JP2016215492A - ワークの貼り合わせ方法および光照射装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このような3次元方向に構築される流路を1枚のガラス基板に立体加工することは難しい。このため、2次元方向に構築された流路を有する基板を複数枚積層して、流路を3次元化することが望ましく、複数枚(例えば3枚)の基板を貼り合わせることが要請されている。
第一の基板81には、流路Pbを形成する厚み方向に貫通する長孔(以下、「貫通長孔」と称する。)82が形成されている。
第二の基板83には、第一の基板81の上面に接合された下面に、流路Paを形成する直線状に延びる溝84が形成されている。この溝84は、第一の基板81における貫通長孔82が延びる方向と直交する方向に延びるよう形成されており、一端部が貫通長孔82の一端部に連続している。この溝84の他端部には、上面に試薬等の試料が流入される流入口85aが開口する厚み方向に延びる貫通孔85が形成されている。
また、第三の基板86には、第一の基板81の下面と接合される上面に、流路Pcを形成する直線状に延びる溝87が形成されている。この溝87は、第一の基板81における貫通長孔82が延びる方向と直交する方向に延びるよう形成されており、他端部が貫通長孔82の他端部に連続している。この溝87の一端部には、上面に試薬等の試料が流出される流出口88aが開口する厚み方向に延びる貫通孔88が形成されている。
このような構造のマイクロチップ80においては、流入口85aより流入した試料は、流路Pa、流路Pb、流路Pcを通り、流出口88aから外部へ排出されるが、例えば、流路Paを流れる試料に対する分析1、流路Pcを流れる試料に対する分析2(分析1とは相違する)が成される。すなわち、1枚のマイクロチップで2種類の分析を実施することが可能となる。
次に、図8(b)に示すように、第一の基板81と第三の基板86を、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面81a,86aが密着するように積層して、必要に応じて適宜に、次のような接合処理がなされることにより、第一の基板81と第三の基板86を接合する。接合処理としては、例えば、(a)2枚の基板を積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧する処理、(b)2枚の基板を積層した状態において所定時間の間加熱する処理、(c)2枚の基板を積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧した後、所定時間の間加熱する処理、または(d)2枚の基板を積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧しながら加圧する処理などが挙げられる。ここに、「所定時間」とは、接合が十分になされるまでの時間である。
そして、図8(c)に示すように、第一の基板81と第三の基板86とによる積層基板Lにおける第一の基板81の他面における貼り合わせ面81bおよび第二の基板83における貼り合わせ面83aに、紫外線を照射する。その後、図8(d)に示すように、積層基板Lと第二の基板83を、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面81b,83aが密着するように積層して、上記の接合処理が必要に応じて適宜に行うことにより、3枚の基板81,83,86を接合する。
次に、図9(b)に示すように、第一の基板81、第二の基板83および第三の基板86を、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面が密着するように積層して、上記の接合処理が必要に応じて適宜に行うことにより、3枚の基板81、83、86を接合する。
第一のワークとして紫外線透過性材料よりなるものが用いられ、
当該第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークの各々における貼り合わせ面に紫外線を照射する紫外線照射工程と、
当該第一のワーク、当該第二のワークおよび当該第三のワークを、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面が密着するように、積層して接合する貼り合わせ工程と
を有し、
前記第一のワークに対する紫外線照射処理が、当該第一のワークの両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出するように当該第一のワークが保持された状態で、行われることを特徴とする。
紫外線光源と、
紫外線透過性材料よりなる第一のワークを当該第一のワークにおけるいずれか一方の貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第一ワーク保持機構と、
第二のワークを当該第二のワークにおける貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第二ワーク保持機構と、
第三のワークを当該第三のワークにおける貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第三ワーク保持機構と
を備えており、
