JP2007505747A - マイクロ構造デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

エンボス加工原版（２０）は、シリコンサブストレート（１）上にエポキシ層（２、１０）を連続的に塗布しかつ選択的にＵＶに露光し、パターンに従って架橋することにより製造する。未露光のエポキシを現像除去し、各高さで硬化したエポキシのパターンを残す。これにより、所望の３Ｄ形状を有する多層の原版を得る。次に原版（２０）を用いてポリマブランクをエンボス加工してサブストレート（８０）を得、別の原版を用いてブランクをエンボス加工してスーパーストレート（９０）を得る。サブストレート（８０）は整合するソケット溝（８０）及びチャネル溝（８１）を有し、スーパーストレート（９０）はソケット溝（９１）を有する。スーパーストレートをサブストレートに合わせると、流体毛細管又は検出導波管を受け入れるためのソケットが得られる。毛細管または導波管は、最適な流体の流れまたは光検出のためにチャネルに整合させる。

Description

本発明は、「マイクロ構造デバイス」と呼ばれる、ミリメートルまでの寸法範囲の特徴を有するデバイスに関する。このような特徴は、例えば光学デバイスにおいて導波するため、又はマイクロ流体デバイスにおいて流体を通すためのものとすることができる。

光ファイバと流体毛細管とは、類似した物理的及び寸法的特徴を有する。双方とも断面が円柱状で同じオーダの一般的な寸法を有する。双方とも、外側のクラッド領域と内側のコア領域とを有する場合がある。このコアは、光ファイバでは内部を充填して導波を可能にするのに対し、毛細管では充填しないままにして流体の流れを可能にする。

光ファイバ及び毛細管の平面導波管及び平面流体チップそれぞれへの正確なアライメント及び接続は技術的に困難である。例えば、バットカプリングのような平面構造へのファイバのアライメント及びレーザ溶接又はＵＶ硬化エポキシを用いたファイバの平面導波管への固定を実現する多くの技術が存在する。溝を用いたパッシブアライメントは、光ファイバのコアを平面導波管コア領域に適合させることに関連する時間のかかる作業を排除できることから、魅力的である。ファイバアライメント溝を実現する最も一般的な方法は、シリコンにＶ溝をエッチングすることであった。

シリコンは、その結晶性のために、良好に画定された深いＶ字型を有する溝を形成するように化学的にエッチングすることができる。その後に、ダイオードレーザ及び導波管カプラのようなアクティブ及びパッシブ導波デバイスをシリコンプラットフォーム上に一体化することができ、これにより光ファイバを平面導波管と緊密にかつ正確に接触させることができる。同様の方法を用いてＶ溝をシリコンにエッチングし、かつ毛細管を平面流体チップに挿入することができる。

しかしながら、これらの相互接続技術に関する問題は、ファイバ又は毛細管のコア領域とオンチップ光学部品又は流体部品間の高さの平面性を達成する際の困難性である。例えば、アライメントＶ溝を画定しかつその次に光導波管を画定し、両方の部品を同じ平面上で整合させることが困難である。

そこで、本発明は、改善されたマイクロ構造デバイスの製造及びマイクロ構造デバイスを提供することを目的とする。

本発明によれば、マイクロ構造デバイスを製造する方法であって、多層マイクロ構造の特徴を有するエンボス加工原版を製造する過程と、ポリマブランクを前記原版でエンボス加工して、対応するマイクロ構造を前記ブランクに付与する過程とからなる方法が提供される。

或る実施例では、前記エンボス加工原版を、（ａ）硬化可能な材料の膜をベース上に被着させ、（ｂ）前記材料を選択的に露光して前記原版の形状に硬化させ、かつ（ｃ）未露光の材料を現像除去することにより製造する。
別の実施例では、前記過程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）が、１つ又は複数の後の層のそれぞれについて繰り返される。
或る実施例では、少なくとも２つの層について異なる露光パターンが存在する。

或る実施例では、原版が、ソケット溝及びチャネル溝双方をブランクにエンボス加工するための特徴を有する。
或る実施例では、材料の膜がソケット溝及びチャネル溝双方の特徴に共通のものであり、かつ少なくとも１つの後の膜が前記ソケット溝の特徴についてのみのものである。
或る実施例では、前記材料が架橋可能なフォトレジスト、好ましくはＳＵ８である。
或る実施例では、前記材料が、ＵＶ放射への露光により硬化する。

