JP2005111567A

JP2005111567A - 接合基板とその接合方法

Info

Publication number: JP2005111567A
Application number: JP2003344711A
Authority: JP
Inventors: Masahito Amanaka; 将人甘中; Yasushi Goto; 裕史後藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】マイクロリアクタの内部物質が流れる微細流路を形成する上下の基板を、開閉可能で、かつ内部物質が漏出しない構造に形成すること、さらに上下基板のシール部に内部物質が接触しない構造に形成することである。
【解決手段】一方の面に微細流路３が刻まれた流路基板１と、この面に重ねて接合し、微細流路３の蓋となる蓋基板２とからなる微細流路を有する接合基板を、自己接着性を有する樹脂薄膜４を、流路基板３上に微細流路３の外縁を囲むように形成し、接合面の一部に介在させて加圧接合して形成したのである。それにより、接合に高温加熱処理を必要とせず、接合状態が良好で内部物質の漏出を確実に防止でき、かつ、微細流路３を囲む外縁部で流路基板１と蓋基板２とを密着させることにより、流路基板１から蓋基板２を取り外しやすい構造なり、微細流路３の内部を直接操作して保守が容易となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、微小量の液体が流動する微細流路が形成された、マイクロリアクタデバイスの接合基板とその接合方法に関する。

半導体の微細加工技術の発展に伴い、化学装置の微小化が現実のものとなり、この微細加工技術を用いて、シリコンやガラスを始めとするセラミックス基板上にマイクロ流路、即ち微細な流路を形成したマイクロリアクタや、センサー、分析装置などを小型化した化学分析システムであるμ−ＴＡＳ（Total Analysis System）が開発されている。このような微細流路は、一枚の基板の上面に彫られた微細な溝を底面および側壁とし、この基板の上に別の基板を接合することにより、この接合した基板が蓋となって前記溝に天井部が付加されて形成される。上下の基板は、Ｓｉの陽極接合やフッ酸接合などにより接合されて一体化し、微細なトンネル状の流路が形成される。

前記マイクロリアクタでは、微細流路の底面と側壁とを構成する流路部分と、天井部を形成する蓋となる上側の基板とは、完全に接着接合された状態で用いられる。しかし、この完全接着接合状態では、一旦接合すると、上下の基板を簡単に取り外すことはできないため、微細流路の内部を直接触ることができず、この流路の洗浄や流路内を流動する内部物質の入れ替え、流路内部の不良の修復などの操作を行なうことは極めて困難である。例えば、電気泳動チップ操作を行なうのに際して、微細流路内部でゲルを固化させてしまった場合、蓋を開けることができないと、固化したゲルを取出すことができない。また、この微細流路に生体物質を通過させる際に、この生体物質が流路内壁部に吸着してマイクロリアクタから出て来なくなった場合、蓋を開けることができないと洗浄を充分に行なうことができず、次の実験操作時に不純物の混合が起こる。

一方、上下の基板を接合しない状態では、前記流路中の液体の毛管力や上下の基板間に介在する気体と雰囲気との圧力差によって、上下基板の隙間から相当量の内部物質が染み出すことになる。このため、現状では、上下の基板同士の接合には、主に、陽極接合またはフッ酸接合が用いられている。

しかし、陽極接合では、基板を３００℃〜５００℃の間に加熱し、Ｓｉ薄膜などの熱酸化膜を利用し、基板間に電圧を印加して接合するため、また、ふっ酸接合でも、Ｓｉ薄膜などの熱酸化膜を利用し、ふっ酸水溶液を塗布し、基板の上部から加圧して接合するため、この高温加熱処理工程により、基板に応力や歪が残留し、接合に際して上下の基板をその全面で完全に密着させることが極めて困難となる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００１−１９４２９６号公報（［０００４］〜［０００５］）特開２０００−３４６７９３号公報（［００１１］）

上述のような内部物質の染み出しを防止するために、前記微細流路を刻んだ下側の基板と、この流路の天井部となる上側の基板とを圧着して接合するに際し、上下の基板の間に密着性の高いシール部材を介在させる方法が考えられる。しかし、微細流路では流路自体が微細であるため、シール部材自体の大きさが無視できない。即ち、内部物質に接する流路壁は、壁面全体が同じ表面状態であることが理想的であり、前記シール部の存在により流路壁の表面状態が部分的に異なる場合には、流路壁表面の電荷状態や内部物質との親和性などにより、内部物質の流動状態などに不均一な挙動が現れる可能性がある。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、マイクロリアクタの内部物質が流動する微細流路を形成する上下の基板を、開閉が可能で、かつ前記内部物質が漏出しない構造に形成すること、さらに上下基板のシール部に前記内部物質が接触しない構造に形成することを課題としている。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

