(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の透明な基材の内部に、前記基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、前記基材内で前記基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を有し、
前記流路の面から突出し、前記基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を前記流路に有することを特徴とするマイクロチップ。
【請求項２】
レーザによって改質された後、等方性エッチングによって、ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の透明な基材の内部に形成され、且つ前記基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、前記基材内で前記基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を有し、
前記流路の面から突出し、前記基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を前記流路に有することを特徴とするマイクロチップ。
【請求項３】
前記流路の断面形状は、円形、楕円形、多角形、リング形又はドーナツ形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
【請求項４】
前記流路の断面形状が、前記基材の位置によって異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のマイクロチップ。
【請求項５】
前記流路に複数の前記構造体を有し、前記複数の構造体は大きさの異なる構造体を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載のマイクロチップ。
【請求項６】
ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の基材内部にレーザを照射して、前記基材の一部を改質し、
前記基材の一部をエッチングにより除去して、前記基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、前記基材内で前記基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を前記基材内部に形成し、
前記流路の面から突出し、前記基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を前記流路に形成することを特徴とするマイクロチップの製造方法。
【請求項７】
前記レーザは１０００フェムト秒以下のパルスレーザであることを特徴とする請求項６に記載のマイクロチップの製造方法。
【請求項８】
前記流路の断面形状を、円形、楕円形、多角形、リング形又はドーナツ形で形成することを特徴とする請求項７に記載のマイクロチップの製造方法。
【請求項９】
前記流路の断面形状を、前記基材の位置によって異なるように形成することを特徴とする請求項８に記載のマイクロチップの製造方法。
【請求項１０】
前記流路に大きさの異なる複数の前記構造体を形成することを特徴とする請求項６乃至９の何れか一に記載のマイクロチップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチップ及びその製造方法に関する。特に、基材の内部にマイクロ流路を形成したマイクロチップ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術を流路形成に応用したμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ)やＬａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれるマイクロチップが研究され、実用化されている。
【０００３】
これらのマイクロチップは、数ｃｍ角の大きさのチップの内部にマイクロ流路と呼ばれるマイクロメートルオーダーの幅の流路を有し、マイクロ流路が合流したり、分岐したりする構造を有する。マイクロチップは、マイクロ流路に微量の溶液を流して、溶液の反応や分離、分析を行うシステムであるため、試料の微量化、反応の効率化を図ることができ、非常に有用である。また、流路の微細化によりマイクロチップを含む装置全体を小型化することも可能となるため、様々な用途への応用が可能となる。
【０００４】
マイクロチップの材料としてはシリコン、ガラス、樹脂などが用いられている。樹脂製のマイクロチップは、大量生産が容易であるという利点はあるが、耐熱性が低く、有機溶剤によって膨潤や腐食が生じたり、張り合わせに用いる接着剤の成分が溶け出したりすることや、流体圧や外圧によってマイクロチップの変形が起こってしまうという問題がある。
【０００５】
シリコン製のマイクロチップは、無機材料から構成されているので耐熱性が高く、有機溶剤による膨潤や腐食がなく、かつ流体圧や外圧によってマイクロチップが変形することがほとんどない。このようなシリコン製のマイクロチップは、ＭＥＭＳ技術を用いて製造することが可能であり、生産性の面でも優れている。
【０００６】
一方、ガラス製のマイクロチップは、耐熱性が高く、有機溶剤による膨潤や腐食がなく、あるいは流体圧や外圧によって変形することがほとんどないマイクロチップを提供することが可能であり、また、透明な材料であることから、流路内の光学的な観察も可能である。ガラス製のマイクロチップを用いることで、例えば、蛍光物質等用いて細胞や、タンパク、ＤＮＡなどのイメージングに利用することもできる。
【０００７】
このような光学的な観察が可能なマイクロチップを、ガラス基材とシリコン含有基材とを組合せて製造することが特許文献１に開示されている。また、複雑な形状の流路をガラス基材とシリコン基材を組合せて形成することが特許文献２に開示されている。このようなガラス基材とシリコン基材を組合せたマイクロチップは、樹脂製のマイクロチップに比して耐熱性が高く、有機溶剤による膨潤や腐食がなく、あるいは流体圧や外圧によってほとんど変形しない点で優れている。
