JPWO2009044901A1 - 回転傾斜露光法を用いた流路形成方法 - Google Patents

Abstract

複数部品の位置合せなしに簡単にかつ高精度に微小構造体を作製することができる、微小構造体の形成方法を提供する。（１）マスクパターン及び光硬化性樹脂を貫通する一つの回転軸を中心に回転させながら、回転軸に対して斜め方向からマスクパターンを介して光硬化性樹脂の露光を行い、光硬化性樹脂の露光部分に、光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になった高露光部分と硬化基準値未満の吸光量である低露光部分とを含む吸光量分布を形成する第１のステップと、（２）光硬化性樹脂の高露光部分の少なくとも一部により微小構造体の少なくとも一部を形成する第２のステップとを備える。

Description

本発明は、回転傾斜露光法を用いた流路形成方法に関し、詳しくは、マイクロ流体システムの流路要素等の微細構造を形成する技術に関し、特に、交差する流路、合流分岐する流路、延在する方向が変化する流路や、開口を有するオリフィス構造体の形成に好適である流路形成方法に関する。

微少量の流体の混合や細胞の操作等を行うマイクロ流体システムを、光硬化性樹脂を用いて作製することが提案されている。

例えば図２２に示すように、マスクパターン２２２が形成された透明なマスク板２２１上の光硬化性樹脂２２３を、矢印２２４ａ，２２４ｂで示すように異なる方向から露光し、光硬化性樹脂２２３の未露光部分２２４ｋを除去することによって立体形状を形成する、傾斜露光法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、非特許文献１には、図２３の説明図に示すように露光方向に対して中心軸を傾斜させた回転ステージ上に光硬化性樹脂（ＳＵ−８）とマスク板とを載置して露光を行う回転傾斜露光法により、図２４の写真に示すように格子状に配列され林立する微細構造を三次元加工した試作例が開示されている。
国際公開特許公報ＷＯ２００６／０９８４３０号「細胞内物質導入装置、細胞クランプ装置及び流路の形成方法」 花井計、中原崇、鈴木慎也、松本佳宜「傾斜回転露光法による三次元加工法」電気学会論文誌Ｅ、１２６巻、６号、２２２ページから２２７ページまで

傾斜露光法を用いると、直線状に延在し、断面が一定の流路を形成することができる。

しかし、傾斜露光法では、流路が折れ曲がったり、湾曲したり、交差したりする場合には、断面が一様な流路を形成することができない。

例えば、図２５に示すように、Ｕ字状の遮光要素４ｘを有するマスクパターンが上面２ａに形成されたマスク板２を用い、矢印５ａ，５ｂで示すように、異なる２方向から、マスク板２上の光硬化性樹脂６を露光すると、遮光要素４ｘの直線部分により、断面７ａに示すように、未露光部分に対応して三角形形状の断面８ａの流路を作製できる。しかし、遮光要素４ｘの湾曲部分では、未露光部分の形状が変化し、流路の断面積が変化し、例えば断面７ｂに示すように、台形形状の断面８ｂとなり、光硬化性樹脂６の上面６ａに開口９が形成される。

そのため、断面が一定の流路を形成することができない上、密閉流路を形成する場合には、開口９に別部品を重ねて塞ぐ必要がある。

湾曲したり、交差したり、合流・分岐する流路等は、適宜に分割し、それぞれ別々に形成した複数部品を、後工程で貼り合わせれば作製可能である。

しかし、そうすると工程数が増えてコスト高となる上、微小構造を形成した部品同士を高精度に位置合せする必要があり、作製は容易ではない。

本発明は、かかる実情に鑑み、複数部品の位置合せなしに簡単にかつ高精度に微小構造体を作製することができる、微小構造体の形成方法を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した微小構造体の形成方法を提供する。

微小構造体の形成方法は、（１）光が透過する透光部と光の透過を阻止する遮光部とを含むマスクパターンと、前記マスクパターンに沿って配置された光硬化性樹脂とを、前記マスクパターン及び前記光硬化性樹脂を貫通する一つの回転軸を中心に回転させながら、前記回転軸に対して斜め方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、前記光硬化性樹脂に、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になった高露光部分と、前記硬化基準値未満の吸光量である低露光部分とを形成する第１のステップと、（２）前記光硬化性樹脂の少なくとも前記低露光部分を除去して、前記光硬化性樹脂の前記高露光部分の少なくとも一部により微小構造の少なくとも一部を形成する第２のステップとを備える。

第１のステップにおいて光硬化性樹脂の露光を行う前に、光硬化性樹脂は、全く露光されていないか、露光されていても吸光量は硬化基準値未満である。第１のステップにおいて、マスクパターンと光硬化性樹脂とは接していても、離れていてもよい。

第１のステップにおいて、光硬化性樹脂に未露光部分が残る場合には、第２のステップにおいて、光硬化性樹脂の未露光部分も除去する。第２のステップにおいて、光硬化性樹脂の高露光部分の一部が除去されてもよい。第２のステップにおいて除去されずに残っている光硬化性樹脂の高露光部分によって、大略、光硬化性樹脂の高露光部分と低露光部分との境界面に沿って立体形状が形成される。この立体形状が、流路やノズル等の流路要素のような微小構造体の一部又は全部を形成するようにする。

