JP4956736B2 - 単分子膜形成方法 - Google Patents
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- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
Description
本発明は、基板の表面に単分子膜を形成する方法に関するものであり、更に詳しくは、水素終端化処理を行った、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素等からなる基板の表面に、不飽和結合を有する物質、例えば、１−オクタデセン等を塗布し、非酸素雰囲気、４０〜２００℃の環境下で、当該基板を加熱することにより、基板表面に単分子膜を形成することを特徴とする単分子膜の形成方法に関するものである。本発明は、例えば、化学、エネルギー、生物、医学等の分野で、次世代の産業を支える基盤技術として期待されているナノテクノロジーと、次世代のレジストとして脚光を浴びている有機単分子膜形成の技術分野において、従来の、気相法、浸漬法等では、種々の問題点があったことを踏まえ、それらの問題点を抜本的に解決することを可能とする、新しい単分子膜の形成技術を開発し、提供するものであり、例えば、基板表面への均質な単分子膜の形成や、複数の異なる単分子膜領域からなる二次元アレイ構造体の形成を可能とする、新規単分子膜の形成方法を提供するものである。本発明は、複雑な装置、大量の廃液の処理を必要とすることなく、基板表面の所定の領域に、均質に単分子膜を形成することを可能とし、且つ多段プロセスを経ることなく、複数の異なる単分子膜領域からなる二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することを可能とする単分子膜の形成方法であり、例えば、半導体微細加工技術のレジスト代替材料、バイオセンサー、分子デバイス等の技術分野における、新技術の開発、新産業の創出を推進するものとして有用である。
シリコンやダイヤモンド等の水素終端化可能な基板上のアルケン単分子膜は、半導体微細加工技術に用いられるレジストの代替材料や、タンパク質等との特異的な分子認識を利用したバイオセンサーとしての適用が注目されている(非特許文献１)。これは、アルケン単分子膜が、従来の有機シラン系単分子膜と異なり、酸化物介在層のないシリコン表面へ直接形成できるために、原子レベルでの平滑な単分子膜表面、トンネル電流を利用した分子デバイス等としての応用が期待できる唯一無比の材料であることに帰する。何れの場合も、ウェハー全面に、均質に単分子を形成し、更に、高解像度で微細加工する必要性がある。従来、ウェハー表面上へのアルケン単分子膜の形成は、気相法（非特許文献２）や液相法（非特許文献３）により達せられてきた。単分子膜表面の微細加工は、半導体プロセス技術に代表される紫外線リソグラフィー(非特許文献４)や、走査型プローブ顕微鏡を用いた陽極酸化（非特許文献５）、AFMカンチレバーによるスクラッチが主流であった。微細加工に関しては、1-アルケンを無水有機溶媒で１．０ｖｏｌ％に希釈した溶液中に、シリコンウェハーを浸漬した後、加熱処理すると、アルケンと水素終端化シリコン表面の間で熱的なラジカル反応が起こり、アルキル単分子がシリコン表面に固定化され、この表面を所定のフォトマスクを介して、紫外線照射することにより、照射部位のみのアルキル単分子を除去することで、微細加工できることが報告されている（特許文献１）。また、糖を有するアルケンを含む無水有機溶媒に、水素終端化シリコン基板を浸漬し、加熱処理することで、糖単分子により覆われたシリコン基板を作製し、これにフォトマスクを介した紫外線照射を行うことにより、糖単分子膜のパターン化を行う手法が報告されている（特許文献２）。
従来、単分子膜の形成方法には、気相法、液相法等が知られている。例えば、アルケン単分子膜をレジスト代替材料とするためには、広範囲な領域（例えば、６インチウェハー）全面に、均質に単分子を形成させる必要があるが、従来の気相法では、分子の気相中での拡散距離が短く、均質にウェハー全面を覆うことは困難であった。一方、液相法では、ウェハーを浸漬するための装置が必要であり、また、大量の廃液を処理しなければならないという問題点があった。また、従来、単分子膜の微細加工技術は、基板表面全体に単分子膜を形成した後に、リソグラフィーを行うことが主流であった。そのために、例えば、光リソグラフィーでは、照射により単分子膜が除去された領域に、第２の単分子膜を配設することは可能であるが、第３、第４の異なる単分子領域を作製することは、極めて困難であった。また、走査型プローブ顕微鏡を用いた場合には、光リソグラフィー法に比べて、より精密な、ナノスケールの加工は可能であるが、複数の異なる単分子領域からなる二次元アレイを同一基板上へ形成することは、多段階プロセスを経る必要があるために困難であった。
