(57)【要約】【課題】マイクロチップ等の微細加工のコスト削減を進展させることを可能とする。【解決手段】基材３の表面に微細流路５を加工する微細形状加工方法において、基材３の表面に金属の薄膜７を形成する（ａ）薄膜形成工程と、薄膜７に放電加工により微細形状パターン９を貫通形成する（ｂ）放電加工工程と、薄膜７に微細形状パターン９を備えた基板３をエッチングして薄膜７の微細形状パターン９に対応する微細流路５を基板３の表面に形成する（ｃ）エッチング工程と、エッチング後に金属の薄膜７を除去して表面に微細流路５を有するマイクロチップ１を得る（ｄ）除去工程とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に微細形状を加工する微細形状加工方法において、
前記基材の表面に金属の薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記薄膜に放電加工により微細形状パターンを貫通形成する放電加工工程と、
前記薄膜に微細形状パターンを備えた基板をエッチングして前記薄膜の微細形状パターンに対応する微細形状を前記基板の表面に形成するエッチング工程と、
前記エッチング後に前記金属の薄膜を除去して表面に微細形状を有する加工品を得る除去工程と、
を備えたことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の微細形状加工方法であって、
前記基材は、ガラス、シリコン、プラスチック、又はセラミックで形成された基板である、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の微細形状加工方法であって、
前記薄膜形成工程は、前記金属の薄膜を０．１５〜０．２０μｍの厚さとする、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の微細形状加工方法であって、
前記薄膜形成工程は、前記薄膜を蒸着により形成する、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の微細形状加工方法であって、
前記薄膜形成工程は、前記薄膜をアルミニウムで形成する、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の微細形状加工方法であって、
前記放電加工工程は、前記基材をＸＹテーブルの駆動制御によりＸＹ軸方向へ設定された送り速度で移動させながら放電部により放電加工を行う、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項７】
請求項６記載の微細形状加工方法であって、
前記放電加工工程は、前記放電部の放電電圧、放電電極と薄膜とのクリアランス、放電電極と薄膜との間の送り速度の制御により前記微細形状パターンの放電痕幅を決定する、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の微細形状加工方法であって、
前記放電加工工程は、電極を傾けて行う、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項９】
請求項８記載の微細形状加工方法であって、
前記放電加工工程は、電極を回転させて行う、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の微細形状加工方法であって、
前記加工品は、前記微細形状を微細流路としたマイクロチップである、
ことを特徴とする微細形状加工方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載の微細形状加工方法により表面に微細流路が加工されたことを特徴とするマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検物質の分析に利用されるマイクロチップの流路形成などに供される微細形状加工方法及びマイクロチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロチャネルと称される微細流路を形成したマイクロチップを用いて被検物質を分析する分析方法が提案されている。この分析方法では、数μm〜数百μmの微細流路をシリコンやガラス基板上等に作製し、この流路を利用した小型チップ上に試料の採取・前処理・分離・検出等の化学分析に必要な機能を集積化したシステムとしている。
