(57)【要約】【課題】一般的な樹脂および汎用の成形機を用いて、精度の良好な微細パターンを有する化学マイクロデバイスを大量生産するための方法を提供すること。【解決手段】本発明の微細パターンを有する樹脂構造物の形成方法は、キャビティに嵌合するようにコアが設置されたインロー構造の金型を用いて、該キャビティ内に樹脂を充填して、該樹脂を加圧下で成形する工程を含む。したがって、インロー構造の金型を作成するだけで、特別な設備を必要とすることなく、種々の樹脂について微細パターンを有する樹脂構造物を大量生産できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティに嵌合するようにコアが設置されたインロー構造の金型を用いて、該キャビティ内に樹脂を充填して、該樹脂を加圧下で成形する工程を含む、微細パターンを有する樹脂構造物の形成方法。
【請求項２】
前記微細パターンが、±０．１μｍ以内の精度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記樹脂構造物が、化学マイクロデバイス、マイクロ流路、および導光板からなる群より選択される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記成形工程が、射出成形または熱転写成形により行われる、請求項１から３のいずれかの項に記載の方法。
【請求項５】
前記樹脂が、熱可塑性非結晶性樹脂である、請求項１から４のいずれかの項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細パターンを有する樹脂構造物の形成方法に関する。より詳細には、微細パターンを有する化学マイクロデバイスなどの樹脂構造物を安価に量産するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＮＡ分析、電気泳動分析、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、細胞ソーティング、微量化学反応などの、微量分析または微量反応が広く行われるようになってきた。このような微量での分析や反応を行う目的で、マイクロチップ、マイクロリアクターなどの微細な凹凸パターンを表面に有する化学マイクロデバイスが種々開発されている。化学マイクロデバイスは、従来は、ガラスまたはシリコン製であり、エッチング法により微細な凹凸パターン形状が表面に形成されている。しかし、材料費が高く、かつ製造に要する時間も長いため、大量生産は困難である。
【０００３】
そのため、微細な凹凸が必要な化学マイクロデバイスは、樹脂を用いて射出成形法で成形されている。一般に、射出成形法では、金型キャビティ内に微細な凸凹パターン形状を形成し、溶融樹脂を高速高圧で射出し、冷却固化させて成形品を取り出す。取り出された樹脂成形品の表面には、金型に形成された微細パターンが転写される。
【０００４】
例えば、特許文献１では、励起光による蛍光の発生が少ないプラスチック材料（例えば、シリコーン樹脂、またはカーボンブラックを含有する熱可塑性樹脂）を用いることにより、試料からの蛍光のみを適切に検出できる化学マイクロデバイスを製造したことが記載されている。しかし、射出成形により化学マイクロデバイスを製造したとの記載があるのみで、具体的な樹脂組成および成形条件の記載はなく、実際に、微細パターンがどの程度の精度で形成され得るかは不明である。また、樹脂の種類についても、シリコーン樹脂を用いる点で、コスト高になる。
【０００５】
一般的に、射出成形においては、金型の微細パターンの最深部までを精密に樹脂に転写させるために、流動特性の良好な樹脂を用い、そして射出時の温度および圧力を極めて高く設定している。しかし、このような極めて高い射出圧は、汎用の射出成形機では設定できないため、微細パターンの精密転写のための特別な設備が必要となる。
【０００６】
そこで、使用する樹脂の種類についても、種々の検討が行われている。特許文献２では、低い射出圧で射出成形するために、ポリプロピレン系樹脂、およびポリプロピレン系樹脂に相溶しないポリマーブロックと共役ジエンのエラストマー性ポリマーブロックとのブロックコポリマーの水素添加誘導体を含有する、転写性に優れた樹脂組成物を用いることが記載されている。しかし、この成形方法においては、特定の樹脂を用いる必要があり、一般的に使用されている安価な樹脂（例えば、ポリスチレン）には適用できない。
