JP2011148104A

JP2011148104A - 微細構造を有する基板の接合方法および当該接合方法を利用したマイクロ流体デバイスの製造方法

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Publication number: JP2011148104A
Application number: JP2010008956A
Authority: JP
Inventors: Takatoki Yamamoto; 貴富喜山本
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: JP5516954B2

Abstract

【課題】ナノサイズの凹凸構造が形成された主基板と蓋基板とを、当該凹凸構造を損なうことなく接合する方法、ならびに、当該接合方法を利用したナノ流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】蓋基板１６の接合面にシリコーンゴム組成物１７を塗布した後これを硬化させてシリコーンゴム層１８を形成した上で、主基板１０の凹凸構造１２、１４が形成された表面と蓋基板１６のシリコーンゴム層１８とを密着させる。このとき、シリコーンゴム層１８は主基板上の凸構造１４を覆いつつ、凹構造１２は埋め尽くさない。この密着状態を保持したまま、主基板１０側から紫外線を照射すると、接合界面にシリコン酸化膜が形成され、両基板が強固に固着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の接合方法に関し、より詳細には、微細構造を有する主基板と蓋基板との接合方法に関する。

近年、薬物スクリーニングやＤＮＡ診断などにおいて、貴重な試薬・生体サンプルの節約や化学反応・分析の高効率化のために、微細流路を備えるマイクロ流体デバイスが多く用いられている。マイクロ流体デバイスにおいては、一般に、表面に微細な凹構造（流路溝）が形成された主基板の上に蓋基板を接合して封止することによって、チップ内部に微細流路が形成される。従来、この２つの基板は、熱融着や接着剤によって接合されていたが、基板の熱変形によって微細な流路が潰れてしまったり、接着剤が流路に流れ込んでこれを塞いでしまったりするといった問題があった。

この点につき、特開２００７−１３０８３６号公報（特許文献１）は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）よりなる基板とガラスまたはシリコンよりなる基板とを紫外線を用いて接合する方法を開示する。特許文献１においては、ＰＤＭＳ基板に真空紫外光を照射して表面を酸化した後、当該ＰＤＭＳ基板とガラス基板等を重ね合わせることよって、両基板を確実に接合する方法を開示する。しかしながら、特許文献１の接合方法においては、真空紫外光照射後のＰＤＭＳ基板の表面は高い接着性を発現しているため、基板同士が接触した瞬間に接着してしまい、基板の微妙な位置合わせが難しいという問題があった。

一方、近年、分子プロセシング技術について種々検討がなされており、本発明者による非特許文献１は、生体分子を１分子単位で分画するための１分子ソータを開示する。非特許文献１が開示する１分子ソータの主基板には、ナノサイズの流路溝が形成されるとともに、当該流路溝に沿って、分子の電気インピーダンス測定やスイッチング操作用の微小電極が形成される。したがって、当該デバイスの製造においては、流路溝（凹構造）と電極（凸構造）が共存する主基板に対して、流路溝を塞がず、且つ、電極をしっかりと覆い込むようにして、蓋基板が接合される必要がある。この点につき、先述した特許文献１の接合方法は、主基板の表面に凸構造がないことを前提としているため、上述した１分子ソータのようなデバイスの製造に適用することができない。

