KR20120120241A

KR20120120241A - 경질 실리콘 수지의 접착 방법, 미세 구조를 갖는 기판의 접합 방법 및 해당 접합 방법을 이용한 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법

Info

Publication number: KR20120120241A
Application number: KR1020127018890A
Authority: KR
Inventors: 다카토키 야마모토
Original assignee: 고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-11-01
Also published as: US20130037207A1; US8956494B2; WO2011089892A1

Abstract

본 발명은 경질 실리콘 수지를 접착하기 위한 신규한 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 나노 크기의 요철 구조가 형성된 주 기판과 덮개 기판을 해당 요철 구조를 손상시키지 않고 접합하는 방법 및 해당 접합 방법을 이용한 나노 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법을 제공한다. 경질 실리콘 수지로 이루어지는 기판의 표면을 대기압 플라즈마의 조사 또는 진공 자외광의 조사로 여기한 후, 경질 실리콘 수지 기판의 표면과 유리 기판 등을 중첩시켜 가압함으로써, 양 기판을 열ㆍ접착제 프리로 접착할 수 있다. 또한, 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무 조성물을 도포한 후 이것을 경화시켜 실리콘 고무층을 형성한 후, 주 기판의 요철 구조가 형성된 표면과 덮개 기판의 실리콘 고무층을 밀착시킨 상태에서, 주 기판측으로부터 자외선을 조사하면, 접합 계면에 실리콘 산화막이 형성되어, 양 기판이 견고하게 고착된다.

Description

경질 실리콘 수지의 접착 방법, 미세 구조를 갖는 기판의 접합 방법 및 해당 접합 방법을 이용한 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법{METHOD FOR BONDING HARDENED SILICONE RESIN, METHOD FOR JOINING SUBSTRATE HAVING FINE STRUCTURE, AND METHOD FOR MANUFACTURING MICRO FLUID DEVICE USING THE METHOD FOR JOINING}

본 발명은 실리콘 수지를 이용한 접착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경질 실리콘 수지의 접착 방법 및 미세 구조를 갖는 주 기판과 덮개 기판의 접합 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 약물 스크리닝이나 DNA 진단 등에 있어서, 귀중한 시약ㆍ생체 샘플의 절약이나 화학 반응ㆍ분석의 고효율화를 위해, 미세 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스가 많이 이용되고 있다. 마이크로 유체 디바이스에 있어서는 일반적으로 표면에 미세한 오목 구조(유로홈)가 형성된 주 기판의 위에 덮개 기판을 접합하여 밀봉함으로써, 칩 내부에 미세 유로가 형성된다. 종래, 이 2개의 기판은 열 융착이나 접착제에 의해서 접합되어 있었지만, 기판의 열 변형에 의해 미세한 유로가 찌부러지거나, 접착제가 유로에 유입되어 이를 막거나 하는 문제가 있었다.

한편, 실리콘 고무의 표면에 산소 플라즈마나 진공 자외광을 조사하여 여기하면, 그 표면이 개질됨으로써 접착력이 발휘되는 것이 알려져 있고, 이 점에 주목한 열ㆍ접착제 프리의 접착 방법이 검토되고 있다. 일본 특허 공개 제2007-130836호 공보(특허문헌 1)에는 폴리디메틸실록산 기판(PDMS)의 표면에 진공 자외광을 조사하여 여기한 후, 유리 기판을 중첩시킴으로써 기판끼리를 접착하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, PDMS 등으로 대표되는 실리콘 고무는 유리나 실리콘과 비교하여 부드러운 재료이기 때문에, 실리콘 고무를 사용하여 제작한 디바이스는 변형되기 쉽고, 마이크로 유체 디바이스의 경우에는 그의 내부에 형성된 미세한 유로가 찌부러질 우려가 있다. 또한, 실리콘 고무는 가스 투과성이 매우 높기 때문에, 기밀성이 요구되는 디바이스에 적용할 수 없다. 이 점을 감안하여, 높은 경도와 가스 배리어성을 겸비한 경질 실리콘 수지를 기판 재료로서 채용하는 것이 요구되지만, 실리콘 레진 등으로 대표되는 경질 실리콘 수지를 표면 여기에 의해서 접착시키는 것에 성공한 예는 아직 보고되어 있지 않다.

