JP7835728B2 - 決定論的診断装置のナノファブリケーション - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年７月２９日に出願された「Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｉｎｔ－ｏｆ－Ｕｓｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／０５８，２８４号に対する優先権を主張するものであり、この特許出願を、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

本発明は概して診断装置に、より詳細には決定論的診断装置のナノファブリケーションに関する。

医療診断装置のような診断装置は、臨床医が患者の健康のさまざまな側面を測定および観察して診断を形成するのに役立つ。診断が下されると、臨床医は次いで適切な治療計画を処方することができる。

医療診断装置は、成人および小児科用の外来治療センターにおいて、緊急治療室において、ならびに入院病室および集中治療室において見られる。

疾患の早期検出を提供するとともに治療に対する患者の反応を監視するため、このような診断装置を使用して低濃度の生体分子を検出することができる。このような診断ツールは、臨床医が治療方法に関する重要な決定を下し、患者の治療結果を改善することを支援することができる。疾患の初期段階では、疾患マーカの濃度は非常に低く、血液、尿、血漿、血清などのような典型的な媒体で検出することが困難である。腫瘍細胞およびエクソソームのようなバイオマーカを捕捉および分離することにより、センサがこれらを検出することが可能になり得る。生物医学の文脈において、バイオマーカまたは生物学的マーカは、何らかの生物学的状態または条件の測定可能な指標である。同様に、化学混合物中または水中の微量のナノ粒子を検出することには重要な用途がある。

残念ながら、診断装置がこのようなバイオマーカを効果的に検出する、または化学混合物中または水中の微量のナノ粒子を効果的に検出する手段は現在のところない。

国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０６０１７６号

Ｈｕａｎｇら、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ． ３０４、Ｎｏ． ５６７３、２００４年５月、９８７頁～９９０頁 ＭｃＧｒａｔｈら、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ： Ａ Ｒｅｖｉｅｗ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． １４、Ｎｏ． ２１、２０１４年、４１３９頁～４１５８頁 Ｉｎｇｌｉｓら、「Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ ｆｏｒ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｂｙ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． ６、Ｎｏ． ５、２００６年５月、６５５頁～６５８頁 Ｗｕｎｓｃｈら、「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｏｓｏｍｅｓ ａｎｄ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｄｏｗｎ ｔｏ ２０ ｎｍ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １１、Ｎｏ． １１、２０１６年１１月、９３６頁～９４０頁 Ｃｈｅｒａｌａら、「Ｎａｎｏｓｈａｐｅ Ｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏ． １、２０１６年１月、４４８頁～４５６頁 Ｍａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｏｎｓｅｔ ｏｆ Ｃｏｌｌａｐｓｅ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ． ２０、Ｎｏ． １１、２０２０年、７８９６頁～７９０５頁 Ｍａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ｍａｄｅ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． ２０、２０２１年、８３頁～９１頁 Ｓｈａｒｍａら、「ＳＥＲＳ： Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｏｄａｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏｓ． １－２、２０１２年１月～２月、１６頁～２５頁 Ｎｉｃｈｋａｌｏら、「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＭａｃＥｔｃｈ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｉ Ｓｕｒｆａｃｅ」、Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ． １２、Ｎｏ． １０６、２０１７年、１頁～６頁 Ｃｈｏｉら、「ＵＶ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、Ｇａｒｙ Ｗｉｅｄｅｒｒｅｃｈｔｓによる編集、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｒｅｓ、２００９年１０月、３１０頁、１４９頁～１８１頁 Ｔ．Ａ． Ｇｒｅｅｎ、「Ｇｏｌｄ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、Ｇｏｌｄ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖｏｌ． ４７、Ｎｏ． ３、２０１４年、２０５頁～２１６頁 Ｖｏｌｋｅｒ Ｌｅｈｍａｎｎ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ： Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ， Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ、２００２年、１頁～１１５頁 Ａｌｅｘｅｙ Ｉｖａｎｏｖ、「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ａｎｏｄｉｚａｔｉｏｎ ａｓ ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ： Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｖｉｅｗ， Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ」、２０１８年、１頁～３１６頁

本発明の一実施形態において、診断チップが１つまたは複数の入力部を含み、異なるサイズの粒子を含むサンプルが１つまたは複数の入力部の少なくとも１つに導入される。診断チップはさらに複数の分離領域を含み、サンプルは、複数の分離領域を通過する際に加圧され、複数の分離領域のそれぞれが決定論的横置換アレイを含み、複数の分離領域の２つ以上における決定論的横置換アレイは異なるエッチング深さプロファイルを有する。

本発明の別の一実施形態において、１つまたは複数の生物種を分離するための装置が、マイクロスケールまたはナノスケール構造を含む分離領域を含み、分離領域の下にある基板が非多孔質である。この装置は少なくとも１つの出力領域をさらに含み、少なくとも１つの出力領域の下にある基板が多孔質である。

次の本発明の詳細な説明がよりよく理解され得るよう、上記は本発明の１つまたは複数の実施形態の特徴および技術的利点をむしろ一般的に概説している。本発明の請求項の主題を形成することができる本発明の追加の特徴および利点を以降に説明する。

