JP2006027094A - ポリマーシートのハンドリング治具及びハンドリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜状ポリマーシートを鋳型から剥離したり、対面基板に貼り合わせる際に使用するのに好適なハンドリング治具を提供する。
【解決手段】 ポリマーシートをハンドリングするためのハンドリング治具であって、該治具は、支持基板と、該支持基板の一方の面側のポリジメチルシロキサンからなる薄層と、該ポリジメチルシロキサン薄層上に形成されたトリフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）膜とからなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はポリマーシートのハンドリング治具及びハンドリング方法に関する。更に詳細には、本発明は薄膜状ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シートのハンドリング治具及びハンドリング方法に関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作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製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体デバイス」と呼ばれる。

マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ流体デバイスは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

従来のマイクロ流体デバイスの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに提案されている。従来のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、ポリマーシート（例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂シート）などの基板１０２に少なくとも１本のチャネル１０４が形成されており、このチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきウェル１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ウェル１０６及びチャネル１０４の底部が封止される。

入出力ポート用のウェル１０６の主な用途は、(イ)薬液やサンプルの注入（分注）、(ロ)廃液や生成物の取り出し、(ハ)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(ニ)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）、及び(ホ)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。

特許文献１及び特許文献２に記載されているような従来の光リソグラフィー法で微細構造を有するポリマーシート基板１０２を製造する場合、先ずレジストパターンで所定の微細構造を有する鋳型を製造し、この鋳型に蓋を載せて加圧し、プレポリマーを注型する。成形されたポリマーシート基板１０２を鋳型から剥離又は離型し、対面基板１０８に貼り合わせる。この際、ポリマーシート基板１０２が２００μｍ以下の非常に薄い薄膜状の場合、鋳型から剥離する時にシートが破れたり、上手く剥がせたとしても、対面基板１０８に貼り付ける際に、シートに生じた皺が原因で対面基板との貼り合わせに失敗することが多々あった。

特開２００１−１５７８５５号公報 米国特許第５９６５２３７号明細書

従って、本発明の目的は、薄膜状ポリマーシートを鋳型から剥離したり、対面基板に貼り合わせる際に使用するのに好適なハンドリング治具及びハンドリング方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、ポリマーシートをハンドリングするためのハンドリング治具であって、該治具は、支持基板と、該支持基板の一方の面側のポリジメチルシロキサンからなる薄層と、該ポリジメチルシロキサン薄層上に形成されたトリフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）膜とからなることを特徴とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項２に係る発明は、前記支持基板の他方の面側に把持手段が更に配設されていることを特徴とする請求項１記載のハンドリング治具である。

前記課題を解決するための手段として、請求項３に係る発明は、(a)マスターの上面にトリフルオロカーボン膜を生成するステップと、
(b)前記マスターのトリフルオロカーボン膜生成面上にプレポリマー溶液を流し込むステップと、
(c)前記プレポリマー溶液の上面に、請求項１又は請求項２に記載のハンドリング治具を被せるステップと、
(d)前記プレポリマーを硬化させてポリマーシートを生成するステップと、
(e)前記ポリマーシートを前記ハンドリング治具に保持させた状態で前記マスターから剥離するステップと、
(f)前記ハンドリング治具に保持されたポリマーシートを別の基板の一方の面上に貼着させるステップと、
(g)前記ハンドリング治具を前記ポリマーシートから剥離するステップと、
からなることを特徴とするポリマーシートのハンドリング方法である。

前記課題を解決するための手段として、請求項４に係る発明は、前記ステップ(f)において、前記基板がガラス以外の素材からなる場合、該別の基板の表面にＳｉＯ_２膜を事前に生成しておくステップを更に有することを特徴とする請求項３記載のポリマーシートのハンドリング方法である。

前記課題を解決するための手段として、請求項５に係る発明は、前記ポリマーシートの膜厚が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４記載のポリマーシートのハンドリング方法である。

前記課題を解決するための手段として、請求項６に係る発明は、前記ポリマーシートはポリジメチルシロキサンからなるシートであることを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載のポリマーシートのハンドリング方法である。