【０００８】
しかし、これら従来のマイクロチップは、シリコン、ガラス、樹脂などからなる基材の表面に流路を形成し、この流路を覆うために、少なくともさらに１枚の基材を張り合わせる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２５６８８号公報
【特許文献２】特開２０１０―２９７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来のマイクロチップは、１枚のマイクロチップの形成に必要な基材数が多く、その結果、厚くなるため小型化の障害となる。また、ガラス基材とシリコン基材を組合せたマイクロチップでは、基材同士を直接接合する場合、可動性イオンを含む特殊なガラス基材を用いる必要があり、接合工程が必要となる。さらに、流路を形成するシリコン基材を加工するための製造工程や必要な設備が多くなるため、製造コストが上昇する。
【００１１】
そこで、本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、耐熱性や耐薬品性が高く、少ない製造工程で製造可能なマイクロチップ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態によると、ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の透明な基材の内部に、基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、基材内で基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を有し、流路の面から突出し、基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を流路に有することを特徴とするマイクロチップが提供される。
【００１３】
これにより、基材の貼り合せや積層をすることなく、単一の透明な基材の内部に流路を形成したマイクロチップが提供される。したがって、基材を直接接合する場合のように、接合界面のボイドによる接合不良で、液漏れ等の不具合が生じることはない。また、ガラス基材とシリコン基材とを陽極接合する場合のように、開口部に相当する部分にアルカリ析出が起こり、被験物の性状によっては問題となることもない。さらに、接着剤を用いて基材を接合する場合のように、接着剤による流路特性の劣化や、接着剤により流路内の被験物の観察の障害となることもない。また、１枚の基材内に蛇行させて流路を形成することで小型化を可能とし、また、１枚の基材であるために、細長いキャピラリーよりも割れにくく、扱いが容易なマイクロチップが提供される。さらに、流路に構造体を形成することで、例えば、流体の流量や圧力を制御することが可能である。
【００１４】
また、本発明の一実施形態によると、レーザによって改質された後、等方性エッチングによって、ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の透明な基材の内部に形成され、且つ基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、基材内で基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を有し、流路の面から突出し、基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を流路に有することを特徴とするマイクロチップが提供される。
【００１５】
従来のガラス基材とシリコン基材を組合せたマイクロチップは、用いる基材が多いため、製造工程が多く複雑になるが、本発明の一実施形態によると、少ない製造工程で１枚の基材の内部に流路を形成したマイクロチップが提供される。また、１枚の基材内に蛇行させて流路を形成することで小型化を可能とし、また、１枚の基材であるために、細長いキャピラリーよりも割れにくく、扱いが容易なマイクロチップが提供される。さらに、流路に構造体を形成することで、例えば、流体の流量や圧力を制御することが可能である。
【００１８】
マイクロチップの流路の断面形状は、円形、楕円形、多角形、リング形又はドーナツ形であってもよい。
【００１９】
従来の半導体製造技術では、異方性エッチングを用いることで矩形形状の流路形成するのは比較的容易であるが、円形の流路を基材内部に形成するためには複雑な製造工程が必要となる。本発明の一実施形態によると、等方性のエッチングであるウェットエッチングを用いることで、形成された流路の断面は略円形の形状になり、製造工程も簡便なマイクロチップが提供される。また、多角形の断面形状の流路では、流路の幾何学的な配置を用いることで、１枚の基材に複数の流路をコンパクトに集積することができる。リング形又はドーナツ形の断面形状の流路では、流路毎に異なる温度の流体を流し、流体間の熱交換に用いることができ、また、異なる種類の液体、異なる粘度の流体を流すこともできる。
【００２０】
マイクロチップの流路の断面形状が、基材の位置によって異なってもよい。
【００２１】
これにより、マイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にすることができる。
【００２４】
マイクロチップの流路に複数の構造体を有し、複数の構造体は大きさの異なる構造体を有してもよい。
【００２５】
これにより、流路に複数の構造体を形成し、複数の構造体の大きさの異ならせることで、流体の撹拌が可能である。１つの流路の内部に所定の間隔で複数の板状構造体を形成することで、撹拌効果を高めることができる。
【００２６】
