JP2006505418A - 微小接合部付きコンポーネントの製造方法及び該製造方法により製造されたコンポーネント - Google Patents

微小接合部付きコンポーネントの製造方法及び該製造方法により製造されたコンポーネント Download PDF

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Abstract

微小接合部付きコンポーネントの製造方法は、組立用接合部（４）を構成するためにポリマー層（２）を転移用基板（１）に被着させる第１工程と、ポリマー層を微細構造化基板（３）に接触させる第２工程と、転移用基板を回収する第３の工程とを有する。ポリマー層（２）と転移用基板（１）との間の化学親和力と、ポリマー層（２）と微細構造化基板との間の化学親和力の差の結果として、第２工程中に微細構造化基板（３）に接触していたポリマー層のゾーン（４）は、第３工程後、微細構造化基板（３）にくっついたままである。かかるゾーンは、組立用接合部を構成する。

Description

発明の詳細な説明
〔発明の背景〕
本発明は、組立用接合部により組み合わされた微細構造化サブストレートと相補形状の要素を有するコンポーネントの製造方法に関する。本発明は又、この方法により製造されるコンポーネントに関する。
〔技術の現状〕
微細構造化コンポーネント、特に、超小型流体素子（バイオチップ、ラボオンチップ（lab-on-chip ）等．．．）又は微小電気機械装置（ＭＥＭＳ、ＭＯＥＭＳ等．．．）の製造では一般に、流体を循環させ又は貯蔵することができる自由空間が形成された少なくとも１つの基板の表面又は体積微細構造化が行われる。このようにして形成されたキャビティ又はチャネルは、少なくとも一方の側が開口しており、したがって、別の構造体（開放又は閉鎖カバー、毛管、他の超小型流体素子基板．．．）に連結され又は組み付けられなければならない。
微細構造化コンポーネントの組立では、微細構造化できる組立用接合部及びシールが必要である。しかしながら、微細構造化接合部の取扱い及び位置決めは非常に難しい。組立用接合部として特にポリジメチルシロキサンを用いる技術が存在し、かかる技術では、組立用接合部の表面を画定するのに複雑な方法が用いられる。組立用表面が局所的に非常に小さい場合のある基板に関する他の組立技術が存在するが、これら技術では、高温又は化学的前処理が必要であるが、かかる前処理により、組み立てられるべき（例えば、生物学的移植により）コンポーネントを機能化する可能性が制限され、しかも上記技術では、材料の選択が制限される。ポリマー組立の技術分野においては、熱溶接も又、材料の選択を制限する。あらかじめグルーが施された接着フィルムを用いることにより、取り扱われるべき流体と接触するグルーが存在するという欠点が生じ、生物学的適合性の問題が生じる。
生物学的種の存在下において液体グルーの重合と関連した問題はさておき、より従来的な膠着技術（シリンジ、パッド印刷、グルーローラ、スクリーン印刷によるグルー配分）は、非常に小さな組立用表面（＜２０μｍ）を備えた微細構造体の組立には不適当であることが判明している。
かくして、公知の組立技術は、生物学的適合性の問題を提起すると共に（或いは）複雑であり、これにより利用可能性が制限される。加うるに、或る技術は、２つのコンポーネントの可逆的組立を可能にしない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、これら欠点を解決し、特に、生物学的適合性の問題を最小限に抑える一方で、複雑さ及び製造費を減少させる微細構造化コンポーネントの製造方法を提案することにある。
本発明によれば、この目的は、製造方法が、
−薄いポリマーの層を転移用基板に被着させる第１工程を有し、転移用基板と薄いポリマーの層は、所定の化学親和力を有し、
−微細構造化基板と薄いポリマー層を互いに接触させる第２工程を有し、微細構造化基板と薄いポリマー層との間の化学親和力は、転移用基板と薄いポリマー層との間の化学親和力よりも大きく、
−転移用基板を除去して組立用接合部が第２工程中に微細構造化基板に接触していた薄いポリマー層のゾーンによって形成されるようにする第３工程を有する組立用接合部の作製方法を含むという技術的特徴によって達成される。
好ましい実施形態によれば、転移用基板は、可撓性であり、転移用基板の除去は、転移用基板の一端部を引張ることにより行われる。
本発明の改造例では、製造方法は、相補形状要素の化学的活性化工程を有すると共に（或いは）第３工程後に、微細構造化基板に設けられた組立用接合部の化学的活性化工程を有する。かくして、微細構造化基板と相補形状要素の可逆的組立を達成できる。
本発明の別の目的は、上記方法によって製造され、組立用接合部によって組み合わされた微細構造化基板に組み付けられた相補形状の要素を有するコンポーネントを提供することにあり、相補形状要素は、カバー、別の微細構造化基板、毛管又は互いに固定された毛管のマトリックスである。
他の利点及び特徴は、非限定的な例として与えられているに過ぎず、そして添付の図面に示された本発明の特定の実施形態についての以下の説明から明らかになろう。
