(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロパターン形成装置であって、
試料を含む溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、
前記エレクトロスプレイ手段から静電噴霧される溶液中の試料が堆積されるべきチップを支持する支持手段と、
前記エレクトロスプレイ手段と前記支持手段との間に配置され、前記チップ上に前記試料のマイクロパターンを形成するために前記静電噴霧された溶液を通過させるマスクパターン部を持つ微細マスク手段であって、前記マスクパターン部は、
前記試料が通過するスリットを有し、
前記支持手段側に凹凸が形成されている絶縁性物質からなるフォトレジスト剤からなり、
前記マスクに生じる静電気力の収束効果により、前記マスクパターン部の前記スリットの幅よりも狭い線幅を持つ前記マイクロパターンを形成する、微細マスク手段と、
を具えたことを特徴とするマイクロパターン形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記エレクトロスプレイ手段が、キャピラリを使用する、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記エレクトロスプレイ手段が、振動子を使用して前記溶液に振動を与える、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロパターン形成装置において、
前記微細マスク手段のマスクパターン部に形成されている凹凸が、
リソグラフィ法でフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンを形成し、この凹凸形成用パターン上に反応性イオンエッチング法でフルオロカーボン薄膜を形成し、このフルオロカーボン薄膜上にフォトレジスト剤からなる前記マスクパターン部をリソグラフィ法で形成し、前記フルオロカーボン薄膜から前記マスクパターン部を剥離することによって形成されたものである、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロパターン形成装置において、
微細マスク手段が、フォトレジスト剤からなる補強リブ部を持つ、
ことを特徴とするマイクロパターン形成装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロパターン形成装置によって有機物のマイクロパターン構造体を製造するマイクロパターン構造体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロパターン形成装置、マイクロパターン構造体、および、その製造方法に関し、特に、リソグラフィ法および反応性イオンエッチング法によって作製されたマスク手段とエレクトロスプレー・デポジション法によって有機物のマイクロパターンを形成するマイクロパターン形成装置、マイクロパターン構造体、および、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細なパターンを基板上に形成する技術は極めて広範に必要とされている。特に半導体の製造技術分野においては、フォトレジストによるマスキングの手法により主に金属や酸化物・窒化物などの無機物の薄膜をパターニングする技術が極めて発達しており、１００ｎｍ以下の線幅のパターン形成もすでに実用に供されているのは周知の事実である。これらのパターニングに用いられる手法としては、真空蒸着（抵抗加熱式、電子ビーム式、スパッタリングなど）による薄膜材料の形成とパターン形成されたフォトレジストによるエッチング（ドライ、ウエット）が主なものである。
【０００３】
一方で、合成有機高分子、有機物、生体高分子（蛋白質、ＤＮＡなど）の無機物以外の材料を用いた微細なパターニングの手法についてはかなり事情が異なっている。これらの材料は一般的に熱や真空に弱く、真空蒸着のような手法が利用できないだけでなく、フォトレジストなどのマスキング材料を上面に塗布した場合に剥離が不可能になる場合が多い。さらに、ドライ・ウエットを問わずエッチングのような強力な化学反応によって変性してしまう物質も多く存在する。そのためこうした、有機物質・生体高分子等のパターニングには、スクリーンプリンティング、スポッティング、コンタクトプリンティングなどの手法が利用されている。また、薄膜の形成方法も、スピンコート法やブレード法、スプレー法などが利用されており薄膜の形成精度、パターンの形成精度の点で前記の無機材料のパターニング技術とは大きく異なっている。
【０００４】
