JP2653597B2 - 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた分子加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質表面の構造を分子
レベルや官能基のレベルで直接調べたり加工したりする
走査型プローブ顕微鏡と、それを用いた分子加工方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】物質表面の構造を分子レベルや官能基の
レベルで調べたり加工したりする方法としては、 （１）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
調べる方法、 （２）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
加工する方法があり、従来提案されている技術を以下に
示す。 （１）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
調べる方法 この方法としては例えば、Ｘ線マイクロアナライザーに
よって構成原子の比率が、分光学的手段によって化学結
合の種類が、化学的な反応性によって官能基の種類が判
り、また近年、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用い
て物質表面の構造を直接調べようとする研究も成され、
電子雲の違いや、物質表面の電位変化に対するトンネル
電流の変化の違いから、物質表面を構成している個々の
原子を区別する事が可能であり、この方法によって、半
導体基板中の不純物原子の分布などが検出されつつあ
る。このように物質表面の構造は、様々な測定手段を用
いて得られた情報をもとにして総合的に決められてい
る。 （２）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
加工する方法 物質表面の構造は、化学反応によって加工することがで
きる。一般的に行なわれている方法は、保護基などを導
入して物質表面の保護されてない部分の構造を変え、こ
の保護基をはずし、違った部分を保護し、保護されてな
い部分の構造を変える反応を再び実行する、といった操
作を繰り返し行う方法である。

【０００３】また、例えばネイチャー第３４４巻第５２
４頁（Nature,Vol.344(5)524(1990)）に記載されている
ように、ＳＴＭを利用して物質表面の構造を加工する試
みも成され、ＳＴＭを用いて１個１個のキセノン分子を
ニッケル基板上に原子レベルの正確さで並べることに成
功している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来提案されて
いた物質表面の構造を調べる方法および物質表面の構造
を加工する方法の技術では、以下に示すような課題があ
った。 （１）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
調べる場合 Ｘ線マイクロアナライザー、分光学的手段もしくは化学
的な手法などを用いて物質表面の構造を調べる方法は有
用ではある。しかし、光（紫外光から赤外光）を用いた
手段では、光の波長の長さよりも小さい領域の、物質表
面の構造を調べることはできないという課題があり、し
かも、操作が煩雑である。また、ＳＴＭを用いた物質表
面の構造の解析は、原子の種類が少ない時のみ可能であ
り、この物質が多種類の原子で構成されている場合には
ほとんど不可能となるという課題がある。すなわち、何
種類もの原子が存在すると、一つの原子に属する電子は
隣にある原子の電子雲の影響を複雑に受けるため、電子
雲の違いから単純に原子を区別する事が難しくなるから
である。 （２）物質表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで
加工する場合 化学反応によって物質表面の構造を加工する場合、ある
構造の一部のみをを変えたい時でも、反応可能な場所全
てが変わってしまうという課題がある。そこで、変えた
くない場所に保護基などを付け、そこだけ反応しないよ
うにする必要がある。しかし適当な保護基がある場合は
よいが、これがない場合は、構造を変えることが不可能
となり、また、化学反応を用いた加工法では、物質表面
のある狭い領域の構造だけを加工することは困難である
という課題もある。

【０００５】さらに、ＳＴＭを用いて、多種類の原子で
構成されている物質表面の構造を分子や官能基のレベル
で加工するためには、ＳＴＭの探針で物質表面を構成す
る様々な種類の原子を運搬しなくてはならない。しか
し、ＳＴＭの探針で運搬できる原子の種類は限られてい
るので、この物質表面を加工することは困難であるとい
う課題がある。

【０００６】本発明は、かかる従来の課題を解決するた
めに成されたもので、物質表面の構造を分子レベル又は
官能基レベルで容易に直接探索又は加工できる走査型プ
ローブ顕微鏡を提供し、これを用いた物質表面の構造を
分子レベルや官能基のレベルで加工する物質表面の分子
加工方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１番目の発明の走査型プローブ顕微鏡
は、探針を物質表面に接近もしくは接触させて原子レベ
ルの精度で走査し前記物質表面と前記探針との間で生じ
る物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡であって、前
記探針にセンサーとなる分子または官能基が、Ｓｉ−Ｏ
結合を介して固定されているか、または前記センサーと
なる分子が、前記探針表面に電析された金属内部に固定
されており、前記物理量が前記探針を前記物質表面に接
近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査した場合
に、前記センサーとなる分子や官能基と前記物質表面が
相互作用もしくは化学反応をする時に生ずる物理量であ
ることを特徴とする。

【０００８】前記構成においては、走査型プローブ顕微
鏡が、原子間力顕微鏡（以下、ＡＭＦと略称する。）で
あり、検出する物理量が原子間力である事が好ましい。
また、前記構成においては、走査型プローブ顕微鏡が、
走査型電気化学顕微鏡（以下、ＳＥＭと略称する。）で
あり、検出する物理量が電流である事が好ましい。

【０００９】次に、本発明の第２番目の発明の走査型プ
ローブ顕微鏡は、探針を物質表面に接近もしくは接触さ
せた時に前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量
を検出し、前記探針を前記物質表面から離し、前記探針
を原子レベルの精度で移動し、前記探針を再び前記物質
表面に接近もしくは接触させた時に前記物質表面と前記
探針との間で生じる物理量を検出する操作を繰り返す走
査型プローブ顕微鏡であって、前記探針にセンサーとな
る分子または官能基が、Ｓｉ−Ｏ結合を介して固定され
ているか、または前記センサーとなる分子が、前記探針
表面に電析された金属内部に固定されており、前記物理
量が前記探針を前記物質表面に接近もしくは接触した場
合に、前記センサーとなる分子や官能基と前記物質表面
が相互作用もしくは化学反応をする時に生ずる物理量で
あることを特徴とする。

【００１０】前記構成においては、走査型プローブ顕微
鏡が、ＡＭＦであり、検出する物理量が原子間力である
事が好ましい。次に、本発明の第３番目の発明の物質表
面の分子加工方法は、特定の分子または官能基と相互作
用を及ぼし合うかまたは化学反応をする分子または官能
基を固定した探針を有する走査型プローブ顕微鏡の前記
探針を、加工したい物質表面に接近させて前記探針にＳ
ｉ−Ｏ結合を介して固定されるかまたは前記探針表面に
電析された金属内部に固定された分子、または前記探針
にＳｉ−Ｏ結合を介して固定され官能基と前記物質表面
との間で発生する相互作用で生じる物理量を測定しなが
ら原子レベルの精度で走査し、前記物質表面の特定部分
に前記探針を接近もしくは接触させ、前記特定部分で相
互作用もしくは化学反応を行なわせ、前記物質表面の構
造を分子レベルもしくは官能基のレベルで加工するか、
又は、前記探針を加工したい物質表面に接触させて、前
記探針に固定された分子もしくは官能基と前記物質表面
との間で発生する相互作用で生じる物理量を測定しなが
ら原子レベルの精度で走査し、前記物質表面の特定部分
で相互作用もしくは化学反応を行なわせ、前記物質表面
の構造を分子レベルまたは官能基のレベルで加工すると
いう構成を備えたものである。

【００１１】前記加工方法においては、走査型プローブ
顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、探針に固定された分子
もしくは官能基と物質表面間で発生する相互作用で生じ
る物理量が原子間力である事が好ましい。

【００１２】また、前記加工方法においては、走査型プ
ローブ顕微鏡が走査型電気化学顕微鏡であり、探針に固
定された分子もしくは官能基と物質表面間で発生する相
互作用で生じる物理量が電流である事が好ましい。

【００１３】

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針にセン
サーとなる分子や官能基が固定されており、検出する物
理量が前記探針を物質表面に接近もしくは接触させて原
子レベルの精度で走査した場合に、前記センサーとなる
分子または官能基と前記物質表面が相互作用もしくは化
学反応をする時に生ずる物理量であるので、物質表面の
特定の微小領域の構造を分子レベルまたは官能基のレベ
ルで調べたり、加工したりすることが可能になる。

【００１４】また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、
探針にセンサーとなる分子または官能基が固定されてお
り、検出する物理量が前記探針を物質表面に接近もしく
は接触した場合に、前記センサーとなる分子または官能
基と前記物質表面が相互作用もしくは化学反応をする時
に生ずる物理量であるので、物質表面の特定の微小領域
の構造を分子レベルまたは官能基のレベルで調べること
が可能になる。

