JP5717237B2

JP5717237B2 - マイクロ部品及びその製造方法

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Publication number: JP5717237B2
Application number: JP2010128238A
Authority: JP
Inventors: 正博城木
Original assignee: Richell Corp
Current assignee: Richell Corp
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: JP2011251392A

Description

本発明は、微細構造からなる流路を有する合成樹脂製のマイクロ部品及びその製造方法に関する。

近年、医療、生化学、分析化学等の分野にあっては、微少な量で反応、分析あるいは測定できるように微細な流路パターンを基体側に形成し、カバー部材あるいは他の基体を接合（密着及び接着を含む）したマイクロリアクターと称されるマイクロ部品が使用されている。
また、燃料電池用セル等の電気化学等の分野においても微細なセルや流路を形成することが検討されている。
この種のマイクロ部品にあっては、反応液や分析液の流れが安定していることが重要であることから、流路の断面形状の高い寸法精度が要求されている。
そこで例えば特許文献１に、合成樹脂製の基体プレートのパターン凹溝の両側に沿って突条を一体成形し、カバー体を接合する際に流路の熱変形が生じるのを防止する技術を開示し、特許文献２に対向する基板の接合面に基板を溶解しない揮発性液体を介在させることで流路の内径変化、形状変化を防止する技術を開示する。
しかし、これらはいずれも基体とカバー等との接合時における流路の断面変形を防止することが目的であり、流路の長手方向に対する溝深さを均一にすることや、基体に形成する流路断面形状そのものの精度向上を図るものではない。

マイクロ部品はこれまでに金属製、セラミックス製、ガラス製、シリコン製、樹脂製等の各種材料のものが提案されている。
その中でもシリコン製のものはエッチング加工により精度が高い微細構造が得られるものの大変高価となる。
そこで、シリコン製のスタンパを用いて、合成樹脂を転写成形した樹脂製のマイクロ部品が量産性に優れ安価である。
しかし、シリコン素材を用いたシリコンスタンパにおいても微細加工の精度に限界があり、また、転写成形に用いる樹脂材料の転写性によっても微細構造断面寸法にバラツキが生じる。
特に流路の長手方向に沿った溝の深さのバラツキは、シリコンスタンパのエッチング加工時に生じやすく、さらなる精度向上が要求されていた。

特開２００６−１４２１９８号公報特開２００５−１８６０３３号公報

微細構造からなる流路を有する合成樹脂製のマイクロ部品であって、微細構造からなる流路の断面精度及び流路の長手方向に対して平面均一度に優れたマイクロ部品の提供を目的とする。

本発明に係るマイクロ部品は、合成樹脂製で、溝幅：０．３μｍ〜２，０００μｍ、溝深さ０．３μｍ〜２００μｍの微細構造からなる流路を有し、当該流路の長手方向に対して均一の溝深さをねらいとした流路長さが５ｍｍ以上あり、当該５ｍｍ以上の流路長さの部分において、長手方向に対して溝深さのバラツキが±２％以内であることを特徴とする。
ここで、溝深さが１００μｍ以上の場合には、溝深さのバラツキを±２μｍ以内に抑えるのが好ましい。
このようなマイクロ部品は、表面に微細構造からなる突条を形成したＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ製のスタンパを用いて、合成樹脂を注入又は射出成形し、前記微細構造からなる突条が転写成形された成形品を用いて製造することができる。

ここでＳＯＩウエハとは、ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ構造を有するウエハをいい、シリコン層の内部に絶縁膜を内包させたものである。
ＳＯＩウエハの製造方法にはシリコンウエハ同士を絶縁膜を介して貼り合せ、一方のシリコン層の厚みを薄膜化する方法。
シリコンウエハの表面に絶縁膜を形成し、その上にシリコン薄膜を成長させる方法。
シリコンウエハの内部に高濃度の酸素イオンを注入し、アニール処理によりシリコンウエハ中に二酸化ケイ素の絶縁薄膜層を形成する方法（ＳＩＭＯＸ法：ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＯＸｙｇｅｎ）。
シリコンウエハに水素又は希ガスイオンを注入して注入層を形成し、注入層を接合面として酸化膜を介してシリコンウエハを貼り合せ、その後にイオン注入層で剥離する方法等が挙げられる。

このようなＳＯＩウエハを用いてスタンパを製造すると、ＳＯＩウエハの表面に微細構造パターンを描き、ドライエッチング処理にて微細構造パターン部分を突条からなる形状に製作する際に、ＳＯＩウエハの上部シリコンはエッチングにより除去されるが、表面に絶縁膜が露出した時点でエッチングの進行が止まる作用が生じる。
これに対して従来のバルクシリコンウエハにおいては電磁波照射条件等のエッチング条件をウエハ全面にわたって均一に制御することは難しく、また製造ロット毎にエッチング条件が変化し、エッチング深さを均一にすることは困難である。

