二次鋳型の製造方法及びレプリカ鋳型
【課題】 マイクロ流体デバイスの製造において使用される鋳型を簡単かつ安価に製造する方法を提供する。
【解決手段】 マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、 （ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型１３を製造するステップと、 （ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型１９を製造するステップと、 （ｃ）前記レプリカ鋳型１９の、原型レジスト一次鋳型１３から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型１３の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法。
【解決手段】 マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、 （ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型１３を製造するステップと、 （ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型１９を製造するステップと、 （ｃ）前記レプリカ鋳型１９の、原型レジスト一次鋳型１３から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型１３の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体デバイスの量産方法に関する。更に詳細には、本発明はマイクロ流体デバイスを量産するのに使用される鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の微細流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体デバイス」又は「マイクロチップ」などと呼ばれている。
【０００３】
マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ流体デバイスは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００４】
従来のマイクロ流体デバイスの材質や構造は例えば、特許文献１に提案されている。従来のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のマイクロチャネル１０４が形成されており、このマイクロチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポート１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ポート１０６及びマイクロチャネル１０４の底部が封止される。
【０００５】
入出力ポート１０６の主な用途は、(イ)薬液やサンプルの注入（分注）、(ロ)廃液や生成物の取り出し、(ハ)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(ニ)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）、及び(ホ)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００６】
マイクロ流体デバイスの需要の急激な増大に伴い、マイクロ流体デバイスを安価に大量供給する必要が生じている。マイクロ流体デバイスの量産方法は例えば、特許文献２に示されるような射出成形機で行う方法が提案されている。射出成形機で作製すると、マイクロ流体デバイスの製造コストは安価になるが、一枚あたりの加工に７分間程度かかること、及び射出成形のための金型が高価であり、マイクロ流体デバイスの設計変更に柔軟に対応することができないという欠点があった。すなわち、マイクロ流体デバイスの設計を変更する場合、射出成形機の金型を新たに作り直さなければならないが、金型製作費は一般的に数千万円以上もするので、結局、マイクロ流体デバイスのコストを押し上げる原因になってしまい、マイクロ流体デバイスを安価に供給する目的を達することができない。
【０００７】
マイクロ流体デバイスの作製方法として、特許文献３に記載されるような光リソグラフィー法が使用されている。この方法はレジストを用いて鋳型を作製し、この鋳型にＰＤＭＳを流し込んで硬化させることによりマイクロ流体デバイスを形成することからなる。特許文献２の射出成形機による方法に比べて量産性には劣るが、この方法の最大の利点は、マイクロ流体デバイスの設計変更に柔軟に対応することができることである。すなわち、所望の流路パターンに対応する形状のレジスト鋳型を光リソグウラフィー法により作製すれば、目的のマイクロ流体デバイスを簡単に、安価に形成することができる。しかし、レジスト鋳型の場合、耐久性及び密着性が悪く、比較的簡単に破損してしまうことがあった。よって、その都度、従来の光リソグウラフィー法によるレジスト鋳型成形工程の作業を行っていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９１９９号公報
【特許文献３】米国特許第５９６５２３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明が解決しようとする課題は、マイクロ流体デバイスの製造において使用される鋳型を簡単かつ安価に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、第１に、マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、
（ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
（ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
（ｃ）前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１１】
前記第１の解決手段によれば、光リソグラフィー法によらなくても、一次鋳型と全く同型の二次鋳型を大量に安価に製造することができるので、この二次鋳型からマイクロ流体デバイスを安価に量産することができる。
【００１２】
前記課題を解決するための手段として、第２に、前記ステップ（ｂ）において、原型レジスト一次鋳型に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマーと硬化剤との混合液を流し込み、ＰＤＭＳを硬化させ、ＳＦ６ガス又はＳＦ６とＯ２の混合ガスで前記入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜を除去した後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離させることにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１３】
