JP4955688B2 - 環境変化によって物理的に変質可能な表面 - Google Patents

Description

本発明は、一般に構造化された表面を有する装置、およびにそのような装置を製作および使用する方法に関する。

従来の微細加工技術により規則的なアレイ状の高アスペクト比ナノ構造によってパターン化されるシリコン表面が生成されている。典型的なアレイでは、ナノ構造は、高さが数マイクロメートルと数１０マイクロメートルの間、および直径が約１マイクロメートル以下の垂直な柱である。これらの柱のうちの隣り合う柱は、例えば１０マイクロメートル以下離されている。

これらの従来のアレイ状の高アスペクト比ナノ構造は、水溶液に対する基板の濡れ性を質的に改質できる。アレイ状のそのようなナノ構造は、例えばシリコン基板の表面を超疎水性の表面のように作用させることができる。超疎水性の表面は、その表面上に配置される水滴に対して大きな接触角を生成し、それにより水滴を高い移動性であるようにさせる。超疎水性の表面は、様々な応用例を有している。
米国特許出願公開第２００４／１８５２６０号 米国特許第５，５０１，８９３号

一実施形態では、装置は、上面を有する基板と、上面の上に配置される実質的に規則的なアレイ状の突起した構造と、構造同士の間で上面の上に配置される層とを含む。構造の遠位面は、構造の残りの部分よりも上面から離れている。層は、構造の遠位面がこの層を通って突出するように収縮できる。層は、構造の遠位面がこの層の一表面よりも基板の上面に近くなるように膨潤できる。

この装置のいくつかの実施形態では、層はヒドロゲルを含んでよく、および／または構造の遠位部分は仮想平面と交差し前記部分が構造同士の間で配置されるこの平面の部分の１０％未満を占めるようにできる。

別の実施形態では、方法は、構造を第１の状態から第２の状態へ構造の表面の近くの環境条件を変化させることによって変質させるステップを含む。アレイ状の突起した構造は、表面の上に配置される。層は、構造同士の間で表面の上に配置される。構造の端は、前記状態の一方では層を通って突出し、前記状態の他方では層を通って突出しない。

この方法のいくつかの実施形態では、層は前記状態の一方でよりも前記状態の他方で厚くてよく、および／または層はヒドロゲルを含んでよい。
図面および本文中の同じ参照番号は、同様の機能を有する要素を示す。
様々な図において、いくつかの特徴の１つまたは複数の長さ寸法は、実施形態をよりよく例示するために誇張され得る。
例示の実施形態の図面および詳細な説明によって例示の実施形態をより十分に説明する。しかし、本発明は、様々な形態で具体化されてよく、例示の実施形態の図面および詳細な説明で説明される実施形態に限定されない。

様々な実施形態は、構造の有効表面が２つの異なる物理的状態にあることができる構造を与える。様々な構造は、変質可能な有効表面を与えるという利点を有する。変質により有効表面の物理的特性または選択される化学的特性を変化させることができ、いくつかの実施形態では変質は可逆的である。

図１〜図２は、外部環境に露出される有効表面１２を有する装置１０の一部を例示する。外部環境は、有効表面１２上で静止するまたは有効表面１２上を移動する流体（図示せず）を含んでよい。有効表面１２は、有効表面１２の外側の物理的および／または化学的な表面特性を変化させる可逆的または不可逆的なやり方で物理的に変質することができる。変質によって変化可能である表面特性の例には、表面の濡れ性および／または選択される化学反応性が含まれる。有効表面１２は、そこに局所的な１つまたは複数の環境条件の変化に応答して変質する。変質を誘発できる環境条件の例には、湿度レベル、温度、照度レベル、および有効表面１２に隣接する液体中の選択される化学種の濃度が含まれる。変質を引き起こす化学種は、例えば有機溶剤、ヒドロニウムイオンおよび水酸化物イオン、あるいは銅（Ｃｕ）イオン、ニッケル（Ｎｉ）イオン、コバルト（Ｃｏ）イオンまたはパラジウム（Ｐｄ）イオンなどの選択される金属イオンであってよい。

