JP4692454B2

JP4692454B2 - 塗布部材及び塗布方法

Info

Publication number: JP4692454B2
Application number: JP2006254331A
Authority: JP
Inventors: 竜一仲神; 三洋福岡; 博司佐伯; 資浩山下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP2008076162A

Description

本発明は、生物活性物質を基板上に塗布する塗布部材及び塗布方法に関し、バイオチップの製造技術、基板上への生物活性物質の塗布技術を提供する。

従来の生物活性物質の塗布技術としては、例えば、特許文献１に示す方法があった。この方法では、先端に溶液のメニスカスを形成できるようにしたピンを用い、ピンを基板に近づけた状態で、ピンに衝撃を与えることで、基板に生物活性物質の溶液を付着させる。
別の方法としては、スポッティング法という方法がある。この方法は、先端が鋭利に尖ったピンを生物活性物質の溶液に浸し、このピンを基板に近づけて、基板に溶液を塗布する方法である。

また別の方法としては、インクジェット技術を応用した方法がある。
この方法では、所定の形状のノズルが取り付けられた容器を用いる。容器及びノズル内には、生物活性物質の溶液を充填しておく。ノズル内に、加熱などにより気泡を発生させて、気泡の発生による体積の増加分だけ、ノズル先端から溶液を押し出すことができる。
国際公開第９５／３５５０５号パンフレット

特許文献１に記載の生物活性物質の塗布方法では、ピン先端の形状のばらつきにより、液体のメニスカスの形状がばらつく。ピン先端の微細な形状を高精度に加工することは困難であるため、結果として、塗布される生物活性物質の溶液の形状がばらつくという問題があった。

また、スポッティング法ではピン先端が、基板との接触により変形することがあり、生物活性物質の塗布形状や塗布量にばらつきが生じるという問題があった。また、ピン先端に生物活性物質の溶液を付着させて、基板上に移動させる間の乾燥状態の制御が困難であり、乾燥状態のばらつきによる塗布形状のばらつきを生じるという問題もあった。

また、インクジェット技術を応用した従来の方法では、加熱により気泡を発生させるため、熱により変質する材料が使用できないという問題があった。更に、別の問題として円形状以外の形状で基板上に生物活性物質を塗布することに課題があった。液滴をノズル先端から吹出して基板に塗布する方法のため、吹出された液滴は溶液の表面張力により球形状になって空気中を飛行し、基板に付着する。そのため、基板上に円形状のパターンを形成するのは、容易であるが、円形状以外の形状を形成する場合、多数の液滴が基板上で重なるように塗布する必要がある。液滴が塗布される位置にはばらつきがあるため、液滴の重なり方にばらつきがあり、結果として塗布された生物活性物質のパターン内の塗布均一性が悪くなるという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、安定した形状で、高精度に生物活性物質を塗布できる塗布部材および塗布方法を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の生物活性物質の塗布部材は、基板に溶液を塗布する塗布部材であって、内部に毛細管流路を有する突起部と、前記基板に対向し前記突起部内の毛細管流路中からの溶液がメニスカスを形成する突起部先端の第１の基準面と、前記突起部を包囲し、前記第１の基準面より更に前記基板方向に突出して前記基板に接する第２の基準面を有する支持部と、を備え、前記支持部は、前記基板に接して当該基板とともに前記突起部周辺に閉空間を形成するとともに、前記毛細管流路に毛細管力を発生するため当該閉空間に通じる空気抜き穴とを有し、前記第１の基準面を前記基板の下側に配置して溶液を塗布する。

また、本発明の塗布方法は、基板に溶液を塗布する塗布方法であって、内部に毛細管流路を有する突起部を前記基板に対し所定の間隙を保持して設置し、前記毛細管流路より塗布すべき溶液を供給し、前記突起部端面である第１の基準面と前記基板との隙間にて液体メニスカスを形成し、前記形成される液体メニスカスの容積にて所定量の溶液を前記基板に塗布するものであり、前記第１の基準面を前記基板の下側に配置して溶液を塗布する。

本発明によれば、所定の形状で所定の溶液量の生物活性物質を基板に、均一性良く塗布する事ができる。

以下に、本発明の生物活性物質の塗布方法及び塗布部材について実施の形態を図面とともに詳細に説明する。生物活性物質は、それ自体が液体であったり、希釈液と混合した溶液又は、生物活性物質の検査試薬を含むものであり、以降は、単に生活活性物質という。

