JP5946235B2 - ソフトリソグラフィーを使用するナノスケールの特徴形体の生成方法 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は一般に、ソフトリソグラフィー、より詳細には、ソフトリソグラフィーを使用してナノスケールの特徴形体（features）を生成することに関する。

関連技術の記載
フォトリソグラフィーは、電子装置、磁気装置、機械装置、および光学装置だけでなく、生物学的分析および化学分析に使用することのできる装置の作製に広く使用されている。たとえば、フォトリソグラフィー技術は、１種または複数のトランジスタ、バイア、インターコネクトなど、半導体装置中の回路素子の特徴形体および／または形状の画定に使用することができる。別の例では、フォトリソグラフィーは、光学的な導波管および構成部品の構造および／または作動特徴形体の画定に使用することができる。さらに別の例では、フォトリソグラフィーを使用して、流体の輸送に使用することのできる構造物を生成し、イオン分離、反応触媒作用などを含む化学反応および／または分析のための場所を提供することができる。これらの構造は、時にラボチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）と呼ばれ、半導体装置、センサ、ＤＮＡ分離器、分子膜などに使用することができる。

従来の映写方式フォトリソグラフィーでは、フォトレジストの薄層を基板表面に塗布し、フォトレジストの選択した部分を光のパターンに露出する。たとえば、マスクまたはマスキング層を使用して、基板表面の部分を光源から遮蔽することができる。次いで、フォトレジスト層の露出した（または露出していない）部分が蝕刻されるように、フォトレジスト層を現像することができる。従来のフォトリソグラフィーには確立された光学技術が利用されているので、従来のフォトリソグラフィーの解像度は、少なくとも一部には比較的高い精度に測定される場合もある。しかし、従来のフォトリソグラフィーの解像度は、光の波長、フォトレジストおよび／または基板での散乱、フォトレジスト層の厚さおよび／または性質、ならびに他の影響によって制限されかねない。したがって、映写方式フォトリソグラフィーを使用して、サイズ（または限界寸法）が約１００ナノメートル未満である特徴形体を生成することは、一般に経済的に可能であるとはみなされていない。経済的な考慮事項を無視したとしても、映写方式フォトリソグラフィーを使用して、サイズ（または限界寸法）が約４５ナノメートル未満である特徴形体を生成することは、実質的に不可能であるといえる。

電子ビームリソグラフィー、ディップペンリソグラフィー、様々なナノインプリント技術などの次世代リソグラフィー（ＮＧＬ）法を使用して構造を生成することもできる。たとえば、レジストと呼ばれるポリマーを短い波長のＵＶ放射または電子ビームに曝すことによる電子ビーム法を使用して、レジストにパターンを作製することができる。造影放射への曝露によって、ポリマーの溶解性が変化するので、ポリマーフィルムの曝された部分は、溶媒で除去することができる。しかし、これらの技術を使用して１００ｎｍ未満の寸法を有する構造を生成することは、高くつき、非常に特殊な造影ツールと材料を使用しない限り実施することができない。したがって、これらの技術を使用するデバイスの大規模工業生産は、経済的に実行できないと考えられている。

発明の要約
本発明は、上述の問題の１つまたは複数による影響に対処しようとするものである。本発明のいくつかの側面の基礎的な知識を提供するために、以下に簡単にまとめた発明の概要を示す。この概要は、本発明の網羅的な全体像ではない。また本発明の基本的または重大な要素を特定するものでもなければ、本発明の範囲を線引きするものでもない。その唯一の目的は、いくつかの概念を、後で論述するより詳細な記述の序文として簡単にまとめた形で示すことである。

本発明の一態様では、ソフトリソグラフィーを使用して分子膜を生成する方法が提供される。この方法は、成形性ポリマー組成物中に、少なくとも１種のナノスケールの特徴形体を有するパターンを生成し、パターンの少なくとも一部を第１の基板に近接して配置することを含む。

本発明は、添付の図面と合わせて解される以下の記述を参照することで理解することができ、同種の参照番号は同種の要素を特定する。

本発明は、様々な変更形態および代替形態が可能であるが、その詳細な態様は、図面に例として示してあり、本明細書で詳述する。しかし、詳細な態様についての本明細書中の記述は、本発明を開示する特定の形態に限定するものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲内にあるすべての変更形態、等価物、および代替形態を含むことがその意図であることを理解するはずである。

