JP2006255811A - Monomolecular film forming method - Google Patents

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Naoto Shirahata
直人 白幡
Yoshio Sakka
義雄 目
Toru Yonezawa
徹 米澤
Atsushi Hozumi
篤 穂積
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a monomolecular film forming method for forming a homogeneous monomolecular film in a predetermined region on a substrate without the need for a complicated device and a great amount of waste liquid treatment and for forming a two-dimensional array structure consisting of a plurality of different monomolecular film regions on the same substrate without undergoing multiple processes. <P>SOLUTION: First, a coupling agent 2 of alkoxysilane is applied to a predetermined region on the surface of the substrate subjected to hydrophilizing treatment, using a manipulator 3. Then, in the state of being held for a certain time in a non-oxygen atmosphere containing no oxygen under predetermined humid environment, the silane coupling agent 2 reacts with the surface of the substrate and the silane coupling agent 2 is fixed to the substrate 1. When different silane coupling agents 2a, 2b, 2c are applied to predetermined positions on the substrate, the two-dimensional array structure is manufactured in one process where nano materials different in type are fixed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、基板の表面に単分子膜を形成する方法に関し、詳しくは、複雑な装置、大量の廃液処理を必要とすることなく、基板の所定の領域に、均質に単分子膜を形成することを可能とし、さらには、多段階プロセスを経ることなく、複数の異なる単分子膜領域からなる二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することを可能とする単分子膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a monomolecular film on a surface of a substrate, and more specifically, forms a monomolecular film uniformly in a predetermined region of a substrate without requiring a complicated apparatus and a large amount of waste liquid treatment. Furthermore, the present invention relates to a method for forming a monomolecular film that enables a two-dimensional array structure composed of a plurality of different monomolecular film regions to be formed on the same substrate without going through a multi-step process.

シリコン、ガラス、ポリマー等、親水化処理可能な基板表面上へ形成した単分子膜は、半導体微細加工技術に用いられるレジストの代替材料(非特許文献1〜3)や、バイオデバイス(非特許文献4〜6)としての適応が注目されている。これは、上記単分子膜が、基板表面上所定の位置を被覆することによって、厚さナノスケールで、半導性を有するシリコン、絶縁性のガラス、可とう性を有する有機フィルム等の基材としての特異性を損わせることなく、被覆箇所のみの表面性質を自在に制御できる唯一無比の材料であることに帰する。
上記単分子膜をレジストの代替材料やバイオデバイスなどに用いる場合には、基板表面の所定位置へ、複数の異なる単分子を二次元パターン状に、均質、かつ高解像度で配設する必要性がある。
Monomolecular films formed on the surface of a substrate that can be hydrophilized, such as silicon, glass, and polymers, can be used as substitutes for resists used in semiconductor microfabrication technology (Non-Patent Documents 1 to 3) and biodevices (Non-Patent Documents). The adaptation as 4-6) is attracting attention. This is because the monomolecular film covers a predetermined position on the surface of the substrate, so that the base material such as silicon having semiconductivity, insulating glass, and flexible organic film has a nanoscale thickness. This is because it is the only unique material that can freely control the surface properties of only the coated part without impairing the peculiarity of the material.
When using the above monomolecular film as a resist substitute material or biodevice, it is necessary to dispose a plurality of different monomolecules in a two-dimensional pattern at a predetermined position on the substrate surface in a uniform and high resolution manner. is there.

従来、このような単分子膜は、気相法(特許文献1)、液相法(非特許文献7)、塗布法(特許文献2)により形成されていた。そして、この形成に続く単分子膜表面の微細加工は、半導体プロセスに代表される紫外線リソグラフィー(特許文献1)、電子線リソグラフィー(特許文献3)、走査型プローブ顕微鏡を用いた陽極酸化やスクラッチ(非特許文献8)、高分子鋳型を用いたマイクロコンタクトプリンティング(非特許文献1〜3)が主に用いられていた。このようなポストリソグラフィーを利用しないで、ヘキサメチルジシラザンを有機単分子原料に用い、酸化物シリコンで被覆されたシリコン基板上の任意の位置へ走査型プローブ顕微鏡を用いて塗布することによって、基板上の所定の箇所にのみ1種類の単分子形成が可能なことが報告されている(非特許文献9)。また、紫外線リソグラフィーを用いることによって、気相法(非特許文献10)または液相法(特許文献4)を通じて、酸化物シリコンで被覆されたシリコン基板上所定の位置へ、2種類の有機単分子膜領域を各々配設可能なことが報告されている。   Conventionally, such a monomolecular film has been formed by a vapor phase method (Patent Document 1), a liquid phase method (Non-Patent Document 7), and a coating method (Patent Document 2). The fine processing of the surface of the monomolecular film following this formation is performed by ultraviolet lithography (Patent Document 1), electron beam lithography (Patent Document 3) represented by semiconductor processes, anodization using a scanning probe microscope or scratch ( Non-patent document 8), microcontact printing using a polymer template (non-patent documents 1 to 3) was mainly used. Without using such post-lithography, hexamethyldisilazane is used as an organic monomolecular raw material, and applied to any position on a silicon substrate coated with oxide silicon using a scanning probe microscope. It has been reported that one type of single molecule can be formed only at a predetermined position above (Non-patent Document 9). Further, by using ultraviolet lithography, two kinds of organic monomolecules are transferred to predetermined positions on a silicon substrate coated with oxide silicon through a vapor phase method (Non-patent Document 10) or a liquid phase method (Patent Document 4). It has been reported that each membrane region can be disposed.

特開2000−282240号公報JP 2000-282240 A 特開平06−079167号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-079167 特開2004−119524号公報JP 2004-119524 A 特開平06−289627号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-289627 Y.Xia 他、1998年、Angew.Chem.Int.Ed.Engl.、37巻、551頁Y. Xia et al., 1998, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 37, 551 W.J.Dressick 他、1993年、J.J.Appl.Phys.、32巻、5829頁W. J. et al. Dressick et al., 1993, J. Am. J. et al. Appl. Phys. 32, 5829 N.Shirahata 他、2005年、Chem.Mater.17巻、20頁N. Shirahata et al., 2005, Chem. Mater. 17 pages, 20 pages R.Jelinek 他、2004年、Chem.Rev.、104巻、5987頁R. Jelinek et al., 2004, Chem. Rev. 104, 5987 石森義雄、2003年、表面科学、24巻、671頁Yoshio Ishimori, 2003, Surface Science, 24, 671 C.M.Halliwell 他、2001年、Anal.Chem.、73巻、2476頁C. M.M. Halliwell et al., 2001, Anal. Chem. 73, 2476 A.Ulman、1996年、Chem.Rev.、96巻、1533頁A. Ulman, 1996, Chem. Rev. 96, 1533 S.Kramer 他、2003年、Chem.Rev.、103巻、4367頁S. Kramer et al., 2003, Chem. Rev. 103, 4367 A.Ivanisevic 他、2001年、J.Am.Chem.Soc.、123巻、7887頁A. Ivanisevic et al., 2001, J. MoI. Am. Chem. Soc. 123, 7887 L.Hong,etal.、2003年、Langmuir、19巻、1966頁L. Hong, et al. 2003, Langmuir, 19: 1966

このように、従来では気相法や液相法によって基板全面に単分子膜を形成し、その後、微細加工技術を用いてリソグラフィーを行うことで単分子膜のパターンを形成していた。このため、例えば、紫外線リソグラフィーでは、紫外線照射により単分子膜が除去された領域に、第2の単分子膜を配設することは可能であるが、第3、第4の異なる種類の単分子領域を作製することは極めて困難であった。同様に、走査型プローブ顕微鏡を用いたポストリソグラフィー法も光リソグラフィー法に比べ、圧倒的に微細なナノレベルで加工することはできるものの、同一基板上へ複数種類の単分子領域を形成するためには、多段階プロセスを経る必要があり未だ達成されていない。また、ポストリソグラフィーを利用せず、走査型プローブ顕微鏡を用いて塗布することにより達成される手法では、複数種類の単分子領域を作製した例はない。   As described above, conventionally, a monomolecular film is formed on the entire surface of a substrate by a vapor phase method or a liquid phase method, and then a monomolecular film pattern is formed by performing lithography using a fine processing technique. Therefore, for example, in the ultraviolet lithography, it is possible to dispose the second monomolecular film in the region where the monomolecular film has been removed by the ultraviolet irradiation, but the third and fourth different types of monomolecules. It was extremely difficult to create the region. Similarly, the post-lithography method using a scanning probe microscope can be processed at an extremely fine nano level compared to the optical lithography method, but in order to form multiple types of monomolecular regions on the same substrate. Has yet to be achieved because it has to go through a multi-step process. In addition, there is no example in which a plurality of types of monomolecular regions are produced by the technique achieved by applying using a scanning probe microscope without using post lithography.

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術を鑑みて鋭意研究を進めた結果、基板表面を予め親水化処理し、その表面上の所定の位置に、アルコキシシランからなるシランカップリング剤を有する物質を塗布し、非酸素雰囲気で所定の湿度環境下で該基板を保持することにより、塗布した領域にのみ単分子形成することが可能であり、さらに、異なる多種類のアルコキシシランからなるシランカップリング剤を有する物質を各々所定の箇所に塗布し、非酸素雰囲気で所定の湿度環境下で該基板を保持することにより、1ステップで異なる種類の単分子膜からなる複数の領域を、同一基板上の所定の位置へそれぞれ作製することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   Under such circumstances, the present inventors have conducted extensive research in view of the above prior art, and as a result, the substrate surface has been previously hydrophilized, and a silane composed of alkoxysilane is formed at a predetermined position on the surface. By applying a substance having a coupling agent and holding the substrate under a predetermined humidity environment in a non-oxygen atmosphere, it is possible to form a single molecule only in the applied region. By applying a substance having a silane coupling agent made of silane to each predetermined place and holding the substrate under a predetermined humidity environment in a non-oxygen atmosphere, a plurality of different kinds of monomolecular films made of different types in one step The inventors have found that it is possible to produce each region at a predetermined position on the same substrate, and have completed the present invention.

