WO2012017904A1 - マイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴光の発生装置 - Google Patents

マイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴光の発生装置 Download PDF

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periodic structure
laser
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山本　敏
末益　龍夫
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株式会社フジクラ
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    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a microfluidic chip, a microfluidic chip, and a surface plasmon resonance light generator.
  • an intermolecular interaction detector using surface plasmon resonance induced by irradiating a metal surface with light is known.
  • a metal thin film is formed in a detection portion of a flow channel for flowing a solution containing a biomolecule, an antibody modified with a fluorescent molecule is fixed on the surface of the metal thin film, and the antibody and the detection target are fixed.
  • An apparatus capable of detecting a change in a fluorescence signal from the fluorescent molecule when an intermolecular interaction (binding) occurs between the two is disclosed.
  • the laser irradiation is performed by forming a regular periodic structure (grating) on the metal surface of the detection unit.
  • the corner limit can be relaxed. For this reason, it is disclosed that a prism can be omitted and the apparatus can be downsized and the optical system can be simplified.
  • a general conventional method for forming the periodic structure is a method of etching a substrate by forming a resist mask having a periodic pattern corresponding to the periodic structure on a substrate made of SiO 2 or the like.
  • a method of forming a grating-like resist mask by irradiating a positive resist with a He—Cd laser by a two-bundle interference method (the following Non-Patent Document 1).
  • a method is known in which a negative resist is applied on a flow path formed on a SiO 2 substrate, and the resist is processed into a grating by a two-photon absorption method using a femtosecond laser (Non-patent Document 2 below).
  • any of the above methods it is necessary to form on the substrate a resist subjected to ultrafine processing having a shape corresponding to the periodic structure. That is, there is a problem that the processing accuracy of the periodic structure depends on the processing accuracy of the resist.
  • the processing accuracy of the resist is affected by complicated factors such as the chemical composition of the resist composition, the adhesion between the substrate and the resist, the etching characteristics after forming the resist pattern, and the laser irradiation conditions. Also, it is often difficult to evenly form a resist before patterning in a fine structure such as a microchannel on a substrate.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is not necessary to form a resist having a periodic pattern corresponding to the periodic structure, and the microfluidic chip can form the periodic pattern and the periodic structure directly on the substrate surface. It is an object to provide a manufacturing method, a microfluidic chip, and a surface plasmon resonance analyzer.
  • a method of manufacturing a microfluidic chip according to the first aspect of the present invention includes a laser having a pulse width whose pulse time width is on the order of picoseconds or less in a region on a substrate surface where a recess for containing a liquid is provided.
  • the periodic pattern formed in a self-organized manner is a plasmon in a region close to the substrate surface generated by the laser beam incident on the substrate.
  • the method for manufacturing a microfluidic chip according to (1) or (2) uses a linearly polarized laser as the laser light, and the laser light is perpendicular to the polarization direction of the linearly polarized light.
  • a configuration may be adopted in which the scanning direction and the direction in which the plurality of grooves forming the periodic structure extend are paralleled by scanning the condensing region.
  • the method for manufacturing a microfluidic chip according to (1) or (2) above uses a linearly polarized laser as the laser light, and the laser in a direction parallel to the polarization direction of the linearly polarized light.
  • the method of manufacturing a microfluidic chip according to any one of (1) to (4) may use an isotropic dry etching method in the etching process.
  • the concave portion provided on the substrate surface may form a flow path.
  • the microfluidic chip manufacturing method according to (6) may further include attaching a member to the substrate surface so as to cover the flow path on the substrate surface.
  • a microfluidic chip according to the second aspect of the present invention is a microfluidic chip obtained by the manufacturing method according to any one of (1) to (9) above.
  • the surface plasmon resonance light generator according to the third aspect of the present invention is a surface plasmon resonance light generator using the microfluidic chip according to (10) above.
  • the manufacturing efficiency is excellent.
  • the periodic structure is formed in the recess by modification of the substrate by laser irradiation and etching treatment, the processing accuracy of the periodic structure is excellent. It is also possible to form a nano-order periodic structure.
  • a channel having a desired path and shape and / or a well having a desired shape can be arranged on the substrate. Furthermore, a nano-order periodic structure (grating) can be formed at a desired bottom surface portion in the flow path or well. Furthermore, a metal layer having a surface profile reflecting the periodic structure can be formed by covering the periodic structure with a metal layer. By irradiating such a metal layer with light from the outside, surface plasmon resonance light can be induced in the vicinity of the metal layer. By using the surface plasmon resonance light, applications such as detection of intermolecular interaction in the vicinity of the metal layer and observation with a fluorescent signal of an observation target in the vicinity of the metal layer are possible.
  • substrate which shows a mode that the modified part containing a periodic pattern is formed in the substrate surface by laser irradiation. It is an example of the schematic top view of a board
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a microfluidic chip according to a first embodiment of the present invention. It is a typical perspective view which shows the modification of the microfluidic chip concerning the embodiment. It is a typical perspective view which shows the microfluidic chip concerning 2nd Embodiment of this invention.
  • the method of manufacturing a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention irradiates a laser beam having a pulse width of a picosecond order or less on a region where a recess for allowing a liquid to exist is provided on a substrate surface. Forming a modified portion having a periodic pattern formed in a self-organized manner in the condensing region of the laser beam, and etching the substrate on which the modified portion is formed.
  • a periodic structure including a plurality of grooves along one direction and having a surface profile based on the periodic pattern is provided on at least a bottom surface of the recess, and at least a part of the modified portion is removed to provide the recess.
  • the step A includes irradiating a laser beam having a pulse width with a pulse width on the order of picoseconds or less on a region where a concave portion for allowing a liquid to reside is formed on the substrate surface. This is a step of forming a modified portion having a periodic pattern formed in a self-organizing manner in a light condensing region.
  • the laser beam L is applied to the substrate 10.
  • the laser light L is condensed by the lens 20 in a region near the substrate surface.
  • the modified portion 11 is formed in the condensing area F of the laser beam L on the substrate 10.
  • the focal point of the laser beam L is in the condensing area F.
  • a linearly polarized laser is used as the laser light L, and the polarization direction (electric field direction) is a direction parallel to the paper surface (both indicated by arrows E).
  • the reforming unit 11 includes a plurality of first reforming units 11a and a plurality of second reforming units 11b. When viewed in the polarization direction, which is a direction parallel to the paper surface, in the reforming unit 11, there is a periodic pattern 14 in which the first reforming unit 11a and the second reforming unit 11b are alternately formed. .
  • the first modification unit 11a is modified as a result of the interference wave between the plasmon (electron plasma wave) in the region near the substrate surface generated by the laser beam L incident on the substrate 10 and the incident laser beam L strengthening each other. It is a part to be done.
  • the second modified portion 11b is formed at a site where the strengthening of the interference wave is relatively weak. Since the modified portion 11 has weak etching resistance (high etching speed), it is removed preferentially in the etching process in the process B described later. Furthermore, since the first modified portion 11a and the second modified portion 11b have different structures, one has a higher etching rate than the other (for convenience, the first modified portion 11a is faster. Do).
  • the periodic pattern 14 is formed in a self-organized manner under the influence of the interference wave. That is, by controlling the irradiation intensity of the laser beam L so that the interference wave is generated, the modified portion 11 with the periodic pattern 14 is formed directly on the substrate 10 without using a resist mask or the like. can do.
  • the periodic pattern 14 formed in a self-organized manner is a plasmon in a region near the substrate surface generated by the laser light L incident on the substrate 10. And a portion of the incident laser beam L that is modified by strengthening interference waves (first modified portion 11a), and a portion that is modified by weakening the strengthening of the interference waves (second modified)
  • the mass part 11b) is preferably included.
  • the irradiation intensity is a value close to the processing appropriate value of the material constituting the substrate 10 or higher than the processing appropriate value and lower than the ablation threshold.
  • the periodic pattern 14 can be formed in a self-organized manner in a region close to the condensing region of the laser light L.
  • the processing appropriate value is defined as the lower limit value of the laser pulse power for forming the periodic structure 14.
