KR101985639B1 - 기판의 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법 - Google Patents

기판의 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법 Download PDF

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KR101985639B1
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후미토시 다케모토
신지 스즈키
모토히로 사카이
겐이치 히로세
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가지는 두 장의 기판을, 높은 밀착 상태로 부착시키는 것이 가능한 기반 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 기판의 부착 방법은, 제1 기판이, 기판이 변형되는 변형 가능 온도가 제2 기판의 변형 가능 온도보다도 높은 재질의 것이고, 제1 기판 및 제2 기판의 부착면 각각을 활성화하는 표면 활성화 공정과, 해당 제1 기판과 해당 제2 기판 각각의 부착면이 접촉하도록 적중시키는 적중 공정과, 제2 기판의 부착면을, 제1 기판의 부착면의 형상에 따라 변형시키는 변형 공정을 가지고, 변형 공정은, 적중 공정에 있어서 얻어진 제1 기판과 제2 기판의 적중체를, 제2 기판의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판의 변형 가능 온도 미만의 온도에서 가열하는 것에 의해 행해진다.

Description

기판의 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법
본 발명은, 두 장의 기판의 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법에 관한 것이다.
생화학 분야에 있어서, 마이크로 리액터를 사용하여 미량의 시약의 분리, 합성, 추출 또는 분석 등을 행하는 수법이 주목되고 있다. 이러한 마이크로 리액터는, 예를 들어 실리콘, 실리콘 수지 또는 유리 등으로 이루어지는 작은 기판 위에, 반도체 미세 가공 기술에 의해 마이크로 스케일의 분석용 채널 등이 형성된 마이크로칩으로 이루어지는 것이다.
이와 같은 마이크로 리액터를 사용한 반응 분석 시스템은, 마이크로·토탈·애널리시스·시스템(이하, "μTAS"라 함)이라 칭해지고 있다. 이 μTAS에 의하면, 시약의 체적에 대한 표면적의 비율이 커지게 되는 것 등으로부터 고속 및 고정밀도의 반응 분석을 행하는 것이 가능해지고, 또한, 컴팩트한 자동화된 시스템을 실현하는 것이 가능해진다.
마이크로칩에 있어서, 마이크로 채널이라 칭해지는 유로에, 시약이 배치된 반응 영역 등, 각종 기능을 가지는 기능 영역을 설치하는 것에 의해, 다양한 용도에 맞춘 마이크로칩을 구성하는 것이 가능하다. 마이크로칩의 용도로서는, 유전자 해석, 임상 진단, 약물 스크리닝 등의 화학, 생화학, 약학, 의학, 수의학 분야에 있어서의 분석, 또는, 화합물의 합성, 환경 계측 등을 들 수 있다.
이와 같은 마이크로칩은, 전형적으로는 한 쌍의 마이크로칩 기판이 대향하여 접착되어 이루어지고, 그 적어도 한 쪽의 마이크로칩 기판의 표면에, 예를 들어 폭 10~수백㎛, 깊이 10~수백㎛ 정도의 미세한 유로가 형성되어 있다. 마이크로칩 기판으로서는, 제조가 용이하고, 광학적인 검출도 가능한 것으로서, 주로 유리 기판이 사용되고 있다. 또한, 최근에는, 경량이면서도 유리 기판에 비해 파손되기 어렵고, 나아가, 저가격의 합성 수지 기판을 사용한 마이크로칩의 개발이 진행되고 있다.
마이크로칩의 제조에 있어서, 두 장의 마이크로칩 기판을 부착시키는 방법으로는, 접착체에 의해 접착하는 방법이나 열융착에 의한 방법 등이 생각되어지고 있다.
그러나, 이들 방법에는, 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 접착제에 의해 부착시키는 방법에 있어서는, 접착제가 미소 유로에 스며들어 유로가 폐색되어버린다든지, 미소 유로의 일부가 좁아지게 되어 유로의 직경이 불균일한 것이 되어버린다든지, 나아가, 유로의 벽면에 있어서의 균질한 특성에 흐트러짐이 생긴다든지, 하는 문제가 생길 우려가 있다. 또한, 열융착에 의한 부착 방법에 있어서는, 가열 용융 온도 이상에서 융착하면 가열 단계에서 유로가 찌그러져버린다는지, 유로가 소정의 단면 형상을 유지하지 못한다든지 하기 때문에, 마이크로칩의 고기능화가 곤란해지는 문제가 있다.
여기서, 두 장의 기판에 있어서 부착면의 각각에 진공 자외선을 조사하는 것이나 대기압 또는 그 근방 이하에 있어서 프로세스 가스를 플라즈마화 하여, 이 플라즈마화된 프로세스 가스를 기판의 표면에 접촉시키는 것에 의해, 해당 각 기판의 부착면을 활성화시켜, 두 장의 기판을 각각 부착면끼리 접촉하도록 적중(積重)하여 접합하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 내지 특허문헌 5 참고).
또한, 두 장의 기판의 사이에 결합막을 개재시켜, 해당 결합막에 자외선을 조사하는 것에 의해 해당 결합막에 접착성을 발현시켜, 이에 의해, 두 장의 기판을 접합하는 방법도 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 6 참고).
일본국 특허 제3714338호 공보 일본국 특허공개 2006-187730호 공보 일본국 특허공개 2008-019348호 공보 국제 특허공개 2008/087800 A1호 일본국 특허 제5152361호 공보 일본국 특허공개 2009-197169호 공보
최근, 복수의 검체의 동시 측정이나, 측정법이 서로 다른 다수의 측정과 같은, 다채로운 측정에 대응하는 것이 가능한 마이크로칩이 검토되고 있다.