エレクトロスプレー・デポジション法（ESD法）は、バイオチップの形成手法としてモロゾフ（Morozov）らにより提案された。本発明者らはESD法によるバイオチップの形成手法、マイクロ・ナノパターニングの形成手法について研究を行っており、マイクロアレイを大量に作製する装置（特許文献１を参照されたい。）、および、キャピラリに替えて振動子を使った固定化装置（（特許文献２を参照されたい。）を開発している。
【０００５】
また、本発明者らは、ＥＳＤ法においてガラス等のマスクを利用することで数百〜数十μｍ程度の分解能が得られることを実証している。さらに、窒化シリコン薄膜による微細ステンシルマスクにより２μｍライン・スペースの分解能が得られることが判明している 。しかしながら、窒化シリコン薄膜は内部応力が大きくハンドリングが困難であり、下記にその問題点を述べる。
（１）窒化シリコン薄膜は非常に脆い（プロセス上、内部応力が非常に大きくなるため破壊しやすく取り扱いが極めて困難）。
（２）窒化シリコン薄膜の場合は、裏面に凹凸形状を形成することが極めて困難である。（３）補強部材としてシリコンウエハー（半導体）を使用しなければならず、導電性を持つシリコンウエハー部分にサンプルが付着する（サンプルが無駄になる）。
窒化シリコン薄膜は、上記の問題点を持つため、これらを解決する手段がない現状では、マイクロパターン形成装置のマスク手段としては使用できない。
また、自己組織化単分子膜（SAM膜）を利用した厚膜フォトレジストによりステンシルマスクを形成する試みも報告されているが実用化には至っていない。
【特許文献１】特開2001-281252号公報
【特許文献２】特開2003-136005号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、マイクロパターン技術は半導体製造分野で発達してきたが、無機物の基板上にマスキング剤を塗布して強力なエッチング剤など使うことを前提としているため、半導体製造分野のマイクロパターン技術を変成・変質し易い高分子（典型的にはたんぱく質）などの有機物に直接的に利用することは不可能であった。
そこで、上述したように、バイオチップ用のＥＳＤ法では、ガラスや窒化シリコン薄膜のマスク手段でマイクロパターンを形成する技術が開発されている。しかしながら、このようなガラス製のマスクでは数十μｍの分解能が限界であり、窒化シリコン薄膜では２μｍ程度の分解能はあるが取り扱い性において顕著な問題があった。そのため、有機物に使用可能である実用的な微細化パターンの形成技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明にマイクロパターン形成装置は、
試料を含む溶液に電圧を印加して（前記溶液に電圧を印加してエレクトロスプレー・デポジション法で）静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、
前記エレクトロスプレイ手段から静電噴霧される溶液中の試料が堆積されるべきチップ（アースされている）を支持する支持手段と、
前記エレクトロスプレイ手段と前記支持手段との間に配置され、前記チップ上に前記試料のマイクロパターンを形成するために前記静電噴霧された溶液を通過させるマスクパターン部を持つ微細マスク手段であって、前記マスクパターン部は前記支持手段側に凹凸が形成されているフォトレジスト剤からなるものである、微細マスク手段と、
を具えることを特徴とする。
本発明によれば、有機物の１μｍ以下の線幅を持つマイクロパターンを形成することが可能である。また、ＥＳＤ法を使用しているため、有機物の試料をドライな微粒子として基板に堆積させることが可能であり、さらに、このドライな微粒子の上に、別試料の微粒子を堆積させることも可能であり、従来にはない複数の微粒子層を持つマイクロパターンを形成することも可能となる。マスクパターン部の支持手段側に形成される凹凸によって、堆積した試料に接触することを防止することも可能である。このように、本発明によれば、少ない試料から、今までにないほど微細な有機物のマイクロパターンを容易かつ確実に形成することが可能となる。
【０００８】
また、第２の発明によるマイクロパターン形成装置は、
前記エレクトロスプレイ手段が、キャピラリを使用する、
ことを特徴とする。
また、第３の発明によるマイクロパターン形成装置は、
前記エレクトロスプレイ手段が、振動子を使用して前記溶液に振動を与える、
ことを特徴とする。
振動子で溶液に振動を与えることによって、溶液の表面に多数の波頭が発生し、この波頭がキャピラリ先端部として機能し、波頭から溶液を微粒子として噴霧させることが可能である。