前記第一ワーク保持機構は、前記第一のワークを当該第一のワークの両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出された状態で保持するものであることを特徴とする。
前記第一ワーク保持機構、前記第二ワーク保持機構および前記第三ワーク保持機構が前記一方向に並ぶよう配置されており、
当該紫外線照射ランプからの紫外線が、当該第一ワーク保持機構、当該第二ワーク保持機構および当該第三ワーク保持機構の各々に保持された、第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークの各々に対して同時に照射される構成とされていることが好ましい。
〔ワーク〕
本発明のワークの貼り合わせ方法は、例えば板状の3つのワーク同士を貼り合わせる方法であって、第一のワークの両面の各々に第二のワークおよび第三のワークを貼り合わせる方法である。
第一のワークは、例えばガラスおよびサファイアなどの紫外線透過性材料よりなるものである。
第二のワークおよび第三のワークは、例えば合成樹脂、ガラス、シリコンウエハ、水晶およびサファイアよりなる群から選ばれる材料よりなるものである。
ワークを構成する合成樹脂としては、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂、シクロオレフィン樹脂、アクリル樹脂などを用いることができる。
ワークを構成するガラスとしては、石英ガラス、サファイアガラス、アルカリガラス、硼珪酸ガラスなどを用いることができる。
本発明のワークの貼り合わせ方法は、第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークの各々における貼り合わせ面に紫外線を照射する紫外線照射工程と、第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークを、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面が密着するように積層して接合する貼り合わせ工程とを有する。
紫外線照射工程においては、ワークにおける貼り合わせ面に、波長200nm以下の紫外線を照射する。
紫外線光源としては、波長172nmに輝線を有するキセノンエキシマランプ等のエキシマランプ、波長185nmに輝線を有する低圧水銀ランプ、波長120〜200nmの範囲に輝線を有する重水素ランプを好適に用いることができる。
ワークの貼り合わせ面に照射される真空紫外線の照度は、例えば10〜100mW/cm2 である。
また、ワークの貼り合わせ面に対する紫外線の照射時間は、ワークを構成する材料に応じて適宜設定されるが、後述する実験例の結果に示されるように、例えば30秒間以上であることが好ましく、より好ましくは40〜90秒間である。
上述したように、第一のワークは紫外線透過性材料よりなるため、第一のワークにおける一方の貼り合わせ面に照射された紫外線は、当該第一のワークを透過する。従って、第一のワークの両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出していることにより、第一のワークの両面における貼り合わせ面にて活性酸素が発生し、当該活性酸素の作用により、接合に適した状態となる。すなわち、表面末端がヒドロキシ基(OH基)で置換された状態となる。
また、第二のワークに対する紫外線照射処理および第三のワークに対する紫外線照射処理は、第二のワークにおける貼り合わせ面および第三のワークにおける貼り合わせ面が酸素含有雰囲気に露出するようにワークを保持した状態で、行う。
このようにしてワークに対する紫外線照射処理を行うことにより、各ワークにおける貼り合わせ面は、接合に適した状態、末端がヒドロキシ基(OH基)で置換された状態となる。
貼り合わせ工程においては、各々紫外線が照射された、第一のワークにおける一方の貼り合わせ面および第二のワークにおける貼り合わせ面が密着し、かつ、各々紫外線が照射された、第一のワークにおける他方の貼り合わせ面および第三のワークにおける貼り合わせ面が密着する状態で積層して第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークを接合する。また、第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークを積層した状態で、次のような接合処理が必要に応じて適宜に行われる。
ワーク同士を接合するための具体的な接合処理としては、(a)3つのワークを積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧する処理、(b)3つのワークを積層した状態において所定時間の間加熱する処理、(c)3つのワークを積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧した後、所定時間の間加熱する処理、または(d)3つのワークを積層した状態において所定時間の間厚み方向に加圧しながら加圧する処理などが挙げられる。ここに、「所定時間」とは、接合が十分になされるまでの時間である。
具体的な加熱条件を挙げると、第二のワークおよび第三のワークが合成樹脂よりなるものであるときには、加熱温度が50〜110℃である。また、3つのワークのすべてがガラスまたはサファイアよりなるものであるときには、加熱温度が100〜300℃である。加熱時間は例えば1〜10分間である。
