JP4410573B2

JP4410573B2 - ポリマーシートの製造方法

Info

Publication number: JP4410573B2
Application number: JP2004021720A
Authority: JP
Inventors: 挙秀間口; 敏雄吉田; 勝弘神田; 美由紀松下; 明裕金子
Original assignee: Hoya Corp; Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hoya Corp; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005214798A

Description

本発明は貫通穴付きポリマーシートの製造方法に関する。更に詳細には、本発明は貫通穴付きＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シートの製造方法に関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。

マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

従来のマイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに提案されている。従来のマイクロチップ１００は、例えば、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のチャネル１０４が形成されており、このチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきウェル１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ウェル１０６及びチャネル１０４の底部が封止される。

入出力ポート用のウェル１０６の主な用途は、(イ)薬液やサンプルの注入（分注）、(ロ)廃液や生成物の取り出し、(ハ)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(ニ)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）、及び(ホ)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。

従来技術によれば、ウェル１０６は例えば、ドリルや穴開け工具を用いて基板１０２を機械加工することにより穿設されていた。しかし、この方法では、穴開け精度が確保出来ず、多数の穴を開ける場合にはコストが掛かりすぎるという欠点があった。

また、別法として、金型で押し出し成形して製造することも試みられたが、金型が高価であり、少量生産には不向きであった。

更に、レジストパターンで所定のウェル形状を有する鋳型を製造し、この鋳型に蓋を載せて加圧し、プレポリマーを注型する方法も試みられた。この方法では、鋳型レジストの膜厚のバラツキや蓋の加圧のバラツキにより、プレポリマーの“染み込み”が発生することで完成品ポリマーの“バリ”が生じることがあった。このため、完成品ポリマーを用いたマイクロチップのウェルなどにマイクロリットルオーダーの液量の溶液を注入する際、“バリ”の部分で液滴が付着し、注入液量のバラツキが発生する原因となってしまう。その結果、分析結果の信頼性を損なうこととなっていた。

特開２００１−１５７８５５号公報米国特許第５９６５２３７号明細書

従って、本発明の目的は、化学分析用マイクロタイタープレート又はマイクロチップなどのポリマー基板のウェルなどの貫通穴を形成する際、“バリ”を生じないポリマーシートの製造方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、本発明は第１に、(a)基板上に塗布されたレジスト膜を所定のパターンを有するマスクを通して露光するステップと、
(b)前記露光レジストを現像してマスターを形成するステップと、
(c)前記マスターにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入し、硬化させるステップと、
(d)前記マスターから硬化ＰＤＭＳモールドを剥離するステップと、
(e)前記ＰＤＭＳモールドをガラス基板に接着させるステップと、
(f)前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体にＰＤＭＳプレポリマー混合液を注入し、硬化させるステップと、
(g)前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体からＰＤＭＳモールドとガラス基板を引き剥がし、生成された貫通穴付きＰＤＭＳシートを回収するステップとからなる、複数個の貫通穴を有するポリマーシートの製造方法を提供する。

また、本発明は第２に、前記(c)ステップにおいて、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入するのに先だって、前記マスターをフルオロカーボンで処理するステップを更に有するポリマーシートの製造方法を提供する。

また、本発明は第３に、前記(f)ステップにおいて、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入するのに先だって、前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体をフルオロカーボンで処理するステップを更に有するポリマーシートの製造方法を提供する。

ＰＤＭＳは自己吸着性を有するので、ガラスと接着させると、接着面に全く隙間が生じない。その結果、ＰＤＭＳモールドをガラスと接合させてＰＤＭＳプレポリマー混合液を注入して硬化させると、全く“バリ”が生じることなく複数個の貫通穴を有するＰＤＭＳシートを形成することができる。しかも、得られた貫通穴付きＰＤＭＳシートをガラス基板と接着させると、貫通穴とガラス基板とにより形成されるウェルが完全に分離されるので、各ウェル内で各種反応実験が微量の試薬で正確に実施できる。ガラス基板の部分的箇所にサンプルを固定化したいときは、ＰＤＭＳをマスク材としても使用できる。

