JP2001038738A - 微小３次元構造を有する構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】微小３次元構造の付与に必要な微細形状を高精
度で形成する。 【解決手段】この発明の微小構造体の製造方法は、微小
３次元構造用の微細形状に対応するパターンの形成対象
である高分子膜２を液状混合物の回転塗布・重合でガラ
ス基板１の平らな表面１ａに形成し、パターン形成用の
Ｘ線露光・現像時には、不要領域を膜厚み方向に貫通さ
せるように除去しているので、高分子膜２を任意の希望
厚みで形成でき、高分子膜２の厚みを微細形状の深さに
正確に合わせられる。また、パターン形成用のＸ線露光
および現像は不要領域を膜厚み方向に貫通させるように
除去しているので、微細形状の底面が荒れる心配も無
い。その結果、微小３次元構造の付与に必要な微細形状
を高精度で形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばレーザ励
起蛍光分析法において試料流体を流通させるための測定
セルなどのように、微細形状の形成により付与された微
小３次元構造を有する構造体の製造方法に係り、特に、
微小３次元構造の付与に必要な微細形状を高精度で形成
するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微細形状の形成によって付与され
た微小３次元構造を有する樹脂製の構造体を製造する方
法として、いわゆるＬＩＧＡ(Lithographie Galvanofor
mung Abformung) プロセスがある。この場合、以下に述
べるように、リソグラフィ方式のパターンニング工程，
電鋳工程（電気メッキ工程），樹脂成形工程を順に行っ
て樹脂製の構造体を得ることになる。

【０００３】パターンニング工程では、先ず、図１１に
示すように、アクリル樹脂（ポリメチルメタクリレー
ト）製のフィルム又は極薄板の高分子シート５１を平ら
な表面に取り付けた基板５０の表面側に、微小３次元構
造の付与に必要な微細形状に対応するパターンでもって
Ｘ線透過窓５２ａ，５２ｂが予め形成されているマスク
５２を配しておいて、Ｘ線を照射してＸ線露光を行う。
その後、図１２に示すように、現像を行って高分子シー
ト５１のＸ線露光部分を除去し、高分子シート５１に必
要なパターンニングを施す。このように、Ｘ線露光式リ
ソグラフィ法により高分子シート５１に必要なパターン
を形成することにより得られた構造体５３は（必要に応
じて電極用の金属膜などが表面に施されて）次の電鋳工
程において母型として使われる。

【０００４】電鋳工程では、図１３に示すように、構造
体５３を母型にして電鋳を行い、母型である構造体５３
における微細形状を逆のパターンで転写した金属製の構
造体５４を得る。そして、この金属製の構造体５４が次
の樹脂成形工程で金型として使われる。

【０００５】樹脂成形工程では、図１４に示すように、
構造体５４を母型にして樹脂成形を行い、母型である金
属製の構造体５４の微細形状を逆のパターンで転写した
樹脂製の構造体５５を形成したあと母型から外すと、図
１５に示すように、微細形状の形成により付与された微
小３次元構造を有する樹脂製の構造体５５が完成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構造体の製造方法の場合、微小３次元構造の付与
に必要な微細形状を高精度で形成することが難しいとい
う問題がある。通常、フィルムや極薄板の高分子シート
のパターンニングはシートを厚み方向に貫通するように
して行われるので、微小３次元構造用の微細形状の加工
深さは、高分子シートの厚みによって決まることにな
る。しかし、高分子シートの厚みが１００μｍ以下とな
ると、材料供給可能な厚みは限られるので、高分子シー
トの厚みが微細形状の加工深さと合わない場合、合わな
い分は誤差となって加工精度が落ちてしまう。

【０００７】一方、微細形状の加工深さよりも厚みが厚
い高分子シートを用いるとともに、Ｘ線露光時間を調整
することによって、高分子シートのパターンニングをフ
ィルムや極薄板を厚み方向に貫通させてしまわずに途中
で止めて微細形状の加工深さに合わせるパターンニング
方式も提案されてはいる(Osamu Tabata et.al,The 12th
Micro Electro Mechanical Systems Workshop pp252-2
56 1999)。しかし、フィルムや極薄板などの高分子シー
トに形成された微細形状の底面に荒れが生じて平滑面に
ならないことから、やはり高精度な微細形状の形成は実
現できない。