한편, 최근 들어, 분자 프로세싱 기술에 대해서 여러 가지 검토가 이루어지고 있고, 본 발명자에 의한 비특허문헌 1은 생체 분자를 1분자 단위로 분획하기 위한 1분자 소터(sorter)를 개시한다. 비특허문헌 1이 개시하는 1분자 소터의 주 기판에는 나노 크기의 유로홈이 형성됨과 함께, 해당 유로홈을 따라서 분자의 전기 임피던스 측정이나 스위칭 조작용의 미소 전극이 형성된다. 따라서, 해당 디바이스의 제조에 있어서는 유로홈(오목 구조)과 전극(볼록 구조)이 공존하는 주 기판에 대하여, 유로홈을 막지 않으면서 전극을 확실히 덮도록 하여, 덮개 기판이 접합될 필요가 있다. 이 점에 관하여, 전술한 특허문헌 1의 접합 방법은 주 기판의 표면에 볼록 구조가 없는 것을 전제로 하고 있기 때문에, 상술한 1분자 소터와 같은 디바이스의 제조에 적용할 수 없다.

일본 특허 공개 제2007-130836호 공보

"Electrical Single-Molecule Detection in Nanochannel for Single-Molecular Sorter", IEEE NANO 2009, pp.1098-1101(2009)

본 발명은 상기 종래 기술에 있어서의 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명은 경질 실리콘 수지를 접착하기 위한 신규한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 나노 크기의 요철 구조가 형성된 주 기판과 덮개 기판을 해당 요철 구조를 손상시키지 않고 접합하는 방법 및 해당 접합 방법을 이용한 나노 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 경질 실리콘 수지를 접착하기 위한 신규한 방법에 관하여 예의 검토한 결과, 경질 실리콘 수지의 표면을 대기압 플라즈마 또는 진공 자외광으로 조사함으로써, 해당 표면이 큰 접착력을 발휘하는 것을 처음으로 실증하여, 본 발명에 이른 것이다.

즉, 본 발명에 따르면, 경질 실리콘 수지의 표면을 여기 처리한 후, 상기 표면과 기판을 중첩시켜 가압함으로써, 상기 경질 실리콘 수지와 상기 기판을 접착하는 방법이 제공된다. 본 발명에 있어서는 상기 경질 실리콘 수지를 실리콘 레진 또는 유기 변성 실리콘으로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 상기 여기 처리를 대기압 플라즈마의 조사 또는 진공 자외광의 조사에 의해서 행할 수 있다. 본 발명에 있어서는 상기 진공 자외광의 조사에 있어서의 조사 에너지량을 200 mJ/㎠ 내지 1500 mJ/㎠로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명자는 나노 크기의 요철 구조가 형성된 주 기판과 덮개 기판을 해당 요철 구조를 손상시키지 않고 접합하는 방법에 관하여 예의 검토한 결과, 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무층을 형성한 후에, 주 기판의 요철 구조가 형성된 표면과 덮개 기판의 실리콘 고무층을 밀착시킨 상태에서 주 기판측으로부터 자외선을 조사함으로써, 요철 구조가 손상되는 일 없이, 양 기판이 접합 계면에 형성된 실리콘 산화막을 통해 견고하게 고착되는 현상을 발견하여, 본 발명에 이른 것이다.