装置１０は、実質的に平坦な上面１６と、実質的に平坦な面１６に付着される層１８とを有する基板１４を含む。基板１４の例には、シリコン・ウエハ基板などの平坦な、湾曲したまたは曲がった半導体基板およびシリカ・タイプのガラスまたは硬質高分子材料などの平坦な、湾曲したまたは曲がった誘電体基板が含まれる。層１８は、膨潤および収縮でき、典型的には架橋ポリマー・ゲルである。典型的な層１８は、架橋ポリマー・ヒドロゲルである。層１８に関しては、典型的なヒドロゲルは、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなどのアクリルアミドの架橋ポリマー、テトラエチレングリコールジメタクリラートの架橋ポリマー、ならびに／あるいはヒドロキシエチルメタクリラート−ｃｏ−メタクリル酸（ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ−ｃｏ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ）および／またはアクリルアミド−ｃｏ−２−ビニルピリジン（ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ−ｃｏ−２−ｖｉｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）などの架橋コポリマーを含んでよい。

層１８は、化学的または物理的に機能化される自由表面２２を有してよい。いくつかの実施形態では、自由表面２２は、その表面濡れ性または表面粘着性を物理的に改質して例えば層１８の表面の親水性を変化させる１つまたは複数の材料を含む。そのような表面改質材料の例には、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどのアモルファスのフルオロカーボン・ポリマー、および例えばポリブチルメタクリラートなどの低いガラス転移温度を有するポリマーが含まれる。他の実施形態では、自由表面２２は、選択的化学反応性を自由表面２２に与える１つまたは複数の材料を含む。そのような材料の例には、例えば選択される抗体、タンパク質および／または核酸種などの自由表面２２の生物学的活動に影響を及ぼす材料が含まれる。層１８の自由表面２２は、上記の表面改質材料および／または化学的改質材料の任意の組合せによって機能化されてよい。

基板１４の実質的に平坦な面１６は、面１６上に配置される実質的に規則的なアレイ状の突起した微細構造２４も有する。微細構造２４は、基板１４の平坦な面１６に実質的に垂直に延在する。微細構造２４は、垂直またはやや傾斜した柱、オン・エッジ（ｏｎ−ｅｄｇｅ）板またはやや傾斜したオン・エッジ板、あるいはハニカムまたは正方形メッシュなどの独立気泡構造であってよい。微細構造２４の典型的な組成物には、基板１４のシリコン組成物についてはシリコンおよび酸化シリコン、ならびに基板１４の様々な組成物については銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）などの電気メッキされる金属が含まれる。

微細構造２４の遠位自由端２６は、望ましい物理的および／または化学的な特性を有効表面１２に付与できる。例えば、微細構造２４またはその自由端２６は、疎水性の材料からなるまたは疎水性の材料で被覆される、および／あるいはアレイ状の微細構造２４がアレイ上に配置される液体に対して超疎水性の表面を生成するように製造されてよい。水滴は、超疎水性の表面上で大きな接触角および高い移動性を有する。超疎水性の表面を生成するために、微細構造２４の遠位端２６は、端２６を通過する仮想平面２８のほんのわずかな部分を占めるべきである。例えば、遠位端２６は、アレイの上に配置されると共に端２６同士の間にある前記平面の面積の２５％未満、１０％未満またはいっそう３％以下を覆ってよい。超疎水性の表面を生成するためには、微細構造２４が大きなアスペクト比を有することが望ましくもあり、このアスペクト比は、構造の高さを構造の最小横方向特徴幅で割ったものである。高アスペクト比は、遠位端２６上で支持される液体表面の変動により液体が層１８などの装置１０の下部と実質的に物理的に相互作用することにならないことを確実にする。下地層１８と強く物理的に相互作用すると超疎水性である有効表面１２の機能を著しく減じることになり得る。上述の特性を有するために、典型的なアレイは、高さ４マイクロメートル（μｍ）から２０μｍ、直径０．１μｍから１μｍ、および最近接間隔０．５μｍから１０μｍの柱状の微細構造２４を有してよい。

微細構造２４のうちの個々の微細構造同士の間の容積は、層１８で少なくとも部分的に満たされる。実際は、薄い固着層２０により層１８と基板１４が共有結合可能である。層１８と下地材料の間の付着により少なくとも層１８の一部が微細構造２４同士の間で配置される容積を満たすことを確実にする。