【０００３】
このような微細流路を備えたマイクロチップには、装置の小型化、試薬や廃液量の低減、前処理を含めた測定の自動化、分析時間の短縮、コストや人手の削減等、多くの利点があり、医療や薬品の分野で広く使用されるようになっている。
【０００４】
このマイクロチップの加工は、従来、マイクロ工具（ドリル，エンドミル，砥石等）による機械的な加工が用いられていた。しかし、機械加工の場合は工具の磨耗や基板のクラックの発生等の問題があるため、慎重に加工を行わなければならず、加工が煩雑であり、コスト削減に限界があった。
【０００５】
一方、LSI等の製作に用いられているフォト・リソグラフィを応用してマイクロチップを加工することも行われている。この方法は、基板上に作製するパターンを備えた原版を作り、これを基板表面に蒸着した皮膜に焼付け、現像してエッチングをするというものである。
【０００６】
このフォト・リソグラフィを応用した場合には、機械加工の問題は生じないが、原版を必要とするため、工程が多く、この場合もコスト削減に限界があった。
【特許文献１】特開２００２−１１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、マイクロチップ等の加工のコスト削減に限界があった点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、マイクロチップ等の加工のコスト削減を進展させるため、基材の表面に微細形状を加工する微細形状加工方法において、前記基材の表面に金属の薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記薄膜に放電加工により微細形状パターンを貫通形成する放電加工工程と、前記薄膜に微細形状パターンを備えた基板をエッチングして前記薄膜の微細形状パターンに対応する微細形状を前記基板の表面に形成するエッチング工程と、前記エッチング後に前記金属の薄膜を除去して表面に微細形状を有する加工品を得る除去工程とを備えたことを微細形状加工方法の最も主要な特徴とする。
【０００９】
また、前記微細形状加工方法により表面に微細流路が加工されたことをマイクロチップの最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、基材の表面に微細形状を加工する微細形状加工方法において、前記基材の表面に金属の薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記薄膜に放電加工により微細形状パターンを貫通形成する放電加工工程と、前記薄膜に微細形状パターンを備えた基板をエッチングして前記薄膜の微細形状パターンに対応する微細形状を前記基板の表面に形成するエッチング工程と、前記エッチング後に前記金属の薄膜を除去して表面に微細形状を有する加工品を得る除去工程とを備えた微細形状加工方法としたため、機械加工のように工具の磨耗や基板のクラックの発生等を考慮する必要がなく、フォト・リソグラフィを応用した場合のように、原版を必要とせず、マイクロチップ等の加工のコスト削減を進展させることができる。
【００１１】
また、前記微細形状加工方法により表面に微細流路が加工されたマイクロチップとした。
【００１２】
このため、被検物質の分析に利用されるマイクロチップを容易且つ安価に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
マイクロチップ等の加工のコスト削減を進展させるという目的を、金属薄膜、放電加工、及びエッチングにより実現した。
【実施例１】
【００１４】
図１は、マイクロチップの概略を示す平面図、図２は、微細形状加工方法を示す工程図である。
【００１５】
図１のように、マイクロチップ１には、基板３上に微細形状としての微細流路５が形成されている。基板３の材質には、ガラス、シリコン、プラスチック、又はセラミック等を用いることができ、本実施例では石英ガラスが用いられている。なお、基板３は、ガラス、シリコン、プラスチック、又はセラミック等による積層構造にすることもできる。
【００１６】
このマイクロチップ１は、図２の微細形状加工方法により加工される。
【００１７】
図２の微細形状加工方法は、（ａ）薄膜形成工程、（ｂ）放電加工工程、（ｃ）エッチング工程、（ｄ）除去工程により実現される。
【００１８】
（ａ）薄膜形成工程
