(57)【要約】【課題】生体液などを流通させるためのマイクロ流路に設けられ、樹脂材料を含むことなく、機械的な強度に優れたマイクロ・ナノフィルタを提供する。【解決手段】ガラスからなる基板１０１の一方の主面１０１ａから他方の主面１０１ｂに各々開口部を有する、貫通孔１０２を複数備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスからなる基板の一方の主面から他方の主面に各々開口部を有する、貫通孔を複数備えた、ことを特徴とするマイクロ・ナノフィルタ。
【請求項２】
前記基板の対向する二つの端部が、それぞれ第一筐体、第二筐体に対して固定され、
前記基板と、前記第一筐体と、前記第二筐体とが、一体をなしている、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ・ナノフィルタ。
【請求項３】
前記基板の対向する二つの端部が、それぞれ第一筐体、第二筐体に対して固定され、
前記基板と、前記第一筐体と、前記第二筐体とが、互いに別体である、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ・ナノフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細孔を流れる流体に対して適用可能な、マイクロ・ナノフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクスの分野において発展したマイクロテクノロジーが、機械、光、流体などを対象とする様々な分野に適用されつつあり、効率化の向上、省エネ、省資源、高精度制御を目的とした、微細化技術の開発が進められている。特に、マイクロリアクタを対象とする分野においては、マイクロテクノロジーを応用することにより、従来では不可能とされていた、高速反応による選択的化学合成などが実現している。
【０００３】
マイクロリアクタは、ミクロンオーダーの寸法で区切られた空間を反応の場として利用し、この空間にサンプルを導入する流路として、さらに小さい寸法のものが用いられる。そのため、流路内のパーティクルやサンプルに含まれる不純物等が付着することによって、流路が閉塞されやすいことが問題となっている。そこで、流路の閉塞を防ぐために、マイクロテクノロジーを利用して形成される、マイクロフフィルタ（フィルタ）が用いられている。
【０００４】
従来用いられているマイクロフィルタとしては、図７に模式的に示すように、基体２０１の一面２０１ａに設けられた溝部２０４内に、複数の微細孔２０２を備えた基体２０３を、溝部の底面２０４ａおよび側面２０４ｂに固定されるように形成したものがある（非特許文献１）。このような複数の微細孔２０２を備えた基体２０３は、加工性の高いフォトレジスト膜によって形成される。微細孔は、フォトレジスト膜の所望の部分を選択的に露光した上で、現像処理を行って形成される。
【０００５】
しかしながら、フォトレジスト膜は材料が樹脂なので、機械的な強度が低い。そのため、長期にわたって使用することによって、フィルタのメッシュ構造が崩れてしまう虞がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  １１１（２００４）８７−９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、生体液などを流通させるためのマイクロ流路に設けられ、樹脂材料を含むことなく、機械的な強度に優れたマイクロ・ナノフィルタの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係るマイクロ・ナノフィルタは、ガラスからなる基板の一方の主面から他方の主面に各々開口部を有する、貫通孔を複数備えた、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項１の構成によれば、マイクロ・ナノフィルタがガラス基板から構成されているので、従来のフィルタに比べて機械的な強度に優れており、長期間にわたって繰り返し用いることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に係るマイクロ・ナノフィルタは、請求項１において、前記基板の対向する二つの端部が、それぞれ第一筐体、第二筐体に対して固定され、前記基板と、前記第一筐体と、前記第二筐体とが、一体をなしている、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の構成によれば、基板、第一筐体、第二筐体は一体をなしており、基板、第一筐体、第二筐体の間には境界が存在しない。したがって、請求項２に係るマイクロ・ナノフィルタは、機械的に高い強度を有するため、長期間にわたって繰り返し用いることができる。
【００１２】