第１のステップにおいて光硬化性樹脂を露光するときの露光量の大きさに応じて、光硬化性樹脂内の吸光量分布が変化し、光硬化性樹脂に形成される高露光部分と低露光部分との境界面の形状が変わり、第２のステップにおいて形成される立体形状が変化する。第１のステップにおいて光硬化性樹脂内に低露光部分が形成されるように露光することにより、複雑な形状の微小構造体を形成することが可能となる。例えば、第１のステップにおいて用いるマスクパターンの透光部又は遮光部は、（ａ）交差する要素、例えばＸ字状に交差する要素と、（ｂ）合流分岐する要素、例えばＹ字状に合流分岐する要素と、（ｃ）延在する方向が変化する要素、例えばＵ字状やＳ字状に湾曲する要素、あるいはＶ字状やＺ字状に折れ曲がる要素とのうち、少なくとも一つを含むようにする。

好ましくは、前記第１のステップの実行後における前記光硬化性樹脂内の吸光量の分布を算出し、前記光硬化性樹脂内の前記吸光量が等しい面によって形成される立体形状のうち、所望の立体形状を選択し、選択した立体形状を形成する前記光硬化性樹脂内の前記吸光量が等しい面の部分について、前記第１のステップの実行後における吸光量が実質的に前記硬化基準値に等しくなるように前記第１のステップにおいて前記光硬化性樹脂の露光を行うために必要な露光量を決定する第３のステップをさらに備える。前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行う際の露光量が、前記第３のステップにおいて決定した露光量と一致するように、露光量を制御する。前記第２のステップにおいて、前記第３のステップで選択した立体形状と実質的に同一の形状を前記光硬化性樹脂に形成する。

この場合、第２のステップで光硬化性樹脂に所望の立体形状が形成されるように、第１のステップにおいて露光量を制御する。第３のステップにおいて、所望の立体形状を選択できない場合には、マスクパターンの形状・寸法等の条件を変更して、光硬化性樹脂内の吸光量の分布の算出をやり直す。

光硬化性樹脂内の吸光量の分布を算出した結果を検討し、所望の立体形状を実現できるマスクパターンや露光条件を決定することができるので、試作や実験を減らし、所望の形状の流路要素を容易に作製することができる。

具体的な一態様としては、前記マスクパターンの前記透光部は、前記回転軸と平行な軸と同軸に延在するリング状のリング要素を含む。前記第２のステップにおいて、前記光硬化性樹脂には、前記マスクパターンの前記透光部の前記リング要素に対応して、先端に開口を有し、内部に前記開口に連通する空洞を有する突起状のオリフィス構造体が形成される。

この場合、第１のステップにおいて光硬化性樹脂を露光する露光量を調節することにより、第２のステップにおいて形成されるオリフィス構造体について、開口や空洞の大きさ、先端の形状を制御することができる。

また、本発明は、以下のように構成した他の微小構造体の形成方法を提供する。

微小構造体の形成方法は、（１）光が透過する透光部と、光の透過を阻止し、かつ延在する方向が変化する遮光要素とを含むマスクパターンと、前記マスクパターンに沿って配置された光硬化性樹脂とを、前記マスクパターン及び前記光硬化性樹脂を貫通する一つの回転軸を中心に回転させながら、前記回転軸に対して斜め方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、前記光硬化性樹脂内において、前記遮光要素に接して形成される未露光部分を囲む部分に、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になる高露光部分を形成する第１のステップと、（２）前記光硬化性樹脂の少なくとも前記未露光部分を除去して、前記光硬化性樹脂の前記高露光部分の少なくとも一部により、延在する向きが変化する流路空間の少なくとも一部を形成する第２のステップとを備える。

上記方法によれば、遮光要素に沿って、折れ曲がったり、湾曲したり、交差するなど、延在する方向が変化する流路を形成することができる。特に、マスクパターン及び光硬化性樹脂を、マスクパターンに垂直な回転軸を中心に回転させながら、回転軸に対して斜め方向から露光を行う場合には、遮光要素の幅（遮光要素が延在する方向に直角な方向の寸法）が一定であれば、流路は、延在する方向が変化しても、延在する方向に直角な断面の形状と大きさが一定となる。遮光要素の幅を変化させることによって、延在する方向に直角な断面の大きさが変化する流路やオリフィス等を形成することができる。

また、本発明は、以下のように構成した別の微小構造体の形成方法を提供する。

微小構造体の形成方法は、（１）光の透過を阻止する主流路要素と前記主流路要素の一端から放射状に延在し光の透過を阻止する２本以上の分岐流路要素とを含むマスクパターンに沿って光硬化性樹脂を配置した状態で、少なくとも異なる２方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、前記光硬化性樹脂内に、（ａ）前記マスクパターンの前記主流路要素及び前記分岐流路要素により前記主流路要素及び前記分岐流路要素と接する第１の未露光部分を形成し、（ｂ）前記マスクパターンの前記分岐流路要素により前記マスクパターンの前記主流路要素の前記一端から前記マスクパターンに対して斜めに延在する第２の未露光部分を形成し、（ｃ）前記第１の未露光部分を囲む部分と前記第２の未露光部分を囲む部分とに、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になる高露光部分を形成する第１のステップと、（２）前記光硬化性樹脂の前記第１の未露光部分を除去して、主流路と、前記主流路の一端から放射状に延在する２本以上の平行分岐流路とを、同一面に沿って平行に形成し、前記光硬化性樹脂の前記第２の未露光部分を除去して、前記主流路の前記一端から前記同一面に対して斜めに延在する、１又は２本以上の斜行分岐流路を形成する第２のステップとを備える。

