(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機基板上に金属を蒸着して金属微細パターンを製作し、無機基板上に形成された金属微細パターンの表面又はこれと接触されるプラスチック基板の表面のうち少なくとも一方の表面上に自己組織化単分子膜(self-assembled monolayer)を形成することによって表面を化学的に活性化させて、前記金属微細パターンをプラスチック基板と接触させ、金属微細パターンをプラスチック基板の表面へ転写することを含む、プラスチック基板上に金属微細パターンを形成する方法。
【請求項２】
無機基板がガラス、シリコン、マイカ、または水晶からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属が金、銀、または銅であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
金属微細パターンが、真空下で無機基板上に堆積された金属フィルムからフォトリソグラフィ法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５】
プラスチック基板がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、又はポリカーボネート（ＰＣ）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】
自己組織化単分子膜が、濃度１μＭ〜１ｍＭの自己組織化物質溶液に基板を浸漬すること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７】
自己組織化単分子膜が、自己組織化物質の蒸気と基板を接触させること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８】
自己組織化物質がチオール基含有化合物、トリクロロシラン、またはトリメトキシシランであることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
金属微細パターンが２つ以上の種類の金属からなっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法によってプラスチック上に形成された金属微細パターンを伝導性金属でメッキすることによって製作された金属微細構造物。
【請求項１１】
請求項１０に記載の金属微細構造物を鋳型として用いて他の金属微細構造物を製造する方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法によって微細パターンが形成されたプラスチック基板を他のプラスチック基板と接合して製作したプラスチックのラブ・オン・チップ(plastic lab-on-a-chip)システム。
【請求項１３】
電気化学的検出器、電気伝導度検出器、温度センサー、マイクロ放熱器、または反応器の製作に用いられることを特徴とする請求項１２に記載のプラスチックのラブ・オン・チップシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラスチック基板の表面に金属微細パターンを形成する方法に関し、具体的には無機基板上に形成された金属微細パターンをプラスチック基板と接触させ、プラスチック基板上へ安定的に転写することによって、金属微細パターンを有するプラスチック基板を容易に大量生産できる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数ｃｍ2の大きさの基板上に微細構造を集積させ、１つの統合されたシステムを構築し、その中で試料の前処理、反応、合成、検出などを統合的に処理できるようにしたものがラブ・オン・チップ(lab-on-a-chip)である。ラブ・オン・チップは安価で、精密かつ正確な測定が可能である分析システムを大量生産できるという点から、最近、注目を集めている。ラブ・オン・チップは、一般化学薬品の分離、精製、環境モニタリング、医薬物質の分析、軍事用途の開発など、その応用範囲が幅広く、小型化、携帯化が容易であるという長所がある。
【０００３】
ラブ・オン・チップは、主に、ガラス、シリコン、プラスチック基板上に形成されるが、初期にはガラスを用いたチップが多く製造された。しかし、最近では標準化されたチップを大量生産するに好適なプラスチックチップへの転換が進行している。
【０００４】
このように、ラブ・オン・チップの主な材料がガラスからプラスチックに転換されるとともに、既存のガラス材質のラブ・オン・チップを製作する方式とは異なる製作方式に対する研究が活発に進行されている。
【０００５】
ガラス材質のラブ・オン・チップを製作する方式では、ガラス表面上に真空蒸着器(vacuum evaporator)を用いて金属を蒸着した後、フォトリソグラフィ法を用いて金属微細パターンを製作し、このように製作した金属パターンを有する金属面上に他のガラスを載せて、熱と圧力を加えてガラスを接合することによって、金属パターンをガラス内部に挿入していた。しかし、プラスチックの場合、プラスチックの高い熱膨張係数、有機溶媒に対する感応性及びプラスチック表面と金属パターンとの間の弱い引力などのため、基板上に直接的に金属を蒸着することが困難であり、また、蒸着された金属をプラスチック表面上で直接金属パターンにすることも困難である。