本発明の請求項３に係るマイクロ・ナノフィルタは、請求項１において、前記基板の対向する二つの端部が、それぞれ第一筐体、第二筐体に対して固定され、前記基板と、前記第一筐体と、前記第二筐体とが、互いに別体である、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の構成によれば、用途に応じて、第一筐体、第二筐体を取り替えることができる。したがって、基板を特定の装置に組み込んだ際に、周囲のレイアウトに対応して、所望の形状、特性を有する筐体を選択して取り付けることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るマイクロ・ナノフィルタは、ガラス基板から構成されているので、従来のフィルタに比べて機械的な強度に優れており、長期間にわたって繰り返し用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）本発明に係るフィルタ用の部品の構成を、模式的に示す斜視図ある。（ｂ）本発明に係るフィルタ用の部品を、貫通孔の長手方向に切断した際の断面図である。
【図２】変形例１に係るマイクロ・ナノフィルタの構成を、模式的に示す斜視図ある。
【図３】変形例２に係るマイクロ・ナノフィルタの構成を、模式的に示す斜視図ある。
【図４】変形例３に係るマイクロ・ナノフィルタの構成を、模式的に示す斜視図ある。
【図５】変形例３に係るマイクロ・ナノフィルタの製造工程フローである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）変形例３に係るマイクロ・ナノフィルタの製造工程処理について説明する、被処理体の要部断面図である。
【図７】従来技術により形成される、マイクロ・ナノフィルタの構成を模式的に示す斜視図ある。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
【００１７】
＜第一実施形態＞
【００１８】
［マイクロ・ナノフィルタの構成］
本発明の第一実施形態に係るマイクロ・ナノフィルタは、最小寸法がマイクロオーダー（１μｍ以上１０００μｍ未満）またはナノオーダー（１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満）の貫通孔を備えたフィルタとして定義されるものである。
本発明の第一実施形態に係る、マイクロ・ナノフィルタの構成について、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）は、第一実施形態に係るマイクロ・ナノフィルタ１００の構成について、模式的に示した斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線において、基板の主面１０１ａ、１０１ｂと垂直に、マイクロ・ナノフィルタ１００を切断した際の断面図である。
【００１９】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、マイクロ・ナノフィルタ１００は、基板１０１の一方の主面１０１ａから他方の主面１０１ｂに向けて、基板１０１の内部を貫通する微細孔（貫通孔）１０２を複数備えている。貫通孔１０２は全て、他の貫通孔１０２と離間して配されてなり、基板の一方の主面１０１ａ、他方の主面１０１ｂのそれぞれにおいて、開口部を有する。
【００２０】
貫通孔１０２の開口部の少なくとも一部は、点線状に列をなして設けられている。この列は、複数本並列して配されている。
【００２１】
基板１０１としては、例えば、耐薬品性が高く、加工性に優れたガラスなどにより構成される非結晶性基板、石英やシリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いる。第一実施形態および後述する変形例１〜３においては、平板状の基板の内部に微細孔を備えた例を示しているが、微細孔を内部に備える上で、基板の形状が限定されることはなく、基板を任意の形状の基体に置き換えてもよい。
【００２２】
なお、図１（ｂ）においては、互いに平行であり、かつ直線に沿って延びる形状の貫通孔１０２を一例として示しているが、貫通孔１０２の形状は、貫通孔１０２同士が接しない形状であればよく、互いに平行に延びる形状でなくてもよいし、例えば、各々異なる曲線に沿って延びる形状であってもよい。
【００２３】
第一実施形態に係るマイクロ・ナノフィルタは、流体を複数の成分に分割して流し、流路として機能する複数の貫通孔が、単一の基板の内部に形成されている。そのため、本発明に係るマイクロ・ナノフィルタは、多数枚の基板を重ねてなる従来のマイクロ・ナノフィルタに比べ、機械的な強度に優れており、長期間にわたって繰り返し用いることができる。
【００２４】