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、鋭意研究を進めた結果、基板表面を予め水素終端化し、その表面に、不飽和結合を有する物質を塗布した後、非酸素雰囲気中で加熱処理することによって、基板表面の広範囲な領域を、均質に単分子で被覆可能であること、また、不飽和結合を有する物質を、水素終端化した基板表面の所定の微小領域にのみに塗布し、加熱することで微細加工化でき、更に、異なる多種類の、不飽和結合を有する物質を、各々所定の箇所へ塗布し、加熱処理することにより、1ステップで異なる種類の単分子膜からなる複数の領域を、同一基板上の所定の位置へそれぞれ作製することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明の目的は、従来困難であった、基板表面の広範囲な領域を、均質に単分子膜で被覆する方法を提供することである。
また、本発明の目的は、複数の異なる種類の、不飽和結合を有する物質を塗布する際に、予め同一基板上へそれぞれの物質を塗布した後、加熱することにより、１ステップのプロセスで、二次元アレイ化を同一基板上で行うことを可能とする、単分子膜の形成方法を提供することである。
本明細書において、不飽和結合を有する物質とは、末端に不飽和結合を有する物質を意味する。
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本明細書において、不飽和結合を有する物質とは、末端に不飽和結合を有する物質を意味する。
また、本発明の目的は、不飽和結合を有している物質のほとんどを、単分子膜化することを可能とし、希少な生物材料やナノ材料等の固定化に、無駄なく、最小の分量で、十分な単分子膜の形成が可能な単分子膜の形成方法を提供することである。
また、本発明の目的は、複雑なリソグラフィー及び溶媒への浸漬工程が不要であり、気相法に見られた単分子形成の不均質性や、液相法に見られた大量廃液の産出を抜本的に解決することが可能な単分子膜の形成方法を提供することである。
更に、本発明の目的は、微細構造化にあたり、波長に依存しない手段を用い、大面積からナノスケールの微小領域にまで適応可能であり、Ｘ線や、光に対して耐性が低いＤＮＡ等の生物材料に対しても適応可能な単分子膜の形成方法を提供することである。
更に、本発明の目的は、微細構造化にあたり、波長に依存しない手段を用い、大面積からナノスケールの微小領域にまで適応可能であり、Ｘ線や、光に対して耐性が低いＤＮＡ等の生物材料に対しても適応可能な単分子膜の形成方法を提供することである。
上記課題を解決するための、本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）リソグラフィー工程及び溶媒への浸漬工程を使用することなく、基板の表面に共有結合を介して単分子膜を形成する方法であって、基板表面の不純物を除去し、水素終端化した基板の表面に、末端に不飽和結合を有する物質を所定のパターンで塗布し、これを、非酸素雰囲気、４０〜２００℃の環境下で加熱して上記物質の不飽和結合と水素終端化した基板表面との共有結合を介して基板上に固定化することにより、基板表面に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、単分子膜形成方法。
（２）末端に不飽和結合を有する物質が、末端に不飽和結合を有し、炭素数が２〜２２であるアルケン又はアルキンであることを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（３）末端に不飽和結合を有する物質が、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、又は水酸基の官能基で終端された物質であることを特徴とする、前記（１）又は（２）に記載の単分子膜形成方法。
（４）末端に不飽和結合を有する物質が、糖、ナノ粒子、又はナノ物質と結合した物質であることを特徴とする、前記（１）から（３）のいずれかに記載の単分子膜形成方法。
