(57)【要約】  シリコン構造体は、基板と、基板の表面に形成された第一の層と、第一の層の表面に形成された繊維状の膜状物とを有している。第一の層と膜状物は同一の元素から構成されるケイ素化合物であり、第一の層と膜状物とが直接接合している。
2012077325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面に形成された第一の層と、
前記第一の層の表面に形成された繊維状の膜状物とを有し、
前記第一の層と前記膜状物は同一の元素から構成されるケイ素化合物であり、前記第一の層と前記膜状物とが直接接合している
シリコン構造体。
【請求項２】
前記第一の層と前記膜状物は同一の組成式で表される
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項３】
前記第一の層と前記基板は同一の元素から構成されるケイ素化合物である
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項４】
前記第一の層と前記基板は同一の組成式で表される
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項５】
前記膜状物は、酸化シリコンで形成される
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項６】
前記膜状物は、アモルファスの二酸化珪素で形成される
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項７】
前記膜状物は石英あるいはホウケイ酸ガラスで形成される
請求項１に記載のシリコン構造体。
【請求項８】
基板の表面にケイ素化合物からなる第一の層を形成し、
前記第一の層の表面に、シリコンを主成分とする第二の層を形成し、
前記第二の層を原料として、前記第一の層の表面に繊維状の膜状物を形成する
シリコン構造体の製造方法。
【請求項９】
前記膜状物は、前記第二の層に触媒を塗布することにより形成される
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記第一の層と前記膜状物が酸化シリコンで形成されている、
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記基板と、前記第一の層と、前記第二の層の三層としてＳＯＩ基板を用いる
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記第二の層の厚みが２０μｍ以下である
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記第二の層が単結晶シリコンで形成されている
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記第二の層がポリシリコンまたはアモルファスシリコンで形成されている
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記第二の層がシリコン（１１１）面配向である
請求項８に記載のシリコン構造体の製造方法。
【請求項１６】
プレートと、
前記プレート上に配置された複数のシリコン構造体とを備え、
前記シリコン構造体は
基板と、
前記基板の表面に形成された第一の層と、
前記第一の層の表面に形成された繊維状の膜状物とを有し、
前記第一の層と前記膜状物は同一の元素から構成されるケイ素化合物であり、前記第一の層と前記膜状物とが直接接合している
アレイ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体チップ、細胞培養チップ等のバイオチップであるシリコン構造体およびこれを用いたＤＮＡアレイ、プロテインアレイ、糖鎖アレイ等のアレイ基板とシリコン構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン構造体を用いたアプリケーションの一例として、近年、バイオチップに注目が集まっている。バイオチップは、生体の分子認識機構に基づいてタンパク質、遺伝子、低分子量のシグナル分子などを計測する。レセプター、リガンド、アプタマー、レクチン、抗原−抗体反応などの選択特異的な結合や酵素などの選択触媒反応に関し、所定のデバイスを用いてモニターすることにより、分子の計測が行われる。【０００３】
バイオチップを配置させたアレイ基板が、近年、創薬開発、臨床診断等の医学薬学の分野において、遺伝子解析、ＳＮＰｓ（一塩基多型）分析、物質間相互作用解析などの様々な解析で用いられている。【０００４】
基材表面に予め反応場領域を設け、その反応場領域毎に目的となる検出用物質をそれぞれ固定した後、試料となる溶液を滴下する。そして、検出用物質と試料中に含有されている標的物質との間の相互作用を進行させ、蛍光強度などによりその相互作用の度合いを検出することで解析する。このようなことに用いられる基板をアレイ基板と言う。【０００５】
また、アレイ基板においては検出物質の検出感度の向上のために、検出物質と相互作用が発生する反応場領域における相互作用強度を上げる必要があるので、反応場領域の表面積を大きくすることが求められる。このため、反応場領域に繊維状、多孔質膜などの反応部を備えたバイオチップを設けることによって、表面積を大きくしている。【０００６】