次の図面と併せて次の詳細な説明を考慮すると、本発明のよりよい理解を得ることができる。

本発明の一実施形態による決定論的横置換（ＤＬＤ）ベースの粒子分離のために触媒影響下ケミカルエッチング（ＣＩＣＥ）で作製されたシリコンナノピラーを示す図である。 本発明の一実施形態による診断チップ（「使い捨てチップ」）に液体および気体を提供するとともに診断チップを検査する装置（「卓上」装置）を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの第２の実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの第２の実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態によるピラーアレイの上面図である。 本発明の一実施形態によるピラーアレイの３つの配置を示す図である。 本発明の一実施形態による、マイクロ／ナノ加工シリコンが頂部透明基板と一体化され、マイクロ／ナノピラーアレイが、ピラーの底と頂部基板との間にマイクロスケールギャップを作成するスペーサとして作用する診断チップの一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態によるシリコンナノピラーを製造するための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による図７に記載のステップを使用してシリコンナノピラーを製造するための断面図である。 本発明の一実施形態による図７に記載のステップを使用してシリコンナノピラーを製造するための断面図である。 本発明の一実施形態による図７に記載のステップを使用してシリコンナノピラーを製造するための断面図である。 本発明の一実施形態による図７に記載のステップを使用してシリコンナノピラーを製造するための断面図である。 本発明の一実施形態による図８Ａに示すプロセスステップ後の４インチウエハの画像を示す図である。 本発明の一実施形態による図８Ｂに示すプロセスステップ後の４インチウエハの画像を示す図である。 本発明の一実施形態による図８Ｃに示すプロセスステップ後の４インチウエハの画像を示す図である。 本発明の一実施形態による図８Ｄに示すプロセスステップ後の４インチウエハの画像を示す図である。 本発明の一実施形態によるメタルアシストケミカルエッチング（ＭＡＣＥ）で作製されたシリコンナノワイヤのトップダウンＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示す図である。 本発明の一実施形態によるＭＡＣＥで作製されたシリコンナノワイヤの断面ＳＥＭ画像を示す図である。 本発明の一実施形態による粒子分離のための例示的なサイドバリアアレイを示す図である。 本発明の一実施形態によるＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態による図１３に記載のステップを使用してＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための断面図である。 本発明の一実施形態による図１３に記載のステップを使用してＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための断面図である。 本発明の一実施形態による図１３に記載のステップを使用してＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための断面図である。

背景のセクションで述べたように、診断装置がバイオマーカを効果的に検出する、または化学混合物中または水中の微量のナノ粒子を効果的に検出するための手段は現在のところない。

本発明の原理は、バイオマーカを効果的に検出し、化学混合物中または水中の微量のナノ粒子を効果的に検出するための手段を提供する。

一実施形態において、本発明の原理は、本明細書で「決定論的横置換（ＤＬＤ）」と呼ばれる技術を使用してこのような検出を実行する。ＤＬＤは、マイクロ流体チャネル内に配置されたピラーのアレイの特定の配置を使用して、流体媒体内の粒子をそのサイズに基づいて分離するマイクロ流体技術である。ピラー間のギャップおよびピラーの配置により分離メカニクスが決まる。ＤＬＤのさらなる説明を、Ｈｕａｎｇら、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ． ３０４、Ｎｏ． ５６７３、２００４年５月、９８７頁～９９０頁、ＭｃＧｒａｔｈら、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ： Ａ Ｒｅｖｉｅｗ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． １４、Ｎｏ． ２１、２０１４年、４１３９頁～４１５８頁、Ｉｎｇｌｉｓら、「Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ ｆｏｒ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｂｙ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． ６、Ｎｏ． ５、２００６年５月、６５５頁～６５８頁、およびＷｕｎｓｃｈら、「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｏｓｏｍｅｓ ａｎｄ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｄｏｗｎ ｔｏ ２０ ｎｍ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １１、Ｎｏ． １１、２０１６年１１月、９３６頁～９４０頁に見出すことができ、これらのそれぞれを、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

ここで図面を詳細に参照すると、図１は、本発明の一実施形態によるＤＬＤベースの粒子分離のために触媒影響下ケミカルエッチング（ＣＩＣＥ）で作製されたシリコンナノピラーを示す。

図１に示すように、ＤＬＤに要求されるピラーアレイ１０１は、入口１０２を介して、複数のサイズおよび形状を備えた粒子の混合物を含むサンプルを受け取り、出力ストリーム１０３を介して、サイズおよび／または形状によって分離された粒子を備えた複数の流れを生成する。一実施形態において、ＤＬＤピラーアレイ１０１は、次の変数、すなわちピラーサイズおよび間隔、ピラー形状（たとえば、円、三角形、ひし形、流線形など）、ピラーアレイ配置およびスキュー角、および崩壊前のピラー高さを使用して、分離効率およびスループットを最大化するパターンを生成する。さらに、図１に示すように、入口１０２内のサンプルの図１０４は、ルテニウムを触媒とするＣＩＣＥで作製された３０ｎｍの間隔を備えた２マイクロメートル高さであるピラーに対応する。加えて、図１に示すように、出口ストリーム１０３の図１０５は、金を触媒とするＣＩＣＥで作製された３０ｎｍの間隔を備えた４マイクロメートル高さであるシリコン（Ｓｉ）ピラーを含む。さらに、図１に示すように、ＤＬＤピラーアレイ１０１の図１０６は、断面がひし形状のシリコン（Ｓｉ）ナノピラーを含む。

一実施形態において、ＤＬＤピラーアレイ１０１は、メタルアシストケミカルエッチング（ＭＡＣＥ）プロセスと組み合わせたナノインプリントリソグラフィのようなナノリソグラフィを使用して製造される。ＤＬＤおよびＭＡＣＥを使用した製造に関するさらなる詳細が、Ｃｈｅｒａｌａら、「Ｎａｎｏｓｈａｐｅ Ｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏ． １、２０１６年１月、４４８頁～４５６頁、Ｍａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｏｎｓｅｔ ｏｆ Ｃｏｌｌａｐｓｅ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ． ２０、Ｎｏ． １１、２０２０年、７８９６頁～７９０５頁、およびＭａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ｍａｄｅ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． ２０、２０２１年、８３頁～９１頁に見出され、これらのそれぞれを、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

ここで図２を参照すると、図２は、本発明の一実施形態による診断チップ（「使い捨てチップ」）に液体および気体を提供するとともに診断チップを検査する装置（「卓上」装置）を示す。