【０００６】
それで、プラスチックの場合はスクリーン印刷(screen printing)やメッキ(electroplating)などの方法でその表面に金属微細パターンを製作していた（米国特許出願第6,030,515号参照）。
【０００７】
しかし、これらの方法ではパターンの厚さが調節しにくく、パターンの線幅をミリメートル（ｍｍ）以下に減らしにくく、また、このような方式で製作されたプラスチック表面は他のプラスチックと接合不可能になるため、プラスチックのラブ・オン・チップを製作しにくいという短所がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、前記の問題点を解決するために、プラスチック表面に金属微細パターンを安定的に製作しようと研究を重ねた結果、薄くて均一な金属微細パターンをプラスチック基板上に比較的に容易に形成して、プラスチックのラブ・オン・チップシステムを大量生産できる方法を開発するにいたった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達するために、本発明では無機基板上に金属を蒸着して金属微細パターンを製作し、無機基板上に形成された金属微細パターンの表面又はこれと接触されるプラスチック基板の表面のうち少なくとも一方の表面上に自己組織化単分子膜(self-assembled monolayer)を形成することによって表面を化学的に活性化させて、前記金属微細パターンをプラスチック基板と接触させ、金属微細パターンをプラスチック基板の表面へ転写することを含む、プラスチック基板上に金属微細パターンを形成する方法を提供する。
【００１０】
また、本発明は本発明によってプラスチック基板に形成された金属微細パターンを伝導性金属でメッキすることによって製作された微細構造物を提供するが、この微細構造物は他の微細構造物の製作に鋳型として用いられる。
【００１１】
また、本発明は、本発明によって金属微細パターンが形成されたプラスチック基板を他のプラスチック基板と接合することによって製作されたプラスチックのラブ・オン・チップシステムを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
【００１３】
本発明は、無機基板上に形成された金属微細パターンをプラスチック上へ安定的に転写して、表面に金属微細パターンを有するプラスチック基板を大量生産できる方法を提供するためのものであって、図１に本発明の基本概念を示した。
【００１４】
図１において、Ａはガラス材質からなる基板上に金属パターンが形成されている状態であり、Ｂはパターンを有するガラス基板にプラスチック基板を載せた状態であり、Ｃはガラス基板とプラスチック基板を剥離する際に、金属パターンがプラスチック上へ転写された状態を示す。
【００１５】
本発明による前記図１のプロセスのため、次のような幾つかの必須条件がある。
【００１６】
第１に、無機基板上に蒸着された金属が、パターニング途中に取れてしまうほど基板と弱く結合されていてはいけないし、
第２に、転写が行われる際に、所望の金属のみ選択的に転写が起こらなければいけないし、
第３に、プラスチックが、転写される金属と十分な親和性を有し、
第４に、転写された金属はプラスチック基板と安定的に結合されていなければいけない。
【００１７】
本発明において金属パターンの形成は通常の方法によって行われるが、例えば、真空蒸着器によって基板上に金属フィルムを蒸着した後、フォトリソグラフィ法を用いて所望のパターンに形成してもよい。転写される金属の厚さは１０Å〜１ｍｍの範囲内でその応用分野によって多様に適用できる。
【００１８】
また、本発明において、基板としてはガラス、シリコン、マイカ、水晶など、金属が蒸着可能ないずれの基板を用いてもよく、金属としては金、銀、銅などの蒸着可能ないずれの金属を用いてもよい。
【００１９】
しかし、この際、金属が基板に過度に結合されていると、金属微細パターンのプラスチック上への転写が起こらないほど、基板と対象金属との引力が強く作用することになるので、金属と基板は適切な結合力を維持しなければいけないが、これは蒸着速度(deposition rate)を調節することによって達成できる。
【００２０】
また、前記のように、金属パターンの転写プロセスにおいてのもう１つの要因は、転写が行われるプラスチックの性質であるが、本発明では粘着性を有する弾性体プラスチックを用いる。このようなプラスチック物質としてはポリジメチルシロキサン(poly(dimethylsiloxane),PDMS)、ポリメチルメタクリレート(poly(methylmethacrylate),PMMA)、ポリカーボネート(polycarbonate,PC)などがあり、その中でＰＤＭＳが光学的な透過性に優れていて、成形しやすいので特に好ましい。
【００２１】
最後に重要なことは、転写された金属パターンがプラスチック上で安定的に固定されなければならないという点である。金属パターンを有する無機基板とプラスチック基板を外す際に、金属パターンのガラス基板との結合力よりプラスチック基板との結合力のほうが大きいと、金属パターンはプラスチック上へ転写されることになる。本発明では、このため、接触される金属パターン及び／又はプラスチック基板を、表面が化学的に反応性を有するように予め処理しておくことを特徴とする。
