JP4581784B2 - Method for producing a mold for producing a microchannel substrate - Google Patents
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Description
本発明は、平滑で微細なマイクロチャネル状突起を有するプラスチック製マイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法およびその鋳型を用いて作製したプラスチック製マイクロチップ基板に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a mold for producing a plastic microchannel substrate having smooth and fine microchannel protrusions, and a plastic microchip substrate produced using the mold.
最近はマイクロリアクターやマイクロトータルアナリシスシステム(μTAS)と呼ばれる微細加工技術を利用した化学反応や分離システムの微小化の研究が盛んになっており、マイクロチャネルを持つマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質、糖鎖などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。このようなシステムのマイクロ化の利点としては、(1)化学反応や抗原抗体反応で使用するサンプルや試薬の使用量、廃棄量を低減できる、(2)プロセスに必要な動力源の低減ができる、(3)体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現でき、その結果、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される、(4)同一基板上で多くのサンプルを同時に取り扱うことができる、(5)サンプリングから検出までを同一基板上で実施できる等のことが挙げられ省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が考えられている。一方、デメリットとしては(1)検出面積が小さくなるが故に検出感度が低下するケースが多い(2)マイクロスケールの流体流れでは乱流を発生させることが難しく、試薬等を混合させる場合に拡散混合となり時間を要す、(3)気泡等が発生した場合に表面張力の影響が大きく除去することは難しく測定系に大きな影響を及ぼすことが多いことが挙げられる。このようなメリット、デメリットがある中でマイクロフルイディクス技術は検討され、自動車産業分野では加速センサーや圧力センサー、位置センサー(ジャイロスコープ)等、電気通信業界分野では光導波路、光スイッチ、ミラー、レンズ等、ライフサイエンス産業分野では血液分析、DNA分析、化学犯罪捜査用途等として我々の日常生活で見られる形となっている。その他、食品分野、環境試験分野、軍需分野にもその用途を展開している。現在開発されているマイクロフルイディクス技術としては、センサー用途が多く、酵素もしくは抗原抗体反応、イオン感応電界効果(ISFET)、マイクロ電極、マイクロカンチレバー、音響波、共鳴を利用したマイクロセンサーが報告されている。用途してはマイクロ電気泳動チップ、マイクロPCR(Plymerase Chain Reaction)チップ、マイクロガスクロマトグラフィチップ、マイクロ液クロマトグラフィチップ、DNA分離チップ等が多く報告されている。また、サンプリングから分析までを同一チップ上で実施するLab−on−a−Chipの開発も報告されており、炭疽菌や大腸菌に特異な核酸や抗体を用いた多機能バイオチップやグルコースやラクトース等をモニタリングする携帯可能な測定器、抗原抗体反応を用いた臨床検査チップ等が挙げられる。 Recently, research on miniaturization of chemical reactions and separation systems using microfabrication technology called microreactor and micrototal analysis system (μTAS) has become active, and nucleic acids, proteins, It is expected to be applied to the analysis and synthesis of sugar chains, rapid analysis of trace chemicals, and high-throughput screening of pharmaceuticals and drugs. Advantages of such system microfabrication include: (1) The amount of samples and reagents used in chemical reactions and antigen-antibody reactions can be reduced, and the amount of waste can be reduced. (2) The power source required for the process can be reduced. (3) By increasing the ratio of the surface area to the volume, it is possible to increase the speed of heat transfer and mass transfer. As a result, precise control of reaction and separation, high speed and high efficiency, and suppression of side reactions are expected. (4) It is possible to handle many samples at the same time on the same substrate, (5) It is possible to carry out from sampling to detection on the same substrate, etc. Realization is being considered. On the other hand, there are many disadvantages: (1) Detection sensitivity decreases because the detection area is small. (2) It is difficult to generate turbulent flow in a microscale fluid flow. (3) When bubbles or the like are generated, it is difficult to remove the influence of the surface tension greatly, and the measurement system is often greatly affected. Under these merits and demerits, microfluidics technology is being studied. In the automotive industry, acceleration sensors, pressure sensors, position sensors (gyroscopes), etc. In the telecommunications industry, optical waveguides, optical switches, mirrors, and lenses. In the life science industry, blood analysis, DNA analysis, chemical crime investigation use, etc. are found in our daily lives. Other applications include food, environmental testing, and munitions. The microfluidics technology currently being developed has many sensor applications, and microsensors using enzymes or antigen-antibody reactions, ion-sensitive field effect (ISFET), microelectrodes, microcantilevers, acoustic waves, and resonance have been reported. Yes. There have been many reports on applications such as microelectrophoresis chips, micro PCR (Plymerase Chain Reaction) chips, micro gas chromatography chips, micro liquid chromatography chips, DNA separation chips, and the like. The development of Lab-on-a-Chip that performs sampling to analysis on the same chip has also been reported. Multifunctional biochips using nucleic acids and antibodies specific to Bacillus anthracis and Escherichia coli, glucose, lactose, etc. A portable measuring device for monitoring the blood pressure, a clinical test chip using an antigen-antibody reaction, and the like.
1990年代初期は成熟したエレクトロニクス産業および完成されたシリコンウエハを利用した製造技術の影響でマイクロフルイディクスやμTAS、Lab−on−a−Chipデバイスに使用する材料としてシリコンウエハが利用されていた。しかし、流体の搬送方法として電気的手法(電気浸透法)が盛んに開発される中、シリコンの導電性および破壊電圧の低さのため電気的な液体搬送を維持するために高電圧を負荷する必要がある用途に対してはシリコン材料を使用することに制約が生じてきた。またシリコンウエハ表面は化学的に生体高分子(DNA、ペプチド、タンパク質)を吸着させやすく、非特異吸着を増加させる危険性が多くあり、その為シリコンウエハ上に非特異吸着を防止するための処理が必要とされ、更に透明でないため光学検出等を用いる用途に不向きであること、最後に原料単価が高いことがありマイクロフルイディクス用途、特に使い捨てが必須となる診断用のマイクロフルイディクス用途には不向きとされてきている。
シリコンウエハを使用したマイクロフルイディクス製作技術としては、IC製造技術で培われてきた微細加工技術とシリコンウエハの結晶方位またはエッチャントの種類によるエッチング速度、エッチング特性の違いを利用した化学的エッチング手法である異方性エッチング法、物理的エッチング手法であるプラズマエッチング法、犠牲層を利用したエッチング法等、シリコンウエハに特殊なマイクロフルイディクス製作方法が開発され様々な形状が作製できることから研究者の注目を集めてきたが、シリコンウエハ性マイクロフルイディクスの接着方法として電気熱融着法が挙げられるが高温で電気動通させるため表面にダメージが発生しやすく、また接着剤による接着方法もあるが接着強度、信頼性に問題があるとされシリコンウエハを用いたマイクロフルイディクスの欠点の1つとなっている。
In the early 1990s, silicon wafers were used as materials for microfluidics, μTAS, and Lab-on-a-Chip devices due to the influence of the mature electronics industry and manufacturing technology using completed silicon wafers. However, while electrical methods (electroosmosis method) are actively developed as fluid transport methods, high voltage is applied to maintain electrical liquid transport due to the low electrical conductivity and breakdown voltage of silicon. Restrictions have arisen on the use of silicon materials for applications that require. In addition, the surface of the silicon wafer is likely to chemically adsorb biological macromolecules (DNA, peptides, proteins), and there is a high risk of increasing non-specific adsorption. Therefore, treatment to prevent non-specific adsorption on the silicon wafer. Is not suitable for applications that use optical detection, etc., and the cost of raw materials may be high.Furthermore, for microfluidics applications, especially for diagnostic microfluidics applications where disposables are essential. It has been considered unsuitable.