  • the ablation threshold is a lower limit value of the laser pulse power for generating ablation, and is different from the processing appropriate value. In general, the processing appropriate value is smaller than the ablation threshold value.
  • the nano-periodic pattern 14 can be formed by appropriately adjusting the irradiation intensity.
  • the nano order means that the interval between adjacent modified portions 11a or the interval between adjacent modified portions 11b is in units of nanometers (nm).
  • the periodic pattern 14 having the interval of 10 to 800 nm can be formed.
  • the material constituting the substrate 10 is preferably a material in which the periodic pattern 14 is formed on the surface of the substrate 10 by the process A in a self-organized manner and has a high transmittance with respect to the laser beam L.
  • synthetic quartz having excellent processability is most suitable, but glass materials such as borosilicate glass and crystalline materials such as quartz, sapphire, and diamond are also suitable.
  • the laser light L is not particularly limited as long as the pulse time width is a laser light having a pulse width of the picosecond order or less.
  • a titanium sapphire laser, a fiber laser having a pulse width of the picosecond order or less may be used. it can.
  • a refractive objective lens or a refractive lens can be used.
  • a Fresnel, reflection type, oil immersion, or water immersion type objective lens may be used.
  • a cylindrical lens it is possible to irradiate a laser on a wide area of the surface of the substrate 10 at a time.
  • a wide area can be processed at a time using a holographic mask or interference.
  • the irradiation method of the laser beam L is not particularly limited.
  • the scanning range of the condensing area of the laser beam L is widened, and the modified portion having the periodic pattern 14 in a wide range. 11 can be formed.
  • the periodic pattern 14 can be formed without shifting in the substrate thickness direction.
  • a Ti sapphire laser is used as an example of irradiation with the laser beam L.
  • the irradiation condition include an irradiation condition in which a wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 200 kHz, and a laser scanning speed of 1 mm / second are set and the laser beam L is condensed and irradiated onto the synthetic quartz substrate 10.
  • the values of the wavelength, the repetition frequency, and the scanning speed exemplified here are merely examples, and the present invention is not limited thereto and can be arbitrarily changed.
  • the lens 20 used for condensing N.I. It is preferable to use an objective lens with A ⁇ 0.7.
  • the pulse intensity is preferably irradiated with a power of not more than an ablation threshold, for example, about 100 nJ / pulse or less when irradiating a region near the substrate surface.
  • the modified portion 11 can be formed in a desired shape in the substrate 10 by scanning the condensing area of the laser light while focusing the laser light L on the substrate 10. Thereafter, at least a part of the modified portion 11 is removed by an etching process in the subsequent process B, and a recess is provided on the substrate surface. That is, on the surface of the substrate 10, a region where a recess for containing a liquid (sample solution) is provided is irradiated with the laser beam L to form the modified portion 11 in the region, and one of the modified portions 11 is formed.
  • the recess can be formed on the surface of the substrate 10 by removing the portion by etching. At this time, as will be described in detail later, a periodic structure including a plurality of grooves along one direction having a surface profile based on the periodic pattern 14 can be formed on the bottom surface of the recess.
  • the relationship with the extending direction of the reforming unit 11 can be adjusted by controlling the polarization direction (polarized light) of the laser light L.
  • FIG. 2 is a schematic top view of the substrate 10.
  • a linearly polarized laser is used as the laser light L
  • the substrate 10 is irradiated from a direction perpendicular to the substrate surface (paper surface)
  • the light collection area is ⁇ , ⁇ , ⁇ along the extending direction of the modified portion 11.
  • the modified portion 11 is formed by continuously scanning in this order.
  • the polarization direction E (electric field direction) of the laser light L at this time is indicated by both arrows E.
  • the polarization direction E is controlled so that the scanning direction of the laser light L (the extending direction of the reforming unit 11) and the polarization direction E are perpendicular to each of the ⁇ to ⁇ regions. While scanning the laser beam L.
  • the first modified portion 11 a and the second modified portion 11 b are formed in parallel along the extending direction of the modified portion 11.
  • the direction of the periodic pattern 14 is formed so as to be orthogonal to the extending direction of the reforming portion 11.
  • the first reforming part 11a is drawn with two thick lines. However, this is only drawn with two lines for the sake of convenience of the paper. 11 does not mean that there are two first reforming portions 11a.
  • FIG. 3 is a schematic top view of the substrate 10.
  • a linearly polarized laser is used as the laser light L
  • the substrate 10 is irradiated from a direction perpendicular to the substrate surface (paper surface)
  • the light collection area is ⁇ , ⁇ , ⁇ along the extending direction of the modified portion 11.
  • the reforming part 11 is formed by continuously scanning in this order.
  • the polarization direction E (electric field direction) of the laser light L at this time is indicated by both arrows E.
  • the polarization direction E is controlled so that the scanning direction of the laser light L (the extending direction of the reforming unit 11) and the polarization direction E are parallel to each region of ⁇ to ⁇ . While scanning the laser beam L.
  • the first modified portion 11 a and the second modified portion 11 b are formed so as to be orthogonal to the extending direction of the modified portion 11.
  • the direction of the periodic pattern 14 is formed in parallel to the extending direction of the reforming portion 11.
  • the periodic pattern 14 is not formed in the third reforming portions 11 c at both ends of the reforming portion 11. This is because the irradiation intensity of the laser beam L is controlled and the third modified portion 11c is formed with a pulse power stronger than that in which a periodic pattern is formed in a self-organized manner. Thus, whether or not the periodic pattern 14 is formed can be determined by controlling the laser irradiation intensity. For example, the periodic pattern 14 may not be formed in at least a part of the regions ⁇ to ⁇ .
  • the shape of the reforming portion 11 is formed in a crank shape.
  • the crank-shaped modified portion 11 is removed from the surface of the substrate 10 to form a crank-shaped recess.
  • the shape of the reforming portion 11 is not limited to the crank shape, and by controlling the scanning of the laser beam L according to the shape of the flow path or well in the microfluidic chip according to the present invention, the shape can be changed to a desired shape. Can be formed.
  • step B an etching process is performed on the substrate 10 (for example, FIG. 1) on which the modified portion 11 is formed, and at least a part of the modified portion 11 is removed.
  • This is a step of providing a recess 15 on the substrate surface 10 and forming a periodic structure 16 having a surface profile based on the periodic pattern 14 and including a plurality of grooves 12 a along one direction on at least the bottom surface of the recess 15.
  • the first modified portion 11a is preferentially etched (selectively) over the second modified portion 11b.
  • a recess 15 is formed.
  • a part of the second modified portion 11b remains on the bottom surface of the concave portion 15, whereby a plurality of convex portions 12b are formed.
  • the reason why the first modified portion 11a is preferentially etched is that the etching resistance of the first modified portion 11a is low.
  • the first modified portion 11a is a region where the etching resistance is lowered due to the lack of oxygen.
  • the surface profile (uneven shape) of the periodic structure 16 in which the groove portions 12 a and the convex portions 12 b are alternately formed is formed based on the periodic pattern 14 in the modified portion 11. That is, the interval between the centers of the adjacent groove portions 12 a in the periodic structure 16 corresponds to the interval between the centers of the adjacent modified portions 11 a in the periodic pattern 14. Similarly, the interval between the centers of the convex portions 12 b adjacent in the periodic structure 16 corresponds to the interval between the centers of the modified portions 11 b adjacent in the periodic pattern 14. Therefore, when the periodic pattern 14 is formed in the nano order, the periodic structure 16 can be similarly formed in the nano order.
  • the plurality of groove portions 12a and convex portions 12b in the periodic structure 16 are formed along one direction.
  • the one direction is the same as the direction in which the first modified portion 11a and the second modified portion 11b in the periodic pattern 14 extend.
  • FIGS. FIGS.
  • FIG. 5 is a substrate obtained by etching the substrate 10 shown in FIG. 2, and the grooves 12 a and the protrusions 12 b extend in one direction along the extending direction of the flow path 18 formed after the etching process.
