(57)【要約】【課題】表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析を高感度に実施できる分析用基板およびその製造方法の提供。【解決手段】分析用基板１０は、少なくとも第一面１ａが誘電体または半導体からなる基板１と、基板１の第一面１ａ上に設けられた金属膜３とを備え、金属膜３が、金属膜３内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず第一面１ａが露出している複数の非成膜領域Ｇを有し、金属膜３の２５℃における表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板と、前記基板の第一面上に設けられた金属膜と、を備え、
前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記第一面が露出している複数の非成膜領域を有し、
前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□である、分析用基板。
【請求項２】
前記シート抵抗が３〜５００Ω／□である、請求項１に記載の分析用基板。
【請求項３】
前記シート抵抗が３〜３００Ω／□である、請求項１に記載の分析用基板。
【請求項４】
前記金属膜上に分散配置された、平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析用基板。
【請求項５】
前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析用基板。
【請求項６】
前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有し、
前記金属膜上に平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子が分散配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析用基板。
【請求項７】
少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板と、前記基板の第一面上に設けられた金属膜と、前記金属膜上に分散配置された平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子とを備え、
前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記第一面が露出している複数の非成膜領域を有し、
前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が５０００Ω／□超である、分析用基板。
【請求項８】
少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板の第一面上に金属を堆積させて金属膜を成膜する工程を有し、
前記金属膜を成膜する工程において、前記第一面上に、金属の堆積していない複数の領域が、長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として残り、前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、前記第一面上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
【請求項９】
前記第一面上への金属の堆積を終了するときの前記シート抵抗が３〜５００Ω／□である、請求項８に記載の分析用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記第一面上への金属の堆積を終了するときの前記シート抵抗が３〜３００Ω／□である、請求項８に記載の分析用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有する、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の分析用基板の製造方法。
【請求項１２】
平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を前記金属膜上に塗布し、乾燥する工程をさらに有する、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の分析用基板の製造方法。
【請求項１３】
前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有し、
平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を前記金属膜上に塗布し、乾燥する工程をさらに有する、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の分析用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析用基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラマン分光法は、ラマン散乱光の強度が非常に弱いことが問題とされていた。その改善のために表面増強ラマン散乱（Surface Enhanced Raman Scattering：ＳＥＲＳ）を利用することが検討されている。ＳＥＲＳは、Ａｕ、Ａｇ等の金属表面において、表面プラズモン共鳴による電場増強で、吸着した測定対象分子のラマン散乱光の強度が著しく増強される現象である。ラマン分光法以外の赤外吸収分光法や蛍光分光法における光学的分析法においても表面プラズモン共鳴による電場増強を利用することが検討されている。
【０００３】
表面プラズモン共鳴による電場増強を利用する分析用基板として、例えば以下のものが提案されている。
（１）複数のくぼみ又は複数の突起が予め定められた特定の格子間隔で格子状に配置されて、表面プラズモン共鳴を生ずるナノ周期構造を有する基板と、前記ナノ周期構造の表面に形成された金属皮膜とを備えるラマン分光分析用信号増幅装置（特許文献１）。
（２）金属層と、前記金属層上に設けられた誘電体層と、前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子とを含む電場増強素子であって、複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは電磁的に相互作用し、各表面プラズモンの共鳴波長は異なり、前記電場増強素子に白色光を照射したときの反射光のスペクトルにおいて第１吸収領域、第２吸収領域の半値幅が特定の関係を満たし、前記電場増強素子の励起光の波長が前記第２吸収領域の範囲に含まれる電場増強素子（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２３２５２６号公報
【特許文献２】特開２０１５−２１２６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、（１）〜（２）の分析用基板は、感度が充分ではない場合がある。
特許文献１の装置については、伝搬型表面プラズモンを利用しているので、ナノ周期構造上の電場分布のばらつきが少ないという長所はあるが、電場増強が伝搬型表面プラズモンのみに拠るため、増強効果が低いという短所がある。
一方、特許文献２の電場増強素子については、伝搬型表面プラズモンと局在型表面プラズモンを組み合わせ、電場分布の均一化を伝搬型表面プラズモンで行い、電場強度を高めることを局在型表面プラズモンで行うことで、伝搬型と局在型の長所を掛け合わせる構成であり、均一性と強度の両立がある程度可能となっている。しかし、金属層と金属粒子の間に誘電体層が存在することから、検体の測定対象分子は伝搬型表面プラズモンの電場増強効果の最も高い金属膜表面に接近することができないという短所がある。また、伝播型表面プラズモンを励起するために必要な配置で金属粒子が配置されるため、局在型表面プラズモンとして効果の大きな金属粒子間の間隙を利用した電場増強を利用するには粒子間距離が大きすぎるのも短所として挙げられる。
【０００６】
本発明は、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析を高感度に実施できる分析用基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の態様を有する。
〔１〕少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板と、前記基板の第一面上に設けられた金属膜と、を備え、
前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記第一面が露出している複数の非成膜領域を有し、
前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□である、分析用基板。
〔２〕前記シート抵抗が３〜５００Ω／□である、〔１〕の分析用基板。
〔３〕前記シート抵抗が３〜３００Ω／□である、〔１〕の分析用基板。
〔４〕前記金属膜上に分散配置された、平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子をさらに備える、〔１〕から〔３〕のいずれかの分析用基板。
〔５〕前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有する、〔１〕から〔３〕のいずれかの分析用基板。
〔６〕前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有し、
前記金属膜上に平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子が分散配置されている、〔１〕から〔３〕のいずれかの分析用基板。
〔７〕少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板と、前記基板の第一面上に設けられた金属膜と、前記金属膜上に分散配置された平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子とを備え、
前記金属膜が、前記金属膜内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として設けられた、金属が存在せず前記第一面が露出している複数の非成膜領域を有し、
前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が５０００Ω／□超である、分析用基板。
〔８〕少なくとも第一面が誘電体または半導体からなる基板の第一面上に金属を堆積させて金属膜を成膜する工程を有し、
前記金属膜を成膜する工程において、前記第一面上に、金属の堆積していない複数の領域が、長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として残り、前記金属膜の２５℃における表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、前記第一面上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
〔９〕前記第一面上への金属の堆積を終了するときの前記シート抵抗が３〜５００Ω／□である、〔８〕の分析用基板の製造方法。
〔１０〕前記第一面上への金属の堆積を終了するときの前記シート抵抗が３〜３００Ω／□である、〔８〕の分析用基板の製造方法。
〔１１〕前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有する、〔８〕から〔１０〕のいずれかの分析用基板の製造方法。
〔１２〕平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を前記金属膜上に塗布し、乾燥する工程をさらに有する、〔８〕から〔１０〕のいずれかの分析用基板の製造方法。