Microfluidics manufacturing technology using silicon wafers is a chemical etching method that uses the microfabrication technology cultivated in IC manufacturing technology and the etching rate and etching characteristics depending on the crystal orientation of the silicon wafer or the type of etchant. Researchers pay attention because special microfluidic fabrication methods have been developed on silicon wafers, such as an anisotropic etching method, a plasma etching method that is a physical etching method, and an etching method that uses a sacrificial layer. Although there is an electrothermal fusion method as an adhesion method for silicon wafer microfluidics, it is easy to cause damage to the surface due to electrical conduction at high temperature, and there is also an adhesion method using an adhesive, It is said that there are problems with strength and reliability. It has become one of the stomach microfluidics drawbacks.
シリコンウエハ以外の新しい材料としてガラス材料を使用したマイクロフルイディクス作製プロセスが確立されてきた。ガラス材料は確立した製作技術のおかげもあってマイクロフルイディクスやμTAS、Lab−on−a−Chipデバイスを開発する上での主要材料として注目され、表面特性や材料特性の面からもマイクロフルイディクスデバイスにとって優れた材料であると考えられてきた。しかし、ガラス材料はマイクロフルイディクス技術を商業化する際にその高いマイクロフルイディクス製造コストおよび量産技術の欠如が欠点となっている。製造コストとは主としてその材料価格と製造プロセスにおけるコストであるがガラスの場合、シリコンウエハと比べ比較的安価であるものの、洗浄、金属蒸着、レジストコート、ウェットエッチング、基板ボンディング工程が各基板毎に必要となり煩雑で高コストな工程となってしまう。その中でも課題となっている工程は、エッチング工程と接着工程である。エッチング工程ではエッチャントとして強酸であるフッ化水素(HF)もしくはフッ化水素(HF)と硝酸(HNO3)を混合したエッチャントが使用され、非常に有害な薬品のため管理/回収といった取り扱いが難しい上にエッチング速度が2μm〜7μm/分と非常に遅く製作能力を低下させている。エッチング速度を向上させるためエッチャントの濃度を上げることが考えられるが表面平滑性が悪化するため限界がある。また強酸をエッチャントに用いるため強酸にも侵されない金(Au)をガラス基板表面に蒸着したパターンマスクが必要となり、更にはガラス基板表面に金(Au)が十分な密着力を持って蒸着またはスパッタリングできない為、接着層としてクロム(Cr)層が必要とされている。パターンマスク用の金(Au)膜はピンホールが発生しない厚み300nm以上が必要とされている。更にガラスのウェットエッチングはガラスが等方性材料であるため幾何学的なデザインをエッチングする際に制約がある。マイクロフルイディクスのデザインとして、ハイアスペクト比のチャネルや正方形、長方形のチャネルを必要とされることが多くガラス材料を用いたチップはこれらの要求を容易に満たすことはできない。接着工程では数百度の高温で処理する必要性があること電気熱融着法を用いてもシリコンウエハと同様の問題がある(非特許文献1)。 Microfluidics fabrication processes have been established using glass materials as new materials other than silicon wafers. Glass materials are attracting attention as a major material in developing microfluidics, μTAS, and Lab-on-a-Chip devices thanks to established manufacturing technologies, and microfluidics also in terms of surface characteristics and material characteristics. It has been considered an excellent material for devices. However, glass materials suffer from high microfluidic manufacturing costs and lack of mass production technology when commercializing microfluidic technology. The manufacturing cost is mainly the material price and the cost in the manufacturing process. In the case of glass, although it is relatively cheaper than a silicon wafer, cleaning, metal deposition, resist coating, wet etching, and substrate bonding processes are performed for each substrate. This is a complicated and expensive process. Among them, the processes that are problems are an etching process and an adhesion process. In the etching process, an etchant using a strong acid such as hydrogen fluoride (HF) or a mixture of hydrogen fluoride (HF) and nitric acid (HNO 3 ) is used. However, the etching rate is very slow, 2 μm to 7 μm / min, and the production capability is lowered. It is conceivable to increase the etchant concentration in order to improve the etching rate, but there is a limit because the surface smoothness deteriorates. In addition, since a strong acid is used as an etchant, a pattern mask in which gold (Au) that is not attacked by a strong acid is deposited on the surface of the glass substrate is required. Since this is not possible, a chromium (Cr) layer is required as an adhesive layer. The gold (Au) film for the pattern mask is required to have a thickness of 300 nm or more so that no pinhole is generated. Furthermore, wet etching of glass has limitations when etching geometric designs because glass is an isotropic material. A microfluidic design often requires high aspect ratio channels, square or rectangular channels, and a chip using a glass material cannot easily meet these requirements. In the bonding process, it is necessary to process at a high temperature of several hundred degrees. Even if the electrothermal fusion method is used, there is a problem similar to that of a silicon wafer (Non-Patent Document 1).
このような状況の中、プラスチックをマイクロフルイディクス、μTAS、Lab−on−a−Chipデバイスの材料として使用することは多くのメリットがあることが次第に判明してきた。プラスチック材料はシリコンウエハやガラス材料と比較し原料単価は格段に安く、インジェクション成型法やエンボッシング法、鋳型法、切削法等のよりよく確立された低コストな製造技術が利用でき、用途に応じて様々なプラスチック材料が選択できる。その選択範囲は市販化されている材料だけでも非常に大きく、例えば、PC(Polycarbonate)、PMMA、COC、エポキシ、PDMA(Poly(dimethyl Siloxane))等が選択肢として挙げられる。この中でもCOCはFDAから生体適応材料(血液に接触しても問題が無い)材料として認知されており有望な材料と考えられている。
プラスチック材料のマイクロ加工技術として鋳型を使用するインジェクション成型、ホットエンボッシング、鋳型等が挙げられ、この中でもインジェクション成型法は大量生産に向いており注目されている。鋳型を使用しないプラスチック加工方法としてプラスチックにエンドミルで直接マイクロチャネルを作製する切削法(特許文献1)、レーザー光でプラスチック基板上にマイクロチャネルを作製するレーザー法が挙げられるが量産性の意味で課題が多く研究用途の試作レベルでのみ実用化されているのが現状である。インジェクション成形では型キャビティ内へ溶融した熱可塑性プラスチック材料を導入し、キャビティを冷却させて樹脂を硬化させることで、効率よく経済的にマイクロチップ基板を製造でき、大量生産に適している。ホットエンボッシング法ではガラス転移点(Tg)付近に加熱されたプラスチック基板上に鋳型を押し付け鋳型の形状を転写させる方法で設備投資が少なく微細なマイクロチャネル形状の転写が可能であるが量産性においてはインジェクション成型法に劣る。鋳型法とは光硬化樹脂や熱硬化樹脂をマイクロ加工された鋳型に流し込み紫外線や電子線、熱を加えることにより重合させ離型することでマイクロチャネルを作製する方法である。硬化性プラスチックでは低温で加工できるため、装置やディバイスに熱や振動によるダメージを与えずにマイクロチップ基板を作製することが可能であるが、反応硬化時間、冷却時間が長く試作用途には向いているが量産にはあまり向いていない。
Under such circumstances, it has been gradually found that there are many advantages to using plastic as a material for microfluidics, μTAS, Lab-on-a-Chip devices. Plastic materials are much cheaper than silicon wafers and glass materials, and well-established, low-cost manufacturing technologies such as injection molding, embossing, casting, and cutting can be used. Various plastic materials can be selected. The selection range is very large even with a commercially available material alone. For example, PC (Polycarbonate), PMMA, COC, epoxy, PDMA (Poly (dimethyl Siloxane)) and the like are listed as options. Among these, COC is recognized as a bioadaptive material (no problem even if it comes into contact with blood) by the FDA and is considered a promising material.