（５）基板が、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素の水素終端化可能な材料からなることを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（６）末端に不飽和結合を有する物質を、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、又はインクジェット方式を用いて所定のパターンで塗布することにより、基板上の所定の微小領域に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（７）末端に不飽和結合を有する物質を、１．０〜２０ｖｏｌ％の濃度で塗布することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（８）末端に不飽和結合を有する物質として複数種の物質を使用し、この複数種の異なる物質を、同一基板上の複数の微小領域に所定のパターンで塗布することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（１）リソグラフィー工程及び溶媒への浸漬工程を使用することなく、基板の表面に共有結合を介して単分子膜を形成する方法であって、基板表面の不純物を除去し、水素終端化した基板の表面に、末端に不飽和結合を有する物質を所定のパターンで塗布し、これを、非酸素雰囲気、４０〜２００℃の環境下で加熱して上記物質の不飽和結合と水素終端化した基板表面との共有結合を介して基板上に固定化することにより、基板表面に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、単分子膜形成方法。
（２）末端に不飽和結合を有する物質が、末端に不飽和結合を有し、炭素数が２〜２２であるアルケン又はアルキンであることを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（３）末端に不飽和結合を有する物質が、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、又は水酸基の官能基で終端された物質であることを特徴とする、前記（１）又は（２）に記載の単分子膜形成方法。
（４）末端に不飽和結合を有する物質が、糖、ナノ粒子、又はナノ物質と結合した物質であることを特徴とする、前記（１）から（３）のいずれかに記載の単分子膜形成方法。
（５）基板が、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素の水素終端化可能な材料からなることを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（６）末端に不飽和結合を有する物質を、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、又はインクジェット方式を用いて所定のパターンで塗布することにより、基板上の所定の微小領域に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（７）末端に不飽和結合を有する物質を、１．０〜２０ｖｏｌ％の濃度で塗布することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
（８）末端に不飽和結合を有する物質として複数種の物質を使用し、この複数種の異なる物質を、同一基板上の複数の微小領域に所定のパターンで塗布することを特徴とする、前記（１）に記載の単分子膜形成方法。
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、水素終端化された基板表面上に、不飽和結合を有する物質、例えば、アルケン、アルキン等を、その全面あるいは所定の微小領域に塗布し、例えば、ヒーターを用いて熱処理することにより、上記塗布された物質を、基板表面に共有結合を介して固着させ、その後、余剰の当該物質を、例えば、超音波処理等により除去することによって、基板上の所定の位置にだけ単分子領域を形成することを特徴とするものである。
本発明は、水素終端化された基板表面上に、不飽和結合を有する物質、例えば、アルケン、アルキン等を、その全面あるいは所定の微小領域に塗布し、例えば、ヒーターを用いて熱処理することにより、上記塗布された物質を、基板表面に共有結合を介して固着させ、その後、余剰の当該物質を、例えば、超音波処理等により除去することによって、基板上の所定の位置にだけ単分子領域を形成することを特徴とするものである。
本発明の方法は、基本的には、基板の親水化と水素終端化、当該基板表面への不飽和結合を有する物質の塗布、加熱及び洗浄処理の手段から構成される。