以下、図面を参照しながら貫通穴を有するポリマーシートの製造方法の好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１（Ａ）は本発明の方法により製造されたポリマーシートの一例の上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。シート１は例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのポリマーから形成されている。その他のポリマーも条件が満たされれば使用できる。シート１のサイズ自体は用途に応じて任意のサイズを選択することができる。従って、シート１は正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、五角以上の多角形など任意の形状をとることができる。シート１には用途に応じて任意の個数の貫通穴３が形成されている。シート１の厚さは数百μｍ〜１ミリ程度（例えば、２００μｍ〜１ｍｍ）である。貫通穴３の断面形状は図示された矩形状のものに限定されない。円形状、楕円状、三角形状、五角以上の多角形状など様々な形状を採ることもできる。

図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に示されたポリマーシートの用途の一例を示す断面図である。ポリマーシート１の下部に基板５を貼着することにより、ポリマーシート１の貫通穴３の下部が遮蔽され、その結果、得られた構造物７を化学分析用のマイクロタイタープレートとして使用することができる。本発明によれば貫通穴３に“バリ”などが全く無いので、極微量の試薬及び／又は検体などを正確に注入することができる。そのため、構造物７を化学分析用のマイクロタイタープレートとして使用すると、定性分析及び定量分析の両方とも極めて正確に実施することができ、分析結果の信頼性が高まる。基板５はガラス、合成樹脂、金属、撥水紙など任意の材料から形成されたものを使用できる。ポリマーシート１がＰＤＭＳ製である場合、基板５はガラスであることが好ましい。基板５がガラス製である場合、構造物７を化学分析用のマイクロタイタープレートとして使用した後、ポリマーシート１をガラス基板５から剥離し、別の新たなガラス基板に貼着することにより、ポリマーシート１を再使用することができる。基板５の貼着面には、必要に応じて定量分析及び／又は定性分析のための試薬などを塗布しておくこともできる。これにより、ポリマーシート１の穴３内に試薬又は検体を注入すると、穴３内で所定の化学反応を生起させ、分析結果を得ることができる。また、このマイクロタイタープレートの各穴に培地を充填し、その後、微生物（例えば、細菌類、真菌類、酵母類、細胞類など）を接種し、培養器内で培養してから、ポリマーシート１を除去すると、培養物が独立した点状に配置した基板５が得られる。この基板５は診断（例えば、細胞診）などの様々な目的に使用することができる。

図２は、本発明による貫通穴を有するポリマーシートの製造方法の一例を示す工程図である。先ず、ステップ（ａ）において、所望のサイズを有するシリコンウエハ（例えば、４インチウエハ）１を準備する。シリコンウエハ２１は予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、ステップ（ｂ）において、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８など）を２０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜２３を形成する。次いで、ステップ（ｃ）において、このレジスト膜２３上にマスク２５を通して、適当な露光装置（図示されていない）で露光する。マスク２５は、製造しようとしているポリマーシート１の貫通穴３に対応するレイアウトパターンを有する。その後、ステップ（ｄ）において、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、上面に前記貫通穴３に対応する微細構造２７を有するマスター２９を生成する。所望により、このマスター２９を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、マスター２９の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、ＰＤＭＳのマスター２９からの離型性を改善する。次いで、ステップ（ｅ）において、前記のマスター２９の上面に、ＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。塗布後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳモールド３１を生成させる。その後、ステップ（ｆ）において、マスター２９からＰＤＭＳモールド３１を剥離させる。ＰＤＭＳモールド３１は透明性の高いゴム状の樹脂であり、マスター２９の微細構造２７が転写されている。所望により、ＰＤＭＳモールド３１の上面にガラス又はプラスチック板などのような支持板を貼着することもできる。このような支持板を設けることによりＰＤＭＳモールド３１のハンドリング性又は作業性が改善される。次いで、ステップ（ｇ）において、ＰＤＭＳモールド３１をガラス基板３５に接着させる。ＰＤＭＳはガラスと恒久接着（パーマネントボンディング）することが知られている。この恒久接着によりＰＤＭＳモールド３１とガラス基板３５との接着面に全く隙間が生じないので、後の工程でＰＤＭＳプレポリマーを注入しても、“バリ”の発生が完全に防止される。ＰＤＭＳモールド３１とガラス基板３５とを恒久接着するための前処理として、ＰＤＭＳモールド３１に酸素プラズマを照射することにより表面改質を行うこともある。これは、酸素プラズマ照射によりＰＤＭＳモールド３１の表面に水酸基が形成され、その水酸基の作用によりガラス基板３５との恒久接着が達成されると言われている。その後、ステップ（ｈ）において、ＰＤＭＳモールド３１の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することが好ましい。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、目的形成物のＰＤＭＳモールド３１からの離型性を改善する。次いで、ステップ（ｉ）において、ＰＤＭＳモールド３１とガラス基板３５との接合体内に、ＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を適度な割合で混合し、脱気したＰＤＭＳプレポリマー混合液を充填する。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中にＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込んで型取りすることが好ましい。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。充填後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳシート３７を生成させる。その後、ステップ（ｊ）において、ＰＤＭＳモールド３１とガラス基板３５とを引き剥がし、目的形成物であるＰＤＭＳシート３７を取り出す。このＰＤＭＳシート３７には、図１（Ｂ）で示したポリマーシート１と同様に、“バリ”が全く無い貫通孔３が形成されている。