이와 같은 마이크로칩의 실현에는, 한 장의 마이크로칩에 복수의 측정 검출부를 짜 넣는 것이나, 측정 검출부에 복수의 측정법에 대응하는 다양한 측정 구조를 구축하는 것 등이 필요하다. 따라서, 필연적으로 한 장의 마이크로칩은 대형화하게 된다.
대형의 마이크로칩은, 예를 들어, 가로세로가 85mm×128mm정도이고, 이러한 마이크로칩을 구성하는 두 장의 마이크로칩 기판의 두께는, 각각, 예를 들어, 수 mm이상이 된다.
그러나, 대형화한 마이크로칩에 있어서, 이하와 같은 문제가 발생한다.
상술한 것과 같이, 마이크로칩은 전형적으로 한 쌍(두 장)의 마이크로칩 기판이 대항하여 접합된 구조를 가지고 있다. 그리고, 대형의 마이크로칩에 있어서, 당연하게, 한 쌍의 마이크로칩 기판 자체도 커지게 된다. 이에 반해, 각각의 마이크로칩 기판이 불가피하게 가지는 부착면의 굴곡이나 마이크로칩 기판 자체의 휨 등이, 한 쌍의 마이크로칩 기판끼리의 접합 상태에 주는 영향도 커지게 된다.
즉, 마이크로칩 기판의 부착면의 굴곡이나 마이크로칩 기판 자체의 휨에 의해, 한 쌍의 마이크로칩 기판끼리 적중시킬 때, 부착면의 전면(全面)이 밀착되지 않는 경우도 생긴다.
도 3은, 종래의 마이크로칩의 제조 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
마이크로칩의 제조 방법을 구체적으로 설명하면, 먼저, 제1 마이크로칩 기판(51)의 부착면(51a) 및 제2 마이크로칩 기판(55)의 부착면(55a) 각각에, 자외선 광원(59)으로부터 방사된 진공 자외선(L)을 조사한다(도 3(a-1) 및 (a-2)). 여기서, 제1 마이크로칩 기판(51)의 부착면(51a)에는 굴곡(도 3에 있어서 점선으로 둘러쌓인 부분)이 생겨있는 것으로 한다.
다음으로, 제1 마이크로칩 기판(51)의 부착면(51a) 및 제2 마이크로칩 기판(55)의 부착면(55a)이 접촉하도록, 제1 마이크로칩 기판(51) 및 제2 마이크로칩 기판(55)을 적중한다. 얻어진 적중체(50)에 있어서, 제1 마이크로칩 기판(51)의 부착면(51a)에 관한 굴곡을 가진 부분에는, 조금씩의 공간(S)이 형성되어 있다(도 3(b)).
나아가, 이 적중체(50)를 가압 및 가열한다(도 3(c)). 이와 같이 가압 및 가열하는 것에 의해, 접합체(57)가 얻어진다. 접합체(57)에 있어서, 상기 공간(S)이 소실되고, 제1 마이크로칩 기판(51)과 제2 마이크로칩 기판(55)가 부착면(51a, 55a)끼리의 전면이 밀착되어 양호하게 부착되는 경우도 있으나, 도 3(d)에 나타낸 것과 같이, 상기 공간(S)이 소실되지 않고 부착의 불량 부분으로서 잔류하는 것도 많다.
이와 같이, 마이크로칩 기판에 한정하지 않고, 부착하는 기판이 클수록, 기판의 부착면의 굴곡이나 기판 자체의 휨에 의해, 기판끼리의 접착의 불량 부분이 생기는 것이나, 두 장의 기판의 접착면에 기포 등이 끼어드는 것 등의 문제가 발생하기 쉽다.
또한, 기판의 부착면의 굴곡이나 기판 자체의 휨이 있는 상태에서 두 장의 기판을 부착한 경우, 상기 굴곡이나 휨에 기인하여 접합체의 일부에 응력 집중이 발생하고, 경우에 따라서는 당초에는 접합되어 있던 기판의 적어도 일부 영역이, 이러한 응력 집중에 의해, 벗겨져버리는 문제도 생길 수 있다.
또한, 접합체에 있어서 접합면에 기포가 존재하는 경우, 이들이 광학적 측정을 행할 때의 노이즈의 원인이 되어버리는 경우가 있다.
이상과 같은 문제점으로 인해, 비교적 큰 사이즈의 마이크로칩을 제조하는 것이 어렵고, 예를 들어 슬라이드 유리 정도 크기의 소형 마이크로칩밖에 제조할 수 없는 것이 현재 상황이다. 이로 인해, 한 장의 마이크로칩에 복수의 측정 검출부를 짜 넣는 것이나, 측정 검출부에 복수의 측정법에 대응하는 다양한 측정 구조를 구축하는 것이 곤란했다.
나아가, 마이크로칩 기판의 두께가 예를 들어 10㎛정도 등으로 얇은 경우에는, 해당 마이크로칩 기판의 가요성(可撓性)이 높으므로 두 장의 마이크로칩 기판의 접합면의 밀착성을 향상시키는 것이 가능하나, 대형의 마이크로칩을 제조하는 경우에는 개개의 마이크로칩 기판의 두께가 수mm이상이 되므로, 이와 같은 수법을 선택하는 것이 어렵다.
