CN101970341A - 微细构造的制作方法以及具备微细构造的基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在表面具有相互平行的直线状的原子台阶的基板上制作出由沿着上述原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造的方法。本发明的方法包括准备表面具有原子台阶的基板的工序以及将线状要素赋予上述基板上的工序。使上述线状要素沿着上述原子台阶延伸地取向，从而在基板上形成由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造。能够通过使碳化硅基板、蓝宝石基板或者氧化锌基板超平坦化来准备上述基板。作为上述线状要素，能够使用由形成了β片状构造的缩氨酸分子构成的缩氨酸纤维。

Description

微细构造的制作方法以及具备微细构造的基板
技术领域
本发明涉及一种在表面具有原子台阶、特别是具有相互平行的直线状的原子台阶的基板上制作出由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造的方法，以及具备这种微细构造的基板。本发明还涉及在基板表面上制作出含有凸条的微细构造的方法，以及具备这种微细构造的基板。
背景技术
以往，通过采用朗缪尔-布劳杰特法(Langmuir-Blodgett、简称LB法)等方法使多肽等微小物质在基板上有规则地排列，在基本上制作出微细秩序构造的技术是公知的(例如参照专利文献1)。这样在基板上制作出的微细秩序构造例如通过将其用作铸模而与物理结构上稳定的原材料、例如上述基板进行负片拷贝，提供能够适用于各种各样的产业用途上的材料，产业上的利用性高。
但是，在现有的制作出微细秩序构造的技术的情况下，微小物质在基板上规则地排列的领域大多仅限于基板上的很少一部分。即，在现有技术中，再现性良好地得到大面积的微细秩序构造并不容易。因此，对于将在基板上制作出的微细秩序构造例如负片拷贝在基板上而得到的微细秩序构造，目前再现性良好地得到大面积的微细秩序结构并不容易。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于在基板上制作出由沿着规定方向高精度地延伸的线状要素构成的微细构造的方法以及具备这种微细构造的基板。而且，本发明的另一目的在于提供一种用于在基板表面上制作出含有沿着规定方向高精度地延伸的凸条的微细构造的方法以及具备这种微细构造的基板。
为了实现上述目的，在本发明的第1技术方案中提供一种在基板上制作出微细构造的方法。该方法包括：准备表面具有原子台阶的基板的工序；以及通过将线状要素赋予基板上，使线状要素沿着基板表面的原子台阶延伸地取向，从而在基板上形成由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造的工序。
在本发明的第2技术方案中提供一种基板，表面具有原子台阶，并且在基板上设有由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造。
在本发明的第3技术方案中提供一种在基板表面上制作出微细构造的方法。该方法包括：准备表面具有原子台阶的基板的工序；通过将线状要素赋予基板上，使线状要素在基板上沿着基板表面的原子台阶延伸地取向的工序；通过相对于在其上取向有线状要素的基板进行离子照射，在基板表面产生晶格缺陷层的工序，被线状要素掩盖的基板表面的第1部分与未被线状要素掩盖的基板表面的第2部分相比，因离子照射所产生的晶格缺陷层的厚度减小；以及通过对离子照射后的基板表面进行研磨而除去因离子照射而在基板表面上产生的晶格缺陷层的工序，通过在基板表面的上述第1部分处与上述第2部分处晶格缺陷层的厚度不同，在研磨后的基板表面得到由与上述第1部分相对应的凸条和与上述第2部分相对应的凹条构成的微细构造。
在本发明的第4技术方案中提供一种基板，在基板表面的至少1μ见方的区域的整体上具备重复的宽度为2～20nm的凸条。
附图说明
图1是本发明的一实施方式中作为单位要素的优选例的缩氨酸分子的模式图。
图2是通过图1的缩氨酸分子形成逆平行β片状构造而得到的缩氨酸纤维的模式图。
图3A是超平坦化的碳化硅基板Si面的原子力的显微镜照片。
图3B是超平坦化的碳化硅基板C面的原子力的显微镜照片。
图4是示意表示在C面上具备由图2的缩氨酸纤维构成的微细构造的碳化硅基板的剖视图。
