JP4841063B2 - Microchannel structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばマイクロチップの製作に好適で、マイクロマシン技術を石英の精密溝加工法として活用し、従来の機械工具による通孔の穿孔を廃し、機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現して、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作できる、マイクロチャンネル構造体およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造に用いられる、いわゆるIC技術は年々進歩の一途を辿っており、近年では0.1μmの精度でのパターン形成技術が確立しつつある。
またIC技術の微細加工技術を用いて、シリコン基板に数10μm単位の形状や構造物を形成する技術分野が進展し、マイクロマシンと呼ばれる技術分野が形成されている。
【0003】
このような状況と呼応して、近年、バイオ関連の研究分野では遺伝子解析が積極的に推進され、人の遺伝子の解読が完了しつつあり、次の研究対象はタンパク質の分析であるとされている。
すなわち、アミノ酸が並んだヒモ状のタンパク質が、どのような立体構造をしているのかを知ることは、そのタンパク質がどのように機能しているかを知る有力な手掛かりになる。組織に含まれるタンパク質は、主なものでも数百から数千個あり、これを効率的に分離するには、二次元電気泳動法が有効である。
【0004】
前記二次元電気泳動法は、具体的には一次元的に先ずPHの違いで分離し、次にそれと垂直方向に分子量の違いで分離するもので、一度に数千種類のタンパク質を同時に分離することが可能である。
このような分析には微量の溶液による分析が求められ、流路の寸法は極めて小さくなる微細流路(マイクロチャンネル)となる。このマイクロチャンネルは、石英の基板上に精密かつ滑らかに溝加工して形成され、該チャンネル上にカバ−プレ−トを接合して、マイクロチャンネル構造体が構成される。
【0005】
従来のマイクロチャンネル構造体は、例えば特開2000−298109号公報のように、石英の基板上にレ−ザ−を照射し、若しくはイオンエッチング加工して所望のマイクロチャンネルを形成し、該基板に直径1mmの注水用および排水用の小孔を形成したカバ−プレ−トを熱接合し、前記小孔をマイクロチャンネルに連通させていた。
【0006】
しかし、この従来のマイクロチャンネル構造体は、カバ−プレ−トにこの種装置としては非常に大径の小孔を形成し、またマイクロチャンネルを幅200μm、深さ100μmの大形に形成していて、微量の溶液による分析の整合性を得られず、この種装置の小形軽量化を阻害するという問題があり、それらの微細化が望まれていた。
【0007】
このような要請に対し、石英基板に20μm程度の幅で、20μm程度の深さの溝の加工法については、従来より幾つかの提案がなされている。
例えば、BUNSEKI KAGAKU Vol.47、No.6、pp.361-368 では、レジスト/Au/Crの積層膜をマスクにして、石英基板をフッ化水素酸でウェットエッチングする方法が提案されている。
【0008】
しかし、ウェットエッチングは基本的に等方性エッチングであるため、深さ方向と同程度に横方向にもエッチングが進行する。すなわち、エッチング終了時の溝の横寸法は、マスク開口幅に深さ方向寸法の2倍を加えたものになる。
例えば、20μm幅のマスク幅で20μmの深さまでエッチングしたとすると、実際の仕上がり開口寸法は、60μmと見積られる。したがって、ウェットエッチングで20μm幅で20μmの深さの溝を形成することは、原理的に不可能である。
【0009】
このようなウェットエッチングの問題を解決するために、ドライエッチングも試みられているが、適当なマスク材が無いため、特開平6−219781号公報では、300nm厚のCr/100nm厚のアルミニウムからなる積層膜で、深さ12μmの溝をエッチングした例が示されている。
【0010】
一方、従来の機械加工法からの微細加工に対するアプローチもなされており、ダイシングソー、超音波加工法、微細ドリル加工法、サンドブラスト法等が試みられている。
しかし、ダイシングソーでは、基板表面に直線的な掘り込み溝しかできず、任意の平面パターンを切削するのは原理的に不可能である。
また、超音波加工法では特別な加工用工具が必要になり、数10μmオーダーの微細な工具が必要になることから、その製作は困難を極める。
【0011】
更に、微細ドリル加工法は穴開け加工に限定され、微細な工具の作成は困難であるという問題がある。またダイシングソーでは切削中のブレードのブレが避けられず、狭い溝加工になるほど切削速度が遅くなり、量産性にも欠けるという問題がある。
しかも、被削材が石英という難削材であるため、工具の消耗が激しいことから、石英に貫通孔を形成するには、その直径は数100μm程度が限界である。
【0012】
また、サンドブラスト法を用いて、被加工部位以外をマスクで覆って加工する方法も考えられるが、サンドブラストに耐え得るマスク材の選択や、穴形状が入り口に対し出口が小さくなる、いわゆるテーパー形状が問題になり、ストレート形状の貫通孔を得ることは困難である。
【0013】
仮に、石英基板表面に微細溝の形成が可能であっても、溶液を溝に注入するための注入口や、その排出口をカバープレートに設ける必要があり、そのためには従来の機械加工に頼らざるを得ない。
しかし、機械加工によって微細な注入口、排出口を設けるのは、前述のように極めて困難である。
また、カバープレートに形成した貫通孔は、溝加工を施した溝の終端に厳密に到達し接触しなければならず、その位置合せも難しい。
【0014】