この工程では、基材である基板３の表面に金属の薄膜７を形成する。金属は、例えばアルミニウムが用いられ、薄膜７は、蒸着により０．１５〜０．２０μｍの厚さに形成されている。但し、薄膜７の厚みは、０．１５〜０．２０μｍ以外の範囲に設定することもできる。金属は、アルミニウム以外を用いることもできる。薄膜７は、蒸着以外に、無電界メッキにより形成することもできる。
【００１９】
（ｂ）放電加工工程
この工程では、前記薄膜７に放電加工により微細形状パターン９を貫通形成する。微細形状パターン９は、種々形成することができる。本実施例では、マイクロチップ１の微細流路５に対応させて形成している。描かれるパターンは蒸着した薄膜７の厚さ、電極と基板３表面とのクリアランス、放電に用いる電圧・電流を制御することによってその大きさ（放電痕幅）を調整することが可能であり、ミクロンオーダーからそれ以下の幅をもったパターンを容易に描くことが可能である。
【００２０】
（ｃ）エッチング工程
前記薄膜７に微細形状パターン９を備えた基板３をエッチング液によりエッチングして前記薄膜７の微細形状パターン９に対応する微細形状として微細流路５を前記基板３の表面に形成する。
【００２１】
（ｄ）除去工程
前記エッチング後に前記金属の薄膜７を除去して表面に微細流路５を有する加工品としてマイクロチップ１を得る。
［放電加工装置］
図３は、放電加工装置の概略を示す斜視図である。
【００２２】
この放電加工装置は、図示しないＸＹテーブルと放電部１１と図示しないＸＹ制御部と電源部と放電制御部とからなっている。ＸＹテーブルは、金属の薄膜７を備えた基板３を支持してＸＹ制御部によるＸＹモータの制御によりＸＹ軸方向へ駆動制御される。この駆動は、例えばＮＣ制御により行われ、基板３は、予め記憶されたパターンによりＸＹ軸方向へ移動する。放電部１１は、銅タングステンの電極１１ａと薄膜７との間の放電により微細形状パターン９を形成する。電源部は薄膜７と電極１１ａ間に放電電圧をかける部分で、電圧及び電流値は電源部によって制御され、また放電時間はファンクションジェネレータなどの放電制御部によって制御される。
【００２３】
この放電加工装置では、電極１１ａを傾け且つ回転させて行っているが、電極１１ａを垂直にセットし、回転させずに放電加工することもできる。
［加工条件］
図４は、微細形状加工方法の加工条件を示す図表である。
【００２４】
図４のように、電極材質：銅タングステン、電極太さ：φ０．１ｍｍ、基板材質：石英ガラス、薄膜材質：アルミニウム、薄膜厚さ：０．１５μｍ、放電方法：気中放電、放電電圧：１５ｖ、電極角度：２０°、電極の送り：３ｍｍ／ｓ自動、電極回転数：９０ｒｐｍ、エッチング液：石英ガラス専用エッチング剤フロストゲルタイプを選定した。
【００２５】
本願発明者等は、この加工条件決定に際し、種々の確認を実験により行った。
［放電電圧］
図５は、放電実験の条件を示す図表である。
【００２６】
本願発明者等は、図５の条件により放電実験を行い、放電電圧の大きさによって微細形状パターン９の溝幅（放電痕幅）を制御することができることを確認した。
【００２７】
一般の放電加工は、液中で行われることが多く、切りくずの処理や電極の消耗等において課題がある。一方、切りくずの処理や電極の消耗等の面で、液中に代わって気中で放電加工することが行われるようになっており、本実施例では装置が単純であることや切りくずの処理等で有利であることから図５のように気中放電加工を採用した。
【００２８】
また、図５の電極角度：０°とは、図３に示した電極１１ａが加工対象である基板３の表面に直行していることを示し、この角度の設定とその効果については後述する。さらに、この実験では送りを手動で行っているが、これについても以下で説明する。
【００２９】
図６は、放電電圧と得られた放電痕の幅との関係を示す図表である。同図によると放電電圧の上昇に伴って放電痕幅が大きくなる傾向があることがわかる。したがって、より小さな放電痕幅を得るためには電圧値を小さくすればよく、微細なパターンを得るためには大きな放電電圧を必要としない。
［放電電極の寸法］
図７は、放電電極の寸法（太さ）が放電痕幅に及ぼす影響を検討するために行った放電実験の条件を示す図表である。図７に示した条件以外は図５の図表と同じである。
【００３０】
図７に示すように電極の直径がφ4.0ｍｍの場合は放電電圧を15V、φ0.1ｍｍの場合は10Vとした。また，電極の角度はφ0.1ｍｍの電極を用いたとき0°とし、φ4.0mmの電極を用いたとき傾けて行っている。この実験では傾けた角度は任意の値である。
