JP6531749B2 - 基板の貼り合わせ方法、並びに、マイクロチップおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、２枚の基板の貼り合わせ方法、並びに、マイクロチップおよびその製造方法に関するものである。
生化学分野において、マイクロリアクタを用いて微量の試薬の分離、合成、抽出または分析などを行う手法が注目されている。このマイクロリアクタは、例えばシリコン、シリコーン樹脂またはガラスなどよりなる小さな基板上に、半導体微細加工技術によってマイクロスケールの分析用チャネルなどが形成されたマイクロチップよりなるものである。
このようなマイクロリアクタを用いた反応分析システムは、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（以下、「μＴＡＳ」という。）と称されている。このμＴＡＳによれば、試薬の体積に対する表面積の比が大きくなることなどから高速かつ高精度の反応分析を行うことが可能となり、また、コンパクトで自動化されたシステムを実現することが可能となる。
マイクロチップにおいては、マイクロチャンネルと称される流路に、試薬が配置された反応領域など、各種機能を有する機能領域を設けることにより、様々な用途に適したマイクロチップを構成することができる。マイクロチップの用途としては、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学の分野における分析、あるいは、化合物の合成、環境計測などが挙げられる。
このようなマイクロチップは、典型的には一対のマイクロチップ基板が対向して接合されてなり、その少なくとも一方のマイクロチップ基板の表面に、例えば幅１０〜数１００μｍ、深さ１０〜数１００μｍ程度の微細な流路が形成されている。マイクロチップ基板としては、製造が容易であり、光学的な検出も可能であることから、主にガラス基板が用いられている。また、最近では、軽量でありながらガラス基板に比べて破損しにくく、かつ、安価な合成樹脂基板を用いたマイクロチップの開発が進められている。
マイクロチップの製造において、２枚のマイクロチップ基板を接合する方法としては、接着剤によって接着する方法や熱融着による方法などが考えられる。
しかしながら、これらの方法には、以下のような問題がある。すなわち、接着剤によって接合する方法においては、接着剤が微小流路に染みだして流路が閉塞してしまったり、微小流路の一部が狭くなって流路の径が不均一なものとなったり、さらに、流路の壁面における均質な特性に乱れが生じたりする、という問題が生じるおそれがある。また、熱融着によって接合する方法においては、加熱溶融温度以上で融着すると加熱段階で流路が潰れてしまったり、流路が所定の断面形状に保持されなかったりするため、マイクロチップの高機能化が困難となる、という問題がある。
そこで、２枚の基板における接合面の各々に真空紫外線を照射することや大気圧またはその近傍下においてプロセスガスをプラズマ化し、このプラズマ化したプロセスガスを基板の表面に接触させることにより、当該各基板の接合面を活性化させ、２枚の基板をそれぞれの接合面同士が接触するように積重して接合する方法が提案されている（例えば特許文献１〜特許文献５参照）。
また、２枚の基板の間に結合膜を介在させ、当該結合膜に紫外線を照射することにより当該結合膜に接着性を発現させ、これにより、２枚の基板を接合する方法も提案されている（例えば特許文献６参照）。
特許第３７１４３３８号公報 特開２００６−１８７７３０号公報 特開２００８−１９３４８号公報 国際公開第２００８／０８７８００Ａ１号 特許第５１５２３６１号公報 特開２００９−１９７１６９号公報
近年、複数の検体の同時測定や、測定法が相違する多数の測定といった、多彩な測定に対応することができるマイクロチップが検討されている。
このようなマイクロチップの実現には、１枚のマイクロチップに複数の測定検出部を組み込むことや、測定検出部に複数の測定法に対応した多様な測定構造を構築することなどが必要とされる。従って、必然的に１枚のマイクロチップは大型化することになる。
大型のマイクロチップは、例えば、縦横が８５ｍｍ×１２８ｍｍ程度とされ、このマイクロチップを構成する２枚のマイクロチップ基板の厚みは、各々、例えば、数ｍｍ以上となる。
しかしながら、大型化したマイクロチップにおいては、以下のような問題が発生する。
上述したように、マイクロチップは典型的には一対（２枚）のマイクロチップ基板が対向して接合された構造を有する。そして、大型のマイクロチップにおいては、当然ながら、一対のマイクロチップ基板自体も大きくなる。これに伴い、それぞれのマイクロチップ基板が不可避的に有する接合面のうねりやマイクロチップ基板自体の反りなどが、一対のマイクロチップ基板同士の接合状態に与える影響も大きくなる。
すなわち、マイクロチップ基板の接合面のうねりやマイクロチップ基板自体の反りによって、一対のマイクロチップ基板同士を積重する際、接合面の全面が密着しない場合も生じる。
図１０は、従来のマイクロチップの作製方法の一例を概略的に示す説明図である。
図１０においては、貫通孔からなる注入ポート６２、試薬などを排出するための貫通孔からなる排出ポート６３、並びに、注入ポート６２の貫通孔および排出ポート６３の貫通孔を連通する樋状の流路形成部分６４が形成された第１のマイクロチップ基板５１と、略平板状の第２のマイクロチップ基板５５とを接合して、マイクロチップを作製する方法を具体的に説明する。
まず、第１のマイクロチップ基板５１の接合面５１ａおよび第２のマイクロチップ基板５５の接合面５５ａの各々に、紫外線光源５９から放射される真空紫外線Ｌを照射する（図１０（ａ−１）および（ａ−２））。ここで、第１のマイクロチップ基板５１の接合面５１ａにはうねり（図１０において点線で囲った部分）が生じているものとする。
次に、第１のマイクロチップ基板５１の接合面５１ａおよび第２のマイクロチップ基板５５接合面５５ａが接触するよう、第１のマイクロチップ基板５１および第２のマイクロチップ基板５５を積重する。得られた積重体５０において、第１のマイクロチップ基板５１の接合面５１ａに係るうねりを有する部分には、わずかながら空間Ｓが形成されている（図１０（ｂ））。