本発明の例示的な態様を以下で述べる。明瞭さを確保するために、実際の実施におけるすべての特徴を本明細書に記載してはいない。かかる実際のあらゆる態様を開発するに際しては、システム上の制約およびビジネス上の制約への対応に関連する、それぞれの実施に特有な数多くの決定がなされて開発する者に固有の目的が達成されるところ、それが実施によって種々異なることは当然理解されよう。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間のかかるものであるかもしれないが、それにもかかわらず、この開示の利益を手にする当業者にとってはごく普通の作業であることも理解されよう。

ここで本発明を付属の図面に即して述べる。様々な構造、システム、および装置を、説明の目的のみのために、また本発明を不明瞭にしないように、当業者によく知られている細目と共に図に模式的に示す。同様に、付属の図は、本発明の実例となる例について記述し説明するために含まれる。本明細書で使用する単語および表現は、関連する技術の技術者によるそれらの単語および表現の見解と一致した意味を有すると理解すべきであり、および解釈すべきである。用語または表現の特別な定義、すなわち、当業者によって理解されるような通常および通例の意味と異なる定義が、本明細書における用語または表現の一貫した使用によって暗示されることはない。用語または表現が、特別な意味、すなわち当業者によって理解されるもの以外の意味を有するものである限り、そのような特別な定義は、その用語または表現の特別な定義を直接かつ明解に提供する定義づけの方法で本明細書中に明記される。

図１は、ソフトリソグラフィーを使用して、ナノスケールの特徴形体１０５を含む分子の膜を生成する技術１００の例示的一態様を概念的に示すものである。例示する態様では、基板１１０上またはそれに面して１つまたは複数のナノスケールの特徴形体１０５を生成する。本明細書では、用語「ナノスケール」とは、少なくとも１つの長さ尺度が約２００ｎｍ未満であることを特徴とする特徴形体を指すと理解されよう。一態様では、ナノスケールの特徴形体は、長さ尺度が約１００ｎｍ未満である。たとえば、ナノスケールの特徴形体１０５は、少なくとも１つの長さ尺度が約５ｎｍ以下の範囲をとる。しかし、当業者ならば、ナノスケールの特徴形体１０５が、実質的に１００ｎｍより長い他の長さ尺度を特徴とする場合もあることがわかるはずである。たとえば、円柱状の形状を有するナノスケールの特徴形体１０５は、直径が約５ｎｍ以下の範囲をとり、円柱の軸と平行した長さ尺度が実質的に２００ｎｍより長くてもよい。

一態様では、基板１１０はシリコンウェーハであり、ナノスケールの特徴形体１０５は単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である。基板１１０は、ＳＷＮＴ １０５の付着および生成を促進するために、シリコンウェーハ上に生成された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層（図示せず）を含んでもよい。基板１１０は、ナノモールドをそれから構成することができる型板として役立つ、直径の小さなＳＷＮＴ １０５の高品質の半単層を含むことが好ましい。ＳＷＮＴ １０５は、円柱状の断面および高度なアスペクト比を有し、何ミクロンもの長さにわたりその寸法の原子スケールが均一であり、化学的に不活性であり、さらに基板の範囲上で広い面積にわたり大量に成長または沈着する能力があるために、本発明の方法での使用に適する。しかし、当業者ならば、基板１１０およびナノスケールの特徴形体１０５は、必ずしもそれぞれケイ素および単層ナノチューブで構成されず、代替態様では、どんな材料を使用して基板１１０および／またはナノスケールの特徴形体１０５を生成してもよいことがわかるはずである。たとえば、ナノスケールの特徴形体１０５は、二層ナノチューブ、ナノワイヤー、電子ビームによって書き込まれた特徴形体、意図的に組織された構造などを使用して生成することができる。