Examples of microfabrication technology for plastic materials include injection molding using a mold, hot embossing, mold, etc. Among them, the injection molding method is suitable for mass production and has attracted attention. Examples of plastic processing methods that do not use a mold include a cutting method (Patent Document 1) in which a microchannel is directly formed on a plastic by an end mill, and a laser method in which a microchannel is formed on a plastic substrate with a laser beam. Currently, it is practically used only at the prototype level for research purposes. In injection molding, a molten thermoplastic material is introduced into a mold cavity, the cavity is cooled, and the resin is cured, so that a microchip substrate can be manufactured efficiently and economically, which is suitable for mass production. The hot embossing method is a method in which a mold is pressed onto a plastic substrate heated near the glass transition point (Tg) to transfer the shape of the mold. Is inferior to the injection molding method. The mold method is a method for producing a microchannel by pouring a photo-curing resin or a thermosetting resin into a micro-processed mold and polymerizing the mold by applying ultraviolet rays, an electron beam, or heat, and releasing the mold. Since curable plastics can be processed at low temperatures, it is possible to fabricate microchip substrates without damaging equipment or devices due to heat or vibration, but they are suitable for prototyping because of their long reaction curing time and cooling time. Is not suitable for mass production.
鋳型を作製する技術として10μmレベルのチャネルを加工できる鋳型の作製技術に多くの研究者が注力してきた。1980年代初期にKarlsruhe Research Center(ドイツ)によってマイクロフルイディック製作に適応できるLIGA技術が開発された。“LIGA”とは、ドイツ語のLithographie(lithography)、Galvanoforming(electroplating)、Abformung(replication)の略である。このLIGA工程は、PMMAレジストをX線用のフォトマスクを通してX線で露光現像した後、エレクトロプレーティング(電鋳)にて鋳型(キャビティ)を製作し、その鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板を作製するものである。その後、X線による露光の代わりにUV光を使用するUV−LIGAが開発された。X線を利用するLIGAと比較するとそのアスペクト比は落ちるがコストを考慮に入れた場合、UV−LIGA技術も優れた技術である。また、ウエットエッチング、ドライエッチング法にて加工されたSiやガラス、金属板、エンドミルを使用した切削法にて加工されたガラスやプラスチック、金属板等を原版としてNi等の金属をエレクトロプレーティング(電鋳)し鋳型を作製し、その鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板を作製する方法もある。これら鋳型の作製方法では電鋳工程が必須となるが通常の鋳型の作製方法では土台となるベースを含めて20〜30mm程度の電鋳厚みが必要となる。一般的に鋳型用の電鋳材料として良く使用されているのはニッケル(Ni)であり、精密で緻密な内部応力の少ない厚膜の電鋳を実施するために印加できる電流密度に制約があるため一般的に電鋳速度として10〜20μm/hrとなる。20〜30mmの厚みを電鋳するためには1000〜3000時間と長い処理時間が必要となってくる。この問題を解決するために金属板の上にフォトレジストを塗布し、LIGAもしくはUV−LIGAフォトリソ法を用いてマイクロチャネル形状にパターニングしマイクロチャネル部分のみを電鋳で形成する方法も採用されている。マイクロチャネルの深さは通常20〜150μ程度であり電鋳処理時間は1〜15時間と一般的な方法と比べ短縮され大変有用な製法である。
これらの加工技術により比較的性能の良好なプラスチック製マイクロチャネル基板を作製することが可能である。しかしプラスチック製マイクロチャネル基板にはまだ問題が有り、実用化が不十分である。問題点は様々あるが、その一つとして表面平滑性の不足が挙げられる。分析対象もしくは生産対象の化学物質を検出するために、通常は光学的検出装置、たとえば蛍光強度の確認や、熱レンズ顕微鏡による検出、IRスペクトルやUVスペクトルによる検出などが好適に行われるが、その多くはチップに光を入射し、反対面もしくは入射面から光の強度を確認するという方式である。それゆえプラスチック製、非プラスチック製を問わずマイクロチャネル底部の表面平滑性が低いと分析対象もしくは生産対象の化学物質の検出感度が大幅に低下する為、マイクロチャネル底部は表面平滑性が高いことが要求されている(特許文献2)。
With these processing techniques, it is possible to produce a plastic microchannel substrate with relatively good performance. However, there are still problems with plastic microchannel substrates, and their practical application is insufficient. There are various problems, but one of them is insufficient surface smoothness. In order to detect a chemical substance to be analyzed or produced, usually an optical detection device such as confirmation of fluorescence intensity, detection by a thermal lens microscope, detection by IR spectrum or UV spectrum is suitably performed. In many cases, light is incident on the chip and the intensity of the light is confirmed from the opposite surface or the incident surface. Therefore, if the surface smoothness of the bottom of the microchannel is low, regardless of whether it is made of plastic or non-plastic, the detection sensitivity of the chemical substance to be analyzed or produced is greatly reduced. There is a demand (Patent Document 2).
本発明の目的は、マイクロチャネル底部の表面平滑性が低いと液体の流動や分析対象もしくは生産対象の化学物質の検出感度が大幅に低下し微量物質の検出に問題があるため、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製し、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持つプラスチック製マイクロチャネル基板を提供することを目的とするものである。 The object of the present invention is that the surface smoothness is low because the liquid flow and the detection sensitivity of the chemical substance to be analyzed or produced are greatly reduced due to the low surface smoothness of the bottom of the microchannel, and there is a problem in detecting trace substances. An object of the present invention is to provide a plastic microchannel substrate having a microchannel bottom having a very high surface smoothness by producing a mold having excellent microchannel-like projections and further using this mold.