  • FIG. 6 is a substrate obtained by etching the substrate 10 shown in FIG. 3, and the grooves 12a and the protrusions 12b in one direction perpendicular to the extending direction of the flow path 18 formed after the etching process. Is stretched.
  • the etching resistance varies depending on the combination of the material of the substrate 10 and the etching solution or etching gas. For this reason, depending on the combination of both, the second modified portion 11b may be more selectively etched to form a recess. Even in this case, since the periodic structure 16 based on the periodic pattern 14 is formed, it may function as the microfluidic chip according to the present invention.
  • etching method either wet etching or dry etching may be used.
  • dry etching is preferable because the shape of the periodic structure 16 can be dynamically controlled and accurate processing is possible. .
  • wet etching dynamic shape control is difficult, and a desired periodic structure may not be obtained.
  • the dry etching method either an anisotropic dry etching method or an isotropic dry etching method may be used. From the viewpoint of forming the recess 15 on the surface of the substrate 10, an isotropic dry etching method is used. preferable.
  • the isotropic dry etching method the first modified portion 11a can be removed preferentially to form the groove portion 12a.
  • the second modified portion 11b can be etched to some extent to form the convex portion 12b, and the concave portion 15 can be formed on the surface of the substrate 10.
  • the anisotropic dry etching method when used, the first modified portion 11a can be selectively removed to form the groove 12a, but the second modified portion 11b is hardly etched and the substrate is not etched. 10 may have no recess 15 formed on the surface (see FIG. 7).
  • an anisotropic etching method and an isotropic etching method may be used in appropriate combination. For example, when the groove 12a is dug deeply, it is effective to use an anisotropic etching method.
  • anisotropic dry etching method is reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE). More specifically, parallel plate type RIE, magnetron type RIE, ICP type RIE, NLD type RIE, and the like are applicable. Etching using a neutral particle beam is also applicable.
  • RIE reactive ion etching
  • etching gas examples include fluorocarbon-based, SF-based gas, CHF 3 , fluorine gas, and chlorine gas.
  • gases such as oxygen, argon, helium and the like can be mixed and used as appropriate.
  • the structure of the recess 15 can be controlled by changing the process pressure during etching (pressure in the etching chamber).
  • the RF power at the time of etching and the pressure in the chamber are parameters that determine the processing shape.
  • changing the etching pressure is the parameter that most easily controls the shape (surface profile) after etching of the periodic structure 16.
  • the ion When the pressure is low, the ion is strongly attracted to the material, so that the anisotropy is further increased, and only the region (recess 12a) having a high etching selectivity in the periodic structure 16 can be more selectively etched. Is possible. Therefore, the material in the region close to the modified portion 11b and the modified portion 11b located between the modified portions 11a forming the periodic structure 16 is hardly etched, and the modified portion 11a is selectively etched. In this case, as shown in FIG. 7, the recessed part 15 is hardly formed and the groove part 12a is selectively formed.
  • the modified portion 11a that forms the periodic structure 16 and has high etching selectivity is formed in the lateral direction. Also etched. That is, the material (modified part 11b) in the region close to the modified part 11a is etched together with the modified part 11a. Thereby, as shown in FIG. 4, a recess 15 is formed on the surface of the substrate 10. Further, a periodic structure 16 including a plurality of groove portions 12 a and a plurality of convex portions 12 b is formed on the bottom surface of the concave portion 15.
  • anisotropic dry etching and isotropic dry etching in order to increase the aspect ratio of the groove 12a and the protrusion 12b, it is preferable to reduce the plasma density as much as possible by reducing the RF power. Conversely, when the plasma density is increased by increasing the RF power, the aspect ratio of the groove 12a and the protrusion 12b tends to decrease.
  • the isotropic dry etching method when used as the dry etching method, when the isotropic property is strong, the layer having a low etching resistance (first modified portion 11a) is more easily etched to form the groove portion 12a. Etching in the lateral direction of 12a proceeds. For this reason, the recessed part 12a and the convex part 12b which adjoin gradually from an upper part can be connected. Thereby, as shown in FIG. 4, a recess 15 is formed on the surface of the substrate 10. Further, a periodic structure 16 including a plurality of groove portions 12 a and a plurality of convex portions 12 b is formed on the bottom surface of the concave portion 15.
  • Examples of the isotropic etching method include barrel type plasma etching, parallel plate type plasma etching, and downflow type chemical dry etching.
  • the shape of the groove 12a and the convex portion 12b forming the periodic structure 16 formed on at least the bottom surface of the concave portion 15 formed by the above-described step A and step B is desired depending on the laser irradiation intensity in step A and the etching method in step B.
  • the microfluidic chip according to the present invention can be used as the microplate described in Patent Document 2 by setting the shape of the periodic structure 16 to the shape described in Patent Document 2.
  • the cross-sectional shapes of the groove 12a and the convex 12b in the periodic structure 16 are rectangular, sawtooth, or sinusoidal, and the interval between adjacent grooves 12a is equal to or less than the wavelength of the measurement laser beam, for example, 10
  • the depth of the groove 12a (the height of the convex portion 12b) may be 4 to 400 nm.
  • the shape of the recess 15 formed by the above process A and process B can be freely set to a desired depth, width, and length by adjusting the scanning range of the condensing area of the laser light L in process A. Can be formed.
  • the recess 15 may be provided so as to form a crank-shaped flow path 18 as shown in FIGS. 2 and 3, or may be provided so as to form a linear flow path 18 as shown in FIG. Good.
  • you may provide the recessed part 15 so that the rectangular well 21 as shown in FIG. 11 may be comprised.
  • the step C is a step of forming a metal layer 19 that covers the periodic structure 16 on the bottom surface of the recess 15.
  • the material of the metal layer 19 is preferably a metal that can generate surface plasmon resonance light when irradiated with light from the outside.
  • a transition metal such as gold, silver, copper, platinum, or nickel is preferable.
  • the thickness of the metal layer 19 is preferably 10 to 500 nm.
  • the method for forming the metal layer 19 is not particularly limited, and a known film forming method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or a plating method can be employed.
  • the surface profile (surface irregularity shape) of the metal layer 19 preferably reflects the surface profile of the periodic structure 16.
  • the surface profile may be substantially the same along the surface profile of the periodic structure 16, or may be a shape that is somewhat smoothed so as to fill the corners of the periodic structure 16. Specifically, for example, the shape of the metal layer described in Patent Document 2 is helpful.
  • the manufacturing method of the microfluidic chip of this embodiment may include processes other than the processes A to C described above.
  • the manufacturing method according to the present embodiment further includes a step of forming a protective layer on the metal layer 19.
  • the material of the protective layer is not particularly limited as long as it is a material that absorbs external light (measurement laser light) for generating surface plasmons or the fluorescent signal.
  • examples thereof include organic polymers such as polycarbonate and polymethyl methacrylate, silica (SiO 2 ), and the like.
  • the film thickness of the protective layer may be determined according to the generated surface plasmon resonance light and the wavelength (energy) of the fluorescent signal, and may usually be in the range of 10 nm to 100 nm.
  • an adhesive layer may be further provided between the surface of the periodic structure 16 and the metal layer 19 and between the metal layer 19 and the protective layer.
  • the adhesiveness of each layer can be improved.
  • the material for the adhesive layer include chromium, aluminum, titanium, palladium, and the like.
  • the thickness of the adhesive layer is preferably about 0.1 nm to 3 nm.
  • the method for forming the protective layer and the adhesive layer is not particularly limited, and a known film forming method can be applied.
  • FIG. 9 shows a microfluidic chip according to the first embodiment of the present invention.
  • the microfluidic chip 30A of the first embodiment is a microfluidic chip obtained by the manufacturing method according to the above-described present embodiment.
  • a flow path 18 is formed on the surface of the substrate 10.
  • a periodic structure 16 covered with a metal layer 19 is formed on the bottom surface of the flow path 18.
  • the measurement laser beam S is preferably p-polarized light.
  • the p-polarized light preferably includes a component in the direction of the periodic structure 16 (the extending direction of the flow path 18).
