(57)【要約】【目的】  微細精度を低下させることなく、多品種量産するマイクロ化学チップの製造方法とマイクロ化学チップを提供する。【構成】  微細流路を有する樹脂製マイクロ化学チップの製造方法において、金属支持基板の片面にフォトレジスト被膜を形成し、該フォトレジスト被膜上に流路パターン形成用フォトマスクを積層させ、フォトファブリケーション技法により微細構造フォトレジストパターンを金属支持基板上に形成して平板状鋳型となし、該平板状鋳型または平板状鋳型を分割した鋳型個片を樹脂成形用外形枠型の底に配置し、樹脂を樹脂成形用外形枠型に流し込んで硬化させ鋳型により形成された微細流路を有する樹脂構造体を作成し、微細流路の蓋となる平板に該微細流路を有する樹脂構造体を貼り付けることからなる樹脂製マイクロ化学チップの製造方法と、製造されたマイクロ化学チップである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細流路を有する樹脂製マイクロ化学チップの製造方法において、金属支持基板の片面にフォトレジスト被膜を形成し、該フォトレジスト被膜上に流路パターン形成用フォトマスクを積層させ、フォトファブリケーション技法により微細構造フォトレジストパターンを金属支持基板上に形成して平板状鋳型となし、該平板状鋳型または平板状鋳型を分割した鋳型個片を樹脂成形用外形枠型の底に配置し、樹脂を樹脂成形用外形枠型に流し込んで硬化させ鋳型により形成された微細流路を有する樹脂構造体を作成し、微細流路の蓋となる平板に該微細流路を有する樹脂構造体を貼り付けることからなる樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
【請求項２】
平板状鋳型は、1個の樹脂製マイクロ化学チップ製造用鋳型の個片を縦横行列状に複数個配列した鋳型個片群からなる鋳型である、請求項１に記載された樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
【請求項３】
請求項２で使用する平板状鋳型が、複数の鋳型個片に分割可能な境界線を有する構造である、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載されたフォトレジスト被膜がドライフィルムフォトレジストである、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載された微細流路を有する樹脂構造体と、微細流路の蓋となる平板の材質が同じである、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載された製造方法により製造された、微細流路を有する樹脂構造体と微細流路の蓋となる平板により構成されてなる樹脂製マイクロ化学チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は樹脂製マイクロ化学チップの製造方法に関するものであり、その製造方法により製造された化学分析用、化学反応用、電気泳動用等のマイクロチップを含む。
【背景技術】
【０００２】
近年各種検査分野や分析分野において、マイクロ化学チップを用いたμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System）の研究が進められており、分析システムの小型化、分析時間の短縮、サンプルや試薬、廃液量の低減等の利点を生かし、分析・検査分野において実用レベルでの研究が進行している。例えばマイクロ化学チップを用いてＤＮＡ分析や細胞反応、細胞ソーティング等の各種反応や分析が行われている。これらの分析は通常繰り返して行われるため、できる限り微量なサンプル・試薬により短時間で行えることが要求されており、マイクロ化学チップ自体も使い捨てで使用できる安価なものが求められていた。
樹脂製マイクロ化学チップは、通常微細流路が形成された樹脂構造体とその微細流路の蓋となる平板により構成されている。そして樹脂構造体の微細流路は、求める流路を反転させた凸型の鋳型により形成されていることが多い。特に、日刊工業新聞社出版ＴＲＩＧＧＥＲ  ２００２年３月号９２〜９３頁に記載のように、ＰＤＭＳ樹脂によるマイクロ化学チップの流路パターンを形成する型として、シリコンウエハ上に超膜厚フォトフォトレジスト（ＳＵ−８）をスピンコートし、これをフォトファブリケーション技法によりパターニングしたものが成形型として使用されている。このように精密な流路を形成するためにはフォトファブリケーション技法を用いるとよい。