本発明は、以下の通りである。
(1)金属基板上に巾1mm以下、高さ1mm以下のマイクロチャネル形成用の金属突起部を有するマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法であって、
(1)金属基板上にマクロチャネル状突起部及びダミー突起部を形成する工程であって、
ダミー突起部の高さがマイクロチャネル突起部の高さ以上に形成されている工程
(2)及びマイクロチャネル状突起部上面部及びダミー突起部上面部を研磨する工程、
を含み、
前記金属基板上にマクロチャネル状突起部及びダミー突起部を形成する工程が、
(a)シリコン基板、ガラス基板、又はプラスチック基板をエッチング又は切削加工して原版を作製する工程、
(b)及び該原版に金属を電鋳する工程
または、
(c)金属基板上にフォトレジストをコートする工程、
(d)フォトリソ加工によりフォトレジストをパターニングする工程、
(e)及びパターニングした箇所に金属を電鋳する工程、
であること
を特徴とするマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
(2)前記マイクロチャネル状突起部及び前記ダミー突起部がニッケルを含む金属である(1)記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
(3)前記金属基板がニッケルを含む金属から構成されている(1)または(2)いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
(4)前記マイクロチャネル状突起部上面部及びダミー突起部上面部を研磨する工程において、
CMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨する工程を含む(1)〜(3)いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
(5)前記マイクロチャネル形成用の金属突起部の上面部の表面粗さ(Ra)が0.2μm以下である(1)〜(4)いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。
(6)(1)〜(5)いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法により作製されたマイクロチャネル基板作製用鋳型。
(7)(6)記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型を使用して、プラスチック基板にマイクロチャネルを形成したことを特徴とするプラスチック製マイクロチップ基板。
(8)前記マイクロチャネルの底部の表面粗さ(Ra)が0.2μm以下である(7)記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
(9)前記プラスチック基板が飽和環状ポリオレフィンから構成されるものである(7)又は(8)記載のプラスチック製マイクロチップ基板。
(10)(7)〜(9)いずれか記載のプラスチック製マイクロチップ基板のマイクロチャネルの一部に核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパクのうち少なくとも一つを含む生理活性物質を固定化したマイクロチップ基板。
The present invention is as follows.
(1) A method for producing a mold for producing a microchannel substrate having a metal protrusion for forming a microchannel having a width of 1 mm or less and a height of 1 mm or less on a metal substrate,
(1) A step of forming a macro channel projection and a dummy projection on a metal substrate ,
The process in which the height of the dummy protrusion is greater than the height of the microchannel protrusion
(2) and a step of polishing the upper surface portion of the microchannel-like protrusion and the upper surface of the dummy protrusion,
Only including,
Forming a macro-channel-shaped protrusion and a dummy protrusion on the metal substrate;
(A) A step of etching or cutting a silicon substrate, a glass substrate, or a plastic substrate to produce an original plate,
(B) and a process of electroforming metal on the original plate
Or
(C) a step of coating a photoresist on a metal substrate;
(D) patterning a photoresist by photolithography,
(E) and a step of electroforming metal on the patterned portion,
A method for producing a mold for producing a microchannel substrate, wherein
( 2 ) The method for producing a template for producing a microchannel substrate according to ( 1 ), wherein the microchannel-like protrusion and the dummy protrusion are a metal containing nickel.
(3) the metal substrate is made of metal containing nickel (1) or (2) a method for manufacturing a microchannel substrate fabrication mold of any one.
( 4 ) In the step of polishing the upper surface portion of the microchannel-shaped protrusion and the upper surface of the dummy protrusion,
The method for producing a template for producing a microchannel substrate according to any one of (1) to ( 3 ), including a step of polishing by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
( 5 ) The method for producing a template for producing a microchannel substrate according to any one of (1) to ( 4 ), wherein the surface roughness (Ra) of the upper surface of the metal projection for forming the microchannel is 0.2 μm or less.
( 6 ) A mold for producing a microchannel substrate produced by the method for producing a template for producing a microchannel substrate according to any one of (1) to ( 5 ).
( 7 ) A plastic microchip substrate, wherein a microchannel is formed on a plastic substrate using the microchannel substrate production mold described in ( 6 ).
( 8 ) The plastic microchip substrate according to ( 7 ), wherein the surface roughness (Ra) of the bottom of the microchannel is 0.2 μm or less.
( 9 ) The plastic microchip substrate according to ( 7 ) or ( 8 ), wherein the plastic substrate is composed of a saturated cyclic polyolefin.
( 10 ) ( 7 ) to ( 9 ) A micro-chip in which a bioactive substance containing at least one of nucleic acid, protein, sugar chain, and glycoprotein is immobilized on a part of a microchannel of the plastic microchip substrate. Chip substrate.
本発明の製造方法を利用することにより、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製でき、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持ち、液体の流動や、微量物質の検出に問題が無い高性能のマイクロチャネル基板を作製することが可能となる。 By using the production method of the present invention, a mold having microchannel-like protrusions with excellent surface smoothness can be produced, and further using this mold, the bottom of the microchannel has a very high surface smoothness, and a liquid It is possible to fabricate a high-performance microchannel substrate that does not have any problem in the flow of liquid and detection of trace substances.
以下、本発明について詳細に説明する。
図1に本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の一実施例となる断面概略図を示す。
図1(a)は、シリコン基板、ガラス基板又はプラスチック基板をエッチング又は切削加工によって作製した原版1に金属電鋳を施したものである。原版の材料はシリコン、ガラス、プラスチック等が一般的によく使用され加工技術も蓄積されているため好ましいが、特にこの材料に限定するものではない。加工方法としてもエッチング法や切削法が好ましく一般的に用いられているがマイクロチャネルが基板上に加工できる手法であれば特に限定しない。
図1(b)は原版より金属を電鋳し転写して得られた金属鋳型2である。電鋳する材料はニッケル(Ni)またはニッケル(Ni)を含む材料が機械特性や硬度、一般的に電鋳加工で使用され量産技術も確立しているため望ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。この状態の鋳型でもインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法によりプラスチックを成型できるがマイクロチャネルの表面平滑性が良くなく精度を必要としないマイクロチップには使用できるが精度の高い、光学検出を用いるようなマイクロチップには使用できない。
図1(c)はマイクロチャネル状突起部分3とダミー突起部分4を一緒に研磨したあとの断面図である。ダミー部分と一緒にマイクロチャネル状突起部を研磨しているため、研磨する際の圧力がマイクロチャネル部分とダミー部分に分散するためマイクロチャネル状電鋳部が変形、欠落することを防いでいる。ダミー部分はマイクロチャネル状電鋳部を研磨工程時の圧力やずり力による変形から守る役割をしているためマイクロチャネル部分の厚み以上に厚いほうが好ましく、また、マイクロチャネル部分よりも大きな面積を研磨されるほうがマイクロチャネル部分に圧力を分散させられるため好ましい。
研磨方法としては、CMP(Chemical Mechanical Polishing)がSiウエハの研磨等で技術確立されており非常に優れた表面平滑性を作り出せることから望ましいが、メガネのレンズやコンタクトレンズの研磨に使用されるラッピングフィルムによる研磨方法、金属材料を研磨するときに使用されるバフ研磨方法等、所望の表面平滑性を作り出せる研磨方法であれば特に限定しない。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)は0.2μm以下が好ましく、さらに好ましくは0.1μm以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)が0.2μmを超えると転写されるプラスチック製マイクロチャネルの表面が同等レベルの表面性となるため、熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。
このように作製された鋳型を使用しインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板が作製される。作製されたプラスチック製マイクロチャネル基板のマイクロチャネル底部の表面粗さ(Ra)は0.2μm以下が好ましく、さらに好ましくは0.1μm以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)が0.2μmを超えると熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a method for producing a mold for producing a microchannel substrate according to the present invention.
FIG. 1A shows a case in which metal electroforming is performed on an
FIG. 1B shows a
FIG. 1C is a cross-sectional view after the microchannel-like protruding
As a polishing method, CMP (Chemical Mechanical Polishing) has been established for polishing Si wafers and the like, and it is desirable because it can produce extremely excellent surface smoothness. However, lapping used for polishing glasses lenses and contact lenses is desirable. There is no particular limitation as long as it is a polishing method capable of producing desired surface smoothness, such as a polishing method using a film and a buffing method used when polishing a metal material. The surface roughness (Ra) of the upper surface portion of the microchannel protrusion is preferably 0.2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. If the surface roughness (Ra) of the upper surface of the microchannel protrusion exceeds 0.2 μm, the surface of the plastic microchannel to be transferred has the same level of surface property, so detection using an optical system such as a thermal lens microscope May be impossible to detect with the instrument.
