平成２０年１２月１１日

平成２０年度イノベーション事業施設利用成果報告書

報告者組織・部署名
株式会社エマージングテクノロジーズ
１） 利用課題番号： ＩＮＶ０７０２
２） 利用課題名：量子ビーム照射ナノサイズ細孔形成によるセンサー高感度化技術の開発
３） 利用者名：株式会社エマージングテクノロジーズ
藤巻 真（利用課題責任者）、深澤 知憲
４） 利用分野： 戦略分野「量子ビーム高度利用計測・加工・創製技術（ナノ・材料分野）
５） 利用期間：２００７年 ９月１９日 〜 ２００８年 ８月２２日
マルチタンデム加速器施設利用日（実験日）
第１回目：２００７年 ９月１９日より１日間
第２回目：２００７年 １０月２２日より１日間
第３回目：２００７年 １２月１７日より１日間
第４回目：２００８年 １月２２日より１日間
第５回目：２００８年 ２月２２日より１日間
第６回目：２００８年 ６月１１日より１日間
第７回目：２００８年 ７月２８日より２日間
第８回目：２００８年 ８月２２日より１日間

６） 利用の目的・内容
微量物質を検出するセンサーは、様々な分野でその高性能化が期待されています。我々はこれまでに、導波モードを用いて導波路表面におけるバイオ分子の吸着を検出するセンサーの開発を行いました。今回の利用では、このセンサーを高感度化する技術の開発を行いました。
高速重イオンを誘電体材料に照射すると、誘電体材料内には”潜トラック”と呼ばれるダメージ領域が形成されます。この潜トラックを選択的にエッチングすることによって、高いアスペクト比を有し、孔径の良く揃ったナノ孔が形成できます。我々はこのナノ加工技術を用い、センサーの高感度化を実施しました。バイオ分子を吸着させる導波路表面に直径 50nm、深さ 450nm のナノ細孔を多数形成することによって、分子吸着面の面積を飛躍的に増大させると共に、導波モードの電場強度が強い導波路中心部に検出対象となる分子を導くことによって、センサーの検出感度の向上を図りました。本センサーは、医療、健診、創薬、環境測定などの分野での活躍が期待できます。
７） 利用成果の概要
第１回目：２００７年 ９月１９日
導波路を形成した検出用チップ試料の導波路表面に 137MeV の Au イオンを照射した。イオン注入量は１平方センチメートル当たり 5×109 個とした。導波路は Si を熱酸化して形成したものと、スパッタリング法にて堆積したものを用意した。図１はイオン注入前の検出チップの断面構造を示す。
(b)(a)
Si熱酸化膜(導波路 厚さ480nm)
Si薄膜 厚さ220nm

シリカガラス基板

スパッタリング形成SiO2膜(導波路 厚さ500nm)
Au薄膜 厚さ40nm

ガラス基板(オハラ社 S-LAH66)

図１ イオン照射に用いた、検出チップの断面構造。（ａ）はＳｉを熱酸化して形成した導波路を持つ検出チップ、(b)はスパッタリングによって形成した導波路を持つ検出チップ。

イオン注入後、各試料の導波路表面をフッ酸の蒸気を用いてエッチングした。図 2 は、それぞれの試料に於けるエッチング後の表面 SEM 写真である。Si を熱酸化して形成した導波路の表面はフッ酸蒸気エッチングによって表面が荒らされず、穴径の揃ったナノ孔を導波路中に形成できることが分かった。一方、スパッタリングによって形成した導波路では、ナノ孔の形成は可能であるものの、エッチングプロセスにおいて、導波路表面が荒れてしまうことが分かった。
Si 熱酸化導波路にナノ孔を形成したチップを用いて、バイオ分子吸着の検出テストを行ったところ、穴をあける前のチップよりも 10 倍高い感度を得ることができた。しかし、まだ最適なエッチング条件が明確に分からず、チップによっては、エッチング不足や、エッチングの進みすぎが観測された。

図２ イオン照射後にエッチングを行った検出チップの導波路表面のSEM 像。（ａ）はＳｉを熱酸化して形成した導波路を持つ検出チップ、(b)はスパッタリングによって形成した導波路を持つ検出チップ。