本構成によれば、試料の活性を保持したまま、或いは、変性あるいは変質させずに、基板上にマイクロパターンを形成することができる。特に、キャピラリを使うＥＳＤ法では、電気伝導度の高い溶液（電気伝導度の高いバッファー溶液を含む場合など）は使用できなかったが、本構成では、機械的な振動と帯電によって同時に霧化するため、電気伝導度の高い溶液を使用することができるようになる。即ち、蛋白質などを固定化する場合、蛋白質を安定な状態で保持するバッファー溶液を除去しなくても本装置で使用できるため、マイクロパターン形成の作業時間を短時間でしなくて済むし、さらに、より活性の高い試料を含む薄膜を作製できるというメリットがある。また、キャピラリを用いるＥＳＤ法では、試料を完全に溶解させなければ使用できなかったが（キャピラリー先端の穴が試料で詰まってしまうため）、本装置では、試料が溶解しないようなものでも分散させた状態で使用することもでき、実用性が高い。さらにまた、本構成は、キャピラリを使うＥＳＤ法に比べて、非常に高速に溶液を霧化して、その結果チップを高速で作製できる。例えば、従来のＥＳＤ法で５μｇ／μｌのＢＳＡ溶液を処理する際の処理速度は、１μｌ／秒であったが、同じ溶液を、本発明による霧化エリアが５×５ｍｍの振動子を用いたマイクロパターン形成装置では、１０μｌ／秒という高速で処理することができるようになる。さらに、キャピラリを使うＥＳＤ法では、処理速度を増加させるためには、キャピラリの数を増加させなければならずコストが高くなる、或いはメインテナンス上の手間（例えば、キャピラリーは洗浄がしにくい）がかかるなどの問題があったが、振動子を使う場合では、単に振動子のサイズを大きくすれば処理速度や霧化効率を増加させることができるため、コストが安く、かつメインテナンスし易いという顕著な利点がある。
本構成の原理は、振動によって溶液表面に多くの波頭が生じ、そこから溶液が微小粒子として形成され飛んでいくというものである。この時、帯電も同時に加えられると、静電気による反発力により、この微小粒子生成はさらに促進され速やかに進む。また、形成された微小粒子は、この静電気反発力により互いに癒着することがなく、また、微小粒子はその中においてさらに小さなクラスターへとより微小化されていく。このような理由により、振動や電圧を単独で加えた時に比べ、振動と帯電の相乗効果は非常に大きなものとなる。
【０００９】
また、第４の発明によるマイクロパターン形成装置は、
前記微細マスク手段のマスクパターン部に形成されている凹凸が、
リソグラフィ法で（基板上に）フォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンを形成し、この凹凸形成用パターン上に反応性イオンエッチング法でフルオロカーボン薄膜を形成し、このフルオロカーボン薄膜上にフォトレジスト剤からなる前記マスクパターン部をリソグラフィ法で形成し、前記基板上の前記フルオロカーボン薄膜から前記マスクパターン部を剥離することによって形成されたものである、
ことを特徴とする。
このように、リソグラフィ法と反応性イオンエッチング法とを組み合わせることによって、凹凸を設けた微細マスクを作製することが可能となる。
【００１０】
また、第５の発明によるマイクロパターン形成装置は、
微細マスク手段が、フォトレジスト剤からなる補強リブ部を持つ、ことを特徴とする。
補強リブ部を追加することによって、ある程度の強度を持つ取り扱い性に優れたマスクが得られる。マスクは、目標とするマイクロパターンに応じて取り替える必要があるが、薄い微細マスク手段は慎重に取り扱う必要があるが、補強リブ部による強度アップで作業性が飛躍的に向上する。
【００１１】
上記のマイクロパターン形成装置で使用される微細マスクは、下記の方法によって作製される。即ち、マイクロパターン形成装置用の微細マスク製造方法は、
基板上にフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記凹凸形成用フォトレジストパターンが形成された基板上に、フルオロカーボン薄膜を反応性イオンエッチング法で形成するステップと、
前記フルオロカーボン薄膜が形成された基板上にフォトレジスト剤からなるマスクパターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記マスクパターンが形成された基板上に、フォトレジスト剤からなる補強リブパターンをリソグラフィ法で形成するステップと、
前記フルオロカーボン薄膜から、前記マスクパターンを剥離して、前記凹凸形成用パターンの形状に応じた凹凸が形成されている前記マスクパターンと、補強リブパターンとからなる微細マスクを得るステップと、
を含むものである。
【００１２】
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、或いは、この装置で形成・製造されたチップ、即ち、マイクロパターン構造体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
例えば、本発明によるマイクロパターン構造体（チップ）は、
前記マイクロパターン形成装置のいずれか１つによって形成されたマイクロパターン構造体であって、