〔１３〕前記基板の第一面が周期的凹凸構造を有し、
平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を前記金属膜上に塗布し、乾燥する工程をさらに有する、〔８〕から〔１０〕のいずれかの分析用基板の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析を高感度に実施できる分析用基板およびその製造方法を提供できる。
特に、特許文献２との明確な差異は、本発明においては検体の測定対象分子が伝搬型表面プラズモンの電場増強効果の最も高い金属膜表面に接近することができる点にある。この差異のため本発明は、従来技術よりもラマン散乱光の増強効果に優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。
【図２】第一実施形態の分析用基板の金属膜側の表面を模式的に示す拡大上面図である。
【図３】第一実施形態の分析用基板の図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面を模式的に示す部分断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の第三実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。
【図６】第三実施形態の一例に係る分析用基板を模式的に示す上面図である。
【図７】図６に示す分析用基板の斜視図である。
【図８】本発明の第四実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例１で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。
【図１０】実施例３で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。
【図１１】実施例４で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。
【図１２】比較例３で得られた分析用基板の走査型電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の分析用基板およびその製造方法について、添付の図面を参照し、実施形態を示して説明する。
【００１１】
〔第一実施形態〕
図１は、本発明の第一実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図であり、図２は、本実施形態の金属膜側の表面を模式的に示す拡大上面図であり、図３は、本実施形態の分析用基板の図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面を模式的に示す部分断面図である。
本実施形態の分析用基板１０は、基板１と、基板１の第一面１ａ上に設けられた金属膜３とを備える。
【００１２】
（基板）
基板１は、少なくとも第一面１ａが誘電体または半導体からなる。
基板１としては、例えば、誘電体または半導体からなる基板であってもよく、第一面が誘電体または半導体となるように導電体層、誘電体層、半導体層のうち２層以上が積層された多層基板であってもよい。誘電体または半導体としては特に限定されず、分析用基板等の用途において公知の材質であってよい。
基板１としては、典型的には、誘電体または半導体のみからなる基板が用いられ、例えば石英基板、アルカリガラスや無アルカリガラス等の各種ガラス基板、サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の無機物質からなる基板、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂等の有機物質からなる基板等が挙げられる。
基板１の厚さは、特に限定されず、例えば０．１〜５．０ｍｍであってよい。
【００１３】
（金属膜）
金属膜３を構成する金属としては、表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得るものであればよく、例えば金、銀、アルミニウム、銅、白金、これらの２種以上の合金等が挙げられる。
【００１４】
金属膜３は、複数の非成膜領域Ｇを有する。複数の非成膜領域Ｇは、金属膜３内に長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として分散して設けられている。金属膜３の非成膜領域Ｇ以外の領域は成膜領域である。
非成膜領域Ｇは、金属が存在せず、第一面１ａが露出している領域である。つまり金属膜３を厚さ方向に貫通している空隙（ギャップ）である。金属が厚さ方向の一部において存在していなくても金属膜３を貫通している空隙とはなっていない領域（例えば図３中の領域Ｓ）は、非成膜領域Ｇには該当しない成膜領域である。
【００１５】
非成膜領域Ｇは上面視で島状の隙間であり、複数の非成膜領域Ｇはそれぞれ独立している場合もあり、数個が連結している場合もあるが、全体として連結していない。したがって、非成膜領域Ｇは、図３に示すように、金属表面３ａによって囲まれており、非成膜領域Ｇを介して金属表面３ａ同士が対向している。非成膜領域Ｇを介して対向する金属表面間の距離、つまり非成膜領域Ｇの幅は通常、極めて小さく、例えば数ナノメートル〜数十ナノメートルオーダーである。このような金属表面３ａ間では、局在型表面プラズモンによる電場の重ね合わせによって電場増強を発生させることができる。特に、非成膜領域Ｇの幅が一桁ナノメートルの場合は、極めて強力な電場増強が得られる。
【００１６】
非成膜領域Ｇを介して対向する金属表面３ａ間の距離は、１〜２０ｎｍが好ましく、１〜１０ｎｍがより好ましく、１〜５ｎｍがさらに好ましい。金属表面３ａ間の距離が前記範囲の範囲内であれば、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強効果がより優れる。
非成膜領域Ｇを囲む金属表面が、図３に示すように金属膜３の厚さ方向に対して傾斜した傾斜面である場合、金属表面３ａ間の距離には分布がある。金属表面３ａ間の距離に分布がある場合、金属表面３ａ間の距離の最大値が前記の好ましい上限値以下であることが好ましい。また、金属表面３ａ間の距離の最小値が前記の好ましい下限値以上であることが好ましい。
金属表面３ａ間の距離は、後述する実施例に記載の方法により測定される。
【００１７】
金属膜３の表面のシート抵抗は、３〜５０００Ω／□であり、３〜５００Ω／□が好ましく、３〜３００Ω／□が最も好ましい。金属膜３の表面のシート抵抗がこの範囲内にあることは、金属膜３が、非成膜領域Ｇによるナノギャップを持ちながらも、完全には分断されていない連続膜であることを示す。また、金属膜３の表面のシート抵抗がこの範囲内にあることは、非成膜領域Ｇを介して対向する金属表面３ａ間の距離が、１〜２０ｎｍの範囲に、より限定的には１〜１０ｎｍの範囲に、さらに限定的には１〜５ｎｍの範囲に入ることを意味する。金属膜３が不連続な膜（例えば島状に分散配置された複数の金属膜から構成されるもの）である場合、表面のシート抵抗は５０００Ω／□以下とはならない。金属膜３が部分的に非成膜領域Ｇを有していても全体としては連続膜であることで、後述する伝播型表面プラズモンを金属膜３が誘起することが可能となり、表面電場の重ね合わせによる非線形光学効果を得やすくなる。
金属膜３の表面のシート抵抗（Ω／□）は、２５℃における値である。具体的には、２５℃の条件下で金属膜３の表面の任意の大きさの正方形の領域を電流が片方の端から対向する端へ流れる際の電気抵抗値（Ω）がシート抵抗である。詳しくは後述する実施例に示すとおりである。
【００１８】
金属膜３の厚さは、非成膜領域Ｇ以外の領域、つまり成膜領域の平均厚さとして、３〜３０ｎｍが好ましく、４〜２５ｎｍがより好ましく、５〜２０ｎｍが最も好ましい。金属膜３の厚さが前記範囲内であれば、非成膜領域Ｇを有し、非成膜領域Ｇを介して対向する金属表面間の距離、金属膜３の総面積に対する非成膜領域Ｇの面積の割合がそれぞれ前記の好ましい範囲内である金属膜３となりやすい。金属膜３の厚さが前記下限値以上であれば、金属膜３の表面のシート抵抗が前記上限値以下となりやすい。
金属膜３の厚さ（成膜領域の平均厚さ）は、以下の方法で求められる成膜レートから算出される値である。先ず単結晶シリコン基板等、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって求められる中心線平均粗さＲａが１ｎｍ以下の平坦な基材を準備し、これにテープ等でマスクをし、その後金属膜を数〜数十ｎｍ程度一定時間成膜し、マスクを除去した後、成膜厚さをＡＦＭで測定する。上記情報より、成膜レート（単位時間当たりの成膜厚さ（ｎｍ／ｍｉｎ））を求める。成膜レートが求まれば、この成膜レートと金属膜３を成膜する際の成膜時間から金属膜３の厚さを算出することができる。
上記方法において、便宜上、ＡＦＭの代わりに触針式段差計を用いて成膜厚さを測定してもよい。この場合でも同様の結果が得られるが、ＡＦＭと触針式段差計による測定値が異なる場合は、本発明においてはＡＦＭによる測定値を採用する。
金属膜３の厚さは、便宜上、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して、金属膜３を含む基板の断面サンプルの顕微鏡像を取得し、像中で金属膜３の厚さを実測する方法で測定してもよい。この場合でも同様の結果が得られる。この方法は、成膜レート等の情報を予め測定する必要が無いため、製造条件等が未知のサンプルに対して有効な手段となる。
成膜レート未知のサンプルの金属膜３の厚さを知るための他の方法としては、ナイフなどを用いて極めて細い傷を金属膜３の表面に形成し、その傷の深さをＡＦＭによって測長する方法が有効である。金属膜３は極めて薄いため、比較的弱い力で基材が露出する傷を形成することが可能である。
【００１９】
（分析用基板の製造方法）
分析用基板１０の製造方法としては、例えば、以下の製造方法（Ｉ）が挙げられる。
製造方法（Ｉ）：
基板１の第一面１ａ上に金属を堆積させて金属膜３を成膜する工程を有し、
金属膜３を成膜する工程において、第一面１ａ上に、金属の堆積していない複数の領域が、長軸方向の長さが１μｍ以下の島状の隙間形状として残り、金属膜３の表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、第一面１ａ上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
なお、金属の堆積を終了せずにそのまま続けると、非成膜領域Ｇが消失し、膜表面の凹凸が小さくなって、平坦な表面を有する金属膜となる。
【００２０】
第一面１ａ上に金属を堆積する方法としては、特に限定されず、例えば蒸着法等の乾式法、電解メッキや無電解メッキ等の湿式法等が挙げられる。乾式法としては、例えば各種真空スパッタリング法、真空蒸着法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）、各種化学蒸着法（ＣＶＤ）等が挙げられる。
【００２１】
第一面１ａに対して乾式法により金属膜の成膜（金属の堆積）を行うと、まず、第一面１ａ全体に複数の金属粒子が付着し、金属粒子同士が成長により接合して微細な島状の金属膜が複数形成される。成膜が進むにつれて、隣り合う金属膜同士がより大きなクラスターを形成し、金属膜の面積と厚さが増加していく。これに伴い、第一面１ａ上の金属の堆積していない領域が狭くなっていく。金属の堆積していない領域が島状に残り、形成された金属膜の表面シート抵抗の値が前記範囲内となった状態（金属膜が連続膜となった状態）で成膜を終了することで、前述の金属膜３が得られる。島状に残った、金属の堆積していない領域が非成膜領域Ｇとなる。
【００２２】