さらに、この積重体５０を加圧および加熱する（図１０（ｃ））。このように加圧および加熱することにより、接合体５７が得られる。
接合面のうねりは、例えば以下のように生じると考えられる。例えばマイクロチップ基板が樹脂基板である場合は、当該基板自体を射出成形によって作製することが多い。射出成形においては、昇温して流動性を付与された樹脂を型に流し込み冷却固化が行われるが、一般的に樹脂は冷却されると体積が収縮するため、成形品にヒケと呼ばれる凹みが生じることがある。また、昇温された樹脂は流動性が高められてはいるが、型が複雑な形状のものである場合には、回り込んだ樹脂同士がわずかに冷却された後に再会合する部分においてウェルドラインと呼ばれる筋状の模様が形成されてしまうこともある。これらによって、接合面に、局所的な凹凸、それも面粗さと言われるような微細な凹凸ではなく、うねりと呼ばれる大きな凹凸が生じる。
一般的に、樹脂材料による射出成形においては、成形品に５０〜１００μｍ程度の凹みは十分に生じうる。一方、マイクロチップ基板５１に形成される微小流路（マイクロ流路）の接合方向における高さ（図１０において流路形成部分６４の上下方向の長さ）は、例えば５０〜２００μｍ程度であり、この高さが大きく変化してしまうと当該マイクロ流路に流通させる検体の流速や反応速度が、所期の設計値からずれてしまうために好ましくない。一般には、所期の設計値からの誤差は±１０％以内であることが求められる。
図１０のマイクロチップの作製方法において得られた接合体５７においては、空間Ｓを消失させることを目的として、図１０（ｃ）に示される押圧工程において、例えば２００μｍの高さを有する流路形成部分６４が形成された接合面５１ａを、当該接合面５１ａに不可避的に形成された５０μｍの凹みを矯正するように押圧すると、その時点で既に接合方向における高さは２５％も変位されることになってしまう。
一方、流路形成部分６４の変形を小さく抑制するため押圧力を小さくすると、図１０（ｄ）に示されるように、上記の空間Ｓが消失されずに接合の不良個所として残留してしまう。押圧工程において加熱することによって接合界面のなじみは若干良好になるが、加熱によるマイクロ流路の変形を引き起こすおそれがある。
従って、マイクロチップ基板において、上記のレベルの凹みが形成されている場合、空間Ｓを消失させつつ、マイクロ流路の変形を抑えることは容易ではない。
このように、マイクロチップ基板に限らず、接合する基板が大きいほど、基板の貼り合わせ面のうねりや基板自体の反りにより、基板同士の接合の不良個所が生じることや、基板に形成された微小流路が変形すること、並びに、２枚の基板の接合境界に気泡などが挟まることなどの問題が発生しやすい。
また、基板の貼り合わせ面のうねりや基板自体の反りがある状態において２枚の基板を貼り合わせた場合、上記したうねりや反りに起因して接合体の一部に応力集中が生じ、場合によっては当初は接合していた基板の少なくとも一部の領域が、この応力集中により、剥がれてしまうといった問題も生じ得る。
また、接合体において接合境界に気泡が存在する場合は、これが光学的測定を行う際のノイズの原因となってしまうことがある。
以上のような問題点のために、比較的大きなサイズのマイクロチップを製造することが難しいのが現状である。このため、１枚のマイクロチップに複数の測定検出部を組み込むことや、測定検出部に複数の測定法に対応した多様な測定構造を構築することは困難であった。
なお、マイクロチップ基板の厚みが例えば１０μｍ程度などと薄い場合は、当該マイクロチップ基板の可撓性が高くなるために２枚のマイクロチップ基板の接合境界の密着性を向上させることができるが、大型のマイクロチップを作製する場合には個々のマイクロチップ基板の厚みは数ｍｍ以上となるために、このような手法を選択することは難しい。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する２枚の基板を、高い密着状態で接合することのできる基板の貼り合わせ方法、並びに、マイクロチップの製造方法およびマイクロチップを提供することにある。
本発明の基板の貼り合わせ方法は、それぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板を接合する方法であって、
第１の基板の接合面および第２の基板の接合面の各々を活性化する表面活性化工程と、
当該第１の基板と当該第２の基板とをそれぞれの接合面が接触するように積重した状態で押圧する押圧工程とを有し、
前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の接合面が、区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなることを特徴とする。
本発明の基板の貼り合わせ方法においては、前記区分用凹所を有する基板の厚みをｔ、前記区分用凹所の接合面からの深さの上限値をｄ、区分用凹所の接合面からの深さｄの下限値をｄmin としたとき、ｄmin は５０μｍよりも大きい値であり、かつ、下記式（１）を満たすことが好ましい。
式（１）：０．７ｔ≧ｄ≧ｄmin ＞０．０５ｔ
また、前記区分用凹所が溝からなる場合には、当該溝の幅をｗとしたとき、下記式（２）を満たすことが好ましい。
式（２）：ｗ≧ｔ
本発明の基板の貼り合わせ方法においては、前記表面活性化工程は、前記第１の基板の接合面および前記第２の基板の接合面の各々に真空紫外線を照射する紫外線照射処理工程であることが好ましい。
本発明の基板の貼り合わせ方法においては、前記表面活性化工程は、大気圧プラズマによってプラズマ化したプロセスガスを、前記第１の基板の接合面および前記第２の基板の接合面の各々に接触させるプラズマガス処理工程であることが好ましい。
本発明のマイクロチップの製造方法は、それぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板において、当該第１の基板および当該第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられており、
上記の基板の貼り合わせ方法によって前記第１の基板および前記第２の基板を接合することによって、内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップを得ることを特徴とする。