しかし、ここで使用されているシリコン支持基板および超厚膜フォトレジストは非常に高価なため生産コストが割高となり、また比較的大きい面積のシリコン基板が市場に流通してなく、一度に多くのマイクロ化学チップ鋳型を生産するには適していなかった。しかし、現在のところ、寸法公差や取り扱いの容易さからこのシリコン支持基板および超厚膜フォトレジストが鋳型部材として使用されているのが実状である。
その他にも半導体プロセスによるエッチング方法では、化学蒸着（ＣＶＤ）を応用して種々の薄膜を基材上に形成し、必要な加工を施した後、堆積した層を溶かし去って鋳型を形成する方法がある。鋳型の材質がガラスや石英の場合、フォトレジストとの密着性が悪いため、最初にクロム、次いで金を蒸着させ、その上からフォトレジストをコーティングし、求める鋳型の反転した形状をフォトファブリケーション加工によりフォトレジストにて形成する。そして、フォトレジストのパターンを得たら、それに沿って金にエッチングを施し、次いでクロムのエッチングを行う。そして最後にガラスのエッチングを行う。加工が終わると必要のなくなったフォトレジストを取り除き、次に不要となった金の層とクロムの層をそれぞれ別々の薬品で取り除いてガラスだけにする。このように蒸着層の生成や求める微細構造に沿って２つの蒸着層を個々にエッチングで加工し、ガラスの加工終了後に蒸着層を取り除くプロセスが必要となり、工程が複雑になってしまい、特別な設備も必要である。鋳型に石英を用いる場合も同様である。
このように現在化学や医学等の合成反応や電気泳動分析等で使用されているマイクロ化学チップでは、生産性、コスト、精度等の全てを満足する製造方法は現在のところ確立されていなかった。
【非特許文献１】日刊工業新聞社出版ＴＲＩＧＧＥＲ  ２００２年３月号９２〜９３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、化学や医学等の合成反応や電気泳動分析等で使用されているマイクロ化学チップの製造方法と、この方法により得られた樹脂製マイクロ化学チップに関するものであり、微細精度を低下させることなく、安価で且つ生産性よく、マイクロ化学チップを多品種量産する製造方法とマイクロチップを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、
「１．  微細流路を有する樹脂製マイクロ化学チップの製造方法において、金属支持基板の片面にフォトレジスト被膜を形成し、該フォトレジスト被膜上に流路パターン形成用フォトマスクを積層させ、フォトファブリケーション技法により微細構造フォトレジストパターンを金属支持基板上に形成して平板状鋳型となし、該平板状鋳型または平板状鋳型を分割した鋳型個片を樹脂成形用外形枠型の底に配置し、樹脂を樹脂成形用外形枠型に流し込んで硬化させ鋳型により形成された微細流路を有する樹脂構造体を作成し、微細流路の蓋となる平板に該微細流路を有する樹脂構造体を貼り付けることからなる樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
２．  平板状鋳型は、1個の樹脂製マイクロ化学チップ製造用鋳型の個片を縦横行列状に複数個配列した鋳型個片群からなる鋳型である、１項に記載された樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
３．  ２項で使用する平板状鋳型が、複数の鋳型個片に分割可能な境界線を有する構造である、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
４．  １項ないし３項のいずれか１項に記載されたフォトレジスト被膜がドライフィルムフォトレジストである、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
５．  １項ないし４項のいずれか１項に記載された微細流路を有する樹脂構造体と、微細流路の蓋となる平板の材質が同じである、樹脂製マイクロ化学チップの製造方法。
６．  １項ないし５項のいずれか１項に記載された製造方法により製造された、微細流路を有する樹脂構造体と微細流路の蓋となる平板により構成されてなる樹脂製マイクロ化学チップ。」
に関する。
【発明の効果】
【０００５】
金属支持基板の表面に形成したレジスト被膜にフォトファブリケーションを用いて任意の微細構造レジストパターンを形成した平板状鋳型を用い、該平板状鋳型または平板状鋳型を分割した鋳型個片を樹脂成形用外形枠型の底に配置し、樹脂を樹脂成形用外形枠型に流し込んで硬化させ鋳型により微細流路を有する樹脂構造体を作成し、微細流路を形成した樹脂構造体とその構造体の蓋となる平板を貼り合わせて樹脂製マイクロ化学チップを製造することで、従来より工数が少なく、精度、コストに優れ、一度に大量生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は樹脂製マイクロ化学チップを高精度に生産性よく、一般的な材料を用いて安価に製造する方法に関するものであり、特に樹脂構造物に精巧な微細パターンを形成させる鋳型の製造方法に特徴を有する。