前記マイクロパターン構造体が、数十ナノメーター単位の有機物の粒状体の塊からなる構造を持つ、
ことを特徴とする。
また、本発明によるマイクロパターン構造体（チップ）製造方法は、
前記マイクロパターン形成装置のいずれか１つによって有機物のマイクロパターン構造体を製造するマイクロパターン構造体製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、有機物で数μｍ以下、さらにはナノメータオーダーの線幅マイクロパターンを形成することが可能となる。また、作製されるマイクロパターンの最小線幅については、厚膜フォトレジストを用いたマスクは静電気力の収束効果によりマスク幅よりも狭い幅のパターンを形成することも可能である。厚膜フォトレジストの解像度がおよそ400nm程度であれば、100nm程度の線幅を持つマイクロパターンを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
＜実施例１＞
本発明で提案する手法は、反応性イオンエッチング(RIE)により形成されたフルオロカーボン膜を利用することで、両面に凹凸を持った構造体（凹部と凸部が設けられた構造体）を形成可能であり、ESD法にてパターニングを複数回行う際のマスクによるパターンの損傷を防ぐことが可能である。また、本発明の実施態様では、ESD法で使用可能な微細ステンシルマスクを厚膜フォトレジストにて形成した。
【００１５】
図１に、本発明によるマイクロパターン形成装置の概略図を示す。この装置は、微細マスク以外は従来のエレクトロスプレー・デポジション法とほぼ同様である。試料を含む溶液１４は細い先端部を持つガラスキャピラリー１２に納められ、高圧電源Ｖ１から高電圧をプラチナワイヤー１０を介して印加されることで、溶液は先端より微細な液滴として噴出する。スプレーされた液滴は、三角錐状に広がりスプレーフレーム１８を形成する。スプレーフレーム１８が広がって液滴が無駄にならないように、高圧電源Ｖ２から供給された電圧が印加されるガードリング１６がガラスキャピラリの周りに設けられている。スプレーされた液滴が広がるのを防ぐためにテフロン（登録商標）シールド２０も設けることが好適である。さらに、コリメータ電極２２を設けて、これにも高圧電源Ｖ２から供給された電圧が印加されている。ガードリング、テフロンシールド、コリメータ電極などによってスプレーされた液滴はほぼ中央に誘導される。
【００１６】
液滴は飛行中に短時間で急速に乾燥し、微細なパーティクルとなり導電性の基板２６へ静電気力により引き寄せられ堆積し、サンプルデポジット２８となる。その際に、基板２６上に絶縁体からなるマスク２４を設置すると、絶縁体はスプレー開始と共に帯電し、帯電したパーティクルの着地を妨げるため、スプレーされた試料のほとんどを基板２６に集めることができる。基板２６を支持する支持手段３０は、マイクロパターン形成のために基板２６をマスク２４に対して相対的に移動させることができる。
【００１７】
＜微細ステンシルマスク（微細マスク手段）の加工方法＞
前記マスクに要求される条件としてはまず材料が絶縁性物質であることが求められる。導電性のある材料の場合、帯電した電荷がすぐに逃げてしまい、マスク上にもデポジットが形成されてしまうためである。また、ミクロン以下の分解能を達成するためには、マスクの厚さも同等にする必要があるが、一方で構造体としての機械強度は保つ必要があるため、適切な補強体を持つ構造が必要である。さらに、複数回のパターニングを行う場合を考えると、すでに形成されたパターンとマスクが接触しないように、マスク下面にも突起（凹凸）を設ける必要がある。こうした条件を満たすマスクの製作方法として厚膜フォトレジスト（SU-8）とRIEによるフルオロカーボン薄膜によるリフトオフプロセスを考案した。図２に、マスク形成プロセスの概要を示す。
（ステップ１）
シリコンウエハー（基板）４０上に裏面凹凸と逆パターンの形状をフォトレジスト剤からなる凹凸形成用パターン部（第１のSU-8層）４１を形成する。
（ステップ２）
RIEによりフルオロカーボン薄膜４２を形成する（約500nm）。
（ステップ３）
マスクパターン部４３（第２のSU-8層）を形成する（厚さ１〜５μｍ程度）。
（ステップ４）
補強リブ部４４（（第３のSU-8層）となる構造体を形成する（厚さ５０〜１００μｍ）。
（ステップ５）
ナイフ４７をフルオロカーボン薄膜の面とマスクパターン部４３の界面に差し込み、マスクパターン部４３を物理的にリフトオフ（剥離）する。
なお、上記ステップで使用したフォトレジストは、化薬マイクロケム社の「SU-8  3050」である。これ以外のSU-8シリーズ（数社より市販されている）でも可能であり、あるいはSU-8以外の厚膜フォトレジストでも利用可能である。
【００１８】
