(57)【要約】【課題】高精度かつ安価なマイクロ化学チップおよびマイクロ化学チップを安価、高精度で効率良く製造する製造方法を提供する。【解決手段】本発明にかかるマイクロ化学チップは透明素材基板１０１の一表面に複数の流路１１１を、反対面に光学素子１０９を一体成型してなる流路形成基板１１０を有している。また、本は発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法によれば、流路、ウェル、光学素子を形成するための部分を有する金型１５０、１６０を準備して光学素子と流路等を同一の成形プロセスで形成する。これにより流路と光学素子の高精度な位置関係を得ることができるとともに、製造工程の簡略化、素子の低廉化を図ることができる。【選択図】  図１０
2004340752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明素材基板の一表面に複数の流路を、反対面に光学素子を一体成型してなる流路形成基板と、
前記一表面側に貼り付けられた透明カバー板と、を備えたマイクロ化学チップ。
【請求項２】
光学素子が光学レンズであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項３】
透明素材基板はポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリカガラスのいずれかの材料でなることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項４】
複数の微細流路に対応した突起を一方側に、単一あるいは複数の光学素子に対応した窪みを他方側に有する金型を準備する過程と、
前記金型の間に加熱により軟化する透明素材を位置させるとともに、前記窪みに予め準備された光学素子材料を配置する過程と、
前記透明素材の軟化温度以上の加熱雰囲気中で前記透明素材をプレス成形する過程とを含み、
複数の微細流路と共に、単一或いは複数の光学素子を同時に一体的に成形することを特徴とするマイクロ化学チップ製造方法。
【請求項５】
前記光学素子材料は、前記窪みの体積に相当する体積を有し、前記窪みと同様の形状を有する予め準備された光学レンズ体であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ化学チップ製造方法。
【請求項６】
前記光学素子材料は前記窪みの体積に相当する体積を有する光学ガラス材料塊であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ化学チップ製造方法。
【請求項７】
前記透明素材がポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリカガラスのいずれかであることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載のマイクロ化学チップ製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ化学チップおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ化学チップは、光学的な分析のための幅１００μｍ、深さ５０μｍ程度の微細な溝や、直径数百μｍの窪み等を含む流路を一辺が数十ｍｍのガラス基板上に集積したもので、ＤＮＡチップが代表的なものである。
【０００３】
このマイクロ化学チップを用いた分析は、ガラス基板上に設けられた上述した溝を流れる流体あるいは窪みに蓄積された化学物質を分析対象とし、これら微小な溝あるいは窪みに赤外光や赤外光を照射して、その部分からの反射光、透過光を光学素子を通して分析部に導くことにより行われる。
【０００４】
したがって、反射光、透過光を少ない損失で効率良く分析部に伝えるには、精密な光学系が必要不可欠であり、しかも、微小溝、微小窪みと各種光学素子との間の位置関係は、きわめて正確に調整されたものでなければならない。
【０００５】
図１はマイクロ化学チップの一例の構成を示す断面図、図２はこのマイクロ化学チップに用いられる流路形成基板の構成を示す平面図である。
【０００６】
これらの図によれば、ガラス基板１の表面に溝２とウェル３、４、５が形成された流路形成基板１０の表面側に、カバーガラス１１上にレンズ１２を有するレンズ形成基板２０を貼り合わせた２層構造となっている。カバーガラス１１にはウェル３、４に対応して薬液注入口１３、１４が設けられ、ウェル５に対応して生成物取り出し口１５が設けられている。
【０００７】
ここに示したマイクロ化学チップは、次のように使用される。
【０００８】
混合対象の２つの薬液をウェル３および４にそれぞれ注入し、これらのウェルからの流路に流すと、その交点部分６で混合／反応が生じる。この反応生成物はウェル５に蓄積される。流路の途中の円７で図示された分析部分で生成物が分光分析される。このため、この部分に対応してレンズ形成基板においては光学素子としてのレンズ１２が組込まれており、このレンズを通じて紫外光１６を照射し、その透過光をスペクトル分析して反応生成物を特定する。
