(57)【要約】好ましくはアッセイチップの電極上に、分子的に平滑な表面を形成するための方法が提供される。これは、以前に入手可能であったものよりも大きい信頼性および充填密度で、分子、好ましくはオリゴヌクレオチドを電極表面に付着させることができるので望ましい。電極表面への分子のこのような付着は、電気化学的遺伝分析の分野において特に有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料の約10原子直径以内まで平滑な基板を供給する工程；前記平滑な基板に付着材料を加える工程；および前記基板の少なくとも一部分をエッチングして除去し、前記付着材料の平滑な対応表面を露出する工程を含む、実質的に分子的に平滑な付着表面の形成方法。
【請求項２】
前記付着材料の平滑な対応表面に第三の材料を付着させる工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記付着材料が導体である請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記第三の材料がアッセイ試薬であるか、または前記導体にアッセイ試薬を付着させるための結合部分である請求項3に記載の方法。
【請求項５】
前記基板がシリコンを含んでいる請求項2に記載の方法。
【請求項６】
前記平滑な対応表面の反対側の表面に付着材料への支持層を付着させる工程をさらに含む請求項2に記載の方法。
【請求項７】
前記付着材料が金を含んでいる請求項2に記載の方法。
【請求項８】
前記付着材料が炭素を含んでいる請求項2に記載の方法。
【請求項９】
前記アッセイ試薬がポリヌクレオチドを含んでいる請求項4に記載の方法。
【請求項１０】
前記アッセイ試薬がDNAを含んでいる請求項4に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板がエッチングされて除去され、複数の位置において分子的に平滑な付着表面が露出される請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
第一表面と第二表面とを有するアッセイチップであって、それぞれ位置的に前記アッセイチップの第一表面および第二表面に対応する第一表面および第二表面を有する基板層であって、この基板の第二表面が、この基板の10原子直径以内まで平滑である基板層；この基板の第二表面上に堆積させられた少なくとも1つの導体；この基板の第一表面からアクセス可能なアッセイ領域であって、この基板がエッチングされて除去され、導体の一部分が露出させられているアッセイ領域；および前記アッセイ領域において導体に付着させた1つまたはそれ以上のアッセイ試薬、を含んでいるアッセイチップ。
【請求項１３】
少なくとも1つの導体が金を含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１４】
少なくとも1つの導体が炭素を含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１５】
少なくとも1つのアッセイ試薬がヌクレオチドを含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１６】
少なくとも1つのアッセイ試薬がDNAを含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１７】
複数の導体を含んでいる、請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１８】
複数のアッセイ領域を含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項１９】
電極のアレイをさらに含んでいる請求項12に記載のアッセイチップ。
【請求項２０】
異なるアッセイ領域において1つまたはそれ以上の導体に付着されている複数のアッセイ試薬を有する、請求項12に記載のアッセイチップを提供する工程；サンプルが複数の前記アッセイ領域と接触するようにアッセイチップの第一表面に水性サンプルを多量に注ぐ工程；検体（サンプル中に存在するならば）と少なくとも1つの試薬との相互作用から生じる電気信号を測定する工程を含む、アッセイの実施方法。