なお、図１（ａ）、（ｂ）に示したマイクロ・ナノフィルタ１００の構成は一例である。マイクロ・ナノフィルタ１００の構成に関する、変形例１〜３について、図２〜図４を用いて説明する。
【００２５】
［変形例１］
図２は、図１に示したマイクロ・ナノフィルタ１００の変形例１に係る、マイクロ・ナノフィルタ１１０の断面図である。図２に示すように、変形例１に係るフィルタ用の部品１１０は、基体１１０Ａと、第一筐体１１０Ｂと、第二筐体１１０Ｃとで構成されている。基体１１０Ａは、図１のマイクロ・ナノフィルタ１００と同様に、基板１１１の一方の主面１１１ａから他方の主面１１１ｂに向けて、基板１１１の内部を貫通する貫通孔１１２を複数備えている。基体１１０Ａを構成する基板１１１の対向する二つの端部は、それぞれ第一筐体１１０ｂ、第二筐体１１０ｃに対して固定され、基体１１１と、第一筐体１１０ｂと、第二筐体１１０ｃとが、一体をなしている。
【００２６】
このような構成により、マイクロ・ナノフィルタ１１０は、基体１１０Ａ、第一筐体１１０Ｂ、第二筐体１１０Ｃとの間には境界が存在しないため、機械的に高い強度を有する。したがって、マイクロ・ナノフィルタ１１０は、長期間にわたって繰り返し用いることができる。
【００２７】
また、このような構成により、基板１１１の一方の主面１１１ａ側から流体を流した際に、流体が、貫通孔１１２を流れる以外に、基体１１１と二つの筐体１１０Ｂ、１１０Ｃとの間に漏れ出す虞がない。したがって、マイクロ・ナノフィルタ１１０は、流体に対して、フィルタとしての高い制御性を発揮することができる。
【００２８】
［変形例２］
図３は、図１に示したマイクロ・ナノフィルタ１００の変形例２に係る、マイクロ・ナノフィルタ１２０の断面図である。図３に示すように、変形例２に係るマイクロ・ナノフィルタ１２０は、基体１２０Ａと、第一筐体１２０Ｂと、第二筐体１２０Ｃとで構成されている。基体１２０Ａは、図１のマイクロ・ナノフィルタ１００と同様に、基板１２１の一方の主面１２１ａから他方の主面１２１ｂに向けて、基板１２１の内部を貫通する貫通孔１２２を複数備えている。基体１２０Ａを構成する基板１２１の対向する二つの端部は、それぞれ第一筐体１２０ｂ、第二筐体１２０ｃに対して固定され、基体１２１と、第一筐体１２０ｂと、第二筐体１２０ｃとが、互いに別体となっている。
【００２９】
このような構成により、マイクロ・ナノフィルタ１２０は、用途に応じて第一筐体、第二筐体を取り替えることができるため、例えば、特定の装置に組み込む際に、周囲のレイアウトに対応して、所望の形状、特性を有する筐体を選択して取り付けることができる。したがって、マイクロ・ナノフィルタ１２０の組み込みに関する、装置側の設計自由度を向上させることができる。
【００３０】
［変形例３］
図４は、図１に示したマイクロ・ナノフィルタ１００の変形例３に係る、マイクロ・ナノフィルタ１３０の断面図である。図４に示すように、変形例３に係るマイクロ・ナノフィルタ１３０は、基体１３０Ａと、第一筐体１３０Ｂと、第二筐体１３０Ｃとで構成されている。
【００３１】
第一筐体１３０Ｂは、基板１３３の一方の主面１３３ａに溝部１３４を設けてなり、溝部１３４内に基体１３０Ａを備えている。溝部１３４は、基体１３０Ａによって、第一溝部１３４Ａと第二溝部１３４Ｂとに分断されている。第二筐体１３０Ｃは、平板状の基板１３５であって、基板１３５の一方の主面１３５ａが少なくとも第一溝部１３４Ａおよび第二溝部１３４Ｂを覆うように、第一筐体１３０Ｂと重ね合わされている。
【００３２】
基体１３０Ａは、図１のマイクロ・ナノフィルタ１００と同様に、基板１３１の一方の主面１３１ａから他方の主面１３１ｂに向けて、基板１３１の内部を貫通する貫通孔１３２を複数備えている。貫通孔１３２は、その開口サイズや貫通孔１３２同士の離間距離が、がマイクロ（１ｍｍ未満）オーダーや、ナノ（１μｍ未満）のオーダーで形成されている。基体１３０は、その両方の主面１３１ａ、１３１ｂと垂直をなす全ての側面が、溝部１３４の底面、側面、または基板１３５の一面１３５ａのいずれかに、隙間なく接して固定されている。基体１３０Ａの貫通孔１３２に流体を流す際には、第一溝部１３４Ａ、第二溝部１３４Ｂのうち、一方が流体の導入路として機能し、他方が流体の導出路として機能する。なお、基体１３０Ａと、第一筐体１３０Ｂと、第二筐体１３０Ｃとは、一体をなしていてもよいし、互いに別体であってもよい。
【００３３】
第一溝部１３４Ａと第二溝部１３４Ｂには、たとえば細胞、微生物、バクテリア等が混入した液体が流される。液体は、例えば第一溝部１３４Ａからマイクロ・ナノフィルタに向けて流され、貫通孔１３２を通して第二溝部１３４Ｂへと流される。その際、マイクロ・ナノフィルタ１００によって細胞、微生物、バクテリア等が濾され、それらを効率的に液体から分離・捕集することができる。マイクロ・ナノフィルタ１００に形成された貫通孔１３２は、第一溝部１３４Ａおよび第二溝部１３４Ｂの延伸方向、すなわち液体が流れる方向と平行に形成されている。