즉, 본 발명에 따르면, 볼록 구조와 오목 구조가 공존하는 표면을 갖는 자외선 투과성인 주 기판과, 덮개 기판을 접합하는 방법이며, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무 조성물을 도포하는 공정과, 상기 실리콘 고무 조성물을 경화시켜, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무층을 형성하는 공정과, 상기 주 기판의 상기 표면과 상기 덮개 기판의 상기 실리콘 고무층을 밀착시키는 공정과, 상기 주 기판측으로부터 자외선을 조사하여, 상기 실리콘 고무층과 상기 주 기판의 접합 계면에 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 기판의 접합 방법이 제공된다. 본 발명에 있어서는 상기 자외선을 진공 자외광으로 할 수 있고, 상기 진공 자외광의 파장을 172 nm로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 상기 볼록 구조 및 상기 오목 구조를 나노 크기로 할 수 있고, 또한 상기 실리콘 고무 조성물을 열 경화성으로 한 경우에는 상기 실리콘 고무 조성물을 60 내지 150 ℃에서 가열하여 상기 실리콘 고무층을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 상기 주 기판을 석영으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따르면, 나노 크기의 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법이며, 전극과 유로홈이 공존하는 표면을 갖는 석영 기판과 상기 석영 기판을 밀봉하기 위한 덮개 기판을 준비하는 공정과, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무 조성물을 도포하는 공정과, 상기 실리콘 고무 조성물을 경화시켜, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무층을 형성하는 공정과, 상기 석영 기판의 상기 표면과 상기 덮개 기판의 상기 실리콘 고무층을 밀착시키는 공정과, 상기 석영 기판측으로부터 진공 자외광을 조사하여, 상기 실리콘 고무층과 상기 석영 기판의 접합 계면에 실리콘 산화막을 형성하는 공정을 포함하는 제조 방법이 제공된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 경질 실리콘 수지를 접착하기 위한 신규한 방법이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 나노 크기의 요철 구조가 형성된 주 기판과 덮개 기판을 해당 요철 구조를 손상시키지 않고 접합하는 방법이 제공된다.

도 1은 마이크로 유체 디바이스의 제조 공정을 나타내는 개념도이다.
도 2는 마이크로 유체 디바이스의 제조 공정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 덮개 기판과 주 기판을 밀착시키는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 4는 진공 자외광을 조사하는 공정을 나타내는 개념도이다.
도 5는 접착력을 측정하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 조사 시간(s)과 접착력(N/㎟)의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시 형태로써 설명하지만, 본 발명은 도면에 나타낸 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하에 참조하는 각 도면에 있어서는 공통되는 요소에 대해서 동일한 부호를 이용하여, 적절하게 그 설명을 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 경질 실리콘 수지의 접착 방법을 마이크로 유체 디바이스의 제조 과정에 기초하여 설명한다. 도 1은 마이크로 유체 디바이스의 제조 과정을 나타내는 개념도이다. 도 1의 부호 (10)은 표면에 미세한 오목 구조(유로홈)가 형성된 주 기판을 나타낸다. 주 기판 (10)은 가스 배리어성이 우수한 경질 실리콘 수지로 형성되어 있고, 본 발명의 접착 방법이 적용된다. 여기서, 본 발명의 접착 방법이 적용되는 경질 실리콘 수지란, 가교 밀도가 높은 삼차원 가교 구조를 갖는 중합체이며, 그 중합체 골격의 적어도 일부분이 실록산 결합에 의해서 형성되어 있는 수지 전반을 말한다.

경질 실리콘 수지의 대표예로서, 실리콘 레진을 들 수 있다. 실리콘 레진은 실록산 결합을 주쇄로 하는 가교 밀도가 높은 삼차원 가교 구조를 갖고, 메틸기를 측쇄에 갖는 메틸 실리콘 레진 및 메틸기 및 페닐기를 측쇄에 갖는 메틸페닐 실리콘 레진 외에, 변성 실리콘 레진(알키드 변성, 에폭시 변성, 아크릴 변성, 폴리에스테르 변성 등)을 포함한다. 기타, 골격의 적어도 일부분이 실록산 결합에 의해서 형성되어 있는 각종 유기 변성 실리콘에 대해서도, 본 발명의 접착 방법을 적용할 수 있다.

본 발명의 접착 방법에 있어서는 우선 주 기판 (10)의 접착면을 여기한다. 본 발명에 있어서의 이 여기 처리는 미세한 오목 구조가 형성되어 있는 주 기판 (10)의 표면에 대하여, 대기압 플라즈마를 조사함으로써 행할 수 있고, 또한 진공 자외광(VUV)을 조사함으로써도 행할 수 있다.

종래, 실리콘 레진은 표면 여기 처리에 의해서 충분한 접착력을 발휘하지 않는다고 여겨지고 있었다. 이 점에 대하여, 본 발명자는 실리콘 레진에 대하여, 대기압 플라즈마를 조사함으로써, 충분한 접착력이 발휘되는 것을 발견한 것이다.