前記第２の解決手段によれば、ＰＤＭＳを使用することにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が正確に転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することができるばかりか、入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜が除去されることにより当該部分に開口が形成される。
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、第３に、前記ステップ（ｃ）において、前記レプリカ鋳型を支持基板上に載置し、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を前記凹状微細構造内に注入し、該硬化性材料を硬化させることにより、前記支持基板上に前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を形成させることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１５】
前記第３の解決手段によれば、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を注入することにより、極めて容易に、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を形成させることができる。特に、硬化性材料が光硬化性のレジスト材料の場合、露光量の厳密な調整が不要となり、オーバー露光でも構わない。従来のレジスト鋳型作製では光量によるＴ字形状（Ｔ−ＴＯＰ）の発生や、マスクとレジストのコンタクト性が悪く形状に悪影響を与えるという問題があったが、本発明ではこのような問題は皆無である。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、第４に、前記第３の解決手段における硬化性材料はレジスト材料であることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１７】
前記第４の解決手段によれば、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造をレジストにより容易に形成することができる。
【００１８】
前記課題を解決するための手段として、第５に、原型レジスト一次鋳型が有する凸状微細構造から転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を提供する。
【００１９】
前記第５の解決手段によれば、レプリカ鋳型を使用することにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を容易かつ大量に作製することができる。レプリカ鋳型は何度でも使用できるので、原型レジスト一次鋳型の使用自体は抑制される。
【００２０】
前記課題を解決するための手段として、第６に、ＰＤＭＳから形成されていることを特徴とするレプリカ鋳型を提供する。
【００２１】
前記第６の解決手段によれば、ＰＤＭＳは取り扱いが容易であるばかりか、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を忠実に再生することができる。
【発明の効果】
【００２２】
光リソグラフィー法により原型となるレジスト一次鋳型を成形し、この原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を成形する。このレプリカ鋳型に硬化性材料（例えば、レジスト）を流し込んで硬化させることにより、原型レジスト鋳型の凸状微細構造と全く同じ凸状微細構造を有する二次鋳型を大量に複製することができる。従って、レプリカ鋳型を使用して二次鋳型を作製すれば、従来の光リソグラフィー法により同型のレジスト鋳型を多数固作製するのに比べて次のような効果が得られる。
(1)レジスト膜厚条件出しを行う必要がなく、結果的にレジスト使用量を削減でき、レジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(2)光リソグラフィー法における現像工程が不要になり、現像液及び製造工程の削減によりレジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(3)光リソグラフィー用の高価な設備を使用して、同じ凸状微細構造を有するレジスト鋳型を複数個製造する手間とコストに比べて、本発明のレプリカ鋳型を使用すれば、光リソグラフィー法を実施するための高価な設備を使わなくてもレジスト二次鋳型を簡単かつ安価に大量に製造することができる。従って、使用に伴ってレジスト二次鋳型が破損しても、原型レジスト一次鋳型さえあれば、レプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を新たに何個でも供給でき、光リソグラフィー法で初めからレジスト二次鋳型を作り直す場合に比べて、コストが圧倒的に安く上がる。レジスト二次鋳型を安価に大量に供給できることにより、マイクロ流体デバイスを安価に大量生産することが可能となる。
(4)ポート部分を含んだ形の原型レジスト一次鋳型を作製することにより、最終製品のマイクロ流体デバイスにおいて入出力ポート用のウェルを作製するための穴あけ加工を行う必要が無くなる。従来のレジスト鋳型を用いた方法では、入出力ポート用のウェルは例えば、ドリルや穴開け工具を用いてＰＤＭＳ基板などを機械加工することにより穿設されていた。しかし、この機械加工方法では、穴開け精度が確保出来ず、多数の穴を開ける場合にはコストが掛かりすぎるという欠点があった。本発明によれば、このような機械加工に伴う欠点を完全に解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１（Ａ）は本発明の方法を実施するために使用される原型レジスト一次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。原型レジスト一次鋳型の製造プロセス自体は従来の光リソグラフィー法によるレジスト鋳型の製造プロセスと大体同一である。ステップ（Ａ−１）において、所望のサイズを有するシリコンウエハ（例えば、４インチウエハ）１を準備する。シリコンウエハ１は予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、ステップ（Ａ−２）において、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８又はＳＵ−８ ２０００など）を２０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜３を形成する。次いで、ステップ（Ａ−３）において、このレジスト膜３上にマスク５を通して、適当な露光装置（図示されていない）で露光する。マスク５は、製造しようとしているマイクロ流体デバイスの形成しようとする所望の微細構造に対応するレイアウトパターンを有する。