３次元ナノ空間を使いこなす
機能化技術

杉山 正和
3D BEANS センター
東京大学大学院工学系研究科

深３次元空間の機能化
原子層レベルで平坦な表面
深３次元構造表面の機能化修飾

中性粒子ビームエッチング
レーザアシストエッチング
ナノプローブリソグラフィー

ナノ粒子配列
ペプチドによる表面修飾2

中性粒子ビームエッチング

3中性粒子ビームエッチング
Conventional Etching

Neutral Beam Etchingn - n ++++nn n++- n - - + n

n - n ++++nn n++- n - - + n+hν - - - -hν
SiO2××××××
Si ×n++---nnnn

NeutralBeam+ +- Damage by Charge Build-up- Damage by UV-rays Radiation- Charge Build-up Free- UV-rays Radiation Free東北大 寒川教授の提案 4

高速・垂直エッチングへの挑戦
NBE

RIE
PlasmaNi mask

Si5nm

5nm

1000 nm5MEMSトランジスタ

Gate

エッチングで加工する側壁にチャネル形成
超低損傷エッチングが必須

高周波アンプ・フィルタ等への展開
6

ナノプローブリソグラフィー

7

安価・大面積対応のナノプローブリソ
新規耐摩耗構造

庇付きトレンチ型

従来タイプ

摩耗特性向上

加工性向上

ポ
微向テン
上シ 細ャ 化
ル
鉛筆型

トレンチ型

 光リソの微細加工限界を打破– 電子線リソに代わる安価・大面積対応のナノリソ技術に– 中性粒子ビームエッチングと組み合わせたナノ加工技術構築
9

フェムト秒レーザ誘起エッチング

10埋め込みナノ流路

Laser beam

E

Initiated trajectory

200nm

quartz

HF wet etching

L: >600 µm, W: ~0.2 µm, H: ~3 µm

こちらに続く内部が親水性の流路を作製可能

Top View

40 µm

複雑形状も自由自在

薬液
入口（表面）

13

単一バクテリア捕捉デバイス●デバイス模式図●捕捉部外観●捕捉した様子14

3次元トレンチへの粒子配列

15トレンチ側壁に配列したナノ粒子

Cross-sectional SEM image

マイクロチャネル側壁の修飾

Surface modified group

Polystyrene
beads

抗体等のセンシング物質のビーズの表面に修飾高感度分析
側壁のみの修飾により流体抵抗の低減

18ナノ粒子充填ガスセンサ
Cross section

1μm

TrenchAu electrode5μm

ポリスチレン粒子充填
SnO2粒子を空隙に充填
ポリスチレンを燃焼除去
高比表面積ハニカム構造

ガス感度 Ra/Rg

SnO2 particle
gas sensor

50454035302520151050

検出ガス：エタノール
動作温度：230℃

トレンチ充填型

平面型
0500010000

ガス濃度[ppm]

15000

20000

19

ウエットプロセスによるCNT架橋構造

20

尖頭構造へのCNT架橋

ＣＮＴ

Ｓｉ基板

Ｓｉ基板

21

誘電泳動プロセス
25umピッチ
泳動条件
5MHz
30Vpp 15min

10umギャップ

精製済み単層CNT溶液
単層・複層
半導体・金属性をあらかじめ選別

尖頭電極のSEM画像
 性質の揃ったCNTによる構造作製が可能– 3D構造へのCNT成長プロセスに対する優位性

22

尖頭構造へのCNT架橋

ＣＮＴ

Ｓｉ基板

Ｓｉ基板

25

CNTへのナノドット修飾
CNT表面に特異的に結合するペプチド

CdSenanoparticle

His-Met-Gly-Leu-Thr-Lys-Ile-HisTyr-Ser-Ala-Leu

CdSe nanoparticle
peptideCNT
CNT
 材料特異性を持つペプチドの選定

CNT表面に各種のナノ構造体を修飾可能高感度・高特異性センシング

26

超臨界流体製膜

27

超臨界流体とはGas
7.4MPa31.1℃SCF

LiquidDensity(kg/m3)1100~1000 1000

Diffusivity(m2/s)

10-5

10-7~10-8

10-10

Phase transition
G/L equilibriumpressurize

SCF

28

各種製膜法による微細孔埋め込み
Vapor phase
Rapid diffusion
low concentration

PVD

CVD

Reactive

Less reactive

Poor coverage Bad nucleation(reactive)(low conc.)

Supercritical
Rapid diffusion
High concentration

Liquid phase
Slow diffusion
High concentration

SCFDElectroplating

Excellentcoverage

Poor coverage(Slow diffusion)29センサノード用オンチップ電源集積
On-chip Integration with power supply
Conventional device

PowerGenerator

SensorelementGassensor

PowerStorage+PowersupplySensors

High efficiency
solar cell

TiO2
Cu
Si

Super-capacitor made by
Supercritical Fluid Deposition

Acceleration
sensorNeeds: Conformal deposition on high-aspect-ratio structure(metal + dielectric)

30

超臨界製膜を用いたスーパーキャパシタ

100μm

SiO2Si
Cu

上面

10μm

断面

平面型キャパシタに比べて容量70倍
31

3D BEANSが提供するMEMSプロセスの新パラダイム
やさしく掘る
NBE

3D構造に並べる

RIE
Plasma

ＣＮＴ

5nm

5nm
Ｓｉ基板

中性粒子ビームエッチング

自在に掘るE
A

ナノ粒子配列

ナノ描画

CNT架橋

材料を見分けて並べる

A

200nm

レーザアシストエッチング

マルチプローブリソペプチドによるパターニング32

3D BEANSが提供するMEMSプロセスのデバイスアプリケーションへ展開
新パラダイムやさしく掘るNBE

3D構造に並べる

RIE
Plasma

高感度ガスセンサ

ＣＮＴ

MEMSトランジスタ
5nm
5nm（高周波フィルタ）バイオアッセイ
中性粒子ビームエッチング

自在に掘る
E

ナノ粒子配列

ナノ描画

Ｓｉ基板

CNT架橋

材料を見分けて並べる

A

μTASデバイス
200nm
Aバイオ分析チップ
レーザアシストエッチング

マルチプローブリソペプチドによる
パターニング33