即ち、本発明の目的は、従来困難であった、複数の異なる種類のシランカップリング剤を塗布する際に、予め同一基板上へそれぞれのシランカップリング剤を塗布した後、非酸素雰囲気で所定の湿度環境下で該基板を保持することにより、1ステップのプロセスで、単分子微小領域の二次元アレイ化を同一基板上で行うことを可能とする、単分子膜の形成方法を提供することにある。   That is, the object of the present invention is to apply a plurality of different types of silane coupling agents, which has been difficult in the past, after applying each silane coupling agent on the same substrate in advance, and in a non-oxygen atmosphere. To provide a method for forming a monomolecular film, which allows two-dimensional array of monomolecular microregions to be formed on the same substrate in a one-step process by holding the substrate in a humidity environment of It is in.

本発明の他の目的は、基板表面に塗布するシランカップリング剤のほとんどを単分子膜化することを可能とし、希少な生体材料やナノ材料等の固定化に、無駄なく、必要最低限の分量で、十分な単分子膜の形成が可能な単分子膜の形成方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to make it possible to form a monomolecular film for most of the silane coupling agent to be applied to the substrate surface, and to fix rare biomaterials and nanomaterials, etc. An object of the present invention is to provide a method for forming a monomolecular film capable of forming a sufficient monomolecular film in an amount.

本発明の他の目的は、複雑なリソグラフィー及び溶媒への浸漬工程が不要であり、気相法に見られた単分子膜形成のための高温反応場を必要とせず、液相法に見られた大量廃液の産出を抜本的に解決することが可能な単分子膜の形成方法を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、微細構造化にあたり、光リソグラフィーにおける波長のような制限因子を持たず、ナノスケールの微小領域にまで適応可能であり、次世代ナノリソグラフィー源として開発途上にあるX線や電子線、光に対して耐性が低い生体材料に対しても適応可能な単分子膜の形成方法を提供することにある。
Another object of the present invention is that it does not require a complicated lithography and immersion step in a solvent, does not require a high-temperature reaction field for forming a monomolecular film as found in a vapor phase method, and is found in a liquid phase method. Another object of the present invention is to provide a method for forming a monomolecular film capable of drastically solving the production of a large amount of waste liquid.
Furthermore, another object of the present invention is to develop a next-generation nanolithography source that does not have a limiting factor such as a wavelength in optical lithography and can be applied to a nanoscale minute region in the microstructuring. An object of the present invention is to provide a method for forming a monomolecular film that can be applied to a biological material having low resistance to X-rays, electron beams, and light.

上記目的を達成するため、本発明は、親水化処理を行った基板表面に、アルコキシシランからなるシランカップリング剤を塗布した後に、所定の湿度でかつ酸素を含まない雰囲気下で該基板を保持することにより、基板表面に単分子膜を形成することを特徴とする。特に、前記所定の湿度は22%以下が好ましい。好ましくは、シランカップリング剤を構成する物質は基板表面と反応し、共有結合により基板上へ固定する。
上記構成により、親水化処理を行った基板表面の所定の領域に、シランカップリング剤を塗布することで、単分子膜のパターンを形成することができる。このため、従来の光リソグラフィー法などによる微細構造化を行う必要がなくなる。
したがって、X線や光に対して耐性が低い物質、例えば、DNA等の生体材料にも適用することができる。同時に、従来の光リソグラフィー等のように微細構造化が波長に依存する要因がないため、ナノスケールの微小領域まで適用することができる。
また、CVD(Chemical Vapor Deposition)法に代表される気相法と比べて、格段に低温で単分子膜を形成することができる。また、液相法と比べて、廃液を大幅に低減することができるので、環境に優しく、かつ省エネルギーである。また、シランカップリング剤を必要な分量だけ塗布することができるので、コストパフォーマンスが格段によい。また、希少な金属材料、生体材料やナノ材料などを基板に固定化することができる。
In order to achieve the above object, the present invention holds a substrate in a predetermined humidity and oxygen-free atmosphere after applying a silane coupling agent composed of alkoxysilane to the surface of the substrate subjected to a hydrophilic treatment. Thus, a monomolecular film is formed on the substrate surface. In particular, the predetermined humidity is preferably 22% or less. Preferably, the substance constituting the silane coupling agent reacts with the substrate surface and is fixed onto the substrate by a covalent bond.
With the above configuration, a monomolecular film pattern can be formed by applying a silane coupling agent to a predetermined region of the substrate surface that has been subjected to a hydrophilic treatment. For this reason, there is no need to make a fine structure by a conventional photolithography method or the like.
Therefore, the present invention can also be applied to substances having low resistance to X-rays and light, for example, biomaterials such as DNA. At the same time, unlike the conventional optical lithography and the like, there is no factor depending on the wavelength of the fine structure, so that it can be applied up to a nanoscale minute region.
In addition, a monomolecular film can be formed at a much lower temperature than a vapor phase method typified by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, compared with the liquid phase method, the waste liquid can be greatly reduced, which is environmentally friendly and energy saving. Moreover, since the silane coupling agent can be applied in a necessary amount, the cost performance is remarkably good. In addition, rare metal materials, biomaterials, nanomaterials, and the like can be immobilized on the substrate.

好ましくは、前記シランカップリング剤を構成する物質は、末端にアルコキシドを有する。また、シランカップリング剤を構成する物質は、メトキシシラン又はエトキシシランである。特に、シランカップリング剤を構成する物質が、末端にメトキシ基又はエトキシ基を有し、炭素数3〜22の炭素鎖を有するとよい。
好ましくは、シランカップリング剤を構成する物質は、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ハロゲン、ホルミル基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、ジアゾ基又は水酸基の官能基で終端された物質である。
また、シランカップリング剤を構成する物質は、糖、オリゴヌクレオチド、DNA、ペプチド、ナノ粒子、フラーレン、ナノチューブ又はナノ物質と結合した物質であってもよい。
上記構成により、基板表面に塗布するシランカップリング剤が、アルコキシシランを有するものであれば、単分子膜を形成することができる。よって、各種の官能基や原子団やナノ物質と結合したアルコキシルシランをカップリング剤として用いることで、基板の最表面にこれらの官能基や原子団やナノ物質を配置することができる。
Preferably, the substance constituting the silane coupling agent has an alkoxide at the terminal. The substance constituting the silane coupling agent is methoxysilane or ethoxysilane. In particular, the substance constituting the silane coupling agent may have a methoxy group or an ethoxy group at the terminal and a carbon chain having 3 to 22 carbon atoms.
Preferably, the substance constituting the silane coupling agent is methyl group, fluoro group, amino group, phenyl group, mercapto group, cyano group, sulfonic acid group, carboxyl group, carbonyl group, halogen, formyl group, nitro group, nitroso group. A substance terminated with a functional group such as a group, an azo group, a diazo group or a hydroxyl group.
In addition, the substance constituting the silane coupling agent may be a substance bonded to sugar, oligonucleotide, DNA, peptide, nanoparticle, fullerene, nanotube, or nanomaterial.
With the above configuration, a monomolecular film can be formed if the silane coupling agent applied to the substrate surface has alkoxysilane. Therefore, these functional groups, atomic groups, and nanomaterials can be arranged on the outermost surface of the substrate by using alkoxylsilane bonded to various functional groups, atomic groups, and nanomaterials as a coupling agent.

また、好ましくは、基板が、酸化シリコン、酸化インジウム、アルミナ、酸化鉄、酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛その他の酸化物セラミックスか、酸化物セラミックス薄膜で被覆されたシリコン、ダイヤモンド、炭化ケイ素、グラファイトその他の無機基材か、親水化処理によりカルボニル基、ジオールその他の極性官能基で覆われたポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエステルその他の有機フィルムか、親水基で終端可能な材料のいずれかからなる。
上記構成により、基板表面を親水基で終端可能な材料からなるので、基板表面を親水化処理を施すことで、シランカップリング剤が水と接触して加水分解してシラノール基を生成し、このシラノール基と基板表面の親水基とが反応して基板表面に共有結合で固定化することができる。
Preferably, the substrate is silicon oxide, indium oxide, alumina, iron oxide, tin oxide, titanium oxide, zinc oxide or other oxide ceramics, or silicon coated with an oxide ceramic thin film, diamond, silicon carbide, graphite. It consists of any other inorganic base material, polyethylene terephthalate covered with a carbonyl group, diol or other polar functional group by hydrophilic treatment, polyimide, polyester or other organic film, or a material that can be terminated with a hydrophilic group.
With the above configuration, since the substrate surface is made of a material capable of terminating with a hydrophilic group, by subjecting the substrate surface to a hydrophilic treatment, the silane coupling agent comes into contact with water and hydrolyzes to generate a silanol group. The silanol group reacts with the hydrophilic group on the substrate surface and can be immobilized on the substrate surface by a covalent bond.

また、好ましくは、シランカップリング剤を、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、スポイト、高分子鋳型又はインクジェット方式で前記基板表面に塗布することにより、前記基板上の所定の微小領域に単分子膜を形成する。
上記構成により、基板表面にシランカップリング剤を、ナノオーダの極微小領域からセンチオーダの巨視領域までの任意の大きさで、塗布して、単分子膜を形成することができ
る。
Preferably, the silane coupling agent is applied to the surface of the substrate by a scanning probe microscope, a manipulator, a microsyringe, a syringe, a polymer template, or an ink jet method, so that a single molecule is formed on a predetermined minute region on the substrate. A film is formed.
With the above structure, a monomolecular film can be formed by applying a silane coupling agent to the substrate surface in any size from a nano-order microscopic region to a centimeter-order macroscopic region.

好ましくは、前記シランカップリング剤を溶剤で1〜20体積%濃度になるように溶解して塗布する。これにより、シランカップリング剤が常温で固体であっても溶剤で溶かすことで、基板表面に塗布することができる。   Preferably, the silane coupling agent is dissolved and applied in a solvent so as to have a concentration of 1 to 20% by volume. Thereby, even if a silane coupling agent is solid at normal temperature, it can apply | coat to a substrate surface by dissolving with a solvent.

