JP2014003138A

JP2014003138A - 複合部材の製造方法、モールド設計方法、及び製造条件決定方法

Info

Publication number: JP2014003138A
Application number: JP2012137055A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakamoto; 寛坂本; Yuriko Kaida; 由里子海田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】パターンの輪郭形状を保ちながら、不要な残膜を除去できる複合部材の製造方法を提供する。
【解決手段】複合部材の製造方法は、ガラス基板１０とモールド３０との間に成形材料の層２０を挟み、モールド３０の凹凸パターンが転写した凹凸層４０をガラス基板１０上に形成する転写工程と、ガラス基板１０とモールド３０との間に成形材料の層２０を挟むときにモールド３０の所定の凸部３１とガラス基板１０との間に残る残膜４１にレーザ光５０を照射し、残膜４１を除去する除去工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合部材の製造方法、モールド設計方法、及び製造条件決定方法に関する。

インプリント法で、ガラス基板上に凹凸層を設けた複合部材が作製されている（例えば特許文献１参照）。凹凸層は、ガラス基板とモールドとの間に成形材料の層を挟んで固化し、成形材料の層にモールドの凹凸パターンを転写することにより作製される。

特開２０１０−１８６６６号公報

図４（ａ）に示すように凹凸層１４０は、ガラス基板１１０とモールドとの間に成形材料の層を挟むときにモールドの凸部とガラス基板１１０との間に残る残膜１４１を有する。用途によっては残膜１４１を除去する必要があり、その除去には、一般的にエッチングが用いられている。

しかし、エッチングでは図４（ｂ）に示すように残膜１４１以外の部分も削られ、パターン１４２の輪郭形状が劣化する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、パターンの輪郭形状を保ちながら、不要な残膜を除去できる複合部材の製造方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様による複合部材の製造方法は、
ガラス基板とモールドとの間に成形材料の層を挟み、前記モールドの凹凸パターンが転写した凹凸層を前記ガラス基板上に形成する転写工程と、
前記ガラス基板と前記モールドとの間に前記成形材料の層を挟むときに前記モールドの所定の凸部と前記ガラス基板との間に残る残膜にレーザ光を照射し、前記残膜を除去する除去工程とを有する。

本発明によれば、パターンの輪郭形状を保ちながら、不要な残膜を除去できる複合部材の製造方法が提供される。

本発明の一実施形態による複合部材の製造方法を示す断面図本発明の一実施形態による複合部材の製造方法の除去工程の説明図本発明の一実施形態による複合部材の平面図従来の複合部材の製造方法の問題点を示す断面図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して、説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による複合部材の製造方法を示す断面図である。複合部材の製造方法は、ガラス基板１０上に成形材料の層２０を形成する準備工程（図１（ａ））、成形材料の層２０の表面にモールド３０を押し付ける転写工程（図１（ｂ））、モールド３０と凹凸層４０とを分離する分離工程（図１（ｃ））、及び転写工程でモールド３０の所定の凸部３１とガラス基板１０との間に残る残膜４１を分離工程後にレーザ光５０で除去する除去工程（図１（ｄ））を備える。この製造方法によれば、図１（ｅ）に示すように、ガラス基板１０、及びガラス基板１０上に形成されるパターン層４２を備える複合部材２が得られる。パターン層４２は、凹凸層４０の残膜４１をレーザ光５０で除去してなる開口部４３を有する。開口部４３においてガラス基板１０が露出している。以下、各工程について説明する。

（準備工程）
準備工程では、ガラス基板１０上に成形材料の層２０を形成する。尚、準備工程では、モールド３０上に成形材料の層２０を形成してもよい。いずれの場合でも、転写工程ではガラス基板１０とモールド３０との間に成形材料の層２０が挟まれる。

ガラス基板１０のガラスとしては、例えば無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、高シリカガラス、その他の酸化ケイ素を主な成分とする酸化物系ガラス等が挙げられる。ガラス基板１０のガラスは、複合部材の用途に応じて選択される。