第一面１ａ上に予め触媒を分散配置し、その状態で無電解メッキによる金属膜の成膜を行うと、まず、触媒の周囲に金属が付着し、微細な島状の金属膜が複数形成される。無電解メッキが進むにつれて、乾式法の場合と同様に、金属膜同士がより大きなクラスターを形成し、第一面１ａ上の金属の堆積していない領域が狭くなっていく。金属の堆積していない領域が島状に残り、形成された金属膜の表面シート抵抗値が前記範囲内となった状態で成膜を終了することで、前述の金属膜３が得られる。島状に残った、金属の堆積していない領域が非成膜領域Ｇとなる。
【００２３】
第一面１ａ上に金属を堆積する方法としては、不純物の付着が起こりにくく、金属膜の基材に対する付着強度が高く、海島構造のコントロールが行いやすい点から、スパッタリング法が好ましい。すなわち金属膜３がスパッタリング法で成膜された膜であることが好ましい。
第一面１ａ上に金属の堆積していない複数の領域が島状に残っていることは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の高倍率顕微鏡手段による１０万倍程度の表面観察により確認できる。
蒸着を終了する際の金属膜３の表面のシート抵抗は、３〜５００Ω／□が好ましく、３〜３００Ω／□が最も好ましい。
【００２４】
金属膜３を成膜する工程の後、通常の環境下（空気中）で長期保管を行うと、基板表面の金属構造体に空気中の汚染物質が付着し本発明の効果が低下するおそれがある。そのため、保管は真空容器または窒素やアルゴン等の不活性ガス中で行うことが好ましい。もし空気中の汚染物質によって本発明の効果が低下した場合には、必要に応じて、その機能を回復するために、同基板に対して紫外線（ＵＶ）／オゾン等の表面処理を行ってもよい。
【００２５】
（作用効果）
本実施形態の分析用基板１０にあっては、これを分光測定に用いたときに、金属膜３の非成膜領域Ｇにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができ、この電場増強効果を利用した光学的分析を高感度に実施できる。
分析用基板１０は生産性にも優れる。例えば、製造方法（Ｉ）に示したように、基板上に金属を堆積させるだけで製造できる。また、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得る構造を形成するために多量の金属を用いる必要がなく、原料コストを抑制できる。
【００２６】
上記効果を奏することから、分析用基板１０は、表面プラズモン共鳴による電場増強効果を利用した光学的分析に有用である。
かかる光学的分析法としては、例えばラマン分光分析法、赤外分光法、蛍光分析等が挙げられる。これらの中でも、ラマン分光分析法が好適である。
ラマン分光分析法とは、試料に光を照射したときに、入射光に対して分子の振動エネルギーだけシフトしたラマン散乱を観測し、分子レベルの構造を解析する分析手段である。得られたラマンスペクトルは、赤外分光法で得られる赤外スペクトルと同様に、分子の振動に基づく振動スペクトルであり、縦軸は散乱強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）で表される。ラマン分光分析法と赤外分光分析法とでは同じ官能基の振動モードが同じ波数に検出されるが、赤外分光分析法と異なりラマン分光分析法は水系サンプルの測定が可能であるため、生体試料、食品試料等の分析などにおいて試料の前処理が必要ないなどの利点を有する。しかしながら、表面電場増強を行わない通常のラマン分光分析法は、ラマン散乱光の強度が非常に弱いのが欠点であった。
表面増強ラマン分光分析法とは、ＳＥＲＳを利用したラマン分光分析法である。分析用基板１０にあっては、分析用基板１０表面に吸着した分子のラマン散乱（ストークス散乱およびアンチストークス散乱）強度をＳＥＲＳ効果によって著しく増強させることができるので、高感度分光分析が可能となる。実際には、希薄な微量検体においても、物質固有のスペクトルを検出することが可能となるため、環境測定、微量なバイオマーカーの測定、生物・化学兵器の検出等に有用である。
【００２７】
＜第二実施形態＞
図４は、本発明の第二実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施形態において、第一実施形態に対応する構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の分析用基板２０は、基板１と、基板１の第一面１ａ上に設けられた金属膜３と、金属膜３上に分散配置された複数の金属ナノ粒子５とを備える。金属膜３と複数の金属ナノ粒子５とは接している。
分析用基板２０は、複数の金属ナノ粒子５をさらに備える以外は、第一実施形態の分析用基板１０と同様である。
【００２８】
（金属ナノ粒子）
金属ナノ粒子５を構成する金属としては、表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得るものであればよく、例えば金、銀、アルミニウム、銅、白金、これらの２種以上の合金等が挙げられる。
金属ナノ粒子５の形状は、特に限定されず、例えば球状、針状（棒状）、フレーク状、多面体状、リング状、中空状（中心部は空洞若しくは誘電体が存在する）、樹状結晶、その他不定形状等が挙げられる。
複数の金属ナノ粒子５の少なくとも一部が凝集して二次粒子を形成していてもよい。
【００２９】
金属ナノ粒子５の平均一次粒子径は、５〜１００ｎｍであり、５〜８０ｎｍが好ましく、５〜４０ｎｍがより好ましい。金属ナノ粒子５の平均一次粒子径が前記範囲内であれば、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強効果が優れる。
金属ナノ粒子５の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって直接金属ナノ粒子５の一次粒子径を測長し、その平均値を得る方法によって測定される。この場合、平均的な状態を知るため、ｎ＝２０以上の平均値を取得する。
上記方法において、便宜上、ＳＥＭの代わりに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いてもよい。この場合でも同様の結果が得られる。
金属ナノ粒子５の平均一次粒子径は、便宜上、動的光散乱法による粒度分布計によって測定してもよい。この場合、二次粒子（一次粒子が凝集した集合体）が存在すると粒度分布曲線に複数のピークが生じるため、最も小さい粒径のピークが目的の粒径となる。この方法でも上記ＳＥＭを用いた測定方法と同様の結果が得られる。
ＳＥＭ等の顕微鏡的手段を用いる測定方法は製品としての分析用基板の表面を後から分析する場合に有用であり、動的光散乱法による測定方法は分析用基板を製造する際に有用である。
【００３０】
金属膜３上に離間して配置された、隣り合う２つの金属ナノ粒子５間の最短距離は、１〜２０ｎｍが好ましく、１〜１０ｎｍがより好ましく、１〜５ｎｍがさらに好ましい。前記最短距離が前記範囲内であれば、各金属ナノ粒子５の間で局在型表面プラズモン共鳴による電場増強が発生し、各金属ナノ粒子５の間に吸着した測定対象分子の高感度ラマン分光分析が可能となる。また、金属膜３に対して金属ナノ粒子５が接地していても、その接点近傍には金属膜３と金属ナノ粒子５の微小な隙間が発生するため、ここでも局在型表面プラズモン共鳴による電場増強が発生し高感度ラマン分光分析が可能となる。
前記最短距離は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、隣り合う２つの金属ナノ粒子を含む基板の表面サンプルの顕微鏡像を取得し、像中で隣り合う２つの金属ナノ粒子の間隙を実測する方法によって測定される。この方法は、１０万倍以上、好ましくは１００万倍以上の倍率を必要とする。隣り合う２つの金属ナノ粒子５間の最短距離は局所的に異なり、一様ではないため、ｎ＝２０以上の測定を行い、距離の分布を取得する。
上記方法において、便宜上、ＳＥＭの代わりに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いてもよい。この場合でも同様の結果が得られる。
ただし、表面増強ラマン散乱効果に最も有効に寄与するのは、１ｎｍ程度のナノギャップとも言われており、必ずしも距離の分布の平均値が意味を持つ数値にはならない。
【００３１】
（分析用基板の製造方法）
分析用基板２０の製造方法としては、例えば、以下の製造方法（ＩＩ）が挙げられる。
製造方法（ＩＩ）：
基板１の第一面１ａ上に金属を堆積させて金属膜３を成膜する工程と、
複数の金属ナノ粒子５と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を金属膜３上に塗布し、乾燥する工程と、を有し、
金属膜３を成膜する工程において、第一面１ａ上に、金属の堆積していない複数の領域が島状に残り、金属膜３の表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、第一面１ａ上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
【００３２】
金属膜３を成膜する工程は、前記製造方法（Ｉ）における金属膜３を成膜する工程と同様であり、好ましい態様も同様である。
【００３３】
金属ナノ粒子分散液の分散媒としては、金属ナノ粒子５を分散可能なものであればよく、例えば水、エタノール、その他有機溶剤等が挙げられる。
金属ナノ粒子分散液中の金属ナノ粒子５の含有量は、例えば、金属ナノ粒子分散液の総質量に対し、０．０１〜１０．０質量％であってよく、さらには０．１〜１．０質量％であってよい。
金属ナノ粒子分散液は、必要に応じて、発明の効果を損なわない範囲で、分散安定剤としてのクエン酸や各種無機塩等をさらに含んでいてもよい。
【００３４】
金属ナノ粒子分散液の塗布方法としては、特に限定されず、例えばスプレー法、ドロップキャスト法、ディップコート法、スピンコート法、インクジェット印刷法等の公知の塗布方法のなかから適宜選定できる。金属ナノ粒子散布により基板表面における金属ナノ粒子を高密度かつ均一に配置できる点で、スプレー法またはインクジェット印刷法が好ましい。
【００３５】
（作用効果）
本実施形態の分析用基板２０にあっては、これを分光測定に用いたときに、金属膜３の非成膜領域Ｇ、金属膜３と金属ナノ粒子５との間、隣り合う金属ナノ粒子５の間それぞれにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができる。３種の局在型表面プラズモン共鳴により、電場増強効果を利用した光学的分析を第一実施形態より高感度に実施できる。
また、金属膜３の非成膜領域Ｇにおける局在型表面プラズモン共鳴と、隣り合う金属ナノ粒子５の間における局在型表面プラズモン共鳴が重なる箇所においては、上記３種の局在型表面プラズモン共鳴それぞれによる電場増強効果よりも、さらに高度な電場増強効果が得られ、電場増強を利用した光学的分析を第一実施形態より高感度に実施できる。
分析用基板２０は生産性にも優れる。例えば、製造方法（ＩＩ）に示したように、基板上に金属を堆積させ、さらに金属ナノ粒子分散液を塗布し乾燥するだけで製造できる。また、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得る構造を形成するために多量の金属を用いる必要がなく、原料コストを抑制できる。
上記効果を奏することから、分析用基板２０は、表面プラズモン共鳴による電場増強効果を利用した光学的分析に有用である。かかる光学的分析法としては、前記と同様のものが挙げられる。
【００３６】
＜第三実施形態＞
図５は、本発明の第三実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。図６は、本実施形態の一例に係る分析用基板を模式的に示す上面図であり、図７は、図６に示す分析用基板の斜視図である。
本実施形態の分析用基板３０は、基板１Ｂと、基板１Ｂの第一面１ｃ上に設けられた金属膜３Ｂとを備える。基板１Ｂの第一面１ｃは周期的凹凸構造を有する。このため、第一面１ｃ上に設けられた金属膜３Ｂの表面も周期的凹凸構造を有するものとなっている。
【００３７】
（基板）
基板１Ｂは、第一面１ｃに周期的凹凸構造を有する以外は、第一実施形態における基板１と同様である。