또한, 본 발명자는 실리콘 레진에 대하여, 진공 자외광(VUV)을 조사함으로써, 충분한 접착력이 발휘되는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자는 실리콘 레진에 대한 진공 자외광(VUV)의 조사 에너지량을 200 mJ/㎠ 내지 1500 mJ/㎠로 하는 것이 바람직하고, 350 mJ/㎠ 내지 1100 mJ/㎠로 하는 것이 보다 바람직한 것을 실증하였다. 또한, 본 발명에 있어서는 조사하는 진공 자외광의 파장을 172 nm로 하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 여기 처리를 실시한 주 기판 (10)의 접착면에 대하여, 실리콘 고무나 실리콘 레진, 또는 Si를 포함하는 경질 재료(유리, 석영, 실리콘 등)로 형성된 덮개 기판 (12)의 표면을 중첩시켜, 양 기판을 누른다. 그 결과, 미세한 오목 구조가 형성된 주 기판 (10)과 덮개 기판 (12)의 접촉면에 실록산 결합이 형성되어, 양 기판이 견고하게 접착되어, 마이크로 유체 디바이스가 형성된다. 이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가스 배리어성이 우수한 경질 실리콘 수지를 기판 재료로 채용한 후에, 이것을 열ㆍ접착제 프리의 방법에 의해서 접착함으로써, 도 1에 예시한 바와 같은 마이크로 유체 디바이스를 형성할 수 있다. 이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 접착 방법을 이용하여 마이크로 유체 디바이스를 형성하면, 기판을 접합할 때에 열 융착이나 접착제를 이용하지 않기 때문에, 열 변형에 의해서 칩 내부의 미세 유로가 찌부러지거나, 접착제가 유로에 유입되어 이를 막거나 하지 않는다. 또한, 기판 재료의 강성이 높기 때문에, 변형에 의해서 칩 내부의 미세 유로가 찌부러지는 일 없이, 디바이스 전체를 가스 배리어성이 높은 것으로써 구축할 수 있다.

이상, 본 발명의 경질 실리콘 수지의 접착 방법을 마이크로 유체 디바이스의 제조 과정에 기초하여 설명했지만, 생체 분자를 1분자 단위로 분획하기 위한 1분자 소터와 같은 마이크로 유체 디바이스의 제조에 있어서는 유로홈(오목 구조)과 전극(볼록 구조)이 공존하는 주 기판에 대하여, 유로홈을 막지 않으면서 전극을 확실히 덮도록 하여 덮개 기판을 접합할 필요가 있고, 이것을 실현하기 위해서는 한층더 연구할 필요가 있다. 이하, 이 점에 대해서 설명한다.

도 2는 본 발명의 나노 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스의 제조 공정을 나타내는 개념도이다.

본 발명에 있어서는 도 2 (a)에 나타낸 바와 같이, 우선, 나노 크기의 오목 구조 (14)와 나노 크기의 볼록 구조 (16)이 공존하는 주 기판 (10)을 준비한다. 오목 구조 (14)는 후에 유로(액체 저류부를 포함함)가 되는 챔버(공간)를 획정하는 유로홈이고, 그의 깊이ㆍ폭을 수 nm 내지 수백 nm로 할 수 있다. 한편, 볼록 구조 (16)은 측정ㆍ조작용의 미소 전극으로서 참조할 수 있고, 그의 높이ㆍ폭을 동일하게 수 nm 내지 수백 nm로 할 수 있다. 본 발명에 있어서의 주 기판 (10)의 재료는 진공 자외광을 투과할 수 있는 것을 채용한다. 이 이유에 대해서는 후술한다. 또한, 주 기판 (10)의 재료는 자외선을 투과할 수 있는 것이면 어떠한 재료를 채용할 수도 있지만, 내부에 형성하는 나노 크기의 챔버가 기판의 왜곡에 의해서 찌부러지지 않도록 하기 위해서는 되도록이면 딱딱한 재료를 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서는 유로가 나노 크기이기 때문에, 종래의 마이크로 유체 디바이스의 기판 재료로서 많이 이용되고 있는 PDMS보다도 친수적인 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 있어서는 주 기판 (10)을 석영으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는 아울러 주 기판 (10)에 형성된 미세 구조를 밀봉하기 위한 덮개 기판 (12)를 준비한다. 도 2 (a)에 나타낸 바와 같이, 덮개 기판 (12)에 대하여 액상인 미경화 상태의 실리콘 고무 조성물 (17)을 적하하여, 스핀 코팅법에 의해, 그 표면에 실리콘 고무 조성물 (17)을 균일하게 도포한다. 본 발명에 있어서의 실리콘 고무 조성물 (17)은 상온에서 경화하는 것일 수도 있고, 열 경화성인 것일 수도 있다. 또한, 실리콘 고무 조성물 (17)의 도포층의 두께는 10 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 이하의 설명에 있어서는 설명의 편의상, 열 경화성 실리콘 고무 조성물을 이용한 경우를 예로 들어 설명한다.