また、本発明の一実施形態によると、ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラス及びサファイアから選択される単一の基材内部にレーザを照射して、基材の一部を改質し、基材の一部をエッチングにより除去して、基材の表面又は側面に少なくとも２つの開口部を有し、基材内で基材の上面に対して水平方向および／または垂直方向に曲がるように形成された流路を基材内部に形成し、流路の面から突出し、基材と一体に形成された板状又は柱状の構造体を流路に形成することを特徴とするマイクロチップの製造方法が提供される。
【００２７】
これにより、基材の貼り合せや積層をすることなく、単一の透明な基材の内部に流路を形成することができる。また、耐熱性や耐薬品性が高く、安価な材料を用いて製造可能なマイクロチップが提供される。さらに、１枚の基材内に蛇行させて流路を形成することで小型化を可能とし、また、１枚の基材であるために、細長いキャピラリーよりも割れにくく、扱いが容易なマイクロチップが製造できる。従来の半導体の製造技術で流路に構造体を形成するには、複雑な製造工程が必要となる。本発明の一実施形態によると、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、流路に機能性を持たせたマイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする。
【００３０】
マイクロチップの製造方法において、レーザは１０００フェムト秒以下のパルスレーザであってもよい。
【００３１】
フェムト秒レーザは、レーザと物質との相互作用において非線形性が顕著になるため、多光子吸収を利用したプロセシングや熱的影響が無視できる。フェムト秒レーザは、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザに比して、レーザ光を極めて小さな領域に照射することができ、加工精度は格段に高い。フェムト秒レーザを用いることで、加工する対象に瞬時にエネルギーを注入し、熱的、化学的損傷を受けない状態で、且つ、膜飛びを生じずに、必要箇所のみ屈折率を変え、密度を疎の状態に変える「改質」を行うことができる。
【００３２】
マイクロチップの製造方法において、流路の断面形状を、円形、楕円形、多角形、リング形又はドーナツ形で形成してもよい。
【００３３】
複雑な断面形状を有する流路を従来の半導体の製造技術で形成するには、複雑な製造工程が必要となる。本発明の一実施形態によると、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、マイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする。
【００３４】
マイクロチップの製造方法において、流路の断面形状を、基材の位置によって異なるように形成してもよい。
【００３５】
１枚のマイクロチップの内部に様々な断面形状の流路を複数組合せて形成するには、従来の半導体の製造技術では複雑な製造工程が必要となる。本発明の一実施形態によると、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、マイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする。
【００３８】
マイクロチップの製造方法において、流路に大きさの異なる複数の構造体を形成してもよい。
【００３９】
従来の半導体の製造技術で流路に構造体を形成するには、複雑な製造工程が必要となる。本発明の一実施形態によると、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、流路に機能性を持たせたマイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする。
【発明の効果】
【００４０】
本発明よると、耐熱性や耐薬品性が高く、少ない製造工程で製造可能なマイクロチップ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】一実施形態に係る本発明のマイクロチップ１００の模式図であり、（ａ）はマイクロチップ１００を斜め上方向から見た図であり、（ｂ）はＡＡ’での切断面であり、（ｃ）はＢＢ’での切断面である。
【図２】一実施形態に係る本発明のマイクロチップ１００の製造工程のパルスレーザの照射を示す図であり、（ａ）はマイクロチップ１００を斜め上方向から見た図であり、（ｂ）はＡＡ’での切断面である。
【図３】レーザ光の照射方法と形成される改質部の形状との関係を示す図であり、（ａ）は先に形成された改質部を伝搬しないようにレーザ光の焦点を走査する図を示し、（ｂ）は先に形成された改質部を伝搬するようにレーザ光の焦点を走査する図を示す。
【図４】一実施形態に係る本発明の流路２１の断面形状を示し、（ａ）は、図１（ａ）のＡＡ’での切断面に相当する様々な断面形状の流路２１を示し、（ｂ）は溝形の断面形状を有する流路２３を示す。
【図５】一実施形態に係る本発明の流路３１の断面形状を示し、（ａ）は流体をリング状に流す流路３１の断面図であり、（ｂ）は二重の流路３３の断面図である。
【図６】一実施形態に係る本発明の流路の配置を示す図であり、（ａ）は基材１の内部に複数の流路４１を形成した様子を示す断面図であり、（ｂ）は基材１の内部に複数の流路４３を形成した様子を示す断面図である。
【図７】一実施形態に係る本発明の内部に構造体を形成した流路の例を示し、（ａ）は、１つの流路の内部に階段状構造体８１を形成した流路５１を示し、（ｂ）は、１つの流路の内部に板状構造体８３を形成した流路５３を示す。
【図８】一実施形態に係る本発明のマイクロチップ２００を示し、（ａ）はマイクロチップ２００を上方向から見た図であり、（ｂ）はＡＡ’での切断面であり、（ｃ）はＢＢ’での切断面である。
【図９】一実施例に係る本発明のマイクロチップ３００の模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。
【図１０】一実施例に係る本発明のマイクロチップ４００の模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、マイクロチップ４００を用いた染色体ＤＮＡの観察方法を示す図である。