層１８および装置１０は、図１に例示する収縮状態と、図２に例示する膨潤状態とを有する。収縮状態では、層１８は、微細構造２４のうちの個々の微細構造同士の間の容積を部分的に満たすだけである。収縮状態では、微細構造２４の遠位端２６は、例えば１μｍ以上、典型的には４μｍ以上の層１８の厚さを通って突出する。そのような訳で、アレイ状の微細構造２４の特性が、層１８が収縮状態にあるときの有効表面１２の特性を実質的に定める。例えば、表面１２は、アレイ状の遠位端２６が超疎水性の表面を形成する場合は超疎水性である。膨潤状態では、層１８は、微細構造２４のうちの個々の微細構造同士の間の容積を完全に満たし、典型的には遠位端２６よりも基板１４の上面１６から離れて延在する。膨潤状態では、微細構造２４の遠位端２６は、層１８の自由表面２２を通って突出しない。そのような訳で、層１８の自由表面２２の特性が、層１８が膨潤状態にあるときの有効表面１２の特性を実質的に定める。

装置１０は、その有効表面１２の局所環境に対する改質に応答して収縮状態と膨潤状態の間で物理的に変質する。このようにして、層１８の収縮状態と膨潤状態を利用することにより有効表面１２に物理的機能性を与える。実際は、層１８は、様々な局所環境条件の変化に応答して膨潤または収縮できる。例えば、いくつかの実施形態は、温度変化に応答して膨潤または収縮するヒドロゲルの層１８を形成する。そのような温度感受性ヒドロゲルには、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドおよび／またはＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドのポリマーが含まれる。そのようなポリマーのヒドロゲルは、温度が３２℃より上から３２℃未満に下げられる際に約５倍以上に膨潤できる可能性がある。代替として、いくつかの実施形態は、ヒドロゲルに隣接して配置される液体層のｐＨの変動に応答して著しく膨潤または収縮するヒドロゲルの層１８を形成する。ｐＨ感受性ヒドロゲルの例には、ヒドロキシエチルメタクリラート−ｃｏ−メタクリル酸およびテトラエチレングリコールジメタクリラートのポリマーが含まれる。代替として、いくつかの実施形態は、例えばＣｕ、Ｎｉ、ＣｏおよびＰｄのイオン濃度の変動などのヒドロゲルに隣接して配置される液体層の金属イオン濃度の変化に応答して著しく膨潤または収縮するヒドロゲルの層１８を形成する。そのような金属イオン感受性ヒドロゲルの例には、アクリルアミド−ｃｏ−２−ビニルピリジンおよびＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドのポリマーが含まれる。層１８の様々な実施形態は、任意の上述のヒドロゲルを含んでよい。

図３〜図４は、装置１０’についての代替の実施形態を例示しており、装置１０’の有効表面１２は、１つまたは複数の選択される局所環境条件の変化に応答して物理的に変質する。装置１０’の様々な実施形態の有効表面１２を変質する局所環境条件には、湿度レベル、ｐＨ、温度、照度レベルおよび／または例えば金属イオンなどの選択される種類の溶解イオンの局所濃度が含まれてよい。

装置１０’は、図１〜図２の装置１０におけるような基板１４と、層１８と、規則的なアレイ状の突起した微細構造２４とを含む。層１８は、１つまたは複数の選択される局所環境条件の変化に応答して変質する。具体的には、層１８は、そのような局所環境変化に応答して図３の収縮状態へ厚さが収縮でき、または図４の膨潤状態へ厚さが膨潤できる。層１８は、例えばヒドロゲルなどの図１〜図２の層１８に関してすでに説明した組成物のうちの１つを有してよい。層１８は、物理的または化学的に機能化可能である自由表面２２を有して、例えば濡れ性または粘着性を改質し、および／または図１〜図２の層１８に対して説明したような表面の化学反応性を改質する。微細構造２４は、例えば図１〜図２の微細構造２４に関してすでに説明した組成物のうちの１つを有する。微細構造２４の遠位自由端２６を物理的または化学的に機能化して、例えば遠位自由端２６の濡れ性または粘着性を改質する、および／または図１〜図２の微細構造の遠位自由端２６に関してのそれらの化学的反応性を改質することもできる。

装置１０’では、変質可能な層１８は、図１〜図２におけるように追加の固着層によってそこに結合されるよりもむしろ基板１４の実質的に平坦な上面１６に直接付着する。変質可能な層１８は、限定されないが共有結合を含む化学的な力を通じて上面１６に付着できる。