すなわち、従来の機械加工によって、石英基板に数10μmの寸法領域で精密に形状制御された溝を彫り込むことには限界があり、また溝を彫り込んだ石英基板上に平坦なカバ−プレ−トを接合し、該プレ−トに数10μmの貫通孔を開け、該孔を基板上に形成したマイクロチャンネルの終端に精密に位置合せすることは、極めて困難である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決し、例えばマイクロチップの製作に好適で、マイクロマシン技術を石英の精密溝加工法として活用し、従来の機械工具による通孔の穿孔を廃し、機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現して、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作できる、マイクロチャンネル構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、互いに交差する直線状の複数の溝を有するマイクロチャンネルを形成した基板と、微小の通孔を厚さ方向に複数形成し、かつ少なくとも二つのカバ−プレ−トピ−スを接合して構成したカバ−プレ−トとを備え、前記マイクロチャンネル側に前記カバ−プレ−トを接合し、該カバ−プレ−トピ−スの接合面に前記通孔を配置し、該通孔を前記マイクロチャンネルに連通可能にしたマイクロチャンネル構造体において、前記マイクロチャンネルの各溝の一端を前記カバ−プレ−トピ−スの接合部の対応位置に配置し、前記各溝の一端の対応位置に複数の通孔を連通可能に配置し、かつ前記カバ−プレ−トとカバープレートピースの接合面に、前記通孔の全部または一部を形成して、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体とを合理的に製作するようにしている
【0017】
請求項2の発明は、互いに交差する直線状の複数の溝を有するマイクロチャンネルを形成した基板と、微小の通孔を厚さ方向に複数形成し、かつ少なくとも二つのカバ−プレ−トピ−スを接合して構成したカバ−プレ−トとを備え、前記マイクロチャンネル側に前記カバ−プレ−トを接合し、該カバ−プレ−トピ−スの接合面に前記通孔を配置し、該通孔を前記マイクロチャンネルに連通させるマイクロチャンネル構造体の製造方法において、前記マイクロチャンネルの各溝の一端を前記カバ−プレ−トピ−スの接合部の対応位置に配置し、前記各溝の一端の対応位置に複数の通孔を連通し、かつ前記カバ−プレ−トとカバープレートピースの接合面に、前記通孔の全部または一部を形成し、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作するようにしている。
【0018】
請求項3の発明は、互いに接合可能な少なくとも二つの成形ブロックを設け、その一方若しくは双方の成形ブロックの接合面に、前記通孔の全部または一部を構成する成形溝を形成し、該成形ブロックを接合後、接合した成形ブロックを前記通孔と垂直方向に切断し、所定厚の前記カバ−プレ−トピ−スを複数形成するようにして、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作するようにしている。
【0019】
請求項4の発明は、前記接合した成形ブロックを切断して、前記カバ−プレ−トの厚さ方向に貫通する通孔を形成し、従来の機械工具による通孔の穿孔を廃し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作するようにしている。
請求項5の発明は、前記成形ブロックの前記成形溝に沿う幅寸法を、前記カバ−プレ−トの厚さの複数倍に形成し、カバ−プレ−トの合理的な製作とその量産化を図れるようにしている。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を極微量分析用マイクロチップに適用した図示の実施形態について説明すると、図1乃至図7において1は矩形板状のマイクロチャンネル構造体で、これは石英製の基板2と、石英製のカバ−プレ−ト3とを重合し、これらを1000℃以上の温度で熱圧着して接合している。
【0021】
前記基板2は厚さ略1mm程の矩形板状に形成され、その上面に略Y字形状のマイクロチャンネル4を形成し、該マイクロチャンネル4は互いに交差する直線状の溝5〜7を有し、これらの溝5〜7を後述のイオンエッチング加工によって、幅および深さをそれぞれ略20μmに形成している。
図中、8は溝5の中間部に形成した丸溝状の液溜、9は前記溝5〜7の交差部に形成した丸溝状の液溜である。
【0022】
前記カバ−プレ−ト3は基板2と同形かつ略同厚に形成され、これは石英製の複数のカバ−プレ−トピ−ス10〜12で構成され、該プレ−トピ−ス10〜12の側端面を熱接合して形成している。
実施形態では後述する成形ブロックの複合体を同厚にダイシングして、カバ−プレ−ト3ないしカバ−プレ−トピ−ス10〜12を得ている。
【0023】
前記カバ−プレ−トピ−ス10〜12の接合端面、つまり側端面の前記溝5〜7の端部と対応位置に、前記マイクロチャンネル4の溶液注入孔若しくは排出孔となる、単一または複数の微小な通孔13〜15を厚さ方向に沿って形成している。
前記通孔13〜15は、実施形態では一辺が略20μmの方形に形成され、対応する溝5〜7に連通している。すなわち、通孔13は溝5の一端部の直上に位置し、通孔14,15は溝6,7の一端部の直上に位置し、それらとそれぞれ連通している。
【0024】
この場合、前記通孔13〜15は、図3(a)のように対応する一方のカバ−プレ−トピ−ス10の側端面に、その全断面形状を形成したり、図3(b)のように相対するカバ−プレ−トピ−ス10,11若しくは11,12の双方の側端面に、各通孔13〜15の一部断面形状、例えば1/2形状を形成しても良い。
【0025】
そのようにすることで、前者の場合は後述する成形ブロックの一方に通孔13ないし溝の形成を省略でき、後者の場合は双方の成形ブロックの側端面に通孔13〜15ないし成形溝を形成することで、成形溝の深さを浅くでき、前記エッチング加工を容易かつ速やかに行なえるとともに、溝加工したカバ−プレ−トピ−ス同士の利用を図れる利点がある。
【0026】
前記カバ−プレ−トピ−ス10〜12は、前述のように成形ブロック16〜18をダイシングして構成され、該成形ブロック16〜18は図4のように、カバ−プレ−トピ−ス10〜12の上面と同形の平面形状を有する四角柱状の石英柱で構成されている。
そして、前記成形ブロック16〜18は、カバ−プレ−ト3の製造過程の途中で、それらの接合端面を熱接合して図5のように一体に構成される。図中、19,20は前記熱接合による接合線である。
【0027】
