JP2004042143A - Method for forming micro flow passage - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小流路の形成方法に係り、特に、マイクロ化学の分野で使用されるマイクロチップに微小流路を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、マイクロマシニング技術を用いて、溶液の混合、反応、分離、検出等を行うシステムを数センチ角のガラス基板上に集積化するラボオンチップ(Laboratory on a Chip)と呼ばれる装置技術が盛んに研究されている。ラボオンチップは、集積化するシステムに応じて、マイクロTAS(Micro Total Analysis System)、マイクロリアクター等とも呼称される。
【0003】
通常、ラボオンチップは、厚さ1mm程度の基板に形成された溝幅が数十〜数百μmの微小流路を備えており、微小流路中で溶液の混合等を行う。微小流路中では比界面積が大きくなるので、サイズ効果により反応し難いものが反応し、混合し難いものが混合する等、溶液の混合や反応を効率良く行うことができる。微小流路の溝幅を10μm〜50μmとすることにより、流路抵抗が比較的小さくでき、良好なサイズ効果を得ることができる。また、微小流路の形状は流体の送液特性に大きな影響を与えるため、微小流路は平滑な壁面を備え且つ高精度に作製されることが好ましい。
【0004】
従来、ラボオンチップの微小流路は、基板表面をレジスト膜で被覆し、紫外線や電子線を用いたフォトリソグラフィによりレジスト膜をパターニングした後、これをマスクとして基板をエッチングする、という半導体加工技術を用いて形成されている。フォトリソグラフィは、半導体製造プロセスで使用されている密着露光装置を用いて行われている。その露光方式はマスクアライナを用いたアナログ露光方式であり、例えば1平方メートルといった大面積を高速露光することは難しかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の微小流路の形成方法では、パターニングをマスク露光で行っているため、フォトレジスト膜の厚さが制限され、微小流路を高精度に形成することが難しい、という問題があった。即ち、フォトレジスト膜が薄いと、基板をエッチングする際にサイドエッチされ易くなり、溝幅の作製精度が低下すると共に、十分な溝深さが達成できなくなる。
【0006】
また、マスク露光では、パターン毎に高精度なガラスマスク等が必要になるため、コストが高くなり、大面積化が困難であると同時に少量多品種生産にも適さない、という問題があった。
【0007】
一方、フォトリソグラフィ工程を、デジタル露光方式により行うことも考えられるが、紫外線を用いた従来のデジタル露光装置は単一ビームでの走査露光であるため、露光時間が係り過ぎる。特に、ビーム径が10μm以下で且つアドレッサビリティーが1μm程度の高精細な露光の場合には、露光時間が係り過ぎるという問題があった。
【0008】
本発明は上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、微小流路を高速且つ高精度に形成することができる微小流路の形成方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、任意のパターンの微小流路を低コストで形成することができる微小流路の形成方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載の微小流路の形成方法は、基板上に形成されたレジスト膜を、微小流路の形成パターンデータに応じて空間的に変調された波長350nm〜450nmのレーザ光で露光する露光工程と、前記レジスト膜を露光パターンに応じて部分的に除去し、所定パターンのレジスト膜を形成するパターン化工程と、前記所定パターンのレジスト膜を用いて、前記基板を表面からエッチングして除去し、微小流路を形成するエッチング工程と、を有することを特徴とする。
【0010】
この微小流路の形成方法では、波長350nm〜450nmのレーザ光を用いているので、紫外線対応の特殊な材料の光学系を用いる必要が無く、可視域のレーザ露光装置と同様に、DMD等の空間光変調素子を用いることができる。これにより、微小流路の形成パターンデータに応じて空間的に変調されたレーザ光でレジスト膜を露光することができる。即ち、任意パターンでのレジスト膜の高速且つ高精細なデジタル露光が可能である。
【0011】
このように、露光工程において、任意パターンでのレジスト膜の高速且つ高精細な露光が可能であることから、次のパターン化工程及びエッチング工程を経て、任意のパターンの微小流路を高速且つ高精度に形成することができる。また、デジタル露光であるためパターン毎のマスクが不要であり、低コストに微小流路を形成することができる。
【0012】
上記の露光工程には、レーザ光を照射するレーザ光源と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上にマトリックス状に配列され、前記レーザ装置から照射されたレーザ光を変調する空間光変調素子と、各画素部で変調されたレーザ光を露光面上に結像させる光学系と、を備えた露光ヘッドを用いることができる。そして、この露光ヘッドをレジスト膜の露光面に対して所定方向と交差する方向に相対移動させて、基板上に形成されたレジスト膜を走査露光することができる。
【0013】
レジスト膜をより高精細に露光するために、空間光変調素子をその各画素部の配列方向が副走査方向と直交する方向と所定角度θを成すように僅かに傾斜させて配置し多重露光することが好ましい。これにより、ビーム径10μmで1μmのアドレッサビリティーの高精細な露光が可能である。傾斜角度θは1°〜5°の範囲が好ましい。
【0014】
また、空間変調素子の出射側には、空間変調素子の各画素部に対応して設けられ且つ各画素毎にレーザ光を集光するマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイを配置するのがより好ましい。マイクロレンズアレイを配置した場合には、空間変調素子の各画素部で変調されたレーザ光は、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより各画素に対応して集光されるので、被露光面における露光エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットのサイズを縮小することができ、高精細な露光を行うことができる。この縮小光学系を用いることにより、1μmのビーム径で0.1μmのアドレッサビリティーにて超高精細な露光が可能になる。
【0015】
このようにレジスト膜を高精細に露光することにより、非常にスムーズな微小流路の壁面を形成することができ、流路抵抗を低減して良好なサイズ効果を得ることができる。
【0016】
微小流路を高精度に形成するために、レジスト膜の厚さは厚い方が好ましい。溝幅10μm〜50μmの微小流路を形成する場合には、レジスト膜の厚さは、10μm〜50μmが好ましく、10μm〜100μmがより好ましい。特に、レジスト膜を2層に積層して露光するのがより好ましい。レジスト膜をデジタル露光するので、デジタルスケーリング機能によって露光時の伸び等の補正を行うことができ、1層目の露光位置と2層目の露光位置の位置合わせを高精度に実現できる。その結果、従来の2倍の厚みのレジスト膜で高精度且つ高アスペクト比のパターニングが可能になり、エッチングで高精度で且つ深い微小流路を形成できる。なお、アスペクト比とは、レジスト膜に形成された溝の溝幅aに対する溝深さbの割合a/bである。
【0017】
上記形成方法の露光工程においては、高輝度光源を用いて深い焦点深度で露光することにより、より高い精度でレジスト膜を露光することができる。高輝度光源としては、複数のレーザ光を合波して光ファイバの各々に入射させる合波レーザ光源が好適である。また、厚膜化したレジスト膜の露光には、高出力のレーザ光源が必要である。発振波長350〜450nmの半導体レーザは単一素子での高出力化が難しいが、合波により高出力化を図ることができる。
【0018】
合波レーザ光源は、例えば、(1)複数の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザ光を集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を含む構成、(2)複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザ光を集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を含む構成、又は(3)複数のマルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数のマルチキャビティレーザの前記複数の発光点の各々から出射されたレーザ光を集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を含む構成、とすることができる。
【0019】
上記の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々をアレイ状に配列してファイバアレイ光源としたり、発光点の各々をバンドル状に配列してファイババンドル光源とすることができる。バンドル化又はアレイ化することで、更に高出力化を図ることができる。また、高輝度化を図る観点からは、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いるのが好ましい。
【0020】
光ファイバの出射端のクラッド径は、発光点の径を小さくする観点から125μmより小さい方が好ましく、80μm以下がより好ましく、60μm以下が特に好ましい。コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバは、例えば、コア径が同じでクラッド径が異なる複数の光ファイバを結合して構成することができる。また、複数の光ファイバをコネクタで着脱可能に接続して構成することにより、光源モジュールが部分的に破損した場合等に、交換が容易になる。
【0021】
特に、上記の通り空間光変調素子を傾斜配置し且つ縮小光学系を用いて超高精細な露光をする場合において、前述の高輝度なファイバアレイ光源若しくはファイババンドル光源を用いることで、深い焦点深度が得られ、レジスト表面及びレジスト内においてビーム太りが無く、より高精度で高アスペクト比のパターニングが可能になる。また、壁面が傾斜した斜め流路を形成する場合にも、スムーズなパターニングが可能となる。
【0022】
上記の露光工程では、レーザ光は、例えば、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に配列された空間光変調素子に照射され、該空間光変調素子の各画素部で変調される。
【0023】
空間変調素子としては、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが基板(例えば、シリコン基板)上に2次元状に配列されて構成された、マイクロミラーデバイス(DMD;デジタル・マイクロミラー・デバイス)を用いることができる。また、空間変調素子を、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成した1次元のグレーティングライトバルブ(GLV)で構成してもよい。また、各々制御信号に応じて透過光を遮断することが可能な多数の液晶セルが基板上に2次元状に配列されて構成された液晶シャッターアレイを用いてもよい。
【0024】
これら空間変調素子の出射側には、空間変調素子の各画素部に対応して設けられ且つ各画素毎にレーザ光を集光するマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイを配置するのが好ましい。マイクロレンズアレイを配置した場合には、空間変調素子の各画素部で変調されたレーザ光は、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより各画素に対応して集光されるので、被露光面における露光エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットのサイズを縮小することができ、大面積化した場合でも高精細な露光を行うことができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の微小流路の形成方法を用いて、合成反応用マイクロチップを製造する実施の形態を詳細に説明する。
[合成反応用マイクロチップ]
合成反応用マイクロチップは、図1示すように、ガラス等で形成された平板状の基板150上に、保護基板202を重ね合わせて構成されている。基板150の厚さは、通常、0.5mm〜2.0mm程度であり、保護基板202の厚さは、通常、0.1mm〜2.0mm程度である。保護基板202には、試薬を注入するための注入口204a、204bと、試薬が反応して得られた反応液を排出する排出口206とが、各々保護基板202を貫通するように設けられている。基板150には、試薬又は反応液が流通するための微小流路208が設けられている。微小流路208は、注入口204a、204bの各々から注入された試薬が、合流点210で合流した後、排出口206へ排出されるように配設されている。微小流路の溝幅は、数十〜数百μmであり、10μm〜50μmが特に好ましい。溝幅が10μm〜50μmの微小流路は、流路抵抗が比較的小さく、良好なサイズ効果を得ることができる。
【0026】
この反応用マイクロチップの注入口204a、204bの各々に試薬を注入し、排出口206側から吸引すると、試薬は微小流路208を流通して合流点210において混合されて反応する。これにより所望の物質を合成することができる。得られた反応液が微小流路208を流通して排出口206から排出される。この排出口206から得られた反応液の分析により、通常スケールでの反応と同様に、反応生成物の同定や定量を行うことができる。
【0027】
[マイクロチップの製造方法]
