(57)【要約】ミクロンまたはサブミクロンサイズの複数のフィーチャを含むデバイスを形成する方法を提供する。複数のフィーチャを画定する表面輪郭を有するマスタを提供する。マスタの表面輪郭を少なくとも１層の材料層でコーティングしてシェルを形成する。シェルからマスタを除去してシェルに表面輪郭のネガ像を形成する。シェルのネガ像に材料、例えばポリカーボネート、ポリアクリルまたはポリスチレンを充てんして、マスタと実質的に同じフィーチャを有するデバイスを形成する。ネガ像には、射出成形、圧縮成形、エンボス加工または適合する他の技法を使用して充てんを実施することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフィーチャのアレイを含むマイクロデバイス用の型を形成する方法であって、
表面輪郭を有するマスタを用意するステップ、
厚さ約０．０１〜０．２インチ（約０．２５〜５．１ｍｍ）の材料層で前記表面輪郭を覆うステップ、および
前記材料層から前記マスタを除去して前記材料層に前記マスタのネガ像を形成するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記表面輪郭を覆うステップの前に、リリースフィルムで前記マスタを覆って前記マスタの除去を容易にするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マスタを除去するためにエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
エッチング剤は水酸化物であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記材料層は金属であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記材料層はニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記マスタはその除去中に犠牲にされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ネガ像は、１つの寸法が約５ミクロンから約２５０ミクロンの少なくとも１つの構造フィーチャを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ネガ像は、その表面からの深さが約５ミクロンから約２５０ミクロンの凹みを画定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記凹みは、等間隔に配置された縦横の列からなるアレイで、１ｍｍ２あたり約１個から約１００個の凹み密度が得られるように配置されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記マスタはシリコンから形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記マスタの複数の部分をシリコンから個々に形成するステップ、および
前記部分を接続して完全なマスタとするステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記材料層は焼結によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記充てんするステップはさらに、
前記ネガ像に粉末金属材料を充てんするステップ、および
前記粉末金属材料を焼結させて前記マイクロデバイスを形成するステップ
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ミクロンまたはサブミクロンサイズの複数のフィーチャを含むデバイスを形成する方法であって、
フィーチャを画定した表面輪郭を有するマスタを用意するステップ、
前記マスタの前記表面輪郭を少なくとも１層の材料層でコーティングするステップ、
前記材料層から前記マスタを除去して前記材料層に前記表面輪郭のネガ像を形成するステップ、および
前記ネガ像に充てんを実施して、前記マスタと実質的に同じフィーチャを有するデバイスを形成するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記ネガ像から型インサートを形成するステップ、および