このうち、前記成形ブロック16,18は一体に接合した成形ブロック体の両側に配置され、それらの接合端面、つまり側端面に、前記通孔13を形成する成形溝21と、通孔14,15を形成する成形溝22,23を形成している。これらの成形溝21〜23は、後述のドライエッチングによって形成される。
【0028】
前記成形ブロック17は前記成形ブロック体の中央に配置され、それらの接合端面は平滑に形成されている。この場合、隣接するカバ−プレ−トピ−ス10,11若しくは11,12の双方の側端面に、各通孔13〜15の断面形状の一部を形成するときは、例えば図3(b)のように一対の成形溝21,24を対向して形成する。
【0029】
前記成形ブロック体は、カバ−プレ−ト3の製造過程の後期に、図5のように前記通孔13〜15の軸方向と直交方向にダイシングソ−(図示略)で切断され、それらの切断面を研磨する。
図中、25はダイシングソ−によるカッテングラインで、仕上りのカバ−プレ−ト3より若干厚肉に切り出される。この状況は図6のようである。
【0030】
前記成形ブロック16,18の成形溝21〜23は実質的に同一に成形され、これを成形ブロック16の成形溝21の成形法について説明すると、その手順は図7(a)〜(i)のようである。
先ず、図7(a)において、石英を所定形状に切断して成形ブロック16を形成し、その平坦な表面を洗浄し、ベーキングした後、所望の成形溝21を形成する面の裏面に、スパッタ法等を用いてCr等の金属膜26を、1000〜2000Å程度の厚さに成膜する。
【0031】
前記金属膜26は、以下の(e)でフォトリソグラフィーのレジストパターンを形成時、アライナーステージに成形ブロック16を吸着する際、露光時にステージからの光の反射を無くし、精密で良好なレジスト溝パターン形成するために行なう。
【0032】
次に図7(b)において、成形ブロック16の成形溝21を形成する面上に、ポリイミド膜27を10μm〜数10μmの厚さでスピンコートし、窒素雰囲気中で約350℃の温度で1時間ないし数時間かけて、前記ポリイミド膜27を硬化させる。
【0033】
そして、図7(c)において、前記ポリイミド膜27上に、スパッタ法等を用いてSiO2膜28を形成する。この場合、例えばArでSiO2膜28を形成する際、前記膜28中に酸素が欠乏し、いわゆるシリコンリッチなSiO2膜28になってしまう。
そこで、SiO2膜28の組成を純粋なSiO2とするために、スパッタチャンバーに導入されるArガス中に、微量な酸素ガスを混入させた反応性スパッタを用いることが望ましい。
【0034】
次に図7(d)において、前記SiO2膜28にフォトレジスト(以下レジストと呼ぶ)29を約1μmの厚みでスピンコートする。この場合、前記レジスト29はポジ型あるいはネガ型の何れでも良い。
また、パターン精度が要求される場合は、前記レジスト29の厚みを5000Å程度まで薄くすることで、レジストパターンのエッジをシャープにすることができる。
【0035】
図7(e)において、成形溝21のパターンを有するマスク(図示せず)を介して、紫外線露光によりレジスト29に溝パターン30を形成する。
前記露光はアライナーに限らず、ステッパーや電子ビーム露光など何れの手段を用いても良い。
【0036】
そして、図7(f)では前記形成したレジストパターン30をマスクにして、下地のSiO2膜28をRIE(リアクティブイオンエッチング)、イオンミリング、イオンビームエッチング等のドライエッチング法を用いてエッチングする
次に図7(g)において、レジスト29およびSiO2膜28をマスクにして、ポリイミド膜27を酸素プラズマ中でドライエッチングする。
【0037】
前記ポリイミド膜27のドライエッチングを、RIEを用いて行う場合は、なるべく異方性を強調することが望ましいので、低圧、具体的には1mTorr程度以下で行うことが望ましい。
なお、前記ドライエッチングに、ICP(インダクティブリ−カップルドプラズマ)エッチングを用いれば、高速で異方性の高いエッチングが可能となる。
【0038】
次に、図7(h)において、図7(g)に示したSiO2膜28、ポリイミド膜27の積層膜31をマスクにして、成形ブロック16をドライエッチングにより彫り込む。
このドライエッチングでも、垂直性の高いエッチング形状が求められるので、低圧力でのドライエッチングが有効である。
【0039】
前記エッチングガスとしてはフッ素系ガスを用い、具体的にはCF4、C2F6、C3F8、CHF3等のガス、あるいは前記ガスに水素系ガス(CH4、C2H4、C2H2でも良い)を添加したものを用いても良い。
もちろん、ICPエッチングのようなプラズマ密度の高いドライエッチングを用いれば、高速でマスク選択性の高い異方性エッチングが可能になることは言うまでもない。
【0040】
そして、図7(i)において、ポリイミド残膜27、成形ブロック16の裏面の金属膜26を除去し、成形ブロック16の表面に20μm程度の深い成形溝21が異方性良く形成される。
この時、ドライエッチング中にポリイミド膜27が完全に除去されてしまい、そのままエッチングを続けても、成形溝21の深さは変わらない。
【0041】
すなわち、成形ブロック16の表面16aと、成形溝21の底部21aとは同じ石英なので、エッチング速度も同等になり、それ以上のドライエッチングを続けても、成形ブロック16に形成された成形溝21の深さは変わらない。
換言すれば、成形ブロック16上に成膜したポリイミド厚膜27の厚みを決定し、該ポリイミド厚膜27と石英とのエッチングの選択比が分かれば、上記ポリイミド膜27の厚みを調整することで、所望の深さのエッチングが可能となる。
【0042】
このように成形ブロック16の成形溝21は、先ず成形ブロック16にポリイミド厚膜27を形成し、該ポリイミド膜27上にスパッタ法、LPCVDあるいはプラズマCVD等の成膜手段でSiO2あるいはSi3N4等の薄膜28を形成した後、フォトレジスト29を塗布し、露光現象を行なって、所望の溝形状のレジストパターン30を形成する。
【0043】
そして、前記レジストパターン30で、その下地の薄膜28をドライエッチングし、溝パターン30を薄膜28上に転写し、更に薄膜パターンをマスクにして、その下地のポリイミドをドライエッチングして溝パターンを形成する。
最後に、ポリイミド膜27をマスクにして、成形ブロック16をドライエッチングし、精密な溝パターンを得るもので、フォトリソグラフィーを用いるので、任意の平面形状パターンの形成が可能である。しかも、SiO2膜28を薄膜に形成しているから、鮮明なSiO2マスクが得られる。