次に、図2を参照して上記合成反応用マイクロチップの製造方法について説明する。この製造方法は、フォトレジスト膜を露光する露光工程と、フォトレジスト膜を部分的に除去してパターン化するパターン化工程と、基板をエッチングして微小流路を形成するエッチング工程と、微小流路が形成された基板と保護基板とを接合する接合工程と、から構成されている。以下、各工程を説明する。
【0028】
図2(A)に示すように、基板150上にフォトレジスト膜212をスピンコート法等により形成した後、図2(B)に示すように、微小流路208のパターンに従いフォトレジスト膜212を露光し、図2(C)に示すように、露光部分214を現像液に溶解させて除去する。ここで、フォトレジスト膜212を高い位置精度でパターニングすることにより、微小流路208を高精度に形成することができる。なお、フォトレジスト膜212の露光工程については後述する。
【0029】
そして、図2(D)に示すように、パターニングされたフォトレジスト膜212を用いて、基板150を表面からエッチングして微小流路208を形成し、図2(E)に示すように、残ったフォトレジスト膜212を除去する。基板150のエッチングは、ドライエッチング及びウェットエッチングのいずれでも行うことができるが、微細加工であるため、高速原子線(FAB)エッチング等のドライエッチングが好適である。
【0030】
次に、図2(F)に示すように、超音波加工等により保護基板202に、注入口204a、204b、排出口206となる貫通孔を形成する。そして、図2(G)に示すように、保護基板202と、基板150の微小流路208が形成された面とが対向するように両基板を重ね合わせ、密着させて固定する。例えば、固定にはUV接着剤を用いることができる。UV接着剤を、保護基板202の微小流路208が形成された面にスピンコート法等により塗布し、基板150と保護基板202とを密着させた後、紫外線を照射して接着する。
【0031】
なお、基板150と保護基板202がガラスで形成されている場合には、フッ化水素酸で両基板の表面を溶解して接合してもよい。
【0032】
[フォトレジスト膜の露光]
次に、フォトレジスト膜の露光工程について詳しく説明する。この露光工程では、空間光変調素子を用いて、波長350nm〜450nmのレーザ光を微小流路の形成パターンデータに応じて変調し、変調されたレーザ光でフォトレジスト膜212をデジタル露光する。より高い精度で露光を行うためには、高輝度光源から出射された深い焦点深度のレーザ光で露光するのが好ましい。
【0033】
(フォトレジスト膜)
フォトレジスト膜212には、プリント配線基板(PWB;Printed Wiring Board)の製造工程で使用されるドライ・フィルム・レジスト(DFR;Dry FilmResist)や電着レジストを用いることができる。これらDFRや電着レジストは、半導体製造プロセスで使用されているレジストに比べて厚膜化が可能で、厚さ10μm〜40μmの膜を形成することができる。
【0034】
また、フォトレジスト膜を複数層積層することにより、一層の厚膜化を図ることができる。この場合、図3(A)に示すように、第1のフォトレジスト膜212aを形成し、所定領域214aを露光した後、図3(B)に示すように、第1のフォトレジスト膜212a上に第2のフォトレジスト膜212bを形成し、デジタル露光のスケーリング機能を用いて所定領域214aに対応する領域214bを露光する。図3(C)に示すように、露光された領域214a及び領域214bを除去すると、レジストによる深い溝が形成される。なお、この例ではレジスト膜を2層積層する例について説明したが、レジスト膜を3層、4層と積み重ねる、デジタル露光のスケーリング機能により同じ位置を露光することに更に深い溝を形成することができる。
【0035】
また、このようにフォトレジスト膜212を厚膜化することで、レジストによる深い溝を形成することができ、エッチングにより基板202に深い溝(微小流路)を精度良く形成することができる。例えば、図4(A)及び(B)から分かるように、同じ溝幅の微小流路をFABエッチングで形成する場合、フォトレジスト膜212が薄いと、斜め光により基板150がサイドエッチされ易いが、フォトレジスト膜212が厚いと、蹴られにより斜め光が入射し難く、基板150がサイドエッチされ難くなる。これにより、基板150に深い溝を精度良く形成することができる。
【0036】
溝幅10μm〜50μmの微小流路を形成する場合には、フォトレジスト膜212の厚さは、10μm〜50μmが好ましく、10μm〜100μmがより好ましい。
【0037】
また、微小流路をエッチング溶液を用いたウエットエッチングで形成する場合には、図5に示すように、フォトレジスト膜212にテーパ状に拡開した開口216をパターン形成してもよい。開口216がテーパ状に拡開しているので、エッチング溶液を浸入させ易い。
【0038】
(露光装置)
フォトレジスト膜の露光工程で使用する露光装置としては、例えば、図6に示す装置を用いることができる。この装置は、図6に示すように、フォトレジスト膜が形成された基板150を表面に吸着して保持するための平板状のステージ152を備えている。4本の脚部154に支持された厚い板状の設置台156の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた2本のガイド158が設置されている。ステージ152は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド158によって往復移動可能に支持されている。なお、この露光装置には、ステージ152をガイド158に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【0039】
設置台156の中央部には、ステージ152の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート160が設けられている。コ字状のゲート160の端部の各々は、設置台156の両側面に固定されている。このゲート160を挟んで一方の側にはスキャナ162が設けられ、他方の側には基板150の先端及び後端を検知する複数(例えば、2個)の検知センサ164が設けられている。スキャナ162及び検知センサ164はゲート160に各々取り付けられて、ステージ152の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ162及び検知センサ164は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【0040】
スキャナ162は、図7及び図8(B)に示すように、m行n列(例えば、3行5列)の略マトリックス状に配列された複数(例えば、14個)の露光ヘッド166を備えている。この例では、基板150の幅との関係で、3行目には4個の露光ヘッド166を配置した。なお、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドを示す場合は、露光ヘッド166mnと表記する。
【0041】
露光ヘッド166による露光エリア168は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ152の移動に伴い、基板150上に形成されたフォトレジスト膜には露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。なお、m行目のn列目に配列された個々の露光ヘッドによる露光エリアを示す場合は、露光エリア168mnと表記する。
【0042】
また、図8(A)及び(B)に示すように、帯状の露光済み領域170が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の露光ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔(露光エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では2倍)ずらして配置されている。このため、1行目の露光エリア16811と露光エリア16812との間の露光できない部分は、2行目の露光エリア16821と3行目の露光エリア16831とにより露光することができる。
【0043】
露光ヘッド16611〜166mn各々は、図9、図10(A)及び(B)に示すように、入射された光ビームを微小流露の形成パターンを表す画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)50を備えている。このDMD50は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各露光ヘッド166毎にDMD50の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各露光ヘッド166毎にDMD50の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御に付いては後述する。
【0044】
DMD50の光入射側には、光ファイバの出射端部(発光点)が露光エリア168の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してDMD上に集光させるレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をDMD50に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。
【0045】
レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を平行光化する1対の組合せレンズ71、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する1対の組合せレンズ73、及び光量分布が補正されたレーザ光をDMD上に集光する集光レンズ75で構成されている。組合せレンズ73は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正する。
【0046】
また、DMD50の光反射側には、DMD50で反射されたレーザ光を基板150上に形成されたフォトレジスト膜の走査面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が配置されている。レンズ系54及び58は、DMD50と被露光面56とが共役な関係となるように配置されている。
【0047】
DMD50は、図11示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、微小ミラー(マイクロミラー)62が支柱により支持されて配置されたものであり、画素(ピクセル)を構成する多数の(例えば、600個×800個)の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー62が設けられており、マイクロミラー62の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー62の反射率は90%以上である。また、マイクロミラー62の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのCMOSのSRAMセル60が配置されており、全体はモノリシック(一体型)に構成されている。
【0048】
DMD50のSRAMセル60にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー62が、対角線を中心としてDMD50が配置された基板側に対して±α度(例えば±10度)の範囲で傾けられる。図12(A)は、マイクロミラー62がオン状態である+α度に傾いた状態を示し、図12(B)は、マイクロミラー62がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、DMD50の各ピクセルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図11に示すように制御することによって、DMD50に入射された光はそれぞれのマイクロミラー62の傾き方向へ反射される。
【0049】
なお、図11には、DMD50の一部を拡大し、マイクロミラー62が+α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー62のオンオフ制御は、DMD50に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー62により光ビームが反射される方向には、光吸収体(図示せず)が配置されている。
【0050】
また、DMD50は、その短辺が副走査方向と所定角度θ(例えば、1°〜5°)を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図13(A)はDMD50を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像(露光ビーム)53の走査軌跡を示し、図13(B)はDMD50を傾斜させた場合の露光ビーム53の走査軌跡を示している。
【0051】
DMD50には、長手方向にマイクロミラーが多数個(例えば、800個)配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組(例えば、600組)配列されているが、図13(B)に示すように、DMD50を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる露光ビーム53の走査軌跡(走査線)のピッチP2が、DMD50を傾斜させない場合の走査線のピッチP1より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、DMD50の傾斜角は微小であるので、DMD50を傾斜させた場合の走査幅W2と、DMD50を傾斜させない場合の走査幅W1とは略同一である。