本発明のマイクロチップは、内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップであって、
接着剤を介在させずに直接互いに貼り合わせられたそれぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板よりなり、当該第１の基板および当該第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられており、
当該第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の接合面が、区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなることを特徴とする。
本発明の基板の貼り合わせ方法によれば、第１の基板および／または第２の基板の接合面が区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなる。個々の接合領域の面積は基板全面が１つの接合面とされた場合と比較して小さいので、基板の反りや接合面のうねりなどの影響を小さく抑制することができ、従って、押圧工程において押圧されたときに、各接合領域のそれぞれにおいてその全面を確実に密着させることができる。その結果、接合体の接合境界の全面を確実に密着させることができ、従って、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する第１の基板および第２の基板を、高い密着状態で接合することができる。
また、本発明のマイクロチップの製造方法によれば、上記の基板の貼り合わせ方法によって第１の基板および第２の基板が接合されるので、得られるマイクロチップの接合境界の全面を確実に密着させることができる。従って、例えば大面積のマイクロチップ基板などの、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する第１の基板および第２の基板を高い密着状態で接合することができ、その結果、大型のマイクロチップであっても所期の流路を高い信頼性で形成することができる。
本発明の基板の貼り合わせ方法の一例を概略的に示す説明図である。 第１の基板および第２の基板の一例を示す斜視図である。 第１の基板における区分用凹所を拡大して示す断面図である。 第１の基板の別の例を示す斜視図である。 実施例１に係る第１の基板を示す平面図である。 実施例２に係る第１の基板を示す平面図である。 実施例３に係る第１の基板を示す平面図である。 実施例４に係る第１の基板を示す平面図である。 比較例１に係る第１の基板を示す平面図である。 従来のマイクロチップの作製方法の一例を概略的に示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
〔基板の貼り合わせ方法〕
図１は、本発明の基板の貼り合わせ方法の一例を概略的に示す説明図である。図２は、第１の基板および第２の基板の一例を示す斜視図である。図３は、第１の基板における区分用凹所を拡大して示す断面図である。
本発明の基板の貼り合わせ方法は、第１の基板１１の接合面１２および第２の基板１５の接合面１６の各々を活性化する表面活性化工程（図１（ａ−１）および（ａ−２））と、当該第１の基板１１と当該第２の基板１５とをそれぞれの接合面１２，１６が接触するように積重して積重体１０を得る積重工程（図１（ｂ））と、積重体１０を押圧する押圧工程（図１（ｃ））とを有する。
〔基板〕
本発明に適用される第１の基板１１および第２の基板１５は、それぞれ、ガラスおよび合成樹脂よりなる群から選ばれる材料からなるものである。
基板１１，１５を構成する合成樹脂としては、シリコーン樹脂、シクロオレフィン樹脂（シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）やシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）など）、アクリル樹脂などを用いることができる。例えば基板１１，１５がマイクロチップ基板である場合、光透過性に優れる材料を用いることが好ましく、光透過性に優れる樹脂としては、例えば、アクリル樹脂またはシクロオレフィン樹脂を用いることができる。
基板１１，１５を構成するガラスとしては、石英ガラス、アルカリガラス、硼珪酸ガラスなどを用いることができる。
そして、本発明においては、第１の基板１１の接合面１２および／または第２の基板１５の接合面１６が、溝よりなる区分用凹所（以下、「区分用溝」ともいう。）１８によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなる。
第１の基板１１の接合面１２および第２の基板１５の接合面１６には、機能領域が含有されている。機能領域とは、例えば、マイクロチャンネルと称される流路などを構成する構造凹部２０（図２参照）が形成される領域、または、対となる基板に形成された構造凹部２０を密閉するための領域をいう。
以下においては、第１の基板１１および第２の基板１５をマイクロチップ基板とし、第１の基板１１の接合面１２のみが区分用溝１８によって区画された接合領域１２ａよりなり、当該接合面１２を構成する接合領域１２ａに構造凹部２０が形成されたものとする。また、第２の基板１５の接合面１６は、１つの連続した平面とする。
第１の基板１１の接合面１２を構成する各接合領域１２ａは、略同一の平面に位置されるものであることが好ましい。
第１の基板１１の接合領域１２ａに形成された構造凹部２０は、具体的には、例えば図１に示す試薬などを注入するための貫通孔からなる注入ポート２２と、試薬などを排出するための貫通孔からなる排出ポート２３と、注入ポート２２の貫通孔および排出ポート２３の貫通孔を連通する、例えば断面形状が矩形や半円形の樋状の流路形成部分２４とを有する。これらの注入ポート２２、排出ポート２３および流路形成部分２４などの必要な構造凹部２０は、例えば機械加工やモールド転写などの公知技術によって形成することができる。
第２の基板１５には構造凹部が形成されていないが、例えばその接合面１６に、第１の基板１１の構造凹部２０に対応する構造凹部が形成されていてもよい。