図３はウェル同士を連通させるマイクロチャネル（微細流路）を有する化学分析用マイクロチップの製造方法を示す工程図である。基本的には図２に示した製造方法の工程と大差はないが、図３では、ステップ（ａ）でマスク２５−１を用いて、先ずウェルのための露光を行い、次いで、ステップ（ｂ）でマスク２５−２を用いて、マイクロチャネルのための露光を行う。ステップ（ｃ）で現像し、微細構造２７Ａを有するマスター２９Ａを得る。ステップ（ｄ）でＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む。ステップ（ｅ）でマスター２９ＡからＰＤＭＳモールド３１Ａを剥離させる。ステップ（ｆ）でＰＤＭＳモールド３１Ａをガラス基板３５に接着させる。ステップ（ｇ）でＣＨＦ_３処理し、ステップ（ｈ）でＰＤＭＳプレポリマー混合液を流し込む。ステップ（ｉ）でガラス基板３５から目的形成物であるＰＤＭＳシート３７Ａを取り出す。次いで、ＰＤＭＳシート３７Ａに酸素プラズマを照射することにより表面改質を行うか又は行わずに、ガラス基板３９に恒久接着させ最終目的物である化学分析用マイクロチップ４１を完成させる。この化学分析用マイクロチップ４１はウェル３，３を連通するマイクロチャネル７を有する。

別法として、図４に示すように、常法に従ってマイクロチャネル７が形成された第１のＰＤＭＳシート４３に対して、図２に示されるようようにしてウェル３が形成された第２のＰＤＭＳシート４５を位置合わせして積層させることによっても化学分析用マイクロチップ４１を完成させることができる。

図２に示された工程説明図に従って、図１（Ｃ）に示されるような４８穴のマイクロタイタープレートを製造した。先ず、４インチウエハを準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前に基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ_２ＳＯ_４およびＨ_２Ｏ_２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、直径１．６ｍｍ、穴と穴の間隔が２ｍｍの４８穴のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、レジスト厚２００μｍのマスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ_３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ_３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ約２ｍｍになるように流し込み、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、ＰＤＭＳモールドをマスターから剥離した。この剥離したＰＤＭＳモールドをガラス基板に自己吸着させ、２００μｍの隙間に更に、反応性イオンエッチングシステムにより、フルオロカーボン（ＣＨＦ_３）処理後、２００μｍの隙間にＰＤＭＳプレポリマーを流し込んだ。流し込んだ後、６５℃で４時間加熱重合した。その後、まず、ＰＤＭＳモールドと、流し込んで加熱重合形成された目的のＰＤＭＳシートを同時にガラスから引き剥がし、別のガラスに貼り、目的のＰＤＭＳシートをガラスに押さえながら、ＰＤＭＳモールドを引き剥がした。その後、目的のＰＤＭＳシートをＯ_２プラズマによりクリーニングした。クリーニングされた４８個の貫通穴を有するＰＤＭＳシートをガラスに恒久接着させ、４８穴マイクロタイタープレートを完成させた。