【0052】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねて露光(多重露光)されることになる。このように、多重露光されることで、露光位置の微少量をコントロールすることができ、高精細な露光を実現することができる。また、主走査方向に配列された複数の露光ヘッドの間のつなぎ目を微少量の露光位置制御により段差無くつなぐことができる。
【0053】
なお、DMD50を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【0054】
ファイバアレイ光源66は、図14(A)に示すように、複数(例えば、6個)のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31が結合され、図14(C)に示すように、光ファイバ31の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されている。なお、図14(D)に示すように、発光点を主走査方向に沿って2列に配列することもできる。
【0055】
光ファイバ31の出射端部は、図14(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が窒素ガス等の不活性ガス若しくは微量の酸素ガスを含む不活性ガスで密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置して光密度を低下させることにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0056】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0057】
このような光ファイバは、例えば、図15に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバは、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0058】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、露光ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0059】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、NA=0.2、入射端面コートの透過率=99.5%以上であり、光ファイバ31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0060】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0061】
但し、光ファイバ31のクラッド径は60μmには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は125μmであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は80μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、40μm以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも3〜4μm必要であることから、光ファイバ31のクラッド径は10μm以上が好ましい。
【0062】
レーザモジュール64は、図16に示す合波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配列固定された複数(例えば、7個)のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのGaN系半導体レーザLD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6,及びLD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。クラッド径=60μm、コア径=50μm、NA=0.2のマルチモード光ファイバには、20個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、露光ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【0063】
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは100mW、シングルモードレーザでは30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【0064】
上記の合波レーザ光源は、図17及び図18に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0065】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【0066】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40の横壁面には開口が形成され、この開口を通してGaN系半導体レーザLD1〜LD7に駆動電流を供給する配線47がパッケージ外に引き出されている。
【0067】
なお、図18においては、図の煩雑化を避けるために、複数のGaN系半導体レーザのうちGaN系半導体レーザLD7にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ17にのみ番号を付している。
【0068】
図19は、上記コリメータレンズ11〜17の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ11〜17の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1〜LD7の発光点の配列方向(図19の左右方向)と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【0069】
一方、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、発光幅が2μmの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば10°、30°の状態で各々レーザビームB1〜B7を発するレーザが用いられている。これらGaN系半導体レーザLD1〜LD7は、活性層と平行な方向に発光点が1列に並ぶように配設されている。
【0070】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向(長さ方向と直交する方向)と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビームB1〜B7の水平方向、垂直方向のビーム径は各々0.9mm、2.6mmである。また、コリメータレンズ11〜17の各々は、焦点距離f1=3mm、NA=0.6、レンズ配置ピッチ=1.25mmである。
【0071】
集光レンズ20は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ11〜17の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ20は、焦点距離f2=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【0072】
次に、上記露光装置の動作について説明する。
【0073】
スキャナ162の各露光ヘッド166において、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0074】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結合された光ファイバ31から出射する。
【0075】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mWの場合には、アレイ状に配列された光ファイバ31の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。従って、6本の光ファイバ31がアレイ状に配列されたレーザ出射部68での出力は約1W(=180mW×6)である。
【0076】
ファイバアレイ光源66のレーザ出射部68には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザ光を1本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば1列でも所望の出力を得ることができる。
【0077】
例えば、半導体レーザと光ファイバを1対1で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力30mW(ミリワット)程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径50μm、クラッド径125μm、NA(開口数)0.2のマルチモード光ファイバが使用されているので、約1W(ワット)の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを48本(8×6)束ねなければならず、発光領域の面積は0.62mm2(0.675mm×0.925mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は1.6×106(W/m2)、光ファイバ1本当りの輝度は3.2×106(W/m2)である。
【0078】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ6本で約1Wの出力を得ることができ、レーザ出射部68での発光領域の面積は0.0081mm2(0.325mm×0.025mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は123×106(W/m2)となり、従来に比べ約80倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ1本当りの輝度は90×106(W/m2)であり、従来に比べ約28倍の高輝度化を図ることができる。
【0079】
ここで、図20(A)及び(B)を参照して、従来の露光ヘッドと本実施の形態の露光ヘッドとの焦点深度の違いについて説明する。従来の露光ヘッドのバンドル状ファイバ光源の発光領域の副走査方向の径は0.675mmであり、本実施の形態の露光ヘッドのファイバアレイ光源の発光領域の副走査方向の径は0.025mmである。図20(A)に示すように、従来の露光ヘッドでは、光源(バンドル状ファイバ光源)1の発光領域が大きいので、DMD3へ入射する光束の角度が大きくなり、結果として走査面5へ入射する光束の角度が大きくなる。このため、集光方向(ピント方向のずれ)に対してビーム径が太りやすい。
【0080】
一方、図20(B)に示すように、本実施の形態の露光ヘッドでは、ファイバアレイ光源66の発光領域の副走査方向の径が小さいので、レンズ系67を通過してDMD50へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として走査面56へ入射する光束の角度が小さくなる。即ち、焦点深度が深くなる。この例では、発光領域の副走査方向の径は従来の約30倍になっており、略回折限界に相当する焦点深度を得ることができる。従って、微小スポットの露光に好適である。この焦点深度への効果は、露光ヘッドの必要光量が大きいほど顕著であり、有効である。この例では、露光面に投影された1画素サイズは10μm×10μmである。なお、DMDは反射型の空間変調素子であるが、図20(A)及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【0081】
露光パターンに応じた画像データが、DMD50に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を2値(ドットの記録の有無)で表したデータである。
【0082】
フォトレジスト膜が形成された基板150を表面に吸着したステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ152がゲート160下を通過する際に、ゲート160に取り付けられた検知センサ164により基板150の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各露光ヘッド166毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各露光ヘッド166毎にDMD50のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【0083】
ファイバアレイ光源66からDMD50にレーザ光が照射されると、DMD50のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系54、58により基板150上に形成されたフォトレジスト膜の被露光面56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、フォトレジスト膜がDMD50の使用画素数と略同数の画素単位(露光エリア168)で露光される。また、基板150がステージ152と共に一定速度で移動されることにより、基板150上に形成されたフォトレジスト膜がスキャナ162によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各露光ヘッド166毎に帯状の露光済み領域170が形成される。
【0084】
スキャナ162によるフォトレジスト膜の副走査が終了し、検知センサ164で基板150の後端が検出されると、ステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【0085】