また、具体的な加圧条件を挙げると、第二のワークおよび第三のワークが合成樹脂よりなるものであるときには、加圧力が0.2〜10MPaである。また、3つのワークのすべてがガラスまたはサファイアよりなるものであるときには、加圧力が0.1〜2MPaである。加圧時間は例えば60〜300秒間である。
以下、このようなワークの貼り合わせ方法による紫外線照射処理を実行するための光照射装置について説明する。
図1は、本発明の光照射装置の一例における構成を概略的に示す説明図である。図2は、図1に示す光照射装置における第一ワーク保持機構の構成を示す拡大図である。
この光照射装置は、紫外線光源40と、紫外線光源40と対向する位置に配置された処理ステージ50とを備えている。
第三ワーク保持ステージ56は、平板状の第三のワーク30の一面における貼り合わせ面30aが酸素含有雰囲気に露出された状態において紫外線照射ランプ41と対向して水平に延びる姿勢で、保持する。
上述したように、貼り合わせ面を両面に有する第一のワーク10においては、貼り合わせ面の各々を接合に適した面とするために、第一のワーク10が第一ワーク保持機構60によって保持された状態において、一面が紫外線光源40と対向する第一のワーク10の他面側においても、空気(酸素)が十分に存在した状態とされていることが必要とされる。
第一ワーク保持機構60を構成する針状保持部材61の数は、特に限定されるものではないが、少なくとも3つ以上であれば、第一のワーク10を適正な姿勢で保持することができる。
また、第一ワーク保持機構60、第二ワーク保持機構52および第三ワーク保持機構55が、紫外線光源40を構成する紫外線照射ランプ41の長手方向に並ぶよう配置されていることにより、共通の一の紫外線照射ランプ41によって、3つのワーク10,20,30における貼り合わせ面10a,10b,20a,30aの処理を一括して同時に実施することができ、処理効率(スループット)を一層向上させることができる。
また、一の紫外線照射ランプ41によって3つのワーク10,20,30における貼り合わせ面10a,10b,20a,30aの紫外線照射処理を一括して同時に実施することができるので、3つのワーク10,20,30の紫外線照射処理工程のタイムラグに起因する接合不良が生ずることを回避することができる。
例えば、第一ワーク保持機構は、第一のワークをその両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出される状態で保持することのできる構成とされていればよい。
各々合成石英ガラスよりなり、厚みが1.6mmである2枚の試験用基板を用い、適正な紫外線照射時間を設定するための予備実験を行った。
先ず、図1に示す光照射装置を用い、大気雰囲気下において、各々の試験用基板を第一ワーク保持機構によって保持させ、紫外線照射時間を適宜変更しながら、各々の試験用基板に紫外線を照射した。紫外線照射条件は次に示す通りである。
光透過窓部を構成する窓板部材の光出射面と試験用基板の表面との間の離間距離の大きさDを4mmとした。紫外線光源として、波長172nmに輝線を有するキセノンエキシマランプを用い、窓板部材の光出射面における真空紫外光の照度が40mW/cm2となる条件でランプを点灯させた。
次いで、各々の試験用基板の、紫外線光源と対向する一面(紫外線照射面)および他面(紫外線透過面)における純水の接触角を測定した。結果を図4に示す。図4において、丸印(○)で示すプロットによる曲線は、一方の試験用基板の紫外線照射面についての結果であり、四角(□)印で示すプロットによる曲線は、一方の試験用基板の紫外線透過面についての結果である。また、三角印(△)で示すプロットによる曲線は、他方の試験用基板の紫外線照射面についての結果であり、バツ(×)印で示すプロットによる曲線は、他方の試験用基板の紫外線透過面についての結果である。
ここで、2つの試験用基板で、初期時の接触角(紫外線照射前の接触角)の大きさが相違するのは、試験用基板の表面状態(例えば、不純物の付着状態など)が互いに相違するためである。また、試験用基板の紫外線照射面および紫外線透過面における接触角が紫外線照射により変化するのは、紫外線による光洗浄が行われているためである。
下記のワークWa、ワークWbおよびワークWcを作製した。
ワークWaは、合成石英ガラスよりなり、寸法が25mm×45mm×1.6mmの矩形の板状のものである。
ワークWbは、合成石英ガラスよりなり、寸法が25mm×45mm×1.6mmの矩形の板状のものである。
ワークWcは、合成石英ガラスよりなり、寸法が25mm×45mm×1.6mmの矩形の板状のものである。
これらのワークWa,Wb,Wcについて、下記の紫外線照射工程および貼り合わせ工程を行い、第一のワーク(10)としてワークWbを用い、ワークWbの両面に各々第二のワーク(20)としてのワークWaおよび第三のワーク(30)としてのワークWcを貼り合わせた。
図1に示す光照射装置を用い、大気雰囲気下において、3つのワークWa,Wb,Wcの各々の一面(貼り合わせ面)に紫外線を照射した。紫外線照射条件は次に示す通りである。
光透過窓部を構成する窓板部材の光出射面と各ワークの一面との間の離間距離の大きさDを4mmとした。紫外線光源として、波長172nmに輝線を有するキセノンエキシマランプを用い、窓板部材の光出射面における真空紫外線の照度が40mW/cm2となる条件でランプを点灯させた。また、紫外線照射時間は30秒間とした。