〔特定の実施形態の説明〕
図１〜図６に示された方法の第１工程では、薄いポリマーの層２を転移用基板１に被着させる。代表的に用いられる被着方法は、スピンコーティング法である。薄い層２のポリマーと転移用基板１の材料は、以下に説明する第２工程及び第３工程の実施を可能にする化学親和力を備えなければならない。好ましい実施形態では、転移用基板１の材料と薄いポリマー層２の材料は両方ともポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。ＰＤＭＳ転移用基板１の有利な特性の一つは、その可撓性である。薄い層２に用いられるポリマー及び被着方法に応じて、例えば加熱による追加の中間架橋工程を被着直後に追加してもよい。
第２工程（図３）は、転移用基板１により支持された薄いポリマー層２を微細構造化基板３に接触させる工程から成る。薄いポリマー層２と微細構造化基板３との間の化学親和力は、薄いポリマー層２と転移用基板１との間の化学親和力よりも大きくなければならない。第２工程前に、薄いポリマー層２と微細構造化基板３との間の化学親和力の調節を追加の中間化学的活性化工程により行うことができる。図２に示すように、化学的活性化工程をポリマー層２及び（又は）微細構造化基板３に施すのがよい。用いられる化学的活性化手段は、Ｏ２プラズマである。図２では、薄いポリマー層２と微細構造化基板３の同時プラズマ酸化が示されている。さらに、薄いポリマー層２のテナシティ(tenacity)又は靱性は、プラズマ酸化後減少し、それにより以下に説明する本方法の第３工程の実施が容易になる。第２工程（図２）前の化学的活性化工程により化学親和力を適切に調節することによって薄いポリマー層を微細構造化基板に非可逆的に膠着させるのがよい。
第３工程では、転移用基板１を除去する。第２工程中に微細構造化基板３に接触していた薄いポリマー層２のゾーンだけが微細構造化基板３にくっついたままになる。微細構造化基板３と薄いポリマー層２との間の化学親和力が薄いポリマー層と転移用基板１との間の化学親和力よりも大きいので、薄いポリマー層２は実際に裂け、一部４が微細構造化基板３に固定されたままであり、残り６は転移用基板１と一緒に除去される。かくして、第２工程中に微細構造化基板３と接触していなかった薄いポリマー層２のゾーンは、残留物６として転移用基板１にくっついたままである。かくして、微細構造化基板３にくっついたままの薄いポリマー層２のゾーンにより組立用接合部４が形成される。平らな転移用基板１の場合、第２工程では、位置合わせは何ら必要でなく、微細構造化基板３それ自体が薄いポリマー層２との接触ゾーンを画定する。薄いポリマー層が微細構造化基板３に機械加工されたパターンのエッジで裂けるようにするため、薄いポリマー層２のテナシティは、非常に弱くなければならない。特に、第２工程（図２）前にプラズマ酸化によりテナシティを減少させるのがよい。
上述の方法により、死空間を残さないで且つ微細構造化基板３に形成されたキャビティ５の上に何ら物質を付け足さないで、組立用接合部４を連結され又は組み立てられるべき微細構造化基板３と同一の形状を備えた状態で形成できる。したがって、キャビティ５内に入れられた物質（流体、液体等．．．）と接触する組立用接合部４の表面は、最小限に抑えられ、それにより、組立用接合部４の材料とキャビティ５内に入れられる物質との相互作用の恐れを低減させることができる。かくして、コンポーネントの生物学的適合性が最適化される。
この方法により、多数の微小組立用接合部を同時に形成することができ、各接合部は、広い表面の微細構造化基板上で非常に小さい（＜２０μｍ）ものであることができ（ウェーハまる１個の処理）、微細構造化基板はそれ自体、組立用接合部を局限する。この方法は、迅速であって安価であり、しかも接合部の形成のための位置合わせを必要としない。
好ましい実施形態では、第３工程の実施は、一端部を介して除去できる可撓性転移用基板を用いることにより容易になる（図４）。これにより、コンポーネントを損傷させる恐れのある大き過ぎる力が用いられるのを回避することができる。
第３工程後、相補形状の要素７を組立用接合部４により場合によっては可逆的な仕方で微細構造化基板３上に固定するのがよく、相補形状要素７の固定は、組立用接合部４との密着を保証する装置（図示せず）によって行われる。また、組立用接合部４及び（又は）相補形状要素７の１回以上の化学的活性化工程を追加することにより、例えば、プラズマ酸化（図５）によって相補形状要素７を微細構造化基板３に非可逆な仕方で固定することも可能である。組立用接合部４により組み合わされた微細構造化基板３と相補形状要素７を有するこのようにして得られたコンポーネントが、図６に示されている。
図７に示す特定の実施形態では、組立用接合部４を画定するよう設計されたゾーンが互いに比較的遠く離れて位置している場合、微細構造化基板３は第２工程中に転移用基板１のための支承面として働く支承ゾーン８を有する。かくして、支承ゾーン８は、第２工程中、転移用基板と微細構造化基板が互いに平行になるようにしながら、薄いポリマー層２が組立用接合部を画定する２つのゾーン相互間に構成された微細構造化基板３の底面９にくっつくのを阻止する。