ガラス基板１０は、ガラス基板１０と成形材料との密着を高めるため、予め表面処理が施されたものであってよい。表面処理としては、プライマー処理、オゾン処理、プラズマエッチング処理等が挙げられる。プライマーとしては、シランカップリング剤、シラザン等が用いられる。

成形材料は、例えば光硬化性樹脂を含む。光硬化性樹脂としては、光インプリント法に用いられる一般的なものが使用できる。光硬化性樹脂は、モノマー、光重合開始剤等で構成される。モノマーとしては、ラジカル重合タイプの場合、アクリルモノマー、ビニルモノマー等があり、イオン重合タイプの場合、エポキシモノマー、ビニルエーテルモノマー等がある。光硬化性樹脂は、液状の状態で用意され、例えば図１（ａ）に示すようにガラス基板１０上に塗布される。

樹脂の塗布方法としては、例えばダイコート法、ロールコート法、グラビアコート法、インクジェット印刷法、スプレーコート法、スピンコート法、フローコート法、ブレードコート法、ディップコート法等が用いられる。

尚、本実施形態の成形材料は、光硬化性樹脂を含むが、熱可塑性樹脂を含んでもよい。熱可塑性樹脂には、熱インプリント法に用いられる一般的なものが使用でき、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、オレフィン系樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂は、シートの形態で用意されガラス基板１０上に貼り付けてもよいし、溶液の形態で用意されガラス基板１０上に塗布し、乾燥してもよい。また、熱可塑性樹脂は、加熱軟化したうえでガラス基板１０上に塗布して冷却してもよい。

（転写工程）
転写工程では、インプリント法で凹凸層４０を形成する。転写工程は、ガラス基板１０とモールド３０との間に成形材料の層２０を挟み、モールド３０の凹凸パターンが転写した凹凸層４０を形成する。凹凸層４０の凹凸パターンは、モールド３０の凹凸パターンが略反転したパターンである。

光インプリント法では、光硬化性樹脂を含む成形材料の層２０の表面にモールド３０の凹凸パターンを押し付け、光を照射し、成形材料の層２０を固化（硬化）させることで凹凸層４０を形成する。

光硬化性樹脂を硬化させる光としては、例えば紫外光、可視光、赤外光等が挙げられる。紫外光の光源としては、紫外線蛍光灯、紫外線ＬＥＤ、低圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、キセノン灯、炭素アーク灯等が挙げられる。可視光の光源としては、可視光蛍光灯、可視光白熱灯、可視光ＬＥＤ等が用いられる。

光インプリント法では、モールド３０及びガラス基板１０の少なくとも一方が光透過性の材料で構成される。光源から出射した光は、透明なモールド３０又は透明なガラス基板１０を介して成形材料の層２０に照射される。

光インプリント法では、室温での成型が可能であり、モールド３０とガラス基板１０との線膨張係数差による歪みが発生しにくく、転写精度が良い。尚、硬化反応の促進のため、成形材料の層２０は加熱されてもよい。

一方、熱インプリント法では、熱可塑性樹脂を含む成形材料の層２０を加熱により軟化し、軟化した成形材料の層２０の表面にモールド３０を押し付け、成形材料の層２０を冷却して固化させることで、凹凸層４０を形成する。

加熱源としては、加熱光を照射する光源（例えばハロゲンランプ、レーザ）、ヒータ等が用いられる。加熱温度は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上である。

モールド３０を押し付ける工程と、成形材料の層２０を加熱する工程とは、どちらの工程が先であってもよく、同時に行ってもよい。モールド３０を加熱することで成形材料の層２０を加熱してもよい。

モールド３０は、例えばシリコン、シリコン酸化膜、石英ガラス、金属（例えばニッケル、クロム）、又は樹脂（例えばポリカーボネートや環状オレフィン樹脂）で構成される。金属および樹脂は、モールド３０にフレキシブル性を与える。

モールド３０は、モールド３０の製造コスト削減のため、マスターモールドを用いて成型され、何度も複製可能となっている。複製方法には、例えばインプリント法、電鋳法などがある。マスターモールドは、例えばフォトリソグラフィ法又は電子線描画法で基材を加工して作製される。

