マイクロ・ナノの分析化学

先端的分析化学のためのナノ流体デバイスの作製技術
1 はじめに
ナノ流体デバイスとは，ナノメートルサイズの流路（ナノ流路）が彫り込まれた数センチ四方のガラス板のことで，極微小流体実験環境として近年非常に注目されている．ナノ流体デバイスは，化学・バイオ技術に従来のセンチメートル（cm），マイクロメートル（μm；マイクロリアクターやマイクロ流体デバイスなどが代表例）からナノメートル（nm）へのドラスティックなデバイスサイズの変革をもたらし，化学諸分野で新しい領域を開拓しつつある1）．これまでのナノ流体デバイス研
究分野では，特異的なイオン輸送現象およびユニークな溶液物性の発見と解明を目的としたナノ流体特性の基礎
図1

研究と，超高効率分離，超高感度計測，1 細胞分析，1ナノ流体デバイス作製プロセスの一例

分子検出等の先端的分析化学を中心とした応用探索が行われてきた2）．本稿では，先端的分析化学に向けたナノ作製する．その後，二つのガラス基板を接合することで流体デバイスの作製によく用いられる技術について概説完成となる．ナノ流体デバイスを作製するためには，基する．

板上にパターンを転写するリソグラフィーを含めた高度なマイクロ・ナノ加工技術を組み合わせることが必要と2 ナノ流体デバイスの基本構造と基板材料なる．リソグラフィー技術は多くの種類が存在するが，一般的には，ナノ流体デバイスは主に溶液（サンプ

本稿ではガラス基板を用いたナノ流体デバイス作製によル）の導入を担うマイクロ流路とナノ流体を取り扱うナく使用されるものに関して紹介する．

ノ流路によって構成されている．ナノ流路はほとんどのナノ流体デバイスのコアコンポーネントである．ナノ流

3 リソグラフィー路の作製に使われる基板材料は様々であるが，技術進化

3･1 フォトリソグラフィーの歴史が存在する．初期には，マイクロエレクトロニク光照射によってパターンを作製する方法である．フォスの分野で確立された半導体ナノ加工技術を直接転用しトレジストと呼ばれる薬剤には感光した部分が溶解するて，シリコン基板でのナノ流路が製作されていた．その「ポジ型」と感光した部分が残る「ネガ型」が存在する．

後，ガラス（一般的には石英ガラス）基板でのナノ流路

ここではポジ型フォトレジストを用いた方法について記の製作法が開発された．最近では，樹脂やジメチルポリ

述する．フォトレジストを塗布した基板上にパターンをシロキサン（PDMS）などの低コストの基板材料を用い有するフォトマスクを被せ，光を照射する．その後，照たナノ流路作製法も報告されている．その中で，ガラス射部分を溶解する現像液に基板を浸すことで，フォトレは，そのナノ加工技術が十分に確立されていることに加ジストが溶解され基板表面が露出される．露出された部

えて，化学，バイオの研究や応用に適した優れた特性を分に後述するエッチングを用いて基板上にパターンが作持つため，現在ではナノ流体デバイスの主要な基板材料製される．通常，フォトリソグラフィーでは光の回折限となっている．特に，ガラスの有する優れた光透過性，界により，線幅の分解能は主に μm スケールに制限され熱安定性，化学・生化学薬品耐性，溶液導入に有利な親る．現在では使用する光の波長をさらに短くすること水性などの特性は，先端的分析化学の研究開発においてで，nm スケールの分解能の実現も可能となっているが，魅力的である．

通常は図 1 に示したように，プロセスが簡便・短時間・

図 1 にガラス基板を用いたナノ流体デバイスの作製プロセスの一例を示す．通常，一方のガラス基板にマイ低コストなことからマイクロ流路作製に利用されている．

クロ流路を作製し，もう一方のガラス基板にナノ流路をぶんせき 2023 2

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3･2 電子ビームリソグラフィー

水性にし，水素結合による仮接合を行う．その後，真空電子ビーム（electron beam, EB）を用いてナノパター下で高温に加熱することで，Si ─ O ─ Si 結合によって強ンを作製する方法である．描画前に基板表面に電子感受固に接合される．このような高温条件でのボンディング性レジスト（EB レジスト）を塗布する．電子ビームをでは機能化した素子が破壊されてしまうため，2 段階のレンズにより収束させ，極小のスポットを形成し，精密プラズマ表面活性化プロセスを用いた約 200 ℃ での低な位置制御により基板上に照射し，希望のパターンを描