図１は、本発明の実施例１における生物活性物質を塗布するために用いる塗布部材の図を示すものである。図２は、図１に示す塗布部材１の詳細な構造を示す塗布部材１の断面図である。

図１、図２において、塗布部材１は、内部に毛細管流路９を有する突起部１５の先端部の第１の基準面（Ａ面）８に開口する毛細管流路９の開口端１０より、生活活性物質の溶液を吐出する。その際に、基板４に接して塗布部材１を支持する第２の基準面（Ｂ面）６は、第１の基準面（Ａ面）８より基板４の方向に突出して、第１の基準面（Ａ面）と基板４との間に液体メニスカスを形成するため、所定の隙間が形成される。

第１の基準面であるＡ面は、第２の基準面であるＢ面６を基板４に接触させた状態で、基板４と接触しないように設計されている。また、支持部１４の壁面に空気抜き穴１６が形成される。生物活性物質の塗布は、塗布部材１をＢ面６を矢印の方向から基板４に押し当てた状態で行う。塗布手順の詳細については後述する。

即ち、基板４に対し、塗布部材１の支持部１４となる第２の基準面６を接すると、第１の基準面を有する突起部の周辺に閉空間を形成する。そして、毛細管流路９に対し、毛細管力を発生させるために支持部１４の壁面に空気抜き穴１６が設けられる。

塗布部材１は、ベース面２上に寸法５だけ段差を設けて形成されたＢ面６と、ベース面２上に寸法７だけ段差を設けて形成されたＡ面８を持っている。また、塗布部材１には、貫通穴９が形成されており、貫通穴９の一方の端部１０は、Ａ面８に形成されており、他方の端部１１は、Ａ面８と反対側の面１２に形成されている。貫通穴９の他方の端部１１から、生物活性物質３を注入すると、貫通穴９を通って、Ａ面８に生物活性物質３が供給される構造になっている。ここで、寸法５は寸法７より大きな値になるよう構成されている。このような構造の塗布部材１を用いて、基板４上に生物活性物質３を塗布する方法について、図３を用いて詳細に説明する。

図３（ａ）は、基板４に塗布部材１を用いて生物活性物質注入前、図３（ｂ）は、生物活性物質注入後を示すものである。

生物活性物質を注入するには、まず、図３に示すように、基板４に塗布部材１のＢ面６を接触させる。寸法５と寸法７の差の寸法１３に対応する隙間が、Ａ面８と基板４の間に形成される。次に、図３に示すように隙間１３に、液体状の生物活性物質３を流し込む。

生物活性物質３は、基板４を上部に配置し、毛細管現象により、Ａ面８と基板４の間に充填されるが、Ａ面８の端部で、図９のような液面形状、即ち、液体メニスカスを形成して停止する。この液体メニスカスは、第１の基準面であるＡ面８の両端に形成されるが、Ａ面８と基板４の親水性により、図９に示す凹面状の他に凸面状に形成される場合もある。

以下この現象について説明する。図１０は、生物活性物質３の貯留槽３６を含め、塗布部材１を用いて基板４に所定量の生物活性物質の塗布を説明するための図である。

貯留槽３６に貯留された生物活性物質３の液面は、基板表面とＡ面８の間を表面張力に起因する力により毛細管流路開口端部まで進行する。端部ではＡ面８が毛細管流路９の方向から折れ曲がって広がった形状になっており、液面をＡ面８と平行な方向に進行させる力がほとんど働かない。基板４側では、液面を進行させる力が働いているが、液面を後退させる力として、図１０の液高さ３５に対応する液体自体の重さによる力が働き、２つの力が釣り合って液面は端部で停止することになる。本実施例では、液高さ３５は、３ｃｍとした。

つまり、液高さ３５を一定に保っておけば、常に同じ形状の液面形状が形成されることになる。液高さ３５は、溶液の貯留槽３６の液面３７を一定し、基板４の位置を固定しておくことで、一定に保てるため、塗布量がばらつくことはなく、常に均一な塗布を行うことができる。またＡ面８の形状、及び寸法５と寸法７は後述する加工方法により、高精度に加工すること可能なため、基板４上に塗布される生物活性物質３の形状を高精度に制御可能である。そのため、塗布量及び塗布形状を高精度に制御して塗布を行うことができる。