다음으로, 도 2 (b)에 나타낸 바와 같이, 실리콘 고무 조성물 (17)을 균일하게 도포한 덮개 기판 (12)를 베이킹함으로써, 실리콘 고무 조성물 (17)을 경화시켜, 덮개 기판 (12)의 표면 상에 비태크성의 실리콘 고무층 (18)을 형성한다. 본 발명에 있어서는 이후의 접합 시의 밀착성을 감안하여, 베이킹 시의 가열 온도를 60 내지 150 ℃로 하는 것이 바람직하다. 또한, 볼록 구조 (16)의 높이가 수 nm(10 nm 이하)인 경우에는 200 ℃ 정도에서 가열할 수도 있다.

이어서, 도 2 (c)에 나타낸 바와 같이, 덮개 기판 (12)의 실리콘 고무층 (18)이 형성된 면과 주 기판 (10)의 요철 구조가 형성된 면을 마주보도록 접촉한 후, 적절한 위치를 결정하고 양 기판을 고정ㆍ가압하여 밀착시킨다. 이때, 실리콘 고무층 (18)이 비태크성으로 되어 있기 때문에, 양 기판이 접촉함과 동시에 접착하는 일이 없고, 그 결과, 용이하게 위치 정렬을 행할 수 있다. 또한, 이때, 접합면의 슬립을 양호하게 하기 위해서, 주 기판 (10)의 표면에 미리 메탄올 등을 적하해두는 것이 바람직하다.

여기서, 도 2 (c)에 나타낸 공정에 대해서, 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 공정에 있어서는 덮개 기판 (12)의 실리콘 고무층 (18)과 주 기판 (10)의 요철 구조가 형성된 표면이 마주 본 형태로 양자를 가압하여 밀착시킨다. 이때, 덮개 기판 (12)의 실리콘 고무층 (18)은 어느 정도 이상의 경도를 가지고 있기 때문에, 가압에 의해서 실리콘 고무가 오목 구조 (14) 중으로 침입하여 이것을 매립하는 경우가 발생하지 않고, 양 기판의 밀착 후에도 도 3 (a)에 나타낸 바와 같이, 오목 구조 (14)에 의해서 획정되는 챔버(공간)가 유지된다. 한편, 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이, 덮개 기판 (12)의 실리콘 고무층 (18)은 석영 등의 딱딱한 재료와 달리 탄성을 갖고 있기 때문에, 볼록 구조 (16)을 바람직하게 돌려 완전히 덮을 수 있다. 그 결과, 덮개 기판 (12)와 주 기판 (10)은 볼록 구조 (16)의 존재에도 불구하고, 실리콘 고무층 (18)을 통해 밀착할 수 있다. 또한, 본 발명은 덮개 기판 (12)의 재료에 대해서 특별히 한정하는 것이 아니고, 수지제인 것일 수도 있고, 주 기판 (10)과 마찬가지로 딱딱한 재료(석영, 실리콘, 실리콘 레진, 유리, 금속, 세라믹 등)로 형성할 수도 있다.