【特許文献１】特開２００４−２１２０４８号公報
【特許文献２】特許第３８６７１２６号明細書
【特許文献３】実開平２−８６７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在、種々の化学マイクロデバイスが開発されている。しかし、実際の使用者は、従来のガラス製品などと同様の性質を有するまたは同様な操作が可能である化学マイクロデバイスも求めている。例えば、薄板状のプレートからなる化学マイクロデバイスでは、ガラスと同様に取り扱うことができかつ安価な樹脂として、ポリスチレンが広く用いられている。しかし、発明者らの検討では、通常の金型（図１を参照のこと）を用いて汎用の成形機にて射出成形を行った場合には、金型からポリスチレンへの微細パターンの転写精度は、あまり良好ではなかった。
【０００８】
このように、一般的な樹脂および汎用の成形機を用いて、精度の良好な微細パターンを有する化学マイクロデバイスを大量生産するための方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、図１に示す通常の金型を用いて射出成形した場合に、微細パターンを良好に転写できないという問題が、コアプレート１とキャビティプレート２との当接面からの圧力のわずかな低下により生じることを見い出した。従来の金型は、例えば、全体構造の一部に微細パターンを有する単純な平板状の構造物を成形する場合、図１に示すように、平坦なコアプレート１と、樹脂が充填されるキャビティ３を有するキャビティプレート２とからなる。コアプレート１またはキャビティプレート２のいずれかにおけるキャビティ３に充填された樹脂と接する面に、樹脂構造物に転写されるべき微細パターンが存在する。キャビティ３に樹脂を充填してコアプレート１とキャビティプレート２とを型締めした場合、プレートの当接面から圧力がわずかに漏れ出して低下する。構造物全体としては影響がない程度の圧力低下であっても、微細パターンの転写には大きく影響する。例えば、以下の比較例１で示すマイクロウェルのように、微細パターンである各ウェルが独立して形成されずに、開口部が溝状につながる。
【００１０】
そこで、本発明においては、金型をインロー構造とすることによって、圧力が低下しにくくなり、微細パターンが精度良く転写できるようにして、上記問題を解決した。
【００１１】
本発明は、キャビティに嵌合するようにコアが設置されたインロー構造の金型を用いて、該キャビティ内に樹脂を充填して、該樹脂を加圧下で成形する工程を含む、微細パターンを有する樹脂構造物の形成方法を提供する。
【００１２】
１つの実施態様では、上記微細パターンは、±０．１μｍ以内の精度を有する。
【００１３】
１つの実施態様では、上記樹脂構造物は、化学マイクロデバイス、マイクロ流路、および導光板からなる群より選択される。
【００１４】
ある実施態様では、上記成形工程は、射出成形または熱転写成形により行われる。
【００１５】
ある実施態様では、上記樹脂は、熱可塑性非結晶性樹脂である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、インロー構造の金型を用いることにより、汎用の成形機を用いた場合であっても加工圧力を高く保つことができ、押圧される金型表面形状の再現性が良く、高精度の凹凸形状を得ることができる。そのため、一旦インロー構造の金型を作成するだけで、特別な設備を必要とすることなく、種々の樹脂について微細パターンを有する樹脂構造物を大量生産できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明において、微細パターンを有する樹脂構造物の形成方法は、キャビティに嵌合するようにコアが設置されたインロー構造の金型を用いて、該キャビティ内に樹脂を充填して、該樹脂を加圧下で成形する工程を含む。
【００１８】
微細パターンを有する樹脂構造物とは、構造物全体が微細であることのみをいうのではなく、構造物の一部に微細パターンを有する樹脂構造物をいう。このような構造物としては、具体的には、化学マイクロデバイス、マイクロ流路、導光板などが挙げられる。化学マイクロデバイスとしては、上述のようなマイクロウェル、マイクロリアクター、マイクロノズルなどが挙げられる。