ステップ（Ａ−４）において、必要に応じて、前記ステップ（Ａ−２）と同様に、レジストの第２層目７を塗布し、ステップ（Ａ−３）と同様に、マスク５と異なるパターンを有する別のマスク（図示されていない）を通して露光する。更に、ステップ（Ａ−５）において、前記ステップ（Ａ−２）と同様に、レジストの第３層目９を塗布し、ステップ（Ａ−３）と同様に、入出力ポートに相当するパターンを有する別のマスク（図示されていない）を通して露光する。露光完了後、ステップ（Ａ−６）において、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、シリコンウエハ１の上面に所望の凸状微細構造１１を有する原型レジスト鋳型１３を生成する。所望により、この原型レジスト鋳型１３を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、原型レジスト鋳型１３の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、原型レジスト鋳型１３からのＰＤＭＳの離型性を改善する。レジスト膜の積層数自体は本発明の必須要件ではない。１層又は２層でも良いし、４層以上のレジスト膜を使用することもできる。
【００２４】
図１（Ｂ）は原型レジスト一次鋳型からレプリカ鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。ステップ（Ｂ−１）において、前記ステップ（Ａ−６）で得られた原型レジスト鋳型１３にＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液１５を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。次いで、ステップ（Ｂ−２）において、Ｎ２スプレーすることにより余分なＰＤＭＳを除去する。除去することにより、マイクロ流体デバイスのポート１０６（図２参照）に対応する上面のＰＤＭＳが吹き飛ばされる。別法として、ＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む際に、原型レジスト鋳型１３の上面に蓋をしておいてもよい。この場合、空気の混入に注意する必要があるが、Ｎ２スプレーで余分なＰＤＭＳを除去する必要は無い。その後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、最後に、ＳＦ６ガスでポート部のＰＤＭＳ薄膜を除去することにより、硬化ＰＤＭＳ層１７を生成する。ここで、ＳＦ６ガスの代わりに、ＳＦ６とＯ２の混合ガスを用いても良い。次いで、ステップ（Ｂ−３）において、硬化ＰＤＭＳ層１７を原型レジスト一次鋳型１３から剥離すると、原型レジスト一次鋳型１３の凸状微細構造１１が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型１９が得られる。レプリカ鋳型１９はマイクロ流体デバイスのポート１０６（図２参照）に対応する位置に開口部２１が存在する。原型レジスト一次鋳型１３に被覆される材料は前記のＰＤＭＳに限定されない。例えば、熱、光、放射線、触媒などの作用により重合し得る、ＰＤＭＳ以外の合成樹脂材料等を使用することもできる。レプリカ鋳型は光透過性であることが好ましいが、必須要件ではない。
本発明で使用可能なＰＤＭＳ以外の合成樹脂材料等は、例えば、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ニトリル・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、エチレン・プロピレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム製品全てである。
【００２５】
図１（Ｃ）はレプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。ステップ（Ｃ−１）において、レプリカ鋳型１９を適当な支持基板２３の上面に密着させる。支持基板２３は導電体、磁性体、半導体、絶縁・誘電体などの電子材料が好ましい。例えば、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂、半導体材料、誘電体材料などの任意の素材であることができる。レプリカ鋳型１９がＰＤＭＳ製である場合、支持基板２３はガラスであることが好ましい。ＰＤＭＳとガラスは自己吸着可能だからである。また、レプリカ鋳型が光不透過性である場合、支持基板２３は光透過性でなければならない。レプリカ鋳型１９を支持基板２３の上面に密着させる前に、レプリカ鋳型１９の空洞部内壁面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理する必要は一般的に無いが、特に所望ならば処理することもできる。ＣＨＦ３処理しなくても、レジスト二次鋳型をレプリカ鋳型１９から容易に離型させることができることも本発明の利点である。次に、ステップ（Ｃ−２）において、レプリカ鋳型１９の開口部２１から適当なレジスト材料２５（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８又はＳＵ−８ ２０００など）を流し込む。次いで、ステップ（Ｃ−３）において、常用の光リソグラフィー法と同様に、プリベーク、露光及び露光後ベーク（ＰＥＢ）処理を行うが、本発明の方法では、露光処理は最適露光量以上であれば良く、露光量の正確な調整は不要である。更に、本発明の方法では、露光用の遮蔽マスクは不要であり、また、現像処理も不要である。従って、レジスト二次鋳型がＴ字形状になることはない。最後に、ステップ（Ｃ−４）において、支持基板２３からレプリカ鋳型１９を剥離することにより、原型レジスト一次鋳型１３の凸状微細構造１１と同一の凸状微細構造１１を有するレジスト二次鋳型２７が得られる。レプリカ鋳型１９を剥離後、仕上げ処理として、レジスト二次鋳型２７を例えば、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で短時間リンスし、その後、空気又は窒素ブローで乾燥させることができる。剥離したレプリカ鋳型１９は、ステップ（Ｃ−１）に戻して何度でも使用することができる。
レプリカ鋳型に流し込む材料はレジストのような感光性材料でけでなく、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂でもよい。感光性樹脂の場合は光化学反応を利用するが、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の場合は別の方法を利用する。熱可塑性プラスチックは一般的に加熱により流体にし、冷却した金型に加圧射出して形成するため、加熱により液体にした状態でレプリカ鋳型に流し込めばよい。また、熱硬化性樹脂は加熱したときに架橋して高分子になるため、レプリカ鋳型内に流し込んだ後に加熱すればよい。
【００２６】