図６に示す変形実施形態では、相補形状要素７は、微細構造化基板３のキャビティ５を閉鎖するカバー７である。図８に示された本発明の別の特定の実施形態によれば、相補形状要素は、毛管１０又は互いに固定された毛管のマトリックスによって形成される。別の実施形態では、相補形状要素７は、別の微細構造化基板である。
図９に示された特定の実施形態では、転移用基板は、微細構造化基板３の表面の或る特定のゾーン１２に対する薄いポリマー層２の接触を阻止することができる微細構造化基板１１である。この種の微細構造化基板１１の形成は、例えば成形法により達成できる。しかしながら、平らな転移用基板とは異なり、微細構造化転移用基板１１では、本方法の第２工程中、微細構造化基板３との位置合わせが必要になり、それにより本方法が、より複雑になる。
組立用接合部の材料は、以下の基準を満たす熱硬化性樹脂、エラストマー又はエラストマー熱可塑性樹脂の中から選択される。
−接合部をいったん形成すると、その耐密及び組立機能を実行するほど十分可撓性があり、例えば、微細構造化基板の粗さ又は平坦さについての欠陥を補償できること（粘弾性挙動）。
−必要ならば適当な処理後、微細構造化基板及び転移用基板との共有結合を形成すること。
−必要ならば適当な処理後、転移が起こる際に容易に裂けるようテナシティが低いこと。上述のポリマー系材料は、プラズマ酸化後、一般に１００μｍ〜１５０μｍの深さにわたりそのテナシティの減少を生じる。記載した接合部の厚さの範囲が狭いので、接合部はその深さ全体にわたり酸化され、したがって脆弱になり、かくして転移作業が容易になる。
−好ましくは、スピンコーティング法により塗り広げることができるよう液体の形態で入手できること。
特に光学的及び生物学的適合性が品質的に高いのでポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、特にダウ・コーニング（Dow Corning：登録商標）社からのSylgard（登録商標）１８４等級が特に適している。ダウ・コーニング（Dow Corning ：登録商標）社のSylgard（登録商標）１８４等級のＰＤＭＳを低エネルギ酸素プラズマにより活性化（ＳｉＯＨ座及びＯＨ座の形成；ヒドロキシル化）するのがよく、かかる低エネルギ酸素プラズマにより、かかるＰＤＭＳを非可逆的にシリコン、ガラス、多種多様なプラスチック、それ自体等に粘着させることができる。これは、硬化剤と一緒に供給される非架橋形態で入手でき、したがって、スピンコーティング法により塗り広げられるのに十分な液体で入手できる。選択されたポリマーを沸騰水中へ浸すことにより表面ヒドロキシル化を実施できる。しかしながら、この方法は、実施の簡単さの面で劣ることが判明している。
転移用基板の材料は好ましくは、その可撓性に鑑みて組立用接合部材料との共有結合（例えば、薄い層ＰＤＭＳのメタクリル基と結合する自由メタクリル基）を形成することができるよう選択される。この理由で、好ましい選択肢は、ＰＤＭＳにはほこりが非常に付着しやすいので貯蔵に関連したほこり捕集の問題を回避するよう新たに作製されたＰＤＭＳで作られる転移用基板である。
薄いＰＤＭＳ層は好ましくは、時間を節約するために高温架橋される（６０℃で４時間）。スピンコーティングワーラ（whirler）を用いることにより組立用接合部の厚さを選択することができる（代表的には、数マイクロメートル〜５０μｍ）。
組み立てられ又は連結されるべき微細構造化基板の材料又は少なくとも組立用接合部の形成にもっぱら用いられる表面の材料は、上記組立用接合部との共有結合を形成するよう活性化できなければならない。同様に、上記接合部と相補形状要素の共有結合を達成するのがよい。これらの条件下において、組立状態の最終コンポーネントは、流体密となることができる。
シリコン上への酵素消化反応器の作製にあたり、微細構造化基板は、長さが数ミリメートル、幅が１ｍｍのチャネルを備え、この場合、直径が５μｍ又は１０μｍの柱のマトリックスが微細加工される（数ミクロンの柱）。これにより、上記反応器の表面積と体積の比を増大させることができ、壁に移植された酵素とこれら反応器内で運ばれる蛋白質との間で酵素消化反応が生じる。
本発明により、上述したように、特に、組立用接合部を非常に小さなパターン（各辺が５μｍの正方形の柱、直径が１０μｍの六角形の柱）で且つ比較的広い表面積のコンポーネント（４×２ｃｍ２）上に形成することができ、この場合、死空間がこれら柱の上方に生じず、しかも流体に向いたＰＤＭＳの表面（ＰＤＭＳ上での蛋白質吸着の問題）が最小限に抑えられる。
本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 本発明の方法の特定実施形態の種々の工程のうちの一つを示す図である。 支承ゾーンが微細構造化基板にくっついた状態の本発明の特定の実施形態を示す図である。 相補形状要素が毛管である本発明のコンポーネントの特定の実施形態を示す図である。 転移用基板の変形実施形態を示す図である。