【０００９】
したがって、レンズ１２の前面には、紫外光あるいは赤外光を発する光源（図示せず）が設けられ、ガラス基板１の背面には、透過光１７を分析するための分析装置３０が設置される。この分析装置３０によりスペクトル分析が行われる。
【００１０】
次に、従来のマイクロ化学チップの製造方法について図３のフローチャートを参照して説明する。ここでは、図１により説明したマイクロ化学チップを例にとって説明する。
【００１１】
このマイクロ化学チップにおいては流路形成基板１０、レンズ形成基板２０は別個に形成される。
【００１２】
まず、溝形成対象のガラス基板１の表面にレジストを塗布し（ステップＳ１）、この塗布されたレジスト面に所定のパターンを形成したマスクを介して紫外線を照射してレジストを露光させた（ステップＳ２）後、現像すると（ステップＳ３）レジストがパターニングされる。この状態のレジストを用い、これをフッ化水素ＨＦなどでレジスト下層のガラスをエッチングして流路（溝）を形成する（ステップＳ４）。これらの各工程では、必ず洗浄工程が含まれるがエッチング後には特に慎重に洗浄が行われる（ステップＳ５）。次に不要なレジストが剥離除去され（ステップＳ６）、最後に図１に示されたウェル３、４、５をそれぞれ機械加工などで形成する（ステップＳ７）。
【００１３】
このように、従来技術によれば、マイクロ化学チップの溝の形成は通常、半導体プロセスにより行われている。
【００１４】
このような流路形成基板とは別個に、レンズ形成基板の製作が行われる。
【００１５】
まず、レンズ形成基板となるガラス板（カバーガラス）に薬液注入口の穴あけ加工を行う（ステップＳ１１）。ワークが脆性材料であるため、少々特殊な加工が必要となるが、機械加工は可能である。
【００１６】
次に別途レンズの製作を行う（ステップＳ１２）。レンズは機械加工で行っても良いし、成形でも可能である。加工されたレンズは、ＵＶ接着剤などで、上記カバーガラス１１上の所定の位置に接着される（ステップＳ１３）。
【００１７】
なお、光学分析のための光は、精度良く流路に照射されなくてはならないため、レンズ等の光学素子の搭載時には、その位置決めについて細心の注意を要する。通常の流路の幅は１００μｍ程度であるから、レンズ固定時の精度もこれを満足しなくてはならない。このようにして、光学素子が組込まれたレンズ形成基板が完成する。
【００１８】
そして、最後にレンズ形成基板２０と流路形成基板１０とのはり合わせを行うことにより（ステップＳ２０）、マイクロ化学チップが完成する。
【００１９】
なお、以上説明した例では、カバーガラス側にレンズを設けたが、逆に流路形成基板側にレンズを設けて、分析のための紫外光、赤外光を流路形成基板側から入射させても良い。
【００２０】
また、２つの薬液の混合比を変化させるために、前記各薬液用の流路の断面積（溝深さ）を変えるようにしても良い。
【００２１】
【非特許文献１】
「マイクロマシニング技術を用いた石英製電気泳動チップの作製とその基本特性評価」中西博昭他、島津評論ｖｏｌ．５６  Ｎｏ．１−２，  １９９９．８
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロ化学チップの製造方法は、以下に述べる欠点を有している。
【００２３】
１）  複数の深さを有した溝を形成する場合、流路形成のためのエッチングは、一度に処理できず、複数回に分けて処理せざるを得ない。薬液の種類がより多い場合にば、さらにエッチング回数は増大することになる。またエッチングの回数と共に、必要となるレジスト塗布工程、マスクの数・種類、露光工程、及び現像工程、洗浄工程の数も著しく増加することとなる。これにより工程は複雑となり、かつ製造コストも高くなる。
【００２４】
２）  カバーガラスあるいは、流路形成基板と、レンズなど光学素子とのアセンブリを精度良く一体化することが困難である。すなわち、このような精密なアセンブリは、機械化することが困難で、人手により行われることになってコストが上昇する。また、光学素子の固定に使用した接着剤が、乾燥する際に収縮して、光学素子の位置がずれてしまうという問題もある。
【００２５】
３）  流路の形成にエッチングプロセスを使用しているために、特殊な周辺設備、あるいはユーティリティを必要とする。
【００２６】
４）  レジストヘの露光についても半導体装置と同様な精度が要求されることから、半導体プロセスで使用されているような高価な設備が必要不可欠となる。
【００２７】
５）  ウェルの形成は、流路の形成とは別の機械加工で行われるため、工程が煩雑化する。
【００２８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、光学素子が搭載された高精度のマイクロ化学チップを安価にかつ効率良く製造する方法を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態にかかるマイクロ化学チップによれば、透明素材基板の一表面に複数の流路を、反対面に光学素子を一体成型してなる基板と、前記一表面側に貼り付けられた透明カバー板と、を備えたことを特徴とする。