본 발명은, 이상과 같은 사정에 기초하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가진 두 장의 기판을, 높은 밀착 상태로 부착시키는 것이 가능한 기판의 부착 방법 및 마이크로칩의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기판의 부착 방법은, 각각의 유리 또는 수지로 이루어지는 제1 기판 및 제2 기판을 부착시키는 방법에 있어서, 제1 기판은, 기판이 변형되는 변형 가능 온도가 제2 기판의 변형 가능 온도보다도 높은 재질인 것이고, 제1 기판의 부착면 및 제2 기판의 부착면 각각을 활성화하는 표면 활성화 공정과, 해당 제1 기판과 해당 제2 기판을 각각 부착면이 접촉하도록 적중하는 적중 공정과, 상기 제2 기판의 부착면을, 상기 제1 기판의 부착면의 형상에 따라 변형시키는 변형 공정을 가지고, 상기 변형 공정은, 상기 적중 공정에 있어서 얻어진 제1 기판과 제2 기판의 적중체를, 제2 기판의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판의 변형 가능 온도 미만의 온도에서 가열하는 것에 의해 행해지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기판의 부착 방법에 있어서, 상기 변형 공정에 있어서, 적중된 두 장의 기판을 서로에 대해 접근하는 방향으로 가압하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기판의 부착 방법에 있어서, 상기 표면 활성화 공정은, 상기 제1 기판의 부착면 및 상기 제2 기판의 부착면 각각에 진공 자외선을 조사하는 자외선 조사 처리 공정인 구성으로 하는 것이 가능하다.
본 발명의 기판의 부착 방법에 있어서, 상기 표면 활성화 공정은, 대기압 플라즈마에 의해 플라즈마화된 프로세스 가스를, 상기 제1 기판의 부착면 및 제2 기판의 부착면 각각에 접촉시키는 플라즈마 가스 처리 공정인 구성으로 하는 것이 가능하다.
본 발명의 마이크로칩의 제조 방법은, 각각 유리 또는 수지로부터 이루어지는 제1 기판 및 제2 기판에 있어서, 해당 제1 기판 및 해당 제2 기판의 적어도 한 쪽의 부착면에 유로 형성 부분이 설치되어 있고, 상기 기판의 부착 방법에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 부착시키는 것에 의해, 내부에 매체가 흐를 수 있는 유로를 가지는 마이크로칩을 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로칩의 제조 방법에 있어서, 상기 유로 형성 부분이, 상기 제1 기판의 부착면에만 설치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 기판의 부착 방법에 의하면, 변형 공정에 있어서 제2 기판의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판의 변형 가능 온도 미만의 온도에서 가열하는 것에 의해 제2 기판만이 연화되므로, 제2 기판의 부착면을 제1 기판의 부착면에 따라 변형시키는 것이 가능하여 접합체의 접합면의 전면을 확실히 밀착시키는 것이 가능하고, 따라서, 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가지는 제1 기판 및 제2 기판을, 높은 밀착 상태로 부착시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 마이크로칩 제조 방법에 의하면, 변형 공정을 거치는 것에 의해 제2 기판의 부착면이 제1 기판의 부착면의 형상에 따라 변형되므로, 얻어지는 마이크로칩의 접합면의 전면을 확실히 밀착시키는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들어 큰 면적의 마이크로칩 기판 등의, 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가지는 제1 기판 및 제2 기판을 높은 밀착 상태로 부착시키는 것이 가능하고, 그 결과, 대형의 마이크로칩이더라도 소기의 유로를 높은 신뢰성으로 형성하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 기판의 부착 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는, 본 발명의 마이크로칩의 제조 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 3은, 종래의 마이크로칩의 제조 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 4는, 본 발명에 사용되는 대기압 플라즈마 장치의 일례에 있어서의 구성을 개략적으로 나타낸 설명용 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세히 설명한다.
[기판의 부착 방법]
도 1은, 본 발명의 기판의 부착 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이다. 본 발명의 기판의 부착 방법은, 제1 기판(11)의 부착면(11a) 및 제2 기판(15)의 부착면(15a) 각각을 활성화하는 표면 활성화 공정(도 1(a-1) 및 도 1(a-2))과, 해당 제1 기판(11)과 해당 제2 기판(15)을 각각의 부착면(11a, 15a)이 접촉하도록 적중하는 적중 공정(도 1(b))과, 제2 기판(15)의 부착면(15a)을, 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 형상에 따라 변형시키는 변형 공정(도 1(c))을 가진다.
[기판]
본 발명에 적용되는 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)은, 각각, 유리 및 합성 수지로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지는 것이다.
기판(11, 15)을 구성하는 합성 수지로서는, 실리콘 수지, 시클로올레핀 수지(시클로올레핀폴리머(COP)나 시클로올레핀코폴리머(COC) 등), 아크릴 수지 등을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 기판(11, 15)이 마이크로칩 기판인 경우, 광투과성이 우수한 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 광투과성이 우수한 수지로서는, 예를 들어, 아크릴 수지 또는 시클로올레핀 수지를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 기판의 변형 가능 온도는, 해당 기판이 변형하는 온도이며, 구체적으로는 해당 기판을 구성하는 재료의 유리 전이점(Tg)보다 조금 낮은 (Tg-10)의 온도를 말한다. 이러한 기판의 변형 가능 온도는, 사출 성형 시의 수지 투입량이나 보압(保壓) 및 온도 저하 속도에 의해 약간 변화하는 경우가 있다.
제1 기판(11) 및 제2 기판(15)은, 제1 기판(11)의 변형 가능 온도가 제2 기판(15)의 변형 가능 온도보다도 높은 재료인 것으로 한다.