【図１２】一実施例に係る本発明のマイクロチップ５００の模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照して本発明に係るマイクロチップ及びその製造方法について説明する。但し、本発明のマイクロチップは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４３】
上述の課題について鋭意検討した結果、１枚の基材の内部に流路を形成する方法を用いるに至った。すなわち、上述のガラス基材とシリコン基材を組合せたマイクロチップは、基材が多いため、製造工程が多く複雑になるが、少ない製造工程で１枚の基材の内部に流路を形成できれば、課題を解決できることとなる。このような製造方法は、パルスレーザの照射とウェットエッチングの組合せで実現できることを見出した。
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００の模式図である。図１（ａ）はマイクロチップ１００を斜め上方向から見た図であり、図１（ｂ）はＡＡ’での切断面であり、図１（ｃ）はＢＢ’での切断面である。例えば、マイクロチップ１００は、単一の基材１の内部に蛇行した流路１１を有し、流路１１は基材１の上部表面に形成された開口部９０に接続されている。
【００４５】
流路１１はマイクロ流路であり、流体の試料を流すための流路である。流路１１は基材１の内部を蛇行するように配置することで、基材１のＢＢ’方向の長さよりも長い流路を形成することができる。流路１１の長さが短くても良い場合は、２つの開口部９０の間を直線状に接続するように配置すればよい。また、流路１１は試料の粘度に応じて、例えば、ＢからＢ’方向に向かって下がるような傾斜を有するように形成してもよい。
【００４６】
開口部９０は、例えば、流路１１に流す試料を添加するために用いることができる。開口部９０は、基材１の上部表面に対して垂直に形成しても良く、また、試料の粘度に応じて傾斜させるように形成してもよい。開口部９０は、マイクロチップ１００の側面部表面に形成してもよい。
【００４７】
本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００は、パルスレーザの照射とウェットエッチングとを組合せて製造することができる。図２は、本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００の製造工程のパルスレーザの照射を示す図である。図２（ａ）はマイクロチップ１００を斜め上方向から見た図であり、図２（ｂ）はＡＡ’での切断面である。
【００４８】
ここで、マイクロチップ１００の基材１には、透明な基材である耐薬品性が高いガラス、すなわち、耐酸性、耐アルカリ性の高いガラス、例えば、ホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができる。また、サファイアなどの単結晶基材であってもよい。これらの基材は透光性を有するため、基材内部にレーザ光を照射可能である。
【００４９】
マイクロチップ１００に流路１１を形成するために、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基材１の内部の所定の位置にレーザ光５を照射する。本実施形態に係るレーザ光５として、１０００フェムト秒以下のパルス幅のパルスレーザ（フェムト秒レーザ）を用いることができる。フェムト秒レーザは、レーザと物質との相互作用において非線形性が顕著になるため、多光子吸収を利用したプロセシングや熱的影響が無視できる。フェムト秒レーザは、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザに比して、レーザ光を極めて小さな領域に照射することができ、加工精度は格段に高い。フェムト秒レーザを用いることで、加工する対象に瞬時にエネルギーを注入し、熱的、化学的損傷を受けない状態で、且つ、膜飛びを生じずに、必要箇所のみ屈折率を変え、密度を疎の状態に変える「改質」を行うことができる。
【００５０】
基材１にレーザ光５を照射すると、レーザ光５の焦点６の位置の基材１が改質され、改質部７を形成することができる。基材１の内部の所望の位置でレーザ光５を走査することで、流路１１に相当する改質部７を形成することができる。この改質部７は、基材１の改質されていない部分よりもエッチングされやすい性質を有する。レーザ光５の走査は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向で行うことができ、これにより所望の改質部７を形成することができる。レーザ光５を精度良く走査することで、内部の表面に凹凸の少ない流路１１を形成するための改質部７を形成することができる。
【００５１】
次に、改質部７を形成した基材１にエッチングを行う。本実施形態に係るエッチングには等方性のエッチングであるウェットエッチングが好ましい。エッチング液としては、フッ酸やフッ硝酸系の溶液を用いることができる。改質部７は、改質されていない部分よりも速くエッチングされ、基材１にマイクロメートルオーダーの幅の流路１１が形成される。エッチングを行う時間を長くすることで、流路１１の内部の表面の凹凸を減少させることができる。また、エッチング液による基材１の表面のエッチングを防ぐために、エッチング工程の前に、改質部７を形成した基材１の表面に保護膜を形成してもよい。基材１の表面の保護膜を形成しない部分（開口部９０に相当）から、エッチング液が基材１の内部に浸潤し、改質部７をエッチングして流路１１を形成することができる。保護膜は、エッチング液に対する耐性を有する材料で形成することができ、例えば、クロムや金、これらの合金などを用いることができる。
【００５２】
従来の半導体製造技術では、異方性エッチングを用いることで矩形形状の流路形成するのは比較的容易であるが、円形の流路を基材内部に形成するためには複雑な製造工程が必要となる。本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００は、等方性のエッチングであるウェットエッチングを用いることで、形成された流路１１の断面は略円形の形状になり、製造工程も簡便である。