【００３４】
このような構成により、基体１３０Ａを構成する基板１３１の主面１３１ａ、１３１ｂのうち、一方の側から流体を流した際に、流体が、貫通孔１３２を流れる以外に、第二筐体１３０Ｃの外側に溢れ出すのを抑えることができる。したがって、マイクロ・ナノフィルタ１３０は、流体に対して、フィルタとしての高い制御性を発揮することができる。
【００３５】
［マイクロ・ナノフィルタの製造方法］
第一実施形態の変形例３に係る、マイクロ・ナノフィルタ１３０の製造方法について、図５、６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図５は、マイクロ・ナノフィルタ１３０の製造工程のフローを示している。図６（ａ）〜（ｃ）は、マイクロ・ナノフィルタ１３０の製造工程処理について説明する、被処理体の要部断面図であり、図４における第一溝部１３４Ａと第二溝部１３４Ｂの中心軸に沿った断面図である。マイクロ・ナノフィルタ１３０は、図５に示す６つの工程（Ｐ１〜Ｐ６）を経ることにより、製造することができる。
【００３６】
まず、図６（ａ）に示すように、工程Ｐ１として、平板状の基板１３３の内部のうち微細孔を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、基板の一方の主面１３３ｃと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）１３１ｃを形成する。
【００３７】
工程Ｐ１は、２つのステップを経て行う。すなわち、１つ目のステップとして、光源において発光する、パルス幅がピコ秒オーダー以下の直線偏光したレーザー光（直線偏光レーザー光）に対して、強度が所望の大きさとなるように調整を行う。
【００３８】
具体的には、基板１３３に集光照射した、レーザー光Ｌの焦点Ｌｆにおける強度が、加工下限閾値より大きくなるように調整を行う。ここでの加工下限閾値は、直線偏光レーザー光を基板１３３の表面近傍に集光照射させた際に、集光した焦点において、改質部を形成することが可能な下限値として定義されるものである。
【００３９】
さらに、レーザー光Ｌの強度は、形成する改質部がエッチング除去可能となるように、工程Ｐ１において、基板の一方の主面（一面）１３３ｃから、改質部を形成する位置までの距離に応じて調整する。
【００４０】
次に、２つ目ステップとして、光源において発生するレーザー光Ｌを、レンズを透過させるなどして基板１３３の内部に集光照射させ、改質部（微細孔）を形成する領域に沿って、集光した焦点Ｌｆを走査させる。
【００４１】
以上の２つのステップを経ることにより、基板１３３の内部において、レーザー光Ｌを集光照射して走査した領域とその近傍の領域に、改質部１３１ｃを形成することができる。形成された改質部１３１ｃは、レーザー光Ｌの集光照射により、エッチング耐性が弱められている。
【００４２】
実際には、レーザー光Ｌを走査した際に、走査した領域、すなわち改質予定の領域に第一改質部が形成されるとともに、走査した領域近傍の領域、すなわち改質予定でない領域に第二改質部が形成される。ただし、第一改質部のエッチング耐性は、第二改質部のエッチング耐性よりも弱くなっている。
【００４３】
次に、工程Ｐ２として、フォトリソグラフィ法によるミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）用のパターニングを行い、基板１３３の第一溝部１３４Ａ、第二溝部１３４Ｂを設ける部分を除いた部分を、レジストを用いてマスクする。続いて工程Ｐ３として、図６（ｂ）に示すように、マスクされていない、第一溝部１３４Ａ、第二溝部１３４Ｂを設ける部分を、ドライエッチング処理を行って除去する。これにより、基板の一方の主面１３３ｃに第一溝部１３４Ａおよび第二溝部１３４Ｂが形成され、各々の溝部の壁面において、第一溝部１３４Ａおよび第二溝部１３４Ｂが露出する。続いて工程Ｐ４として、マスクに用いたレジストを、基板１３３から剥離させて除去する。
【００４４】
次に、工程Ｐ５として、第一改質部１３１ｃに対して選択的にエッチング処理を行い、基板１３３の内部に微細孔を形成する。
【００４５】
エッチング処理は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法のどちらを用いて行ってもよいが、三次元構造の微細孔を形成するため、等方性の高いウェットエッチング法を用いる方が好ましい。よって、本実施形態における第二工程のエッチング処理は、ウェットエッチング法を適用して行うものとする。
【００４６】
具体的には、工程Ｐ４を経た被処理体を、特定の容器に収容されたエッチング液に浸漬する。そして、基板１３３の内部に形成された第一改質部１３１ｃの全体にエッチング液を染み込ませ、第一改質部１３１ｃの除去を進行させる。