好ましくは、前記基板表面に塗布されるシランカップリング剤として複数種の物質を使用し、この複数種の異なる物質を、同一基板上の複数の各微小領域に塗布する。この構成により、同一基板表面の各領域に複数種のシランカップリング剤をそれぞれ塗布した後に、酸素を含まない雰囲気下で基板を保持する、という1ステップのプロセスで、基板に複数種の物質を配設することができる。   Preferably, a plurality of types of substances are used as the silane coupling agent applied to the substrate surface, and the plurality of types of different substances are applied to a plurality of minute regions on the same substrate. With this configuration, after applying a plurality of types of silane coupling agents to each region of the same substrate surface, a plurality of types of substances are applied to the substrate in a one-step process of holding the substrate in an oxygen-free atmosphere. It can be arranged.

本発明によれば、親水化処理を行った基板表面に、アルコキシシランからなるシランカップリング剤を塗布し、所定の湿度で非酸素雰囲気下で基板を保持した後、余剰の該物質を除去することで、基板表面に均質な単分子膜を形成することができる。したがって、複雑なポストリソグラフィー工程や溶媒への浸漬工程が不要となり、これまで困難であった単分子レジストへの応用やナノ物質の二次元アレイ化、さらにはチップ化が可能となる。これにより、本発明によれば、バイオチッップ、分子デバイス、半導体チップ、ディスプレイ等の各種デバイスを作製することができる。   According to the present invention, a silane coupling agent made of alkoxysilane is applied to the surface of the substrate that has been subjected to a hydrophilic treatment, and the substrate is held in a non-oxygen atmosphere at a predetermined humidity, and then the excess material is removed. Thus, a uniform monomolecular film can be formed on the substrate surface. Therefore, a complicated post-lithography process and a solvent immersion process are not required, and it is possible to apply to a monomolecular resist, to form a two-dimensional array of nanomaterials, and to form a chip, which has been difficult until now. Thereby, according to this invention, various devices, such as a biochip, a molecular device, a semiconductor chip, a display, can be produced.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明は、以下の工程を経ることで、基板上に単分子膜を形成することができる。
図1は、本発明の単分子膜の形成方法として、基板1上に単分子膜を形成する工程を模式的に示した図である。図1は、シランカップリング剤2として末端にアルコキシルシランを有するナノ物質を用い、基板1表面の所定領域にこのナノ物質をマニピュレーター3を用いて塗布した後に、単分子膜が形成され、単分子膜状のナノ物質で基板1の表面を部分的に被覆する場合を想定して示している。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
In the present invention, a monomolecular film can be formed on a substrate through the following steps.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a step of forming a monomolecular film on a substrate 1 as a method for forming a monomolecular film of the present invention. In FIG. 1, a nanomaterial having alkoxyl silane at the terminal is used as the silane coupling agent 2, and this nanomaterial is applied to a predetermined region on the surface of the substrate 1 using a manipulator 3, and a monomolecular film is formed. It is assumed that the surface of the substrate 1 is partially covered with a film-like nanomaterial.

先ず、アルコキシルシランからなるカップリング剤2を、基板表面の所定領域に塗布する。ここで、基板表面は予め親水化処理で、超親水性の自然酸化膜で覆われている。例えば、図1(a)で示すように、マニピュレーター3を上下動することで、マニピュレーター3の先端部にシランカップリング剤を付着させる。
次に、図1(b)で示すように、親水化処理されて水酸基(−OH)で終端されている基板1上に移動させる。そして、マニピュレーター3が、単分子膜を形成したい領域上に移動したら、図1(c)に示すように、マニピュレーター3を基板1の表面に移動させて、シランカップリング剤2を基板表面に塗布する。
First, the coupling agent 2 made of alkoxylsilane is applied to a predetermined region on the substrate surface. Here, the substrate surface is previously hydrophilized and covered with a superhydrophilic natural oxide film. For example, as shown in FIG. 1A, the silane coupling agent is attached to the tip of the manipulator 3 by moving the manipulator 3 up and down.
Next, as shown in FIG. 1B, the substrate is moved onto the substrate 1 that has been subjected to a hydrophilic treatment and terminated with a hydroxyl group (—OH). When the manipulator 3 moves over the region where the monomolecular film is to be formed, the manipulator 3 is moved to the surface of the substrate 1 and the silane coupling agent 2 is applied to the substrate surface as shown in FIG. To do.

次に、基板1を、酸素を含まない非酸素雰囲気でかつ所定の湿度環境の下で一定時間保持する。これにより、基板表面に塗布されたシランカップリング剤2と基板表面とが反応し、図1(d)に示すように、シランカップリング剤2が基板に固定化される。その後、余剰のシランカップリング剤などの物質を、例えば超音波洗浄処理により除去する。   Next, the substrate 1 is held for a certain period of time in a non-oxygen atmosphere not containing oxygen and in a predetermined humidity environment. As a result, the silane coupling agent 2 applied to the substrate surface reacts with the substrate surface, and the silane coupling agent 2 is fixed to the substrate as shown in FIG. Thereafter, excess substances such as a silane coupling agent are removed by, for example, ultrasonic cleaning treatment.

以上の処理を経て、図1(e)に示すように、基板1上の所定の位置にだけ単分子膜領域を形成することができる。このとき、ケイ素Siと酸素Oとの結合(−Si−O−)で、単分子膜が基板表面に固定されている。これにより、ナノ物質で一部を被覆された基板を作製することができる。   Through the above processing, a monomolecular film region can be formed only at a predetermined position on the substrate 1 as shown in FIG. At this time, the monomolecular film is fixed to the substrate surface by a bond of silicon Si and oxygen O (—Si—O—). Thereby, a substrate partially covered with the nanomaterial can be manufactured.

以下、具体的に各工程について詳細に説明する。
基板1は、親水化処理をすることができるもの、つまり、水酸基などの親水基で基板表面を終端することができるものであればよい。例えば、酸化シリコン、酸化インジウム等の酸化物セラミックスでもよい。また、このような酸化物セラミックス薄膜に被覆されたシリコン、ダイヤモンド、炭化ケイ素、グラファイト等の無機基材でもよい。さらに、親水化表面処理によりカルボニル基やジオール等の極性官能基で覆われたポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエステル等の有機フィルムであってもよい。
Hereinafter, each process will be specifically described in detail.
The substrate 1 may be any substrate that can be hydrophilized, that is, any substrate that can terminate the substrate surface with a hydrophilic group such as a hydroxyl group. For example, oxide ceramics such as silicon oxide and indium oxide may be used. Further, an inorganic base material such as silicon, diamond, silicon carbide, and graphite coated with such an oxide ceramic thin film may be used. Furthermore, an organic film such as polyethylene terephthalate, polyimide, or polyester covered with a polar functional group such as a carbonyl group or a diol by a hydrophilization surface treatment may be used.

予め、基板1の親水化処理を行う。その際、基板表面に付着している不純物を洗浄などにより除去しておく。
基板1としてシリコン基板を用いた場合には、例えば、酸素プラズマでシリコン基板に表面処理を行ったり、酸素が存在する雰囲気下で、紫外線、電子線、オゾン等を照射することで表面処理を行う。特に、波長185nm以下の紫外光を使用することが好ましい。これにより、シリコン基板1の表面に酸化シリコン膜を形成させることで、親水化処理を施すことができる。
ここで、基板表面が親水化されたことは、基板表面の水の接触角が5°以下であるか否かを基準に判断することができる。
In advance, the substrate 1 is hydrophilized. At that time, impurities adhering to the substrate surface are removed by washing or the like.
When a silicon substrate is used as the substrate 1, for example, surface treatment is performed on the silicon substrate with oxygen plasma, or surface treatment is performed by irradiating ultraviolet rays, electron beams, ozone, or the like in an atmosphere in which oxygen exists. . In particular, it is preferable to use ultraviolet light having a wavelength of 185 nm or less. Thereby, the hydrophilization treatment can be performed by forming a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate 1.
Here, whether the substrate surface has been made hydrophilic can be determined based on whether or not the contact angle of water on the substrate surface is 5 ° or less.

次に、シランカップリング剤2を基板表面の所定微小領域に塗布する。
シランカップリング剤2としては、アルコキシシランからなる物質を用い、例えば、分子がアルコキシランで終端されている化合物であって、単分子膜を形成することができる分子構造を有するものであれば、いずれの物質でも使用が可能である。
ここで、シランカップリング剤2としてアルコキシシランを用いるのは、液相法などで使用されているクロロシランでは、水分子に対して極めて反応性が高く、塩化水素を発生し、大気中で扱うことが難しいが、アルコキシシランではそのような不都合がないためである。また、発生する塩化水素は、環境調和性に優れず、ナノリソグラフィーを行う際の走査型プローブ顕微鏡下での使用にも適さないから好ましくない。
Next, the silane coupling agent 2 is applied to a predetermined minute region on the substrate surface.
As the silane coupling agent 2, a substance made of alkoxysilane is used. For example, if the molecule has a molecular structure capable of forming a monomolecular film, the compound is terminated with an alkoxylane, Any substance can be used.
Here, alkoxysilane is used as the silane coupling agent 2 because chlorosilane used in the liquid phase method is extremely reactive to water molecules, generates hydrogen chloride, and is handled in the atmosphere. This is because alkoxysilane does not have such inconvenience. The generated hydrogen chloride is not preferable because it is not environmentally friendly and is not suitable for use under a scanning probe microscope when performing nanolithography.