しかし、従来のバイオチップでは、基材と基材表面に形成された反応部との熱膨張係数が異なることによりバイオチップに反りが発生し、基材と反応部との密着性が低い場合には、反応部が剥離することがある。【０００７】
例えば、シリコンからなる基材上に反応部として酸化シリコンのファイバーを直接接合により設けた場合、シリコンと酸化シリコンとの熱膨張係数の違いによってバイオチップが反ることがある。すなわち、シリコンが酸化シリコンに比べて熱膨張係数が大きいために、シリコン基材の中心がもり上がるような反りが発生し、反応部が基材から剥離することがある。【０００８】
さらに、反応部の剥離が発生しない場合においても、反応部に反りが発生するためにこれらバイオチップを用いたアレイ基板の測定における検出精度が低くなることがある。【０００９】
アレイ基板を用いて試料を正確に測定するためには、各反応部に設けられたバイオチップに液滴を滴下した際に構成されるスポット径が均一であることが求められる。しかし、反応部に反りが発生すると、測定時にバイオチップに滴下した液滴が大きく広がり、スポット径が不均一となる。その結果、検出感度が低下したり、正確な濃度が判断できなくなる場合がある。さらに、液滴が目的のバイオチップではなく隣接したバイオチップに混入し、正確な測定が困難となる場合がある。【００１０】
このようにスポット径が不均一になることにより正確な解析ができず、結果としてアレイ基板の検出精度が低下することがある。【００１１】
なお、上記アレイ基板と類似する例を開示するものとして例えば以下の先行技術文献が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−０２０４１２号公報
【発明の概要】
【００１３】
本発明のシリコン構造体は、基板と、基板の表面に形成された第一の層と、第一の層の表面に形成された繊維状の膜状物とを有している。第一の層と膜状物は同一の元素から構成されるケイ素化合物であり、第一の層と膜状物とが直接接合している。
【００１４】
本発明のアレイ基板は、プレートと、プレート上に配置された複数の上記シリコン構造体とを備える。
【００１５】
本発明のシリコン構造体の製造方法は、基板の表面にケイ素化合物からなる第一の層を形成し、第一の層の表面に、シリコンを主成分とする第二の層を形成し、第二の層を原料として、第一の層の表面に繊維状の膜状物を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるアレイ基板の斜視図である。
【図２】図２は、図１におけるアレイ基板の２−２断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体の製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体の製造方法を説明するための断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他のシリコン構造体の断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態における他のアレイ基板の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体を用いた一例として、バイオチップと、バイオチップを用いたアレイ基板について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態におけるアレイ基板の斜視図である。図２は、図１におけるアレイ基板の２−２断面図である。図３は、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、アレイ基板１１は、複数の窪みが形成された樹脂からなるプレート１２と、この窪みに埋設された略正方形状のシリコン構造体１３（バイオチップ）とを有する。図２に示すように、シリコン構造体１３は、基材１４と、基材１４の表面に形成された反応部１１５（膜状物１５）を有する。図３に示すように、本実施の形態のシリコン構造体は、基板１６と、基板１６の表面に形成された基材表面層（第一の層）１７と、基材表面層１７の表面に形成された繊維状の膜状物１５とを有している。基材表面層１７と膜状物１５は同一の元素から構成されるケイ素化合物であり、基材表面層１７と膜状物１５とが直接接合している。シリコン構造体１３が略正方形状の場合、各シリコン構造体１３の一辺は１００μｍ〜１０ｍｍ程度である。反応部１１５は複数のファイバー１５ａから構成されており、ファイバー１５ａと基材１４とが直接接合されている。ファイバー１５ａは酸化シリコンを主成分としている。ここで、「直接接合」とは、基材１４上に反応部１１５が直接形成され、基材１４と反応部１１５とを構成する原子または分子が直接結合している状態を指し、通常は分子と分子が共有結合をしている状態である。本実施の形態では、基材表面層１７の珪素原子とファイバー１５ａ中の珪素原子とが、酸素原子を介して共有結合している。また、基材１４と反応部１１５の接合面には接着剤などが用いられておらず、基材１４と反応部１１５とを構成する原子または分子以外の材料を含んでいない。
