(57)【要約】      （修正有）【課題】感光性樹脂材料からなる、微細溝パターンの断面形状を、希望とする断面形状に得るための方法を提供する。【解決手段】光照射によって分解または硬化する、ポジ型、ネガ型の感光性樹脂を用い、基板上にこれら感光性樹脂からなる溝パターンを露光、現像によって形成し、そのパターンをマイクロ化学チップの流路やＤＮＡ解析用チップ、ケミカルエッチング用レジスト、ドライエッチング用レジストなどに用いる、感光性樹脂パターンの形成法において、露光方式にプロキシミティ露光を用い、フォトマスク３と感光性樹脂８を塗布した基板９との間の距離７の選択、または基板とフォトマスクの距離を時間的に変えることによって露光現像し、感光性樹脂溝パターンの断面の形状を希望する値に制御することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射によって分解または硬化する、ポジ型、ネガ型の感光性樹脂を用い、基板上にこれら感光性樹脂からなる溝パターンを露光、現像によって形成する方法において、露光方式にプロキシミティ露光を用い、フォトマスクと感光性樹脂を塗布した基板、またはフォトマスクと感光性樹脂からなる基板との間のギャップの設定によって、溝パターンの断面形状を制御することを特徴とする、感光性樹脂からなる溝パターンの形成方法。
【請求項２】
請求項１において、プロキシミティ露光における最適なフォトマスクと基板の間のギャップをあらかじめ設定し、その設定された一定のギャップにおいて露光を行い、その後現像して、感光性樹脂からなる溝パターンの断面形状を制御したことを特徴とする、電鋳金型製造用の溝パターンの形成方法。
【請求項３】
請求項１においてプロキシミティ露光における最適なフォトマスクと基板の間のギャップをあらかじめ設定し、その設定された一定のギャップにおいて露光を行い、その後現像して、感光性樹脂からなる溝パターンの断面形状を制御した溝パターンを用いて製造した電鋳金型。
【請求項４】
請求項項１においてプロキシミティ露光における最適なフォトマスクと基板の間のギャップをあらかじめ設定し、その設定された一定のギャップにおいて露光を行い、その後現像して、感光性樹脂からなる溝パターンの断面形状を制御した、マイクロ化学チップ、ＤＮＡチップ、およびＭＥＭＳなどの微細加工製品。
【請求項５】
光照射によって分解または硬化する、ポジ型、ネガ型の感光性樹脂を用い、基板上にこれら感光性樹脂からなる溝パターンを露光、現像によって形成する方法において、露光方式にプロキシミティ露光を用い、フォトマスクと感光性樹脂を塗布した基板、またはフォトマスクと感光性樹脂からなる基板との間のギャップを時間的に変化させながら露光を行い、溝パターンの断面形状を制御することを特徴とする、感光性樹脂溝パターンの形成方法。
【請求項６】
光照射によって分解または硬化する、ポジ型、ネガ型の感光性樹脂を用い、これら感光性樹脂からなる溝パターンを露光、現像によって形成する方法において、露光方式にプロキシミティ露光を用い、フォトマスクと感光性樹脂を塗布した基板、またはフォトマスクと感光性樹脂からなる基板との間のギャップを時間的に変化させながら露光を行い、溝パターンの断面形状を制御する方式を用いて製造したマイクロ化学チップ、ＤＮＡチップ、およびＭＥＭＳなどの微細加工製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感光性樹脂のフォトマスクによる露光、現像により、感光性樹脂による溝パターンの形成を行い、この感光性樹脂溝パターンをマイクロ化学チップの流路や、ＤＮＡ解析用チップ、ケミカルエッチングレジスト、ドライエッチングレジストなどに用いる、いわゆるフォトプロセスの技術分野に属するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在のマイクロ化学チップは、基板の上に微細な溝パターンを形成し、その溝パターン内に化学反応に関与する複数の反応種を微量導入し、その溝パターン内での化学合成、分離、抽出、化学分析などを行うことのできる、基板内にμｍサイズの微細な溝パターンを有するチップである。このマイクロ化学チップは、これらを連結させると、単独の化学合成、分離、抽出、化学分析のみでなく、多段の化学合成や分析のプロセスを、小さな連続したマイクロ化学チップ内で実現することができる。このようなマイクロ化学チップはマイクロ化学システムやμ−ＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれている。