以上説明した通り、本実施の形態では、フォトレジスト膜の露光工程において、DMD等の空間光変調素子を用いているので、微小流路の形成パターンに応じてレーザ光を画素毎に変調することができ、変調されたレーザ光でフォトレジスト膜を高速且つ高精細に露光することができる。このように、露光工程において、任意パターンでのフォトレジスト膜の高速且つ高精細な露光が可能であることから、次のパターン化工程及びエッチング工程を経て、任意のパターンの微小流路を高速且つ高精度に形成することができる。
【0086】
上記の通り、任意のパターンでの露光が可能であることから、複雑なパターンの微小流路を容易に形成することができる。また、高速露光が可能であることから、大面積のガラス基板に短時間で微小流路を形成することができる。更に、デジタル露光であるためパターン毎のマスクが不要であり、低コストに微小流路を形成することができる。
【0087】
また、フォトレジスト膜に、DFRや電着レジストを用いるので、半導体製造プロセスで使用されているレジストに比べて厚膜化が可能で、厚さ10μm〜40μmのフォトレジスト膜を形成することができる。このように、フォトレジスト膜を厚膜化することで、エッチングにより深溝の微小流路を精度良く形成することができる。
【0088】
また、フォトレジスト膜を複数層積層して、更に厚膜化を図ることができる。この場合は、デジタル露光のスケーリング機能を用いて、複数積層されたフォトレジスト膜の同じ位置を露光することができる。
【0089】
また、本実施の形態では、露光装置において、合波レーザ光源を用いてファイバアレイ光源を構成すると共に、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくしているので、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源の高輝度化が図られる。これにより、深い焦点深度のレーザ光でフォトレジスト膜を、更に高精細に露光することができる。例えば、ビーム径1μm以下、解像度0.1μm以下の超高解像度での露光が可能であり、溝幅10μm〜50μmの微小流路を精度良く形成するのに十分である。
【0090】
以下、本実施の形態の変形例について説明する。
[高速駆動方法]
通常、DMDには、主走査方向にマイクロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に600組配列されているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列(例えば、800個×10列)だけが駆動されるように制御してもよい。DMDのデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して1ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで1ライン当りの変調速度が速くなる。これにより露光時間を短縮できる。一方、連続的に照射ヘッドを露光面に対して相対移動させる走査方式の場合には、副走査方向の画素を全部使用する必要はない。
【0091】
例えば、600組のマイクロミラー列の内、300組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り2倍速く変調することができる。また、600組のマイクロミラー列の内、200組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り3倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を17秒でレーザ照射できる。更に、100組だけ使用する場合には、1ライン当り6倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を9秒でレーザ照射できる。
【0092】
使用するマイクロミラー列の数、即ち、副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、10以上で且つ200以下が好ましく、10以上で且つ100以下がより好ましい。1画素に相当するマイクロミラー1個当りの面積は15μm×15μmであるから、DMDの使用領域に換算すると、12mm×150μm以上で且つ12mm×3mm以下の領域が好ましく、12mm×150μm以上で且つ12mm×1.5mm以下の領域がより好ましい。
【0093】
使用するマイクロミラー列の数が上記範囲にあれば、図10に示すように、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光をレンズ系67で略平行光化して、DMD50に照射することができる。これにより、DMD50を効率良く且つ均一に照明することができると共に、長焦点深度化を図ることができる。なお、DMD50によりレーザ光を照射する照射領域は、DMD50の使用領域と一致することが好ましい。照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が低下する。
【0094】
一方、DMD50上に集光させる光ビームの副走査方向の径を、レンズ系67により副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必要があるが、使用するマイクロミラー列の数が10未満であると、DMD50に入射する光束の角度が大きくなり、走査面56における光ビームの焦点深度が浅くなるので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の数が200以下が変調速度の観点から好ましい。
【0095】
[マイクロチップの他の製造方法]
上記の実施の形態では、マイクロチップを構成する基板に、直接、微小流路を形成する例について説明したが、型作製用の基板に微小流路を形成して型を作製し、この型を用いたスタンピングやガラスモールドにより、微小流路を備えたマイクロチップを製造することもできる。
【0096】
[微小流路を備えたマイクロチップ]
上記の実施の形態では、合成反応用マイクロチップを製造する例について説明したが、本発明の微小流路の形成方法は、微小流路を備えた他種類のマイクロチップを製造する場合にも適用することができる。
【0097】
他種類のマイクロチップとしては、癌診断チップ、細胞生化学チップ、環境計測チップ、クロマトグラフィチップ、電気泳動チップ、プロテインチップ、免疫分析チップ等が挙げられる。これらのチップは各チップの機能に応じて微小流路の形成パターンが異なっているが、本発明の微小流路の形成方法によれば、微小流路の形成パターンに応じたデジタル露光によりエッチングマスクを形成することができるので、多品種生産への対応が容易である。また、複数の機能を備えた微小流路を形成することも容易である。
【0098】
また、本発明の微小流路の形成方法は、ラボオンチップの微小流路に限らず、基板上に微細な溝を形成する方法として広く使用することができる。
【0099】
[他の空間変調素子]
上記の実施の形態では、空間変調素子としてDMDを備えた露光ヘッドを使用する例について説明したが、例えば、グレーティング・ライト・バルブ(GLV)等の他のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間変調素子(SLM;Spacial Light Modulator)や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子(PLZT素子)や液晶光シャッタ(FLC)等、MEMSタイプ以外の空間変調素子を用いることができる。
【0100】
なお、MEMSとは、IC製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、MEMSタイプの空間変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を意味している。
【0101】
[他のレーザ装置(光源)]
上記の実施の形態では、レーザ光源を複数備えたファイバアレイ光源を用いる例について説明したが、レーザ装置は、合波レーザ光源をアレイ化したファイバアレイ光源には限定されない。例えば、1個の発光点を有する単一の半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する1本の光ファイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源を用いることができる。
【0102】
(レーザアレイ)
また、複数の発光点を備えた光源としては、例えば、図21に示すように、ヒートブロック100上に、複数(例えば、7個)のチップ状の半導体レーザLD1〜LD7を配列したレーザアレイを用いることができる。
【0103】
(マルチキャビティレーザ)
また、図22(A)に示す、複数(例えば、5個)の発光点110aが所定方向に配列されたチップ状のマルチキャビティレーザ110が知られている。マルチキャビティレーザ110は、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できるので、各発光点から出射されるレーザビームを合波し易い。但し、発光点が多くなるとレーザ製造時にマルチキャビティレーザ110に撓みが発生し易くなるため、発光点110aの個数は5個以下とするのが好ましい。
【0104】
本実施の形態の露光ヘッドでは、このマルチキャビティレーザ110や、図22(B)に示すように、ヒートブロック100上に、複数のマルチキヤビティレーザ110が各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されたマルチキャビティレーザアレイを、レーザ装置(光源)として用いることができる。
【0105】
(マルチキャビティレーザを用いた合波レーザ光源)
また、合波レーザ光源は、複数のチップ状の半導体レーザから出射されたレーザ光を合波するものには限定されない。例えば、図23に示すように、複数(例えば、3個)の発光点110aを有するチップ状のマルチキャビティレーザ110を備えた合波レーザ光源を用いることができる。この合波レーザ光源は、マルチキャビティレーザ110と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。マルチキャビティレーザ110は、例えば、発振波長が405nmのGaN系レーザダイオードで構成することができる。
【0106】
上記の構成では、マルチキャビティレーザ110の複数の発光点110aの各々から出射したレーザビームBの各々は、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光ファイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光ファイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0107】
マルチキャビテイレーザ110の複数の発光点110aを、上記マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい幅内に並設すると共に、集光レンズ120として、マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい焦点距離の凸レンズや、マルチキャビティレーザ110からの出射ビームをその活性層に垂直な面内のみでコリメートするロッドレンズを用いることにより、レーザビームBのマルチモード光ファイバ130への結合効率を上げることができる。
【0108】
(マルチキャビティレーザアレイを用いた合波レーザ光源)
また、図24に示すように、複数(例えば、3個)の発光点を備えたマルチキャビティレーザ110を用い、ヒートブロック111上に複数(例えば、9個)のマルチキャビティレーザ110が互いに等間隔で配列されたレーザアレイ140を備えた合波レーザ光源を用いることができる。複数のマルチキヤビティレーザ110は、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されて固定されている。
【0109】
この合波レーザ光源は、レーザアレイ140と、各マルチキヤピティレーザ110に対応させて配置した複数のレンズアレイ114と、レーザアレイ140と複数のレンズアレイ114との間に配置された1本のロッドレンズ113と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。レンズアレイ114は、マルチキヤピティレーザ110の発光点に対応した複数のマイクロレンズを備えている。
【0110】
上記の構成では、複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点10aの各々から出射したレーザビームBの各々は、ロッドレンズ113により所定方向に集光された後、レンズアレイ114の各マイクロレンズにより平行光化される。平行光化されたレーザビームLは、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0111】
(多段構成の合波レーザ光源)
更に他の合波レーザ光源の例を示す。この合波レーザ光源は、図25(A)及び(B)に示すように、略矩形状のヒートブロック180上に光軸方向の断面がL字状のヒートブロック182が搭載され、2つのヒートブロック間に収納空間が形成されている。L字状のヒートブロック182の上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に等間隔で配列されて固定されている。
【0112】
略矩形状のヒートブロック180には凹部が形成されており、ヒートブロック180の空間側上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、その発光点がヒートブロック182の上面に配置されたレーザチップの発光点と同じ鉛直面上に位置するように配置されている。
【0113】
マルチキャビティレーザ110のレーザ光出射側には、各チップの発光点110aに対応してコリメートレンズが配列されたコリメートレンズアレイ184が配置されている。コリメートレンズアレイ184は、各コリメートレンズの長さ方向とレーザビームの拡がり角が大きい方向(速軸方向)とが一致し、各コリメートレンズの幅方向が拡がり角が小さい方向(遅軸方向)と一致するように配置されている。このように、コリメートレンズをアレイ化して一体化することで、レーザ光の空間利用効率が向上し合波レーザ光源の高出力化が図られると共に、部品点数が減少し低コスト化することができる。
