(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に微細構造を作製する方法であって、
原子ステップを表面に有する基板を用意する工程と、
基板上に線状要素を与えることにより、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして基板上で線状要素が配向させられる工程と、
線状要素がその上で配向されている基板に対してイオン照射することにより、基板表面に格子欠陥層を生じさせる工程であって、線状要素でマスクされている基板表面の第１部分では、線状要素でマスクされていない基板表面の第２部分に比べて、イオン照射により生じる格子欠陥層の厚さが小さくなることと、
イオン照射後の基板表面を研磨することにより、イオン照射により基板表面に生じた格子欠陥層を除去する工程であって、基板表面の前記第１部分と前記第２部分とで格子欠陥層の厚さが異なることにより、前記第１部分に対応する凸条と前記第２部分に対応する凹条とからなる微細構造が研磨後の基板表面に得られることと
を備える方法。
【請求項２】
基板上に線状要素を与える工程は、互いに会合して線状要素を形成可能な単位要素を基板上に与えることにより行われる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の基板表面に微細構造を作製する方法によって得られる基板であって、
前記基板表面は、少なくとも１μｍ四方の領域の全体にわたり繰り返される幅２〜２０ｎｍの凸条を備える基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凸条を含む微細構造を基板表面に作製する方法、及びそのような微細構造を備えた基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラングミュア・ブロジェット法（略してＬＢ法）などの方法を用いてポリペプチドなどの微小物質を基板上に規則的に配列させることにより、基板上に微細秩序構造を作製する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。こうして基板上に作製された微細秩序構造は、例えば、これを鋳型として利用して物理的に安定な素材（例えば前記基板）へとネガコピーすることにより、様々な産業用途において適用可能な材料を提供するものである。
【０００３】
しかしながら、従来の微細秩序構造を作製する技術の場合、微小物質が基板上で規則的に配列される領域というのは基板上のごく一部に限られることが多い。すなわち、従来技術では、大面積の微細秩序構造を再現性よく得ることは容易ではない。従って、例えば基板にネガコピーされた微細秩序構造についてもまた、再現性よく大面積のものを得ることは容易でないのが現状である。
【特許文献１】特開２００５−２０３４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、所定の方向に沿って精度良く延びた凸条を含む微細構造を基板表面に作製するための方法、及びそのような微細構造を備えた基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、基板表面に微細構造を作製する方法であって、原子ステップを表面に有する基板を用意する工程と、基板上に線状要素を与えることにより、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして基板上で線状要素が配向させられる工程と、線状要素がその上で配向されている基板に対してイオン照射することにより、基板表面に格子欠陥層を生じさせる工程であって、線状要素でマスクされている基板表面の第１部分では、線状要素でマスクされていない基板表面の第２部分に比べて、イオン照射により生じる格子欠陥層の厚さが小さくなることと、イオン照射後の基板表面を研磨することにより、イオン照射により基板表面に生じた格子欠陥層を除去する工程であって、基板表面の前記第１部分と前記第２部分とで格子欠陥層の厚さが異なることにより、前記第１部分に対応する凸条と前記第２部分に対応する凹条とからなる微細構造が研磨後の基板表面に得られることとを備える方法を提供する。
【０００６】
また、本発明の別の態様では、請求項１又は請求項２に記載の基板表面に微細構造を作製する方法によって得られる基板であって、前記基板表面の少なくとも１μｍ四方の領域の全体にわたり繰り返される幅２〜２０ｎｍの凸条を備える基板を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、所定の方向に沿って精度良く延びた凸条を含む微細構造を基板表面に作製するための方法、及びそのような微細構造を備えた基板が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態では、互いに会合して線状に成長可能な単位要素が基板上に与えられる。ここで使用される単位要素の典型例としては、βシート構造を形成可能なペプチド分子が挙げられる。かかるペプチド分子は、βシート構造を形成し得る限り、アミノ酸配列の内容、アミノ酸残基の数、アミノ酸側鎖の種類等によって限定されない。βシート構造では、隣り合うペプチド分子同士は、一方のペプチド分子の主鎖のＮ−Ｈ基の水素原子と他方のペプチド分子の主鎖のＣ＝Ｏ基の酸素原子が互いに水素結合することにより、互いに平行又は逆平行に結合されている。