図２に示すように、卓上装置２０１Ａ～２０１Ｄは、使い捨て診断チップ２０２に接続されているさまざまな入力部（それぞれ、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_Ｓとマークされる）を提供する。装置２０１Ａ～２０１Ｄは集合的または個別に装置２０１と呼ぶことができる。図２は４つの装置２０１を示すが、本発明の原理は任意の数の卓上装置２０１を利用することができるということが留意される。

再び図２を参照すると、装置本体にフレームによって接続されているチップホルダ２０３上に十分な精度でチップ２０２が配置されていれば、チップ２０２はさまざまな入口と位置を合わせ、緩衝液（精製水のような）、圧力源、チップ２０２の動作中に必要とされる溶媒などを受け取ることができる。チップ２０２はまた、患者の血液、尿、唾液、血清などであり得る「サンプル」を受け取る。一実施形態において、このシステムは、装置内のきれいな液体を保持するリザーバのいずれかに「サンプル」が逆流するのを回避するように設計されている。使い捨て診断チップ２０２のさらなる説明を以下でさらに提供する。

また、図２に示すように、「ＳＺ」は、顕微鏡、蛍光顕微鏡、分光計、ラマン分光計などであり得る「Ｍ／Ｓ」とマークされた機器２０５を使用して光学的に検査されるセンサゾーン２０４に対応する。

ここで図３Ａ～図３Ｄを参照すると、図３Ａ～図３Ｄは、本発明の一実施形態による使い捨て診断チップ２０２の一実施形態を示す。

図３Ａは診断チップの上面図を示し、図３Ｂは、図３Ａに示す垂直方向Ｙ－Ｙに沿った断面を示す。さまざまな入力部（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_Ｓとマークされる）が示され、図２に示したものと同じ入力部を表す。４つの入力部のみが示されているが、これらの装置は、２５以上の入力部を含む、任意の数の入力部を含むことができる。一実施形態において、異なるサイズの粒子を含む「サンプル」が入力部Ｉ_１、Ｉ_２、またはＩ_３の１つに導入される。サンプルは、緩衝液のような他の液体とともに加圧され、これらは領域１から４（それぞれ、３０１Ａ～３０１Ｄ）（それぞれ、「Ｒ１」、「Ｒ２」、「Ｒ３」、および「Ｒ４」として識別される）を通過する。領域３０１Ａ～３０１Ｄは集合的または個別に、それぞれ、複数の領域（または「複数の分離領域」）３０１または領域（または「分離領域」）３０１と呼ぶことができる。ここでもまた、４つの領域のみが示されているが、２５以上の領域を含む、任意の数の領域があってもよいことが留意される。一実施形態において、これらの領域は、単調に減少する粒子サイズが中に捕捉された各出力リザーバ（Ｏ_１からＯ_３および出力ＭＺ）（それぞれ、出力３０２Ａ～出力３０２Ｄとして識別される）につながる粒子の階層的濾過を実行するように設計されている。出力Ｏ_４、３０２Ｅは、残った液体およびサイズが非常に小さい（たとえば、＜１０ｎｍまたは＜２５ｎｍ）他の残骸を収集する。出力３０２Ａ～３０２Ｅは、集合的または個別に、それぞれ、複数の出力３０２または出力３０２と呼ぶことができる。領域Ｒ_１を通って出力Ｏ_１へ流れるサンプルはＲＯ_１として識別される。同様に、領域Ｒ_２を通って出力Ｏ_２へ流れるサンプルはＲＯ_２として識別される。Ｏ_１からＯ_３、出力ＭＺ、およびＯ_４に到達する粒子のサイズ範囲は、ＤＬＤ領域Ｒ_ｉの設計に依存する。ピラーのサイズ、間隔、その高さ、その配置、流れ方向に対するその配向、およびその断面形状のすべてにより、Ｈｕａｎｇら、「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ． ３０４、Ｎｏ． ５６７３、２００４年５月、９８７頁～９９０頁、ＭｃＧｒａｔｈら、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ： Ａ Ｒｅｖｉｅｗ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． １４、Ｎｏ． ２１、２０１４年、４１３９頁～４１５８頁、Ｉｎｇｌｉｓら、「Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅ ｆｏｒ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ ｂｙ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ、Ｖｏｌ． ６、Ｎｏ． ５、２００６年５月、６５５頁～６５８頁、およびＷｕｎｓｃｈら、「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｏｓｏｍｅｓ ａｎｄ Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｄｏｗｎ ｔｏ ２０ ｎｍ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １１、Ｎｏ． １１、２０１６年１１月、９３６頁～９４０頁に議論されるようにフィルタリングされる粒子の範囲が決定される。

一実施形態において、領域１は、比較的大きな直径（たとえば、２５～５０マイクロメートル）の大きなＤＬＤピラーアレイを有すると想定される。領域２は、やや小さなＤＬＤピラーアレイ（たとえば、５～２５マイクロメートルの範囲）を有すると想定される。領域３は、さらに小さなＤＬＤピラーアレイ（たとえば、０．５～５マイクロメートルの範囲）を有すると想定される。さらに、この設計において、領域４は、最小のＤＬＤピラーアレイ（たとえば、２５ｎｍ～５００ｎｍの範囲）を有すると想定される。一実施形態において、これらのピラー間の間隔を大きくしてこれらを「まばら」にすることができる（以下でさらに議論する図５Ｂに示す）。一実施形態において、「まばらな」ピラーは１％から３５％の直径対ピッチの比率（ｄ／ｐ＝０．０１から０．３５）を有する。一実施形態において、「中」ピラーは３５％から６５％の直径対ピッチの比率（ｄ／ｐ＝０．３５から０．６５）を有する。一実施形態において、「密な」ピラーは６５％から９９％の直径対ピッチの比率（ｄ／ｐ＝０．６５から０．９９）を有する。一実施形態において、ナノインプリントとＭＡＣＥの組み合わせを使用して、特にピラー間の間隔が２５ｎｍをかなり下回るとき、これらの密なピラー製造を実現する。Ｍａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｏｎｓｅｔ ｏｆ Ｃｏｌｌａｐｓｅ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ． ２０、Ｎｏ． １１、２０２０年、７８９６頁～７９０５頁、およびＭａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ａｒｒａｙｓ ｍａｄｅ ｂｙ Ｍｅｔａｌ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． ２０、２０２１年、８３頁～９１頁に、このような製造の議論が提供されている。