즉, 제1 기판(11)의 유리 전이점을 Tg1, 제2 기판(15)의 유리 전이점을 Tg2로 하면, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 변형 가능 온도는 관계식: (Tg1-10)>(Tg2-10)을 만족하는 것이다.
제1 기판(11) 및 제2 기판(15)의 크기는, 예를 들면 가로세로가 85mm×128mm, 두께는 각각 1~3mm이다.
본 발명의 기판의 부착 방법에 의하면, 이하에 상술하는 것과 같이, 두께가 예를 들어 1~3mm의 두꺼운 기판이더라도, 제2 기판(15)의 부착면(15a)을 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 형상에 따라 변형시키는 것이 가능하여 얻어지는 접합체(17)의 접합면(17a)의 전면을 유효하게 밀착시키는 것이 가능하다.
[표면 활성화 공정]
표면 활성화 공정은, 제1 기판(11)의 부착면(11a) 및 제2 기판(15)의 부착면(15a) 각각에 진공 자외선(L)을 조사하는 자외선 조사 처리 공정, 또는 대기압 플라즈마에 의해 플라즈마화된 프로세스 가스를, 제1 기판(11)의 부착면(11a) 및 제2 기판(15)의 부착면(15a) 각각에 접촉시키는 플라즈마 가스 처리 공정인 것이 바람직하다. 도 1에 있어서는 자외선 조사 처리 공정을 행하는 것으로 한다.
(1) 자외선 조사 처리 공정
표면 활성화 공정으로서, 자외선 조사 처리 공정을 선택한 경우에 있어서, 자외선 광원(19)으로부터, 기판(11, 15)에 있어서의 부착면(11a, 15a)에, 파장 200nm이하의 진공 자외선(L)을 조사한다.
자외선 광원(19)으로서는, 예를 들어, 파장 172nm에 휘선(輝線)을 가지는 크세논 엑시머 램프 등의 엑시머 램프, 파장 185nm에 휘선을 가지는 저압 수은 램프, 파장 120~200nm의 범위에 휘선을 가지는 중수소 램프를 최적으로 사용하는 것이 가능하다.
기판(11, 15)의 부착면(11a, 15a)에 조사되는 진공 자외선(L)의 조도는, 예를 들어 10~100mW/㎠이다.
또한, 기판(11, 15)의 부착면(11a, 15a)에 대한 진공 자외선(L)의 조사 시간은, 기판(11, 15)을 구성하는 재료에 대응하여 적절히 설정하나, 예를 들어 5초간 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~60초간이다.
(2) 플라즈마 가스 처리 공정
표면 활성화 공정으로서, 플라즈마 가스 처리 공정을 선택하는 경우에 있어서, 대기압 플라즈마에 의해 플라즈마화된 프로세스 가스를, 기판의 부착면에 접촉시킨다.
프로세스 가스로서는, 질소 가스, 아르곤 가스 등을 주성분으로, 산소 가스가 0.01~5체적% 함유된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또는, 질소 가스와 클린 드라이 에어(CDA)와의 혼합 가스를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 플라즈마 가스 처리에 의한 처리 시간은, 예를 들어 5~100초간이다.
이와 같이 하여 기판에 대한 표면 활성화 처리를 행하는 것에 의해, 기판(11, 15)에 있어서 부착면(11a, 15a)은, 접합에 적절한 상태, 즉, 말단이 히드록시기(OH기)나 카르복시기(COOH기)로 치환된 상태가 된다.
[적중 공정]
적중 공정에 있어서, 도 1(b)에 나타낸 것과 같이, 실온 환경 하에 있어서, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)을, 제1 기판(11)의 부착면(11a)과 제2 기판(15)의 부착면(15a)이 서로 접촉한 상태로 적중시킨다.
이러한 적중 공정을 거치는 것에 의해, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)이 적중된 상태의 적중체(10)가 얻어진다.
여기서, 제1 기판(11)의 부착면(11a)에는 굴곡(도 1에 있어서 점선으로 둘러쌓인 부분)이 생성되어 있는 것으로 한다. 따라서, 얻어진 적중체(10)에 있어서, 제1 기판(11)의 부착면(11a)에 관계되는 굴곡을 가지는 부분에는, 공간(S)이 형성된다.
또한, 도 1의 예에 있어서 제2 기판(15)에는 굴곡이 형성되어 있지 않은 것으로 하나, 제2 기판(15)에도 굴곡이나 휨이 생겨 있더라도, 본 발명의 효과가 얻어진다.
[변형 공정]
변형 공정에 있어서, 적중 공정에 있어서 얻어진 적중체(10)를 가열하는 것에 의해 부착면(15a)을, 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 형상에 따라 변형시키는 것이 가능하다.
<가열 조건>
가열 온도는, 제2 기판(15)의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판(11)의 변형 가능 온도 미만의 온도에서, 가열 시간은 예를 들어 60~300초간이다.
이러한 변형 공정에 있어서, 가열과 동시 및/또는 가열 전후에, 적중체(10)의 두 장의 기판(11, 15)을 서로 접근하는 방향으로 가압하는 것이 바람직하다. 도 1(c)에 있어서, 적중체(10)에 대한 가압력을 편의상 흰색 화살표로 나타내고 있다.
적중체(10)에 대한 가압은, 예를 들어 일정한 가압 조건으로 행한다든지, 처리 조건을 적절히 조정하여 복수 단계 예를 들어 2단계로 나눠서 진행하여도 좋다.