モールド３０は、図１に示すように板状でもよいし、エンドレスベルト状でもよい。板状のモールド３０は、フレキシブルなものでもよいし、リジッドなものでもよい。エンドレスベルト状のモールドは、フレキシブルな板状のモールドの両端部を溶着してなる。エンドレスベルト状のモールドは、連続生産に適している。

モールド３０は、モールド表面と樹脂との離型性を高めるため、離型処理が施されたものであってよい。離型処理としては、例えばフッ素コート処理、シリコーンコート処理等が挙げられる。

モールド３０の凹凸パターンは、モールド３０の基準位置を示す基準マーク３０Ｍを含む。

転写工程では、モールド３０の基準マーク３０Ｍを成形材料の層２０の表面に転写することにより、凹凸層４０の基準マーク４０Ｍ（図３参照）を形成する。基準マーク４０Ｍを基準位置とする座標系での凹凸パターンの位置座標を一度計測し、記憶しておけば、次回からは基準マーク４０Ｍの位置を検出するだけで、凹凸パターン全体の位置を知ることができる。

基準マーク４０Ｍは、例えば図３に示すように平面視で十字状に形成される。１つの直線状部分の中心線と、残りの直線状部分の中心線との交点が基準点となる。尚、基準マーク４０Ｍの平面視での形状は、例えば四角形、三角形、円形、楕円形、又は菱形であってもよい。これらの場合、基準マークの中心点が基準点となる。

基準マーク４０Ｍは、凹凸パターンの位置を特定するためのものであって、複数設けられる。例えば、３つの基準マーク４０Ｍが設けられ、１つの基準点を原点、原点と他の１つの基準点とを結ぶ直線をＸ軸、原点と残りの１つの基準点とを結ぶ直線をＹ軸とするＸＹ座標系で、凹凸パターンの位置が特定される。Ｘ軸とＹ軸とは直交することが好ましい。また、２つの基準マーク４０Ｍが設けられ、一方の基準点を極とし、２つの基準点を結ぶ直線を始線とする極座標系で、凹凸パターンの位置が特定されてもよい。座標系の種類は、後述のステージ６０の種類等に応じて選択される。例えばステージ６０がＸＹステージの場合にはＸＹ座標系が、ステージ６０がＲθステージの場合には極座標系が用いられる。

凹凸パターンの位置は、例えば凹凸パターンの全体（基準マーク４０Ｍを含む）をカメラで撮像し、撮像した画像データを画像処理することによって計測される。画像処理装置は、例えば画素の輝度が急激に変化する位置を微分フィルタで検出し、画像中における凹凸パターンの位置を検出することにより、基準マーク４０Ｍにより設定される座標系での凹凸パターンの位置を検出する。検出結果は、レーザ光５０の照射位置を制御するコントローラ７０（図２参照）の記憶部７１に記憶される。コントローラ７０は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、メモリ等を含む。コントローラ７０が画像処理装置を兼ねてもよい。

尚、本実施形態のカメラは、凹凸パターンの全体を撮像するが、凹凸パターンを複数の領域に分割して撮像してもよい。この場合、画像処理装置は、複数の画像を画像処理し、各画像の画像処理の結果と、各画像を撮像したときのカメラの位置とに基づいて凹凸パターンの位置座標を検出する。

尚、本実施形態では、凹凸層４０における凹凸パターンの位置を計測するが、モールド３０における凹凸パターンの位置を計測してもよい。いずれの場合でも、凹凸層４０における基準マーク４０Ｍの位置を検出するだけで、凹凸層４０における凹凸パターン全体の位置を知ることができる。

転写工程は、モールド３０がフレキシブルな板状のものの場合、ガラス基板１０を平坦に支持すると共にモールド３０の一部を湾曲させながらモールド３０を成形材料の層２０に押し付ける工程を含んでよい。ガラス基板１０が平坦に支持されるので、ガラス基板１０に曲げ応力が加わらず、ガラス基板１０が破損しにくい。また、モールド３０の湾曲部分が移動し、モールド３０と成形材料の層２０とが徐々に接触すると、モールド３０と成形材料の層２０との間に気泡が噛み込み難く、転写精度が良い。一方、モールド３０がリジッドな板状のものの場合、気泡の噛み込みの抑制のため、減圧雰囲気下で転写工程が行われてもよい。