图5是从C面一侧观察图4的碳化硅基板并进行摄影的原子力的显微镜照片。
图6是示意表示相对于图4的碳化硅基板进行离子照射的样子的剖视图。
图7是示意表示相对于图4的碳化硅基板进行离子照射，然后通过研磨除去了C面的晶格缺陷层后的碳化硅基板的剖视图。
图8是图7的碳化硅基板研磨后的C面原子力的显微镜照片。
具体实施方式
以下，对本发明的一实施方式进行说明。
在本实施方式中，能够相互会合并线状生长的单位要素赋予基板上。作为在此使用的单位要素的典型例子，可列举出能够形成β片状构造的缩氨酸分子。这种缩氨酸分子作用能够形成β片状构造，则不受氨基酸排列的内容、氨基酸残基的数量、氨基酸侧链的种类等限定。在β片状构造中，相邻的缩氨酸分子彼此通过一侧的缩氨酸分子的主链的N-H基的氢原子与另一侧的缩氨酸分子的主链的C＝O基的氧原子相互氢结合而相互平行或者逆平行地结合。
虽然无意特别限定，但图1中的附图标记10a所示的缩氨酸分子是适用于本实施方式中的缩氨酸分子。根据图1可知，缩氨酸分子10a由化学式CH3CO-(Arg-Phe-Asp-Phe)4-CONH2表示。在缩氨酸分子10a的主链中，交错地出现亲水性氨基酸(精氨酸以及天门东酰胺)和疏水性氨基酸(苯基丙氨酸)。由于具有这种氨基酸排列的缩氨酸分子优先形成β片状构造，所以并不仅限于缩氨酸分子10a，也适用于本实施方式。图1的缩氨酸分子10a是长度大约为5.5nm，粗细为1nm以下。
通过图1的缩氨酸分子10a形成β片状构造而得到的缩氨酸纤维10示于图2。如图2所示，缩氨酸纤维10的相邻的缩氨酸分子彼此相互逆平行。由于缩氨酸纤维10是在C末端具有作为极性基的氨基的缩氨酸分子逆平行地排列而构成的，所以具有一样的极性。
在本实施方式中使用的基板在表面具有原子台阶。这种基板优选地是在表面具有相互平行的直线状的原子台阶。采用表面具有原子台阶的基板在使形成了β片状构造的缩氨酸分子、即作为线状要素的缩氨酸纤维在基板上沿着特定的方向高精度地延伸地取向是不可或缺的。至少一个理由认为是基板表面的原子台阶端具有高的悬空键密度。
作为本实施方式中使用的基板的典型例子，可列举出超平坦化的碳化硅基板、超平坦化的蓝宝石基板、超平坦化的氧化锌基板。观察到在这些基板的表面上存在以数十～数百nm的间隔相互平行的直线状原子台阶。作为将应在基板表面上得到原子台阶的基板超平坦化的典型的方法，可列举出研磨。例如，通过采用胶态硅石对碳化硅基板的表面进行研磨，能够得到适用于本实施方式的基板。作为其一例，分别在图3A和图3B中示出了采用了胶态硅石浆料的旋转抛光研磨而超平坦化后的碳化硅基板的Si面以及C面的原子力的显微镜照片。根据该图可知碳化硅基板的Si面以及C面分别具有相互平行的直线状的原子台阶。另外，在图3A以及图3B所示的例子中，是将由含有30质量％平均粒子直径为0.1μm的胶态硅石、其余为水构成的胶态硅石浆料调整成pH8后使用的。
作为将缩氨酸分子赋予基板上的典型的方法，可列举出朗缪尔-布劳杰特法(简称LB法)。在通过LB法将缩氨酸分子赋予基板上的情况下，首先使缩氨酸分子在水或者有机液体的液面上展开并浮游，在液面上形成缩氨酸单分子膜。在水或者有机液体的液面上，缩氨酸分子通过分子间氢结合而相互平行或逆平行结合，形成β片状构造。之后，通过使基板相对水或者有机液体的液面垂直地穿过，将在水或者有机液体的液面上形成了β片状构造的缩氨酸分子、即缩氨酸纤维移取到基板表面。此时，通过在基板表面的原子台阶端高密度存在的悬空键的作用，一部分的缩氨酸纤维分别沿着基板表面的原子台阶延伸地取向。而且，在剩下的缩氨酸纤维上，分别通过沿着原子台阶延伸的缩氨酸纤维中对应的相邻一对而受到来自两端的物理干涉，从而相对于相同的一对平行地取向。这样一来，在基板上得到由沿着原子台阶延伸的缩氨酸纤维构成的微细构造、进一步讲是得到了相互平行地排列的缩氨酸纤维构成的微细构造。
在缩氨酸纤维沿着基板表面的原子台阶延伸地取向时，原子台阶端的极性与原子台阶端的悬空键协同起作用。即，在基板表面的原子台阶端存在极性的情况下，作用在构成了缩氨酸纤维的缩氨酸分子的C末端或者N末端的极性基与原子台阶端之间的库仑力也起到了沿着基板表面的原子台阶延伸地使缩氨酸纤维取向的作用。鉴于这一点，缩氨酸纤维优选地如图2的缩氨酸纤维10那样具有一样的极性。