구체적인 가압 조건을 들자면, 가압력이 예를 들어 0.1~5MPa이고, 가압 시간이 예를 들어 60~300초이다. 또한, 기판에 대한 가압 처리를 예를 들어 2단계로 나눠서 행하는 경우에는, 두 번째의 가압 처리에 있어서의 가압력은, 상기 수치 범위 내에 두고, 첫 번째의 가압 처리에 있어서의 가압력보다 작게 설정하는 것이 가능하다. 또한 두 번째의 가압 처리에 있어서의 가압 시간은, 상기 수치 범위 내에 두고, 첫 번째의 가압 처리에 있어서의 가압 시간보다 길게 설정하는 것이 가능하다.
이러한 변형 공정에 있어서, 이하와 같이 제2 기판(15)이 변형된다. 즉, 적중체(10)를 제2 기판(15)의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판(11)의 변형 가능 온도 미만으로 가열하면, 제2 기판(15)이 연화된다. 한편, 제1 기판(11)은 유리 전이점에 도달하지 않으므로 연화되지 않고, 강성을 유지하고 있다. 따라서, 제2 기판(15)만이 연화되고, 제2 기판(15)의 부착면(15a)의 형상이 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 굴곡의 형상에 따라 변형되어 적중체(10)에 있어서의 공간(S)이 소실되고, 도 1(d)에 나타낸 것과 같이, 제1 기판(11)의 부착면(11a)과 제2 기판(15)의 부착면(15a)이 전면에 있어 동일한 형태로 접촉한 상태가 된다. 그 결과, 기판끼리의 접합의 불량 부분이 발생하는 것이나 두 장의 기판의 접합면에 기포가 끼어지는 것 등이 회피되어, 제1 기판(11) 및 제2 기판(15) 사이에 양호한 밀착 상태를 얻을 수 있다.
그리고, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)이, 다양한 화학 반응 프로세스를 거치는 것에 의해, 예를 들어, 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 종단의 OH기와 제2 기판(15)의 부착면(15a)의 종단의 OH기에 의한 수소 결합에 의해, 또는, 그로부터 탈수 축합한 공유 결합에 의해 접합되고, 이에 의해, 제1 기판(11)과 제2 기판(15)이 일체로 강고하게 접합된 접합체(17)가 얻어진다.
이상과 같은 기판의 부착 방법에 의하면, 변형 공정에 있어서 제2 기판(15)의 변형 가능 온도 이상, 제1 기판(11)의 변형 가능 온도 미만으로 가열하는 것에 의해서 제2 기판(15)만이 연화하므로, 제2 기판(15)의 부착면(15a)을 제1 기판(11)의 부착면(11a)의 형상에 따라 변형시키는 것이 가능하여 접합체(17)의 접합면(17a)의 전면을 확실하게 밀착시키는 것이 가능하고, 따라서, 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가지는 제1 기판(11) 및 제2 기판(15)을, 높은 밀착 상태로 접합하는 것이 가능하다.
[마이크로칩의 제조 방법]
본 발명의 마이크로칩의 제조 방법은, 상기 기판의 부착 방법을 사용하여 내부에 매체가 흐를 수 있는 유로를 가지는 마이크로칩을 얻는 방법이다.
즉, 각각 유리 또는 수지로 이루어지고, 서로 변형 가능 온도가 다른 제1 기판 및 제2 기판에 있어서, 제1 기판 및 제2 기판의 적어도 한 쪽의 부착면, 바람직하게는 변형 가능 온도가 높은 기판(본 발명에 있어서 제1 기판)의 부착면만에 유로 형성 부분이 설치되는 것을 마이크로칩 기판으로서 사용한다.
유로 형성 부분이 변형 가능 온도가 높은 쪽의 기판(본 발명에 있어서 제1 기판)의 부착면에만 설치되어 있는 경우에는, 변형 공정 중에 제1 기판은 연화되지 않으므로, 해당 제1 기판에 형성된 유로 형성 부분의 찌그러짐이나 변형이 없으며, 따라서, 얻어진 마이크로칩에 있어서의 유로에 찌그러짐이나 변형이 발생하지 않는다.
도 2는, 본 발명의 마이크로칩의 제조 방법의 일례를 개략적으로 나타낸 설명도이며, (a-1)은 제1 기판의 평면도, (b-1)은 A-A의 선단면도, (a-2)는 제2 기판의 평면도, (b-2)는 B-B의 선단면도, (c)는 얻어진 마이크로칩의 단면도이다.
본 발명의 마이크로칩의 제조 방법에 있어서, 구체적으로는, 마이크로칩 기판으로서, 제1 마이크로칩 기판(21) 및 제2 마이크로칩 기판(25)을 사용한다. 제1 마이크로칩 기판(21)은, 예를 들어 시약 등을 주입하기 위한 관통 구멍을 가지는 주입 포트(22) 및 시약 등을 배출하기 위한 관통 구멍을 가지는 배출 포트(23)를 가지고, 부착면(21a)(도 2(a-2)에 있어서 상면)에, 주입 포트(22)의 관통 구멍 및 배출 포트(23)의 관통 구멍을 연통하는, 단면 형상이 직각의 홈통 형상의 유로 형성 부분(24)을 가진다. 이들 주입 포트(22), 배출 포트(23) 및 유로 형성 부분(24) 등에 필요한 구조 오목부는, 예를 들어 기계 가공이나 몰드 전사 등의 공지 기술에 의해 형성하는 것이 가능하다.
제2 마이크로칩 기판(25)에는 구조 오목부가 형성되어 있지 않으나, 예를 들어 그 부착면(25a)에, 제1 마이크로칩 기판(21)의 구조 오목부에 대응하는 구조 오목부가 형성되어 있어도 좋다.