【００２０】
本実施の形態では、基板１６は、単結晶シリコンで形成されているシリコン基板を用いた。しかし、ほかにも例えば、多結晶シリコン、酸化シリコン、石英、ホウケイ酸ガラス、アモルファスシリコン等を基板１６に用いることができる。
【００２１】
反応部１１５すなわち膜状物１５は、例えば酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａからなり、好ましくはアモルファスの二酸化珪素を主成分としたファイバー１５ａからなる。
【００２２】
基材表面層１７と膜状物１５としては、酸化シリコンやアモルファスの二酸化珪素のほかにも、多結晶シリコン、石英、ホウケイ酸ガラス等のケイ素化合物を用いることができる。
【００２３】
ファイバー１５ａの太さは、０．０１μｍ〜１μｍ程度である。ファイバー１５ａは、互いに絡み合うように密集し形成されていても、自由な方向へ枝分かれしているものが混在して形成されていてもよい。ファイバー１５ａが互いに絡み合い、膜状物となっていることによって、反応部１１５が基材１４に対し強固に接合される。また、ファイバー１５ａが複数の枝分かれをしている場合も、反応部１１５が基材１４に対し強固に接合される。あるいは、複数のファイバー１５ａは互いに同方向に配向していてもよい。しかし、複数のファイバー１５ａが様々な方向に向かって形成されている方が、ファイバー１５ａが互いに絡み合うことによって、反応部１１５と基材１４が強固に接合されるため望ましい。
【００２４】
また、従来、ナノインプリント法によって容器原料を加熱し軟化し、容器原料に突起物、培養面を規定する形状が形成された金型を押し付けることによって、金型の形状を容器原料に転写し、容器に突起群を形成させる方法が開示されている。しかし、本実施の形態によると、従来の転写に比べより細く、表面積の大きい反応部１１５を形成できるため好ましい。
【００２５】
本実施の形態のようにシリコン構造体１３をバイオチップとして用いる場合は、基材表面層１７に形成された膜状物１５を、様々な反応を行うことができる反応部１１５として用いることができる。
【００２６】
例えば、基材表面層１７は、基板１６の表面の少なくとも一部に形成された酸化シリコン層１７ａで形成されている。膜状物１５は、酸化シリコンを主成分とした複数のファイバー１５ａで形成されている。基材表面層１７のファイバー１５ａが固定される面とファイバー１５ａとが直接接合している。
【００２７】
次に本実施の形態のシリコン構造体１３の代表的な製造方法を説明する。図４Ａ〜４Ｃは、本発明の実施の形態におけるシリコン構造体１３の製造方法を説明するための断面図である。
【００２８】
図４Ａに示すように、酸化シリコン層１７ａを有する基材１４の表面にシリコンを主成分とするシリコン層１８（第二の層）を形成する。基材１４の表面にシリコン層１８を形成した基板として、既に形成された状態のものを購入してもよい。例えば基板１６の上面に酸化シリコン層１７ａが積層され、酸化シリコン層１７ａの上面すなわち基材１４の表面にシリコン層１８が積層された３層からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。ＳＯＩ基板を用いた場合、シリコン層１８が不純物を含まない単結晶シリコンで構成されるため、高純度なファイバー１５ａを形成できる。
【００２９】
図４Ｂに示すようにシリコン層１８に白金などの触媒１９を塗布し、図４Ｃに示すようにシリコン層１８を原料として、基材の表面が基材表面層１７すなわち酸化シリコン層１７ａとなるまでファイバー１５ａを形成する。このようにシリコン層１８をファイバー１５ａの原料として用いることによって、基材１４の酸化シリコン層１７ａとファイバー１５ａとが直接接合される。
【００３０】
基材１４の酸化シリコン層１７ａの表面は、ＲＭＳ粗さが１０ｎｍ以下の非常に平滑な平面を持つ。
【００３１】
酸化シリコン層１７ａは、少なくとも反応部１１５と対向している面の一部に形成されていれば、シリコン構造体１３の反りや、反応部１１５の基材１４からの剥離を抑制できる。
【００３２】
なお、この時、シリコン層１８を全て使い切ることが望ましいが、膜状物１５と基材表面層１７とが直接接合していない基材表面層１７の上にシリコン層１８が多少残っていても十分に効果が得られる。
【００３３】
このように、酸化シリコン層１７ａを有する基材１４の表面にシリコンを主成分とするシリコン層１８（第二の層）を形成し、シリコン層１８を原料として、繊維状の膜状物１５であるファイバー１５ａを形成できる。
【００３４】
以下に本実施の形態のシリコン構造体１３の効果を説明する。本実施の形態においては、シリコン構造体１３に設けられた膜状物１５（反応部１１５）の剥離を防止するとともに、シリコン構造体１３を用いたアレイ基板の検出精度を向上できる。
【００３５】