構造凹部２０および区分用溝１８は、例えば平板状の基板を射出成形することなどによって形成することができる。
図１および図２の例における第１の基板１１は、測定回路部となる構造凹部２０が４組形成されたものであるが、構造凹部の数はこれに限定されるものではなく、１枚の第１の基板（マイクロチップ基板）に多数の測定回路部となる多数の構造凹部が形成されたものを用いることにより、多数の機能を奏することができる大型のマイクロチップを製造することができる。
接合面１２を接合領域１２ａに区画する区分用溝１８は、その肉厚が接合領域１２ａよりも小さく、２枚の基板１１，１５の接合時に互いに接触しない非接触部分とされ、例えば断面形状が矩形や半円形状、くさび形の樋状のものや、これを組み合わせた形状のものとすることができる。
例えば、図１および図２の例における区分用溝１８は、第１の基板１１の縦方向および横方向にそれぞれ伸びる２本の樋状の溝が十字状に交差した形状を有する。この例において、接合面１２は、それぞれ平面視したときに矩形の接合領域１２ａが４個、縦横に並んで配置されたものとされる。
本発明の基板の貼り合わせ方法においては、区分用溝１８を有する第１の基板１１の厚みをｔ、区分用溝１８の接合面１２からの深さの上限値をｄ、区分用溝１８の接合面１２からの深さｄの下限値をｄmin としたとき、ｄmin は５０μｍよりも大きい値であり、かつ、下記式（１）を満たすことが好ましい。
式（１）：０．７ｔ≧ｄ≧ｄmin ＞０．０５ｔ
さらに、図１および図２に示すように、区分用凹所が区分用溝１８からなる場合は、当該区分用溝１８の幅をｗとしたとき、上記式（１）に加えて、下記式（２）を満たすことが好ましい。
式（２）：ｗ≧ｔ
このような式（１）および式（２）を満たすことにより、後述する押圧工程において付与される、流路形成部分２４が過度な変形を生ずることのない小さな加圧力によって、確実に接合領域１２ａの全面を第２の基板１５の接合面１６に密着させることができる。
また、上記式（１）を満たすことにより、十分な機械的強度が得られながら、第１の基板１１における区分用溝１８が形成された部分の可撓性が大きくなり、その結果、押圧工程において、各接合領域１２ａを各平面度に対応した小さな加圧力で確実に第２の基板１５の接合面１６に密着させることができる。ここで、区分用溝１８の接合面１２からの深さの上限値ｄが過度に大きい、すなわち区分用溝１８が過度に深い場合は、第１の基板１１に十分な機械的強度が得られず、区分用溝１８の接合面１２からの深さの下限値ｄmin が過度に小さい、すなわち区分用溝１８が過度に浅い場合は、第１の基板１１における区分用溝１８が形成された部分に十分な可撓性が得られない。
個々の接合領域１２ａの面積は、構造凹部２０の設計の自由度を干渉しない程度の大きさであって、当該構造凹部２０の過度な変形を伴わない最大の加圧力に従って、決定されるものである。すなわち、接合領域１２ａの面積が大きくなるほど押圧工程において付与すべき加圧力は大きくなると考えられるところ、加圧力が大き過ぎると構造凹部２０の過度な変形を招来してしまう。従って、個々の接合領域１２ａの面積は、構造凹部２０の特に流路形成部分２４に過度な変形を伴わずに、その全面を確実に密着させることができる大きさとされる。
第１の基板１１の構造凹部２０の過度な変形を伴わない加圧力は、当該第１の基板１１を構成する素材のヤング率と、当該構造凹部２０の各部のサイズとによって決定される。
基板１１，１５の寸法の一例を挙げると、基板１１，１５の大きさは、例えば縦横が８５ｍｍ×１２８ｍｍであり、第１の基板１１の厚みが例えば２〜５ｍｍであり、第２の基板１５の厚みが例えば０．１〜２ｍｍである。また、区分用溝１８の幅は２ｍｍ、深さは１〜２ｍｍである。また、各接合領域１２ａの大きさは縦横が８５ｍｍ×１２８ｍｍである。また、構造凹部２０の流路形成部分２４の寸法の一例を挙げると、幅が５００〜２０００μｍ、深さが５０〜２００μｍ、長さが９ｍｍである。
［表面活性化工程］
表面活性化工程は、第１の基板１１の接合面１２および第２の基板１５の接合面１６の各々に真空紫外線Ｌを照射する紫外線照射処理工程、または大気圧プラズマによってプラズマ化したプロセスガスを、第１の基板の接合面および第２の基板の接合面の各々に接触させるプラズマガス処理工程であることが好ましい。図１においては紫外線照射処理工程を行うものとした。
（１）紫外線照射処理工程
表面活性化工程として、紫外線照射処理工程を選択する場合においては、紫外線光源３０から、基板１１，１５における接合面１２，１６に、波長２００ｎｍ以下の真空紫外線Ｌを照射する。
紫外線光源３０としては、例えば、波長１７２ｎｍに輝線を有するキセノンエキシマランプ等のエキシマランプ、波長１８５ｎｍに輝線を有する低圧水銀ランプ、波長１２０〜２００ｎｍの範囲に輝線を有する重水素ランプを好適に用いることができる。
基板１１，１５の接合面１２，１６に照射される真空紫外線Ｌの照度は、例えば１０〜１００ｍＷ／ｃｍ2 である。
また、基板１１，１５の接合面１２，１６に対する真空紫外線Ｌの照射時間は、基板１１，１５を構成する材料に応じて適宜設定されるが、例えば５秒間以上であることが好ましく、より好ましくは１０〜６０秒間である。
（２）プラズマガス処理工程
表面活性化工程として、プラズマガス処理工程を選択する場合においては、大気圧プラズマによってプラズマ化したプロセスガスを、基板の接合面に接触させる。
プロセスガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスなどを主成分とし、酸素ガスが０．０１〜５体積％含有してなるものを使用することが好ましい。または、窒素ガスとクリーンドライエア（ＣＤＡ）との混合ガスを用いることも可能である。
また、プラズマガス処理による処理時間は、例えば５〜１００秒間である。
このようにして基板に対する表面活性化処理を行うことにより、基板１１，１５における接合面１２，１６は、接合に適した状態、すなわち、末端がヒドロキシ基（ＯＨ基）で置換された状態となる。
［積重工程］
積重工程においては、図１（ｂ）に示すように、室温環境下において、第１の基板１１および第２の基板１５を、第１の基板１１の接合面１２と第２の基板１５の接合面１６とが互いに接触した状態に積重する。