【００３１】
図８は、電極の直径と放電痕幅との関係の結果を示すグラフである。
【００３２】
図８を見ると、電極角度を0°とした場合の放電痕幅は大きくばらついている。これは電極１１ａが太い場合は電極１１ａのどの位置で放電するのかを制御することができないため、放電する箇所によって幅が大きく異なったためであると考えられる。これに対して電極１１ａを傾けると、電極１１ａ先端で、基板３と最も近い箇所で放電が起こると考えられるため、放電痕幅が小さくなる。また直径0.1ｍｍで得た放電痕幅に比べると4.0mmで傾けた方が小さな放電痕幅が得られている。このため，電極の寸法（太さ）には関係なく，これを適宜傾けることにより小さな放電痕幅を容易に得られることがわかる。
［電極と基板とのクリアランス］
図９は、電極と基板とのクリアランスが放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行う放電実験の条件を示す図表である。これまでの実験とは異なって一定のクリアランスを設定して放電実験を行った。図９に示した実験条件以外は、図５の図表と同じである。
【００３３】
図１０は、クリアランス（放電間隔）と放電痕幅との関係を示すグラフである。
【００３４】
図１０のように、クリアランスが大きくなると放電痕幅も大きくなり、またばらつく傾向があることがわかる。したがって、小さな放電痕幅を得るためにはクリアランスを小さくした方が良いことがわかる。
［電極の送り速度］
図１１は、電極の送り速度が放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行った放電実験の条件を示す図表である。図１１に示した条件以外は図５の図表と同じである。
【００３５】
図１２は、送り速度と放電痕幅との関係を示すグラフである。図１２のように、送り速度を大きくすると放電痕幅は減少する傾向にあり、送り速度が3mm/s以上ではほぼ変わらないことがわかる。但し、本実験では放電が連続的ではなく不連続に起きているため、送り速度を5mm/s以上にすると放電痕が連続せずに、金属薄膜（アルミニウム）が除去できない箇所が現れた。このことより、連続した溝を得るためにはそれに適した送り速度があることがわかり、図１２の場合では3mm/s程度の送り速度が適当であることが予想される。
［電極の回転］
【００３６】
以上の実験により電極１１ａを傾けることにより、放電痕幅は電極１１ａの寸法には影響されないことがわかった。反面、このまま加工を続けると電極１１ａは局所的に磨耗することがわかった。そこで、加工中に電極１１ａを回転させることによって局所的な電極１１ａの磨耗を裂けられるのではないかと考え、図１３に示す図表の条件で加工を行った。図１３は、電極の回転が放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行った放電実験の条件を示す図表である。図１３に示した条件以外は図５の図表と同じである
電極１１ａの回転ありと回転なしの条件で放電加工した後の電極の先端について確認したところ、回転ありの場合は電極の磨耗が連続的であり、回転なしの場合は局所的な磨耗が発生していることがわかった。このことより一様で小さな放電痕幅を得るためには電極１１ａを回転しながら放電を行うと有利であることがわかった。
【００３７】
以上の結果、基板３の表面に10〜30μm程度の幅を持った微細溝（流路）を製作できることを確認した。
［実施例の効果］
本発明の実施例では、基材３の表面に微細流路５を加工する微細形状加工方法において、前記基材３の表面に金属の薄膜７を形成する（ａ）薄膜形成工程と、前記薄膜７に放電加工により微細形状パターン９を貫通形成する（ｂ）放電加工工程と、前記薄膜７に微細形状パターン９を備えた基板３をエッチングして前記薄膜７の微細形状パターン９に対応する微細流路５を前記基板３の表面に形成する（ｃ）エッチング工程と、前記エッチング後に前記金属の薄膜７を除去して表面に微細流路５を有するマイクロチップ１を得る（ｄ）除去工程とを備えた。
【００３８】
このため、機械加工のように工具の磨耗や基板３のクラックの発生等を考慮する必要がなく、フォト・リソグラフィを応用した場合のように、原版を必要とせず、コスト削減を進展させることができる。
【００３９】
前記基材は、ガラス、シリコン、プラスチック、又はセラミックで形成された基板３である。
