JP5062748B2 - Surface microstructure manufacturing method, diamond nanoelectrode manufacturing method, and electrode body thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ナノダイヤモンド微粒子を微小マスクとして用いてドライエッチングを行いナノメートルオーダーの表面微細構造を製造することを特徴とする微細構造製造方法およびダイヤモンドナノ電極製造方法およびダイヤモンドナノ電極体に関する。本発明の表面微細加工方法及びその構造体は、電極だけでなく、電子放出源、MEMS、バイオデバイス、光学素子、切削工具、研磨工具、金型、プローブ、ヒートシンク、触媒担体等のダイヤモンドデバイスとして利用可能である。   The present invention relates to a microstructure manufacturing method, a diamond nanoelectrode manufacturing method, and a diamond nanoelectrode body, characterized in that a nanostructure is produced by performing dry etching using nanodiamond fine particles as a micromask. The surface microfabrication method and the structure thereof according to the present invention are not only electrodes, but also as diamond devices such as electron emission sources, MEMS, biodevices, optical elements, cutting tools, polishing tools, dies, probes, heat sinks, catalyst carriers, etc. Is available.

表面微細構造を製造する場合、多くの場合、MEMS技術が用いられている。表面のパターニングには、通常、フォトリソグラフィー技術や電子ビームリソグラフィー技術が用いられている。しかし、パターンの大きさは、せいぜい100nmを切る程度であり、これ以下の数十〜数nmのオーダーの構造を製造することは非常に困難であるという問題がある。
表面にナノメートルオーダーの微細な凹凸を製造する場合、マスク材のサイズもナノメートルスケールであることが必須である。従来、金属薄膜を表面に蒸着し、蒸着中あるいはその後に熱処理等を加えて粒状に加工することにより微小ハードマスクを製造し、これをエッチングすることにより、表面に微細構造を製造する方法が公知である。しかし、ナノメートルオーダーの微細構造を製造する場合、薄膜の厚さもナノメートルオーダーでなければならず、かつ、均一である必要があり、非常に困難である。さらに、金属微粒子の粒径をナノメートルオーダーで均一に加工することは非常に困難である。
When manufacturing surface microstructures, MEMS technology is often used. For patterning the surface, a photolithography technique or an electron beam lithography technique is usually used. However, the size of the pattern is at most less than 100 nm, and there is a problem that it is very difficult to manufacture a structure of the order of several tens to several nm below this.
When manufacturing fine irregularities of nanometer order on the surface, it is essential that the size of the mask material is also nanometer scale. Conventionally, a method of producing a fine structure on the surface by depositing a metal thin film on the surface, manufacturing a fine hard mask by applying a heat treatment or the like during the deposition or thereafter processing into a granular shape, and etching the same is known. It is. However, when producing a nanometer-order microstructure, the thickness of the thin film must be on the order of nanometers and must be uniform, which is very difficult. Furthermore, it is very difficult to uniformly process the particle size of the metal fine particles on the nanometer order.

微小電極製造方法では、陽極酸化ポーラスアルミナを用いた方法が公開されている(特許文献1参照)。この場合任意の大きさのパターンの製造が可能であるが、最初に微細な凹凸パターンを持つ金型をアルミナ表面へ押し付けることによる表面微細構造の転写が必要であり、この金型をナノメートルオーダーで製造することは困難である。
ダイヤモンドは、化学的安定性、生体適合性、半導体特性、硬度、熱伝導性等の物性の高さから、電子デバイス、バイオデバイス、マイクロ切削工具等への応用が期待されている。しかし、その化学的安定性から、ウエットエッチング法のような簡便なエッチング方法が適用できず、ダイヤモンド自体の正確な微細加工が困難であるという問題がある。
このように、ナノメートルオーダーの微細構造を、再現性よく、均一で、かつ、簡便に製造可能な方法は存在しない。したがって、ダイヤモンドを用いたナノメートルオーダーの電極体は存在しないのが実情である。
As a microelectrode manufacturing method, a method using anodized porous alumina is disclosed (see Patent Document 1). In this case, it is possible to produce a pattern of any size, but first it is necessary to transfer the surface microstructure by pressing a mold with a fine concavo-convex pattern onto the alumina surface. It is difficult to manufacture with.
Diamond is expected to be applied to electronic devices, biodevices, micro cutting tools and the like because of its high physical properties such as chemical stability, biocompatibility, semiconductor properties, hardness, and thermal conductivity. However, due to its chemical stability, a simple etching method such as a wet etching method cannot be applied, and there is a problem that accurate microfabrication of diamond itself is difficult.
As described above, there is no method capable of producing a nanometer-order fine structure with high reproducibility, uniformity, and simplicity. Therefore, there is actually no nanometer-order electrode body using diamond.