即ち、一方の面に微細流路が刻まれた流路基板と、この面に重ねて接合し、前記微細流路の蓋となる蓋基板とからなる微細流路を有する接合基板を、前記流路基板と蓋基板とを、その接合面に自己接着性を有する樹脂薄膜を介在させて加圧接合して形成したのである。

このように、流路基板と蓋基板との間に、密着性の高い樹脂薄膜を介在させて加圧接合することにより、接合に高温加熱処理を必要としないため、良好な接合状態を実現でき、微細流路を流れる内部物質の漏出を確実に防止することができる。

前記自己接着性を有する樹脂薄膜を、前記微細流路の外縁を囲むように形成し、前記接合面の一部に介在させて加圧接合することが望ましい。

このように、基板の全面にではなく、微細流路を囲む外縁部にのみ樹脂薄膜を形成して、この樹脂薄膜形成部分で、流路基板と蓋基板とを密着させることにより、内部物質の漏出を防止することができる。しかも、微細流路を囲む外縁部でのみ密着しているため、流路基板から蓋基板を剥がしやすい構造に形成されており、微細流路の洗浄や内部物質の入れ替え、流路内部の不良の修復などの操作の際に、微細流路の内部を直接触ることができ、保守等が容易となる。なお、微細流路を囲む外縁部の樹脂薄膜パターンは、次のようにして形成することができる。即ち、まず、フォトリソグラフィにより、流路基板上に形成すべき樹脂薄膜のパターンを残してフォトレジスト膜を付与し、次いで、この流路基板表面全体に樹脂皮膜を形成し、樹脂皮膜の前記パターン以外の、フォトレジストと樹脂薄膜が重なった部分領域を除去することにより、流路基板上に樹脂皮膜の前記パターンのみが形成される。

前記樹脂薄膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を主成分とすることが望ましい。

上記ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、常温での密着性・接着性や耐薬品性に優れ、前記基板の加圧接合には最も適している。

前記微細流路を形成する内表面が同一部材からなることが望ましい。

このようにすれば、微細流路の内表面を同じ表面状態に保つことができ、流路壁表面の電荷状態や内容物質との親和性の相異などにより、内容物質の流動状態などに不均一な挙動の発生を防止することができる。

前記微細流路の外縁を囲むように凹所を設け、この凹所に前記樹脂薄膜を形成し、同一部材からなる前記流路基板と蓋基板と前記微細流路内表面が形成されるように加圧接合することができる。

このようにすれば、微細流路基板および蓋基板が圧着した状態で薄膜が流路基板に埋め込まれる構造にできるため、微細流路の全内表面、即ち全内壁面が同一部材の流路基板および蓋基板から形成されることになり、前述のように、内部物質の不均一流動状態の発生を防止することができる。なお、前記凹所は、フォトリソグラフィにより形成することができる。

前記微細流路を形成する内表面全体に同一物質の薄膜を形成することができる。

このように、例えば、炭素膜（アモルファスカーボン膜）を、微細流路を形成する内表面全体に形成、即ちコーティングすることによっても、微細流路の全内壁面を同一部材から形成することになり、内部物質の不均一流動状態の発生を防止することが可能である。

以上のように、この発明によれば、微細流路が刻まれた流路基板と、この微細流路の蓋となる蓋基板とを、その接合面に自己接着性を有する密着性の高い樹脂薄膜を介在させて加圧接合により接合基板を形成するため、接合に高温加熱処理を必要とせず、良好な接合状態を実現でき、微細流路を流れる流路内物質の漏出を確実に防止することができる。