或る実施例では、前記方法が、上部ブランケットの材料を塗布し、かつ原版の特徴が丸い角部を有するように前記ブランケットの全部を現像除去する過程を更に有する。

或る実施例では、前記ポリマブランクをエンボス加工して、マイクロ流体デバイスが得られる。
或る実施例では、サブストレート及びスーパーストレート双方をエンボス加工して溝を形成し、かつ前記スーパーストレートをサブストレートに合わせることによってマイクロ流体チャネルを形成する。
或る実施例では、放射導波管ソケット及び毛細管ソケットを、対応するソケット溝をポリマブランクにエンボス加工してサブストレート及びスーパーストレートを設け、かつ前記スーパーストレートを前記サブストレートに結合することにより形成する。
或る実施例では、前記ソケットが、放射導波管を受け入れるための溝を有する。
或る実施例では、前記マイクロ流体デバイスが分離及び分析デバイスである。

或る実施例では、前記ブランクをエンボス加工して、光学部品を受け入れかつ支持する様々な形状の凹所を形成し、光サブマウントを提供する。

或る実施例では、前記凹所が、導波管を支持するための断面Ｖ字型溝と、ボールレンズを支持するための、垂直軸に関して対称的な凹所とを含む。

或る実施例では、前記ブランクを導波管溝構造を含むようにエンボス加工し、かつカバーを前記構造の上に配置して中空の導波管を完成させる。
或る実施例では、前記カバーも同様に、前記サブストレートのそれに対応する導波管溝構造を有するエンボス加工されたポリマ材料からなり、それらが協同して中空の導波管を完成させる。

或る実施例では、前記導波管構造が金属層で被覆される。
別の実施例では、前記導波管構造に金のような金属を蒸着する。
或る実施例では、前記蒸着方法が電子ビーム又は熱蒸着である。
或る実施例では、前記金属の厚さが０．１μｍ乃至５０μｍの範囲である。

或る実施例では、前記導波管がミリメートルでの動作用に形成される。
或る実施例では、前記マイクロ構造の特徴がサブミクロン精度を有する。

或る実施例では、前記ポリマブランクが熱可塑性材料からなる。
或る実施例では、前記ポリマブランクがエンボス加工のためにそのガラス遷移温度以上に加熱される。

また本発明によれば、一体に密閉されたサブストレートとスーパーストレートとからなり、前記サブストレート及びスーパーストレートがポリマ材料からなり、かつ重ね合わされて協同して、流体毛細管又は光導波管を受け入れる少なくとも１つのソケットと流体チャネルとを形成する溝を有するマイクロ流体デバイスが提供される。

或る実施例では、前記チャネルの終端がソケットである。
或る実施例では、前記ソケットが、前記毛細管又は導波管のコアが前記チャネルと整合するような寸法を有する。
或る実施例では、前記デバイスが流体毛細管ソケット及び導波管ソケット双方を有する。
或る実施例では、前記毛細管又は導波管が前記ソケットに接着される。

また、本発明によれば、光学部品を受け入れかつ支持するためのエンボス加工された凹所を有するポリマベースからなる光サブマウントが提供される。

本発明は、添付図面を参照しつつ、以下にその単なる実施例として記載されるいくつかの実施態様の詳細な説明からより明確に理解される。
図１に関し、ポリマブランクにマイクロ構造をエンボス加工するための原板の製造が示されている。シリコンサブストレートを準備し、ＳＵ８・２をスピンオンする。その深さを小さく維持して、接着を効果的にすることが好ましい。

ＳＵ８からなる最初のブランケット２を、マスク６を介して中央領域をＵＶ７に露光することにより、パターニングして層５を設ける。層５の上にＳＵ８からなる第２のブラケット１０をスピンオンする。次に、これをＵＶにマスク１５を介して選択的に露光することにより、パターニングした層１６を形成する。

次に、未露光のＳＵ８を現像除去して、三次元の原板構造が現れるようにする。構造１８の一方の端部が図２に示されている。断面の寸法は用途による。両端部は、ポリマブランクにソケットをエンボス加工するためのものであり、中央部分はチャネルをエンボス加工するためのものである。その寸法は、シングルモードの導波管について約６μｍ×６μｍであり、マルチモードの導波管について５０μｍ×５０μｍであり、ソケットは約１２５μｍの幅と８７μｍの全高を有する。これらはマイクロ流体の用途によって変化するが、その主なパラメータは毛細管の内径及び外径である。