従来、バイオチップの基材と基材表面とに形成された反応部との熱膨張係数が異なることにより、バイオチップに反りが発生し、基材と反応部との密着性が低い場合には剥離が発生する場合がある。特に、シリコンからなる基材上に酸化シリコンからなるファイバーを直接接合により設けた場合、シリコンと酸化シリコンとの熱膨張係数の違いによってバイオチップが反ることがある。複数のファイバーは突起物ではなく、膜状物であり、ファイバーはその一本一本が絡み合って、膜状物と基材とが直接接合している。さらにシリコンは酸化シリコンに比べて熱膨張係数が大きいので、基板と反応部との熱膨張係数が異なってしまい、ファイバーからなる膜状物全体に応力（変位）がかかる。その結果、シリコン基材の中心がもり上がるような反りが発生するためにファイバーが基材から剥離する場合がある。基材表面層１７と反応部１１５との主成分を同じにすることによって、基材１４にかかる応力を緩和し、基材１４の反りやそれに伴うファイバー１５ａの基材１４からの剥離を低減できる。
【００３６】
すなわち、本実施の形態のシリコン構造体１３は、基材表面層１７と反応部１１５との成分を同じとするために、シリコン層１８を原料として酸化シリコンからなるファイバー１５ａを形成している。そして、ファイバー１５ａを形成することにより、複数のファイバー１５ａを基材表面層１７に直接接合している。
【００３７】
また本実施の形態では、基材表面層１７と反応部１１５との成分が同じであるので、基材表面層１７と反応部１１５との接触点を点接触ではなく面接触にできる。そのため、反応部１１５の基材１４からの剥離を低減できる。
【００３８】
また、反応部１１５は熱膨張係数が異なるシリコン層と直接接合されておらず、反応部１１５と成分が同じ酸化シリコン層１７ａに直接接合されることになる。そのため、反応部１１５にかかる応力を低減させることができ、剥離や反りを抑制できる。
【００３９】
また、反りが抑制されることにより、アレイ基板１１を用いての測定時にシリコン構造体１３に滴下した試料溶液のスポット径が広がることなく、シリコン構造体１３の反応部１１５の上に捕捉される。そのため、検出感度が低下することなく確実に相互作用を起こすことができる。さらに、反りの抑制により、滴下した試料溶液が目的のシリコン構造体１３ではなく隣接したシリコン構造体１３に誤って混入されることがない。そのために、それぞれのシリコン構造体１３での試料溶液のスポット径や濃度が均一になる。従って、解析精度が正確になり、検出精度の高いアレイ基板１１が得られる。
【００４０】
さらに、本実施の形態においては、酸化シリコン層１７ａの上において反応部１１５の形成反応がストップするので、基材１４の厚みを一定にできる。従って、シリコン構造体１３の位置精度が向上し、検出感度も向上する。
【００４１】
また、反応部１１５として、酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａを用いると反応部１１５の材料に起因する蛍光強度が低くなり、ノイズの発生を抑制できる。さらに、酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａは化学的に安定な材料であるため、様々な表面処理を施せる。さらに、酸化シリコンを主成分としたファイバー１５ａにより単位面積当たりの表面積を増加し、検出精度を向上できる。
【００４２】
図５は、本発明の実施の形態における他のシリコン構造体の断面図である。本実施の形態では、酸化シリコン層１７ａが、反応部１１５との接合部以外の層にも形成されている。すなわち、基材１４の表面全体を覆うように酸化シリコン層１７ａが形成されている。
【００４３】
例えば、基材１４に、反応部１１５であるファイバー１５ａを形成した後に、ファイバー１５ａの材料と同等の酸化シリコン層１７ａを基材１４の側面と裏面に形成して基板１６の表面層全体を酸化シリコン層１７ａでコーティングする。
【００４４】
この場合、基板１６に対して、等方的に酸化シリコン層１７ａが形成される。そのため、酸化シリコン層１７ａによって引き起こされる基材１４の反りをさらに低減できる。
【００４５】
すなわち、酸化シリコン層１７ａは基材１４の全面を覆わなくとも、反応部１１５と対向している面に形成されていれば良いが、基材１４の全面に形成した方が基材１４の反りをさらに低減できる。
【００４６】
基板１６の表面全体を覆うように酸化シリコン層１７ａを形成するためには、ＣＶＤ法、スパッタリング法、ＣＳＤ法、熱酸化等が挙げられる。熱酸化による方法は、高額な真空装置を必要とせず、簡易な方法により一度に複数基板の処理が可能であり生産性の観点から望ましい。具体的には、基材１４を石英管内に置き、炉を９００℃〜１１５０℃に加熱し、酸素ガスと水素ガスを１：２の割合で送り込み炉の導入口に近いところで水蒸気（Ｈ2Ｏ）を作り、これを基材１４の表面に送り酸化させるウエット酸化を用いる。基材１４の表面に酸素（Ｏ2）の侵入を妨げるようなファイバー１５ａが形成されていたとしても、ウエット酸化を用いることで、Ｈ2Ｏの作用によりＯ2の基材１４表面への拡散が容易となるため、生産効率が向上する。
【００４７】
なお、ガス導入口から酸素ガスを送り込み、基板１６の表面のシリコン層を酸化させ酸化シリコン層１７ａを形成するドライ酸化や、ＨＣｌあるいはＣｌ2などのハロゲンを添加した雰囲気での酸化も使用できる。
【００４８】