図５は、層状構造を操作する方法３０を例示しており、層状構造の有効表面、例えば図１〜図２または図３〜図４の有効表面１２は、変質可能な特性を有している。層状構造は、例えば基板１４の上面１６などの基板の表面上で例えば微細構造２４などのアレイ状の突起した構造を含む。層状構造は、例えば層１８などの層も含んでおり、その層はヒドロゲルを含んでよい。層は、基板の表面の上に配置されると共にアレイの構造同士の間にあるものであり、例えば基板の表面に付着される。

方法３０は、有効表面に対する局所の１つまたは複数の環境条件を維持して有効表面を選択される初期の物理的状態にあるようにさせるステップ（ステップ３２）を含む。典型的な環境条件には、湿度レベル、温度、照度レベル、および／または有効表面に隣接して配置される液体中の溶解金属イオンの酸性度または濃度のレベルが含まれてよい。

有効表面は、第１および第２の物理的状態を有する。第１の物理的状態では、図１または図３に示すように、アレイ状の突起した構造の遠位自由端は、層を通って突出する。したがって、遠位端は、有効層の近くの外部環境の中に突出し、第１の物理的状態における有効表面の物理的または化学的な特性を実質的に定めることができる。第２の物理的状態では、図２または図４に示すように、突起した構造の遠位自由端は、層を通って突出せず、前記層の自由表面より下の深さに配置されることさえできる。第２の状態では、層は、例えば図２と図１の比較によって例示するように、または図４と図３の比較によって例示するように、第１の状態におけるよりも厚くすることができる。したがって、層の自由表面は、近傍の外部環境中にあり、第２の物理的状態における有効表面の物理的または化学的な特性を実質的に定めることができる。有効表面の２つの異なる物理的状態は、これら２つの状態において有効表面に異なる外部の物理的特性および／または外部の化学的特性を与えることができる。

方法３０は、構造の有効表面の近くの１つまたは複数の環境条件を変化させることにより選択される初期の物理的表面状態から別の物理的表面状態へ構造を変質させるステップ（ステップ３４）を含む。例えば、１つまたは複数の環境条件が変化されることによりステップ３２における構造の初期状態に対して層を膨潤または収縮させることができる。

様々な実施形態において、変質させるステップは、１つまたは複数の環境条件の変化に対する層の材料の劇的な反応を利用して状態変化を生じさせる。例えば、層は、ヒドロゲルで実質的に形成できる。いくつかのヒドロゲルは、湿度、温度、酸性度、照度および／または溶解イオンの濃度の変化に応答して約５倍以上に容積が変化する。

変質させるステップは、有効表面の疎水性などの有効表面の物理的特性および／または生物学的活動などの選択される有効表面の化学反応性を変化させることができる。

方法３０は、有効表面の近くの１つまたは複数の環境条件の値をステップ３２における環境条件の初期値へ戻すように再び変化させることによって構造をその初期の物理的表面状態に再変質させるステップ（ステップ３６）を含んでよい。そのような再変質させるステップは、層が可逆的に膨潤および収縮できる場合に可能である。再変質させるステップは、例えばステップ３４中に構造の端の上に膨潤された層を再収縮させてよく、それによりアレイの構造の端は、層を通って外部環境の中に再び突出する。ステップ３６の後、有効表面は、その初期の物理的特性および／または化学的特性を有することができる。

図６は、例えば図１〜図２の装置１０などの環境的に変質可能な表面を有する装置を製造する典型的な方法４０を例示する。

第１に、方法４０は、基板の平坦な表面上で例えば図１〜図２におけるような基板１４上の微細構造２４などの規則的なアレイ状の突起した微細構造を製造するステップ（ステップ４２）を含む。突起した微細構造は、略垂直な柱、略オン・エッジ平面、あるいはハニカム構造または正方形メッシュ構造などの独立気泡構造であってよい。基板は、シリコン・ウエハ基板あるいは無機または有機の平坦な誘電体基板であってよい。突起した微細構造の製造は、マスクの制限下で基板の表面について従来のドライ・エッチングまたはウエット・エッチングを行うステップを含んでよく、またはマスクの制限下で材料の堆積または成長を行うステップを含んでよい。代替として製造は、ポリマーでそのようなアレイ状の突起した微細構造を複製すること、すなわちポリマーの複製を形成することを含んでよい。