また、前記自己接着性を有する密着性の高い樹脂薄膜を、微細流路を囲む外縁部にのみ樹脂薄膜を形成して、この樹脂薄膜形成部分で、流路基板と蓋基板とを密着させることにより、流路内部物質の漏出を防止することができ、かつ、流路基板から蓋基板を剥がしやくなり、マイクロリアクタの物理的洗浄、内部物質の入れ替え、内部の不良の修復など、微細流路の内部を直接触れることが必要な場合でも、蓋基板を取り外すだけで所要の操作が可能となる。それにより、微細流路を有する接合基板を用いて多数の電極やセンサー部、ヒーター部、光導波路などを組み込んだマイクロリアクタの高価なチップ部分を使い捨てにせず、繰り返し使用することも可能となる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図１０に基づいて説明する。

図１は、マイクロリアクタに用いられる接合する前の流路基板１と蓋基板２とを示したもので、流路基板１の一方の面、即ち上面には、内部物質が流動する幅が１０〜５００μｍ程度の微細流路３が刻まれ、蓋基板２を流路基板１の上面に重ね、自己接着性を有する、例えば、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと記す）薄膜などの樹脂薄膜４を介在させて加圧接合することにより、内部物質が漏出せずに流動できる接合基板が形成される。前記樹脂薄膜４は、流路基板１の上面の全てにではなく、微細流路３の外縁を囲むように数μｍ〜数十μｍの厚さに形成され、両基板１、２の接合面の一部に介在させて加圧接合される。

上述の前記樹脂薄膜４を微細流路３の外縁を囲むように形成する方法について具体的に説明すると、まず、流路基板１として、フォトリソグラフィによる微細加工技術を用いて、スライドガラス表面に深さ約１００μｍの微細流路３が形成された基板を用いる。この流路基板１にフォトレジストを約２５μｍの厚さに塗布した後、フォトリソグラフィによって、図２に示すように、微細流路３の外縁部のフォトレジスト５を除去し、他を残すパターンを形成する。この除去したフォトレジスト５の部分に、ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂（超親水コート膜）のコーティングなどによる親水性処理を施した後、ＰＤＭＳなどの樹脂皮膜を塗布し、流路基板１を、例えば、約４０００ｒｐｍで３０秒間、高速回転させ、遠心力を作用させて約１０μｍの一様な厚さの膜状態を作り出し、自然固化させる（図３）。この流路基板１をアセトン中で超音波洗浄をして、残りのフォトレジスト５ａ（図２参照）を溶かして除去すると、上記遠心力の作用時にフォトレジスト５ａ上に飛散した樹脂皮膜５ｂも同時に取り除かれる。このようにして、図４に示すように、流路基板１上に、ＰＤＭＳ薄膜などの樹脂薄膜４が微細流路３を囲む外縁に形成される。

この流路基板１の上に、図５に分解図で示したように、ガラス板からなる蓋基板２を重ねて微細流路３に蓋をする。そして、厚さ約１０ｍｍのアクリル板６、６ａで、流路基板１と蓋基板２を挟み、上下のアクリル板６、６ａの４隅をボルト７とナット８で締め込んで加圧し、蓋基板２および上側のアクリル板６にそれぞれ設けた液体導入口９、９ａから加圧水を導入したところ、水圧２ｋｇ／ｃｍ²の状態で、微細流路３からは液体の漏出は生じなかった。この通水結果は、微細流路３の外縁を囲むように形成した、自己接着性を有するＰＤＭＳ薄膜からなる樹脂薄膜４により、流路基板１と蓋基板２とが接合し、かつ、この樹脂薄膜４がシール部として有効に機能することを示すものである。

図６は、前記樹脂薄膜４を形成する他の方法を示したもので、図１に示した場合と同様にして、流路基板１に、微細流路３の外縁を囲むようにＰＤＭＳ原液１４からＰＤＭＳを塗布し、前記の遠心力を作用させる代わりに、プラスチックシート１０およびガラス板１１を、流路基板１に重ねて、図５に示したアクリル板６、６ａと同程度の厚さ約１０ｍｍで、撓みの少ないアルミニウム板１２、１２ａで挟み、この上下のアルミニウム板１２、１２ａの４隅をボルト７とナット８で締め込んだ状態で、ＰＤＭＳ皮膜４ａを固化させ、一様な膜厚に形成した後、流路基板１を取出して、前述のように、アセトン中で超音波洗浄をして、流路基板１上にＰＤＭＳ薄膜などの樹脂薄膜４を、微細流路３を囲む外縁に形成したものである。なお、ＰＤＭＳを塗布する前に、流路基板１には予め親水性処理を施している。この流路基板１の上面に蓋基板２を重ねて、図１に示したように、厚さ約１０ｍｍのアクリル板６、６ａで締め込んで加圧し、蓋基板２および上側のアクリル板６にそれぞれ設けた液体導入口９、９ａから加圧水を導入したところ、水圧２ｋｇ／ｃｍ²の状態で、微細流路３からは液体の漏出は生じなかった。この通水結果は、遠心処理の代わりにアルミニウム板１２、１２ａで加圧することによっても、一様な膜厚の樹脂薄膜４を微細流路３の外縁を囲むように形成でき、流路基板１と蓋基板２とが接合し、かつ、この樹脂薄膜４がシール部として内部物質の漏出を防止できることを示すものである。

