JP2010527293A - マイクロ流体デバイスを作製する方法 - Google Patents

Abstract

ガラスまたはガラス含有材料を有するマイクロ流体デバイスを作製する方法が説明される。方法は、現行手法を用いて作製された同様の成形ガラス品に優る、低減されたコスト及び／または改善された寸法特性を有する。詳しくは、パターン付成形面を有する、硬質非付着性材料の第１の型子が提供され、第１のガラス含有組成物塊が提供され、第１のガラス組成物塊がパターン付成形面と接触させられてパターン付成形面と第２の面の間でプレスされ、硬質非付着性材料の型子及び第１のガラス組成物塊がともに、パターン付成形面が第１のガラス組成物塊に転写されて成形ガラス含有品を形成するように、ガラス組成物塊を軟化させるに十分に加熱され、少なくとも１つの通過流路を有するマイクロ流体デバイスを形成するために成形ガラス含有品の少なくとも一部がシールされる。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００７年２月２８日に出願された、欧州特許出願第０７３００８３５.１号の恩典を主張する。

本発明はマイクロ流体デバイスに関し、特にその作製方法に関する。

本明細書で理解されるようなマイクロ流体デバイスは、一般に、サブミクロンから数ミリメートルの範囲の寸法を少なくとも１つ、普通はさらに多く有する流路または流体チャンバを有するデバイスである。ある程度は、そのような流路または流体チャンバの特徴的な小総プロセス流体体積及び特徴的な大表面積対容積比のため、マイクロ流体デバイスは、困難であるか、危険であるか、または不可能でさえあり得る化学反応及びプロセスを、安全で、効率的であり、環境に優しい態様で、また１００ｍｌ/分程度ないしさらにかなり高い連続流量になり得るスループットレートで、行うために有用であり得る。

マイクロ流体デバイスは、金属、セラミック、シリコン及びポリマーを含む、様々な材料でつくられている。これらの材料では数多くの欠点に遭遇する。

例えば、ポリマーでつくられたデバイスは、一般に、２００℃〜３００℃をこえる温度に長時間耐えることができない。さらに、そのような構造内での効果的な表面状態の制御は困難であることが多い。

シリコンデバイスは高価であり、ある種の化学的または生物学的な流体には適合しない。さらに、シリコンの半導体としての性質が、電気−流体力学ポンピング及び電気−浸透圧ポンピングのような、ある種のポンピング手法を実施すると問題を引き起こす。さらにまた、シリコンマイクロ流体デバイスの形成に用いられるリソグラフィ手法では本質的に狭い（一般に１００μｍより狭い）チャネルがつくられる。そのような狭いチャネルは高背圧を有し、作製スループット要件の達成が困難である。

金属でつくられるデバイスは腐食し易く、一般に、ある種の化学的または生物学的な流体には適合しない。

したがって、数多くの状況において、マイクロ流体構造をガラスでつくるか、あるいは少なくとも反応チャネルをガラスで内張りすることが望ましい。

ガラスでつくられたマイクロ流体デバイスは、化学的または物理的なエッチングによって得られている。エッチングはガラス基板に溝を形成するために用いることができ、そのような溝は、例えばガラスリッドでシールすることができる。しかし、そのような手法は完全には満足できるものではない。等方性化学エッチングではかなりのアスペクト比を得ることができず、物理的エッチングは、コストがかかり、生産能力が限られていることから、実施が困難である。開放溝を閉じるため、リッドの張付けまたはシールに最も多く用いられる手法はイオン接合である。しかし、この手法は費用がかかり、塵埃に極めて敏感であるために実施が困難である。さらに、高品質シールを提供するためにはそれぞれの層の表面が極めて平坦でなければならない。

２つないしさらに多くの基板の間のリセスまたは流路を定める構造化固結フリットで形成されたマイクロ流体デバイスが、例えば名称を「マイクロ流体デバイス及びその作製（Microfluidic Device and Manufacture Thereof）」とする特許文献１及び関連する特許明細書または特許出願公開明細書に開示されるように、本発明の発明者等及び同僚によって従前の研究において開発されている。これらの先行特許文献に開示される方法は、第１の基板を提供する工程、第２の基板を提供する工程、第１の基板の対面表面上に第１のフリット構造を形成する工程、第２の基板の対面表面上に第２のフリット構造を形成する工程、及び第１の基板の第１のフリット構造と第２の基板の第２のフリット構造を、第１の基板と第２の基板の間に１つ以上の固結フリットで定められるリセスまたは流路が形成されるように、対面表面を互いに向けて固結し合わせる工程を含む、様々な工程を含む。このタイプのデバイスでは、固結フリットが流路を定めるため、非ガラス基板が用いられていても、固結フリットのガラスまたはガラス−セラミック材料で流路を内張りすることができる。

例えば特許文献２に開示される、ガラスマイクロ流体デバイス作製の別の手法は、作製されるべき形状に対する雌型としてはたらくように形づくられた仮基板の表面上のガラスの蒸着を含む。蒸着による表面上のガラス形成後、ウエットエッチングによって仮基板がガラスから除去される。蒸着及びエッチングは、比較的時間がかかり、費用がかかり、また環境に優しくないプロセスである。

