JP5728778B2 - 解析装置及び解析装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）等のターゲットに基質等の試薬を接触させたときの反応を検出して、ターゲットを解析する解析装置及びその解析装置の製造方法に関する。

ヒトゲノムの全塩基配列解析が２００３年に終了した。その成果を基盤として、個人の遺伝子配列を解析することにより、体質の検査や遺伝病を調べることが可能となっている。これにより、例えば、解析された個人の遺伝子情報に基づいて、個人の体質に応じて個別に治療方法を決定していくオーダメイド治療の実現が期待されている。オーダメイド治療を現実的なものとするためには、病院等の臨床現場で個人の遺伝子情報を迅速に調べられるようにする必要がある。

ヒトゲノムは、約３０億個の塩基対から構成されており、人ひとりの遺伝子情報の情報量も膨大である。遺伝子配列解析でもっとも広範に用いられている技術として、蛍光色素と電気泳動法とを組み合わせた分離分析技術があるが、この技術では人ひとりの遺伝子情報を解析するのに約２週間程度を要する。このため、この技術を、そのままオーダメイド治療に適用するのは得策ではない。

また、短時間に遺伝子配列を解析可能な解析装置（ギガシーケンサ）も存在するが、このような解析装置は、非常に大型であって利便性に欠けるうえ、数千万円から１億円と非常に高価である。このため、このような解析装置の導入には多大な投資と労力を必要とする。

このような背景から、迅速かつ安価に遺伝子情報を解析することができる解析ツールの登場が望まれている。例えば、遺伝子情報の新たな解析ツールとして、トランジスタを用いたＤＮＡチップ（遺伝子トランジスタ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この遺伝子トランジスタは、ゲート領域に固定化した一本鎖遺伝子の相補的反応を電気化学的に検出する簡便な遺伝子解析センサとして注目されている。

国際公開第２００６／０２２３７０号

しかしながら、遺伝子トランジスタでは、試薬（塩基）を含む溶液や洗浄液を交互に流すための大型ポンプを外部に設ける必要がある。このことが、遺伝子トランジスタを用いた解析装置全体の小型化や操作性の向上、引いては解析の高速化を阻んでいる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、迅速かつ安価に、ターゲットを解析することができる解析装置及びその解析装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る解析装置は、
エッチングにより半導体基板上に形成された凹部と、
前記凹部内に形成された電界効果デバイスであって、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させるセンサ部と、
前記センサ部に対する前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うために前記凹部内に形成されたポンプ部と、
前記凹部を覆うように前記半導体基板に張り合わされ、前記凹部に対する前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部と、
を備え、
前記ポンプ部は、
前記注入口から注入された前記液体を前記センサ部に供給するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部と、
前記流路内の前記液体に、前記注入口から前記センサ部へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部と、
を備え、
前記流路部には、
電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
が設けられている。

本発明の第２の観点に係る解析装置は、
エッチングにより半導体基板上に形成された凹部と、
前記凹部内に形成された電界効果デバイスであって、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させるセンサ部と、
前記センサ部に対する前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うために前記凹部内に形成されたポンプ部と、
前記凹部を覆うように前記半導体基板に張り合わされ、前記凹部に対する前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部と、
を備え、
前記ポンプ部は、
前記センサ部に供給された前記液体を前記排出口に排出するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部と、
前記流路内の前記液体に、前記センサ部から前記排出口へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部と、
を備え、
前記流路部には、
電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
が設けられている。