特開２００７−１３０８３６号公報

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

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、ナノサイズの凹凸構造が形成された主基板と蓋基板とを、当該凹凸構造を損なうことなく接合する方法、ならびに、当該接合方法を利用したナノ流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、ナノサイズの凹凸構造が形成された主基板と蓋基板とを、当該凹凸構造を損なうことなく接合する方法につき鋭意検討した結果、蓋基板の接合面にシリコーンゴム層を形成した上で、主基板の凹凸構造が形成された表面と蓋基板のシリコーンゴム層とを密着させた状態で主基板側から紫外線を照射することによって、凹凸構造が損なわれることなく、両基板が接合界面に形成されたシリコン酸化膜を介して強固に固着する現象を見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、凸構造と凹構造が共存する表面を有する紫外線透過性の主基板と、蓋基板を接合する方法であって、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム組成物を塗布する工程と、前記シリコーンゴム組成物を硬化させ、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム層を形成する工程と、前記主基板の前記表面と前記蓋基板の前記シリコーンゴム層とを密着させる工程と、前記主基板側から紫外線を照射して、前記シリコーンゴム層と前記主基板の接合界面にシリコン酸化膜を形成する工程とを含む基板の接合方法が提供される。本発明においては、前記紫外線を真空紫外光とすることができ、前記真空紫外光の波長を１７２ｎｍとすることができる。また、本発明においては、前記凸構造および前記凹構造をナノサイズとすることができ、また、前記シリコーンゴム組成物を熱硬化性とした場合には、前記シリコーンゴム組成物を６０〜１５０℃で加熱して前記シリコーンゴム層を形成することができる。また、本発明においては、前記主基板を石英によって形成することが好ましい。さらに、本発明によれば、ナノサイズの流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造方法であって、電極と流路溝が共存する表面を有する石英基板と該石英基板を封止するための蓋基板を用意する工程と、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム組成物を塗布する工程と、前記シリコーンゴム組成物を硬化させ、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム層を形成する工程と、前記石英基板の前記表面と前記蓋基板の前記シリコーンゴム層とを密着させる工程と、前記石英基板側から真空紫外光を照射して、前記シリコーンゴム層と前記石英基板の接合界面にシリコン酸化膜を形成する工程とを含む製造方法が提供される。

上述したように、本発明によれば、ナノサイズの凹凸構造が形成された主基板と蓋基板とを、当該凹凸構造を損なうことなく接合する方法が提供される。本発明によれば、表面に凹凸構造を有する主基板に対して、凸構造を覆いつつ、凹構造を埋めない態様で蓋基板を接合することができ、その接合の際の位置あわせを容易に行なうことができる。さらに、本発明の方法によれば、接着剤を用いないためデバイスに溶剤によるダメージが残らず、また、基板が熱変形することもないため主基板と蓋基板の接合後もナノサイズの凹凸構造が損なわれない。

本発明のナノ流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造工程を示す概念図。蓋基板と主基板を密着させる工程を示す概念図。真空紫外光を照射する工程を示す概念図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

以下、本発明の基板の接合方法を、ナノ流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造方法に基づいて説明する。図１は、本発明のナノ流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造工程を示す概念図である。

本発明においては、図１（ａ）に示されるように、まず、ナノサイズの凹構造１２とナノサイズの凸構造１４が共存する主基板１０を用意する。凹構造１２は、後に流路（液溜部を含む）となるチャンバ（空間）を画定する流路溝であり、その深さ・幅を、数ｎｍ〜数百ｎｍとすることができる。一方、凸構造１４は、測定・操作用の微小電極として参照することができ、その高さ・幅を同じく数ｎｍ〜数百ｎｍとすることができる。本発明における主基板１０の材料は、真空紫外光を透過することができるものを採用する。この理由については後述する。なお、主基板１０の材料は、紫外線を透過することができるものであれば如何なる材料を採用してもよいが、内部に形成するナノサイズのチャンバが基板の歪みによって潰れないようにするためには、なるべく硬い材料を採用することが好ましい。また、本発明においては、流路がナノサイズであるため、従来のマイクロ流体デバイスの基板材料として多く用いられているＰＤＭＳよりも濡れやすい材料を用いることが好ましい。したがって、本発明においては、主基板１０を、石英で形成することが好ましい。

本発明においては、併せて、主基板１０に形成された微細構造を封止するための蓋基板１６を用意する。図１（ａ）に示されるように、蓋基板１６に対して液状の未硬化状態のシリコーンゴム組成物１７を滴下して、スピンコート法により、その表面にシリコーンゴム組成物１７を均一に塗布する。本発明におけるシリコーンゴム組成物１７は、常温で硬化するものであってもよく、熱硬化性のものであってもよい。また、シリコーンゴム組成物１７の塗布層の厚さは、１０μｍ以下にすることが好ましく、１μｍ以下にすることがより好ましい。なお、以下の説明においては、説明の便宜上、熱硬化性シリコーンゴム組成物を用いた場合を例にとって説明する。