別の実施例では、ＳＵ８からなる最後のブランケットを塗布しかつ完全に現像除去する。これは、マイクロ構造に傾斜した側壁を画定するのに役立ち、従ってマイクロ構造デバイスの製造時にエンボス加工したポリマブランクから原板を良好にデモールド即ち分離することを可能にする。

また、ＳＵ８の硬化温度である９０℃の代わりに、推奨されるハードベイク温度である９０℃より数度高い温度で加熱することができる。これは、ＳＵ８のリフローを容易にし、同様に丸い角部／縁部を生じさせる。

この工程では、ＵＶ波長が好ましくは３６５／４０５ｎｍである。エンボス加工は、様々な厚さの最大１０の層で構成される。これには、ＳＵ８からなる、支持層と呼ばれる第１層が含まれる。これはサブストレートの表面を被覆し、かつ一般に５〜１００μｍの厚さを有する。

後の層は構造層と呼ぶことができる。個々の構造層は、１〜２００μｍ（一般に５０μｍ及び３７μｍ）の厚さを持たせることができる。各層の側壁は、図５乃至図８の写真に示すように、サブストレートに対して４５〜９０°の角度を有する。

全ての構造層及び支持層は、保護層と呼ばれる最後の層で被覆することができる。前記保護層は、０．１〜５０μｍの厚さを有する金属で構成することができる。
以下に、より詳細な実施例の工程を説明する。

原版製造の実施例
エンボス加工原版の製造は、洗浄処理と、デポジション、ＵＶ露光、及びＳＵ８からなる１つの支持層と２つの構造層との架橋を含む一連のフォトリソグラフィ工程から構成される。最後のフォトリソグラフィの工程が完了してサブストレートが室温に戻った後、これらＳＵ８層を合わせて現像する。サブストレートは１０ｃｍ（４インチ）のシリコンウエハであった。前記サブストレートを、コーティングを始める前に、標準的なピラニア／ＲＣＡ洗浄方法を用いて予備洗浄した。

前記支持層は、３５マイクロメートルの厚さを有するＳＵ８からなるブランケットであった。この層をスピンコーティングにより被着し、９０℃で９０分間（温度とソフトベーク及び露光後ベークの時間とはホットプレートの取り扱いを参照）ソフトベークし、４０５ｎｍ／３６５ｎｍのＵＶ光でかつ２００ｍＪ／ｃｍ^２の照射量で露光し、かつ９５℃で２５分間露光後ベイクした。

前記構造層を、ＳＵ８をスピンコートすることにより、同様に前記支持層に被着した。第１の構造層の厚さは５０マイクロメートルであった。ソフトベーク及びＵＶ露光のパラメータは、前記支持層の処理パラメータと同一である。

第２の構造層の厚さは３７μｍであった。これを前記第１の構造層の上に被着した。この層を９０℃で９０分間ソフトベイクし、４０５ｎｍ／３６５ｎｍのＵＶ光で２００ｍＪ／ｃｍ^２の照射量で露光し、かつ１１５℃で２５分間露光後ベイクした。

前記サブストレートを室温まで冷却した後６乃至１２時間以内に現像を行った。現像は１５分を要し、ＥＣ溶媒の槽内で行った。

最後の製造工程は、エンボス加工原版の現像済みＳＵ８構造を有するシリコンウエハの「パッケージング」が含まれる。前記シリコンウエハを所望のエンボス加工領域の形状、６０ｍｍ×６０ｍｍにダイシングし、次に高温接着剤（即ち、ＨＴＫ Ultrabond series）を用いて支持用処理プレート（即ち、１００ｍｍ×２ｍｍのガラス）に接着した。前記接着剤が完全に架橋したとき、前記エンボス加工原版の製造が完了した。

図２には、前記原版のソケット形成部が符号２１で示され、かつチャネル形成部が符号２２で示されている。個片化後の原版全体が符号２０で示されている。

図３に関し、ポリマブランク２５は原版２０によりエンボス加工されて、ソケット溝２６及びチャネル溝２７を形成する。このように、異なる高さのマイクロ構造の特徴が、原版２０の多層構造の結果として単一の工程で形成される。