この積重工程を経ることにより、第１の基板１１と第２の基板１５とが積重した状態の積重体１０が得られる。
ここで、第１の基板１１の接合面１２にはうねり（図１において鎖線で囲った部分）が生じているものとする。従って、得られた積重体１０において、第１の基板１１の接合面１２に係るうねりを有する部分には、空間Ｓが形成される。
なお、図１の例においては第２の基板１５にはうねりが生じていないものとされているが、第２の基板１５にもうねりや反りが生じていても、本発明の効果が得られる。
［押圧工程］
押圧工程においては、積重工程において得られた積重体１０を互いに接近する方向に押圧して加圧することにより、第１の基板１１の接合面１２および第２の基板１５の接合面１６を互いに密着させる。
積重体１０に対する加圧は、例えば一定の加圧条件で行っても、処理条件を適宜調整して複数段階例えば二段階に分けて行ってもよい。図１（ｃ）においては、積重体１０に対する加圧力を白抜き矢印で示している。
加圧条件は、基板を構成する材料や加熱温度に応じて適宜設定することができる。
具体的な加圧条件を挙げると、加圧力は、流路形成部分２４が過度な変形を生ずることのない大きさとされ、具体的には例えば０．１〜５ＭＰａであり、加圧時間が例えば６０〜３００秒間である。また、基板に対する加圧処理を例えば二段階に分けて行う場合には、二回目の加圧処理における加圧力は、上記数値範囲内において、一回目の加圧処理における加圧力より小さく設定することができる。また、二回目の加圧処理における加圧時間は、上記数値範囲内において、一回目の加圧処理における加圧時間より長く設定することができる。
この押圧工程においては、接合を強固にする観点から、加圧と同時および／または加圧後に、積重体１０を加熱してもよい。
積重体１０を加熱する場合における具体的な加熱条件を挙げると、加熱温度が例えば４０〜１３０℃であり、加熱時間は、例えば６０〜３００秒間である。
この押圧工程においては、以下のように第１の基板１１の接合面１２が第２の基板１５の接合面１６に密着する。すなわち、接合面１２に区分用溝１８によって互いに離間する状態に複数の接合領域１２ａが形成された第１の基板１１と第２の基板１５とを押圧して加圧すると、まず、第１の基板１１における凸部分である接合領域１２ａが、第２の基板１５の接合面１６と接触する。そして、第１の基板１１の複数の接合領域１２ａはそれぞれ所期の加圧力によって当該接合領域１２ａのうねりが矯正されて第２の基板１５の接合面１６に添い、積重体１０における接合面１２と接合面１６との間の空間Ｓが消失する。一方、第１の基板１１における区分用溝１８は、ほとんど第２の基板１５の接合面１６と接触しない。接合領域１２ａのうねりの矯正によって変形（ひずみ）が生ずるが、区分用溝１８によって接合面１２の面積が小さく区画されて抑制されているので、当該区分用凹所１８が形成された部分の可撓性の作用によって１つの接合領域１２ａにおいて生じた変形が隣接する接合領域１２ａに波及しにくい。その結果、流路形成部分２４が過度な変形を生ずることのない小さな加圧力によって全ての接合領域１２ａを接合することができるものと考えられる。このとき、接合面１２と接合面１６との間の空間Ｓ以外の区分用溝１８と接合面１６との間に存在した空間（うねり）は、必ずしも矯正される必要はなく、第１の基板１１と第２の基板１５との間において隙間として残ってもよい。
なお、区分用凹所を有さない第１の基板と第２の基板との積重体を押圧すると、流路形成部分が過度な変形を生ずることのない小さな加圧力によっては、全ての接合領域１２ａを適切に接合することができないことがある。
この相違は、ヘルツの接触弾性変形理論によって説明することができる。概略的に説明すると、接合面が、区分用凹所により当該接合面よりも小さな面積の接合領域に分割されていると、個々の接合領域における平面度は、元の接合面よりも小さくなる、すなわち平面性が高くなる。そして、平面度が小さいほど、第１の基板と第２の基板とを確実に密着させるために必要な加圧力が小さくなる。従って、流路形成部分の過度な変形を伴わずに、個々の接合領域での接合を隙間が生じることなく行うことができる。
一方、区分用凹所により分割されていない大面積の連続する接合面における平面度は、複数の接合領域に分割した場合よりも大きくなる、すなわち平面性が低くなるので、接合面の全面を確実に密着させるために必要な加圧力が、大きくなる。従って、この大きな加圧力で押圧しなければならないので、流路形成部分に変形が生じるおそれが大きくなる。ここに、平面度とは、ある面（接合面あるいは個々の接合領域）を仮想の２つの平行な平面で挟んだ場合の両平面の最短距離をいう。
以上のことから、図１（ｄ）に示すように、第１の基板１１の接合面１２の全面が第２の基板１５の接合面１６に対して一様に接触した状態となる。その結果、基板１１，１５同士の接合の不良個所が発生することや、基板１１に形成されたマイクロ流路流路となる構造凹部２０が変形すること、並びに、２枚の基板１１，１５の接合境界１７ａに気泡が挟まることなどが回避されて、これらの不具合が第１の基板１１の構造凹部２０に干渉することなく、第１の基板１１および第２の基板１５間に良好な密着状態が得られる。
そして、第１の基板１１と第２の基板１５とが、様々な化学反応プロセスを経ることによって、例えば、第１の基板１１の接合面１２の終端のＯＨ基と第２の基板１５の接合面１６の終端のＯＨ基とによる水素結合により接合され、以って、第１の基板１１と第２の基板１５とが一体に強固に接合された接合体１７が得られる。
以上のような基板の貼り合わせ方法によれば、第１の基板１１の接合面１２が区分用溝１８によって離間するよう区画された複数の接合領域１２ａよりなる。個々の接合領域１２ａの面積は基板１１の全面が１つの接合面とされた場合と比較して小さいので、基板１１の反りや接合面１２のうねりなどの影響を小さく抑制することができ、従って、押圧工程において押圧されたときに、各接合領域１２ａのそれぞれにおいてその全面を確実に密着させることができる。その結果、接合体１７の接合境界１７ａの全面を確実に密着させることができ、従って、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する第１の基板１１および第２の基板１５を、高い密着状態で接合することができる。