【０００８】この発明は、上記の事情に鑑み、微小３次
元構造の付与に必要な微細形状を高精度で形成すること
ができる構造体の製造方法を提供することを課題とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、請求項１の発明は、微細形状の形成により付与され
た微小３次元構造を有する構造体の製造方法であって、
（ａ）基板表面に高分子材料の単量体、溶剤、重合開始
剤を含む液状混合物を回転塗布し、この単量体を重合さ
せることにより高分子膜を形成する高分子膜形成過程
と、（ｂ）前記高分子膜に選択的にＸ線露光を行い、そ
の後に現像することにより、不要領域を膜厚み方向に貫
通させるように除去して、前記微小３次元構造用の微細
形状に対応するパターンを高分子膜に形成するパターン
形成過程とを備えている。

【００１０】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
の構造体の製造方法において、液状混合物にメチルメタ
クリレートが単量体として含まれている。

【００１１】さらに、請求項３の発明は、請求項１また
は２に記載の構造体の製造方法によって得られた構造体
を母型として用い、電鋳を行うことにより金属製の構造
体を製造する。

【００１２】さらに、請求項４の発明は、請求項３に記
載の構造体の製造方法によって得られた金属製の構造体
を母型として用い、樹脂成形を行うことにより樹脂製の
構造体を製造する。

【００１３】〔作用〕次に、この発明の作用について説
明する。請求項１の発明により構造体を製造する場合、
先ず高分子膜形成過程において、高分子材料の単量体、
溶剤、重合開始剤を含む液状混合物を基板表面に回転塗
布して、その単量体を重合させることにより、高分子膜
を厚み均一性よく形成する。その後のパターン形成過程
において、前記高分子膜に選択的にＸ線露光を行い、さ
らに現像を行うことにより、不要領域を膜厚み方向に貫
通させるよう除去して、前記微細形状に対応するパター
ンを高分子膜に形成する。請求項１の発明の場合、高分
子膜に微細形状に対応するパターンが形成されることに
より微小３次元構造が付与されることになる。

【００１４】そして、請求項１の発明においては、微小
３次元構造用の微細形状に対応するパターンの形成対象
である高分子膜が、液状混合物の回転塗布・重合で形成
されるので、高分子膜の厚みについての制限は事実上な
くなり、高分子膜の厚みを微細形状の深さに正確に合わ
せられるようになる。またパターン形成用のＸ線露光お
よび現像は、不要領域を膜厚み方向に貫通させるように
除去するので、微小３次元構造用の微細形状の底面が荒
れる心配は完全に回避される。この結果、構造体におけ
る微小３次元構造の付与に必要な微細形状を高精度で形
成できる。

【００１５】また、請求項２の発明の場合、液状混合物
にはメチルメタクリレートが単量体として含まれている
ので、パターン形成対象の高分子膜は、Ｘ線露光適性に
優れるポリメチルメタクリレート系（アクリル樹脂系）
膜となり、高分子膜へのパターン形成がし易くなる。

【００１６】さらに、請求項３の発明の構造体の製造方
法の場合、請求項１または２に記載の構造体の製造方法
によって得た構造体を母型に用いて電鋳が行われる。し
たがって、母型の構造体における微小３次元構造用の高
精度の微細形状は、電鋳によって逆のパターンで正確に
転写される結果、請求項３の発明により得られる金属製
の構造体においても、微小３次元構造の付与に必要な微
細形状が高精度で形成される。

【００１７】さらに、請求項４の発明の構造体の製造方
法の場合、請求項３に記載の構造体の製造方法で得た金
属製の構造体を母型に用いて樹脂成形が行われる。した
がって、母型の金属製の構造体における微小３次元構造
用の高精度の微細形状は、樹脂成形によって逆のパター
ンで正確に転写される結果、請求項４の発明により得ら
れる樹脂製の構造体でも、その微小３次元構造の付与に
必要な微細形状は高精度で形成される。

【００１８】

【発明の実施の形態】続いて、この発明の一実施例を図
面を参照しながら説明する。図１は実施例により構造体
を製造する時の進行状況を示すフローチャートである。
以下の実施例では、請求項１，２の発明の製造方法の一
例により電鋳用の母型となる構造体を得た後、請求項３
の発明の製造方法の一例により樹脂成形用の母型となる
金属製の構造体を得て、さらに請求項４の発明の一例に
より最終目標の樹脂製の構造体を得る。つまり、実施例
の場合、リソグラフィ方式のパターンニング工程、電鋳
工程、樹脂成形工程を順に実施するＬＩＧＡプロセスに
従って樹脂製の構造体を製造することになる。

