JP2008064903A - 三次元構造物作製装置、センサー作製装置、及び三次元構造物作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源と原画体とからなる非常にコンパクトな装置を用いて、わずか１回の露光で、マイクロメートルスケールの空間分解能を有する微細な三次元構造物を容易に作製することのできる三次元構造物作製装置を提供すること。
【解決手段】光源１と、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体２とを備え、光源１から照射される光を、基板３上に形成されたレジスト４に、原画体２を介して照射し、原画体２の前記データをレジスト４に転写し、現像して、レジスト４に三次元構造物を形成することを特徴とする三次元構造物作製装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元構造物作製装置、センサー作製装置、及び三次元構造物作製方法に係り、特に、ラピッドプロトタイピング技術を利用して、バイオチップ、マイクロセンサーアレイ、マイクロフルイディクス、三次元メモリー、三次元バーコード、三次元タグ等の三次元構造物を作成するための三次元構造物作製装置及び三次元構造物作製方法に関する。

従来、三次元構造物の試作品の作成には多大な時間を要するため、作成時間が何十分の一にも短縮できるラピッドプロトタイピング技術は、設計現場では無くてはならない技術である。ラピッドプロトタイピング技術は、別名積層造型法とも呼ばれている。この技術は電子的な立体情報からスライスデータと呼ばれる三次元の立体を輪切りにした情報に分割し、この情報に基づいた形に実際の材料を形成し、これを順次積み重ねることによって実際の立体物を得る技術である。

上記のスライスデータに基づいて造型する方法としては、液体光硬化性樹脂に紫外線を当てて固めながら造型する方法、粉末を敷き詰めてレーザ等で焼き固めながら造型する方法、シート材をスライスデータの形に切ってから接着して造型する方法、液化した材料をインクジェット等のノズルを利用して噴霧しながら重ねて造型する方法、熱等で溶かして流動性のある状態にした細い糸状物を押し出して一筆書きの要領で造型する方法等が一般に知られている。

特に、マイクロ光造形ラピッドプロトタイピング技術によるマイクロ化学反応チップやＤＮＡチップへの応用は、新しいものづくりの概念として研究開発現場で期待されている。従来の光造形法は三次元ＣＡＤデータを二次元スライスデータとし、集束イオンビームやレーザ光を走査して薄層を積み重ねる手法であるため、装置が大型し非常と高価となり、製作に多大な時間を要していた。また、積層の段差が精度に影響を与えるため高速・高精度な立体マイクロ造形が困難であった。また、光造形以外の三次元微細構造作成法としては射出成型法が広く用いられてきたが、その元となる金型は高価で、作製に時間を要していた。また、射出成型法はいったん金型を作製すると容易にそのデザインを変更できないためラピッドプロトタイピングには向かないという問題があった。
特開２００１−３０１０４５

上述のごとく、従来の光造形法はレーザ光を走査して薄層を積み重ねる手法であるため作製装置は大規模となり、かつ運転に大電力を要していた。また、作製装置は非常に高価であり、三次元構造物の製作に多大な時間を要していた。
本発明の目的は、上記の種々の問題点に鑑みて、光源と、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とからなる非常にコンパクトな装置を用いて、わずか１回の露光で三次元構造物を容易に作製することのできる三次元構造物作製装置及び三次元構造物作製方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、光源と、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とを備え、前記光源の照射により基板上に形成されたレジストに前記原画体の前記データを転写し現像して、前記レジストに三次元構造物を形成することを特徴とする三次元構造物作製装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記光源の波長は、４３０ｎｍないし４４０ｎｍであることを特徴とする三次元構造物作製装置である。
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記階調は、マイクロメートルスケールの空間分解能を有することを特徴とする三次元構造物作製装置である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段に記載の三次元構造物作製装置により作製された三次元構造物である。
第５の手段は、第４の手段において、前記三次元構造物は、バイオチップ、マイクロセンサーアレイ、マイクロフルイディクス、三次元メモリー、三次元バーコード、三次元タグのいずれか１つであることを特徴とする三次元構造物である。
第６の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段に記載の三次元構造物作製装置により作製されたアレイ状三次元構造物である。
第７の手段は、光源と、作製されるセンサーに対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とを備え、前記光源の照射により基板上に形成されたレジストに前記原画体の前記データを転写し現像して、前記レジストにセンサーを形成することを特徴とするセンサー作製装置である。
第８の手段は、第７の手段において、前記階調は、前記センサーの保持部に相当する部分が明るく、前記センサーのセンサー部に相当する部分が暗いことを特徴とするセンサー作製装置である。
第９の手段は、第７の手段又は第８の手段に記載のセンサー作製装置により作製されたセンサーである。
第１０の手段は、基板にレジストを塗布する工程と、光源からの光を作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体を介して前記レジストに照射し、前記原画体の前記データを前記レジストに転写する工程と、前記レジストを現像する工程と、前記レジストを前記基板から分離する工程とにより、前記レジストに三次元構造物を得ることを特徴とする三次元構造物作製方法である。
第１１の手段は、第１０の手段において、前記原画体のデータは、前記請求項１０に記載の三次元構造物作製方法により得られた三次元構造物を評価して、特定されたデータであることを特徴とする三次元構造物作製方法である。