第２に、方法４０は、アレイ状の突起した微細構造によってすでにパターン化されている基板上で固着材料の薄い層を堆積させるステップ（ステップ４４）を含む。固着材料の層は、基板に共有結合し、選択されるヒドロゲルに共有結合できる。固着材料の層を堆積させるステップは、層を変化させる別個の活性化ステップを行うことを必要としてもよく、その結果、選択されるヒドロゲルは、固着材料上に直接堆積または成長できる。

典型的な堆積ステップは、エポキシド・ポリ（メタクリル酸グリシジル）（ＰＧＭＡ）１〜２重量％の２−ブタノン溶媒の溶液を用いてシリコン・ウエハ基板の表面を浸すステップを含む。シリコン・ウエハ基板の表面は、ＰＧＭＡが表面上へ吸着できるように室温で約３０分間溶液中に保たれる。次いで結合していないポリマーを除去するために表面を２−ブタノンで十分にすすぎ、それにより例えばＰＧＭＡ約１〜２ナノメートルの吸着層を残す。最後に、表面および吸着したＰＧＭＡをＰＧＭＡのグリシジル基とシリコン表面上のシラノール基との間で共有結合を生成するのに十分な時間だけ保存する。典型的な時間は、反応が約１００℃で進行する場合は約１時間であり、反応が室温で進行する場合は一晩である。

固着層からヒドロゲルを直接成長させることを可能にするために、追加の活性化ステップを行う。典型的な活性化ステップは、ＰＧＭＡ被覆シリコン表面を１重量％水溶液のアクリル酸の中に室温で約２０分間浸すことを含む。アクリル酸は、ＰＧＭＡの残りのグリシジル基と反応してエステル結合の形成によってアクリル酸基をＰＧＭＡ上へグラフトする。後続の重合反応は、（以下に説明するように）グラフトしたアクリル基から広がることになる。アクリル酸反応は、固着材料をより親水性にさせることもできる。

固着材料の層の形成に関連した説明は、２００４年２月５日に出願された米国出願出願第１０／７７３１２０号に対して２００４年９月２３日に公開された米国特許出願公開第２００４／１８５２６０号で与えられる。この公開済みの特許出願は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

第３に、方法４０は、重合反応を介してヒドロゲル層を固着材料の層から成長させるステップ（ステップ４６）を含む。成長を開始するために、出発溶液の膜を例えば上述の活性ＰＧＭＡ層の固着層を用いて用意された表面などの表面上へ被覆する。典型的な出発水溶液は、約４０重量％のアクリルアミド・モノマー、約０．５重量％のメチレンビスアクリルアミド架橋剤分子、約０．５重量％のポリ（アクリル酸）などの増粘剤、および約１〜４重量％の過硫酸アンモニウムなどの遊離基開始剤を有する。この成長は、ポリマーが固着層から直接成長することを妨げる可能性のある表面張力の力を減じる密閉領域中で行われることが好ましい。密閉領域を生成するために、表面が出発溶液で被覆された後に平坦なポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）板または普通のスライド・ガラスをアレイ状の突起した微細構造の遠位端に対して押圧してよい。１平方センチメートル当り約１００ニュートンの圧力が、成長中にＰＤＭＳ板またはスライド・ガラスを突起した微細構造と接触するように維持し、それによって密閉領域を維持することができる。密閉領域の中でこの反応は、ヒドロゲル高分子を活性ＰＧＭＡ固着層から直接成長させる傾向がある。厚さ数マイクロメートルのヒドロゲル層を上述の出発溶液から生成するために、重合反応を５０℃で約１時間行ってよい。もちろん、重合反応のための時間は、最終的なヒドロゲル層の所望の厚さによって異なることになる。

第４に、方法４０は、生成されたヒドロゲル層をすすぎ、再び水を加えるステップ（ステップ４８）を含む。すすぎにより構造上および構造中に残っている溶液からの未反応のモノマーおよび架橋分子を除去する。上述の出発溶液については、蒸留水を用いてすすぎを標準温度で１時間以上の間行ってよい。すすぎは、結果として生じるヒドロゲル層に再び水を加えて、ヒドロゲル層を膨潤させることもでき、例えばその結果、突起した微細構造の端は、再び水を加えたヒドロゲル層から突出しない。

第５に、方法４０は、再び水を加えたヒドロゲル層の自由表面を改質して前記表面に選択される物理的、化学的または生物学的な機能性を与えるステップ（ステップ５０）を適宜含んでよい。選択される化学的機能性は、ヒドロゲル層が膨潤状態にあるときには結果として得られる装置の有効表面の特性を定めることになる。