よって、本発明にあっては、製造しようとするマイクロ部品の微細構造からなる流路の溝深さに相当する厚さにＳＯＩウエハの上層シリコン層の厚みを決定するのが好ましい。
ＳＯＩウエハにてスタンパを製作する際に微細構造からなる突条の最も高い凸部の高さを上層のシリコンの厚みに合せると、それ以上エッチングされないので高さが安定する。
このような観点から本発明に係るマイクロ部品は、絶縁体上にシリコン層を形成したＳＯＩ構造を有し、シリコン層の厚みが２００μｍ以下であって、その厚みバラツキを±２％又は±２μｍ以内に抑えたＳＯＩウエハを用いて微細構造からなる突条のスタンパを製作し、前記スタンパを型のキャビティ面に配置し、型のキャビティ内に合成樹脂を注入又は射出成形するのがよい。

本発明において、前記微細構造は、溝幅：０．３μｍ〜２，０００μｍ、溝深さ０．３μｍ〜２００μｍであって、溝長さが５ｍｍ以上の均一な溝深さを有する流路を含むものであれば、流路が直線状である必要は必ずしも無く、溝幅の異なる部分や、溝深さに段差があっても良い。

また、前記合成樹脂は、ポリプロピレン系樹脂と、一般式Ｘ−Ｙで表記されるブロックコポリマーの水素添加誘導体を含有する（但し、Ｘ：ポロプロピレン系樹脂に相溶しないポリマーブロック、Ｙ：共役ジェンのエラストマー性ポリマーブロックである。）ものであるのが転写性に優れるのでより好ましい。
ここで、ポリプロピレン系樹脂としては、ホモポリマー又は、エチレン、ブテンー１、ヘキセン−１などのα―オレフィンを含むランダムコポリマーを用いることができる。
また、ポリマーブロックＸとして、ビニル芳香族モノマー（例えばスチレン）、エチレン又はメタクリレート（例えばメチルメタクリレート）等の重合したポリマーがある。
なお、一般式Ｘ−Ｙで表記されるブロックコポリマーの水素添加誘導体には、（Ｘ−Ｙ）ｎにおいてｎ＝１〜５の範囲にあるものや、Ｘ−Ｙ−Ｘ、Ｙ−Ｘ−Ｙ等が含まれる。
水素添加誘導体のポリマーブロックＸとしては、ポリスチレン系とポリオレフィン系のものがあり、ポリスチレン系のものは、スチレン、α−メチルスチレン、ο−メチルスチレン、ｍ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンのうちから選択された１種又は２種以上のビニル芳香族化合物をモノマー単位として構成されるポリマーブロックが上げられる。
また、ポリオレフィン系のものは、エチレンと炭素数３〜１０のα−オレフィンの共重合体がある。
更に非共役ジエンが共役重合されていても良い。
前記オレフィンとしては、プロピレン、１−ブテン、３−メチル−１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン、１−ペンテン、１−オクテン、１−デセン等である。
前記非共役ジエンとしては、例えば、１，４−ヘキサジエン、５−メチル−１，５−ヘキサジエン、１，４−オクタジエン、シクロヘキサジエン、シクロオクタジエン、シクロペンタジエン、５−エチリデン−２−ノルボネル、５−ブチリデン−２−ノルボネル、２−イソプロペニル−５−ネルボルネン等がある。
共重合体の具体例としては、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−１−ブテン共重合体、エチレン−１−オクテン共重合体、エチレン−プロピレン−１，４−ヘキサジエン共重合体、エチレン−プロピレン−５−エチリデン−２−ノルボルネン共重合体等が挙げられる。

ポリマーブロックＹの水素添加前のものとして、２−ブテン−１，４−ジイル基及びビニルエチレン基からなる群から選択される少なくとも１種の基をモノマー単位として構成されるポリブタジエンや、また２−メチル−２−ブテン−１，４−ジイル基、イソプロペニルエチレン基及び１−メチル−１−ビニルエチレン基からなる群から選択される少なくとも１種の基をモノマー単位として構成されるポリイソプレンが挙げられる。
更に水素添加前のポリマーブロックＹとして、イソプレン単位及びブタジエン単位を主体とするモノマー単位からなるイソプレン／ブタジエン共重合体で、イソプレン単位が２−メチルー２−ブテン−１，４−ジイル基、イソプロペニルエチレン基及び１−メチル−１−ビニルエチレン基からなる群から選ばれるすくなくとも１種の基であり、ブタジエン単位が２−ブテン−１，４−ジイル基及び／又はビニルエチレン基であるものが挙げられる。
ブタジエン単位とイソプレン単位の配置は、ランダム状、ブロック状、テーパブロック状のいずれの形態になっても良い。

