(57)【要約】【課題】  ウィルスや細菌等の検出を高感度に行うことができ、小型且つ大量生産が可能で低コスト化を実現する。【解決手段】  微粒子検出を行うための半導体マイクロ分析チップであって、半導体基板１０と、半導体基板１０に設けられ、検体液が導入される第１の流路２０と、第１の流路２０に敷き詰められた柱状体３０と、を具備している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップであって、
Ｓｉからなる半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、前記検体液が導入される第１の流路と、
Ｓｉ若しくはＳｉＯ2 又はこれらの複合体からなり、前記第１の流路に所定の配列間隔で敷き詰められ、且つ前記第１の流路の上流領域よりも下流領域の方で配列間隔を狭くした第１の柱状体と、
前記第１の流路に交差するように設けられた第２の流路と、
Ｓｉ若しくはＳｉＯ2 又はこれらの複合体からなり、前記第２の流路に前記第１の流路の上流側の柱間隔と同ピッチで敷き詰められた第２の柱状体と、
を具備したことを特徴とする半導体マイクロ分析チップ。
【請求項２】
検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップであって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、前記検体液が導入される第１の流路と、
前記第１の流路に所定の配列間隔で敷き詰められた複数の柱状体と、
を具備したことを特徴とする半導体マイクロ分析チップ。
【請求項３】
前記第１の流路が上流領域と下流領域に分けられ、上流領域よりも下流領域の方で前記柱状体の配列間隔が狭くなっていることを特徴とする請求項２記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項４】
前記第１の流路に交差するように第２の流路が設けられ、該第２の流路に前記第１の流路の上流側の柱間隔と同ピッチで前記柱状体が敷き詰められていることを特徴とする請求項３記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項５】
前記第１の流路に交差するように第２の流路が設けられ、該第２の流路に該流路に沿って前記第１の流路の上流側の柱間隔と同ピッチで壁状（スリット状）体が配設されていることを特徴とする請求項３記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項６】
前記半導体基板はＳｉであり、前記柱状体及び壁状体はＳｉ若しくはＳｉＯ2 又はこれらの複合体であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の半導体マイクロ分析チップ。
【請求項７】
検体液中の微粒子を検出するための半導体マイクロ分析チップの製造方法であって、
半導体基板上に、流路のパターンに開口した流路用エッチングマスク及び柱状体に対応した柱用エッチングマスクを形成する工程と、
前記各エッチングマスクを用い、前記半導体基板を表面から所定の深さまでエッチングすることにより、前記検体液を流すための流路及び該流路に敷き詰められた複数の柱状体を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体マイクロ分析チップの製造方法。
【請求項８】
前記エッチングにより形成された柱状体を酸化することを特徴とする請求項７記載の半導体マイクロ分析チップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、微粒子検体を高感度に検出可能な半導体マイクロ分析チップ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ技術やヘルスケア分野において、マイクロ流路や検出機構などの微小な流体要素を集積したマイクロ分析チップが注目されている。この種の分析チップは、主にガラス基板上に形成され、多くの場合、流路をカバーガラス等の貼り合せでシールしている。また、各種検出にはレーザ光散乱検出や蛍光検出などを利用しているものが多い。
【０００３】
しかしながら、ガラス基板では微細な構造体の形成が難しく、流路の蓋も基板の貼り合わせで形成しており、大量生産が難しいためコストの低減が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１６２０６号公報
【特許文献２】特開２００５−２３０６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、ウィルスや細菌等の検出を高感度に行うことができ、非常に小型且つ大量生産が可能で低コスト化が容易な半導体マイクロ分析チップ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、検体液中のウィルスや細菌等を微粒子として検出する半導体マイクロ分析チップであり、半導体基板上に形成された検体液流動のための流路と、該流路に敷き詰められた柱状体アレイを備えてなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図。