図４は、個片化前の一連の原版の写真である。図５乃至図８は、ポリマにおけるマイクロ構造の写真である。これらの写真から、精度が非常に良好であり、かつ広範に様々な異なるマイクロ構造の特徴をエンボス加工し得ることが理解される。図５はソケット溝及びチャネル溝を示し、図６は前記溝の端面を示している。図７は真っ直ぐなマイクロ流体デバイスのチャネル溝及びソケット溝を示し、かつ図８は湾曲した溝を示している。これらは前記工程の融通性を示すものである。図３及び図５乃至図８の写真は１つのポリマ部分即ちサブストレートに関するものである。スーパーストレートを同様の方法で前記サブストレートのそれに合わせる所望のパターンを有するように形成する。前記サブストレート及びスーパーストレートの対応する溝を合わせると、マイクロ流体デバイスのチャネルが形成され、かつ対応するソケット溝を合わせるとソケットが形成されて、液体の供給又は排出もしくは光の検査のためにマイクロ流体毛細管又は光ファイバを受け入れかつ前記チャネルと整合した状態に保持する。

例えば、図９は、前記スーパーストレートを追加する前にソケット溝に挿入された毛細管を示している。毛細管のコアがチャネル溝の高さにあることに注目する。本実施例では、前記スーパーストレートが前記チャネル溝の上に平らに置かれるが、ソケット溝を有するので、前記サブストレートのソケット溝に高さを加えて前記ソケットを形成する。図１０は、チャネルの検査のためにサブストレートのソケット溝内にある光ファイバを示している。

上記工程では、エンボス加工のために、前記原版を高温及び高圧の影響下でポリマサブストレートに加圧する。処理温度はポリマ材料のガラス遷移温度より十分に高く、前記ポリマが流れて前記原版構造の逆のインプレッションを形成できるようにする。また、比較的高いガラス遷移温度を有するポリマ材料を用いることは、接着剤又はエポキシの硬化のような追加の高温処理をポリマサブマウントの表面で実行することを可能にすることから望ましい。好ましいポリマ材料の例として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、環状オレフィンポリマ（ＣＯＰ）、及びポリカーボネート（ＰＣ）がある。

エンボス加工処理の実施例
マイクロ流体デバイス（即ち、高圧ＵＶフローセル）の製造及びアセンブリは、ｉ）個々のデバイス部品（即ち、サブストレート、スーパーストレート）のエンボス加工、いくつかのデバイス部品（即ち、２、９、１６）を１つに結合させて１つのエンボス加工された部品のアレイにすることができる、ｉｉ）エンボス加工された部品の切断及び個々のデバイス部品への分離並びに余分なエンボス材料の切断及び除去、ｉｉｉ）個々のデバイス部品（即ち、サブストレート及びスーパーストレート）の１つのデバイスへのアセンブリ及び溶着、並びにｉｉｉｉ）毛細管及び／または光ファイバの相互接続を含む４つのプロセス段階から構成される。

サブストレートと称するデバイス部品は、マイクロチャネルのネットワークと、毛細管及び光ファイバのための、並びに自己整合アセンブリのためのパッシブ相互接続及びアライメントの特徴を有する。スーパーストレートと称するデバイス部品は、毛細管及び光ファイバのための、並びに自己整合アセンブリのための相互接続及びアライメントの特徴を有する。

一例として、高圧ＵＶフローセルは２つの部品、サブストレート及びスーパーストレート、２つの毛細管及び２つのファイバから構成される。そのサブストレート／スーパーストレートの材料として、ＣＯＰ３３０またはＣＯＰ４８０が使用される。

ｉ）エンボス加工
全ての材料及び部品は、ホットエンボス装置にローディングする前に、アセトン及びＩＰＡで洗浄する。コース（coarse）材料として、６４×４３×２ｍｍの寸法を有するＣＯＰプレートを使用する。ローディング及びアンローディングは１１０℃で行う。前記コース材料を前記エンボス装置にローディングした後、エンボス加工のチャンバを真空にする。個々のデバイス部品のエンボス加工は、前記チャンバ内の温度が１６５℃（ＣＯＰ３３０）または１７５℃（ＣＯＰ４８０）に達したときに行う。その温度において、６ｋニュートンの力を加えて５分間保持する。エンボス加工された部品のデモールトは１１０℃の温度で行う。ローディング／アンローディング、加熱／冷却を含むエンボス加工工程全体の時間は約２５分である。