  • a measurement sample solution (not shown) is flowed from one end side (first end side) F1 of the flow path 18 to the other end side (second end side) F2, and further irradiated with the measurement laser light S to be surface plasmon resonance.
  • the state of the measurement object in the measurement sample solution can be observed.
  • the method described in Patent Document 2 is helpful.
  • a configuration in which a member 22 is attached to the surface of the substrate 10 so as to cover the flow path 18 may be employed.
  • pressure can be applied to the sample solution to circulate the flow path 18.
  • the manufacturing method according to the above-described embodiment further includes a step of attaching the member 22 to the surface of the substrate 10 so as to cover the flow path 18 on the surface of the substrate 10.
  • the material of the member 22 is not particularly limited as long as it is a material that does not absorb the measurement laser light S or the fluorescent signal, and examples thereof include a quartz glass substrate.
  • the method for bonding the substrate 10 and the member 22 is not particularly limited, and may be performed by a known method.
  • FIG. 11 shows a microfluidic chip according to the second embodiment of the present invention.
  • the microfluidic chip 30C of the second embodiment is a microfluidic chip obtained by the manufacturing method according to the above-described present embodiment.
  • a well 21 is formed on the surface of the substrate 10 in the microfluidic chip 30C.
  • a periodic structure 16 covered with a metal layer 19 is formed on the bottom surface of the well 21. By irradiating the periodic structure 16 with the measurement laser light S, surface plasmon resonance light can be generated in a region near the bottom surface of the well 21.
  • the state of the measurement target in the measurement sample solution is generated by causing the measurement sample solution (not shown) to be contained (inflow) in the well 21 and further irradiating the measurement laser light S to generate surface plasmon resonance light. Can be observed.
  • the method described in Patent Document 2 is helpful.
  • the surface plasmon resonance light generator according to this embodiment is a surface plasmon resonance light generator using the microfluidic chip according to the above-described embodiment.
  • a periodic structure covered with the aforementioned metal layer is formed on the bottom surface of the recess provided on the substrate surface of the microfluidic chip.
  • surface plasmon resonance light can be generated in a region close to the periodic structure.
  • the recess has a shape that allows a liquid to be contained on the surface of the substrate. Therefore, the surface plasmon resonance light can be emitted to the sample solution by allowing the sample solution to reside in the recess. Therefore, by separately providing an observation device such as a microscope, it is possible to observe the influence of the surface plasmon resonance light on the measurement target in the sample solution.
  • the method for producing a microfluidic chip, the microfluidic chip, and the surface plasmon resonance light generator of the present invention include an intermolecular interaction detection device using surface plasmon resonance light, a surface plasmon excitation fluorescence enhanced fluorescence microscope, and a fluorescence microplate. It can be widely used for the use and manufacture of readers.

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Abstract

　このマイクロ流体チップの製造方法は、基板表面において、液体を内在させるための凹部を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射して、前記レーザー光の集光域に、自己組織的に形成される周期的パターンを有する改質部を形成し；前記改質部が形成された前記基板に対してエッチング処理を行い、前記改質部の少なくとも一部を除去して前記凹部を設けると共に、前記周期的パターンに基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部を含む周期構造を、前記凹部の少なくとも底面に、形成し；前記底面の前記周期構造を覆う金属層を形成する。

Description

マイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴光の発生装置
　本発明は、マイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴光の発生装置に関する。