本発明のハンドリング治具によれば、厚さ２００μｍ以下の薄膜状ポリマーシートを破ったりすることなくマスターから剥離し、かつ、皺を生じることなく対面基板に貼着させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明のハンドリング治具及びハンドリング方法の好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１は本発明のハンドリング治具の一例の概要側面図である。ハンドリング治具１は支持基板３を有する。支持基板３の一方の面には把持手段５が配設されている。しかし、この把持手段５の配設は必ずしも絶対要件ではない。また、把持手段５の形状は図示されたものに限定されない。様々な形状を採用することもできる。支持基板３はガラス、プラスチック、セラミックス、金属など任意の材料から構成することができるが、可撓性を有し、かつ透明である材料が好ましい。支持基板３の厚さはハンドリング治具として必要十分な機械的強度を付与するのに足りる厚さであればよい。支持基板３の厚さは使用する材料に応じて変化するが、一般的な指標として、４０μｍ〜３ｍｍの範囲内であることができる。

支持基板３の他方の面にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の薄層７がコーティングされている。ＰＤＭＳ薄層７は例えば、支持基板３の他方の面にプレポリマーをコーティングした後、硬化させることにより形成させることができる。ＰＤＭＳ薄層７は、ポリマーシート基板１０２を貼着ハンドリングするために必要な部材である。ＰＤＭＳ薄層７の厚さは一般的に、１μｍ〜１ｍｍの範囲内でよく、１μｍ〜５０μｍの範囲内であることがより好ましい。ＰＤＭＳ薄層７の厚さが１μｍ未満の場合、ポリマーシート基板１０２の貼着ハンドリングに支障を来す恐れがある。一方、ＰＤＭＳ薄層７の厚さが１ｍｍ超の場合、不必要に厚くなりすぎ不経済となる。支持基板３がガラス以外の素材からなる場合、支持基板３とＰＤＭＳ薄層７との間の接着力を高めるために、適当な接着手段（例えば、ＳｉＯ_２薄膜等）を使用することもできる。

ＰＤＭＳ薄層７の貼着面はＣＨＦ_３処理が施されている。このＣＨＦ_３処理膜９はハンドリング治具１とポリマーシート基板１０２とが過度に接着し合うことを防ぐ目的のために使用される。本発明で重要なことは、ポリマーシート基板１０２を鋳型から離型して対面基板１０８に移着させる間だけ、ポリマーシート基板１０２をしっかりとハンドリングできればよく、ポリマーシート基板１０２を対面基板１０８に接着させた後は、ポリマーシート基板１０２から滑らかに剥がせなければならない。この二律背反的な目的を達成するために、ＰＤＭＳ薄層７の貼着面にＣＨＦ_３処理を施す必要がある。ＣＨＦ_３処理膜９の膜厚は一般的に、１ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１０ｎｍ〜６０ｎｍであることがより好ましい。ＣＨＦ_３処理膜９の膜厚が１ｎｍ未満の場合、ＰＤＭＳ薄層７とポリマーシート１０２とが強固に接着し、治具１をポリマーシート基板１０２から剥がせなくなる可能性がある。一方、ＣＨＦ_３処理膜９の膜厚が１μｍ超の場合、ＰＤＭＳ薄層７がポリマーシート基板１０２に貼り付かず、ハンドリングが困難又は不可能になる。ＣＨＦ_３処理膜９は治具１を使用する直前に、ＰＤＭＳ薄層７の表面に形成させることができる。このようなＣＨＦ_３成膜処理方法は当業者に公知である。

次に、本発明のハンドリング治具を用いたポリマーシート基板のハンドリング方法について説明する。
図２は、本発明のハンドリング治具を用いたポリマーシート基板のハンドリング方法の一例を示す工程図である。ステップ（Ａ）において、常法の光リソグラフィー法により作製された鋳型１１を準備する。鋳型１１の上面には所定の微細構造１３に相当する突起形状が形成されている。鋳型１１の微細構造１３形成面側の表面をフルオロカーボンの存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、鋳型１１からの離型性を改善する。次に、ステップ（Ｂ）において、鋳型１１の上面に、ＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液１５を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。次いで、ステップ（Ｃ）において、図１に示されるような本発明のハンドリング治具１を、鋳込み型の蓋としてＰＤＭＳプレポリマー混合液の上面に被せる。ハンドリング治具１を被せた後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳ基板１０２を生成させる。ＰＤＭＳ基板１０２が生成したら、ステップ（Ｄ）において、ハンドリング治具１に保持された状態でＰＤＭＳ基板１０２を鋳型１１から剥がし取る。ハンドリング治具１はＰＤＭＳ薄層７を介してＰＤＭＳ基板１０２と接着しているので、ＰＤＭＳ薄層７上にＣＨＦ_３膜９が存在していても、鋳型１１とＰＤＭＳ基板１０２との間の接着力よりも、ハンドリング治具１とＰＤＭＳ基板１０２との間の接着力の方が強い。これにより、ハンドリング治具１に保持された状態でＰＤＭＳ基板１０２を鋳型１１からスムーズに剥がし取ることができる。次いで、ステップ（Ｅ）において、Ｏ_２プラズマ処理をしたハンドリング治具１に保持されたＰＤＭＳ基板１０２を、目的とする対面基板１０８のＯ_２プラズマ処理された上面に貼着し、そのまま数十分間放置する。ＰＤＭＳ基板１０２が対面基板１０８と恒久接着したら、ステップ（Ｆ）において、ハンドリング治具１をＰＤＭＳ基板１０２から剥離する。これにより、ＰＤＭＳ基板１０２に全く皺等が生じることなく対面基板に恒久接着されたマイクロ流体デバイス１００が得られる。