また、前記流路部の流路は、
底面に向かうにつれて狭くなるように形成されている、
こととしてもよい。

前記凹部は、
底面に向かうにつれて狭くなるように形成されている、
こととしてもよい。

また、前記凹部は、
深堀エッチングにより形成されている、
こととしてもよい。

また、本発明の第３の観点に係る解析装置の製造方法は、
エッチングにより、半導体基板上に凹部を形成するとともに、前記凹部内に、試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うポンプ部の流路部を形成するエッチング工程と、
前記凹部内に、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させる電界効果デバイスをセンサ部として形成するセンサ部形成工程と、
前記電界効果デバイスに接続される電極を形成するとともに、前記センサ部への前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行う前記ポンプ部の電極部を形成する電極形成工程と、
前記凹部を覆うように形成され、前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部を形成するカバー部形成工程と、
を含み、
前記ポンプ部の流路部として、
前記注入口から注入された前記液体を前記センサ部に供給するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部を形成し、
前記ポンプ部の電極部として、
前記流路内の前記液体に、前記注入口から前記センサ部へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部を形成し、
前記流路部において、
電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
を形成する。
本発明の第４の観点に係る解析装置の製造方法は、
エッチングにより、半導体基板上に凹部を形成するとともに、前記凹部内に、試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うポンプ部の流路部を形成するエッチング工程と、
前記凹部内に、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させる電界効果デバイスをセンサ部として形成するセンサ部形成工程と、
前記電界効果デバイスに接続される電極を形成するとともに、前記センサ部への前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行う前記ポンプ部の電極部を形成する電極形成工程と、
前記凹部を覆うように形成され、前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部を形成するカバー部形成工程と、
を含み、
前記ポンプ部の流路部として、
前記センサ部に供給された前記液体を前記排出口に排出するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部を形成し、
前記ポンプ部の電極部として、
前記流路内の前記液体に、前記センサ部から前記排出口へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部を形成し、
前記流路部において、
電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
を形成する。

本発明によれば、試薬を含む液体を流すためのポンプ部がセンサ部とともに半導体素子の凹部内に形成されているので、液体を流すための大型ポンプを外部に設ける必要がない。これにより、装置全体を小型化させることができ、その操作性を向上させることができる。この結果、迅速かつ安価に、ターゲットを解析することができる。さらに、装置の集積化が可能となるので、迅速かつ安価に、ターゲットを解析することができる。

本発明の実施形態に係る解析装置の構成を示す斜視図である。 図１の解析装置の構成を示す断面図である。 図１の解析装置の凹部の断面図である。 図１の解析装置を構成するセンサ部の断面図である。 図１の解析装置を構成するポンプ部の上面図である。 図５の流路部の拡大図である。 電気浸透流の原理を説明するための図である。 伸長反応を説明するための図（その１）である。 伸長反応を説明するための図（その２）である。 図１の解析装置の製造工程のフローチャートである。 深堀エッチング後の半導体素子の斜視図である。 センサ部が形成された様子を示す半導体素子の斜視図である。 電極部が形成された様子を示す半導体素子の斜視図である。 カバー部が形成された様子を示す半導体素子の斜視図である。 解析装置のより詳細な構成を示す斜視図である。 解析装置のシステム構成図（その１）である。 解析装置のシステム構成図（その２）である。 集積化された解析装置の斜視図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係る解析装置は、ＤＮＡの塩基配列を解析する装置である。

まず、図１の斜視図及び図２の断面図を参照して、本実施形態に係る解析装置１００の構成について説明する。図１及び図２に示すように、解析装置１００は、シリコン等から成る半導体基板１上に形成されている。

半導体基板１では、エッチング、すなわち深堀ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により凹部２が形成されている。凹部２の深さは、本実施形態では、例えば、１０ミクロン程度と非常に深くなっている。

図３に示すように、凹部２には、フラットな底面が設けられている。この底面に、センサ部５や、ポンプ部６Ａ，６Ｂが形成される。

また、実際には、凹部２は、底面に向かうにつれて、狭くなるように形成されている。すなわち、凹部２の断面形状はテーパ状となっている。これにより、後述する製造工程において、凹部２の底面にレジストを確実に塗布することができるようになる。凹部２の側面の傾斜角度は例えば約６０度とすればよいが、これには限定されない。

半導体基板１の上には、平板状のカバー部３が設置されている。カバー部３は、凹部２を覆うように、半導体基板１に張り合わされている。

カバー部３には、注入口４Ａ及び排出口４Ｂが設けられている。ＤＮＡポリメラーゼや基質（ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ）等の試薬を含む液体は、注入口４Ａから凹部２内に注入され、排出口４Ｂから排出される。