本発明の発明者等及び／または同僚は、例えば特許文献３に示されるように、薄いガラスシートが真空成形されてシートの両面上に交互するチャネル構造が形成され、次いで１枚ないしさらに多くの別の真空成形シートまたは平坦シートによって融着することで閉じられる、マイクロ流体デバイスの形成方法を開発した。特許文献３に開示される方法は本明細書に説明される目的に有用であるが、この真空成形手法によって可能であるよりも、鋭利な溝角度（例えば９０°）並びにさらに多様なチャネル形状及び寸法を含む、さらに一層微細で、さらに複雑な構造を形成できることが望ましい。

米国特許第６７６９４４４号明細書 国際公開第０３/０８６９５８号パンフレット 米国特許出願公開第２００５/０２４１８１５号明細書

マイクロ流体デバイスの作製方法が本明細書に説明される。本明細書に説明される材料、方法及びデバイスの利点は、ある程度は以下の説明に述べられるであろうし、あるいは以下に説明される態様の実施によって習得することができる。以下に説明される利点は添付される特許請求の範囲で特に示される要素及び組合せを用いて実現され、達成されるであろう。

図１はガラス含有組成物を成形品に形成するための積重ね構造体を示す。 図２はコンベアベルトによってオーブンを通して処理される複数の積重ね構造体を示す。 図３は、熱処理開始後の、第１の構造の表面と第２の構造の表面の間に配されたガラス含有組成物の断面を示す。 図４は第１の構造と第２の構造の間に配されたガラス含有組成物の、基板の一方の表面が組成物に食い込んでいる、断面を示す。 図５は成形面から取り外された成形ガラス含有組成物の断面及び金型キャビティの離型角を示す。 図６は両面に金型痕を有する成形品を作製するために２つの異なる成形面の間に配されたガラス含有組成物塊の断面を示す。 図７はシートの一方の面上に４つの成形面圧痕をもつガラスシートを示す。 図８は、パターン付表面を有する複数の構造のそれぞれの間に配された複数のガラス含有組成物塊を有する、積重ね構造体を示す。 図９は、本発明のいくつかの実施形態の説明のための、多孔質グラファイトの形態の構造３の写真である。 図１０は多孔質グラファイト構造及びそれで作製された成形ガラスシートの写真である。 図１１は成形ガラスシートの写真である。 図１２は２枚の成形ガラスシートを押し合わせることによって組み立てられた試料マイクロ流体デバイスの写真であり、灰色のチャネルはデバイスの開放リセスである。 図１３は、シリコンウエハ上に押し付けられて融着された、成形ガラスシートの写真を示す。 図１４は成形面と第２の面の間に配されたガラス含有組成物の断面を示し、第２の面はガラス組成物が接着されるであろう基板１００の表面を含む。 図１５は成形面と第２の面の間に配されたガラス含有組成物の断面を示し、第２の面はガラス組成物が接着されるであろう基板１００の表面すなわち硬質非付着性材料からなる構造の表面を含み、１つ以上の金型インサート１０２，１０３が面１２，１４上またはその内に配置される。 図１６は、１つ以上のインサート１０２，１０３がそれに組み込まれている、成形品５１の断面を示す。 図１７は、それぞれの成形面と第２の面の間にそれぞれ配された２つのガラス含有組成物塊の断面を示し、第２の面はガラス組成物が接着されるであろう基板１００の表面を含む。

本明細書及び添付される特許請求の範囲において、以下の意味を持つように定義される多くの術語が参照されるであろう。

本明細書を通して、文脈がそうではないことを要求しない限り、「含む（comprise）」またはその三人称形（comprises）または現在分詞（comprising）のような変化形は、言明された特徴または工程あるいは特徴または工程の群の包含を意味するが、その他のいかなる特徴または工程あるいは特徴または工程の群の排除も意味しないと理解されるであろう。

本明細書及び添付される特許請求の範囲に用いられるように、単数形‘a’，‘an’及び‘the’は、そうではないことを文脈が明白に規定されていない限り、複数の指示対象を含む。すなわち、例えば単数形の「ガラス材料」は２つないしさらに多くのそのような材料の混合物を含み、以下同様である。

一態様において、ガラス含有マイクロ流体デバイスを作製する方法は、パターン付成形面を有する硬質非付着材料の第１の型子を提供する工程、第１のガラス含有組成物塊を提供する工程、第１のガラス含有組成物塊をパターン付成形面と接触させる工程、第１のガラス含有組成物塊をパターン付成形面と第２の表面の間でプレスする工程、硬質非付着材料型子及び第１のガラス含有組成物塊をともに、パターン付成形面が第１のガラス含有組成物塊に転写されて、第１のガラス含有組成物塊が第１の成形ガラス含有品を形成するように第１のガラス含有組成物塊を軟化させるに十分に加熱する工程、及びそれを通る少なくとも１つの流路を有するマイクロ流体デバイスを作製するために第１の成形ガラス含有品の少なくとも一部をシールする工程を含む。