（分離工程）
分離工程では、モールド３０と凹凸層４０とを分離する。モールド３０と凹凸層４０との分離は、成形材料の層２０の材料である樹脂の固化後に行われる。

分離工程は、モールド３０がフレキシブルな板状のものの場合、ガラス基板１０を平坦に支持すると共にモールド３０の一部を湾曲させながらモールド３０を凹凸層４０から分離する工程を含んでよい。ガラス基板１０が平坦に支持されるので、ガラス基板１０に曲げ応力が加わらず、ガラス基板が破損しにくい。モールド３０の湾曲部分が移動すると、モールド３０と凹凸層４０とが徐々に分離されるので、分離に要する力が軽減され、モールド３０や凹凸層４０が破損しにくく、凹凸層のパターンの欠け（千切れ）も低減される。

（除去工程）
除去工程は、転写工程でモールド３０の所定の凸部３１とガラス基板１０との間に残る残膜４１にレーザ光５０を照射する。残膜４１は、レーザ光５０を吸収し吸収熱によって気化し、除去される。レーザ光５０の幅は、凹凸層４０の凹部の幅よりも狭い。

凹凸層４０の凹部の側壁はガラス基板１０の表面に対して垂直であり、ガラス基板１０の表面に対して垂直にレーザ光５０が入射される。レーザ光５０の集光角が小さくなるほど、残膜４１を除去して形成される開口部４３の側壁がガラス基板１０の表面に対して急峻になるので好ましい。

図２は、本発明の一実施形態による除去工程の説明図である。除去工程は、凹凸層４０付きのガラス基板１０をステージ６０に載せる工程（図２（ａ））、カメラ８０で凹凸層４０の基準マーク４０Ｍ（図３参照）を撮像しその位置を検知する工程（図２（ｂ））、及び基準マーク４０Ｍの位置を基準位置としてレーザ光５０の照射位置を制御する工程（図２（ｃ））を有する。

レーザ光５０の光源５１としては、例えばＣＯ_２レーザ（波長１０６００ｎｍ）、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、半導体レーザ（波長８０８ｎｍ、波長９４０ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ_２レーザ（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ_２レーザ（波長１４６ｎｍ）、Ａｒ_２レーザ（波長１２６ｎｍ）が挙げられる。これらの中でも、高出力で安価な半導体レーザが好ましい。

レーザ光５０の光路の途中には、光源５１から出射したレーザ光５０を凹凸層４０に照射する光学系５２が設けられる。光学系５２は、光源５１から出射したレーザ光５０を凹凸層４０に向けて集光する集光レンズなどで構成される。

ステージ６０は、例えばＸＹステージであって、光源５１及び光学系５２に対して移動可能となっている。ステージ６０と、光源５１及び光学系５２とが相対的に移動することで、レーザ光５０の照射位置が移動する。尚、本実施形態では、ステージ６０側が移動するが、光源５１及び光学系５２側が移動してもよいし、両側が移動してもよい。

コントローラ７０は、図２（ｂ）に示すようにカメラ８０で凹凸層４０を撮像し、撮像した画像データを画像処理することによって凹凸層４０における基準マーク４０Ｍ（図３参照）のステージ６０に対する位置を検知する。そうして、コントローラ７０は、予め記憶部７１に記憶されているデータを参照し、凹凸層４０の凹凸パターンのステージ６０に対する位置を検知する。

コントローラ７０は、凹凸層４０の基準マーク４０Ｍ（図３参照）の位置を基準位置として、図２（ｃ）に示すように凹凸層４０におけるレーザ光５０の照射位置を制御する。コントローラ７０による制御下で、レーザ光５０の光源５１や光学系５２とステージ６０とが相対的に移動され、レーザ光５０が残膜４１に選択的に照射される。