前記のようにして作製された原型レジスト一次鋳型１３は使用せずに厳重に保管しておき、一次鋳型と全く同型の二次鋳型を用いてマイクロ流体デバイスを製造する。使用に伴って二次鋳型が破損したら、レプリカ鋳型１９を用いて二次鋳型を再生産すればよい。二次鋳型２７はポート１０６（図２参照）に相当する凸状微細構造１１を有するので、得られたマイクロ流体デバイスについて穴あけ加工する必要は全く無い。
【実施例１】
【００２７】
（１）原型レジスト一次鋳型の製造
図１（Ａ）に示された工程説明図に従って、原型レジスト一次鋳型を製造した。先ず、４インチシリコンウエハを準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にシリコン基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコン基板の表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、第２層目として第１層目と同じＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。更に、第３層目として第１層目と同じＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、第１層〜第３層のレジスト合計厚６００μｍの原型レジスト一次鋳型を完成させた。最後に、この原型レジスト一次鋳型の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。
【００２８】
（２）レプリカ鋳型の製造
前記（１）で得られた原型レジスト一次鋳型の剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ約２ｍｍになるように流し込んだ。その後、Ｎ２スプレーすることにより余分なＰＤＭＳプレポリマー混合液を除去した。次いで、脱気し、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、ＳＦ６ガスでポート部のＰＤＭＳ薄膜を除去することにより、硬化ＰＤＭＳ層を生成した。その後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離し、レプリカ鋳型を得た。
【００２９】
（３）レジスト二次鋳型の製造
前記（２）で得られたレプリカ鋳型をガラス基板に自己吸着させた。レプリカ鋳型の上面に存在する開口部からＳＵ−８ネガティブフォトレジストを注入し、溶媒を蒸発させ、レジスト層を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレプリカ鋳型の上面側から露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）でレジスト層を露光した。露光レジスト層の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温した。クーリング後、レプリカ鋳型を剥離し、レジスト二次鋳型を得た。後処理として、得られたレジスト二次鋳型を短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークした。レジスト二次鋳型の微細構造を調べたところ、原型レジスト一次鋳型の微細構造と殆ど同一であった。これにより、レプリカ鋳型を使用すれば、面倒な光リソグラフィー法に依らなくても、レジスト鋳型を安価かつ容易に大量生産できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明はマイクロチャネルやポートに限らず、様々な微細構造を有するマイクロ流体デバイス又はマイクロチップを製造するために使用される原型レジスト一次鋳型について利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１（Ａ）】原型レジスト一次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図１（Ｂ）】原型レジスト一次鋳型からレプリカ鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図１（Ｃ）】レプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図２（Ａ）】従来のマイクロチップの一例の概要上面図である。
【図２（Ｂ）】図２（Ａ）における２Ｂ−２Ｂ線に沿った概要断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ シリコンウエハ
３ レジスト膜（第１層）
５ ホトマスク
７ レジスト膜（第２層）
９ レジスト膜（第３層）
１１ 微細構造
１３ 原型レジスト一次鋳型
１５ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
１７ 硬化ＰＤＭＳ層
１９ レプリカ鋳型
２１ 開口部
２３ 支持基板
２５ レジスト材料
２７ レジスト二次鋳型
１００ 従来のマイクロ流体デバイス
１０２ 基板
１０４ マイクロチャネル
１０６ 入出力ポート１０６
１０８ 対面基板
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体デバイスの量産方法に関する。更に詳細には、本発明はマイクロ流体デバイスを量産するのに使用される鋳型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の微細流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体デバイス」又は「マイクロチップ」などと呼ばれている。
【０００３】
マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ流体デバイスは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００４】
従来のマイクロ流体デバイスの材質や構造は例えば、特許文献１に提案されている。従来のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のマイクロチャネル１０４が形成されており、このマイクロチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポート１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ポート１０６及びマイクロチャネル１０４の底部が封止される。
【０００５】
入出力ポート１０６の主な用途は、(イ)薬液やサンプルの注入（分注）、(ロ)廃液や生成物の取り出し、(ハ)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(ニ)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）、及び(ホ)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００６】