まず、基板及びその親水化については、基板として、例えば、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素等の水素終端化が可能な材料を任意に使用することができる。基板の表面を親水化するには、例えば、シリコンの場合には、基板表面を予め、酸素プラズマ、紫外線、電子線、オゾン等で処理し、親水化する。その場合、好適には、波長１７２ｎｍ以下の真空紫外光が使用される。基板表面が、親水化されたことは、基板表面の水の接触角が５°以下になることから判断できる。
まず、基板及びその親水化については、基板として、例えば、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素等の水素終端化が可能な材料を任意に使用することができる。基板の表面を親水化するには、例えば、シリコンの場合には、基板表面を予め、酸素プラズマ、紫外線、電子線、オゾン等で処理し、親水化する。その場合、好適には、波長１７２ｎｍ以下の真空紫外光が使用される。基板表面が、親水化されたことは、基板表面の水の接触角が５°以下になることから判断できる。
次に、基板の水素終端化については、親水化した基板表面を、水素終端化するために、例えば、1.0vol%のフッ化水素水溶液中に常温にて、1分間浸漬することにより、シリコン基板表面の二酸化シリコンを除去することで、シリコン表面を、シリコン−水素結合を介して水素で終端化する。本発明における、水素終端化の方法は、これに制限されるものではなく、これと同等又は類似の方法であれば同様に使用することができる。基板表面が水素終端化されたことは、例えば、シリコン基板の場合には、基板表面の水の接触角が、７８°〜８２°となることから判別できる。
不飽和結合を有する物質の塗布については、不飽和結合を有する物質、例えば、常温で液体であるアルケンを、非酸素雰囲気において、水素終端化した基板表面上の所定の位置へ塗布する。この時、常温で固体である物質の場合、非水有機溶媒に溶媒和したものを塗布することが好ましい。また、複数の物質を同一基板上へ配設する場合には、各々の物質を基板上の所定の位置へ塗布する。
加熱処理については、上記不飽和結合を有する物質を塗布した基板を、非酸素雰囲気下で加熱し、それを固定化する。加熱温度は、４０℃以上であれば良いが、高温の方が、反応が促進できるので好ましい。保持時間は、３０分以上であれば良いが、反応温度が低い場合、３時間以上が好ましい。この操作により、例えば、不飽和結合を有するアルケンが塗布された領域では、アルケンが共有結合を介して、基板表面に固定化される。
洗浄については、基板表面に固定化されず、物理吸着により塗布領域に残存している物質を、例えば、有機溶剤による超音波洗浄によって取り除く。使用する溶剤としては、特に限定されるものではない。この洗浄には、通常使用される超音波発信装置、例えば、消費電力１１０Ｗ、高周波電力８０Ｗ、発信周波数３８ｋＨｚ等の、通常の、超音波洗浄に用いる超音波発信装置が使用される。リフトオフに要する温度は、室温・大気中で可能であり、時間は、６０分程度の超音波工程で完了する。
次に、本発明の方法を構成する各要素について説明する。
本発明では、基板としては、水素終端化が可能な材料であればいずれでも使用可能であり、好適には、例えば、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素が例示される。これらの基板の表面を水素終端化するには、例えば、シリコンの場合には、酸素プラズマ、紫外線等により、表面を親水化した後、１．０〜３．０ｖｏｌ％のフッ化水素水溶液中に浸漬することにより表面を水素終端化できる。
本発明では、基板としては、水素終端化が可能な材料であればいずれでも使用可能であり、好適には、例えば、シリコン、ダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化ケイ素が例示される。これらの基板の表面を水素終端化するには、例えば、シリコンの場合には、酸素プラズマ、紫外線等により、表面を親水化した後、１．０〜３．０ｖｏｌ％のフッ化水素水溶液中に浸漬することにより表面を水素終端化できる。
基板表面に単分子膜を形成するための、不飽和結合を有する物質としては、分子中に不飽和結合を有する化合物であって、単分子膜を形成することができる分子構造を有するものであればいずれの物質でも使用が可能である。例えば、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素のいずれも使用可能であるが、末端に不飽和結合を有する化合物が望ましく、各種の官能基、原子団、ナノ物質等で修飾された物質も使用することができる。