温ボンディング3）や O2/CF4 ガスを用いた室温下でのボ画する．その後，フォトリソグラフィーと同様に現像，ンディング方法4）も開発されている．

エッチングのプロセスを経て，パターンが基板に転写される．電子線の波長は光に比べて非常に短いため，数nm の分解能が実現でき，ナノ流路のような微細加工に

6 Nano-in-Nano 集積化技術
数々のナノファブリケーションの発展によりナノ流体広く利用される（図 1）．その一方で，プロセスに時間デバイスの作製が実現されてきた一方で，デバイスを機がかかる，設備に大きなコストが必要といった課題があ能化するための技術は不足している．閉じられた空間でる．

あるナノ流路内を部位特異的に機能化することは大きな課題となっている．この課題を解決するために，近年

3･3 集束イオンビームリソグラフィー「Nano-in-Nano 集積化」という技術が開発された．この集束させたイオンビーム（focused ion beam, FIB）を技術では数十 nm スケールの精度での配置制御と低温ボ用いてナノパターンを作製する方法である．集束イオン

ンディングを組み合わせることで，ナノ流路内に様々なビーム装置では，イオンを細く収束させ，加速電圧によ機能性素子を集積化することが可能となる．これまで

り基板表面に照射することで加工のみでなく，蒸着，観に，分子ナノアレイを有するナノ流路5），ナノ流体の自察なども行うことができる．イオン材料としては主にガ在制御が可能なバルブ6），極微量の水流で生じた電流のリウムイオンが使用される．リソグラフィー用途ではイ

in situ 検出7），ナノ気液界面の作製と分子濃縮8）などがこオンの衝突により表面原子を弾き飛ばすことで，基板表の技術を利用して既に実現されている．ナノ流路を機能面を切削する．そのため，電子ビームリソグラフィーと化することは，ナノ流体デバイスを利用した先端的分析は異なりエッチングプロセスを経ることなく，直接ナノ化学の基礎研究と応用研究の両方に大きく貢献すること構造の作製が可能となる．電子ビームリソグラフィーとが期待される．

同様にコストが高く，プロセス時間が長いことが課題として挙げられる．

7 まとめ
これまでナノ加工技術の発展に伴い，複数の高度な技

4 エッチング術を組み合わせて様々なナノ流体デバイスの作製が行わ

エッチングの方法には溶液を用いて化学反応により不れてきた．今後は，より多くの機能を備えたデバイスの要部分を除去するウェットエッチングと溶液を用いずに開発が行われることにより，ナノ流体デバイスが分析化

ガスやプラズマを利用するドライエッチングが存在す学に限らず，生物学，医療，創薬，材料科学，エネル

る．ナノ流体デバイス作製には，半導体の製造などの微ギー等の様々な分野の発展に貢献することが期待され細加工で広く使用されるドライエッチングが主に使用さる．

れている．代表的なものに反応性イオンエッチング（reactive ion etching, RIE）と呼ばれる反応性ガスのプラズマを用いた方法がある．この方法では入射方向にのみエッチングが進行する異方性エッチングが実現可能であるが，設備に大きなコストが必要となる．

5 ボンディング
通常，ナノ流体デバイスの作製ではマイクロ流路を作製した基板とナノ流路を作製した基板を接合する工程が必要となる．このようなプロセスはボンディングと呼ばれる．ボンディングの方法には加熱しながら電圧をかけることで行われる陽極接合やフッ酸を用いた湿式接合等も存在するが，ナノ流体デバイスの作製には高温（約1000 ℃）での直接融着接合が用いられる場合が多い．

文

献1） Y. Xu : Adv. Mater., 30, 1870019（2018）.
2） J. Yang, Y. Xu : Chin. Chem. Lett., 33, 2799（2022）.
3） Y. Xu, C. Wang, Y. Dong, L. Li, K. Jang, K. Mawatari, T.
Suga, T. Kitamori : Anal. Bioanal. Chem., 402, 1011（2012）.
4） Y. Xu, C. Wang, L. Li, N. Matsumoto, K. Jang, Y. Dong, K.
Mawatari, T. Suga, T. Kitamori : Lab Chip, 13, 1048（2013）.
5） Y. Xu, N. Matsumoto, Q. Wu, Y. Shimatani, H. Kawata : Lab
Chip, 15, 1989（2015）.
6） Y. Xu, M. Shinomiya, A. Harada : Adv. Mater., 28, 2209
（2016）.
7） Y. Xu, B. Xu : Small, 11, 6165（2015）.
8） H. Kawagishi, H. Kawamata, Y. Xu : Nano Lett., 21, 10555（2021）.

大阪府立大学大学院工学研究科
大阪公立大学大学院工学研究科

小林 丈
許 岩

このプロセスでは，基板表面を十分に洗浄することで親58

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