光源と、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とからなる非常にコンパクトな装置を用いて、わずか１回の露光で、三次元微細構造物を容易に作製することができる。
また、４３０ｎｍないし４４０ｎｍの光源波長を用いることによって、短時間に三次元構造を作製でき、且つ市販のＰＣプロジェクターを使用することができるので三次元構造物作製装置が安価になる。
また、階調は、マイクロメートルスケールの空間分解能を有しているので微細な三次元構造物、又はアレイ状三次元構造物を精度よく作製できる。
また、光源と、作製されるセンサーに対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とからなるセンサー作製装置によって、簡単、安価且つ短時間にセンサーを作製することができる。
また、バイオチップ、マイクロセンサーアレイ、マイクロフルイディクス、三次元メモリー、三次元バーコード、三次元タグ等のマイクロメートルスケールの三次元構造物を最適に作製することができる。

以下に、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
図1は、本発明の三次元構造物作製装置による三次元構造物を作製するための基本構成を示す図である。
同図において、１は４３０ｎｍから４４０ｎｍの波長の光を放出する光源、２は作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体、３は基板、４は基板３上に形成されたレジストであり、同図においては三次元構造物として形成された状態を示している。５は原画体４を通過した光である。なお、レジスト４としては感光材料としてネガ型のレジストを用いた場合を示す。

同図に示すように、この三次元構造物作製装置は、光源１と原画体２とから構成され、基板３上のレジスト４に原画体２のデータを転写して三次元構造物を形成する。三次元構造物の作製に当たっては、まず、市販の作図ソフトウエアーを用いて、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを原画体２に作製する。次に、基板３上にｇ線用のレジスト、例えば、日本合成ゴム製の厚膜レジストTHB-120Nを塗布し、この上に光源１から放射される光を原画体２を介して照射する。この時、原画体２を通過した光５は、その階調により光の強度が異なる。すなわち、原画体２の階調度の低い部分（明るい部分）では光強度は強く、階調度の高い部分（暗い部分）では光強度は弱い。ネガ型のレジストは光強度の強い部分では硬化の度合いが高く、光強度の弱い部分では硬化の度合いが低い。その結果、その後の現像により、ネガ型レジストの硬化の度合いの低い部分は厚さが薄くなり、硬化の度合いの高い部分は厚さが厚くなる。このように、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体により階調的な光をレジストに照射することによって三次元構造物を容易に作製することができる。本発明の三次元構造物作製装置は三次元構造物の厚さ方向の変化は階調データが利用されている。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る三次元構造物を作製するための作製方法を示す図である。
なお、同図に示す符号は、図１に示した符号と同一であるので説明を省略する。
まず、図２（ａ）において、基板３上にレジスト４を塗布し、次に、図２（ｂ）において、光源１からの光を原画体２に照射し、原画体２を透過し階調された光５をレジスト４に照射する。その後、図２（ｃ）において、レジスト４を現像して三次元構造を作製する。最後に、図２（ｄ）に示すように、レジスト４を基板３から剥がし、レジスト４に三次元構造物が作製される。