形成された酸化シリコン層１７ａがＣＶＤ法により形成されたものか、熱酸化によるものかは、その屈折率あるいは密度を測定する事で確認できる。ＣＶＤ法による酸化シリコン層は、屈折率が約１．４６であり、熱酸化による酸化シリコン層は、屈折率が約１．４８となる。なお、この屈折率は、６３２．８ｎｍ波長のＨｅ−Ｎｅレーザーを用い、エリプソメトリで測定した値である。また酸化シリコン層１７ａの密度は、直接測定することは困難な為、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）のエッチングレートから分析できる。ＢＨＦ（４８％ＨＦ：１１ｇＮＨ4Ｆ／６８０ｍｌ  Ｈ2Ｏ）を用いた場合は、ＣＶＤ法による酸化シリコン層はそのエッチングレートが約２０Å／ｍｉｎとなり、熱酸化による酸化シリコンは約６．８〜７．３Å／ｍｉｎとなる。
【００４９】
また、上記のような方法を用いなくても、ファイバー１５ａの形成工程での温度調整において、シリコン構造体１３を第一の工程で１０００℃〜１１００℃で形成し、第二の工程でファイバー１５ａの軟化温度以上の１２００℃以上に上げることにより、基材１４（基材表面層１７）に固定された部分のファイバー１５ａが熱溶融され、基材１４（基材表面層１７）に融着される。この結果、基材表面層１７と反応部１１５との接触面積をより大きくできる。そのため、反応部１１５の基材１４からの剥離を低減できる。このときに１２００℃以上の温度では、必ずしもファイバー１５ａを形成させる必要はない。
【００５０】
なお、シリコン構造体１３の製造方法において、反応部１１５としてファイバー１５ａを形成した後に、高温を保持したまま、ＮＦ3の雰囲気中でアニールすることによって、シリコン構造体１３は、より反りにくく、剥がれを抑制できる。これは酸化膜中において、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が切断され、ＳｉＯ2格子が開放的になり、圧縮応力が緩和されるためである。この際、ファイバー１５ａの中にフッ素（Ｆ）が残留する。
【００５１】
また、その他にもシリコン構造体１３の製造方法において、反応部１１５としてファイバー１５ａを形成した後に、コロナ放電を行うことで、より反りにくく、剥がれを抑制したシリコン構造体１３が得られる。コロナ放電印加前のファイバー１５ａは圧縮応力が印加された状態であるため、エリプソメーター等で測定可能な屈折率は約１．４７２である。しかし、コロナ放電が印加されると、格子の緩和が起こるため屈折率は約１．４６となる。この作用はコロナ放電以外にも、プラズマを用いた類似の処理を行うことでも可能である。
【００５２】
また、ファイバー１５ａの膜厚を小さくすることによって、より反りにくく、剥がれを抑制したシリコン構造体１３が得られる。基材１４の反りの大きさは、Ｓｔｏｎｅｙの式に従う。つまり、ファイバー１５ａの膜厚が大きくなると基材１４の反りは大きくなる。ファイバー１５ａの剥離を防止するためには、ファイバー１５ａの膜厚を小さくする方がよく、３０μｍ程度の膜厚であることが好ましい。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、反応部１１５はファイバーで形成したが、多孔質膜やナノチューブといった空隙率が大きく、例えば数ｍ2／ｇの比表面積の大きいものであれば、同様の効果を奏することができる。特に、無機材料で構成された反応部１１５が望ましい。反応部１１５を無機材料で構成することにより、耐熱性や耐薬品性に優れた反応部１１５が得られる。
【００５４】
また、シリコン（１１１）をシリコン層１８として用いることによって、より反りにくく、剥がれを抑制したシリコン構造体１３を提供できる。酸化シリコンの真性応力は結晶方位に依存し、シリコン（１１１）をシリコン層１８として用いた場合が一番応力が小さいためである。ここで、シリコン（１１１）とは、シリコン（１１１）面配向、すなわち（１１１）面方位を表面に有するシリコンのことである。
【００５５】
なお、本実施の形態ではＳＯＩ基板を用いたがＳＯＩ基板でなくても、基板１６の一部に酸化シリコン層１７ａとシリコン層１８とを有する基材１４であれば良い。例えば、ポリシリコン層／酸化シリコン層／シリコン基板からなるポリシリコン基板を用い、ポリシリコン層に触媒を塗布し、ポリシリコン層を原料としてファイバー１５ａを形成することもできる。この場合原料となる層は、ポリシリコン層には限定されず、単結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコンを主成分とする層であればよい。シリコンを主成分とする層は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成すればよい。
【００５６】
特にＣＳＤ法では、溶媒にシリコン粒子が分散されたものや、Ｓｉ原料が含まれるようなシリコンインクやＳｏｌ−ｇｅｌ溶液をスピンコート法により塗付することで、酸化シリコン層１７ａの表面にシリコン層１８を容易に形成できる。一方、ＣＶＤ法は、段差被覆性に優れるとともに、大量かつ高速に膜を形成するのに適している。
【００５７】
さらに、シリコン層１８にポリシリコン層やアモルファスシリコン層を用いた場合、結晶による異方性を持たないため、ランダムで均質なファイバー１５ａを形成できる。
【００５８】