【請求項２１】
アッセイチップが複数の前記導体を含み、電気信号が前記導体の少なくとも1つを含む回路を通って測定される請求項20に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロエレクトロニクスおよび化学的／生物学的アッセイ用途のための平滑な表面の形成方法に関する。好ましい実施態様において、実質的に分子的に平滑な表面を有する金電極が作製される。この電極は、遺伝分析チップの一部であり、オリゴヌクレオチドをこの平滑な表面に付着させることができる。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術は、基板に埋め込まれた、あるいは付着させられた電気回路接点を使用する。これらの多くはさらに、電気接触表面への分子、特に複雑な生物学的分子の付着も提供する。例えば遺伝分析の分野において、DNAのようなオリゴヌクレオチドの鎖は通常、電極の表面に付着させられる（例えば米国特許第5，312，527号；第5，776，672号；第5，972，692号；第6，200，761号；第6，221，586号）。他の生物学的および非生物学的センサーおよびアッセイ装置も同様に、電極に付着させたセンサー分子（例えば酵素または受容体）を利用する。
【０００３】
DNAのような分子が電極の表面に均一かつ確実に付着するには、電極表面ができるだけ平滑であること、理想的には表面が原子的に平滑であることが望ましい。
【０００４】
現在、基板上に導電層を堆積させることによって、電極表面を形成する方法がいくつかある。例えばこれまでは、金およびその他の金属が、例えば蒸発、スパッタリング、および電気めっきなどの方法を用いて半導体基板上に堆積されていた。残念ながらこれらの方法は一般的に、いくつかの用途については粗すぎる上部表面を有する金属層を生じる。例えば蒸着された金表面は、200Åもの高さの粗さを有することがある。表面のこの粗さは、金表面に堆積されたDNA分子の充填密度（packing density）を変化させ、金表面上に形成されたDNA単層の構造的完全性に重大な影響を及ぼすことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、電流を通すことができる材料上に、非常に平滑な表面を形成する方法へのニーズが存在する。特に、遺伝分析分野およびその他のアッセイ装置において、基板上に電極表面を形成する方法であって、この表面が実質的に分子的に平滑である方法へのニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の1つの側面は、実質的に分子的に平滑な表面を有する基板に対して層を堆積させることによる、層上に実質的に分子的に平滑な表面を形成する方法である。
【０００７】
もう1つの側面は、基板材料の約10原子直径以内まで平滑な基板を提供する工程；付着材料を前記平滑な基板に加える工程；および前記基板の少なくとも一部分をエッチングして除去し、前記付着材料の平滑な対応表面を暴露させる工程を含む、実質的に分子的に平滑な付着表面の形成方法である。好ましくは前記付着材料は、電極として作用しうるものであり、金、炭素、または別の適切な材料を含んでいてもよい。さらには、アッセイ試薬または結合部分を、前記平滑な表面に付着させることもできる。このアッセイ試薬は、DNA、RNA、酵素、抗原、ペプチド、ペプチド類似体、抗体、ほかの型の特異的結合分子、基質、天然の、組み換えられた、またはキメラの受容体、化学試薬、酸化還元部分、化学的または生物学的センサーまたはセンサー分子、有機化合物などを含んでいてもよい。好ましい実施態様において、前記アッセイ試薬はDNAを含んでいる。
【０００８】
本発明のもう1つの側面は、前記平滑な対応表面の反対側の表面上にある前記付着材料への支持層を付着させる工程を含む。本発明のもう1つの側面は、前記基板をエッチングして除去し、複数の位置において分子的に平滑な付着表面を露出させる工程を含む。
【０００９】