ＳＷＮＴ １０５は、比較的高濃度のフェリチン触媒を用いる、メタンによる化学蒸着を使用して生成することができる。生成されたＳＷＮＴ １０５は、直径が約１０ｎｍ以下、好ましくは直径が約５ｎｍ以下であり、ＳｉＯ_２／Ｓｉウェーハのカバー度が１〜１０チューブ／ｍ^２であるものでよい。ナノチューブは、直径の連なりが連続しており、そのカバー度が比較的高いが半単層であるために、解像度または寸法限界を評価するのに理想的である。ＳＷＮＴ １０５は円柱状の形状であるので、その高さの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）測定によって寸法が簡単に特徴付けられる。ＳＷＮＴ １０５は、以下でより詳細に論述するように、ファン・デル・ワールス付着力によってＳｉＯ_２／Ｓｉ基板１１０に結合しているが、この力は、硬化したポリマーモールドを剥がすときにＳＷＮＴ １０５が外れるのを防ぐのに十分な強度で、ＳＷＮＴ １０５を基板１１０に結び付ける。ＳＷＮＴ １０５は、広い領域上にポリマー残留物がなく、基板１１０上に生成する細密な解像度の特徴形体が複製できるようになることが好ましい。ポリマー残留物がないことは、モールドが原型を汚さず、したがってモールドにある特徴形体が真の複製によるものであり、材料不十分でないことを示唆するといえる。場合により、第１の基板上に生成したＳＷＮＴ １０５は、そこに塗布されて離型剤として働くシラン層を含み、基板１１０のモールド生成に使用するポリマーの付着を防いでもよい。

例示する態様では、基板１１０上またはそれに面して１つまたは複数のミクロンスケールの特徴形体１１５も生成する。本明細書では、用語「ミクロンスケール」とは、少なくとも１つの長さ尺度が約２００ｎｍより大きいことを特徴とする特徴形体を指すと理解されよう。たとえば、ミクロンスケールの特徴形体１１５は、幅約３０ミクロン高さ１１ミクロンのマイクロチャネルでよい。一態様では、ミクロンスケールの特徴形体１１５は、ナノスケールの特徴形体１０５の少なくとも一部と接触して生成されて、ナノスケールの特徴形体１０５およびミクロンスケールの特徴形体１１０を用いて生成されたモールドが、以下で詳細に論述するように液体の輸送に使用できるようになっている。基板１１０は、電子ビームリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィーによって作製したモールド、プラスチック製シート上の生物学的材料など、基板１１０中、その上、またはそれに面して配置される他の材料を含んでもよい。

１種または複数の硬化性組成物を、基板１１０、すなわちナノスケールの特徴形体１０５、および（存在するならば）ミクロンスケールの特徴形体１１５に注型し、（完全にまたは部分的に）硬化させて、モールド１２０を生成する。一態様では、モールド１２０は、複数の硬化（架橋結合）ポリマー層１２５、１３０を有する多層モールドである。基板１１０に対して生成される第１の層１２５は、シロキサンを含む硬化性組成物を注型し、（完全にまたは部分的に）硬化させて生成される、弾性率の比較的高い（約１０ＭＰａ）エラストマー（すなわち架橋ポリマー）でよい。シロキサンを含む硬化性組成物を（完全にまたは部分的に）硬化させて生成した弾性率の高いエラストマー（すなわち架橋ポリマー）を、ｈ−ＰＤＭＳと呼ぶこともある。しかし、この開示の利益を有する当業者は、代替態様において、エポキシ基、ビニル基、ヒドロキシ基などの官能基を有するケイ素含有モノマーまたはポリマーの使用を含む、異なる様々な方法を使用して硬化性組成物が製造できることを理解するはずである。一態様では、硬化性組成物は、ビニル官能性のシロキサンと触媒を混合して調製することができる。次に、ヒドロ官能性のシロキサンを加え、混合すると、シロキサンを含む硬化性組成物を生成することができる。硬化性組成物は、スピンキャスティングによって注型してもよいし、または硬化性組成物を別な形で基板１１０に付着させてもよい。

例示する態様では、たとえば硬化性組成物を加熱することによって、硬化性組成物を部分的に硬化させる。一態様では、触媒によって、耐久性のある組成物中のビニル基に対してＳｉＨ結合の付加を誘発し、それによって（ヒドロシリル化としても知られている）ＳｉＣＨ_２−ＣＨ_２−Ｓｉ結合を生成することができる。硬化性組成物中に多段反応部位を有する部分が少なくとも１つ存在すると、結合した原子間の相対的な運動を妨げることのできる３Ｄ架橋が可能になる。硬化性組成物を原型の浮出し構造中に流した後、その硬化性組成物を、架橋を誘発する条件下に設置することができる。シロキサン骨格はなじみやすいので、ナノスケールの特徴形体１０５および／またはミクロンスケールの特徴形体１１５などの細密な特徴形体の複製が可能になる。