【図２】図１の矢視Ａ−Ａ’断面図。
【図３】図１の半導体マイクロ分析チップの製造工程を示す断面図。
【図４】ピラーの構成を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図。
【図６】第３の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図。
【図７】図６の半導体マイクロ分析チップによるトラップ粒子の回収原理を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら実施形態について説明していく。ここでは、幾つか具体的な材料や構成を例として説明していくが、同様な機能を持つ材料や構成であれば、実施可能なものである。従って、以下の実施形態に限定されるものではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図であり、図２は図１の矢視Ａ−Ａ’断面図である。
【００１０】
図１において、１０は半導体基板（例えばＳｉ基板、Ｇｅ基板、ＳｉＣ基板など。以下Ｓｉ基板を例として説明していく）であり、直線状の溝からなる第１の流路２０を形成している。流路２０は検出する微粒子を含む検体液を流動させるためのものであり、Ｓｉ基板１０の表面に例えば幅５０μｍで深さ２μｍのエッチングを施して形成する。流路２０の両端には検体液の導入、排出のための開口部２１、２２を設けており、それぞれ電極の挿入が可能となっている。流路２０の両端を除く領域には、流路２０の底面からＳｉ基板１０の表面高さまで延在する柱状体（ピラー）を一定の間隔でアレイ形成したナノピラー３０を設けている。ピラーの径は例えば１μｍとし、隣接ピラーとの間隙を例えば０．５μｍとする。ここで、流路２０の底部はＳｉＯ2 膜４０で覆い、ナノピラー３０もＳｉＯ2 で形成しておく。
【００１１】
このように構成した流路２０の開口部２１に検体液を注入すると、検体液はナノピラー３０のピラー間隙に表面張力で吸い込まれ、紙面右方向に流入して開口部２２にまで到達する。流路２０及びナノピラー３０の表面は親水性のＳｉＯ2 であるため、適切な表面管理により流路の濡れ性が確保できる。流路２０に流入した検体液は、表面張力と毛細管現象により次々と下流側のナノピラーに吸い込まれていくが、これにより外部ポンプなどを用いずに流路２０における検体液の流動を行うことが可能になる。
【００１２】
ここで、流路２０中を流動する検体液の中の微粒子は、ナノピラー３０のピラー間隔Ｐよりも小さいものは開口部２２側に進むが、Ｐよりも大きいものはナノピラー３０にトラップされて留まることになる。このため、開口部２２にはナノピラー３０のピラー間隔Ｐよりも小さい微粒子のみが流動されることになる。このように、一定間隔で敷き詰められたナノピラーを微粒子のサイズフィルタとして用いることができる。また、開口部２１，２２にそれぞれ電極を挿入し、開口部２１，２２間に電圧印加することにより、電気泳動による微粒子の泳動が可能である。このとき、上述したナノピラーによる微粒子のサイズフィルタリングを行わせることができる。
【００１３】
次に、本実施形態の半導体マイクロ分析チップの製造方法について、図３を参照して説明する。なお、図３は図１の矢視Ｂ−Ｂ’断面に相当するものである。
【００１４】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０上にナノピラー形成のためのＳｉＯ2 エッチングマスク１１を形成する。このエッチングマスク１１は、例えばＳｉ基板１０上にＳｉＯ2 膜を形成し、その上にナノピラーのレジストパターンを形成した後、レジストをマスクでＳｉＯ2 膜をエッチングすることにより得られる。
【００１５】
次に、図３（ｂ）に示すように、流路形成のためのエッチングマスク１２を形成する。このエッチングマスク１２もエッチングマスク１１と同様にＳｉＯ2 膜形成とレジストパターン形成及びＳｉＯ2 エッチングにより得られるが、上記ナノピラー形成のためのマスク形成で同時に形成しても構わない。
【００１６】
次いで、図３（ｃ）に示すように、マスク１１、１２を用いてＳｉ基板１０をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）でエッチングすることにより、流路２０及びナノピラー３０を形成する。しかる後、マスク１１、２を除去し、図３（ｄ）に示すようにナノピラー３０が全て酸化されるように熱酸化を施す。これにより、ナノピラー３０はＳｉＯ2 となり、更に基板１０の露出部はシリコン酸化膜４０で被覆された構造となる。
【００１７】
ここで、ナノピラー３０の一つのピラーに着目すると、図４に示すように、平坦部のＳｉＯ2  厚さＬがピラー半径ｒよりも厚くなっていることが多い。これは、Ｓｉ酸化処理がナノピラー部ではピラーが全て酸化された後はそれ以上進行しないのに対し、Ｓｉ基板の平坦部では処理時間に応じて進行するためである。