【００２２】
本発明によって金属又はプラスチック表面を親水性に変化させる方法としては、化学的に処理する方法と物理的に処理する方法があり、化学的方法としては表面上に自己組織化単分子膜(self-assembled monolayer)を形成させる方法が用いられ、物理的方法としてはコロナ放電、プラズマ、電子ビーム、または紫外線で処理する方法が用いられる。
【００２３】
本発明では前記自己組織化単分子膜の形成に用いられる自己組織化物質としてはメルカプトプロピルトリメトキシシランなどのようなチオール基を含有する化合物、トリクロロシラン、トリメトキシシラン、及びその他の自己組織化薄膜形成の可能な全ての物質を用いてもよく、このような自己組織化物質は疎水性基材の表面で自己組織化単分子膜を形成して、基材表面の性質を親水性に変えるか、または表面の反応性を増大させる。
【００２４】
自己組織化単分子膜は基板を濃度１μＭ〜１ｍＭの自己組織化物質を含むエタノール溶液に薄膜が形成されるのに十分な時間の間に浸漬することによって、または基板を自己組織化物質の蒸気と接触させることによって形成することができる。
【００２５】
前記コロナ放電、プラズマ、紫外線、または電子ビーム処理のような物理的方法は、当業界に広く知られている通常の方法によって行ってもよい。
【００２６】
前記の表面処理プロセスの一例を図２に概略的に示した。図２で、Ａではプラスチック基板をコロナ放電のような酸化処理によって親水性に変化させる場合を、Ｂではガラス基板上に形成された金属パターンを３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（３−ＭＰＴＭＳ）で化学的に表面処理した場合を示す。また、Ｃは金属表面とプラスチック表面の相互作用によって、金属パターンがプラスチック基板上へ安定的に転写された形状を示す。
【００２７】
ここで、３−ＭＰＴＭＳは化学的接着剤(chemical glue)として用いられ、３−ＭＰＴＭＳのチオール（−ＳＨ）官能基は金の表面で自己組織化され、３−ＭＰＴＭＳのトリメトキシシラン（−Ｓｉ（ＯＭｅ）3）官能基は酸化されたプラスチック表面と共有結合する。
【００２８】
このように、本発明によると、金属パターンの表面とプラスチック表面のすくなくとも一方を、自己組織化薄膜のコーティングのような化学的処理またはプラズマ、コロナ放電処理などのような物理的処理により、表面反応性を高めることによって、金属パターンが安定的に固定されたプラスチック基板を製造することができる。
【００２９】
また、本発明によると、２つ以上の金属の微細パターンもプラスチック基板上へ転写させることができる。例えば、図３を参照すると、２つ以上の金属微細パターン（金及び銀）をフォトリソグラフィ法によって形成した後、自己組織化物質で表面処理してからプラスチック（ＰＤＭＳ）上へ安定的に転写するプロセスが示されている。
【００３０】
本発明によると、転写が行われた金属パターンを有するプラスチック面上に、他のプラスチック面を重ねてパターンをプラスチック内部に挿入してラブ・オン・チップを製作することができ、転写が行われた金属微細パターン上にニッケルや銅のような伝導性金属をメッキする方法などによって微細構造物を製作することもできる。この際、パターンを有するプラスチック面と他のプラスチック面の接合は永久的に結合が行われる非可逆的な方法と、一度付けてから更にはずすことのできる可逆的な方法を用いてもよく、メッキされた微細構造物は他の構造物の製作のための鋳型として用いられる。
【００３１】
本発明による金属微細パターンを有するプラスチック基板の製造方法は、容易かつ簡単にプラスチック上でも安定的な電気的性質を有する金属パターンが形成できる方法であって、このような金属微細パターンを用いる場合、電気化学的検出器、電気伝導度検出器、温度センサー、マイクロ放熱器、及び反応器などをプラスチックチップ上で形成できるだけではなく、これらの装置の開発は高性能、高効率の携帯用のラブ・オン・チップの開発に大きな役割を果たすことと期待される。
【００３２】
本発明の方法は既存のガラスチップの金属微細パターンを製作する方法と同一な工程を用いてプラスチックチップに転写する方法であるので、ガラスチップにおいての安定的な電気的性質をそのまま保持するだけでなく、ガラスチップで金属微細パターンを製作する際に用いられる装置以外の他の装置をさらに要求されることはないし、また電極の厚さを自由に調節できるだけではなく、表面の平滑度も非常に優れた電極の製作が可能である。また、１種類の金属だけではなく色々な種類の金属を同時にプラスチック板上に転写させることができ、プラスチックチップの接合にも何ら差支えなく、また接合面での流体の漏れがない微細パターンが製作できる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を例示するが、本発明の範囲は実施例に限定されるものではない。
【００３４】
実施例１：金属微細パターンを有するプラスチック基板の製作
図４に示した工程によって金属微細パターンを有するプラスチック（ＰＤＭＳ）基板を次のように製造した。