マイクロ流体デバイスの需要の急激な増大に伴い、マイクロ流体デバイスを安価に大量供給する必要が生じている。マイクロ流体デバイスの量産方法は例えば、特許文献２に示されるような射出成形機で行う方法が提案されている。射出成形機で作製すると、マイクロ流体デバイスの製造コストは安価になるが、一枚あたりの加工に７分間程度かかること、及び射出成形のための金型が高価であり、マイクロ流体デバイスの設計変更に柔軟に対応することができないという欠点があった。すなわち、マイクロ流体デバイスの設計を変更する場合、射出成形機の金型を新たに作り直さなければならないが、金型製作費は一般的に数千万円以上もするので、結局、マイクロ流体デバイスのコストを押し上げる原因になってしまい、マイクロ流体デバイスを安価に供給する目的を達することができない。
【０００７】
マイクロ流体デバイスの作製方法として、特許文献３に記載されるような光リソグラフィー法が使用されている。この方法はレジストを用いて鋳型を作製し、この鋳型にＰＤＭＳを流し込んで硬化させることによりマイクロ流体デバイスを形成することからなる。特許文献２の射出成形機による方法に比べて量産性には劣るが、この方法の最大の利点は、マイクロ流体デバイスの設計変更に柔軟に対応することができることである。すなわち、所望の流路パターンに対応する形状のレジスト鋳型を光リソグウラフィー法により作製すれば、目的のマイクロ流体デバイスを簡単に、安価に形成することができる。しかし、レジスト鋳型の場合、耐久性及び密着性が悪く、比較的簡単に破損してしまうことがあった。よって、その都度、従来の光リソグウラフィー法によるレジスト鋳型成形工程の作業を行っていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２１９１９９号公報
【特許文献３】米国特許第５９６５２３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明が解決しようとする課題は、マイクロ流体デバイスの製造において使用される鋳型を簡単かつ安価に製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、第１に、マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、
（ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
（ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
（ｃ）前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１１】
前記第１の解決手段によれば、光リソグラフィー法によらなくても、一次鋳型と全く同型の二次鋳型を大量に安価に製造することができるので、この二次鋳型からマイクロ流体デバイスを安価に量産することができる。
【００１２】
前記課題を解決するための手段として、第２に、前記ステップ（ｂ）において、原型レジスト一次鋳型に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマーと硬化剤との混合液を流し込み、ＰＤＭＳを硬化させ、ＳＦ６ガス又はＳＦ６とＯ２の混合ガスで前記入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜を除去した後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離させることにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１３】
前記第２の解決手段によれば、ＰＤＭＳを使用することにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が正確に転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することができるばかりか、入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜が除去されることにより当該部分に開口が形成される。
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、第３に、前記ステップ（ｃ）において、前記レプリカ鋳型を支持基板上に載置し、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を前記凹状微細構造内に注入し、該硬化性材料を硬化させることにより、前記支持基板上に前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を形成させることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１５】
前記第３の解決手段によれば、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を注入することにより、極めて容易に、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を形成させることができる。特に、硬化性材料が光硬化性のレジスト材料の場合、露光量の厳密な調整が不要となり、オーバー露光でも構わない。従来のレジスト鋳型作製では光量によるＴ字形状（Ｔ−ＴＯＰ）の発生や、マスクとレジストのコンタクト性が悪く形状に悪影響を与えるという問題があったが、本発明ではこのような問題は皆無である。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、第４に、前記第３の解決手段における硬化性材料はレジスト材料であることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
【００１７】
前記第４の解決手段によれば、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造をレジストにより容易に形成することができる。
【００１８】
前記課題を解決するための手段として、第５に、原型レジスト一次鋳型が有する凸状微細構造から転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を提供する。
【００１９】
前記第５の解決手段によれば、レプリカ鋳型を使用することにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を容易かつ大量に作製することができる。レプリカ鋳型は何度でも使用できるので、原型レジスト一次鋳型の使用自体は抑制される。
【００２０】
前記課題を解決するための手段として、第６に、ＰＤＭＳから形成されていることを特徴とするレプリカ鋳型を提供する。
【００２１】
前記第６の解決手段によれば、ＰＤＭＳは取り扱いが容易であるばかりか、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を忠実に再生することができる。
【発明の効果】
【００２２】