本発明のもう1つの側面は、第一表面と第二表面とを有するアッセイチップであって、それぞれ位置的に前記アッセイチップの第一表面および第二表面に対応する第一表面および第二表面を有する基板層であって、この基板の第二表面が、この基板の10原子直径以内まで平滑である基板層；この基板の第二表面上に堆積させらた少なくとも1つの導体；この基板の第一表面からアクセス可能なアッセイ領域であって、この基板がエッチングされて除去され、導体の一部分が露出されているアッセイ領域；およびこのアッセイ領域において導体に付着させた1つまたはそれ以上のアッセイ試薬を特徴とするアッセイチップである。前記アッセイチップ上の導体は、金、炭素、または別の適切な材料を含んでいてもよい。好ましくは前記アッセイチップは、複数の導体およびアッセイ領域を特徴とする。前記アッセイチップはまた、電極のアレイを含んでいてもよい。好ましい実施態様において、前記アッセイ試薬は、DNAまたはRNAのようなヌクレオチドを含んでいる。
【００１０】
本発明のもう1つの側面は、異なるアッセイ領域において1つまたはそれ以上の導体に付着させられている複数のアッセイ試薬を有するアッセイチップを提供する工程；サンプルが複数の前記アッセイ領域と接触するように前記アッセイチップの第一表面に水性サンプルを多量に注ぐ工程；および検体（サンプル中に存在するならば）と少なくとも1つの試薬との相互作用から生じる電気信号を測定する工程を含む、アッセイの実施方法である。この方法に用いられる前記アッセイチップは、複数の導体を含んでいてもよく、これらの導体の1つまたはそれ以上を利用して、回路を通して電気信号が測定されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本開示において、実質的に分子的に平滑な電極表面を有する電極の調製のための様々な方法および装置が提供される。本開示は、主としてDNAチップの状況において発明について記載するが、本開示の多くの側面は、実質的に分子的に平滑な電極表面が望ましい他の技術（電極に付着させる分子を有する大部分の化学的および生物学的アッセイ装置を含む）に適用可能であることが理解され、認識されるであろう。したがってDNAに加えて、結合させられるアッセイ試薬としては、限定的ではないが、酵素、RNA、抗原、ペプチド、ペプチド類似体、抗体、ほかの型の特異的結合分子、基質、天然の、組み換えられた、またはキメラの受容体、化学試薬、酸化還元部分、化学的または生物学的センサーまたはセンサー分子、有機化合物などを挙げることができるが、限定はない。したがって特許請求の範囲において具体的に要求されている場合以外は、DNAおよびDNAチップについての言及は、一例であると考えるべきであり、限定的なものではない。
【００１２】
本発明の1つの側面において、アッセイチップは、電気化学的分析における使用に特に適している。これらの実施態様において、本発明は、基板、および1つまたはそれ以上の電極であって、これらのうちの少なくとも1つが、実質的に分子的に平滑な表面を有し、試薬が前記表面に付着させられている電極を有するアッセイ装置を包含する。
【００１３】
A．チップの設計および製造
一般的にチップ製造産業においては、1つの層が基板に堆積される時、その層の新しい外側表面は、堆積方法に依存した粗さを有する。しかしながら堆積させられた層の内部表面（基板に隣接する側）は一般に、基板の粗さを正確に映し出す粗さを有する。したがって平滑な表面を有する基板は、その上に対して堆積させられた層上に対応する平滑な表面を生じるための鋳型としての役目を果たしうる。
【００１４】
本発明の1つの側面は、平滑な表面を有する電極を作製するために、この内部表面の原理を利用することである。1つの実施態様において、金のような導電性金属が、実質的に分子的に平滑な基板上に堆積される。支持層が、基板と支持層との間に金属をサンドイッチ状に挟むように取り付けられる。ついで前記基板の一部分がエッチングして除去され、金属領域が露出させられる。この新たに露出させられた金属領域は、実質的に分子的に平滑な表面を有する。
【００１５】