また、ポリマーブロックＹの水素添加前のものとして、ビニル芳香族化合物単位及びブタジエン単位を主体とするモノマー単位からなるビニル芳香族化合物／ブタジエン共重合体で、ビニル芳香族化合物単位が、スチレン、α−メチルスチレン、ｏ−メチルスチレン、ｍ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンのうちから選択された１種のモノマー単位であり、ブタジエン単位が、２−ブテン１，４−ジイル基及び／又はビニルエチレン基である共重合体が挙げられる。
ビニル芳香族化合物単位とブタジエン単位の配置は、ランダム状、ブロック状上、テーパブロック状のいずれの形態になっても良い。
上記のようなポリマーブロックＹにおける水素添加の状態は、部分水素添加であっても、また完全水素添加であっても良い。

ここで、水素添加誘導体のポリマーブロックＸがポリスチレンであり、ポリマーブロックＹの水素添加前のものが１，２結合、３，４結合及び／又は１，４結合のポリイソプレンであると原材料を入手しやすい。
スチレン成分はポリプロピレン系樹脂等との相溶性が低いので、その割合が高くなるとポリプロピレンとの混合に時間を要するので、スチレン成分の多い水素添加誘導体を用いるときはマスターバッチ化し、予め十分に混合しておくのが良い。

水素添加誘導体のポリマーブロックＸがポリスチレンであり、ポリマーブロックＹの水素添加前のものが１，２結合及び／又は１，４結合のポリブタジエンである場合も原材料が入手しやすい。

このようにして得られたマイクロ部品は、微細構造からなる流路の断面精度が高く、且つ、流路の長手方向にわたって溝深さのバラツキが小さく、この流路の長手方向の平面均一度が高いことから医療用マイクロ部品、生化学用マイクロ部品、分析化学用マイクロ部品、電気化学用マイクロ部品等の多くの分野にて使用できる。
また、ＳＯＩウエハ製スタンパを用いて転写成形された成形品の表面には微細な凹部又は凹部溝部が形成されることから、そのまま表面開口流路を有するマイクロ部品として使用することもでき、また、上記成形品を基体としてその表面にカバー部材や、他の基体を接合することで溝部の少なくとも一部の表面が閉じた閉流路となる。
さらには、複数の基体を接合することで三次元流路を形成することも可能である。

本発明に係るマイクロ部品は、ＳＯＩウエハ製スタンパを用いて成形されているとともに転写性に優れた合成樹脂を素材として採用することで、微細構造からなる流路における断面形状の精度が高く、また、溝部の深さが長手方向に沿って均一な平面均一度の高い樹脂製のマイクロ部品が得られる。

微細構造の評価に用いた流路パターンを示す。本発明の実施例としてＳＯＩウエハを用いて製作したスタンパの加工精度測定結果を示す。比較例としてバルクシリコンウエハを用いて製作したスタンパの加工精度測定結果を示す。ホモポリマーからなるポリプロピレン系樹脂ＭＡ０４Ａの物性表を示す。ランダムコポリマーからなるポリプロピレン系樹脂ＷＭＧ０３の物性表を示す。水素添加誘導体７３１１Ｓの物性表を示す。

スタンパに形成する微細構造からなる突条の精度をＳＯＩウエハ（実施例）とバルクシリコンウエハ（比較例）とで比較評価したので、以下、説明する。
図１は評価に用いた流路パターンを示し、全長Ｌ_Ｔ＝約５０ｍｍ、突条形状の凸部幅２０μｍの略Ｌ字形状を用いた。
ＳＯＩウエハ及びバルクシリコンウエハの表面にフォトリソグラフィによりパターンを作成し、異方性のあるドライエッチング加工を施した。
なお、ＳＯＩウエハを用いた実施例においては、突条の凸部の高さを１２０μｍとするために最上層のシリコン層の厚みを１２０μｍねらいに製作したＳＯＩウエハを用いた。
このようにシリコン層の厚みはスタンパにおける突条形状の最大凸部の高さに合せるのがよい。
製作したスタンパの微細構造の高さ測定位置は図１においてａ：Ｌ_１＝約２０ｍｍ，ｂ：Ｌ_２＝約４０ｍｍ，ｃ：Ｌ_３＝約１０ｍｍの３点とした。
ｎ＝１１枚の各ロットサンプルの測定結果を図２の表に示す。

比較例として、バルクシリコンウエハを用いてねらい高さ１２０μｍのものの測定結果を図３（ａ）に、ねらい高さ６０μｍ，１５０μｍのものの測定結果を図３（ｂ）にそれぞれ示す。