光リソグラフィー法により原型となるレジスト一次鋳型を成形し、この原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を成形する。このレプリカ鋳型に硬化性材料（例えば、レジスト）を流し込んで硬化させることにより、原型レジスト鋳型の凸状微細構造と全く同じ凸状微細構造を有する二次鋳型を大量に複製することができる。従って、レプリカ鋳型を使用して二次鋳型を作製すれば、従来の光リソグラフィー法により同型のレジスト鋳型を多数固作製するのに比べて次のような効果が得られる。
(1)レジスト膜厚条件出しを行う必要がなく、結果的にレジスト使用量を削減でき、レジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(2)光リソグラフィー法における現像工程が不要になり、現像液及び製造工程の削減によりレジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(3)光リソグラフィー用の高価な設備を使用して、同じ凸状微細構造を有するレジスト鋳型を複数個製造する手間とコストに比べて、本発明のレプリカ鋳型を使用すれば、光リソグラフィー法を実施するための高価な設備を使わなくてもレジスト二次鋳型を簡単かつ安価に大量に製造することができる。従って、使用に伴ってレジスト二次鋳型が破損しても、原型レジスト一次鋳型さえあれば、レプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を新たに何個でも供給でき、光リソグラフィー法で初めからレジスト二次鋳型を作り直す場合に比べて、コストが圧倒的に安く上がる。レジスト二次鋳型を安価に大量に供給できることにより、マイクロ流体デバイスを安価に大量生産することが可能となる。
(4)ポート部分を含んだ形の原型レジスト一次鋳型を作製することにより、最終製品のマイクロ流体デバイスにおいて入出力ポート用のウェルを作製するための穴あけ加工を行う必要が無くなる。従来のレジスト鋳型を用いた方法では、入出力ポート用のウェルは例えば、ドリルや穴開け工具を用いてＰＤＭＳ基板などを機械加工することにより穿設されていた。しかし、この機械加工方法では、穴開け精度が確保出来ず、多数の穴を開ける場合にはコストが掛かりすぎるという欠点があった。本発明によれば、このような機械加工に伴う欠点を完全に解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１（Ａ）は本発明の方法を実施するために使用される原型レジスト一次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。原型レジスト一次鋳型の製造プロセス自体は従来の光リソグラフィー法によるレジスト鋳型の製造プロセスと大体同一である。ステップ（Ａ−１）において、所望のサイズを有するシリコンウエハ（例えば、４インチウエハ）１を準備する。シリコンウエハ１は予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、ステップ（Ａ−２）において、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８又はＳＵ−８ ２０００など）を２０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜３を形成する。次いで、ステップ（Ａ−３）において、このレジスト膜３上にマスク５を通して、適当な露光装置（図示されていない）で露光する。マスク５は、製造しようとしているマイクロ流体デバイスの形成しようとする所望の微細構造に対応するレイアウトパターンを有する。ステップ（Ａ−４）において、必要に応じて、前記ステップ（Ａ−２）と同様に、レジストの第２層目７を塗布し、ステップ（Ａ−３）と同様に、マスク５と異なるパターンを有する別のマスク（図示されていない）を通して露光する。更に、ステップ（Ａ−５）において、前記ステップ（Ａ−２）と同様に、レジストの第３層目９を塗布し、ステップ（Ａ−３）と同様に、入出力ポートに相当するパターンを有する別のマスク（図示されていない）を通して露光する。露光完了後、ステップ（Ａ−６）において、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、シリコンウエハ１の上面に所望の凸状微細構造１１を有する原型レジスト鋳型１３を生成する。所望により、この原型レジスト鋳型１３を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、原型レジスト鋳型１３の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、原型レジスト鋳型１３からのＰＤＭＳの離型性を改善する。レジスト膜の積層数自体は本発明の必須要件ではない。１層又は２層でも良いし、４層以上のレジスト膜を使用することもできる。
【００２４】
図１（Ｂ）は原型レジスト一次鋳型からレプリカ鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。ステップ（Ｂ−１）において、前記ステップ（Ａ−６）で得られた原型レジスト鋳型１３にＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液１５を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。次いで、ステップ（Ｂ−２）において、Ｎ２スプレーすることにより余分なＰＤＭＳを除去する。除去することにより、マイクロ流体デバイスのポート１０６（図２参照）に対応する上面のＰＤＭＳが吹き飛ばされる。別法として、ＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む際に、原型レジスト鋳型１３の上面に蓋をしておいてもよい。この場合、空気の混入に注意する必要があるが、Ｎ２スプレーで余分なＰＤＭＳを除去する必要は無い。その後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、最後に、ＳＦ６ガスでポート部のＰＤＭＳ薄膜を除去することにより、硬化ＰＤＭＳ層１７を生成する。ここで、ＳＦ６ガスの代わりに、ＳＦ６とＯ２の混合ガスを用いても良い。次いで、ステップ（Ｂ−３）において、硬化ＰＤＭＳ層１７を原型レジスト一次鋳型１３から剥離すると、原型レジスト一次鋳型１３の凸状微細構造１１が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型１９が得られる。レプリカ鋳型１９はマイクロ流体デバイスのポート１０６（図２参照）に対応する位置に開口部２１が存在する。原型レジスト一次鋳型１３に被覆される材料は前記のＰＤＭＳに限定されない。例えば、熱、光、放射線、触媒などの作用により重合し得る、ＰＤＭＳ以外の合成樹脂材料等を使用することもできる。レプリカ鋳型は光透過性であることが好ましいが、必須要件ではない。
本発明で使用可能なＰＤＭＳ以外の合成樹脂材料等は、例えば、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ニトリル・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、エチレン・プロピレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム製品全てである。