なお、原画体２のデータは、作製された三次元構造物を評価し、この評価をコンピュータのソフトウェア上に反映させて修正し、再度修正された原画体２のデータを利用して三次元構造物を作製する。これらの工程を繰り返して最終的な原画体のデータを作成し、最終的に作成された原画体のデータを利用して所望の三次元構造物を得る。

図３は、図２に示すような三次元構造物製造方法によって、２種類の膜厚が異なる長さ２０００〜３０００μｍからなるレジスト４に形成された三次元構造物の断面を示す図である。
同図において、６は膜厚３２μｍのレジスト４に形成された三次元構造、７は膜厚２６μｍのレジスト４に形成された三次元構造であり、いずれの膜厚においても、原画体２により階調的な光５を照射することによって三次元構造物を作製することができる。

図４は、図２に示すような三次元構造物製造方法によって、マイクロフルイディクス用鋳型の作製を説明するための図であり、図４（ａ）はマイクロフルイディクス用鋳型を作製するための原画体を示す図、図４（ｂ）は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型を示す図、図４（ｃ）は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型の断面を示す図である。
これらの図において、８は作製されるマイクロフルイディクス用鋳型に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体、９は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型、１０は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型９の両端部、１１は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型９の内側部、１２は作製されたマイクロフルイディクス用鋳型９の中央部、１３は作製されるマイクロフルイディクス用鋳型９の両端部１０に対応する原画体８の両端部相当部、１４は作製されるマイクロフルイディクス用鋳型９の内側部１１に対応する原画体８の内側部相当部、１５は作製されるマイクロフルイディクス用鋳型９の中央部１２に対応する原画体８の中央部相当部である。
ここで、図４（ａ）に示すように、原画体８の階調は、両端部相当部１３で暗く（３．７９ｍＷ）、内側部相当部１４で少し明るく（４．８２ｍＷ）、中央部相当部１５で明るい（７．５１ｍＷ）。
本発明のマイクロフルイディクス用鋳型は、図２に示すような三次元構造物製造方法によって、基板上のレジストに原画体８のデータを転写することによって三次元構造を有するマイクロフルイディクス用鋳型９が得られる。作製されたマイクロフルイディクス用鋳型９は、図４（ｃ）に示すように、両端部１０の厚さは２５μｍ、内側部１１の厚さは３２μｍ、中央部１２の厚さは４０μｍで、流路幅２００μｍのピッチで作製されていること分かる。

図５（ａ）、（ｂ）は、本発明のセンサー作製装置によるセンサーアレイ（センサー）を作製するための説明図であり、図５（ａ）は原画体２０を示す図、図５（ｂ）は作製されたセンサーアレイ１６を示す図である。
これらの図において、１６は、図１に示した三次元構造が形成されたレジスト４に相当し、三次元構造が形成されたセンサーアレイ、１７はセンサーアレイ１６の保持部、１８はセンサーアレイ１６のセンサー部、１９はセンサーアレイ１６のセンサー周辺部、２０は、図１に示した原画体２に相当し、作製されるセンサーアレイ１６に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体、２１は作成されるセンサーアレイ１６の保持部１７に対応する原画体２０に形成される保持部相当部、２２は作成されるセンサーアレイ１６のセンサー部１８に対応する原画体２０に形成されたセンサー部相当部、２３は作製されるセンサーアレイ１６のセンサー周辺部１９に対応する原画体２０に形成されたセンサー周辺部相当部である。なお、原画体２０の階調は、保持部相当部２１で明るく（７．５１ｍＷ）、センサー部相当部２２で少し明るく（３．３２ｍＷ）、センサー周辺部相当部２３で暗い（１ｍＷ以下）。

本発明のセンサー作製装置は、図示されていないが、図１に示した三次元構造物作製装置と同様に、光源１と原画体２０とから構成され、基板３上のレジスト４に原画体２０のデータを転写してセンサーアレイ１６を作製する。
また、本発明のセンサーアレイ１６を作製するためのセンサー製造方法は、図２に示した三次元構造物製造方法と同様に、原画体として原画体２０を用い、同様の製造方法により構成される。
本発明のセンサー製造方法によって作製されたセンサーアレイ１６は、保持部１７のレジストは厚く、機械的強度は高い。また、センサー部１８のレジストは薄く、センサーに適したばね定数と共振周波数を有しているので、小さな板ばねとして自由に振動させることができる。