【0114】
また、コリメートレンズアレイ184のレーザ光出射側には、1本のマルチモード光ファイバ130と、このマルチモード光ファイバ130の入射端にレーザビームを集光して結合する集光レンズ120と、が配置されている。
【0115】
上記の構成では、レーザブロック180、182上に配置された複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点10aの各々から出射したレーザビームBの各々は、コリメートレンズアレイ184により平行光化され、集光レンズ120によって集光されて、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0116】
この合波レーザ光源は、上記の通り、マルチキャビティレーザの多段配置とコリメートレンズのアレイ化とにより、特に高出力化を図ることができる。この合波レーザ光源を用いることにより、より高輝度なファイバアレイ光源やバンドルファイバ光源を構成することができるので、本発明の露光装置のレーザ光源を構成するファイバ光源として特に好適である。
【0117】
なお、上記の各合波レーザ光源をケーシング内に収納し、マルチモード光ファイバ130の出射端部をそのケーシングから引き出したレーザモジュールを構成することができる。
【0118】
また、上記の実施の形態では、合波レーザ光源のマルチモード光ファイバの出射端に、コア径がマルチモード光ファイバと同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバより小さい他の光ファイバを結合してファイバアレイ光源の高輝度化を図る例について説明したが、例えば、クラッド径が125μm、80μm、60μm等のマルチモード光ファイバを、出射端に他の光ファイバを結合せずに使用してもよい。
【0119】
[他の結像光学系]
上記の実施の形態では、露光ヘッドに使用するDMDの光反射側に、結像光学系として2組のレンズを配置したが、レーザ光を拡大して結像する結像光学系を配置してもよい。DMDにより反射される光束線の断面積を拡大することで、被露光面における露光エリア面積(画像領域)を所望の大きさに拡大することができる。
【0120】
例えば、露光ヘッドを、図26(A)に示すように、DMD50、DMD50にレーザ光を照射する照明装置144、DMD50で反射されたレーザ光を拡大して結像するレンズ系454、458、DMD50の各画素に対応して多数のマイクロレンズ474が配置されたマイクロレンズアレイ472、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに対応して多数のアパーチャ478が設けられたアパーチャアレイ476、アパーチャを通過したレーザ光を被露光面56に結像するレンズ系480、482で構成することができる。
【0121】
この露光ヘッドでは、照明装置144からレーザ光が照射されると、DMD50によりオン方向に反射される光束線の断面積が、レンズ系454、458により数倍(例えば、2倍)に拡大される。拡大されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光され、アパーチャアレイ476の対応するアパーチャを通過する。アパーチャを通過したレーザ光は、レンズ系480、482により被露光面56上に結像される。
【0122】
この結像光学系では、DMD50により反射されたレーザ光は、拡大レンズ454、458により数倍に拡大されて被露光面56に投影されるので、全体の画像領域が広くなる。このとき、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476が配置されていなければ、図26(B)に示すように、被露光面56に投影される各ビームスポットBSの1画素サイズ(スポットサイズ)が露光エリア468のサイズに応じて大きなものとなり、露光エリア468の鮮鋭度を表すMTF(Modulation Transfer Function)特性が低下する。
【0123】
一方、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476を配置した場合には、DMD50により反射されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光される。これにより、図26(C)に示すように、露光エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットBSのスポットサイズを所望の大きさ(例えば、10μm×10μm)に縮小することができ、MTF特性の低下を防止して高精細な露光を行うことができる。なお、露光エリア468が傾いているのは、画素間の隙間を無くす為にDMD50を傾けて配置しているからである。
【0124】
また、マイクロレンズの収差によるビームの太りがあっても、アパーチャによって被露光面56上でのスポットサイズが一定の大きさになるようにビームを整形することができると共に、各画素に対応して設けられたアパーチャを通過させることにより、隣接する画素間でのクロストークを防止することができる。
【0125】
更に、照明装置144に上記実施の形態と同様に高輝度光源を使用することにより、レンズ458からマイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに入射する光束の角度が小さくなるので、隣接する画素の光束の一部が入射するのを防止することができる。即ち、高消光比を実現することができる。
【0126】
【発明の効果】
本発明の微小流路の形成方法によれば、微小流路を高速且つ高精度に形成することができる、という効果が得られる。また、任意のパターンの微小流路を低コストで形成することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】合成反応用マイクロチップの構成を示す斜視図である。
【図2】(A)〜(G)は、図1に示す合成反応用マイクロチップの製造工程を順を追って示す断面図である。
【図3】(A)〜(C)は、レジスト膜の厚膜化の例を断面図である。
【図4】(A)及び(B)はレジスト膜の厚膜化に従いエッチング精度が向上することを説明するための説明図である。
【図5】テーパ状にパターニングされたレジスト膜を示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態で使用する露光装置の外観を示す斜視図である。
【図7】図6に示す露光装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図8】(A)はフォトレジスト膜に形成される露光済み領域を示す平面図であり、(B)は各露光ヘッドによる露光エリアの配列を示す図である。
【図9】図6に示す露光装置の露光ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図10】(A)は図9に示す露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った副走査方向の断面図であり、(B)は(A)の側面図である。
【図11】デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)の構成を示す部分拡大図である。
【図12】(A)及び(B)はDMDの動作を説明するための説明図である。
【図13】(A)及び(B)は、DMDを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、露光ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図14】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(Aの部分拡大図であり、(C)及び(D)はレーザ出射部における発光点の配列を示す平面図である。
【図15】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図16】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図17】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図18】図17に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図19】図17に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図20】(A)及び(B)は、従来の露光装置における焦点深度と、本実施の形態で使用する露光装置における焦点深度との相違を示す光軸に沿った断面図である。
【図21】レーザアレイの構成を示す斜視図である。
【図22】(A)はマルチキャビティレーザの構成を示す斜視図であり、(B)は(A)に示すマルチキャビティレーザをアレイ状に配列したマルチキャビティレーザアレイの斜視図である。
【図23】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図24】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図25】(A)は合波レーザ光源の他の構成を示す平面図であり、(B)は(A)の光軸に沿った断面図である。
【図26】(A)は結合光学系の異なる他の露光ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図であり、(B)はマイクロレンズアレイ等を使用しない場合に被露光面に投影される光像を示す平面図であり、(C)はマイクロレンズアレイ等を使用した場合に被露光面に投影される光像を示す平面図である。
【符号の説明】
LD1〜LD7 GaN系半導体レーザ
10 ヒートブロック
11〜17 コリメータレンズ
20 集光レンズ
30 マルチモード光ファイバ
50 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)
53 反射光像(露光ビーム)
54、58 レンズ系
56 走査面(被露光面)
64 レーザモジュール
66 ファイバアレイ光源
68 レーザ出射部
73 組合せレンズ
150 基板
152 ステージ
162 スキャナ
166 露光ヘッド
168 露光エリア
170 露光済み領域
202 保護基板
204a、204b 注入口
206 排出口
208 微小流路
210 合流点
212 フォトレジスト膜
214 露光部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a microchannel, and more particularly, to a method for forming a microchannel in a microchip used in the field of microchemistry.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a prominent apparatus technology called Laboratory on a Chip that integrates a system that performs mixing, reaction, separation, and detection of solutions on a glass substrate of several centimeters square using micromachining technology. It has been studied. The lab-on-chip is also referred to as a micro TAS (Micro Total Analysis System), a microreactor, or the like depending on the system to be integrated.
[0003]
Usually, a lab-on-chip is provided with a microchannel having a groove width of several tens to several hundreds of μm formed on a substrate having a thickness of about 1 mm, and the solution is mixed in the microchannel. Since the specific interfacial area is increased in the microchannel, it is possible to efficiently mix and react the solutions, such as those that are difficult to react due to the size effect and those that are difficult to mix are mixed. By setting the groove width of the microchannel to 10 μm to 50 μm, the channel resistance can be made relatively small, and a good size effect can be obtained. In addition, since the shape of the micro flow channel has a great influence on the fluid feeding characteristics of the fluid, it is preferable that the micro flow channel has a smooth wall surface and is manufactured with high accuracy.