第２回目：２００７年 １０月２２日
Si を熱酸化して形成した導波路を持つ試料を多数用意し、前回と同じイオン照射条件にてイオン注入を行った。これらの試料を用いて、所望の穴径を得られる最適なエッチング条件を見出すテストを行った。ナノ孔の直径、及び表面の荒れ具合、導波路自身のエッチングによる膜厚減少
は、エッチング条件、特に、エッチング時のフッ酸温度、及びチップ温度に強く相関があることを見出した。ハードなエッチング条件の方が、穴径が大きくなり、高感度なセンサーができるが、この場合、少しでもエッチングを行いすぎると、導波路層自身が薄くなりすぎてしまい、導波モードの励起ができなくなってしまうことが分かった。図３(a)、(b)はそれぞれ、エッチングが不十分で穴が小さくなってしまった場合、及びエッチング過多の為、導波路層が殆ど無くなってしまった場合のＳＥＭ像を示す。

図３ イオン照射後にエッチングを行ったＳｉを熱酸化して形成した導波路を持つ検出チップの導波路表面の SEM 像。（ａ）はエッチングが不十分で、形成されたナノ孔の径が小さすぎた場合を示し、(b)はエッチングし過ぎた為、導波路層自身が殆ど無くなってしまった場合を示す。

第３回目：２００７年 １２月１７日
第２回目同様、最適な穴径を得られるエッチング条件を見出すテストを行った。
第４回目：２００８年 １月２２日
シリカガラス基板にイオン注入を行い、シリカガラス中に形成されるナノ孔形状（大きさ、深さ）を観測した。また、第２回目、３回目と同様の試料を作製し、エッチングを行ってセンサーチップを作製し、バイオ分子検出実験、及び感度向上テストを行った。
第５回目：２００８年 ２月２２日
これまでと同様にセンサーチップ試料を作製し、市販されている表面プラズモン共鳴センサーを用いて分子吸着を検出するシステムとの感度比較を行った。我々の開発したセンサーの方が、安定性、耐久性、感度、のいずれの特性も、従来のセンサーより優れていることが分かった。
第６回目：２００８年 ６月１１日より１日間
これまでの研究から、最適なエッチング条件はほぼ特定できた。しかしながら、同じエッチング条件下で同様にエッチングを行っても、エッチングプロセス毎に作製誤差が大きく、穴径のバラツキが大きいことが判明した。このことから、作製するチップ数を増やして再現性の向上を計った。

第７回目：２００８年 ７月２８日より２日間
第 6 回同様、エッチングプロセス時の作製誤差を小さくするためのプロセス開発の為、チップ数を増やして再現性の向上を計った。
第８回目：２００８年 ８月２２日より１日間
イオン注入量を 8×109 cm-2 に増やし、ソフトなエッチング条件、つまりエッチング後のチップ状態に誤差が出にくい条件にて、高い感度のセンサーを作製するプロセスを確立することに成功した。図４は作製したチップによって、ビオチンに対するストレプトアビジンの吸着を検出した時の、測定結果を示す。●が吸着前、□が吸着後のチップの反射率特性である。ストレプトアビジンの吸着によって、反射特性に明確な変化が現れ、吸着の高感度検出が可能であることを示している。
図５は本測定に用いたチップの導波路表面のＳＥＭ像である。

Reflectivity

0.80.6
SA吸着前
SA吸着後

0.4606264666870

Incident angle (degrees)
図４ 作製したチップによって、ビオチンに対するストレプトアビジン(SA)の吸着を検出した時の測定結果。

図５ 図４で用いた検出チップの表面 SEM 像

８） 社会・経済への波及効果の見通し
本センサーを事業化できれば、より効果的な病気の診断、創薬、環境診断が行えるようになる。
当社では、小さい病院などでも導入が可能な製品開発などを主眼としている。事業化の際には、年間 100 台の測定装置の販売、1 万人分の検査チップの販売を目標とする。最終的には、測定装置累計出荷台数 1000 台を見込み、年間検査チップ売上個数 50 万個を目標とする。
全体としての、売上高は年間 10 億円を見込む。
本技術は、薬品メーカーなどの開発の促進、環境測定の迅速化に貢献することから、大きな経済効果、及び社会的貢献が期待できる。
９） 利用成果報告書の公開延期の希望の有無述してください。
１０） その他、要望などなし

なし