次いで、完全にまたは部分的に硬化したｈ−ＰＤＭＳ層１２５の背面に面して、あらゆる第２のポリマー１３０を生成することができる。一態様では、部分的に硬化したｈ−ＰＤＭＳ層１２５に面して、物理的に強靱な弾性率のより低いエラストマー（ｓ−ＰＤＭＳ）層１３０を生成して、モールド１２０を比較的取り扱いやすくする。たとえば、ｓ−ＰＤＭＳ層１３０は、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＳｙｌｇａｒｄ １８４などの硬化性組成物を注型し、硬化させることによって生成することができる。ｓ−ＰＤＭＳ層１３０を生成した後、基板１１０上の複数のポリマー層１２５、１３０を完全に硬化させて、多層モールド１２０を生成することができる。しかし、当業者ならば、第２の層１３０はあらゆるものであり、一部の代替態様には含まれない場合もあることを理解するはずである。

上述の態様では、シロキサンを含む硬化性組成物を使用して、ｈ−ＰＤＭＳおよびｓ−ＰＤＭＳエラストマーを生成しているが、この開示の利益を有する当業者は、本発明が、これらの硬化性組成物を使用してモールド１２０を生成することに限定されないことを理解するはずである。代替態様では、モールド１２０は、成形性ポリマーを生成する硬化性ポリエーテル組成物を使用して生成することができる。硬化性ポリエーテル組成物の例には、硬化性多フッ素化ポリエーテル組成物などが含まれるがこの限りでない。他の代替態様では、モールド１２０は、硬化性または非硬化性樹脂を使用して生成することができる。

モールド１２０は、成形性ポリマーを生成する他の硬化性ケイ素樹脂組成物を使用して生成することもできる。硬化性ケイ素樹脂組成物の例には、ヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物、過酸化物硬化性ケイ素樹脂組成物、縮合硬化性ケイ素樹脂組成物、エポキシ硬化性ケイ素樹脂組成物、紫外線放射硬化性ケイ素樹脂組成物、および高エネルギー放射硬化性ケイ素樹脂組成物が含まれるがこの限りでない。さらに他の態様では、有機ポリマーとシロキサンポリマーのコポリマーを含有するハイブリッドポリマーを、硬化性部位と共に、またはガラス転移温度の高いポリマーの利用によって使用することができる。

硬化性ケイ素樹脂組成物およびその調製方法は、当該技術でよく知られている。たとえば、適切なヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、（ｉ）ケイ素に結合したアルケニル基を１分子あたり平均して少なくとも２個含有する有機ポリシロキサンと、（ｉｉ）組成物を硬化させるのに十分な量の、ケイ素に結合した水素原子を１分子あたり平均して少なくとも２個含有する有機水素シロキサンと、（ｉｉｉ）ヒドロシリル化触媒とを含む。ヒドロシリル化触媒は、白金族金属、白金族金属を含有する化合物、またはマイクロカプセル化された白金族金属含有触媒を含むよく知られたヒドロシリル化触媒のいずれかでよい。白金族金属には、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムが含まれる。白金族金属は、ヒドロシリル化反応におけるその活性が高いことから、白金であることが好ましい。

ヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物は、一液型組成物でも、または２つ以上の部分に成分を含む多液型組成物でもよい。室温加硫性（ＲＴＶ）組成物は通常、２部分、すなわち、有機ポリシロキサンおよび触媒を含有する一つの部分と、有機水素シロキサンおよびあらゆる任意の成分を含有するもう１つの部分とを含む。昇温下で硬化するヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物は、一液型または多液型の組成物として調製することができる。たとえば、液体ケイ素樹脂ゴム（ＬＳＲ）組成物は、通常は二液系として調製する。一液型組成物は通常、十分な貯蔵寿命を確保するために白金触媒抑制剤を含有する。