[0004]
Conventionally, the lab-on-chip micro-channel is a semiconductor processing technology in which the substrate surface is coated with a resist film, the resist film is patterned by photolithography using ultraviolet rays or electron beams, and then the substrate is etched using this as a mask. It is formed using. Photolithography is performed using a contact exposure apparatus used in a semiconductor manufacturing process. The exposure method is an analog exposure method using a mask aligner, and it has been difficult to expose a large area such as 1 square meter at high speed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method for forming a microchannel has a problem in that it is difficult to form the microchannel with high accuracy because the patterning is performed by mask exposure, which limits the thickness of the photoresist film. . In other words, if the photoresist film is thin, side etching is likely to occur when the substrate is etched, so that the accuracy of the groove width is lowered and a sufficient groove depth cannot be achieved.
[0006]
Further, in mask exposure, a high-precision glass mask or the like is required for each pattern, so that there is a problem that the cost is increased, and it is difficult to increase the area, and at the same time, it is not suitable for small-quantity multi-product production.
[0007]
On the other hand, it is conceivable that the photolithography process is performed by a digital exposure method. However, since a conventional digital exposure apparatus using ultraviolet rays performs scanning exposure with a single beam, the exposure time is too long. In particular, in the case of high-definition exposure with a beam diameter of 10 μm or less and an addressability of about 1 μm, there is a problem that the exposure time is too long.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for forming a microchannel that can form a microchannel with high speed and high accuracy. Another object of the present invention is to provide a method of forming a microchannel that can form a microchannel of an arbitrary pattern at a low cost.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for forming a microchannel according to
[0010]
In this microchannel forming method, since laser light having a wavelength of 350 nm to 450 nm is used, there is no need to use an optical system of a special material corresponding to ultraviolet rays. A spatial light modulation element can be used. Thereby, it is possible to expose the resist film with the laser beam spatially modulated according to the formation pattern data of the microchannel. That is, high-speed and high-definition digital exposure of the resist film in an arbitrary pattern is possible.
[0011]
Thus, in the exposure process, high-speed and high-definition exposure of the resist film in an arbitrary pattern is possible, and therefore, through the following patterning process and etching process, a minute flow path of an arbitrary pattern is processed at high speed and high. It can be formed with high accuracy. In addition, since it is digital exposure, a mask for each pattern is unnecessary, and a minute flow path can be formed at low cost.
[0012]
In the above exposure process, a laser light source for irradiating a laser beam and a large number of pixel portions whose light modulation states change in response to control signals are arranged in a matrix on the substrate, and the laser irradiated from the laser device. An exposure head including a spatial light modulation element that modulates light and an optical system that forms an image on the exposure surface of laser light modulated by each pixel unit can be used. The resist film formed on the substrate can be scanned and exposed by moving the exposure head relative to the exposure surface of the resist film in a direction crossing a predetermined direction.
[0013]
In order to expose the resist film with higher definition, the spatial light modulator is arranged with a slight inclination so that the arrangement direction of the pixel portions forms a predetermined angle θ with the direction perpendicular to the sub-scanning direction, and multiple exposure is performed. It is preferable. Thereby, high-definition exposure with a beam diameter of 10 μm and addressability of 1 μm is possible. The inclination angle θ is preferably in the range of 1 ° to 5 °.
[0014]
Further, it is more preferable that a microlens array provided with a microlens provided corresponding to each pixel portion of the spatial modulation element and condensing laser light for each pixel is disposed on the emission side of the spatial modulation element. . When the microlens array is arranged, the laser light modulated by each pixel portion of the spatial modulation element is condensed corresponding to each pixel by each microlens of the microlens array. Even when the area is enlarged, the size of each beam spot can be reduced, and high-definition exposure can be performed. By using this reduction optical system, ultrahigh-definition exposure can be performed with a beam diameter of 1 μm and an addressability of 0.1 μm.
[0015]
Thus, by exposing the resist film with high definition, it is possible to form a very smooth wall surface of the minute flow path, and to reduce the flow path resistance and obtain a good size effect.
[0016]
In order to form the microchannel with high accuracy, the resist film is preferably thick. When forming a micro flow channel having a groove width of 10 μm to 50 μm, the thickness of the resist film is preferably 10 μm to 50 μm, and more preferably 10 μm to 100 μm. In particular, it is more preferable to expose the resist film in two layers. Since the resist film is digitally exposed, it is possible to correct the elongation at the time of exposure by the digital scaling function, and the alignment of the exposure position of the first layer and the exposure position of the second layer can be realized with high accuracy. As a result, it is possible to perform patterning with a high accuracy and a high aspect ratio with a resist film having a thickness twice that of the prior art, and it is possible to form a deep microchannel with high accuracy by etching. The aspect ratio is the ratio a / b of the groove depth b to the groove width a of the groove formed in the resist film.
[0017]
In the exposure step of the above forming method, the resist film can be exposed with higher accuracy by performing exposure at a deep focal depth using a high-intensity light source. As the high-intensity light source, a combined laser light source that combines a plurality of laser beams and enters each of the optical fibers is suitable. In addition, a high-power laser light source is necessary for exposure of the thickened resist film. A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 350 to 450 nm is difficult to increase the output with a single element, but can increase the output by multiplexing.
[0018]
The combined laser light source, for example, (1) condenses laser light emitted from each of the plurality of semiconductor lasers, one optical fiber, and the plurality of semiconductor lasers, and collects the condensed beam of the optical fiber. A condensing optical system coupled to the incident end, (2) a multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, one optical fiber, and laser light emitted from each of the light emitting points And (3) a plurality of multi-cavity lasers, a single optical fiber, and the plurality of multi-fibers. And a condensing optical system that condenses laser light emitted from each of the plurality of light emitting points of the cavity laser and couples the condensing beam to the incident end of the optical fiber.
[0019]
The light emitting points at the emission end of the optical fiber of the above combined laser light source can be arranged in an array to form a fiber array light source, or the light emitting points can be arranged in a bundle to form a fiber bundle light source. Higher output can be achieved by bundling or arraying. From the viewpoint of increasing the brightness, it is preferable to use an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the exit end smaller than that at the entrance end.
[0020]
The cladding diameter at the exit end of the optical fiber is preferably smaller than 125 μm, more preferably 80 μm or less, and particularly preferably 60 μm or less from the viewpoint of reducing the diameter of the light emitting point. An optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the output end smaller than the cladding diameter at the input end can be configured by, for example, combining a plurality of optical fibers having the same core diameter but different cladding diameters. Further, by configuring the plurality of optical fibers so as to be detachable with connectors, the replacement becomes easy when the light source module is partially damaged.
[0021]
In particular, in the case where the spatial light modulator is tilted as described above and ultra-high-definition exposure is performed using a reduction optical system, the above-described high-intensity fiber array light source or fiber bundle light source is used, so that Thus, there is no beam thickening on the resist surface and in the resist, and patterning with higher accuracy and higher aspect ratio becomes possible. In addition, smooth patterning is also possible when forming an oblique channel with inclined wall surfaces.
[0022]
In the above exposure process, for example, the laser light is irradiated to the spatial light modulation elements arranged on the substrate with a large number of pixel portions whose light modulation states change according to the control signals. Modulated in the pixel portion.
[0023]
As the spatial modulation element, a micromirror device (DMD) configured by two-dimensionally arranging a large number of micromirrors each capable of changing the angle of the reflecting surface according to a control signal on a substrate (for example, a silicon substrate). A digital micromirror device). In addition, the spatial modulation element is configured by arranging in parallel a large number of movable gratings each having a ribbon-like reflecting surface and movable in accordance with a control signal and fixed gratings having a ribbon-like reflecting surface. A one-dimensional grating light valve (GLV) may be used. Alternatively, a liquid crystal shutter array in which a large number of liquid crystal cells capable of blocking transmitted light according to each control signal are two-dimensionally arranged on a substrate may be used.
[0024]
On the emission side of these spatial modulation elements, it is preferable to arrange a microlens array provided with a microlens provided corresponding to each pixel portion of the spatial modulation element and condensing laser light for each pixel. When the microlens array is arranged, the laser light modulated by each pixel portion of the spatial modulation element is condensed corresponding to each pixel by each microlens of the microlens array. Even when the area is enlarged, the size of each beam spot can be reduced, and even when the area is increased, high-definition exposure can be performed.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment for producing a microchip for synthesis reaction using the method for forming a microchannel of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Microchip for synthesis reaction]
As shown in FIG. 1, the microchip for synthesis reaction is configured by superposing a
[0026]
When a reagent is injected into each of the
[0027]
[Microchip manufacturing method]
Next, a method for producing the microchip for synthesis reaction will be described with reference to FIG. This manufacturing method includes an exposure process for exposing a photoresist film, a patterning process for partially removing the photoresist film and patterning, an etching process for etching a substrate to form a microchannel, A bonding step of bonding the substrate on which the path is formed and the protective substrate. Hereinafter, each process will be described.