【００１５】また、探針に固定した分子または官能基
は、物質表面の分子または官能基と特異的に相互作用も
しくは化学反応をすることができるので、多種類の原子
より成る物質表面の構造を直接調べたり、加工すること
が可能になる。また、センサーとなる分子または官能基
がＳｉ−Ｏ結合を介して固定されている場合、センサー
は共有結合を介して探針に固定されることになり、セン
サー分子が容易に探針から脱離することなく探針の耐久
性が向上する。さらに、センサーとなる分子が前記探針
表面に電析された金属内部に固定されている場合、セン
サー分子が容易に探針から脱離することなく探針の耐久
性が向上するとともに、センサー分子が探針と試料間の
電子伝達を妨げることがないため、測定の感度も向上す
る。

【００１６】また、走査型プローブ顕微鏡が、原子間力
顕微鏡（ＡＭＦ）であり、検出する物理量が原子間力で
ある事により、導電性のないサンプルでも容易に物質表
面の構造を直接調べたり、加工することが可能になる。

【００１７】また、走査型プローブ顕微鏡が、走査型電
気化学顕微鏡（ＳＥＭ）であり、検出する物理量が電流
である事により、相互作用として力の作用が生じないよ
うな電気化学的変化が生じた場合でも、容易に物質表面
の構造を直接調べたり、加工することが可能になる。

【００１８】次に本発明の物質表面の分子加工方法は、
物質表面の特定の微小領域の構造を加工することが可能
になる。そして、加工の時には、従来法のように保護基
などを使う必要がなくなり、操作の繁雑性が簡素化でき
る。

【００１９】また、探針に固定した分子や官能基は、物
質表面の分子や官能基と特異的に相互作用もしくは化学
反応をすることができるので、多種類の原子より成る物
質表面の構造を直接加工することが可能になる。

【００２０】また、走査型プローブ顕微鏡が原子間力顕
微鏡であり、探針に固定された分子もしくは官能基と物
質表面間で発生する相互作用で生じる物理量が原子間力
である事により、導電性のないサンプルでも容易に物質
表面の構造を直接加工することが可能になる。

【００２１】また、走査型プローブ顕微鏡が走査型電気
化学顕微鏡であり、探針に固定された分子もしくは官能
基と物質表面間で発生する相互作用で生じる物理量が電
流である事により、相互作用として力の作用が生じない
ような電気化学的変化が生じる場合でも、容易に物質表
面の構造を直接加工することが可能になる。

【００２２】

【実施例】本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針に分
子や官能基を固定し、物質表面を構成する分子や官能基
を直接識別またはその構造を変えたりするする微小セン
サーまたは微小加工器を作ることによって、従来の問題
を解決しようとするものである。

【００２３】なお、走査型プローブ顕微鏡としては、細
い探針を物質表面に接近もしくは接触させて、原子レベ
ルの精度でこの物質表面を走査し、探針と物質表面間に
発生する様々な相互作用の結果生じるトンネル電流や力
や熱などの物理量を検出することによって、物質表面の
形状を調べる装置であり、走査型プローブ顕微鏡の具体
例としては原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、電気化学顕微鏡
（ＳＥＭ）、トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）その他様々
なものがある。これをタイプ１型の走査型プローブ顕微
鏡と定義しておく。

【００２４】また、別のタイプの走査型プローブ顕微鏡
としては、細い探針を物質表面に接近もしくは接触させ
た時に探針と物質表面間に発生する様々な相互作用の結
果生じるトンネル電流や力や熱などの物理量を検出した
後、この探針を物質表面から離し、この探針を原子レベ
ルの精度移動し、再びこの探針を物質表面に接近もしく
は接触させ、物質表面と探針との間で生じる物理量を検
出するという操作を繰り返すことによって、物質の表面
の形状を調べる装置がある。これをタイプ２型の走査型
プローブ顕微鏡と定義しておく。

【００２５】尚、本発明で用いる走査型プローブ顕微鏡
は、その探針が、対象となる試料である物質の表面の特
定の分子や官能基と相互作用を及ぼし合うかまたは化学
反応をする分子や官能基を固定した探針を用いる点で特
異性があるが、他の点においては通常の上述した走査型
プローブ顕微鏡とその構造、動作原理などは基本的に同
一であり、また、通常の上述した走査型プローブ顕微鏡
はすでに知られているので、その構造などの詳細な説明
は省略し、その原理的な作用機構を以下図面を参照しな
がら説明する。

【００２６】図１は本発明のタイプ１型の走査型プロー
ブ顕微鏡の一例としてＡＦＭの要部の構成を示す原理図
である。図１において、６０は測定対象となる試料、６
１は探針、６２は探針の梃部で上面側は、レーザー光な
どの光を反射できるように金属が蒸着されている。６３
は探針の基部、であり、通常顕微鏡本体に固定されてい
る。６４はレーザー光などの光源、６５は前記光源から
出た光を収束し梃部６２の上面側に光を当てるレンズ、
６６は光、６７は光の角度や、強度の変化をキャッチし
電気信号（電圧）に変えるためのセンサーでこの場合は
フォトダイオード、６８はセンサー６７からの電気信号
の増幅器、７０は試料６０を原子レベルの精度で走査す
るための圧電体で、電気信号（電圧）により伸縮し、三
次元方向すなわち試料を上下するＺ軸方向、試料を図の
手前方向や奥方向に移動させるＹ軸方向、試料を図の左
右方向に移動させるＸ軸方向に動くように構成されてい
る。６９は試料のＺ軸方向をコントロールするためのＺ
軸方向制御用サーボ回路、７１は試料検査結果を記憶す
るＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のメモリー装置、７２は試料を設定
した範囲で走査する信号をコントロールするためのＸ−
Ｙ軸方向走査用回路、７３はデータ解析装置、７４はデ
ィスプレイを示す。

【００２７】Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路７２で走査する範
囲やピッチを予め設定しておき、探針６１で試料表面に
接近させまたは接触させて試料表面を走査する。この時
探針６１上に固定された分子や官能基と試料表面の分子
や官能基と相互作用例えば原子間力が働く部位で、探針
６１がＺ軸方向に動こうとすると、それを光６６の反射
方向の変化でセンサー６７でキャッチし電気信号に変
え、信号増幅器６８、Ｚ軸方向制御用サーボ回路６９で
圧電体７０をＺ軸方向に作動させる。この場合に、Ｚ軸
方向制御用サーボ回路６９は、センサー６７の電気信号
の出力が常に一定になるような制御信号を出力するよう
になっている。すなわち強い原子間力が働いて探針６１
と試料６０の距離が近づくような力が生じた場合にはそ
の力が生じていなかったときの力と同じになるよう試料
がＺ軸方向で引き離されるように作動する。この様にし
て試料上を所定の範囲にわたって走査し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸
方向のメモリー装置７１、データ解析装置７３、ディス
プレイ７４または記録装置（図示せず）により試料検査
結果が出力される。

【００２８】図２は本発明のタイプ２型の走査型プロー
ブ顕微鏡の一例としてＡＦＭの要部の構成を示す原理図
である。図２においては、図１で示されたいくつかの部
分がそのまま利用されている。図１と共通する部品の説
明は省略する。７５は試料のＺ軸方向をコントロールす
るためのＺ軸方向制御用回路、７６はＸ、Ｙ、Ｚ軸方向
と６８からの電気信号を記憶する装置、７７は試料を設
定した範囲で走査する信号をコントロールするためのＸ
−Ｙ軸方向走査用回路、７８はデータ解析装置、７９は
ディスプレイを示す。

【００２９】Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路７７で走査する範
囲とピッチを予め設定しておき、Ｚ軸方向制御回路７５
を用いて探針６１を試料表面６０に接近させまたは接触
させる。この時探針６１上に固定された分子や官能基と
試料表面の分子や官能基と相互作用、例えば原子間力が
働く部位で、探針６１がＺ軸方向に動こうとすると、そ
れを光６６の反射方向の変化でセンサー６７でキャッチ
し電気信号に変え、信号増幅器６８によって増幅し、こ
の電気信号とこの時のＸ、Ｙ、Ｚの位置を記憶装置７６
で記憶する。次に、Ｚ軸方向制御用回路７５を用いて探
針を試料表面から離し、Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路７７を
用いてあらかじめ設定されたピッチだけ移動する。再び
Ｚ軸方向制御用回路７５を用いて探針６１を試料表面６
０に接近または接触させて、同様に、探針６１上に固定
された分子や官能基と試料表面の分子や官能基と相互作
用例えば原子間力が働く部位で、探針６１がＺ軸方向に
動こうとすると、それを光６６の反射方向の変化でセン
サー６７でキャッチし電気信号に変え、信号増幅器６８
によって増幅し、この電気信号とこの時のＸ、Ｙ、Ｚの
位置を７６で記憶する。このような操作をＸ−Ｙ軸方向
走査用回路７７で設定された走査範囲で繰り返す。この
様にして探針を試料上の所定の範囲にわたって走査し、
データー解析装置７８、ディスプレイ７９または記録装
置（図示せず）により試料検査結果が出力される。