ｉｉ）切断
エンボス加工した部品は、ダイシングソーを用いて個々のデバイス部品に切断する。

ｉｉｉ）アセンブリ
サブストレート及びスーパーストレートの溶着は前記エンボス加工装置内で行う。１つのサブストレートと１つのスーパーストレートとを、該サブストレート及びスーパーストレートのエンボス加工された２つの面が対面しなければならない、重ね合わせた状態で前記チャンバにローディングする。ローディング及びアンローディングは１１０℃で行う。最初の溶着段階において、前記チャンバを真空にし、かつ１５〜２５ニュートンの力を印加する。次に前記チャンバ内の温度を１３５℃（ＣＯＰ３３０）まで又は１４５℃（ＣＯＰ４８０）まで上昇させる。ローディング／アンローディング、加熱／冷却を含む溶着工程全体の時間は約１０分である。

ｉｉｉｉ）相互接続
前記デバイスを即ち外部ポンプ、液体送給システム、光源などに接続するために、フューズドシリカ製毛細管及び／又は光ファイバを前記デバイスに相互接続する。これによって、前記毛細管／ファイバは、前記デバイスの適当な相互接続ポート内に挿入され、かつ瞬間ＵＶ硬化性接着剤（即ち、Norland Electronic Adhesive NEA121）を用いて密封される。

両方の原版を用いてエンボス加工を完了した後、エンボス加工したポリマサブストレート及びスーパーストレートは、自己整合の特徴を用いて一体化し、１つにスナップ嵌めすることができる。次に、熱処理又はエポキシ接着剤処理を用いてそれらをしっかりと密閉する。

図１１に関し、統合型マイクロ流体高圧液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）デバイス６０は注入、分離及び検出の特徴を有する。このデバイス６０は、両端にフリットを一体化した分離カラム６３の最初の部分に移動相入口ソケット６２を備える。サンプル入口ポート６４及び出口ポート６５は、マイクロチャネルにより分離カラム６３と接続されている。また、デバイス６０は、放射線吸収及び検出のために光入口ポート６６及び出口ポート６７を備える。廃水出口ポート６８が分離カラム６３の端部に連結されている。入口ポート６９は固定相マイクロビーズの注入のために使用され、このポートはマイクロビーズが所定位置に配置されると密閉される。

図１２に関し、サンプル入口ポート６４が示されている。しかしながら、これはデバイス６０の全ての流体入口及び出口ポートに類似している。ポート６４は、ポリマサブストレート８０に機械加工されて、毛細管ソケット溝８１及びチャネル溝８２を備える。チャネル溝８２は、ソケット溝８１の端面から延長している。流体毛細管８３はソケット溝８１内に挿入する。図１２から、ソケット溝８１の幅が毛細管８３の外径に正確に適合し、かつチャネル溝８２の幅が毛細管８３の内径に正確に適合していることが分かる。この実施例では、前記寸法の値は、次のようである。
Ａ：１５０μｍ
Ｂ：１００μｍ
Ｃ：５０μｍ

しかしながら、これらの寸法は以下の範囲で変化させることができる。
Ａ：１００〜２０００μｍ
Ｂ：１００〜２０００μｍ
Ｃ：１〜１０００μｍ

図１３及び図１４に示すように、前記デバイスの完成は、ポリマスーパーストレート９０をサブストレート８０上に配置することにより実現される。また、ポリマスーパーストレート９０は、流体毛細管の前記チャネルへの正確なアライメントを可能にするソケット溝９１を有する。ポリマスーパーストレート９０の前記ソケット溝の寸法は流体毛細管の内径及び外径（Ａ−Ｂ）により決定される。前記チャネルの全高は前記サブストレートの溝８１により与えられ、スーパーストレート９０は溝８１の上に平らに置かれる。前記毛細管及び光ファイバは接着剤により前記ソケット内の所定位置に接着される。

前記デバイスの別の特徴は、前記サブストレート及びスーパーストレートの段差を設けた高さ構造を用いて、前記流体マイクロチャネル、ソケットで終端する流体毛細管、及び光ファイバの光を導波コア領域の内径間のオーバラップを可能にすることである。これにより光の前記チャネルへの又はそれからの接続が最大になり、サンプルによる光の吸収及び検出信号を最大にする。