実施例１で製造された４８穴マイクロタイタープレートを用いて細胞培養を行った。ＰＤＭＳシートの穴３内にＨＥＭ培地（１０％牛胎児血清および抗生物質（ペニシリンおよびストレプトマイシン）含有）を適量注入し、ベロ(Vero)細胞を各穴に接種し、３７℃、５％ＣＯ_２条件下で培養を行った。細胞接種後、ベロ細胞は培地上に接着進展する。ＰＤＭＳシートの各穴は深さが浅いために接種細胞への栄養も行き渡りやすく、細胞の培養に好適である。培養終了後に、ＰＤＭＳシートをガラス基板から剥離すると、細胞培養生成物のパターニングされたガラス基板が得られた。この培養された細胞の載ったガラス基板は様々な細胞診に利用できる。ベロ細胞の代わりに、ＨｅｐＧ２細胞およびＨＯＳ細胞を使用して同様な培養実験を行い、同様な結果が得られた。

本発明の貫通穴付きポリマーシートを利用したマイクロタイタープレート又はマイクロチップは医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産など様々な分野で活用できる。特に、蛍光抗体法、in situ Hibridization等に最適なウェルを有するマイクロタイタープレート又はマイクロチップとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、ＤＮＡ分析、ＲＮＡ分析などの広範な領域で使用できる。

本発明による貫通穴付きポリマーシートの一例の概要上面図である。図１（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿った概要断面図である。図１（Ａ）に示された貫通穴付きポリマーシートを用いたマイクロタイタープレートの一例の概要断面図である。本発明による貫通穴付きポリマーシートの製造方法の一例を示す工程説明図である。本発明による貫通穴付きポリマーシートを用いたマイクロチップの製造方法の一例を示す工程説明図である。本発明による貫通穴付きポリマーシートを用いたマイクロチップの別の構成を示す概要断面図である。従来のマイクロチップの一例の概要上面図である。図５（Ａ）における５Ｂ−５Ｂ線に沿った概要断面図である。

符号の説明

１ポリマーシート
３貫通穴
５基板
７マイクロタイタープレート
９マイクロチャネル
２１シリコン基板
２３レジスト膜
２５マスク
２７微細構造
２９マスター
３１ＰＤＭＳモールド
３５ガラス基板
３７ＰＤＭＳシート
４１ガラス基板
４３第１のＰＤＭＳシート
４５第２のＰＤＭＳシート

Claims

複数個の貫通穴を有するポリマーシートの製造方法において、
(a)基板上に塗布されたレジスト膜を所定のパターンを有するマスクを通して露光するステップと、
(b)前記露光レジストを現像してマスターを形成するステップと、
(c)前記マスターにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入し、硬化させるステップと、
(d)前記マスターから硬化ＰＤＭＳモールドを剥離するステップと、
(e)前記ＰＤＭＳモールドをガラス基板に接着させるステップと、
(f)前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体にＰＤＭＳプレポリマー混合液を注入し、硬化させるステップと、
(g)前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体からＰＤＭＳモールドとガラス基板を引き剥がし、生成された貫通穴付きＰＤＭＳシートを回収するステップとからなることを特徴とするポリマーシートの製造方法。
前記(c)ステップにおいて、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入するのに先だって、前記マスターをフルオロカーボンで処理するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーシートの製造方法。
前記(f)ステップにおいて、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー混合液を注入するのに先だって、前記ＰＤＭＳモールド・ガラス基板接合体をフルオロカーボンで処理するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーシートの製造方法。