(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定しこれを顕微鏡観察する方法であって、
前記微細粒子を水に分散させた分散液を対向配置した２枚の前記シリコン基板の間に挟み込み、前記シリコン基板を冷却して前記微細粒子の静電反発を維持させたまま急冷凍結させた後に前記シリコン基板の互いを分離させ、減圧して前記シリコン基板上の前記水を昇華させるにおいて、挟み込みの工程は、昇華後に前記シリコン基板上に前記微細粒子を分散して孤立して観察されるように前記分散液の厚さを薄く挟み込むことを特徴とする微細粒子の観察方法。
【請求項２】
前記シリコン基板の間に前記分散液を挟み込んで前記シリコン基板同士を平行に維持したまま互いに往復動させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の微細粒子の観察方法。
【請求項３】
前記シリコン基板は親水化処理された表面を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細粒子の観察方法。
【請求項４】
前記水を凍結させることなく前記シリコン基板を予冷することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の微細粒子の観察方法。
【請求項５】
前記シリコン基板の外側面を冷媒に接触させて急冷凍結する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の微細粒子の観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平滑基板上での微細サイズの粒子の観察方法に関し、特に、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定しこれを顕微鏡観察する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や他の微細粒子の観察手法において、微細粒子を平滑な基板上に固定して観察を行うことがある。かかる基板はサブミクロンサイズ、そしてナノサイズといった微細粒子のサイズに合わせた高い平滑度を要求され、例えば、シリコンウェハやマイカのへき開面が利用され得る。また、液体中に分散された微細粒子同士を重ねることなく各粒子を単独で観察するには、キャピラリ管から分散液を上記したような平滑基板上に滴下し、液体を乾燥させて形成される同心円状の凝集組織、いわゆる「コーヒーリング」から微細粒子同士の重なりのない適所を選択して顕微鏡観察する方法なども提案されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、例えば、粒子径の統計的分布を求めるような定量測定では、なるべく広い視野範囲に亘って分散した微細粒子の径を測定できることが好ましい。かかる場合、上記したような「コーヒーリング」による方法では分散の安定性に欠け、また粒子径を測定できるような視野を数多く選択することになり作業が煩雑である。
【０００４】
ここで、凍結させた分散液から分散媒を乾燥除去させて強固に凝集させることなく微細粒子を取り出す凍結乾燥法が知られている。一般に、分散液から分散媒を単に乾燥させてしまうと、分散媒の散逸によって微細粒子同士の間隔が狭くなり凝集を生じてしまう。そこで、分散液を凍結させてから分散媒を昇華させて乾燥除去させることで微細粒子の分散を維持したまま取り出すことができるのである。
【０００５】
例えば、特許文献１では、凍結乾燥法を用いた分散液からの微細粒子の取り出し方法が記載されている。分散媒として融点を−３０〜３０℃の範囲に有するｔ−ブタノールなどの蒸気圧の高い有機溶媒を用い、凍結乾燥時の昇華を容易としている。かかる分散液の凍結乾燥によって再分散性の高い微細粒子の乾燥体を得ることができる。このような凍結乾燥法によれば、分散液での微細粒子の分散状態を維持して分散媒とともに凍結でき、そのまま分散媒のみを除去できて、微細粒子の凝集を抑制できるとしている。
【０００６】
また、特許文献２では、分散液を冷却基材に滴下して凝固させ、液滴を凝固状態としたままその溶媒を昇華させて、コーヒーリングの形成を抑制して微細粒子を顕微鏡観察する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１４／０５７５６４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４１０８３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.D.Deegan et al.; Nature; vol.389; 23 Oct. 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
凍結乾燥法によって再分散性の高い乾燥紛体を得られ、このような乾燥紛体を基板上に固定することで、広範囲に亘って微細粒子を分散させて個々の微細粒子の顕微鏡観察を可能とする観察基板を得られる。ここで、粒子径の統計的分布を求めるような定量測定では、再現性の良い、より一層の安定した観察基板の作成方法が求められる。
【００１０】