【００２５】
図１（Ｃ）はレプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。ステップ（Ｃ−１）において、レプリカ鋳型１９を適当な支持基板２３の上面に密着させる。支持基板２３は導電体、磁性体、半導体、絶縁・誘電体などの電子材料が好ましい。例えば、ガラス、セラミック、金属、合成樹脂、半導体材料、誘電体材料などの任意の素材であることができる。レプリカ鋳型１９がＰＤＭＳ製である場合、支持基板２３はガラスであることが好ましい。ＰＤＭＳとガラスは自己吸着可能だからである。また、レプリカ鋳型が光不透過性である場合、支持基板２３は光透過性でなければならない。レプリカ鋳型１９を支持基板２３の上面に密着させる前に、レプリカ鋳型１９の空洞部内壁面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理する必要は一般的に無いが、特に所望ならば処理することもできる。ＣＨＦ３処理しなくても、レジスト二次鋳型をレプリカ鋳型１９から容易に離型させることができることも本発明の利点である。次に、ステップ（Ｃ−２）において、レプリカ鋳型１９の開口部２１から適当なレジスト材料２５（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８又はＳＵ−８ ２０００など）を流し込む。次いで、ステップ（Ｃ−３）において、常用の光リソグラフィー法と同様に、プリベーク、露光及び露光後ベーク（ＰＥＢ）処理を行うが、本発明の方法では、露光処理は最適露光量以上であれば良く、露光量の正確な調整は不要である。更に、本発明の方法では、露光用の遮蔽マスクは不要であり、また、現像処理も不要である。従って、レジスト二次鋳型がＴ字形状になることはない。最後に、ステップ（Ｃ−４）において、支持基板２３からレプリカ鋳型１９を剥離することにより、原型レジスト一次鋳型１３の凸状微細構造１１と同一の凸状微細構造１１を有するレジスト二次鋳型２７が得られる。レプリカ鋳型１９を剥離後、仕上げ処理として、レジスト二次鋳型２７を例えば、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）で短時間リンスし、その後、空気又は窒素ブローで乾燥させることができる。剥離したレプリカ鋳型１９は、ステップ（Ｃ−１）に戻して何度でも使用することができる。
レプリカ鋳型に流し込む材料はレジストのような感光性材料でけでなく、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂でもよい。感光性樹脂の場合は光化学反応を利用するが、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の場合は別の方法を利用する。熱可塑性プラスチックは一般的に加熱により流体にし、冷却した金型に加圧射出して形成するため、加熱により液体にした状態でレプリカ鋳型に流し込めばよい。また、熱硬化性樹脂は加熱したときに架橋して高分子になるため、レプリカ鋳型内に流し込んだ後に加熱すればよい。
【００２６】
前記のようにして作製された原型レジスト一次鋳型１３は使用せずに厳重に保管しておき、一次鋳型と全く同型の二次鋳型を用いてマイクロ流体デバイスを製造する。使用に伴って二次鋳型が破損したら、レプリカ鋳型１９を用いて二次鋳型を再生産すればよい。二次鋳型２７はポート１０６（図２参照）に相当する凸状微細構造１１を有するので、得られたマイクロ流体デバイスについて穴あけ加工する必要は全く無い。
【実施例１】
【００２７】
（１）原型レジスト一次鋳型の製造
図１（Ａ）に示された工程説明図に従って、原型レジスト一次鋳型を製造した。先ず、４インチシリコンウエハを準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にシリコン基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコン基板の表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、第２層目として第１層目と同じＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。更に、第３層目として第１層目と同じＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の形状のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、第１層〜第３層のレジスト合計厚６００μｍの原型レジスト一次鋳型を完成させた。最後に、この原型レジスト一次鋳型の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。
【００２８】
（２）レプリカ鋳型の製造
前記（１）で得られた原型レジスト一次鋳型の剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ約２ｍｍになるように流し込んだ。その後、Ｎ２スプレーすることにより余分なＰＤＭＳプレポリマー混合液を除去した。次いで、脱気し、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、ＳＦ６ガスでポート部のＰＤＭＳ薄膜を除去することにより、硬化ＰＤＭＳ層を生成した。その後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離し、レプリカ鋳型を得た。
【００２９】
（３）レジスト二次鋳型の製造
前記（２）で得られたレプリカ鋳型をガラス基板に自己吸着させた。レプリカ鋳型の上面に存在する開口部からＳＵ−８ネガティブフォトレジストを注入し、溶媒を蒸発させ、レジスト層を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレプリカ鋳型の上面側から露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）でレジスト層を露光した。露光レジスト層の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温した。クーリング後、レプリカ鋳型を剥離し、レジスト二次鋳型を得た。後処理として、得られたレジスト二次鋳型を短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークした。レジスト二次鋳型の微細構造を調べたところ、原型レジスト一次鋳型の微細構造と殆ど同一であった。これにより、レプリカ鋳型を使用すれば、面倒な光リソグラフィー法に依らなくても、レジスト鋳型を安価かつ容易に大量生産できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明はマイクロチャネルやポートに限らず、様々な微細構造を有するマイクロ流体デバイス又はマイクロチップを製造するために使用される原型レジスト一次鋳型について利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１（Ａ）】原型レジスト一次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図１（Ｂ）】原型レジスト一次鋳型からレプリカ鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図１（Ｃ）】レプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。