特開2004−285405号公報JP 2004-285405 A

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、ナノダイヤモンド微粒子を微小ハードマスクとして使用することによる、ナノメートルオーダーの表面微細構造製造方法およびこれを用いたダイヤモンドナノ電極製造方法およびダイヤモンドナノ電極体を提供する。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problem. By using nanodiamond fine particles as a fine hard mask, a nanometer-order surface microstructure manufacturing method, a diamond nanoelectrode manufacturing method using the same, and A diamond nanoelectrode body is provided.

本発明は、イヤモンドからなる試料の試料表面に直径1nm〜1000nmのナノダイヤモンド微粒子を種付けしてこれを微小ハードマスクとして使用し、ドライエッチングを行うことによりナノメートルオーダーの凹凸を製造する表面微細構造製造方法であって、試料をナノダイヤモンド微粒子のアルコール分散液若しくは水分散液に浸漬させ10〜120分の超音波処理を行うことにより種付けすることを特徴とする表面微細構造製造方法である。
また、本発明では、種付けされるダイヤモンド試料が、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ホモエピタキシャルダイヤモンド、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド、ナノダイヤモンド、及び上記ダイヤモンドにホウ素、リン、窒素の不純物がドープされた各種ダイヤモンドとすることができる。
また、本発明では、表面に種付けされたナノダイヤモンド微粒子を、常温硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂を用いて固定化した後、ドライエッチングを行うことができる。
さらに、本発明は、表面に種付けされたナノダイヤモンド微粒子を核としてダイヤモンドを結晶成長させてナノダイヤモンド微粒子を固定化した後、ドライエッチングを行うことができる。
Table present invention used as micro hard mask seeded nanodiamond particles having a diameter 1nm~1000nm the sample surface of a sample made of diamond, produce irregularities of nanometer order by dry etching A surface microstructure manufacturing method , wherein a sample is seeded by immersing a sample in an alcohol dispersion or water dispersion of nanodiamond fine particles and performing ultrasonic treatment for 10 to 120 minutes. is there.
In the present invention, the diamond sample to be seeded includes single crystal diamond, polycrystalline diamond, homoepitaxial diamond, heteroepitaxial diamond, nanodiamond, and various diamonds doped with boron, phosphorus, and nitrogen impurities. can do.
In the present invention, the nanodiamond fine particles seeded on the surface can be fixed using a room temperature curable resin, a thermosetting resin, or a photocurable resin, and then dry etching can be performed.
Furthermore, according to the present invention, dry etching can be performed after the diamond is crystal-grown using the nanodiamond fine particles seeded on the surface as a nucleus to fix the nanodiamond fine particles.