〔マイクロチップの製造方法〕
本発明のマイクロチップの製造方法は、上記の基板の貼り合わせ方法を用いて内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップを得る方法である。
すなわち、それぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板において、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられたものをマイクロチップ基板として用いる。
以上のようなマイクロチップの製造方法によれば、上記の基板の貼り合わせ方法によって第１の基板１１および第２の基板１５が接合されるので、得られる接合体（マイクロチップ）１７の接合境界１７ａの全面を確実に密着させることができる。従って、例えば大面積のマイクロチップ基板などの、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する第１の基板１１および第２の基板１５を高い密着状態で接合することができ、その結果、大型のマイクロチップであっても所期の流路を高い信頼性で形成することができる。
〔マイクロチップ〕
本発明のマイクロチップは、上記のマイクロチップの製造方法によって得られる、内部に媒体が流れる流路を有するものである。
具体的には、図１（ｄ）に示されるように、第１の基板１１および第２の基板１５が互いに貼り合わせられた接合体１７よりなる。
そして、第１の基板１１の接合面１２および第２の基板１５の接合面１６の少なくとも一方の接合面（図１においては第１の基板１１の接合面１２）が、区分用溝１８によって離間するよう区画された複数の接合領域１２ａよりなる。
第１の基板１１および当該第２の基板１５の少なくとも一方の接合面１２，１６（図１においては第１の基板１１の接合面１２）には、注入ポート２２、排出ポート２３および流路形成部分２４とを有する構造凹部２０が設けられており、図１（ｄ）に示されるように、第１の基板１１に形成された流路形成部分２４が、第２の基板１５が蓋となってこれにより密閉されて、内部に媒体が流れる流路Ｒが区画されている。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、図１および図２に示す接合体１７のように第１の基板１１の接合面１２を構成する接合領域１２ａに構造凹部２０が形成されることに限定されず、第２の基板の１つの連続した平面である接合面に構造凹部が形成されていてもよい。この場合、対となる第１の基板には、第２の基板の接合面に形成された構造凹部と対応する位置に、これを密閉するための接合領域が配置される。
また、構造凹部は第１の基板１１および第２の基板１５の両方に形成されていてもよい。
また例えば、区分用溝１８によって区画された複数の接合領域よりなる接合面は、第１の基板１１および第２の基板１５のいずれか一方に設けられていればよいが、両基板１１，１５に設けられていてもよい。この場合、第１の基板１１の接合面１２を構成する接合領域１２ａと、第２の基板１５の接合面１６の接合領域とが対応して接触する構成とされる。
また例えば、区分用溝１８は、第１の基板１１の接合面１２の反対面および／または第２の基板１５の接合面１６の反対面に形成されていてもよい。
また例えば、接合領域の形状は、図４（ａ）に示されるように樋状の溝のみよりなる区分用凹所である区分用溝１８Ａによって区画された平面視において細長い矩形状の接合領域１２ａＡ、図４（ｂ）に示されるように樋状の溝がＹ字状に組み合わせられた形状の区分用凹所である区分用溝１８Ｂによって区画され、かつ、当該区分用溝１８Ｂに連続する区分用凹所である周縁凹所１９Ｂに囲まれた、平面視において細長い六角形状の接合領域１２ａＢ、または、図４（ｃ）に示されるように平面視において楕円状の接合領域１２ａＣなどであってもよい。図４（ｃ）において１８Ｃは区分用凹所である区分用溝であり、１９Ｃは接合領域１２ａＣを囲う区分用凹所である周縁凹所である。
なお、図４（ａ）〜（ｃ）において、符号２０は構造凹部を示す。
周縁凹所１９Ｂ，１９Ｃは、例えば平板状の基板を射出成形することなどによって形成することができる。
以下、本発明の基板の貼り合わせ方法の具体的な実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
下記の第１の基板および第２の基板を用意した。
図５は、実施例１に係る第１の基板を示す平面図である。第１の基板（４１Ａ）は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の一方の面に、外形が３６ｍｍ×３６ｍｍの矩形の接合領域（４２ａＡ）６個が２個×３列に縦横に並列に、凸部として残留配置されるよう、周縁凹所（４９Ａ）および区分用溝（４８Ａ）が射出成形により形成されたものである。区分用溝（４８Ａ）の幅は２ｍｍ、深さ（接合領域（４２ａＡ）から区分用溝（４８Ａ）の最深部までの距離）は１ｍｍである。また、周縁凹所（４９Ａ）の深さ（接合領域（４２ａＡ）から周縁凹所（４９Ａ）の最深部までの距離）も１ｍｍである。
第２の基板は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の接合面に、構造凹部が形成された１２×８穴のマイクロプレートである。構造凹部となるマイクロプレートの複数の穴はそれぞれ独立しており、２穴が流路で連結されているマイクロチップ構造ではないが、マイクロプレートの各穴を、マイクロチップの注入ポートおよび排出ポートと仮想して貼り合わせを行った。マイクロプレートの各穴における構造凹部となるべき穴は、対となる第１の基板において、同一の接合領域（４２ａＡ）と対向すると仮想した。第１の基板（４１Ａ）と対応する第２の基板の穴の位置を図５において鎖線で示す。
上記の第１の基板（４１Ａ）および第２の基板を、下記の紫外線照射処理工程および接合工程を行って貼り合わせた。
［紫外線照射処理工程］
キセノンエキシマランプを用い、２枚の基板の各々の接合面に、照度が４０ｍＷ／ｃｍ2 、照射時間が２０秒間となる条件で、真空紫外線を照射した。
［接合工程］