Claims (16)

  1. 組立用接合部（４）によって組み合わされた微細構造化基板（３）と相補形状の要素（７，１０）を有するコンポーネントの製造方法において、
    −薄いポリマーの層（２）を転移用基板（１，１１）に被着させる第１工程を有し、転移用基板と薄いポリマーの層は、所定の化学親和力を有し、
    −微細構造化基板（３）と薄いポリマー層（２）を互いに接触させる第２工程を有し、微細構造化基板と薄いポリマー層との間の化学親和力は、転移用基板（１，１１）と薄いポリマー層との間の化学親和力よりも大きく、
    −転移用基板（１，１１）を除去して組立用接合部（４）が第２工程中に微細構造化基板（３）に接触していた薄いポリマー層（２）のゾーンによって形成されるようにする第３工程を有する組立用接合部の作製方法を含むことを特徴とする製造方法。
  2. 第１工程と第２工程との間に、薄いポリマー層（２）の架橋工程を有することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  3. 第１工程と第２工程との間に、転移用基板（１，１１）に被着された薄いポリマー層（２）の化学的活性化工程を有することを特徴とする請求項１又は２記載の製造方法。
  4. 第１工程と第２工程との間に、微細構造化基板（３）の化学的活性化工程を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
  5. 転移用基板（１，１１）は、可撓性であり、転移用基板の除去は、転移用基板の一端部を引張ることにより行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
  6. 転移用基板（１，１１）は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で作られていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
  7. 第３工程後に、微細構造化基板（３）に設けられた組立用接合部（４）の化学的活性化工程を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
  8. 相補形状要素（７，１０）の化学的活性化工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
  9. 微細構造化基板（３）は、第２工程中、転移用基板（１，１１）の支持体として働く少なくとも１つの支承ゾーン（８）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
  10. 転移用基板（１）は、平らであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。
  11. 転移用基板は、微細構造化された基板（１１）であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。
  12. 薄いポリマー層（２）のポリマー材料は、熱硬化性樹脂、エラストマー及びエラストマー熱可塑性樹脂の中から選択されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の製造方法。
  13. 薄いポリマー層（２）のポリマー材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であることを特徴とする請求項１２記載の製造方法。
  14. 相補形状要素は、カバー（７）であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の方法により製造されたコンポーネント。
  15. 相補形状要素（７）は、別の微細構造化基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の方法により製造されたコンポーネント。
  16. 相補形状要素は、毛管（１０）又は互いに固定された毛管のマトリックスであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法により製造されたコンポーネント。
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