【0044】
また、本発明による製作方法では、レイアウトする平面形状パターンは、シリコン単結晶基板の異方性エッチングを用いるような、結晶方位に沿った溝パターンに限定される制約が無いので、溝加工のための平面形状パターンを任意に設計することが可能になる。
【0045】
図8は本発明の他の実施形態を示し、前述の実施形態と対応する構成部分には同一の符号を用いている。
すなわち、図8は前記成形溝21〜23の他の形成法を順に示している。
先ず、図8(a)において、成形ブロック16の成形溝21を形成する表面に導電性を有する薄膜32、具体的には金属薄膜、導電性多結晶シリコン薄膜、導電性アモルファスシリコン薄膜等を被覆する。
【0046】
次に図8(b)において、導電性薄膜32上にポリイミド厚膜27をスピンコートし、硬化させる。この後、図8(c)において、ポリイミド厚膜27上に該厚膜27のドライエッチングする際のマスクとなるSiO2薄膜28を被覆するそして、図8(d)において、前記SiO2薄膜28上にレジスト29をスピンコートし、更に図8(e)において前記レジスト29をパターニングする。
この時、前記レジストパターン29は、成形ブロック16に成形溝21を形成する部分にレジスト29を残すパターンとする。
【0047】
更に、図8(f)において、レジスト29をマスクにして、下地のSiO2薄膜28およびポリイミド厚膜27をドライエッチングし、その作用が導電性薄膜32に達するまでエッチングする。
この時、レジスト29もエッチングされ除去される。
この後、図8(g)において、導電性薄膜32上にNiメッキ33する。この場合のメッキ厚は、ポリイミド厚膜27の厚みと同程度か、あるいはそれ以下の厚みとする。
【0048】
図8(h)において、SiO2薄膜28、ポリイミド厚膜27およびその下地となっている導電性薄膜32をエッチングして除去し、溝部を形成する成形ブロック16の表面16aを露出させる。
次に図8(i)では、前記露出した表面16aを、金属性膜であるNiメッキ33と導電性薄膜32をマスクにして、ドライエッチングを用いて彫り込み、所望の深さまでエッチングする。
その後、Niメッキ33および導電性薄膜32をウェットエッチングで除去し、成形ブロック16に成形溝21を形成する。
【0049】
このように前記実施形態では、Niのような金属性膜33をマスクにしているから、有機性のポリイミド厚膜27をマスクにする場合に比べ、マスキング効果が良く、その分薄厚化を図れる。
【0050】
前述した他の実施形態による成形溝21〜23の形成法は、マイクロチャンネル4の形成にも適用でき、また図7および図8の何れの実施形態によるかは、成形溝5〜7、21〜23の形状寸法、マスク手段や加工条件を基に採択される。
【0051】
このように本発明は、マイクロチャンネル構造体1を構成するカバ−プレ−ト3の製作に際し、イオンエッチング等によって成形ブロック16〜18の所定位置に成形溝21〜23を形成し、該ブロック16〜18を接合後、これを所定方向に所定厚でダイシングし、複数のカバ−プレ−ト3を合理的に製作し、その量産化を促すようにしている。
【0052】
また、前記製作したカバ−プレ−ト3は、複数のカバ−プレ−トピ−ス10〜12を接合して構成しているから、これを単一のカバ−プレ−ト材で構成したものに比べ、種々の形状寸法の製作に応じられる。
【0053】
しかも、カバ−プレ−ト3に設ける微細な通孔13〜15の形成に際しても、従来の機械工具による通孔13〜15の穿孔を廃し、前記成形溝21〜23の加工と、成形ブロック16〜18の接合およびそのダイシングによって、これを合理的かつ高精密に形成したものである。
【0054】
【発明の効果】
以上のように、請求項1の発明は、前記マイクロチャンネルの各溝の一端を前記カバ−プレ−トピ−スの接合部の対応位置に配置し、前記各溝の一端の対応位置に複数の通孔を連通可能に配置し、かつ前記カバ−プレ−トとカバープレートピースの接合面に、前記通孔の全部または一部を形成したから、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体とを合理的に製作することができる。
【0055】
請求項2の発明は、前記マイクロチャンネルの各溝の一端を前記カバ−プレ−トピ−スの接合部の対応位置に配置し、前記各溝の一端の対応位置に複数の通孔を連通し、かつ前記カバ−プレ−トとカバープレートピースの接合面に、前記通孔の全部または一部を形成したから、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体とを合理的に製作することができる。
【0056】
請求項3の発明は、互いに接合可能な少なくとも二つの成形ブロックを設け、その一方若しくは双方の成形ブロックの接合面に、前記通孔の全部または一部を構成する成形溝を形成し、該成形ブロックを接合後、接合した成形ブロックを前記通孔と垂直方向に切断し、所定厚の前記カバ−プレ−トピ−スを複数形成するようにしたから、従来の機械加工およびその延長技術では困難であった数10μmの寸法領域の加工を実現し、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成し、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作することができる。
【0057】
請求項4の発明は、前記接合した成形ブロックを切断して、前記カバ−プレ−トの厚さ方向に貫通する通孔を形成し、従来の機械工具による通孔の穿孔を廃したから、微細な通孔若しくは溝を合理的かつ高精密に形成でき、極微量分析に好適なマイクロチャンネルと、カバ−プレ−トないしマイクロチャンネル構造体を合理的に製作することができる。
請求項5の発明は、前記成形ブロックの前記成形溝に沿う幅寸法を、前記カバ−プレ−トの厚さの複数倍に形成したから、カバ−プレ−トを合理的な製作とその量産化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すマイクロチャンネル構造体の斜視図である。
【図2】本発明を適用したマイクロチャンネル構造体を分解して示す斜視図である。