【００５３】
マイクロチップ１００は、基材１の内部に蛇行した流路１１を有することで、長い流路をコンパクトに収めることができ、例えば、マイクロキャピラリーの代わりに用いることができる。例えば、キャピラリー電気泳動、キャピラリーＤＮＡシーケンサ等は、高い分離性能を得るために、キャピラリーの長さが必要であるため、装置がその分大きくなり、小型化の障害となる。マイクロチップ１００は、１枚の基材内に蛇行させて流路を形成することで小型化を可能とし、また、１枚の基材であるために、細長いキャピラリーよりも割れにくく、扱いが容易となる。
【００５４】
本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００は、パルスレーザの照射とウェットエッチングとを組合せることで、基材の貼り合せや積層をすることなく、単一の基材の内部に略円形の断面形状の蛇行した流路を形成することができる優れた効果を奏する。また、本発明の本実施形態によると、耐熱性や耐薬品性が高く、安価な材料を用いて製造可能なマイクロチップが提供される。
【００５５】
従来の複数枚の基材を接合するマイクロチップでは、基材を直接接合する場合には、接合界面にボイドがあると接合不良になりやすく、液漏れ等の不具合が生じることがある。また、ガラス基材とシリコン基材とを陽極接合する場合、開口部９０に相当する部分にアルカリ析出が起こり、被験物の性状によっては問題となることがある。さらに、接着剤を用いて基材を接合する場合、接着剤による流路特性の劣化や、接着剤により流路内の被験物の観察の障害となることもある。一方、本発明の本実施形態に係るマイクロチップ１００は、基材の貼り合せや積層をすることなく、単一の基材の内部に流路を形成することができるため、このような問題は生じない。
【００５６】
（実施形態２）
本実施形態においては、複雑な形状を有する流路を形成する例について説明する。図３は、レーザ光の照射方法と形成される改質部の形状との関係を示す図である。図３（ａ）は先に形成された改質部を伝搬しないようにレーザ光の焦点を走査する図を示し、図３（ｂ）は先に形成された改質部を伝搬するようにレーザ光の焦点を走査する図を示す。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、レーザ光５の焦点６が基材１の改質部７を伝搬しないように１方向に走査する場合は、基材１の屈折率が一定であるため、レーザ光５のビーム径が拡がらず、改質部７の径を小さくすることができる。一方、図３（ｂ）に示すように、レーザ光５の焦点６を、改質部７を伝搬させるように基材１の内部に走査する場合、すでに形成された改質部７は基材１と屈折率が異なり、改質部７に入射したレーザ光５は反射、屈折を生じるため、レーザ光５のビーム径が拡がり、改質部７の径が大きくなる。したがって、先に形成された改質部７を、あえて伝搬するようにレーザ光５の焦点６を走査することで、より大きな改質部７を形成することができる。
【００５８】
このように形成した改質部７をエッチングすることで、基材１の内部に複雑な形状を有する流路を形成することができる。したがって、レーザ光５の照射方法と形成される改質部７の形状との関係を利用すれば、様々な形状の流路を形成することができる。その例を図４に示す。図４（ａ）は、図１（ａ）のＡＡ’での切断面に相当する様々な断面形状の流路２１の例を示す。上述したレーザ光５の照射方法と形成される改質部７の形状との関係を利用することで、様々な断面形状の流路２１の形成が可能である。ここで、本実施形態に係る流路２１の形成にはウェットエッチングを用いるため、三角形や、矩形、多角形の断面形状を有する流路２１では、異方性エッチングを用いた流路に比して角が丸くなる。
【００５９】
円形や楕円形の断面形状の流路では、流路内を流れる流体の圧力が流路の壁面全体で略均一にかかるため、高圧条件下でのマイクロチップの利用が可能となる。一方、多角形の断面形状の流路では、後述する流路の幾何学的な配置を用いることで、１枚の基材に複数の流路をコンパクトに集積することができる。例えば、正六角形の断面形状の流路を用いたハニカム構造を１枚の基材中に形成することで、マイクロチップの強度を損なわずに流路を集積することができる。
【００６０】
図４（ｂ）は、さらに複雑な断面形状の流路の例であり、溝形の断面形状を有する流路２３を示す。図４（ｂ）では基材１の底面方向に凸部を有する溝形の断面形状を例示したが、基材１の上面方向に凸部を有する溝形の断面形状の流路２３も形成できる。このような溝形の断面形状を有する流路２３は流路の表面積がいため、例えば、流体と流路との接触面積を広げたい場合に有効である。
【００６１】
図５は、流体をリング形状又はドーナツ形状に流す流路３１の断面図であり、図５（ａ）は、図１（ａ）のＡＡ’での切断面に相当する。流路３１は、その中心部に改質しない基材部を残すように、レーザ光５の焦点６を走査することでリング形状の改質部７を形成する。このリング状の改質部７をエッチングにより除去することで、リング形状の断面形状を有する流路３１を形成することができる。図５（ａ）に示した流路３１は一例であって、多角形のリング形状に形成することもできる。また、流路の外周を円形にし、基材１による内周を矩形にする等、外周の形状と内周の形状とを異なるようにしてもよい。
【００６２】
図５（ｂ）は二重の流路３３の断面図である。流路３３は、流路３３ａの内側に流路３３ｂを有する。流路３３は、例えば、流路３３ａと流路３３ｂとに異なる温度の流体を流し、流体間の熱交換に用いることができる。また、流路３３ａと流路３３ｂとに異なる種類の液体、異なる粘度の流体を流すこともできる。図５（ｂ）に示した流路３３は一例であって、基材１の厚さが許容する範囲で、何重の構造にでも形成可能である。また、流路３３ａと流路３３ｂの断面形状は円に限定されず、図４（ａ）に示したように、所望の形状で形成可能である。