本発明で使用される、不飽和結合を有する物質について具体的に説明すると、脂肪族炭化水素としては、例えば、１−オクタデセン、メチル１０−ウンデセネート、１−ペンテン、１−ドデセン等のアルケン類、１−ペンチン、１−オクシチン等のアルキン類が例示される。芳香族炭化水素としては、例えば、アリルベンゼン、フェニルアセチレン、スチレン等が例示される。各種官能基、原子団としては、例えば、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン基、カルボキシル基、水酸基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ・ジアゾ基等が例示される。それらの官能基、原子団を有し、不飽和結合を有する物質としては、例えば、アリルアミン、パーフルオロエチレン等が例示される。ナノ物質としては、例えば、糖、フェニルアセチレンナノ粒子、フラーレン、ナノチューブ等のナノ物質が例示される。これらのナノ物質と結合した物質としては、例えば、アクリルガラクトース、アクリルグルコース、アクリルナノチューブ、アクリル末端金ナノ粒子等が例示される。しかし、本発明で使用される不飽和結合を有する物質は、これらの物質に制限されるものではなく、これらと同等又は類似の不飽和結合を有する物質であれば、同様に使用することができる。
本発明では、基板の表面にこのような官能基、原子団、ナノ物質と結合した不飽和結合を有する物質を塗布することにより単分子膜を形成することで、これらの、官能基、原子団、ナノ物質等が基板の最外面に現れ、反応性等の表面特性を発揮する。更に、その表面を、例えば、ＤＮＡ等と反応させることで、分子認識等の性質を付与することによりＤＮＡチップ等に利用される二次元アレイ構造体とすることができる。単分子膜の形成に使用される、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素等については、その分子の大きさは限定されるものではなく、炭素数が２〜２２、好ましくは、炭素数が６〜２２のアルケン、アルキンが例示され、好適には、例えば、１−オクタデセンが挙げられる。
本発明により、単分子膜を形成する方法について具体的に説明すると、まず、基板の表面の所定の位置に、不飽和結合を有する物質を塗布して、所定のパターンを持った単分子膜を形成する。この場合、不飽和結合を有する物質を塗布する方法及び装置は、特に限定されるものではないが、例えば、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、インクジェット、マイクロピペット等による方法及び装置が採用される。また、塗布条件については、単分子膜を形成する物質の性質、塗布方法及び装置、単分子膜のパターン形状、寸法等に応じて任意に設定される。
また、本発明では、例えば、１０μｍ〜１ｍｍ程度の精度をもって単分子膜のパターンを形成することができる。更に、微小な領域、例えば、１ｎｍ〜１μｍ程度のパターンを形成するには、走査型プローブ顕微鏡によるのが好ましく、また、広範囲な領域、例えば、１ｍｍ〜１５ｃｍ程度のパターンを形成するには、マイクロピペットによるのが好ましい。不飽和結合を有する物質が、塗布温度で液状であれば、そのまま、又は非水溶剤に溶解した溶液で使用することができ、固体であれば、非水溶剤に溶解した溶液で使用する。この溶液の濃度については、不飽和結合を有する物質、溶剤等の性質、塗布方法及び装置等により好適な濃度が決定されるが、例えば、０．００１〜１．０ｇ／ｌの範囲内で使用される。
このようにして、基板表面上に塗布された、不飽和結合を有する物質は、非酸素雰囲気下に加熱することにより、共有結合を介して基板上に固定される。ここで、非酸素雰囲気とは、実質的に酸素を含まない雰囲気、例えば、真空下、窒素ガス、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気等を意味する。不飽和結合を有する物質が塗布された基板の加熱は、４０〜２００℃の温度範囲で行われるが、加熱温度が、４０℃以上であることが、熱的ラジカル反応開始のために好ましく、また、２００℃以下であることが、低温下での単分子膜形成のために好ましい。更には、１１０〜２００℃の温度範囲が、熱的ラジカル反応の促進のために好ましい。
本発明では、同一の基板上の複数の微小領域に、異なる種類の、不飽和結合を有する物質を、所定のパターンで塗布することにより、複数の異なる単分子膜領域からなる、二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することができる。本発明の方法では、各々のパターンは、塗布により形成され、基板上に固定されるので、気相法又は液相法のように、単分子膜の形成、不要部分の除去、水素終端の再生等の処理操作を繰り返す必要はなく、一度の処理操作で二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することが可能である。また、本発明では、精緻なパターン形状を簡便な操作で行うことができる。