この場合、傾斜露光法により、三次元的に合流・分岐する流路を有する微小構造体を、複数部品の位置合せなしに形成することができる。

すなわち、上記方法により、（ａ）基板と、（ｂ）前記基板に沿って平行に延在する主流路と、（ｃ）前記基板に沿って平行に、かつ前記主流路の一端から放射状に延在する、２本以上の平行分岐流路と、（ｄ）前記主流路の前記一端から前記基板に対して斜めに延在する、１又は２本以上の斜行分岐流路とを備える微小構造体を形成することができる。

この微小構造体は、主流路と平行分岐流路とがなす角度や、主流路と斜行分岐流路とがなす角度を、１８０°又は１８０°前後の大きさにすることができる。また、合流・分岐の前後において、主流路の断面積と、平行分岐流路及び斜行分岐流路の断面積の合計とを、実質的に等しくすることができる。そのため、これらの流路を液体が流れて合流・分岐する際に、流れの乱れができるだけ生じないようにすることができる。特に平行分岐流路及び斜行分岐流路から主流路に合流する場合、主流路内において三次元多層流を実現でき、液界面の増加による高速混合が可能となる。

また、本発明は、以下の構成の細胞クランプ装置を提供する。

前記マスクパターンの前記遮光部は、（ａ）平行に配置された相対的に幅が大きい第１の要素と、（ｂ）前記第１の要素の間を接続する、相対的に幅が小さい複数の第２の要素と、（ｃ）前記第２の要素の中間位置に前記第２の要素から膨出するように形成された第３の要素とを含む。細胞クランプ装置は、前記マスクパターンを用いて、前記微小構造体の形成方法により形成される。細胞クランプ装置は、相対的に太い流路の間に相対的に細い流路を介してオフィス構造体が並列に配置されている。

この場合、細胞クランプ装置の相対的に太い流路は、マスクパターンの遮光部の第１の要素により形成される。細胞クランプ装置の相対的に細い流路は、マスクパターンの遮光部の第２の要素により形成される。細胞クランプ装置のオリフィス構造体は、マスクパターンの遮光部の第３の要素により形成される。細胞クランプ装置は、細胞吸引力の不足や、細胞への過度の圧力負荷による損傷が起こらないようにすることができ、容易に作製することができる。

本発明によれば、複数部品の位置合せなしに簡単にかつ高精度に微小構造体を作製することができる。

露光システムを模式的に示す構成図である。（実施例１） 光硬化性樹脂内の光の透過を示す斜視図である。（実施例１） マスク板の平面図である。（実施例１） 断面位置の吸光量分布図である。（実施例１） 吸光量の等高面により形成される立体形状の（１）斜視図、（２）断面図、（３）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例１） 吸光量の等高面により形成される立体形状の（１）斜視図、（２）断面図、（３）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例１） 吸光量の等高面により形成される立体形状の（１）斜視図、（２）断面図、（３）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例１） 作製条件の詳細を示す表である。（実施例１） 作製例のＳＥＭ写真である。（実施例１） マスク板の平面図である。（実施例１） 流路の透視図である。（実施例２） （１）流路の要部透視図、（２）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例２） （１）流路の要部透視図、（２）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例２） （１）オリフィス構造体の要部透視図、（２）作製例のＳＥＭ写真である。（実施例３） 細胞クランプ装置の斜視図である。（参考例） 図１１の直線Ａ−Ａに沿って切断した細胞クランプ装置の断面図である。（参考例） マスクパターンを示す要部斜視図である。（参考例） オリフィス構造体の要部透視図である。（参考例） マスクパターンを示す要部斜視図である。（実施例３） オリフィス構造体の要部透視図である。（実施例３） 合流・分岐流路の斜視図である。（実施例４） マスクパターンの平面図である。（実施例４） 図１８の断面位置（１）で切断して光硬化性樹脂内の露光状態を示す斜視図である。（実施例４） 図１８の断面位置（２）で切断して光硬化性樹脂内の露光状態を示す斜視図である。（実施例４） 図１８の断面位置（３）で切断して光硬化性樹脂内の露光状態を示す斜視図である。（実施例４） 図１８の断面位置（４）で切断して光硬化性樹脂内の露光状態を示す斜視図である。（実施例４） 作製例のＳＥＭ写真である。（実施例４） 作製例のＳＥＭ写真である。（実施例４） 作製条件の詳細を示す表である。（実施例４） 傾斜露光法の説明図である。（従来例１） 回転傾斜露光法の説明図である。（従来例２） 回転傾斜露光法による作製例の写真である。（従来例２） 傾斜露光法の説明図である。（従来例３）

符号の説明

１０ マスク板
１２ マスクパターン
１２ｋ 第１要素（遮光部）
１２ｓ 第２要素（遮光部）
１２ｔ 第３要素（遮光部）
１２ｘ 遮光要素
２０ 光硬化性樹脂
２１ オリフィス構造体
２２ｘ 流路
４０ 合流流路（主流路）
４２ 第１の分岐流路（平行分岐流路）
４３ 第４の分岐流路（斜行分岐流路）
４４ 第２の分岐流路（平行分岐流路）
４５ 第５の分岐流路（斜行分岐流路）
４６ 第３の分岐流路（平行分岐流路）
４７ 第６の分岐流路（斜行分岐流路）
６６ 回転軸