樹脂構造物に精巧な微細パターンを形成させる鋳型は、金属支持基板とレジストパターンからなるものである。金属支持基板はレジストを支持する目的のものであり、材質、厚さについては特に限定はないが、好ましくは厚さ０．１から０．３ｍｍ程度であればよく、取り扱いのしやすい厚さとした。材質は銅、ステンレス等が好ましい。
また１枚の平板状鋳型で複数の鋳型個片を作成するのが効率良い。そこでまず、１枚の平板状鋳型を後に個片に分離できるよう予め金属支持基板基材に分割可能な境界線を設けておくとよい。境界線はエッチングやハーフエッチング、あるいはプレス等を組み合わせて形成すればよく、もちろん後に個片に分割可能であればどのような方法であってもよい。個片周囲の厚さや強度を変え、後に物理的な力を加えることで分離可能にしておく方法が好ましい。また分離しやすいように個片を縦横複数個行列状に配置させ個片の外形に沿って境界線を設けるとよい。金属支持基板の大きさは生産性とエッチング装置等の許容面積、取り扱いのしやすさ等を考慮し適宜選択すればよい。
【０００７】
次いで、金属支持基板上にレジストで任意の流路パターンを形成した平板状鋳型を制作する。平板状鋳型の製造方法としては、まず、上記で得られた境界線を有する金属支持基板の片面にレジスト被膜を形成する。レジストは樹脂製マイクロ化学チップの流路を形成するための型となり、流路を形成する部分にはその幅、深さに合わせた形状のレジストパターンを残し、それ以外の部分はレジスト被膜を取り去るようにする。レジストの種類やその剥離方法はフォトファブリケーション技法の一連の工程を考慮して適宜選択すればよく、パターニングされたレジスト被膜と金属支持体を損傷させることなく、不要なレジストのみを選択的に剥離除去可能な方法で製作を行う。レジスト被膜の厚さは流路の深さとなるため、それらを考慮して適宜調整する必要がある。以下にドライフィルムフォトレジストを用いて平板状鋳型を作成する例をあげて説明する。
レジストによる微細流路形成用パターンを形成するためには、まず脱脂後の金属支持基板の片側表面にレジストを塗布し一面に感光性高分子膜を形成する。次いで均一に形成された感光性高分子膜に予め用意しておいたフォトマスクを用いて流路パターンを露光する。これにより露光を施した部分の感光性高分子膜であるドライフィルムフォトレジストは光化学反応によって現像液に不溶なものとなる。そして現像、洗浄、乾燥を行うことで金属支持基板群上に所望のレジストパターンが形成される。ここではネガ型のレジストを用いたが、ポジ型のレジストを用いてももちろん構わない。
【０００８】
１枚の金属支持基板で複数の個片を製造する場合には、各々の個片が同じパターンであっても、異なるパターンであっても構わなく、要求に応じてマスクパターンを形成すればよい。マイクロチップの流路構造は、Ｙ−チップと呼ばれる一般的なものを始めとし、その他流路が多く分岐しているもの、また場合によってはＭＤチップと呼ばれる多層拡散型のチップの製造用鋳型にも使用できる。
本発明による鋳型形成は、旧来の方法に比べパターン精度は同等でかかる工数は少なく、高価な材料を用いていないためコストが大幅に削減される。即ち精度と工数とコストの全てを満足しうる工法として広く産業的用途に提供できる技術といえる。
【０００９】
具体的なフォトレジスト被膜の材質は特に限定されなく、製造方法やその他の条件等によって適宜選択すればよい。フォトレジストは、被膜の耐久性や素材の安定性等の面からドライフィルムフォトレジストを使用した。ドライフィルムフォトレジストは紫外線により架橋反応を発現するネガタイプのフォトレジストで、解像度はおよそ最小で１０μｍである。ドライフィルムフォトレジストは耐熱性に優れ、また膜の厚さが高度に均一であり、膜厚が１０μｍから０．１ｍｍまで様々な種類が用意され市販されている。従来のシリコン支持基板の平板状鋳型で用いられていた高価な厚膜フォトレジストを用いる必要は全くない。
【実施例】
【００１０】
以下に本発明の微細流路を有する樹脂製マイクロ化学チップの製造方法について実施例を用いて説明する。
図１〜４は本発明の微細流路を有する樹脂製マイクロ化学チップの製造に用いる平板状鋳型の製造工程を示した工程図である。図１は金属支持基板基材に鋳型個片に沿った境界線を設ける工程を示した図であり、図２はその斜視図である。図３はその金属支持基板には、複数の鋳型個片を配置した平板状鋳型を形成する工程を示す断面図であり、図２はその斜視図である。図１と図２の（ａ）と（Ａ）、（ｂ）と（Ｂ）、（ｃ）と（Ｃ）、図３と図４の（ｅ）と（Ｅ）、（ｆ）と（Ｆ）、（ｇ）と（Ｇ）はそれぞれ対応している。図５は図１、２の工程を経て得られた平板状鋳型から分離した１つの鋳型個片の斜視図である。図６は樹脂製マイクロ化学チップを構成する樹脂構造体の外形を成形するための樹脂成形用外形枠型である。図７は鋳型個片を用いて樹脂製マイクロ化学チップを製造する工程を示した図である。
