JP2004154898A

JP2004154898A - マイクロチップの製造方法

Info

Publication number: JP2004154898A
Application number: JP2002323585A
Authority: JP
Inventors: Masao Inoue; 政夫井上; Michie Harachi; 美智恵原地
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】マイクロチップを量産する上で有効な、貼り合わせ前の基板及び対面部材の表面改質処理方法を提供する。
【解決手段】基板と対面部材とを貼り合わせることにより、チャネル及びポートからなる流路構造を有するマイクロチップを製造する方法において、基板の貼り合わせ面又は基板と対面部材の両方の貼り合わせ面に、大気圧下でプラズマ又はＵＶ光を照射して表面改質処理してから前記基板と対面部材を貼り合わせることを特徴とするマイクロチップの製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板内に微細な流路などのチャネル構造を有するマイクロチップの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、μＴＡＳ（ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃａｌｅｔｏｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ）やＬａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐの用語で代表されるように、数十μｍオーダーの微細なチャネルを基板内に設け、該チャネル内に流体を流すことにより微量分析を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために作製された、基板内に微細なチャネル構造を有する構造物は総称として“マイクロチップ”と呼ばれる。
【０００３】
このようなマイクロチップは例えば、特許文献１に記載されている。このマイクロチップは、極微量のタンパク質やＤＮＡサンプルなどの塩基配列を決定するゲル電気泳動分析などに利用されている。
【０００４】
図２（ａ）は前記特許文献１に記載されたマイクロチップの平面図である。図示されているように、従来のマイクロチップ１００は、透明基板１０２に分離用チャネル１０４と、この分離用チャネル１０４と直交する導入用チャネル１０６を有する。分離用チャネル１０４の両端にはグランド側泳動媒体用ポート１０８と高電圧側泳動媒体用ポート１１０が配設されている。また、導入用チャネル１０６の一方の端部にはグランド側のＤＮＡサンプル用ポート１１２と高電圧側泳動媒体用ポート１１４が配設されている。
【０００５】
図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図示されているように、透明基板１００を貫通するように泳動媒体用ポート１１０及び１０８が設けられ、この基板１００の下面側に、泳動媒体用ポート１１０及び１０８に連通する分離用チャネル１０４が配設されている。基板１００の下面側に透明又は不透明な素材からなる対面部材１１６が接着されている。この対面部材１１６の存在により、ポート及びチャネルが封止され、ポート及びチャネル内に泳動媒体及びＤＮＡサンプルなどを注入することができる。チャネル１０４及び１０６を基板１０２内に配設し、ポート１０８〜１１４を対面部材内に配設することもできる。逆に、チャネル１０４及び１０６を対面部材１１６内に配設し、ポート１０８〜１１４を基板１０２内に配設することもできる。
【０００６】
マイクロチップ１００における透明基板１０２に用いる素材は各種試みられているが、特に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と呼ばれるエラストマータイプのシリコン樹脂が有望視されている。この種のシリコン樹脂として具体的には、米国のダウコーニング社製のＳＹＬＧＡＲＤ１８４という商品名のシリコンエラストマーがある。このシリコンエラストマーは、微細構造型に対する良好なモールド転写性や透明性、耐薬品性、生体との相互作用の少なさなどの点でマイクロチップ用基板として優れた特徴を有する。遮蔽用対面部材１１６としてはポリジメチルシロキサン、ガラス、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、石英、ポリエチレン、ポリスチレン又はガラス状カーボンなどが使用される。
【０００７】
ポリジメチルシロキサン基板１０２を用いてマイクロチップ１００を製造する際の特徴の一つは、接着剤や溶剤を使用することなく、ポリジメチルシロキサン基板１０２と対面部材１１６とを比較的容易に貼り合わせられることである。その貼り合わせを行う為には、前処理として、貼り合わせの直前に、ポリジメチルシロキサン基板１０２の貼り合わせ面若しくはポリジメチルシロキサン基板１０２及び対面部材１１６の両方の部材の貼り合わせ面に対して、酸化処理などのような所定の表面改質処理を施す必要がある。その処理後、直ちに両方の部材の貼り合わせ面を合わせて適度に押し付け、一定時間放置する。このようにして得られた貼り合わせの強度は、外部から力を加えて無理に剥がそうとすると、貼り合わせ面が剥がれるのではなく、基板１０２及び／又は対面部材１１６が千切れてしまう程の十分な強度を有している。
