動を用いて被分析物質を分離する技術として、例えば特許文献１に、多数の障害物をアレイ状に溝中に配置した分離装置が開示されており、細胞やウイルス、巨大分子、微小粒子等が分析対象として例示されている。
米国特許５，８３７，１１５号明細書

しかしながら、上記装置では、巨大分子や粒子が原因となって目詰まりが生じる場合があり、スループットの向上に限界があった。さらに、上記方法では、アレイ状の多数の障害物の寸法が一定なため、被分析物質のサイズの違いによる分離を行うことが困難であった。

サイズの違いによる被分析物質の分離を行うためには、柱状の障害物（以下、ピラーと記す）のアスペクト比を変化させ、流路断面中で疎領域、密領域を設ける方法がある。この方法によれば、サイズの大きい物質はピラーの疎の部分のみを移動するため早く移動し、サイズの小さい物質はピラーの密な部分にもトラップされながら移動するため移動が遅くなる。このようにしてサイズによる分離を行うことができる。このようなサイズの違いによる分離の効果を高めるためには、ピラーのアスペクト比を高くし、流路断面中で疎領域、密領域の領域比を任意に変化できることが望ましい。即ち、ピラーのアスペクト比が低いと、ピラーの上の領域は全て疎領域となってしまい、密領域の領域比はピラーのアスペクト比によって制限されてしまうことになる。また、この密領域中のピラーの密度は数段階で任意に変化可能である方が、なお望ましい。

しかしながら、従来より、ピラーの材料をＳｉとしてナノメートルオーダーのピラーを作成した場合、Ｓｉドライエッチング時の目減りが大きいため、アスペクト比の高いピラーを正確に形成するのは困難であった。この場合、予め目減り量を考慮してフォトマスクパターンのマスク径を大きくしておけばナノメートルオーダーの径を有するピラーを作ることは可能であるが、狭ピッチでピラーを密に配置することはできない。

また、ピラーを溝中に形成する方法としては、溝を形成した後にフォトリソグラフィや電子ビーム描画を行い、ピラーのパターンを形成する方法がある。しかし、この方法では溝とピラーとを別々に形成しているために時間がかかる上、レジストを溝中に均一に塗布することが難しく、均一なピラーのパターン形成が困難になるという問題があった。

従って、本発明の目的は、アスペクト比の高いピラーを正確に形成できると共にピラーの密度を非常に緻密に形成でき、且つ数段階の密度を持ったピラーの疎密領域を任意に形成可能で、しかも溝中にピラーの形成を効率良く短時間で行なうことが可能な成分分離素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の成分分離素子は、断面凹状体内に高さの異なるピラーを２種類以上形成して、前記ピラー間を被分析物が電気泳動する方向に対して垂直な断面中で前記ピラーが疎領域と密領域とを有するように設け、前記被分析物を電気泳動させて該被分析物の成分を分離する成分分離素子において、前記ピラー及び前記断面凹状体をＳｉＯ₂で形成したことを特徴とする。

前記断面凹状体と前記ピラーとを一体的に形成することもできる。

また、上記目的を達成するため、本発明の成分分離素子の製造方法は、断面凹状体内に高さの異なるピラーを２種類以上形成して、前記ピラー間を被分析物が電気泳動する方向に対して垂直な断面中で前記ピラーが疎領域と密領域とを有するように設け、前記被分析物を電気泳動させて該被分析物の成分を分離する成分分離素子の製造方法において、第１ＳｉＯ₂ 上に、第１ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、該第１ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングして第１ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、該第１ピラー形成用ドライエッチングマスク上に第２ＳｉＯ₂を更に堆積する工程と、該第２ＳｉＯ ₂ 表面に第２ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、該第２ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングし、かつ前記第１ピラー形成用ドライエッチマスクを覆わない位置に第２ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、前記第１及び第２ピラー形成用ドライエッチマスクをエッチングマスクとして前記第１及び第２ピラー形成用ドライエッチマスクの位置よりも深い位置まで前記第１及び第２ＳｉＯ₂をエッチングする工程とを備えることを特徴とする。