本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定しこれを顕微鏡観察する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による微細粒子の観察方法は、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定しこれを顕微鏡観察する方法であって、前記微細粒子を水に分散させた分散液を対向配置した２枚の前記シリコン基板の間に挟み込み、前記シリコン基板を冷却して前記微細粒子の静電反発を維持させたまま急冷凍結させた後に前記シリコン基板の互いを分離させ、減圧して前記シリコン基板上の前記水を昇華させることを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、分散液の厚さを薄くして冷却中の温度勾配を小さくすることで冷却中の氷の結晶の成長に伴う微細粒子の凝集を防止するとともに微細粒子の厚さ方向の重なりを抑制し、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定でき、再現性良く安定して分散した微細粒子を顕微鏡観察することができる。
【００１３】
上記した発明において、前記シリコン基板の間に前記分散液を挟み込んで前記シリコン基板同士を平行に維持したまま互いに往復動させる工程を含むことを特徴としてもよい。また、上記した発明において、前記シリコン基板は親水化処理された表面を有していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、分散液の厚さをより薄くして冷却中の温度勾配をより小さくするとともに微細粒子同士の厚さ方向の重なりをさらに抑制し得て、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定し、再現性良く安定してこれを顕微鏡観察することができる。
【００１４】
上記した発明において、前記水を凍結させることなく前記シリコン基板を予冷することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、急冷凍結をより速く進行させて、シリコン基板上で顕微鏡観察を再現性良く、安定して行うことができる。
【００１５】
上記した発明において、前記シリコン基板の外側面を冷媒に接触させて急冷凍結する工程を含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、冷却中の温度勾配をより小さくし得て、微細粒子の分散を維持させたままシリコン基板上に固定し、再現性良く安定してこれを顕微鏡観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による微細粒子の観察方法を示すフロー図である。
【図２】本発明による微細粒子の観察方法の要部を示す工程図である。
【図３】凍結乾燥瓶の(ａ)上面図及び(ｂ)側面図である。
【図４】実施例の光学顕微鏡による(ａ)反射像及び(ｂ)斜上白色光照射像である。
【図５】微細粒子の原子間力顕微鏡による形状像である。
【図６】微細粒子の原子間力顕微鏡による形状像である。
【図７】微細粒子の原子間力顕微鏡による形状像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施例１］
以下に、本発明による１つの実施例である微細粒子の観察方法について図１に併せて図２及び図３を参照しつつ、説明する。
【００１８】
図１に図２（ａ）及び（ｂ）を併せて参照すると、まず、対向配置された２枚のシリコン基板１（以降、基板１と称する）で分散液の液滴を挟み込む（Ｓ１）。基板１は、例えば、１.１ｃｍ角で０.５ｍｍ厚の寸法を有し、洗浄し乾燥されたものを用意する。基板１の一方に、微細粒子の分散液３の０.２μＬをマイクロピペット２で滴下し、基板１の他方を上からかぶせて挟み込む。
【００１９】
このとき、基板１の間に挟まれた分散液３はなるべく薄くさせることが好ましく、例えば基板１同士を互いに圧迫したり、基板１同士を平行に維持したまま互いに擦り合わせるように往復動を与えたりするなどするとよい。また、同様の理由で、基板１は親水化処理された表面を有していることが好ましい。親水化処理としては、例えば、オゾン表面改質を用い得る。
【００２０】
分散液３としては、例えばナノサイズの微細粒子を水に分散させたものを用いるが、後述する観察において観察しやすい濃度、すなわち厚さ方向に微細粒子が重ならず、基板１の表面に沿った方向に分散を維持しつつも適度な密度を有するように調整される。ここでは、ポリスチレンラテックスの５０ｎｍ径粒子を０.５ｇ／Ｌで含むとともに、１００ｎｍ径粒子を１.２５ｇ／Ｌで含む分散媒を水とする分散液を用いた。
【００２１】
次いで、分散液３を挟み込んだ基板１を冷却し、微細粒子の静電反発を維持したまま急冷凍結させる（Ｓ２）。図２（ｃ）を併せて参照すると、ここでは２枚の基板１より大きい寸法、例えば、直径２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板形状の銅板４を冷媒として用いる。銅板４は、予め−８０℃の冷凍機で冷却されており、その２枚を基板１の外側面に接触させるよう基板１を挟んで分散液３を急冷凍結させる。
【００２２】
ここで、分散液３の内部に大きな温度勾配が生じてしまうと、冷却中の氷の結晶の成長により液相に排除された微細粒子同士の間隔が狭くなって凝集してしまう。しかし、本実施例においては、上記したように分散液３は薄くされているためその内部に温度勾配が生じづらく、冷却中に氷の結晶を成長させずに微細粒子の静電反発を維持したまま冷却され、その分散状態を維持したまま凍結される。また、基板１の両側から同じ温度の冷媒である銅板４によって冷却されるので、これによっても温度勾配を生じづらい。
【００２３】
さらに、かかる冷却に先立って、分散液３を基板１ごと予冷しておくことが好ましい。例えば、水を凍結させないよう０℃付近の温度まで予冷しておくと、上記した冷却の冷却速度を高め得て、冷却中の分散液３の温度勾配を減じ得る。