本発明に有用なガラス含有材料は、加熱時に粘性材料に転換され得るいずれかのガラス含有材料である。ガラス含有材料は、充填剤入りフリットを含む、フリットの形態にあることができる。ガラス含有材料はシートの形態にあることもできる。シートの大きさは数１００平方μｍから数１０ｃｍ平方まで変わることができ、数１００μｍから数ｃｍまでのシート厚を有することができる。ガラス含有ガラスには、ガラス質ガラス、ガラス−セラミックまたはガラス複合材を含めることができる。石英ガラスが現在好ましいが、本発明の方法は、Ｇｅ，Ａｌ，Ｂ，Ｐ等のようなその他のガラス網目組織形成剤の使用を含むこともできる。

ガラス組成物はガラスフリット及び充填剤を含むことができる。組成物は、ガラスフリットと充填剤を均質に混合することによって、フリット形態で作製することができる。得られたフリット組成物すなわち充填剤入りフリットは、次いで本発明の形成方法におけるガラス含有材料として直接用いることができ、あるいは初めにガラスシートまたはその他の構造に形成することができる。いずれの場合も、充填剤は複合材全体にわたって均等に分散されているかまたは組み込まれていることが望ましい。これは、ガラスシート全体がシート全体にわたって適度に一貫した特性（例えば平均熱伝導度）を有することを保証するに役立つ。本発明に有用ないくつかのガラスフリット材料及び充填剤材料を以下で説明する。

ガラスフリットは加熱すると粘性材料に転換され得るいずれかのガラス材料である。様々な材料を本発明に用いることができる。一態様において、ガラスフリットはＳｉＯ_２及び、少なくとも１つの他の、アルカリ酸化物、アルカリ土類酸化物、遷移金属酸化物、非金属酸化物（例えばアルミニウムまたはリンの酸化物）
またはこれらの組合せを含有する。別の態様において、ガラスフリットは、ケイ酸アルカリ、ケイ酸アルカリ土類またはこれらの組合せを含有する。ガラスフリットとして有用な材料の例には、ホウケイ酸ガラス、ジルコニウム含有ホウケイ酸ガラスまたはナトリウムホウケイ酸ガラスがあるがこれらには限定されない。

充填剤に目を向ければ、充填剤の熱的及び機械的な特性を保つため、充填剤はガラスフリットに対してほぼまたは完全に不活性であることが望ましい。充填剤がガラスフリットに対してほぼまたは完全に不活性であれば、充填剤／フリットマトリクス内での充填剤の反応は全くおこらないかまたは最小限に抑えられ、よって、本質的に、発泡、新しい相の形成、クラック発生及び固結を阻害するその他のいかなるプロセスもおこらない。そのような条件下では、多孔度が最小の複合材の作製が可能である。

充填剤は一般に、無孔であるかまたは多孔度が最小であって、表面積が小さいことも望ましい。充填剤は、技術で一般に用いられる有機化合物のように焼結中に燃え尽きることはない。充填剤は熱処理中に、硬質のままであるか、軟化するか、あるいは溶融さえし得る。一態様において、充填剤はガラスフリットより高い軟化点または融点を有する。充填剤の選択に依存して、充填剤は、最終複合材への充填剤の一体化を容易にするであろう、酸化物を形成することができる。

充填剤は複合材の平均熱伝導度を高めることが望ましい。一態様において、充填剤は２Ｗ/ｍ/Ｋ以上、３Ｗ/ｍ/Ｋ以上、４Ｗ/ｍ/Ｋ以上または５Ｗ/ｍ/Ｋ以上の平均熱伝導度を有する。本発明に有用な充填剤の例には、炭化シリコン、窒化アルミニウム、炭化ホウ素、窒化ホウ素、臭化チタン、ムライト、アルミナ、銀、金、モリブデン、タングステン、炭素、ケイ素、ダイアモンド、ニッケル、白金またはこれらのいずれかの組合せがあるが、これらには限定されない。

充填剤の量は、とりわけ、選ばれるガラスフリットのタイプ及び所望の平均熱伝導度に依存して変わり得る。一態様において、充填剤の量は複合材の体積で５％以上である。別の態様において、充填剤の量は複合材の体積で１５％〜６０％である。

金型を作製するために用いられる材料に関しては、ガラスに対する金型材料のＣＴＥ／ヤング率に加えて、金型の多孔度及び化学的安定性が考慮されるべきである。多孔度に関し、金型は、熱処理中に発生するガスが多孔質金型を通って溶融ガラスから抜け出し、ガラス内に閉じ込められることのないように、ある程度の多孔度を有することが最も望ましい。一態様において、金型は５％より多い開放気孔を有する、すなわち金型の体積の５％より多くが外気に通じている。別の態様において、金型は少なくとも１０％の多孔度を有する。

金型材料の選択に際しての別の問題は、金型が高温、特にガラスシートを溶融ガラスに転換するに必要な温度において化学的に安定であるべきであることである。金型材料に関して本明細書で用いられるような術語「化学的に安定」は、不活性材料から溶融ガラスと相互作用できる材料への転換に対する金型材料の耐性として定義される。例えば、窒化ホウ素が用いられ得るであろうが、窒化ホウ素は７００℃より高温で酸化ホウ素に転換され得る。酸化ホウ素はガラスと化学的に相互作用でき、この結果、ガラスが金型に付着する。すなわち、本発明の一態様にしたがえば、窒化ホウ素は用いられ得るが、好ましくはない。