【００３０】尚、上記探針６１は特に限定するものでは
ないが探針６１の根元部の直径は例えば４μｍ程度、長
さは１μｍ程度、探針先端の曲率半径は０．５〜１μｍ
程度、梃部６２の厚さは１．５μｍ程度のオーダーのも
のが通常使用されている。

【００３１】本発明においては原子レベルの精度で走査
することが必要であるが、例えば０．０１〜０．１オン
グストロームの精度で、走査範囲は通常１０μｍ角程度
の範囲を走査するのが一般的である。

【００３２】図３は本発明の走査型プローブ顕微鏡の一
例としてＳＥＭの要部の構成を示す原理図である。図３
において、９０は測定対象となる試料、９１はセル、９
２は電解液などの溶液、９３は作用極（電極）と成る探
針、９４は白金などからなる対極（電極）、９５は探針
９３の電位を決めるための参照極、９６はポテンシヨス
タット、９７はポテンシヨスタット９６からの電流増幅
器、９９は試料９０を原子レベルの精度で走査するため
の圧電体で、電気信号（電圧）により伸縮し、三次元方
向すなわち試料を上下するＺ軸方向、試料を図の手前方
向や奥方向に移動させるＹ軸方向、試料を図の左右方向
に移動させるＸ軸方向に動くように構成されている。９
８は試料のＺ軸方向をコントロールするためのＺ軸方向
制御用サーボ回路、１００は試料検査結果を記憶する
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のメモリー装置、１０１は試料を設定
した範囲で走査する信号をコントロールするためのＸ−
Ｙ軸方向走査用回路、１０２はデータ解析装置、１０３
はディスプレイを示す。

【００３３】探針９３に固定された分子や官能基と試料
表面の分子や官能基と相互作用例えば電気化学反応が生
じやすい部位で、探針９３に電流が強く流れようとする
所があると、それが当初の一定値になるように圧電体９
９がＺ軸方向に動いて、電流が当初の一定値になるよう
に作動する以外は前記の図１のＡＭＦの場合と作動機構
は同一である。

【００３４】図１、図２および図３で示した例の場合に
は試料の方を圧電体で動くようにしているが、探針の方
を圧電体に接続して、探針の方が動く形にしても良いこ
とはもち論である。

【００３５】本発明の走査型プローブ顕微鏡の別の一例
として、図４にＡＦＭの探針に分子や官能基が固定され
た状態を示す原子間力顕微鏡の部分模式図を示し、ま
た、図５に本発明のＡＦＭを用いた物質表面の探索原理
を模式図で示した。

【００３６】図４に示すように、センサーとなる分子や
官能基２がＡＦＭの探針１に固定され、探針１と試料と
なる物質３表面間で働く力を検出するセンサー４とは、
圧電体５，６および７を介して物質３表面に原子レベル
の精度で位置を制御する。但し圧電体５および６は各々
探針１をＹ軸方向、Ｘ軸方向に走査させるための圧電体
であり、また圧電体７は探針１と物質３表面間の距離を
変えるための圧電体である。この分子や官能基２は、物
質３表面を構成する分子や官能基９と特異的に相互作用
もしくは化学反応をするものとする。

【００３７】次に図５に示したように、この探針１を物
質３の表面に圧電体７を用いて接近させるかもしくは接
触させ、圧電体５および６を用いて原子レベルの精度で
走査する。物質３表面は分子や官能基８で構成され、そ
の中でも探針１表面の分子や官能基２と特異的に相互作
用もしくは化学反応性を有する分子や官能基９が存在す
るものとする。圧電体５又は６を用いて操作方向１０の
方に探針１を操作してゆく。探針１が物質３の表面の特
定の分子や官能基９の位置にきたとき、ここで特異的に
相互作用もしくは化学反応が起き、他の場所にはみられ
ない大きな力の変化が生じる。この時の力を探針１表面
の分子や官能基２を介してセンサー４で検出することに
よって、物質３の表面の特定の分子や官能基９の位置が
分かる。なお、センサー４による力の検出機構は、先に
図１などで説明した機構など適宜の機構が採用できる。
また、探針１の先に固定する分子や官能基２の種類を色
々代え、これらの操作を繰り返すことによって、物質３
の表面の構造を分子レベルや官能基のレベルで直接調べ
ることができる。

【００３８】なお、物質３表面を構成する特定の分子や
官能基９と相互作用や化学反応をして、その構造を変え
ることのできる分子や官能基２をＡＦＭの探針１に固定
してやれば、物質３表面の構造を分子レベルもしくは官
能基のレベルで加工することができる。この場合の物質
３表面の加工は、以下のようにして行う。

【００３９】例えば、まず、探針１に何も固定されてい
ない従来のＡＦＭで、加工したい物質３表面の形状を調
べる。次に、このＡＦＭによって得られた情報を基にし
て、物質３表面中の加工したい部分の近傍に分子や官能
基２の固定されたＡＦＭの探針１を持って行く。この
後、この探針１を物質３表面に接近させて、力を探針１
に固定された分子や官能基２を介してセンサー４で測定
しながら、圧電体５又は６を用いて原子レベルの精度で
走査する。そして、加工したい特定の部分にこの探針１
を最接近させるかもしくは接触させることによって、相
互作用や化学反応を起こさせ、この特定部分の構造を変
える。なお、この探針１を始めから物質３表面の加工し
たい部分の近傍に接触させておいて、力を測定しながら
原子レベルの精度で走査して、物質表面の特定の部分に
おいて相互作用や化学反応を起こさせ、その部分の構造
を変えることもできる。探針の先に固定する分子や官能
基の種類を色々変えてこれらの操作を繰り返すことによ
って、物質表面の構造を、分子レベルや官能基のレベル
で加工することができる。

【００４０】物質表面において生ずる相互作用や化学反
応によって生じる物理量としては例えば、ファンデルワ
ールス力、イオンによって生ずる電気的なクーロン力、
水素結合によるクーロン力などの原子間力や電気化学反
応によって生じる電流などが挙げられるが、これのみに
限定されるものではなく、相互作用や化学反応によって
生じる測定可能な物理量であれば他のものでも良い。

【００４１】なお、走査型プローブ顕微鏡の探針への分
子や官能基の固定方法と、測定試料の作製方法を以下に
示しておく。ここで、１−２−６〜１−２−９で示され
た方法は、Ｎ．バラチャンダー等によって提案されたも
の(N.Balachander,C.N.Sukenik,Langmuir,6(11),132(19
90))を応用したものである。

【００４２】１：ＡＦＭの探針への分子または分子集団
の固定法 １−１：ＡＦＭの探針の前処理 用いるＡＦＭの探針は窒化シリコンもしくは酸化シリコ
ンでできたものである。窒化シリコンの場合は、水酸化
ナトリウムによるアルカリ処理、熱硝酸による処理、熱
硫酸による処理、酸素雰囲気中での熱処理のいずれかに
よって探針を酸化して、表面に水酸基（−ＯＨ）を付加
する。

【００４３】１−２：分子または分子集団の固定法 １−２−１：末端がメチル基である分子の固定法 末端にメチル基を持つシランカップリング剤［ＣＨ
₃（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を非水系有機溶剤（たとえばヘ
キサデカン８０vol.％、クロロホルム１２vol.％、四塩
化炭素８vol.％）に、１wt. ％溶解して反応溶液とす
る。

【００４４】この反応溶液に１−１で処理された探針を
入れ、窒素雰囲気中で約２時間反応を行わせる。反応は
脱塩酸反応によって進む。この反応は下記式（化１）の
ように表わすことができる。

【００４５】

【化１】

【００４６】次に、この探針を２つの糟の非水溶液（た
とえばクロロホルム溶液）に１５分づつ浸漬して、未反
応シランカップリング剤を洗浄、除去する。次に、純水
を用いて水洗を行う。これによってクロロシリル基（−
ＳｉＣｌ）はシラノール基（−ＳｉＯＨ）に加水分解さ
れる。この反応は下記式（化２）のように表わすことが
できる。

【００４７】

【化２】

【００４８】次に乾燥することにより、前記シラノール
基（−ＳｉＯＨ）は脱水縮合して隣のＳｉ基との間でシ
ロキサン結合（−ＳｉＯ−）が形成される。この反応は
下記式（化３）のように表わすことができる。