第一面１ｃの周期的凹凸構造は、金属膜３Ｂの表面に周期的凹凸構造を設けるためのものであり、金属膜３Ｂの表面の所望の周期的凹凸構造に応じて設定される。
基板１Ｂの厚さは、ＪＩＳ  Ｂ７５０７に制定されている一般的なノギスによる測長方法により測定される。
【００３８】
（金属膜）
金属膜３Ｂは、基板１Ｂの第一面１ｃに追従する周期的凹凸構造を有する以外は、第一実施形態における金属膜３と同様である。
ここで「追従する」とは、金属膜３Ｂ表面の周期的凹凸構造における凸部又は凹部の位置が、基板１Ｂの第一面１ｃの周期的凹凸構造における凸部又は凹部の位置と略一致することを示す。
【００３９】
連続膜である金属膜３Ｂの表面が周期的凹凸構造を有することで、金属膜３Ｂの表面で伝播型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させることができる。
金属表面の伝播型表面プラズモンは、金属表面に入射した光（ラマン分光法で用いられるレーザー等の励起光）により生じる自由電子の疎密波が表面電磁場を伴うものである。金属表面が平坦である場合、金属表面に存在する表面プラズモンの分散曲線と光の分散直線とは交差しないため、伝播型表面プラズモン共鳴は誘発されない。金属表面に周期的凹凸構造があると、この周期的凹凸構造によって回折された光（回折光）の分散直線が表面プラズモンの分散曲線と交差するようになり、伝播型表面プラズモン共鳴が誘発される。
【００４０】
ここで、「周期的凹凸構造」とは、複数の凸部又は凹部が周期的に一次元又は二次元に配列した構造である。一次元に配列とは、複数の凸部又は凹部の配列方向が１方向であることを示す。二次元に配列とは、複数の凸部又は凹部配列方向が同一面内の少なくとも２方向であることを示す。
複数の凸部又は凹部が周期的に一次元に配列した構造（一次元格子構造）としては、例えば、複数の溝（凹部）又は凸条（凸部）が平行に配置された構造（ラインアンドスペース構造）が挙げられる。溝又は凸条の延在方向と直交する断面の形状は、例えば三角形、矩形、台形等の多角形状、Ｕ字状、それらを基本とした派生形状等であってよい。
複数の凸部又は凹部が周期的に二次元に配列した構造（二次元格子構造）としては、配列方向が２方向で、その交差角度が９０°である正方格子構造、配列方向が３方向で、その交差角度が６０°である三角格子（六方格子ともいう。）構造等が挙げられる。二次元格子構造を構成する凸部の形状は、例えば円柱形状、円錐形状、円錐台形状、正弦波形状、半球体形状、略半球体形状、楕円体形状、或いはそれらを基本とした派生形状等であってよい。二次元格子構造を構成する凹部の形状は、例えば前記で挙げた凸部の形状が反転した形状であってよい。
配列方向が多い方が、回折光が得られる条件が多く、高効率で伝播型表面プラズモン共鳴を誘発できることから、周期的凹凸構造としては、正方格子構造、三角格子構造等の二次元格子構造が好ましく、三角格子構造がより好ましい。
【００４１】
本実施形態の一例に係る金属膜３Ｂ表面の周期的凹凸構造は、図６〜７に示すように、複数の円錐台形状の凸部３ｃから構成された三角格子構造である。
凸部３ｃの高さは、１５〜１５０ｎｍが好ましく、３０〜８０ｎｍがより好ましい。凸部３ｃの高さが前記範囲の下限値以上であれば、金属膜３Ｂ表面の周期的凹凸構造が回折格子として充分に機能し、伝播型表面プラズモン共鳴を誘発することができる。凸部３ｃの高さが前記範囲の上限値以下であれば、金属膜３Ｂが連続膜となりやすい。
凸部３ｃが他の形状である場合にも、好ましい高さはおおよそ同様である。金属膜３Ｂ表面の周期的凹凸構造が複数の凹部から構成される場合、この凹部の好ましい深さは、凸部３ｃの好ましい高さとおおよそ同様である。正確には、凸部３ｃの高さの最適値は、表面プラズモンによる電磁場と相互作用する凸部３ｃの体積分率や誘電率によって決定される。
【００４２】
凸部３ｃの高さは、隣接する３つの凸部から等距離にある中心点を起点として３つの凸部の円錐台の頂面の平均値までの垂直方向の距離をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等によって測長して求める。測長には、互いに１００μｍ以上離れた５箇所の周期的凹凸構造表面を用いる。これら５箇所の測定領域に関して５μｍ×５μｍのＡＦＭ像を取得し、それぞれのＡＦＭ像に関して無作為に抽出した９箇所の上記３点中心深さを測長する。ＡＦＭ探針はスキャン方向によって像に異方性が生じる場合があるため、測長は、図６に示すように、ＤＭ１〜ＤＭ３の３方向にプロファイル像を作成し、それぞれの方向にて３箇所、合計９箇所の測長点にて行う。その９箇所の測長点で得られた測定値の平均値を１つの測定領域の測定値とし、同様に５つの測定領域の測定値を求め、さらにこの５つの測定領域の測定値の平均を求め、凸部３ｃの高さとする。
ＤＭ１〜ＤＭ３はそれぞれ、金属膜３Ｂの主面において、凸部３ｃの３つの配列方向ＥＭ１〜ＥＭ３それぞれと略直交する方向である（実際の格子配列は多少歪みもあるため、必ず直交するとは限らない）。
他の形状の凸部の高さや凹部の深さも同様の測定方法によって測定される。
【００４３】
凸部３ｃの配列方向における凸部３ｃのピッチΛは、入射光（励起光）の波長λｉに対応して設計される。入射光の波数をｋｉ（ｋｉ＝２π/λｉ）、ｋｉにおける金属の比誘電率の実数部をε１、検体の比誘電率の実数部をε２、とすると、表面プラズモンの波数ｋｓｐｐは、下式１：
ｋｓｐｐ＝ｋｉ（（ε１×ε２）/（ε１＋ε２））０．５    （式１）
で略式的に得られる。表面プラズモンの波長λｓｐｐはｋｓｐｐの逆数であり、凸部３ｃは三角格子配列であるから、凸部３ｃのピッチΛは、下式２：
Λ＝（２/√３）×λｓｐｐ    （式２）
により求まる。式１および式２は一般的なものである。
上記の計算法によれば、例えば入射光の波長λｉ＝７８５ｎｍ、凸部３ｃを構成する金属が金（Ａｕ）、検体が水溶液（ε２≒１．３３）であるとき、
ｋｓｐｐ＝１１．８μｍ−１、Λ＝６５５ｎｍ
となる。同様に、例えば入射光の波長λｉ＝６３３ｎｍ、凸部３ｃを構成する金属が金（Ａｕ）、検体が有機物乾燥体（ε２≒２．２５）であるとき、
ｋｓｐｐ＝１６．６μｍ−１、Λ＝４３８ｎｍ
である。入射光にレーザーを使用するとその波長分布は極めて狭いので、実質的に凸部３ｃは上記ピッチΛにできるだけ近く作製すればよい。また、２次元格子配列が正方格子の場合、或いは１次元格子配列（ライン＆スペース）の場合は、式２の代わりに下式３を用いればよい。
Λ＝λｓｐｐ    （式３）
入射光として用いるレーザー光源は、７８５、６３３、５３２、５１５、４８８、４７０ｎｍ等、様々な波長に対応するものがある。一般に、海島構造、金属ナノ粒子、周期的凹凸構造を構成する金属種として、おおよそ５００ｎｍ台の波長より大きい光源には金（Ａｕ）を用いるのが好ましく、おおよそ５００ｎｍ台の波長より小さい光源には銀（Ａｇ）を用いるのが好ましいが、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）以外の金属種でも表面増強ラマン散乱効果を得られる場合があり、必ずしも上記の限りではない。
凸部３ｃが他の形状である場合にも、好ましいピッチは同様である。金属膜３Ｂ表面の周期的凹凸構造が複数の凹部から構成される場合、凹部の配列方向における凹部の好ましいピッチは、凸部３ｃの好ましいピッチと同様である。
【００４４】
凸部３ｃのピッチは、隣接する２つの円錐台突起の各中心点の水平方向の距離をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等によって測長して求める。測長には、互いに１００μｍ以上離れた５箇所の周期的凹凸構造表面を用いる。これら５箇所の測定領域に関して５μｍ×５μｍのＡＦＭ像を取得し、それぞれのＡＦＭ像に関して無作為に抽出した９箇所の上記２点間距離を測長する。ＡＦＭ探針はスキャン方向によって像に異方性が生じる場合があるため、測長は図６に示すように、ＥＭ１〜ＥＭ３の３方向にプロファイル像を作成し、それぞれの方向にて３箇所、合計９箇所の測長点にて行う。その９箇所の測長点で得られた測定値の平均値を１箇所の測定領域の測定値とし、さらに５箇所の測定領域の測定値の平均を求め、凸部３ｃのピッチとする。
他の形状の凸部のピッチや凹部のピッチも同様の測定方法によって測定される。
【００４５】
（分析用基板の製造方法）
分析用基板３０の製造方法としては、例えば、以下の製造方法（ＩＩＩ）が挙げられる。
製造方法（ＩＩＩ）：
基板１Ｂの第一面１ｃ上に金属を堆積させて金属膜３Ｂを成膜する工程を有し、
金属膜３Ｂを成膜する工程において、第一面１ｃ上に、金属の堆積していない複数の領域が島状に残り、金属膜３Ｂの表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、第一面１ｃ上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
【００４６】
金属膜３Ｂを成膜する工程は、基板１の代わりに基板１Ｂを用いる以外は、第一実施形態における金属膜３を成膜する工程と同様であり、好ましい態様も同様である。
基板１Ｂとしては、表面に周期的凹凸構造を形成した原版又はその転写品を用いることができる。かかる原版又はその転写品は、公知の製造方法により製造したものを用いてもよく、市販のものを用いてもよい。
【００４７】
原版は、原板の表面に周期的凹凸構造を形成することにより得られる。
原板は、表面に所定の周期的凹凸構造を有しない以外は、基板１Ｂと同様である。
原板の表面に周期的凹凸構造を形成する方法としては、たとえば、単粒子膜をエッチングマスクとしたドライエッチング法（コロイダルリソグラフィー法）、電子ビームリソグラフィー法、機械式切削加工法、レーザー熱リソグラフィー法、干渉露光法、より具体的には二光束干渉露光法、縮小露光法、アルミナの陽極酸化法、およびそれらのいずれかの方法により作製した、表面に周期的凹凸構造を有する転写原版からのナノインプリント法等が挙げられる。
【００４８】
周期的凹凸構造の形成方法としては、様々な方法が適用可能で、例えば電子線描画とドライエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法やナノポーラスアルミナ陽極酸化法、或いはそれによる原盤を用いるナノインプリント法などが挙げられるが、大面積・低コストで微細構造体を作製できる点で、単粒子膜をエッチングマスクとしたドライエッチング法（コロイダルリソグラフィー法）が好ましい。また、コロイダルリソグラフィー法は、容易に複数種のピッチの異なる構造体を作製することが可能で、構造の最適化および機能検証が迅速に行えるという利点がある。
コロイダルリソグラフィー法による基板１Ｂの製造は、より具体的には、原板（表面に周期的凹凸構造を形成する前の基板）上に単粒子膜を配置する工程（単粒子膜配置工程）と、前記単粒子膜および前記原板をドライエッチングする工程（ドライエッチング工程）とを有する製造方法により行うことができる。
以下、単粒子膜および各工程についてより詳細に説明する。
【００４９】
＜単粒子膜＞
「単粒子膜」は、複数の粒子が二次元に配列した単層膜である。
単粒子膜を構成する粒子の材料としては、特に限定されず、有機材料でもよく、無機材料でもよく、有機材料と無機材料との複合材料でもよい。
有機材料としては、例えばポリスチレン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の熱可塑性樹脂；フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂；等が挙げられる。