レーザ光５０は、残膜４１を選択的に除去するので、凹凸パターンの平面視での輪郭形状を保ちつつ、残膜４１を除去できる。

基準マーク４０Ｍと、残膜４１とは同じ凹凸層４０に形成されており、残膜４１を除去するレーザ光５０の照射位置は基準マーク４０Ｍの位置を基準位置として制御される。よって、残膜４１が精度良く除去できる。また、ステージ６０とガラス基板１０との精密な位置合わせ、及び転写工程におけるガラス基板１０とモールド３０との精密な位置合わせが不要である。

（複合部材）
複合部材２は、ガラス基板１０、及びガラス基板１０上に形成されるパターン層４２を備える。パターン層４２は、凹凸層４０の残膜４１をレーザ光５０で除去してなる開口部４３を有する。開口部４３において、ガラス基板１０が露出している。成形材料としての樹脂とガラスとの材質の違いによって凹凸パターンが平面視で明確に認識できる。視認性が高くなるように、樹脂が遮光性を有し、ガラスが透光性を有することが好ましい。また、樹脂の色と、ガラスの色とが互いに異なることが好ましい。例えば、樹脂の色が黒色、ガラスの色が無色透明であってよい。

（複合部材の用途）
図３は、本発明の一実施形態による複合部材の平面図である。この複合部材２は、免疫分析チップに用いられるものである。パターン層４２の開口部４３は、反応槽部４４、反応槽部４４から延びる流出部４５、及び反応槽部４４から延びる流入部４６〜４９を備える。流出部４５の先端部には廃液部４５ａが設けられる。流入部４６〜４９の先端部には供給部４６ａ〜４９ａが設けられる。

反応槽部４４には、反応固相としての直径１ｍｍ以下の固体微粒子Ｐが設置される。固体微粒子Ｐは、免疫抗原−抗体反応のための反応固相としての役割を果たす。

流出部４５は、固体微粒子Ｐの径よりも小さい縦断面積を有する。固体微粒子Ｐは反応槽部４４から流出部４５に流出せず、固体微粒子Ｐとの未反応物だけが反応槽部４４から流出部４５に流出して分離され、廃液部４５ａに導かれる。

流入部４６〜４９は、供給部４６ａ〜４９ａに供給される抗原、標識抗体（第２抗体）、第１抗体、洗浄液を別々に反応槽部４４へ導く。

この複合部材２を用いた免疫分析では、先ず、流路部４６、４７より導入した抗原および標識抗体を固体微粒子Ｐと反応させる。次に未反応物を流出部４５で分離し、例えば光熱変換分析により分析する。光熱変換分析では、例えば熱レンズ顕微鏡を用いる。これにより、微量の試料で、簡便に且つ短時間で免疫分析ができる。

本実施形態では、開口部４３においてガラス基板１０が露出しており、成形材料としての樹脂とガラスとの材質の違いによって流路パターンが平面視で明確に認識できる。また、流路パターンの側壁がガラス基板１０の表面に対して急峻であり、流路の幅が深さ方向に均一である。一般的に、流路の幅が狭くなるほど、流動抵抗が増え、流速が遅くなる。本実施形態では、流路の幅が深さ方向に均一であるので、乱流が発生しにくい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されない。特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上記実施形態の複合部材２は、免疫分析チップに適用されるが、その他のマイクロ流路デバイスに適用されてもよい。その他のマイクロ流路デバイスとしては、ＤＮＡ分析チップ、ＤＮＡ分離チップ、マイクロリアクター等が挙げられる。