A plastic microchannel substrate is manufactured by using an injection molding method, a hot embossing method, and a template method using the template thus prepared. The surface roughness (Ra) of the microchannel bottom of the produced plastic microchannel substrate is preferably 0.2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. If the surface roughness (Ra) of the upper surface of the microchannel projection exceeds 0.2 μm, it may be impossible to detect with a detector using an optical system such as a thermal lens microscope.
図2に本発明のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法の他の実施例となる断面概略図を示す。
図2(a)に金属板5上にフォトレジスト6が塗布された状態を示す。金属板はニッケル(Ni)もしくはニッケル(Ni)を含む金属材料が機械強度や硬度、電鋳の材料として広く使用されていることから好ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。フォトレジストの厚みは作製するマイクロチャネルの深さにより適宜決定されるが作製するマイクロチャネルの厚みより20〜50μm程度厚く塗布することが望ましい。フォトレジストの厚みが目標とするマイクロチャネル深さより薄くなると電鋳した際にフォトレジストのパターン部分よりはみ出し良好なマイクロチャネルが作製できない。また、フォトレジストの塗布方法としてはスピンコート法、バーコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法等の手法があるが特に限定しない。
図2(b)はフォトレジストをパターニングしたあとの断面図であり、パターニングされた部分7,8は金属部分が表面に露出しているがその他の部分はフォトレジストに覆われ露出していない状態である。フォトレジストの露光、現像条件はフォトレジストの種類、塗布厚み等を考慮し適宜最適化した条件で加工する。
図2(c)はフォトレジストをパターニングした金属板に電鋳処理により金属を電鋳した時の断面図である。金属板が露出した部分のみが電鋳されマイクロチャネル状およびダミー状にパターニングされたフォトレジストによりマイクロチャネル形状に電鋳された金属部9およびダミー形状に電鋳された金属部10が金属板上で凸状になっている。電鋳処理する厚みは作製するマイクロチャネルの深さにより適宜決定されるが作製するマイクロチャネルの厚みより10〜30μm程度厚く電鋳することが望ましい。電鋳処理後に電鋳されたマイクロチャネル状突起部上部の表面平滑性を向上させるために研磨を実施するためその削り代を含めた厚みを電鋳しておく必要がある。10μm未満であると削り代が少なく希望する表面平滑性が得られない場合があり30μmを超えると研磨する厚みが多く研磨工程の時間が多く必要となり経済的に望ましくない。電鋳する材料はニッケル(Ni)またはニッケル(Ni)を含む材料が機械特性や硬度、一般的に電鋳加工で使用され量産技術も確立しているため望ましいが、インジェクション成型、ホットエンボス等の加工に対し機械的、化学的、熱的に問題なく金属板表面に電鋳が可能であれば特に限定はしない。
図2(d)は残ったフォトレジストを全て剥離した後の断面図であり、研磨処理前の鋳型の断面図となる。この状態の鋳型でもインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法によりプラスチックを成型できるがマイクロチャネルの表面平滑性が良くなく精度を必要としないマイクロチップには使用できるが精度の高い、光学検出を用いるようなマイクロチップには使用できない。
図2(e)はマイクロチャネル状突起部分9とダミー突起部分10を一緒に研磨したあとの断面図である。ダミー部分と一緒にマイクロチャネル状突起部を研磨しているため、研磨する際の圧力がマイクロチャネル部分とダミー部分に分散するためマイクロチャネル状電鋳部が変形、欠落することを防いでいる。ダミー部分はマイクロチャネル状電鋳部を研磨工程時の圧力やずり力による変形から守る役割をしているためマイクロチャネル部分の厚み以上に厚いほうが好ましく、また、マイクロチャネル部分よりも大きな面積を研磨されるほうがマイクロチャネル部分に圧力を分散させられるため好ましい。研磨方法としては、CMP(Chemical Mechanical Polishing)がSiウエハの研磨等で技術確立されており非常に優れた表面平滑性を作り出せることから望ましいが、メガネのレンズやコンタクトレンズの研磨に使用されるラッピングフィルムによる研磨方法、金属材料を研磨するときに使用されるバフ研磨方法等、所望の表面平滑性を作り出せる研磨方法であれば特に限定しない。
マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)は0.2μm以下が好ましく、さらに好ましくは0.1μm以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)が0.2μmを超えると転写されるプラスチック製マイクロチャネルの表面が同等レベルの表面性となるため、熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。
このようにして作製された鋳型を使用しインジェクション成型法やホットエンボッシング法、鋳型法を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板が作製される。作製されたプラスチック製マイクロチャネル基板のマイクロチャネル底部の表面粗さ(Ra)は0.2μm以下が好ましく、さらに好ましくは0.1μm以下である。マイクロチャネル状突起上面部の表面粗さ(Ra)が0.2μmを超えると熱レンズ顕微鏡等の光学系を利用した検出器で検出が不可能となる恐れがある。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of a method for producing a mold for producing a microchannel substrate according to the present invention.
FIG. 2A shows a state in which a
FIG. 2B is a cross-sectional view after patterning the photoresist, and the
FIG. 2C is a cross-sectional view when a metal is electroformed by electroforming on a metal plate patterned with a photoresist. Only a portion where the metal plate is exposed is electroformed, and a
FIG. 2D is a cross-sectional view after removing all the remaining photoresist, and is a cross-sectional view of the mold before the polishing process. Even in such a mold, plastic can be molded by the injection molding method, hot embossing method, or mold method. However, the microchannel surface is not smooth and can be used for microchips that do not require precision, but the optical detection is highly accurate. It cannot be used for microchips that use.
FIG. 2 (e) is a cross-sectional view after the microchannel-like protruding
The surface roughness (Ra) of the upper surface portion of the microchannel protrusion is preferably 0.2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. If the surface roughness (Ra) of the upper surface of the microchannel protrusion exceeds 0.2 μm, the surface of the plastic microchannel to be transferred has the same level of surface property, so detection using an optical system such as a thermal lens microscope May be impossible to detect with the instrument.
A plastic microchannel substrate is manufactured by using the injection mold method, the hot embossing method, and the mold method using the mold thus prepared. The surface roughness (Ra) of the microchannel bottom of the produced plastic microchannel substrate is preferably 0.2 μm or less, more preferably 0.1 μm or less. If the surface roughness (Ra) of the upper surface of the microchannel projection exceeds 0.2 μm, it may be impossible to detect with a detector using an optical system such as a thermal lens microscope.