図７（ａ）および（ｂ）は、他の実施形態を示すもので、前述のように流路基板１と蓋基板２との間に樹脂薄膜４を介在させて加圧接合により接合基板を形成する場合に、微細流路３の内表面、即ち内壁面に樹脂薄膜４の断面が僅かに露出することを避けるための接合構造を示したものである。この接合構造では、フォトリソグラフィにより、微細流路３の外縁を囲むように、例えば、深さ２０μｍ程度の溝状に掘り下げた凹所１５を予め設け、この凹所１５に樹脂薄膜４を、凹所１５から、即ち流路基板１の上面１ａから僅かに出る程度の厚さに形成し、流路基板１とこれと同一部材の蓋基板２とを加圧接合すると、樹脂薄膜４により流路基板１と蓋基板２とが密着した状態となる。それにより、微細流路３の全内壁面が流路基板１と蓋基板２とからなり、微細流路３を流動する内部物質１３の不均一流動状態の発生を防止することができる。

図８は、さらに他の実施形態を示すもので、図１に示したように、流路基板１の上面に樹脂薄膜４が微細流路３の外縁を囲むように形成され、この樹脂薄膜４を介して流路基板１と蓋基板２とが加圧接合されている。流路基板１に刻まれた微細流路１の内壁面３ａ、この微細流路３を囲む外縁部３ｂ、これらの内壁面３ａ、外縁部３ｂに対向して微細流路３の内壁面を形成する、蓋基板２の下面、および樹脂薄膜４の内側面４ａの全てが炭素膜（アモルファスカーボン膜）などの同一物質でコーティングされている。このようにしても、実質的に微細流路３の全内壁面が同一部材で形成された構造となり、微細流路３を流動する内部物質１３の不均一流動状態の発生を防止することができる。なお、樹脂薄膜４の外側にも、流路基板１と蓋基板２との間隙を安定化させるために、樹脂薄膜４ｂが形成されている。

図９は、さらに他の実施形態を示すもので、親水性表面を有し、光透過性の良好なプラスチックシート１０ａの片側表面に、ＰＤＭＳなどの樹脂薄膜４を、例えば、２００μｍの膜厚で一様に形成し、この樹脂薄膜４の表面、即ち接着面に親水性処理を行なった後、この接着面側を流路基板１に向けて微細流路３に被せ、プラスチックシート１０ａの上側から蓋基板２で加圧して、プラスチックシート１０ａを流路基板１に接着させて微細流路３に蓋をする。この状態で、蓋基板２に設けた液体導入口９、９から加圧水を導入したところ、水圧２ｋｇ／ｃｍ²の状態で微細流路３からは液体の漏出は生じなかった。この通水結果は、自己接着性を有するＰＤＭＳ薄膜からなる樹脂薄膜４を片側表面に形成したプラスチックシート１０ａなどのシート状部材を用いて接合基板を形成できることを示している。このように、シート状部材を接着して微細流路３を形成すれば、前述のように、微細流路の内部に直接触れて操作する必要がある場合に、このシート部材を容易に取り剥がすことができ、微細流路３の蓋の取り外しが簡便となる。このように、前記接合基板は、接着接合によって微細流路３に蓋をする構造を有する基板を含むものとする。