【００２４】
次いで、基板１の互いを分離させる（Ｓ３）。図２（ｄ）を併せて参照すると、下側の銅板４の上で、ピンセットの先端等を基板１の間に差し込み、基板１の２枚を上下に分離させる。このとき、分散液３の凍結した凍結膜は厚さ方向に割れることなく、基板１の表面に沿った方向の各位置において、上下どちらかの基板１に付着している。凍結膜の付着は干渉色で判別できるため、後の顕微鏡観察のためにその位置を記録しておくことが好ましい。
【００２５】
なお、凍結膜は、溶融を防ぐため、室温外気に曝されないようにする。例えば、図２（ｄ）に示すように、分離後の基板１は凍結膜の付着した側を内側にするように重ねて、次の工程の直前まで銅板４に接触させておく。また、急冷凍結（Ｓ２）及び分離（Ｓ３）の作業は銅板４を冷却した冷凍機の内部で行うとよい。
【００２６】
次いで、基板１を減圧し凍結した分散液の分散媒である水を昇華させる。つまり、凍結膜を減圧乾燥させる（Ｓ４）。図３を併せて参照すると、減圧乾燥にはアルミ製の凍結乾燥瓶１０を使用する。凍結乾燥瓶１０は、略円筒形の外形を有し、上端１１を開口部とする上方の内径に対して、下方において内径を小さくした段付き形状をなすよう小径部１２が設けられ、その周囲の壁体１３が厚く形成されている。また、凍結乾燥瓶１０は、−２０℃で予冷されており、その底部に−１７℃の保冷剤９を接触させている。また、開口部の近傍を除く側面及び保冷剤９を含む底面は断熱材等でくるまれて外気に対して遮蔽されていることが好ましい。
【００２７】
ここで、分離された基板１は手早く凍結乾燥瓶１０内部に移動され、その小径部１２の底に凍結膜を上に向けて載置される。凍結乾燥瓶１０はその開口部を図示しない減圧器にゴム栓等を介して接続され、例えば、１０Ｐａ程度にその内部を減圧される。ここで、凍結乾燥瓶１０では、周囲の壁体１３が冷媒となって小径部１２内部の基板１の温度を低く保つことができ、ゴム栓等からの輻射熱による温度上昇を防止し、−１０℃程度以下に維持し、凍結膜の溶融を防ぐ。そのまま１時間程度保持して、減圧下で凍結膜から水を昇華させ乾燥させる。
【００２８】
凍結乾燥の後、基板１への結露を防ぐため、凍結乾燥瓶１０はその内部を減圧されたまま保冷剤９を取り外され、底部を熱源に接触されて基板１を室温以上に昇温させる。その後、内部の圧力を常圧に戻されて基板１の取り出しを可能とされる。
【００２９】
取り出された基板１は顕微鏡観察に供される（Ｓ５）。
【００３０】
以上のように、基板１に挟み込むことで分散液３の厚さを薄くして冷却中の温度勾配を小さくできる。すなわち、熱伝導率や熱容量が比較的小さいシリコンによる基板１であっても、分散液を薄くしたことで熱容量の大きな水に対しても温度勾配を小さくして急冷凍結できる。このため、分散液の凍結において微氷晶を生じさせても氷の結晶の成長を抑制して微細粒子の凝集を防止できるのである。加えて、分散液３の厚さを薄くすることで、微細粒子同士の厚さ方向での重なりを抑制することもできる。つまり、微細粒子の静電反発を維持したまま急冷凍結できて、分散を維持した微細粒子を基板１上に固定でき、再現性良く安定してこの微細粒子を顕微鏡観察することができる。
【００３１】
次に、上記の方法により調製された基板１により微細粒子の顕微鏡観察を行った結果について図４乃至図７を用いて説明する。
【００３２】
ここでは、まず、光学顕微鏡により観察し、その反射像を図４（ａ）に、斜上白色光照射像を図４（ｂ）にそれぞれ示した。同図に示すように、微細粒子は基板１の表面に沿った方向にその分布を大きく変化させており、上記したように凍結膜が位置により上下の基板１のうち一方に付着することが判る。例えば、微細粒子のほとんど存在しない凍結膜不在部２１と、白く光る微細粒子の凝集した凝集体２２と、その周囲の微細粒子の分散された分散部２３が観察される。すなわち、分散部２３において微細粒子をより詳細に観察することができる。
【００３３】
次いで、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって観察した微細粒子の形状像を図５に示した。同図に示すように、上記したポリスチレンラテックスの５０ｎｍ径粒子及び１００ｎｍ径粒子がそれぞれ分散して観察される。分散液における粒径分布も保持されていることが判る。
【００３４】
［実施例２］
他の実施例として、粒径５０ｎｍのシリカ粒子を上記と同様の手順で基板１上に固定し、原子間力顕微鏡で観察し、その形状像を図６に示した。ここでもシリカ粒子が分散して観察されることが判る。
【００３５】
［比較例］
比較例として、粒径１００ｎｍのシリカ粒子を水に分散させた分散液を−８０℃に冷却したシリコン基板上に滴下し、そのまま凍結乾燥させて得た試料について原子間力顕微鏡で観察した形状像を図７に示した。同図に示すように、分散して孤立した粒子は全く観察されず、微細粒子の凝集体と思われる粒径１μｍ程度の巨大な粒子が低密度で観察された。つまり、単に凍結乾燥させても、液滴が厚いとシリコン基板上において微細粒子の分散を維持することは困難なのである。
【００３６】
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【符号の説明】
【００３７】
１  基板（シリコン基板）
３  分散液
４  銅板
１０  凍結乾燥瓶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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