前記ネガ像に充てんを実施するために射出成形を実行するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記射出成形は真空で実行されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記デバイスの前記フィーチャの中に穴をあけて中空マイクロ針を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料層は厚さ約０．０７インチ（約１．８ｍｍ）であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記材料層は厚さ約０．０１〜０．２インチ（約０．２５〜５．１ｍｍ）であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記表面輪郭を覆う前に、リリースフィルムで前記マスタを覆って前記マスタの除去を容易にするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記マスタを除去するためにエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記材料層は金属であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記材料層はニッケルであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記射出成形の間に残留空気を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記型インサートにベントを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記ネガ像にポリマーを充てんするステップを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、環状オレフィンコポリマー、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステルおよびポリカーボネートのうちの１つを前記ネガ像に充てんすることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記穴あけをレーザによって実行することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記材料層は焼結によって形成されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項３１】
前記充てんするステップはさらに、
前記ネガ像に粉末金属材料を充てんするステップ、および
前記粉末金属材料を焼結させて前記マイクロデバイスを形成するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項３２】
前記マスタはシリコンから形成されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項３３】
前記マスタの複数の部分をシリコンから個々に形成するステップ、および
前記部分を接続して完全なマスタとするステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデバイスを製造する方法、詳細にはマイクロデバイスを製造する方法に関する。より詳細には本発明は、マイクロデバイス用の型（ｍｏｌｄ）を形成し医療用のマイクロデバイスを成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物および生化学分析の分野において小型デバイスを製造するプロセスに対する関心が高まっている。分析検査に使用するデバイスの製造では電子産業で使用される技法に似た技法が使用される。これらの製造技法の例にはフォトリソグラフィおよび湿式化学エッチングが含まれる。これらのデバイスはしばしばシリコン、ガラスなどの固体基板から製造される。
【０００３】
マイクロ分析デバイスはさまざまな分析反応を実行するために使用される。例えば特許文献１には、核酸増幅反応を実行するために固体基板中に微細製造された流体チャネルおよびチャンバを有するメソスケール（ｍｅｓｏｓｃａｌｅ）のデバイスが開示されている。特許文献２には、試料中の分析物を検出するための細胞処理領域を有するメソスケールのデバイスが開示されている。これらのマイクロチャネルおよびチャンバは０．１ミクロンから５００ミクロンの断面寸法を有する。特許文献３には、幅数ミクロンの流体チャネルを有するポリマー基材から製造された微細流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）輸送デバイスが開示されている。
【０００４】
さらに、さまざまな薬物を経皮送達するためのマイクロニードル（ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ）注射に対する関心が高まっている。マイクロニードルデバイスは、長さ数百ミクロンの複数のマイクロニードルを有することができる。患者に薬物を送達するためのマイクロニードルデバイスの一例が特許文献４に開示されている。
【０００５】