【００１１】
本発明の樹脂製マイクロ化学チップの製造方法について、図１〜４を用いて説明する。まず、金属支持基板基材１を用意する。この金属支持基板基材は鋳型となるレジストの支持板となる。金属支持基板基材の厚さや、大きさ等は適宜選択すればよい。例えば、大きさは生産性とエッチング装置等の許容面積、取り扱いのしやすさ等を考慮し、厚さについては取り扱いのしやすい厚さとすればよい。材質については、エッチング加工を行うためフォトレジストとの相性や使用するエッチング液等を考慮に入れ選択すればよい。ここでは厚さ０．２ｍｍの銅板を用いた。１枚の金属支持基板から複数個の鋳型個片を得るために複数の鋳型個片の外形を得る。これは鋳型パターンを形成する際には１枚の板として扱い、パターン形成後には個々の個片に分離可能にするために個片の周囲をエッチング等で強度や厚さを低下させておくことである。エッチング加工時には鋳型個片がバラバラにならず取り扱いやすく、エッチング加工後には物理的な力を加えることで簡単に分離できるよう、鋳型個片となる部分とそうでない部分がわずかにつながっている橋架けの工夫をしておくとよい。
【００１２】
図１（ａ）に示すように金属支持板基材１の両面にレジストを塗布しレジスト被膜２を形成する。そして、そのレジスト被膜を形成した金属支持基板基材３の両側に任意のパターンのマスク４を積層させる。マスクパターンは個片の外形を縁どったパターンを縦横複数個行列状に配列したフォトマスク４とした。もちろん１枚の金属支持板基材で１つの個片を形成する構造であってもよいが、量産性を考えると１枚の金属支持板基材から複数個の鋳型個片を形成した方がよい。また無駄なく個片に分離できるように鋳型個片を縦横行列状に配列するとよい。次いでマスクを積層させた金属支持基板基材６の両面から（ｂ）のように紫外線を照射する。紫外線を照射することで照射されたマスク開口部５のレジストは光化学反応によって現像液に不溶なものとなり、それ以外の部分のレジストは現像液に溶解する。そしてレジストパターンが形成された後、金属支持板基材６にエッチング加工を施す。これらの加工により形成された金属支持基板７に物理的な力を加えることで鋳型個片が簡単に分離できるような状態、つまり鋳型個片となる部分とそうでない部分がわずかにつながっている橋架けを設けた状態とした。通常はこのように予め個片の外形を形成しておき後に物理的な力を加えて分離すればよいが、これらの行程を省き鋳型個片形成後に裁断機等で各鋳型個片を分離する方法であってもよい。
【００１３】
次いで個片外形形成後の金属支持基板７の表面にレジストを用いて各個片の鋳型パターンを形成する。図３の（ｅ）のように金属支持板７の片面にレジストを塗布し、乾燥させてレジスト被膜８を形成する。その後（ｆ）のように流路パターンに対応した流路形成用マスク１０を用いてレジスト被膜に所望の微細流路を反転したパターンを形成する。露光を施した部分１１のレジスト被膜は光化学反応によって現像液に不溶なものとなる。微細流路パターン形成に用いるフォトマスクは予めフォトファブリケーション技法により作成しておけばよく、マスクパターンは同じパターンの配列であっても、異なるパターンの配列であってもよく、目的に応じてマスクパターンを形成すればよい。レジスト被膜は従来使用されていたような超膜厚レジストでなくてよく、本実施例では経済的優位性を考慮し安価なネガタイプのカゼインフォトレジストを用いた。もちろん逆のポジタイプフォトレジストであってもよい。フォトレジストの種類やその剥離方法はフォトファブリケーション技法の一連の工程を考慮して適宜選択すればよく、現像液もパターニングされたフォトレジスト被膜と金属支持基板を損傷させることなく、不要なレジストのみを選択的に剥離除去可能な方法であればどのようなものであってもよい。このレジスト被膜が流路の高さとなるため厚さについては任意に調整する必要がある。そして現像、洗浄、乾燥を行うことで金属支持基板上に所望のレジストパターンが形成される。現像や洗浄工程で使用する溶液や乾燥の温度、各種条件はレジストおよび支持基板の材質に応じて適宜選択すればよい。
【００１４】
このような方法によりレジスト被膜は樹脂製マイクロ化学チップの流路を形成するための鋳型になり、流路を形成する部分にはその幅、深さに合わせた形状のドライフィルムフォトレジストパターン１３を残し、それ以外の部分はレジスト被膜を取り去るようにする。樹脂製マイクロ化学チップとしては、その微細流路の幅は通常５０μｍ〜２５０μｍであり、深さは１０μｍから５０μｍ程度であるため、それに対応した厚さ巾のレジストパターンとすればよい。