【００４９】

【化３】

【００５０】図６はシランカップリング剤によって、末
端がメチル基の分子が探針１に固定される様子を示した
模式図であるが、上述の操作によって、図６に示すよう
に、探針１表面の水酸基１１とトリクロロシランカップ
リング剤１２が反応して、末端がメチル基の化学吸着単
分子膜１３が探針１に形成される。この化学吸着単分子
膜１３は探針１の基材表面と共有結合によって固定され
ている。

【００５１】なお、シランカップリング剤の化学式中の
ｎは０〜２５で可能であるが、ｎが１０〜２０のときが
好都合である。 １−２−２：末端がシアノ基である分子の固定法 末端にシアノ基（−ＣＮ）を持つシランカップリング剤
［ＮＣ（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を非水系有機溶剤（たと
えばヘキサデカン８０vol.％、クロロホルム１２vol.
％、四塩化炭素８vol.％）に、１wt. ％溶解して反応溶
液とする。

【００５２】この反応溶液に１−１で処理された探針を
入れ、窒素雰囲気中で約２時間反応を行わせ、次に、こ
の探針を２つの糟のクロロホルム溶液に１５分づつ浸漬
した後、水洗を行う。以上の操作によって、前記式（化
１）〜（化３）と同様の反応を起こさせ、末端がシアノ
基の分子を探針表面に固定する。

【００５３】なお、シランカップリング剤の化学式中の
ｎは０〜２５で可能であるが、ｎが１０〜２０の時が好
都合である。 １−２−３：末端がハロゲンである分子の固定法 末端にハロゲン基を持つシランカップリング剤［Ｘ_kＣ
Ｈ_3-k（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃；ｋ＝１，２，３、Ｘ＝Ｃ
ｌ，Ｂｒ，Ｆ］を非水系有機溶剤（たとえばヘキサデカ
ン８０vol.％、クロロホルム１２vol.％、四塩化炭素８
vol.％）に１wt.％溶解して反応溶液とするこの反応溶
液に１−１で処理された探針を入れ、窒素雰囲気中で約
２時間反応を行わせ、次に、この探針を２つの糟のクロ
ロホルム溶液に１５分づつ浸漬した後、水洗を行う。以
上の操作によって、前記式（化１）〜（化３）と同様の
反応を起こさせ、末端がハロゲンの分子を探針表面に固
定する。

【００５４】なお、シランカップリング剤の化学式中の
ｎは０〜２５で可能であるが、ｎが１０〜２０のときが
好都合である。 １−２−４：末端がアルコール基（−ＣＨ₂ＯＨ）もし
くはカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）である分子の固定法 末端がトルエンカルボン酸でエステル化されたシランカ
ップリング剤［ＣＨ₃−Ｃ₆Ｈ₄−ＯＯＣ（ＣＨ₂）_n−Ｓ
ｉＣｌ₃］を、１−１で処理された探針に１−２−１と
同じ方法で固定する。

【００５５】なお、シランカップリング剤の化学式中の
ｎは０〜２５で可能であるが、ｎが１０〜２０のときが
好都合である。次に、上記の探針を数wt.％のリチウム
アルミニウムハイドライド（ＬｉＡｌＨ₄）を含むエー
テル溶液中で室温下で２０分反応させるか、もしくは塩
酸の３６％溶液中で６５℃で３０分反応させて、末端に
アルコール基もしくはカルボキシル基を持つ分子を探針
に固定する。

【００５６】１−２−５：末端がアルコール基（−ＣＨ
₂ＯＨ）である分子の固定法（他の方法） 末端がビニル基（−ＣＨ＝ＣＨ₂）を有するトリクロロ
シランカップリング剤［ＣＨ₂＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_n−Ｓ
ｉＣｌ₃］を１−２−１と同じ方法で１−１で処理され
た探針に固定する。なお、シランカップリング剤の化学
式中のｎは０〜２５で可能であるが、ｎが１０〜２０の
ときが好都合である。

【００５７】次に、この探針をジボランの溶解したテト
ラヒドロフラン溶液（１Ｍ）に浸しアルゴン雰囲気中室
温で１分間反応させた後、過酸化水素と水酸化ナトリウ
ムの混合溶液（過酸化水素３０％、水酸化ナトリウム
０．１Ｍ）に浸し１分間反応させて、末端にアルコール
基を持つ分子を固定する。

【００５８】１−２−６：末端がチオール基（−ＳＨ）
である分子の固定法 分子末端に臭素を有するトリクロロシランカップリング
剤［Ｂｒ（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を１−１で処理された
探針に１−２−１と同じ方法で固定する。

【００５９】なお、シランカップリング剤の化学式中の
ｎは０〜２５で可能であるが、いずれの場合も、ｎが１
０〜２０のときが好都合である。次に、チオシアン酸カ
リウム１００ｍｇをＮ，Ｎジメチルホルムアミド溶液１
０ｍｌにとかし、上記の探針をこの溶液に浸して２０時
間反応を行わせる。

【００６０】そして、リチウムアルミニウムハイドライ
ドの溶解したエーテル(10mg/ml)にこの探針を浸し４時
間反応させて、末端がチオール基の分子を固定する。

【００６１】１−２−７：末端がアミノ基（−ＮＨ₂）
である分子の固定法 シアノ基を分子末端に持つトリクロロシランカップリン
グ剤［ＮＣ−（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を１−１で処理さ
れた探針に１−２−１と同じ方法で固定する。なお、シ
ランカップリング剤の化学式中のｎは０〜２５で可能で
あるが、ｎが１０〜２０のときが好都合である。

【００６２】次に、リチウムアルミニウムハイドライド
の溶解したエーテル（１０ｍｇ／ｍｌ）に上記の探針を
入れ、一晩反応させる。この探針を取り出し、空の容器
に入れて、エーテル、続いてエーテルと同容量の１０％
の塩酸を加える。その後探針をトリエチルアミン溶液に
入れて、２時間反応を行わせた後、クロロホルム溶液で
洗浄して、末端にアミノ基を持つ分子を固定する。

【００６３】１−２−８：末端がアミノ基（−ＮＨ₂）
である分子の固定法（他の方法） 分子末端に臭素を有するトリクロロシランカップリング
剤［Ｂｒ（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を、１−１で処理され
た探針に１−２−１と同じ方法で固定する。なお、シラ
ンカップリング剤の化学式中のｎは０〜２５で可能であ
るが、ｎが１０〜２０のときが好都合である。

【００６４】次に、ナトリウムアジドの溶解したＮ，Ｎ
ジメチルホルムアミド溶液（８ｍｇ／ｍｌ）に上記の探
針を浸し一晩反応を行わせる。そして、リチウムアルミ
ニウムハイドライドの溶解したエーテル（１０ｍｇ／ｍ
ｌ）にこの探針を浸し、一晩反応させる。この探針を取
り出し、空の容器に入れて、エーテル、続いてエーテル
と同容量の１０％の塩酸を加える。その後探針をトリエ
チルアミン溶液に浸し、２時間反応を行わせた後、クロ
ロホルム溶液で洗浄して、末端がアミノ基の分子を固定
する。

【００６５】１−２−９：末端がスルホン酸基（−ＳＯ
₃Ｈ）である分子の固定法 分子末端に臭素を有するトリクロロシランカップリング
剤［Ｂｒ（ＣＨ₂）_nＳｉＣｌ₃］を、１−１で処理され
た探針に１−２−１と同じ方法で固定する。なお、シラ
ンカップリング剤の化学式中のｎは０〜２５で可能であ
るが、ｎが１０〜２０のときが好都合である。

【００６６】次に、チオシアン酸カリウム１００ｍｇを
Ｎ，Ｎジメチルホルムアミド溶液１０ｍｌにとかし、上
記の探針をこの溶液に浸して２０時間反応を行わせる。
そして、リチウムアルミニウムハイドライドの溶解した
エーテル（１０ｍｇ／ｍｌ）にこの探針を浸し、４時間
反応させる。

【００６７】最後に、３０vol.％の過酸化水素水と３０
vol.％の酢酸が容量比で１対５の混合溶液中にこの探針
浸し、４０℃から５０℃の間で３０分反応させ、末端が
スルホン酸基の分子を固定する。