図１５に関し、光ファイバ１００の放射線相互接続部１０９は、その端部に薄い透明壁１１１を設けた溝１１０を備える。壁１１１は溝１１０を流体マイクロチャネル１１３から分離している。溝１１０の深さは、ファイバ１００の導波コアがチャネル１１３と整合するようになっている。別の実施例では、前記溝の端部に壁が設けられず、ファイバの端部と適当な接着剤とが端壁の部分を有効に形成する。平面流体相互接続部の構成によって、入口及び出口流体毛細管とポリママイクロチャネル間の高効率な結合が可能になる。前記ポリマサブストレートは、前記相互接続部が毛細管の内径及び外径との正確な適合を可能にする段差付き高さ構造であるように製造する。毛細管の内径及び外径によって、前記段差付きポリマ高さ構造の寸法が決定される。この平面相互接続により、毛細管とマイクロチャネル間を接続する死容積を少なくすることが可能になり、毛細管とサブストレート及びスーパーストレート間の接着領域が増加することによる結合部の圧力許容差が大幅に増加する。接着は、毛細管をサブストレートに沿って配置した後にＵＶ硬化性エポキシを塗布することにより行われる。

前記デバイスの別の有利な特徴は、単一のポリマサブストレート上に２つ又は３つの注入、分離及び検出部品を統合したことである。これは、ポリマホットエンボス加工の製造技術を用いることによって行われる。これらの製造技術により、段差付き高さ相互接続構造、マイクロチャネル、化学的機能化マイクロビーズを収容するフリット、及び光ファイバのためのアライメント溝の製造が可能になる。これらの特徴全部を前記ポリマサブストレートに同時にパターン形成することができる。次に、前記サブストレートを類似のポリマ材料で密封して、前記毛細管及び光ファイバを挿入する。

前記デバイスの別の有利な特徴は、前記分離チャネルを横断するマイクロチャネルを設けることである。このマイクロチャネルによって、固定相の化学的性質を有する機能化されたマイクロビーズを前記分離チャネルに沿って導入することを可能にする。このマイクロチャネルは、前記マイクロビーズが一旦所定位置に配置されると密封され、前記分離チャネルの両端に設けられたフリットが前記マイクロビーズを所定位置にしっかりと保持する。

図１６に関し、一般的な矩形のブロック形状をなすポリマブランク１２０が設けられている。エンボス加工原版１２２をブランク１２２の上面に対して加圧してこれをエンボス加工し、３次元の光サブマウントマイクロ構造を付与する。前記多層原版によって、様々な寸法又は高さの光部品を単一の軸に沿って整合させることが可能になる。これは図１７（ａ）及び（ｂ）並びに図１８、１９において明らかであり、入口及び出口光ファイバ、コリメーションレンズ及び焦点レンズ並びに光ファイバが光軸に沿って整合している。これらの図面は、２つの対向する光ファイバ、２つのボールレンズ、及びサブマウント１２３上に配置されたフィルタからなる光学アセンブリ１２５を示している。レーザ及びＬＥＤのようなエミッタ、光検出器及びビームスプリッタ及び回折格子のような他の光部品もまた、上述したと同様にして一体化することができる。図２０は、１ｃｍ×１ｃｍのサブマウント上にミラー、ビームスプリッタ（１ｍｍ×１ｍｍ）及び０．３ｍｍのボールレンズからなるアセンブリを示す写真である。

従って、本発明によれば、エミッタ、検出器、屈折及び回折光学素子及び光ファイバのような広範囲の光部品を支持することができるマイクロ構造を有するポリマプラットフォームの製造方法が提供される。有利な特徴は、単一の処理工程でポリマ材料に部品のアライメント及びマウント構造を、サブミクロン精度で画定しかつ配置する能力である。これは、高度に集積化した光学部品を超小型にパッケージした形態で大量生産するのに適した比較的簡単な製造方法が可能になる。

このように、ポリマ材料は、高レベルの光集積構造を支持するために適したプラットフォームを提供することができる。更に、ポリマ製造方法は元来安価であり、それにより特に大量製造に適したものとなっている。また、前記方法は、単純な平面集積化と対照的に、３次元レベルでの集積化を可能にする。これは、様々な寸法の光部品を単一の光軸に沿って整合させることを可能にすることから、重要である。また、前記光サブマウントは、金属マイクロ電極をパターン形成して、レーザ及び光検出器のようなエミッタ及び検出デバイスの外部電源との電気的接続を容易にすることができる。