前記第２ＳｉＯ ₂ を堆積する工程の後に、第ｎＳｉＯ ₂ （ｎは２以上の自然数）上に、第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、前記第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングし、かつ第１〜第ｎピラー形成用ドライエッチマスクを覆わない位置に第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、前記第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク形成工程後に第（ｎ＋１）ＳｉＯ ₂ を形成する工程と、をｎ＋１＝ｋ（ｋは３以上の自然数）となるまで順次繰り返した後、第ｋＳｉＯ ₂ 形成工程後に、前記第１〜第ｋピラー形成用ドライエッチマスクをエッチングマスクとして前記第１〜第ｋピラー形成用ドライエッチマスクの位置よりも深い位置まで前記第１〜第ｋＳｉＯ ₂ をエッチングする工程とを備えることを特徴とする。

前記ピラー形成用ドライエッチマスクのパターニング及び前記溝加工用ドライエッチマスクのパターニングは、フォトリソグラフィ法または電子ビーム描画法とドライエッチング法またはウェットエッチング法を組み合わせて行うこともできる。

本発明の成分分離素子によれば、ピラー及び断面凹状体をＳｉＯ_２で形成しているので、アスペクト比の高いピラーを正確に形成できると共に、ピラーの密度を非常に緻密に形成することが可能となる。また、ピラー及び断面凹状体を同一の材料のＳｉＯ_２で形成しているので、一体形成が可能となる。

また、本発明の成分分離素子の製造方法によれば、溝加工用マスクをエッチングマスクとしてピラー形成用マスクの位置よりも深い位置までＳｉＯ_２をエッチングしているので、溝の形成とピラーの形成とを同時に行うことができ、しかもピラーの密度が非常に緻密な場合でも容易に形成することができる。

また、溝加工用ドライエッチマスク材料を堆積する工程の前に、ピラー形成用ドライエッチマスクを堆積する工程と、ピラー形成用ドライエッチマスクをピラーの平面形状にパターニングする工程と、ピラー形成用ドライエッチングマスク上にＳｉＯ_２を更に堆積する工程とを所定回数繰り返すことにより、数段階の密度を持ったピラーの疎密領域を任意に形成することが可能となる。

以下に、本発明の成分分離素子およびその製造方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１−１、図１−２に、本発明の成分分離素子の一実施形態を示す。図１−１は平面図、図１−２は図１−１のＡ−Ａ’断面図である。この成分分離素子は、成分分離用の泳動溝１１が形成された断面凹状体中に、高さの異なるピラー１２がそれぞれ一定の間隔で形成されている。断面凹状体及びピラー１２の材料は全てＳｉＯ_２で同一であるが、図１−１、図１−２において、ピラー１２の高さの異なるものは異なるパターンで表現してある。

図中にて、同一パターンで表現された高さの等しいピラー１２同士はそれほど緻密である必要は無く、例えば１０００ｎｍピッチ程度でも良い。しかし溝１１の底部に於いては高さの異なるピラー１２同士が緻密に隣り合って形成されている。この例では５００ｎｍピッチである。また、それぞれのピラーの高さは任意に設定可能であり、例えば溝深さ１００を５０μｍ、１０１領域の高さを１６μｍ、１０２領域の高さを１６μｍ、１０３領域の高さを２μｍ、１０４領域の高さを１６μｍとしても良いし、溝深さ１００を５０μｍ、１０１領域の高さを１２．５μｍ、１０２領域の高さを１２．５μｍ、１０３領域の高さを１２．５μｍ、１０４領域の高さを１２．５μｍとしても良い。