【０００９】
特に限定することを意図したものではないが、図１中の符号１０ａで示されるペプチド分子は、本実施形態において好適に用いられるペプチド分子である。ペプチド分子１０ａは、図１からも明らかであるように、化学式：ＣＨ３ＣＯ−（Ａｒｇ−Ｐｈｅ−Ａｓｐ−Ｐｈｅ）４−ＣＯＮＨ２で表される。ペプチド分子１０ａの主鎖では、親水性アミノ酸（アルギニン及びアスパラギン酸）と疎水性アミノ酸（フェニルアラニン）とが交互に出現している。このようなアミノ酸配列を有するペプチド分子は、βシート構造を優先的に形成するため、ペプチド分子１０ａだけに限らず、本実施形態において好適に用いられる。図１のペプチド分子１０ａは、長さが約５．５ｎｍ、太さが１ｎｍ以下である。
【００１０】
図１のペプチド分子１０ａがβシート構造を形成することにより得られるペプチドファイバー１０を図２に示す。図２に示されるように、ペプチドファイバー１０の隣り合うペプチド分子１０ａ同士は互いに逆平行である。ペプチドファイバー１０は、極性基であるアミノ基をＣ末端に有するペプチド分子が逆平行に並んで構成されたものであるため、一様な極性を有している。
【００１１】
本実施形態で使用される基板は、原子ステップを表面に有している。かかる基板は、互いに平行な直線状の原子ステップを表面に有していることが好ましい。表面に原子ステップを有する基板を用いることは、βシート構造を形成したペプチド分子、すなわち線状要素としてのペプチドファイバーを、基板上で特定の方向に沿って精度良く延びるようにして配向させるうえで欠かせない。その少なくとも一つの理由は、基板表面の原子ステップ端が高いダングリングボンド密度を有することであると考えられる。
【００１２】
本実施形態で使用される基板の典型例としては、超平坦化した炭化ケイ素基板、超平坦化したサファイア基板、超平坦化した酸化亜鉛基板が挙げられる。これらの基板の表面では、数十〜数百ｎｍの間隔で互いに平行な直線状の原子ステップが存在することが観察される。基板表面に原子ステップを得るべく基板を超平坦化する典型的な方法としては研磨が挙げられる。例えば、コロイダルシリカを用いて炭化ケイ素基板の表面を研磨することにより、本実施形態において好適に用いられる基板を得ることができる。一例として、コロイダルシリカスラリーを用いた回転バフ研磨により超平坦化した炭化ケイ素基板のＳｉ面及びＣ面の原子間力顕微鏡写真をそれぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示す。炭化ケイ素基板のＳｉ面及びＣ面がそれぞれ、互いに平行な直線状の原子ステップを有することは同図から明白であろう。なお、図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、平均粒子径０．１μｍのコロイダルシリカを３０質量％含有して残部が水からなるコロイダルシリカスラリーをｐＨ８に調整してから用いている。
【００１３】
ペプチド分子を基板上に与える典型的な方法としては、ラングミュア・ブロジェット法（略してＬＢ法）が挙げられる。ＬＢ法によりペプチド分子を基板上に与える場合にはまず、ペプチド分子を水又は有機液体の液面上に展開浮遊させて液面上にペプチド単分子膜を形成する。水又は有機液体の液面上でペプチド分子は、分子間水素結合により互いに平行又は逆平行に結合してβシート構造を形成する。その後、水又は有機液体の液面に対して垂直に基板を通過させることにより、水又は有機液体の液面上でβシート構造を形成しているペプチド分子、すなわちペプチドファイバーを基板表面に移し取る。このとき、基板表面の原子ステップ端に高密度で存在するダングリングボンドの作用により、一部のペプチドファイバーはそれぞれ、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして配向させられる。また、残りのペプチドファイバーはそれぞれ、原子ステップに沿って延びたペプチドファイバーのうち対応する隣り合うペアによって両端から物理的干渉を受ける結果、同ペアに対して平行となるように配向させられる。かくして、原子ステップに沿って延びたペプチドファイバーからなる微細構造、さらに言えば、互いに平行に並んだペプチドファイバーからなる微細構造が基板上に得られる。
【００１４】
ペプチドファイバーが基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして配向するに際しては、原子ステップ端の極性が原子ステップ端のダングリングボンドと協働して作用する。すなわち、基板表面の原子ステップ端に極性が存在する場合、ペプチドファイバーを構成しているペプチド分子のＣ末端又はＮ末端の極性基と原子ステップ端との間に働くクーロン力もまた、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにしてペプチドファイバーを配向させる働きをする。この点を鑑みると、ペプチドファイバーは、図２のペプチドファイバー１０のように、一様の極性を有していることが好ましい。