金型材料はカーボンからなることがさらに望ましく、コーニング（Corning）１７３７ガラスのようなガラスまたは同様のガラスに対するCarbone Lorraineで製造されたグレード２４５０ＰＴグラファイトのような、あるいはアルミナのＣＴＥと同様のＣＴＥを有する材料とともに使用するためのPoco Graphiteで製造されたグレードＡＦ５グラファイトのような、ガラス含有材料に十分にＣＴＥが整合する多孔質カーボンが最も望ましい。２４５０ＰＴグラファイトは３００℃で２５×１０^−７/℃のＣＴＥ及び約１０％の開放多孔度レベルを有する。ＡＦ５グラファイトは３００℃で７２.３×１０^−７/℃のＣＴＥ及び同様の開放多孔度レベルを有する。

ＣＮＣ加工、ダイアモンド超高速加工、放電加工またはこれらの組合せを特定の成形面の作製に用いることができる。成形面の模様は所望の特徴的構造にしたがって変わり得る。以下で詳細に論じるように、本明細書に説明される方法により、アスペクト比が高く（高さ/幅＞３）、絶対高が数μｍから数ｍｍまでの成形面の使用が可能になる。絶対高及びアスペクト比は単一の値に限定されず、成形面の様々な領域で互いに変わり得る。成形面は、マイクロ流体デバイスに望ましい、多種多様な三次元（３Ｄ）溝構造（例えば、チャネル、キャビティ）及び突構造（例えば、壁、柱）を有することができる。さらに、金型上の溝構造または突構造に９０°の離型角が可能であり、この妥当性は以下でさらに詳細に説明する。

次に図１を参照して成形ガラス含有品を作製するための一実施形態を説明する。この場合はシート２の形態の、第１のガラス含有組成物塊が硬質非接着性材料の第１の型子３のパターン付成形面１４と、この場合は硬質非接着性材料の第２の型子１の平上面からなる、第２の面１２の間に配される。ガラス含有組成物塊がシート２の形態にある場合、シート２は一般に高平坦度を有することが望ましい。パターン付面１４及び第２の面１２は同じかまたは異なる材料で構成することができる。一態様において、パターン付面１４はカーボン、窒化ホウ素セラミックまたはこれらの組合せからなる。別の態様において、パターン付面１４及び第２の面１２は同じ材料で構成され、その材料はカーボン、望ましくは、例えばCarbone Lorraineで製造されたグレード２４５０ＰＴグラファイトまたはPoco GraphiteによるグレードＡＦ５のような、多孔質カーボンである。

必要に応じて、離型剤を用いることができる。離型剤は、所望に応じて、第２の面１２，ガラス含有組成物２及びパターン付面１４のいずれにも施すことができる。施し得る離型剤の量は変わり得る。パターン付面１４の材料と離型剤が同様の特性を有するかまたはパターン付面１４と離型剤が同様の材料からなることが望ましい。例えば、パターン付面すなわち成形面１４がグラファイトからなる場合、離型剤はカーボンスートであることが望ましい。

パターン付面１４と第２の面１２の間でガラス含有組成物２がプレスされるように、ガラス含有組成物２とパターン付面１４の間の界面に圧力が印加されることが望ましい。これは、加熱中のパターン付面すなわち成形面１４のガラス含有組成物２への食い込みを容易にするために第１の型子３上の上面に置かれた加重錘４によって達成することができる。第２の型子１，ガラス含有組成物２，第１の型子３及び加重錘４は合わせて積重ね構造体１０を構成する。加重錘は、高温（すなわちガラス含有組成物２を十分に軟化させるに必要な温度）に耐えることができる、いずれかの材料で作製することができる。加重錘の重量はガラス含有組成物２の量または厚さ及びパターン付面１４の組成物２への所望の食込み量に依存して変わり得る。所要圧力は、ピストンを用いる能動的印加のような、他の態様で印加することもできる。ピストンを用いる場合、積重ね構造体１０に加重錘が必要ではないであろうし、望ましければ、加熱開始後に圧力を印加することができる。

第１の型子、ガラス含有組成物、第２の型子及び必要に応じて用いられる加重錘で構成される積重ね構造体１０が作製されると、積重ね構造体１０はガラス含有組成物２の粘性流動が得られるに十分な温度まで加熱される。そのような加熱を実施するため、積重ね構造体１０はオーブン内に置くことができる。加熱に先立ち、オーブン内の空気が真空排気され、窒素のような不活性ガスがオーブンに導入されることが望ましい。１つ以上の積重ね構造体をオーブン内に入れることができると考えられる。