【００１８】
流路２０中のＳｉナノピラーを酸化するに際しては、次の点を考慮する必要がある。即ち、ＳｉとＳｉＯ2 の体積は１ｍｏｌ当たりそれぞれ１２．０６ｃｍ3，２７．２０ｃｍ3 であり、Ｓｉを熱酸化してＳｉＯ2 を形成した場合、体積が約２．２６倍に膨張する。つまり、ナノピラー表面を熱酸化すると、ピラーの径と間隔がＳｉ基板をエッチングした直後の状態から変わってしまう。従って、複数本あるＳｉピラーの酸化が完全でない段階で、それぞれの酸化速度がばらついた場合、ピラーの径及び間隔がばらつくため粒子サイズフィルタとしてのナノピラーの機能が損なわれる可能性がある。一方、Ｓｉピラーが完全にＳｉＯ2 になるまで熱酸化を施せば、それ以上にピラーが太ることはなく、元のＳｉピラー径がほぼ同じであれば全てほぼ同じ径のＳｉＯ2 ピラーになる。上記したように、ＳｉとＳｉＯ2 の体積比は既知であり、Ｓｉピラーが完全酸化された時のＳｉＯ2 ピラーのサイズ変換量を見込んでＳｉピラーの径と間隔を設定しておく。そして、Ｓｉ基板表面を十分に酸化させ、ナノピラーを完全に酸化させることで、ピラー径及び間隔の制御が容易にできる。
【００１９】
なお、上記のように、ナノピラー３０を敷き詰めることにより、流路２０の流動方向の表面張力が大きくなるため、流路２０の上面に蓋をする必要は必ずしもない。これにより、流路の蓋を形成する基板貼り合せ工程を省略することが可能となり、製造コストを抑えることができる。勿論、コストが許容される場合には、流路２０の上部に蓋を形成することでより確実に毛細管現象を起こすことができ、また、流路への不純物混入を防止することができる。流路２０の蓋は、例えば流路にポリイミドなどの犠牲層樹脂を選択形成し、その上部にＳｉＯ2 とＳｉ3Ｎ4 等を形成し、開口部２１，２２を開口した後、酸素プラズマアッシングなどにより犠牲層を除去すればよい。
【００２０】
このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板１０を用いた一般的な半導体デバイス製造工程でマイクロ分析チップを低コストに実現することが可能である。そして、流路２０に所定の配列間隔でナノピラー３０を敷き詰める構成としているので、流路２０内の検体液の流動を効果的に行うことができる。しかも、ナノピラー３０のピラー間隔Ｐで微粒子の移動が規制されるため、開口部２１から導入された検体液中の微粒子のうちで間隔Ｐよりも小径の微粒子のみを流動させることができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００２２】
図５は、第１の実施形態と同様にＳｉ基板（半導体基板）１０の表面に直線状の溝からなる第１の流路２０が形成されている。流路２０のほぼ中央部に接するように、流路２０と直交する方向に第２の流路５０が形成されている。第１の流路２０の上流領域（開口２１側）と下流領域（開口２２側）でナノピラー３０のピラーピッチを変えており、下流側の方が上流側よりもピッチを小さくしている。即ち、上流側のピラー間隔Ｐ１よりも下流側のピラー間隔Ｐ２の方が狭くなっている。流路５０にもナノピラー３０を形成しており、そのピラー間隔Ｐ３は流路２０の上流側のピラー間隔Ｐ１と同じとしている。即ち、流路５０におけるピラー間隔Ｐ３はＰ１と等しくなっている。
【００２３】
このような構成において、第１の流路２０の開口部２１に検体液を注入すると、ナノピラー３０に導かれて開口部２１から開口部２２側へ検体液が流入する。つまり、第１の実施形態と同様に、電気泳動などを用いずに流路２０における検体液ごと微粒子の流動を行うことが可能である。ここで、本実施形態では先の第１の実施形態とは異なり、第１の流路２０の下流側では上流側よりもナノピラー３０のピラー間隔を小さくしている。このため、ピラー間隔Ｐ２よりも径の小さい微粒子は開口部２２に到達するが、ピラー間隔Ｐ１よりも径が小さくピラー間隔Ｐ２よりも径が大きい微粒子は、上流側と下流側との境界領域に留まることになる。勿論、ピラー間隔Ｐ１よりも径の大きな粒子は流路２０には入らない。
【００２４】
この状態で、第２の流路５０の開口部５１、５２にそれぞれ電極を挿入し、電圧印加することで前述したピラー間隔Ｐ１とピラー間隔Ｐ２の境界で留まった微粒子を第２の流路５０の一方の開口部、例えば５２に導くことができる。これにより、開口部５２にピラー間隔Ｐ１より小さくＰ２より大きい微粒子を濃縮して集めることが可能となる。
【００２５】
このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板１０を用いた一般的な半導体デバイス製造工程でマイクロ分析チップを低コストに実現することが可能であり、流路２０に所定の配列間隔でナノピラー３０を敷き詰める構成としているので、第１の流路２０内の検体液の流動を表面張力のみで効果的に行うことができる。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、ナノピラー３０のピラーピッチを第１の流路２０の上流側と下流側で異ならせ、更に第１の流路２０に直交する第２の流路５０を設けることにより、特定の大きさの（直径がＰ１より小さくＰ２より大きい）微粒子のみを第２の流路５０の一方の開口部に濃縮して収集することができる。これは、特定の大きさの微粒子の検出に極めて有効となる。