本発明のプラスチック製マイクロチャネル基板に使用するプラスチック材質は、加工性、経済性も含め、現在最も用いられている検出法が蛍光検出であるため自己蛍光の少なく、FDAから生体適応材料(血液に接触しても問題が無い)材料として認知されている環状ポリオレフィン(COC)が最も好ましいが、種々のプラスチック材料を選択することが可能であり、作製されるマクロチップの用途、処理、使用する溶媒、生理活性物質、検出方法の特性に合わせて、成形性、耐熱性、耐薬品性、吸着性等を考慮し適宜に選択される。
例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルアセテート、ビニル−アセテート共重合体、スチレン−メチルメタアクリレート共重合体、アクリルニトリル−スチレン共重合体、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリメチルペンテン、シリコン樹脂、アミノ樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、ポリイミド等が挙げられる。
また、これらのプラスチック材料に、顔料、染料、酸化防止剤、難燃剤等の添加物を適宜混合してもよい。
The plastic material used for the plastic microchannel substrate according to the present invention has low auto-fluorescence because the most currently used detection method, including processability and economy, is fluorescence detection. Cyclic polyolefin (COC), which is recognized as a material that can be contacted without any problem, is most preferable, but various plastic materials can be selected, and the use, processing, and solvent used for the produced macrochip Depending on the characteristics of the physiologically active substance and the detection method, it is appropriately selected in consideration of moldability, heat resistance, chemical resistance, adsorptivity and the like.
For example, polystyrene, polyethylene, polyvinyl chloride, polypropylene, polycarbonate, polyester, polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, vinyl-acetate copolymer, styrene-methyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-styrene copolymer, acrylonitrile- Examples include butadiene-styrene copolymer, nylon, polymethylpentene, silicone resin, amino resin, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, fluororesin, and polyimide.
In addition, additives such as pigments, dyes, antioxidants, and flame retardants may be appropriately mixed with these plastic materials.
マイクロチャネルとしては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量、かつ、熱移動・物質移動の高速化の観点から、幅は1mm以下が好ましく、更に好ましくは、800μm以下であり、深さは1mm以下が好ましく、更に好ましくは800μm以下である。但し、これらマイクロチャネルの流路設計は検出対象物、利便性を考慮に適宜設計されるため上記に限定はしない。また、マイクロチャネルの機能としてマイクロディバイス、具体的には、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を装備したり、複数本のマイクロチャネルを同一基板上に加工することにより複合化することが可能である。 The microchannel preferably has a width of 1 mm or less, more preferably 800 μm or less, and a depth from the viewpoint of increasing the amount of sample or reagent used or the amount of discharged waste liquid and increasing the speed of heat transfer / mass transfer. 1 mm or less is preferable, More preferably, it is 800 micrometers or less. However, the flow path design of these microchannels is not limited to the above because it is appropriately designed in consideration of the detection object and convenience. In addition, the microchannel function is equipped with microdevices, specifically, membranes, pumps, valves, sensors, motors, mixers, gears, clutches, microlenses, electrical circuits, etc. It can be compounded by processing on top.
プラスチック製マイクロチップ基板のマイクロチャネルの一部に生理活性物質を固定化することができる。 生理活性物質としては、核酸、タンパク質、糖鎖、糖タンパク等が挙げられるが検出対象物の特性により適宜、最適な生理活性物質を選択することができる。また、同一チャネル上に複数の生理活性物質を固定化してもよく、同じマイクロチップ基板上に違うマイクロチャネルを作製し別々に生理活性物質を固定しても良い。生理活性物質をプラスチック製マイクロチャネル基板に固定化するためにプラスチック表面に表面改質、例えば官能基の導入、機能材料の固定化、親水性の付与、および疎水性の付与等を実施したりすることも可能である。 A physiologically active substance can be immobilized on a part of the microchannel of the plastic microchip substrate. Examples of the physiologically active substance include nucleic acids, proteins, sugar chains, glycoproteins and the like, and an optimal physiologically active substance can be appropriately selected depending on the characteristics of the detection target. A plurality of physiologically active substances may be immobilized on the same channel, or different microchannels may be formed on the same microchip substrate and the physiologically active substances may be separately immobilized. In order to immobilize a physiologically active substance on a plastic microchannel substrate, surface modification is performed on the plastic surface, for example, introduction of functional groups, immobilization of functional materials, imparting hydrophilicity, imparting hydrophobicity, etc. It is also possible.
以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
縦70mm長さ、横30mm長さ、厚み1mmのアクリル樹脂基板に図3のような巾800μm、長さ50mm、深さ100μmのマイクロチャネル部12と巾3000μm、長さ50mm、深さ120μmのダミー部11を切削法にて形成した。切削加工の条件は、マイクロチャネル部分が800μm巾のエンドミルを使用し、エンドミルの回転数を15000rpm、送り速度0.5mm/秒、切削深さのピッチを50μm、ダミー部分が3000μm巾のエンドミルを使用し、エンドミルの回転数を15000rpm、送り速度0.5mm/秒、切削深さのピッチを60μmとした。切削時の切削粉を排出するため純水を定常的に基板上に流しつづけた状態で切削加工を実施した。得られたアクリル製マイクロチャネル底部の表面粗さ(Ra)は0.35μmであった。このアクリル製マイクロチャネルに金(Au)を蒸着し、その後Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)にて20mA/cm2の電流密度で10日間電鋳し、約4mm厚みのニッケル(Ni)鋳型を得た。このニッケル(Ni)鋳型のマイクロチャネル部上部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.35μmであった。CMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨装置にて、6μmアルミナ粒子で3時間、3μmアルミナ粒子で3時間のポリッシングを実施したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaは、0.04μmとなった。このニッケル(Ni)製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン(COC)製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.03μmであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。
Example 1
A microchannel portion 12 having a width of 800 μm, a length of 50 mm, and a depth of 100 μm and a dummy having a width of 3000 μm, a length of 50 mm, and a depth of 120 μm are formed on an acrylic resin substrate having a length of 70 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 1 mm. The part 11 was formed by a cutting method. The cutting conditions were as follows. An end mill with a microchannel portion of 800 μm width was used, an end mill rotation speed of 15000 rpm, a feed rate of 0.5 mm / second, a cutting depth pitch of 50 μm, and a dummy portion with an end mill width of 3000 μm. The rotation speed of the end mill was 15000 rpm, the feed rate was 0.5 mm / second, and the pitch of the cutting depth was 60 μm. Cutting was performed with pure water constantly flowing on the substrate in order to discharge cutting powder during cutting. The surface roughness (Ra) of the bottom of the acrylic microchannel obtained was 0.35 μm. Gold (Au) is vapor-deposited on the acrylic microchannel, and then electroformed with a Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid) at a current density of 20 mA / cm 2 for 10 days, and nickel (Ni ) A mold was obtained. The surface roughness (Ra) of the upper portion of the microchannel portion of the nickel (Ni) mold was measured and found to be 0.35 μm. When polishing was performed with 6 μm alumina particles for 3 hours and 3 μm alumina particles for 3 hours with a CMP (Chemical Mechanical Polishing) polishing apparatus, the surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel-shaped protrusion was 0.04 μm. . Using this nickel (Ni) mold, a microchannel substrate made of saturated cyclic polyolefin (COC) was produced by an injection molding method. When the surface roughness (Ra) of the bottom part of the produced plastic microchannel was measured, it was 0.03 μm. When the detection sensitivity was confirmed on the microchannel substrate using a thermal lens microscope, a good focus was obtained.