できあがった微細マスクはマスクパターン部４３と補強リブ部４４とからなり、サンプルが通過するスリット４５が複数設けられており、マスクパターン部４３の下側には堆積したサンプル損傷を防止するための凹部４６が設けられている。
なお、上記の場合は、ネガ型のレジスト剤を用いたが、微細マスク手段のフォトレジスト剤からなるパターン部は、レーザ光（紫外線）などを照射して硬化させた部分を残すネガ型以外のポジ型であってもよい。
【００１９】
＜ＲＩＥによるフルオロカーボン薄膜の形成＞
上記実施例では、剥離層として使用しているフルオロカーボンは、RIE（リアクティブイオンエッチング装置）を用いてCHF3ガスより形成されたものである。ガスから作成しているため組成は正確には不明であるが、［−CFx−］なるチェーンの繰り返しと考えられる（ｘ＝１〜２）。
実際の生成条件
RIE装置（サムコインターナショナルFA-1）にてCHF3ガス流量30sccm、圧力40Pa、RF出力５０Wにて約５〜１５分程度で膜厚約０．５〜２μｍ程度のフロオロカーボン薄膜を形成した。
また、代替手法として、サイトップ（旭硝子社）を基板にスピンコートしても同様の薄膜を形成可能である。
【００２０】
図３は、上述のプロセスで形成されたステンシルマスク（微細マスク手段）のSEM写真を示す図面代用写真である。図３(a),(c)は裏面の写真であり、図３(b),(d)は表面の写真である。このステンシルマスクのピッチは５００μｍ、線幅が１５μｍ、ドットの直径が５０μｍである。本マスクは格子状の模様を形成するためのマスクであり、もう１対のライン形状のマスクと組み合わせて使用するものである。格子状のパターンのように閉じた図形をステンシルマスクにより形成するためには、２回以上のデポジットが必要となるが、その際にすでに形成されたデポジットを損傷しないように裏面には凹凸（約２μｍ）が形成されている様子がわかる。リフトオフされた後も、マスクの形状に反りは無く設計どおりに形成されていることがわかる。
【００２１】
図４は、ライン型のステンシルマスクのSEM写真を示す図面代用写真である。図３の十字型のマスクを図３のライン型のマスクと組み合わせて使用する。図４のライン型のマスクは、マスクピッチが５００μｍ、線幅１５μｍである。
【００２２】
図５は、上記方法にて形成された微細ステンシルマスクを使用して形成されたESD法によるデポジットの例のSEM写真を示す図面代用写真である。サンプルとしては、たんぱく質の染色試薬であるCBB(Coomassie Brilliant Blue)  R-250(Wako)を使用し、(a)はライン型パターンによるデポジット形成例を、(b)はこれと十字型の２種類のステンシルマスクを利用して形成されたパターンの例を示す。(b)の最も細い部分のパターンは約５μｍであり、微細なパターンを形成可能であることが実証できた。(a)の格子ピッチは５００μｍ、線幅が３０μｍである、(b)の格子ピッチは２００μｍ、線幅が５μｍ、ドット直径３０μｍである。(b)の場合は、線幅１５μｍのマスクを使っているが、静電気力の収束効果によってマスクの線幅よりも小さい５μｍの線幅のパターンが形成されているのが観察できる。図５(b)のパターンは２回パターニング作業を繰り返して２種類のパターンを重ねることによって形成されたものである。パターンを重ねた場合であっても、マスクの裏面に凹部が設けてあるためパターンが損傷されていないことが観察できる。このように、微細マスクに設けた凹凸によって、効果的にパターン損傷を防止できることが理解できる。なお、形成されたマイクロパターンのピッチや線幅は使用する微細ステンシルマスクによって、もっと小さくすることが可能である。
【００２３】
＜実施例２＞
図６は、振動子を使用した本発明によるマイクロパターン形成装置の基本的な構成の一例を示す概念図である。図において、１１０は霧化器、１２０は高電圧電源、１３０はコリメータ電極、１４０はフッ素樹脂シールド、１５０はマスク、１６０はサンプルホルダー、１７０はチャンバー、１８０は精密制御溶液供給部、１９０は高周波電源である。図に示すように、霧化器１１０は、主として、平坦な表面を有する振動子（即ち基板）から構成される。この霧化器１１０の基板の表面上に、精密制御溶液供給部１８０から蛋白質溶液を供給する。この溶液は、基板上において高電圧電源１２０から供給された所定の電圧によって電荷が充電、即ち帯電される。或いは、帯電は、霧化された後の粒子状物質に施すこともできる。また、霧化器１１０の基板には、高周波電源１９０から所定の高周波信号が供給され、この信号によって振動子は機械的な振動を発生させる。発生した振動によって、溶液は霧化され、帯電された微細な粒子状物質（即ち帯電微粒子）となりチャンバー１７０内へ飛び出す。
【００２４】