ところで、シランカップリング剤2としては、例えば、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素のいずれも使用可能であるが、末端がアルコキシシランで終端されている化合物である必要があり、各種の官能基、原子団、ナノ物質等で修飾された物質も使用することができる。
脂肪族炭化水素系としては、オクタデシルトリメトキシシラン、アリルオキシウンデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン等のメトキシ類、エトキシ類を挙げることができる。
各種官能基、原子団としては、例えば、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ハロゲン、ホルミル基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、ジアゾ基、水酸基等を挙げることができる。さらには、これらの官能基、原子団を有したシランカップリング剤としては、例えば、トリエトキシシリルウンデカナール、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシラン、11−ブロモウンデシルトリメトキシシラン等を挙げることができる。
ナノ物質としては、例えば、糖、ナノ粒子、オリゴヌクレオチド、フラーレン等を挙げることができる。また、これらのナノ物質と結合した物質でもよく、例えば、3−ガラクトキシプロピルトリメトキシシラン、シリコンナノ粒子末端トリメトキシシラン、トリエトキシシリルオリゴヌクレオチド、トリエトキシシリルフラーレン等を挙げることができる。
ここで、単分子膜の形成に利用される脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素等については、その分子の大きさでは限定されないが、炭素数が3〜22、好ましくは、11〜22の炭化水素鎖からなる炭化水素を用いるとよい。
なお、シランカップリング剤2は、以上の物質に制限されるものではなく、これらと同
等又は類似のアルコキシシランを有する物質であってもよい。
By the way, as the silane coupling agent 2, for example, any of aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons can be used. However, the silane coupling agent 2 needs to be a compound having a terminal terminated with an alkoxysilane, and has various functional groups. A substance modified with an atomic group, a nano substance, or the like can also be used.
Examples of the aliphatic hydrocarbons include methoxys such as octadecyltrimethoxysilane, allyloxyundecyltrimethoxysilane, and hexadecyltriethoxysilane, and ethoxys.
As various functional groups and atomic groups, for example, methyl group, fluoro group, amino group, phenyl group, mercapto group, cyano group, sulfonic acid group, carboxyl group, carbonyl group, halogen, formyl group, nitro group, nitroso group, An azo group, a diazo group, a hydroxyl group, etc. can be mentioned. Furthermore, as a silane coupling agent having these functional groups and atomic groups, for example, triethoxysilylundecanal, N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane, 11-bromoun Examples include decyltrimethoxysilane.
Examples of nanomaterials include sugars, nanoparticles, oligonucleotides, fullerenes and the like. Moreover, the substance couple | bonded with these nano substances may be sufficient, for example, 3-galactoxypropyl trimethoxysilane, a silicon nanoparticle terminal trimethoxysilane, a triethoxysilyl oligonucleotide, a triethoxysilyl fullerene etc. can be mentioned.
Here, the aliphatic hydrocarbon and aromatic hydrocarbon used for the formation of the monomolecular film are not limited by the size of the molecule, but the carbon number is 3 to 22, preferably 11 to 22. Hydrocarbons composed of hydrogen chains may be used.
The silane coupling agent 2 is not limited to the above substances, and may be a substance having an alkoxysilane equivalent or similar to these.

このようなシランカップリング剤2を、大気中において、親水化処理した基板表面上の所定の位置へ塗布する。このとき、シランカップリング剤2が、オクタデシルトリメトキシシランのように、塗布温度で液状であれば、そのまま使用したり、非水溶剤に溶解した溶液で使用したりすることができる。また、常温で液体ではなく、常温で固体である物質の場合、非水有機溶媒に溶解した溶液を塗布することが好ましい。
ここで、溶液の濃度については、シランカップリング剤2の種類、溶剤等の性質、塗布方法及び装置等により好適な濃度が決定されるが、例えば、0.0001〜1.0g/リットルの範囲内が好ましい。または、シランカップリング剤2を溶剤で1〜20体積%濃度になるように溶解したものを塗布するのが好ましい。
この際、シランカップリング剤2の濃度が20体積%濃度よりもはるかに高い場合には、単分子化する物質によっては、溶液中にて凝集、沈殿することがあり好ましくない。逆に、1体積%濃度の希釈溶液でも可能であるが、さらに薄い場合には、単分子形成のために長時間反応させる必要があるので好ましない。
Such a silane coupling agent 2 is applied to a predetermined position on the hydrophilically treated substrate surface in the atmosphere. At this time, if the silane coupling agent 2 is liquid at the coating temperature like octadecyltrimethoxysilane, it can be used as it is or can be used in a solution dissolved in a non-aqueous solvent. In the case of a substance that is not liquid at room temperature but is solid at room temperature, it is preferable to apply a solution dissolved in a non-aqueous organic solvent.
Here, as for the concentration of the solution, a suitable concentration is determined depending on the type of the silane coupling agent 2, the nature of the solvent, the coating method, the apparatus, and the like. The inside is preferable. Or it is preferable to apply | coat what melt | dissolved the silane coupling agent 2 so that it might become 1-20 volume% density | concentration with a solvent.
At this time, if the concentration of the silane coupling agent 2 is much higher than 20% by volume, depending on the substance to be monomolecularized, it may be aggregated and precipitated in the solution, which is not preferable. Conversely, a diluted solution with a concentration of 1% by volume is also possible, but if it is thinner, it is not preferred because it needs to be reacted for a long time to form a single molecule.

ところで、シランカップリング剤2を塗布する際には、塗布する領域の大きさに合わせて、例えば、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、マイクロピペットなどを用いることができる。また、これら以外の装置や器具を用いて塗布してもよい。塗布条件については、単分子膜を形成する物質の性質、塗布方法及び装置、単分子膜のパターン形状、寸法等に応じて任意に設定される。   By the way, when apply | coating the silane coupling agent 2, according to the magnitude | size of the area | region to apply, a scanning probe microscope, a manipulator, a micro syringe, a micro pipette etc. can be used, for example. Moreover, you may apply | coat using apparatuses and instruments other than these. The coating conditions are arbitrarily set according to the properties of the substance forming the monomolecular film, the coating method and apparatus, the pattern shape, dimensions, etc. of the monomolecular film.

次に、このように基板表面にシランカップリング剤2を塗布したら、所定の環境下で保持する。即ち、シランカップリング剤2が酸素と反応しないように非酸素雰囲気で所定の湿度環境、好ましくは22%以下の低湿度環境で保持する。ここで、非酸素雰囲気下とは、実質的に酸素を含まない、例えば、真空下、窒素ガス、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気等を意味する。保持時間は24時間以上が好ましい。この際、過剰の水分は、シランカップリング剤2と反応し、ポリマー化、結晶化を引き起こすために単分子化反応を阻害する。しかしながら、上記22%以下の湿度下では、単分子形成が可能であることを確認している。湿度の上限については確認していないが、再現性のある反応を実現するためには、湿度は22%以下の低湿度とすることが好ましい。
これにより、基板表面の親水基とシランカップリング剤とが反応して単分子が形成される。このとき、例えば70℃程度まで加熱することで、単分子形成反応を促進させることができる。これにより、基板表面のうち、シランカップリング剤2が塗布された領域では、塗布された物質が共有結合で基板表面に固定化される。
Next, when the silane coupling agent 2 is applied to the surface of the substrate in this way, it is held in a predetermined environment. That is, the silane coupling agent 2 is maintained in a non-oxygen atmosphere in a predetermined humidity environment, preferably in a low humidity environment of 22% or less so as not to react with oxygen. Here, the non-oxygen atmosphere means an oxygen-free atmosphere such as nitrogen gas, argon, helium, or the like that is substantially free of oxygen, for example, under vacuum. The holding time is preferably 24 hours or longer. At this time, excess water reacts with the silane coupling agent 2 and inhibits the unimolecular reaction in order to cause polymerization and crystallization. However, it has been confirmed that single molecule formation is possible under the humidity of 22% or less. Although the upper limit of humidity has not been confirmed, in order to realize a reproducible reaction, the humidity is preferably a low humidity of 22% or less.
Thereby, the hydrophilic group on the substrate surface reacts with the silane coupling agent to form a single molecule. At this time, for example, by heating to about 70 ° C., the single molecule formation reaction can be promoted. Thereby, in the area | region where the silane coupling agent 2 was apply | coated among the substrate surfaces, the apply | coated substance is fixed to the substrate surface by a covalent bond.

そして、基板表面に固定化されずに、物理吸着により塗布領域に残存している物質を、洗浄により取り除く。例えば、有機溶剤による超音波洗浄によって取り除く。溶剤としては、アセトンやジクロロメタン、エタノールなどを挙げることができるが、これらに特に限定されるものではない。また、例えば、消費電力110W、高周波電力80W、発信周波数38kHz等など、超音波洗浄に用いる通常の超音波発振装置を使用することができる。この超音波工程は30分程度で完了する。
ここで、残存している物質を取り除くというリフトオフは室温で行うことができ、また、大気中で行うことができる。
And the substance which is not fixed to the substrate surface but remains in the coating region by physical adsorption is removed by washing. For example, it is removed by ultrasonic cleaning with an organic solvent. Examples of the solvent include acetone, dichloromethane, ethanol and the like, but are not particularly limited thereto. Further, for example, a normal ultrasonic oscillation device used for ultrasonic cleaning such as power consumption 110 W, high frequency power 80 W, transmission frequency 38 kHz, etc. can be used. This ultrasonic process is completed in about 30 minutes.
Here, the lift-off of removing the remaining substance can be performed at room temperature or in the atmosphere.

以上説明したように、親水化処理済みの基板表面にシランカップリング剤2を塗布した後に、非酸素雰囲気でかつ所定の湿度環境下で基板を保持することにより、シランカップリング剤2が共有結合を介して基板上へ固定化され、基板表面に単分子膜を形成することができる。このとき、シランカップリング剤として、前述のような官能基、原子団、ナノ物質と結合したアルキルシランを有する物質を用い、基板表面に塗布して単分子膜を形成
することで、これらの、官能基、原子団を備えた物質等が基板の最上面に現れ、反応性等の表面特性を発揮する。
さらに、その表面を、例えば、たんぱく質等と反応させることで、分子認識等の性質を付与することが可能となる。よって、タンパクチップ等に利用される二次元アレイ構造体とすることができる。
As described above, the silane coupling agent 2 is covalently bonded by applying the silane coupling agent 2 to the hydrophilized substrate surface and then holding the substrate in a non-oxygen atmosphere and under a predetermined humidity environment. And a monomolecular film can be formed on the surface of the substrate. At this time, as a silane coupling agent, by using a substance having an alkylsilane bonded to the functional group, atomic group, and nanomaterial as described above, a monomolecular film is formed by coating on the substrate surface, A substance having a functional group or an atomic group appears on the uppermost surface of the substrate and exhibits surface properties such as reactivity.
Furthermore, it is possible to impart properties such as molecular recognition by reacting the surface with, for example, a protein. Therefore, it can be set as the two-dimensional array structure utilized for a protein chip etc.