다시, 도 2로 되돌아가 설명을 계속한다. 덮개 기판 (12)와 주 기판 (10)을 실리콘 고무층 (18)을 통해 밀착시킨 후, 그 밀착 상태를 유지한 채로 도 2 (d)에 나타낸 바와 같이, 주 기판 (10)측으로부터 자외선, 바람직하게는 진공 자외광(VUV)을 조사한다. 주 기판 (10)은 상술한 바와 같이 자외선에 대하여 투과성을 갖고 있기 때문에, 조사된 자외선은 주 기판 (10)을 투과하여 내부의 실리콘 고무층 (18)에 도달한다. 그 결과, 주 기판 (10)과 실리콘 고무층 (18)의 접합면에 형성되는 산화막을 통해 양 기판이 고착된다. 또한, 본 발명에 있어서는 조사하는 진공 자외광의 파장을 172 nm로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 도 2 (d)에 나타낸 공정에 대해서, 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 주 기판 (10)의 이면 (10b)(요철 구조가 형성된 표면에 대향하는 면)를 향하여 진공 자외광(VUV)을 조사하면, 조사된 진공 자외광은 주 기판 (10)을 투과하여, 주 기판 (10)과 실리콘 고무층 (18)의 계면 (18a)에 도달하여, 그의 근방에서 흡수된다. 그 결과, 계면 (18a) 근방에서 광 산화 반응이 발생하여, 계면 (18a)의 근방 부분의 실리콘 고무가 이산화규소(SiO₂)로 전이하여 화학적으로 안정된 구조가 됨으로써, 주 기판 (10)과 덮개 기판 (12)가 견고하게 고착된다. 여기서, 만일 주 기판 (10)의 재료가 석영(SiO₂)인 경우, 도 4의 우측 아래에 원으로 나타낸 바와 같이, 오목 구조 (14)에 의해서 획정된 챔버(나노 유로 (19))의 모든 벽면이 이산화규소(SiO₂)가 된다. 그 결과, 유로 벽면에 PDMS의 성분이 남지 않아, 물에 대한 습윤성이 적합해진다.

또한, 자외선의 조사 과정은 유로 내부에 남은 유기물을 분해 소거하는 세정 공정을 동시에 겸하고 있다. 즉, 마이크로 유로 디바이스에 PDMS를 이용하는 경우, 반드시 미중합된 단량체 성분이 배어나오거나, 가스화되거나 하는 등, 유로 내에 PDMS의 단량체 성분이 남지만, 이들 잔류 PDMS 성분은 상술한 자외선의 조사에 의해서, 이산화규소(SiO₂)화하여 벽면에 일체화되어 유로 내에서 제거됨과 함께, 시약류의 잔사도 동시에 분해 제거된다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 표면에 요철 구조를 갖는 주 기판에 대하여, 볼록 구조를 덮으면서 오목 구조를 매립하지 않는 양태로 덮개 기판을 접합할 수 있어, 그의 접합 시의 위치 정렬을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 따르면, 접착제를 이용하지 않기 때문에 디바이스에 용제에 의한 손상이 남지 않고, 또한 기판이 열 변형되지도 않기 때문에 주 기판과 덮개 기판의 접합 후에도 나노 크기의 요철 구조가 손상되지 않는다.

이상, 본 발명에 대해서 실시 형태로써 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 당업자가 추고할 수 있는 기타 실시 양태의 범위 내에 있어서, 본 발명의 작용ㆍ효과를 발휘하는 한 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

<실시예>

이하, 본 발명의 방법에 대해서, 실시예를 이용하여 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 후술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(시험편의 제작)

실리콘 레진(SCR-1016, 신에쓰 가가꾸 고교)을 사용하여 접착력 측정 실험을 위한 시험편을 제작하였다. 구체적으로는 주요제:경화제=1:1의 질량비로 혼합한 수지를 미리 준비한 형틀에 흘려 넣고, 데시케이터로 충분히 기포를 뺀 후, 100 ℃에서 1시간 가열하고, 150 ℃에서 5시간 더 가열하여, 도 5 (a)에 나타내는 시험편 (20)을 얻었다. 도 5 (a)에 나타낸 바와 같이, 시험편 (20)은 접착면이 형성된 작은 원주(직경 4 mm)와, 접착력 측정 시험에 있어서 유지부로서 기능하는 큰 원주(직경 10 mm)가 중첩된 형상을 구비한다. 아울러, 실리콘 고무(SILPOT 184, 도레이 다우 코닝)를 사용하여, 대조용 시험편을 제작하였다. 구체적으로는 주요제:경화제=10:1의 질량비로 혼합한 수지를 형틀에 흘려 넣고, 데시케이터로 충분히 기포를 뺀 후, 135 ℃에서 2시간 가열하여, 도 5 (a)에 나타낸 것과 마찬가지의 형상의 시험편을 얻었다.