【００６８】１−２−１０：探針への牛血清アルブミン
の坑体の固定方法 １−１で処理された探針を２，４，６−トリクロロ−
１，３，５−トリアジンで飽和したトルエン溶液に浸し
て室温で２時間反応を行わせる。次に、この探針をトル
エンでよく洗浄した後、牛血清アルブミンの坑体の入っ
た水溶液（１００ｍｇ／ｍｌ）に浸して室温で３０分反
応させ、坑体を探針に固定する。

【００６９】１−２−１１：探針への牛血清アルブミン
の坑体の固定方法（他の方法） １−１で処理された探針を、１０wt. ％の３−アミノプ
ロピルトリエソキシシラン水溶液中５０℃で２時間、
２．５wt. ％のグルタルアルデヒド水溶液中室温で１時
間、最後に抗体の水溶液（１００ｍｌ／ｍｇ）中室温で
１時間浸すことによって反応を行なわさせ、牛血清アル
ブミンの坑体を固定する。

【００７０】１−２−１２：探針への牛血清アルブミン
の坑体の固定方法（他の方法） １−２−４または１−２−５の方法で、末端がアルコー
ル基である分子を１−１で処理された探針に固定した
後、１−２−１０または１−２−１１の方法を用いて牛
血清アルブミンの抗体を固定する。

【００７１】１−２−１３：探針への牛血清アルブミン
の坑体の固定方法（他の方法） １−２−４の方法によって、末端がカルボキシル基であ
る分子を１−１で処理された探針に固定する。

【００７２】次に、この探針を１−（３−ジメチルアミ
ノプロピル）−３−エチルカルボジイミド［（ＣＨ₃）₂
Ｎ（ＣＨ₂）₃Ｎ＝Ｃ＝ＮＣＨ₂ＣＨ₃］溶液（２５ｍｇ／
ｍｌ）に浸して０℃で１時間反応さるせ。

【００７３】最後に、この探針を０℃の抗体溶液（１０
０ｍｇ／ｍｌ）に一晩浸し反応させて、牛血清アルブミ
ンの抗体を固定する。 １−２−１４：探針上への牛血清アルブミンの坑体の固
定方法（他の方法） １−２−７または１−２−８の方法によって、末端がア
ミノ基である分子を１−１で処理された探針に固定す
る。

【００７４】次に、この探針を１−（３−ジメチルアミ
ノプロピル）−３−エチルカルボジイミド［（ＣＨ₃）₂
Ｎ（ＣＨ₂）₃Ｎ＝Ｃ＝ＮＣＨ₂ＣＨ₃］溶液（２５ｍｇ／
ｍｌ）に浸して０℃で１時間反応させる。

【００７５】最後に、この探針を０℃の抗体溶液（１０
０ｍｇ／ｍｌ）に一晩浸して反応さて、牛血清アルブミ
ンの抗体を固定する。 １−２−１５：探針上へのアルコールデヒドロゲナーゼ
の固定方法 １−１で処理された探針へのアルコールでヒドロゲナー
ゼの固定方法は、１−２−１０〜１−２−１４のいずれ
かの方法によって行う。但し、抗体の代わりにアルコー
ルデヒドロゲナーゼを用いる。

【００７６】１−２−１６：探針上へのペプチターゼの
固定方法 １−１で処理された探針へのペプチターゼの固定方法
は、１−２−１０〜１−２−１４のいずれかの方法によ
って行う。但し、抗体の代わりにペプチターゼを用い
る。

【００７７】２：ＳＥＭの探針上への分子または官能基
の固定法 ２−１：探針の前処理 ＳＥＭの探針には、先端の鋭い白金線を用いる。この探
針をよく蒸留水で洗浄する。

【００７８】２−２：分子または官能基の固定法 ２−２−１：酵素アルコールデヒドロゲナーゼの固定法 塩化白金酸（３０ｍｇ／ｍｌ）と酢酸鉛（０．６ｍｇ／
ｍｌ）の混合溶液５０ｍｌに１Ｍの水酸化ナトリウム水
溶液を滴下して溶液のｐＨを７．０にする。次に、アル
コールデヒドロゲナーゼ５００ｍｇをこの溶液に加え
る。

【００７９】そして、２−１で処理されたＳＥＭの白金
線を作用電極、対極を白金板、参照電極を銀・塩化銀電
極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）として、これらの３電極を上記の
溶液に入れる。ポテンショスタットを用いて、白金線の
電位を参照電極にたいして１０秒間マイナス０．２Ｖに
設定する事によって、この白金線上にアルコールデヒド
ロゲナーゼと共に白金を電析する。次に、この白金線を
リン酸緩衝溶液で洗浄してＳＥＭ用の探針とする。

【００８０】３：測定試料の作製法 ３−１：表面から２種類の官能基の出ている測定試料の
作製法 測定試料は基板とする。用いる基板は、酸化膜の付いた
シリコンウェーハー、酸化シリコン膜の付いたガラス基
板もしくは表面の酸化しているグラファイト基板であ
る。これらの基板は全て表面から水酸基がででいるの
で、１−２−１〜１−２−３と同じ方法で表面からメチ
ル基（−ＣＨ₃）、シアノ基（−ＣＮ）、ハロゲン基な
どを出すことができる。但し、それぞれの基板表面から
は２種類の官能基が出るようにする。

【００８１】図７は２種類の官能基の固定された基板の
作製工程を示した図である。図７中（ａ）に示すよう
に、あらかじめ基板２６の全部を任意のパターン状にレ
ジスト２７でカバー（マスキング）しておき（２８はレ
ジストの付いていない部分を示す。）、図７（ｂ）に示
すように、この基板２６を反応容器２９中の反応溶液３
０に浸して反応を行なわせ、図７（ｃ）に示すようにレ
ジストの付いていない部分に選択的に官能基を固定す
る。３１は官能基の固定された部分を示す。その後、図
７（ｄ）に示すようにこのレジストを除き（３２はレジ
ストが除かれた部分を示す。）、図７（ｅ）に示すよう
に、この基板２６を他の反応溶液３３に浸して図７
（ｆ）に示されるようにレジストを除いた部分に官能基
を固定する。３４はこの官能基が固定された部分を示す
ものである。このようにして、２種類の官能基がパター
ン状に付いた基板が作製される。

【００８２】３−２：表面から２種類の官能基の出てい
る測定試料の作製法（他の方法） 測定試料は基板とする。用いる基板は、酸化膜の付いた
シリコンウェーハー、酸化シリコン膜の付いたガラス基
板または表面の酸化しているグラファイト基板である。
１−２−５〜１−２−９の方法を利用して、反応時間を
調整することによって、ビニル基（−ＣＨ＝ＣＨ₂）と
アルコール基（−ＣＨ₂ＯＨ）、ブロモ基（−Ｂｒ）と
チオシアノ基（−ＳＣＮ）、チオシアノ基（−ＳＣＮ）
とチオール基（−ＳＨ）、チオール基（−ＳＨ）とスル
ホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）、ブロモ基（−Ｂｒ）とアジド
基（−Ｎ₃）、アジド基（−Ｎ₃）とアミノ基（−Ｎ
Ｈ₂）、シアノ基（−ＣＮ）とアミノ基（−ＮＨ₂）、等
の２種類の官能基を基板表面から混在させて出す。

【００８３】３−３：３種類の血清アルブミンの固定さ
れた基板の作製法 基板上に固定するタンパク質は、牛血清アルブミン、馬
血清アルブミン、鳥血清アルブミンとする。基板上への
固定方法はラングミュア−ブロジェット法による。

【００８４】図８はラングミュア−ブロジェット法によ
るタンパク質の基板上への固定法を示した工程図であ
る。図８の（ａ）に示すように、まず、３種類のタンパ
ク質を等重量含む混合水溶液（タンパク質総量０．２ｍ
ｇ／ｍｌ）を、マイクロシリンジ３５を用いて１００μ
ｌだけ清浄な水溶液３８上に滴下する。この時のバリア
ー３６で挟まれた水面上の表面積は約４００ｃｍ² とす
る。なお、３７はタンパク質溶液、３９は容器を示す。
なお、バリアー３６は特に限定するわけではないが通常
フッ素樹脂などからなる断面が４角形の棒状物からなる
ものである。

【００８５】次に、図８の（ｂ）で示したように、バリ
アー３６の間隔を狭めて水面上のタンパク質の膜を圧縮
し、水面上のタンパク質膜の表面圧を１６ｍＮ／ｍにす
る。最後に、図８の（ｃ）に示すように表面圧が一定に
なるようにバリアーの動きにフィードバックをかけ、疎
水処理を行った基板４０を水面に垂直に挿入後、再び引
き出す。