薬物送達用のマイクロニードルデバイスは、皮膚の角質層をより少ない刺激で貫通することができる。角質層は、厚さ約１０〜３０ミクロンの堅く締まった角質化した細胞レムナントからなる複雑な構造体であり、さまざまな物質による侵入やさまざまな化合物の外部への移動から身体を保護する防水膜を形成している。皮膚を通した薬物送達は、皮膚の浸透性を高めることによって、あるいは皮膚を通して薬物を導入するのに使用される力またはエネルギーを増大させることによって向上する。
【０００６】
皮膚を通して薬剤を送達する１つの方法は、角質層を貫通する微細孔または切り穴を形成する方法である。角質層に侵入し、角質層の中または角質層の下の皮膚に薬剤を送達することによって、数多くの薬物を効果的に投与することができる。角質層を貫通するデバイスは一般に、角質層は貫通するが表皮は完全には貫通しない長さを有するミクロンサイズの複数の針または刃を含む。これらのデバイスの例が特許文献４、特許文献５および特許文献６に開示されている。
【０００７】
これらのデバイスは通常、シリコンまたは他の金属からエッチング法を使用して製造される。例えば特許文献７には、ＭＥＭＳ技術および標準マイクロファブリケーション（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）技法を使用したマイクロニードルアレイの形成方法が記載されている。この方法によって得られるマイクロニードルデバイスは有効ではあるけれども製造費用が高く、かつ大量に製造することが難しい。したがって最近、ポリマーからマイクロデバイスを形成する努力が進められている。
【０００８】
特許文献７にはさらに、ポリマーからマイクロデバイスを形成する方法が記載されている。何本かのマイクロピラー（ｍｉｃｒｏｐｉｌｌａｒ）が延出した型ベースを、微小電極放電機械加工またはフォトリソグラフィプロセスによって形成する。マイクロピラーの上に薄いポリマーの層を配置する。このポリマー層を加熱し、それによってポリマー層がマイクロピラーの周囲で変形し、マイクロデバイスが形成されるようにする。型の形成に使用する微小電極放電機械加工またはフォトリソグラフィプロセスは時間と費用のかかるプロセスである。
【０００９】
特許文献８には、成形されたマイクロデバイス（成形マイクロデバイス）をポリマーから形成するプロセスが記載されている。具体的には特許文献８は、射出成形、圧縮成形またはエンボス加工によってプラスチックからマイクロデバイスを形成する方法を記述している。特許文献８の方法は、型からマイクロデバイスを形成することに重点を置いており、型自体の生成については対象としていない。
【００１０】
特許文献５には、ポリマー製のマイクロモールド（ｍｉｃｒｏｍｏｌｄ）およびその製造プロセスが記載されている。ミクロンサイズのフィーチャを有する型アセンブリを形成する。この型アセンブリは、犠牲マンドレルから作られた中空部分を有する。マンドレルに表面処理を施しコーティングして外シェルを形成する。次いでこのマンドレルをエッチングで除き、外シェルを型として残す。特許文献５に記載のプロセスは１度に１つの中空型しか製造できない。生み出された型は、この中空型にポリマーを通すポリマー押出しとともに使用される。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５４９８３９２号（Ｗｉｌｄｉｎｇ他）
【特許文献２】米国特許第５３０４４８７号（Ｗｉｌｄｉｎｇ他）
【特許文献３】米国特許第５８８５４７０号（Ｐａｒｃｅ他）
【特許文献４】米国特許第５８７９３２６号（Ｇｏｄｓｈａｌｌ他）
【特許文献５】米国特許第５２５００２３号（Ｌｅｅ他）
【特許文献６】国際公開第９７／４８４４０号パンフレット
【特許文献７】米国特許第６３１２６１２号（Ｓｈｅｒｍａｎ）
【特許文献８】米国特許第６３３１２６６号（Ｐｏｗｅｌｌ他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
医療用マイクロデバイスを製造するこれまでの方法および装置はある程度の成功は示したが、一般に時間と費用がかかる。例えば特許文献５のプロセスでは単一のデバイス用の型しか形成できない。したがって、当業界では、マイクロデバイスを製造する改良式の方法が引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はデバイス、例えば医療用およびその他の用途のマイクロデバイスを製造する方法を対象とする。本発明の方法および装置は、ミクロンおよびサブミクロンサイズのフィーチャを有するプラスチックデバイスを成形するのに適している。医療用マイクロデバイスは、１ミクロン未満から数百ミクロンまでの長さまたは幅を有するチャネル、針、ポイントまたは他の構造フィーチャを有するデバイスである。本発明に従って成形することができるマイクロデバイスの例には分析用マイクロチャネルデバイス、マイクロニードル、ピペットなどがある。分析用マイクロチャネルデバイスには例えば、直径約０．５ミクロンから約５００ミクロンのマイクロチャネルが含まれる。