凹部２内には、センサ部５と、ポンプ部６Ａ、６Ｂ、液貯め部７Ａ、廃液部７Ｂが設けられている。注入口４Ａから排出口４Ｂに向かって、液貯め部７Ａ、ポンプ部６Ａ、センサ部５、ポンプ部６Ｂ、廃液部７Ｂという順に配列されている。

センサ部５は、凹部２内に形成された電界効果デバイスである。この電界効果デバイスのゲート領域に、解析対象（ターゲット）としての試料ＤＮＡがセットされる。試料ＤＮＡに上記液体を添加すると、試料ＤＮＡが液体に含まれる基質等に対して反応して、電界効果デバイスの電気的特性が変化する場合がある。センサ部５は、この電界効果デバイスの電気的特性の変化を検出する。

センサ部５としては、例えば、図４に示すような電界効果トランジスタを採用することができる。図４に示すように、センサ部５では、ｎ型の半導体基板１上にｐウエル２０が形成され、ｐウエル２０の中にｎ型領域としてのソース２１とドレイン２２が形成されている。

また、ｐウエル２０上には、下層絶縁膜２３が形成され、その上に、上層絶縁膜２４が形成されている。上層絶縁膜２４上に、解析対象となる試料ＤＮＡ３０がセットされる。なお、下層絶縁膜２３としては、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の膜が用いられ、上層絶縁膜２４としては、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄の膜が用いられる。この上層絶縁膜２４にターゲットとしての試料ＤＮＡがセットされる。

図１及び図２に戻り、ポンプ部６Ａは、流路部８Ａ、電極部９Ａ、１０Ａを備える。液貯め部７Ａからセンサ部５に向かって、電極部９Ａ、流路部８Ａ、ポンプ部１０Ａという順に配列されている。

図５には、ポンプ部６Ａの上面図が示されている。流路部８Ａは、センサ部５へ液体を供給するための流路を有している。図５に示すように、流路部８Ａでは、この流路が網の目状に形成されている。流路の壁面は誘電体（例えばガラス等）で形成されている。

さらに具体的には、図６に示すように、流路部８Ａには、流路として、複数の主経路３１が設けられている。主経路３１は、互いに平行であり、液貯め部７Ａとセンサ部５との間を連通する。

また、流路部８Ａには、複数の分岐経路３２が設けられている。分岐経路３２は、隣接する２つの主経路３１の間を途中で連通し、電界の方向に交差して延びている。

なお、流路部８Ａ、８Ｂも、凹部２と同様に、レジストが塗布されるように、底面に向かうにつれて幅が狭くなるように（断面がテーパ形状に）形成されている。

ポンプ部６Ａは、電気浸透流方式により、試薬を含む液体を、液貯め部７Ａからセンサ部５に送る。電気浸透流技術は、電場により微量液の送液制御可能な技術である。

電気浸透流の発生原理について、図７を参照して説明する。図７には、主経路３１の一部が、模式的に示されている。主経路３１の壁面は、誘電体で形成されている。誘電体が液体と接触すると、図７に示すように、誘電体は負に帯電し、液体は正に帯電する。これにより、電気二重層が形成される。

この状態で、一対の電極部９Ａ、１０Ａのうち、電極部９Ａを正極とし電極部１０Ａを負極として、直流電圧を印加すると、電極部９Ａから電極部１０Ａへ向かう電界（すなわち、液貯め部７Ａからセンサ部５へ向かう方向の電界）が発生し、この電界が主経路３１内の液体に与えられる。この電界により、主経路３１の壁面に形成された液体の電荷層は、電極部９Ａから電極部１０Ａの方へ流れる。この流れが流路中央の液体まで及び、全体の流れ（電気浸透流）が生じる。