　本願は、２０１０年８月６日に、日本に出願された特願２０１０－１７７９４８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、金属表面に光を照射して誘起される表面プラズモン共鳴を利用した、分子間相互作用検出装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、生体分子を含む溶液を流す流路の検出部に金属薄膜が形成され、前記金属薄膜表面に蛍光分子で修飾された抗体を固定し、前記抗体と検出対象との間で分子間相互作用（結合）が起こった際に、前記蛍光分子からの蛍光シグナルの変化を検出できる装置が開示されている。
　下記特許文献１に記載の装置では、通常、金属薄膜表面に特定の入射角でレーザー光を照射するためのプリズムが必要である。レーザー照射角の制限等から、この装置の大型化が避けられない問題があった。
　これに対して、下記特許文献２に記載のマイクロプレート及びそれを用いた表面プラズモン励起増強蛍光顕微鏡では、検出部の金属表面に規則的な周期構造（グレーティング）を形成することによって、前記レーザー照射角の制限を緩和できる。このため、プリズムを必要とせず、装置の小型化、及び光学系の単純化を図れることが開示されている。
　前記周期構造を形成する一般的な従来方法は、ＳｉＯ２等からなる基板上に、周期構造に対応する周期的パターンを有するレジストマスクを形成して、基板をエッチングする方法である。例えば、ポジ型レジストに対して、二束干渉法によりＨｅ－Ｃｄレーザーを照射して、グレーティング状のレジストマスクを形成する方法がある（下記非特許文献１）。
　また、ＳｉＯ２基板に形成した流路上にネガ型レジストを塗布し、フェムト秒レーザーを用いた二光子吸収法によって、前記レジストをグレーティングに加工する方法が知られる（下記非特許文献２）。
しかしながら、上記方法はいずれも、周期構造に対応する形状を有する、超微細加工が施されたレジストを基板上に形成する必要がある。つまり、前記周期構造の加工精度は、レジストの加工精度に依存してしまう問題がある。レジストの加工精度は、レジスト組成物の化学的組成、基板とレジストとの密着性、レジストパターン形成後のエッチング特性、及びレーザー照射条件等、複雑な要因に影響される。また、基板上のマイクロ流路内等の微細構造内に、パターニング前のレジストを均一に成膜することさえ困難な場合が多い。
日本国特開２００６－２０８０６９号公報 日本国特開２００８－２８６７７８号公報
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、周期構造に対応する周期的パターンを有するレジストを形成する必要がなく、周期的パターン及び周期構造を基板表面に直接形成できる、マイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴分析装置の提供を課題とする。
　（１）本発明の第一の態様に係るマイクロ流体チップの製造方法は、基板表面において、液体を内在させるための凹部を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射して、前記レーザー光の集光域に、自己組織的に形成される周期的パターンを有する改質部を形成し（工程Ａ）；前記改質部が形成された前記基板に対してエッチング処理を行い、前記改質部の少なくとも一部を除去して前記凹部を設けると共に、前記周期的パターンに基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部を含む周期構造を、前記凹部の少なくとも底面に、形成し（工程Ｂ）；前記底面の前記周期構造を覆う金属層を形成する（工程Ｃ）。
　（２）上記（１）に記載のマイクロ流体チップの製造方法では、前記自己組織的に形成される周期的パターンが、前記基板に入射した前記レーザー光によって発生した前記基板表面に近い領域におけるプラズモンと、入射する前記レーザー光との、干渉波が強め合って改質される部位と、前記干渉波の強め合いが弱くなって改質される部位と、を含んでもよい。
　（３）上記（１）または（２）に記載のマイクロ流体チップの製造方法は、前記レーザー光として直線偏光レーザーを使用し、前記直線偏光の偏波方向に対して垂直方向に、前記レーザー光の集光域を走査することによって、前記走査の方向と、前記周期構造をなす複数の溝部が延伸する方向と、を平行にする構成を採用してもよい。
　（４）上記（１）または（２）に記載のマイクロ流体チップの製造方法は、前記レーザー光として直線偏光レーザーを使用し、前記直線偏光の偏波方向に対して平行な方向に、前記レーザー光の集光域を走査することによって、前記走査の方向に対して、前記周期構造をなす複数の溝部が延伸する方向を、垂直にする構成を採用してもよい。
　（５）上記（１）～（４）のいずれかに記載のマイクロ流体チップの製造方法は、前記エッチング処理において、等方性ドライエッチング法を用いてもよい。
　（６）上記（１）～（５）のいずれかに記載のマイクロ流体チップの製造方法では、前記基板表面に設けた凹部が、流路を成していてもよい。
　（７）上記（６）に記載のマイクロ流体チップの製造方法は、前記基板表面の前記流路を覆うように、前記基板表面に部材を貼り付けることをさらに含んでいてもよい。
　（８）上記（１）～（５）のいずれかに記載のマイクロ流体チップの製造方法では、前記基板表面に設けた凹部が、ウェルを成していてもよい。
　（９）上記（１）～（８）のいずれかに記載のマイクロ流体チップの製造方法は、前記金属層上に、保護層を形成することをさらに含んでいてもよい。
　（１０）本発明の第二の態様に係るマイクロ流体チップは、上記（１）～（９）のいずれかに記載の製造方法によって得られたマイクロ流体チップである。
　（１１）本発明の第三の態様に係る表面プラズモン共鳴光の発生装置は、上記（１０）に記載のマイクロ流体チップを用いた表面プラズモン共鳴光の発生装置である。
　上記本発明の第一の態様に係るマイクロ流体チップの製造方法によれば、前記凹部と前記周期構造とを共に、同じ工程プロセスによって形成することができるので、製造効率に優れる。また、レーザー照射による基板の改質及びエッチング処理によって、前記周期構造を前記凹部内に形成しているので、周期構造の加工精度に優れる。ナノオーダーの周期構造を形成することも可能である。
　また、上記本発明の第一の態様に係るマイクロ流体チップの製造方法によれば、所望の経路及び形状を有する流路、及び／又は所望の形状を有するウェルを基板に配することができる。さらに、前記流路又はウェルにおける所望の底面部位に、ナノオーダーの周期構造（グレーティング）を形成できる。
　さらに、前記周期構造を金属層で覆うことによって、前記周期構造を反映した表面プロファイルを有する金属層を形成できる。このような金属層に対して外部から光を照射することによって、前記金属層の近傍に表面プラズモン共鳴光を誘起することができる。前記表面プラズモン共鳴光を利用することにより、金属層近傍における分子間相互作用の検出や、金属層近傍にある観測対象の蛍光シグナルによる観察等の応用が可能である。
レーザー照射によって、基板表面に周期的パターンを含む改質部を形成する様子を示す、基板の模式的な断面図である。 照射レーザー光の走査方向（改質部の延伸方向）と周期的パターンの方向との関係を示す、基板の模式的な上面図の一例である。 照射レーザー光の走査方向（改質部の延伸方向）と周期的パターンの方向との関係を示す、基板の模式的な上面図の別の一例である。 基板表面に凹部を形成し、前記凹部の底面に周期構造を形成する様子を示す、基板の模式的な断面図である。 流路をなす凹部の延伸方向と、前記凹部の底面に形成された周期構造における、溝部及び凸部の延伸方向との関係を示す、基板の模式的な上面図の一例である。 流路をなす凹部の延伸方向と、前記凹部の底面に形成された周期構造における、溝部及び凸部の延伸方向との関係を示す、基板の模式的な上面図の別の一例である。 基板表面に凹部が形成されなかった場合を示す、基板の模式的な断面図である。 周期構造を覆うように金属層を形成した場合を示す、基板の模式的な断面図である。 本発明の第１実施形態にかかるマイクロ流体チップを示す模式的な斜視図である。 同実施形態にかかるマイクロ流体チップの変形例を示す模式的な斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかるマイクロ流体チップを示す模式的な斜視図である。
　以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照して説明する。
＜マイクロ流体チップの製造方法＞
　本発明の一実施形態にかかるマイクロ流体チップの製造方法は、基板表面において、液体を内在させるための凹部を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射して、前記レーザー光の集光域に、自己組織的に形成される周期的パターンを有する改質部を形成する工程Ａと、前記改質部が形成された前記基板に対してエッチング処理を行い、前記改質部の少なくとも一部を除去して前記凹部を設けると共に、前記周期的パターンに基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部を含む周期構造を、前記凹部の少なくとも底面に、形成する工程Ｂと、前記底面の周期構造を覆う金属層を形成する工程Ｃと、を含む。
[工程Ａ]
　図１に示すように、前記工程Ａは、基板表面において、液体を内在させるための凹部を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射して、前記レーザー光の集光域に、自己組織的に形成される周期的パターンを有する改質部を形成する工程である。