【００４０】
このため、既存の基板材料に微細流路５を簡単に形成することができる。
【００４１】
前記薄膜形成工程（ａ）は、前記金属の薄膜７を０．１５〜０．２０μｍの厚さとする。
【００４２】
このため、放電加工により微細形状パターン９を確実に形成することができる。
【００４３】
前記薄膜形成工程（ａ）は、前記薄膜７を蒸着により形成する。
【００４４】
このため、薄膜７を容易且つ確実に形成することができる。
【００４５】
前記薄膜形成工程（ａ）は、前記薄膜７をアルミニウムで形成する。
【００４６】
このため、薄膜７を簡単に形成することができる。
【００４７】
前記放電加工工程（ｂ）は、前記基材３をＸＹテーブルのＮＣ駆動制御によりＸＹ軸方向へ設定された送り速度で移動させながら放電部１１により放電加工を行う。
【００４８】
このため、薄膜７を形成した基板３をXYテーブル上に載せ、これをNC駆動して放電加工により微細形状パターン９を形成することができ、フォト・リソグラフィのような原版を必要としないため安価である。
【００４９】
前記放電加工工程（ｂ）は、前記放電部１１の放電電圧、放電電極１１ａと薄膜７との間のクリアランス、放電電極１１ａと薄膜７との間の送り速度の制御により前記微細形状パターン９の放電痕幅を決定する。
【００５０】
このため、微細形状パターン９を正確に形成することができる。
【００５１】
前記放電加工工程（ｂ）は、電極を傾けて行う。
【００５２】
このため、電極１１ａの寸法の影響を受けること無く微細形状パターン９の放電痕幅を決定することができる。
【００５３】
前記放電加工工程（ｂ）は、電極を回転させて行う。
【００５４】
このため、電極１１ａの局所的な磨耗を避けることができ、これによって安定した放電加工を行うことができる。
【００５５】
前記加工品は、前記微細形状を微細流路５としたマイクロチップ１である。
【００５６】
このため、被検物質の分析に利用されるマイクロチップ１を容易且つ安価に得ることができる。
［その他］
本発明の微細形状加工方法は、被検物質の分析に利用されるマイクロチップ１以外の微細加工にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】マイクロチップの概略を示す平面図である（実施例１）。
【図２】微細形状加工方法を示す工程図である（実施例１）。
【図３】放電加工装置の概略を示す斜視図である（実施例１）。
【図４】微細形状加工方法の加工条件を示す図表である（実施例１）。
【図５】放電実験の条件を示す図表である（実施例１）。
【図６】放電電圧と得られた放電痕の幅との関係を示す図表である（実施例１）。
【図７】放電電極の寸法（太さ）が放電痕幅に及ぼす影響を検討するために行った放電実験の条件を示す図表である（実施例１）。
【図８】電極の直径と放電痕幅との関係の結果を示すグラフである（実施例１）。
【図９】電極と基板とのクリアランスが放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行う放電実験の条件を示す図表である（実施例１）。
【図１０】クリアランス（放電間隔）と放電痕幅との関係を示すグラフである（実施例１）。
【図１１】電極の送り速度が放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行った放電実験の条件を示す図表である（実施例１）。
【図１２】送り速度と放電痕幅との関係を示すグラフである。（実施例１）
【図１３】電極の回転が放電痕幅に及ぼす影響を調べるため行った放電実験の条件を示す図表である。（実施例１）
【符号の説明】
【００５８】
１  マイクロチップ（加工品）
３  基板
５  微細流路
７  薄膜
９  微細形状パターン
１１  放電部
１１ａ  電極
（ａ）  薄膜形成工程
（ｂ）  放電加工工程
（ｃ）  エッチング工程
（ｄ）  除去工程
【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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【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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