本発明の方法により、例えば、不飽和結合を有する物質として、末端に不飽和結合を有するナノ物質を使用し、これを、水素終端基板にマニピュレーターを用いて塗布し、これを加熱してナノ物質を基板上に固定し、次いで、超音波処理により、余剰物質を除去することでナノ物質被覆基板を作製することができる（図１参照）。また、本発明の方法により、同様にして、例えば、水素終端基板の表面に、種類の異なるナノ物質を塗布し、これを加熱及び超音波処理することにより、種類の異なるナノ物質を固定化した二次元アレイ構造体を作製することができる（図２参照）。これらの方法において、基板の種類、不飽和結合を有する物質の種類及びその組み合わせ、当該不飽和結合を有する物質の塗布方法等を任意に選択して製品設計をすることにより、従来技術では困難であった、単分子被膜の大面積化と微細構造化、更には、二次元アレイ化を同一基板上で行い、簡便な操作で、しかも１ステップのプロセスで所望の製品を作製することを実現化できる。
本発明により、１）従来のＣＶＤ法や液相法を用いた単分子膜の形成手法に比べて、均質な単分子膜の形成とその大面積化が容易である、２）廃液の大幅削減に貢献できるために環境への負荷が圧倒的に小さい、３）不飽和結合を有している物質であれば、単分子膜化できるために、希少な生物材料やナノ材料等の固定化に関しても必要な分量だけで済む、４）そのため、コストパフォーマンスが良い、５）光リソグラフィー等のように微細構造化が波長に依存する手段を用いないため、大面積からナノスケールの微小領域まで広範囲に適応が可能である、６）非リソグラフィープロセスであることから、Ｘ線や、光に対して耐性が低いＤＮＡ等の生物材料に対しても、適応が可能である、７）複数の異なる種類の物質を配設する際にも、予め同一基板上へそれぞれの物質を塗布した後、加熱する、1ステップのプロセスが採用できる、８）複雑なリソグラフィー工程及び溶媒への浸漬工程が不要であり、これまで困難であった単分子レジストへの応用やナノ物質の二次元アレイ化が可能になる、９）そのため、バイオチップ、半導体チップ等の各種デバイスアレイを作製するための基盤技術となる、という格別の効果が奏される。
次に、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
本実施例では、シリコン基板表面に、１−オクタデセンの単分子膜を形成した。１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさの水素終端化シリコン基板表面に１−オクタデセンを、基板表面に全面塗布し、窒素雰囲気中、１１０℃で１時間加熱処理した後、エタノール中で１時間超音波洗浄した。水の接触角測定点を１０ヶ所任意に選び測定を行った結果、全ての測定点において１０７°以上の接触角を得た。
本実施例では、シリコン基板表面に、１−オクタデセン、アリルアミン、パーフルオロエチレンの単分子膜を形成した。窒素雰囲気下において、同一の水素終端化シリコン基板表面上の所定の箇所に、１−オクタデセン、アリルアミン、パーフルオロエチレンを各々、マニピュレーターを用いて、塗布した。次いで該基板を、窒素雰囲気中、１１０℃で１時間加熱処理した後、エタノール中で１時間超音波洗浄処理した。各々の単分子膜が形成された領域の、水の接触角を測定したところ、１−オクタデセンを塗布した領域では１０７°、アリルアミンを塗布した領域では８０°、パーフルオロエチレンを塗布した領域では９８°であった。Ｘ線光電子分光法にて測定したところ、１−オクタデセン、アリルアミン、パーフルオロエチレンを塗布し、その単分子膜を形成した各領域で、炭素、窒素、フッ素に起因するスペクトルを得た。
比較例１
本比較例では、気相法により単分子膜の形成を行った。１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさの水素終端化シリコン基板を、１−オクタデセンを入れたサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れ、次いで、１０Ｐａ程度の真空中で、３時間、１５０℃に加熱して、単分子膜を形成した後、エタノール中で１時間超音波洗浄した。基板表面の水の接触角の測定点を１０ヶ所任意に選び、測定を行った結果、１０７°、９８°と測定箇所によって、異なる接触角を得た。