　図１の概略断面図では、基板１０に対してレーザー光Ｌを照射している。レーザー光Ｌは、レンズ２０により基板表面に近い領域に集光されている。
　基板１０におけるレーザー光Ｌの集光域Ｆに、改質部１１が形成される。レーザー光Ｌの焦点は、集光域Ｆ内にある。また、図１では、レーザー光Ｌとして直線偏光レーザーを使用しており、その偏波方向（電場方向）は、紙面と平行な方向（両方矢印Ｅで示す）である。
　改質部１１は、複数の第一改質部１１ａ及び複数の第二改質部１１ｂを含む。紙面と平行な方向である前記偏波方向に見ると、改質部１１内には、第一改質部１１ａと第二改質部１１ｂとが交互に形成された周期的パターン１４が存在する。
　第一改質部１１ａは、基板１０に入射したレーザー光Ｌによって発生した基板表面に近い領域におけるプラズモン（電子プラズマ波）と、入射するレーザー光Ｌと、の干渉波が強め合った結果改質される部位である。一方、第二改質部１１ｂは、前記干渉波の強め合いが比較的弱い部位に形成される。
　改質部１１は、エッチング耐性が弱くなっている（エッチング速度が速い）ので、後述の工程Ｂにおけるエッチング処理において、優先的に除去される。さらに、第一改質部１１aと第二改質部１１bとではその構造が異なるため、一方が他方よりエッチングレートが速くなる(ここでは便宜的に、第一改質部１１aの方が速いとする)。
　周期的パターン１４は、前記干渉波の影響を受けて自己組織的に形成される。つまり、前記干渉波が生じるようにレーザー光Ｌの照射強度を制御することによって、レジストマスク等を使用することなく、基板１０に対して直接に、周期的パターン１４を伴う改質部１１を形成することができる。
　これを言い換えると、本実施形態にかかるマイクロ流体チップの製造方法では、自己組織的に形成される周期的パターン１４は、基板１０に入射したレーザー光Ｌによって発生した前記基板表面に近い領域におけるプラズモンと、入射するレーザー光Ｌとの、干渉波が強め合って改質される部位（第一改質部１１ａ）、および前記干渉波の強め合いが弱くなって改質される部位（第二改質部１１ｂ）、を含むことが好ましい。
　前記照射強度は、基板１０を構成する材料の加工適正値に近い値又は加工適正値以上、且つアブレーション閾値以下であることが好ましい。この照射強度とすることにより、レーザー光Ｌの集光域に近い領域に、周期的パターン１４を自己組織的に形成できる。
　ここで、前記加工適正値は、周期構造１４を形成させるためのレーザーパルスパワーの下限値と定義される。また、アブレーション閾値とは、アブレーションを発生させるためのレーザーパルスパワーの下限値であり、前記加工適正値とは異なる。一般的に、加工適正値は、アブレーション閾値よりも小さな値をとる。
　前記照射強度を適宜調整することによって、ナノオーダーの周期的パターン１４を形成できる。ここで、ナノオーダーとは、隣り合う改質部１１ａ同士の間隔又は隣り合う改質部１１ｂ同士の間隔が、ナノメートル（ｎｍ）単位であることをいう。例えば、前記間隔が１０～８００ｎｍである周期的パターン１４を形成できる。
　基板１０を構成する材料としては、工程Ａによって基板１０の表面に周期的パターン１４が自己組織的に形成され、かつレーザー光Ｌに対して透過率の高い材料が好ましい。例えば、加工性に優れる合成石英が最も好適であるが、その他にも、例えばホウ珪酸ガラスなどのガラス材料や、石英、サファイア、ダイヤモンドなどの結晶性材料も好適である。
　レーザー光Ｌとしては、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光であれば特に制限はなく、例えばチタンサファイアレーザー、ピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するファイバーレーザーなどを用いることができる。
　レーザー光Ｌを集光するレンズ２０としては、例えば屈折式の対物レンズや屈折式のレンズを使用できる。また、フレネル、反射式、油浸、水浸式の対物レンズを使用してもよい。シリンドリカルレンズを用いると、一度に基板１０の表面の広範囲にレーザー照射することが可能になる。また、ホログラフィックマスクや干渉などを用いても広範囲な領域を一度に加工することができる。
　レーザー光Ｌの照射方法は、特に限定されない。例えば、基板１０の表面に対して平行な方向にレーザー光Ｌを移動させながら照射すると、前記レーザー光Ｌの集光域が走査する範囲が広くなり、広範囲に周期的パターン１４を有する改質部１１を形成できる。また、例えばレーザー伝搬方向に対して平行な方向（基板厚み方向）に照射部が重なるようにレーザー光Ｌを照射すると、基板厚み方向に、周期的パターン１４がずれることなく形成できる。
　レーザー光Ｌの照射例としては、例えばＴｉサファイアレーザを使用した場合が挙げられる。照射条件としては、例えば波長８００ｎｍ、繰返周波数２００ｋＨｚ、レーザー走査速度１ｍｍ／秒に設定して、レーザー光Ｌを合成石英製の基板１０に集光照射する、照射条件が挙げられる。なお、ここで例示した波長、繰返周波数、走査速度の値は一例であり、本発明はこれに限定されず任意に変えることが可能である。
　集光に用いるレンズ２０としては、Ｎ．Ａ＜０．７未満の対物レンズを用いることが好ましい。パルス強度（レーザー照射強度）は、基板表面に近い領域に照射する際にはアブレーション閾値以下、例えば１００ｎＪ/ｐｕｌｓｅ程度以下のパワーで照射することが好ましい。
　基板１０にレーザー光Ｌの焦点を結びつつ、前記レーザー光の集光域を走査することにより、基板１０内に改質部１１を所望の形状で形成できる。その後、改質部１１の少なくとも一部は、後段の工程Ｂにおけるエッチング処理によって除去されて、基板表面に凹部を設けられる。すなわち、基板１０の表面において、液体（試料溶液）を内在させるための凹部を設ける領域に、レーザー光Ｌを照射して、前記領域に改質部１１を形成し、前記改質部１１の一部をエッチング処理で除去することによって、基板１０の表面に前記凹部を形成することができる。この際、後で詳述するが、前記凹部の底面には周期的パターン１４に基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部を含む周期構造を形成できる。
　改質部１１に形成される周期的パターン１４の方向（第一改質部１１ａと第二改質部１１ｂとが交互に現れる方向）と、レーザー光Ｌの集光域の走査方向に沿う、改質部１１の延伸方向と、の関係は、レーザー光Ｌの偏波方向（偏光）を制御することによって調整することができる。
　図２に、改質部１１の延伸方向とレーザー光Ｌの偏波方向との関係の一例を示す。
　図２は、基板１０の模式的な上面図である。レーザー光Ｌとして直線偏光レーザーを使用し、基板表面（紙面）に対して垂直方向から基板１０に照射して、その集光域を改質部１１の延伸方向に沿って、α、β、γの順に連続的に走査することによって、改質部１１が形成されている。このときのレーザー光Ｌの偏波方向Ｅ（電場方向）は、両方矢印Ｅで示してある。
　図２の例では、α～γの各領域において、レーザー光Ｌの走査方向（改質部１１の延伸方向）と、偏波方向Ｅとが垂直となるように、偏波方向Ｅを制御しつつレーザー光Ｌを走査している。この結果、第一改質部１１ａ及び第二改質部１１ｂが改質部１１の延伸方向に沿って平行に形成されている。また、図から明らかなように、周期的パターン１４の方向は、改質部１１の延伸方向に対して直交するように形成される。
　なお、図２の例では、第一改質部１１ａは２本の太線で描いているが、これは紙面の都合で便宜的に２本線で描いているだけであって、実際に改質部１１における第一改質部１１ａが２本であることは意味しない。
　図３に、改質部１１の延伸方向とレーザー光Ｌの偏波方向との関係の別の一例を示す。
　図３は、基板１０の模式的な上面図である。レーザー光Ｌとして直線偏光レーザーを使用し、基板表面（紙面）に対して垂直方向から基板１０に照射して、その集光域を改質部１１の延伸方向に沿って、α、β、γの順に連続的に走査することによって、改質部１１が形成されている。このときのレーザー光Ｌの偏波方向Ｅ（電場方向）は、両方矢印Ｅで示してある。
　図３の例では、α～γの各領域において、レーザー光Ｌの走査方向（改質部１１の延伸方向）と、偏波方向Ｅとが平行となるように、偏波方向Ｅを制御しつつレーザー光Ｌを走査している。この結果、第一改質部１１ａ及び第二改質部１１ｂが改質部１１の延伸方向に対して直交するように形成されている。また、図から明らかなように、周期的パターン１４の方向は、改質部１１の延伸方向に対して平行に形成される。
　図２及び図３の例において、改質部１１の両端の第三改質部１１ｃでは、周期的パターン１４を形成していない。これは、レーザー光Ｌの照射強度を制御して、自己組織的に周期的パターンが形成されるよりも強いパルスパワーによって、第三改質部１１ｃを形成したためである。
　このように、周期的パターン１４を形成するか否かは、レーザー照射強度を制御することによって行うことができる。例えば、前記領域α～γの少なくとも一部において、周期的パターン１４を形成しないことも可能である。
　また、図２及び図３の例では、改質部１１の形状はクランク形状で形成している。この場合、工程Ｂにおけるエッチング処理を経た後では、前記クランク形状の改質部１１が基板１０表面から除去されて、クランク形状の凹部となる。言うまでもないが、改質部１１の形状はクランク形状に限られず、本発明にかかるマイクロ流体チップにおける流路又はウェルの形状に応じて、レーザー光Ｌの走査を制御することにより、所望の形状で形成できる。
[工程Ｂ]