【００６３】
以上説明した複雑な断面形状を有する流路を従来の半導体の製造技術で形成するには、複雑な製造工程が必要となる。本実施形態に係る本発明の流路の形成方法を用いることで、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、本実施形態に係る本発明の流路を用いることで、マイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする優れた効果を奏する。
【００６４】
（実施形態３）
本実施形態においては、実施形態２で説明した複雑な流路の形成方法を応用して、１枚のマイクロチップの内部に様々な断面形状の流路を複数組合せて配置する方法について説明する。
【００６５】
図６は、本発明の本実施形態に係る流路の配置を示す図である。図６（ａ）は基材１の内部に複数の流路４１を形成した様子を示す断面図である。図６（ａ）は、図１（ａ）のＡＡ’での切断面に相当する。流路４１は、複数の流路を基材１の底面に対して垂直方向に配置するように形成している。図６（ａ）に示したように、同一の断面形状の流路を複数配置するように形成することもでき、また、異なる断面形状の流路を複数配置するように形成することもできる。
【００６６】
図６（ｂ）は基材１の内部に複数の流路４３を形成した様子を示す断面図である。図６（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ’での切断面に相当する。流路４３は、複数の流路を幾何学的に配置することで、１枚の基材に複数の流路をコンパクトに集積する例を示す。流路４３のこのような幾何学的な配置により、流路の全長を長くしてもマイクロチップの小型化が可能となる。また、効率よく集積された流路４３を形成したマイクロチップを用いることで、結果として、マイクロチップを利用する装置の小型化を促進することができる。なお、図５（ｂ）に示した流路４３は一例であって、他の幾何学的な流路の配置も可能である。
【００６７】
以上説明した１枚のマイクロチップの内部に様々な断面形状の流路を複数組合せて形成するには、従来の半導体の製造技術では複雑な製造工程が必要となる。実施形態２に係る本発明の流路の形成方法を本実施形態の流路の配置に適用することで、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、本実施形態に係る本発明の流路を用いることで、マイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする優れた効果を奏する。
【００６８】
（実施形態４）
本実施形態においては、１つの流路の内部に構造体を形成する方法について説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、内部に構造体を形成した流路の例を示し、流体の移動方向に平行な切断面である。
【００６９】
図７（ａ）は、１つの流路の内部に階段状構造体８１を形成した流路５１を示す。流路５１は、流体の移動方向に対して段階的に流路が細くなる形状である。流路５１を用いることで、例えば、流体の流量や圧力を制御することが可能である。
【００７０】
図７（ｂ）は、１つの流路の内部に板状構造体８３を形成した流路５３を示す。流路５３は、流体の移動方向に対して所定の間隔で板状の構造体が配置され、段階的に流路が細くなる形状である。流路５３を用いることで、例えば、流体の撹拌が可能である。流路５３に２種類以上の流体を導入すると、導入された流体は板状構造体８３に衝突することで撹拌される。１つの流路の内部に所定の間隔で複数の板状構造体８３を形成することで、撹拌効果を高めることができる。
【００７１】
本実施形態の構造体を１つの流路の内部に形成するには、実施形態２で説明した流路の形成方法を適用できる。従来の半導体の製造技術で流路の構造体を形成するには、複雑な製造工程が必要となる。本実施形態に係る構造体の形成方法を用いることで、従来に比して簡便に複雑な流路を形成することができる。したがって、本実施形態に係る本発明の構造体を有する流路を用いることで、流路に機能性を持たせたマイクロチップの設計における自由度が高くなり、多様な用途のマイクロチップの開発を可能にする優れた効果を奏する。
【００７２】
（実施形態５）
本実施形態においては、実施形態２で説明した複雑な形状を有する流路を形成する方法をマイクロチップの製造に適用した例について説明する。図８に本発明の本実施形態に係るマイクロチップ２００を示す。図８（ａ）はマイクロチップ２００を上方向から見た図であり、図８（ｂ）はＡＡ’での切断面であり、図８（ｃ）はＢＢ’での切断面である。例えば、マイクロチップ２００は、単一の基材１の内部にマイクロピラー２８５を有する流路２６１を有し、流路２１１は流路２６１と基材１の上部表面に形成された開口部２９０とに接続されている。開口部２９０は、マイクロチップ２００の側面部表面に形成してもよい。マイクロピラー２８５は、円柱状の構造物で、基材１の底面部と一体に形成されている。
【００７３】
本実施形態のマイクロチップ２００は、上述したレーザ光５の照射方法と形成される改質部７の形状との関係を利用し、先に形成された改質部７を伝搬するようにレーザ光５の焦点６を走査して流路２６１の比較的大きな改質部７を形成し、マイクロピラー２８５や細い流路２１１を形成する場合は、先に形成された改質部７を伝搬しないようにレーザ光５の焦点６を走査することで微細加工して形成することができる。
【００７４】
マイクロピラー２８５を有するマイクロチップ２００を従来の半導体製造技術で製造する場合、異方性エッチングにより、マイクロピラー２８５を形成した後に、基材１の上面部を貼り合わせて形成することとなり、製造工程が複雑になる。また、複数の基材を用いるため、製造コストが上昇する。しかし、本実施形態に係る流路の形成方法を用いることで、１枚の基材でマイクロチップを形成することができ、且つ、従来に比して簡便に形成することができる。
【実施例】
【００７５】