適切な過酸化物硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、（ｉ）有機ポリシロキサンと（ｉｉ）有機過酸化物とを含む。有機過酸化物の例には、過酸化ジベンゾイル、過酸化ジ−ｐ−クロロベンゾイル、過酸化ビス−２，４−ジクロロベンゾイルなどの過酸化ジアロイル；過酸化ジ−ｔ−ブチルや２，５−ジメチル−２，５−ジ−（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサンなどの過酸化ジアルキル；過酸化ジクミルなどの過酸化ジアラルキル；過酸化ｔ−ブチルクミルや１，４−ビス（ｔ−ブチルペルオキシイソプロピル）ベンゼンなどの過酸化アルキルアラルキル；および過安息香酸ｔ−ブチル、過酢酸ｔ−ブチル、過オクタン酸ｔ−ブチルなどの過酸化アルキルアロイルが含まれる。

縮合硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、（ｉ）１分子あたり平均で少なくとも２個のヒドロキシ基を含有する有機ポリシロキサンと、（ｉｉ）加水分解性のＳｉ−ＯまたはＳｉ−Ｎ結合を含んでいる三または四官能性のシランとを含む。シランの例には、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）３、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３）３、ＣＨ３Ｓｉ［Ｏ（ＣＨ２）３ＣＨ３］３、ＣＨ３ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）３、Ｃ６Ｈ５Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ６Ｈ５ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、Ｃ６Ｈ５Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ３）３、ＣＨ２＝ＣＨＳｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＨ２＝ＣＨＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＦ３ＣＨ２ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ３）３、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）３、ＣＦ３ＣＨ２ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）３、ＣＨ２＝ＣＨＳｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）３、ＣＨ２＝ＣＨＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）３、Ｃ６Ｈ５Ｓｉ（ＯＣＨ２ＣＨ２ＯＣＨ３）３、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、Ｓｉ（ＯＣ３Ｈ７）４などのアルコキシシラン；ＣＨ３Ｓｉ（ＯＣＯＣＨ３）３、ＣＨ３ＣＨ２Ｓｉ（ＯＣＯＣＨ３）３、ＣＨ２＝ＣＨＳｉ（ＯＣＯＣＨ３）３などの有機アセトキシシラン；ＣＨ３Ｓｉ［Ｏ−Ｎ＝Ｃ（ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ３］３、Ｓｉ［Ｏ−Ｎ＝Ｃ（ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ３］４、ＣＨ２＝ＣＨＳｉ［ＯＮ＝Ｃ（ＣＨ３）ＣＨ２ＣＨ３］３などの有機イミノオキシシラン；ＣＨ_３Ｓｉ［ＮＨＣ（＝Ｏ）ＣＨ_３］_３やＣ_６Ｈ_５Ｓｉ［ＮＨＣ（＝Ｏ）ＣＨ_３］_３などの有機アセトアミドシラン；ＣＨ_３Ｓｉ［ＮＨ（ｓ−Ｃ_４Ｈ_９）］_３やＣＨ_３Ｓｉ（ＮＨＣ_６Ｈ_１１）_３などのアミノシラン；および有機アミノオキシシランが含まれる。

縮合硬化性ケイ素樹脂組成物は、縮合反応を開始し、促進する縮合触媒を含有していてもよい。縮合触媒の例には、アミン；ならびに鉛、スズ、亜鉛、および鉄とカルボン酸の錯体が含まれるがこの限りでない。スズ（ＩＩ）のオクタン酸塩、ラウリン酸塩、およびオレイン酸塩、ならびにジブチルスズの塩は、とくに有用である。縮合硬化性ケイ素樹脂組成物は、一液型組成物でも、または２つ以上の部分に成分を含む多液型組成物でもよい。たとえば、室温加硫性（ＲＴＶ）組成物は、一液型または二液型の組成物として調製することができる。二液型組成物では、通常は部分の一方が少量の水を含む。