【０００３】
またバイオ分野におけるＤＮＡ解析や、たんぱく質の合成などにおいても、マイクロ化学チップの応用が可能で、これはＤＮＡ解析チップと呼ばれている。ＤＮＡ解析チップは、微細溝パターンにＤＮＡ断片試料を注入して、電気泳動法によるＤＮＡの鎖長測定や、ＤＮＡの濃度分析などに用いられている。またＤＮＡ解析用チップは、遺伝子組み換え作物、例えばとうもろこしのＤＮＡ解析にも応用されている。近年、ＤＮＡ解析用チップにより、遺伝子組み換え植物とそうでない植物との判定が可能となっている。
【０００４】
またこれら微細溝パターンの内壁にパラジウムなどの触媒を付与すると、溝内壁と反応種の界面での反応が促進されるので、微小空間における高速の反応チャネル、いわゆるマイクロリアクターとして用いることができる。このように、溝パターンの化学分野、バイオ分野への応用は年々拡大しており、このために、より微細な溝パターンの形成技術の確立が求められている。
【０００５】
現在、微細な溝パターンは、ガラスや石英などのドライエッチングで作られている。このガラスや石英の溝パターン形成プロセスは、フォトプロセスを用いて、ドライエッチング用レジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて、ＣＦ４ガスなどにより石英やガラスをエッチングするものである。したがってマイクロ化学チップやＤＮＡ解析用チップが非常に高価になる欠点がある。
【０００６】
このために、最近高分子樹脂材料を基板に用いたマイクロ化学チップが実用化されようとしている。この高分子樹脂材料によるマイクロ化学チップの製法には、電鋳により製造した金型を高分子樹脂材料に押し当てて溝パターンを形成する方法、感光性樹脂材料を用いて直接に溝パターンを形成する方法などがある。電鋳による方法は、ガラス基板上にフォトレジストによる溝パターンをまず形成してから、このパターンの前面にシード層とよばれる、導電性薄膜を蒸着などによって形成して、電気めっき法により、溝内部に電気めっき層を鋳込んで金型を製造するものである。いわゆるこの手法が電鋳技術と呼ばれるものであるが、この技術ではフォトレジスト溝パターン形成における、溝壁断面の形状が重要になる。
【０００７】
図1に、電鋳金型１により、高分子樹脂材料２に押し当てて樹脂成形を行っている断面を示す。高分子樹脂材料には、通常熱可塑性樹脂材料や感光性樹脂材料が用いられる。図１（ａ）は電鋳金型断面の側壁が垂直な例を示している。垂直な断面の金型の特徴は、マイクロ化学チップの流路の断面積が大きくなるが、一方、電鋳金型の高分子樹脂材料からの離型が難しい問題がある。これは熱可塑性樹脂などの高分子樹脂材料に、例えば樹脂材料のＴｇ（ガラス転移温度）以上の温度で電鋳金型を押し当て、次に成形が終了してからの電鋳金型の離型の段階で、金型の離型応力が溝壁面に対してせん断方向にのみ働くことによる。図１（ｂ）は電鋳金型の断面に傾斜角を設けた場合を示している。この傾斜角を持つ断面では、高分子樹脂材料の成形後の離型において、離型応力が溝壁面に対して垂直方向にも作用するので、電鋳金型の高分子樹脂材料からの離型が容易になる。図１（ｂ）に示すような、傾斜した断面を得るには、前述のように電鋳金型を製造するためのフォトレジストのパターンが傾斜していなければならない。このように、電鋳金型の製造では、電気めっきを析出させる、微細溝パターンの断面形状の制御が非常に重要である。
【０００８】