「分子的に平滑な」という用語は、表面不規則性が主として、高さが表面の平均高さから約20原子直径未満、より好ましくは高さが約15、10、8、7、5、3、または2原子直径未満であることを意味する。1．5オングストロームの共有結合半径を有する金の場合、分子的に平滑な表面は好ましくは、高さが表面の平均高さから、約45、30、25、20、15、10、8、7、5、または3オングストローム未満の表面不規則性を有するであろう。
【００１６】
この発明の好ましい実施態様は、シリコン基板を特徴とするDNAチップである。二酸化ケイ素絶縁体の2つの層間にサンドイッチ状に挟まれた金電極のアレイが、このシリコン基板に取り付けられる。このシリコン基板の反対側には支持層がある。チップは、このシリコン基板が上にあり、支持層が下になるように向けられる。上にあるウインドウ（シリコン基板および絶縁体の上部層を通っているもの）によって、試薬電極の分子的に平滑な表面にアクセスすることができる。上にあるこれらのウインドウは、アッセイの間に液体試薬を受け入れる「試薬貯蔵部」と呼ぶことができる。下側にあるウインドウ（支持層および絶縁体の底部層を貫通するようにエッチングされたもの）によって、電気接触電極にアクセスすることができる。チップ中にあるこれら2つの型の電極は、絶縁層中の堆積させられた金配線によって、または当該分野で知られている他の方法によって選択的に相互接続される。試薬電極および電気接触電極へのアクセスによって、完全な回路を形成することができ、これによって、当該分野の標準的技術（例えば抵抗測定）をチップを用いて実施することが可能になるであろう。
【００１７】
シリコンを分子的に平滑な表面になるまで研磨する技術は、当該分野でよく知られている。例えば適切な技術の1つは、徐々に小さくなる研磨粒子を含んでいる研磨スラリーを用いて、単一の結晶質シリコンウエハーを徐々に研磨することを含んでいる。シリコンおよびその他の平滑な基板を調製するのに適した方法は、例えば米国特許第6，354，913号、第6，347，977号、第6，343，976号、第6，340，374号、および第6，336，845号に開示されている。
【００１８】
図1Aは、本発明のチップ10の1つの実施態様を示している。この図面は、2つの試薬貯蔵部44を有するチップ10の断面図である。これらの貯蔵部のそれぞれは、実質的に分子的に平滑な表面46を有する試薬電極30を含んでいる。この図面において、チップは、これらの貯蔵部が、上から堆積される液体中の試薬を受け入れることができるように配向されている。次いで重力によりこれらの試薬を貯蔵部に保持し、試薬電極30の平滑表面46に接触させる。これによって化学的および／または生物学的試薬を、前記試薬を含むアッセイの実施の一部として、平滑な表面46に付着させることができる。図示した実施態様は、説明を容易にするために2つだけの貯蔵部を示しているのであって、限定するためではない。本発明の多くの実施態様において、チップ10は、より多数のアッセイ貯蔵部、例えば5、10、20、30、50、100、200、1，000、またはそれ以上の領域を有すると理解される。これらのアッセイ貯蔵部は好ましくは、規則的な二次元アレイに配列される。
【００１９】
チップ10は、チップの本体としての役目を果たす基板14を含んでいる。この基板は、好ましくは半導体グレードの、単結晶質および多結晶質シリコンを含むシリコン製であってもよい。あるいはまたこれは、プラスチックまたはその他のポリマー材料、ガラス、または複合材料から構成されてもよく、これには、通常のプリント回路基盤材料のあらゆるものが含まれる。図示した実施態様において、基板14は好ましくは、二酸化ケイ素またはほかの適切な誘電性材料の1つまたはそれ以上の絶縁層22および24を含んでいる。このことは、基板14がシリコンである時に特に有用であるが、基板14それ自体が誘電性材料である時は必ずしも必要とされない。図1Aにおいて、上部20と底部16とを有する基板14が示されている。2つの絶縁層24および22は、それぞれ基板の上部20および底部16に示されている。下に図示した製造プロセスの間、この上部が当初は16であり、底部が当初は20であることに注目することは重要である。製造プロセスの間、チップがひっくり返されて製造プロセスが完了され、最終的には、チップが使用される時に、上部を20に、底部を16にする。
【００２０】