[貼り合わせ工程]
図5(a)に示すように、3つのワークWa,Wb,Wcを、ワークWaの一面における貼り合わせ面(20a)とワークWbの一面側貼り合わせ面(10a)が密着し、かつ、ワークWbの他面側貼り合わせ面(10b)とワークWcの一面における貼り合わせ面(30a)が密着する状態で、積層した。
次いで、図5(b)に示すように、3つのワークWa,Wb,Wcによる積層基板Lsを、プレス機(70)によって、ワークの積層方向(厚み方向)に加圧し、その後、図5(c)に示すように、当該積層基板Lsを恒温槽(75)内で加熱することにより、3つのワークWa,Wb,Wcを接合した。加圧処理条件は、加圧圧力が1.5MPa、加圧時間が300秒間である。また、加熱処理条件は、加熱温度(ポストベーク温度)が300℃、加熱時間(ベーク時間)が120分間である。
貼り合わせ工程における加圧圧力を1MPaに変更した以外は実施例1と同様にして、3つのワークの貼り合わせを行った。得られた接合体について、実施例1と同様の方法により、接合状況の評価を行った。結果を表1に示す。
紫外線照射工程における紫外線照射時間を60秒間とし、貼り合わせ工程における加圧圧力を1MPaに変更した以外は実施例1と同様にして、3つのワークの貼り合わせを行った。得られた接合体について、実施例1と同様の方法により、接合状況の評価を行った。結果を表1に示す。
紫外線照射工程における紫外線照射時間を60秒間とし、貼り合わせ工程における加圧圧力を2MPaに変更した以外は実施例1と同様にして、3つのワークの貼り合わせを行った。得られた接合体について、実施例1と同様の方法により、接合状況の評価を行った。結果を表1に示す。
10a 一面側貼り合わせ面
10b 他面側貼り合わせ面
20 第二のワーク
20a 貼り合わせ面
30 第三のワーク
30a 貼り合わせ面
40 紫外線光源
41 紫外線照射ランプ
45 ランプハウス
46 窓板部材
50 処理ステージ
51 凹所
52 第二ワーク保持機構
53 第二ワーク保持ステージ
53a ワーク保持面
55 第三ワーク保持機構
56 第三ワーク保持ステージ
56a ワーク保持面
60 第一ワーク保持機構
61 針状保持部材
63 空洞ステージ
63a ワーク保持面
65 保持ステージ
67 保持ステージ
68a,68b 保持部
69 空間部
70 プレス機
75 恒温槽
80 マイクロチップ
81 第一の基板
81a,81b 貼り合わせ面
82 貫通長孔
83 第二の基板
83a 貼り合わせ面
84 溝
85 貫通孔
85a 流入口
86 第三の基板
86a 貼り合わせ面
87 溝
88 貫通孔
88a 流出口
90 紫外線光源
90a 第一の紫外線光源
90b 第二の紫外線光源
L,Ls 積層基板
Pa,Pb,Pc 流路
W1 PDMS基板
W2 ガラス基板
Wa,Wb,Wc ワーク
Claims (3)
- 第一のワークの両面の各々に第二のワークおよび第三のワークを貼り合わせる方法であって、
第一のワークとして紫外線透過性材料よりなるものが用いられ、
当該第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークの各々における貼り合わせ面に紫外線を照射する紫外線照射工程と、
当該第一のワーク、当該第二のワークおよび当該第三のワークを、紫外線が照射されたそれぞれの貼り合わせ面が密着するように、積層して接合する貼り合わせ工程と
を有し、
前記第一のワークに対する紫外線照射処理が、当該第一のワークの両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出するように当該第一のワークが保持された状態で、行われることを特徴とするワークの貼り合わせ方法。 - 第一のワークの両面の各々に第二のワークおよび第三のワークを貼り合わせるワーク貼り合わせ用の光照射装置であって、
紫外線光源と、
紫外線透過性材料よりなる第一のワークを当該第一のワークにおけるいずれか一方の貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第一ワーク保持機構と、
第二のワークを当該第二のワークにおける貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第二ワーク保持機構と、
第三のワークを当該第三のワークにおける貼り合わせ面が当該紫外線光源と対向するように保持する第三ワーク保持機構と
を備えており、
前記第一ワーク保持機構は、前記第一のワークを当該第一のワークの両面における貼り合わせ面の各々が酸素含有雰囲気に露出された状態で保持するものであることを特徴とする光照射装置。 - 前記紫外線光源が一方向に長尺な棒状の紫外線照射ランプにより構成されており、
前記第一ワーク保持機構、前記第二ワーク保持機構および前記第三ワーク保持機構が前記一方向に並ぶよう配置されており、
当該紫外線照射ランプからの紫外線が、当該第一ワーク保持機構、当該第二ワーク保持機構および当該第三ワーク保持機構の各々に保持された、第一のワーク、第二のワークおよび第三のワークの各々に対して同時に照射されることを特徴とする請求項2に記載の光照射装置。
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