上述の実施形態で説明した本発明に係る流路を用いたマイクロチップの具体例を以下に示す。なお、以下の実施例は、一例であって、本発明に係る流路を用いたマイクロチップは、こられに限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
図９は、実施例１の本発明に係るマイクロチップ３００の模式図であり、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。マイクロチップ３００は単一の基材１の内部に流路３１１と、流路３１１の途中に複数の突出したトラップ３１５を有し、基材１の上部表面に流路３１１に接続した開口部３９０ａ及び開口部３９０ｂを有する。また、トラップ３１５の底面の一部は貫通しており、トラップ３１５の底面に電極３９５を形成することで塞がれた構造になっている。なお、図９（ａ）において、流路３１１は蛇行した流路として形成されているが、直線状、曲線上、螺旋状等、目的に応じた形状に配置することができる。
【００７７】
基材１にはホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができ、耐腐食性に優れたパイレックス（登録商標）ガラスを好適に用いることができる。また、電極３９５には、アルミニウムや白金等の金属を用いることができる。
【００７８】
マイクロチップ３００は、例えば、細胞等の粒子状の被験物の観察に用いることができる。トラップ３１５に配置された電極３９５にレーザ光を照射すると、電極３９５が振動し、バブルを発生させることができる。これにより、トラップ３１５内に入った粒子状の被験物を流路３１１へ押し出し、流路３１１を満たす流体の原動力となる。開口部３９０ａから被験物が入った流体を流路３１１へ導入すると、流体は開口部３９０ｂ方向へ移動する。このとき、上述のように電極３９５にレーザ光を照射してバブルを発生させることで、流体の移動を促進し、流路３１１内を移動する被験物を観察することができる。また、電極３９５は、トラップ３１５に入った被験物を電気抵抗法により計測するために用いることもできる。
【００７９】
本実施例のマイクロチップには、従来の基材の貼り合せや積層による製造方法を用いずに、パルスレーザの照射とウェットエッチングとを組合せることで、単一の基材の内部に蛇行した流路やトラップなどを形成することができる。本実施例のマイクロチップは１枚のガラス基材で形成されるため、流路内を移動する被験物の観察に適している。
【００８０】
（実施例２）
図１０は、実施例２の本発明に係るマイクロチップ４００の模式図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。マイクロチップ４００は単一の基材１の内部に矩形形状の比較的大きな流路４１１と、基材１の上部表面に流路４１１に接続した開口部４９０ａ及び開口部４９０ｂを有する。また、流路４１１の内部には、流路４１１の底面部の基材１と一体に形成された円柱状の構造物であるマイクロピラー４８５と三角柱２つからなるマイクロポケット４８７を複数有する。マイクロチップ４００の底面には電極４９５ａ、電極４９５ｂ、電極４９５ｃ及び電極４９５ｄが配置されている。
【００８１】
基材１にはホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができ、耐腐食性に優れたパイレックス（登録商標）ガラスを好適に用いることができる。また、電極３９５には、アルミニウムや白金等の金属を用いることができる。
【００８２】
マイクロチップ４００は、例えば、染色体ＤＮＡの観察に用いることができる。以下に観察方法を説明する。図１１は、マイクロチップ４００を用いた染色体ＤＮＡの観察方法を示す図である。まず、細胞１１０１を懸濁した溶液を開口部４９０ａから流路４１１へ導入する。導入された細胞１１０１は流路４１１内を拡散し、余分な溶液は開口部４９０ｂから、マイクロチップ外へ排出される。なお、細胞１１０１を懸濁する溶液としては、生理的食塩水やＰＢＳ（リン酸緩衝生理食塩水）が光学観察に好適である。
【００８３】
ここで、電極４９５ａに正の電位、電極４９５ｂに負の電位を印加すると、図１１（ａ）に示すように、細胞１１０１は電極４９５ｂへ移動する。マイクロポケット４８７は、２つの三角柱の間にちょうど１個の細胞を収容するように配置されており、細胞１１０１はマイクロポケット４８７に収容される。マイクロチップ４００は透明なガラスで形成されるため、細胞１１０１の移動の様子は位相差顕微鏡を用いることで容易に観察できる。
【００８４】
次に、開口部４９０ａから流路４１１へ可溶化剤を添加して細胞１１０１を溶解する。可溶化剤としては、ＳＤＳ（ラウリル硫酸ナトリウム）等の界面活性剤や塩酸グアニジン等の変性剤を用いることができる。また、蛋白質を分解するためにトリプシン等のタンパク質分解酵素を添加してもよい。マイクロポケット４８７に収容された細胞１１０１は、可溶化剤により細胞膜が溶解され、染色体ＤＮＡ１１０３が細胞１１０１から放出される。
【００８５】
電極４９５ａに負の電位、電極４９５ｂに正の電位を印加すると、図１１（ｂ）に示すように、染色体ＤＮＡ１１０３は電極４９５ａへ向かって伸張する。さらに電極４９５ｃに正の電位、電極４９５ｄに負の電位を印加すると、図１１（ｃ）に示すように、染色体ＤＮＡ１１０３はマイクロピラー４８５の表面に吸着する。
【００８６】
このように、染色体ＤＮＡを細胞外で伸張した状態にすると、ＦＩＳＨ（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）法を用いた染色体ＤＮＡの観察が容易になる。ＦＩＳＨ法は、標的とする塩基配列と相補的な塩基配列の蛍光ＤＮＡプローブを用いた塩基配列の観察方法である。通常、ＦＩＳＨ法は凝縮した染色体ＤＮＡに対して用いるため、観察時の分解能が高くない。しかし、本実施例のマイクロチップ４００を用いることで、染色体ＤＮＡを細胞外で伸張した状態にすることができ、ＦＩＳＨ法による標的塩基配列の観察が高分解能、且つ、高精度で行うことができる。
【００８７】