図２１に関し、エンボス加工原版１３０は、概ね十字形状のリッジ導波構造１３１とアライメント特徴構造１３２とを有する。原版１３０は、ポリマブランクの上面に対して加圧されてそれをエンボス加工し、３次元のマイクロ構造を付与する。図２２は、異なる原版で形成されたエンボス加工済みのサブストレート１４０を示している。エンボス加工するために、多層原版１３０を、上述したように高い温度及び圧力の影響下でポリマサブストレートに加圧する。

図２１に示すように、多層原版１３０は、前記ポリマサブストレートに同時にエンボス加工される導波及び自己整合の特徴双方を備えることができる。前記自己整合の特徴は、導波の特徴とは異なる寸法を持たせることができ、これは用途に依存する。様々な寸法の導波管が多層のエンボス加工のマスタを用いて実現し得ることに注目することが重要である。特にこの場合には、前記エンボス加工原版は、様々な動作の周波数に対応して、高さのような寸法に様々な特徴を持たせることができる。この選択肢は、２つ又はそれ以上の周波数を混ぜた導波管構造を製造する場合に望ましい。

エンボス加工が完了した後、エンボス加工したポリマサブストレート及びスーパーストレートのチャネル１４１、１４６を金属薄層で被覆して、従来の機械加工した導波管の効果を真似る。最終的な金属の厚さ及び選択は、動作の周波数によって決定される。前記金属層を被着させた後、前記サブストレート及びスーパーストレートを一体に結合させて、図２３に示すように内部導波管１５１を有する導波デバイス１５９を形成する。

ポリマ材料が、ミリメートルの導波システムにおいて多くの場合に要求されるような複雑なマイクロ構造により従順であることが理解される。

図２４は、異なるサブストレート及びスーパーストレート間のインタフェースを示す写真である。この場合には、左側の特徴が、図２２に示すような内部ではなく、角部におけるアライメントの特徴である。

本発明によれば、マイクロ構造デバイスの非常に簡単で有効な製造方法が提供されることが分かる。特に、チャネルを有するソケットのような様々な特徴を整合させなければならない場合に有利である。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、その構成及び詳細において様々に変化させることができる。

マイクロ構造デバイスの製造のためのエンボス加工原版の製造を示すフロー図である。 エンボス加工原版の斜視図である。 エンボス加工したソケット溝及びチャネル溝の斜視図である。 ダイシング前の多数の原版を示す写真である。 エンボス加工したマイクロ構造の写真である。 エンボス加工したマイクロ構造の端面を示す写真である。 別のマイクロ構造を示す写真である。 別のマイクロ構造を示す写真である。 マイクロ構造ソケット溝に挿入された毛細管を示す写真である。 マイクロ構造ソケット溝に挿入されたファイバを示す写真である。 本発明の統合型マイクロ流体ＨＰＬＣデバイスの平面図である。 （ａ）図はサンプル入口ソケット溝の斜視図、（ｂ）図は対応する寸法を図示した流体毛細管の断面図である。 図１２（ａ）のサブストレートにスーパーストレートを接着する様子を概略的に示す端面図である。 毛細管を破線で図式的に示した接着部分の軸方向の断面図である。 別のサブストレートのソケット溝に光ファイバを接続した状態を示す斜視図である。 ポリマブランクをエンボス加工して光デバイスサブマウントを提供する様子を図式的に示す側面図である。 （ａ）図及び（ｂ）図はサブマウント上に光学部品を配置する様子を図式的に示す断面図である。 サブマウントの平面図である。 部品を配置した後の平面図である。 光サブマウントの写真である。 導波デバイスのエンボス加工原版の斜視図である。 エンボス加工したポリマ部品を示す図である。 一体に合わせた２つのポリマ部品からなる導波管を示す図である。 サブストレート及びスーパーストレートを接着したデバイスの写真である。

Claims (34)