無機材料としては、例えば、炭素同素体、無機炭化物、無機酸化物、無機窒化物、無機硼化物、無機硫化物、無機セレン化物等が挙げられる。炭素同素体としては、例えばダイヤモンド、グラファイト、フラーレン類等が挙げられる。無機炭化物としては、例えば炭化ケイ素、炭化硼素等が挙げられる。無機酸化物としては、例えば酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）等が挙げられる。無機窒化物としては、例えば窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素等が挙げられる。無機硼化物としては、例えばＺｒＢ２、ＣｒＢ２等が挙げられる。無機硫化物としては、例えば硫化亜鉛、硫化カルシウム、硫化カドミウム、硫化ストロンチウム等が挙げられる。無機セレン化物としては、例えばセレン化亜鉛、セレン化カドミウム等が挙げられる。
粒子を構成する材料は１種でもよく２種以上でもよい。
【００５０】
単粒子膜を構成する粒子の平均粒径は、分光分析に用いる励起波長に合わせて前記段落［００４３］に記載の方法で算出した周期的凹凸構造のピッチに相当する。粒子の平均粒径が前記計算値であれば、伝播型表面プラズモンを誘起しやすくなる。
単粒子膜を構成していないスラリー状態の粒子の平均粒径は、粒子動的光散乱法により求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから常法により求めることができる平均一次粒径のことである。
【００５１】
図６に示すような三角格子構造の周期的凹凸構造を形成する場合、単粒子膜を構成する粒子の粒径の変動係数（標準偏差を平均値で除した値）は、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、５％以下がさらに好ましい。このように粒径の変動係数、すなわち、粒径のばらつきが小さい粒子を使用すると、形成される単粒子膜に、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくくなり、粒子の配列のずれＤが１０％以下である高精度の単粒子膜を得ることができる。配列のずれＤが１０％以下である単粒子膜は、各粒子が二次元に最密充填し、粒子の間隔が制御されていて、その配列の精度が高い。よって、このような単粒子膜を原板上に配置し、ドライエッチングを行うと、原板表面に高精度な周期的凹凸構造を形成できる。
ただし本発明はこれに限定されるものではなく、粒径の変動係数の大きい粒子で単粒子膜を構成してもよい。例えば平均粒径の異なる複数の粒子群を混合したものを用いて単粒子膜を構成してもよい。
【００５２】
粒子の配列のずれＤは、下記式（１）で定義される。
Ｄ［％］＝｜Ｂ−Ａ｜×１００／Ａ・・・（１）
式（１）中、Ａは単粒子膜を構成している粒子の平均粒径、Ｂは単粒子膜における粒子間の平均ピッチである。また、｜Ｂ−Ａ｜はＡとＢとの差の絶対値を示す。
ここで、粒子の平均粒径とは、前記で定義したとおりである。
粒子間のピッチとは、隣り合う２つの粒子の頂点と頂点の距離であり、平均ピッチとはこれらを平均したものである。なお、粒子が球形であれば、隣り合う２つの粒子の頂点と頂点との距離は、隣り合う２つの粒子の中心と中心の距離と等しい。
【００５３】
単粒子膜における粒子間の平均ピッチＢは、具体的には次のようにして求められる。
まず、単粒子膜における無作為に選択された領域で、一辺が微細構造の繰り返し単位３０〜４０波長分の正方形の領域について、原子間力顕微鏡イメージ又は走査型電子顕微鏡イメージを得る。例えば粒径３００ｎｍの粒子を用いた単粒子膜の場合、９μｍ×９μｍ〜１２μｍ×１２μｍの領域のイメージを得る。そして、このイメージを２次元フーリエ変換により波形分離し、ＦＦＴ像（高速フーリエ変換像）を得る。ついで、ＦＦＴ像のプロファイルにおける０次ピークから１次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における平均ピッチＢ１である。このような処理を無作為に選択された合計２５カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における平均ピッチＢ１〜Ｂ２５を求める。こうして得られた２５カ所以上の領域における平均ピッチＢ１〜Ｂ２５の平均値が式（１）における平均ピッチＢである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも１ｍｍ離れて選択されることが好ましく、より好ましくは５ｍｍ〜１ｃｍ離れて選択される。
また、この際、ＦＦＴ像のプロファイルにおける１次ピークの半値幅から、各イメージについて、その中の粒子間のピッチのばらつきを評価することもできる。
【００５４】
＜単粒子膜配置工程＞
単粒子膜配置工程は、ラングミュア−ブロジェット法（ＬＢ法）により行われることが好ましい。この方法は、単層化の精度、操作の簡便性、大面積化への対応、再現性等を兼ね備え、例えばNature, Vol.361, 7 January, 26（1993）等に記載されている液体薄膜法や特開昭５８−１２０２５５号公報等に記載されているいわゆる粒子吸着法に比べて非常に優れ、工業生産レベルにも対応できる。
【００５５】
ＬＢ法による単粒子膜配置工程は、例えば、その液面上で粒子を展開させるための液体（以下、下層液という場合もある。）として水を入れた水槽（トラフ）を用意し、その液面に、水よりも比重の小さい有機溶剤中に粒子が分散した分散液を滴下する工程（滴下工程）と、前記有機溶剤を揮発させることにより粒子からなる単粒子膜を形成する工程（単粒子膜形成工程）と、形成した単粒子膜を原板に移し取る工程（移行工程）と、を有する方法により実施できる。移行工程後に、基板に移し取った単粒子膜を基板に固定する工程（固定工程）を行ってもよい。
このとき、粒子としては、粒子が親水性の下層液の液面下に潜ってしまわないように、表面が疎水性である粒子が用いられる。また、有機溶剤としては、分散液を下層液の液面に滴下した際に分散液が下層液と混和せずに空気と下層液の気液界面に展開するように、疎水性のものが選択される。
なお、ここでは粒子として表面が疎水性のもの、有機溶剤として疎水性のものを選択し、下層液として親水性のものを使用する例を示したが、粒子として表面が親水性のもの、有機溶剤として親水性のものを選択し、下層液として疎水性の液体を使用してもよい。
以下に、使用する分散液および各工程について具体的に説明する。
【００５６】
「分散液」
分散液に用いる有機溶剤は、水よりも比重が小さい疎水性のものである。該有機溶剤はまた、高い揮発性を有することも重要である。水よりも比重が小さく疎水性であり、高い揮発性を有する有機溶剤としては、例えば、クロロホルム、メタノール（混合用材として使用）、エタノール（混合用材として使用）、イソプロパノール（混合用材として使用）、アセトン（混合用材として使用）、メチルエチルケトン、エチルエチルケトン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、酢酸エチル、酢酸ブチル等の１種以上からなる揮発性有機溶剤が挙げられる。
【００５７】
表面が疎水性の粒子としては、先に例示した粒子のうち、ポリスチレン等の有機材料からなり表面が元々疎水性を示すものを使用してもよく、表面が親水性の粒子を疎水化剤で疎水性にしたものを使用してもよい。
疎水化剤としては、例えば界面活性剤、金属アルコキシド等が使用できる。
界面活性剤を疎水化剤として使用する方法は、幅広い材料の疎水化に有効であり、粒子が無機酸化物等からなる場合に好適である。
金属アルコキシドを疎水化剤として使用する方法は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン等の無機酸化物粒子を疎水化する際に有効である。また、無機酸化物粒子以外にも、表面に水酸基を有する粒子に対して適用することができる。
【００５８】
界面活性剤としては、臭素化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、臭素化デシルトリメチルアンモニウム等のカチオン性界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、４−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤が好適に使用できる。また、アルカンチオール、ジスルフィド化合物、テトラデカン酸、オクタデカン酸等も使用できる。
【００５９】
金属アルコキシドとしては、例えばアルコキシシランが挙げられる。
アルコキシシランとしては、モノメチルトリメトキシシラン、モノメチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、ｐ−スチリルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン、３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、３−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
【００６０】
界面活性剤を用いた疎水化処理は、有機溶剤や水等の液体に粒子を分散させて液中で行ってもよいし、乾燥状態にある粒子に対して行ってもよい。
液中で行う場合には、例えば、前述の揮発性有機溶剤中に、疎水化対象の粒子を加えて分散させ、その後、界面活性剤を混合してさらに分散を続ければよい。このようにあらかじめ粒子を分散させておき、それから界面活性剤を加えると、表面をより均一に疎水化することができる。このような疎水化処理後の分散液は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
疎水化対象の粒子が水分散体の状態である場合には、この水分散体に界面活性剤を加えて水相で粒子表面の疎水化処理を行った後、有機溶剤を加えて疎水化処理済みの粒子を油相抽出する方法も有効である。こうして得られた分散液（有機溶剤中に粒子が分散した分散液）は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
分散液の粒子分散性を高めるために、有機溶剤の種類と界面活性剤の種類とを適切に選択し、組み合わせることが好ましい。粒子分散性の高い分散液を使用することによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすくなる。例えば、有機溶剤としてクロロホルムを選択する場合には、界面活性剤として臭素化デシルトリメチルアンモニウムを使用することが好ましい。その他にも、エタノールとドデシル硫酸ナトリウムとの組み合わせ、メタノールと４−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウムとの組み合わせ、メチルエチルケトンとオクダデカン酸との組み合わせ等を好ましく例示できる。
疎水化対象の粒子と界面活性剤の比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、界面活性剤の質量が１／３〜１／１５倍の範囲が好ましい。
こうした疎水化処理の際には、処理中の分散液を撹拌したり、分散液に超音波照射したりすることも粒子分散性向上の点で効果的である。
【００６１】
金属アルコキシドを用いた疎水化処理では、金属アルコキシド中の金属原子に結合したアルコキシ基が加水分解し、水酸基が生成する。例えばアルコキシシランの場合、アルコキシシリル基が加水分解してシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が生成する。生成した水酸基が粒子表面の水酸基と脱水縮合することで疎水化が行われる。よって、金属アルコキシドを用いた疎水化処理は、水中で実施することが好ましい。このように水中で疎水化処理を行う場合には、例えば界面活性剤等の分散剤を併用して、疎水化前の粒子の分散状態を安定化するのが好ましいが、分散剤の種類によっては金属アルコキシドの疎水化効果が低減することもあるため、分散剤と金属アルコキシドとの組み合わせは適切に選択する。
【００６２】