次に、本発明の応用として、単分子膜のパターンの形成方法について説明する。
最初に、基板表面の所定の位置に、シランカップリング剤2を塗布して、所定のパターン状に単分子膜を形成する。本発明では、例えば、500nm〜1mm程度の精度をもって単分子膜のパターンを形成することができる。また、微小な領域、例えば、1nm〜200nm程度のパターンを形成するには、走査型プローブ顕微鏡によるのが好ましい。逆に、広範囲な領域、例えば、1mm〜1cm程度のパターンを形成するには、マイクロシリンジ又はマイクロピペットによるのが好ましい。
このように、シランカップリング剤2を基板表面に所定のパターンに従って塗布し、非酸素雰囲気下、所定の低湿度環境下で保持されることにより、共有結合を介して基板1上へ固定化され、単分子膜のパターンを形成することができる。
Next, a method for forming a monomolecular film pattern will be described as an application of the present invention.
First, the silane coupling agent 2 is applied to a predetermined position on the substrate surface to form a monomolecular film in a predetermined pattern. In the present invention, for example, a monomolecular film pattern can be formed with an accuracy of about 500 nm to 1 mm. In order to form a minute region, for example, a pattern of about 1 nm to 200 nm, it is preferable to use a scanning probe microscope. On the contrary, in order to form a wide area, for example, a pattern of about 1 mm to 1 cm, it is preferable to use a microsyringe or a micropipette.
In this way, the silane coupling agent 2 is applied to the substrate surface in accordance with a predetermined pattern, and is held on the substrate 1 through a covalent bond by being held in a non-oxygen atmosphere under a predetermined low humidity environment. A monomolecular film pattern can be formed.

次に、本発明の応用として、シランカップリング剤2として複数種の物質を用いて、基板上にそれぞれの所定領域に塗布することで、二次元アレイ構造体を形成することができることについて説明する。
図2は、本発明の単分子膜の形成方法として、基板上に異なる種類の単分子膜を同時に形成する工程を模式的に示した図である。なお、図1と同一のものには同一の符号を付してある。図2は、シランカップリング剤2a,2b,2cとして末端にアルコキシルシランを有する三種類のナノ物質を用い、基板1表面の各所定領域にこれらナノ物質をマニピュレーター3を用いて塗布した後に、三種類の単分子膜が形成され、単分子膜状のナノ物質で基板1の表面を部分的に被覆して、種類の異なるナノ物質を固定化した二次元アレイ構造体を作製する場合を示している。
Next, as an application of the present invention, it will be described that a two-dimensional array structure can be formed by applying a plurality of kinds of substances as the silane coupling agent 2 to each predetermined region on a substrate. .
FIG. 2 is a diagram schematically showing a process of simultaneously forming different types of monomolecular films on a substrate as a method for forming a monomolecular film of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as FIG. FIG. 2 shows three types of nanomaterials having alkoxyl silane at the end as the silane coupling agents 2a, 2b, and 2c, and after applying these nanomaterials to each predetermined region on the surface of the substrate 1 using the manipulator 3, A case where a monomolecular film of various types is formed and the surface of the substrate 1 is partially covered with a monomolecular film-like nanomaterial to produce a two-dimensional array structure in which different types of nanomaterials are immobilized is shown. Yes.

予め、アルコキシルシランからなるカップリング剤2a,2b,2cを、基板表面の所定領域に塗布する。ここで、基板表面は予め親水化処理で、超親水性の自然酸化膜で覆われている。つまり、図2(a)に示すように、基板表面に親水性を示す水酸基(−OH)で終端されている。具体的には、マニピュレーター3の先端部に順にシランカップリング剤2a,2b,2cを付着させて、マニピュレーター3を基板1の表面に移動させて、シランカップリング剤2a,2b,2cを基板表面に塗布する。
次に、基板1を、図1の場合と同様に、酸素を含まない非酸素雰囲気でかつ所定の湿度環境の下で一定時間保持する。
これにより、基板表面に塗布されたシランカップリング剤2a,2b,2cと基板表面とが反応し基板1に固定化される。その後、余剰のシランカップリング剤2a,2b,2cなどの物質を超音波洗浄処理で除去する。
Coupling agents 2a, 2b and 2c made of alkoxyl silane are applied in advance to a predetermined region on the substrate surface. Here, the substrate surface is previously hydrophilized and covered with a superhydrophilic natural oxide film. That is, as shown in FIG. 2A, the substrate surface is terminated with a hydroxyl group (—OH) having hydrophilicity. Specifically, the silane coupling agents 2a, 2b, 2c are sequentially attached to the tip of the manipulator 3, the manipulator 3 is moved to the surface of the substrate 1, and the silane coupling agents 2a, 2b, 2c are moved to the substrate surface. Apply to.
Next, as in the case of FIG. 1, the substrate 1 is held for a certain period of time in a non-oxygen atmosphere not containing oxygen and in a predetermined humidity environment.
As a result, the silane coupling agents 2a, 2b, 2c applied to the substrate surface react with the substrate surface to be immobilized on the substrate 1. Thereafter, surplus substances such as silane coupling agents 2a, 2b, 2c are removed by ultrasonic cleaning.

以上の処理を経て、図2(b)に示すように、基板1上のそれぞれの位置に,シランカップリング剤2a,2b,2cが基板表面と反応して、基板1にシランカップリング剤2a,2b,2cのそれぞれに対応した単分子膜領域1a,1b,1cを形成することができる。このように、同一の基板1上の各微小領域に、異なる種類のシランカップリング剤2a,2b,2cを、それぞれ所定のパターンで塗布することにより、複数の異なる単分子膜領域2a,2b,2cからなる二次元アレイ構造体を同一基板1上に形成することができる。
この方法によれば、各々のシランカップリング剤2a,2b,2cを基板1上の所定の位置へ塗布することにより、複数の物質を同一基板1上へ各々所定の箇所へ配設することができる。このため、各々のパターンは塗布工程で形成されるので、従来の気相法又は液
相法のように、1種類目の単分子の形成、不要部分の除去、2種類目の単分子形成等の処理操作を繰り返す必要は無く、一度の処理操作で多種類の単分子から成る二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することが可能である。また、この方法によれば、精密なパターン形状を簡便な操作で行うことができる。
Through the above processing, as shown in FIG. 2B, the silane coupling agents 2a, 2b, and 2c react with the substrate surface at the respective positions on the substrate 1, and the substrate 1 is reacted with the silane coupling agent 2a. , 2b, 2c, monomolecular film regions 1a, 1b, 1c can be formed. In this way, by applying different types of silane coupling agents 2a, 2b, 2c in a predetermined pattern to each minute region on the same substrate 1, a plurality of different monomolecular film regions 2a, 2b, A two-dimensional array structure composed of 2c can be formed on the same substrate 1.
According to this method, by applying each silane coupling agent 2a, 2b, 2c to a predetermined position on the substrate 1, it is possible to dispose a plurality of substances on the same substrate 1 at predetermined positions. it can. For this reason, since each pattern is formed in the coating process, formation of the first type of single molecule, removal of unnecessary portions, formation of the second type of single molecule, etc., as in the conventional vapor phase method or liquid phase method, etc. It is not necessary to repeat the above processing operation, and it is possible to form a two-dimensional array structure composed of many types of single molecules on the same substrate by a single processing operation. Further, according to this method, a precise pattern shape can be performed by a simple operation.

これにより、基板1の種類、アルコキシシランからなるシランカップリング剤2a,2b,2cを有する物質の種類及びその組み合わせ、当該アルコキシシランからなるシランカップリング剤の塗布方法等を任意に選択して製品設計することにより、従来技術では困難であった、単分子被覆の微細構造化、さらには、二次元アレイ化を同一基板上で行い、簡便な操作で、しかも、1ステップのプロセスで所望の製品を作製することを実現化できる。   Thus, the product can be selected by arbitrarily selecting the type of substrate 1, the type and combination of substances having silane coupling agents 2 a, 2 b, and 2 c made of alkoxysilane, the silane coupling agent made of alkoxysilane, and the like. By designing, fine structure of monomolecular coating, which has been difficult with the prior art, and also two-dimensional array formation on the same substrate, easy operation and desired product in one step process Can be realized.

次に実施例を示すが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
本実施例1では、シリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシランを、マニピュレーターを用いて、基板表面の所定の位置へ、直径20μmの円形状になるよう4回アレイ状に塗布した。
次に、16%の相対湿度を有するアルゴン雰囲気中、室温で48時間放置した。最後に、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波洗浄処理を行った。この一連の処理により、シリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
なお、この単分子膜のパターン形成と同時に、水滴の接触角を測定するために、同一基板上に、オクタデシルトリメトキシシランを直径5mmの円状に塗布した。
Next, examples will be shown, but the present invention is not limited to the following examples.
In Example 1, a monomolecular pattern of octadecyltrimethoxysilane was formed on the surface of a silicon substrate.
First, an octadecyltrimethoxysilane is applied to a silicon substrate surface coated with a natural oxide film exhibiting superhydrophilicity, using a manipulator, and is arrayed four times so as to form a circular shape having a diameter of 20 μm to a predetermined position on the substrate surface. It was applied to.
Next, it was left at room temperature for 48 hours in an argon atmosphere having a relative humidity of 16%. Finally, ultrasonic cleaning treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. By this series of treatments, a pattern of octadecyltrimethoxysilane monomolecular film was formed on the surface of the silicon substrate.
In addition, in order to measure the contact angle of water droplets simultaneously with the pattern formation of the monomolecular film, octadecyltrimethoxysilane was applied in a circular shape having a diameter of 5 mm on the same substrate.

