JP2007260889A - 針状体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】例えばＭＥＭＳデバイス、医療、創薬に用いられている微細なアレイ状の針状体において、任意の長さを持ち、精度良く一体成型することのできる針状体の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所を開口部とするように第一のマスクを施し、結晶異方性エッチングを施すことによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する。次に、前記第一のマスクを剥離し、前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、第二のマスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す。
【選択図】図１
【解決手段】シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所を開口部とするように第一のマスクを施し、結晶異方性エッチングを施すことによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する。次に、前記第一のマスクを剥離し、前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、第二のマスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えばシリコン基板上に一体成型されたアレイ状の針状体及びその製造方法に関し、例えばＭＥＭＳデバイス、医療、創薬に用いる針状体の製造方法に関する。
従来より、医療、創薬における分野では、痛みを伴わない無痛針として微細な針状体の開発が進められている。この微細な針状体の作成法としては、一般的にシリコンを加工する事により構造を形成する試みが行われている。シリコンは、ＭＥＭＳデバイスや半導体製造用途にも使用されているように安価で、且つ微細加工に適している。
シリコン製の針状体の作成方法としては、シリコンウェハの両面に酸化膜を形成してパターニングを施し、その表面から結晶異方性エッチング加工を施し、裏面からドライエッチング加工を施すようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法により、例えば長さ５００μｍ以上、幅２００μｍ以下の針状体を作成することができ、またその針状体をアレイ状にすることによって採血の確実性を増すことができるというものである。
また、医療、創薬の分野においては、微細な針状体を用いて薬物を体内に浸透させることが報告されている。（非特許文献１）
また、医療、創薬の分野においては、人体への影響を無視することは出来ない。このため人体へ用いる用途においては、人体への影響が低負荷である材料を用いた針状体が望まれる。このような人体の影響が低負荷である材料としてポリ乳酸などを用いた微細な針状体を形成した例が報告されている。（非特許文献２）
特開２００２−３６９８１６号公報
Ｈｅｎｒｙ， Ｓ．， ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒ， Ｄ． Ｖ．， Ａｌｌｅｎ， Ｍ． Ｇ．， ａｎｄ Ｐｒａｕｓｎｉｔｚ， Ｍ． Ｒ．， １９９８， "Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅｓ： Ａ Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ Ｄｒｕｇ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，" Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｖｏｌ． ８７， ｐｐ． ９２２−９２５．
Ｊｕｎｇ−Ｈｗａｎ Ｐａｒｋ Ｄａｖｉｓ， Ｓ． Ｙｏｎｇ−Ｋｙｕ Ｙｏｏｎ Ｐｒａｕｓｎｉｔｚ， Ｍ．Ｒ． Ａｌｌｅｎ， ２００３， "Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ" Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２００３． ＭＥＭＳ−０３ Ｋｙｏｔｏ． ＩＥＥＥ Ｔｈｅ Ｓｉｘｔｅｅｎｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ， ｐｐ． ３７１−３７４
ところで、例えば医療の中でも経皮剤として針状体を用いる際には、針状体の長さは表皮長さを超える２００μｍ程度の長さが必要であり、効率よく皮膚内に効果を得るためにアレイ状にして用いられるのが一般的である。
しかしながら、上記従来技術では、ウェハを打ち抜くことによって個々の針状体を形成することになるので、５００μｍ未満の長さのものを形成するのは難しい。
また、アレイ状針を形成する際に、一度形成した個々の針状体を別の工程でアレイ状に配列し直さなくてはならず、工程数が多くなり、歩留まりが悪くなる。
しかしながら、上記従来技術では、ウェハを打ち抜くことによって個々の針状体を形成することになるので、５００μｍ未満の長さのものを形成するのは難しい。
また、アレイ状針を形成する際に、一度形成した個々の針状体を別の工程でアレイ状に配列し直さなくてはならず、工程数が多くなり、歩留まりが悪くなる。