この電気浸透流の原理により、ポンプ部６Ａは、注入口４Ａから注入された液体を、センサ部５に供給する。

一方、ポンプ部６Ｂは、流路部８Ｂ、電極部９Ｂ、１０Ｂを備える。センサ部５から排出口４Ｂに向かって、電極部９Ｂ、流路部８Ｂ、電極部１０Ｂという順に配列されている。

流路部８Ｂにも、流路部８Ａと同じような網の目状の流路が設けられている。流路部８Ｂは、センサ部５と廃液部７Ｂとの間を連通する流路を有する。流路部８Ｂの流路の壁面は、誘電体で形成されている。

一対の電極部９Ｂ、１０Ｂのうち、電極部９Ｂを正極とし、電極部１０Ｂを負極として、直流電圧を印加して、流路内の液体に、センサ部５から廃液部７Ｂへ向かう方向の電界を与えると、流路部８Ａ内の経路に電気浸透流が発生し、液体がセンサ部５から廃液部７Ｂに流れるようになる。

このように、ポンプ部６Ａ、６Ｂは、センサ部５への試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うために、凹部２内に形成されている。なお、電気浸透流の流速を制御するために、一対の電極部９Ａ、１０Ａや一対の電極部９Ｂ、１０Ｂにより、逆バイアスの直流電圧を印加できるようになっていてもよい。

液貯め部７Ａは、注入口４Ａから注入された液体を一時的に貯留するために凹部２内に形成されている。ポンプ部６Ａは、液貯め部７Ａに貯留された液体を、センサ部５に供給する。

センサ部５に送られた液体は、ポンプ６Ｂにより、廃液として廃液部７Ｂに送られる。廃液部７Ｂは、排出口４Ｂから排出される液体を一時的に貯留するために凹部２内に形成されている。廃液部７Ｂに貯められた廃液は、排出口４Ｂから排出される。

センサ部５のゲートには、例えば、図８に示すように、核酸プローブ１１が固定される。この核酸プローブ１１に、一本鎖のターゲット遺伝子３０をハイブリダイズさせる。この状態で、タックＤＮＡポリメラーゼ及び基質を含む試薬を、センサ部５に流すと、その基質が、ターゲット遺伝子３０の塩基配列に相補的であれば、伸長反応が起こる。

伸長反応が起こると、水溶液中でのＤＮＡの負の電荷が増大して、センサ部５の電界効果トランジスタの電気的特性（しきい値電圧）が変化する。したがって、このしきい値電圧の変化を検出すれば、ターゲット遺伝子３０の塩基配列を解析することができる。

（解析装置の製造方法）
次に、本実施形態に係る解析装置１００の製造方法について説明する。解析装置１００は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスと親和性の高いプロセスを用いて製造される。図１０には、解析装置１００の製造工程のフローチャートが示されている。

≪深堀エッチング≫
まず、深堀エッチャーを用いて、半導体基板１に対して深堀エッチングを行うことにより、半導体基板１上に凹部２を形成するとともに、凹部２内に、試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うための流路部８Ａ、８Ｂを形成する（ステップＳ１）。液貯め部７Ａ、７Ｂやセンサ部５が形成される領域は、広く平面領域として形成され、流路部８Ａ、８Ｂには、図４乃至図６に示す流路が形成される。

この深堀エッチングにより、図１１に示すように、液貯め部７Ａ、廃液部７Ｂも形成される。深堀エッチングは、レジスト塗布、プリベーク、露光、ＰＥＢ、現像などを経て、凹部２を形成する部分以外の部分等にレジストが残存する状態で行われる。

この深堀エッチングでは、後続のセンサ部や電極を形成する工程において、凹部２の底面にレジストを塗布しやすくするため、凹部２や流路部８Ａ、８Ｂの流路の側面が、テーパ状に形成される。側面をテーパ状とするため、エッチングプロセスではＳＦ₆ガスのみが使用される。また、炭素とシリコンとの結合を防ぐべくデポガスとしてのＣＦ₄ガスは用いられず、エッチングレートを適切なものとするためにエッチング中の雰囲気ガスとして酸素ガスが用いられる。また、基板バイアスを低く設定して、エッチングイオンの直進力を弱めることにより、凹部２が、テーパ状に形成されるようにしている。