この粒子状物質は、コリメータ電極１３０、フッ素樹脂シールド１４０、およびマスク１５０により誘導、および収束されサンプルホルダー１６０上に堆積（或いは付着）して固定化しチップが形成される。霧化された粒子状物質を乾燥させるためにチャンバー１７０の中を低湿度或いは乾燥状態にする必要がある。本実施態様では、乾燥手段として乾燥剤をチャンバー１７０の中に配置したが、乾燥空気を注入し排出する循環装置や減圧（或いは真空）装置を用いるなど様々な方法によって低湿度や乾燥状態にして、より急速に霧化された粒子状物質を乾燥させることにより、堆積物の活性度を向上させることができる。
【００２５】
図７は、図６のマイクロパターン形成装置を構成する部品を詳細に示す分解斜視図である。即ち、本発明によるマイクロパターン形成装置を構成する、霧化からチップの形成までの部品の3次元組立図であり、図６の２次元概念図で明瞭でない部分を、斜視図、即ち３次元組立図で明確に示したものである。
【００２６】
図６における霧化器１１０としては、様々な種類のものを使用することができる。図７に示すように、霧化器１１０は、ピエゾ基板１１１（圧電振動子）、一定間隔で配置された複数の穴を持つメッシュを有するモノリシック構造体１１２（メッシュとスペーサとを組合せた一体構造体）、押し板１１３、IDT１１４（すだれ状電極：Inter Digital Transducer）と呼ばれるくし形の電極で構成されている。IDT１１４に、高周波電源より所定の高周波信号を供給すると、この電気信号が弾性波に変換され、表面弾性波がピエゾ基板１１１上を伝搬する。この基板１１１上に供給された蛋白質溶液は、IDT１１４とピエゾ基板１１１による弾性表面波のSAWストリームによりメッシュ１１２とピエゾ基板１１１との隙間に入り込み、溶液は一定の厚さを維持する状態になり霧化が容易になる。ピエゾ基板１１１、ＩＤＴ１１４、或いは、メッシュ１１２の表面を、使用する溶液の性質に応じて、親水処理（或いは、親油・疎水処理）して、溶液に対する濡れ性を向上させることによって、霧化の状態の向上、即ち粒子状物質の粒径の微細化や均一化を図ることができる。或いは、親水性（疎水性）のフィルムなどを貼り付けてもよい。
【００２７】
黒沢  実、樋口俊郎他の論文、表面弾性波噴霧器（Surface Acoustic Wave Atomizer (Sensors and Actuators A 50 (1995) 69-74)）によれば、基板上の溶液の厚さが１ｍｍ以上では、溶液を霧化することは不可能と報告しているが、条件によって１ｍｍ以上でも霧化可能である。霧化された粒子状物質の粒径は、主として振動の状態に依存するが、その他にメッシュの穴のサイズによっても決定され得る。実験では直径１０μｍの穴のメッシュを用いたが、要求に応じて様々な変形が可能であり、メッシュの穴のサイズを調節することにより、所望の粒径に制御することができる。
【００２８】
図７の高電圧電源１２０は、導体のメッシュまたはスペーサと電気的に連結され、溶液、および／または霧化された粒子状物質に電荷を充電する役割を担う。実験では直流５０００Vの電源を用いたが、実際には広い範囲の電圧を使用することが可能である。しかしながら、電圧は、形成された蛋白質チップの収集効率・膜質・活性に影響を及ぼすので最適化することが望ましい。
【００２９】
図７に示すように、コリメータ電極は、１つ或いは複数を設けることができるが、本実施例では、５つのコリメータ電極（１３１，１３１，１３３，１３４，１３５）を設けてある。コリメータ電極の形・数・相互間隔によって、形成されるマイクロパターンチップの収集効率・膜質・活性に影響を及ぼすので最適化することが望ましい。この場合、図に示すように、粒子状物質がサンプルホルダーに向けて収束するように、コリメータ電極の設置場所がサンプルホルダーに近づくに従って、コリメータ電極の内径を段々と小さくするのが好適である。本実施態様の場合は、コリメータ電極１３１の内径は８０ｍｍ、電極１３２は７５ｍｍ、電極１３３は７０ｍｍ、電極１３４は６５ｍｍとして最適化を図っている。
【００３０】
また、各コリメータ電極に供給する電圧も、コリメータ電極を設置する位置がサンプルホルダー１６０（試料堆積用の基板）に近づくに従って、段々と小さくなるように設定するのが好適である。例えば、本実施態様の場合は、高電圧電源１２０が直流５０００Vであれば、図に示すように、回路の途中に適当な抵抗を設けることによって、電極１３1は４０００V、電極１３２は３０００V、電極１３３は２０００V、電極１３４は１０００V、電極１３５は５００Vになるように設定して最適化を図っている。
【００３１】
図７のフッ素樹脂シールド１４０は、マスクとしても機能し収集効率を向上させる役割を有する。充電、即ち帯電した溶液、或いは、飛行中に乾燥した粒子状物質（荷電蛋白質）がフッ素樹脂シールド１４０に付着して、ある程度の厚さの荷電層が形成されると、それ以後からは、荷電層と荷電蛋白質との間の静電的な反発によって、新たな帯電蛋白質がフッ素樹脂シールド１４０に付着せず、マスク１５０の方向へ転向し収集効率が高くなる。なお、ここで使用するマスク１５０は、実施例１で使用した微細マスクと同様のものを使用する