【図２（Ａ）】従来のマイクロチップの一例の概要上面図である。
【図２（Ｂ）】図２（Ａ）における２Ｂ−２Ｂ線に沿った概要断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ シリコンウエハ
３ レジスト膜（第１層）
５ ホトマスク
７ レジスト膜（第２層）
９ レジスト膜（第３層）
１１ 微細構造
１３ 原型レジスト一次鋳型
１５ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
１７ 硬化ＰＤＭＳ層
１９ レプリカ鋳型
２１ 開口部
２３ 支持基板
２５ レジスト材料
２７ レジスト二次鋳型
１００ 従来のマイクロ流体デバイス
１０２ 基板
１０４ マイクロチャネル
１０６ 入出力ポート１０６
１０８ 対面基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、
（ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
（ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
（ｃ）前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）において、原型レジスト一次鋳型に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマーと硬化剤との混合液を流し込み、ＰＤＭＳを硬化させ、ＳＦ６ガス又はＳＦ６とＯ２の混合ガスで前記入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜を除去した後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離させることにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することを特徴とする請求項１記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｃ）において、前記レプリカ鋳型を支持基板上に載置し、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を前記凹状微細構造内に注入し、該硬化性材料を硬化させることにより、前記支持基板上に前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を形成させることを特徴とする請求項１記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項４】
前記硬化性材料はレジスト材料であることを特徴とする請求項３記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項５】
原型レジスト一次鋳型が有する凸状微細構造から転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型。
【請求項６】
前記レプリカ鋳型はＰＤＭＳから形成されていることを特徴とする請求項５記載のレプリカ鋳型。
【請求項１】
マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、
（ａ）常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
（ｂ）前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
（ｃ）前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）において、原型レジスト一次鋳型に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマーと硬化剤との混合液を流し込み、ＰＤＭＳを硬化させ、ＳＦ６ガス又はＳＦ６とＯ２の混合ガスで前記入出力ポートに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜を除去した後、硬化ＰＤＭＳ層を原型レジスト一次鋳型から剥離させることにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することを特徴とする請求項１記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｃ）において、前記レプリカ鋳型を支持基板上に載置し、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を前記凹状微細構造内に注入し、該硬化性材料を硬化させることにより、前記支持基板上に前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を形成させることを特徴とする請求項１記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項４】
前記硬化性材料はレジスト材料であることを特徴とする請求項３記載の二次鋳型の製造方法。
【請求項５】
原型レジスト一次鋳型が有する凸状微細構造から転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型。
【請求項６】
前記レプリカ鋳型はＰＤＭＳから形成されていることを特徴とする請求項５記載のレプリカ鋳型。
【図１（Ａ）】
【図１（Ｂ）】
【図１（Ｃ）】
【図２（Ａ）】
【図２（Ｂ）】
【図１（Ｂ）】
【図１（Ｃ）】
【図２（Ａ）】
【図２（Ｂ）】
【公開番号】特開２００７−１１８４２２（Ｐ２００７−１１８４２２Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１４５９９（Ｐ２００５−３１４５９９）
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０２３３８４５４）フルイドウェアテクノロジーズ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０２３３８４５４）フルイドウェアテクノロジーズ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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