図１０は、さらに他の実施形態を示したもので、図９で示したプラスチックシート１０ａを用いずに、蓋基板２の下面、即ち接合面の全面に予め親水性処理を施した後、直接、ＰＤＭＳなどの樹脂薄膜４を、例えば、２００μｍの膜厚で一様に形成し、この蓋基板２と流路基板１とを加圧接合し、微細流路３を有する接合基板を形成することも可能である。この接合基板の蓋基板２に設けた液体導入口９、９から液体を注入しても、微細流路３からは液体の漏出は生じなかった。この通水結果は、自己接着性を有するＰＤＭＳ薄膜からなる樹脂薄膜４が、高温加熱処理を必要とせず、常温で良好な接合状態を実現でき、微細流路３を流れる流路内物質の漏出を確実に防止することができることを示している。

なお、前記樹脂薄膜４としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリイミド、または半導体リソグラフィに用いるフォトレジストなどを用いることができる。但し、これらの皮膜では接着に常温よりもやや高い温度を要する。

生化学反応、医療および材料合成などの分野で利用されるマイクロリアクタやμ−ＴＡＳなどの微小装置の、多数の電極やセンサー部、ヒーター部、光導波路などを組み込むチップ部に使用する、微細流路が形成された接合基板として用いることができる。この接合基板は、微細流路が刻まれた流路基板から蓋基板の取り外しが容易な構造であるため、微細流路を直接操作でき、高価なチップ部の繰り返し使用が可能となる。

この発明の実施形態の微細流路を囲む外縁部に樹脂薄膜を設けた接合基板の分解斜視図上記外縁部に樹脂薄膜を塗布するパターンを形成した状態を示す説明図上記パターンに樹脂薄膜を形成した状態を示す説明図微細流路を囲む外縁部に樹脂薄膜を形成した流路基板の平面図図１の接合基板の通水テスト用の治具構成を示す説明図図２のパターンに樹脂薄膜を形成する他の方法を示す説明図（ａ）他の実施形態の上記外縁部に樹脂薄膜を形成した接合基板の断面図（加圧接合前）（ｂ）同上（加圧接合後）他の実施形態の上記外縁部に樹脂薄膜を形成した接合基板の断面図他の実施形態のプラスチックシートの樹脂薄膜を形成した接合基板の分解斜視図他の実施形態の蓋基板の裏面に樹脂薄膜を形成した接合基盤の分解斜視図

符号の説明

１：流路基板１ａ：上面２：蓋基板
３：微細流路３ａ：内壁面３ｂ：外縁部
４、４ａ、４ｂ：樹脂薄膜５、５ａ：フォトレジスト
５ｂ：フォトレジスト上の樹脂皮膜６、６ａ：アクリル板
７：ボルト８：ナット９、９ａ：液体導入口
９ｂ：開口１０、１０ａ：プラスチックシート１１：ガラス板
１２、１２ａ：アルミニウム板１３：内部物質１４：ＰＤＭＳ原液
１５：凹所

Claims

一方の面に微細流路が刻まれた流路基板と、この面に重ねて接合し、前記微細流路の蓋となる蓋基板とからなる微細流路を有する接合基板であって、前記流路基板と蓋基板とを、その接合面に自己接着性を有する樹脂薄膜を介在させて加圧接合したことを特徴とする接合基板。
前記自己接着性を有する樹脂薄膜を、前記微細流路の外縁を囲むように形成し、前記接合面の一部に介在させて加圧接合したことを特徴とする請求項１に記載の接合基板。
前記樹脂皮膜がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の接合基板。
前記微細流路を形成する内表面が同一部材からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接合基板。
前記微細流路の外縁を囲むように凹所を設け、この凹所に前記樹脂薄膜を形成し、同一部材からなる前記流路基板と蓋基板と前記微細流路内表面が形成されるように加圧接合したことを特徴とする請求項４に記載の接合基板。
前記微細流路を形成する内表面全体に同一物質の薄膜を形成したことを特徴とする請求項４に記載の接合基板。
微細流路が刻まれた流路基板の上面に、前記微細流路の蓋となる蓋基板を重ね、前記流路基板と蓋基板とを、その接合面に自己接着性を有する樹脂薄膜を介在させて加圧接合するようにした接合基板の接合方法。
前記流路基板の微細流路が刻まれた面にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィより微細流路を囲む外縁部のフォトレジストを除去してこの外縁部に前記樹脂皮膜を形成し、流路基板上に残存するフォトレジストを除去した後、蓋基板を重ねて加圧接合するようにした請求項７に記載の接合基板の接合方法。