【００１４】
本発明の一実施形態では、マイクロデバイスを使用して、皮膚の角質層を貫通し、または角質層をすり減らし、すり減った領域を通して薬物、薬剤などの物質を経皮送達する。このデバイスは、身体が物質を吸収し利用することができる十分な深さに皮膚の角質層を通して物質を送達するのを向上させるために、皮膚表面の送達部位をすり減らし、送達部位を準備する複数の微小突起を含む。
【００１５】
本発明の例示的な実施形態によれば、マイクロフィーチャのアレイを含むマイクロデバイス用の型を形成する方法が提供される。表面輪郭を有するマスタまたは原マイクロデバイスを用意する。マスタの表面輪郭を材料層でコーティングする。材料層の厚さは少なくとも約０．０１〜０．２インチ（約０．２５〜５．１ｍｍ）、好ましくは０．０７インチ（約１．８ｍｍ）以上であることが好ましい。材料層からマスタを除去して材料層にマスタのネガ像を形成する。次いでこのネガ像を成形プロセスで使用して、マスタのフィーチャと実質的に同じフィーチャを有するポジ像を形成することができる。
【００１６】
本発明の一実施形態では、材料層からマスタを除去するときにマスタが犠牲にされる。マスタは例えばエッチングによって除去することができる。他の実施形態では、材料層でコーティングする前にリリース層でマスタをコーティングする。リリース層はネガ像からのマスタの除去を容易にし、マスタを無傷の状態に保つ。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、ミクロンまたはサブミクロンサイズの複数のフィーチャを含むデバイスを形成する方法が提供される。複数のフィーチャを画定した表面輪郭を有するマスタを用意する。マスタの表面輪郭を少なくとも１層の材料層でコーティングしてシェルを形成する。シェルからマスタを除去してシェルに表面輪郭のネガ像を形成する。シェルのネガ像に材料、例えばポリカーボネート、アクリル（ｃｙｒｏ  ｌ−４０）ＬＣＰ、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリスチレンまたは他の適当な構造プラスチックを実質的に充てんして、マスタと実質的に同じフィーチャを有するデバイスを形成する。もちろん、他のタイプの材料を使用してシェルに充てんしてもよい。ネガ像には、射出成形、圧縮成形、エンボス加工または適合する他の技法を使用して充てんを実施することができる。
【００１８】
他の実施形態では、シェルが、深さ約５ミクロンから約２５０ミクロンの凹みを画定する。この凹みは、１ｍｍ２あたり約１から約１００個の凹み密度が得られるように、等間隔または不均一な間隔で並んだ縦横の列のアレイで、またはランダムパターンを含む他のパターンで配置することができる。シェルは、マスタのフィーチャを成形するためのネガ像または反転像である。マスタはその表面輪郭上に長さ約０．５ミクロンから数百ミクロンの凹みまたは頂を有することができる。
【００１９】
本発明の利点および他の目立った特徴は、添付の図面とともに本発明の好ましい実施形態を開示する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、医療用デバイスなどの、ミクロンまたはサブミクロンサイズの複数のフィーチャを有するマイクロデバイスを製造する方法を対象とする。一実施形態ではこのマイクロデバイスが、患者に物質を経皮投与し、または患者の身体から物質を抜き取るための準備を皮膚に対しておこなうマイクロアブレーダ（ｍｉｃｒｏａｂｒａｄｅｒ）デバイスである。この実施形態の方法では、マイクロアブレーダデバイスなどの、ミクロンサイズの複数のフィーチャを有するデバイス用の型を形成することができる。このデバイスはポリマー材料から成形する。射出成形などの成形法では、ミクロンまたはサブミクロンサイズのフィーチャを有する大量のデバイスを安価にかつ首尾一貫して生産することができる。この型は、反復使用および成形プロセスの高圧に耐えることができる。
【００２１】
本発明の方法によって形成された型は、自体に一体成形されたミクロンまたはサブミクロンサイズの細部を有するデバイスの成形に使用することが好ましい。本発明の方法によって成形することができるマイクロデバイスの例には、ミクロンサイズのチャネル、導管または毛細管を有する医療用および分析用デバイス、外科用針、プロテーゼ、インプラントなどが含まれる。この方法および成形装置は、少なくとも１つの寸法が約０．５ミクロンから約５００ミクロンであるチャネル、凹み、針、突起または他の構造要素を有する医療用成形デバイスに対して特に適している。図に示す実施形態は、皮膚をすり減らすための微小突起デバイスに関するが、本発明はマイクロアブレーダデバイスまたは微小突起デバイスに限定されるものではなく、さまざまなデバイスの成形に使用できることを理解されたい。
【００２２】