【００１９】先ず電鋳用の母型となる構造体を得るまで
のプロセスを説明する。図２に示すように、表面１ａが
平らなガラス基板１をスピナーＳＰの上にセットしてか
ら、ガラス基板１の表面１ａの略中央に高分子膜形成用
の液状混合物ＱをシリンジＳＧから必要な分滴下する。
液状混合物Ｑは高分子膜形成用の高分子材料の単量体、
溶剤、重合開始剤と必要に応じて加えられる粘度調整剤
用のポリマーを含んでいる。

【００２０】実施例の液状混合物Ｑは、ポリメチルメタ
クリレートの単量体（モノマ）であるメチルメタクリレ
ート、溶剤である二塩化エチレン、重合開始剤である過
酸化ベンゾイルの混合溶液に粘度調整剤であるポリメチ
ルメタクリレートを適当量溶かし込んだものである。な
お、実施例の液状混合物Ｑの場合、メチルメタクリレー
ト３５重量％，二塩化エチレン６５重量％の配合となっ
ており、またメチルメタクリレートおよび二塩化エチレ
ン１００重量％に対して、過酸化ベンゾイル０．５重量
％の配合である。

【００２１】そして、直ちにスピナーＳＰによってガラ
ス基板１を水平面内で７００ｒｐｍの速度で３秒間、つ
いで２０００ｒｐｍの速度に上げて１０秒間回転させて
液状混合物Ｑを回転塗布処理した後、室温で１０分間そ
のまま放置して重合させることにより、図３に示すよう
に、厚み５μｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭ
Ａ）製の高分子膜２をガラス基板１の表面１ａの全体に
均一性よく形成する。

【００２２】この発明の場合、高分子膜２は、液状混合
物の回転塗布・重合で形成されるので、高分子膜２の厚
みについての制限は事実上ない。液状混合物Ｑの粘度、
あるいは、スピナーＳＰの回転速度や回転時間の調整に
よって任意の希望厚みの高分子膜２を形成することがで
きるからである。したがって、高分子膜２は微小３次元
構造用の微細形状の深さに合わせた厚みにする必要があ
るが、この発明では、上のように高分子膜２を任意の希
望厚みで形成できるので、何ら支障なく高分子膜２の厚
みを微小３次元構造用の微細形状の深さに正確に合わせ
ることができる。

【００２３】ついで、図４に示すように、樹脂製の構造
体における微小３次元構造に必要な微細形状に対応する
パターンでもってＸ線透過窓３ａ，３ｂが予め形成され
ているマスク３を配しておいて、高分子膜２にＸ線を照
射して選択的にＸ線露光を行う。マスク３はＸ線透過層
の裏面の非窓領域にＸ線不透過層〔例えば金（Ａｕ）
層〕を選択的に積層形成したものが用いられる。Ｘ線透
過窓３ａ，３ｂの大きさ（寸法）としては、例えば数十
μｍ程度が挙げられる。また照射Ｘ線としては、シンク
ロトロンから放射される波長の短い硬Ｘ線（高エネルギ
ーＸ線）が用いられる。

【００２４】Ｘ線露光に続いて高分子膜２の現像処理を
行って、図５に示すように、微小３次元構造用の微細形
状に対応するパターンを高分子膜２に形成する。この発
明の場合、図５に示す通り、Ｘ線露光および現像は、高
分子膜２における不要領域を膜厚み方向に貫通させるよ
うに除去しているので、微小３次元構造用の微細形状の
底面は、ガラス基板１の平らな表面１ａとなっていて全
く荒れてはおらず平滑である。なお、現像処理では、モ
ルフォリン：２０体積％，ジエチレングリコールモノブ
チルエーテル６０体積％，アミノエタノール５体積％，
蒸留水１０体積％の配合の現像液に２時間浸漬した後、
アミノエタノール８０体積％，蒸留水２０体積％の配合
の停止液に２０分浸漬してから、蒸留水に１０分間浸漬
して洗浄するようにした。液温は全て４０℃である。

【００２５】続いて、パターン形成の後、図６に示すよ
うに、高分子膜２を形成した側に電極用の金（Ａｕ）膜
４を全面的に極薄く蒸着して、電鋳用の母型となる構造
体５を得た。上に述べたように、高分子 ２の厚みは微
細形状の深さに正確に合わせられる上、微小３次元構造
用の微細形状の底面は荒れていなので、構造体５におけ
る微小３次元構造の付与に必要な微細形状は高精度に仕
上げられている。