1つまたはそれ以上の電極26は、絶縁層22の上に形成される。これらの電極のいくつかは試薬電極30であり、いくつかは電気接触電極32である。これらの試薬電極は、露出させられた実質的に分子的に平滑な表面46を有し、この表面に、アッセイの実施の一部として試薬を付着させることができる。一般的には少なくとも1つ、時には2つまたはそれ以上の試薬電極30が、各試薬貯蔵部44に形成される。
【００２１】
第一絶縁層22は、シリコン基板からこれらの電極を絶縁する。電極は金またはほかの貴金属から形成されていることが有利であるが、試薬を上に付着させることができるあらゆる導電性材料であってもよい。これには非限定的に、白金、パラジウム、ロジウム、グラッシーカーボンのような炭素電極、酸化物電極、または半導体電極が含まれる。これらの電極はまた、表面上に導電性ポリマーを含んでいてもよい。金電極が特に好ましい。試薬電極30は、所望の接続点または電気接触電極32に導電性パスを形成する導電体（この断面図に示されていない）に接合されている。接続はまた、当該分野で知られている電気界面のあらゆる他の方法によってなされてもよい。異なる貯蔵部が異なる試薬を含みうるので、各試薬電極は、独立した測定のために単一電気接触電極に対応することが望ましい。接続点または接触電極32は、この装置の裏側、この装置の縁部、またはこの装置の表面、または（導体がワイヤーである時は）この装置から離れた地点に位置しうることに注目されたい。
【００２２】
好ましくは第二絶縁層34が、第一絶縁層22および金層26を覆って形成され、さらに金層26を露出させた部分から分離する。第二絶縁層34は、二酸化ケイ素から形成されていることが有利であるが、ポリマーを含む他の絶縁材料も、チップ10の様々な実施態様において用いることができる。例えば基板14がプリント回路基盤の基板であるならば、絶縁保護コーティングが用いられてもよい。
【００２３】
また支持層40は、チップの下側に付着させていることが有利である。この層はさらに、金層を保護し、基板層14がエッチングして除去された部分である（試薬貯蔵部44の位置においてのように）チップへの構造的支持を与える。支持層は、フォトレジスト、ポリイミド、パリレン、またはその他の適切な材料であってもよい。電気接触ウインドウ42が好ましくは、支持層40および第二絶縁層34を通ってパターン化され、電気接触電極32への電気接続を与える。
【００２４】
図1Bも同様に、アッセイチップの1つの実施態様の断面図を示している。図1Aと図1Bの違いは、試薬貯蔵部44の形状である。図1Aでは、これらの貯蔵部は、水酸化カリウム溶液のようなシリコン異方性エッチング剤を用いてエッチングされた（大量ミクロ機械加工プロセス）。図1Bでは、これらの貯蔵部は、ディープ反応性イオンエッチング（deep reactive ion etching）技術を用いてエッチングされた（DRIE、米国特許第5，501，893号）。これらの技術の差異については、以下でより詳細に考察する。
【００２５】
チップの製造の間、複数の異なる試薬を、異なる貯蔵部44中に、およびチップ10の試薬電極表面46上に堆積させることができる。これらの試薬は一般的に、液体、好ましくは水性液体の微小滴中に含まれており、したがって非常に迅速に乾燥して、試薬電極30の表面46上に試薬を堆積させる。例えばDNAを付着させるために、チオール誘導体化ポリヌクレオチド鎖は、よく知られているインキュベーション条件下で金電極に共有結合する。その他のよく知られた技術、あるいはまた電極にアッセイ分子を結合させるのに適した技術のいずれでも用いることができる。試薬またはアッセイ分子は、電極に直接接続されてもよく、また連結分子または分子層を通して電極に接続されてもよい。
【００２６】
本発明のアッセイチップは、多様な手順に有用である。正確に制御されたロボットシステムを用いることによって、正確な容積のDNA分子を有する溶液の滴を、これらの試薬貯蔵部のいくつかまたは全部の上に堆積させることができる。ロボットまたはコンピュータ制御されたスポッティング（spotting）装置を、このプロセスのために用いることができる。これらの貯蔵部は互いに分離されているので、異なる配列を有するDNA分子（もしくはほかの異なる試薬）を、混合することなく隣接している貯蔵部上に堆積させることができる。