[0028]
As shown in FIG. 2A, after a
[0029]
Then, as shown in FIG. 2 (D), the patterned
[0030]
Next, as shown in FIG. 2F, through holes to be the
[0031]
Note that in the case where the
[0032]
[Exposure of photoresist film]
Next, the exposure process of the photoresist film will be described in detail. In this exposure step, a spatial light modulation element is used to modulate laser light having a wavelength of 350 nm to 450 nm in accordance with micro-channel formation pattern data, and the
[0033]
(Photoresist film)
As the
[0034]
Further, by stacking a plurality of photoresist films, a further increase in thickness can be achieved. In this case, as shown in FIG. 3A, a first photoresist film 212a is formed, and a
[0035]
Further, by thickening the
[0036]
When forming a micro flow channel having a groove width of 10 μm to 50 μm, the thickness of the
[0037]
Further, in the case where the microchannel is formed by wet etching using an etching solution, as shown in FIG. 5, an
[0038]
(Exposure equipment)
As an exposure apparatus used in the exposure process of the photoresist film, for example, an apparatus shown in FIG. 6 can be used. As shown in FIG. 6, this apparatus includes a
[0039]
A
[0040]
As shown in FIGS. 7 and 8B, the
[0041]
An
[0042]
Also, as shown in FIGS. 8A and 8B, each of the exposure heads in each row arranged in a line so that the strip-shaped exposed
[0043]
[0044]
On the light incident side of the
[0045]
The
[0046]
Further, on the light reflection side of the
[0047]
As shown in FIG. 11, the
[0048]
When a digital signal is written in the
[0049]
FIG. 11 shows an example of a state in which a part of the
[0050]
Further, it is preferable that the
[0051]
In the
[0052]
Further, the same scanning line is overlapped and exposed (multiple exposure) by different micromirror rows. In this way, by performing multiple exposure, it is possible to control a minute amount of the exposure position and to realize high-definition exposure. Further, joints between a plurality of exposure heads arranged in the main scanning direction can be connected without a step by controlling a very small amount of exposure position.
[0053]
Note that the same effect can be obtained by arranging the micromirror rows in a staggered manner by shifting the micromirror rows by a predetermined interval in a direction orthogonal to the sub-scanning direction instead of tilting the
[0054]
As shown in FIG. 14A, the fiber
[0055]
As shown in FIG. 14B, the emission end of the
[0056]
In this example, in order to arrange the emission ends of the
[0057]
For example, as shown in FIG. 15, an
[0058]
In addition, a short optical fiber in which an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter is fused to an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter may be coupled to the output end of the multimode
[0059]
The multimode
[0060]
In general, in laser light in the infrared region, propagation loss increases as the cladding diameter of the optical fiber is reduced. For this reason, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of the laser beam. However, the shorter the wavelength, the smaller the propagation loss. In the case of laser light having a wavelength of 405 nm emitted from a GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(cladding diameter−core diameter) / 2} is set to infrared light in the wavelength band of 800 nm. The propagation loss hardly increases even if it is about ½ of the case of propagating infrared light and about ¼ of the case of propagating infrared light in the 1.5 μm wavelength band for communication. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.
[0061]
However, the cladding diameter of the
[0062]
The
[0063]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
[0064]
As shown in FIGS. 17 and 18, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped
[0065]
A
[0066]
Further, a
[0067]
In FIG. 18, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 is numbered among the plurality of GaN semiconductor lasers, and only the
[0068]
FIG. 19 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the
[0069]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, respectively, for example A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0070]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the
[0071]
The condensing
[0072]
Next, the operation of the exposure apparatus will be described.
[0073]
In each
[0074]
In this example, the
[0075]
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode
[0076]
In the
[0077]
For example, in a conventional fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled on a one-to-one basis, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is usually used as the semiconductor laser, and the core diameter is 50 μm and the cladding diameter is 125 μm. Since a multimode optical fiber having a numerical aperture (NA) of 0.2 is used, if an output of about 1 W (watt) is to be obtained, 48 multimode optical fibers (8 × 6) must be bundled. The area of the light emitting region is 0.62 mm 2 (0.675 mm × 0.925 mm), the luminance at the
[0078]
On the other hand, in this embodiment, as described above, an output of about 1 W can be obtained with six multimode optical fibers, and the area of the light emitting region at the
[0079]
Here, with reference to FIGS. 20A and 20B, the difference in depth of focus between the conventional exposure head and the exposure head of the present embodiment will be described. The diameter of the light emission region of the bundled fiber light source of the conventional exposure head is 0.675 mm, and the diameter of the light emission region of the fiber array light source of the exposure head according to the present embodiment is 0.025 mm. is there. As shown in FIG. 20A, in the conventional exposure head, since the light emitting area of the light source (bundle-shaped fiber light source) 1 is large, the angle of the light beam incident on the DMD 3 increases, and as a result, the light beam enters the scanning surface 5. The angle of the light beam increases. For this reason, the beam diameter tends to increase with respect to the light condensing direction (shift in the focus direction).
[0080]
On the other hand, as shown in FIG. 20B, in the exposure head of the present embodiment, the diameter of the light emitting region of the fiber
[0081]
Image data corresponding to the exposure pattern is input to a controller (not shown) connected to the
[0082]
The
[0083]
When the
[0084]
When the sub-scanning of the photoresist film by the
[0085]
As described above, in this embodiment, since a spatial light modulation element such as DMD is used in the exposure process of the photoresist film, the laser light is modulated for each pixel in accordance with the formation pattern of the microchannel. And the photoresist film can be exposed at high speed and with high definition by the modulated laser beam. Thus, in the exposure process, high-speed and high-definition exposure of the photoresist film in an arbitrary pattern is possible. It can be formed with high accuracy.
[0086]
As described above, since exposure with an arbitrary pattern is possible, a minute flow path with a complicated pattern can be easily formed. Moreover, since high-speed exposure is possible, a microchannel can be formed in a short time on a large-area glass substrate. Furthermore, since it is digital exposure, a mask for each pattern is unnecessary, and a micro flow path can be formed at low cost.
[0087]
Further, since DFR or electrodeposition resist is used for the photoresist film, it can be made thicker than the resist used in the semiconductor manufacturing process, and a photoresist film having a thickness of 10 μm to 40 μm can be formed. . In this way, by increasing the thickness of the photoresist film, it is possible to accurately form a minute groove having a deep groove by etching.
[0088]
Further, a plurality of photoresist films can be stacked to further increase the thickness. In this case, the same position of a plurality of stacked photoresist films can be exposed using the scaling function of digital exposure.
[0089]
In the present embodiment, the exposure apparatus uses a combined laser light source to form a fiber array light source, and the cladding diameter of the exit end of the optical fiber is made smaller than the cladding diameter of the entrance end. The diameter of the part becomes smaller, and the brightness of the fiber array light source can be increased. As a result, the photoresist film can be exposed with higher definition with a laser beam having a deep focal depth. For example, it is possible to perform exposure with an ultra-high resolution with a beam diameter of 1 μm or less and a resolution of 0.1 μm or less, which is sufficient to accurately form a microchannel having a groove width of 10 μm to 50 μm.
[0090]
Hereinafter, modifications of the present embodiment will be described.
[High-speed driving method]
Usually, in the DMD, 600 micromirror arrays in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction are arranged in the subscanning direction, but some micromirror arrays (for example, 800 × 10 6) are arranged by the controller. It may be controlled so that only the column is driven. Since the data processing speed of the DMD is limited and the modulation speed per line is determined in proportion to the number of pixels used, the modulation speed per line can be increased by using only a part of the micromirror rows. Get faster. Thereby, the exposure time can be shortened. On the other hand, in the scanning method in which the irradiation head is continuously moved relative to the exposure surface, it is not necessary to use all the pixels in the sub-scanning direction.
[0091]
For example, when only 300 sets are used in 600 micromirror rows, modulation can be performed twice as fast per line as compared to the case of using all 600 sets. Further, when only 200 sets of 600 micromirror arrays are used, modulation can be performed three times faster per line than when all 600 sets are used. That is, the laser irradiation can be performed in 17 seconds for a 500 mm region in the sub-scanning direction. Further, when only 100 sets are used, modulation can be performed 6 times faster per line. That is, the laser irradiation can be performed in 9 seconds in an area of 500 mm in the sub-scanning direction.
[0092]
The number of micromirror rows to be used, that is, the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction is preferably 10 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more and 100 or less. Since the area per micromirror corresponding to one pixel is 15 μm × 15 μm, when converted to the DMD use region, a region of 12 mm × 150 μm or more and 12 mm × 3 mm or less is preferable, 12 mm × 150 μm or more and 12 mm A region of × 1.5 mm or less is more preferable.
[0093]
If the number of micromirror arrays to be used is within the above range, the laser light emitted from the fiber
[0094]
On the other hand, the diameter of the light beam condensed on the
[0095]
[Other microchip manufacturing methods]
In the above embodiment, the example in which the microchannel is formed directly on the substrate constituting the microchip has been described. However, the mold is manufactured by forming the microchannel on the substrate for mold production, and this mold is used. A microchip having a microchannel can also be manufactured by the stamping or glass mold used.