本発明のハンドリング治具でハンドリング処理されるポリマーシートの膜厚は一般的に、２００μｍ以下であることが好ましい。２００μｍ超の膜厚を有するポリマーシートであれば、素手で取り扱っても皺などを生じることなく、対面基板に貼着させることができる。本発明のハンドリング治具でハンドリング処理することができるポリマーシートの膜厚の下限値は１０ｎｍ程度である。これ未満の膜厚の場合、本発明のハンドリング治具で保持してマスターから剥離する際に破れたり、ポリマーシート自体にピンホールなどが生じたりして使い物にならないことがある。

対面基板１０８がガラス製である場合、ＰＤＭＳ基板１０２と比較的容易に恒久接着するが、その他の材質の対面基板の場合、ＰＤＭＳ基板１０２と恒久接着させることはそれほど容易ではない。従って、ガラス以外の素材からなる対面基板１０８を使用する場合、ステップ（Ｅ）において、対面基板１０８の貼着面側にＳｉＯ_２をスパッタリングしてＳｉＯ_２薄膜を成膜してから、ハンドリング治具１に保持されたＰＤＭＳ基板１０２を貼着させることが好ましい。対面基板１０８とＰＤＭＳ基板１０２が恒久接着しないと、ハンドリング治具１をＰＤＭＳ基板１０２からスムーズに剥離させることができない。また、対面基板１０８とＰＤＭＳ基板１０２が恒久接着しないと、マイクロ流体デバイス１００の使用中にＰＤＭＳ基板１０２が剥がれたりして不都合な事態を招来する。従って、対面基板１０８とＰＤＭＳ基板１０２を恒久接着させることは非常に重要である。
ステップ（Ｅ）において、ハンドリング治具１に保持されたＰＤＭＳ基板１０２と対面基板１０８を恒久接着する手法としては、各々の貼着面を酸素プラズマ処理する方法が用いられる。具体的には、ハンドリング治具１に保持されたＰＤＭＳ基板１０２と、ガラス製あるいはＳｉＯ_２薄膜処理された対面基板１０８の貼着面に対して、酸素ガスを反応性ガスとして用いた反応装置内でプラズマ処理を行う。ここで用いる反応性ガスとしては、酸素以外にもアルゴンや窒素などを用いることができるが、好ましくは、反応時間の短縮、コスト及び接着性の点で酸素が好適である。更に、接着性の安定性を得るためにＰＤＭＳ基板１０２と対面基板１０８の貼着しようとするそれぞれの面に酸素プラズマ処理を施すことが好適である。片方の面、つまりＰＤＭＳ基板１０２もしくは対面基板１０８のどちらか一方の面にのみ酸素プラズマを施す方法もあるが、この場合、ＰＤＭＳ基板１０２と対面基板１０８の両方に酸素プラズマ処理を施した場合に比べて接着性が劣る。

ステップ（Ｆ）において、マイクロ流体デバイス１００が得られた後、所望により、ＰＤＭＳ基板１０２の上面をＯ_２でクリーニングすることができる。ＰＤＭＳ基板１０２の上面をクリーニングするのは、ハンドリング治具１を剥離した際に残留するＣＨＦ_３膜９を完全に除去するためである。このクリーニングを行うことににより、マイクロ流体デバイス１００の透明性が高くなり、蛍光分析などを行う場合の信頼性が向上する。