【図3】本発明を適用したマイクロチャンネル構造体を構成するカバ−プレ−トに設けた通孔の形成法を示す正面図で、同図(a)は一方のカバ−プレ−トピ−スの接合端面に通孔の全断面を開口し、同図(b)は隣接する双方のカバ−プレ−トピ−スの接合端面に通孔の一部断面を開口している。
【図4】本発明を適用したマイクロチャンネル構造体を構成するカバ−プレ−トの製造過程の中途状況を示し、各成形ブロックの接合前の状況を分解して示す斜視図である。
【図5】本発明を適用したマイクロチャンネル構造体を構成するカバ−プレ−トの製造過程の中途状況を示し、各成形ブロックの接合後、ダイシング前の状況を示す斜視図である。
【図6】本発明を適用したマイクロチャンネル構造体を構成するカバ−プレ−トの製造過程の終期状況を示し、接合した成形ブロックのダイシング状況を示す斜視図である。
【図7】本発明を適用したマイクロチャンネルおよびカバ−プレ−トにおいて、その製造過程を同図(a)から同図(i)へ順に示す断面図である。
【図8】本発明の他の実施形態を示す断面図で、前記マイクロチャンネルおよびカバ−プレ−トにおいて、その製造過程を同図(a)から同図(i)へ順に示している
【符号の説明】
1 マイクロチャンネル構造体
2 基板
3 カバ−プレ−ト
4 マイクロチャンネル
10,11,12 カバ−プレ−トピ−ス
13,14,15 通孔
16,17,18 成形ブロック
21,22,23 成形溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is suitable for, for example, the production of microchips, uses micromachine technology as a precision grooving method for quartz, eliminates the drilling of through holes with conventional machine tools, and is difficult to achieve with machining and its extension technology. A microchannel structure capable of rationally manufacturing a cover plate or a microchannel structure by forming a small through hole or groove rationally and with high precision by realizing processing of a 10 μm size region and its It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
So-called IC technology used for semiconductor manufacturing has been progressing year by year, and in recent years, a pattern formation technology with an accuracy of 0.1 μm is being established.
Further, the technical field of forming a shape or structure of several tens of μm on a silicon substrate by using a microfabrication technique of IC technology has progressed, and a technical field called a micromachine has been formed.
[0003]
In response to this situation, in recent years, gene analysis has been actively promoted in the bio-related research field, and the decoding of human genes is being completed, and the next research object is said to be protein analysis. Yes.
That is, knowing what three-dimensional structure of the string-like protein in which amino acids are arranged is a useful clue to know how the protein functions. There are hundreds to thousands of proteins contained in the tissue, and the two-dimensional electrophoresis method is effective for efficiently separating the proteins.
[0004]
More specifically, the two-dimensional electrophoresis method is one-dimensionally separating first by PH difference and then by molecular weight difference in the vertical direction. Thousands of proteins are simultaneously separated at a time. It is possible.
Such analysis requires analysis with a very small amount of solution, and the size of the flow path becomes a very small flow path (microchannel). The microchannel is formed by precisely and smoothly grooving on a quartz substrate, and a cover plate is bonded onto the channel to form a microchannel structure.