以下、本発明の実施の形態として実施例について、図１〜図２１を参照ながら説明する。

＜実施例１＞ 実施例１の突起状のオリフィス構造体について、図１〜図７を参照しながら説明する。

実施例１の突起状のオリフィス構造体は、例えば図１の構成図に模式的に示す露光システムを用いて、回転傾斜露光法により作製する。

すなわち、図１に示すように、防振台５０上に傾斜回転装置６０を固定し、傾斜回転装置６０のステージ６４上に、マスクパターンが形成されたマスク板１０と光硬化性樹脂２０とを重ねて配置する。そして、傾斜回転装置６０のモータ６２により、矢印６８で示すようにステージ６４を回転させながら、露光装置５２から矢印５４で示すように光（例えば、紫外線）を照射し、マスク板１０を介して光硬化性樹脂２０の露光を行う。このとき、矢印５４で示す露光装置５２からの光照射方向に対して、傾斜回転装置６０のステージ６４の回転軸６６が斜めになる状態で、すなわち光照射方向に対してステージ６４が垂直でも平行でもない状態で、露光を行う。

ステージ６４を傾けて回転しながら露光すると、光硬化性樹脂側から見た図２の説明図に示すように、マスク板１０の主面１０ａに形成されたマスクパターン１２を通過し、光硬化性樹脂内を透過する透過光５８は円錐状に移動し、マスクパターン１２上に配置された不図示の光硬化性樹脂を露光する。

この円錐の半頂角θは、ステージ６４の回転軸６６とマスク板１０の法線方向１１とが一致する場合には、回転軸６６と光照射方向とがなす角度と略一致する。厳密には、屈折により、多少のずれが生じる。

なお、マスク板１０及び光硬化性樹脂２０を回転する代わりに、露光装置５２側に光照射方向を変える光学系を追加する等の方法で、照射光を円錐状に移動させ、マスク板１０及び光硬化性樹脂２０を固定することにより、光硬化性樹脂と透過光の相対位置関係が実質的に同じになるようにすることが可能である。

次に、所望形状の突起状のオリフィス構造体を形成する方法について説明する。

まず、所望形状の突起状のオリフィス構造体を形成するために用いるのに適していると思われるマスクパターンを想定する。例えば、図３の平面図に１／４部分を示すように、内径Ｒ、外径Ｒ＋ｄ、幅ｄのリング状の透光部が形成されたマスクパターンを想定する。このリング状の透光部は、マスクパターンの透光部に含まれる「延在する方向が変化する要素」である。

次いで、想定したマスクパターンを用いて、図１に示した回転傾斜露光法により光硬化性樹脂の露光を行ったときの光硬化性樹脂内の吸光量分布を算出する。

例えば、マスクパターンの形状、光硬化性樹脂の膜厚、光照射方向に対するステージの傾き角、光硬化性樹脂の吸光率等のパラメータを決め、光硬化性樹脂を分割したメッシュ、あるいは光硬化性樹脂内の点群について、光照射方向を変えながら吸光量を逐次算出し、積算する。

図４に、図３のマスク板上に塗布した光硬化性樹脂の吸光量分布を算出した結果を示す。図４は、マスク板に形成されたリング状の透光部の中心軸を通る光硬化性樹脂断面の吸光量分布を示し、図において右側の縦軸がリング状の透光部の中心軸である。吸光量分布は、マスク基板に形成されたマスクパターンの透光部中心近傍部分の最大吸光量で規格化している。

次いで、演算した吸光量分布に基づいて検討を行う。すなわち、規格化された吸光量が一定となる部分をつないだ吸光量の等高面により形成される種々の立体形状のうち、所望形状の突起状のオリフィス構造体に対応する立体形状を選択する。

例えば、図５ａ（１）及び（２）は規格化した吸光量が１．０、図５ｂ（１）及び（２）は規格化した吸光量が０．８、図５ｃ（１）及び（２）は規格化した吸光量が０．６の場合の吸光量の等高面により形成される立体形状を示す斜視図及び中心軸を通る断面図である。

所望形状の突起状のオリフィス構造体に対応する立体形状がなければ、マスク板のマスクパターンの形状等の条件を変えて吸光量分布の演算をやり直して、再検討する。

所望形状の突起状のオリフィス構造体に対応する立体形状を選択した後、その立体形状を形成する吸光量の等高面の部分について、吸光量が、光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値に達するようにするために必要な露光条件、例えば露光装置の出力、露光時間等を算出する。

次いで、選択した立体形状を形成するためのマスク板を実際に作製し、それ用いて実際に回転傾斜露光法により光硬化性樹脂の露光を行う。このとき、算出した露光条件となるように、露光装置の出力、露光時間等を制御する。露光後、光硬化性樹脂の現像を行い、必要に応じてポストベーク工程を経て、所望形状に略一致する突起状のオリフィス構造体を実際に作製することができる。