実施例の単分子膜パターンを形成した試料を、大気中での紫外線洗浄により自然酸化膜で覆われたシリコンカンチレバーを用いて、摩擦間力電子顕微鏡で観察した。
図3は、実施例1で作製した試料の摩擦間力電子顕微鏡で観察した結果を示すもので、(a)は摩擦間力電子顕微鏡像を、(b)は摩擦特性を示す図である。図3(a)は試料表面のうち直径20μmの円形状にメチル基で終端された4個のドメインと非終端部分であるシリカとの摩擦特性の違いを画像化したものであり、縦軸及び横軸に刻んだ目盛り間隔は20μmである。図3(b)は、(a)で白線で示した部分における摩擦特性の違いを断面像として画像化したものであり、横軸は各位置、縦軸は摩擦力の大きさを示す。
図3から明らかなように、4個の直径20μmの円形メチル基終端ドメイン(領域)がコントラスト像として得られた。この低いコントラストの部分(黒い部分)が、オクタデシルトリメトキシシランの単分子膜で被覆された微小領域である。また、直径5mmの円形状に塗布された箇所に水滴を垂らして接触角を測定したところ、108°であった。
The sample on which the monomolecular film pattern of the example was formed was observed with a frictional force electron microscope using a silicon cantilever covered with a natural oxide film by ultraviolet cleaning in the atmosphere.
FIGS. 3A and 3B show the results of observation of the sample produced in Example 1 with a frictional force electron microscope, wherein FIG. 3A shows a frictional force electron microscope image, and FIG. 3B shows frictional characteristics. FIG. 3 (a) is an image of the difference in frictional characteristics between four domains terminated with methyl groups in a circular shape having a diameter of 20 μm on the sample surface and silica as a non-terminated portion. The scale interval inscribed on the shaft is 20 μm. FIG. 3B is a cross-sectional image of the difference in friction characteristics in the portion indicated by the white line in FIG. 3A. The horizontal axis indicates each position, and the vertical axis indicates the magnitude of the frictional force.
As is apparent from FIG. 3, four circular methyl group-terminated domains (regions) having a diameter of 20 μm were obtained as contrast images. This low contrast portion (black portion) is a microregion covered with a monomolecular film of octadecyltrimethoxysilane. In addition, when a contact angle was measured by dropping a water drop on a portion coated in a circular shape having a diameter of 5 mm, it was 108 °.

(比較例1)
次に、実施例1に対応した比較例1を示す。
比較例1では、気相法と光リソグラフィーを利用することにより、シリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板を、オクタデシルトリメトキシシランを入れたサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れた。
次に、窒素中で、3時間、150℃に加熱し、室温まで徐冷後、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波処理することで、オクタデシルトリメトキシシランの単分子膜で全面が覆われた基板を得た。このとき、単分子表面の水滴接触角を測定すると108°であった。
最後に、所定のフォトマスクを単分子膜上へおいた後、10Pa程度の真空下で、紫外
光を照射することにより、実施例1と同様にパターン化した単分子膜表面を形成した。
(Comparative Example 1)
Next, Comparative Example 1 corresponding to Example 1 is shown.
In Comparative Example 1, a monomolecular film pattern of octadecyltrimethoxysilane was formed on the surface of a silicon substrate by using a vapor phase method and photolithography.
First, a silicon substrate coated with a natural oxide film showing super hydrophilicity was placed in an autoclave together with a sample bottle containing octadecyltrimethoxysilane.
Next, after heating to 150 ° C. for 3 hours in nitrogen, gradually cooling to room temperature, and sonicating in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water for 5 minutes each, octadecyltrimethoxysilane A substrate whose entire surface was covered with a monomolecular film was obtained. At this time, the water droplet contact angle on the monomolecular surface was measured to be 108 °.
Finally, after placing a predetermined photomask on the monomolecular film, the surface of the monomolecular film patterned in the same manner as in Example 1 was formed by irradiating ultraviolet light under a vacuum of about 10 Pa.

実施例1と比較例1とを比較すると、先ず、単分子形成の点では、実施例1の塗布法は比較例1の気相法と比べて加温処理を必要としないことが分かった。
次に、微細構造化の点では、実施例1の塗布法は、比較例1の光リソグラフィー法と比べて、パターンに応じたフォトマスクを作製する必要がなく、作製パターンの自由度が高いことが分かった。また、実施例1の塗布法は、単分子形成とリソグラフィーを同時に行うことができるためにプロセスを大幅に簡略化できることが分かった。
When Example 1 and Comparative Example 1 were compared, first, it was found that the coating method of Example 1 did not require a heating treatment as compared with the vapor phase method of Comparative Example 1 in terms of monomolecular formation.
Next, in terms of microstructuring, the coating method of Example 1 does not need to produce a photomask according to the pattern and has a high degree of freedom in the production pattern compared to the photolithography method of Comparative Example 1. I understood. In addition, it was found that the coating method of Example 1 can greatly simplify the process because single molecule formation and lithography can be performed simultaneously.

実施例2では、シリコン基板表面に、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板表面に、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランを、500nmの内径を有するナノチップを装着したマニピュレーターを用いて、基板表面の所定の位置へ直径500nmの円形状になるよう4回アレイ状に塗布した。
次に、22%の相対湿度を有するアルゴン雰囲気中、室温で48時間放置した。
最後に、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波洗浄処理を行った。この一連の処理により、シリコン基板表面に、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
なお、この単分子膜のパターン形成と同時に、水滴の接触角を測定するために、同一基板上に、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランを直径5mmの円形状に塗布した。
In Example 2, a monomolecular film pattern of N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane was formed on the surface of a silicon substrate.
First, a manipulator in which a nanochip having an inner diameter of 500 nm and N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane is mounted on the surface of a silicon substrate coated with a natural oxide film exhibiting super hydrophilicity is used. Then, it was applied in an array form four times so as to form a circular shape having a diameter of 500 nm at a predetermined position on the substrate surface.
Next, it was left at room temperature for 48 hours in an argon atmosphere having a relative humidity of 22%.
Finally, ultrasonic cleaning treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. By this series of treatments, a monomolecular film pattern of N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane was formed on the silicon substrate surface.
In addition, in order to measure the contact angle of water droplets simultaneously with the pattern formation of the monomolecular film, N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane is formed in a circular shape having a diameter of 5 mm on the same substrate. It was applied to.

このように単分子膜のパターンを形成した試料を、3Nのバネ定数を有する金コートされたシリコンカンチレバーを用いて、静電間力顕微鏡で観察した。図4は、実施例2において観察した摩擦間力顕微鏡像を示す図である。図示した像は、自然酸化膜で覆われたシリコン基板上でアミノ基で終端された4個のドメインと非終端部分であるシリカのドメインとの電位特性の違いを示している。
図4から明らかなように、4個の直径500nmの円形部分がアミノ基で終端されたドメインを示しており、このドメインが高いコントラスト像として得られた。この高いコントラストの部分(白い部分)がN−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランで被覆された微小領域である。また、直径5mmの円形状に塗布された箇所に水滴を垂らして接触角を測定したところ、61°であった。
The sample thus formed with the monomolecular film pattern was observed with an electrostatic force microscope using a gold-coated silicon cantilever having a spring constant of 3N. 4 is a diagram showing a frictional force microscope image observed in Example 2. FIG. The illustrated image shows a difference in potential characteristics between four domains terminated with amino groups and a silica domain as a non-terminated portion on a silicon substrate covered with a natural oxide film.
As apparent from FIG. 4, four circular portions having a diameter of 500 nm show domains terminated with amino groups, and this domain was obtained as a high contrast image. This high-contrast portion (white portion) is a microregion covered with N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane. In addition, when a contact angle was measured by dropping a water droplet on a portion coated in a circular shape having a diameter of 5 mm, it was 61 °.

(比較例2)
次に、実施例2に対応した比較例2を示す。
比較例2では、浸漬法(液相法)と陽極酸化を利用することにより、シリコン基板表面に、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランの単分子膜のパターンを形成した。
先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板を、窒素雰囲気下において、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランを1.0体積%含むトルエン中に、親水処理化されたシリコン基板を浸漬し、3時間保持する。
次に、基板を取り出し、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波処理した後、120℃乾燥炉で10分間加熱処理することで、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランの単分子膜基板を得た。このとき、単分子表面の水滴接触角は、61°であった。
引き続き、走査プローブ顕微鏡(SPM)(セイコーインスツルメント社製、SPI3800N)の走査原子間力顕微鏡(AFM)モードにより、導電性プローブ(セイコーインスツルメント社製、Micro Cantilever Type:SI−AF01−
Af=12kHzC=0.12N/mCoat:Au)を用いて、このN−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシラン単分子で被覆された基板表面の所定箇所を印加電圧7V(サンプルが+)、0.1μ/sの条件で大気中にて陽極酸化することによって、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランのパターンを形成した。
(Comparative Example 2)
Next, Comparative Example 2 corresponding to Example 2 is shown.
In Comparative Example 2, a monomolecular film pattern of N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane was formed on the surface of a silicon substrate by using an immersion method (liquid phase method) and anodization. Formed.
First, a silicon substrate covered with a super-hydrophilic natural oxide film is placed in toluene containing 1.0% by volume of N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane in a nitrogen atmosphere. Then, the silicon substrate subjected to hydrophilic treatment is immersed and held for 3 hours.
Next, the substrate is taken out, subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water, and then subjected to heat treatment in a 120 ° C. drying furnace for 10 minutes, whereby N- (2-aminoethyl) A monomolecular film substrate of -11-aminoundecyltrimethoxysilane was obtained. At this time, the water droplet contact angle on the monomolecular surface was 61 °.
Subsequently, by a scanning atomic force microscope (AFM) mode of a scanning probe microscope (SPM) (manufactured by Seiko Instruments Inc., SPI3800N), a conductive probe (manufactured by Seiko Instruments Inc., Micro Cantilever Type: SI-AF01-).
Af = 12 kHzC = 0.12 N / mCoat: Au), a predetermined portion of the substrate surface covered with this N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane monomolecule is applied with an applied voltage of 7 V ( The sample was anodized in the atmosphere under conditions of +) and 0.1 μ / s to form a pattern of N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane.