【００１９】
微細パターンとは、例えば、容積が１０ｎＬ以下の凹部や、表面積が０．１ｍｍ２程度の凸部などを有するパターンである。より具体的には、凹部深さまたは凸部突出長さが０．３〜２００μｍの範囲であり得、そして凹部開口幅または凸部突出幅あるいは凹部または凸部の接円直径が０．３〜１００μｍの範囲であり得る。このような微細パターンが、正確な凹部または凸部形状であるためには、例えば、±０．１μｍ以内の精度を必要とし得る。そのため、このような樹脂構造物は、成形工程において、金型の微細な表面形状が正確に転写されなければならない。
【００２０】
本発明において用いられる樹脂は、特に限定されないが、通常は熱可塑性樹脂が使用される。熱可塑性樹脂の種類は、成形される構造物の使用目的に応じて適宜選択され得る。必要に応じて、単独で用いてもよく、あるいは２種以上組み合わせて用いてもよい。例えば、蛍光検出が行われ得る化学マイクロデバイスにおいては、励起光による樹脂自体からの蛍光の発生が少ない熱可塑性の非結晶性樹脂を用いることが好ましい。このような非結晶性樹脂としては、ポリスチレン、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などが挙げられる。ガラスと同様の透明性を有しかつ安価である点で、ポリスチレンが好適に用いられる。
【００２１】
本発明で用いられる金型は、インロー構造を有する。インロー構造とは、図２に示すように、キャビティプレート２のキャビティ３に嵌合するように、コアプレート１に凸形状のコア４が設置された構造である。転写されるべき微細パターンは、キャビティ３を構成する面に形成されており、コアプレート１およびキャビティプレート２のいずれプレートの表面に形成されていてもよい。
【００２２】
インロー構造において、コア４が嵌合する深さは、成形される構造物の厚みに応じて適宜設定される。例えば、キャビティ３で成形される構造物の厚み（深さ）に対して１／１００〜５倍の深さ、１／１００〜３倍の深さ、または１／１００〜１／１０の深さであり得る。
【００２３】
金型は、スチールのような通常金型として用いられる材料から製造される。しかし、少なくとも微細パターン部分については、リソグラフィーやエッチングなどによって加工形成された微細パターンを正確に転写可能である材料が用いられる。このような正確に転写可能な材料が成形圧力に耐えられない脆性材料などである場合には、それをマスターとして、めっき技術、特に電鋳加工により、ニッケルなどの金属を微細パターンに析出転写したものを金型として用いる。このような成形用の金型として用いられる材料としては、ニッケル、銅、無酸素銅、ベリリウム銅合金、シリコン、ガラス、石英などが挙げられる。高価でなくかつ破損しにくい点で、ニッケルおよびベリリウム銅合金が好適に用いられる。例えば、コア４の表面に微細パターンが形成されている場合には、コア４がニッケルであり得る。
【００２４】
インロー構造の金型は、必要に応じて、樹脂の注入孔や、例えば、特許文献３に記載のように、インロー構造の雄型と雌型との開閉作動をスムーズに行うための機構が備えられていてもよい。
【００２５】
本発明において、成形方法は、金型を用いて樹脂を成形するための一般的な方法であれば、特に限定されず、樹脂および成形されるべき構造に応じて適宜選択される。例えば、射出成形、熱転写成形、圧縮成形、トランスファ成形が挙げられる。好ましくは射出成形である。
【００２６】
成形方法に応じて、それぞれ適切な成形機が用いられる。インロー構造を有する金型は、成形機に取り付けられ、当業者が通常採用する一般的な成形条件下で成形が行われる。通常、インロー構造の金型は、金型の製造コストがかかるため、図２に示す程度の比較的単純な全体構造を有する構造物の製造のために用いられない。しかし、本発明においては、上述のように、微細パターンの正確な転写に必要な圧力を確保するために、インロー構造が採用される。そのため、一般的な樹脂および汎用の成形機を用いて、一般的な成形条件下で、精度の良好な微細パターンを有する構造物を成形することができる。
【実施例】
【００２７】
以下、インロー構造の金型または従来の金型を用いて樹脂構造物を成形した例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
【００２８】
（実施例１）