【００２７】
図2A〜2Hは、シリコンウエハーを用いる製造プロセスの一例の段階的な工程を図示している。このプロセスは、図2Aにおいて、＜100＞配向を有する4インチ単一結晶質シリコンウエハー基板14を用いて開始される。図2Bを参照すると、二酸化ケイ素の上部層22および底部層24を、これらのウエハーの上部16および底部20上で成長させる。製造プロセスの間の上部16および底部20は、チップが使用される時、それぞれ底部および上部になることに注目されたい。底部層24は好ましくは1．5mmの厚さであり、これは、1050°Cで6時間二酸化ケイ素を成長させることによって達成することができる。
【００２８】
上部層22の上部面16は、これがその上に堆積させられた電極の平滑さを規定するので、実質的に分子的に平滑である方がよい。この平滑さは、いくつかの方法のいずれかを用いて達成することができる。1つの方法は、これが下部基板14の平滑さに近づくように二酸化ケイ素層22を非常に薄くすることである。この方法の場合、基板14の表面は、当該分野で知られている技術を用いて、実質的に分子的に平滑にされる方がよい。二酸化ケイ素層22の厚さは、好ましくは50〜100Åの範囲内にある。
【００２９】
層22の上部表面16を実質的に分子的に平滑にするためのこれに代わる方法は、化学的機械研磨（CMP）を用いることである。この技術の場合、層22は比較的厚い方がよく、約2mmの厚さが好ましい。ひとたびこの二酸化ケイ素層を成長させたら、これは当該分野で知られている標準的CMP方法を用いてさらに平滑にすることができる。誘電性材料上に平滑な表面を形成するための他の標準的な技術も用いることができる。
【００３０】
次に、図2Cを参照すると、50Åのクロムと3000Åの金の層26がウエハー14上に熱蒸着させらる。クロム層は絶対に必要なわけではないが、これは二酸化ケイ素への金の接着を改良するための接着層としての役目を果たすので好ましい。二酸化ケイ素と金との間の接着層において、クロムの代わりにチタンを用いることもできる。あるいはまた、有機官能性シランのような多くの絶縁性有機カップリング剤を、二酸化ケイ素への金の接着を改良するために用いることができる。Charles A．Goss、Deborah H．Charych、およびMarcin Majdaの「ガラス基板への蒸着金電極の製造における分子接着剤としての（3−メルカプトプロピル）トリメトキシシランの使用（Application of （3−Mercaptopropyl）trimethoxysilan as a Molecular Adhesive in the Fabrication of Vapor-Deposited Gold Electrodes on Glass Substrates）」、Analytical Chemistry，63、85〜88頁、1991年参照。次に図2Dを参照すると、クロム／金層26がパターン化され、クロムおよび金エッチング液でエッチングされ、電極および導体が画定される。これらの電極は最終的に、試薬接触30または電気接触32のどちらかとしての役目を果たしうる。当業者であれば、これらを選択的に相互接続するこれら2つの型の接触および導体のレイアウトが、このアッセイチップのサイズおよび意図される用途によることを認識するであろう。
【００３１】
次に図2Eに図示されるように、3000Åの厚さの二酸化ケイ素の層が、450°Cで30分間低圧化学蒸着（LPCVD）反応器においてウエハー上に堆積され、第二上部絶縁層34が形成される。二酸化ケイ素のこの層は、半導体産業において低温酸化物（LTO）と呼ばれることが多い。このLTO手順は、他の温度で、および異なる厚さで実施することができる。所望の厚さに達するのに必要とされる時間は一般的に、選択された温度の関数である。
【００３２】