一実施形態において、入力部Ｉ_Ｓは、出力の１つ（図３Ａ～図３Ｂにおいて、これは出力ＭＺであり、これは混合ゾーンに対応する）と混合する溶媒または化学物質用の任意選択の入力部である。一実施形態において、ＭＺに到着する出力は、２５ｎｍ～１５０ｎｍのサイズ範囲にあるエクソソームまたは抗体であり得る。エクソソームのような粒子が、Ｉ_ＳからＭＺに到着する適切な化学物質または溶媒にさらされれば、この化学物質はエクソソームの壁を壊し、エクソソームが発生した場所からの細胞を表す生体分子（バイオマーカ）である、エクソソームの内容物を放出することができる。最後に、一実施形態において、任意選択のセンサゾーン２０４（図２および図３Ａ～図３ＢにおいてＳＺとマークされる）がある。したがって、混合ゾーン（ＭＺ）は出力３０２（たとえば、Ｏ_Ｆとして識別される）および／またはＳＺ２０４の１つを含むことができる。一実施形態において、センサゾーン２０４は、エクソソームから放出されたバイオマーカを捕捉し、顕微鏡、蛍光顕微鏡、分光計、ラマン分光計などのような機器を使用してこれらを検出する。特に、ＳＺ２０４は、ラマン信号を増強するように設計されていれば、Ａｕ、Ａｇ、またはＣｕのようなプラズモニック材料、または、参照によりその全体を本明細書に組み込む、Ｓｈａｒｍａら、「ＳＥＲＳ： Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ」、Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｏｄａｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏｓ． １－２、２０１２年１月～２月、１６頁～２５頁に議論されたような、より複雑な材料スタックで製造された表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）パターンを含むことができる。

エクソソームは、細胞活性の調節に重要な役割を果たす、とりわけ、成長因子、マイクロＲＮＡ（ｍｉＲＮＡ）、ｍＲＮＡ、および酵素の移動に使用される証拠があることが留意される。免疫調節の文脈において、エクソソーム分泌は、標的細胞の遺伝子発現を調節することができるｍｉＲＮＡのための一方向送達媒体として作用する。エクソソームベースの無細胞療法は、幹細胞移植の必要性がない再生医療のための潜在的なアプローチとして識別されてきた。本明細書に記載の装置を使用して細胞エクソソームが分離されたら、これらの小胞を２つの方法で分析することができる。まず、とりわけ、テトラスパニン（ＣＤ９、ＣＤ６３、ＣＤ８１）、接着タンパク質、または細胞特異的表面マーカ（Ｔ細胞受容体、ＣＡＲ－Ｔ受容体、主要組織適合遺伝子複合体（ＭＨＣ）タンパク質など）のような表面マーカを探すために、プロテオーム解析を実行することができる。これらの表面マーカにより、溶液中のエクソソームの初期識別が可能になり、小胞の起源および生理的環境におけるソースとターゲットとの間の細胞間コミュニケーションおよび認識の可能性に関する情報を提供することができる。エクソソームの内容物を分析することによってエクソソームの治療可能性をさらに評価することができる。一実施形態において、エクソソームの治療可能性は、メタノールのような有機溶媒を使用して単離されたエクソソームを溶解し、次いでタンパク質の同定および分析のために内容物をＳＥＲＳ基板上に堆積させる、またはさらなる遺伝的特徴付けのために単離されることによって評価される。

一実施形態において、これらのピラーのアスペクト比を適切に保つように、さまざまな領域を異なる高さにエッチングすることが必要であり得る。たとえば、領域４（Ｒ_４）で作製されるピラーが１００ｎｍの直径を有すれば、領域１（Ｒ_１）で作製されるピラーは２５マイクロメートルの直径を有するが、領域１におけるエッチング深さは２５マイクロメートルであり得る一方、領域４におけるエッチング深さは１マイクロメートルで十分であり得る。図３Ｂは、１つの領域から次への段差を伴う遷移を引き起こす各領域についてのこの可変エッチング深さを示す。ただしこのような段差の高さの変化は流体の流れに問題を引き起こす可能性がある。たとえば、Ｒ_１とＲ_２との間の段差で、この段差は、領域２、３または４に進む必要があるより小さな粒子のいくつかが、Ｒ_１とＲ_２との間の段差の下で詰まることを引き起こす可能性がある。この問題は、本発明の一実施形態による使い捨て診断チップの第２の実施形態を示す図４Ａ～図４Ｂに示す代替の一実施形態によって対処することができる。

図４Ａは診断チップの上面図を示し、図４Ｂは、図４Ａに示す垂直方向Ｙ－Ｙに沿った断面を示す。図４Ａ～図４Ｂに示すように、遷移（Ｒ_１とＲ_２との間、これはＲ_１２として示される、Ｒ_２とＲ_３との間、これはＲ_２３として示される、Ｒ_３とＲ_４との間、これはＲ_３４として示される）は、緩やかになるように作製され、任意の２つの領域間に傾斜路がある。これらの傾斜路の製造は困難である可能性があり、これらの製造の課題に対処するためのアプローチを本明細書において後で議論する。