本発明の方法によって製造されたマイクロアブレーダデバイスは特に、薬剤を患者に投与しまたは患者の皮内から物質を抜き取るための準備を皮膚に対しておこなう際に使用するのに適している。本明細書で使用するとき、薬剤には、抗生物質、抗ウイルス薬、鎮痛薬、麻酔薬、食欲抑制薬、関節炎治療薬、抗うつ薬、抗ヒスタミン薬、抗炎症薬、抗腫瘍薬、ワクチン（ＤＮＡワクチンを含む）など、生物活性を有する物質が含まれる。患者の皮内に送達することができる物質にはこのほか、天然、合成または組換えタンパク質、ペプチドおよびこれらの断片などがある。身体から抜き取る物質および作用物質には、分析物、薬物、グルコース、体内電解液、アルコール、血液ガスなどがある。上記の物質群は全てを網羅したものではない。送達または抜取りに適した他の物質は当業者には明白であろう。
【００２３】
一実施形態では本発明の方法が、患者への物質の経皮送達を増強しまたは患者から各種作用物質を採取するための準備を皮膚、特に角質層に対しておこなうマイクロアブレーダの製造を対象とする。皮膚の表面でマイクロアブレーダデバイスを動かしまたはマイクロアブレーダデバイスで皮膚をこすって、角質層の少なくとも一部分をすり減らし除去する。当技術分野で周知の能動または受動薬物送達デバイスまたは試料採取デバイスを、この皮膚のすり減った領域に適用する。本明細書で使用するとき、用語マイクロアブレーダは、皮膚をすり減らして皮膚の浸透性を増大させることができ、かつ、許容しがたい皮層刺激を引き起こしまたは感染因子に対する皮膚障壁を危うくすることのないデバイスを指す。
【００２４】
図１および２に示す実施形態では、本発明の一実施形態に基づく方法によって製造されたマイクロアブレーダデバイス１０が、支持体の底面から延びる複数の微小突起１４を有する実質的に平らな本体または支持体１２を含む。微小突起の長さ、所与の領域の中の微小突起の数および患者に投与する物質の量に応じて、支持体１２はさまざまな寸法をとることができる。支持体１２は一般に約１〜４平方センチメートル（ｃｍ２）の表面積を有する。好ましい実施形態では支持体表面１２が約２ｃｍ２の表面積を有する。
【００２５】
図１および２に示すように、微小突起１４は支持体１２の表面に一体に形成されこれに取り付けられており、支持体１２の平面から実質的に垂直に延びている。図示の実施形態の微小突起１４は縦横に複数の列をなして配置されており、かつ実質的に等間隔に配置されている。この実施形態の微小突起１４は全体に角錐形の形状を有し、側面１６が先端１８まで延びている。図示の側面１６は断面で見ると全体に凹形の表面を有し、支持体１２から先端１８まで延びる曲面を形成している。図示の実施形態では、微小突起が、実質的に等しい形状および寸法の４つの側面１６によって形成されている。図２および３に示すように、微小突起１４のそれぞれの側面１６は、隣接した側面と連続した側稜を両側に有し、支持体１２から外側へ延びるこすり落としエッジ（ｓｃｒａｐｉｎｇ  ｅｄｇｅ）２２を形成する。こすり落としエッジ２２は、側面１６の形状に一致した全体に三角形または台形のこすり落とし面を画定する。他の実施形態では、これよりも少ないまたはこれよりも多くの側面を有する微小突起１４を形成することができる。あるいは微小突起を、円錐形の先端またはとがった先端を有する円錐形あるいは円筒形の突起とすることができる。さらに、支持体１２上に微小突起を不均一に配置することができる。
【００２６】
図示の微小突起１４はとがりのない先端１８を有する。一般に先端１８は実質的に平坦であり支持体１４と平行である。各先端１８は、側面１６と接するところに明確に画定された鋭い稜２０を形成することが好ましい。稜２０は支持体１２と実質的に平行に延び、こすり落としエッジを画定する。他の実施形態では、稜２０をわずかに丸めて、側面１６から先端１８へなめらかに移行させることができる。
【００２７】
マイクロアブレーダデバイス１０、微小突起１４などのマイクロデバイスは、好ましくは投与する物質と反応せず、各種成形プロセス、特に射出成形プロセスで使用することができるプラスチック材料から製造することができる。適当なプラスチック材料には例えば、当技術分野で周知の充てんまたは非充てんのポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステルおよびポリカーボネート、ならびにこれらのコポリマーが含まれる。好ましいポリマーにはＣＯＣおよびＬ４０の商標名でＣＹＲＯ社から出ているアクリル樹脂が含まれる。微小突起の長さおよび厚さは、投与する特定の物質およびデバイスを適用する場所の角質層の厚さに基づいて選択される。微小突起は約５ミクロンから約２５０ミクロンの長さを有することができる。図示の実施形態の微小突起は全体に角錐形の形状を有し、デバイスの平面に対して垂直である。微小突起は中実または中空部材とすることができる。
【００２８】