金属アルコキシドにより粒子を疎水化する具体的方法としては、まず、水中に粒子を分散させておき、これと金属アルコキシド含有水溶液（金属アルコキシドの加水分解物を含む水溶液）とを混合し、室温から４０℃の範囲で適宜攪拌しながら所定時間、好ましくは６〜１２時間反応させる。このような条件で反応させることによって、反応が適度に進行し、十分に疎水化された粒子の分散液を得ることができる。反応が過度に進行すると、シラノール基同士が反応して粒子同士が結合してしまい、分散液の粒子分散性が低下し、得られる単粒子膜は、粒子が部分的にクラスター状に凝集した２層以上のものになりやすい。一方、反応が不十分であると、粒子表面の疎水化も不十分となり、後述する粒子を水面に展開する操作において粒子が水中に沈降する不具合が生じたり、得られる単粒子膜の強度が低下してシワ状の欠陥が生じるため好ましくない。
前述のアルコキシシランのうちアミン系以外のアルコキシシランは、酸性又はアルカリ性の条件下で加水分解するため、反応時には分散液のｐＨを酸性又はアルカリ性に調整する必要がある。ｐＨの調整法には制限はないが、０．１〜２．０質量％濃度の酢酸水溶液を添加する方法によれば、加水分解促進の他に、シラノール基安定化の効果も得られるため好ましい。
疎水化対象の粒子と金属アルコキシドの比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、金属アルコキシドの質量が１／３〜１／１００倍の範囲が好ましい。
所定時間反応後、この分散液に対して、前述の揮発性有機溶剤のうちの１種以上を加え、水中で疎水化された粒子を油相抽出する。この際、添加する有機溶剤の体積は、有機溶剤添加前の分散液に対して０．３〜３倍の範囲が好ましい。こうして得られた分散液（有機溶剤中に粒子が分散した分散液）は、そのまま、滴下工程において下層液の液面に滴下するための分散液として使用できる。
こうした疎水化処理においては、処理中の分散液の粒子分散性を高めるために、撹拌、超音波照射等実施することが好ましい。分散液の粒子分散性を高めることによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすくなる。
【００６３】
「滴下工程」
滴下工程では、上記の分散液を、下層液の液面に滴下する。
下層液に滴下する分散液中の粒子の濃度は１〜１０質量％とすることが好ましい。また、分散液の滴下速度を０．００１〜０．０１ｍＬ／秒とすることが好ましい。分散液中の粒子の濃度や分散液の滴下量がこのような範囲であると、粒子が部分的にクラスター状に凝集して２層以上となる、粒子が存在しない欠陥箇所が生じる、粒子間のピッチが広がる等の傾向が抑制され、各粒子が二次元に密集した単粒子膜がより得られやすい。
【００６４】
形成する単粒子膜の精度をより高めるために、液面に滴下する前の分散液をメンブランフィルター等で精密ろ過して、分散液中に存在する凝集粒子（複数の１次粒子からなる２次粒子）を除去することが好ましい。このようにあらかじめ精密ろ過を行っておくと、部分的に２層以上となった箇所や、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくく、精度の高い単粒子膜が得られやすい。仮に、形成された単粒子膜に、数〜数十μｍ程度の大きさの欠陥箇所が存在したとすると、詳しくは後述する移行工程において、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面方向に圧縮する可動バリアとを備えたＬＢトラフ装置を使用したとしても、このような欠陥箇所は表面圧の差として検知されず、高精度な単粒子膜を得ることは難しくなる。
【００６５】
「単粒子膜形成工程」
滴下工程において分散液を下層液の液面に滴下すると、分散媒である溶剤が揮発するとともに、粒子が下層液の液面上に単層で展開し、粒子が二次元に密集した単粒子膜を形成することができる。
【００６６】
この単粒子膜の形成は、粒子の自己組織化によるものである。その原理は、粒子が集結すると、粒子間に存在する分散媒に起因して表面張力が作用し、その結果、粒子同士はバラバラの状態で存在するのではなく、下層液の液面上で密集した単層構造を自動的に形成するというものである。このような表面張力による単層構造の形成は、別の表現をすると横方向の毛細管力による粒子同士の相互吸着ともいえる。例えば、同じ粒径の３つの球状粒子が水面上に浮いた状態で集まり接触すると、粒子群の喫水線の合計長を最小にするように表面張力が作用し、３つの粒子は正三角形を基本とする配置で安定化する。仮に、喫水線が粒子群の頂点にくる場合、すなわち、粒子が液面下に潜ってしまう場合には、このような自己組織化は起こらず、単粒子膜は形成されない。よって、粒子と下層液は、一方が疎水性である場合には他方を親水性にして、粒子群が液面下に潜ってしまわないようにすることが重要である。
下層液としては、以上の説明のように水を使用することが好ましく、水を使用すると、比較的大きな表面自由エネルギーが作用して、一旦生成した粒子の密集した単層構造が液面上に安定的に持続しやすくなる。
【００６７】
単粒子膜形成工程は、超音波照射条件下で実施することが好ましい。下層液から水面に向けて超音波を照射しながら単粒子膜形成工程を行うと、粒子同士の相互吸着が促進され、各粒子がより高精度に二次元に密集した単粒子膜が得られる。
この際、超音波の出力は１〜１２００Ｗが好ましく、５０〜６００Ｗがより好ましい。
超音波の周波数には特に制限はないが、例えば２８ｋＨｚ〜５ＭＨｚが好ましく、７００ｋＨｚ〜２ＭＨｚがより好ましい。振動数が高すぎると、水分子のエネルギー吸収が始まり、水面から水蒸気又は水滴が立ち上る現象が起きるため、ＬＢ法にとって好ましくない。振動数が低すぎると、下層液中のキャビテーション半径が大きくなり、水中に泡が発生して水面に向かって浮上してくる。このような泡が単粒子膜の下に集積すると、水面の平坦性が失われるためＬＢ法にとって不都合となる。
超音波照射を行うと、水面に定常波が発生する。いずれの周波数でも出力が高すぎたり、超音波振動子と発信機のチューニング条件によって水面の波高が高くなりすぎたりすると、単粒子膜が水面波で破壊されるため気をつける必要がある。
【００６８】
以上のことに留意して超音波の周波数を適切に設定すると、形成されつつある単粒子膜を破壊することなく、効果的に粒子の密集を促進することができる。効果的な超音波照射を行うためには、粒子の粒径から計算される固有振動数を目安にするのが良い。しかし、粒径が例えば１００ｎｍ以下等小さな粒子になると固有振動数は非常に高くなってしまうため、計算結果のとおりの超音波振動を与えるのは困難になる。このような場合は、粒子の２量体〜２０量体程度までの質量に対応する固有振動を与えると仮定して計算を行うと、必要な振動数を現実的な範囲まで低減させることが出来る。粒子の会合体の固有振動数に対応する超音波振動を与えた場合でも、粒子の充填率向上効果は発現する。超音波の照射時間は、粒子の再配列が完了するのに十分であればよく、粒径、超音波の周波数、水温等によって所要時間が変化する。しかし通常の作成条件では１０秒間〜６０分間で行うのが好ましく、より好ましくは３分間〜３０分間である。
超音波照射によって得られる利点は、粒子の高精度の密集化の他に、ナノ粒子分散液調製時に発生しやすい粒子の軟凝集体を破壊する効果、一度発生した点欠陥、線欠陥、又は結晶転移等をある程度修復する効果等がある。
【００６９】
「移行工程」
移行工程では、単粒子膜形成工程により液面上に形成された単粒子膜を、単層状態のまま原板上に移し取る。
原板は、表面に周期的凹凸構造が形成されていない以外は基板１Ｂと同様である。
単粒子膜を原板上に移し取る具体的な方法には特に制限はなく、例えば、疎水性の原板を単粒子膜に対して略平行な状態に保ちつつ、上方から降下させて単粒子膜に接触させ、ともに疎水性である単粒子膜と原板との親和力により、単粒子膜を原板に吸着移行させ、移し取る方法；単粒子膜を形成する前にあらかじめ水槽の下層液内に原板を略水平方向に配置しておき、単粒子膜を液面上に形成した後に液面を徐々に降下させることにより、原板上に単粒子膜を移し取る方法；等がある。
これらの方法によれば、特別な装置を使用せずに単粒子膜を原板上に移し取ることができるが、より大面積の単粒子膜であっても、複数の粒子が二次元に密集した単層膜の状態を維持したまま原板上に移し取りやすい点で、いわゆるＬＢトラフ法を採用することが好ましい（Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001)、Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268 (2002)等参照。）。
【００７０】
ＬＢトラフ法では、水槽内の下層液に原板をあらかじめ略鉛直方向に浸漬しておき、その状態で上述の滴下工程と単粒子膜形成工程とを行い、単粒子膜を形成する。そして、単粒子膜形成工程後に、原板を上方に引き上げることによって、単粒子膜を原板上に移し取ることができる。
単粒子膜は、単粒子膜形成工程により下層液の液面上ですでに単層の状態に形成されているため、移行工程の温度条件（下層液の温度）や原板の引き上げ速度等が多少変動しても、移行工程において単粒子膜が崩壊して多層化する等のおそれはない。なお、下層液の温度は、通常、季節や天気により変動する環境温度に依存し、ほぼ３〜３０℃程度である。
この際、水槽として、単粒子膜の表面圧を計測するウィルヘルミープレート等を原理とする表面圧力センサーと、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する可動バリアとを具備するＬＢトラフ装置を使用すると、より大面積の単粒子膜をより安定に原板上に移し取ることができる。このような装置によれば、単粒子膜の表面圧を計測しながら、単粒子膜を好ましい拡散圧（密度）に圧縮でき、また、基板の方に向けて一定の速度で移動させることができる。そのため、単粒子膜の液面から原板上への移行が円滑に進行し、小面積の単粒子膜しか原板上に移行できない等のトラブルが生じにくい。
好ましい拡散圧は５〜８０ｍＮｍ−１であり、より好ましくは３〜４０ｍＮｍ−１である。このような拡散圧であると、各粒子がより高精度で二次元に密集した単粒子膜が得られやすい。原板を引き上げる速度は、０．５〜２０ｍｍ／分が好ましい。なお、ＬＢトラフ装置は、市販品として入手することができる。
【００７１】
「固定工程」
移行工程で原板上に移行させた単粒子膜を原板に固定する固定工程を行うことで、後述のドライエッチング工程中に、単粒子膜を構成する粒子が原板の表面を移動したり単粒子膜が剥がれたりすることを抑制でき、より安定かつ高精度に原板をエッチングすることができる。
固定工程の方法としては、バインダーを使用する方法や焼結法が挙げられる。
バインダーを使用する方法では、バインダー溶液を、単粒子膜が形成された原板の表面に供給し、単粒子膜を構成する粒子と原板との間に浸透させる。
バインダーとしては、先に疎水化剤として例示した金属アルコキシドや一般の有機バインダー、無機バインダー等を使用できる。
バインダーの使用量は、単粒子膜の質量の０．００１〜０．０２質量倍が好ましい。このような範囲であれば、バインダーが多すぎて粒子間にバインダーが詰まってしまい、単粒子膜の精度に悪影響を与えるという問題を生じることなく、十分に粒子を固定することができる。バインダー溶液を多く供給してしまった場合には、バインダー溶液が浸透した後に、スピンコーターを使用したり、原板を傾けたりして、バインダー溶液の余剰分を除去すればよい。
バインダー溶液が浸透した後には、バインダーの種類に応じて、適宜加熱処理を行えばよい。金属アルコキシドをバインダーとして使用する場合には、４０〜８０℃で３〜６０分間の条件で加熱処理することが好ましい。
【００７２】
焼結法を採用する場合には、単粒子膜が形成された原板を加熱して、単粒子膜を構成している各粒子を原板に融着させればよい。
加熱温度は、粒子の材質および原板の材質に応じて決定すればよい。粒径が１μｍ以下の粒子の場合は、粒子を構成する材料本来の融点よりも低い温度で界面反応を開始するため、比較的低温側で焼結は完了する。加熱温度が高すぎると、粒子の融着面積が大きくなり、その結果、単粒子膜の形状が変化する等、精度に影響を与える可能性がある。