マイクロスケールとナノスケールの両方のＤＬＤ領域を組み込む複数領域の階層式ＤＬＤ装置における重要な課題は、流れが分岐してさまざまな出力に向かって移動するときに流れ抵抗をほぼ一致させる必要性である。たとえば、さまざまな流れ抵抗（ニュートン秒メートル^－５またはＮ．ｓ．／ｍ^５で測定）が互いに約１０倍以内であることが望ましい。チャネルの流れ抵抗は、横方向（幅）パラメータ、チャネル深さ、およびチャネル長さによって定義される。抵抗が低すぎる場合、抵抗を増加させて他の経路の抵抗に近づけることができる。この増加は、次のアプローチ、すなわち（ｉ）長さを大きく増加させる－これは、らせん状の流路（たとえば、図３Ａにおける出力Ｏ_３用のチャネル参照、または流れの中断を引き起こす可能性があるいかなる急な曲がりのない曲がりくねった流路）を使用することによって効率的に行うことができる、（ｉｉ）ｄ／ｐ＞０．９または＞０．９５である「密な」ピラーの領域を追加すること、（ｉｉｉ）局所領域においてチャネルのエッチング高さを減少させること、の１つまたは複数を使用することによって達成することができる。この最後の概念は、ともに図３Ａにおける断面Ｚ－Ｚである図３Ｃおよび図３Ｄに示されている。図３Ｃにおいて、エッチング深さは一定であり、これは製造するのが比較的容易である。しかしながら、図３Ｄにおいて、エッチング深さは複雑な方法で変化することが示されている。このようなエッチング深さの変化を作成することができれば、階層式流体システムは適切に一致した流れ抵抗を有するように設計することができる。製造におけるエッチング深さの変化は以下でさらに議論する。

図５Ａを参照すると、図５Ａは本発明の一実施形態によるピラーアレイ１０１（図１）の上面図を示す。図５Ａに示すように、ピラーの直径は、図３Ｂおよび図４Ｂに示すように、領域Ｒ_１から領域Ｒ_４にかけて減少している。さらに、図５Ｂは、本発明の一実施形態によるピラーアレイの３つの配置を示す。図５Ｂに示すように、ピラーアレイの３つのタイプの配置は、密５０１Ａ、中５０１Ｂおよびまばら５０１Ｃパターンである。

図６は、本発明の一実施形態による、マイクロ／ナノ加工シリコンが頂部透明基板６０１（たとえば、ガラス、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））と一体化され、マイクロ／ナノピラーアレイ（この図には示されていない）が、ピラー６０３（たとえば、シリコンピラー）の底と頂部基板６０１との間にマイクロスケールギャップ６０２を作成するスペーサとして作用する診断チップの一実施形態を示す。また、任意選択の入口穴６０５および出口穴６０６が機械加工されたプレキシガラス基板６０４が示されている。一実施形態において、プレキシガラス－シリコン－頂部基板（６０４－６０３－６０１）サンドイッチは、図６に示すようにねじで一緒に保持される。

ここで図７を参照すると、図７は、本発明の一実施形態によるシリコンナノピラーを製造するための方法７００のフローチャートである。図８Ａ～８Ｄは、本発明の一実施形態による図７に記載のステップを使用してシリコンナノピラーを製造するための断面図を示す。

図８Ａ～図８Ｄと併せて図７を参照すると、ステップ７０１において、図８Ａに示すように、シリコンウエハ（たとえば、抵抗が１～１０ｏｈｍ－ｃｍのｐ型（１００）シリコンウエハ）のような基板８０１上に熱酸化物８０２を堆積させる。一実施形態において、３０～１００ｎｍ厚さの熱酸化物８０２を基板８０１上に成長させる。

ステップ７０２において、図８Ａに示すように、レジスト材料８０３（たとえば、ポリマー）の薄層を酸化物８０２上に堆積させ、次いで、決定論的横置換ピラーアレイのピラーのようなレジストピラー８０４（円形）を形成するようにパターニングする。一実施形態において、レジスト材料の厚さは１０～３０ｎｍである。一実施形態において、インプリントリソグラフィを使用してレジスト材料をパターニングする。

ステップ７０３において、図８Ｂに示すように、下にあるレジスト材料８０３および下にある酸化物８０２をエッチングする。一実施形態において、下にある１０～３０ｎｍの残留レジスト層８０３を酸素プラズマエッチングによって除去（デスカム）する。一実施形態において、酸化物層８０２を等方的にエッチングする短い緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）（たとえば、６：１）を使用して、または酸化物８０２の反応性イオンエッチングに続いて短いＢＯＥ浸漬を使用して、下にある酸化物８０２をエッチングする。

ステップ７０４において、任意選択の接着層（図８Ａ～図８Ｄには示されていない）を堆積させ、続いて図８Ｃに示すように触媒８０５の薄膜を堆積させる。一実施形態において、チタン（Ｔｉ）のような接着層をレジストピラー８０４および残りの酸化物８０２上に堆積させ、続いて、銀、金、パラジウム、白金およびルテニウムのような触媒８０５の薄膜を堆積させる。一実施形態において、接着層は２ｎｍの厚さを有する。一実施形態において、触媒のタイプは、ＭＡＣＥ触媒である。一実施形態において、触媒層８０５の厚さは２ｎｍと５０ｎｍとの間である。一実施形態において、触媒８０５の材料は厚さが１０ｎｍまたは４ｎｍの金である。

ステップ７０５において、図８Ｄに示すように図８Ｃの構造をＭＡＣＥ溶液に浸漬する。一実施形態において、パターニングされたウエハを、１２．５モルのＨＦおよび１モルのＨ_２Ｏ_２のＭＡＣ溶液に浸漬する。一実施形態において、エッチングをウエハ内でクエンチし、続いて水ですすぎ、クリーンドライエア（ＣＤＡ）を供給するエアガンで乾燥させることができる。一実施形態において、Ｔｒａｎｓｅｎｅ（商標）ヨウ化カリウムベースの金エッチャントを使用して触媒８０５（たとえば、金触媒）を任意選択で除去することができる。短い酸素プラズマを使用して残りのレジストを任意選択で除去することができる。