【０００８】
ポリジメチルシロキサン基板１０２と貼り合わせることができるのは、対面部材１１６が、ポリジメチルシロキサン、ガラス、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、ポリエチレン、ポリスチレン又はガラス状カーボンなどの特定の素材から形成されている場合に限られる。対面部材１１６が樹脂の場合、ポリジメチルシロキサン基板１０２と対面部材１１６の両方の貼り合わせ面を処理する必要があるが、対面部材１１６がガラスの場合、ポリジメチルシロキサン基板１０２のみの処理でも貼り合わせが可能な場合がある。
【０００９】
表面改質処理の具体的な方法として、従来は真空（減圧）プラズマ処理装置又は反応性イオンエッチング装置と呼ばれる装置を用いて行っていた。これらは、真空雰囲気中で酸素などの処理用途に合わせた適切なガスを流し、プラズマを発生させ、処理対象物の表面の濡れ性を改善したり、有機物の除去等を行う装置である。これらの装置の処理工程は大まかに、処理対象物を真空雰囲気とするチャンバーに収納し、真空引きし、ガス（例えば、酸素）を流し、高周波電源装置により高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、その後、窒素などによりチャンバー内をパージし、大気圧に戻し、処理対象物を取り出すという工程を経る。このような真空（減圧）プラズマによる表面改質処理は、特許文献２、非特許文献１及び非特許文献２に記載されている。
【００１０】
基板及び対面部材の貼り合わせの用途としては、実際にプラズマを発生させてプラズマに曝露する処理時間自体は数秒間〜１分間程度でよいが、その前後の工程に時間を要し、一度の処理に合計で１０分間〜２０分間程度の時間が必要になる。また、チャンバーの内容積には限りがあり、一度に処理できる基板及び対面部材の枚数も自ずから制限される。更に、被処理基板及び対面部材をチャンバ内にロードしたり、また、処理後にチャンバからアンロードするすることが必要であり、表面改質処理全体を自動化することが困難であり、仮に自動化しても装置が高価となる。従って、マイクロチップの大量生産を想定した場合、このような真空（減圧）プラズマによる表面改質処理方法及び装置は決して好ましい手段ではない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１８３４３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１５７８５５号公報
【非特許文献１】
アナリィティカル・ケミストリー（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．），１９９８，７０，ｐ．４９７４−４９８４
【非特許文献２】
百瀬義弘、「プラズマを利用した材料表面改質」，色材，７１［３］，（１９９８），ｐ．１８６−１９３
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上記のような問題点に鑑み、マイクロチップを量産する上で有効な、貼り合わせ前の基板及び対面部材の表面改質処理方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、基板及び対面部材の各貼り合わせ面を大気圧（常圧）プラズマ放射を用いて処理するか、又はエキシマＵＶ照射を用いて処理することにより解決される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の方法を実施するのに使用される処理システム１の概要構成図である。図１に示されるように、ストッカー３から基板１０２及び対面部材１１６が搬送コンベヤ５に送り出される。基板１０２及び対面部材１１６はコンベヤ５により搬送され、照射装置７の下を通過し、基板１０２及び対面部材１１６の貼り合わせ面にプラズマ及び／又はＵＶ光が照射され表面改質処理される。表面改質処理された基板１０２及び対面部材１１６はハンドリングロボット９により貼り合わせ装置１１に移送され、ここで貼り合わされてマイクロチップ１００が完成される。完成されたマイクロチップ１００は別のハンドリングロボット（図示されていない）によりストッカー（図示されていない）に収納される。これら一連の作業は全て大気圧下で行われる。処理システム１はクリーンルーム（図示されていない）内で稼働されることが好ましい。照射装置７は大気圧プラズマ照射装置又はエキシマＵＶ照射装置の何れかである。しかし、必要に応じて大気圧プラズマ照射装置とエキシマＵＶ照射装置を併用することもできる。コンベヤ５は連続駆動タイプであることもできるし、あるいは照射時に停止される間歇駆動タイプであることもできる。基板１０２の表面改質処理は必ず行わなければならないが、使用する素材に依っては、対面部材１１６の表面改質処理は省略することもできる。