適切なエポキシ硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、（ｉ）１分子あたり平均で少なくとも２個のエポキシ官能基を含有する有機ポリシロキサンと、（ｉｉ）硬化剤とを含む。エポキシ官能基の例には、２−グリシドキシエチル、３−グリシドキシプロピル、４−グリシドキシブチル、２，（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチル、３−（３，４−エポキシシクロヘキシル）プロピル、２，３−エポキシプロピル、３，４−エポキシブチル、および４，５−エポキシペンチルが含まれる。硬化剤の例には、無水フタル酸、ヘキサヒドロフタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、ドデセニルコハク酸無水物などの無水物；ジエチレントリアミン、トリエチルエンテトラアミン、ジエチレンプロピルアミン、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）ジエチレン三アミン、Ｎ，Ｎ’−ジ（２−ヒドロキシエチル）ジエチレントリアミン、ｍ−フェニレンジアミン、メチレンジアニリン、アミノエチルピペラジン、４，４−ジアミノジフェニルスルホン、ベンジルジメチルアミン、ジシアンジアミド、２−メチルイミダゾール、トリエチルアミンなどのポリアミン；三フッ化ホウ素モノエチルアミンなどのルイス酸；ポリカルボン酸；ポリメルカプタン；ポリアミド；およびアミドアミンが含まれる。

適切な紫外線放射硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、（ｉ）放射感応性官能基を含んでいる有機ポリシロキサンと、（ｉｉ）光開始剤とを含む。放射感応性官能基の例には、アクリロイル、メタクリロイル、メルカプト、エポキシ、およびアルケニルエーテル基が含まれる。光開始剤の種類は、有機ポリシロキサン中の放射感応性基の性質に応じて決まる。光開始剤の例には、ジアリールヨードニウム塩、スルホニウム塩、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ならびにベンゾインおよびその誘導体が含まれる。

適切な高エネルギー放射硬化性ケイ素樹脂組成物は、有機ポリシロキサンポリマーを含む。有機ポリシロキサンポリマーの例には、ポリジメチルシロキサン、ポリ（メチルビニルシロキサン）、および有機水素ポリシロキサンが含まれる。高エネルギー放射の例には、γ線および電子ビームが含まれる。

本発明の硬化性ケイ素樹脂組成物は、追加の成分を含んでもよい。追加の成分の例には、付着促進剤、溶媒、無機充填剤、光増感剤、抗酸化剤、安定剤、顔料、および界面活性剤が含まれるがこの限りでない。無機充填剤の例には、結晶性シリカ、粉砕結晶性シリカ、珪藻土シリカなどの天然シリカ；溶融シリカ、シリカゲル、発熱シリカ、沈降シリカなどの合成シリカ；雲母、ウォラストナイト、長石、霞石閃長岩などのケイ酸塩；酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化第二鉄、酸化ベリリウム、酸化クロム、酸化亜鉛などの金属酸化物；窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの金属窒化物；炭化ホウ素、炭化チタン、および炭化ケイ素などの金属炭化物；カーボンブラック；炭酸カルシウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩；硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウムなどのアルカリ土類金属硫酸塩；二硫酸モリブデン；硫酸亜鉛；カオリン；タルク；ガラス繊維；中空ガラスミクロスフェアや中実ガラスミクロスフェアなどのガラスビーズ；アルミニウム三水和物；アスベスト；およびアルミニウム、銅、ニッケル、鉄、および銀粉末などの金属粉末が含まれるがこの限りでない。

ケイ素樹脂組成物は、個々の硬化メカニズムに応じて、周囲温度、昇温下、湿気、または放射に曝して硬化させることができる。たとえば、一液型ヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は昇温下で硬化させる。二液型ヒドロシリル化硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は室温または昇温下で硬化させる。一液型縮合硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は室温で大気水分に曝して硬化させるが、熱の適用および／または高い湿度への露出によって硬化を促進することができる。二液型縮合硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は室温で硬化させるが、しかし、熱の適用によって硬化を促進することができる。過酸化物硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は昇温下で硬化させる。エポキシ硬化性ケイ素樹脂組成物は、通常は室温または昇温下で硬化させる。放射硬化性ケイ素樹脂組成物は通常、特定の配合に応じて、放射、たとえば、紫外線、γ線、または電子ビームに曝して硬化させる。

モールド１２０は、硬化させ、または部分的に硬化させた後、基板１１０から取り外すことができる。例示する態様では、モールド１２０は、基板１１０上に生成されたナノスケールの特徴形体１０５に対応する分子膜１３５を含む。したがって、分子膜１３５は、１つまたは複数のナノスケールの特徴形体を含む。モールド１２０は、基板１１０上に生成されたミクロンスケールの特徴形体１１５に対応する１つまたは複数のマイクロチャネル１４０、１４５を含んでもよい。一態様では、マイクロチャネル１４０、１４５は、分子膜１３５に近接して生成されて、液体が分子膜１３５を通ってマイクロチャネル１４０、１４５間を流動できるようになっている。