1. マイクロ構造デバイスを製造する方法であって、
   多層マイクロ構造の特徴を有するエンボス加工原版を製造する過程と、
   ポリマブランクを前記原版でエンボス加工して、対応するマイクロ構造を前記ブランクに付与する過程とからなる方法。
2. 前記エンボス加工原版を、（ａ）硬化可能な材料の膜をベース上に被着させ、（ｂ）前記材料を選択的に露光して前記原版の形状に硬化させ、かつ（ｃ）未露光の材料を現像除去することにより製造する請求項１に記載の方法。
3. 前記過程（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を１つ又は複数の後の層のそれぞれについて繰り返す請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも２つの層について異なる露光パターンがある請求項３に記載の方法。
5. 前記原版が、前記ブランクにソケット溝及びチャネル溝双方をエンボス加工するための特徴を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 材料の膜がソケット溝及びチャネル溝双方の特徴に共通のものであり、かつ少なくとも１つの後の膜が前記ソケット溝の特徴についてのみのものである請求項２乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記材料が架橋可能なフォトレジストである請求項２乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記材料がＳＵ８である請求項７に記載の方法。
9. 前記材料をＵＶ放射への露光により硬化させる請求項２乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 上部ブランケットの材料を塗布し、かつ原版の特徴が丸い角部を有するように前記ブランケットの全部を現像除去する過程を更に有する請求項２乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 前記ポリマブランクをエンボス加工してマイクロ流体デバイスを提供する請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. サブストレート及びスーパーストレート双方をエンボス加工して溝を形成し、かつ前記スーパーストレートをサブストレートに合わせることによってマイクロ流体チャネルを形成する請求項１１に記載の方法。
13. 放射導波管ソケット及び毛細管ソケットを、対応するソケット溝をポリマブランクにエンボス加工してサブストレート及びスーパーストレートを設け、かつ前記スーパーストレートを前記サブストレートに結合することにより形成する請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記ソケットが放射導波管を受け入れるための溝を有する請求項１３に記載の方法。
15. 前記マイクロ流体デバイスが分離及び分析デバイスである請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記ブランクをエンボス加工して、光学部品を受け入れかつ支持する様々な形状の凹所を形成し、光サブマウントを提供する請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
17. 前記凹所が、導波管を支持するための断面Ｖ字型溝と、ボールレンズを支持するための、垂直軸に関して対称的な凹所とを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記ブランクを導波管溝構造を含むようにエンボス加工し、かつカバーを前記構造の上に配置して中空の導波管を完成させる請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
19. 前記カバーも同様に、前記サブストレートのそれに対応する導波管溝構造を有するエンボス加工されたポリマ材料からなり、それらが協同して中空の導波管を完成させる請求項１８に記載の方法。
20. 前記導波管構造が金属層で被覆されている請求項１７又は１９に記載の方法。
21. 前記導波管構造に金属を蒸着した請求項２０に記載の方法。
22. 前記金属が金である請求項２１に記載の方法。
23. 前記蒸着方法が電子ビーム又は熱蒸着である請求項２１又は２２に記載の方法。
24. 前記金属の厚さが０．１μｍ乃至５０μｍの範囲内である請求項２１乃至２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記導波管がミリメートルでの動作用に形成されている請求項２１乃至２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記マイクロ構造の特徴がサブミクロン精度を有する請求項１乃至２５のいずれかに記載の方法。
27. 前記ポリマブランクが熱可塑性材料からなる請求項１乃至２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記ポリマブランクを、エンボス加工のためにそのガラス遷移温度以上に加熱する請求項１乃至２７のいずれかに記載の方法。
29. 一体に密閉されたサブストレートとスーパーストレートとからなり、前記サブストレート及びスーパーストレートがポリマ材料からなり、かつ重ね合わされて協同して、流体毛細管又は光導波管を受け入れる少なくとも１つのソケットと流体チャネルとを形成する溝を有するマイクロ流体デバイス。
30. 前記チャネルの終端が前記ソケットである請求項２９に記載のマイクロ流体デバイス。
31. 前記ソケットが、前記毛細管又は導波管のコアが前記チャネルと整合するような寸法を有する請求項３０に記載のマイクロ流体デバイス。
32. 流体毛細管ソケット及び導波管ソケット双方を有する請求項２９乃至３１のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
33. 前記毛細管又は導波管が前記ソケット内に接着されている請求項２９乃至３２のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
34. 光学部品を受け入れかつ支持するためのエンボス加工された凹所を有するポリマベースからなる光サブマウント。

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