次に、図１（ｂ）に示されるように、シリコーンゴム組成物１７を均一に塗布した蓋基板１６をベークすることによって、シリコーンゴム組成物１７を硬化させ、蓋基板１６の表面上に非タック性のシリコーンゴム層１８を形成する。本発明においては、後の接合時の密着性に鑑みて、ベーク時の加熱温度を６０〜１５０℃とすることが好ましい。なお、凸構造１４の高さが数ｎｍ（１０ｎｍ以下）であるような場合には、２００℃程度で加熱してもよい。

続いて、図１（ｃ）に示されるように、蓋基板１６のシリコーンゴム層１８が形成された面と主基板１０の凹凸構造が形成された面とを向かい合わせで当接した後、適切な位置を決めて両基板を固定・加圧して密着させる。この時、シリコーンゴム層１８が非タック性となっているため、両基板が接触すると同時に接着するといったことがなく、その結果、容易に位置あわせを行なうことができる。なお、この際、接合面の滑りを良くするために、主基板１０の表面に予めメタノール等を滴下しておくことが好ましい。

ここで、図１（ｃ）に示した工程について、図２を参照してさらに詳細に説明する。本工程においては、蓋基板１６のシリコーンゴム層１８と主基板１０の凹凸構造が形成された表面とが向かい合った形で両者を加圧して密着させる。このとき、蓋基板１６のシリコーンゴム層１８は、ある程度以上の硬度を持っているため、加圧によってシリコーンゴムが凹構造１２の中に侵入してこれを埋め尽すといったことが起こらず、両基板の密着後も、図２（ａ）に示されるように、凹構造１２によって画定されるチャンバ（空間）が維持される。一方で、図２（ｂ）に示されるように、蓋基板１６のシリコーンゴム層１８は、石英等の硬い材料と異なり弾性を有しているため、凸構造１４を好適に回り込んで覆い尽くすことができる。その結果、蓋基板１６と主基板１０は、凸構造１４の存在にもかかわらず、シリコーンゴム層１８を介して密着することができる。なお、本発明は、蓋基板１６の材料について特に限定するものではなく、樹脂製のものであってもよく、主基板１０と同様に硬い材料（石英、シリコン、ガラス、金属、セラミックス等）で形成してもよい。

再び、図１に戻って説明を続ける。蓋基板１６と主基板１０とをシリコーンゴム層１８を介して密着させた後、その密着状態を保持したまま、図１（ｄ）に示されるように、主基板１０側から紫外線、好ましくは真空紫外光（ＶＵＶ）を照射する。主基板１０は、先述したように、紫外線に対して透過性を有しているため、照射された紫外線は、主基板１０を透過して内部のシリコーンゴム層１８に到達する。その結果、主基板１０とシリコーンゴム層１８の接合面に形成される酸化膜を介して両基板が固着する。なお、本発明においては、照射する真空紫外光の波長を１７２ｎｍにすることが好ましい。

ここで、図１（ｄ）に示した工程について、図３を参照してさらに詳細に説明する。主基板１０の裏面１０ｂ（凹凸構造が形成された表面に対向する面）に向けて真空紫外光（ＶＵＶ）を照射すると、照射された真空紫外光は、主基板１０を透過して、主基板１０とシリコーンゴム層１８の界面１８ａに到達し、その近傍で吸収される。その結果、界面１８ａ近傍で光酸化反応が起こり、界面１８ａの近傍部分のシリコーンゴムが二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）に転移して化学的に安定な構造となることで、主基板１０と蓋基板１６とが強固に固着する。ここで仮に、主基板１０の材料が石英（ＳｉＯ_２）であった場合、図３の右下に丸で囲んで示すように、凹構造１２によって画定されたチャンバ（ナノ流路３０）のすべての壁面が二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）になる。その結果、流路壁面にＰＤＭＳの成分が残らず、水に対する濡れ性が好適化される。