【００１５】
ＬＢ法においてペプチド分子を展開浮遊させるための液体として水を用いた場合、水面上に展開浮遊させたペプチド分子では、主鎖中の親水性アミノ酸が水面側を向き、疎水性アミノ酸が大気側を向く。この点、親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸が交互に並んだ主鎖を有する図１のペプチド分子１０ａは、水面上にペプチド単分子膜を効率よく形成することができる点で有利である。また、図１のペプチド分子１０ａを用いてＬＢ法を行うに際しては、ペプチド分子１０ａが疎水性アミノ酸として疎水性の特に強いフェニルアラニンを使用していることも有利に働く。というのも、ＬＢ法において水面上にペプチド単分子膜を形成させるときには、ペプチド分子が水面上に確実に浮遊していること、すなわち大気と水の界面に確実に存在していることが肝要だからである。疎水性の特に強い疎水性アミノ酸としては、フェニルアラニンのほかにはロイシンが挙げられる。
【００１６】
例えば、図１のペプチド分子１０ａをＬＢ法あるいはその他の方法で炭化ケイ素基板のＣ面に与えると、ペプチド分子１０ａから構成されるペプチドファイバー１０の一部は、炭化ケイ素基板Ｃ面の原子ステップに沿って延びるようにして配向する。この配向には、Ｃ面の原子ステップ端に高密度で存在するダングリングボンドだけでなく、Ｃ面の最表面に位置するマイナスに帯電した炭素原子、特にＣ面の原子ステップ端に存在するマイナスに帯電した炭素原子と、ペプチド分子１０ａのＣ末端に存在する極性基であるアミノ基とがクーロン力によって引き合うことも寄与している。図１のペプチド分子１０ａを炭化ケイ素基板のＣ面に与えたときに得られる、ペプチドファイバー１０からなる微細構造がＣ面上に設けられた炭化ケイ素基板の模式断面図を図４に示す。また、同じ炭化ケイ素基板をＣ面側から観察して撮影した原子間力顕微鏡写真を図５に示す。なお、図４中の符号２０は炭化ケイ素基板を示す。図５は、ペプチドファイバー１０の太さ（ペプチド分子１０ａの長さ）にほぼ合致する幅約５ｎｍのストライプが互いにほぼ平行に整然と並んだ微細構造が、炭化ケイ素基板上の少なくとも５００ｎｍ四方の領域の全体にわたり形成されていることを示している。この微細構造は、炭化ケイ素基板上のほぼ全体にわたり形成することが可能である。
【００１７】
本実施形態では、ペプチドファイバーがその上で配向されている基板に対してイオン照射が行われる。基板表面に向けてイオンを照射することにより、イオンが注入されることに伴う格子欠陥層が基板表面に生じる。このとき、ペプチドファイバーでマスクされている基板表面の部分であるマスク部分では、ペプチドファイバーでマスクされていない基板表面の部分である非マスク部分に比べて、イオン照射により生じる格子欠陥層の厚さが小さくなる。これは、非マスク部分に向けて照射されるイオンが直接、非マスク部分まで到達するのに対して、マスク部分に向けて照射されるイオンはマスク部分にまで到達するまでにペプチドファイバーを通過しなければならず、マスク部分に対するイオン注入速度が非マスク部分に対するイオン注入速度よりも低くなるためである。基板に照射されるイオンの典型例としては、アルゴンイオン、ネオンイオン、窒素イオンが挙げられる。照射されるイオンの強度や照射時間などのイオン照射条件は、基板及びペプチドファイバーの種類や、格子欠陥層の所望する厚さなどに応じて適宜に設定されるべきものである。図４の炭化ケイ素基板に対してイオン照射が行われる様子を図６に示す。なお、図６中の符号２０ａは格子欠陥層を示し、符号３０は照射イオンを示す。
【００１８】
本実施形態では、イオン照射後の基板表面を研磨することにより、基板上のペプチドファイバー及び基板表面の格子欠陥層が除去される。その結果、マスク部分に対応する凸条と非マスク部分に対応する凹条とからなる微細構造が研磨後の基板表面には得られる。イオン照射後の基板を研磨する方法は、格子欠陥層を基板の他の部分に比べて優先して除去することができる限り、特に限定されない。例えば、炭化ケイ素基板を研磨する場合であれば、コロイダルシリカを用いて行われることが好ましい。図４の炭化ケイ素基板に対してイオン照射を行い、続いてＣ面の格子欠陥層をコロイダルシリカスラリーを用いた回転バフ研磨により除去した後の炭化ケイ素基板の模式断面図を図７に示す。また、同じ炭化ケイ素基板の研磨後のＣ面の原子間力顕微鏡写真を図８に示す。図８は、ペプチドファイバー１０の太さ（ペプチド分子１０ａの長さ）にほぼ合致する幅約５ｎｍの凸条が互いにほぼ平行に並んだ微細構造が、炭化ケイ素基板表面の少なくとも１μｍ四方の領域の全体にわたり形成されていることを示している。この微細構造は、炭化ケイ素基板表面のほぼ全体にわたり形成することが可能である。なお、図８に示す例では、平均粒子径０．１μｍのコロイダルシリカを３０質量％含有して残部が水からなるコロイダルシリカスラリーをｐＨ８に調整してから用いている。
【００１９】
上記実施形態は次のように変更されてもよい。