そこで本発明は、任意の長さを持ち、アレイ状に一体成型することのできる微細な針状体の製造方法を提供することを目的とする。
請求項１に記載の本発明は、アレイ状に一体成型される微細な針状体の製造方法であって、シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所を開口部とするように第一のマスクを施し、結晶異方性エッチングを施すことによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する工程と、前記第一のマスクを剥離し、前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、第二のマスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す工程とを有することを特徴とする針状体の製造方法である。
請求項２に記載の本発明は、前記第一のマスクはシリコンウェハの両面を酸化処理によって酸化膜を形成した後、フォトリソグラフィー法およびエッチング処理法によって一列に形成される針状体を含むように形成された、長方形の開口部をもつマスクパターンである請求項１記載の針状体の製造方法である。
請求項３に記載の本発明は、前記開口部は、針状体が並べられた列が複数形成されるように、各列を含む直方形に形成されて複数設けられ、かつ、各開口部の長辺を平行させて配置されていることを特徴とする請求項１記載の針状体の製造方法である。
請求項４に記載の本発明は、前記各開口部の長辺の間に位置する各前記第１のマスク部分同士の間隔は、製造すべき針状体の横断面の設計寸法の二倍の距離となっていることを特徴とする請求項３記載の針状体の製造方法である。
請求項３に記載の本発明は、前記開口部は、針状体が並べられた列が複数形成されるように、各列を含む直方形に形成されて複数設けられ、かつ、各開口部の長辺を平行させて配置されていることを特徴とする請求項１記載の針状体の製造方法である。
請求項４に記載の本発明は、前記各開口部の長辺の間に位置する各前記第１のマスク部分同士の間隔は、製造すべき針状体の横断面の設計寸法の二倍の距離となっていることを特徴とする請求項３記載の針状体の製造方法である。
請求項５に記載の本発明は、前記上部斜面がシリコン（１１１）面であることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の針状体の製造方法である。
請求項６に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記Ｖ字型の溝の底面を覆うように前記第二のマスクを配置することで、前記ドライエッチングを施す工程において、針状体の先端部にＶ字型の溝を形成することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法である。
請求項７に記載の本発明は、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法である。
請求項８に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法である。
請求項７に記載の本発明は、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法である。
請求項８に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法である。
請求項９に記載の本発明は、請求項１から８のいずれかに記載の方法で作製した針状体を母型とし、転写加工成形を行うことにより、生体適合性樹脂を用いた針状体を形成することを特徴とする針状体の製造方法である。
請求項１０に記載の本発明は、アレイ状に一体成型される微細な針状体の製造方法であって、シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所に機械加工、レーザー加工、またはドライエッチングのいずれかによって溝を形成することによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する工程と、前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、マスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す工程と、を有することを特徴とする針状体の製造方法である。
請求項１１に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記マスクは、溝が形成されたシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、機械加工、レーザー加工、またはドライエッチングのいずれかによって前記Ｖ字型の溝の底面を覆うように前記マスクを配置することで、前記ドライエッチングを施す工程において、針状体の先端部にＶ字型の溝を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法である。
請求項１２に記載の本発明は、前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法である。
請求項１３に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法である。