モールド１２０は、基板１１０から取り外した後、表面１５０の上に設置することができる。一態様では、表面１５０はシリコンウェーハの平面である。たとえば、表面１５０は、ナノスケールの特徴形体１０５の生成に使用した１本または複数の単層ナノチューブの特徴的な長さなど、モールド１２０に関連する特徴的な長さ尺度にわたって平らなものでよい。しかし、この開示の利益を手にする当業者ならば、表面１５０が必ずしも平らでなくてよいことを理解するはずである。代替態様では、表面１５０の部分部分が、たとえばナノスケールの特徴形体１０５の１つまたは複数の特徴的な長さと比べて比較的小さい長さ尺度にわたって曲がっていてもよい。さらに、表面１５０の組成は、設計選択の問題であり、本発明にとって重要でない。代替態様では、任意の材料でできた適切などんな表面１５０を使用してもよい。

モールド１２０は、表面１５０に付着させて、分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５中の任意の液体を分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５内に実質的に強制的に留まらせてもよい。当業者ならば、用語「実質的に強制的に」とは、ここでは、分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５中に存在し得るすべての液体が漏れるのを防ぐのは困難または不可能であり、したがって分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５内の液体の一つの部分が、分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５から漏れる場合もあることを示すのに用いることを理解するはずである。しかし、液体を分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５内に実質的に強制的に留まらせたとき、液体の大部分は、分子膜１３５および／またはマイクロチャネル１４０、１４５内に残る。

マイクロチャネル１４０、１４５の１または複数の部分上に１つまたは複数の出入ウィンドウ１５５を開けることができる。たとえば、出入ウィンドウ１５５をマイクロチャネル１４０、１４５の末端上に開けて、マイクロチャネル１４０、１４５に流体を注入し、またはそこから液体を抜き取るのを可能にすることができる。出入ウィンドウ１５５は、モールド１２０の一つの部分の蝕刻を含む任意の望ましい技術を使用して開けることができる。この開示の利益を手にする当業者ならば、出入ウィンドウ１５５の寸法が設計選択の問題であり、本発明にとって重要でないことを理解するはずである。一例では、出入ウィンドウ１５５の寸法は、マイクロチャネル１４０、１４５の一つの部分の１つまたは複数の寸法に相当するものでよい。一態様では、以下で詳細に論述するように、流体を１つまたは複数の出入ウィンドウ１５５に提供することができ、少量ずつの流体をマイクロチャネル１４０に通し、分子膜１３５、マイクロチャネル１４５へと引き込み、次いでそれに伴う出入ウィンドウから抜き出すことができる。

図２は、流体を分子膜２０５に押し通す装置２００の例示的一態様を概念的に示すものである。例示する態様では、分子膜２０５は、上述の技術に従って生成されたナノスケール構造を含む。流体は、貯留部２１０（１〜４）に貯蔵し、分子膜２０５に提供し、またはそこから抜き取ることができる。例示する態様では、貯留部２１０（１〜２）と貯留部２１０（３〜４）間に電圧２１５をかけることができる。印加電圧２１５は、貯留部２１０（１〜２）からの流体を、出入ウィンドウ２２０に押し通し、マイクロチャネル２２５に押し入れることができる。次いで、少量ずつの流体を分子膜２０５に通し、マイクロチャネル２３０に送り、出入ウィンドウ２３５を経て貯留部２１０（３〜４）に入れることができる。たとえば、プロトン（すなわちＨ^＋イオン）を印加電圧２１５によって分子膜２０５に通すことができる。

図３は、分子膜３００および２本のマイクロチャネル３０５（１〜２）の蛍光像を示す。例示する態様では、分子膜３００およびマイクロチャネル３０５（１〜２）は、単層カーボンナノチューブに対してＰＤＭＳポリマーを注型し、硬化させて作製したスタンプを使用して生成する。マイクロチャネル３０５（１〜２）を、５０ｍＭのリン酸緩衝溶液（ＰＢＳ）緩衝液を含む０．０１ｎＭのＳｎａｒｆ−１溶液で満たした。マイクロチャネル３０５（１〜２）の全域に電圧をかけて、プロトンを分子膜３００に押し通した。蛍光レベルが変化していることは、プロトンが、マイクロチャネル３０５（１）から、分子膜３００を通ってマイクロチャネル３０５（２）へと輸送されたことを示す。