【００８６】なお、用いる基板は表面から水酸基の出て
いるガラス板、シリコンウェイハー、グラファイト基板
または雲母などで、１wt. ％のステアリルトリクロロシ
ランを含む有機溶剤（ヘキサデカン８０vol.％、クロロ
ホルム１２vol.％、四塩化炭素８vol.％）中で２時間反
応を行わせることによって疎水性にしたものである。

【００８７】以上の一連の操作によって３種類の血清ア
ルブミンが基板に固定される。 ３−４：牛血清アルブミンの固定された基板の作製法 ３−３と同じ方法によって基板上に牛血清アルブミンを
基板上に固定する。但し、用いるタンパク質は、牛血清
アルブミン１種類のみとする。

【００８８】実施例１ 官能基間の電気陰性度の違いを利用した物質表面の分析 本実施例は、電気陰性度の違いに基づいて官能基間に働
く相互作用を利用した分析である。前述の１−２−３の
方法を用い、トリクロロメチル基（−ＳｉＣｌ₃）を末
端に持つ分子をＡＦＭの探針に固定した。また、３−２
の方法によって、表面からビニル基とアルコール基がラ
ンダムに出ている基板を作り、測定試料とした。

【００８９】上記のＡＦＭの探針を測定試料表面に接近
させて、この探針と試料表面の間に働く力が一定になる
ように探針と試料表面との間の距離を調製しながら、探
針を原子レベルの精度（この場合数オングストロームの
精度、以下同様）で試料表面を走査した。この時、探針
の軌跡が描く曲線群の形状を調べたところ、多数の分子
レベルの凹凸が観測された。

【００９０】この結果、凹のある位置にビニル基、凸の
ある位置にアルコール基が存在すると判断された。なぜ
なら、アルコール基の電気陰性度（３．８９）と探針上
のトリクロロメチル基の電気陰性度（３．０３）との差
は、ビニル基の電気陰性度（３．０８）と探針上のトリ
クロロメチル基の電気陰性度の差より大きく、このた
め、探針とアルコール基間に働く力は、探針とビニル基
間に働く力よりも大きくなるからである。

【００９１】実施例２ 抗原坑体反応を利用した、タンパク質の分布の測定 前述の１−２−１０の方法を用いて、ＡＦＭの探針に牛
血清アルブミンの坑体を固定した。また、３−３の方法
によって、３種類の血清アルブミンの固定された基板を
作製し、測定試料とした。

【００９２】上記のＡＦＭの探針を測定試料表面に接近
させて、この探針と試料表面の間に働く力が一定になる
ように探針と試料表面との間の距離を調製しながら、探
針を原子レベルの精度で試料表面を走査した。この時、
探針の軌跡が描く曲線群の形状を調べたところ、多数の
分子レベルの突起が観測された。

【００９３】この結果、この突起のある位置に牛血清ア
ルブミン分子が存在すると判断された。なぜなら、探針
が牛血清アルブミン上にきたとき、探針上の坑体は抗原
である牛血清アルブミンと特異的に強い力を及ぼし合う
ため、この探針と試料表面の距離は探針が他の血清アル
ブミン上にいる場合に比べて大きくなるからである。

【００９４】実施例３ 酵素反応を用いた試料表面の分析 前述の２−２−１の方法を用いて、ＳＥＭの探針にアル
コールデヒドロゲナーゼを固定した。また、３−２の方
法によって、表面からビニル基とアルコール基がランダ
ムに出ている基板を作り、測定試料とした。これとは別
に、アルコールデヒドロゲナーゼの補酵素ニコチンアミ
ドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ⁺ ）１０ｍＭとメル
ドーラブルー（以下ＭＢ⁺ で示す。また、構造式を（化
４）に示す。）２００μＭの溶けたリン酸緩衝溶液
（０．１Ｍ、ｐＨ＝７．０）を用意した。

【００９５】

【化４】

【００９６】上記の溶液中に、試料基板、ＳＥＭの探
針、白金板電極、銀・塩化銀の参照電極を入れ、探針を
作用極、白金板電極を対極とした。なお、試料基板の電
位は特に設定しなかった。

【００９７】まず、ＳＥＭの探針の電位を参照電極にた
いして５０ｍＶに設定し、この探針を測定試料表面に接
触させた。次に、この探針に流れる電流を測定しなが
ら、探針を原子レベルの精度で試料表面を走査した。走
査の結果、試料表面に、電流値が他の場所に比べてが異
常に大きくなる箇所が多数見いだされた。そして、この
電流の大きい箇所にアルコール基があると判断された。
以下に理由を示す。

【００９８】探針がアルコール基と接触すると、探針の
アルコールデヒドロゲナーゼはアルコール基を酸化しア
ルデヒド基に変える。この反応にともない、ＮＡＤ⁺ は
ＮＡＤＨに還元される。還元されたＮＡＤＨは、メルド
ーラブルー（ＭＢ⁺ ）に酸化され、ＮＡＤ⁺ になる。そ
して、還元されたメルドーラブルー（ＭＢＨ）は探針に
よって酸化され、この時に酸化電流が流れる。この様子
を（化５）に示した。

【００９９】

【化５】 Ｒ−ＣＨ₂ＯＨ＋ＮＡＤ⁺→Ｒ−ＣＨＯ＋ＮＡＤＨ＋Ｈ⁺ ＮＡＤＨ＋ＭＢ⁺→ＮＡＤ⁺＋ＭＢＨ ＭＢＨ→ＭＢ⁺＋Ｈ⁺＋２ｅ^- 従って、探針がアルコール基と接触した時は、ビニル基
に接触している場合に比べて電流値が大きくなり、これ
によって、アルコール基の位置が分かる。

【０１００】実施例４ 分子間の吸着力の違いを利用した物質表面の分析 本実施例は、分子間の吸着力の違いに基づいて官能基間
に働く相互作用を利用した分析である。前述の１−２−
１の方法を用い探針にオクタデシルトリクロロシラン
［ＣＨ₃（ＣＨ₂）₁₇ＳｉＣｌ₃：以下ＯＴＳと記す］を
ＡＦＭの探針に固定した。また、前述の３−１の方法を
用い、酸化膜の付いたシリコン基板上に、ＯＴＳとテト
ラデシルトリクロロシラン［ＣＨ₃（ＣＨ₂）₁₃ＳｉＣｌ
₃：以下ＴＴＳと記す］で、図９の様な２μｍ角の格子
状のパターンを作製した。

【０１０１】測定は、探針と基板上の分子との間に働く
ファンデルワールス力の影響を少なくするために、エタ
ノール溶液中で行った。測定においては、探針に付けら
れたＯＴＳとシリコン基板上のＯＴＳもしくはＴＴＳと
の間に働く吸着力を調べる事によって、ＯＴＳとＴＴＳ
の表面分布を調べた。以下に測定方法を示す。

【０１０２】試料の測定範囲は、１０μｍ²とした。試
料上の最初の点におけるフォースカーブを測定後、探針
をいったん試料から離し、この探針を５０ナノメートル
別の場所に移動して、この点で再びフォースカーブを測
定する。同様に、再び探針を別の場所に移動して、そこ
でフォースカーブを測定するという操作を繰り返す。こ
の操作によって１０μｍ²の範囲内での吸着力の分布を
調べた。

【０１０３】なお、フォースカーブの測定方法と、デー
ターの解釈の仕方を以下に示しておく。フォースカーブ
は、試料のＸ、Ｙの位置を固定して、Ｚ方向のみを変化
させたときに探針に働く力を測定する事によって得られ
る。具体的には、試料のＺ軸方向を制御するピエゾ素子
にかける電圧を図１０の様な三角波とし、Ｚ方向の走引
幅が３００ナノメートル程度になるように電圧を決め
る。この結果、探針は、相対的に試料に近づいては離れ
るといった往復運動をする。図１１が典型的なフォース
カーブである。横軸は探針と試料の間の距離を示し、右
に行くに従って探針と試料との間の距離は大きくなる。
横軸の０点は、ピエゾ素子にかかる電圧が０Ｖの位置で
あるが、この図には表示されていない。縦軸は探針に働
く力を示し、Ｏ点では探針は試料からなんら力を受けて
おらず、これより上では斥力、下では引力を受ける事を
示す。吸着力がある場合には一般にフォースカーブには
ヒシテリシスがあり、図中に、移動方向を矢印で示して
ある。この図においては探針と試料とに働く吸着力は３
ｎＮである。

【０１０４】以下に本実施例の結果を示す。フォースカ
ーブは、図１２と図１３の二つのタイプのものが観測さ
れた。吸着力はそれぞれ５ｎＮと３ｎＮであった。図１
４にＹ方向を固定した場合の吸着力のＸ方向依存性を示
す。これより、２μｍごとに吸着力が変化している事が
分かる。