マイクロ化学チップなどの微細溝パターンの形成において、以上の電鋳金型の例に示すように、溝パターン内壁の断面形状が非常に重要になる。また、電鋳金型に限らず、感光性の高分子樹脂材料から直接に微細溝パターンを形成して、この微細溝パターンをそのままマイクロ化学チップとして用いる方法があるが、この方法でも溝パターンの断面形状は同様に重要となっている。この方法は、電鋳金型製造などの中間工程を必要としないために、安価にマイクロ化学チップなどを製造できる特徴がある。
この感光性の高分子樹脂材料を用いた直接的溝パターン形成法では、まずフォトマスクを作成してから、このフォトマスクを、感光性樹脂材料を塗布した基板、または感光性樹脂材料からなる基板の上に配置して、紫外線などの光を用いて照射して、感光性樹脂材料を光硬化または光分解させて、微細な溝パターンを形成し、それをそのままマイクロ化学チップなどに用いる方法である。このときフォトマスクの配置の仕方には、基板の上に接触させて露光するコンタクト露光方式と、基板の上にある一定の距離を置いてマスクを近接させるプロキシミティ露光方式の二つがある。コンタクトマスク露光方式では、基板に直接フォトマスクを接触させるために、マスク形状と同じパターン形状が得易い半面、マスクに樹脂や異物などが付着しやすい欠点がある。またプロキシミティ露光方式は、異物付着の問題無い反面、マスクの光透過部と光遮断部の境界が、散乱光や回折光などによって、コンタクトマスク露光方式と比較して鮮明性に欠ける場合がある、などの欠点がある。
【０００９】
感光性樹脂材料から直接に微細な溝パターンを形成する方法において、希望とする溝パターンの断面形状を得る方法には、下記の特許文献１がある。
この特許文献１では、フォトマスクの光透過部と光遮断部の境界部に、光の透過できる部分と透過できない部分からなる、微細な異形パターンを配置する。このことによって、境界部の異形パターン形成部は光の透過量が減少するため、感光性樹脂材料の硬化や分解が遅れる。このことによって境界部に位置する感光性樹脂材料の壁面に傾斜した形の断面を得ることができる。
【００１０】
また特許文献２では、感光性樹脂材料からなるフォトレジストを基板上に塗布した後、フォトレジストのプリベーク温度を部分的に変えて加熱し、その後フォトマスクを配置して露光させることによって、光反応した高分子感光性樹脂からなる微細溝パターンの断面形状を凹凸形状となすものである。
【００１１】
以上二つの特許文献はいずれも、高分子樹脂材料からなる微細パターンの断面形状を希望とする形状に制御することが非常に難しい。すなわち、特許文献１では、境界部の異形パターンと断面形状の関係を実験により確認し、試行錯誤を経て異形パターンの形状を決定しなければならない。また特許文献２では、プリベーク温度を塗布した感光性樹脂の範囲で部分的に変えることは、熱伝導の関係、微細加熱技術の観点から非常に難しいこと、また微細な溝パターンの形成においては、不可能に近いことなどの問題がある。
【００１２】
マイクロ化学チップやＤＮＡ解析用チップにおいては、電鋳金型の製法で要求される、感光性樹脂材料からなる微細パターンの傾斜した断面形状のみでなく、微細溝パターンの断面形状の制御は非常に重要である。反応種の反応場となる微細溝パターンでは、注入する流体の移動摩擦係数の低下、反応場の面積確保、反応触媒の付与しやすさなどに応じた断面形状設計が必要になっている。またＬＥＤを用いたディスプレィや照明器具では、一定方向に最大の反射率が得るための、反射鏡の角度の選定が重要になっている。
本発明は、上記の特許文献で述べた発明とは異なる、高分子感光性樹脂からなる微細溝パターンの断面形状を制御する方法を提供するものである。
【特許文献１】特開２００１−１３３９５７
【特許文献２】特開２００２−３４３７０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、感光性樹脂材料からなる、微細溝パターンの断面形状を、希望とする断面形状に得るための方法を提供することにある。マイクロ化学チップやＤＮＡ解析用チップでは、前述のように、注入する流体の移動摩擦係数の低下、反応場の面積確保、反応触媒の付与しやすさなどに応じた断面形状設計が必要になっている。