コンベアベルトを用いて一連の積重ね構造体をオーブン内に入れることができ、積重ね構造体は１つより多くのガラス含有組成物塊を有することができる。そのような態様が図２に示され、図２では、一連の積重ね構造体２０がコンベアベルト２２によって窒素ガス雰囲気の下でオーブン２１に送り込まれ、それぞれの積重ね構造体２０は６個のガラス含有組成物塊２を有する。積重ね構造体２０がオーブン内を通過する速度は１分から１時間まで変わり得る。図２に示されるプロセスは、複数の出発ガラス含有組成物塊２から大量の成形品を生産するための効率的な方法である。例えば、ガラス含有組成物塊２を有する積重ね構造体が、２時間の熱サイクルに対して５ｍ/時間でオーブンに送り込まれ、オーブン長が１２ｍであれば、オーブンは１時間当たり６０個の積重ね構造体を熱処理することができ、これは１時間当たり６００個の成形品生産に相当する。

図３は加重錘のない積重ね構造体１０の断面図を示す。第１の型子３に関し、パターン付面すなわち成形面１４は、製品５１の成形が完了したときに、図４に示されるように、第２の型子の第２の面に接触する面１４の１つ以上の領域すなわち造作３１を有することができる。この場合はパターン付面１４の周縁から隔てられた領域の形態にある、領域すなわち造作３１は熱処理時にガラス含有組成物２に食い込み、図５に示されるように、成形品５１に貫通孔１６を形成できるように、図において垂直方向に、面１４の主要領域から十分に離されている。領域３１の形状は、円形、矩形または長円形のような、いかなる形状もとることができる。熱処理中の貫通孔の形成によって、費用がかかり、成形品５１に損傷を与えるかまたは破壊し得る、成形品５１のドリル孔開けが回避される。パターン付面１４の必要に応じて設けられる別の造作として、第１の型子３は成形完了時に第２の構造の第２の面１２と接触し、必要に応じて第１の型子３の第２のパターン付面１４を囲む別の領域である、パターン付面１４の周縁の領域３２も有する。そのような周囲突領域は、型子１と型子３の間からの溶融ガラスの漏出を防止するための流動体保持具としてはたらくことができる。そのような流動体保持具は処理中のガラスの一様厚及び均一性の確保にも役立ち得る。

図３に示されるように、第１の型子３の面１４上に複数の突領域３３があり、これらの突領域３３は最終的に成形造作をガラス含有組成物に形成する。図４を参照すれば、加熱時に、ガラス含有組成物は軟化状態すなわち粘性状態に転換され、このときに領域３１及び領域３３がガラス含有組成物に食い込む。図５は処理及び面１４からの取外し後の成形品５１を示す。

積重ね構造体１０または２０の熱処理の温度及び持続時間は、ガラス含有組成物の粘度、面１４のアスペクト比及び面１４の複雑さを含むがこれらには限定されない、いくつかのパラメータにしたがって変わり得る。ガラス成形面を作製するための一般的な手法は、面への溶融ガラスの付着を避けるため、短い加熱時間に限定される。この結果、形成される成形面は単純なものとなる。本明細書に説明される方法により、処理中の成形面への溶融ガラスの付着が回避される。すなわち、本明細書に説明される方法によってより長い加熱時間が可能になり、軟化ガラス含有組成物は複雑な成形面のそれぞれの開口領域に侵入することができる。この結果、最終的に、一層複雑な成形ガラス含有品が形成される。すなわち、積重ね構造体は１分から１時間ないしさらに長く加熱することができ、これは一般的な熱成形法よりもかなり広い範囲である。

加熱工程後、積重ね構造体は少なくとも１００℃まで、望ましくは時間をかけて完全に室温まで、徐冷される。本明細書に説明される方法は、１つまたは複数の成形面への軟化ガラス含有組成物の付着を防止するだけでなく、本明細書に説明される方法は、成形面にガラスを凝固（すなわち付着）させずに、ガラス含有組成物と成形面を合わせて徐冷することも可能にする。徐冷することで、第１の型子３及びパターン付面１４におけるクラックの形成を防止することができ、よって第１の型子３及びそのパターン付面すなわち成形面１４を再使用できる。さらに、成形品５１にパターン付面１４が付着することはないから、第１の型子３及びそのパターン付面１４は成形品から、エッチングのような技術上普通に用いられる手法によるのではなく、手で取り外すことができる。これは、総生産コスト及び成形品の総合品質に極めて有益な効果を有する。

上述したように、本明細書に説明される方法によって、複雑で細かい造作をもつ成形ガラス含有品の生産が可能になる。例えば、成形面は、１００μｍより大きい深さ及び１００μｍより広い幅でガラス含有組成物に食い込むことができる領域を複数有することができる。別の態様において、深さは１００μｍから１０μｍまでとすることができ、幅は１００μｍから１０μｍまでとすることができる。別の態様において、成形面は３より大きいアスペクト比を有し、ここで、アスペクト比は[面１４の領域すなわち造作の（図において垂直方向の）高さ]/[領域すなわち造作の幅]である。図５を参照すれば、離型角５２は一実施例において１０５°であった。正確に９０°の離型角は、従来の既知の手法を用いると、ガラス含有組成物が成形面に付着するために、一般に不可能である。しかし、本明細書に説明される方法ではガラス含有組成物と成形面の間の付着が避けられることから、９０°に近い離型角が可能である。さらに、９０°に近い離型角をともなう高アスペクト比も可能である。さらにまた、軟化ガラス含有組成物が成形面に付着しないことから、より長い加熱時間が可能であり、この結果、アスペクト比が高められ、離型角が９０°に近づけられる。これはマイクロ流体デバイスのようなある種の用途に望ましいことであり得る。