加熱を空気中で行うと、材質によっては、原板や粒子が酸化する可能性がある。例えば、原板としてシリコン基板を用い、これを１１００℃で焼結すると、この基板の表面には約２００ｎｍの厚さで熱酸化層が形成される。そのため、後述のドライエッチング工程では、このような酸化の可能性を考慮して、エッチング条件を設定することが必要となる。
【００７３】
＜ドライエッチング工程＞
ドライエッチング工程では、例えば、粒子と原板の双方が実質的にエッチングされる条件で、単粒子膜をエッチングマスクとして原板をドライエッチングする。
このようにしてドライエッチングを行うと、単粒子膜を構成している各粒子がエッチングされ、各粒子の粒径が徐々に小さくなり、ドライエッチング前は粒子同士が接していた部分にも隙間が形成され、粒子同士が接触していない状態になる。また、粒子間の隙間をエッチングガスが通り抜けて原板の表面に到達し、隙間の下方の位置にある原板表面がエッチングされて凹部が形成される。粒子で覆われている部分はエッチングされずに残り、この部分が凸部３ｃとなる。これにより、基板１Ｂが得られる。
原板をドライエッチングする前に、原板が実質的にエッチングされない条件で、粒子をドライエッチングしてもよい。
【００７４】
ドライエッチング条件、例えば圧力、プラズマ電力、バイアス電力、エッチングガス種、エッチングガス流量、エッチング時間等を調節することによって、凸部３ｃの太さ（表面層における占有体積：フィリングファクター）、凸部３ｃの高さ（凹部の深さ）等を調節できる。
【００７５】
エッチングガスとしては、粒子および原板の両方をエッチングできるように、粒子や基板の材質等に応じて公知のエッチングガスのなかから適宜選択できる。
例えば原板がガラスであり、粒子がシリカ（ＳｉＯ２）である場合、Ａｒ、ＳＦ６、Ｆ２、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ３Ｆ８、Ｃｌ２、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ２、ＢＣｌ３、ＢＣ２、Ｂｒ２、Ｂｒ３、ＨＢｒ、ＣＢｒＦ３、ＨＣｌ、ＣＨ４、ＮＨ３、Ｏ２、Ｈ２、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２等を使用できる。
原板Ｓが石英で、粒子がシリカである場合、ＡｒやＣＦ４等を使用できる。
原板がサファイアで、粒子がシリカである場合、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＨＢｒ、ＨＩ、ＨＣｌ等を使用できる。
エッチングガスは、１種を単独で用いてもよく２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上のエッチングガスの混合比率等によってエッチング条件の調整が容易となる。
エッチングガスは、エッチングガス以外のガスで希釈されてもよい。
【００７６】
ドライエッチングは、原板の水平方向よりも垂直方向のエッチング速度が大きくなる異方性エッチングで行うことが好ましい。使用可能なエッチング装置としては、反応性イオンエッチング装置、イオンビームエッチング装置等の異方性エッチングが可能なものであって、最小で２０Ｗ程度のバイアス電場を発生できるものであれば、プラズマ発生の方式、電極の構造、チャンバーの構造、高周波電源の周波数等の仕様には特に制限ない。
【００７７】
ドライエッチングにおけるエッチング選択比（原板のエッチング速度／単粒子膜のエッチング速度）は、特に制限されず、エッチングの各条件（単粒子膜を構成する粒子の材質、原板の材質、エッチングガスの種類、バイアス電力、アンテナ電力、ガス流量、圧力、エッチング時間等）により調整できる。
【００７８】
原板のドライエッチングは、単粒子膜を構成する粒子が消失したときに終了してもよく、該粒子が消失する前に終了してもよい。
粒子が消失する前に原板のドライエッチングを終了した場合、原板のドライエッチングの後、形成された基板１Ｂ上に残留する粒子を除去する。
粒子の除去方法としては、粒子に対してエッチング性があり、基板１Ｂに対して耐エッチング性があるエッチャントを用いる化学的除去方法、ブラシロール洗浄機等による物理的除去方法等が挙げられる。
【００７９】
上記のようにして、原版が得られる。
原版の転写品は、原版表面の周期的凹凸構造を１回以上、他の原板に転写して得られる。転写回数が奇数回であると、原版表面の周期的凹凸構造が反転した形状の周期的凹凸構造を有する転写品が得られる。転写回数が偶数回であると、原版表面の周期的凹凸構造と同様の形状の周期的凹凸構造を有する転写品が得られる。
例えば、原版表面の周期的凹凸構造を、モールド（金型又はスタンパー）に転写し（１回目の転写）、次いでモールドの凹凸構造を転写する（２回目の転写）と、原版表面の周期的凹凸構造と同様の形状の周期的凹凸構造を有する転写品が得られる。
原板Ｓの凹凸構造を、モールド（金型又はスタンパー）に転写する方法は、例えば特開２００９−１５８４７８号公報に開示されているような電鋳法が好ましい。
モールドの凹凸構造を転写する方法としては、例えば特開２００９−１５８４７８号公報に開示されているような、ナノインプリント法、熱プレス法、射出成型法、ＵＶエンボス法等が挙げられる。中でもナノインプリント法は、微細な凹凸構造の転写に適している。
【００８０】
（作用効果）
本実施形態の分析用基板３０にあっては、これを分光測定に用いたときに、金属膜３の非成膜領域Ｇにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができる。また連続膜である金属膜３の表面に周期的凹凸構造を有することで、伝播型表面プラズモン共鳴による電場増強効果を得ることができる。局在型表面プラズモン共鳴と伝播型表面プラズモン共鳴とが組み合わさることで、電場増強を利用した光学的分析を、第一実施形態や第二実施形態よりもさらに高感度に実施できる。
一般に、周期的凹凸構造による伝播型表面プラズモンは、局所的な間隙による局在型表面プラズモンよりも電場分布の均一性に優れる利点がある。一方で、非常に狭い局所的な間隙を作製すると、局在型表面プラズモンは伝播型表面プラズモンよりも強力な電場増強効果を得ることが可能である。そのため、伝播型表面プラズモンと局在型表面プラズモンを組み合わせた場合、上述の両者の利点を足し合わせた結果が得られることとなり、高感度分光分析に関して有用な分析基材を提供することが可能となる。
分析用基板３０は生産性にも優れる。例えば、製造方法（ＩＩＩ）に示したように、基板１Ｂ上に金属を堆積させるだけで製造できる。また、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得る構造を形成するために多量の金属を用いる必要がなく、原料コストを抑制できる。
上記効果を奏することから、分析用基板３０は、表面プラズモン共鳴による電場増強効果を利用した光学的分析に有用である。かかる光学的分析法としては、前記と同様のものが挙げられる。
【００８１】
＜第四実施形態＞
図８は、本発明の第四実施形態の分析用基板を模式的に示す断面図である。
本実施形態の分析用基板４０は、基板１Ｂと、基板１Ｂの第一面１ｃ上に設けられた金属膜３Ｂと、金属膜３上に分散配置された複数の金属ナノ粒子５とを備える。金属膜３Ｂと複数の金属ナノ粒子５とは接している。
分析用基板４０は、複数の金属ナノ粒子５をさらに備える以外は、第三実施形態の分析用基板３０と同様である。
【００８２】
（分析用基板の製造方法）
分析用基板４０の製造方法としては、例えば、以下の製造方法（ＩＶ）が挙げられる。
製造方法（ＩＶ）：
基板１Ｂの第一面１ｃ上に金属を堆積させて金属膜３Ｂを成膜する工程と、
複数の金属ナノ粒子５と分散媒とを含む金属ナノ粒子分散液を金属膜３Ｂ上に塗布し、乾燥する工程と、を有し、
金属膜３Ｂを成膜する工程において、第一面１ｃ上に、金属の堆積していない複数の領域が島状に残り、金属膜３Ｂの表面のシート抵抗が３〜５０００Ω／□となった状態で、第一面１ｃ上への金属の堆積を終了する、分析用基板の製造方法。
【００８３】
金属膜３Ｂを成膜する工程は、前記製造方法（ＩＩＩ）における金属膜３Ｂを成膜する工程と同様であり、好ましい態様も同様である。
金属ナノ粒子分散液を金属膜３Ｂ上に塗布し、乾燥する工程は、前記製造方法（ＩＩ）における金属ナノ粒子分散液を金属膜３上に塗布し、乾燥する工程と同様である。
【００８４】
（作用効果）
本実施形態の分析用基板４０にあっては、これを分光測定に用いたときに、金属膜３の非成膜領域Ｇにおける間隙、金属膜３と金属ナノ粒子５との間、隣り合う金属ナノ粒子５の間それぞれにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができる。また連続膜である金属膜３の表面に周期的凹凸構造を有することで、伝播型表面プラズモン共鳴による電場増強効果を得ることができる。３種の金属間隙における局在型表面プラズモン共鳴と１種の金属格子構造による伝播型表面プラズモン共鳴とが組み合わさることで、電場増強効果を利用した光学的分析を、第一実施形態や第二実施形態、第三実施形態よりもさらに高感度に実施できる。
分析用基板４０は生産性にも優れる。例えば、製造方法（ＩＶ）に示したように、基板１Ｂ上に金属を堆積させ、さらに金属ナノ粒子分散液を塗布し乾燥するだけで製造できる。また、局在型表面プラズモン共鳴による電場増強を発生させ得る構造を形成するために多量の金属を用いる必要がなく、原料コストを抑制できる。
上記効果を奏することから、分析用基板４０は、表面プラズモン共鳴による電場増強を利用した光学的分析に有用である。かかる光学的分析法としては、前記と同様のものが挙げられる。
【００８５】
以上、実施形態を示して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００８６】
例えば、図２には、非成膜領域Ｇの上面視での形状が帯状である例を示したが、非成膜領域Ｇの上面視での形状はこれに限定されるものではなく、他の形状、例えば円形状、矩形状、樹形状、不定形状等であってもよい。
複数の非成膜領域Ｇそれぞれの形状や大きさや分布がランダムである（一定ではない）例を示したが、複数の非成膜領域Ｇそれぞれの形状や大きさが一定であってもよい。複数の非成膜領域Ｇが規則的に配列していてもよい。
図３には、非成膜領域Ｇを囲む金属表面３ａが傾斜面である例を示したが、金属表面３ａは非傾斜面であってもよい。また、金属表面３ａは平滑面であっても凹凸面であってもよい。
金属膜が、基板の第一面上に金属を堆積させる方法（スパッタリング法や真空蒸着法等）により形成された金属膜である場合、非成膜領域Ｇを囲む金属表面は、局所的に傾斜面であり、また凹凸面であることが多い。
【００８７】
第二実施形態または第四実施形態において、金属膜３を、表面のシート抵抗が５０００Ω／□超である金属膜としてもよい。この金属膜の表面のシート抵抗の上限は特に限定されず、∞（無限大）Ω／□未満までの抵抗値であってよい（∞（無限大）Ω／□は含まない）。
複数の非成膜領域Ｇを有する金属膜において、非成膜領域Ｇの占める割合が多くなると、成膜領域の分断箇所が増加して、表面のシート抵抗が５０００Ω／□超となる。シート抵抗が５０００Ω／□超の状態でも、非成膜領域Ｇによる電場増強効果は得られるが、さらに金属膜上に平均一次粒子径が５〜１００ｎｍである複数の金属ナノ粒子５が分散配置されていれば、金属膜と金属ナノ粒子との間、隣り合う金属ナノ粒子の間それぞれにおいて入射光による局在型表面プラズモン共鳴が発生し、電場の重ねあわせによる非線形光学的電場増強効果を得ることができ、電場増強効果を利用した光学的分析を高感度に実施できる。
【実施例】
【００８８】
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
各例で用いた測定方法を以下に示す。なお、周期的凹凸構造の凸部の高さ及びピッチの測定方法は前記の通りである。
【００８９】
（金属膜表面のシート抵抗）
一般的な導通試験に用いる抵抗率計（ロレスタＡＸ  ＭＣＰ−Ｔ３７０）にてシート抵抗測定を行った。金属構造体を構成する金属膜は非常に薄いので、抵抗率計のプローブは薄膜測定用のＰＳＰオプションプローブ （ＭＣＰ−ＴＰ０６Ｐ）ピン間１．５ｍｍを使用して、ｎ＝５以上の平均値により測定値（Ω／□）を取得した。
