JP4769544B2 - 二次鋳型の製造方法 - Google Patents
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(a)常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
(b)前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
(c)前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法を提供する。
(1)レジスト膜厚条件出しを行う必要がなく、結果的にレジスト使用量を削減でき、レジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(2)光リソグラフィー法における現像工程が不要になり、現像液及び製造工程の削減によりレジスト鋳型の製造コストを低減できる。
(3)光リソグラフィー用の高価な設備を使用して、同じ凸状微細構造を有するレジスト鋳型を複数個製造する手間とコストに比べて、本発明のレプリカ鋳型を使用すれば、光リソグラフィー法を実施するための高価な設備を使わなくてもレジスト二次鋳型を簡単かつ安価に大量に製造することができる。従って、使用に伴ってレジスト二次鋳型が破損しても、原型レジスト一次鋳型さえあれば、レプリカ鋳型からレジスト二次鋳型を新たに何個でも供給でき、光リソグラフィー法で初めからレジスト二次鋳型を作り直す場合に比べて、コストが圧倒的に安く上がる。レジスト二次鋳型を安価に大量に供給できることにより、マイクロ流体デバイスを安価に大量生産することが可能となる。
(4)ポート部分を含んだ形の原型レジスト一次鋳型を作製することにより、最終製品のマイクロ流体デバイスにおいて入出力ポート用のウェルを作製するための穴あけ加工を行う必要が無くなる。従来のレジスト鋳型を用いた方法では、入出力ポート用のウェルは例えば、ドリルや穴開け工具を用いてPDMS基板などを機械加工することにより穿設されていた。しかし、この機械加工方法では、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。本発明によれば、このような機械加工に伴う欠点を完全に解消することができる。
図1(A)は本発明の方法を実施するために使用される原型レジスト一次鋳型を製造する工程の一例の概要説明図である。原型レジスト一次鋳型の製造プロセス自体は従来の光リソグラフィー法によるレジスト鋳型の製造プロセスと大体同一である。ステップ(A−1)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1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(A−2)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又はSU−8 2000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3を形成する。次いで、ステップ(A−3)において、このレジスト膜3上にマスク5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5は、製造しようとしているマイクロ流体デバイスの形成しようとする所望の微細構造に対応するレイアウトパターンを有する。ステップ(A−4)において、必要に応じて、前記ステップ(A−2)と同様に、レジストの第2層目7を塗布し、ステップ(A−3)と同様に、マスク5と異なるパターンを有する別のマスク(図示されていない)を通して露光する。更に、ステップ(A−5)において、前記ステップ(A−2)と同様に、レジストの第3層目9を塗布し、ステップ(A−3)と同様に、入出力ポートに相当するパターンを有する別のマスク(図示されていない)を通して露光する。露光完了後、ステップ(A−6)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、シリコンウエハ1の上面に所望の凸状微細構造11を有する原型レジスト鋳型13を生成する。所望により、この原型レジスト鋳型13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、原型レジスト鋳型13の表面をフルオロカーボン(CHF3)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、原型レジスト鋳型13からのPDMSの離型性を改善する。レジスト膜の積層数自体は本発明の必須要件ではない。1層又は2層でも良いし、4層以上のレジスト膜を使用することもできる。
本発明で使用可能なPDMS以外の合成樹脂材料等は、例えば、天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ニトリル・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、エチレン・プロピレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム製品全てである。
レプリカ鋳型に流し込む材料はレジストのような感光性材料でけでなく、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂でもよい。感光性樹脂の場合は光化学反応を利用するが、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の場合は別の方法を利用する。熱可塑性プラスチックは一般的に加熱により流体にし、冷却した金型に加圧射出して形成するため、加熱により液体にした状態でレプリカ鋳型に流し込めばよい。また、熱硬化性樹脂は加熱したときに架橋して高分子になるため、レプリカ鋳型内に流し込んだ後に加熱すればよい。