図１の第２の型子１の第２の面１２は平面であるが、別途に、第２の面１２もパターン付面とすることができる。図６を参照すれば、ガラス含有組成物６０が第１の型子６２と第１の型子６１の間に挿入される。この態様においては、第１の型子６２の第１の面１４及び第２の型子６１の第２の面１２はいずれもパターン付であり、突領域の数及び寸法に関して互いに異なってはいるが相補的である。熱処理後、成形品の両面が成形面圧痕を有する成形ガラス含有品６３が形成される。すなわち、成形ガラス含有品の両側に同じかまたは異なる圧痕を有することが可能である。

別の態様において、ガラス含有組成物の同じ表面上に２つないしさらに多くの第１または第２の型子を配することができ、型子は同じかまたは異なるパターン付面を有する。図７において、成形ガラス含有品７０は、得られる成形パターン７１と７３が同じで、得られる成形パターン７２と７４が同じ、４つの第１の型子で成形されている。特定のガラス含有組成物塊の横方向広がり及びそれにパターンをつけるために用いられる１つ以上の型子に依存して、それぞれがパターン付面すなわち成形面を有する、いくつかの型子をガラス含有組成物の表面上に並べて配置し、得られた積重ねを熱処理にかけることが可能である。

上述した手法は複数の（すなわち２つないしさらに多くの）成形ガラス含有品の同時作製にも有用である。図８を参照すれば、ガラス含有組成物塊８１，８３，８５，８７及び８９が型子８０と型子８２，８４，８６，８８及び９０の間に配される、すなわち挟み込まれる。型子８２，８４，８６及び８８の場合、それぞれに２つのパターン付面がある。すなわち、複数の成形ガラス含有品を１つの積重ね構造体で作製することができる。図８に示されるように、５個の成形品９１，９３，９５，９７，９９が熱処理及び成形品の取外し後に作製される。短時間で多数の成形品を生産することが可能である。構造８２，８４，８６，８８のそれぞれは２つの同じパターン付面を有するが、２つより多くの異なる面を有する構造を同様に積み重ねて複数の異なる成形品を同時に作製できると考えられる。

本明細書に説明される方法で作製される成形ガラス含有品は、超小型反応器のようなマイクロ流体デバイスの作製に有用である。超小型反応器は、成形品の少なくとも一部をシールして少なくとも１つの流路を形成することによって成形品から形成することができる。そのようなシールを達成できる方法の１つは、合同対面構造を有する複数の成形品を、フリットのようなシール促進剤を用いるかまたは用いずに、積層し、次いで積層構造を空気中において高温でシールすることによる。用いられる雰囲気と加熱の温度及び持続時間は成形品の作製に用いられる材料に依存して変わるであろう。加熱の持続時間は接触している成形品のそれぞれの間に完全なシールが形成されることが保証されるに十分に長い。超小型反応器の場合、これは、反応体が系から全く漏出しないように、また超小型反応器内の内圧を維持するためにも、重要である。その他のシール方法には、高分子接着剤のようなポリマー材料による、さらには望ましければポリマー基板との、シール、無機結合材によるシール、化学融着または化学補助融着によるシール、等がある。

ガラスが最終デバイスの主材料である場合、成形品の両面に構造を形成することができ、形成される構造は互いにある程度独立であるから、本方法ではガラスマイクロ流体デバイスまたは超小型反応器、特に複数の層をもつガラス超小型反応器の作製に必要なガラスコンポーネントの数が最小限に抑えられる。

別の態様において、成形ガラス含有品のガラスではない基板への取付けが望ましいことがあり得る。例えば、高熱伝導基板にシールされた成形ガラス含有品は得られる超小型反応器の伝熱を向上させることができる。一態様において、基板に用いられる材料は成形されるべきガラス含有組成物のＣＴＥと同様のＣＴＥを有し、処理温度に耐えることができる。本発明に有用な基板の例には、シリコン、炭化シリコン、アルミナ及び同様の材料があるが、これらには限定されない。高熱伝導基板の使用により、本発明の方法にしたがって形成されるマイクロ流体デバイスの熱性能を高めることができる。本発明のこの態様において、第２の面１２は、図１４の断面に示されるように、ガラス含有組成物がその上で成形されることになる基板１００の面を含む。次いで加熱工程が基板表面にガラス含有組成物を有効に張り付ける、すなわち接合する。図１３はこの態様でシリコンウエハ１００上に形成されて、ガラス及び基板１００の材料、この場合はシリコンのいずれをも有する成形品になっている、ガラス含有組成物２の斜視写真である。

図１５を参照すれば、ガラス含有組成物がそれに対して押し付けられる第２の面１２は、硬質非付着性材料の第２の型子１上または基板１００上に配置された１つ以上の金型インサート１０２，１０３の１つ以上の面を、さらに含むことができる。インサートは、図１６に示されるように、得られる成形ガラス含有品５１への組込みのために、第１の型子３のパターン付面上または面内に、配置することもできる。