【００３０】
本発明の一実施形態にかかるマイクロ化学チップの製造方法によれば、
複数の微細流路に対応した突起を一方側に、単一あるいは複数の光学素子に対応した窪みを他方側に有する金型を準備する過程と、
前記金型の間に加熱により軟化する透明素材を位置させるとともに、前記窪みに予め準備された光学素子材料を配置する過程と、
前記透明素材の軟化温度以上の加熱雰囲気中で前記透明素材をプレス成形する過程とを含み、
複数の微細流路と共に、単一或いは複数の光学素子を同時に一体的に成形することを特徴とするマイクロ化学チップ製造方法が提供される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３２】
図４は本発明にかかるマイクロ化学チップの実施の一形態を説明する断面図であり、図５は図４の左側から見た平面図である。
【００３３】
これらを参照すると、例えば石英などの透明素材基板板１０１の表面側に流路１０２やウェル１０３、１０４、１０５が形成され、裏面側にレンズ１０９が形成された流路基板１１０と、前述したウェル１０３〜１０５に対応して形成された薬液注入口１１３、１１４および生成物取り出し口１１５が形成されたカバーガラス１２０とが貼り合わされた構成となっている。なお、この実施形態ではレンズ１０９は球面レンズとなっているが、非球面レンズ、例えばシリンドリカルレンズであっても良い。このシリンドリカルレンズは流路に沿って光を収集／集光させて分析装置に伝える能力が高い。
【００３４】
本実施の形態は、レンズ１０９が流路やウェルの形成と同時に所定位置に形成されている点に特徴がある。この点につき詳述する。
【００３５】
図１０は本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、金型を準備する（ステップＳ１０１）。図６は下型の上面図、図７はそのＡ−Ａ断面図、図８は上型の下面図、図９はそのＢ−Ｂ断面図である。
【００３７】
下型１５０には、製作する流路基板の大きさに対応する凹部１５１が形成されており、その中には流路に対応する凸状部分１５２およびウェルに対応する突起１５３〜１５５が設けられている。
【００３８】
一方、上型１６０にはレンズに対応する窪み１６１が設けられている。図９においては、この型を用いて流路基板を製作する際にこの窪み１６１に載置されるレンズ１７０も示されている。
【００３９】
これらの凸状部分や窪みは通常の機械加工により形成される。なお、金型における流路に対応する凸状部分と流路基板における溝やウェルの形状や位置は鏡像関係の対称性を有する。また、この実施の形態では流路の溝深さがすべて同一なものを想定しているが、溝深さが流路ごとに異なる場合であっても、金型製作上は特に困難性がない。さらに、金型を精密に作製しておけば、製品である流路基板の精度を容易に向上させることができる。
【００４０】
なお本実施例では、流路及びウェルを形成する金型を下型にしたが、上下金型を反転させても良い。
【００４１】
また、この実施の形態では流路の形成を機械加工で行ったが、より微細なパターンが要求される場合には、エッチングなどの手法で金型を製作しても良い。しかし、この場合には、異なる深さの溝、ウェルの形成は、流路形成用凸状部とは別に製作しておく必要がある。
【００４２】
次に、図１１に示すように、流路形成基板を形成するためのワーク１８０が金型１５０、１６０間に配置される（ステップＳ１０３）。ここでは、ＯＨ基を２０００ｐｐｍ含んだ合成石英ガラスを使用した。
【００４３】
また、上型１６０の窪み１６１には、別途作製されたレンズ１７０が例えば非常に弱い粘着力を持つ粘着材等で取り付けられる。
【００４４】
金型間でレンズと溝の位置関係を確保するために、上下の金型は位置合わせ手段としてのピン（図示せず）を使用している。この結果、本実施の形態では上下金型のズレ量は、数μｍ程度となっている。このずれ量は溝幅が１００μｍ程度であることを考慮すると十分な精度を有する値である。
【００４５】
次にプレスを行う（ステップＳ１０３）。この際、上下金型組みと、石英ガラスを共に１４５０℃まで昇温させてガラスを軟化させ、高精度なプレスを行った。この際のプレス力は８００ｋｇｆである。また転写性の向上を図るため成形は真空中で実施した。
【００４６】
これにより、軟化した石英ガラス板には下型の凸状部分に対応した溝が形成される。また、レンズは石英ガラス板と一体化され、しかも両者間の位置精度はきわめて高いものとなる。
【００４７】
次に、このようにしてできた流路形成基板にカバーガラスが貼り合わされる。図１０のフローチャートに示すように、このカバーガラスとなる例えば石英ガラス板に注入穴、生成物取り出し穴が形成され（ステップＳ１１１）、洗浄が行われる（ステップＳ１１２）。このフローチャートから明らかなように、レンズ載置関係は流路形成基板で行われるため、カバーガラスとしての加工は不要である。
【００４８】
そして、レンズが取り付けられたプレス後の流路形成基板１８０Ａとカバーガラス１９０は図１２に示すように重ねられ、プレス機で加熱雰囲気中で再度加熱プレスされることにより貼り合わせが完了する（ステップＳ１２０）。