このように、本実施形態の成分分離素子によれば、泳動溝１１中にピラー１２の密度を非常に緻密に形成でき、またピラー密度の異なる領域（１０１、１０２、１０３および１０４）を任意の占有率で溝中に混在させることができる。このため、電気泳動によりサイズの違いによる被分析物質の分離を効率的に行なうことが可能となる。

次に本実施形態の成分分離素子の製造方法を図２−１〜４、図３−１〜２に基づき説明する。

先ず石英基板１上にピラー形成用マスク２をスパッタリング法、フォトリソグラフィ法、ドライエッチング法を用いて形成する（工程１）。本実施例ではピラー形成用マスク２の材料としてＳｉを用いた。但し、マスク材料としてはＳｉＯ_２と密着がよくドライエッチング時にＳｉＯ_２との選択性が良いＴａ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉあるいはこれらの混合材料（一例としてＷＳｉ等）を用いても良い。また、マスク２の形成方法としては、上記の成膜、露光、エッチング方法の他に、ＣＶＤ法やＥＢ蒸着法、ＥＢ露光、ウェットエッチング等を組み合わせた方法を用いても良い。ここで、フォトリソグラフィ時のマスクパターンは例えば、直径５００ｎｍ、ピッチ１０００ｎｍの円形アレイパターンである。

次に該ピラー形成用マスク２上にＳｉＯ_２３をＣＶＤを用いて２μｍ堆積する（工程２）。

次に該ＳｉＯ_２３上に前述の方法を用いてピラー形成用マスク４を形成する（工程３）。ここでピラー形成用マスク４は前述のピラー形成用マスク２と同一パターンのものであるが、図２−１、図３−１に示したように、ピラー形成用マスク２とピラー形成用マスク４は所定間隔ずらして形成する。

次に該ピラー形成用マスク４上にＳｉＯ_２５をＣＶＤを用いて１６μｍ堆積する（工程４）。次に該ＳｉＯ_２５上に前述の方法を用いてピラー形成用マスク６を形成する（工程５）。ここでピラー形成用マスク６は前述のピラー形成用マスク２および４と同一パターンのものであるが、図２−２、図３−１に示したように、ピラー形成用マスク２および４とピラー形成用マスク６は所定間隔ずらして形成する。以下同様にＳｉＯ_２７を１６μｍの厚さで形成し（工程６）、ピラー形成用マスク８をピラー形成用マスク同士が重ならないように形成する（工程７）。

次に上述の方法でＳｉＯ_２９を１６μｍ堆積した後（工程８）、溝形成用マスク１０をピラー形成用マスクと同様の方法で形成する（工程９）。その後、ＳｉＯ_２をドライエッチング法により５０μｍエッチングする（工程１０）。この際、各々のピラー形成用マスクは上面のＳｉＯ_２が除去された後はＳｉＯ_２エッチングマスクとして働き、結果として溝中に高さの異なるピラーが形成される。最後に、エッチングマスクのＳｉをドライエッチングにより除去し完成となる（工程１１）。

本実施形態においては、ＳｉＯ_２エッチング後のピラーの直径はエッチング時の目減りにより２００ｎｍ程度であった。また、上述の製造方法においては数回のフォトリソグラフィを行ったが、いずれのフォトリソグラフィ時にも数１０μｍの溝は形成されておらず、レジスト塗布時の膜厚均一性は良好であった。このため、パターン形成時の露光ばらつきは通常半導体プロセス等で用いられるレベルと同様のものであった。

以上説明したように、本実施形態の成分分離素子の製造方法によれば、ピラー形成用の材料としてＳｉＯ_２を用いているので、従来のＳｉと比較してドライエッチング時の目減りを減少させることができ、アスペクト比の高いピラーを正確に形成することが可能となる。また、工程１０において、各々のピラー形成用マスクが上面のＳｉＯ_２が除去された後はＳｉＯ_２エッチングマスクとして働くため、ピラーの密度が非常に緻密な場合でも容易に溝中に高さの異なるピラーを形成することができる。更に、溝とピラーとを同時に形成することができるので、溝中にピラーのパターン形成を効率良く短時間で行なうことが可能である。