図２および３に示すように、マイクロアブレータ１０の微小突起１４は一般に、縦横に列をなして等間隔に配置されアレイを形成している。一般に、微小突起の列は、１ミリメートル（ｍｍ）あたり約１個から約１０個の密度、および１ｍｍ２あたり約１個から約１００個の針密度が得られるように間隔をあけて並べられるが、記載の実施形態の成形法では必要に応じてこの間隔を変更することができる。
【００２９】
一実施形態では、本発明のマイクロデバイスを射出成形によって製造する。マイクロデバイスの１つの射出成形プロセスが特許文献８に記載されており、このプロセスは参照によって本明細書に組み込まれる。特許文献８に記載されている成形法は、製造中のデバイスのポジ像（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｉｍａｇｅ）を有する型部材を使用する。型部材にポリマー材料を充てんしてマイクロデバイスの反転層またはネガ像（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｉｍａｇｅ）を形成する。ネガ像を有する型部材を形成する本発明に基づく方法を、特許文献８に記載の射出成形プロセスと組み合わせて、高品質のマイクロデバイスを効率的に形成することができる。
【００３０】
この成形プロセスで使用するネガ像または反転像を形成するためには、まず最初にポジ像が必要である。ポジ像はマスタ、例えばマイクロデバイスの原物によって提供される。マスタは本質的に、希望する完成品の一例である。例えば記載の実施形態のマスタはマイクロアブレーダ１０である。図１および２に示すように、マイクロアブレーダ１０は、自体の微小突起１４などのフィーチャを画定した表面輪郭を有する。マイクロアブレーダ１０の表面輪郭は外表面の輪郭であることが好ましい。マスタは一般に任意の形状または幾何形状を有することができる。マスタとして使用するマイクロアブレーダ１０は一般にシリコンから製造する。マスタマイクロアブレーダは、シリコン表面の成形および形成に使用される技法、例えばフォトリソグラフィ法およびウェットエッチング法を使用して製造することができる。これらの技法は、電子構成部品を生産する当業者に周知の技法と実質的に同じである。シリコンマイクロアブレーダは、一般にミクロンサイズダイヤモンドフライス盤を使用したさまざまなマイクロ機械加工プロセスを使用して製造することもできる。
【００３１】
さらに、シリコンには容易には形成されないデバイスを形成する技法が提供される。非対称パターンに配置されたエッジを提供するシリコンには容易に形成されないパターンを、シリコンに容易に形成することができるパターンをいくつかの断片に分割することによって形成することができる。これらの断片を一緒にして、例えばこれらの断片を接着剤で貼り合わせて所望のパターンを形成する。例えば、シリコンの結晶格子構造のため、突起の稜が実施的に円形パターンに配置された回転パターンをシリコンにエッチングすることは容易ではない。この限界を克服するため、回転構造体をパイ片のような複数の断片に形成し、それらを貼り合わせて完全な回転パターンを形成することができる。次いでこの完全なパターンをポジ像として使用することができる。したがって、シリコンでは完全に形成することができないパターンの完全なプラスチックバージョンを形成することが可能である。他の例には、とりわけ、ベースからの高さが変わる段の形態に配置された突起の円環などが含まれる。
【００３２】
マスタのネガ像、ここではマイクロアブレーダ１０のネガ像を形成するため、マイクロアブレーダ１０の表面輪郭を少なくとも１層の材料層で覆う。この材料層がマイクロアブレーダの内表面を覆ってしまわないことが好ましい。ただし場合によってはそのほうが望ましいこともある。この材料層は、マイクロアブレーダ１０のネガ像を画定したシェルを生み出す。この材料層は、めっきプロセスによってマイクロアブレーダ１０の外表面輪郭上に形成することができる。この材料層は、任意の金属材料または適当な他の材料から形成することができる。しかしニッケルが好ましい。その理由は、成形応用例に見られる高温で使用することが容易な鋼の膨張率に似た膨張率をニッケルが有するからである。この材料層がニッケルを含むときには、めっき技法の１つであるニッケルコンポジットツーリング（Ｎｉｃｋｅｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｔｏｏｌｉｎｇ：ＮＣＴ）を使用してマスタの上に材料層を付着させることができる。ＮＣＴは、Ｖｉｎｔａｇｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社の商用プロセスの商標名である。
【００３３】
本発明の他の実施形態では、この材料層を、燒結プロセスによってマイクロアブレーダ１０の外表面輪郭上に形成することができる。マスタを、例えば粉末金属材料の中にマスタを沈めることによって粉末金属材料で覆う。次いでこの粉末材料を燒結させてシェルを形成する。
【００３４】