請求項１２に記載の本発明は、前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法である。
請求項１３に記載の本発明は、前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法である。
請求項１４に記載の本発明は、請求項１０から１３のいずれかに記載の方法で作製した針状体を母型とし、転写加工成形を行うことにより、生体適合性樹脂を用いた針状体を形成することを特徴とする針状体の製造方法である。
本発明の針状体の製造方法は、シリコンウェハに結晶異方性エッチング加工もしくは機械加工を施して針状体の先端となる斜面を形成し、その後、同方向からドライエッチング加工を施して針状体を形成するという製造方法であるため、シリコンウェハ上に一体的に任意の高さのアレイ状の針状体を形成できる効果を奏する。また、上部斜面形成を列単位で行うことで、その後の針状体の形成の数的余裕を増やすことができる。
また、本発明の針状体の製造方法は、結晶異方性エッチング加工もしくは機械加工によって溝が形成されたシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンを、Ｖ字型に形成した溝の底面を覆うように配置することで、針状体の先端部に、薬効のある物質を保持するのに好適なＶ字型の溝を形成することが可能となる針状体の製造方法である。
また、本発明の針状体の製造方法は、シリコンで作製した微細な針状体を母型とし、転写加工成形を行うことにより、生体適合性樹脂を用いた針状体を形成することを特徴とすることにより、人体に低負荷の樹脂を用いた針状体を作製可能とする針状体の製造方法である。
本発明の実施の形態では、以下のような工程で一体成型されたアレイ状の針状体を製造する。
まず、第一の工程として、シリコンウェハの表面に結晶異方性エッチング加工に対応した酸化膜マスクを形成し、次に、前記酸化膜マスクをパターニングするために酸化膜上にレジストマスクを所定の形状に形成し、前記レジストマスクによって前記酸化膜マスクをパターニングし、前記酸化膜に対応して設けられたレジストマスクを除去し、前記酸化膜マスクを用いてシリコンウェハに結晶異方性エッチングを施し針状体の上部斜面を形成する。
また、第一の工程として、針状体の上部斜面を形成する際に結晶異方性エッチング加工ではなく、機械加工、レーザー加工、または、ドライエッチングのいずれかで上部斜面を形成してもよい。
次に、第二の工程として、前記酸化膜マスクを除去し、結晶異方性エッチングによって形成された溝にドライエッチング加工に対応したレジストマスクを形成し、前記レジストマスクを用いてドライエッチング加工を施し、前記ドライエッチング用に設けられたレジストマスクを除去し、針状体を形成する。
まず、第一の工程として、シリコンウェハの表面に結晶異方性エッチング加工に対応した酸化膜マスクを形成し、次に、前記酸化膜マスクをパターニングするために酸化膜上にレジストマスクを所定の形状に形成し、前記レジストマスクによって前記酸化膜マスクをパターニングし、前記酸化膜に対応して設けられたレジストマスクを除去し、前記酸化膜マスクを用いてシリコンウェハに結晶異方性エッチングを施し針状体の上部斜面を形成する。
また、第一の工程として、針状体の上部斜面を形成する際に結晶異方性エッチング加工ではなく、機械加工、レーザー加工、または、ドライエッチングのいずれかで上部斜面を形成してもよい。
次に、第二の工程として、前記酸化膜マスクを除去し、結晶異方性エッチングによって形成された溝にドライエッチング加工に対応したレジストマスクを形成し、前記レジストマスクを用いてドライエッチング加工を施し、前記ドライエッチング用に設けられたレジストマスクを除去し、針状体を形成する。
以上のような本実施の形態において、シリコンウェハは半導体工程などに用いられており、安価で、かつ高い加工精度での成型が可能である。
また、シリコンは結晶異方性エッチング加工に対して、面方位によって大きくエッチング速度が違うため、針の先端形状となる斜めのテーパ面を容易に形成することができる。
また、シリコンは結晶異方性エッチング加工に対して、面方位によって大きくエッチング速度が違うため、針の先端形状となる斜めのテーパ面を容易に形成することができる。
具体的には、半導体用途に一般的に用いられている表面が（１００）面のシリコンウェハに対して、結晶異方性エッチングを施すことにより、エッチング速度の遅い（１１１）面が（１００）面に対して５４．７度の角度で形成される。この角度は、シリコンの持つ物性によって必然的に決定される角度である。これにより、針本体の先端角度は３５．３度となる。また、ドライエッチング加工と結晶異方性エッチング加工を同方向から施すことによって、シリコン基板上に一体成型されたアレイ状の針状体を形成することができる。
また、機械加工、レーザー加工で上部斜面を形成する場合、斜面を形成するためのマスク処理を行う必要がなくなるため工程を簡便化できる。また、結晶異方性エッチング加工以外の方法を用いた場合、溝の角度をシリコンの物性に寄らず形成することが可能となるため、針本体の先端角度を３５．３度よりも鋭くさせることが可能となる。
以下、本実施の形態による針状体の製造方法について、図１および図２を参照しつつ、工程順に詳細に説明する。
（１）シリコンウェハの表面に結晶異方性エッチング加工に対応した酸化膜マスクを形成する工程（図１（Ａ））。