なお、反応部１１５の原料となるシリコン層１８は厚みが２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下であることが望ましい。反応部１１５の厚みが厚くなるに従い、反応部１１５の形成スピードは低下する。厚みが２０μｍよりも厚くなると、反応部１１５の原料となるシリコン層１８を消費する前に、ファイバー１５ａの形成がストップしてしまう。そのため、目的とする構造を形成するのが困難となる。
【００５９】
また、本実施の形態では基板１６の表面に基材表面層１７が形成された基材１４を用いて説明したが、基材１４が全て基材表面層１７と同じ材料からなっていてもよい。すなわち、基材表面層１７と基板１６が同一の元素から構成されていてもよい。さらには、基材表面層１７と基板１６が同一の組成式で表される物質であってもよい。
【００６０】
基材１４（すなわち基材表面層１７と基板１６）には酸化シリコンを主成分とする材料を用いてもよい。すなわち、基材１４として酸化シリコン、ガラス、石英、ホウケイ酸ガラス等を用い、基材１４の表面にシリコンを主成分とする層を、ＣＶＤ法やＣＳＤ法等を用いた蒸着などにより形成する。そして、形成されたシリコンを主成分とする層を原料として、酸化シリコンを主成分とするファイバー１５ａを形成してもよい。
【００６１】
この場合、基材１４と膜状物１５の成分が同じであるため、基材１４と膜状物１５は同一の熱膨張係数を持ち、基材自体の反りを低減できる。つまり、基材表面層１７と膜状物１５の成分が同じだけの場合と比較して、さらに剥離を防止する効果が高くなる。
【００６２】
また、基材１４として石英等の透光性の材料を用い、基材表面層１７に反応部１１５であるファイバー１５ａを形成することによって、シリコン構造体１３の透過光観察が容易となるため好ましい。
【００６３】
また、図４Ａ〜４Ｃではシリコン層１８をファイバー１５ａを形成する際の原料として用いたが、基板１６をファイバー１５ａを形成する材料として用いてもよい。この場合、基板１６の表裏両面にファイバー１５ａが形成されることになる。従って、両面が反応場として使用可能なシリコン構造体１３が形成される。これは、ＳＯＩ基板に限定されるものではない。例えば、石英基板の両面にポリシリコン層を形成し、石英基板の両面にファイバー１５ａを形成することも可能である。
【００６４】
なお、反応部１１５の材料として、ホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）といった無機物がドープされていることが望ましい。ドープされていない酸化シリコンを用いる場合は軟化温度が１１６０℃と比較的高いが、リンがドープされたＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）は、軟化点が１０００℃前後、ＢＳＧ（Ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）やＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｇｌａｓｓ）の軟化点は約９００℃程度と軟化温度が低い。そのため、ファイバー１５ａ中にＢやＰをドープさせることにより、熱溶融させる温度を低下することができ、生産性が向上する。
【００６５】
なお、本実施の形態においては、樹脂からなるプレート１２を用いたが、基板１６と同様の材料からなるものをプレート１２として用いてもよく、基板１６をプレート１２と一体化して用いても良い。そうすることにより、製造工程での工数を削減できる。
【００６６】
なお、図６に示すように、アレイ基板２０においてプレート２２がアレイ状に貫通孔２４を有しており、この貫通孔２４にシリコン構造体１３が埋設された構成であってもよい。あるいは、貫通孔２４のプレート２２の下面に突起部２６を設け、突起部２６に接触するようにシリコン構造体１３を挿入し設置してもよい。この場合、シリコン構造体１３の位置決めが容易となり、各シリコン構造体１３の高さを均一にすることが可能となる。
【００６７】
なお、接着剤を用いてプレート１２やプレート２２の表面上に、シリコン構造体１３を接着させてもよい。
【００６８】
さらに、本実施の形態のシリコン構造体１３は製造されてから実際に使用されるまでに、水分のない環境または水分量が少ない環境で保管することが望ましい。水分のない環境で保管すると、反応部１１５であるファイバー１５ａの応力の変化を低減でき、シリコン構造体１３の長期安定性が向上する。その際、保管されたファイバー１５ａの中に含まれる水分量が少なくなる。ファイバー１５ａの中に含まれる水分量はＴＤＳ等の分析を用いることで定量化が可能である。
【００６９】
水分のない環境で保管するためには、シリコン構造体１３を密閉されたパッケージ内に封入する。パッケージは、例えばアルミニウム、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、環状ポリオレフィンの樹脂などを用いることができる。
【００７０】
そして、水分を吸着するような材料と一緒にパッケージを行う。水分を吸着するような材料とは例えば、シリカゲル、ゼオライト、塩化リチウムやトリエチレングリコール、水分ゲッター剤等である。
【００７１】