ペプチド分子を基板上に与えるに際しては、ペプチドファイバー同士を結合させる目的で、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ゼラチンなどの適当なバインダをペプチド分子と一緒に基板上に与えるようにしてもよい。この場合、通常重力場でも基板上にペプチドファイバーを安定して互いに平行に配列させることができる。ただし、微小重力場では、バインダを用いなくても、基板上にペプチドファイバーを安定して互いに平行に配列させることが可能である。
【００２０】
なお、バインダを用いた場合であっても、ここで使用されるバインダは一般にペプチドファイバーに比べて密度が十分に小さいため、ペプチドファイバーでマスクされている基板表面の部分では、隣り合うペプチドファイバー同士の間に対応するバインダが上に存在している基板表面の部分に比べて、イオン照射により生じる格子欠陥層の厚さが小さくなる。従って、バインダを用いた場合であっても、上記の実施形態の場合と同様の格子欠陥層がイオン照射によって基板表面に形成される。
【００２１】
基板上にペプチド分子を与える代わりに、基板上で配列させようとするペプチドファイバーそのものを基板上に与えるようにしてもよい。この場合も、ポリエチレングリコールなどの適当なバインダをペプチドファイバーと一緒に基板上に与えるようにしてもよい。
【００２２】
あるいは、ペプチドファイバー以外の線状要素を基板上に配列させるべく、ペプチドファイバー以外の線状要素そのもの、あるいは互いに会合して当該線状要素を形成可能な単位要素を基板上に与えるようにしてもよい。この場合も、ポリエチレングリコールなどの適当なバインダを同時に基板上に与えるようにしてもよい。ここで単位要素として使用可能な物質としては、タンパク質、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ウイルス、両親媒性ブロック共重合体のようなペプチド分子以外の自己組織化を示す物質が挙げられる。ペプチド分子を使用している上記の実施形態では、ペプチド分子のアミノ酸残基の数に応じて、幅３〜２０ｎｍの凸条の繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。これに対し、タンパク質、ＤＮＡ又はウイルスを用いた場合には、幅２〜１０ｎｍの凸条の繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。また、両親媒性ブロック共重合体を用いた場合には、幅３〜２０ｎｍの凸条の繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。
【００２３】
イオン照射後の基板上のペプチドファイバーは、研磨以外の方法で研磨に先立って除去することもできる。具体的な方法として、アルコールや硫酸などの薬液を用いて焼きとることや、レーザーアブレーションが挙げられる。
【００２４】
前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・  少なくとも原子ステップ端において基板表面が極性を有している請求項１又は２に記載の方法。
【００２５】
・  前記線状要素は一様の極性を有している請求項１又は２に記載の方法。
・  前記原子ステップは、互いに平行な直線状の原子ステップのうちの一つである請求項１又は２に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態における単位要素の好適な例としてのペプチド分子の模式図。
【図２】図１のペプチド分子が逆平行βシート構造を形成することにより得られるペプチドファイバーの模式図。
【図３Ａ】超平坦化した炭化ケイ素基板Ｓｉ面の原子間力顕微鏡写真。
【図３Ｂ】超平坦化した炭化ケイ素基板Ｃ面の原子間力顕微鏡写真。
【図４】図２のペプチドファイバーからなる微細構造をＣ面上に備えた炭化ケイ素基板を模式的に示す断面図。
【図５】図４の炭化ケイ素基板をＣ面側から観察して撮影した原子間力顕微鏡写真。
【図６】図４の炭化ケイ素基板に対してイオン照射が行われる様子を模式的に示す断面図。
【図７】図４の炭化ケイ素基板に対してイオン照射を行い、続いてＣ面の格子欠陥層を研磨により除去した後の炭化ケイ素基板を模式的に示す断面図。
【図８】図７の炭化ケイ素基板の研磨後のＣ面の原子間力顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００２７】
１０…線状要素としてのペプチドファイバー、１０ａ…単位要素としてのペプチド分子、２０…炭化ケイ素基板、２０ａ…格子欠陥層、３０…照射イオン。
【図１】
0005353022.tif 000002
【図２】
0005353022.tif 000003
【図４】
0005353022.tif 000004
【図６】
0005353022.tif 000005
【図７】
0005353022.tif 000006
【図３Ａ】
0005353022.tif 000007
【図３Ｂ】
0005353022.tif 000008
【図５】
0005353022.tif 000009
【図８】
0005353022.tif 000010