≪センサ部形成≫
図１０に戻り、深堀エッチング（ステップＳ１）に続いて、レジスト塗布、プリベーク、露光、ポストベーク、現像、エッチング等のＣＭＯＳプロセスを用いてセンシング領域にセンサ部５を形成する（ステップＳ２）。ここで、図１２に示すように、センサ部５に、例えばＭＯＳ型のトランジスタ（図４参照）が形成される。なお、センサ部５の酸化プロセスではポンプ部６Ａ、６Ｂも同時に酸化する。これにより、ポンプ部６Ａ、６Ｂを酸化する酸化工程を省略することができる。

≪電極部形成≫
図１０に戻り、センサ部形成（ステップＳ２）に続いて、金属蒸着等により、センサ部５の電極を形成するとともに、図１３に示すように、電極部９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂを形成する（ステップＳ３）。電極部９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂには、薬品耐性の強い金配線が用いられる。

≪カバー部形成≫
図１０に戻り、電極部形成（ステップＳ３）に続いて、カバー部３を形成する（ステップＳ４）。ここでは、図１４に示すように、接着剤等を用いた張り合わせによりカバー部３が形成される。ただし、張り合わせる前にカバー部３には注入口４Ａと排出口４Ｂとなるホールを形成しておく必要がある。カバー部３としては、例えば、ガラス、シリコン、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を用いることができる。

以上の４工程により、解析装置１００が製造される。

これまでは、解析装置１００の原理をするための最小の構造、動作及び製造方法について説明してきた。以下では、図１５には、解析装置１００のより詳細な構成が模式的に示されている。

図１５に示すように、この解析装置１００では、センサ部５に縦３列、横３列の合計９個のトランジスタが形成され、集積化されている。各トランジスタのサイズは、例えば５ｍｍ×５ｍｍである。なお、９個のトランジスタのうち、８つのトランジスタはターゲット遺伝子３０の反応を検出するためのトランジスタであり、残る１つは濃度センサ４０である。基質ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰについては、濃度がそれぞれ異なるように設定されており、濃度センサ４０は、その濃度の違いに基づいて、現在センサ部５に流れる基質を検出する。

図１６に示すように、８つのトランジスタの出力と濃度センサ４０の出力とは、解析部５０に入力されている。解析部５０は、センサ部５の出力に基づいて、しきい値電圧が変化するタイミングを検出する。また、解析部５０は、濃度センサ４０の出力に基づいて、しきい値電圧が変化したときに流れている基質を検出する。解析部５０は、検出された基質に基づいて、塩基配列を解析する。

この解析装置１００には、基質ｄＡＴＰ用の注入口４ＡＡ及び液貯め部７ＡＡ、基質ｄＧＴＰ用の注入口４ＡＧ及び液貯め部７ＡＧ、基質ｄＣＴＰ用の注入口４ＡＣ及び液貯め部７ＡＣ、基質ｄＴＴＰ用の注入口４ＡＴ及び液貯め部７ＡＴがそれぞれ設けられている。また、洗浄液の注入口４ＡＳ及び液貯め部７ＡＳが設けられている。

また、各液貯め部７ＡＡ、７ＡＧ、７ＡＣ、７ＡＴ、７ＡＳからセンサ部５に基質ｄＡＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＴＴＰ、洗浄液をそれぞれ供給する５つのポンプ部６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳが形成されている。

なお、この解析装置１００では、廃液部７Ｂは設けられておらず、廃液側のポンプ部６Ｂ１、６Ｂ２は、２つしか設けられていない。ポンプ部６Ｂ１は、排出口４Ｂ１に連通し、ポンプ部６Ｂ２は、排出口４Ｂ２に連通している。

また、解析装置１００には、ポンプ部６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳ、６Ｂ１、６Ｂ２に直流電圧を供給する電源４１が設けられている。