一実施形態において、方法７００を使用して、ピラー８０４は、サンプル流体中の粒子の詰まりを防止するように設計される。

図９Ａ～図９Ｄは、本発明の一実施形態による、それぞれ、図８Ａ～図８Ｄに示す各プロセスステップ後の４インチウエハの画像を示す。

図１０は、本発明の一実施形態による図７および図８Ａ～図８Ｄに関連して上で議論したようにＭＡＣＥで作製されたシリコンナノワイヤのトップダウンＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示す。図１０において、スケールバーは１マイクロメートルである。

図１１は、本発明の一実施形態による図７および図８Ａ～図８Ｄに関連して上で議論したようにＭＡＣＥで作製されたシリコンナノワイヤの断面ＳＥＭ画像を示す。図１１において、スケールバーは１マイクロメートルである。

図７、図８Ａ～図８Ｄ、図９Ａ～図９Ｄ、図１０および図１１を参照すると、上のプロセスはナノメートルスケールの分解能を有し、直径が５０ｎｍ以下で間隔が＜５ｎｍのピラーを作製するために使用することができる。このプロセスは、装置領域、および大きなエッチング領域（たとえば、少なくとも２５マイクロメートルからミリメートルものサイズまたは直径を有する正方形または円形の領域）の上に小さな（１００ｎｍ未満）および大きな（＞２５マイクロメートル）ピラーを同時に作製することもできる。一実施形態において、このような大きなエッチング領域は、金膜が非常に微細な多孔質を有し、これによってエッチャントが微細な多孔質の金を通過して大きな領域をエッチングするように、任意選択のアニーリングステップで、Ｔｉがあるまたはない薄膜（＜１５ｎｍ）として堆積させた金触媒を使用して作製される。多孔質金に関する議論が、Ｎｉｃｈｋａｌｏら、「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＭａｃＥｔｃｈ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｉ Ｓｕｒｆａｃｅ」、Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ． １２、Ｎｏ． １０６、２０１７年、１頁～６頁に提供され、これを参照によりその全体を本明細書に組み込む。

一実施形態において、多孔質金膜は、金膜上の細孔場所に対応する領域にシリコン「ナノウィスカー」を生成する結果となる。これらのシリコンナノウィスカーは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）でのシリコンエッチング、または、酸化剤、たとえば硝酸、電気化学的陽極酸化などを使用して、酸素プラズマを使用して酸化が実行される、フッ化水素酸（ＨＦ）を使用したナノウィスカーの酸化およびエッチングのような技術を使用して任意選択で除去される。

一実施形態において、これらの特徴のナノインプリンティングのため、マスターに穴を有し、インプリントおよび反応性イオンエッチング後に溶融シリカにピラーを作製する電子ビームマスターを使用して、テンプレートレプリカが作製される。次いで、Ｃｈｅｒａｌａら、「Ｎａｎｏｓｈａｐｅ Ｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏ． １、２０１６年１月、４４８頁～４５６頁で議論されたように、溶融シリカマスターは酸化物の原子層堆積でコーティングされて所与のピッチのためにサイズが増加したピラーを作製する。得られた溶融シリカレプリカは上のナノインプリントで使用することができ、図７および図８Ａ～図８Ｄに示すＭＡＣＥプロセスが続く。

一実施形態において、図３Ｃおよび図４Ｂに示す制御されたエッチング深さの変化は、次のアプローチの１つまたは複数を使用することによって達成される。

１つのアプローチにおいて、参照によりその全体を本明細書に組み込む、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０６０１７６号で議論されたように、局所温度を使用してＭＡＣＥプロセス中のシリコンのエッチング速度を制御する。これにより、シリコンウエハがより高い温度を有する領域におけるエッチング速度の増加が可能になり、より熱い領域からより冷たい領域に行く移行領域において段階的なエッチング速度を有することになる。

別のアプローチにおいて、局所領域におけるエッチング速度は、ウエハの各部分に供給されるエッチャントの量を制御することによって制御される。エッチャント輸送の制御を使用してエッチング深さの変化を作成するこの考えは、Ｍａｌｌａｖａｒａｐｕら、「Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｏｎｓｅｔ ｏｆ Ｃｏｌｌａｐｓｅ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ． ２０、Ｎｏ． １１、２０２０年、７８９６頁～７９０５頁の図３に含まれている。このエッチャントフロー制御を作成する１つの方法は、（ｉ）図７および図８Ａ～図８ＤのＭＡＣＥプロセスをまず使用してシリコンナノワイヤの短い均一なエッチング（たとえば、１００ｎｍのエッチング深さ）を作成し、続いて（ｉｉ）ウエハをエッチャントから除去し、水でクエンチして乾燥させ、続いて（ｉｉｉ）インクジェットベースのＵＶ硬化性モノマー材料（参照によりその全体を本明細書に組み込む、Ｃｈｏｉら、「ＵＶ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、Ｇａｒｙ Ｗｉｅｄｅｒｒｅｃｈｔによる編集、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｒｅｓｓ、２００９年１０月、３１０頁、１４９頁～１８１頁参照、で議論されたアクリレートのような）を堆積させてシリコンウエハの一部を選択的にブロックし、続いて（ｉｖ）ウエハをＭＡＣＥエッチャントに再挿入し、これによって、ブロックされていない領域においてＭＡＣＥプロセスを継続することである。ＵＶ硬化可能材料は次のいずれかにインクジェットすることができる。

（１）さらなるエッチングが中止されるべき完全にブロックされた領域（たとえば、その完全なエッチング深さに達した領域Ｒ_４、ＭＺ、およびＳＺ）。

（２）部分的にブロックされた領域（ここでモノマーのインクジェット液滴が完全に合併する前に分配されてＵＶ硬化し、したがって、液滴の間質領域に小さな隙間を残し、これらのギャップは、ＭＡＣＥエッチングのために下にあるシリコンに浸透するであろうエッチャントの量を定義する）。