本比較例では、気相法により単分子膜の形成を行った。１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさの水素終端化シリコン基板を、１−オクタデセンを入れたサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れ、次いで、１０Ｐａ程度の真空中で、３時間、１５０℃に加熱して、単分子膜を形成した後、エタノール中で１時間超音波洗浄した。基板表面の水の接触角の測定点を１０ヶ所任意に選び、測定を行った結果、１０７°、９８°と測定箇所によって、異なる接触角を得た。
比較例２
本比較例では、浸漬法により単分子膜の形成を行った。窒素雰囲気下において、１−オクタデセンを１．０ｖｏｌ％含む無水ｎ−デカン中に、水素終端化シリコン基板を浸漬した後、１７４℃にて、３０分加熱処理して、オクタデセンの単分子膜を形成した後、フォトマスクを介した光パターニングに供すことによって、メチル領域とシラノール領域を有するパターン表面を得た。次いで、これを、１．０ｖｏｌ％のフッ酸水溶液に１分間浸漬することによって、メチル領域と水素終端領域を有するシリコン表面を得た。次いで、これを、５．０ｖｏｌ％のパーフルオロエチレンを含むｎ−デカン溶液に浸漬し、１７４℃にて、３時間加熱処理することによって、パーフルオロエタン単分子領域を得た。その後、これを、光リソグラフィーにより、メチル領域、フルオロ領域、シラノール領域を有する基材表面とした後、当該基材を１．０ｖｏｌ％のフッ酸水溶液に浸漬することによって、メチル領域、フルオロ領域、水素終端領域を有する基材を得た。更に、これを、５．０ｖｏｌ％のアリルアミンを含むｎ−デカン中にて、１７４℃で３時間加熱処理することにより、メチル領域と、フルオロ領域、アミノ領域を有するシリコン基板を得た。
本比較例では、浸漬法により単分子膜の形成を行った。窒素雰囲気下において、１−オクタデセンを１．０ｖｏｌ％含む無水ｎ−デカン中に、水素終端化シリコン基板を浸漬した後、１７４℃にて、３０分加熱処理して、オクタデセンの単分子膜を形成した後、フォトマスクを介した光パターニングに供すことによって、メチル領域とシラノール領域を有するパターン表面を得た。次いで、これを、１．０ｖｏｌ％のフッ酸水溶液に１分間浸漬することによって、メチル領域と水素終端領域を有するシリコン表面を得た。次いで、これを、５．０ｖｏｌ％のパーフルオロエチレンを含むｎ−デカン溶液に浸漬し、１７４℃にて、３時間加熱処理することによって、パーフルオロエタン単分子領域を得た。その後、これを、光リソグラフィーにより、メチル領域、フルオロ領域、シラノール領域を有する基材表面とした後、当該基材を１．０ｖｏｌ％のフッ酸水溶液に浸漬することによって、メチル領域、フルオロ領域、水素終端領域を有する基材を得た。更に、これを、５．０ｖｏｌ％のアリルアミンを含むｎ−デカン中にて、１７４℃で３時間加熱処理することにより、メチル領域と、フルオロ領域、アミノ領域を有するシリコン基板を得た。
試験結果
以上の２つの実施例、比較例で作製したシリコン基板上の単分子膜の大面積化と微細構造化、更には、異なる種類の単分子膜を適材適所に配設するための二次元アレイ化技術を比較すると、まず、大面積化においては、気相法よりも、塗布法の方が、均質に基材表面をコーティングできることが分かった。このことは、塗布法で形成した単分子被覆基材表面の水の接触角が、いずれの箇所においても、常に１０７°以上であったことから判別できる。一方、気相法で形成した単分子被覆基材表面の水の接触角が場所により異なる値を示したことは、単分子が不均質に基板上を被覆していることを示している。これは、比較例1で示した気相法を用いた場合、気相中での分子の拡散距離が短かったために、当該基板の大きさでは、不均一な単分子膜の形成が進行したと考えられる。
以上の２つの実施例、比較例で作製したシリコン基板上の単分子膜の大面積化と微細構造化、更には、異なる種類の単分子膜を適材適所に配設するための二次元アレイ化技術を比較すると、まず、大面積化においては、気相法よりも、塗布法の方が、均質に基材表面をコーティングできることが分かった。このことは、塗布法で形成した単分子被覆基材表面の水の接触角が、いずれの箇所においても、常に１０７°以上であったことから判別できる。一方、気相法で形成した単分子被覆基材表面の水の接触角が場所により異なる値を示したことは、単分子が不均質に基板上を被覆していることを示している。これは、比較例1で示した気相法を用いた場合、気相中での分子の拡散距離が短かったために、当該基板の大きさでは、不均一な単分子膜の形成が進行したと考えられる。