在LB法中，采用水作为用于使缩氨酸分子展开并浮游的液体的情况下，在水面上展开并浮游的缩氨酸分子中，主链中的亲水性氨基酸朝向水面一侧，疏水性的氨基酸朝向大气一侧。这一点在具有亲水性氨基酸与疏水性氨基酸交错排列的主链的图1的缩氨酸分子10a能够在水面上高效地形成缩氨酸单分子膜上是有利的。而且，在采用图1的缩氨酸分子10a进行LB法时，缩氨酸分子10a作为疏水性氨基酸而使用了疏水性特别强的苯基丙氨酸也是有利的。在LB法中，当在水面上形成缩氨酸单分子时，缩氨酸分子可靠地浮游在水面上、即可靠地存在于大气与水的界面上至关重要。作为疏水性特强的疏水性氨基酸，除了苯基丙氨酸之外还可以列举出亮氨酸。
例如，当通过LB法或者其他的方法将图1的缩氨酸分子10a赋予碳化硅基板的C面时，由缩氨酸分子10a构成的缩氨酸纤维10的一部分沿着碳化硅基板C面的原子台阶延伸地取向。该取向不仅通过以高密度存在于C面的原子台阶端的悬空键实现，也通过位于C面的最表面的带负电的碳原子、特别是存在于C面的原子台阶端的带负电的碳原子与存在于缩氨酸分子10a的C末端的作为极性基的氨基在库仑力的作用下拉合而实现。图4中示出了在将图1的缩氨酸分子10a赋予碳化硅基板的C面上时得到的、在C面上设有由缩氨酸纤维10构成的微细构造的碳化硅基板的示意剖视图。而且，图5中示出了从C面一侧观察相同的碳化硅基板并进行摄影的原子力的显微镜照片。另外，图4中的附图标记20表示碳化硅基板。图5表示了与缩氨酸纤维10的粗细(缩氨酸分子10a的长度)大致匹配的宽度约为5nm的线条相互大致平行地整理并排列的微细构造形成在碳化硅基板上至少500nm见方区域的整体上。该微细构造能够形成在碳化硅基板的大致整体上。
在本实施方式中，相对于其上取向有缩氨酸纤维的基板进行离子照射。通过朝向基板表面照射离子，随着离子的注入在基板表面上产生晶格缺陷层。此时，作为被缩氨酸纤维掩盖的基板表面的部分的掩盖部分与作为未被缩氨酸纤维掩盖的基板表面的部分的非掩盖部分相比，因离子照射产生的晶格缺陷层的厚度减小。这是由于朝向非掩盖部分照射的离子直接到达了非掩盖部分，而朝向掩盖部分照射的离子在到达掩盖部分之前必须要经过缩氨酸纤维，相对于掩盖部分的离子注入速度低于相对于非掩盖部分的离子注入速度的缘故。作为对基板照射的离子的典型离子，可列举出氩离子、氖离子、氮离子。照射的离子的强度及照射时间等离子照射条件应根据基板以及缩氨酸纤维的种类、晶格缺陷层的所希望的厚度等适当设定。图6示出了相对于图4的碳化硅基板进行离子照射的样子。另外，图6中的附图标记20a表示晶格缺陷层，附图标记30表示照射离子。
在本实施方式中，通过对离子照射后的基板表面进行研磨，除去基板上的缩氨酸纤维以及基板表面的晶格缺陷层。其结果，在研磨后的基板上得到了由与掩盖部分相对应的凸条和与非掩盖部分相对应的凹条构成的微细构造。对离子照射后的基板进行研磨的方法只要是与基板的其他部分相比能够优先除去晶格缺陷层即可，没有特别的限制。例如，如果是对碳化硅基板进行研磨的情况，则优选地是采用胶态硅石进行研磨。图7中示出了相对于图4的碳化硅基板进行离子照射，然后通过采用了胶态硅石浆料的旋转抛光研磨除去了C面的晶格缺陷层后的碳化硅基板的示意剖视图。而且，图8中示出了相同的碳化硅基板研磨后的C面的原子力的显微镜照片。图8表示了在碳化硅基板表面的至少1μm见方的区域的整体上形成有与缩氨酸纤维10的粗细(缩氨酸分子10a的长度)大致匹配的宽度约为5nm的凸条相互大致平行地排列的微细构造。该微细构造能够形成在碳化硅基板表面的大致整体上。另外，在图8所示的例子中，是将由含有30质量％平均粒子直径为0.1μm的胶态硅石、其余为水构成的胶态硅石浆料调整成pH8后加以使用的。
上述实施方式也能够如下变更。
在将缩氨酸分子赋予基板上时，为了使缩氨酸纤维彼此结合的目的，也可以将聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、明胶等适当的粘合剂与缩氨酸分子一起赋予基板上。在这种情况下，即使是通常的重力，也能够使缩氨酸纤维稳定地在基板上相互平行排列。其中，在微小重力场下，即使不采用粘合剂，也能够使缩氨酸纤维稳定地在基本上相互平行排列。
另外，即使在采用了粘合剂的情况下，由于此处使用的粘合剂通常与缩氨酸纤维相比密度非常低，所以在被缩氨酸纤维掩盖的基板表面的部分与在相邻的缩氨酸纤维彼此之间存在对应的粘合剂的基板表面的部分相比，因离子照射所产生的晶格缺陷层减小。因此，即使在采用了粘合剂的情况下，通过离子照射而在基板表面上也形成与上述实施方式的情况相同的晶格缺陷层。