[0005]
In a conventional microchannel structure, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-298109, a laser is irradiated on a quartz substrate or ion etching is performed to form a desired microchannel, and the substrate is formed on the substrate. A cover plate having small holes for water injection and drainage having a diameter of 1 mm was thermally bonded, and the small holes were connected to the microchannel.
[0006]
However, this conventional microchannel structure has a small hole having a very large diameter as a device of this type on the cover plate, and the microchannel is formed in a large shape having a width of 200 μm and a depth of 100 μm. Therefore, there is a problem that the consistency of analysis with a small amount of solution cannot be obtained, and this makes it difficult to reduce the size and weight of this type of device, and miniaturization thereof has been desired.
[0007]
In response to such demands, several proposals have been made for a method of processing a groove having a width of about 20 μm and a depth of about 20 μm in a quartz substrate.
For example, BUNSEKI KAGAKU Vol. 47, No. 6, pp. 361-368 proposes a method of wet etching a quartz substrate with hydrofluoric acid using a resist / Au / Cr laminated film as a mask.
[0008]
However, since wet etching is basically isotropic etching, etching proceeds in the lateral direction as much as the depth direction. That is, the lateral dimension of the groove at the end of etching is the mask opening width plus twice the dimension in the depth direction.
For example, if etching is performed to a depth of 20 μm with a mask width of 20 μm, the actual finished opening size is estimated to be 60 μm. Therefore, it is impossible in principle to form a groove having a width of 20 μm and a depth of 20 μm by wet etching.
[0009]
In order to solve such a problem of wet etching, dry etching has also been attempted. However, since there is no appropriate mask material, Japanese Patent Laid-Open No. 6-219781 is made of 300 nm thick Cr / 100 nm thick aluminum. An example in which a groove having a depth of 12 μm is etched with a laminated film is shown.
[0010]
On the other hand, approaches to micromachining from conventional machining methods have also been made, and dicing saws, ultrasonic machining methods, fine drilling methods, sandblasting methods and the like have been tried.
However, in a dicing saw, only a straight digging groove can be formed on the substrate surface, and it is impossible in principle to cut an arbitrary plane pattern.
Further, the ultrasonic machining method requires a special machining tool, and a fine tool of the order of several tens of μm is necessary. Therefore, its production is extremely difficult.