（３）ＭＡＣＥエッチングが滞りなく継続するようにモノマーがインクジェットされていないブロックされていない領域。

別の一実施形態において、ＤＬＤピラーアレイ１０１（図１参照）は、流体の流れおよび横方向の漏れに対するバリアとして作用するピラーの密なアレイ（食い違い状または他の方法）を有することもできる（以下で議論する図１２参照）。これらのバリアアレイは、図５Ｂで議論したように本質的に密なピラーであり、「超密」とすることができる。「超密」は、本明細書で使用されるとき、ｄ／ｐ＞０．９または＞０．９５を指す。バリアアレイの個々のピラーの断面は、円形の対称形状である必要はない。たとえば、これらは非対称の形状とすることもできる。非対称の形状であれば、ＤＬＤピラーアレイ１０１から外側への流体の漏れを制限するが、外側からＤＬＤピラーアレイ１０１への流体の注入が可能になり、これは、図１２に示すようにＤＬＤの内容物上で原位置動作を実行するために使用することもできる。図１２は、本発明の一実施形態による粒子分離のための例示的なサイドバリアアレイを示す。

図１２を参照すると、図１２は、入口マニホールド１０２および出口マニホールド１０３とともにＤＬＤピラーアレイ１０１を示す。一実施形態において、バリア層／アレイ１２０１は、上で議論したようにＤＬＤピラーアレイ１０１とともに製造することができ、いかなる別個の製造ステップも必要としない。サイドバリアアレイの幅はマイクロメートル未満からミリメートルの上方までの範囲とすることができる。これらのバリアアレイには、これらの装置のタイムスケールにおいて、バリアはいかなる関連する粒子の通過も許可せず、非常に小さな割合の液体のみを通過させて浸透させるという利点がある。

一実施形態において、本発明の原理は、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）検出の前に液体排出のための多孔質層を作製する。

一実施形態において、本明細書で議論する診断装置を使用して検出されるべき生物学的または化学的粒子を含む緩衝溶液は、ＳＥＲＳによって検出されれば、ＳＥＲＳ検出を増強するために金パターンの下に多孔質シリコン層を使用して排出することができる。一実施形態において、多孔質シリコン層は、流体内の粒子が多孔質シリコン層における細孔内へ浸透するのを防止しながらサンプル液体のための排出部として作用するように設計されている。一実施形態において、多孔質シリコン層は、ＳＥＲＳ「浴槽」が図２、図３Ａ～図３Ｂおよび図４Ａ～図４ＢのＳＺ領域においてＭＡＣＥを使用して作製された後に形成される。一実施形態において、ＳＥＲＳ「浴槽」は所望のＤＬＤアレイ出口に接続され、２ｍｍ×２ｍｍの面積、および１マイクロメートルの深さを有する。「浴槽」は、ＤＬＤアレイ、入口、および出口の残りとともにエッチングされる。金触媒は、ウエットエッチング（ヨウ化カリウムベースまたは王水のような）、プラズマエッチング、または原子層エッチングを使用して（参照によりその全体を本明細書に組み込む、Ｔ．Ａ． Ｇｒｅｅｎ、「Ｇｏｌｄ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、Ｇｏｌｄ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、Ｖｏｌ． ４７、Ｎｏ． ３、２０１４年、２０５頁～２１６頁で議論されたように）エッチング除去される。一実施形態において、インクジェットを使用して、ＳＥＲＳ「浴槽」領域を除くすべての領域においてポリマーブロッキング材料を分配する。一実施形態において、電界およびＨＦで構成される電解質を使用するＳＥＲＳ「浴槽」領域におけるシリコンの電気化学的エッチングによって多孔質層が作製される。一実施形態において、多孔質層の形態（多孔性、細孔サイズ、細孔配向）は、参照によりその全体を本明細書にそれぞれ組み込む、Ｖｏｌｋｅｒ Ｌｅｈｍａｎｎ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ： Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ， Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ、２００２年、１頁～１１５頁、およびＡｌｅｘｅｙ Ｉｖａｎｏｖ、「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ａｎｏｄｉｚａｔｉｏｎ ａｓ ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ： Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ Ｒｅｖｉｅｗ， Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ」、２０１８年、１頁～３１６頁で議論されたように、ウエハにわたって電圧および／または電流密度を変更することによって制御される。

別の一実施形態において、Ｃｈｏｉら、「ＵＶ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ， Ｇａｒｙ Ｗｉｅｄｅｒｒｅｃｈｔによる編集、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｒｅｓｓ、２００９年１０月、３１０頁、１４９頁～１８１頁参照、で議論されたように、金触媒（たとえば、触媒８０５）は、インクジェットおよびＵＶ硬化アクリル酸塩物質のようなポリマーコーティングを使用してＳＺ領域を除くすべての他の領域をブロックした後、電界と併せて、最適化されたＭＡＣＥエッチャント組成を使用して浴槽の下に多孔質層を作製するために使用される。あるいは、ステインエッチングを使用して、ＨＦおよび硝酸のような強力な酸化剤からなるエッチャントを使用して、電界なしで、浴槽領域に多孔質シリコン層を作製することができる。

一実施形態において、金の下に作製された多孔質領域に続き、金をパターニングおよびエッチングして、信号増強に要求される最適なＳＥＲＳパターンを作成することができる。Ｓｈａｒｍａら、「ＳＥＲＳ： Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｏｄａｙ、Ｖｏｌ． １５、Ｎｏｓ． １～２、２０１２年１月～２月、１６頁～２５頁に、例示的なＳＥＲＳパターンが議論されている。このパターニングステップは、以下で説明するようにナノインプリントリソグラフィおよびウエットエッチングステップを使用して実行することができる。

（１）ウエハのＳＺ部分における浴槽の下に多孔質領域を作製した後、ウエハを洗浄して酸素プラズマまたはＵＶオゾンクリーンを使用してポリマー材料のすべてを除去する。

（２）Ｃｈｏｉら、「ＵＶ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、Ｇａｒｙ Ｗｉｅｄｅｒｒｅｃｈｔによる編集、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｐｒｅｓｓ、２００９年１０月、３１０頁、１４９頁～１８１頁で報告されたもののような、薄い（１０ｎｍ未満）接着層をウエハ全体にコーティングする。