도 2의 제1 마이크로칩 기판(21)은, 측정 회로부가 되는 구조 오목부(주입 포트(22), 유로 형성 부분(24) 및 배출 포트(23))가 한 조만이 형성되어 있는 것이나, 한 장의 제1 마이크로칩 기판에 다수의 측정 회로부가 되는 다수의 구조 오목부가 형성된 것을 사용하는 것에 의해, 다수의 기능을 실현하는 것이 가능한 대형의 마이크로칩을 제조하는 것이 가능하다.
마이크로칩 기판(21, 25)의 크기는, 예를 들어 가로세로가 85mm×128mm이고, 두께가 예를 들어 1~3mm이다.
제1 마이크로칩 기판(21)의 구조 오목부의 유로 형성 부분(24)의 치수의 일례를 들자면, 폭이 150㎛, 깊이가 150㎛, 길이가 20mm이다.
제1 마이크로칩 기판(21) 및 제2 마이크로칩 기판(25)이 부착된 접합체인 마이크로칩(27)은, 도 2(c)에 나타낸 것과 같이, 제1 마이크로칩 기판(21)에 형성된 유로 형성 부분(24)이 제2 마이크로칩 기판(25)이 덮개가 되어 이에 의해 밀폐되어, 내부에 매체가 흐를 수 있는 유로(R)가 구획된다.
이상과 같은 마이크로칩 제조 방법에 의하면, 변형 공정을 거치는 것에 의해 제2 마이크로칩 기판(25)의 부착면(25a)이 제1 마이크로칩 기판(21)의 부착면(21a)의 형상에 따라 변형되므로, 얻어진 마이크로칩(27)의 접합면(27a)의 전면을 확실하게 밀착시키는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들어 대면적의 마이크로칩 기판 등의 적어도 한 쪽의 기판에 휨이나 부착면의 굴곡을 가진 제1 마이크로칩 기판(21) 및 제2 마이크로칩 기판(25)을 높은 밀착 상태로 접합하는 것이 가능하고, 그 결과, 대형의 마이크로칩에 있어서도 소기의 유로를 높은 신뢰성으로 형성하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 각종의 변경을 더하는 것이 가능하다.
[실시예]
이하, 본 발명의 기판의 부착 방법의 구체적인 실시예에 대해 설명하나, 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
하기의 기판(A) 및 기판(B)를 준비하였다.
기판(A)는, 시클로올레핀 수지(일본 제온 주식회사제 '제오넥스 460R', 변형 가능 온도: 120℃)로 이루어진다.
기판(B)는, 아크릴 수지(스미토모 화학 주식회사제 '스미펙스', 변형 가능 온도: 100℃)로 이루어진다.
각 기판의 변형 가능 온도는, 각각의 유리 전이점 - 10℃에 상당하는 것이다.
<참고례 1~7>
제1 기판 및 제2 기판으로서 두 장의 기판(B)를 사용하여, 이들을 하기의 자외선 조사 처리 공정 및 접합 공정을 행하여 부착시켰다. 제1 기판으로서 사용한 기판(B)에는, 미소한 유로 형성 부분을 미리 복수개 설치하였다. 유로 형성 부분은 폭 150㎛, 깊이 150㎛, 길이 20mm이다.
[자외선 조사 처리 공정]
크세논 엑시머 램프를 사용하여, 두 장의 기판의 각각의 부착면에, 조도가 40mW/㎠, 조사 시간이 20초간이 되는 조건으로, 진공 자외선을 조사하였다.
[접합 공정]
두 장의 기판(B, B)을, 각각의 부착면이 서로 접촉하도록 적중시켜 적중체를 얻었다(적중 공정). 다음으로, 이 적중체를 가압력이 0.2MPa, 가압 시간이 300초간, 가열 온도가 표 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압하는 것에 의해, 두 장의 기판(B, B)을 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 접합체에 대해, 접합 상태의 평가를 눈으로 보아 행하였다. 또한, 파단한 단면을 관찰하여 유로 형태의 유무를 확인했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
참고례 1~3에 있어서는, 두 장의 기판(B, B)을 부착시키는 것은 가능하였으나, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨을 흡수하여 없애지 못하고, 접합면의 일부에 간극이 생기고 마는 것이 확인되었다.
기판(B)의 변형 가능 온도 부근까지 가열한 참고례 4, 5에 있어서는, 두 장의 기판(B, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 나아가, 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면의 간극이 확연히 개선되었으나, 완전하지는 않았다.
기판(B)의 변형 가능 온도 이상으로 가열한 참고례 6, 7에 있어서는, 두 장의 기판(B, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 또한, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면에 간극이 생기지 않았으나, 가압 부재가 접촉하는 면의 변형이나, 유로 변형이 생기고 말았다.
<실시예 1, 2, 비교예 1~5>
제1 기판 및 제2 기판으로서 각각 기판(A) 및 기판(B)를 사용하고, 이들을 하기의 자외선 조사 처리 공정 및 접합 공정을 행하여 부착시켰다. 제1 기판으로서 사용한 기판(A)에는, 미소한 유로 형성 부분을 미리 복수개 설치하였다. 유로 형성 부분은 폭 150㎛, 깊이 150㎛, 길이 20mm이다.
[자외선 조사 처리 공정]
크세논 엑시머 램프를 사용하여, 두 장의 기판의 각각의 부착면에, 조도가 40mW/㎠, 조사 시간이 20초간이 되는 조건으로, 진공 자외선을 조사하였다.