【０１０５】これらとは別に、酸化膜の付いたシリコン
基板にＯＴＳもしくはＴＴＳのみを付けた試料を作製し
て、これらの試料と前記ＯＴＳの付いた探針との間に働
く吸着力を測定した。吸着力は、前記記載と同様の方法
で調べた。その結果、ＯＴＳとＴＴＳの付いた試料で
は、それぞれ５ｎＮと３ｎＮであった。

【０１０６】以上の結果より、図１４では、吸着力の大
きい場所にはＯＴＳ、小さな場所にはＴＴＳが付いてい
るという事が分かった。従って、試料基板と探針との間
に働く吸着力の面内分布を調べる事によって、基板上の
ＯＴＳとＴＴＳの分布を調べる事ができ、その結果、基
板上には、ＯＴＳとＴＴＳが２μｍの格子状にパターン
になっている事が調べられた。以上の説明のとおり、分
子間の吸着力の違いを利用して物質表面を分析する事が
できた。

【０１０７】実施例５ 酵素反応を利用した、分子マニュピレーション（分子加
工法） 上述の１−２−１５の方法を用いて（この中でも特に１
−２−１０を応用）ＡＦＭの探針にアルコールデヒドロ
ゲナーゼを固定した。また、３−２の方法によって、表
面からアルコール基の出ている基板を作製した。但し、
この場合、基板表面から出ている官能基はアルコール基
のみになるようにした。これとは別に、アルコールデヒ
ドロゲナーゼの補酵素ニコチンアミドアデニンジヌクレ
オチド（ＮＡＤ⁺ ）１０ｍＭの溶けたリン酸緩衝溶液
（０．１Ｍ、ｐＨ＝７．０）を用意した。

【０１０８】まず、上記の溶液中で、探針に何も固定さ
れていない従来のＡＦＭを用いて試料表面の形状を調
べ、加工したい場所を決めた。次に、この試料の形状の
データーを基にして、同じ溶液中で、アルコールデヒド
ロゲナーゼの固定されたＡＦＭの探針を加工したい表面
の近傍に持ってきた。その後、この探針を試料表面に接
近させて、力（原子間力）を測定しながら原子レベルの
精度で走査する。そして特定の位置において、この探針
を試料表面に接触させ、この状態で、原子レベルの精度
でゆっくりと走査する。探針を試料から離し、再び力を
測定しながら試料上を走査する。その後、また別の場所
に探針を接触させて走査するという操作を繰り返した。

【０１０９】これらの操作の結果、探針を接触させて走
査したところだけ、表面のアルコール基は酸化されてア
ルデヒド基になった。以上のことより、この方法によっ
て物質表面の構造を官能基のレベルで加工できた。

【０１１０】実施例６ 酵素反応を利用した、分子マニュピレーション 前述の１−２−１６の方法を用いて（この中でも特に１
−２−１０を応用）ＡＦＭの探針にペプチターゼを固定
した。また、３−４の方法によって牛血清アルブミンを
基板上に固定した。これとは別に、リン酸緩衝溶液
（０．１Ｍ、ｐＨ＝７．０）を用意した。

【０１１１】まず、上記の溶液中で、探針に何も固定さ
れていない従来のＡＦＭを用いて試料表面の形状を調
べ、加工したい場所を決めた。次に、この試料の形状の
データーを基にして、同じ溶液中で、ペプチターゼの固
定されたＡＦＭの探針を加工したい表面の近辺上に持っ
てきた。その後、この探針を試料表面に接近させて、力
を測定しながら原子レベルの精度で走査する。そして特
定の位置において、この探針を試料表面に接触させ、こ
の状態で、原子レベルの精度でゆっくりと走査する。探
針を試料から離し、再び力を測定しながら試料上を走査
する。その後、また別の場所に探針を接触させて走査す
るという操作を繰り返した。

【０１１２】これらの操作の結果、探針を接触させて走
査したところだけ、表面の牛血清アルブミンは加水分解
された。以上説明した通り、本実施例の方法によって物
質表面の構造を分子レベルで加工できた。

【０１１３】実施例７ 酵素反応を利用した、分子マニュピレーション 前述の２−１−１の方法によって、ＳＥＭの探針にアル
コールデヒドロゲナーゼを固定した。また、３−２の方
法によって、表面からアルコール基の出ている基板を作
製した。但し、この場合、基板表面から出ている官能基
はアルコール基のみになるようにした。これとは別に、
アルコールデヒドロゲナーゼの補酵素ニコチンアミドア
デニンジヌクレオチド（ＮＡＤ⁺ ）１０ｍＭとメルドー
ラブルー（化４）２００μＭの溶けたリン酸緩衝溶液
（０．１Ｍ、ｐＨ＝７．０）を用意した。

【０１１４】上記の溶液中に、試料基板、ＳＥＭの探
針、白金板電極、銀・塩化銀の参照電極を入れ、探針を
作用極、白金板電極を対極とした。なお、試料基板の電
位は特に設定しなかった。

【０１１５】まず、ＳＥＭの探針を、光学顕微鏡でみな
がら、試料表面上の特定の位置に持ってきた。そして、
この探針の電位を参照電極にたいして５０ｍＶに設定
し、この探針を測定試料表面に接触させる。次に、この
探針に流れる電流を測定しながら、試料表面を原子レベ
ルの精度で走査する。探針を試料表面から離し、電流を
測定しながら少し探針を移動させた後、再び試料表面に
接触させ、電流を測定しながら原子レベルの精度で走査
する、そして再び探針を試料表面から離す、という操作
を繰り返した。

【０１１６】これら一連の操作の結果、探針が接触した
時には、接触しない時に比べて大きな電流が流れた。こ
れは、実施例３で示されたように、探針が試料表面に接
触した時、アルコール基が探針上のアルコールデヒドロ
ゲナーゼによって酸化されるためである。従って、探針
が接触した箇所だけ、表面のアルコール基がアルデヒド
基となったことが確認できた。

【０１１７】以上のことより、この方法によって物質表
面の構造を官能基のレベルで加工できた。なお、本発明
を用いて、固体表面に密度の高い情報を書き込むことも
できた。すなわち、アルコール基のみの存在する固体表
面の微小領域（原子レベルでの）の構造を上述の方法に
より変え、この構造の変わった場所と変わっていない場
所を固体表面にパターン状に作ることによって、情報を
書き込むことができ、メモリーとして利用できた。

【０１１８】以上の如く、本発明においては、走査型プ
ローブ顕微鏡の操作に習熟さえすれば、特定の探針を用
いることにより、手軽に、物質表面の構造を分子レベル
もしくは官能基のレベルから直接調べたり、加工するこ
とができる。

【０１１９】本発明は、物質表面の構造を直接調べた
り、もしくは加工したりできるので、分析化学や合成化
学の分野に革新的な利益をもたらすものである。さら
に、近年、分子数個で電子デバイスを作ろうという研究
が盛んになされているが、本発明は、この分野でも重要
な技術となり得る。

【０１２０】なお、実施例に於いては、走査型プローブ
顕微鏡としてＡＦＭとＳＥＭを用いた場合のみを示し
た。しかし、トンネル電子顕微鏡（電流を検出）等、他
の様々な走査型プローブ顕微鏡の探針にセンサーとなる
分子や官能基を固定して、物質表面の構造を分子レベル
もしくは官能基のレベルで調べたり加工したりできるこ
とは言うまでもない。

【０１２１】

【発明の効果】本発明は物質表面の特定の微小領域の構
造を分子レベルや官能基のレベルで調べたり、加工した
りすることが可能な走査型プローブ顕微鏡が提供でき
る。また、走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微鏡
（ＡＭＦ）であり、検出する物理量が原子間力である事
により、導電性のないサンプルでも容易に物質表面の構
造を直接調べたり、加工することが可能になる。また、
走査型プローブ顕微鏡が、走査型電気化学顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）であり、検出する物理量が電流である事により、相
互作用として力の作用が生じないような電気化学的変化
が生じた場合でも、容易に物質表面の構造を直接調べた
り、加工することが可能になる。また、物質表面の分子
加工方法の発明においては、物質表面の特定の微小領域
の構造を分子レベルや官能基のレベルで加工できる方法
が提供でき、保護基などを使う必要がなく、操作の繁雑
性が簡素化できる。また、多種類の原子より成る物質表
面の構造を直接加工することが可能になる。