(実施例2)
厚さ15mm、直径100mmのニッケル(Ni)ディスクにSU−8 2075フォトレジスト(日本化薬マイクロケム製)を150μm厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて図3のような巾100μm、長さ50mm、深さ100μmのマイクロチャネル部12と巾3000μm、長さ50mm、深さ120μmのダミー部11をi線換算で300mJの照射量でパターン露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するNiディスクに電極を取り付け、Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)を使用し10mA/cm2の電流密度で15時間電鋳を実施し125μm厚みのNi電鋳突起がNiディスク上に形成し残りのフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaを測定したところ、0.28μmであった。CMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨装置にて、6μmアルミナ粒子で3時間、3μmアルミナ粒子で3時間のポリッシングを実施したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaは、0.04μmとなった。このニッケル(Ni)製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン(COC)製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.02μmであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。
(Example 2)
A nickel (Ni) disk having a thickness of 15 mm and a diameter of 100 mm was spin-coated with SU-8 2075 photoresist (manufactured by Nippon Kayaku Microchem) at a thickness of 150 μm and prebaked in an oven. After pre-baking, a microchannel portion 12 having a width of 100 μm, a length of 50 mm, and a depth of 100 μm and a dummy portion 11 having a width of 3000 μm, a length of 50 mm, and a depth of 120 μm as shown in FIG. Pattern exposure was performed at a dose of. After the exposure, post-baking was performed, and the film was developed by dipping in a developer. Electrodes are attached to a Ni disk having a microchannel patterned photoresist on its surface, and electroformed for 15 hours at a current density of 10 mA / cm 2 using Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid). Then, a 125 μm-thick Ni electroformed projection was formed on the Ni disk, and the remaining photoresist was all removed with a developer. The surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel protrusion was measured and found to be 0.28 μm. When polishing was performed with 6 μm alumina particles for 3 hours and 3 μm alumina particles for 3 hours with a CMP (Chemical Mechanical Polishing) polishing apparatus, the surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel-shaped protrusion was 0.04 μm. . Using this nickel (Ni) mold, a microchannel substrate made of saturated cyclic polyolefin (COC) was produced by an injection molding method. The surface roughness (Ra) of the bottom of the produced plastic microchannel was measured and found to be 0.02 μm. When the detection sensitivity was confirmed on the microchannel substrate using a thermal lens microscope, a good focus was obtained.
(実施例3)
厚さ15mm、直径100mmのステンレス(SUS)ディスクにSU−8 2075フォトレジスト(日本化薬ケム製)を180μm厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて図3のような巾800μm、長さ50mm、深さ100μmのマイクロチャネル部12と巾3000μm、長さ50mm、深さ120μmのダミー部11をi線換算で300mJの照射量でパターン露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するNiディスクに電極を取り付け、Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)を使用し15mA/cm2の電流密度で15時間電鋳を実施し150μm厚みのNi電鋳突起がSUSディスク上に形成し残りのフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaを測定したところ、0.32μmであった。3μmのアルミナ粒子をプラスチックフィルムに固定化したポリッシングフィルムにてポリッシングを実施したところ、マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaは、0.08μmとなった。このニッケル(Ni)製鋳型を用いてホットエンボッシング法にてポリメチルメタクリレート(PMMA)プラスチック製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.05μmであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ良好な形で焦点が得られた。
(Example 3)
A stainless steel (SUS) disk having a thickness of 15 mm and a diameter of 100 mm was spin-coated with SU-8 2075 photoresist (manufactured by Nippon Kayaku Chem) at a thickness of 180 μm and prebaked in an oven. After pre-baking, a microchannel portion 12 having a width of 800 μm, a length of 50 mm, and a depth of 100 μm and a dummy portion 11 having a width of 3000 μm, a length of 50 mm, and a depth of 120 μm as shown in FIG. Pattern exposure was performed at a dose of. After the exposure, post-baking was performed, and the film was developed by dipping in a developer. An electrode is attached to a Ni disk having a microchannel patterned photoresist on the surface, and electroforming for 15 hours at a current density of 15 mA / cm 2 using Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid). Then, a 150 μm-thick Ni electroformed protrusion was formed on the SUS disk, and the remaining photoresist was all removed with a developer. The surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel protrusion was measured and found to be 0.32 μm. When polishing was performed with a polishing film in which 3 μm alumina particles were fixed to a plastic film, the surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel-shaped protrusion was 0.08 μm. Using this nickel (Ni) mold, a microchannel substrate made of polymethylmethacrylate (PMMA) plastic was produced by hot embossing. The surface roughness (Ra) of the bottom of the produced plastic microchannel was measured and found to be 0.05 μm. When the detection sensitivity was confirmed on the microchannel substrate using a thermal lens microscope, a good focus was obtained.
(比較例1)
縦70mm長さ、横30mm長さ、厚み1mmのアクリル樹脂基板に巾800μm、長さ50mm、深さ100μmのマイクロチャネルを切削法にて形成した。切削加工の条件は、800μm巾のエンドミルを使用し、エンドミルの回転数を15000rpm、送り速度0.5mm/秒、切削深さのピッチを50μmとした。切削時の切削粉を排出するため純水を定常的に基板上に流しつづけた状態で切削加工を実施した。得られたアクリル製マイクロチャネル底部の表面粗さ(Ra)は0.35μmであった。このアクリル製マイクロチャネルに金(Au)を蒸着し、その後Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)にて20mA/cm2の電流密度で10日間電鋳し、約4mm厚みのニッケル(Ni)鋳型を得た。このニッケル(Ni)鋳型のマイクロチャネル部上部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.35μmであった。この鋳型を用いてプラスチック製マイクロチャネル基板をインジェクション成型で作製したところ、そのプラスチック製マイクロチャネル底部の表面粗さ(Ra)は0.33μmであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ焦点が得られず熱レンズ顕微鏡を用いた測定用途には使用できないことが分かった。
(Comparative Example 1)
A microchannel having a width of 800 μm, a length of 50 mm, and a depth of 100 μm was formed by a cutting method on an acrylic resin substrate having a length of 70 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 1 mm. The cutting conditions were as follows: an end mill with a width of 800 μm was used, the rotation speed of the end mill was 15000 rpm, the feed rate was 0.5 mm / second, and the pitch of the cutting depth was 50 μm. Cutting was performed with pure water constantly flowing on the substrate in order to discharge cutting powder during cutting. The surface roughness (Ra) of the bottom of the acrylic microchannel obtained was 0.35 μm. Gold (Au) is vapor-deposited on the acrylic microchannel, and then electroformed with a Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid) at a current density of 20 mA / cm 2 for 10 days, and nickel (Ni ) A mold was obtained. The surface roughness (Ra) of the upper portion of the microchannel portion of the nickel (Ni) mold was measured and found to be 0.35 μm. When this mold was used to produce a plastic microchannel substrate by injection molding, the surface roughness (Ra) of the plastic microchannel bottom was 0.33 μm. When the detection sensitivity was confirmed on the microchannel substrate using a thermal lens microscope, the focus was not obtained, and it was found that the microchannel substrate could not be used for a measurement application using the thermal lens microscope.