図１７を参照すれば、開示されるプロセスは、基板１００の両面に２つの別々のガラス含有組成物塊２を、望ましくは同時に、成形するために用いることもできる。２つの型子３の内のパターン付面１４を有する下側の型子からわかるように、パターンは平坦ではない幾何学的形状も有することができ、基板１００も非平坦とすることができる。

パターン付面（成形面）の作製
図９に示される面のようなパターン付面の作製を、例えば、１個のグラファイトブロック（用いたグレードには、仏国ジェヌビリエ（Gennevilliers）のCarbone LorraineからのＣ２５及び２４５０ＰＴ，及び米国テキサス州ディケイター（Decatur）のPoco GraphiteからのＡＦ５が含まれる）からＣＮＣ加工によって達成した。Ｃ２５は３００℃で３３×１０^−７/℃の熱膨張及び処理中のガラスからガスを脱出させて気泡形成の防止を可能にする約１０％の開放気孔レベルを有する。図９のパターン付面１４の模様は超小型反応路に用いられる構造を表す。ここで、金型の造作の高さは１００μｍから１.５ｍｍまで変わり、幅は１００μｍから７ｍｍまで変わる。図９を参照すれば、金型は、蛇行構造（高さ＝１ｍｍ，幅＝４ｍｍ）、混合器領域に対応する多分割構造及び様々なアスペクト比をもついくつかの柱及びいくつかの同心円を有する。

成形ガラスシートの作製
図１を参照すれば、図９に示されるような第１のパターン付面１４を有する、硬質非付着性材料の第１の型子３をBorofloat（商標）ガラスのシートの形態のガラス含有組成物２の上に置いた。第２の型子１の第２の面１２によってガラスシートを下から支持した。第１及び第２の型子はいずれもカーボンで形成した。加熱中のパターン付面１４の造作すなわち領域のガラス含有組成物への食込み速度を高めるため、ＡＩＳＩ３１０耐熱金属から加工した金属錘の形態の加重錘４を第１の型子３の上面上に置いた。錘の重量及び直径は１.５ｋｇ及び１００ｍｍであった。本プロセスの特定の価値の１つは大きな圧力が必要ではないことであり、重力と単純な錘で良好な結果を得ることができる。詳しくは、成形面とガラス含有組成物の間の圧力は１００ｋＰａ未満であることが望ましく、１０ｋＰａ未満，さらには１ｋＰａ未満であることが一層望ましい。

積重ね構造体１０をオーブンに入れ、窒素を流しながら加熱した。窒素を入れる前に、オーブン内の空気を真空排気した。面１４のリセスに合わせたガラスシートの粘性変形を誘起するため、炉の温度を２時間かけて９００℃まで上げた。１時間半の保持に続いて５時間かけて室温まで冷却した。第１及び第２の型子と成形ガラスシートを手で分解した。図１０及び１１は上述した手順で形成した成形Borofloatガラスシート（出発時厚さは３.５ｍｍ）を示す。成形面の造作は全て、最も複雑な造作でさえも、ガラスの表面に転写された。さらに、図１１からわかるように、ＣＮＣ装置の工具の作動によって生じた金型の金型加工欠陥５３さえもガラスシートの表面に転写された。

マイクロ流体デバイスの組立
マイクロ流体コンポーネントを作製するため、上述した手順で作製した２枚の成形ガラスシートを合わせて空気中８００℃でシールした。図１２を参照すれば、得られたデバイス５７の（チャネル内の着色流体で生じた、暗色の）蛇行チャネル構造の形態の流路５５の高さは２ｍｍであり、幅は４ｍｍである。このアセンブリは約６０バール（６×１０^６Ｐａ）の加圧値に耐えた。シール界面に弱点は全く見られなかった。

マイクロ流体デバイスに対する特定の価値の１つは、本発明の工程にしたがって作製された３つないしさらに多くの成形品の組立において、特に初期成形プロセスの一部として全ての貫通孔が形成されている場合に、見られる。例えば、成形された構造９１，９３，９５，９７及び９９を積重ね、合わせてシールして、多層マイクロ流体デバイスを形成することができる。

その他の非ガラス基板−ガラス/アルミナ超小型反応器
構造付面すなわち成形面を有する第１の型子を（３００℃におけるＣＴＥが７２.３×１０^−７/℃の）ＡＦ５グラファイト（POCO社）に機械加工した。（３００℃におけるＣＴＥが６８.０×１０^−７/℃）のＡＤ-９６アルミナ（COORSTEK社）の基板１００を３００℃におけるＣＴＥが６３.４×１０^−７/℃で作業点（１０^４ポアズ（１０^３Ｐａ・秒））＝１１５６℃のガラス材料とともに用いた。用いたガラスの組成を以下の表１に示す。