この希望とする断面形状には、傾斜、円形（鍋底）、段差（階段状）、逆テーパー（オーバーハング形状）、および管路などがある。本発明はひとつのフォトマスクで、プロキシミティ露光方式を用いて、これらの希望とする断面形状を得る工業的で簡単な方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１４】
発明の効果は、下記の通りである。
１）感光性樹脂材料からなる微細溝パターンの壁面の断面形状を、一回のフォトプロセスで希望とする形に制御できること。
２）工業的で安価なプロセスで、微細溝パターンの側壁の希望とする断面形状を得ることができる。
３）パターンの上部が塞がった形状の溝（管路）を一回のフォトプロセスで形成できるので、従来溝パターン形成後、別工程で行っていたラミネーションなどの溝の上部を塞ぐ工程を省略できる。
４）マイクロ化学チップ、ＤＮＡ解析用チップなどの、分離、抽出、反応速度、分析、解析などの性能を向上できる。
５）ＬＥＤの反射鏡形状を、最大の反射率を得るための最適な形状に加工することができる。
６）その他ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）における加工断面構造の最適化を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
最良の実施形態を図２により説明する。図２は、基板９上に光分解型のポジ型感光性樹脂８を塗布し、その直上にフォトマスク３を配置して、プロキシミティ露光方式で露光している露光部の断面を示している。プロキシミティ露光方式では、フォトマスク３と基板上のポジ型感光性樹脂の距離、即ちプロキシミティ露光ギャップ7は、通常０から８００μｍの範囲で露光が行われる。この中でプロキシミティ露光ギャップ0はコンタクト露光方式と呼ばれる。またフォトマスクを感光性樹脂面から遠く離し、レンズを用いて焦点を結び露光する方式は、プロジェクション露光方式と呼ばれる。プロキシミティ露光方式の利点は前述の様に、マスクへの樹脂付着の防止や異物付着の防止ができることにある。
【００１６】
発明者等は、このプロキシミティ露光方式における露光ギャップを適宜選択設定することによって、感光性樹脂による溝パターンの断面を希望する傾斜角度にできることを見出した。すなわちフォトマスクの光透過部４から進入した例えば紫外線６は、ポジ型感光性樹脂に照射されて、ポジ型感光性樹脂を光分解するが、このとき、フォトマスクとポジ型感光性樹脂の間で、光の回折や散乱現象が起こり、光透過部４と光遮断部５の境界部は光透過部と比較して、光量が連続的に低下する。この結果光透過部４と光遮断部５の境界部は、感光性樹脂の表面側に展開した、傾斜構造の溝パターン断面１０になることがわかった。図３に露光完了後、現像して得られた感光性樹脂の溝パターンの断面を示す。この図３に示す溝パターン断面１０の傾斜角度１１は、プロキシミティギャップの選定によって変えることができる。図４にプロキシミティギャップ１１と傾斜角度１１の関係図を示す。
【００１７】
図４に示すように、露光ギャップと溝パターン断面の傾斜角度は、完全な反比例の関係にある。したがって、溝パターン断面の形状は、プロキシミティ露光における露光ギャップの選定によって、希望とする傾斜角度を得ることが可能である。前述のように、たとえば電鋳用の金型の製造においては、溝パターンの断面形状を傾斜させることによって、ニッケルなどの電気めっき法で形成された電鋳金型の断面は、傾斜した断面となって電鋳金型による樹脂加工後の離型が容易になる。
【００１８】
また、露光ギャップを時間的に連続して変えることによって、図４に示す直線的な傾斜断面のみでなく、曲線的な、または直線と曲線とでできた断面を得ることも可能である。さらにまた、感光性樹脂に光硬化型のネガタイプを用いると、逆テーパー形状の断面形状や、溝パターンの上部が塞がった管状のパターン、すなわち閉じた管路を得ることも可能である。これらは、以下に順を追って実施例で説明する。