(접착면의 여기 및 접착)

대기압 플라즈마 조사 장치(ST-7000, 키엔스사)를 사용하여 시험편(실리콘 레진/실리콘 고무)을 조사함으로써(조사 거리 6 mm), 그의 접착면을 여기한 후, 빠르게 유리 기판에 밀착시켰다. 그 후, 30분간 가압함으로써 시험편과 유리 기판을 접착하였다.

또한, 진공 자외광 조사 장치(UVS-1000SM, 우시오 덴끼)를 사용하여 시험편(실리콘 레진)을 조사 강도 18 mW/㎠로 조사함으로써(조사 거리 3 mm), 동일하게 그의 접착면을 여기한 후, 빠르게 유리 기판에 밀착시켰다. 그 후, 30분간 가압함으로써 시험편과 유리 기판을 접착하였다. 또한, 상술한 여기 처리는 모두 조사 시간에 대해서 복수의 조건에서 행하였다.

(접착력의 측정)

상술한 절차로 유리 기판에 접착한 각 시험편에 대하여, 도 5 (b)에 나타내는 장치를 사용하여 인장 시험을 실시하였다. 구체적으로는 유리 기판 (22)를 고정한 상태에서, 시험편 (20)의 유지부를 디지탈 포스 게이지 (24)(Z2-20N, 이마다사)의 손잡이부 (26)에 걸어 인장력(=접착력)을 측정하였다.

도 6 (a)는 접착면을 대기압 플라즈마에 의해서 여기한 경우에 있어서의 실리콘 레진 시험편 및 실리콘 고무 시험편 각각에 대하여, 조사 시간(s)과 접착력(N/㎟)의 관계를 나타낸 도면이다. 또한, 도 6 (a)에 있어서, 파선으로 나타내는 부분은 접착력이 시료의 강도를 상회하여 접착면이 박리되기 전에 시험편이 파단된 케이스를 나타낸다. 따라서, 파선으로 나타내는 부분에 대해서는 실용상 요구되는 충분한 접착력이 얻어진 것으로 평가한다(이하, 도 6 (b)에 대해서도 마찬가지임).

대기압 플라즈마 조사에 의해서 여기한 경우, 실리콘 고무에 대해서는 조사 시간이 0.3 내지 2.5초인 경우에 충분한 접착력을 나타내었지만, 조사 시간이 3초 이상이 되면 접착력을 나타내지 않게 되었다. 한편, 실리콘 레진에 대해서는 도 6 (a)에 나타낸 바와 같이, 조사 시간이 0.5 내지 3초인 경우에 충분한 접착력을 나타내었다. 그 후, 조사 시간이 3초 이상이 되면 서서히 접착력이 저하되고, 조사 시간이 60초 이상이 되면 접착력을 나타내지 않게 되었다.

도 6 (b)는 접착면을 진공 자외광으로 여기한 경우에 있어서의 실리콘 레진 시험편 및 실리콘 고무 시험편 각각에 대하여, 조사 시간(s)과 접착력(N/㎟)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6 (b)에 나타낸 바와 같이, 진공 자외광의 경우, 실리콘 고무에 대해서는 조사 시간이 1 내지 2초인 경우에 충분한 접착력을 나타내었지만, 조사 시간이 2초를 초과하면 서서히 접착력이 저하되고, 조사 시간이 10초 이상이 되면 접착력을 나타내지 않게 되었다. 한편, 실리콘 레진에 대해서는 실리콘 고무가 접착력을 나타낸 조사 시간의 범위에서는 전혀 접착력을 나타내지 않았지만, 조사 시간이 20 내지 60초인 범위에서 충분한 접착력을 나타내었다. 이때의 총 조사 에너지량의 범위에 대해서, 장치의 조사 강도 18 mW/㎠에 기초하여 계산한 결과, 360 mJ/㎠ 내지 1080 mJ/㎠였다.

(1분자 소터의 제작)

본 발명의 기판의 접합 방법을 사용하여, 이하의 절차로 「1분자 소터」를 제작하였다. 우선, 석영 기판(주 기판)의 표면에 대하여, 나노 유로홈(깊이: 50 내지 100 nm, 폭: 50 내지 500 nm)과, 해당 나노 유로홈의 그것과 동일한 폭의 갭을 갖는 전극편(두께 Ti(1 nm)/Au(100 nm), 폭 100 내지 1000 nm)을 형성하였다.