[0011]
Furthermore, the fine drilling method is limited to drilling, and there is a problem that it is difficult to create a fine tool. In addition, the dicing saw inevitably causes blade blurring during cutting, and the narrower the groove, the slower the cutting speed and the lack of mass productivity.
In addition, since the material to be cut is a difficult-to-cut material called quartz, the wear of the tool is severe, so that the diameter of the through hole is limited to about several hundred μm in order to form a through hole in quartz.
[0012]
In addition, it is possible to use a sandblasting method to cover and process other parts than the work piece with a mask, but the selection of a mask material that can withstand sandblasting and the so-called tapered shape in which the hole shape has a smaller outlet than the entrance. It becomes a problem and it is difficult to obtain a straight through hole.
[0013]
Even if a fine groove can be formed on the surface of the quartz substrate, it is necessary to provide an inlet for injecting the solution into the groove and an outlet for the solution in the cover plate. For this purpose, it depends on conventional machining. I must.
However, it is extremely difficult to provide fine inlets and outlets by machining as described above.
Moreover, the through-hole formed in the cover plate must reach | attain and contact the terminal end of the groove | channel which gave the groove process, and the position alignment is also difficult.
[0014]
In other words, there is a limit to engraving a groove whose shape is precisely controlled in a size area of several tens of μm by a conventional machining, and a flat cover plate is formed on the quartz substrate in which the groove is engraved. It is extremely difficult to precisely align the end of the microchannel formed on the substrate with a through hole of several tens of micrometers formed in the plate.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves such problems, for example, is suitable for the production of microchips, uses micromachine technology as a precision grooving method of quartz, eliminates the drilling of through holes with conventional machine tools, and machining and its extension Realizing the processing of a dimensional region of several tens of μm, which was difficult with technology, and forming minute through-holes or grooves rationally and with high precision, it is possible to rationally manufacture a cover plate or microchannel structure. An object of the present invention is to provide a microchannel structure and a manufacturing method thereof.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
[0017]
The invention of
[0018]
According to a third aspect of the present invention, at least two molding blocks that can be joined to each other are provided, and a molding groove that constitutes all or part of the through hole is formed on the joining surface of one or both of the molding blocks. After joining the blocks, the joined molded blocks are cut in a direction perpendicular to the through holes to form a plurality of the cover plate pieces having a predetermined thickness, which is difficult with conventional machining and its extension technology. A micro-channel suitable for ultra-trace analysis and a cover plate or micro-channel structure is realized by processing a dimensional region of several tens of μm and forming minute through holes or grooves rationally and with high precision. I try to make it reasonably.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, the joined molding block is cut to form a through-hole penetrating in the thickness direction of the cover plate, and the drilling of the through-hole by a conventional machine tool is eliminated. Through holes or grooves are formed reasonably and precisely, and a microchannel suitable for microanalysis and a cover plate or microchannel structure are rationally manufactured.
According to the invention of claim 5, the width dimension of the molding block along the molding groove is formed to be a multiple of the thickness of the cover plate, so that the cover plate can be rationally manufactured and mass-produced. To be able to plan.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The illustrated embodiment in which the present invention is applied to a microchip for microanalysis will be described below. In FIGS. 1 to 7,
[0021]
The
In the figure, 8 is a round groove-shaped liquid reservoir formed in the middle part of the groove 5, and 9 is a round groove-shaped liquid reservoir formed at the intersection of the grooves 5-7.
[0022]
The cover plate 3 is formed in the same shape and substantially the same thickness as the
In the embodiment, a composite of a molding block, which will be described later, is diced to the same thickness to obtain cover plate 3 or cover plate pieces 10-12.
[0023]
A single or a plurality of solution injection holes or discharge holes of the microchannel 4 at positions corresponding to the end portions of the grooves 5 to 7 on the end surfaces of the
In the embodiment, the through
[0024]
In this case, the through-
[0025]
By doing so, in the former case, the formation of the through
[0026]
The
The molding blocks 16 to 18 are integrally formed as shown in FIG. 5 by thermally joining their joining end faces during the manufacturing process of the cover plate 3. In the figure,
[0027]
Among these, the molding blocks 16 and 18 are arranged on both sides of the integrally molded molding block body, and the
[0028]
The
[0029]
The molding block body is cut by a dicing saw (not shown) in a direction orthogonal to the axial direction of the through
In the figure,
[0030]
The
First, in FIG. 7A, quartz is cut into a predetermined shape to form a
[0031]
The
[0032]
Next, in FIG. 7B, a
[0033]
In FIG. 7C, the
Therefore, SiO 2 The composition of the
[0034]
Next, in FIG. 2 A photoresist (hereinafter referred to as a resist) 29 is spin-coated on the
When pattern accuracy is required, the edge of the resist pattern can be sharpened by reducing the thickness of the resist 29 to about 5000 mm.