【００２６】
また、検体液に含まれる微粒子が、直径がピラー間隔Ｐ１よりも小さくピラー間隔Ｐ２よりも大きいものと直径がピラー間隔Ｐ２よりも小さいものとの２種の場合、本実施形態により２種の微粒子を分離して収集することができる。このため、２種の微粒子を独立した領域で収集又は検出することも可能となる。
【００２７】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係わる半導体マイクロ分析チップの概略構成を示す平面図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００２８】
本実施形態が先に説明した第２の実施形態と異なる点は、第２の流路５０に設けるナノピラー３０の代わりに、ナノウォール（壁状体）６０を設けたことにある。即ち、第２の流路５０には、ピラー間隔Ｐ１と同じ間隔Ｐ３の複数のナノウォール６０を流路方向に沿って形成している。ナノウォール６０の形成は、ナノピラー３０と同じようにＳｉＯ2 マスクを用いたエッチングで行うことができる。このような構成であっても、先の第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
また、第２の流路５０の開口部５１，５２にそれぞれ電極を挿入し、電界を印加することにより、第１の流路の上流側と下流側の境界でトラップした微粒子の能率良い回収が可能となる。この原理を、図７を参照して説明する。
【００３０】
図７は、第１の流路２０と第２の流路５０の交差部付近の図であり、第１の流路２０のナノピラーについては、簡単のために上流側と下流側の境界部分のみ図示している。
【００３１】
まず、図７（ａ）に示すように、第１の流路２０の開口部２１に導入された検体液はナノピラーによる流動で開口部２２側へと移動する。これに伴い、流路２０のナノピラー３０のピラー間隔Ｐ１よりも小さい微粒子は開口部２２側へ移動し、そして、そのうちのピラー間隔Ｐ２よりも大きい微粒子７０は、図７（ｂ）に示すように流路２０の下流領域手前に留まることになる。
【００３２】
ここで、第２の流路５０の開口部５１に負電極、５２に正電極をそれぞれ挿入し、図７（ｃ）に示すように電圧を印加する。一般にＳｉＯ2 の表面は負に帯電しており、第２の流路５０表面やナノウォール６０表面に帯電した負電荷が、開口部５２に挿入された正電極に引き寄せられ、それに誘因されてＳｉＯ2 表面近傍の検体液が正極側に移動する所謂電気浸透流が発生する。この電気浸透流により、第１の流路２０の上流側と下流側の境界にとどまった微粒子７０を電気浸透流により開口部５２に導くことができる。即ち、境界に留まった微粒子７０は、ナノウォール６０による電気浸透流ポンプの液体圧送でスムーズに第２の流路５０の開口５２に導かれることになる。
【００３３】
このように本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ナノウォール６０を形成することにより、微粒子の分離収集を更に効率良く行うことができる利点がある。
【００３４】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
実施形態では、半導体基板としてＳｉ基板を用いたが、必ずしもＳｉに限らず、通常の半導体製造プロセスで溝及び柱状体の加工が可能であれば他の半導体材料を用いることが可能である。
【００３６】
第１の実施形態では、柱状体の全体を酸化したが、表面のみを酸化しても良い。さらに、酸化せずにそのまま用いることも可能である。同様に、第３の実施形態における壁状構造体は、全体を酸化しても良いし、表面のみを酸化しても良い。
【００３７】
また、第２及び第３の実施形態では、第２の流路を第１の流路と直交する方向に設けたが、必ずしも直交する必要はなく、第１の流路と交差する方向であれば良い。
【００３８】
また、第２及び第３の実施形態では、第１の流路と交差する第２の流路を一つとしたが、複数の第２の流路を設けるようにしても良い。この場合、第１の流路に設けるナノピラーのピラーピッチを３段階以上に分け、各々の境界部分に第２の流路を設けることにより、２種以上の大きさの粒子を分離して収集することも可能となる。
【００３９】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１０…Ｓｉ基板（半導体基板）
１１…ナノピラー用マスク
１２…流路用マスク
２０…第１の流路
２１，２２…開口部
３０…ナノピラー
４０…シリコン酸化膜
５０…第２の流路
５１，５２…開口部
６０…ナノウォール（壁状構造体）
７０…微粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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