このシェルは、少なくとも約０．０１〜０．２インチ（約０．２５〜５．１ｍｍ）、好ましくは約０．０７インチ（約１．８ｍｍ）以上の厚さに形成することが好ましい。厚いシェルは、続く成形プロセスの最中に生み出される高圧に耐えうる、より頑丈なネガ像をもたらす。厚いシェルはさらに、より長い可使時間を有する型を生み出す。さらに、型のキャビティと対合し、したがってシェルを型に接着する必要性を排除する全体に平坦な表面を得るため、シェルの厚さは、シェルの背面を機械加工できるように選択する。
【００３５】
ニッケル層または他の材料層をマスタに適用した後、材料層からマスタを除去して、ニッケルシェルにマスタのネガ像を残す。ニッケル層からマスタを除去する方法はいくつかある。例えばエッチングによってマスタを除去することができる。この場合には除去の際にマスタが犠牲にされる。あるいはマスタをコーティングして、実質的に無傷のままマスタがシェルからリリースされるようにすることもできる。次いでこのマスタを使用して別のネガ像を生み出すことができる。例えば、アンダーカットのないマスタでは、最初のマスタからはずされた型キャビティをめっき（例えば電鋳または無電解めっき）して金属マスタを作ることができる。次いでこの新しいマスタから複数の型を生み出すことができ、これによって同じシリコンチップから複数のキャビティを生み出すことができる。
【００３６】
ある場合には、たとえマスタをコーティングする場合であっても、ネガ像によって画定された凹みにマスタの一部が残る可能性がある。ネガ像がマスタの正確な複製を生み出すためには、これらの残りの部分を除去しなければならない。したがってエッチングプロセス、例えばＫＯＨエッチングを実行して、その下の材料、記載の実施形態ではニッケルを傷つけることなくシェルから材料層を除去してもよい。
【００３７】
微小突起のアレイのネガ像を画定したシェル３０の一例を図４に示す。シェル３０上のネガ像はキャビティすなわち型キャビティを画定している。マスタを形成できる限りにおいて、型キャビティは任意の幾何形状または形状とすることができる。先に説明したマイクロアブレーダ１０の形成に使用するマスタは一般に、縦横に列をなして等間隔に配置されアレイを形成した微小突起１４を含む。一般に、微小突起の列は、１ミリメートル（ｍｍ）あたり約１個から約１０個の密度、および１ｍｍ２あたり約１個から約１００個の針密度が得られるように間隔をあけて並べられる。したがってネガ像は、マスタマイクロアブレーダ１０上の微小突起１４に対応した凹み３２のアレイを含む。凹み３２は、マスタ上の微小突起１４の寸法および密度に一致した寸法および密度を有する。図５は、微小突起に対する単一の凹み３２を示す図である。この図は、上記のプロセスによって高品質のネガ像が得られることを示している。
【００３８】
シェル３０を形成した後、型として使用する前にシェルを追加の処理にかけることができる。成形プロセス用のゲートフィーチャ、ガス抜き通路およびスプルーを切削することができる。さらに、必要に応じてシェルに幾何形状を追加するための変更を加えることができる。マスタに存在しない端面取りなどのフィーチャをさらに追加することができる。
【００３９】
シェルを形成し処理した後、そのシェルを型として使用して、マイクロデバイス、ここではマイクロアブレーダを射出成形によって形成することができる。図６に、射出成形プロセス中に使用する型の一部分を示す。図６には型の半分しか示されていないが、当業者にはよく知られているとおり、成形プロセスでは型のもう半分も使用される。図６に示すように、シェル３０は、適当な結合装置またはエポキシ接着剤などの耐熱性接着剤によって型部片５２の凹み６６に取り付けられる。代替実施形態では、ねじまたは他の留め具を使用してシェル３０を所定の位置に固定する。シェル３０は型部片５２の表面に対して配置され、所定の位置に固定される。シェル３０は一般に、凹み６６の底壁（図示せず）の面に取り付けられる。他の実施形態では、凹みの側壁６７にシェル３０を取り付けることができる。シェル３０は、凹み６６の形状と相補的な全体に正方形の形状を有し、図示の実施形態では全体に凹み６６の側壁６７間に延びる。他の実施形態ではシェル３０の寸法を底壁の寸法よりも小さくすることができる。シェル３０の上面は、マイクロデバイスを形成および成形する表面７６を画定する。シェル３０の表面７６は、完成成形品のインプレッション（ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）の形態の輪郭を有する。先に述べたように、シェル３０の表面７６は、成形中のデバイスに応じて約０．５ミクロンから約５００ミクロンの幅および／または高さを有する少なくとも１つの凹み、尾根または頂を有することができる。図示の実施形態ではシェルの表面７６が、マイクロアブレーダデバイスの所望の形状および寸法の微小突起に対応した、図５に示した複数の凹み３２を有する。微小突起デバイスを成形するときには、凹みは、約５から２５０ミクロンの深さを有し、１ｍｍ２あたり約１個から１００個の凹み密度が得られるような間隔で配置することができる。したがって、シェル３０の表面７６は、成形されたマイクロデバイスの反転またはインプレッションである。一実施形態ではシェル３０が、約０．０１〜０．２インチ（約０．２５〜５．１ｍｍ）、好ましくは約０．０７インチ（約１．８ｍｍ）以上の厚さを有する。