ここでは、シリコンウェハ１０の両面に酸化処理を施して酸化膜１１を形成する。また、シリコンウェハ１０には、例えば厚さ５２５μｍの（１００）面が表面となっているシリコンウェハを用いる。なお、酸化膜の形成には、例えば熱酸化法を用いる。
また、ここで両面に酸化膜を形成する理由としては、後の工程の結晶異方性エッチングによる加工工程で、裏面がエッチングされるのを防ぐためである。
（１）シリコンウェハの表面に結晶異方性エッチング加工に対応した酸化膜マスクを形成する工程（図１（Ａ））。
ここでは、シリコンウェハ１０の両面に酸化処理を施して酸化膜１１を形成する。また、シリコンウェハ１０には、例えば厚さ５２５μｍの（１００）面が表面となっているシリコンウェハを用いる。なお、酸化膜の形成には、例えば熱酸化法を用いる。
また、ここで両面に酸化膜を形成する理由としては、後の工程の結晶異方性エッチングによる加工工程で、裏面がエッチングされるのを防ぐためである。
（２）酸化膜マスクをパターニングするために酸化膜の上にレジストマスクを形成する工程（図１（Ｂ）および（Ｃ））。
次に、酸化膜１１を形成したシリコンウェハ１０の表側の面１０ａの酸化膜１１ａを所定の形状にパターニングするために、酸化膜１１ａの上にレジストマスク１２を塗布し、これをパターニングする。
次に、酸化膜１１を形成したシリコンウェハ１０の表側の面１０ａの酸化膜１１ａを所定の形状にパターニングするために、酸化膜１１ａの上にレジストマスク１２を塗布し、これをパターニングする。
また、図６に示すように、針状体１５をシリコンウェハ１０上にアレイ状に一体に成型するため、例えば図２に示すようにレジストをパターニングする。
この場合のパターンは、被覆部１２０２と、複数の開口部１２０４からなり、各開口部１２０４は、針状体１５の列の長手方向に沿った一対の長辺を有する長方形を呈し（厳密にはレジストは厚みを有しているので開口部１２０４は直方体状を呈し）、複数の開口部１２０４はその長辺を平行させて並んでいる。
なお、針状体を効率よく作成するために、パターニングするレジスト同士の間隔は、実質的に作成する針状体単体の底面の設計寸法の二倍の距離とすることが好適である。より詳細には、各開口部１２０４の長辺の間に位置する被覆部部分１２０２Ａ同士の間隔Ｌ（開口部１２０４の短辺の寸法）は、針状体の横断面の設計寸法（針状体の横断面が矩形である場合には、縦の寸法あるいは横の寸法、針状体の横断面が円形である場合には、直径の寸法）の二倍の距離とすることが好適である。さらに、より多くの針状体を形成するためにレジスト（被覆部部分１２０２Ａ）の幅Ｗはできるだけ狭い間隔にするのが好適である。
この場合のパターンは、被覆部１２０２と、複数の開口部１２０４からなり、各開口部１２０４は、針状体１５の列の長手方向に沿った一対の長辺を有する長方形を呈し（厳密にはレジストは厚みを有しているので開口部１２０４は直方体状を呈し）、複数の開口部１２０４はその長辺を平行させて並んでいる。
なお、針状体を効率よく作成するために、パターニングするレジスト同士の間隔は、実質的に作成する針状体単体の底面の設計寸法の二倍の距離とすることが好適である。より詳細には、各開口部１２０４の長辺の間に位置する被覆部部分１２０２Ａ同士の間隔Ｌ（開口部１２０４の短辺の寸法）は、針状体の横断面の設計寸法（針状体の横断面が矩形である場合には、縦の寸法あるいは横の寸法、針状体の横断面が円形である場合には、直径の寸法）の二倍の距離とすることが好適である。さらに、より多くの針状体を形成するためにレジスト（被覆部部分１２０２Ａ）の幅Ｗはできるだけ狭い間隔にするのが好適である。
（３）酸化膜マスクをパターニングする工程（図１（Ｄ））。
次に、レジストのパターニングによって表面に露出した酸化膜を、レジストの形状に沿ってパターニングする。この酸化膜のパターニングには、例えばＣＦ４をエッチングガスとしたドライエッチングを用いるのが好適である。
次に、レジストのパターニングによって表面に露出した酸化膜を、レジストの形状に沿ってパターニングする。この酸化膜のパターニングには、例えばＣＦ４をエッチングガスとしたドライエッチングを用いるのが好適である。
（４）酸化膜のパターン形成のために設けたレジストマスクを除去する工程（図１（Ｅ））。
次に、酸化膜１１上に設けられたレジストマスク１２を除去する。ここでレジストマスクは、例えば酸素プラズマによるアッシングによって除去する。
次に、酸化膜１１上に設けられたレジストマスク１２を除去する。ここでレジストマスクは、例えば酸素プラズマによるアッシングによって除去する。
（５）シリコンウェハに結晶異方性エッチングを施し針状体の上部斜面を形成する工程（図１（Ｆ））。
酸化膜マスク１１ｃを設けた状態で、表面に露出したシリコンウェハ１０ａに対して結晶異方性エッチングを施す。結晶異方性エッチングは、いわゆるウェットエッチングを行い、例えばＴＭＡＨ溶液（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液）を用い、所定の深さまで加工する。上述したように、シリコンウェハ１０には、表面が（１００）面のものを用い、異方性エッチングにより（１１１）面が針状体の上部斜面となるようにする。
酸化膜マスク１１ｃを設けた状態で、表面に露出したシリコンウェハ１０ａに対して結晶異方性エッチングを施す。結晶異方性エッチングは、いわゆるウェットエッチングを行い、例えばＴＭＡＨ溶液（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液）を用い、所定の深さまで加工する。上述したように、シリコンウェハ１０には、表面が（１００）面のものを用い、異方性エッチングにより（１１１）面が針状体の上部斜面となるようにする。