本発明のマイクロチップは図２に示されるような一枚の基板１０２と一枚の対面部材１１６が貼り合わされた形状をとることもできるが、複数枚のＰＤＭＳ基板と対面部材とを多層構造に重ねて貼り合わせ、各層のチャネル及び／又はポートを、上下方向に連通するバーチカルチャネルを介して連結させた多層マイクロチップとすることもできる。
【００１５】
本発明の表面改質処理方法で使用する大気圧（常圧）プラズマ照射装置自体は公知の装置である。大気圧（常圧）プラズマ放射には幾つかの異なる方式があるが、概ねプラズマ発生室内で生成されたプラズマをノズルを通して被処理対象物の表面に照射する方式が一般的である。このような大気圧（常圧）プラズマ照射装置は例えば、ＡＴＭＰ−６００の商品名でアリオス（株）から一般に市販されている。この装置のマイクロ波電力は０〜６００Ｗの範囲内で調整可能であり、マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ±５０ＭＨｚの範囲内である。プラズマ発生用ガス種は窒素、アルゴン、ヘリウム又は酸素などであり、ガス流量は〜２０Ｌ／分である。プラズマ発生室は例えば、直径１０ｍｍの石英ガラスから構成されている。大気圧（常圧）プラズマ照射装置によれば、被処理対象物（基板及び対面部材）はチャンバーに入れて密封する必要が無く、大気圧（常圧）のままでプラズマ照射ができ、これが、大気圧プラズマと従来の真空プラズマ処理装置と大きく異なる点である。プラズマの照射により、被処理対象物の表面に付着している有機汚染物“Ｃ”の分子を切り離し、二酸化炭素ＣＯ_２の状態で除去し、表面を清浄化する。
【００１６】
大気圧プラズマ照射を貼り合わせの前処理として用いた場合、例えば、１００ｍｍ程度の長さの基板及び対面部材であれば、放射ノズル下の通過時間は僅か数秒（例えば、５秒）程度であり、搬送用コンベアなどにより基板及び対面部材を連続的に放射ノズル下を通過させれば、極めて効率的に基板及び対面部材の貼り合わせ面を表面改質処理することができる。また、基板及び対面部材は常に大気圧下に置かれるため、ハンドリングが容易であり、大気圧プラズマ放射とその前後の製造工程（例えば、貼り合わせ工程）との間の搬送自動化が行い易いという利点がある。大気圧プラズマ照射の場合、照射範囲が狭いので、基板１０２及び対面部材１１６のそれぞれを処理する場合、大気圧プラズマ照射装置を複数台設置する必要性が生じることもある。
【００１７】
本発明の表面改質処理方法で使用するエキシマＵＶ照射装置自体は公知の装置である。このような照射装置は例えば、誘電体バリヤ放電ランプを使用する。誘電体バリヤ放電ランプについては、例えば、特開平２−７３５３号公報又は米国特許第４８３７４８４号明細書などに開示されている。この誘電体バリヤ放電ランプは例えば、放電容器内に放電ガスとして、キセノン含有ガス、特にキセノンガス又はキセノンを主成分とするガスが封入されている。誘電体バリヤ放電ランプはキセノン原子が励起されてエキシマ状態となり（Ｘｅ_２＊）、このエキシマ状態から再びキセノン原子に解離するときに波長約１７２ｎｍの光を発生する。この波長１７２ｎｍの光を酸素に照射すると、従来の低圧水銀ランプから放射される波長１８５ｎｍの光を酸素に照射する場合よりも高濃度のオゾンが得られ、更に、この高濃度のオゾンから活性酸化性分解物も得られる。この原理を化学反応式で示すと次のようになる。先ず、酸素からオゾンを生成する反応は、
Ｏ_２＋ｈγ_１→Ｏ_３
となる。そして、このオゾンＯ_３から活性酸化性分解物Ｏ、Ｏ^＊を生成する反応は、
Ｏ_３＋ｈν_１→Ｏ^＊＋２Ｏ
Ｏ_３＋ｈν_２→Ｏ^＊＋Ｏ_２
となる。いずれも、１個のフォトンで１個の反応が生ずる。この式におけるｈν_１、ｈν_２はいずれも特定波長の光を意味し、この場合は酸素又はオゾンが特定波長の光を吸収するという意味である。オゾンＯ_３の生成反応は、波長２００ｎｍよりも短い真空紫外域の光を酸素Ｏ_２が吸収して起こるものである。この吸収の度合いは吸収係数と呼ばれ、波長１７２ｎｍの光に対する吸収係数は他の波長の光よりも一桁以上大きい。従って、波長１７２ｎｍの紫外（ＵＶ）光を放射する誘電体バリヤ放電ランプを使用するエキシマＵＶ照射装置が好ましい。言うまでもなく、その他の波長（例えば、２５４ｎｍ）のＵＶ光を放射するランプを併用することもできる。
【００１８】
エキシマＵＶ照射を貼り合わせの前処理として用いた場合、誘電体バリヤ放電ランプ下の基板１０２及び対面部材１１６の通過速度は、前記の大気圧プラズマ照射に比べて遅くする必要がある。しかし、誘電体バリヤ放電ランプの照射幅が広く、同時に並列して複数個の各部材を処理することができ、従来の真空プラズマに比べると依然として高い生産性を有する。エキシマＵＶ照射も大気圧下で実施できるので、前記の大気圧プラズマ照射と同様に、大きな利点となる。また、エキシマＵＶ照射装置は大気圧プラズマ照射装置よりも安価である。従って、エキシマＵＶ照射を貼り合わせの前処理として用いることは、マイクロチップを量産する上で極めて有効な製造方法である。
【００１９】