【００２６】次に、樹脂成形用の母型となる金属製の構
造体を得るプロセスを説明する。金膜４に必要な配線
（図示省略）を接続してから、図７に示すように、構造
体５を母型として用いてメッキ槽（図示省略）で電鋳
（例えばＮｉメッキ）を行ったあと母型を外して、図８
に示すように、母型である構造体５とは逆のパターン
（反転パターン）の微小３次元構造を有する金属製（例
えばＮｉ製）の構造体６を得る。この構造体６は次の樹
脂成形工程の母型として使用するため、構造体６のベー
ス部の厚みは５ｍｍ程度になっている。そして、電鋳に
より母型である構造体５の微小３次元構造用の高精度の
微細形状が逆のパターンで正確に転写されるので、金属
製の構造体６でも、微小３次元構造の付与に必要な微細
形状はやはり高精度に仕上げらる。

【００２７】さらに、最終目的の樹脂製の構造体を得る
プロセスを説明する。図９に示すように、母型である金
属製の構造体６を射出成形機（図示省略）にセットして
樹脂成形を行って成形物を取り出すと、図１０に示すよ
うに、微細形状の形成により付与された微小３次元構造
を有する樹脂製の構造体７の完成となる。そして、樹脂
成形により母型である構造体６の微小３次元構造用の高
精度の微細形状が逆のパターンで正確に転写されている
ので、この樹脂製の構造体７においても、微小３次元構
造の付与に必要な微細形状は高精度に仕上げられる。こ
の発明の製造方法は、例えば、レーザ励起蛍光分析法な
どにおいて試料流体を流通させるのに用いられる測定セ
ルや、マイクロリアクター製造用のパーツ（部材）とし
て用いられる樹脂製の構造体を製造するのに好適であ
る。

【００２８】この発明は上記実施の形態に限られること
はなく、下記のように変形実施することができる。 （１）実施例の場合、液状混合物における高分子材料の
単量体がメチルメタクリレートで粘度調整剤がポリメチ
ルメタクリレートであったが、高分子材料の単量体や粘
度調整剤は、Ｘ線露光・現像処理が可能であれば、何ら
特定の化合物に限られるものではない。例えば、液状混
合物における高分子材料の単量体がメチルメタクリレー
トおよびアクリル酸モノマの両方であって、粘度調整剤
がポリメチルメタクリレートとアクリル酸モノマの共重
合体である構成が、変形例として挙げられる。変形例の
場合、高分子膜はメチルメタクリレートとアクリル酸モ
ノマの共重合体製の膜となる。

【００２９】（２）実施例の場合、電鋳用の母型となる
構造体はガラス基板の上にパターン形成済の高分子膜が
設けられてなる構成であったが、この構造体の場合、ガ
ラス基板は樹脂基板や金属基板であってもよいし、基板
が外されたパターン形成済の高分子膜のみの構成であっ
てもよく、さらには電鋳用の母型以外のものであっても
よい。

【００３０】（３）実施例の場合、金属製の構造体は樹
脂成形用の母型であったが、この発明により製造される
金属製の構造体は特定のものに限らない。例えば、マイ
クロ歯車などの機構パーツとして用いられる金属製の構
造体を製造することもできる。

【００３１】（４）実施例の製造方法では構造体を１個
だけ得る方式であったが、この発明の製造方法の場合、
一回の製造プロセスの実施により複数個の構造体を同時
に得る多数個取り方式とすることも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上に詳述したように、請求項１の発明
の構造体の製造方法によれば、微小３次元構造用の微細
形状に対応するパターンの形成対象である高分子膜が液
状混合物の回転塗布・重合で基板表面に形成されるの
で、任意の希望厚みの高分子膜２を形成することが出来
て高分子膜の厚みについての制限が事実上なくなり、高
分子膜の厚みを微細形状の深さに正確に合わせて形成で
きる。また、パターン形成用のＸ線露光および現像は、
不要領域を膜厚み方向に貫通させるように除去するの
で、微細形状の底面が荒れる心配も無い。その結果、微
小３次元構造の付与に必要な微細形状を高精度で形成す
ることができる。