（３）所望のＳＥＲＳパターンを含むインプリントテンプレートを、「浴槽」の底にある接着層上へインプリントする。テンプレートは、浴槽に収まる「メサ」上に所望のＳＥＲＳパターンを有する。このインプリントステップが完了すると、ＳＥＲＳパターンの下方に厚さ１５～４０ｎｍの残留ポリマー層があるが、同時にウエハの残りは少なくとも７５ｎｍ以上の残留ポリマーフィルムで覆われている。

（４）次に図７および図８Ａ～図８Ｄで議論したものと同様の残留層（デスカム）エッチングを実行して残留層および接着層をエッチングし、窪んだレジスト領域において金膜を露出させる。

（５）次にウエハを金のウエットエッチャントにさらして浴槽の底にある金のＳＥＲＳ構造をエッチングする。

（６）最後に、ポリマーインプリント材料をすべての場所で除去して、ＳＺ領域における多孔質シリコン材料上での一体型ＳＥＲＳセンサの製造を完了する。これにより、溶媒および緩衝液を多孔質シリコンに吸収させ、これらの材料を感知する（たとえば、エクソソーム、生体分子、タンパク質など）ことが可能になる。

図１３は、本発明の一実施形態によるＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための方法１３００のフローチャートである。図１４Ａ～図１４Ｃは、本発明の一実施形態による図１３に記載のステップを使用してＭＡＣＥプロセスを使用して自己整合ピラーを作製するための断面図を示す。

図１４Ａ～図１４Ｃと併せて図１３を参照すると、ステップ１３０１において、基板１４０２の開口セクションにＭＡＣＥ触媒１４０１を堆積させ、開口セクションは、図１４Ａに示すようにピラー１４０３（たとえば、先細りピラー）を含まない基板１４０２上のこれらのセクションを指す。一実施形態において、このような先細りピラー１４０３は、ＤＬＤアレイ１０１のためのＭＡＣＥプロセスによって作製される。これらのピラーは、図１４Ａに示すように自己整合マルチステップＭＡＣＥプロセスを使用して特定の先細り形状で作製することができる。

ステップ１３０２において、図１４Ｂに示すように、ピラー１４０３に、たとえばその側壁に沿って、酸化物１４０４を堆積および／または成長させる。一実施形態において、側壁酸化ステップは、熱酸化または酸素プラズマへの曝露のような、一般的な半導体酸化技術を使用して実行される。

ステップ１３０３において、図１４Ｃに示すように、シリコン１４０２の一部とともに側壁酸化物１４０４を除去する（溶解させる）。たとえば、一実施形態において、ＨＦ蒸気または短いＢＯＥ浸漬を使用して、形成された酸化物１４０４の薄い壁を除去する。

上で議論した本発明の原理を使用する結果として、バイオマーカおよび化学混合物中または水中の微量のナノ粒子が効果的に検出される。

本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示という目的のために提示してきたが、網羅的であるように意図されても、開示された実施形態に限定されてもいない。記載された実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者に明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実践的応用または市場に見られる技術に対する技術的改善を最もよく説明するため、または当業者が本明細書に開示された実施形態を理解することが可能になるように選択された。

１０１ ピラーアレイ
１０２ 入口
１０３ 出力ストリーム
２０１Ａ～２０１Ｄ 卓上装置
２０２ チップ
２０３ チップホルダ
２０４ センサゾーン
３０１Ａ～３０１Ｄ 領域
３０２Ａ～３０２Ｅ 出力
６０１ 頂部透明基板
６０２ マイクロスケールギャップ
６０３ ピラー
６０４ プレキシガラス基板
６０５ 入口穴
６０６ 出口穴
８０１ 基板
８０２ 熱酸化物
８０３ レジスト
８０４ レジストピラー
８０５ 触媒
１２０１ バリア層／アレイ
１４０１ ＭＡＣＥ触媒
１４０２ 基板
１４０３ ピラー
１４０４ 酸化物

Claims (8)

1. １つまたは複数の入力部であって、異なるサイズの粒子を含むサンプルが前記１つまたは複数の入力部の少なくとも１つに導入される、１つまたは複数の入力部と、
   複数の分離領域であって、前記サンプルは、前記複数の分離領域を通過する際に加圧され、前記複数の分離領域のそれぞれが決定論的横置換アレイを含み、前記複数の分離領域の２つ以上における前記決定論的横置換アレイは異なるエッチング深さプロファイルを有する、複数の分離領域と、
   粒子分離のための前記決定論的横置換アレイ内のサイドバリアアレイと、
   を含む、診断チップ。
2. 前記決定論的横置換アレイにおけるピラーが、メタルアシストケミカルエッチングを使用して製造されている、請求項１に記載の診断チップ。
3. 前記決定論的横置換アレイにおけるピラーが、ナノインプリントリソグラフィを使用して製造されている、請求項１に記載の診断チップ。
4. 前記決定論的横置換アレイは粒子分離に使用される、請求項１に記載の診断チップ。
5. 前記決定論的横置換アレイにおけるピラーが先細りしている、請求項１に記載の診断チップ。
6. 前記決定論的横置換アレイにおけるピラーが、メタルアシストケミカルエッチングおよびシリコン酸化を使用して作製されている、請求項１に記載の診断チップ。
7. 前記決定論的横置換アレイにおけるピラーが、０．８より大きな直径対ピッチ比を有し、前記ピラーは、前記サンプルにおける粒子の詰まりを防止するように設計されている、請求項１に記載の診断チップ。
8. 前記サンプルは、次のもの、すなわち、血液、血清、唾液および尿の１つを含む、請求項１に記載の診断チップ。