または、水分を含まないガスでパッケージ内を充填してもよい。水分を含まないガスとは、Ｎ2やＡｒ等の不活性ガスが望ましいが、Ｏ2等のガスによっても、シリコン構造体１３の変質を起こさないようなものであって、水分濃度が低下していればよい。また、加圧圧縮した空気またはガスを同封してもよい。この場合、空気に含むことのできる水分（飽和水蒸気量）が低下するため、水分量を低減したパッケージが可能となる。
【００７２】
なお、本実施の形態においては、シリコン構造体１３をバイオチップとして、さらにシリコン構造体１３をアレイ基板１１として用いる例で説明したが、これに限らずマイクロ流体チップや細胞培養チップとして用いてもよい。また、本実施の形態においては、反応部１１５を反応場として用いたが、反応場として用いる以外にも、イオン交換吸着剤、フィルター材料、ガスセンサー、電極として用いてもよい。
【００７３】
なお、基板１６として、金属酸化物を用いた場合であれば、共有結合性が高くなり、剥離がしにくくなる効果を有する。金属酸化物基材には、サファイア、酸化アルミニウム、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等が挙げられ、特に材料は問わない。
【００７４】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体の他の例について説明する。図３〜５のシリコン構造体の膜状物１５をイオン交換吸着剤として用いる。
【００７５】
イオン交換吸着剤は、排水の浄化（重金属イオンの吸着）、各種ガスの吸着、脱酸素剤の助剤、工業用ガスの脱水、副生ガスの吸着分離等に用いられる。イオン交換吸着剤をファイバー１５ａで構成することにより、より高い反応効率が得られる。ファイバー１５ａをイオン交換吸着剤として用いる場合には、マイクロ流体チップの中に反応部１１５を形成するのが望ましい。例えば、マイクロ流体チップ中に反応部１１５を埋め込むことや、基材１４に流路溝を形成し、溝底面に反応部１１５を形成したりすることによってイオン交換吸着剤を用いたデバイスを形成できる。マイクロ流体チップに形成された反応部１１５に反りが発生していると、流体抵抗が増加したり、均一に流体が通りにくくなる。反応部１１５の成分と基材表面層１７の成分とを同じにすることによって、マイクロ流体チップの反りを低減できる。それにより、流体抵抗を低減し、均一に流体を通すことによって、信頼性の高い処理が可能となる。また、基材１４を封止する必要がある場合には、基材１４の反りにより、接合が困難となる場合があり、本構成により反りを低減することにより接合の信頼性が向上する。
【００７６】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体のさらに他の例について説明する。図３〜５のシリコン構造体の膜状物１５をフィルター材料として用いる。
【００７７】
膜状物１５は、溶液から特定の物質のみを抽出するため、分離フィルター、分析フィルター、除菌フィルター等の各種フィルター材料に用いることができる。フィルター材料をファイバー１５ａで構成することにより、より高い分離効率が得られる。フィルター材料として用いる場合は、流路デバイス中に反応部１１５を形成することが望ましい。例えば、流路デバイス中に膜状物１５を有するシリコン構造体を埋め込むことによってフィルターを有するデバイスが形成できる。流路デバイスは、平板プレートでもキャピラリ型でも可能である。あるいは、基材１４に流路溝を形成し、溝底面に反応部１１５を形成したり、基材１４に流路溝を形成し、流路溝底面に基材１４を貫通する貫通孔を形成し、貫通孔の上面に膜状物１５を形成したりすることによっても流路デバイスを形成できる。サンプル溶液を流す方向は、膜状物１５と基材１４が接合している面に対して、平行であっても垂直であってもよい。
【００７８】
流路デバイス中の膜状物１５に反りが発生していると、流体抵抗が増加したり、均一に流体が通りにくくなる。反応部１１５の成分と基材表面層１７の成分とを同じにすることによって、流路デバイスの反りを低減できる。それにより、流体抵抗を低減し、均一に流体を通すことによって、信頼性の高い処理が可能となる。また、基材１４を封止する必要がある場合には、基材１４の反りにより、接合が困難となる場合があり、本構成により反りを低減することにより信頼性が向上する。
【００７９】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体のさらに他の例について説明する。図３〜５のシリコン構造体の膜状物１５をガスセンサーの検知材料として用いる。
【００８０】
一般的に、ガスセンサーの検知材料としては、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＺｒＯ２、Ｙ−ＺｒＯ２（イットリウム安定化ジルコニア）等が用いられる。ＳｎＯ２、ＺｎＯの場合、酸化物半導体の表面（検知材料の表面）でガスが吸着・反応することにより生じる電気抵抗変化を検出する。ＺｒＯ２、Ｙ−ＺｒＯ２を用いる場合、イオン導電体で電池を構成しガスによる起電力を検知材料で検出することによりガスセンサーを構成する。検知材料として、繊維状構造体の膜状物１５を用いることによって反応効率が向上し、高い検知能が得られる。
【００８１】