なお、紫外線の照射過程は、流路内部に残った有機物を分解消去する洗浄工程を同時に兼ねている。すなわち、マイクロ流路デバイスにＰＤＭＳを用いる場合、必ず未重合のモノマー成分が染み出したり、ガス化したりするなどして、流路内にＰＤＭＳのモノマー成分が残るが、これら残留ＰＤＭＳ成分は、上述した紫外線の照射によって、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）化して壁面に一体化し流路内から除去される。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以下、本発明の基板の接合方法について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。

本発明の基板の接合方法を使用して、以下の手順で「１分子ソータ」を作製した。まず、石英基板（主基板）の表面に対して、ナノ流路溝（深さ：50〜100nm、幅：50〜500nm）と、当該ナノ流路溝のそれと同じ幅のギャップを有する電極片（厚さＴｉ(1nm)/Ａｕ(100nm),幅100〜1000nm）を形成した。

一方、厚さ100μmの石英基板（蓋基板）の表面に対して、ＰＤＭＳ（SIM240,信越シリコーン）をスピンコート法により約１μmの厚みで成膜した後、約150℃でベークし硬化させてシリコーンゴム膜を形成した。

上記蓋基板と上記主基板との間にメタノールを滴下した後、蓋基板のシリコーンゴム膜が形成された面と主基板の表面とを合わせた状態で、蓋基板に形成されたコンタクトホールと主基板の電極片との位置あわせを行ない、両基板を加圧して密着・固定した。

最後に、固定された両基板に対し、主基板側から波長172nmの真空紫外光（ＶＵＶ）を照射した。下記表１は、ＶＵＶの照射後（1秒・10秒・120秒）のシリコーンゴム膜の組成比を示す。なお、組成比については、Ｘ線光電子分光によって求めた。

上記表１に示される組成比の変化から、ＶＵＶの照射時間に伴って、シリコーンゴム膜がシリコーンからＳｉＯ_２へと変化していることが確認された。その後、上記手順で作製した「１分子ソータ」が問題なく作動することを確認した。

１０…主基板、１２…凹構造、１４…凸構造、１６…蓋基板、１７…シリコーンゴム組成物、１８…シリコーンゴム層、３０…ナノ流路

Claims

凸構造と凹構造が共存する表面を有する紫外線透過性の主基板と、蓋基板を接合する方法であって、
前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム組成物を塗布する工程と、
前記シリコーンゴム組成物を硬化させ、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム層を形成する工程と、
前記主基板の前記表面と前記蓋基板の前記シリコーンゴム層とを密着させる工程と、
前記主基板側から紫外線を照射して、前記シリコーンゴム層と前記主基板の接合界面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む基板の接合方法。
前記紫外線は、真空紫外光である、請求項１に記載の接合方法。
前記真空紫外光の波長が１７２ｎｍである、請求項１または２に記載の接合方法。
前記凸構造および前記凹構造がナノサイズである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合方法。
前記シリコーンゴム組成物は熱硬化性であり、前記シリコーンゴム組成物を６０〜１５０℃で加熱して前記シリコーンゴム層を形成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合方法。
前記主基板が、石英によって形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合方法。
ナノサイズの流路を備えるマイクロ流体デバイスの製造方法であって、
電極と流路溝が共存する表面を有する石英基板と該石英基板を封止するための蓋基板を用意する工程と、
前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム組成物を塗布する工程と、
前記シリコーンゴム組成物を硬化させ、前記蓋基板の接合面にシリコーンゴム層を形成する工程と、
前記石英基板の前記表面と前記蓋基板の前記シリコーンゴム層とを密着させる工程と、
前記石英基板側から真空紫外光を照射して、前記シリコーンゴム層と前記石英基板の接合界面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
を含む製造方法。