図２および図３は、流体を、ナノスケールの特徴形体を含む分子膜の向こう側へ輸送するのに使用することのできるナノ流体チャネルを概念的に例示するものであるが、本発明はナノ流体チャネルの生成に限定されない。この開示の利益を手にする当業者ならば、成形性ポリマー組成物中にナノスケールの特徴形体を生成し、次いで硬化したポリマーまたはエラストマーを基板上および／または表面上に配置する技術の態様が、広範な種類の状況で使用できることを理解するはずである。様々な態様では、ナノスケールの特徴形体を含む成形性ポリマー組成物を用いて、流体を輸送し、かつ／またはイオン分離、反応触媒作用などを含む化学反応および／もしくは分析のための場所を提供することができる。たとえば、ナノスケールの特徴形体を含む硬化ポリマーを使用して、半導体装置、センサ、ＤＮＡ分離器などの部分として使用することのできるラボチップ型デバイスを生成することができる。

本発明は、本明細書の教示の利益を手にする当業者には明らかな、異なる等価な方法で変更し、実行することができるので、上で開示した特定の態様は例示的なものにすぎない。さらに、示した本明細書の構成または設計の詳細には、以下の特許請求の範囲に記載するもの以外は制限がないものとする。したがって、上で開示した特定の態様は、変更または改変することができ、そのようなすべての変形形態が本発明の範囲および精神の内にあるとみなされることは明白である。すなわち、本明細書で求める保護は、以下の特許請求の範囲に記載のとおりである。

本発明によるソフトリソグラフィーを使用して分子膜を生成する技術の例示的一態様を概念的に示す。 本発明による流体を分子膜に押し通す装置の例示的一態様を概念的に示す。 本発明による分子膜および２つのマイクロチャネルの蛍光像を示す。

Claims (9)

1. ソフトリソグラフィによる、装置を製造する方法であって、
   基板上に、複数のマイクロスケールの特徴形体及び少なくとも１つのナノスケールの特徴形体を形成するステップであって、前記少なくとも１つのマイクロスケールの特徴形体は前記ナノスケールの特徴形体の少なくとも１つに近接するように形成する、ステップ、
   成形性ポリマー組成物を前記基板に注型するステップ、
   前記成形性ポリマー組成物を少なくとも部分的に硬化するステップ、
   前記少なくとも部分的に硬化された成形性ポリマー組成物を基板から除去して、前記ナノスケールの特徴形体に対応する形体を含む分子膜、ならびに前記マイクロスケールの特徴形体に対応する複数のマイクロチャネルを含み、流体が前記マイクロチャネルの少なくとも１つから前記ナノスケールの特徴形体に対応する形体の少なくとも１つに流れるようなパターンが形成されているモールドを作成するステップ、
   １つまたは２つ以上の出入りウィンドウを前記マイクロチャネルの１つまたは２つ以上の部分上に開けるステップ、ならびに
   前記モールドを、表面に配置するステップ
   を含む、装置を製造する方法。
2. 前記少なくとも１つのナノスケールの特徴形体を基板上に生成するステップが、前記基板上に少なくとも１本の単層カーボンナノチューブを生成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記成形性ポリマー組成物を前記基板に注型するステップが、第１の硬化性組成物を前記基板に注型することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の硬化性組成物を基板に注型するステップが、シロキサンを含む前記第１の硬化性組成物を前記基板に注型することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記成形性ポリマー組成物を少なくとも部分的に硬化するステップが、前記第１の硬化性組成物を少なくとも部分的に硬化させることを含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記成形性ポリマー組成物を前記基板に注型するステップが、前記少なくとも部分的に硬化した第１の硬化性組成物に第２の硬化性組成物を注型することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記少なくとも部分的に硬化した第１の硬化性組成物に前記第２の硬化性組成物を注型するステップが、前記少なくとも部分的に硬化した第１の硬化性組成物に、シロキサンを含む前記第２の硬化性組成物を注型することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第２の硬化性組成物を硬化させることを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記モールドを表面に設置して、流体が前記パターン内を実質的に強制的に流動するようにすることを含む、請求項１に記載の方法。