図１７には、この解析装置１００におけるポンプ部６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳ、６Ｂ１、６Ｂ２の制御系が示されている。図１７に示すように、ポンプ部６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳ、６Ｂ１、６Ｂ２との電源４１との間に制御部５１が設けられている。制御部５１は、電源４１からポンプ部６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳ、６Ｂ１、６Ｂ２に印加される直流電圧を制御する。

制御部５１は、ポンプ部６ＡＡ、６Ｂ１に直流電圧を印加する。これにより、基質ｄＡＴＰが、センサ部５に流れる。ここで、濃度センサ４０で検出される濃度は、センサ部５に基質ｄＡＴＰが流れていることを示す濃度となる。この状態で、センサ部５の出力に基づいて、しきい値電圧が変動し、伸長反応が観測されると、今回結合したターゲット遺伝子３０の塩基はチミンであるということになる。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＡ、６Ｂ１への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２に対して直流電圧を印加する。これにより洗浄液が、センサ部５に流れ、基質ｄＡＴＰが洗い流される。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＧ、６Ｂ１に直流電圧を印加する。これにより、基質ｄＧＴＰが、センサ部５に流れる。ここで、濃度センサ４０で検出される濃度は、センサ部５に基質ｄＧＴＰが流れていることを示す濃度となる。この状態で、センサ部５の出力に基づいて、しきい値電圧が変動し、伸長反応が観測されると、今回結合したターゲット遺伝子３０の塩基はシトシンであるということになる。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＧ、６Ｂ１への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２に対して直流電圧を印加する。これにより洗浄液が、センサ部５に流れ、基質ｄＧＴＰが洗い流される。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＣ、６Ｂ１に直流電圧を印加する。これにより、基質ｄＣＴＰが、センサ部５に流れる。ここで、濃度センサ４０で検出される濃度は、センサ部５に基質ｄＣＴＰが流れていることを示す濃度となる。この状態で、センサ部５の出力に基づいて、しきい値電圧が変動し、伸長反応が観測されると、今回結合したターゲット遺伝子３０の塩基はグアニンであるということになる。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＣ、６Ｂ１への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２に対して直流電圧を印加する。これにより洗浄液が、センサ部５に流れ、基質ｄＣＴＰが洗い流される。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＴ、６Ｂ１に直流電圧を印加する。これにより、基質ｄＴＴＰが、センサ部５に流れる。ここで、濃度センサ４０で検出される濃度は、センサ部５に基質ｄＴＴＰが流れていることを示す濃度となる。この状態で、センサ部５の出力に基づいて、しきい値電圧が変動し、伸長反応が観測されると、今回結合したターゲット遺伝子３０の塩基は、アデニンであるということになる。

続いて、制御部５１は、ポンプ部６ＡＴ、６Ｂ１への直流電圧の印加を停止し、ポンプ部６ＡＳ、６Ｂ２に対して直流電圧を印加する。これにより洗浄液が、センサ部５に流れ、基質ｄＴＴＰが洗い流される。

解析部５０は、このような動作を繰り返すことにより、センサ部５で検出されたしきい値電圧の変動と、濃度センサで検出された濃度から得られる塩基の種類とに基づいて、ターゲット遺伝子３０の塩基配列を解析する。

図１５に示す解析装置１００は、図１８に示すようにさらなる集積化が可能である。これにより、大量のターゲット遺伝子を同時に解析することができるようになるので、塩基配列の解析を格段に高速化することができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、試薬を含む液体を流すためのポンプ部６Ａ、６Ｂがセンサ部５とともに半導体素子１の凹部２内に形成されているので、液体を流すための大型ポンプを外部に設ける必要がない。これにより、装置全体を小型化させることができ、その操作性を向上させることができる。この結果、迅速かつ安価に、ターゲット遺伝子３０を解析することができる。さらに、装置の集積化が可能となるので、迅速かつ安価に、大量のターゲット遺伝子３０を解析することができる。

これにより、ターゲット遺伝子３０の配列解析を臨床現場で迅速に行うことができる。例えば、臨床現場において、ＳＮＰｓ（Single Nucleotide Polymorphism）などの特定遺伝子配列を迅速に解析することができる。臨床現場でこうした解析ができるようになれば、投薬や治療方法のリスクを大幅に減らすことができるようになるうえ、患者がノンストップの医療サービスを受けられるようになる。