実施例2と比較例2とを比較する。
先ず、単分子形成の点では、実施例2の塗布法は、比較例2の液相法に比べて、廃液処理が激減することが分かった。
次に、微細構造化、つまり、500nm程度のナノリソグラフィーに関しても、実施例2の塗布法は、比較例2のカンチレバーを用いた陽極酸化に比べ、格段に容易であることが分かった。加えて、陽極酸化では、単分子が剥ぎ取られた領域の酸化膜が、凸状に数nm膨れ上がり、その領域に次の単分子膜を形成することが容易ではないことが判明した。また、実施例2の塗布法は、単分子形成とリソグラフィーを同時に行うことができるためにプロセスを大幅に簡略化できることが分かった。
Example 2 and Comparative Example 2 are compared.
First, in terms of monomolecular formation, it was found that the coating method of Example 2 drastically reduces waste liquid treatment compared to the liquid phase method of Comparative Example 2.
Next, with regard to microstructuring, that is, nanolithography of about 500 nm, it was found that the coating method of Example 2 is much easier than the anodic oxidation using the cantilever of Comparative Example 2. In addition, in the anodic oxidation, it was found that the oxide film in the region where the monomolecule was peeled off bulges several nm in a convex shape, and it is not easy to form the next monomolecular film in that region. In addition, it was found that the coating method of Example 2 can greatly simplify the process because single molecule formation and lithography can be performed simultaneously.

実施例3では、同一シリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシラン、トリエトキシシリルウンデカナールの各単分子膜を形成して、マイクロアレイを作製した。
先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシラン、トリエトキシシリルウンデカナールをマニピュレーターを用いて、基板表面の所定の位置へ、直径5μmの円形状になるよう各々並べて塗布した。
次に、20%の相対湿度を有するアルゴン雰囲気中、室温で48時間放置した。
最後に、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波洗浄処理を行った。この一連の処理により、マイクロアレイを作製した。
In Example 3, octadecyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane, heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxy were formed on the same silicon substrate surface. Each monomolecular film of silane and triethoxysilylundecanal was formed to produce a microarray.
First, octadecyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane, heptadecafluoro-1,1, are coated on the surface of a silicon substrate covered with a natural oxide film exhibiting super hydrophilicity. 2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane and triethoxysilylundecanal were applied side by side to a predetermined position on the substrate surface in a circular shape having a diameter of 5 μm using a manipulator.
Next, it was left at room temperature for 48 hours in an argon atmosphere having a relative humidity of 20%.
Finally, ultrasonic cleaning treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. A microarray was produced by this series of processes.

実施例3で作製したマイクロアレイを、3Nのバネ定数を有する金コートされたシリコンカンチレバーを用いて、静電間力顕微鏡で観察した。
図5は、実施例3において観察した(a)静電間力顕微鏡像と、(b)その説明図である。図は、マイクロアレイのうちオクタデシルトリメトキシシランとヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシランを塗布した領域を、静電間力顕微鏡で観察した際の像である。この像は、メチル基とフルオロ基で各々終端されたドメインと非終端部分であるシリカとの電位特性の違いを画像化して示したものである。
The microarray produced in Example 3 was observed with an electrostatic force microscope using a gold-coated silicon cantilever having a spring constant of 3N.
5A is an electrostatic force microscope image observed in Example 3, and FIG. 5B is an explanatory diagram thereof. The figure is an image obtained by observing a region of the microarray where octadecyltrimethoxysilane and heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane are applied with an electrostatic force microscope. This image is an image of the difference in potential characteristics between a domain terminated with a methyl group and a fluoro group and silica as a non-terminated portion.

図5から明らかなように、最もコントラストが高い明るい部分11がシリカ領域であり、次にコントラストが高い部分12が、オクタデシルトリメトキシシランの単分子で被覆された微小領域であり、コントラストが低い暗い部分13が、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシランで被覆された微小領域である。
つまり、最も明るい部分がシラノール基で覆われた背景で、次にメチル基で終端された5μmのドメイン、最後に、フルオロ基で終端された5μmのドメインの順となっている3種類以上の静電ポテンシャルを有する領域からなる像が観察された。
As is clear from FIG. 5, the brightest portion 11 with the highest contrast is the silica region, and the next highest-contrast portion 12 is a minute region covered with a single molecule of octadecyltrimethoxysilane, and the contrast is dark. Portion 13 is a microregion covered with heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane.
In other words, the background with the brightest part covered with silanol groups, followed by a 5 μm domain terminated with a methyl group, and finally a 3 μm domain terminated with a fluoro group. An image consisting of a region having an electric potential was observed.

(比較例3)
次に、実施例3に対応した比較例3を示す。
比較例3では、気相法と光リソグラフィーを利用することにより、同一シリコン基板表面に、オクタデシルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウン
デシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシラン、トリエトキシシリルウンデカナールの単分子膜を形成した。
(Comparative Example 3)
Next, Comparative Example 3 corresponding to Example 3 is shown.
In Comparative Example 3, octadecyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane, and heptadecafluoro- were formed on the same silicon substrate surface by using a vapor phase method and photolithography. A monomolecular film of 1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane and triethoxysilylundecanal was formed.

先ず、超親水性を示す自然酸化膜に被覆されたシリコン基板を、オクタデシルトリメトキシシランを入れたサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れて、窒素中で、3時間、150℃に加熱した。
次に、室温まで徐冷後、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波処理を行った。この一連の処理により、オクタデシルトリメトキシシランの単分子被覆基板を得た。
次に、所定のフォトマスクを単分子膜上へおいた後、10Pa程度の真空下で紫外光を照射することによりパターン化された単分子表面を得た。
First, a silicon substrate coated with a natural oxide film showing super hydrophilicity was placed in an autoclave together with a sample bottle containing octadecyltrimethoxysilane and heated to 150 ° C. in nitrogen for 3 hours.
Next, after gradual cooling to room temperature, ultrasonic treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. By this series of treatments, a monomolecular coated substrate of octadecyltrimethoxysilane was obtained.
Next, after putting a predetermined photomask on the monomolecular film, a patterned monomolecular surface was obtained by irradiating ultraviolet light under a vacuum of about 10 Pa.

次に、この基板を、ヘプタデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロデシルトリメトキシシランを入れたサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れて、窒素中で、3時間、150℃に加熱した。そして、室温まで徐冷後、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分ずつ超音波処理を行った。この一連の処理により、オクタデシルトリメトキシシランの単分子被覆基板を得た。
その後、所定のフォトマスクを単分子膜上へおいた後、10Pa程度の真空下で紫外光を照射することにより、メチル領域とフルオロ領域、シラノール領域を有する基板を得た。
The substrate was then placed in an autoclave with a sample bottle containing hepadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane and heated to 150 ° C. for 3 hours in nitrogen. . Then, after gradual cooling to room temperature, ultrasonic treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. By this series of treatments, a monomolecular coated substrate of octadecyltrimethoxysilane was obtained.
Thereafter, a predetermined photomask was placed on the monomolecular film, and then irradiated with ultraviolet light under a vacuum of about 10 Pa to obtain a substrate having a methyl region, a fluoro region, and a silanol region.

さらに、この基板を、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシランがトルエンで7倍に希釈された溶液が入ったサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れて、窒素中で、3時間、150℃に加熱した。そして、室温まで徐冷後、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波処理を行った。この一連の処理により、メチル領域、フルオロ領域、アミノ領域を有する基板を得た。
次いで、所定のフォトマスクを単分子膜上へおいた後、10Pa程度の真空下で、紫外光を照射することにより、アルデヒド領域を形成するためのシラノール領域を得た。その後、この基板を、トリメトキシウンデカノールがトルエンで7倍に希釈された溶液が入ったサンプル瓶と一緒にオートクレーブ中に入れて、窒素中で、3時間、130℃に加熱した。そして、室温まで徐冷後、アセトン、ジクロロメタン、エタノール、超純水中で、各々5分間ずつ超音波処理を行うことで、メチル領域、フルオロ領域、アミノ領域、アルデヒド領域を有する基板を得た。
Further, this substrate was placed in an autoclave together with a sample bottle containing a solution obtained by diluting N- (2-aminoethyl) -11-aminoundecyltrimethoxysilane seven times with toluene, and the mixture was placed in nitrogen. Heat to 150 ° C. for 3 hours. Then, after gradual cooling to room temperature, ultrasonic treatment was performed for 5 minutes each in acetone, dichloromethane, ethanol, and ultrapure water. By this series of treatments, a substrate having a methyl region, a fluoro region, and an amino region was obtained.
Next, a predetermined photomask was placed on the monomolecular film, and then irradiated with ultraviolet light under a vacuum of about 10 Pa to obtain a silanol region for forming an aldehyde region. The substrate was then placed in an autoclave with a sample bottle containing a solution of trimethoxyundecanol diluted 7-fold with toluene and heated to 130 ° C. in nitrogen for 3 hours. And after slow cooling to room temperature, the substrate which has a methyl area | region, a fluoro area | region, an amino area | region, and an aldehyde area | region was obtained by performing ultrasonic treatment for 5 minutes each in acetone, a dichloromethane, ethanol, and an ultrapure water.

実施例3と比較例3とを比較する。
先ず、単分子形成の点では、実施例3の塗布法は比較例3の気相法と比べて加温処理を必要としないことが分かった。
次に、微細構造化の点では、実施例3の塗布法は、比較例3の光リソグラフィー法と比べて、パターンに応じたフォトマスクを作製する必要がなく、作製パターンの自由度が高いことが分かった。また、実施例3の塗布法は、単分子形成とリソグラフィーを同時に行うことができるためにプロセスを大幅に簡略化できることが分かった。
さらに加えて、二次元アレイ化の点について、比較例3のように光リソグラフィー等を利用した方法において、予め、全面を気相法等により、1種類の単分子膜で覆う方法を採用すると、第2,第3の単分子膜の形成に必要となるため、ステップ、コスト、廃液量が膨大になることは明白である。
これに対して、実施例3では、複数の単分子膜を形成するための物質を、予め、基板上の所定の場所に塗布し、塗布した基板を低湿度でかつ非酸素雰囲気下で保持することにより、室温で、1ステップで二次元アレイを作製することができ、作製に要するステップ、コスト、廃液処理等の問題点を含め、あらゆる角度から好ましいことが分かる。
Example 3 and Comparative Example 3 are compared.
First, in terms of single molecule formation, it was found that the coating method of Example 3 did not require a heating treatment as compared with the vapor phase method of Comparative Example 3.
Next, in terms of microstructuring, the coating method of Example 3 does not need to produce a photomask according to the pattern and has a high degree of freedom in the production pattern compared to the photolithography method of Comparative Example 3. I understood. In addition, it was found that the coating method of Example 3 can greatly simplify the process because single molecule formation and lithography can be performed simultaneously.
In addition, regarding the point of forming a two-dimensional array, in a method using photolithography or the like as in Comparative Example 3, when a method of covering the entire surface with one kind of monomolecular film by a vapor phase method or the like is adopted in advance, Since it is necessary for forming the second and third monomolecular films, it is obvious that the steps, costs, and amount of waste liquid are enormous.
On the other hand, in Example 3, a substance for forming a plurality of monomolecular films is applied in advance to a predetermined location on the substrate, and the applied substrate is held in a low humidity and non-oxygen atmosphere. Thus, it can be seen that a two-dimensional array can be produced in one step at room temperature, which is preferable from all angles including problems such as steps required for production, cost, and waste liquid treatment.