【００４７】
工程Ｐ５のエッチング処理は、基板１３３の内部において、第一改質部１３１ｃが、レーザー照射されずに構造改質していない部分に比べて、速くエッチングされる現象を利用するものであり、結果として改質部１３３の形状に応じた微細孔を形成することができる。
【００４８】
エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸溶液などを用いることができ、基板１３３を構成する材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。
【００４９】
特に、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ溶液（ＫＯＨ溶液）は、エッチング液としての選択性が高く、改質部のみを選択的に除去する機能に優れる。そのため、ＫＯＨ溶液は、例えば、互いに近接して形成された複数の第一改質部を除去して微細孔をなす空間を形成する際に、空間同士が繋がってしまわないように、第一改質部のみをより選択的に除去することが求められる場合に有効となる。
【００５０】
工程Ｐ５のエッチング処理後、基板１３３内部の所望の位置に、貫通孔１３２が形成される。なお、工程Ｐ１において用いるレーザー光は、ミクロンオーダーよりも小さな微小領域を走査して改質させることが可能である。したがって、最小寸法をナノオーダー（数１０［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］のオーダー）とする貫通孔１３２を形成することができる。形成される貫通孔１３２のサイズは、例えば、短径が２０［ｎｍ］〜２００［ｎｍ］程度、長径が０．２［μｍ］〜５［μｍ］程度となり、貫通孔の断面は略楕円形状となる。エッチング処理の具合によっては、該断面は矩形に近い形状となることもある。
【００５１】
なお、エッチング処理時間を調整することによって、第一改質部１３１ｃのうち、除去されて微細孔１３２となる部分と除去されないで改質部として残る部分との体積比率を調整することができる。例えば、エッチング処理時間を長くすることにより、短径を１［μｍ］〜２［μｍ］程度に伸ばすことも可能である。
【００５２】
次に、工程Ｐ６として、工程Ｐ５を経た第一筐体１３０Ｂを構成する基板１３３の一面１３３ａに、少なくとも第一溝部１３４Ａおよび第二溝部１３４Ｂが覆われるように、基板１３５を接合（キャップ接合）する。
【００５３】
以上説明した工程Ｐ１〜Ｐ６を経ることにより、図４に示したマイクロ・ナノフィルタ１３０を形成することができる。
【００５４】
従来のマイクロフィルタは、フォトレジスト膜でフィルタを作製する場合、メッシュ構造の最小寸法はせいぜい数十μm程度であり、それ以下の数μmレベルのメッシュ構造をパターン加工することは技術的に困難である。それに対して本発明は、レーザーを用いてガラス基板に改質部を形成し、さらに改質部をエッチング処理することでマイクロフィルタを形成する。この方法によれば、フィルタを構成し、流路として機能する複数の貫通孔のサイズを、ナノオーダー〜マイクロオーダーで自在に調整できる。そのため、本発明にかかわるマイクロ・ナノフィルタを用いた場合、用途や目的に応じて、サイズを指定することが可能で、特にナノオーダーで形成した場合には、不要物の除去をより確実に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、微細構造の形成方法および微細構造を有する基体、例えば、マイクロ流路やマイクロウェル、光学部品、電子部品などの技術分野に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１００、１１０、１２０、１３０・・・マイクロ・ナノフィルタ、
１０１、１１１、１２１、１３１、１３３、１３５・・・基板
１０１ａ、１１１ａ、１２１ａ、１３１ａ、１３３ａ、１３５ａ・・・一方の主面、
１０１ｂ、１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂ・・・他方の主面、
１０２、１１２、１２２、１３２・・・貫通孔
１１０Ａ、１２０Ａ、１３０Ａ・・・基体
１１０Ｂ、１２０Ｂ、１３０Ｂ・・・第一筐体
１１０Ｃ、１２０Ｃ、１３０Ｃ・・・第二筐体、１３１ｃ・・・改質部、
１３４・・・溝部、１３４Ａ・・・第一溝部、１３４Ｂ・・・第二溝部、
Ｌ・・・レーザー光、Ｌｆ・・・焦点、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６・・・工程。
【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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