【００９０】
（非成膜領域Ｇを介して対向する金属表面間の距離）
金属膜３は、金属膜と金属膜中に散在する非成膜領域Ｇから構成される海島構造（海島構造の海（金属＝成膜領域）に対する島（非成膜領域Ｇにおける間隙）よりなる）を構成しており、金属表面３ａ間の距離は以下の測定方法によって測定した。
すなわち、金属膜３の表面において互いに１００μｍ以上離れた５箇所から倍率２０万倍で０．６μｍ×０．４５μｍの領域のＳＥＭ像を取得し、それぞれのＳＥＭ像において非成膜領域Ｇ部分の測長を行う。この倍率におけるＳＥＭ像では輪郭が不鮮明になる場合があるため、ＳＥＭ像取得後にＡｄｏｂｅ  Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐまたは同等の機能を有する画像処理ソフトウェアを使用して、画像のコントラストを強調するか、或いは画像の濃淡を２値化して測長を容易にする。ここで、非成膜領域Ｇ部分の短軸方向の間隙をナノギャップと呼ぶ。ナノギャップにおける間隙の測長は、先ず上記のようにして得たＳＥＭ像に対角線ＬＤを２本引き、対角線が交差する全ての非成膜領域Ｇ部分に関して短軸方向のギャップ幅を測長する。測長は上記対角線が各非成膜領域Ｇと交差する交差点において行うが、具体的には、上記対角線がある非成膜領域Ｇと成す交差距離の１／２の点Ｐを定義し、かつ上記点Ｐを通りつつ最も短い距離で非成膜領域Ｇを２分割する直線ＬＧを引き、最後に直線ＬＧが非成膜領域Ｇを通過する距離ＩＧを測長する。ＩＧの測長を上記５箇所のＳＥＭ像について行い、全ての測定値の平均値を求めたものを非成膜領域Ｇのナノギャップの平均値ＩＧＡＶＥとする。この平均値ＩＧＡＶＥを金属表面３ａ間の距離とする。
【００９１】
（金属膜の厚さ（成膜領域の平均厚さ））
金属膜３の厚さ（成膜領域の平均厚さ）は、前述の方法により測定した。すなわち、基板上に成膜してある金属膜３に対して、鋭利なナイフの先で非常に細い傷（スクラッチ）をつけ、その傷を含む領域を触針式段差計（微細形状測定機ＥＴ４０００Ａ、小坂研究所）にて測定し、傷の底面（基板が露出している箇所）と金属膜３の表面との平均的な高低差を求める方法により、金属膜３の平均厚さを測定した。
なお、実施例では触針式段差系を使用したが、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を取得して同様に基板が露出している部分と金属膜３の表面との平均的な高低差を求めても同様の結果を得ることができる。
【００９２】
（金属ナノ粒子の平均一次粒子径）
金属ナノ粒子の平均一次粒子径は、前述の方法により測定した。すなわち、ＳＥＭを用い、倍率２０万倍にて分析用基板の表面を観察して金属ナノ粒子の一次粒子径を測長し、ｎ＝２０の平均値を算出し、その値を平均一次粒子径とした。
【００９３】
（隣り合う２つの金属ナノ粒子間の最短距離）
隣り合う２つの金属ナノ粒子間の最短距離は、前述の方法により測定した。すなわち、ＳＥＭを用い、倍率２０万倍にて分析用基板の表面を観察し、像中で隣り合う２つの金属ナノ粒子の間隙を実測し、ｎ＝２０の平均値を算出し、その値を前記最短距離とした。
【００９４】
（ラマン散乱強度の測定）
分析用基板の表面（金属膜、金属ナノ粒子等を設けた面）に濃度１００μＭの４、４’−ビピリジル水溶液５μＬを滴下し、ラマン分光光度計（Ａｌｍｅｇａ  ＸＲ、サーモフィッシャーサイエンティフィック社）を用いてそれぞれラマンスペクトルの測定を行った。励起波長７８０ｎｍ、出力１０ｍＷのレーザーを光源とし、検出ピーク１６０７ｃｍ−１の強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）で各測定値を比較した。ラマン条件は、レーザー出力を１００％、アパーチャを径１００μｍのピンホール、露光回数を６４回とした。
【００９５】
（実施例１）
第一実施形態の分析用基板１０と同様の構成の分析用基板を以下の手順で製造した。
スパッタリング装置（イオンスパッタ装置Ｅ−１０３０、日立ハイテクノロジーズ）を使用し、清浄で平坦な石英基板上にＡｕ薄膜を圧力６〜８Ｐａ、電流値１５ｍＡ、成膜速度１１．６ｎｍ／ｍｉｎにて５．８ｎｍ厚さまで成膜した。
図９に、得られた分析用基板のＳＥＭ像を示す。
【００９６】
（実施例２）
第二実施形態の分析用基板２０と同様の構成の分析用基板を以下の手順で製造した。
スパッタリング装置（イオンスパッタ装置Ｅ―１０３０、日立ハイテクノロジーズ）を使用し、清浄で平坦な石英基板上にＡｕ薄膜を圧力６〜８Ｐａ、電流値１５ｍＡ、成膜速度１１．６ｎｍ／ｍｉｎにて５．８ｎｍ厚さまで成膜した。その後、Ａｕ薄膜上にＡｕナノ粒子分散液（粒径２０ｎｍ）をスプレー塗布し乾燥させる工程を３回繰り返すことで、Ａｕナノ粒子を基板上に分散配置した。
【００９７】
（実施例３）
第三実施形態の分析用基板３０と同様の構成の分析用基板を以下の手順で製造した。
粒径６００ｎｍのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるＬＢ法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてＮ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度４０℃にて疎水化を行った。その後、エタノール：クロロホルム＝３０：７０の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に２１℃、ｐＨ７．２の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を５ｍｍ／ｍｉｎにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置（東京エレクトロン社製ＭＥ５１０Ｉ）を使用して、１．２Ｐａ、２０００／１８００Ｗ、Ｃｌ２＝８０ｓｃｃｍ、１００ｓｅｃの条件でドライエッチングを行い、構造周期（ピッチ）６００ｎｍ、構造高さ（３つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離）５２ｎｍの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置（イオンスパッタ装置Ｅ−１０３０、日立ハイテクノロジーズ）を使用し、この周期的凹凸構造上にＡｕ薄膜を圧力６〜８Ｐａ、電流値１５ｍＡ、成膜速度１１．６ｎｍ／ｍｉｎにて５．８ｎｍ厚さまで成膜した。図１０に、得られた分析用基板のＳＥＭ像を示す。
【００９８】
（実施例４）
第四実施形態の分析用基板４０と同様の構成の分析用基板を以下の手順で製造した。
粒径６００ｎｍのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるＬＢ法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてＮ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度４０℃にて疎水化を行った。その後、エタノール：クロロホルム＝３０：７０の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に２１℃、ｐＨ７．２の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を５ｍｍ／ｍｉｎにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置（東京エレクトロン社製ＭＥ５１０Ｉ）を使用して、１．２Ｐａ、２０００／１８００Ｗ、Ｃｌ２＝８０ｓｃｃｍ、１００ｓｅｃの条件でドライエッチングを行い、構造周期（ピッチ）６００ｎｍ、構造高さ（３つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離）５２ｎｍの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置（イオンスパッタ装置Ｅ−１０３０、日立ハイテクノロジーズ）を使用し、この周期的凹凸構造上にＡｕ薄膜を圧力６〜８Ｐａ、電流値１５ｍＡ、成膜速度１１．６ｎｍ／ｍｉｎにて５．８ｎｍ厚さまで成膜した。最後に、Ａｕ薄膜上にＡｕナノ粒子分散液（粒径２０ｎｍ）をスプレー塗布し乾燥させる工程を３回繰り返すことで、実施例２と同様の散布密度にてＡｕナノ粒子を基板上に分散配置した。図１１に、得られた分析用基板のＳＥＭ像を示す。
【００９９】
（比較例１）
金属膜も金属粒子も付与せず、何も表面に付着していない清浄な表面を有する、平坦な石英基板を準備した。
【０１００】
（比較例２）
金属膜も金属粒子も付与せず、何も表面に付着していない清浄な表面を有する、平坦な石英基板を準備した。その後、基板上にＡｕナノ粒子分散液（粒径２０ｎｍ）をスプレー塗布し乾燥させる工程を３回繰り返すことで、実施例２および実施例４と同様の散布密度にてＡｕナノ粒子を基板上に分散配置した。
【０１０１】
（比較例３）
粒径６００ｎｍのコロイダルシリカ粒子を石英基板上に以下に述べるＬＢ法によって単層コーティングした。先ず、疎水化剤としてＮ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランをシリカ粒子スラリーに添加し、反応温度４０℃にて疎水化を行った。その後、エタノール：クロロホルム＝３０：７０の混合溶媒を使用して、疎水化したシリカ粒子を油層抽出した。次に２１℃、ｐＨ７．２の下層水の水面に、上記疎水化粒子スラリーを滴下して行き、水面上に粒子単層膜を形成した。さらにバリアにて粒子単層膜を圧縮しながら、水中に予め浸漬しておいた清浄で平坦な石英基板を５ｍｍ／ｍｉｎにて徐々に引き上げ、水面の粒子単層膜を石英基板上に移し取った。その後、ドライエッチング装置（東京エレクトロン社製ＭＥ５１０Ｉ）を使用して、１．２Ｐａ、２０００／１８００Ｗ、Ｃｌ２＝８０ｓｃｃｍ、１００ｓｅｃの条件でドライエッチングを行い、構造周期（ピッチ）６００ｎｍ、構造高さ（３つの粒子の中心点から構造頂部までの垂直距離）５２ｎｍの周期的凹凸構造を得た。さらにスパッタリング装置（イオンスパッタ装置Ｅ−１０３０、日立ハイテクノロジーズ）を使用し、この周期的凹凸構造上にＡｕ薄膜を圧力６〜８Ｐａ、電流値１５ｍＡ、成膜速度１１．６ｎｍ／ｍｉｎにて１５．４ｎｍ厚さまで成膜した。図１２に、得られた分析用基板のＳＥＭ像を示す。
【０１０２】
実施例１〜４および比較例１〜３の分析用基板を用い、ラマン散乱強度の測定を行った。結果を表１に示す。
【０１０３】
【表１】
2019128281.tif 000003
【０１０４】
比較例１および比較例２の分析用基板では、ラマン散乱を検出できなかった。また、比較例３の分析用基板では、ラマン散乱を検出できたが、その強度はすべての実施例の強度より低い値となった。
これに対し、実施例１〜４の分析用基板では、試料濃度１００μＭにおけるラマン散乱が各々高強度で得られており、試料濃度１０ｎＭという低濃度の試料でもラマン散乱を検出することができた。
【符号の説明】
【０１０５】
１，１Ｂ  基板
３，３Ｂ  金属膜
５  金属ナノ粒子
１０  分析用基板
２０  分析用基板
３０  分析用基板
４０  分析用基板
Ｇ  非成膜領域
【図１】
2019128281.tif 000004
【図２】
2019128281.tif 000005
【図３】
2019128281.tif 000006
【図４】
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【図５】
2019128281.tif 000008
【図６】
2019128281.tif 000009
【図７】
2019128281.tif 000010
【図８】
2019128281.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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