実施例と比較例の測定結果で凸部の高さねらいが同じ１２０μｍの測定結果を比較する。
実施例では、１枚のスタンパにおける測定部位のａ，ｂ，ｃのうち、最大値（ＭＡＸ）−最小値（ＭＩＮ）の差はｎ−１〜ｎ−６のものにおいて０．０３６６μｍ〜０．１０５８μｍであり、全体の平均値は０．０５１４μｍと比較例図３（ａ）の平均値９．３１５４μｍよりも２ケタ以上加工精度が高い。
また、各測定部位におけるロット間のバラツキにおいても実施例は１１ロットの最大差がａ＝０．５８６５μｍ，ｂ＝０．６２０３μｍ，ｃ＝０．５３４８μｍと非常にバラツキが小さいのに対して、比較例は５ロットの最大差がａ＝５．１９２０μｍ，ｂ＝５．４０１３μｍ，ｃ＝５．７８１５μｍと１ケタ以上バラツキが大きい。
なお、参考に凸部のねらい高さが異なる比較例のデータを図３（ｂ）に示した。

以上の測定結果から、ＳＯＩウエハを用いて製作したスタンパはパターンの長手方向に沿って凸部の高さが均一であり、スタンパとしての流路の長手方向の平面均一度が高いだけでなく、ロット間の差も小さいことが分かる。

実施例のスタンパを金型キャビティ内に配置し、次に示す合成樹脂を用いて射出成形した。
ポリプロピレン系樹脂としては、ホモポリマーの例として、ノバテックＰＰＭＡ０４Ａ（日本ポリプロ株式会社）あるいはランダムコポリマーの例として、ＷＩＮＴＥＣＷＭＧ０３（日本ポリプロ株式会社製）を用い、水素添加誘導体の例として、ハイブラー７３１１Ｓ（株式会社クラレ：水添ポリスチレン・ビニルーポリイソプレン・ポリスチレンブロック共重合体で、スチレン含有率１２重量％）を５０％配合した。
その結果、スタンパの突条形状からなる微細構造を概ねそのまま精度高く転写した凹溝からなるマイクロ部品が得られた。
なお、ポリプロピレン系樹脂であるノバテックＰＰＭＡ０４Ａの物性表を図４に、ＷＩＮＴＥＣＷＭＧ０３の物性表を図５に示し、水素添加誘導体であるハイブラー７３１１Ｓの物性表を図６に示す。
ノバテックＰＰＭＡ０４Ａは酸化防止剤の含有量が１質量％以下で、当該酸化防止剤の分散剤の含有量が０．５質量％以下であり、その他の添加剤が含まれていないことから生体適合性に優れ、医療用や生化学用のマイクロ部品に用いるのに適している。
また、ＷＩＮＴＥＣＷＭＧ０３は略Ｌ字形状の流路等を形成する場合に、コーナー部の形状の転写性に優れている。

Claims

表面に微細構造からなる突条を形成したＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ製のスタンパを用いて、前記スタンパを型のキャビティ面に配置し、
型のキャビティ内に樹脂組成物を注入又は射出成形することで前記微細構造を転写成形した製造方法であって、得られた成形品は、溝幅０．３μｍ〜２，０００μｍ、溝深さ０．３μｍ〜２００μｍの微細構造からなる流路を有し、当該流路の長手方向に対して均一の溝深さをねらいとした流路長さが５ｍｍ以上あり、当該５ｍｍ以上の流路長さの部分において、溝深さのバラツキが±２％以内であるか又は溝幅０．３μｍ〜２，０００μｍ、溝深さ０．３μｍ〜２００μｍの微細構造からなる流路を有し、当該流路の長手方向に対して均一の溝深さをねらいとした流路長さが５ｍｍ以上あり、当該５ｍｍ以上の流路長さの部分において、溝深さのバラツキが±２μｍ以内であることを特徴とするマイクロ部品の製造方法。
前記ＳＯＩウエハ製スタンパは、絶縁体上にシリコン層を形成したＳＯＩ構造を有し、シリコン層の厚みが２００μｍ以下であって、その厚みバラツキを±２％又は±２μｍ以内に抑えたＳＯＩウエハを用いて突条の微細構造を形成したものであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ部品の製造方法。
前記樹脂組成物はポリプロピレン系樹脂と、一般式Ｘ−Ｙで表記されるブロックコポリマーの水素添加誘導体を含有する（但し、Ｘ：ポリピロピレン系樹脂に相溶しないポリマーブロック、Ｙ：共役ジエンのエラストマー性ポリマーブロックである。）ものであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ部品の製造方法。