[0035]
In FIG. 7E, a groove pattern is formed on the resist 29 by ultraviolet exposure through a mask (not shown) having a pattern of the
The exposure is not limited to the aligner, and any means such as a stepper or electron beam exposure may be used.
[0036]
In FIG. 7F, the formed resist
Next, in FIG. 7G, the resist 29 and SiO 2 Using the
[0037]
When dry etching of the
If ICP (inductive recoupled plasma) etching is used for the dry etching, etching with high anisotropy can be performed at high speed.
[0038]
Next, in FIG. 7H, the SiO shown in FIG. 2 Using the
Even in this dry etching, since a highly perpendicular etching shape is required, dry etching at a low pressure is effective.
[0039]
As the etching gas, a fluorine-based gas is used, specifically, CF. Four , C 2 F 6 , C Three F 8 , CHF Three Or a hydrogen-based gas (CH Four , C 2 H Four , C 2 H 2 However, it may also be used.
Of course, if dry etching with high plasma density such as ICP etching is used, it is needless to say that anisotropic etching with high mask selectivity can be performed at high speed.
[0040]
7I, the polyimide
At this time, the
[0041]
That is, since the
In other words, the thickness of the polyimide
[0042]
In this way, the
[0043]
And the resist
Finally, the
[0044]
Further, in the manufacturing method according to the present invention, the planar shape pattern to be laid out is not limited to the groove pattern along the crystal orientation, such as using anisotropic etching of a silicon single crystal substrate. It is possible to arbitrarily design the planar shape pattern.
[0045]
FIG. 8 shows another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are used for components corresponding to the above-described embodiment.
That is, FIG. 8 shows another forming method of the forming
First, in FIG. 8A, a conductive
[0046]
Next, in FIG. 8B, a polyimide
At this time, the resist
[0047]
Further, in FIG. 8F, the resist
At this time, the resist 29 is also etched away.
Thereafter, in FIG. 8G, Ni plating 33 is formed on the conductive
[0048]
In FIG. 8 (h), SiO 2 The
Next, in FIG. 8I, the exposed
Thereafter, the Ni plating 33 and the conductive
[0049]
Thus, in the above embodiment, since the
[0050]
The method of forming the
[0051]
As described above, according to the present invention, when the cover plate 3 constituting the
[0052]
Further, since the manufactured cover plate 3 is constituted by joining a plurality of
[0053]
Moreover, when forming the fine through
[0054]
【The invention's effect】
As described above, the invention of
[0055]
The invention of
[0056]
According to a third aspect of the present invention, at least two molding blocks that can be joined to each other are provided, and a molding groove that constitutes all or part of the through hole is formed on the joining surface of one or both of the molding blocks. After the blocks are joined, the joined molded blocks are cut in the direction perpendicular to the through holes to form a plurality of the cover plate pieces having a predetermined thickness, which is difficult with conventional machining and its extension technology. The micro-channel and cover plate or micro-channel structure suitable for microanalysis can be realized by processing a dimensional region of several tens of μm, which can be formed in a reasonable and highly precise manner. Can be reasonably manufactured.
[0057]
The invention of claim 4 cuts the joined molding block to form a through-hole penetrating in the thickness direction of the cover plate, and eliminates drilling of the through-hole by a conventional machine tool. A minute through hole or groove can be formed reasonably and precisely, and a microchannel suitable for microanalysis and a cover plate or microchannel structure can be reasonably manufactured.
In the invention of claim 5, since the width dimension along the forming groove of the forming block is formed to be a plurality of times the thickness of the cover plate, the cover plate is rationally manufactured and mass-produced. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a microchannel structure showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a microchannel structure to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a front view showing a method of forming through holes provided in a cover plate constituting a microchannel structure to which the present invention is applied, and FIG. 3 (a) is one cover plate piece. A full cross section of the through hole is opened at the joint end face of FIG. 2, and FIG. 5B shows a partial cross section of the through hole at the joint end face of both adjacent cover plate teeth.
FIG. 4 is a perspective view showing an intermediate state of a manufacturing process of a cover plate constituting a microchannel structure to which the present invention is applied, and disassembling a state before joining of respective molding blocks.
FIG. 5 is a perspective view showing an intermediate state of a manufacturing process of a cover plate constituting a microchannel structure to which the present invention is applied, and showing a state before dicing after joining of the respective molding blocks.
FIG. 6 is a perspective view showing a final state of a manufacturing process of a cover plate constituting a microchannel structure to which the present invention is applied, and showing a dicing state of joined molding blocks.
FIG. 7 is a cross-sectional view sequentially showing the manufacturing process of the microchannel and cover plate to which the present invention is applied from FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention, and shows the manufacturing process of the microchannel and cover plate in order from FIG.
[Explanation of symbols]
1 Microchannel structure
2 Substrate
3 Cover plate
4 Microchannel
10, 11, 12 Cover plate teeth
13, 14, 15 through-hole
16, 17, 18 Molding block
21,22,23 forming groove
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