いくつかのそのような改質ステップは、ヒドロゲル層の物理的表面特性を変化させる。そのような表面改質ステップは、例えば化学蒸着処理を介してヒドロゲル層の自由表面上でポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）に類似するポリフルオロカーボンの薄いアモルファスの層を堆積するステップを含んでよい。代替としては、表面改質ステップは、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ（ｎ−ブチルメタクリラート）または別のポリマーを、再び水を加えたヒドロゲル層上へ溶液堆積させてヒドロゲル層に水溶液に対する所望の濡れ性を与えるステップを含んでよい。

他のそのような改質ステップは、ヒドロゲル層の化学的表面特性を変化させる。そのような表面改質ステップは、再び水を加えたヒドロゲル層の表面分子に生体分子を固定するステップを含んでよい。そのような分子の例には、選択される抗体、タンパク質、あるいは酵素、ＤＮＡまたはオリゴヌクレオチドが含まれる。

第６に、方法４０は、自由遠位端が露出されるようにヒドロゲル層の乾燥させた後に突起した微細構造の自由遠位端を機能化するステップ（ステップ５２）を適宜含んでよい。この機能化により自由端に選択される物理的、化学的および／または生物学的な機能性を与えることができる。

突起した微細構造の自由遠位端についての典型的な機能化ステップは、まず露出した自由遠位端を洗浄するステップと、次いで洗浄した自由遠位端に材料を結合して所望の機能性を生成するステップとを含む。

自由端を洗浄するために、部分的に製造された装置は、ヒドロゲルを突起した微細構造の自由遠位端から除去する処理を受ける。具体的にはステップ４６で、薄いヒドロゲル層をヒドロゲル層の成長中に自由端上に形成してよい。典型的な洗浄処理は、例えば酸素またはアルゴンに基づく反応性イオン・エッチングなどのプラズマ・エッチングを行って薄いヒドロゲル層を除去するステップを含む。

洗浄した自由端上に所望の機能性を生成するステップは、複数の表面処理のうちの１つ表面処理を行って自由端上に材料を堆積させるステップを含む。

ある典型的な表面処理は、突起した微細構造の自由端上でフルオロカーボン・ポリマーの化学蒸着（ＣＶＤ）を行うステップを含む。シリコンの微細構造について、堆積の条件は、ＣＶＤ処理用のプラズマを発生させるためにＣＨＦ_３およびアルゴン（Ａｒ）のガス混合物、ガス流１００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｕｂｉｃ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ（標準立法センチメートル毎分））未満、圧力１０^−５〜１０^−４バール、および２．４５ＧＨｚのマイクロ波エネルギー３００〜１２００ワットを含んでよい。そのようなフルオロカーボン・ポリマーの一様な層を形成する典型的な方法は、１９９６年３月２６日にＦ．Ｌａｅｒｍｅｒらに対して発行された米国特許第５，５０１，８９３号に記載されており（‘８９３特許）、それは全体として参照により本明細書に組み込まれる。

別の典型的な表面処理は、突起した微細構造の自由遠位端上で自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成するステップを含む。シリコンの微細構造については、ＳＡＭを形成するステップは、乾燥した有効表面を選択されるシラン化合物約１重量％のトルエン溶液中に浸すステップを含んでよい。典型的なシラン化合物は、オクタデシルトリクロロシランである。浸すことは、シラン分子が、シラン化合物を微細構造の自由端のシリコン表面に結合すると共にその化合物の分子を共に結合するのに十分に長い時間にわたって行われ、それによってＳＡＭを形成する。例えば、室温で１／２時間浸すことは、十分に長いものであり得る。他の実施形態は、異なるシラン化合物で形成されるＳＡＭを使用してよい。

他の実施形態では、ステップ５０およびステップ５２の時間的順序、すなわちヒドロゲル層の自由表面および微細構造の自由端を機能化するステップは、逆にされてよい。

図７Ａ〜図７Ｃは、例えば図１〜図２の装置１０などの図６の方法４０によって製作された様々な層状構造を示す。図７Ａ〜図７Ｃの顕微鏡写真では、球形の物体は、知られた大きさを有し、製造された層状構造の一部ではない。その代わりに、球形の構造を使用して層状構造上の特徴の大きさを決定する。