【００３３】また、請求項２の発明の構造体の製造方法
によれば、液状混合物にはメチルメタクリレートが単量
体として含まれていて、パターン形成対象の高分子膜
は、Ｘ線露光適性に優れるポリメチルメタクリレート系
（アクリル樹脂系）膜となるので、高分子膜へのパター
ン形成がし易くなる。

【００３４】さらに、請求項３の発明の構造体の製造方
法によれば、母型の構造体における微小３次元構造用の
高精度の微細形状は、電鋳によって逆のパターンで正確
に転写される結果、得られる金属製の構造体でも、微小
３次元構造の付与に必要な微細形状が高精度で形成され
る。

【００３５】さらに、請求項４の発明の構造体の製造方
法によれば、母型の金属製の構造体における微小３次元
構造用の高精度の微細形状は、樹脂成形によって逆のパ
ターンで正確に転写される結果、得られる樹脂製の構造
体でも、微小３次元構造の付与に必要な微細形状が高精
度で形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で構造体を製造する時の進行状況を示す
フローチャートである。

【図２】実施例のガラス基板の表面に液状混合物を滴下
した状態を示す図である

【図３】実施例のガラス基板の表面に高分子膜を形成し
た状態を示す図である。

【図４】実施例における高分子膜のＸ線露光時の様子を
示す図である。

【図５】実施例の高分子膜のパターン形成後の状態を示
す図である。

【図６】実施例の高分子膜の表面側に金膜を形成した状
態を示す図である。

【図７】実施例での電鋳実施中の状況を示す図である。

【図８】実施例で得られた金属製の構造体を示す図であ
る。

【図９】実施例での樹脂成形実施中の状況を示す図であ
る。

【図１０】実施例で得られた樹脂製の構造体を示す図で
ある。

【図１１】従来法における高分子シートのＸ線露光時の
様子を示す図である。

【図１２】従来法での高分子シートのパターン形成後の
状態を示す図である。

【図１３】従来法での電鋳実施中の状況を示す図であ
る。

【図１４】従来法での樹脂成形実施中の状況を示す図で
ある。

【図１５】従来法で得られた樹脂製の構造体を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ …ガラス基板 １ａ …（平らな）表面 ２ …高分子膜 ３ …マスク ３ａ，３ｂ…Ｘ線透過窓 ４ …金膜 ５ …構造体 ６ …金属製の構造体 ７ …樹脂製の構造体 ５０ …基板 ５１ …アクリル樹脂製のプログラム又は極薄板の
高分子シート ５２ …マスク ５２ａ，５２ｂ…Ｘ線透過窓 ５３ …構造体 ５４ …金属製構造体 ５５ …樹脂製構造体 Ｑ …液状混合物 ＳＰ …スピナー ＳＧ …シリンジ

フロントページの続き (72)発明者 中西 博昭 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 西本 尚弘 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 田畑 修 滋賀県草津市野路東１−１−１ 立命館大 学 びわこ・くさつキャンパス 理工学部 内 (72)発明者 白石 晴樹 滋賀県草津市野路東１−１−１ 立命館大 学 びわこ・くさつキャンパス 理工学部 内 Ｆターム(参考） 4F202 AH33 CA11 CB01 CD12 CK11 CK41 4F213 WA31

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微細形状の形成により付与された微小３次
   元構造を有する構造体の製造方法であって、（ａ）基板
   表面に高分子材料の単量体、溶剤、重合開始剤を含む液
   状混合物を回転塗布し、この単量体を重合させることに
   より高分子膜を形成する高分子膜形成過程と、（ｂ）前
   記高分子膜に選択的にＸ線露光を行い、その後に現像す
   ることにより、不要領域を膜厚み方向に貫通させるよう
   に除去して、前記微小３次元構造用の微細形状に対応す
   るパターンを高分子膜に形成するパターン形成過程とを
   備えていることを特徴とする微小３次元構造を有する構
   造体の製造方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の構造体の製造方法におい
   て、液状混合物にメチルメタクリレートが単量体として
   含まれている微小３次元構造を有する構造体の製造方
   法。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の構造体の製造方
   法によって得られた構造体を母型として用い、電鋳を行
   うことにより金属製の構造体を製造することを特徴とす
   る微小３次元構造を有する構造体の製造方法。
4. 【請求項４】請求項３に記載の構造体の製造方法によっ
   て得られた金属製の構造体を母型として用い、樹脂成形
   を行うことにより樹脂製の構造体を製造することを特徴
   とする微小３次元構造を有する構造体の製造方法。