また、本実施形態では、電気浸透流方式により液体の供給及び排出を行ったが、本発明はこれには限られず、電気泳動方式により、液体の供給又は排出を行うようにしてもよい。また、いわゆるインクジェット方式により、液体の供給又は排出を行うようにしてもよい。さらには、力学的なアクチュエータを用いて、液体の供給又は排出を行うようにしてもよい。

また、本実施形態によれば、流路部８Ａ、８Ｂにおける流路は、電気浸透流の発生条件を満たす幅の流路であり、網の目状に形成されている。このようにすれば、電気二重層が発生する流路の表面積を大きくすることができるので、電気浸透流方式の効率を高めることができるうえ、流路内に発生する気泡を抜けやすくすることができる。

また、本実施形態によれば、流路部８Ａ、８Ｂでは、流路として、電界の方向に沿って延びる複数の主経路３１と、隣接する主経路３１の間を途中で連通し、電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路３２とが設けられている。このようにすれば、実際に電気二重層が発生する流路の表面積をより大きくすることができる。

また、本実施形態によれば、凹部２は、底面に向かうにつれて狭くなるように形成されている。このようにすれば、凹部２の底面にレジストを塗布することができるので、半導体工程と同様な方法で、センサ部５等を形成することができる。

この解析装置１００において、センサ部５とポンプ部６Ａ、６Ｂは、深堀エッチングにより、半導体基板１の凹部２内にＣＭＯＳプロセスと親和性の高いプロセスで製造され、いわゆるモノシリック構造となっている。このため、量産が容易となり、解析装置１００をさらに集積化して製造することができるようになるので、極めて小型で安価なギガシーケンサを製造することが可能となる。これにより、例えば、数日かかっていたヒトゲノムの解析が数分で解析することができるようになる。

なお、本実施形態では、凹部２の深さを、１０ミクロン程度としたが、本発明はこれには限られない。凹部２の深さは、１０ミクロンより浅くてもよいし、深くてもよい。

また、本実施形態では、図５及び図６に示すように、流路部８Ａ、８Ｂでは、流路を網の目構造の流路は、台形の柱によって形成されたものであったが、柱の形状は、円柱であってもよいし、他の多角形の柱であってもよい。要は、電気浸透流を発生させる電気二重層が形成される面積をより大きくすることができるように、流路部８Ａ、８Ｂの流路が網の目構造になっていればよい。

また、本実施形態では、凹部２等を形成するのに深堀エッチングを用いたが、ウエットエッチングや、他のドライエッチングを用いて凹部２等を形成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ＤＮＡの塩基配列を解析したが、他のターゲットの解析にも本発明を適用することができる。例えば、抗体抗原反応を検出し、解析する解析装置にも適用することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で実施の形態及び図面に変更を加えることができるのはもちろんである。

本発明は、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）等のターゲットに基質等の試薬を接触させたときなど、液体を接触したときの反応に基づくターゲットの解析に適している。

１ 半導体基板
２ 凹部
３ カバー部
４Ａ、４ＡＡ、４ＡＧ、４ＡＣ、４ＡＴ、４ＡＳ 注入口
４Ｂ、４Ｂ１、４Ｂ２ 排出口
５ センサ部
６Ａ、６Ｂ、６ＡＡ、６ＡＧ、６ＡＣ、６ＡＴ、６ＡＳ、６Ｂ１、６Ｂ２ ポンプ部
７Ａ、７ＡＡ、７ＡＧ、７ＡＣ、７ＡＴ、７ＡＳ 液貯め部
７Ｂ 廃液部
８Ａ、８Ｂ 流路部
９Ａ、９Ｂ 電極部
１０Ａ、１０Ｂ 電極部
１１ 核酸プローブ
２０ ｐウエル
２１ ソース
２２ ドレイン
２３ 下層絶縁膜
２４ 上層絶縁膜
３０ ターゲット遺伝子
３１ 主経路
３２ 分岐経路
４０ 濃度センサ
４１ 電源
５０ 解析部
５１ 制御部
１００ 解析装置