例えば、図５ａ（３）、図５ｂ（３）、図５ｃ（３）は、それぞれ、図５ａ（１）及び（２）、図５ｂ（１）及び（２）、図５ｃ（１）及び（２）の立体形状を選択して作製した突起状のオリフィス構造体のＳＥＭ写真である。この作製例において、透明なガラス基板上に蒸着された金属膜をパターニングすることによりマスクパターンが形成されたマスク板を用いた。マスクパターンはＲ＝５．５μｍ、ｄ＝１．０μｍであり、光硬化性樹脂にはｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製のＳＵ−８ ２０１０を用い、光硬化性樹脂の膜厚を１０μｍ、マスク板の法線と照射光とがなす角度θを４０°とした。作製条件の詳細を、図５ｄに示す。図５ａ〜図５ｃから、選択した立体形状と実際に作製した突起状のオリフィス構造体の三次元形状とが略一致していることが分かる。

図６のＳＥＭ写真は、図７の平面図に示すマスクパターンを用いて、同様に回転傾斜露光法で作製した構造体の作製例の写真である。この作製例では、突起状のオリフィス構造体に流路が接続している。図７のマスクパターンの透光部（non-Masked Area）は、リング状の第１の要素Ｅ１、すなわち「延在する方向が変化する要素」と、第１の要素Ｅ１に接続された互いに平行な第２の要素Ｅ２とを含み、第１の要素Ｅ１により突起状のオリフィス構造体が形成され、第２の要素Ｅ２により流路が形成されている。

以上に説明した突起状のオリフィス構造体は、その先端に細胞等を吸着して固定するために用いたり、その先端から液滴（ビーズ）を吐出したりするために用いることができる。

以上に説明したように、光硬化性樹脂内の吸光量の分布を算出した結果を検討し、所望の立体形状を実現できるマスクパターンや露光条件を決定する手法を用いると、試作や実験を減らすことができるので、突起状のオリフィス構造体に限らず、任意の三次元形状の流路要素を、容易に作製することができる。なお、図７のマスクパターンにおいて第１の要素Ｅ１に接続された第２の要素Ｅ２を、直線状ではなく曲線状にする、すなわち「延在する方向が変化する要素」に代えると、曲がった流路を形成することができる。マスクパターンの透光部は、交差する要素や合流分岐する要素を含むようにしてもよい。

＜実施例２＞ 実施例２の流路について、図８、図９ａ、図９ｂを参照しながら説明する。

実施例２の流路は、実施例１と同様に、回転傾斜露光法を用いて作製する。

例えば図８の透視図に示すように、流路は、マスク板１０上に塗布された光硬化性樹脂２０に断面３角形の空間を形成することにより、作製する。流路は、マスク板１０の主面１０ａに形成されたＵ字状に湾曲する遮光要素１２ｘに沿って形成され、流路の内面には遮光要素１２ｘが露出する。このマスクパターンの遮光部は、「延在する方向が変化する要素」として、Ｕ字状に湾曲する遮光要素１２ｘを含んでいる。

次に、Ｕ字状に延在する流路の作製方法について説明する。

まず、上面１０ａにＵ字状に湾曲する一定幅の遮光要素１２ｘを有するマスクパターンが形成されたマスク板１０を用意し、マスク板１０の上面１０ａに光硬化性樹脂２０を塗布する。

次いで、上述した回転傾斜露光法により、マスクパターンを介して光硬化性樹脂２０の露光を行う。

回転露光法を用いると、遮光要素１２ｘの幅（遮光要素１２ｘの延在方向に対して直角方向の寸法）が一定であれば、遮光要素１２ｘが湾曲しても、光硬化性樹脂２０には遮光要素１２ｘの延在方向に直角方向の断面１４ａ，１４ｂにおいて、寸法・形状が一定の未露光部分が形成されるので、流路２２ｘは、その延在方向に直角な断面１５ａ，１５ｂ，１５ｓ，１５ｔの寸法・形状が一定となる。

上記のように、光硬化性樹脂２０内の露光部分のうち、少なくとも遮光要素に沿って形成される未露光部分の近傍部分について、吸光量が硬化基準値以上となるように回転露光法により露光すると、マスクパターンの遮光要素に沿って延在し、かつ、遮光要素が内面に露出する流路を形成することができる。

次に、図９ａ、図９ｂを参照しながら作製例について説明する。

図９ａ（１）の要部斜視図に模式的に示すように、マスクパターンの湾曲した遮光要素に対応して、湾曲した流路を作製することができる。図９ａ（２）は、円弧状に複数の流路を作製した作製例の写真である。

図９ｂ（１）に示すように、マスクパターンの交差した遮光要素に対応して、交差した流路を作製することができる。このマスクパターンの遮光部は、Ｘ字状に「交差する要素」Ｘを含んでいる。図９ｂ（２）は、種々の幅の遮光要素が直角に交差するマスクパターンを用いて光硬化性樹脂に流路を作成した作製例の写真である。

図９ａ、図９ｂに示すように、回転傾斜露光法を用いると、流路を任意の方向に曲げたり、任意の方向に交差させたりすることができ、設計の自由度が向上する。例えば、Ｕ字状やＳ字状に湾曲し、延在する方向が変化する遮光要素により、Ｕ字状やＳ字状に滑らかに曲がる流路を形成することができる。また、Ｖ字状やＺ字状に折れ曲がり、延在する方向が変化する遮光要素により、Ｖ字状やＺ字状に折れ曲がる流路を形成することができる。また、Ｘ字状に交差する遮光要素により、Ｘ字状に交差する流路を形成することができる。さらには、Ｙ字状に合流分岐する遮光要素により、Ｙ字状に合流分岐する流路を形成することができる。