従って、第１の基準面であるＡ面の形状と、当該基準面Ａと基板４との間の隙間を所定の値に設定し液体メニスカスを形成することにより、所定の形状で所定の溶液量の生活活性物質を基板４に塗布することができる。

本実施例では、寸法５は、１ｍｍ、寸法１３は、０．０１ｍｍとなるように、図４に示す手順で塗布部材１を作製した。まず図４（ａ）でシリコン基板１７に、第１のレジスト１８を貼り付ける。シリコン基板１７の厚みは５ｍｍであり、第１のレジスト１８にはフィルム状レジストを用いた。次に、図４（ｂ）で第１のマスク１９を通して第１のレジスト１８を露光する。第１のマスク１９には図７に示すパターンが形成されている。図７の黒塗りした領域が光２１を遮光する遮光部２０である。次に、図４（ｃ）に示すように、現像を行い、マスク１９のパターンに対応した形状のレジスト１８を形成する。次に、図４（ｄ）でシリコン基板１７をエッチングにより１．０ｍｍ加工した。そのため、寸法２６は、１．０ｍｍになる。エッチングは、リアクティブイオンエッチングにより行った。

次に、図４（ｅ）で第１のレジスト１８を除去し、図４（ｆ）で第２のレジスト２２を塗布する。塗布した第２のレジスト２２は、図４（ｇ）で第２のマスク２３を通して露光する。第２のマスク２３には、図８に示すパターンが形成されている。第２のレジスト２２を露光、図４（ｈ）で現像した後、図４（ｉ）でシリコン層２７を１０μｍ成膜する。この成膜工程で、シリコン層２７の膜厚が１０μｍ±０．１μｍとなるように、成膜と測定を繰り返す。最後に、図４（ｊ）で第２のレジスト２２を剥離することで、図４に示す形状のマスター基板２４を作製する。シリコン層は、スパッタリング成膜により形成した。

次に、図５（ａ）に示すように、マスター基板２４をステンレス製の型枠２５に入れて、型枠２５に対して、固定ジグ３３を用いて固定する。固定ジグ３３と型枠２５とマスター基板２４はそれぞれ接着剤にて固定した。固定後に、図５（ｂ）に示すように型枠２５内にシリコン樹脂２８を流し込み、真空装置内で脱泡した後、大気中でシリコン樹脂２８が硬化するまで放置する。シリコン樹脂２８が硬化した後、図５（ｃ）のように型枠２５を取り外し、シリコン樹脂２８を図５（ｄ）に示す切断線３１で切断して、マスター基板２４と固定ジグ３３を取り外す。

次に、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、切断したシリコン樹脂２８を切断前の状態と同じように重ねて配置する。マスター基板２４が取り除かれているため、マスター基板２４と同じ形状の空洞３４が、シリコン樹脂２８の内部に形成されている。また固定ジグ３３の部分も取り除かれているため、空洞３４とつながった空洞２９が形成されている。図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように空洞２９及び空洞３４内に溶解したプラスチック樹脂３０を流し込む。プラスチック樹脂３０の硬化後に、図６（ｄ）に示すようにシリコン樹脂２８を取り外し、図６（ｅ）のように空洞２９に対応するプラスチック樹脂部分を切断することで、マスター基板２４と同じ形状のプラスチック基板３２を作製した。プラスチック基板３２はマスター基板２４と同じ形状、寸法であるため、寸法１３は０．０１ｍｍである。最後にプラスチック基板３２に、貫通穴９と空気抜き穴１６を機械加工により作製し、塗布部材１として使用した。

塗布量は、Ａ面の面積に寸法１３を乗じた値になる。本実施例では、Ａ面は半径が１ｍｍの円形とし、寸法１３が、０．０１ｍｍとした。Ａ面の面積や寸法１３の誤差が塗布量の誤差になるため、塗布前に、複数作製した塗布部材１の中から、Ａ面の面積及び寸法１３を検査することで、誤差の小さいものを選択して使用した。