[접합 공정]
두 장의 기판(A, B)을, 각각의 부착면이 서로 접촉하도록 적중시켜 적중체를 얻었다(적중 공정). 다음으로, 이 적중체를 가압력이 0.2MPa, 가압 시간이 300초간, 가열 온도가 표 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압하는 것에 의해, 두 장의 기판(A, B)을 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 접합체에 대해, 접합 상태의 평가를 눈으로 보아 행하였다. 또한, 파단한 단면을 관찰하여 유로 형태의 유무를 확인했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 1~3에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것은 가능하였으나, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨을 흡수하여 없애지 못하고, 접합면의 일부에 간극이 생기고 마는 것이 확인되었다.
변형 가능 온도가 낮은 쪽의 기판(B)의 변형 가능 온도 부근까지 가열한 비교예 4, 5에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 나아가, 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면의 간극이 확연히 개선되었으나, 완전하지는 않았다.
변형 가능 온도가 낮은 쪽의 기판(B)의 변형 가능 온도 이상으로 가열한 실시예 1, 2에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 또한, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면에 간극이 생기지 않으며, 또한, 가압 부재가 접촉하는 면의 변형이나, 유로 변형 또한 생기지 않았다.
<실시예 3, 4, 비교예 6~8>
제1 기판 및 제2 기판으로서 각각 기판(A) 및 기판(B)를 사용하고, 이들을 하기의 자외선 조사 처리 공정 및 접합 공정을 행하여 접합하였다. 제1 기판으로서 사용한 기판(A)에는, 미소한 유로 형성 부분을 미리 복수개 설치하였다. 유로 형성 부분은 폭 150㎛, 깊이 150㎛, 길이 20mm이다.
[플라즈마 가스 처리 공정]
기판(A, B) 각각을, 그 부착면과 도 4에 나타낸 하기의 대기압 플라즈마 장치의 노즐과의 거리가 3mm가 되는 위치에 배치하고, 하기의 조건으로 대기압 플라즈마 장치를 작동시키는 것에 의해, 기판(A, B)의 각각에 대해 플라즈마 가스 처리를 행했다.
- 조건 -
* 프로세스 가스(플라즈마용 가스): 질소 가스(유량=150L/min) 및 클린 드라이 에어(유량=1L/min)
* 투입 전력: 1100VA, 전압: 7.0kVp-p, 주파수: 60kHz
* 조사 시간: 4초간(기판(A)에 대해), 5초간(기판(B)에 대해)
도 4는, 본 발명에 사용되는 대기압 플라즈마 장치의 일례에 있어서의 구성을 개략적으로 나타낸 설명용 단면도이다. 이 대기압 플라즈마 장치는, 예를 들어 알루미늄으로 이루어지는 직육면체 형상의 케이싱(60)을 가진다. 이 케이싱(60) 내에는, 고주파 전원(65)에 전기적으로 접속된 판형상의 전극(61)이 수평으로 배치되어 있다. 이 전극(61)의 하면에는, 유전체 층(62)이 형성되어 있다. 이 예시의 대기압 플라즈마 장치에 있어서, 전극(61)은 고압측 전극이 되고, 케이싱(60)은 접지측 전극이 된다.
케이싱(60)의 상면에는, 케이싱(60) 내에 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급구(63)가 설치되어 있다. 또한, 케이싱(60)의 하면에는, 케이싱(60) 내에 있어서 대기압 플라즈마에 의해 플라즈마화된 프로세스 가스를 외부에 방출하는 복수의 노즐(64)이 형성되어 있다.
전극(61)의 재질은 슈퍼 인바(super invar)(용사(溶射)에 의해 표면에 500㎛의 알루미나로 이루어지는 피막이 형성된 것)로, 표면의 치수는 50mm×300mm이다. 또한, 케이싱(60)과 유전체 층(62)의 이간 거리는 0.5mm이다.
이와 같은 대기압 플라즈마 장치에 있어서, 대기압 또는 그 근방의 압력 하에 프로세스 가스(G1)가 가스 공급구(63)로부터 케이싱(60) 내로 공급된다. 이 상태에서 고주파 전원(65)에 의해 전극(61)과 케이싱(60)의 사이에 유전체 층(62)을 통해 고주파 전계가 인가되면, 전극(61)과 케이싱(60)의 사이에는 유전체 배리어 방전이 생긴다. 그 결과, 케이싱(60)과 유전체 층(62)의 사이에 존재하는 프로세스 가스(G1)가 전리 또는 여기되어 플라즈마화 된다. 그리고, 플라즈마화 된 프로세스 가스(G2)는, 케이싱(60)의 노즐(64)로부터 외부에 방출되어, 케이싱(60)의 하방에 배치된 기판(도시 생략)의 부착면에 접촉한다.
[접합 공정]
두 장의 기판(A, B)을, 각각의 부착면이 서로 접촉하도록 적중시켜 적중체를 얻었다(적중 공정). 다음으로, 이 적중체를 가압력이 0.2MPa, 가압 시간이 300초간, 가열 온도가 표 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압하는 것에 의해, 두 장의 기판(A, B)을 접합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 접합체에 대해, 접합 상태의 평가를 눈으로 보아 행하였다. 또한, 파단한 단면을 관찰하여 유로 형태의 유무를 확인했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 6에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것은 가능하였으나, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨을 흡수하여 없애지 못하고, 접합면의 일부에 간극이 생기고 마는 것이 확인되었다.
변형 가능 온도가 낮은 쪽의 기판(B)의 변형 가능 온도 부근까지 가열한 비교예 7, 8에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 나아가, 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면의 간극이 확연히 개선되었으나, 완전하지는 않았다.