＜実施例３＞ 実施例３のオリフィス構造体について、図１０〜図１６を参照しながら説明する。

実施例２と同様に、回転傾斜露光法により、図１０（ａ）に示すように、中間部分の幅を広くしたマスクパターンを用いて、図１０（ｂ）の写真に示すように、流路の中間位置に開口を有するオリフィス構造体を作製した。図１０（ｂ）において破線は、流路の位置を示している。

実施例３のオリフィス構造体を利用すると、図１１の斜視図に示した傾斜露光法で作製した参考例の細胞クランプ装置１００を改良することができる。

まず、傾斜露光法で作製した参考例の細胞クランプ装置１００について、図１１〜図１４を参照しながら説明する。

図１１に示すように、参考例の細胞クランプ装置１００は、基板１１０上の配置された光硬化性樹脂１２０に、直列に接続された複数のオリフィス構造体が形成され、光硬化性樹脂１２０の上面１２０ａには格子状あるいは千鳥状に開口１２２が形成されている。

図１１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である図１２に示すように、一つの流路１２４に複数の開口１２２が連通している。この細胞クランプ装置１００は、複数個の細胞１５０を、各開口１２２に吸着し固定するために用いる。例えば流路１２４の一端から流体と物質を供給し、他端から吸引し、細胞１５０を開口１２２に吸着して固定した状態で、細胞に瞬間的に電圧を印加し、細胞１５０の開口１２２に接している部分の細胞膜に孔を開け、細胞１５０内に開口１２２に連通する流路１２４側から物質を導入し、そのときの細胞１５０の挙動を観察する。

参考例の細胞クランプ装置１００のオリフィス構造体は、図１３の要部拡大斜視図に示すように、マスク板１１０の上面１１０ａに、直線状の第１要素１１２ａの中間位置において長円状に第２要素１１２ｂが膨出するように形成された遮光部１１２を有するマスクパターンを用い、遮光部１１２の第１要素１１２ａの延在方向に垂直な断面において、マスク板１１０の法線方向に対して左右に傾いた２方向から露光を行い、図１４の要部拡大透視図に示すように、オリフィス構造体１２４を形成する。オリフィス構造体１２４は、直線状に延在し断面三角形である流路１２４ａの中間位置に、開口１２２に連通する円錐台形状の空洞部１２４ｂが接続されている。

この参考例の細胞クランプ装置１００は、直列に配置する同一寸法・形状のオリフィス構造体１２４が増えると、各開口１２２における吸引圧力の差が大きくなり、細胞１５０を吸着する力が不足して細胞１５０を固定できなかったり、逆に細胞１５０を開口１２２に吸引する力が過大となり、細胞１５０が圧力負荷により損傷を受けたりするおそれがある。

オリフィス構造体１２４が直列に接続されている参考例の細胞クランプ装置１００は、実施例３のオリフィス構造体が並列に接続された構成とすることにより、改良することができる。

次に、実施例３のオリフィス構造体が並列に接続された細胞クランプ装置について、図１５及び図１６を参照しながら説明する。

図１５の要部拡大斜視図に示すように、マスク板１０の上面１０ａに、マスクパターンとして、平行に配置された相対的に幅が大きい第１要素１２ｋと、第１の要素１２ｋの間を接続する相対的に幅が小さい第２要素１２ｓと、第２要素１２ｓの中間位置に膨出するように形成された円形の第３要素１２ｔとにより、遮光部が形成されている。平行に配置された第１の要素１２ｋの間に第２要素１２ｓが接続されており、第１の要素１２ｋと第２要素１２ｓとは、合流分岐する要素である。第３要素１２ｔは、第２要素１２ｓの中間位置に配置され、第２要素１２ｓから膨出している。このマスク板１０を用いて、マスク板１０上に配置された光硬化性樹脂２０を回転傾斜露光法により露光した後、現像して、図１６の要部拡大透視図に示すように、開口２３を有するオリフィス構造体２１を形成する。すなわち、マスクパターンの遮光部の第１要素１２ｋに沿って、流路２４ａ，２４ｂが形成される。流路２４ａ，２４ｂの間には、マスクパターンの遮光部の第２要素に１２ｓに沿って流路２２ｓが形成される。流路２２ｓの中間位置には、マスクパターンの遮光部の第３要素１２ｔを底面とする円錐台形状の空洞部２２ｔが形成され、空洞部２２ｔは開口２３に連通する。

このように相対的に太い流路２４ａ，２４ｂの間に、相対的に細い流路２２ｓを介してオリフィス構造体２１を並列に配置すると、オリフィス構造体２１の開口２３間の吸引圧力差を小さくすることができる。そのため、開口２３の個数を増やしても、細胞吸着力の不足や、細胞への過度の圧力負荷により損傷が起こらないようにすることができ、多数の細胞を同時に固定できる細胞クランプ装置を、容易に作製することができる。