【００３２】
図７のサンプルホルダー１６０の表面は、堆積した荷電蛋白質の電荷を逃がすため、即ちアースするために、電気伝導性を持たせるのが好適である。例えば、サンプルホルダー１６０には、ITOガラス、アルミ被覆PET、ステンレス、単結晶金属などを使用するのが好適である。蛋白質からなるマイクロパターン自体を独立に単体として使う時はサンプルホルダー１６０の表面にPVP、EDTAなどを塗布する事が好適であり、これにより堆積したマイクロパターンを容易に剥離できるようになる。
【００３３】
図８は、帯電手段としての針金を設けた本発明のエレクトロスプレイ手段としての霧化器の構成を示す斜視図である。図に示すように、霧化器２１０はＳＡＷ基板２１１、この基板２１１の表面上に設けたIDT２１４、および、針金２１７から構成される。この基板２１１の表面の左側の部分から溶液が主として霧化して飛び出すので、この部分を霧化エリア２１６と呼ぶこととする。この霧化エリア２１６に接触して、或いは、その近傍や付近に、高電圧電源と接続させた針金２１７を設ける。針金２１７は、基板２１１の表面には接触させずに、針金２１７と基板２１１との間には、少なくとも僅かな間隙を設けることが望ましい。接触させると基板２１１の振動が減衰する原因となるからである。所定の電圧を針金２１７に供給することによって、霧化エリア２１６で蛋白質溶液、および／または、霧化された微小な粒子状物質に電荷が充電され、荷電粒子状物質が生成される。或いは、振動と帯電を同時に与えることによって帯電した微小な液滴として霧化され、飛行中に急速に乾燥して粒子状物質になる。
【００３４】
図９Ａは、本発明によるマイクロパターン形成装置における霧化器の原理を説明する横断面から見た模式図であり、図９Ｂは、これの斜視模式図である。即ち、「振動」と「電界印加」との複合効果による霧化現象を利用したマイクロパターン形成装置を説明する模式図である。図に示すように、霧化器は、振動子３００とその上に設けられた帯電手段としての針金３１０とから構成される。この振動子に所定の駆動電圧を供給して表面弾性波ＳＡＷを生じさせる。この振動子上に蛋白質溶液を供給すると、この溶液は振動子からのＳＡＷを受けて、図に示すように波が生じ、無数の波頭３２０が連続的に形成される。即ち、振動によって、キャピラリー先端部のような突起部が、溶液表面に無数に形成される。一方、針金３１０は高圧電源（図示しない）に接続され、溶液には高電圧が印加される。この印加によって生じた電荷は、振動によって生じた溶液の波頭（突起部）３２０に集中することとなる。そして、これらの波頭部３２０から、電荷が集中した溶液が、帯電した微細な粒子状物質３３０として上方に静電的に飛び出す。この飛び出した帯電した微細な粒子状物質３３０は、接地された試料固定用基板３５０へ向かって飛行する間に、溶媒や水を蒸発させ、粒径が減少してゆく。また、粒子状物質３３０はその内部の静電的な反発によってさらに小さな粒子状物質３３０へと分割されることもある。
そして、試料固定用基板３５０の振動子３００に対向する面に、乾燥状態でスポット３４０として固定化される。
【００３５】
このように、本発明は、振動によって、振動子基板上の溶液を波立て無数の突起部を形成させ、これと同時に溶液に対する高電圧印加によって、形成された無数の突起部に電荷を集中させ、これによって溶液を帯電した微細な粒子状物質として静電的に霧化させるというものである。
【００３６】
なお、振動子上では、静電気力による霧化の他に、振動のみによる霧化および電界印加のみによる霧化も同時に発生する場合もある。また、振動子は、間欠的に駆動することができる。また、振動子は、超音波振動子、静電型振動子、圧電振動子、磁歪振動子、電歪振動子、或いは、電磁型振動子、とすることできる。また、圧電振動子は、単層型圧電素子、積層型圧電素子、或いは、単結晶圧電素子、を用いることができる。また、圧電振動子は、共振型振動子、表面弾性波型振動子、縦振動型振動子、横型（滑り）振動子、径方向振動型振動子、厚み方向振動型振動子、或いは、長さ方向振動型振動子、とすることができ。また、表面弾性波型振動子は、すだれ状電極を１つまたは複数具えることが好適である。
【００３７】
＜実施例３＞
図９は、本発明によるマイクロパターン形成装置で形成された有機物のマイクロパターン構造体のSEM写真を示す図面代用写真である。このＳＥＭ写真は、インベルターゼ（たんぱく質）を2.5g/LにてESD法でマイクロパターン形成装置を用いて３分間スプレーして形成したマイクロパターン構造体を高分解能走査型電子顕微鏡で撮影したものである。図に示すように、直径約200nmのパーティクルが得られているのが観察される。