【実施例１】
【００１９】
実施例１を図３により説明する。図３はプロキシミティ露光方式においてフォトマスクをある一定のギャップ７に固定して露光している断面を示している。実施例１では露光ギャップを１５０、３００、６００μｍにそれぞれ固定し、波長４３６ナノメートルのｇ線を用いて露光実験を行った。感光性樹脂には光分解型のポジ型レジストである、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を用いた。感光性樹脂の厚さは３０μｍとした。図５にこの条件において露光現像して得られた溝パターンの、電子顕微鏡による断面写真を示す。パターンは、ある一定の幅と深さを持つ、感光性樹脂の表面に向かって展開した長い溝状のパターンである。
図５に示すように、実験の結果、露光ギャップ１５０、３００、６００μｍにおいて、それぞれ８２°、７８°、６２°の傾斜角度を持つ溝パターン断面が得られることが解った。そして、この３点の露光ギャップ条件では、露光ギャップと傾斜角度は反比例の関係にあることがわかる。
【００２０】
この露光ギャップと傾斜角度の関係を、露光ギャップをさらに細かく変化させて求めた実験結果を図６に示す。図６は、フォトマスクの開口部（光透過部）のパターン幅を、１０、３０、６０μｍの３種類に変えて実験を行った結果である。図６に示すように、露光ギャップと傾斜角度は、完全な反比例の関係になる。また傾斜角度はフォトマスクの開口部のパターン幅によらず、プロキシミティ露光における、露光ギャップのみにより一元的に決まることがわかる。
以上のように、ポジ型の感光性樹脂を用い、プロキシミティ露光における露光ギャップを変えることによって、露光現像して得られる微細溝パターンの断面の傾斜角度を、希望する値に制御することが可能である。
【実施例２】
【００２１】
実施例２を図７により説明する。図７は、実施例１と同様のポジ型感光性樹脂であるＰＭＭＡを用いて、溝パターン断面を曲線状とした実施例を示す。露光には実施例１同様、波長４３６のnmのｇ線を用いた。この曲線状の溝パターン形状は、実施例１同様に、プロキシミティ露光におけるフォトマスクを一定の露光時間経過後、基板側から上方に連続的に移動させることによって得られる。例えば、露光ギャップを６００μｍまで、露光時間５分内にフォトマスクの移動プロファイルに沿って連続的移動させると図７に示す断面が得られる。図８に露光プロファイルを示す。フォトマスクの移動は、図８に示すプロファイルを入力しプログラム制御された例えば、リニアモーターを用いて移動させる。図８のプロファイルでは露光は、溝パターンの中央部では露光時間が長く、溝幅方向の露光はプロファイルにそって行われる。このために露光現像して得られる溝パターンの断面は、図７に示すような曲線の形状になる。
【実施例３】
【００２２】
実施例３を図９により説明する。図９は、実施例２と同様のポジ型感光性樹脂であるＰＭＭＡを用いて、溝パターン断面を非連続形状とした実施例を示す。露光には実施例１同様、波長４３６のnmのｇ線を用いた。この溝パターン形状は、プロキシミティ露光におけるフォトマスクを一定の露光時間経過後、基板側から上方に直線状に移動させ、保持することによって得られる。例えば、露光ギャップ０μｍ（コンタクト露光）で３分間保持し、その後６００μｍまでマスクを移動して３分間露光する。図１０にこのときのフォトマスクの移動プロファイルを示す。フォトマスクの移動は、図１０に示すプロファイルを入力しプログラム制御された例えば、リニアモーターを用いて移動させる。図１０のプロファイルでは露光時間は、溝パターンの中央部では長く、溝壁方向では短くなる。このために露光現像して得られる溝パターンの断面は、図９に示す形状になる。
【実施例４】
【００２３】