次に、図2Fを参照すると、支持層40がチップに加えられる。この層は、もとのシリコン基板14が反対側からエッチングされる時に、チップ10へ構造的支持を与える。この支持層40は、チップに付着させることができ、かつチップが受ける応力に対してその形状を維持するのに十分なほど剛性であるならば、あらゆる適切な材料からできていてもよい。この支持層は、フォトレジスト、ポリイミド、パリレン、シリコーンゴム、テフロン（登録商標）、またはその他の適切なポリマー材料であってもよい。この産業において一般的であるほかの化合物、例えばポリまたは非晶質シリコン、二酸化ケイ素、および窒化ケイ素も用いることができる。この支持層は、これらの電極を定位置に保持し、かつチップを曲げるかまたは破壊することがある予期せぬ応力（正常な使用に関連したもの）に抵抗するのに十分なほど厚いが、エッチングが困難になるほど厚くない方がよい。あるいはまた、柔軟性のある基板および他のチップ材料を用いれば、この装置全体は、破損の可能性を最小限にするための柔軟性のあるものとすることができる。
【００３３】
支持層は、当該分野で知られている多様な技術を用いてチップに付着させることができる。ポリマー材料を、液体としてスピンコーティングし、ついでベーキングすることができる。パリレンを蒸着することができる。シリコンおよびシリコン化合物材料を、スパッタリングまたは化学蒸着（CVD）することができる。ほかの標準的な技術も用いることができる。
【００３４】
図2Gを参照すると、選択された電気接触電極32への電気接触ウインドウ42は、支持層40およびLTO層34を貫通するようにエッチングされる。支持層は、いくつかの方法でエッチングすることができる。大部分のポリマー材料は、プラズマエッチングすることができる。シリコンおよびシリコン化合物材料は、この産業における通常の方法、例えばプラズマベースエッチングおよび湿潤化学エッチングによってエッチングすることができる。支持層40を貫通するエッチングの後、LTO層34が、エッチングされてウインドウ44が完成され、電気接触32に達しうる。LTO層34は、パターン化され、緩衝化フッ化水素酸でエッチングされ、これによって、最終的にチップの下側になるものの上に電気接触金電極を露出させることができる。
【００３５】
図2Hを参照すると、チップは、最終的に用いられる方向にひっくり返される。チップの上側20（以前は下側20）に、試薬ウインドウ44が、第一絶縁層24、シリコン基板14、および第二絶縁層22を貫通するようにエッチングされ、選択された試薬電極30に達する。絶縁層24および22は、フッ化水素酸でエッチングすることができる。シリコン基板14は、多様な技術を用いてエッチングすることができる。基板14は、水酸化カリウム溶液のようなシリコン異方性エッチング剤を用いてエッチングすることができる（これは通常、大量ミクロ機械加工と呼ばれる）。図1Aに示されているように、異方性エッチング方法は、54．74°の角度を有する空洞部を生成する（シリコンの＜100＞および＜110＞結晶平面によって画定される）。この角度は、チップ上の電極の密度を制限しうる。例えば500mmの厚さのウエハー上では、これらの空洞部は、少なくとも700mm×700mmである。これらをより小さくするために、薄いウエハーを用いることができる。あるいはまた、ディープ反応性イオンエッチング技術、すなわちDRIE、米国特許第5，501，893号を、空洞部44をエッチングするために用いることができる。DRIEを用いて、非常に高いアスペクト比構造を、シリコン基板を通して形成することができる。図1Bおよび2Hは、DRIEを用いて生じた貯蔵部を示している。異方性エッチング技術は、あまり高価でないので一般的に好ましいが、チップ上に電極の高密度のアレイを形成する時にはDRIEが好ましい。
【００３６】
これらの層を貫通するようにエッチングした後、試薬電極30が試薬貯蔵部44の底部で露出される。この露出された試薬電極30の表面は、これがもともと堆積された表面、すなわち絶縁層22をその表面に正確に映し出す。したがって試薬貯蔵部44における試薬電極30は、実質的に分子的に平滑な望ましい表面46を有する。
【００３７】