ポリスチレン（大日本インキ化学工業株式会社：ＣＲ３５００）を用いて、７５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍのマイクロウェルチップを成形した。射出成形機の金型キャビティに取り付けるインロー構造を有する金型は、ニッケルの電鋳加工により直径１０μｍで高さ１０μｍの突起がピッチ３５μｍで形成された微細な凸凹パターン形状を、２３ｍｍ×１５ｍｍの範囲でコアの表面に有している。ポリスチレンを、射出成形機のホッパに投入し、金型温度８０℃、シリンダー温度２６０℃、および射出圧力１９２ＭＰａで成形した。
【００２９】
得られたマイクロウェルチップ成形品の成形面（転写面）を、ＶＫ−８００レーザー顕微鏡（株式会社キーエンス）で写真撮影した（図３）。図３からわかるように、個々のウェルが独立して形成されていた。また、転写面の面粗さについてもＶＫ−８００レーザー顕微鏡で走査した。表面全体の三次元像を図４に示す。図４からも、個々のウェルがつながることなく良好に転写されたことがわかる。また、各ウェル間のチップ成形品表面の凹凸は、図３のＡ−Ａ’線においては、０．１８μｍ以内であった。このように、インロー構造を有する金型を用いると、通常の成形条件でも、微細パターンが良好に転写できることがわかった。
【００３０】
（比較例１）
図１に示すような従来型の金型を用いて、上記実施例１と同様のマイクロウェルチップを成形した。比較例１においては、金型のコアプレートに微細な凸凹パターン形状を有している。成形条件も同様であった。
【００３１】
得られたマイクロウェルチップ成形品の成形面（転写面）を、ＶＫ−８００レーザー顕微鏡で写真撮影した（図５）。図５からわかるように、個々のウェルの開口部が溝状に連結していた。また、転写面の面粗さについてもＶＫ−８００レーザー顕微鏡で走査した。表面全体の三次元像を図６に示す。図６からも、個々のウェルが溝状につながっていることがわかる。各ウェル間のチップ成形品表面の凹凸は、図５のＢ−Ｂ’線においては４．１６μｍにも達しており、個々のウェルの独立性がないことがわかる。このように、従来の金型を用いて通常の成形条件で成形しても、微細パターンを十分に転写できないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、比較的単純な全体構造を有する樹脂構造物であっても、インロー構造の金型を用いることにより、汎用の成形機を用いた場合であっても加工圧力を高く保つことができ、押圧される金型表面形状の再現性が良く、高精度の凹凸形状を得ることができる。そのため、一旦インロー構造の金型を作成するだけで、特別な設備を必要とすることなく、通常用いられる樹脂について微細パターンを有する樹脂構造物を大量生産できる。したがって、ＤＮＡ分析、電気泳動分析、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、細胞ソーティング、微量化学反応などの、微量での分析や反応を行う目的の、マイクロチップ、マイクロリアクターなどの微細な凹凸パターンを表面に有する化学マイクロデバイスを、より安価に大量生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の化学マイクロデバイスの成形用金型の構造を示す概念図である。
【図２】本発明の方法で用いる化学マイクロデバイスの成形用金型のインロー構造を示す概念図である。
【図３】インロー構造を有する金型を用いて成形したマイクロウェルチップの表面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図４】インロー構造を有する金型を用いて成形したマイクロウェルチップの表面を走査した三次元像である。
【図５】従来型の金型を用いて成形したマイクロウェルチップの表面の状態を示す顕微鏡写真である。
【図６】従来型の金型を用いて成形したマイクロウェルチップの表面を走査した三次元像である。
【符号の説明】
【００３４】
１    コアプレート
２    キャビティプレート
３    キャビティ
４    コア
【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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