また、上記実施形態では、転写工程で成形材料を固化した後、分離工程を行うが、分離工程後に成形材料を固化してもよい。

また、上記実施形態では、凹凸層４０の残膜４１を選択的に除去してパターン層４２を形成するので、図１に示すように、パターン層４２の開口部４３の深さＤ１は、凹凸層４０における凸部と凹部との段差Ｄ２（即ち、モールド３０における凸部と凹部との段差Ｄ３）よりも大きくなる。パターン層４２の開口部４３の深さＤ１は、モールド３０における凸部と凹部との段差Ｄ３（Ｄ３＝Ｄ２）と、残膜４１の厚さＤ４との和（Ｄ３＋Ｄ４）と等しい。残膜４１の厚さＤ４は、成形材料の塗布時の膜厚、転写時の成形材料の温度、転写時の成形材料への圧力等の製造条件で決まる。そこで、パターン層４２の開口部４３の深さＤ１が目標値になるように、モールド３０の形状及び寸法、製造条件を決める。例えば、深さの異なる複数の溝を有する試験モールドを準備し、該試験モールドを用いてガラス基板１０上に凹凸層を形成する試験を行う。この試験を、製造条件を変えて繰り返し行う。そうして、パターン層４２の開口部４３の深さＤ１が目標値になるように、モールド３０の形状及び寸法、製造条件を決める。このとき、残膜４１を除去する手間を低減するため、できるだけ残膜４１の厚さＤ４が薄くなるように、モールド３０の形状及び寸法、製造条件を決める。

また、転写工程において、モールド３０の凸部３１とガラス基板１０との間の距離Ｌ１（図１（ｂ）参照）又はモールド３０の凹部とガラス基板１０との間の距離Ｌ２を検出し、検出した距離Ｌ１、Ｌ２が目標値になるように、成形材料の層２０を挟む圧力、及び成形材料の層２０の温度の少なくとも一方を調整してもよい。複合部材２を繰り返し製造するとき、残膜４１の厚さＤ４が毎回同じになり、パターン層４２の開口部４３の深さＤ１が毎回同じになる。例えば、距離Ｌ１、Ｌ２が目標値よりも大きくなるように、成形材料の層２０を挟む圧力の目標値、及び成形材料の層２０の温度の目標値を設定しておく。成形工程において、距離Ｌ１、Ｌ２を監視しながら、距離Ｌ１、Ｌ２の検出値が目標値になるように、成形材料の層２０を挟む圧力を目標値よりも高圧にすること、及び成形材料の層２０の温度を目標値よりも高温にすることの少なくとも一方を実施する。距離Ｌ１、Ｌ２は、例えば干渉膜厚計等で測定可能である。

２複合部材
１０ガラス基板
２０成形材料の層
３０モールド
３１凸部
３０Ｍ基準マーク
４０凹凸層
４０Ｍ基準マーク
５０レーザ光
５１光源
５２光学系
６０ステージ
７０コントローラ
７１記憶部
８０カメラ

Claims

ガラス基板とモールドとの間に成形材料の層を挟み、前記モールドの凹凸パターンが転写した凹凸層を前記ガラス基板上に形成する転写工程と、
前記ガラス基板と前記モールドとの間に前記成形材料の層を挟むときに前記モールドの所定の凸部と前記ガラス基板との間に残る残膜にレーザ光を照射し、前記残膜を除去する除去工程とを有する、複合部材の製造方法。
前記モールドの凹凸パターンは、前記モールドの基準位置を示す基準マークを含み、
前記除去工程では、前記転写工程で前記凹凸層に転写された基準マークを基準位置として、前記レーザ光の照射位置を制御する、請求項１に記載の複合部材の製造方法。
前記転写工程において、前記モールドの凸部と前記ガラス基板との間の距離、又は前記モールドの凹部と前記ガラス基板との間の距離を検出し、検出した距離が目標値となるように前記成形材料の層を挟む圧力、及び前記成形材料の層の温度のうち少なくとも一方を調整する、請求項１又は２に記載の複合部材の製造方法。
請求項１〜２の複合部材の製造方法で用いられるモールドの形状及び寸法を設計するモールド設計方法であって、
前記凹凸層の前記残膜を除去してなるパターン層の開口部の深さが目標値になるように、モールドの形状及び寸法を設計するモールド設計方法。
請求項１〜２の複合部材の製造方法の製造条件を決める製造条件決定方法であって、
前記凹凸層の前記残膜を除去してなるパターン層の開口部の深さが目標値になるように、製造条件を決める製造条件決定方法。