このようにして（ｇ）のように金属支持基板７の表面に微細な流路を形成するための凸状のレジストパターン１３が積層された平板状鋳型１４が得られた。
次にこの平板状鋳型に物理的な力を加え個々の鋳型個片に分離する。図１の（ａ）〜（ｃ）の行程で金属支持基板を個々に分離可能な構造としておいたため、物理的な力を加えることで個片を容易に分離することができる。その一つを図５の１５に示した。金属支持基板上にレジストで形成された流路パターン１３が積層されている。そして、この鋳型個片を図６の１６に示すような樹脂成形用外形枠型の底に配置し、この枠に樹脂構成材料を流し込み硬化させマイクロチップの樹脂部分、樹脂構造物を形成する。樹脂構成材料の材質は樹脂成形を行えるものなら何でよい。例えば、樹脂成形用外形枠型があれば特別な成形機を必要としないＰＤＭＳのような樹脂を用いてもよいし、樹脂成形用外形枠型として金型と射出成形機を必要とするアクリル樹脂等を用いてもよい。実施例ではアクリルを用いたが、マイクロ化学チップの用途に応じ構成材料を適宜選択すればよい。
【００１５】
樹脂構造物の外形を形成する樹脂成形用外形枠型は、樹脂の射出成形を行う場合には適宜縦横深さを設計した金型を使用する必要がある。この樹脂射出成形用外形枠金型を用いれば均一な厚さ、均一な大きさの樹脂構造物１８を形成できる。ここでは長方形の外形が形成される型を用いたが、もちろん円形や正方形、その他の形状であっても何ら問題ない。この樹脂成形用外形枠型１６に構成材料となる樹脂構成材料１７を流し込み硬化させる。樹脂構成材料１７を硬化させてできた樹脂構造物１８と平板状鋳型１５を樹脂成形用外形枠型から取りだし、図７（ｂ）のように樹脂構造物から平板状鋳型１５を取り除くと、樹脂構造物には鋳型のレジストパターン１３の凸形状が転写した凹型の微細流路１９が形成される。
その後、樹脂構造物１８に微細流路の蓋となる平板２０を貼り付ける。微細流路の蓋となる平板２０は予め樹脂成形等で作成しておいた樹脂製平板等が利用できる。その他、平板の材質は表面が平滑なものであればよいが、一般的に樹脂構造物１８と同じ材質のものが好ましい。材質は目的に応じてその他の材料、例えば透明フィルムやガラス等を選択しても構わない。また、この平板には金属等からなる電極やその他の必要な装置や治具を設けても構わない。
微細流路を有する樹脂構造物１８と微細流路の蓋となる平板２０の貼り合わせ方法は、材質に応じた樹脂貼り合わせ技術を考慮して適宜選択すればよい。例えば樹脂材質がＰＤＭＳの場合は、表面を酸素雰囲気中でプラズマ処理を施した後、ガラス板等に貼り付ければよいし、アクリルの場合は接着剤または熱圧着等の方法を用いればよく、樹脂構造物１８の微細流路１９の凹型の寸法や形状を損傷させることなく貼り合わせる方法であれば何でもよい。ここでは熱圧着技法を用いた。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
有機合成反応や電気泳動分析をナノスケールの微小空間で行うコンビナトリアル・ケミストリーに広く使用され、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】金属支持基板基材に鋳型個片に沿った境界線を設ける工程を示した断面図
【図２】金属支持基板基材に鋳型個片に沿った境界線を設ける工程を示した斜視図
【図３】金属支持基板に複数の鋳型個片を配置した平板状鋳型の製造工程を示した断面図
【図４】金属支持基板に複数の鋳型個片を配置した平板状鋳型の製造工程を示した斜視図
【図５】樹脂製マイクロ化学チップ用個片鋳型の斜視図
【図６】樹脂成形用外形枠型の斜視図
【図７】樹脂製マイクロ化学チップの製造工程を示した斜視図
【符号の説明】
【００１８】
１  金属支持基板基材
２  レジスト被膜
３  レジスト被膜を形成した金属支持基板基材
４  個片外形パターン形成用マスク
５  マスク開口部
６  マスクを積層した金属支持基板基材
７  金属支持基板
８  レジスト被膜
９  レジスト被膜を形成した金属支持基板
１０  微細流路形成用マスク
１１  マスク開口部
１２  マスクを積層した金属支持基板
１３  レジストパターン
１４  平板状鋳型
１５  鋳型個片
１６  樹脂成形用外形枠型
１７  樹脂
１８  樹脂形成体
１９  微細流路
２０  平板
【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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【図７】
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