図２で示したパターン形状の場合、ウェットエッチングによって加工される形状は、図１（Ｆ）のようにパターンの中間が一番深くなった、斜面１４が（１１１）面となっている、実質的にＶ字型の溝となる。
（６）酸化膜マスクを除去する工程（図１（Ｇ））。
次に、結晶異方性エッチングに対応して設けた酸化膜マスク１１を除去する。この酸化膜マスクの除去には、例えばＨＦ溶液を用いる。
次に、結晶異方性エッチングに対応して設けた酸化膜マスク１１を除去する。この酸化膜マスクの除去には、例えばＨＦ溶液を用いる。
また、（１）から（６）の工程の代わりに、機械加工、レーザー加工、またはドライエッチングのいずれかを用いて、Ｖ字型の溝を形成してもよい。このとき、機械加工としては、例えば、ダイジングブレードを用いたダイジングなどが挙げられる。
（７）結晶異方性エッチングによって形成されたＶ字型の溝にドライエッチング加工に対応したレジストマスクを形成しパターニングする工程（図１（Ｈ）および（Ｉ））。
まず、Ｖ字型の溝にドライエッチング加工に対応したレジストマスクを形成し（図１（Ｈ））、次に、結晶異方性エッチング加工によって形成されたＶ字斜面１４を持つシリコンウェハ１０にレジストを塗布し、図５に示すような配置になるようにフォトリソグラフィー法によりパターニングする（図１（Ｉ））。レジストパターン１３（ａ）は円形や多角形、例えば、三角形や四角形や星型の形状で形成してもよい。レジストパターン１３（ａ）を円形や多角形となる形状に形成すると、後述するドライエッチングを施す工程において、円柱や多角柱の形状を有する針状体を製造することが出来る。
まず、Ｖ字型の溝にドライエッチング加工に対応したレジストマスクを形成し（図１（Ｈ））、次に、結晶異方性エッチング加工によって形成されたＶ字斜面１４を持つシリコンウェハ１０にレジストを塗布し、図５に示すような配置になるようにフォトリソグラフィー法によりパターニングする（図１（Ｉ））。レジストパターン１３（ａ）は円形や多角形、例えば、三角形や四角形や星型の形状で形成してもよい。レジストパターン１３（ａ）を円形や多角形となる形状に形成すると、後述するドライエッチングを施す工程において、円柱や多角柱の形状を有する針状体を製造することが出来る。
このとき、位置合わせ露光法によって、レジストパターン１３（ａ）がＶ字溝の２つの斜面を含む領域にレジストパターンを形成してもよい（図７（１））。この場合、図７（２）、（３）に示すように、針状体１５の先端部にＶ字型の溝１５０２を残すことが可能となる。また、レジストパターン１３（ａ）の位置についてＶ字溝の２つの斜面をどの割合で覆うかを制御することにより、針状体１５の先端部のＶ字型の溝１５０２の深さを制御することが出来る。針状体１５の先端部にＶ字型の溝１５０２を形成することで、針状体１５を薬効のある物質を保持するのに好適な形状に製造することが出来る。
また、レジストパターン１３（ａ）を、中央に開口を有する円形や多角形の枠となる形状に形成してもよい。レジストパターン１３（ａ）を枠となる形状に形成すると、後述するドライエッチングを施す工程において、図８（１）乃至（３）に示すように、開口１３０２に対応した箇所に孔１５１２が形成され、したがって、中心に孔１５１２を有する中空の針状体１５を形成することが可能となる。針状体１５に孔１５１２を形成することで、例えば、血液の採取、薬液の注入に好適な形状に製造することが出来る。
この場合、マスクパターン１３（ａ）を、図９（１）乃至（３）に示すように、Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口１３０２が中央に形成された枠状にしておくと、後述するドライエッチングを施す工程において、開口１３０２に対応した箇所に孔１５１２が形成され、かつ、この孔１５１２の先端内周面が互いに向かい合う２つの斜面部分となっている中空の針状体１５が形成される。
この場合、マスクパターン１３（ａ）を、図９（１）乃至（３）に示すように、Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口１３０２が中央に形成された枠状にしておくと、後述するドライエッチングを施す工程において、開口１３０２に対応した箇所に孔１５１２が形成され、かつ、この孔１５１２の先端内周面が互いに向かい合う２つの斜面部分となっている中空の針状体１５が形成される。
（８）レジストマスクを用いてドライエッチング加工を施し針状体を形成する工程（図１（Ｊ））。
次に、針状体の本体の形状を出すために、シリコンウェハの表側の面１０ａからドライエッチング加工を施し、針状体１５を形成する。このドライエッチングには、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマによる反応性イオンエッチング）装置を用いるのが好適である。
このＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとして、例えば、ＳＦ６をエッチングガス、Ｃ４Ｆ８をパッシベーションガスとして、エッチングステップとパッシベーションステップを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスを用いるのが好適である。