변형 가능 온도가 낮은 쪽의 기판(B)의 변형 가능 온도 이상으로 가열한 실시예 3, 4에 있어서는, 두 장의 기판(A, B)을 부착시키는 것이 가능하고, 또한, 각각이 가지는 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리 더욱 밀착되고, 접합면에 간극이 생기지 않으며, 또한, 가압 부재가 접촉하는 면의 변형이나, 유로 변형 또한 생기지 않았다.
제1기판 제2기판 가압시의 가열온도 평가결과
종류 변형 가능 온도 종류 변형 가능 온도 접합불량
부분		 유로의
변형
참고례 1 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 25℃ 있음 없음
참고례 2 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 50℃ 있음 없음
참고례 3 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 70℃ 있음 없음
참고례 4 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 80℃ 약간 있음 없음
참고례 5 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 90℃ 약간 있음 없음
참고례 6 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 100℃ 없음 약간 있음
참고례 7 기판 B 100℃ 기판 B 100℃ 110℃ 없음 있음
비교예 1 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 25℃ 있음 없음
비교예 2 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 50℃ 있음 없음
비교예 3 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 70℃ 있음 없음
비교예 4 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 80℃ 약간 있음 없음
비교예 5 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 90℃ 약간 있음 없음
실시예 1 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 100℃ 없음 없음
실시예 2 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 110℃ 없음 없음
비교예 6 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 25℃ 있음 없음
비교예 7 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 80℃ 약간 있음 없음
비교예 8 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 90℃ 약간 있음 없음
실시예 3 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 100℃ 없음 없음
실시예 4 기판 A 120℃ 기판 B 100℃ 110℃ 없음 없음
이상의 결과와 같이, 변형 가능 온도가 낮은 쪽의 기판의 변형 가능 온도에서 적중체를 가열하는 것에 의해, 두 장의 기판(A, B)을, 부착면의 굴곡이나 휨이 가압력에 의해 변형되어, 부착면끼리가 더욱 밀착되고, 접합면에 간극이 생기지 않는 상태로 부착시키는 것이 가능하고, 나아가, 가압 부재가 접촉하는 면의 변형이나 유로 변형 또한 생기지 않는 접합체를 얻어지는 것이 확인되었다.
10: 적중체 11: 제1 기판
11a: 부착면 15: 제2 기판
15a: 부착면 17: 접합체
17a: 접합면 19: 자외선 광원
21: 제1 마이크로칩 기판 21a: 부착면
22: 주입 포트 23: 배출 포트
24: 유로 형성 부분 25: 제2 마이크로칩 기판
25a: 부착면 27: 마이크로칩
27a: 접합면 50: 적중체
51: 제1 마이크로칩 기판 51a: 부착면
55: 제2 마이크로칩 기판 55a: 부착면
57: 접합체 59: 자외선 광원
60: 케이싱 61: 전극
62: 유전체 층 63: 가스 공급구
64: 노즐 L: 진공 자외선
R: 유로 S: 공간

Claims (6)

  1. 각각 유리 또는 수지로 이루어지는 제1 기판 및 제2 기판을 부착시키는 방법에 있어서,
    상기 제1 기판을 구성하는 재료의 유리 전이점보다 10℃ 낮은 온도를 상기 제1 기판의 변형 가능 온도, 상기 제2 기판을 구성하는 재료의 유리 전이점보다 10℃ 낮은 온도를 상기 제2 기판의 변형 가능 온도라고 할 때,
    상기 제1 기판의 변형 가능 온도는 상기 제2 기판의 변형 가능 온도보다도 높고,
    제1 기판의 부착면 및 제2 기판의 부착면의 각각을 활성화하는 표면 활성화 공정과,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 각각의 부착면이 접촉하도록 적중(積重)하는 적중 공정과,
    상기 제2 기판의 부착면을, 상기 제1 기판의 부착면의 형상에 따라 변형시키는 변형 공정을 가지고,
    상기 변형 공정은, 상기 적중 공정에 있어서 얻어진 제1 기판과 제2 기판의 적중체를, 상기 제2 기판의 변형 가능 온도 이상, 상기 제1 기판의 변형 가능 온도 미만의 온도에서 가열하는 것에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는, 기판의 부착 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변형 공정에 있어서는, 적중된 두 장의 기판을 서로 접근하는 방향으로 가압하는 것을 특징으로 하는, 기판의 부착 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 표면 활성화 공정은, 상기 제1 기판의 부착면 및 상기 제2 기판의 부착면의 각각에 진공 자외선을 조사하는 자외선 조사 처리 공정인 것을 특징으로 하는, 기판의 부착 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 표면 활성화 공정은, 대기압 플라즈마에 의해 플라즈마화 된 프로세스 가스를, 상기 제1 기판의 부착면 및 상기 제2 기판의 부착면의 각각에 접촉시키는 플라즈마 가스 처리 공정인 것을 특징으로 하는, 기판의 부착 방법.
  5. 각각 유리 또는 수지로 이루어지는 제1 기판 및 제2 기판에 있어서, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 한 쪽의 부착면에 유로 형성 부분이 설치되어 있고,
    청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 기판의 부착 방법에 의해 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 부착시킴으로써, 내부에 매체가 흐를 수 있는 유로를 가지는 마이크로칩을 얻는 것을 특징으로 하는 마이크로칩의 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유로 형성 부분이, 상기 제1 기판의 부착면에만 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로칩의 제조 방법.
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