【００４９】
この際の位置決めは、カバーガラス１９０に形成された穴を、流路形成基板１８０’に形成されている比較的大きなウェルとを一致させる程度であるので、きわめて容易に行うことができる。
【００５０】
また、この貼り合わせは専用の貼り合わせ用プレスを用いても良いが、流路形成基板を成形した成形装置を用いることができる。
【００５１】
このようにして得られたマイクロ化学チップにおいては、溝加工などを行う必要がなく、また、レンズ等の光学素子との位置決め精度を大幅に改善することが無可能となる。
【００５２】
なお、上述した発明の実施の形態では、平板の基板を使用してレンズ素子の成形を行ったが、図１３に示したように、石英ガラス平板であるワーク１８０上に石英ガラスであるレンズ硝材１７１を設置しても良い。このレンズ硝材としては石英ガラスに限るものではなく、他の光学特性の良好な材料も使用できる。例えば、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、シリカガラスのいずれかを使用することができる。
【００５３】
以上の実施の形態では、レンズ形状は通常の形状であったが、必要に応じ、シリンドリカルレンズや他の形状を採用することもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかるマイクロ化学チップによれば、透明素材基板の一表面に複数の流路を、反対面に光学素子を一体成型してなる流路形成基板を有しているため、流路と光学素子間の高精度な位置関係を得ることができる。
【００５５】
また、本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法によれば、流路やウェルを形成するための部分を有する金型を準備して材料を成形することにより、分析用の光学素子と、流路やウェルを同一の成形プロセスで形成できるため、流路と光学素子の高精度な位置関係を得ることができるとともに、製造工程の簡略化、素子の低廉化を図ることができる。
【００５６】
さらに、露光やエッチングなどを使用しないため、そのための設備が不要であり、また危険なガスを使用しないために、排ガス処理設備等を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロ化学チップの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すマイクロ化学チップの平面構成を示す平面図である。
【図３】従来のマイクロ化学チップの製造工程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の一形態によるマイクロ化学チップの構成を示す断面図である。
【図５】図４に示すマイクロ化学チップの平面図である。
【図６】図４に示すマイクロ化学チップの流路形成基板を成形するための下型の上面図である。
【図７】図７におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図８】図４に示すマイクロ化学チップの流路形成基板を正券するための下型の底面図である。
【図９】図８におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図１０】本発明にかかるマイクロ化学チップの製造方法の実施の一形態を示すフローチャートである。
【図１１】図１０の製造フローのうち、金型への材料の配置工程を示す説明図である。
【図１２】図１０の製造フローのうち、貼り合わせ工程を示す説明図である。
【図１３】レンズの成形を同時に行う変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  溝
３、４、５、１０３、１０４、１０５  ウェル
１０、１１０  流路形成基板
１１、１２０、１９０  カバーガラス
１２、１０９、１７０  レンズ
１３、１４  薬液注入口
１５  生成物取り出し口
２０  レンズ形成基板
１０１  透明素材基板
１０２  流路
１５０  下型
１５１  凹部
１５２  突状部分
１６０  上型
１６１  窪み
１７０  レンズ
１７１  硝材
１８０  ワーク
【図１】
2004340752.tif 000003
【図２】
2004340752.tif 000004
【図３】
2004340752.tif 000005
【図４】
2004340752.tif 000006
【図５】
2004340752.tif 000007
【図６】
2004340752.tif 000008
【図７】
2004340752.tif 000009
【図８】
2004340752.tif 000010
【図９】
2004340752.tif 000011
【図１０】
2004340752.tif 000012
【図１１】
2004340752.tif 000013
【図１２】
2004340752.tif 000014
【図１３】
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