この時、ドライエッチング加工によって突出させる針状体１５の高さは、エッチングステップとパッシベーションステップを交互に繰り返す回数によって決定される。
次に、針状体の本体の形状を出すために、シリコンウェハの表側の面１０ａからドライエッチング加工を施し、針状体１５を形成する。このドライエッチングには、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマによる反応性イオンエッチング）装置を用いるのが好適である。
このＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとして、例えば、ＳＦ６をエッチングガス、Ｃ４Ｆ８をパッシベーションガスとして、エッチングステップとパッシベーションステップを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスを用いるのが好適である。
この時、ドライエッチング加工によって突出させる針状体１５の高さは、エッチングステップとパッシベーションステップを交互に繰り返す回数によって決定される。
（９）ドライエッチング用に設けられたレジストマスクを除去する工程（図１（Ｋ））。
次に、針状体１５の上部斜面に形成されたレジストマスク１３ａを除去する。レジストマスクは、例えば酸素プラズマによるアッシングによって除去する。
次に、針状体１５の上部斜面に形成されたレジストマスク１３ａを除去する。レジストマスクは、例えば酸素プラズマによるアッシングによって除去する。
以下、シリコン製の針状体の転写加工成形を行い、生体適合性樹脂を用いた針状体の製造方法について説明を行う。
（１０）針状体を複製するための原版を作製する工程。
シリコン基板を加工して形成した前記針状体を複製する場合、針状体の全面にめっき法によって金属層を一様に形成する。次いでシリコンからなる針状体をＫＯＨやＴＭＡＨ等の熱アルカリ溶液によるウェットエッチングによって除去し、金属からなる原版を作製する。
シリコン基板を加工して形成した前記針状体を複製する場合、針状体の全面にめっき法によって金属層を一様に形成する。次いでシリコンからなる針状体をＫＯＨやＴＭＡＨ等の熱アルカリ溶液によるウェットエッチングによって除去し、金属からなる原版を作製する。
形成する金属膜の厚さに制限は無いが、少なくとも針状体の高さの２倍以上の厚さに形成することが好ましい。金属の種類には特に制限は無く、例えばニッケルや銅、各種の合金などが好適に用いられる。また、金属以外の材料であるセラミックや樹脂を用いても良い。膜の形成方法としてはめっき法の他に、プラズマ成膜法、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、焼結法、キャスティング法等も好適に用いることができる。
（１１）針状体を複製する工程。
前記の原版を用い、インプリント法、ホットエンボス法、射出成形法、キャスティング法などによって、針状体の複製を行う。複製品の材質は特に制限されないが、生体適合性材料であるデキストラン、ポリ乳酸、シリコーン等を用いることで、生体に適用可能な針状体を形成できる。
前記の原版を用い、インプリント法、ホットエンボス法、射出成形法、キャスティング法などによって、針状体の複製を行う。複製品の材質は特に制限されないが、生体適合性材料であるデキストラン、ポリ乳酸、シリコーン等を用いることで、生体に適用可能な針状体を形成できる。
以下に、具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
ここでは、（１００）面を表面にもつ、厚さ５２５μｍの単結晶シリコンウェハ１０を準備した。次いで、このシリコンウェハ１０の基板の両面を熱酸化して、熱酸化膜層１１を形成した。熱酸化膜層１１の厚さは表側の面、裏側の面共に３０００Åとした。
ここでは、（１００）面を表面にもつ、厚さ５２５μｍの単結晶シリコンウェハ１０を準備した。次いで、このシリコンウェハ１０の基板の両面を熱酸化して、熱酸化膜層１１を形成した。熱酸化膜層１１の厚さは表側の面、裏側の面共に３０００Åとした。
次いで、以下の要領で両面に熱酸化膜層１１を形成したシリコンウェハ１０に対して、結晶異方性エッチングを施すための、熱酸化膜１１ａのパターニング処理を施した。すなわち、両面に熱酸化膜層１１を形成したシリコンウェハ１０の表側の面１０ａの熱酸化膜１１ａにレジストマスク１２を図１（Ｂ）に示すような形に形成し、ドライエッチングによって熱酸化膜１１ａをシリコンウェハ１０の表面１０ａが露出するまでエッチングを施した。
なお、図２のマスクの間隔Ｌは１００μｍとした。
また、スピンコーティング法によって厚さ７μｍのレジストを、熱酸化膜１１ａを形成したシリコンウェハ１０の表側の面に形成した。さらに、レジストマスクのパターニングにはアライナを用い、現像液に６分間浸漬し、その後２分間、超純水に浸漬するリンス処理を施すことによってマスクパターンを形成した。
また、熱酸化膜１１ａのドライエッチングには、ＣＦ４をエッチングガスとして、パターン内の酸化膜が完全に除去されるまでエッチング処理を施した。
また、スピンコーティング法によって厚さ７μｍのレジストを、熱酸化膜１１ａを形成したシリコンウェハ１０の表側の面に形成した。さらに、レジストマスクのパターニングにはアライナを用い、現像液に６分間浸漬し、その後２分間、超純水に浸漬するリンス処理を施すことによってマスクパターンを形成した。
また、熱酸化膜１１ａのドライエッチングには、ＣＦ４をエッチングガスとして、パターン内の酸化膜が完全に除去されるまでエッチング処理を施した。