図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃでは、成長ステップ４６は、約１重量％、約２重量％および約４重量％の重合開始剤分子をそれぞれ有した出発溶液を用いて行われた。そのような訳で、ヒドロゲルの重合した層は、大抵図７Ｃにおいて最も厚く、図７Ａにおいて最も薄い。実際は、顕微鏡写真は、柱状の微細構造２４の下部が図７Ｂおよび図７Ｃ中より厚いことを示す。この厚くすることは、突起した微細構造の下部の上で配置されるヒドロゲルによるものであってよい。

本発明の他の実施形態は、開示内容、図面、特許請求の範囲から当業者に明らかになろう。

装置の有効表面が有効表面の近くの１つまたは複数の環境条件に応答して可逆的に変質する、装置の収縮状態を例示する断面図である。 図１の装置の膨潤状態を例示する断面図である。 代替の装置の有効表面が有効表面の近くの１つまたは複数の環境条件に応答して可逆的に変質する、代替の装置の収縮状態を例示する断面図である。 図３の装置の膨潤状態を例示する断面図である。 物理的に変質可能な有効表面を備える装置を操作する方法を例示する流れ図である。 例えば図１〜図２の装置などの物理的に変質可能な有効表面を備えた装置の実施形態を製造する方法を例示する流れ図である。 図６の方法によって製作された装置の様々な実施形態の走査電子顕微鏡写真である。 図６の方法によって製作された装置の様々な実施形態の走査電子顕微鏡写真である。 図６の方法によって製作された装置の様々な実施形態の走査電子顕微鏡写真である。

Claims (9)

1. 上面を有する基板と、
   前記上面の上に配置される実質的に規則的なアレイ状の複数の突起した構造であって、該突起した構造の遠位面が該突起した構造の残りの部分よりも前記上面から離れているアレイ状の複数の該突起した構造と、
   前記上面の上に配置されると共に前記突起した構造同士の間の体積の一部を満たす層であって、前記突起した構造の前記遠位面が該層を通って突出するように収縮できる層であり、前記突起した構造の前記遠位面が層の一表面よりも前記基板の前記上面に近くなるように膨潤できる層とを備え、
   該複数の突起した構造は、１つの有効表面を形成し、該層が収縮する際に、液体が該有効表面上に支持されることができ、該層は、１つの有効表面を形成し、該層が膨潤する際に、液体が該有効表面上に位置することができる装置。
2. 前記層がヒドロゲルを含む、請求項１に記載の装置。
3. 請求項１に記載の装置において、該層は、湿度変化に応答して、該複数の突起した構造の遠位面が該層を通って突出するように収縮し、該複数の突起した構造の該遠位面が該層の一方の表面よりも該基板の該上面に近くなるように膨潤する装置。
4. 請求項１に記載の装置において、前記層の前記一表面が、前記層の濡れ性を変化させる抗体、核酸、タンパク質又は分子で化学的に機能化される装置。
5. 請求項１に記載の装置において、前記層は、温度変化、ｐＨ変化、溶解イオン濃度変化及び照度レベル変化のうちの１つに応答して、該複数の突起した構造の遠位面が該層を通って突出するように収縮し、該複数の突起した構造の該遠位面が該層の一方の表面よりも該基板の該上面に近くなるように膨潤する装置。
6. 構造の表面の近くの環境条件を変化させることによって、該構造を第１の状態から第２の状態へ変質させるステップを含み、アレイ状の複数の突起した構造が前記表面の上に配置されており、層が前記表面の上に配置されると共に前記複数の突起した構造同士の間にある方法であって、
   前記複数の突起した構造の端が前記状態の一方では前記層を通って突出し、前記状態の他方では前記層を通って突出せず、
   該層は、該状態の一方におけるよりも、該状態の他方においてより厚くなっており、該層はヒドロゲルを含む方法。
7. 請求項６に記載の方法において、変化される前記環境条件が、湿度レベル、温度、又は照明レベルである方法。
8. 請求項６に記載の方法において、前記構造が、前記状態の一方で有効な疎水性の表面を有し、前記状態の他方で有効な親水性の表面を有する方法。
9. 請求項６に記載の方法において、その後、前記環境条件を変化させることによって前記構造を前記第１の状態へ戻すように再変質するステップをさらに含む方法。

Images