図1(A)に示された工程説明図に従って、原型レジスト一次鋳型を製造した。先ず、4インチシリコンウエハを準備した。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シリコン基板を洗浄・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(H2SO4およびH2O2)処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコン基板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、所定の形状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、第2層目として第1層目と同じ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、所定の形状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。更に、第3層目として第1層目と同じ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、所定の形状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。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、第1層〜第3層のレジスト合計厚600μmの原型レジスト一次鋳型を完成させた。最後に、この原型レジスト一次鋳型の表面をフルオロカーボン(CHF3)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CHF3剥離膜を形成した。
前記(1)で得られた原型レジスト一次鋳型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んだ。その後、N2スプレーすることにより余分なPDMSプレポリマー混合液を除去した。次いで、脱気し、加温(65℃、4時間)した。4時間経過後、オーブンから取り出し、SF6ガスでポート部のPDMS薄膜を除去することにより、硬化PDMS層を生成した。その後、硬化PDMS層を原型レジスト一次鋳型から剥離し、レプリカ鋳型を得た。
前記(2)で得られたレプリカ鋳型をガラス基板に自己吸着させた。レプリカ鋳型の上面に存在する開口部からSU−8ネガティブフォトレジストを注入し、溶媒を蒸発させ、レジスト層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、このレプリカ鋳型の上面側から露光装置(ユニオン光学製 PEM−800)でレジスト層を露光した。露光レジスト層の架橋を行うため65℃で15分間(STEP1)、95℃で25分間(STEP2)加温した。クーリング後、レプリカ鋳型を剥離し、レジスト二次鋳型を得た。後処理として、得られたレジスト二次鋳型を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た。レジスト二次鋳型の微細構造を調べたところ、原型レジスト一次鋳型の微細構造と殆ど同一であった。これにより、レプリカ鋳型を使用すれば、面倒な光リソグラフィー法に依らなくても、レジスト鋳型を安価かつ容易に大量生産できることが確認できた。
3 レジスト膜(第1層)
5 ホトマスク
7 レジスト膜(第2層)
9 レジスト膜(第3層)
11 微細構造
13 原型レジスト一次鋳型
15 PDMSプレポリマー混合液
17 硬化PDMS層
19 レプリカ鋳型
21 開口部
23 支持基板
25 レジスト材料
27 レジスト二次鋳型
100 従来のマイクロ流体デバイス
102 基板
104 マイクロチャネル
106 入出力ポート106
108 対面基板
Claims (4)
- マイクロ流体デバイスにおけるマイクロチャネル及び入出力ポートなどを有する層を形成するために使用される鋳型の製造方法であって、
(a)常用の光リソグラフィー法により前記マイクロチャネル及び入出力ポートに対応する凸状微細構造を有する原型レジスト一次鋳型を製造するステップと、
(b)前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造を転写した凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造するステップと、
(c)前記レプリカ鋳型の、原型レジスト一次鋳型から転写された凹状微細構造内に硬化性材料を充填して、前記原型レジスト一次鋳型の有する凸状微細構造と同一の凸状微細構造を有する二次鋳型を製造するステップとからなることを特徴とする二次鋳型の製造方法。 - 前記ステップ(b)において、原型レジスト一次鋳型に、ポリジメチルシロキサン(PDMS)プレポリマーと硬化剤との混合液を流し込み、PDMSを硬化させ、SF6ガス又はSF6とO2の混合ガスで前記入出力ポートに対応する部分のPDMS薄膜を除去した後、硬化PDMS層を原型レジスト一次鋳型から剥離させることにより、原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造が転写された凹状微細構造を有するレプリカ鋳型を製造することを特徴とする請求項1記載の二次鋳型の製造方法。
- 前記ステップ(c)において、前記レプリカ鋳型を支持基板上に載置し、レプリカ鋳型の前記入出力ポートに対応する部分の開口部から硬化性材料を前記凹状微細構造内に注入し、該硬化性材料を硬化させることにより、前記支持基板上に前記原型レジスト一次鋳型の凸状微細構造と同一の凸状微細構造を形成させることを特徴とする請求項1記載の二次鋳型の製造方法。
- 前記硬化性材料はレジスト材料であることを特徴とする請求項3記載の二次鋳型の製造方法。
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