また、ガスセンサーの構造においては、検知部を気密化することが検出感度の観点で望ましい。ガスセンサーを微細加工により形成する場合、基材をその他の接合材料（例えば封止材料）と接合する必要がある。検知材料は基材と接合材料によって形成された空間内に形成されている。検知材料にファイバー１５ａを用いることにより基材に反りが発生すると、接合材料との接合が困難になる。反応部１１５の成分と基材表面層１７の成分とを同じにすることによって、基材および電極の反りを低減でき、接合の安定性が高くなる。その結果、ガスセンサーの信頼性を高めることができる。これらのことは、検知材料の種類や検知するガスの種類には依存しない。
【００８２】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体のさらに他の例について説明する。図３〜５のシリコン構造体の膜状物１５を電池の電極として用いる。
【００８３】
電解液の両側に例えばアルミニウム、コバルトなど異なる材料からなる電極を配置することで、電極でイオン化傾向係数が異なる場合、電解液内のイオンが電極間を移動することになり、電流を取り出す電池とすることができる。電池の電極材料としては、正極としてＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉｘＭｅｙＯ２等が用いられる。また、負極としては、Ｌｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ、Ｓｎ−Ｍｅ、Ｓｉ−Ｍｅ、Ｃ、ＨＣ、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌａ３Ｃｏ２Ｓｎ７等が用いられる。これらをファイバー１５ａとすることで、高容量、高い反応性、高速充放電等が得られる。
【００８４】
電極間の距離は上記イオンの移動時間を決める要素であり、イオンを流れやすくする、つまり電池の内部抵抗を小さくするためには電極間距離は極力小さい方が良い。電極材料を繊維状構造体で形成した場合、基材および電極に反りを持つことにより、電極間の距離が変化すると、電池の内部抵抗が安定しなくなる。また、基材および電極により大きな反りを持つと、電極間のショートを発生させる危険性が増す。反応部１１５の成分と基材表面層１７の成分とを同じにすることによって、基材および電極の反りを低減できる。それにより、信頼性の高い電池を形成できる。
【００８５】
以下、本実施の形態におけるシリコン構造体のさらに他の例について説明する。図３〜５のシリコン構造体を細胞培養チップとして用いる。
【００８６】
細胞培養チップは、近年、医療目的に使われる細胞培養の技術が進歩し、皮膚の移植や、少量の細胞から角膜、歯、骨、臓器など複雑な器官への移植に向けた培養技術において活用されている。
【００８７】
従来の細胞培養チップは、ガラスや樹脂などからなる容器に細胞と親和性の高い材料をコーティングさせたチップが用いられる。このようなチップを用いることによって、細胞をその細胞と親和性のある表面上で培養できるが、培養した細胞と細胞培養チップとの密着力が強いために細胞培養チップから細胞を剥離させることが困難となる場合がある。その結果、培養した細胞は、機械的に剥がすことにより物理的な損傷が与えられ、トリプシンなどの酵素を用いて化学的な処理によって剥がすことにより、細胞表面の膜タンパク質が破壊されて、移植後の細胞組織への定着率が低下する場合がある。
【００８８】
本実施の形態の細胞培養チップでは、膜状物１５の上で細胞を培養できる。本実施の形態の細胞培養チップを用いることによって、培養細胞の下方に適度な空隙を形成できるので、従来に比べて培養細胞を効率よく剥離できる。さらに、空隙により栄養物や老廃物がより効率よく運搬されるため、培養効率をさらに向上できる。
【００８９】
さらに、膜状物１５の反りが抑制されているので、隣接する膜状物１５と培養細胞が混ざり合うのを抑えられるため、コンタミネーションを低減できる。
【００９０】
また、膜状物１５に撥水性を持つ材料を塗布し、その上に培養液を滴下し、その培養液の中において細胞を培養する場合、膜状物１５の反りが大きいと、培養液を安定的に保持するのが困難となる。そのため、本実施の形態のシリコン構造体を用いることで培養液を安定的に保持できる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明のシリコン構造体およびこれを用いたアレイ基板は、マイクロ流体チップ、細胞培養チップ等のバイオチップおよびＤＮＡアレイ、プロテインアレイ、糖鎖アレイ等のアレイ基板に用いられる。
【符号の説明】
【００９２】
１１，２０    アレイ基板
１２，２２    プレート
１３    シリコン構造体（バイオチップ）
１４    基材
１５    膜状物
１５ａ    ファイバー
１６    基板
１７    基材表面層（第一の層）
１７ａ    酸化シリコン層
１８    シリコン層（第二の層）
１９    触媒
２４    貫通孔
２６    突起部
１１５    反応部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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