＜実施例４＞ 実施例４の合流・分岐流路構造について、図１７〜図２１を参照しながら説明する。

実施例４の合流・分岐流路構造は、図１７の斜視図に示すように、マスク板１０上の光硬化性樹脂２０に形成された流路が、三次元的に分岐している。すなわち、破線で囲んだ部分において、矢印４０ｓで示すようにマスク板１０に接して延在する合流流路と、矢印４２ｓ，４４ｓ，４４６で示すようにマスク板１０に接して延在する第１〜第３の分岐流路と、矢印４３ｓ，４５ｓ，４７ｓで示すようにマスク板１０に対して斜めに延在する第４〜第６の分岐流路とが、接続されている。

このような合流・分岐流路構造は、図１８の平面図に示すように、幅ｄの合流要素３０の一端に、幅ｄ／３の第１、第２及び第３の分岐要素３２，３４，３６が接続された遮光部を有するマスクパターンをマスク板１０に形成し、その上に光硬化性樹脂２０を塗布し、傾斜露光法により、マスク板１０を介して光硬化性樹脂２０の露光を行うことにより形成することができる。マスク板１０に形成されたマスクパターンの遮光部は、合流要素３０と第１、第２及び第３の分岐要素３２，３４，３６とにより形成された「合流分岐する要素」を含む。

図１９ａ〜図１９ｄは、図１８において矢印で示した断面位置（１）〜（４）で切断して光硬化性樹脂２０内の露光状態を模式的に示した斜視図である。

図１９ａに示すように、光硬化性樹脂２０には、マスク板１０に沿って延在し、遮光部の合流要素３０に接する未露光部分によって、断面三角形の合流流路４０が形成される。合流流路４０の底面には、遮光部の合流要素３０が露出する。

また、図１９ｂ〜図１９ｄに示すように、光硬化性樹脂２０には、マスク板１０に沿って延在し、それぞれ、遮光部の第１〜第３の分岐要素３２，３４，３６に接する未露光部分によって、断面三角形の第１〜第３の分岐流路４２，４４，４６が形成される。分岐流路４２，４４，４６の底面には、遮光部の第１〜第３の分岐要素３２，３４，３６が露出する。

さらに、図１９ｂ〜図１９ｄに示すように、光硬化性樹脂２０には、マスク板１０に対して斜めに延在し、断面が平行四辺形の第４〜第６の分岐流路４３，４５，４７が形成される。第４の分岐流路４３は、遮光部の第１の分岐要素３２による未露光部分と、遮光部の第２の分岐要素３４による未露光部分とが重なり合う部分に形成される。第５の分岐流路４５は、遮光部の第２の分岐要素３４による未露光部分と、遮光部の第３の分岐要素３６による未露光部分とが重なり合う部分に形成される。第６の分岐流路４７は、遮光部の第３の分岐要素３６による未露光部分と、遮光部の第１の分岐要素３２による未露光部分とが重なり合う部分に形成される。光硬化性樹脂２０の上面２０ａには、第４〜第６の分岐流路４３，４５，４７に連通する開口４３ｘ，４５ｘ，４７ｘが形成される。

つまり、合流流路４０は主流路であり、第１〜第３の分岐流路４２，４４，４６は平行分岐流路であり、第４〜第６の分岐流路４３，４５，４７は斜行分岐流路である。

図２０ａ、図２０ｂは、作製例のＳＥＭ写真である。図２０ａは図１８において矢印で示した断面位置（２）を、図２０ｂは分岐流路の先端側（合流流路から遠い側）を、それぞれ斜めから撮影したＳＥＭ写真である。図２０ａからは、図１９ａ及び図１９ｂのように、合流路４０から分岐流路４４〜４７が分岐し、光硬化性樹脂２０の上面２０ａに開口４７ｘが形成されている様子が分かる。図２０ａからは、図１９ａ及び図１９ｂのように、光硬化性樹脂２０の上面２０ａに開口４３ｘ，４５ｘ，４７ｘが形成されている様子が分かる。この作製例では、ｄ＝３０μｍのマスクパターンを用い、光硬化性樹脂の膜厚を５０μｍ、マスク板の法線方向に対して±１７°傾けて２回の露光を行った。作製条件の詳細を図２１に示す。

合流流路４０の断面積は、第１〜第７の分岐流路４２〜４７の断面積の合計に等しい。合流流路４０が第１〜第７の分岐流路４２〜４７のそれぞれとなす角度は、１８０°又は１８０°前後の大きさにすることができる。そのため、第１〜第７の分岐流路４２〜４７を流れる流体が合流流路４０で合流する場合においても、逆に、合流流路４０を流れる液体が第１〜第７の分岐流路４２〜４７に分岐する場合においても、合流・分岐の際に、流れの乱れができるだけ生じないようにすることができる。

特に、第１〜第７の分岐流路４２〜４７を流れる流体が合流流路４０で合流する場合には、合流流路４０内において三次元多層流を実現でき、液界面の増加による高速混合が可能となる。

＜まとめ＞ 以上に説明した種々の流路要素の形成方法を適宜に組み合わせることで、マイクロチップや細胞クランプ装置など、種々の微細構造を組み合わせた微小構造体について、微小構造体の微細構造を一括して形成することができる。これにより、微細加工した部品同士を高精度に位置合せするアライメント工程が不要になり、種々の微細構造を組み合わせた製品の作製が容易になり、製造コスト低減が可能になる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えて実施することが可能である。例えば、本発明を、マイクロ流体システム以外の微小構造体に適用することも可能である。