也可以取代在基本上赋予缩氨酸分子，而在基板上赋予在基板上排列的缩氨酸纤维本身。在这种情况下，也可以将聚乙二醇等适当的粘合剂与缩氨酸纤维一起赋予基板上。
或者，也可以将使缩氨酸纤维以外的线状要素在基板上排列的、缩氨酸纤维以外的线状要素本身或者相互会合而能够形成该线状要素的单位要素赋予基板上。在这种情况下，也可以将聚乙二醇等适当的粘合剂同时赋予基板上。在此，作为能够用作单位要素的物质，可列举出蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)、病毒、双亲的嵌段共聚物那样的缩氨酸分子以外的表示自组织化的物质。在使用了缩氨酸分子的上述实施方式中，能够与缩氨酸分子的氨基酸剩余基的数量相对应地制作出由宽度为3～20nm的线条或者凸条重复构成的微细构造。而在采用了蛋白质、DNA或者病毒的情况下，能够制作出由宽度为2～10nm的线条或者凸条重复构成的微细构造。而且，在采用了双亲嵌段共聚物的情况下，能够制作出由宽度为3～20nm的线条或者凸条重复构成的微细构造。
离子照射后的基板上的缩氨酸纤维能够通过研磨以外的方法先行除去。作为具体的方法，可列举出采用乙醇或硫酸等药液除去，或激光除去。

Claims (15)

1.一种在基板上制作出微细构造的方法，其特征是，包括：
准备表面具有原子台阶的基板的工序；
通过将线状要素赋予基板上，使线状要素沿着基板表面的原子台阶延伸地取向，从而在基板上形成由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造的工序。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，将线状要素赋予基板上的工序是通过将能够相互会合而形成线状要素的单位要素赋予基板上而进行的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是，至少在原子台阶端，基板表面是具有极性的。
4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征是，上述线状要素具有同样的极性。
5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征是，上述原子台阶是相互平行的直线状的原子台阶中的一个。
6.一种基板，其特征是，表面具有原子台阶，并且在基板上设有由沿着原子台阶延伸的线状要素构成的微细构造。
7.如权利要求6所述的基板，其特征是，至少在原子台阶端，基板表面是具有极性的。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征是，上述线状要素具有同样的极性。
9.如权利要求6～8中任一项所述的方法，其特征是，上述原子台阶是相互平行的直线状的原子台阶中的一个。
10.一种在基板表面上制作出微细构造的方法，其特征是，包括：
准备表面具有原子台阶的基板的工序；
通过将线状要素赋予基板上，使线状要素在基板上沿着基板表面的原子台阶延伸地取向的工序；
通过相对于在其上取向有线状要素的基板进行离子照射，在基板表面产生晶格缺陷层的工序，被线状要素掩盖的基板表面的第1部分与未被线状要素掩盖的基板表面的第2部分相比，因离子照射所产生的晶格缺陷层的厚度减小；
通过对离子照射后的基板表面进行研磨而除去因离子照射而在基板表面上产生的晶格缺陷层的工序，通过在基板表面的上述第1部分处与上述第2部分处晶格缺陷层的厚度不同，在研磨后的基板表面得到由与上述第1部分相对应的凸条和与上述第2部分相对应的凹条构成的微细构造。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是，将线状要素赋予基板上的工序是通过将能够相互会合而形成线状要素的单位要素赋予基板上而进行的。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征是，至少在原子台阶端，基板表面是具有极性的。
13.如权利要求10～12中任一项所述的方法，其特征是，上述线状要素具有同样的极性。
14.如权利要求10～13中任一项所述的方法，其特征是，上述原子台阶是相互平行的直线状的原子台阶中的一个。
15.一种基板，其特征是，在基板表面的至少1μ见方的区域的整体上具备重复的宽度为2～20nm的凸条。
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