クロム層を接着層として用いると、クロム層は、金層に達する前に露出される。露出された金表面が、露出されたクロム表面（これはオリゴヌクレオチドを付着させる時に普通である）よりも好ましい技術においては、クロム層をエッチングして除去することが望ましい。このことは、湿潤化学エッチング液、例えばマサチューセッツ州01923ダンバース、エレクトロニクス・アベニュー10のトランセン社(Transene Co., 10 Electronics Ave., Danvers,MA01923)から入手することができるCR−14を用いて行なうことができる。表面の平滑さのいくらかは、クロム層がエッチングされた時に失われるかもしれないが、金層の粗さは一般的に、クロム層の厚さよりも大きくない。この粗さが最大であったとしても、最終製品は依然として、先行技術に勝る認識しうる改良である平滑さを有する。最後に、これらのウエハーはダイスカットされ、当該分野での標準的技術を用いたテストのために準備される。
【００３８】
製造プロセスにおいて、多くのほかのこれに代わる材料およびプロセスも用いることができる。第一に、基板は平らで平滑であるならば、ガラスまたはその他のセラミック材料であってもよい。第二に、底部の熱成長した二酸化ケイ素は、これらが平滑で、次の蒸着工程において高温に耐えることができるならば、窒化ケイ素、他の手段によって堆積された二酸化ケイ素、またはほかのポリマー材料と置き換えることもできる。第三に、導電層は金である必要はなく、あらゆる適切な材料、例えば白金、パラジウム、ロジウム、炭素組成物、酸化物、または半導体であってもよい。金が選択される場合、この層は、平滑であるならば、蒸着されるか、スパッタリングされるか、または電気めっきされてもよい。第四に、LTO層は、スピンオン（spin−on）誘電性材料（半導体産業において通常用いられているもの）または他のポリマー材料、例えばポリイミド、パリレンなどと置き換えられてもよい。第五に、試薬および電気接続は、チップの同じ側または隣接する側にあってもよい。ただし、反対側にある構成（上記のようなもの）が好ましい。最後に、当業者によって理解されるように、実質的に同じ特性および機能を有するチップを生産するために、本明細書に具体的に挙げられている温度、時間、および寸法を変更してもよい。
【００３９】
一般的にアッセイの実施において、検体と試薬貯蔵部44中の試薬との間で相互作用が発生する。多くの適切なアッセイにおいて、この相互作用は、電流のような電気信号を生じるかまたは引き起こす。例えば米国特許第6，221，586号および第5，591，578号参照。さらにはこれらのアッセイおよびその他のアッセイにおいて、試薬は、共有結合（covalent）または非共有結合手段を通じて、好ましくは試薬電極30に付着される。このような付着（例えば抗体、アビジン／ビオチン、またはその他の特異的相互作用、流体静力学的相互作用、水素結合、様々な共有結合方法）を実施するための多くの技術が知られているが、金電極を用いる時に特に好ましい付着方法の1つは、金／チオール相互作用である。上記引例により具体的に記載されているように、チオール基で誘導体化されたポリヌクレオチドは、金表面と容易に反応し、これに付着する。1つの好ましい実施態様において、複数の二本鎖DNAの一本の鎖は各々、このようなチオール媒介付着を用いて金電極に付着させられる。この結果、独特のきっちりと充填された規則正しいDNA単層を生じる。ついで、米国特許第6，221，586号にさらに十分に記載されているように、各二本鎖の非チオール誘導体化鎖は除去され、金電極上に一本鎖DNA捕獲試薬の規則正しいアレイが残される。この規則正しい分子アレイは、金電極と、DNAの電荷と反対の電荷を有する溶液状部分との接触を実質的に防ぐのに十分に密集しおり、そして／または連続している。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図1A〜1Bは、本発明の2つのDNAチップの断面図である。どちらの図面も、上部からアクセス可能な試薬貯蔵部を示しているが、一方で、電気接触電極は、チップの下側からアクセス可能である。
【図２】図2A〜2Hは、本発明によるDNAチップとして製造されるシリコンウエハーの断面図であり、製造プロセスにおける段階的なエッチングおよび堆積工程を図示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【国際調査報告】
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