本発明は、マイクロチップや細胞クランプ装置など、微細構造を有するＭＥＭＳデバイス等の製造に適用することができる。

Claims (7)

1. 光が透過する透光部と光の透過を阻止する遮光部とを含むマスクパターンと、前記マスクパターンに沿って配置された光硬化性樹脂とを、前記マスクパターン及び前記光硬化性樹脂を貫通する一つの回転軸を中心に回転させながら、前記回転軸に対して斜め方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、前記光硬化性樹脂に、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になった高露光部分と、前記硬化基準値未満の吸光量である低露光部分とを形成する第１のステップと、
   前記光硬化性樹脂の少なくとも前記低露光部分を除去して、前記光硬化性樹脂の前記高露光部分の少なくとも一部により微小構造体の少なくとも一部を形成する第２のステップと、
   を備えたことを特徴とする、微小構造体の形成方法。
2. 前記マスクパターンの前記透光部又は前記遮光部は、交差する要素と、合流分岐する要素と、延在する方向が変化する要素とのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の微小構造体の形成方法。
3. 前記第１のステップの実行後における前記光硬化性樹脂内の吸光量の分布を算出し、前記光硬化性樹脂内の前記吸光量が等しい面によって形成される立体形状のうち、所望の立体形状を選択し、選択した立体形状を形成する前記光硬化性樹脂内の前記吸光量が等しい面の部分について、前記第１のステップの実行後における吸光量が実質的に前記硬化基準値に等しくなるように前記第１のステップにおいて前記光硬化性樹脂の露光を行うために必要な露光量を決定する第３のステップをさらに備え、
   前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行う際の露光量が、前記第３のステップにおいて決定した露光量と一致するように、露光量を制御し、
   前記第２のステップにおいて、前記第３のステップで選択した立体形状と実質的に同一の形状を前記光硬化性樹脂に形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の微小構造体の形成方法。
4. 前記マスクパターンの前記透光部は、前記回転軸と平行な軸と同軸に延在するリング形状のリング要素を含み、
   前記第２のステップにおいて、前記光硬化性樹脂には、前記マスクパターンの前記透光部の前記リング要素に対応して、先端に開口を有し、内部に前記開口に連通する空洞を有する突起状のオリフィス構造体が形成されることを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の微小構造体の形成方法。
5. 光が透過する透光部と、光の透過を阻止し、かつ延在する方向が変化する遮光要素とを含むマスクパターンと、前記マスクパターンに沿って配置された光硬化性樹脂とを、前記マスクパターン及び前記光硬化性樹脂を貫通する一つの回転軸を中心に回転させながら、前記回転軸に対して斜め方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、前記光硬化性樹脂内において、前記遮光要素に接して形成される未露光部分を囲む部分に、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になる高露光部分を形成する第１のステップと、
   前記光硬化性樹脂の少なくとも前記未露光部分を除去して、前記光硬化性樹脂の前記高露光部分の少なくとも一部により、延在する向きが変化する流路空間の少なくとも一部を形成する第２のステップと、
   を備えたことを特徴とする、微小構造体の形成方法。
6. 光の透過を阻止する主流路要素と前記主流路要素の一端から放射状に延在し光の透過を阻止する２本以上の分岐流路要素とを含むマスクパターンに沿って光硬化性樹脂を配置した状態で、少なくとも異なる２方向から前記マスクパターンを介して前記光硬化性樹脂の露光を行い、
   前記光硬化性樹脂内に、
   前記マスクパターンの前記主流路要素及び前記分岐流路要素により前記主流路要素及び前記分岐流路要素と接する第１の未露光部分を形成し、
   前記マスクパターンの前記分岐流路要素により前記マスクパターンの前記主流路要素の前記一端から前記マスクパターンに対して斜めに延在する第２の未露光部分を形成し、
   前記第１の未露光部分を囲む部分と前記第２の未露光部分を囲む部分とに、前記光硬化性樹脂が硬化する吸光量の閾値である硬化基準値以上の吸光量になる高露光部分を形成する第１のステップと、
   前記光硬化性樹脂の前記第１の未露光部分を除去して、主流路と、前記主流路の一端から放射状に延在する２本以上の平行分岐流路とを、同一面に沿って平行に形成し、
   前記光硬化性樹脂の前記第２の未露光部分を除去して、前記主流路の前記一端から前記同一面に対して斜めに延在する、１又は２本以上の斜行分岐流路を形成する第２のステップと、
   を備えたことを特徴とする、微小構造体の形成方法。
7. 請求項１に記載の微小構造体の形成方法により形成される細胞クランプ装置であって、
   前記マスクパターンの前記遮光部は、
   平行に配置された相対的に幅が大きい第１の要素と、
   前記第１の要素の間を接続する、相対的に幅が小さい複数の第２の要素と、
   前記第２の要素の中間位置に前記第２の要素から膨出するように形成された第３の要素と、
   を含み、
   前記マスクパターンを用いて、請求項１に記載の微小構造体の形成方法により形成され、相対的に太い流路の間に相対的に細い流路を介してオフィス構造体が並列に配置されていることを特徴とする、細胞クランプ装置。

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