(比較例2)
厚さ15mm、直径100mmのニッケル(Ni)ディスクにSU−8 2075フォトレジスト(日本化薬マイクロケム製)を150μm厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて100μm巾×50mm長さのマイクロチャネル状にi線換算で300mJの照射量で露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するNiディスクに電極を取り付け、Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)を使用し10mA/cm2の電流密度で15時間電鋳を実施し125μm厚みのNi電鋳突起がNiディスク上に形成しフォトレジストを現像液にて全て剥離した。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaを測定したところ、0.28μmであった。このニッケル(Ni)製鋳型を用いてインジェクション成型法にて飽和環状ポリオレフィン(COC)製マイクロチャネル基板を作製した。作製したプラスチック製マイクロチャネルの底部の表面粗さ(Ra)を測定したところ0.25μmであった。このマイクロチャネル基板上で熱レンズ顕微鏡を用いて検出感度を確認したところ焦点が得られず熱レンズ顕微鏡を用いた測定用途には使用できないことが分かった。
(Comparative Example 2)
A nickel (Ni) disk having a thickness of 15 mm and a diameter of 100 mm was spin-coated with SU-8 2075 photoresist (manufactured by Nippon Kayaku Microchem) at a thickness of 150 μm and prebaked in an oven. After pre-baking, the film was exposed to a microchannel shape of 100 μm width × 50 mm length with a parallel light exposure machine at an irradiation amount of 300 mJ in terms of i-line. After the exposure, post-baking was performed, and the film was developed by dipping in a developer. Electrodes are attached to a Ni disk having a microchannel patterned photoresist on its surface, and electroformed for 15 hours at a current density of 10 mA / cm 2 using Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid). Then, a 125 μm-thick Ni electroformed projection was formed on the Ni disk, and the photoresist was all removed with a developer. The surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel protrusion was measured and found to be 0.28 μm. Using this nickel (Ni) mold, a microchannel substrate made of saturated cyclic polyolefin (COC) was produced by an injection molding method. The surface roughness (Ra) of the bottom of the produced plastic microchannel was measured and found to be 0.25 μm. When the detection sensitivity was confirmed on the microchannel substrate using a thermal lens microscope, the focus was not obtained, and it was found that the microchannel substrate could not be used for a measurement application using the thermal lens microscope.
(比較例3)
厚さ15mm、直径100mmのニッケル(Ni)ディスクにSU−8 2075フォトレジスト(日本化薬ケム製)を180μm厚みでスピンコートしオーブンにてプリベークした。プリベーク後、平行光露光機にて800μm巾×50mm長さのマイクロチャネル状にi線換算で330mJの照射量で露光した。露光後、ポストベークを実施し、現像液にディピングし現像した。このマイクロチャネル状にパターン化されたフォトレジストが表面に存在するNiディスクに電極を取り付け、Watt‘s電鋳液(Ni電鋳液)を使用し15mA/cm2の電流密度で15時間電鋳を実施し150μm厚みのNi電鋳突起がNiディスク上に形成しフォトレジストを現像液にて全て剥離しニッケル(Ni)製鋳型を得た。マイクロチャネル状突起部上面の表面粗さRaを測定したところ、0.32μmであった。CMP(Chemical Mechanical Polishing)研磨装置にて、6μmアルミナ粒子で3時間、3μmアルミナ粒子で3時間のポリッシングを実施したところ、マイクロチャネル状突起部が変形し一部が欠落した状態となり鋳型として使用できない状態となった。
(Comparative Example 3)
A nickel (Ni) disk having a thickness of 15 mm and a diameter of 100 mm was spin-coated with SU-8 2075 photoresist (manufactured by Nippon Kayaku Chem) at a thickness of 180 μm and prebaked in an oven. After pre-baking, the film was exposed to a microchannel shape of 800 μm width × 50 mm length with a parallel light exposure machine at an irradiation amount of 330 mJ in terms of i-line. After the exposure, post-baking was performed, and the film was developed by dipping in a developer. An electrode is attached to a Ni disk having a microchannel patterned photoresist on the surface, and electroforming for 15 hours at a current density of 15 mA / cm 2 using Watt's electroforming liquid (Ni electroforming liquid). Then, a 150 μm thick Ni electroformed projection was formed on the Ni disk, and the photoresist was completely peeled off with a developer to obtain a nickel (Ni) mold. The surface roughness Ra of the upper surface of the microchannel protrusion was measured and found to be 0.32 μm. When polishing was performed with 6 μm alumina particles for 3 hours and 3 μm alumina particles for 3 hours with a CMP (Chemical Mechanical Polishing) polishing apparatus, the microchannel protrusions were deformed and partly lost and could not be used as a mold. It became a state.
本発明の製造方法を利用することにより、表面平滑性に優れたマイクロチャネル状突起をもった鋳型を作製でき、さらにこの鋳型を使用して表面平滑性が非常に高いマイクロチャネル底部を持ち、液体の流動や、微量物質の検出に問題が無い高性能のマイクロチャネル基板を作製することが可能となる。 By using the production method of the present invention, a mold having microchannel-like protrusions with excellent surface smoothness can be produced, and further using this mold, the bottom of the microchannel has a very high surface smoothness, and a liquid It is possible to fabricate a high-performance microchannel substrate that does not have any problem in the flow of liquid and detection of trace substances.
1 原版
2 原版より電鋳転写した鋳型本体
3 マイクロチャネル状電鋳部分
4 ダミー電鋳部分
5 金属基板
6 フォトレジスト
7 マイクロチャネル部フォトレジストパターン(現像部分)
8 ダミー部フォトレジストパターン(現像部分)
9 マイクロチャネル電鋳部分
10 ダミー電鋳部分
11 ダミーパターン部分
12 マイクロチャネルパターン部分
DESCRIPTION OF
8 Dummy part photoresist pattern (development part)
9 Microchannel electroformed part 10 Dummy electroformed part 11 Dummy pattern part 12 Microchannel pattern part
Claims (10)
(1)金属基板上にマクロチャネル状突起部及びダミー突起部を形成する工程であって、
ダミー突起部の高さがマイクロチャネル突起部の高さ以上に形成されている工程
(2)及びマイクロチャネル状突起部上面部及びダミー突起部上面部を研磨する工程、
を含み、
前記金属基板上にマクロチャネル状突起部及びダミー突起部を形成する工程が、
(a)シリコン基板、ガラス基板、又はプラスチック基板をエッチング又は切削加工して原版を作製する工程、
(b)及び該原版に金属を電鋳する工程
または、
(c)金属基板上にフォトレジストをコートする工程、
(d)フォトリソ加工によりフォトレジストをパターニングする工程、
(e)及びパターニングした箇所に金属を電鋳する工程、
であること
を特徴とするマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。 A method for producing a mold for producing a microchannel substrate having a metal projection for forming a microchannel having a width of 1 mm or less and a height of 1 mm or less on a metal substrate,
(1) A step of forming a macro channel projection and a dummy projection on a metal substrate ,
The process in which the height of the dummy protrusion is greater than the height of the microchannel protrusion
(2) and a step of polishing the upper surface portion of the microchannel-like protrusion and the upper surface of the dummy protrusion,
Only including,
Forming a macro-channel-shaped protrusion and a dummy protrusion on the metal substrate;
(A) A step of etching or cutting a silicon substrate, a glass substrate, or a plastic substrate to produce an original plate,
(B) and a process of electroforming metal on the original plate
Or
(C) a step of coating a photoresist on a metal substrate;
(D) patterning a photoresist by photolithography,
(E) and a step of electroforming metal on the patterned portion,
A method for producing a mold for producing a microchannel substrate, wherein
第1記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。 The microchannel protrusions and a method for manufacturing a microchannel substrate fabrication mold of claim first, wherein dummy protrusions is a metal containing nickel.
CMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨する工程を含む請求項1〜3いずれか記載のマイクロチャネル基板作製用鋳型の作製方法。 In the step of polishing the upper surface portion of the microchannel-like protrusion and the upper surface of the dummy protrusion,
The method for producing a mold for producing a microchannel substrate according to any one of claims 1 to 3 , comprising a step of polishing by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
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