本発明の大気圧表面改質処理方法で処理できる基板及び対面部材の素材は従来の真空プラズマ照射表面改質処理で処理される基板及び対面部材の素材と同じである。従って、基板１０２はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であり、対面部材１１６はポリジメチルシロキサン、ガラス、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、石英、ポリエチレン、ポリスチレン又はガラス状カーボンなどである。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明の表面改質処理方法を具体的に例証する。
【００２１】
実施例１
大気圧プラズマ照射装置を用い、ヘリウムとアルゴン、酸素を反応ガスとして流し、高周波電力７００Ｗ、プラズマ照射ノズル先端から被処理対象物表面までの距離５ｍｍ、ノズル下の被処理対象物の通過速度２０ｍｍ／秒の条件で、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板とガラス対面部材をほぼ同時に処理し、その直後に両者を貼り合わせた。その結果、従来の真空プラズマ照射装置で処理した場合と同程度の貼り合わせ強度が得られることが確認された。従来の真空プラズマ照射装置による単位時間当たりの処理枚数に比べて、大気圧プラズマ照射装置による単位時間当たりの処理枚数は４倍に増大した。前記の処理条件以外でも貼り合わせが行える場合もあるが、前記処理条件を大きく逸脱すると、処理の程度が不足したり、逆に強すぎたりして、貼り合わせが行えなくなる。
【００２２】
実施例２
波長１７２ｎｍの光を放射する誘電体バリヤ放電ランプを有するエキシマＵＶ照射装置を用い、空気雰囲気において、照射出力１４．５ｍＷ／ｃｍ^２、ランプから被処理対象物表面までの距離２ｍｍ、ランプ下の被処理対象物の通過速度５ｍｍ／秒の条件で、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板を処理し、その直後に未処理のガラス対面部材と貼り合わせた。その結果、従来の真空プラズマ照射装置で処理した場合と同程度の貼り合わせ強度が得られることが確認された。前記の処理条件以外でも貼り合わせが行える場合もあるが、前記処理条件を大きく逸脱すると、処理の程度が不足したり、逆に強すぎたりして、貼り合わせ行えなくなる。
【００２３】
実施例３
波長１７２ｎｍの光を放射する誘電体バリヤ放電ランプを有するエキシマＵＶ照射装置を用い、空気雰囲気において、照射出力１４．５ｍＷ／ｃｍ^２、ランプから被処理対象物表面までの距離２ｍｍ、ランプ下の被処理対象物の通過速度５ｍｍ／秒の条件で、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板及びガラス対面部材を処理し、その直後に両者を貼り合わせた。その結果、前記実施例２におけるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板だけを処理して貼り合わせた場合よりも、強い貼り合わせ強度が得られることが確認された。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大気圧下でプラズマ又はＵＶ光により基板及び対面部材の表面改質処理を行い、両者を貼り合わせて極めて効率的にマイクロチップを量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面改質処理方法を実施するのに使用される処理システムの一例の概要構成図である。
【図２】（ａ）は従来のマイクロチップの一例の上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１処理システム
３ストッカー
５搬送用コンベヤ
７照射装置
９ハンドリングロボット
１１貼り合わせ装置
１００マイクロチップ
１０２基板
１０４，１０６チャネル
１０８，１１０，１１２，１１４ポート
１１６対面部材

Claims

少なくとも一枚の基板と少なくとも一枚の対面部材とを貼り合わせることにより、チャネル及びポートからなる流路構造を有するマイクロチップを製造する方法において、
前記基板の貼り合わせ面又は前記基板と前記対面部材の両方の貼り合わせ面に、大気圧下で、プラズマ及びＵＶ光からなる群から選択される少なくとも一つを照射して表面改質処理してから前記基板と対面部材を貼り合わせることを特徴とするマイクロチップの製造方法。
前記プラズマは大気圧プラズマ照射装置により照射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ＵＶ光は波長１７２ｎｍの波長を有し、誘電体バリヤ放電ランプを備えるエキシマＵＶ照射装置により照射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記基板はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成されており、前記対面部材はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ガラス、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、石英、ポリエチレン、ポリスチレン又はガラス状カーボンから形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法。