　図４に示すように、前記工程Ｂは、改質部１１が形成された基板１０（例えば、図１）に対してエッチング処理を行い、前記改質部１１の少なくとも一部を除去して、基板表面１０に凹部１５を設けると共に、周期的パターン１４に基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部１２ａを含む周期構造１６を、前記凹部１５の少なくとも底面に形成する工程である。
　改質部１１が形成された基板１０の表面に対してエッチング処理を行うと、第一改質部１１ａが、第二改質部１１ｂよりも優先的に（選択的に）エッチングされることにより、凹部１５が形成される。この際、凹部１５の底面には、第二改質部１１ｂの一部が残ることによって、凸部１２ｂが複数形成される。
　第一改質部１１ａが優先的にエッチングされる理由は、第一改質部１１ａのエッチング耐性が低いためである。例えば、基板１０が石英製である場合、第一改質部１１ａは、酸素が欠乏してエッチング耐性が低下した領域となる。
　溝部１２ａと凸部１２ｂとが交互に形成されてなる周期構造１６の表面プロファイル（凹凸の形状）は、改質部１１における周期的パターン１４に基づいて形成されている。つまり、周期構造１６において隣り合う溝部１２ａの中心同士の間隔は、周期的パターン１４において隣り合う改質部１１ａの中心同士の間隔に対応している。同様に、周期構造１６において隣り合う凸部１２ｂの中心同士の間隔は、周期的パターン１４において隣り合う改質部１１ｂの中心同士の間隔に対応している。
　したがって、周期的パターン１４を前記ナノオーダーで形成した場合、周期構造１６を同様にナノオーダーで形成することができる。
　周期構造１６における複数の溝部１２ａ及び凸部１２ｂは、一方向に沿って形成される。
　前記一方向は、周期的パターン１４における第一改質部１１ａ及び第二改質部１１ｂが延伸する方向と同一である。このことを、図５及び図６で示す。
　図５は、図２に示す基板１０をエッチング処理して得られた基板であり、エッチング処理後に形成された流路１８の延伸方向に沿った一方向に、溝部１２ａ及び凸部１２ｂが延伸している。一方、図６は、図３に示す基板１０をエッチング処理して得られた基板であり、エッチング処理後に形成された流路１８の延伸方向に対して垂直の一方向に溝部１２ａ及び凸部１２ｂが延伸している。
　前記エッチング耐性は、基板１０の材質と、エッチング液或いはエッチングガスとの組合せによって変化する。このため、両者の組合せによっては、第二改質部１１ｂの方が、より選択的にエッチングされ凹部を形成する場合もあり得る。この場合であっても、周期的パターン１４に基づく周期構造１６は形成されるので、本発明にかかるマイクロ流体チップとして機能する場合があり得る。
　エッチングの方法としては、ウェットエッチング又はドライエッチングのいずれの方法を用いてもよいが、後述するように周期構造１６の形状をダイナミックに制御でき、精度の良い加工が可能なドライエッチングの方が好ましい。ウェットエッチングでは、ダイナミックな形状制御が難しく、所望の周期構造を得られない場合がある。
　ドライエッチング法としては、異方性ドライエッチング法又は等方性ドライエッチング法のいずれの方法を用いてもよいが、基板１０の表面に凹部１５を形成する観点から、等方性ドライエッチング法が好ましい。
　等方性ドライエッチング法を用いることにより、第一改質部１１ａを優先的に除去して溝部１２ａを形成することができる。さらに、第二改質部１１ｂのエッチングもある程度行って凸部１２ｂを形成すると共に、基板１０表面に凹部１５を形成することができる。
　一方、異方性ドライエッチング法を用いると、第一改質部１１ａを選択的に除去して溝部１２ａを形成することができるが、第二改質部１１ｂのエッチングはほとんど行われずに、基板１０表面に凹部１５が形成されない場合がある（図７参照）。
　このような特性を踏まえた上で、異方性エッチング法及び等方性エッチング法を適宜組み合わせて使用すればよい。例えば、溝部１２ａを深く掘り下げる場合には、異方性エッチング法を用いることが有効である。
　異方性ドライエッチング法としては、例えば反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥ）が挙げられる。より具体的には、平行平板型ＲＩＥ、マグネトロン型ＲＩＥ、ＩＣＰ型ＲＩＥ、ＮＬＤ型ＲＩＥ等が適用可能である。また、中性粒子ビームを用いたエッチングも適用可能である。
　エッチングガスとしては、例えばフロロカーボン系、ＳＦ系ガス、ＣＨＦ３、フッ素ガス、塩素ガス等が挙げられる。適宜その他のガス、例えば酸素、アルゴン、ヘリウムなどを混合し使用することが可能である。
　異方性ドライエッチング法を用いる場合、エッチング時のプロセス圧力（エッチングチャンバ内の圧力）を変えることによって、凹部１５の構造を制御することが可能である。
　エッチング時のＲＦパワー、チャンバ内の圧力は加工形状を決めるパラメータとなるが、特にエッチング圧力を変化させることが、周期構造１６のエッチング後の形状（表面プロファイル）を最も制御しやすいパラメータである。
　前記圧力が低い場合には、イオンの材料への引き込みが強いため、より異方性が高まり、周期構造１６のうちエッチング選択性が高い領域（凹部１２ａ）のみをより選択的にエッチングすることが可能である。そのため、周期構造１６をなす改質部１１ａ間に位置する改質部１１ｂ及び改質部１１ｂに近い領域の材料はほとんどエッチングされず、改質部１１ａが選択的にエッチングされる。この場合、図７に示すように、凹部１５がほとんど形成されず、溝部１２ａが選択的に形成される。
　前記圧力が高い場合には、イオンの材料への引き込みが弱くなり、より等方性のエッチングになるため、周期構造１６を成し、エッチング選択性が高い領域である改質部１１ａが横方向にもエッチングされる。即ち、改質部１１ａとともに、改質部１１ａに近い領域の材料（改質部１１ｂ）もエッチングされる。これにより、図４に示すように、基板１０表面には凹部１５が形成される。さらに、前記凹部１５の底面には、複数の溝部１２ａ及び複数の凸部１２ｂからなる周期構造１６が形成される。
　また、異方性ドライエッチング及び等方性ドライエッチングにおいて、溝部１２ａ及び凸部１２ｂのアスペクト比を高めるためには、ＲＦパワーを小さくするなどしてプラズマ密度をできる限り小さくすることが好ましい。逆に、ＲＦパワーを大きくするなどしてプラズマ密度を大きくすると、溝部１２ａ及び凸部１２ｂのアスペクト比が小さくなる傾向になる。
　ドライエッチング法として等方性ドライエッチング法を用いると、その等方性が強い場合、エッチング耐性の弱い層（第一改質部１１ａ）がよりエッチングされて溝部１２ａが形成されやすく、同時に、溝部１２ａの横方向へのエッチングが進行する。このため、上部から徐々に隣り合う凹部１２ａ及び凸部１２ｂを繋ぐことができる。これにより、図４に示すように、基板１０表面には、凹部１５が形成される。さらに、前記凹部１５の底面には、複数の溝部１２ａ及び複数の凸部１２ｂからなる周期構造１６が形成される。
　等方性エッチング法としては、例えばバレル型プラズマエッチング、平行平板型プラズマエッチング、ダウンフロー型ケミカルドライエッチング、等が挙げられる。
　以上の工程Ａ及び工程Ｂによって形成した凹部１５の少なくとも底面に形成される、周期構造１６をなす溝部１２ａ及び凸部１２ｂの形状は、工程Ａのレーザー照射強度、工程Ｂにおけるエッチング方法によって、所望の大きさ、高さ、幅、及び長さで形成することが可能である。
　例えば、周期構造１６の形状を上記特許文献２に記載の形状とすることによって、本発明にかかるマイクロ流体チップを、上記特許文献２に記載のマイクロプレートとして利用できる。
　この場合、周期構造１６における溝部１２ａ及び凸部１２ｂの断面形状は、矩形状、鋸波状、又は正弦波状であり、隣り合う溝部１２ａの間隔は、測定用レーザー光の波長以下であって例えば１０～８００ｎｍとし、溝部１２ａの深さ（凸部１２ｂの高さ）は４～４００ｎｍとすればよい。このような周期構造１６であると、外部から測定用レーザー光を照射することにより、前記周期構造１６に近い領域に表面プラズモン共鳴光を発生し、前記領域における分子間相互作用を検出することができる。
　また、以上の工程Ａ及び工程Ｂによって形成した凹部１５の形状は、工程Ａのレーザー光Ｌの集光域が走査する範囲を調整することによって、所望の深さ、幅、及び長さで自在に形成することが可能である。
　例えば、凹部１５を、図２及び図３で示すようなクランク状の流路１８を成すように設けてもよいし、図９で示すような直線状の流路１８を成すように設けてもよい。また、凹部１５を、図１１で示すような矩形状のウェル２１を成すように設けてもよい。
[工程Ｃ]
　図８に示すように、前記工程Ｃは、凹部１５の底面の周期構造１６を覆う金属層１９を形成する工程である。
　金属層１９の材料としては、外部から光を照射した際に表面プラズモン共鳴光を発生できる金属であることが好ましい。例えば金、銀、銅、プラチナ、ニッケル等の遷移金属であることが好ましい。金属層１９の膜厚としては、１０～５００ｎｍが好ましい。
　金属層１９の成膜方法は、特に制限されず、例えば蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、めっき法等の公知の成膜方法を採用できる。
　金属層１９の表面プロファイル（表面の凹凸形状）は、周期構造１６の表面プロファイルを反映していることが好ましい。周期構造１６の表面プロファイルに沿って実質的に同一の表面プロファイルであってもよいし、周期構造１６の角部を埋める様に、多少平滑化した形状であってもよい。具体的には、例えば上記特許文献２に記載の金属層の形状が参考になる。