한편, 두께 100 ㎛인 석영 기판(덮개 기판)의 표면에 대하여, PDMS(SIM240, 신에쓰 실리콘)를 스핀 코팅법으로 약 1 ㎛의 두께로 성막한 후, 약 150 ℃에서 베이킹하여 경화시켜 실리콘 고무막을 형성하였다.

상기 덮개 기판과 상기 주 기판과의 사이에 메탄올을 적하한 후, 덮개 기판의 실리콘 고무막이 형성된 면과 주 기판의 표면을 맞춘 상태에서, 덮개 기판에 형성된 컨택트 홀과 주 기판의 전극편과의 위치 정렬을 행하고, 양 기판을 가압하여 밀착ㆍ고정하였다.

마지막으로, 고정된 양 기판에 대하여, 주 기판측으로부터 파장 172 nm인 진공 자외광(VUV)을 조사하였다. 하기 표 1은 VUV의 조사 후(1초ㆍ10초ㆍ120초)의 실리콘 고무막의 조성비를 나타낸다. 또한, 조성비에 대해서는 X선 광 전자 분광에 의해서 구하였다.

상기 표 1에 나타내는 조성비의 변화로부터 VUV의 조사 시간에 따라 실리콘 고무막이 실리콘으로부터 SiO₂로 변화되고 있는 것이 확인되었다. 그 후, 상기 절차로 제작한 「1분자 소터」가 문제없이 작동하는 것을 확인하였다.

10… 주 기판
12… 덮개 기판
14… 오목 구조
16… 볼록 구조
17… 실리콘 고무 조성물
18… 실리콘 고무층
19… 나노 유로
20… 시험편
22… 유리 기판
24… 디지탈 포스 게이지
26… 손잡이부

Claims

경질 실리콘 수지의 표면을 여기 처리한 후, 상기 표면과 기판을 중첩시켜 가압함으로써, 상기 경질 실리콘 수지와 상기 기판을 접착하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 경질 실리콘 수지는 실리콘 레진 또는 유기 변성 실리콘인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 여기 처리는 대기압 플라즈마의 조사인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 여기 처리는 진공 자외광의 조사인 방법.
볼록 구조와 오목 구조가 공존하는 표면을 갖는 자외선 투과성인 주 기판과, 덮개 기판을 접합하는 방법이며,
상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무 조성물을 도포하는 공정,
상기 실리콘 고무 조성물을 경화시켜, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무층을 형성하는 공정,
상기 주 기판의 상기 표면과 상기 덮개 기판의 상기 실리콘 고무층을 밀착시키는 공정, 및
상기 주 기판측으로부터 자외선을 조사하여, 상기 실리콘 고무층과 상기 주 기판의 접합 계면에 실리콘 산화막을 형성하는 공정
을 포함하는 기판의 접합 방법.
제5항에 있어서, 상기 자외선은 진공 자외광인 접합 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 진공 자외광의 파장이 172 nm인 접합 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼록 구조 및 상기 오목 구조가 나노 크기인 접합 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 고무 조성물은 열 경화성이고, 상기 실리콘 고무 조성물을 60 내지 150 ℃에서 가열하여 상기 실리콘 고무층을 형성하는 접합 방법.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 기판이 석영으로 형성되는 접합 방법.
나노 크기의 유로를 구비하는 마이크로 유체 디바이스의 제조 방법이며,
전극과 유로홈이 공존하는 표면을 갖는 석영 기판과 상기 석영 기판을 밀봉하기 위한 덮개 기판을 준비하는 공정,
상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무 조성물을 도포하는 공정,
상기 실리콘 고무 조성물을 경화시켜, 상기 덮개 기판의 접합면에 실리콘 고무층을 형성하는 공정,
상기 석영 기판의 상기 표면과 상기 덮개 기판의 상기 실리콘 고무층을 밀착시키는 공정, 및
상기 석영 기판측으로부터 진공 자외광을 조사하여, 상기 실리콘 고무층과 상기 석영 기판의 접합 계면에 실리콘 산화막을 형성하는 공정
을 포함하는 제조 방법.