２枚の基板を、それぞれの接合面が互いに接触するよう積重して積重体を得た（積重工程）。次いで、この積重体を加圧力が０．２ＭＰａ、加圧時間が３００秒間、加熱温度が９０℃の条件で加圧することによって、２枚の基板を接合し、接合体〔Ａ〕を得た。
＜実施例２＞
実施例１において、第１の基板として以下のものを使用したことの他は同様にして、２枚の基板を接合し、接合体〔Ｂ〕を得た。
図６は、実施例２に係る第１の基板を示す平面図である。第１の基板（４１Ｂ）は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の一方の面に、外形が１８ｍｍ×３６ｍｍの細長い矩形の接合領域（４２ａＢ）１２個が２個×６列に縦横に並列に、凸部として残留配置されるよう、周縁凹所（４９Ｂ）および区分用溝（４８Ｂ）が射出成形により形成されたものである。区分用溝（４８Ｂ）の幅は２ｍｍ、深さ（接合領域（４２ａＢ）から区分用溝（４８Ｂ）の最深部までの距離）は１ｍｍである。また、周縁凹所（４９Ｂ）の深さ（接合領域（４２ａＢ）から周縁凹所（４９Ｂ）の最深部までの距離）も１ｍｍである。
＜実施例３＞
実施例１において、第１の基板として以下のものを使用したことの他は同様にして、２枚の基板を接合し、接合体〔Ｃ〕を得た。
図７は、実施例３に係る第１の基板を示す平面図である。第１の基板（４１Ｃ）は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の一方の面に、長辺が４３ｍｍ×短辺が１８ｍｍの細長い六角形の接合領域（４２ａＣ）１１個が、４個、３個、４個と３列に、凸部として残留配置されるよう、周縁凹所（４９Ｃ）および区分用溝（４８Ｃ）が射出成形により形成されたものである。区分用溝（４８Ｃ）の幅は最も狭い部位で２ｍｍ、深さ（接合領域（４２ａＣ）から区分用溝（４８Ｃ）の最深部までの距離）は１ｍｍである。また、周縁凹所（４９Ｃ）の深さ（接合領域（４２ａＣ）から周縁凹所（４９Ｃ）の最深部までの距離）も１ｍｍである。
＜実施例４＞
実施例１において、第１の基板として以下のものを使用したことの他は同様にして、２枚の基板を接合し、接合体〔Ｄ〕を得た。
図８は、実施例４に係る第１の基板を示す平面図である。第１の基板（４１Ｄ）は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の一方の面に、外形が５４ｍｍ×７２ｍｍの矩形の接合領域（４２ａＤ）２個が、凸部として残留配置されるよう、周縁凹所（４９Ｄ）および区分用溝（４８Ｄ）が射出成形により形成されたものである。区分用溝（４８Ｄ）の幅は２ｍｍ、深さ（接合領域（４２ａＤ）から区分用溝（４８Ｄ）の最深部までの距離）は１ｍｍである。また、周縁凹所（４９Ｄ）の深さ（接合領域（４２ａＤ）から周縁凹所（４９Ｄ）の最深部までの距離）も１ｍｍである。
＜比較例１＞
実施例１において、第１の基板として以下のものを使用したことの他は同様にして、２枚の基板を接合し、接合体〔Ｅ〕を得た。
図９は、比較例１に係る第１の基板を示す平面図である。第１の基板（４１Ｅ）は、ＳＢＳ基準に準じた外形（８５ｍｍ×１２８ｍｍ）を有し、厚みが２ｍｍのシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン株式会社製「ゼオネックス４６０Ｒ」）よりなる板の一方の面に、外形が１０６ｍｍ×７２ｍｍの矩形の接合面（４２Ｅ）１個が、凸部として残留配置されるよう、周縁凹所（４９Ｅ）が射出成形により形成されたものである。周縁凹所（４９Ｅ）の深さ（接合面（４２Ｅ）から周縁凹所（４９Ｅ）の最深部までの距離）は１ｍｍである。
このようにして得られた接合体〔Ａ〕〜〔Ｅ〕について、下記のように接合状況の評価を行った。結果を表１に示す。
具体的には、第１の基板と第２の基板とが接合されると、両者は一体化し、隙間なく接合された部分は界面がなくなる。一方、接合がなされていない部分において界面が残る。そのため、第２の基板側から平面写真を撮影し、撮影画像における界面が残った部分は暗部として観測される。従って、接合体〔Ａ〕〜〔Ｅ〕の接合状況は、各接合体〔Ａ〕〜〔Ｅ〕を第２の基板側から平面写真を撮影し、この撮影画像について、画像計測ソフトウエアを用いて接合されていない部分の面積を算出し、この値を用いて、接合されるべき全面積（理論値）中の実際に接合された接合面積の比率を求めた。
接合面積の比率は、８０％以上である場合に実用に耐えるものと考えられる。
Figure 0006531749
表１から明らかなように、第１の基板の接合面が区分用溝などの区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなる、実施例１〜４に係る接合体は、当該接合体の接合境界の全面を密着させることができ、従って、少なくとも一方の基板に反りや接合面のうねりを有する第１の基板および第２の基板を、高い密着状態で接合することができることが確認された。
１０ 積重体
１１ 第１の基板
１２ 接合面
１２ａ，１２ａＡ，１２ａＢ，１２ａＣ 接合領域
１５ 第２の基板
１６ 接合面
１７ 接合体
１７ａ 接合境界
１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ 区分用溝
１９Ｂ，１９Ｃ 周縁凹所
２０ 構造凹部
２２ 注入ポート
２３ 排出ポート
２４ 流路形成部分
３０ 紫外線光源
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ 第１の基板
４２ａＡ，４２ａＢ，４２ａＣ，４２ａＤ 接合領域
４２Ｅ 接合面
４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄ 区分用溝
４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ，４９Ｄ，４９Ｅ 周縁凹所
５０ 積重体
５１ 第１のマイクロチップ基板
５１ａ 接合面
５５ 第２のマイクロチップ基板
５５ａ 接合面
５７ 接合体
５９ 紫外線光源
６２ 注入ポート
６３ 排出ポート
６４ 流路形成部分
Ｌ 真空紫外線
Ｒ 流路
Ｓ 空間

Claims (14)

  1. それぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板を接合する方法であって、