【００３８】
図１０は、本発明によるマイクロパターン形成装置で形成された有機物のマイクロパターン構造体のSEM写真を示す図面代用写真である。このＳＥＭ写真は、同様にインベルターゼを0.5g/LにてESD法でマイクロパターン形成装置を用いて３０分間スプレーして形成したマイクロパターン構造体を高分解能走査型電子顕微鏡で撮影したものである。図に示すように、約100nmの直径を持つパーティクルが得られているのが観察される。
【００３９】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明によるマイクロパターン形成装置の概略図である。
【図２】マスク形成プロセスの概要を示す図である。
【図３ａ】上述のプロセスで形成されたステンシルマスク（微細マスク手段）のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図３ｂ】上述のプロセスで形成されたステンシルマスク（微細マスク手段）のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図３ｃ】上述のプロセスで形成されたステンシルマスク（微細マスク手段）のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図３ｄ】上述のプロセスで形成されたステンシルマスク（微細マスク手段）のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図４ａ】ライン型のステンシルマスクのSEM写真を示す図面代用写真である。
【図４ｂ】ライン型のステンシルマスクのSEM写真を示す図面代用写真である。
【図４ｃ】ライン型のステンシルマスクのSEM写真を示す図面代用写真である。
【図４ｄ】ライン型のステンシルマスクのSEM写真を示す図面代用写真である。
【図５ａ】上記方法にて形成された微細ステンシルマスクを使用して形成されたESD法によるデポジットの例のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図５ｂ】上記方法にて形成された微細ステンシルマスクを使用して形成されたESD法によるデポジットの例のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図６】振動子を使用した本発明によるマイクロパターン形成装置の基本的な構成の一例を示す概念図である。
【図７】図６のマイクロパターン形成装置を構成する部品を詳細に示す分解斜視図である。
【図８】帯電手段としての針金を設けた本発明のエレクトロスプレイ手段としての霧化器の構成を示す斜視図である。
【図９】本発明によるマイクロパターン形成装置における霧化器の原理を説明する模式図である。
【図１０】本発明によるマイクロパターン形成装置で形成された有機物のマイクロパターン構造体のSEM写真を示す図面代用写真である。
【図１１】本発明によるマイクロパターン形成装置で形成された有機物のマイクロパターン構造体のSEM写真を示す図面代用写真である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  プラチナワイヤー
１２  ガラスキャピラリー
１４  溶液
１６  ガードリング
１８  スプレーフレーム
２０  テフロンシールド
２２  コリメータ電極
２４  マスク
２６  基板
２８  サンプルデポジット
３０  支持手段
４０  シリコンウエハー（基板）
４１  凹凸形成用パターン部（第１のSU-8層）
４２  フルオロカーボン薄膜
４３  マスクパターン部（第２のSU-8層）
４４  補強リブ部（第３のSU-8層）
４５  スリット
４６  凹部
４７  ナイフ
１１０  霧化器
１１１  ピエゾ基板
１１１  基板
１１１  ピエゾ基板
１１２  モノリシック構造体
１１２  メッシュ
１１３  板
１２０  高電圧電源
１３０  コリメータ電極
１３1  電極
１３１  コリメータ電極
１３２  電極
１３３  電極
１３４  電極
１３５  電極
１４０  フッ素樹脂シールド
１５０  マスク
１６０  サンプルホルダー
１７０  チャンバー
１８０  精密制御溶液供給部
１９０  高周波電源
２１０  霧化器
２１１  基板
２１６  霧化エリア
２１７  針金
３００  振動子
３１０  針金
３２０  波頭
３２０  波頭部
３３０  粒子状物質
３４０  スポット
３５０  試料固定用基板
ＳＡＷ  表面弾性波
Ｖ１  高圧電源
Ｖ２  高圧電源
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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