プロセス説明
グラファイトＡＦ５と表１の組成のガラスの膨張整合性を評価するための予備実験を試行プレスによって行った。この試験のため、ガラスシート（１６５×１３５×２.２５ｍｍ）を２つのパターン付面の間に入れて両面からプレスした。プレス温度は１０２５℃（ガラス粘度〜１０５ポアズ（１０.５Ｐａ・秒））、プレス時間は１時間とした。印加荷重は１３１×１６１ｍｍの面にかけて５ｋｇとした。金型のパターン付面からの成形品５１の取外しは非常に容易であった。これは表１のガラスとＡＦ５の許容できる膨張整合を示す。

アルミナ層によって与えられる剛性はガラスを破損させない金型からの取外しを特に容易にするようであった。

アルミナ基板上に直接にガラスシートを成形するための第２の試験を行った。

上述したような材料組成のアルミナ基板（１６１×１３１×１ｍｍ）及びガラスシート（１６１×１３５×２.２５ｍｍ）及びパターン付成形面を全て用意した。アルミナ基板及びガラスシートを慎重に洗浄してクリーニングした。

パターン付面すなわち成形面を、パターンを上に向けて置き、次にガラスシートの形態のガラス含有組成物を載せ、次いでアルミナ基板を積重ね、続いてグラファイトブロック及び５ｋｇの錘を載せた。ガラスとアルミナ基板の間への空気の閉込めを防止するため、２０ミリバール（２×１０^３Ｐａ）の真空下で１０２５℃の平坦域に達するまで加熱を行った。次いで、温度サイクルが終了するまで炉を窒素で再加圧した。

冷却後、積重ねを分解した。分解中に特に困難は無かった。全てのパターン構造が完全に転写された（チャネル深さは約４５０〜４７０μｍ）。アルミナ基板の裏面は平坦であり、残留応力がいかなる反り及びクラウンも誘起していないことから、ＣＴＥ及び最終寸法の不整合が比較的小さいことを示した。しかし、チャネル下（アルミナ上）残留ガラス層厚は、最適熱交換能力に好ましい厚さより大きい、約１.８ｍｍであった。

第３の試験として、同様の条件の下で１ｍｍ厚のガラスシートから始めたときの、チャネル下残留ガラス層厚の測定値は７００μｍであった。

第４の試験として、ガラスシートの代わりに、ガラスフリット層の形態をとるガラス含有組成物２及びワックスペーストをアルミナ基板１００上にフラット成形法で被着し、次いで空気中１０００℃で１時間予備焼結して、４６０〜６２０μｍ厚の艶付層を残した。次いでこの層の上にパターン付面を重ねて、その上に１０ｋｇの荷重をかけ、積重ね構造体を窒素得雰囲気中１０２５℃の温度で１時間焼成した。温度を上げている間、真空は全く用いなかった。エッジのいくつかの欠陥及びある程度の気孔を除き、パターン構造のほとんどが完全に転写され、出発層厚をおそらく、さらに一様に及び／または少々厚くすべきであること、及び加熱中の真空の使用が有益であり得ることを示した。アルミナ−充填剤入りフリットのような、アルミナ基板上に充填剤入りフリットで形成したマイクロ流体デバイスは、本発明の方法で形成できる、熱伝導が高く、化学的及び熱的な耐性が高いマイクロ流体デバイスである。

１，３ 型子
２ ガラス含有組成物シート
４ 加重錘
１０ 積重ね構造体
１２ 面
１４ 成形面

Claims (10)

1. 少なくとも１つの通過流路を有するガラス含有マイクロ流体デバイスを形成する方法において、前記方法が、
   パターン付成形面を有する、硬質非付着性材料の第１の型子を提供する工程、
   第１のガラス含有組成物塊を提供する工程、
   前記第１のガラス含有組成物塊を前記パターン付成形面と接触させる工程、
   前記パターン付成形面と第２の面の間で前記第１のガラス含有組成物塊をプレスする工程、
   前記パターン付成形面が前記第１のガラス含有組成物塊に転写され、前記第１のガラス含有組成物塊が第１の成形ガラス含有品を形成するように、前記第１のガラス含有組成物塊を軟化させるに十分に硬質非付着性材料の前記型子及び前記第１のガラス含有組成物塊をともに加熱する工程、及び
   少なくとも１つの通過流路を有するマイクロ流体デバイスを形成するために前記第１の成形ガラス含有品の少なくとも一部をシールする工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第２の面が硬質非付着性材料の第２の型子の面を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の面が、前記ガラス含有組成物がその上で成形されるべき基板の面を含み、前記加熱する工程が前記ガラス含有組成物を前記基板の前記面に張り付けるかまたは接合するに有効であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の面がさらに、硬質非付着性材料の前記第２の型子上または前記基板上に置かれた、得られる前記成形ガラス含有品への組込みのための、１つ以上の金型インサートの１つ以上の面を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第２の面が平坦であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２の面にパターンが形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記基板または前記１つ以上の金型インサートの内の少なくとも１つが、前記ガラス含有組成物のガラスの熱伝導度より高い熱伝導度を有する材料を含むことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記基板または前記１つ以上の金型インサートの内の少なくとも１つが、セラミック、シリコン、シリコンの化合物及び金属の内の１つ以上を含むことを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記基板または前記１つ以上の金型インサートの内の少なくとも１つがアルミナを含むことを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の方法。
10. 硬質非付着性材料の前記第１の型子がカーボンを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

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