次に、二次元アレイ化に関しては、従来の光リソグラフィー等を利用した方法において、予め、全面を、浸漬法等により、１種類の単分子膜で覆う方法を採用すると、第２、第３の単分子膜の形成に必要となる、ステップ、コスト、廃液量が膨大となることは、比較例２から明らかである。複数の単分子膜を形成するための物質を、予め基板上の所定の場所に塗布し、これを熱処理することにより、１ステップで二次元アレイを作製する、本発明のプロセスの方が、作製に要するステップ、コスト、廃液処理等の問題点を含め、あらゆる角度から、好ましいと考えられる。
以上詳述したように、本発明は、水素終端化処理を行った基板の表面に、不飽和結合を有する物質を塗布し、加熱することにより、単分子膜を形成する単分子膜の形成方法に係るものであり、本発明により、均質に大面積で被覆した単分子膜を有する基板及び二次元アレイ化を同一基板上で行うための基盤技術を提供することを可能とするものである。
従来、半導体デバイスやバイオデバイスは、ナノテク技術の進歩に追随する形で、微細化の傾向を辿っており、現行のデバイス産業で不可欠な微細加工技術である光リソグラフィー法は、光の波長限界に達しつつあることから、代替技術が求められているが、本発明は、次世代レジストとして脚光を浴びている有機単分子の被覆可能面積を、これまでより大幅に拡大化すると同時に、光プロセスでは達することのできない加工面積の微小化を実現できる。本発明は、次世代デバイス産業の根幹を成す加工技術として、極めて重要な位置付けとなることが期待される新規な単分子膜の形成技術を提供するものとして有用である。
従来、半導体デバイスやバイオデバイスは、ナノテク技術の進歩に追随する形で、微細化の傾向を辿っており、現行のデバイス産業で不可欠な微細加工技術である光リソグラフィー法は、光の波長限界に達しつつあることから、代替技術が求められているが、本発明は、次世代レジストとして脚光を浴びている有機単分子の被覆可能面積を、これまでより大幅に拡大化すると同時に、光プロセスでは達することのできない加工面積の微小化を実現できる。本発明は、次世代デバイス産業の根幹を成す加工技術として、極めて重要な位置付けとなることが期待される新規な単分子膜の形成技術を提供するものとして有用である。
Claims (8)
- リソグラフィー工程及び溶媒への浸漬工程を使用することなく、基板の表面に共有結合を介して単分子膜を形成する方法であって、基板表面の不純物を除去し、水素終端化した基板の表面に、末端に不飽和結合を有する物質を所定のパターンで塗布し、これを、非酸素雰囲気、４０〜２００℃の環境下で加熱して上記物質の不飽和結合と水素終端化した基板表面との共有結合を介して基板上に固定化することにより、基板表面に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質が、末端に不飽和結合を有し、炭素数が２〜２２であるアルケン又はアルキンであることを特徴とする、請求項１に記載の単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質が、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、又は水酸基の官能基で終端された物質であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質が、糖、ナノ粒子、又はナノ物質と結合した物質であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の単分子膜形成方法。
- 基板が、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、又は炭化ケイ素の水素終端化可能な材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質を、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、又はインクジェット方式を用いて所定のパターンで塗布することにより、基板上の所定の微小領域に所定のパターンを持った単分子膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質を、１．０〜２０ｖｏｌ％の濃度で塗布することを特徴とする、請求項１に記載の単分子膜形成方法。
- 末端に不飽和結合を有する物質として複数種の物質を使用し、この複数種の異なる物質を、同一基板上の複数の微小領域に所定のパターンで塗布することを特徴とする、請求項１に記載の単分子膜形成方法。
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