JP2003078235A - プラスチック基板上の金属微細パターンの形成方法 - Google Patents

プラスチック基板上の金属微細パターンの形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラスチック基板上に金属微細パターンを安
定的に形成することを目的とする。 【解決手段】 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を表面処理して表面を化学的に
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。

Description

【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 evapor
ator)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（ｍ
ｍ）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を表面処理して表面を化学的に
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(depositio
n 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(dimethyl
siloxane),PDMS)、ポリメチルメタクリレート(poly(met
hylmethacrylate),PMMA)、ポリカーボネート(polycarbo
nate,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 monola
yer)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−ＭＰ
ＴＭＳ）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(c
hemical 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／ｓｅ
ｃ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 Cor
p.)、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, C
A, 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-TechnicProducts, INC., Chic
ago, 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１０
ｍＭ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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 永 ▲ちゃん▼ 大韓民国、大田広域市西区▲くぁん▼▲じ ょ▼洞神仙マウル・アパートメント 208 −1101 (72)発明者 沈 ▲ぼん▼ 柱 大韓民国、ソウル特別市恩平区新寺１洞31 −15 Ｆターム(参考） 5E343 AA16 BB23 BB24 BB25 EE35 EE36 EE45 EE46 EE52 GG08 GG11

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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を表面処理して表面を化学的に
    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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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（ＰＭＭ
    Ａ）、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。
  6. 【請求項６】 表面処理が化学的又は物理的手段によっ
    て行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 化学的表面処理が、処理表面上に自己組
    織化単分子膜(self-assembled monolayer)を形成するこ
    とによって行われることを特徴とする請求項６に記載の
    方法。
  8. 【請求項８】 物理的表面処理が、プラズマ、コロナ放
    電、電子ビーム、または紫外線で処理することによって
    行われることを特徴とする請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 自己組織化単分子膜が、濃度１μＭ〜１
    ｍＭ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７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 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７に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 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９または請求項１０に記載の
    方法。
  12. 【請求項１２】 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。
  13. 【請求項１３】 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。
  14. 【請求項１４】 請求項１３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。
  15. 【請求項１５】 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
    基板と可逆的または非可逆的に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。
  16. 【請求項１６】 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１５に記載のプ
    ラスチックのラブ・オン・チップシステム。
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