    第１の基板の接合面および第２の基板の接合面の各々を活性化する表面活性化工程と、
    当該第１の基板と当該第２の基板とをそれぞれの接合面が接触するように積重した状態で押圧する押圧工程とを有し、
    前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の接合面が、区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなることを特徴とする基板の貼り合わせ方法。
  2. 前記区分用凹所を有する基板の厚みをｔ、前記区分用凹所の接合面からの深さの上限値をｄ、区分用凹所の接合面からの深さｄの下限値をｄmin としたとき、ｄmin は５０μｍよりも大きい値であり、かつ、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の基板の貼り合わせ方法。
    式（１）：０．７ｔ≧ｄ≧ｄmin ＞０．０５ｔ
  3. 前記区分用凹所が溝からなり、当該溝の幅をｗとしたとき、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の基板の貼り合わせ方法。
    式（２）：ｗ≧ｔ
  4. 前記表面活性化工程は、前記第１の基板の接合面および前記第２の基板の接合面の各々に真空紫外線を照射する紫外線照射処理工程であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板の貼り合わせ方法。
  5. 前記表面活性化工程は、大気圧プラズマによってプラズマ化したプロセスガスを、前記第１の基板の接合面および前記第２の基板の接合面の各々に接触させるプラズマガス処理工程であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板の貼り合わせ方法。
  6. それぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板において、当該第１の基板および当該第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられており、
    請求項１〜請求項５のいずれかに記載の基板の貼り合わせ方法によって前記第１の基板および前記第２の基板を接合することによって、内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップを得ることを特徴とするマイクロチップの製造方法。
  7. 内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップであって、
    接着剤を介在させずに直接互いに貼り合わせられたそれぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板よりなり、当該第１の基板および当該第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられており、
    当該第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の接合面が、区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなることを特徴とするマイクロチップ。
  8. 前記区分用凹所を有する基板の厚みをｔ、前記区分用凹所の接合面からの深さの上限値をｄ、区分用凹所の接合面からの深さｄの下限値をｄmin としたとき、ｄmin は５０μｍよりも大きい値であり、かつ、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項７に記載のマイクロチップ。
    式（１）：０．７ｔ≧ｄ≧ｄmin ＞０．０５ｔ
  9. 前記区分用凹所が、前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の側周縁に開口する樋状のものであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロチップ。
  10. 前記区分用凹所が、前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の周縁に設けられた周縁凹所に連通するものであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロチップ。
  11. 内部に媒体が流れる流路を有するマイクロチップであって、
    互いに貼り合わせられたそれぞれガラスまたは樹脂からなる第１の基板および第２の基板よりなり、当該第１の基板および当該第２の基板の少なくとも一方の接合面に流路形成部分が設けられており、
    当該第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の接合面が、区分用凹所によって離間するよう区画された複数の接合領域よりなり、
    前記区分用凹所を有する基板の厚みをｔ、前記区分用凹所の接合面からの深さの上限値をｄ、区分用凹所の接合面からの深さｄの下限値をｄ min としたとき、ｄ min は５０μｍよりも大きい値であり、かつ、下記式（１）を満たすことを特徴とするマイクロチップ。
    式（１）：０．７ｔ≧ｄ≧ｄ min ＞０．０５ｔ
  12. 前記区分用凹所が溝からなり、当該溝の幅をｗとしたとき、下記式（２）を満たすことを特徴とする請求項８または請求項１１に記載のマイクロチップ。
    式（２）：ｗ≧ｔ
  13. 前記区分用凹所が、前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の側周縁に開口する樋状のものであることを特徴とする請求項８、請求項１１および請求項１２のいずれかに記載のマイクロチップ。
  14. 前記区分用凹所が、前記第１の基板の接合面および／または前記第２の基板の周縁に設けられた周縁凹所に連通するものであることを特徴とする請求項８、請求項１１および請求項１２のいずれかに記載のマイクロチップ。
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