本発明の単分子膜の形成方法は、従来のように複雑な装置、大量の廃液処理を必要とすることなく、基板の所定領域に均質に単分子膜を形成することができる。また、従来のような多段階プロセスを経ることなく、複数の異なる単分子膜領域からなる二次元アレイ構造体を同一基板上に形成することができる。
さらに、従来の気相法、浸漬法等では達成することが叶わなかった、複数の異なる単分子領域からなる二次元アレイパターンを形成することができる。したがって、化学、生化学、応用物理、医学等の分野で、次世代の産業を支える基盤技術として期待されているナノテクノロジ、次世代レジスト材料として脚光を浴びている有機単分子膜形成技術、バイオセンサー、バイオアレイ、分子デバイス、ガスセンサー、ディスプレイ及び半導体微細加工技術のレジスト代替材料など幅広い技術分野において、極めて有用である。
The method for forming a monomolecular film of the present invention can form a monomolecular film uniformly in a predetermined region of a substrate without requiring a complicated apparatus and a large amount of waste liquid treatment as in the prior art. In addition, a two-dimensional array structure composed of a plurality of different monomolecular film regions can be formed on the same substrate without going through a conventional multi-step process.
Further, it is possible to form a two-dimensional array pattern composed of a plurality of different monomolecular regions that cannot be achieved by the conventional vapor phase method, immersion method, or the like. Therefore, in the fields of chemistry, biochemistry, applied physics, medicine, etc., nanotechnology, which is expected as a basic technology that supports the next generation of industry, organic monomolecular film formation technology, which is attracting attention as a next generation resist material, biotechnology It is extremely useful in a wide range of technical fields such as sensors, bioarrays, molecular devices, gas sensors, displays, and resist substitute materials for semiconductor microfabrication technology.

従来、半導体デバイスやバイオデバイスは、ナノテク技術の進歩に追随する形で、微細化の一途を辿っており、現行のデバイス産業で不可欠な微細核技術である光リソグラフィー法は、光の波長限界に達しつつあることから、電子線等の代替ポストリソグラフィー技術が求められているが、本発明によれば、次世代レジストとして脚光を浴びている有機単分子をポストリソグラフィーの概念とは全く異なるリソグラフィー技術で、光プロセスでは達することのできない加工寸法にまで微細加工化することができる。
さらに、本発明により、ポストリソグラフィー法を使用することなく、取り扱いが極めて困難なナノ物質をデバイスを想定したパターン状に配設することも実現できる。
Conventionally, semiconductor devices and biodevices have been increasingly miniaturized following the progress of nanotechnology, and the photolithography method, which is an essential micronuclear technology in the current device industry, has reached the wavelength limit of light. Therefore, alternative post-lithography technology such as an electron beam is required. However, according to the present invention, an organic single molecule that has been spotlighted as a next-generation resist is a lithography technology that is completely different from the concept of post-lithography. Thus, it is possible to finely process even a processing dimension that cannot be achieved by an optical process.
Furthermore, according to the present invention, it is also possible to arrange nanomaterials that are extremely difficult to handle in a pattern assuming a device without using a post-lithography method.

本発明の単分子膜の形成方法として、基板上に単分子膜を形成する工程を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the process of forming a monomolecular film on a board | substrate as a formation method of the monomolecular film of this invention. 本発明の単分子膜の形成方法として、基板上に異なる種類の単分子膜を同時に形成する工程を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the process of forming simultaneously the monomolecular film of a different kind on a board | substrate as a formation method of the monomolecular film of this invention. 実施例1で作製した試料の摩擦間力電子顕微鏡で観察した結果を示すもので、(a)は摩擦間力電子顕微鏡像を示す図、(b)は摩擦特性を示す図である。The result observed with the frictional force electron microscope of the sample produced in Example 1 is shown, (a) is a figure which shows a frictional force electron microscope image, (b) is a figure which shows a friction characteristic. 実施例2において観察した摩擦間力顕微鏡像を示す図である。6 is a diagram showing a frictional force microscope image observed in Example 2. FIG. 実施例3において観察した(a)静電間力顕微鏡像と、(b)その説明図である。It is the (a) electrostatic force microscope image observed in Example 3, (b) It is the explanatory drawing.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板
1a,1b,1c:単分子膜領域
2,2a,2b,2c:シランカップリング剤
3:マニピュレーター
1: substrate 1a, 1b, 1c: monomolecular film region 2, 2a, 2b, 2c: silane coupling agent 3: manipulator

Claims (12)

親水化処理を行った基板表面に、アルコキシシランからなるシランカップリング剤を塗布した後に、所定の湿度でかつ酸素を含まない雰囲気下で該基板を保持することにより、上記基板表面に単分子膜を形成することを特徴とする、単分子膜の形成方法。   A monomolecular film is formed on the substrate surface by applying a silane coupling agent composed of alkoxysilane to the surface of the substrate that has been subjected to a hydrophilic treatment, and then holding the substrate in an atmosphere that does not contain oxygen at a predetermined humidity. And forming a monomolecular film. 前記所定の湿度は22%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein the predetermined humidity is 22% or less. 前記シランカップリング剤を構成する物質が基板表面と反応し、共有結合により前記基板上へ固定することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein a substance constituting the silane coupling agent reacts with the substrate surface and is fixed onto the substrate by a covalent bond. 前記シランカップリング剤を構成する物質が、末端にアルコキシドを有することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein the substance constituting the silane coupling agent has an alkoxide at a terminal. 前記シランカップリング剤を構成する物質が、メトキシシラン又はエトキシシランであることを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein the substance constituting the silane coupling agent is methoxysilane or ethoxysilane. 前記シランカップリング剤を構成する物質が、末端にメトキシ基又はエトキシ基を有し、炭素数3〜22の炭素鎖を有することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein the substance constituting the silane coupling agent has a methoxy group or an ethoxy group at a terminal and a carbon chain having 3 to 22 carbon atoms. . 前記シランカップリング剤を構成する物質が、メチル基、フルオロ基、アミノ基、フェニル基、メルカプト基、シアノ基、スルフォン酸基、カルボキシル基、カルボニル基、ハロゲン、ホルミル基、ニトロ基、ニトロソ基、アゾ基、ジアゾ基又は水酸基の官能基で終端された物質であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の単分子膜の形成方法。   The substance constituting the silane coupling agent is methyl group, fluoro group, amino group, phenyl group, mercapto group, cyano group, sulfonic acid group, carboxyl group, carbonyl group, halogen, formyl group, nitro group, nitroso group, The method for forming a monomolecular film according to any one of claims 1 to 6, which is a substance terminated with an azo group, a diazo group or a functional group of a hydroxyl group. 前記シランカップリング剤を構成する物質が、糖、オリゴヌクレオチド、DNA、ペプチド、ナノ粒子、フラーレン、ナノチューブ又はナノ物質と結合した物質であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の単分子膜の形成方法。   The substance constituting the silane coupling agent is a substance bonded to sugar, oligonucleotide, DNA, peptide, nanoparticle, fullerene, nanotube, or nanomaterial, according to any one of claims 1 to 7, A method for forming a monomolecular film as described. 前記基板が、酸化シリコン、酸化インジウム、アルミナ、酸化鉄、酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛その他の酸化物セラミックスか、酸化物セラミックス薄膜で被覆されたシリコン、ダイヤモンド、炭化ケイ素、グラファイトその他の無機基材か、前記親水化処理によりカルボニル基、ジオールその他の極性官能基で覆われたポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエステルその他の有機フィルムか、親水基で終端可能な材料のいずれかからなることを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The substrate is silicon oxide, indium oxide, alumina, iron oxide, tin oxide, titanium oxide, zinc oxide or other oxide ceramics, or silicon, diamond, silicon carbide, graphite or other inorganic groups coated with an oxide ceramic thin film. It is composed of either a material, polyethylene terephthalate, polyimide, polyester or other organic film covered with a carbonyl group, diol or other polar functional group by the hydrophilization treatment, or a material that can be terminated with a hydrophilic group. The method for forming a monomolecular film according to claim 1. 前記シランカップリング剤を、走査型プローブ顕微鏡、マニピュレーター、マイクロシリンジ、スポイト、高分子鋳型又はインクジェット方式で前記基板表面に塗布することにより、前記基板上の所定の微小領域に単分子膜を形成することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The silane coupling agent is applied to the substrate surface by a scanning probe microscope, a manipulator, a microsyringe, a syringe, a polymer template, or an ink jet method, thereby forming a monomolecular film in a predetermined minute region on the substrate. The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein: 前記シランカップリング剤を溶剤で1〜20体積%濃度になるように溶解して塗布することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   The method for forming a monomolecular film according to claim 1, wherein the silane coupling agent is dissolved and applied in a solvent so as to have a concentration of 1 to 20% by volume. 前記基板表面に塗布されるシランカップリング剤として複数種の物質を使用し、この複数種の異なる物質を、同一基板上の複数の各微小領域に塗布することを特徴とする、請求項1に記載の単分子膜の形成方法。   2. The method according to claim 1, wherein a plurality of types of substances are used as silane coupling agents applied to the substrate surface, and the plurality of types of different substances are applied to a plurality of minute regions on the same substrate. A method for forming a monomolecular film as described.
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