本実施例のマイクロチップには、従来の基材の貼り合せや積層による製造方法を用いずに、パルスレーザの照射とウェットエッチングとを組合せることで、単一の基材の内部にマイクロピラーやマイクロポケットを有する流路を形成することができる。また、本実施例のマイクロチップは１枚のガラス基材で形成されるため、ＦＩＳＨ法による標的塩基配列の観察に適している。
【００８８】
（実施例３）
図１２は、実施例３の本発明に係るマイクロチップ５００の模式図であり、図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢＢ’での断面図を示す。マイクロチップ５００は単一の基材１の内部に蛇行した流路５１１と、基材１の上部表面に流路５１１に接続した開口部５９０ａ、開口部５９０ｂ、開口部５９０ｃ及び開口部５９０ｄを有する。また、流路５１１は、開口部５９０ａ側から前処理部１２５１、反応部１２５３及び検出部１２５５を有する。さらに、流路５１１の内部には、流路５１１の底面部の基材１と一体に形成された板状構造体５８３を有する。
【００８９】
基材１にはホウケイ酸ガラス、ソーダライム、アルミナホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができ、耐腐食性に優れたパイレックス（登録商標）ガラスを好適に用いることができる。
【００９０】
マイクロチップ５００は、例えば、ＥＬＩＳＡ（Ｅｎｚｙｍｅ−Ｌｉｎｋｅｄ  ＩｍｍｕｎｏＳｏｒｂｅｎｔ  Ａｓｓａｙ）法を用いた検出キットに用いることができる。以下にＥＬＩＳＡ法を用いた被検出物の検出方法を説明する。図１２は、マイクロチップ５００を用いたＥＬＩＳＡ法による被検出物の検出方法を示す図である。まず、検出対象の溶液を開口部５９０ａから流路５１１へ導入する。導入された溶液は流路５１１内を移動し、余分な溶液は開口部４９０ｄから、マイクロチップ外へ排出される。
【００９１】
被検出物が細胞内のタンパク質等である時は、開口部５９０ａから可溶化剤を添加して細胞を溶解する。可溶化剤としては、ＳＤＳ（ラウリル硫酸ナトリウム）等の界面活性剤や塩酸グアニジン等の変性剤を用いることができる。
【００９２】
溶液中の不要な成分を除去するために、前処理部１２５１にフィルタやイオン交換樹脂を配設してもよい。この場合、溶液中に可溶化された被検出物１２０５は粗精製されることとなるため、検出感度を向上させることができる。流路５１１を移動した被検出物１２０５は、反応部１２５３に予め導入された固定化ビーズ１２１１により固定される。固定化ビーズ１２１１は、板状構造体５８３により反応部１２５３に留められる。続いて開口部５９０ｂから流路５１１に洗浄液を導入し、固定化ビーズ１２１１に固定されない成分、ここでは被検出物１２０５以外の成分を洗い流す。洗浄液としては、生理的食塩水やＰＢＳ（リン酸緩衝生理食塩水）が光学観察に好適である。
【００９３】
次に、開口部５９０ｂから流路５１１に抗体１２０７を添加する。抗体１２０７は被検出物１２０５と特異的に結合する抗体であって、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体の何れでもよい。ここで、抗体１２０７は標識酵素１２０９を標識している。続いて、開口部５９０ｂから流路５１１に洗浄液を導入し、被検出物１２０５に結合していない余分な抗体１２０７を洗い流す。
【００９４】
次に、開口部５９０ｃから基質１２１３を添加する。基質１２１３は、被検出物１２０５に結合した抗体１２０７の標識酵素１２０９により反応生成物１２１５となる。反応生成物１２１５は、検出部１２５５の検出位置１２６０で検出される。
【００９５】
基質１２１３から反応生成物１２１５が生成されることで、溶液中に被検出物１２０５が存在していることが間接的に検出される。反応生成物１２１５の光学的に検出でき、傾向顕微鏡や熱レンズ顕微鏡等を用いることができる。
【００９６】
本実施例のマイクロチップには、従来の基材の貼り合せや積層による製造方法を用いずに、パルスレーザの照射とウェットエッチングとを組合せることで、単一の基材の内部に板状構造体を有する流路を形成することができる。また、本実施例のマイクロチップは１枚のガラス基材で形成されるため、ＥＬＩＳＡ法による検出に適している。
【符号の説明】
【００９７】
１：基材
５：レーザ
６：焦点
７：改質部
１１：流路
２１：流路
２３：流路
３１：流路
３３：流路
４１：流路
４３：流路
５１：流路
５３：流路
６１：流路
８１：階段状構造体
８３：板状構造体
８５：マイクロピラー
９０：開口部
１００：マイクロチップ
２００：マイクロチップ
２１１：流路
２６１：流路
２８５：マイクロピラー
２９０：開口部
３００：マイクロチップ
３１１ 流路
３１５：トラップ
３９０ａ：開口部
３９０ｂ：開口部
３９５：電極
４００：マイクロチップ
４１１：流路
４８５：マイクロピラー
４８７：マイクロポケット
４９０ａ：開口部
４９０ｂ：開口部
４９５ａ：電極
４９５ｂ：電極
４９５ｃ：電極
４９５ｄ：電極
５００：マイクロチップ
５１１：流路
５８３：板状構造体
５９０ａ：開口部
５９０ｂ：開口部
５９０ｃ：開口部
５９０ｄ：開口部
１１０１：細胞
１１０３：ＤＮＡ
１２０５：被検出物
１２０７：抗体
１２０９：標識酵素
１２１１：ビーズ
１２１３：基質
１２１５：反応生成物
１２５１：前処理部
１２５３：反応部
１２５５：検出部
１２６０：検出位置
【図１】
0005585204.tif 000002
【図２】
0005585204.tif 000003
【図３】
0005585204.tif 000004
【図８】
0005585204.tif 000005
【図９】
0005585204.tif 000006
【図４】
0005585204.tif 000007
【図５】
0005585204.tif 000008
【図６】
0005585204.tif 000009
【図７】
0005585204.tif 000010
【図１０】
0005585204.tif 000011
【図１１】
0005585204.tif 000012
【図１２】
0005585204.tif 000013