Claims (7)

1. エッチングにより半導体基板上に形成された凹部と、
   前記凹部内に形成された電界効果デバイスであって、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させるセンサ部と、
   前記センサ部に対する前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うために前記凹部内に形成されたポンプ部と、
   前記凹部を覆うように前記半導体基板に張り合わされ、前記凹部に対する前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部と、
   を備え、
   前記ポンプ部は、
   前記注入口から注入された前記液体を前記センサ部に供給するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部と、
   前記流路内の前記液体に、前記注入口から前記センサ部へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部と、
   を備え、
   前記流路部には、
   電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
   前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
   隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
   が設けられている、
   解析装置。
2. エッチングにより半導体基板上に形成された凹部と、
   前記凹部内に形成された電界効果デバイスであって、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させるセンサ部と、
   前記センサ部に対する前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うために前記凹部内に形成されたポンプ部と、
   前記凹部を覆うように前記半導体基板に張り合わされ、前記凹部に対する前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部と、
   を備え、
   前記ポンプ部は、
   前記センサ部に供給された前記液体を前記排出口に排出するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部と、
   前記流路内の前記液体に、前記センサ部から前記排出口へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部と、
   を備え、
   前記流路部には、
   電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
   前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
   隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
   が設けられている、
   解析装置。
3. 前記流路部の流路は、
   底面に向かうにつれて狭くなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の解析装置。
4. 前記凹部は、
   底面に向かうにつれて狭くなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の解析装置。
5. 前記凹部は、
   深堀エッチングにより形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の解析装置。
6. エッチングにより、半導体基板上に凹部を形成するとともに、前記凹部内に、試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うポンプ部の流路部を形成するエッチング工程と、
   前記凹部内に、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させる電界効果デバイスをセンサ部として形成するセンサ部形成工程と、
   前記電界効果デバイスに接続される電極を形成するとともに、前記センサ部への前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行う前記ポンプ部の電極部を形成する電極形成工程と、
   前記凹部を覆うように形成され、前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部を形成するカバー部形成工程と、
   を含み、
   前記ポンプ部の流路部として、
   前記注入口から注入された前記液体を前記センサ部に供給するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部を形成し、
   前記ポンプ部の電極部として、
   前記流路内の前記液体に、前記注入口から前記センサ部へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部を形成し、
   前記流路部において、
   電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
   前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
   隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
   を形成する、
   解析装置の製造方法。
7. エッチングにより、半導体基板上に凹部を形成するとともに、前記凹部内に、試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行うポンプ部の流路部を形成するエッチング工程と、
   前記凹部内に、ゲート領域にセットされたターゲットの試薬に対する反応に応じて電気的特性を変化させる電界効果デバイスをセンサ部として形成するセンサ部形成工程と、
   前記電界効果デバイスに接続される電極を形成するとともに、前記センサ部への前記試薬を含む液体の供給及び排出の少なくとも一方を行う前記ポンプ部の電極部を形成する電極形成工程と、
   前記凹部を覆うように形成され、前記液体の注入口と排出口とが設けられたカバー部を形成するカバー部形成工程と、
   を含み、
   前記ポンプ部の流路部として、
   前記センサ部に供給された前記液体を前記排出口に排出するための流路を有し、前記流路の壁面が誘電体で形成された流路部を形成し、
   前記ポンプ部の電極部として、
   前記流路内の前記液体に、前記センサ部から前記排出口へ向かう方向の電界を与える一対の電極を有する電極部を形成し、
   前記流路部において、
   電気浸透流の発生条件を満たす幅の前記流路として、
   前記電界の方向に沿って延びる複数の主経路と、
   隣接する２つの前記主経路を途中で連通し、前記電界の方向に交差して延びる複数の分岐経路と、
   を形成する、
   解析装置の製造方法。

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