実施例４を図１１により説明する。実施例４は、実施例２と同様のポジ型感光性樹脂であるＰＭＭＡを用いた。溝パターン断面は実施例２と逆の溝内側に膨らんだ形状とした。露光には実施例１同様、波長４３６のｇ線を用いた。この溝パターン形状は、プロキシミティ露光におけるフォトマスクを基板側から上方に連続的に移動させることによって得られる。図１２にこのときのフォトマスクの移動プロファイルを示す。フォトマスクの移動は、図１２に示すプロファイルを入力しプログラム制御された例えば、リニアモーターを用いて移動させる。図１２のプロファイルでは露光時間は、溝パターンの中央部では長く、溝壁方向では連続的に短くなる。このために露光現像して得られる溝パターンの断面は、図１１に示す形状になる。フォトマスクの移動法は、フォトマスクを固定した基板に対して移動させる方法、またはフォトマスクを固定し、基板を移動させる方法のふたつがあるが、どちらでも構わない。
【実施例５】
【００２４】
実施例４を図１３により説明する。図１３は、実施例４とは異なるネガ型感光性樹脂（光硬化型）のＰＭＭＡを用い、溝パターン断面をオーバーハング形状とした実施例を示す。露光には波長３６５ｎｍのｉ線を用いた。この溝パターン形状は、プロキシミティ露光におけるフォトマスク３を一定の位置に固定して露光することにより得られる。例えば、実施例１と同様に、基板より６００μｍの位置にフォトマスクを固定して６分間露光する。そうすると、光の回析によって、マスクを通過した光はマスクパターンの内側にも回り込むので、露光現像して得られる溝パターンは図１３に示すように、開口部に向かってオーバーハングした形状となる。
【実施例６】
【００２５】
実施例６を図１４により説明する。図１４は溝パターンの上部が塞がった形の溝パターン断面を示す。この形状は、実施例４同様ネガ型の感光性樹脂を用い、露光マスクを実施例５よりさらに上部に固定して露光することによって得られる。感光性樹脂にはＰＭＭＡに液状のスチレン系モノマーをブレンドし、無溶剤タイプの感光性樹脂を用いると、露光後の現像で光硬化していない溝中央部の感光性樹脂は流動して除去される。この例では、溝壁を直線状としたが、プロキシミティ露光により、マスクを時間的に連続移動させると、実施例２、３、４の溝壁形状と同じで、しかも上部の塞がった形状の溝パターンを得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の産業上の利用分野は、マイクロ化学チップ、ＤＮＡチップ、ＭＥＭＳなどであり、従来のフォトプロセスを用いて可能な溝パターンの形成法を提供するものである。またそれを用いて製造した、マイクロ化学チップやＤＮＡチップ、ＭＥＭＳなども含まれる。なお本発明では、溝パターンのみで説明したが、凸型形状のパターン形成にも応用が可能なことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】電鋳金型の断面
【図２】プロキシミティ露光方式（断面図）
【図３】溝パターン断面（実施例１）
【図４】溝パターンの傾斜角度とプロキシミティ露光ギャップの関係
【図５】溝パターンの形状（ＳＥＭ写真）
【図６】溝パターンの傾斜角度とプロキシミティ露光ギャップの関係（データ）
【図７】溝パターン断面（実施例２）
【図８】フォトマスクの移動プロファイル
【図９】溝パターン断面（実施例３）
【図１０】フォトマスクの移動プロファイル
【図１１】溝パターン断面（実施例４）
【図１２】図１２フォトマスクの移動プロファイル（実施例４）
【図１３】溝パターン断面（実施例５）
【図１４】溝パターン断面（実施例６）
【符号の説明】
【００２８】
１  電鋳金型
２  ポジ型感光性樹脂
３  フォトマスク
４  光透過部
５  光遮断部
６  紫外線
７  プロキシミティ露光ギャップ
８  ネガ型感光性樹脂
９  基板
１０  溝パターン断面
【図１】
2006330080.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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