[0096]
[Microchip with microchannel]
In the above embodiment, an example of producing a microchip for synthesis reaction has been described. However, the method for forming a microchannel of the present invention is also applicable to the case of manufacturing other types of microchips having microchannels. can do.
[0097]
Examples of other types of microchips include cancer diagnostic chips, cell biochemical chips, environmental measurement chips, chromatography chips, electrophoresis chips, protein chips, and immunoanalysis chips. These chips have different microchannel formation patterns depending on the function of each chip. However, according to the microchannel formation method of the present invention, an etching mask is formed by digital exposure according to the microchannel formation pattern. Therefore, it is easy to handle multi-product production. It is also easy to form a microchannel having a plurality of functions.
[0098]
The method for forming a microchannel of the present invention is not limited to the microchannel of a lab-on-chip, and can be widely used as a method for forming a micro groove on a substrate.
[0099]
[Other spatial modulation elements]
In the above-described embodiment, an example in which an exposure head including a DMD is used as a spatial modulation element has been described. For example, another MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type space such as a grating light valve (GLV) is used. Spatial modulators other than the MEMS type, such as a modulator (SLM; Spatial Light Modulator), an optical element (PLZT element) that modulates transmitted light by an electro-optic effect, and a liquid crystal optical shutter (FLC) can be used.
[0100]
Note that MEMS is a general term for micro systems that integrate micro-sized sensors, actuators, and control circuits based on micro-machining technology based on the IC manufacturing process. It means a spatial modulation element that is driven by the electromechanical operation used.
[0101]
[Other laser devices (light sources)]
In the above embodiment, an example using a fiber array light source including a plurality of laser light sources has been described. However, the laser device is not limited to a fiber array light source in which combined laser light sources are arrayed. For example, a fiber array light source obtained by arraying fiber light sources including one optical fiber that emits laser light incident from a single semiconductor laser having one light emitting point can be used.
[0102]
(Laser array)
As a light source having a plurality of light emitting points, for example, as shown in FIG. 21, a laser array in which a plurality of (for example, seven) chip-shaped semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged on a
[0103]
(Multi cavity laser)
Further, a chip-shaped
[0104]
In the exposure head of the present embodiment, as shown in FIG. 22B, the
[0105]
(Combined laser light source using multi-cavity laser)
The combined laser light source is not limited to one that combines laser beams emitted from a plurality of chip-shaped semiconductor lasers. For example, as shown in FIG. 23, a combined laser light source including a chip-shaped
[0106]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting
[0107]
A plurality of light emitting
[0108]
(Multiple laser source using multi-cavity laser array)
Further, as shown in FIG. 24, a
[0109]
This combined laser light source includes a
[0110]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 10a of the plurality of
[0111]
(Multi-stage combined laser light source)
Still another example of the combined laser light source will be described. In this combined laser light source, as shown in FIGS. 25A and 25B, a
[0112]
A concave portion is formed in the substantially
[0113]
On the laser beam emission side of the
[0114]
Further, on the laser beam emitting side of the
[0115]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 10a of the plurality of
[0116]
As described above, this combined laser light source can achieve particularly high output by the multi-stage arrangement of multi-cavity lasers and the array of collimating lenses. By using this combined laser light source, a higher-intensity fiber array light source or bundle fiber light source can be formed, which is particularly suitable as a fiber light source constituting the laser light source of the exposure apparatus of the present invention.
[0117]
It should be noted that a laser module in which each of the above combined laser light sources is housed in a casing and the emission end portion of the multimode
[0118]
In the above embodiment, another optical fiber having the same core diameter as the multimode optical fiber and a cladding diameter smaller than the multimode optical fiber is coupled to the output end of the multimode optical fiber of the combined laser light source. However, for example, a multimode optical fiber having a cladding diameter of 125 μm, 80 μm, 60 μm, or the like can be used without coupling another optical fiber to the output end. Good.
[0119]
[Other imaging optics]
In the above embodiment, two sets of lenses are arranged as the imaging optical system on the light reflection side of the DMD used for the exposure head. However, the imaging optical system that forms an image by enlarging the laser beam is arranged. Also good. By expanding the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD, the exposure area area (image area) on the exposed surface can be expanded to a desired size.
[0120]
For example, as shown in FIG. 26A, the exposure head is configured to illuminate
[0121]
In this exposure head, when laser light is irradiated from the
[0122]
In this imaging optical system, the laser light reflected by the
[0123]
On the other hand, when the
[0124]
In addition, even if the beam is thick due to the aberration of the microlens, the beam can be shaped by the aperture so that the spot size on the exposed
[0125]
Furthermore, by using a high-intensity light source for the
[0126]
【The invention's effect】
According to the method for forming a microchannel of the present invention, an effect that the microchannel can be formed at high speed and with high accuracy is obtained. Moreover, the effect that the micro flow path of arbitrary patterns can be formed at low cost is acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a synthesis reaction microchip.
2 (A) to (G) are cross-sectional views sequentially showing the manufacturing steps of the synthesis reaction microchip shown in FIG.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing examples of thickening a resist film. FIGS.
FIGS. 4A and 4B are explanatory views for explaining that the etching accuracy is improved as the resist film is thickened. FIGS.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a resist film patterned in a tapered shape.
FIG. 6 is a perspective view showing an external appearance of an exposure apparatus used in the embodiment of the present invention.
7 is a perspective view showing a configuration of a scanner of the exposure apparatus shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8A is a plan view showing an exposed region formed on a photoresist film, and FIG. 8B is a diagram showing an arrangement of exposure areas by each exposure head.
9 is a perspective view showing a schematic configuration of an exposure head of the exposure apparatus shown in FIG. 6. FIG.
10A is a cross-sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis showing the configuration of the exposure head shown in FIG. 9, and FIG. 10B is a side view of FIG.
FIG. 11 is a partially enlarged view showing a configuration of a digital micromirror device (DMD).
FIGS. 12A and 12B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD.
FIGS. 13A and 13B are plan views showing the arrangement of exposure beams and scanning lines in a case where the DMD is not inclined and in a case where the DMD is inclined. FIG.
14A is a perspective view showing the configuration of a fiber array light source, FIG. 14B is a partially enlarged view of A, and FIGS. 14C and 14D show the arrangement of light emitting points in a laser emitting section. FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a multimode optical fiber.
FIG. 16 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.
FIG. 17 is a plan view showing a configuration of a laser module.
18 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG.
19 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG.
20A and 20B are cross-sectional views along the optical axis showing the difference between the depth of focus in the conventional exposure apparatus and the depth of focus in the exposure apparatus used in the present embodiment.
FIG. 21 is a perspective view showing a configuration of a laser array.
22A is a perspective view showing a configuration of a multi-cavity laser, and FIG. 22B is a perspective view of a multi-cavity laser array in which the multi-cavity lasers shown in FIG.
FIG. 23 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
FIG. 24 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
25A is a plan view showing another configuration of the combined laser light source, and FIG. 25B is a sectional view taken along the optical axis of FIG.
FIG. 26A is a cross-sectional view along the optical axis showing the configuration of another exposure head having a different coupling optical system, and FIG. 26B is projected onto the exposure surface when a microlens array or the like is not used. FIG. 6C is a plan view showing a light image projected on an exposed surface when a microlens array or the like is used.
[Explanation of symbols]
LD1-LD7 GaN semiconductor laser
10 Heat block
11-17 Collimator lens
20 Condensing lens
30 Multimode optical fiber
50 Digital Micromirror Device (DMD)
53 Reflected light image (exposure beam)
54, 58 Lens system
56 Scanning surface (exposed surface)
64 laser module
66 Fiber array light source
68 Laser emitting part
73 Combination lens
150 substrates
152 stages
162 Scanner
166 Exposure head
168 Exposure area
170 Exposed area
202 Protection board
204a, 204b inlet
206 outlet
208 Microchannel
210 Junction
212 photoresist film
214 Exposed part
Claims (5)
前記レジスト膜を露光パターンに応じて部分的に除去し、所定パターンのレジスト膜を形成するパターン化工程と、
前記所定パターンのレジスト膜を用いて、前記基板を表面からエッチングして除去し、微小流路を形成するエッチング工程と、
を有する微小流路の形成方法。An exposure step of exposing the resist film formed on the substrate with laser light having a wavelength of 350 nm to 450 nm spatially modulated in accordance with the formation pattern data of the microchannel;
The resist film is partially removed according to the exposure pattern, and a patterning step of forming a resist film having a predetermined pattern;
Using the resist film of the predetermined pattern, the substrate is etched away from the surface, and an etching step for forming a micro flow path;
A method of forming a microchannel having
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- 2002-07-08 JP JP2002199091A patent/JP2004042143A/en active Pending
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