【００４０】
この成形装置に適当に取り付けた後、射出成形プロセス、例えば特許文献８に記載のプロセスを実行してマイクロデバイスを製造することができる。射出成形プロセスの間に、当技術分野で知られているアクリル、ＣＯＣ、ポリアミド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリカーボネートなどの材料を型キャビティに充てんして、マイクロデバイス、すなわちマイクロアブレーダを形成する。射出成形プロセスではホットランナ（ｈｏｔ  ｒｕｎｎｅｒ）またはコールドランナ（ｃｏｌｄ  ｒｕｎｎｅｒ）を使用することができる。
【００４１】
型キャビティの微細構造のため、射出成形プロセスの間に型キャビティの凹みが完全に充てんされないことがある。型キャビティの中に残留空気が存在することがあり、これが気泡を形成し、充てん材料が型の凹みを完全に埋めることを妨げる。最高品質のデバイスを形成するためには型キャビティの残留空気を射出成形の間に除去しなければならない。したがって、射出成形を真空条件下で実行して、型の中の残留空気を除去し、ポリマーまたは他の充てん材料が型の凹みに完全に入ることを可能にすることができる。さらに、型キャビティの一部または全部の頂および凹みの先端に残留空気を逃すことができるベントを設けることができ、または他の排気手順を使用して凹みの充てんを改善することができる。この排気手順は、真空処理とは独立にまたは真空処理とともに使用することができる。
【００４２】
図６にベントを備えた型の一例を示す。型部片５２の表面８０は何本かのベント７８を備えている。この例では型部片５２は金属からなり、ベント７８は表面８０の非常にわずかなへこみである。ベントは、表面８０から非常に薄い層をこそぎとることによって形成することができる。ベント８０のサイズは、残留空気は凹み６６から逃げることができるが、凹み６６の充てんに使用する材料は実質的にベント８０に入らないように決める。
【００４３】
この成形デバイスは他の成形プロセスを使用して製造することもできる。例えば、熱可塑性基板を型またはプラテンを用いてエンボス加工することによってマイクロデバイスを製造することができる。型は、所望の成形マイクロデバイスのインプレッションを備えている。このデバイスは、軟化温度まで加熱されたプラスチック基板に対して型を圧力をかけて押し付けることによって形成される。あるいは、加熱した型を熱可塑性基板に対して押し付けてデバイスを成形する。
【００４４】
他の実施形態では、圧縮成形法によってデバイスを形成する。この圧縮成形法では、成形のための表面を有する中空型に粉末材料などの熱可塑性材料を入れる。型を閉じ、粉末熱可塑性材料を高圧下で圧縮し加熱して、粉末粒子を溶融し一体に固める。次いで成形されたデバイスを型から取り出す。
【００４５】
他の実施形態では焼結プロセスを使用してデバイスを形成する。この焼結プロセスでは、型表面を有する中空の型の中に粉末金属材料を入れる。粉末金属材料は実質的に中空型を満たす。次いで焼結を実施して金属デバイスを形成する。
【００４６】
以上のプロセスに従って形成されたマイクロアブレーダは中実の微小突起を有する。その後にレーザ穿孔などのプロセスを使用して中空の微小突起を形成することができる。
【００４７】
本発明を例示するためにいくつかの実施形態を示したが、添付の請求項に定義された本発明の範囲から逸脱することなく本発明にさまざまな変更および修正を加えることができることを当業者は理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態のマイクロアブレーダの表面の透視図である。
【図２】このマイクロアブレーダの部分断面図である。
【図３】微小突起の先端を示す、図１の実施形態のマイクロアブレーダの上面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って形成されたネガ像を示す図である。
【図５】図４のネガ像の拡大図である。
【図６】微小突起デバイスを成形するための型および型部材の分解透視図である。
【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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【国際調査報告】
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