【００３５】
まず、ガラス基板を洗浄した後、真空蒸着器(vacuum evaporator)を用いてガラス基板上に、蒸着器内部の圧力約１０-6ｂａｒ、蒸着速度０．５Å／ｓｅｃの蒸着条件で２０００Åの金を蒸着させた（段階ａ）。金が蒸着されたガラス上にポジ型フォトレジスト（DTFR-1000、ドンジン化学(Dongjin chemical Corp.)、韓国）をスピンコーティングした後（段階ｂ）、所定のパターンを有するエマルションマスクを用いて紫外線で露光させた（段階ｃ）。露光された基板を現像液(AZ300MIF developer, Clariant Corp., Somerville, CA, U.S.A)を用いて現像させることによって、紫外線が照射された部分を剥離させた（段階ｄ）。次に、金のエッチング液を用いて金成分をエッチングし、アセトンを用いて残っているフォトレジストを洗浄して、ガラス基板上に完成された金の微細パターンを形成した（段階ｅ及びｆ）。
【００３６】
次に、ガラス基板上に形成された金属パターンの表面を化学的に反応性にするため、０．１ｍＭの３−ＭＰＴＭＳのエタノール溶液で処理した（段階ｇ）。別途に、ＰＤＭＳ基板を準備し、１分間コロナ放電処理(BD-10A, Electro-Technic Products, INC., Chicago, IL., U.S.A.)を行うことによって表面処理した後、処理されたＰＤＭＳ表面と、前記３−ＭＰＴＭＳ処理された金パターンを有するガラス基板とを接触し（段階ｈ）、接合物を加圧した後、剥離して金の微細パターンのみを選択的にＰＤＭＳ上に転写させた（段階ｉ）。
【００３７】
図５は、前記のような転写プロセスによって製作されたＰＤＭＳ上の微細パターンの顕微鏡写真であって、Ａは平行に製作された直線パターンを示したものであり、Ｂはハニカムパターンを示したものである。
【００３８】
実施例２：電気化学検出用ラブ・オン・チップの製作
前記実施例１のような方法を用いて、プラスチック材質の電気化学検出用のラブ・オン・チップを製作した。図６を参照すると、Ａは通常のモールディング(molding)方法で作ったチャンネル(channel)を有するＰＤＭＳ基板であり、Ｂは実施例１の工程によって製作された２つの金電極及び１つの銀電極を有するＰＤＭＳ基板であり、ＡとＢをコロナ放電処理によって表面処理した。Ｃのように、前記ＡとＢを接合させプラスチックのラブ・オン・チップを製作した。
【００３９】
図７はＰＤＭＳ微細チャンネルと整列された金及び銀のパターンの顕微鏡写真である。チャンネルサイズは幅１００μｍ、深さ３０μｍであり、電極として用いられる部分は幅が５０μｍ、厚さが２００ｎｍ、２つの電極の間隔は１００μｍである。製作されたチップ内の電極の抵抗は６０Ωであり、チャンネル内に１０ｍＭのＮａＣｌ水溶液を入れて測定した電気伝導度は、約１．６Ｓであった。Ｃの各チャンネルの端にサンプル供給／受容のための貯蔵部を作り、高電圧を印加しながら電気泳動を行って物質を分離し、電極部分で分離された物質の電気伝導度を測定した。これによって毛細管電気泳動―電気伝導度測定が可能なプラスチックのラブ・オン・チップが完成された。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の方法は、既存のガラス基板上に金属微細パターンを製作する方法に用いられる機器以外の別途の機器が不要で、１つ以上の微細パターンをプラスチック基板上に転写できるだけではなく、既存の方法では実現することに困難であったプラスチック内の微細パターン及び電極の製作が可能になって、プラスチック上で安定した金属電極を大量生産できるようになり、このような金属微細パターンを用いる場合、電気伝導度検出器、電気化学検出器、温度センサー、マイクロ放熱器などをプラスチックチップ上で実現できるだけではなく、これらの装置の開発は高性能、高効率の携帯用のラブ・オン・チップの開発に大きな役割を果たせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって金属微細パターンをプラスチック基板上へ転写するプロセスを示した概略図である。
【図２】本発明におけるガラス基板及びプラスチック基板の表面処理プロセスの一例を示した概略図である。
【図３】プラスチック面上に２種類以上の金属の微細パターンを製作するプロセスを示した図である。
【図４】実施例１におけるガラス基板からプラスチック基板へ金属微細パターンを転写させるプロセスを示した図である。
【図５】実施例１の転写プロセスによって製作された微細パターンの顕微鏡写真である。
【図６】本発明の方法による金属微細パターンを有するプラスチック基板を用いてプラスチックのラブ・オン・チップを製作するプロセスを示した図である。
【図７】実施例２のプロセスによってＰＤＭＳ微細チャンネルと整列された金及び銀パターンの顕微鏡写真である。
【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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【図７】
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