なお、本発明において、アレイ状三次元構造物とは、図５（ｂ）に示すセンサーアレイや、図６（ａ）に示すＤＮＡマイクロアレイのように、三次元構造物が規則正しく配列された構造物である。
また、図６（ｂ）はバイオチップの一例を示す図、図６（ｃ）はマイクロレバーセンサーアレイの一例を示す図、図６（ｄ）はマイクロフルイディスクの一例を示す図、図６（ｅ）は三次元メモリー（三次元バーコー、三次元タグ）の一例を示す図である。

本発明の三次元構造物作製装置による三次元構造物を作製するための基本構成を示す図である。 本発明に係る三次元構造物を作製するための作製方法を示す図である。 図２に示すような三次元構造物製造方法によって、２種類の膜厚が異なる長さ２０００〜３０００μｍからなるレジスト４に形成された三次元構造物の断面を示す図である。 図２に示すような三次元構造物製造方法によって、マイクロフルイディクス用鋳型の作製を説明するための図である。 本発明のセンサー作製装置によるセンサーアレイを作製するための説明図である。 本発明の三次元構造物作製装置や三次元構造物製造方法によって作製される種々の三次元構造物を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 作製される三次元構造物に対応する階調等のデータを有する原画体
３ 基板
４ レジスト
５ 原画体２を透過した光
６ 膜厚３２μｍのレジスト４に形成された三次元構造
７ 膜厚２６μｍのレジスト４に形成された三次元構造
８ 作製されるマイクロフルイディクス用鋳型に対応する階調等のデータを有する原画体９ マイクロフルイディクス用鋳型
１０ マイクロフルイディクス用鋳型９の両端部
１１ マイクロフルイディクス用鋳型９の内側部
１２ マイクロフルイディクス用鋳型９の中央部
１３ 原画体８の両端部相当部
１４ 原画体８の内側部相当部
１５ 原画体８の中央部相当部
１６ センサーアレイ
１７ センサーアレイ１６の保持部
１８ センサーアレイ１６のセンサー部
１９ センサーアレイ１６のセンサー周辺部
２０ 作製されるセンサーアレイ１６に対応する階調等のデータを有する原画体
２１ 原画体２０の保持部相当部
２２ 原画体２０のセンサー部相当部
２３ 原画体２０のセンサー周辺部相当部

Claims (11)

1. 光源と、作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とを備え、前記光源の照射により基板上に形成されたレジストに前記原画体の前記データを転写し現像して、前記レジストに三次元構造物を形成することを特徴とする三次元構造物作製装置。
2. 前記光源の波長は、４３０ｎｍないし４４０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の三次元構造物作製装置。
3. 前記階調は、マイクロメートルスケールの空間分解能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元構造物作製装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載の三次元構造物作製装置により作製された三次元構造物。
5. 前記三次元構造物は、バイオチップ、マイクロセンサーアレイ、マイクロフルイディクス、三次元メモリー、三次元バーコード、三次元タグのいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の三次元構造物。
6. 請求項１ないし請求項３に記載の三次元構造物作製装置により作製されたアレイ状三次元構造物。
7. 光源と、作製されるセンサーに対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体とを備え、前記光源の照射により基板上に形成されたレジストに前記原画体の前記データを転写し現像して、前記レジストにセンサーを形成することを特徴とするセンサー作製装置。
8. 前記階調は、前記センサーの保持部に相当する部分が明るく、前記センサーのセンサー部に相当する部分が暗いことを特徴とする請求項７に記載のセンサー作製装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載のセンサー作製装置により作製されたセンサー。
10. 基板にレジストを塗布する工程と、光源からの光を作製される三次元構造物に対応する階調、サイズ、及び形状のデータを有する原画体を介して前記レジストに照射し、前記原画体の前記データを前記レジストに転写する工程と、前記レジストを現像する工程と、前記レジストを前記基板から分離する工程とにより、前記レジストに三次元構造物を得ることを特徴とする三次元構造物作製方法。
11. 前記原画体のデータは、前記請求項１０に記載の三次元構造物作製方法により得られた三次元構造物を評価して、特定されたデータであることを特徴とする請求項１０に記載の三次元構造物作製方法。