【０１２２】また物質表面の分子加工方法の発明におい
て、走査型プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡であり、探
針に固定された分子もしくは官能基と物質表面間で発生
する相互作用の結果生じる物理量が原子間力である事に
より、導電性のないサンプルでも容易に物質表面の構造
を直接加工することが可能になる。

【０１２３】また物質表面の分子加工方法の発明におい
て、走査型プローブ顕微鏡が走査型電気化学顕微鏡であ
り、探針に固定された分子もしくは官能基と物質表面間
で発生する相互作用の結果生じる物理量が電流である事
により、相互作用として力の作用が生じないような電気
化学的変化が生じる場合でも、容易に物質表面の構造を
直接加工することが可能になる。さらに、センサーとな
る分子または官能基がＳｉ−Ｏ結合を介して固定されて
いる場合、センサーは共有結合を介して探針に固定され
ることになり、センサー分子が容易に探針から脱離する
ことなく探針の耐久性が向上する。また、センサーとな
る分子が前記探針表面に電析された金属内部に固定され
ている場合、センサー分子が容易に探針から脱離するこ
となく探針の耐久性が向上するとともに、センサー分子
が探針と試料間の電子伝達を妨げることがないため、測
定の感度も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の走査型プローブ顕微鏡であ
る原子間力顕微鏡の要部の構成を示す原理図である。

【図２】本発明の一実施例の走査型プローブ顕微鏡であ
る電気化学顕微鏡の要部の構成を示す原理図である。

【図３】本発明の一実施例の走査型プローブ顕微鏡であ
る電気化学顕微鏡の要部の構成を示す原理図である。

【図４】本発明の一実施例の原子間力顕微鏡の探針に分
子や官能基が固定された状態を示す原子間力顕微鏡の部
分模式図である。

【図５】本発明の一実施例の原子間力顕微鏡により、物
質表面の構造を調べる原理を示した模式図である。

【図６】本発明の一実施例のシランカップリング剤によ
って、末端がメチル基の分子が探針に固定される様子を
示した模式図である。

【図７】本発明の一実施例の２種類の官能基の固定され
た基板の作製工程を示した図である。

【図８】本発明の一実施例のラングミュア−ブロジェッ
ト法によるタンパク質の基板上への固定法を示した工程
図である。

【図９】本発明の一実施例の酸化膜の付いたシリコン基
板上に、ＯＴＳとＴＴＳが１０μｍ角の格子パターン状
に作製された様子を示した図である。

【図１０】本発明の一実施例の酸化膜のフォースカーブ
を測定するときに、Ｚ軸方向を制御するピエゾ素子に印
可する電圧を示した図である。

【図１１】本発明の一実施例の典型的なフォースカーブ
を示した図である。

【図１２】本発明の一実施例の測定されたフォースカー
ブを示した図である。

【図１３】本発明の一実施例の測定されたフォースカー
ブを示した図である。

【図１４】本発明の一実施例のＹ方向を固定した場合の
吸着力のＸ方向依存性を示した図である。

【符号の説明】

１ ＡＦＭの探針 ２ 探針に固定された分子や官能基 ３ 物質 ４ 探針と物質表面間で働く力を検出するセンサー ５ 探針を走査させるための圧電体 ６ 探針を走査させるための圧電体 ７ 探針と物質表面間の距離を変えるための圧電体 ８ 物質表面を構成する分子や官能基 ９ 探針上の分子や官能基と相互作用作用もしくは化学
反応をする分子または官能基 １０ 探針の走査方向 １１ 探針の表面のから出ている水酸基 １２ トリクロロシランカップリング剤 １３ 探針に固定されたシランカップリング剤 ２６ 基板 ２７ レジスト ２８ レジストの付いてない部分 ２９ 反応容器 ３０ 反応溶液 ３１ 官能基の固定された部分 ３２ レジストが除かれた部分 ３３ 反応溶液 ３４ 官能基の固定された部分 ３５ マイクロシリンジ ３６ バリアー ３７ タンパク質溶液 ３８ 水溶液 ３９ 容器 ４０ 疎水性の基板 ６０ 測定対象となる試料 ６１ 探針 ６２ 探針の梃部 ６３ 探針の基部 ６４ 光源 ６５ レンズ ６６ 光 ６７ センサー ６８ 電気信号増幅器 ６９ Ｚ軸方向制御用サーボ回路 ７０ 圧電体 ７１ Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のメモリー装置 ７２ Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路 ７３ データ解析装置 ７４ ディスプレイ ７５ Ｚ軸方向制御用回路 ７６ Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向と電気信号増幅器からの信号記
憶装置 ７７ Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路 ７８ データー解析装置 ７９ ディスプレイ ９０ 測定対象となる試料 ９１ セル ９２ 溶液 ９３ 作用極と成る探針 ９４ 対極 ９５ 参照極 ９６ ポテンシヨスタット ９７ 電流増幅器 ９８ Ｚ軸方向制御用サーボ回路 ９９ 圧電体 １００ Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のメモリー装置 １０１ Ｘ−Ｙ軸方向走査用回路 １０２ データ解析装置 １０３ ディスプレイ ２００ オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ） ２０１ テトラデシルトリクロロシラン（ＴＴＳ）

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探針を物質表面に接近もしくは接触させ
   て原子レベルの精度で走査し、前記物質表面と前記探針
   との間で生じる物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡
   であって、前記探針にセンサーとなる分子または官能基
   が、Ｓｉ−Ｏ結合を介して固定されているか、または前
   記センサーとなる分子が、前記探針表面に電析された金
   属内部に固定されており、前記物理量が前記探針を前記
   物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で
   走査した場合に、前記センサーとなる分子または官能基
   と前記物質表面が相互作用もしくは化学反応をする時に
   生ずる物理量であることを特徴とする走査型プローブ顕
   微鏡。
2. 【請求項２】 走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微
   鏡であり、検出する物理量が原子間力である請求項１に
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 走査型プローブ顕微鏡が、走査型電気化
   学顕微鏡であり、検出する物理量が電流である請求項１
   に記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 探針を物質表面に接近もしくは接触させ
   た時に前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量を
   検出し、前記探針を前記物質表面から離し、前記探針を
   原子レベルの精度で移動し、前記探針を再び前記物質表
   面に接近もしくは接触させた時に、前記物質表面と前記
   探針との間で生じる物理量を検出する操作を繰り返す走
   査型プローブ顕微鏡であって、前記探針にセンサーとな
   る分子または官能基が、Ｓｉ−Ｏ結合を介して固定され
   ているか、または前記センサーとなる分子が、前記探針
   表面に電析された金属内部に固定されており、前記物理
   量が前記探針を前記物質表面に接近もしくは接触した場
   合に、前記センサーとなる分子または官能基と前記物質
   表面が相互作用もしくは化学反応をする時に生ずる物理
   量であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 走査型プローブ顕微鏡が、原子間力顕微
   鏡であり、検出する物理量が原子間力である請求項４に
   記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 特定の分子や官能基と相互作用を及ぼし
   合うかまたは化学反応をする分子または官能基を固定し
   た探針を有する走査型プローブ顕微鏡の探針を、加工し
   たい物質表面に接近させて前記探針にＳｉ−Ｏ結合を介
   して固定されるかまたは前記探針表面に電析された金属
   内部に固定された分子、または前記探針にＳｉ−Ｏ結合
   を介して固定され官能基と前記物質表面との間で発生す
   る相互作用で生じる物理量を測定しながら原子レベルの
   精度で走査し、前記物質表面の特定部分に前記探針を接
   近もしくは接触させ、前記特定部分で相互作用もしくは
   化学反応を行なわせ、前記物質表面の構造を分子レベル
   または官能基のレベルで加工するか、又は、前記探針を
   加工したい物質表面に接触させて、前記探針に固定され
   た分子または官能基と前記物質表面との間で発生する相
   互作用で生じる物理量を測定しながら原子レベルの精度
   で走査し、前記物質表面の特定部分で相互作用もしくは
   化学反応を行なわせ、前記物質表面の構造を分子レベル
   や官能基のレベルで加工することからなる物質表面の分
   子加工方法。
7. 【請求項７】 走査型プローブ顕微鏡が原子間力顕微鏡
   であり、探針に固定された分子もしくは官能基と物質表
   面で発生する相互作用で生じる物理量が原子間力である
   請求項６に記載の物質表面の分子加工方法。
8. 【請求項８】 走査型プローブ顕微鏡が走査型電気化学
   顕微鏡であり、探針に固定された分子もしくは官能基と
   物質表面で発生する相互作用で生じる物理量が電流であ
   る請求項６に記載の物質表面の分子加工方法。