更に、塗布部材１を用いて、生物活性物質を塗布する場合、基板４の塗布面が下を向いた状態で塗布することが望ましい。図２に示すように、液体を上から下に落とす構造で塗布すると、溶液の液量に応じた圧力が塗布面Ａの端部１０にも加わってしまい、塗布面Ａの形状より広い範囲に溶液が塗布される場合がある。これに対して、図１０に示すように基板４の塗布面が下を向いた状態で塗布すれば、溶液は、毛細管流路を形成する貫通穴９を毛細管現象の作用で昇っていき、寸法１３の隙間を満たす。Ａ面８の端部で、塗布部材の毛細管流路である貫通穴９の方向は折れ曲がって広がった形状になっており、液面をＡ面８と平行な方向に進行させる力がほとんど働かない。基板４側では、液面を進行させる力が働いているが、液面を後退させる力として、図１０の液高さ３５に対応する液体自体の重さによる力が働き、２つの力が釣り合って液面は端部で停止することになる。そのため、液体がＡ面より広い範囲に塗布されることはなかった。

即ち、内部に毛細管流路９を有する突起部の先端部の第１の基準面（Ａ面）８を基板４の下側に配置する。このように配置しても、毛細管流路の開口端に作用する表面張力により基準面８と基板４との間で液体メニスカスを形成するが、毛細管力と液面自体の重量とが釣り合った状態となるので、液体メニスカスが広がらず基準面Ａと基板４との隙間で決まる溶液量が塗布されることになる。

以上のような方法で、生物活性物質を塗布することで、パターン精度と塗布量のばらつきの小さい高精度な塗布が可能である。

本発明にかかる生物活性物質の塗布方法は、生物活性物質の塗布パターンの精度が高くまた、塗布量のばらつきが小さいという特徴を有し、バイオチップ、バイオセンサー用途で必要となる生物活性物質の塗布技術などとして有用である。

本発明の実施例１における塗布部材の斜視図本発明の実施例１における塗布部材の断面構造を示す図本発明の実施例１における塗布部材を用いた塗布状態を示す図本発明の実施例１における塗布部材のマスター基板の作製手順を示す説明図本発明の実施例１における塗布部材のシリコン樹脂の鋳型の作製方法の説明図本発明の実施例１における塗布部材の作製方法を説明するための図本発明の実施例１における塗布部材の第１の露光用マスクのパターンを示す図本発明の実施例１における塗布部材の第２の露光用マスクのパターンを示す図本発明の実施例１における塗布方法の液体メニスカスを示す図本発明の実施例１における塗布部材の生物活性物質の貯留槽を含め生物活性物質の塗布を説明するための図

符号の説明

１塗布部材
２ベース面
３生物活性物質
４基板
５寸法
６第２の基準面（Ｂ面）
７寸法
８第１の基準面（Ａ面）
９貫通穴（毛細管流路）
１０開口端
１１端部
１２Ａ面８と反対側の面
１３寸法
１４支持部
１５突起部
１６空気抜き穴
１７シリコン基板
１８第１のレジスト
１９第１のマスク
２０遮光部
２１光
２２第２のレジスト
２３第２のマスク
２４マスター基板
２５型枠
２８シリコン樹脂
２９空洞
３０プラスチック樹脂
３３固定ジグ
３４空洞
３５液高さ
３６貯留槽
３７液面

Claims

基板に溶液を塗布する塗布部材であって、
内部に毛細管流路を有する突起部と、
前記基板に対向し前記突起部内の毛細管流路中からの溶液がメニスカスを形成する突起部先端の第１の基準面と、
前記突起部を包囲し、前記第１の基準面より更に前記基板方向に突出して前記基板に接する第２の基準面を有する支持部と、を備え、
前記支持部は、前記基板に接して当該基板とともに前記突起部周辺に閉空間を形成するとともに、前記毛細管流路に毛細管力を発生するため当該閉空間に通じる空気抜き穴とを有し、前記第１の基準面を前記基板の下側に配置して溶液を塗布することを特徴とする塗布部材。
前記第１の基準面は、略円形状又は矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の塗布部材。
前記第１の基準面の面積と基板との空隙に形成される液体メニスカスの容積にて、塗布すべき溶液量を決定することを特徴とする請求項１に記載の塗布部材。
基板に溶液を塗布する塗布方法であって、
内部に毛細管流路を有する突起部を前記基板に対し所定の間隙を保持して設置し、
前記毛細管流路より塗布すべき溶液を供給し、
前記突起部端面である第１の基準面と前記基板との隙間にて液体メニスカスを形成し、
前記形成される液体メニスカスの容積にて所定量の溶液を前記基板に塗布するものであり、前記第１の基準面を前記基板の下側に配置して溶液を塗布することを特徴とする塗布方法。