図１に示されるようなハンドリング治具を製造した。先ず、縦１５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ５０μｍサイズのポリカーボネート板を準備した。透明なポリカーボネート板はＰＤＭＳ注入の際、気泡の観察が容易であり、しかも、柔軟性があるため、剥離しやすいという利点がある。ポリカーボネート板の表面を酸素プラズマ処理し、清浄化した。この清浄面に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ約５０μｍになるようにコーティングし、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出しＰＤＭＳ薄層を形成させた。ＰＤＭＳ薄層の表面をフルオロカーボンの存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することにより、ＰＤＭＳ薄層の表面に、厚さ５０ｎｍのＣＨＦ_３離型膜を生成させた。ポリカーボネート板の他方の表面に、プラスチック製の把持手段を接着剤により固着させた。斯くして、本発明のハンドリング治具が得られた。

４インチウエハを準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前に基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ_２ＳＯ_４およびＨ_２Ｏ_２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定の微細構造パターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、レジスト厚２０μｍのマスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ_３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ約５０μｍになるように注入口から流し込み、前記実施例１で作製されたハンドリング治具をＰＤＭＳプレポリマー混合液の上面に被せ、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、ハンドリング治具に保持された状態で厚さ５０μｍのＰＤＭＳ基板をマスターから剥がし取った。次いで、ハンドリング治具に保持されたままのＰＤＭＳ基板を、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板の上面にＯ_２プラズマにてパーマネントボンディングし、そのまま約２０分間放置した。その後、ハンドリング治具をＰＤＭＳ基板から剥離し、目的とするマイクロ流体デバイスを得た。得られたマイクロ流体デバイスのＰＤＭＳ基板には皺などは全く存在していなかった。

本発明のハンドリング治具により貼着ハンドリング可能なポリマーシートはＰＤＭＳに限定されない。ハンドリング治具のＰＤＭＳ薄層と貼着可能なポリマーシートであれば全て取り扱うことができる。また、ポリマーシートは微細構造を有しない単なる膜状のシートであってもよい。
本発明のハンドリング治具及びハンドリング方法により作製されたマイクロ流体デバイスは医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産など様々な分野で活用できる。特に、蛍光抗体法、in situ Hibridization等に最適なマイクロ流体デバイスとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、ＤＮＡ分析、ＲＮＡ分析などの広範な領域で使用できる。

本発明によるハンドリング治具の一例の概要側面図である。 図１のハンドリング治具を用いたポリマーシート基板のハンドリング方法の一例を示す工程図である。 （Ａ）は従来のマイクロ流体デバイスの一例の概要上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。

符号の説明

１ 本発明のハンドリング治具
３ 支持基板
５ 把持手段
７ ＰＤＭＳ薄層
９ ＣＨＦ_３膜
１１ マスター
１３ 微細構造
１５ プレポリマー溶液
１００ マイクロ流体デバイス
１０２ ポリマーシート基板
１０４ マイクロチャネル
１０６ ウェル
１０８ 対面基板

Claims (6)

1. ポリマーシートをハンドリングするためのハンドリング治具であって、支持基板と、該支持基板の一方の面側のポリジメチルシロキサンからなる薄層と、該ポリジメチルシロキサン薄層上に形成されたトリフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）膜とからなることを特徴とするハンドリング治具。
2. 前記支持基板の他方の面側に把持手段が更に配設されていることを特徴とする請求項１記載のハンドリング治具。
3. (a)マスターの上面にトリフルオロカーボン膜を生成するステップと、
   (b)前記マスターのトリフルオロカーボン膜生成面上にプレポリマー溶液を流し込むステップと、
   (c)前記プレポリマー溶液の上面に、請求項１又は請求項２に記載のハンドリング治具を被せるステップと、
   (d)前記プレポリマーを硬化させてポリマーシートを生成するステップと、
   (e)前記ポリマーシートを前記ハンドリング治具に保持させた状態で前記マスターから剥離するステップと、
   (f)前記ハンドリング治具に保持されたポリマーシートを別の基板の一方の面上に貼着させるステップと、
   (g)前記ハンドリング治具を前記ポリマーシートから剥離するステップと、
   からなることを特徴とするポリマーシートのハンドリング方法。
4. 前記ステップ(f)において、前記別の基板がガラス以外の素材からなる場合、該基板の表面にＳｉＯ_２膜を事前に生成しておくステップを更に有することを特徴とする請求項３記載のポリマーシートのハンドリング方法。
5. 前記ポリマーシートの膜厚が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４記載のポリマーシートのハンドリング方法。
6. 前記ポリマーシートはポリジメチルシロキサンからなるシートであることを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載のポリマーシートのハンドリング方法。

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