次いで、酸素プラズマによるアッシングを３０分間施すことによって、熱酸化膜１１ａ上に形成されたレジストマスク１２を除去した。
そして、このようにして熱酸化膜をパターニングしたシリコンウェハ１０に、以下の要領で結晶異方性エッチング処理を施した。
そして、このようにして熱酸化膜をパターニングしたシリコンウェハ１０に、以下の要領で結晶異方性エッチング処理を施した。
まず、エッチング液には１２．５％に薄めたＴＭＡＨ液を６Ｌ用意した。
この、１２．５％に薄めたＴＭＡＨ液を８０°Ｃに昇温し、そこに熱酸化膜をパターニングしたシリコンウェハを１４０分間浸漬し、その後、２０分間、超純水に浸漬するリンス処理を施した。
この、１２．５％に薄めたＴＭＡＨ液を８０°Ｃに昇温し、そこに熱酸化膜をパターニングしたシリコンウェハを１４０分間浸漬し、その後、２０分間、超純水に浸漬するリンス処理を施した。
シリコンウェハの表面は（１００）面であり、ＴＭＡＨ液でエッチングをする場合には、図３（Ｂ）に示すように、マスク端部からエッチング速度の遅い（１１１）面１４ａが表面に現れ、図３（Ｃ）に示すように、（１１１）面同士がぶつかり合ったところでエッチング速度が急激に落ち、形状が維持される。このようにしてできたＶ字型の溝１５０２が針状体の上部斜面となる。
なお、図４に示すように、シリコン単結晶では、（１００）面と（１１１）面のなす角度は５４．７度となるため、針状体の先端部分の斜面角度θは３５．３度で形成される。
なお、図４に示すように、シリコン単結晶では、（１００）面と（１１１）面のなす角度は５４．７度となるため、針状体の先端部分の斜面角度θは３５．３度で形成される。
このようにして、Ｖ字型の溝を形成したシリコンウェハ１０を、５％に薄めたＨＦ（フッ化水素酸）に２０分間浸漬し、その後１０分間、超純水に浸漬するリンス処理を施すことによって熱酸化膜１１を除去した。
次いで、Ｖ字型の溝を形成したシリコンウェハ１０を深掘りするためのレジストマスク１３をパターニングした。ここで、スピンコーティング法によって厚さ３５μｍのレジストを、図１（Ｉ）に示すようにシリコンウェハのＶ字型の溝上に形成した。
このようにして、Ｖ字型の溝上にレジストをパターニングしたシリコンウェハを、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとしてＳＦ６のエッチングガスと、Ｃ４Ｆ８のパッシベーションガスを交互にプラズマ化させて、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返す、いわゆるボッシュプロセスによって深掘り処理を施した。
エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の高さが２００μｍに達するまでエッチングを行い、アレイ状の針状体を一体成型した。
このようにして形成した針状体１５は、図６に示すようにシリコンウェハ１０上にアレイ状に一体に成型される。
このようにして形成した針状体１５は、図６に示すようにシリコンウェハ１０上にアレイ状に一体に成型される。
実施例１と同様にして、結晶異方性エッチングを施すことによって、針状体の先端となる上部斜面を形成した。
次に、Ｖ字型の溝を形成したシリコンウェハ１０を深掘りするためのレジストマスク１３ａをパターニングした。ここで、スピンコーティング法によって厚さ３５μｍのレジストを、図７（１）に示すように、シリコンウェハのＶ字型の溝の底面を覆うように形成した。
このようにして、Ｖ字型の溝上にレジストをパターニングしたシリコンウェハを、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとしてＳＦ６のエッチングガスと、Ｃ４Ｆ８のパッシベーションガスを交互にプラズマ化させて、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返す、いわゆるボッシュプロセスによって深掘り処理を施した。
エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の高さが２００μｍに達するまでエッチングを行い、アレイ状の針状体を一体成型した。
このようにして形成した針状体１５は、シリコンウェハ１０上にアレイ状に一体に成型される点は実施例１と同様である。また、このとき、針状体１５の先端は図７（３）に示すようなＶ字型の溝１５０２が形成された。
このようにして形成した針状体１５は、シリコンウェハ１０上にアレイ状に一体に成型される点は実施例１と同様である。また、このとき、針状体１５の先端は図７（３）に示すようなＶ字型の溝１５０２が形成された。
実施例１で得られたシリコン製の針状体を母型として転写成形加工を行った。
実施例１で得られた針状体の全面にめっき法によってニッケルを厚さ６００μｍ形成した。次いでシリコンからなる実施例１で得られた針状体を９０℃に加熱したＫＯＨ溶液によるウェットエッチングによって除去し、ニッケルからなる原版を作製した。
前記のニッケル原版を用い、インプリント法によって、針状体の複製を行った。ここでは生体適合性材料であるポリ乳酸を用いた。これにより、ポリ乳酸から成る針状体を、図６に示す通りのアレイ状に一体成型された形で形成することができた。
１０、１０ａ、１０ｂ……シリコン基板（シリコンウェハ）、１１、１１ａ、１１ｃ……酸化膜、１２……酸化膜エッチングに対応したレジストマスク、１３ａ……シリコン基板エッチングに対応したレジストマスク、１４、１４ａ……斜面（１１１）テーパ面、１５……針状体、１５０２……Ｖ字型の溝、θ……先端角。