　本実施形態のマイクロ流体チップの製造方法は、以上で説明した工程Ａ～工程Ｃ以外の工程を含んでいてもよい。
　金属層１９が形成された凹部１５に、測定試料を含む液体を流入させた場合、金属層１９が前記液体によって化学的な浸食を受ける場合がある。また、上記特許文献２に記載されているように、検出すべき測定対象物からの蛍光シグナルが、金属層１９によって消光される場合がある。これらを防ぐために、金属層１９の上に、さらに保護層（不図示）を形成してもよい。すなわち、本実施形態にかかる製造方法は、金属層１９上に、保護層を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
　前記保護層の材料としては、表面プラズモンを発生させるための外部光（測定用レーザー光）や、前記蛍光シグナルの吸収が低い材料であれば特に制限されない。例えば、ポリカーボネートやポリメタクリル酸メチルのような有機高分子やシリカ（ＳｉＯ２）等が挙げられる。
　前記保護層の膜厚は、発生する表面プラズモン共鳴光及び蛍光シグナルの波長（エネルギー）に応じて決めればよく、通常１０ｎｍ～１００ｎｍの範囲であればよい。
　また、必要に応じて、周期構造１６の表面と金属層１９との間、及び金属層１９と前記保護層との間に、さらに接着層を設けてもよい。これにより各層の接着性を高めることができる。
　前記接着層の材料としては、クロム、アルミニウム、チタン、パラジウム等が例示できる。前記接着層の膜厚としては、０．１ｎｍ～３ｎｍ程度が好ましい。
　前記保護層及び前記接着層の形成方法は、特に制限されず、公知の成膜方法が適用できる。
＜マイクロ流体チップ＞
　図９に、本発明の第一実施形態にかかるマイクロ流体チップを示す。
　第一実施形態のマイクロ流体チップ３０Ａは、前述の本実施形態にかかる製造方法によって得られたマイクロ流体チップである。
　マイクロ流体チップ３０Ａには、基板１０の表面に流路１８が形成されている。前記流路１８の底面には、金属層１９で覆われた周期構造１６が形成されている。周期構造１６に向けて測定用レーザー光Ｓを照射することによって、流路１８の底面に近い領域に表面プラズモン共鳴光を発生させることができる。
　測定用レーザー光Ｓは、ｐ偏光の光であることが好ましい。前記ｐ偏光は、周期構造１６の方向（流路１８の延伸方向）の成分を含むことが好ましい。
　流路１８の一端側（第１端側）Ｆ１から他端側（第２端側）Ｆ２へ、測定試料溶液（不図示）を流入させ、さらに測定用レーザー光Ｓを照射して表面プラズモン共鳴光を発生させることによって、測定試料溶液中の測定対象の状態を観察することができる。このような測定の具体的な方法は、例えば上記特許文献２に記載の方法が参考になる。
　また、図１０に示すマイクロ流体チップ３０Ｂのように、第一実施形態の変形例として、基板１０の表面に、流路１８を覆うように部材２２を貼り付けた構成を採用してもよい。
　流路１８を覆うことにより、流路１８内を流通させる試料溶液が、流路１８外へ溢れることを防止できる。さらに、試料溶液に圧力をかけて、流路１８内を流通させることも可能となる。
　したがって、前述の本実施形態にかかる製造方法では、基板１０表面の流路１８を覆うように、前記基板１０表面に部材２２を貼り付ける工程をさらに含むことが好ましい。
　部材２２の材料としては、測定用レーザー光Ｓや前記蛍光シグナルを吸収する程度が少ない材料であれば特に制限されず、例えば石英ガラス製の基板が挙げられる。
　基板１０と部材２２の貼り合わせ方法は、特に制限されず、公知の方法で行えばよい。
　図１１に、本発明の第二実施形態にかかるマイクロ流体チップを示す。
　第二実施形態のマイクロ流体チップ３０Ｃは、前述の本実施形態にかかる製造方法によって得られたマイクロ流体チップである。
　マイクロ流体チップ３０Ｃには、基板１０の表面にウェル２１が形成されている。前記ウェル２１の底面には、金属層１９で覆われた周期構造１６が形成されている。周期構造１６に向けて測定用レーザー光Ｓを照射することによって、ウェル２１の底面に近い領域に表面プラズモン共鳴光を発生させることができる。
　したがって、測定試料溶液（不図示）をウェル２１内に内在（流入）させて、さらに測定用レーザー光Ｓを照射して表面プラズモン共鳴光を発生させることによって、測定試料溶液中の測定対象の状態を観察することができる。このような測定の具体的な方法は、例えば上記特許文献２に記載の方法が参考になる。
＜表面プラズモン共鳴光の発生装置＞
　本実施形態にかかる表面プラズモン共鳴光の発生装置は、前述の本実施形態にかかるマイクロ流体チップ用いた表面プラズモン共鳴光の発生装置である。前記マイクロ流体チップの基板表面に設けた凹部の底面には、前述の金属層で覆われた周期構造が形成されている。前記周期構造に外部から光を照射することによって、前記周期構造に近い領域に表面プラズモン共鳴光を発生させることができる。
　前記凹部は、前記基板表面において液体を内在させられる形状である。したがって、前記凹部内に試料溶液を内在させることによって、前記表面プラズモン共鳴光を前記試料溶液に放射することができる。よって、別途、顕微鏡等の観測装置を設けることによって、前記試料溶液中の測定対象に対する、前記表面プラズモン共鳴光が与える影響を観測することが可能である。
　本発明のマイクロ流体チップの製造方法、マイクロ流体チップ、及び表面プラズモン共鳴光の発生装置は、表面プラズモン共鳴光を利用した分子間相互作用検出装置や、表面プラズモン励起蛍光増強蛍光顕微鏡、蛍光マイクロプレートリーダー等の使用及び製造に広く利用することができる。
　１０　基板
　１１　改質部
　１１ａ　第一改質部
　１１ｂ　第二改質部
　１１ｃ　第三改質部
　１２ａ　溝部
　１２ｂ　凸部
　１４　周期的パターン
　１５　凹部
　１６　周期構造
　１８　流路
　１９　金属層
　２０　レンズ
　２２　部材
　３０Ａ　マイクロ流路チップ
　３０Ｂ　マイクロ流路チップ
　３０Ｃ　マイクロ流路チップ
　Ｅ　偏波方向
　Ｆ　集光域
　Ｌ　加工用レーザー光
　Ｓ　測定用レーザー光

Claims (11)

  1. 　基板表面において、液体を内在させるための凹部を設ける領域に、パルス時間幅がピコ秒オーダー以下のパルス幅を有するレーザー光を照射して、前記レーザー光の集光域に、自己組織的に形成される周期的パターンを有する改質部を形成し；
    　前記改質部が形成された前記基板に対してエッチング処理を行い、前記改質部の少なくとも一部を除去して前記凹部を設けると共に、前記周期的パターンに基づく表面プロファイルを有する、一方向に沿った複数の溝部を含む周期構造を、前記凹部の少なくとも底面に、形成し；
    　前記底面の前記周期構造を覆う金属層を形成する；
    ことを特徴とするマイクロ流体チップの製造方法。
  2. 　前記自己組織的に形成される周期的パターンは、
    　前記基板に入射した前記レーザー光によって発生した前記基板表面に近い領域におけるプラズモンと、入射する前記レーザー光との、干渉波が強め合って改質される部位と、
    　前記干渉波の強め合いが弱くなって改質される部位と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  3. 　前記レーザー光として直線偏光レーザーを使用し、前記直線偏光の偏波方向に対して垂直方向に、前記レーザー光の集光域を走査することによって、
    　前記走査の方向と、前記周期構造をなす複数の溝部が延伸する方向と、を平行にすることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  4. 　前記レーザー光として直線偏光レーザーを使用し、前記直線偏光の偏波方向に対して平行な方向に、前記レーザー光の集光域を走査することによって、
    　前記走査の方向に対して、前記周期構造をなす複数の溝部が延伸する方向を、垂直にすることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  5. 　前記エッチング処理において、等方性ドライエッチング法を用いることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  6. 　前記基板表面に設けた凹部が、流路を成すことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  7. 　前記基板表面の前記流路を覆うように、前記基板表面に部材を貼り付けることをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  8. 　前記基板表面に設けた凹部が、ウェルを成すことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  9. 　前記金属層上に、保護層を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップの製造方法。
  10. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の製造方法によって得られたマイクロ流体チップ。
  11. 　請求項１０に記載のマイクロ流体チップを用いた表面プラズモン共鳴光の発生装置。
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