なお、本実施形態においては基板として石英基板１を用いたが、溝形成用のＳｉＯ_２エッチングを行う領域がドライエッチングを行うに支障のない少量のドーパントを含むあるいは含まないＳｉＯ_２であれば問題なく、このため、基板としてＳｉ基板上にＳｉＯ_２を堆積したものや、多量のドーパントを含むガラス基板上にＳｉＯ_２を堆積したものを用いることもできる。

本発明の成分分離素子の一実施形態を示す平面図ある。 図１−１のＡ−Ａ’断面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す断面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す断面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す断面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す断面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す平面図である。 本実施形態の成分分離素子の各製造工程を示す平面図である。

符号の説明

１ 石英基板
２、４、６、８ ピラー形成用マスク
３、５、７、９ ＳｉＯ_２
１０ 溝形成用マスク
１１ 泳動溝
１２ ピラー
１００ 溝深さ
１０１、１０２、１０３、１０４ 領域

Claims (5)

1. 断面凹状体内に高さの異なるピラーを２種類以上形成して、前記ピラー間を被分析物が電気泳動する方向に対して垂直な断面中で前記ピラーが疎領域と密領域とを有するように設け、前記被分析物を電気泳動させて該被分析物の成分を分離する成分分離素子において、前記ピラー及び前記断面凹状体をＳｉＯ₂で形成したことを特徴とする成分分離素子。
2. 前記断面凹状体と前記ピラーとが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の成分分離素子。
3. 断面凹状体内に高さの異なるピラーを２種類以上形成して、前記ピラー間を被分析物が電気泳動する方向に対して垂直な断面中で前記ピラーが疎領域と密領域とを有するように設け、前記被分析物を電気泳動させて該被分析物の成分を分離する成分分離素子の製造方法において、
   第１ＳｉＯ₂ 上に、第１ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、該第１ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングして第１ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、該第１ピラー形成用ドライエッチングマスク上に第２ＳｉＯ₂を更に堆積する工程と、該第２ＳｉＯ ₂ 表面に第２ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、該第２ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングし、かつ前記第１ピラー形成用ドライエッチマスクを覆わない位置に第２ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、前記第１及び第２ピラー形成用ドライエッチマスクをエッチングマスクとして前記第１及び第２ピラー形成用ドライエッチマスクの位置よりも深い位置まで前記第１及び第２ＳｉＯ₂をエッチングする工程とを備えることを特徴とする成分分離素子の製造方法。
4. 前記第２ＳｉＯ ₂ を堆積する工程の後に、第ｎＳｉＯ ₂ （ｎは２以上の自然数）上に、第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク材料を堆積する工程と、
   前記第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク材料をピラーの平面形状にパターニングし、かつ第１〜第ｎピラー形成用ドライエッチマスクを覆わない位置に第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスクを形成する工程と、
   前記第（ｎ＋１）ピラー形成用ドライエッチマスク形成工程後に第（ｎ＋１）ＳｉＯ ₂ を形成する工程と、
   をｎ＋１＝ｋ（ｋは３以上の自然数）となるまで順次繰り返した後、
   第ｋＳｉＯ ₂ 形成工程後に、前記第１〜第ｋピラー形成用ドライエッチマスクをエッチングマスクとして前記第１〜第ｋピラー形成用ドライエッチマスクの位置よりも深い位置まで前記第１〜第ｋＳｉＯ ₂ をエッチングする工程とを備えることを特徴とする請求項３記載の成分分離素子の製造方法。
5. 前記ピラー形成用ドライエッチマスクのパターニングは、フォトリソグラフィ法または電子ビーム描画法とドライエッチング法またはウェットエッチング法を組み合わせて行うことを特徴とする請求項３記載の成分分離素子の製造方法。

Images