Claims (14)
- アレイ状に一体成型される微細な針状体の製造方法であって、
シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所を開口部とするように第一のマスクを施し、結晶異方性エッチングを施すことによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する工程と、
前記第一のマスクを剥離し、前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、第二のマスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す工程と、
を有することを特徴とする針状体の製造方法。 - 前記第一のマスクはシリコンウェハの両面を酸化処理によって酸化膜を形成した後、フォトリソグラフィー法およびエッチング処理法によって一列に形成される針状体を含むように形成された、長方形の開口部をもつマスクパターンである請求項１記載の針状体の製造方法。
- 前記開口部は、針状体が並べられた列が複数形成されるように、各列を含む直方形に形成されて複数設けられ、かつ、各開口部の長辺を平行させて配置されていることを特徴とする請求項１記載の針状体の製造方法。
- 前記各開口部の長辺の間に位置する各前記第１のマスク部分同士の間隔は、製造すべき針状体の横断面の設計寸法の二倍の距離となっていることを特徴とする請求項３記載の針状体の製造方法。
- 前記上部斜面がシリコン（１１１）面であることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の針状体の製造方法。
- 前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記Ｖ字型の溝の底面を覆うように前記第二のマスクを配置することで、前記ドライエッチングを施す工程において、針状体の先端部にＶ字型の溝を形成することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法。
- 前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法。
- 前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記第二のマスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の針状体の製造方法。
- 請求項１から８のいずれかに記載の方法で作製した針状体を母型とし、転写加工成形を行うことにより、生体適合性樹脂を用いた針状体を形成することを特徴とする針状体の製造方法。
- アレイ状に一体成型される微細な針状体の製造方法であって、
シリコンウェハ上に複数の針状体を形成すべき箇所に機械加工、レーザー加工、またはドライエッチングのいずれかによって溝を形成することによって、針状体の先端となる上部斜面を形成する工程と、
前記上部斜面の針状体を形成すべき箇所に、マスクを施し、前記結晶異方性エッチングを施した面と同方向の面から、エッチングステップとパッシベーションステップを繰り返して、針状体の本体を形成するドライエッチングを施す工程と、
を有することを特徴とする針状体の製造方法。 - 前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記マスクは、溝が形成されたシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、機械加工、レーザー加工、またはドライエッチングのいずれかによって前記Ｖ字型の溝の底面を覆うように前記マスクを配置することで、前記ドライエッチングを施す工程において、針状体の先端部にＶ字型の溝を形成することを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法。
- 前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、中央に開口を有する枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔を有する針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法。
- 前記上部斜面によりＶ字型の溝が形成されており、前記マスクは、前記結晶異方性エッチングを施したシリコンウェハにレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクパターンであり、前記マスクパターンは、前記Ｖ字型の溝を構成する２つの斜面を含む箇所を露出させる開口が中央に形成された枠状を呈し、前記ドライエッチングを施す工程において、前記開口に対応した箇所に孔が形成され、かつ、この孔の先端内周面が前記２つの斜面部分となっている針状体が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の針状体の製造方法。
- 請求項１０から１３のいずれかに記載の方法で作製した針状体を母型とし、転写加工成形を行うことにより、生体適合性樹脂を用いた針状体を形成することを特徴とする針状体の製造方法。
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