また、本発明は、ダイヤモンド試料が、導電性ダイヤモンドであることができる。
また、本発明は、本発明の表面微細構造製造方法により製造された表面微細構造を有するダイヤモンドナノ電極体である。
さらに本発明は、本発明の表面微細構造製造方法により製造された微細構造表面に絶縁物質を成膜する工程と、絶縁物質をエッチングする工程により、ナノメートルオーダーの導電性ダイヤモンド部位を露出させることを特徴とするダイヤモンドナノ電極製造方法である。
また、本発明は、本発明のダイヤモンドナノ電極製造方法で得られたダイヤモンドナノ電極体において、絶縁性ダイヤモンドをナノ電極の突起部分に成膜する工程の後、絶縁物質をすべて除去する工程により、表面がすべてダイヤモンドであり、かつ、ナノサイズの電極を露出させることを特徴とするダイヤモンドナノ電極製造方法である。
Further, the present invention is a diamond sample can Oh Rukoto with conductive diamond.
Moreover, this invention is a diamond nanoelectrode body which has the surface microstructure manufactured by the surface microstructure manufacturing method of this invention.
Furthermore, the present invention exposes a conductive diamond portion on the order of nanometers by a step of forming an insulating material on the microstructure surface manufactured by the surface microstructure manufacturing method of the present invention and a step of etching the insulating material. A method for producing diamond nanoelectrodes.
Further, the present invention is a diamond nanoelectrode body obtained by the diamond nanoelectrode manufacturing method of the present invention, after the step of forming a film of insulating diamond on the protruding portion of the nanoelectrode, after the step of removing all the insulating material, The diamond nanoelectrode manufacturing method is characterized in that the entire surface is diamond and a nanosized electrode is exposed.

本発明の表面微細構造製造方法は、ナノダイヤモンド微粒子をダイヤモンド試料表面に種付けし、これを微小マスクとして用いてドライエッチングを行いナノメートルオーダーの表面微細構造を製造することができる。さらに、この微細構造表面を用いた、ダイヤモンドナノ電極の製造方法および、ダイヤモンドナノ電極体に関するものである。本発明の表面微細加工方法及びその電極構造製造方法および電極は、化学的に安定で速い応答速度や高いS/N比を有する電極としてだけでなく、電子放出源、MEMS、バイオデバイス、光学素子、切削工具、研磨工具、金型、プローブ、ヒートシンク、触媒担体等のダイヤモンドデバイスとして利用可能である。   According to the surface microstructure manufacturing method of the present invention, nano-diameter fine particles can be seeded on the surface of a diamond sample, and this can be used as a micromask to perform dry etching to manufacture a nanometer-order surface microstructure. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a diamond nanoelectrode using the microstructure surface and a diamond nanoelectrode body. The surface microfabrication method and the electrode structure manufacturing method and electrode of the present invention are not only chemically stable and have a fast response speed and high S / N ratio, but also an electron emission source, MEMS, biodevice, and optical element. It can be used as diamond devices such as cutting tools, polishing tools, dies, probes, heat sinks, and catalyst carriers.

本発明で用いる試料は、ナノダイヤモンド微粒子の種付けをすることができる表面を有する物質であれば、どのような物質でも良い。代表的には、シリコン、ガリウム砒素、ダイヤモンドを挙げることができる。
本発明は、試料表面にナノダイヤモンド微粒子を種付けしてこれを微小ハードマスクとして使用し、次いでドライエッチングを行うことにより、ナノメートルオーダーの表面微細構造の製造方法と、さらにこの微細構造から、ダイヤモンドナノ電極を製造する方法およびダイヤモンドナノ電極に関するものである。ダイヤモンドは化学的に安定で、かつ、非常に硬度が高いため、いかなる基板に対しても良好なハードマスク材となる。
また、本発明は、種付けするダイヤモンド微粒子が直径1nm〜1000nmナノダイヤモンド微粒子を用いることができる。これらのナノダイヤモンド微粒子をダイヤモンド表面に種付けすることにより、次いで行うドライエッチングの際にハードマスクの役割を担うため、表面に1nm〜1000nmの任意のサイズの微細構造を製造することができる。
さらに本発明は、試料をダイヤモンド微粒子のアルコール分散液若しくは水分散液に浸漬させ10〜120分の超音波処理を行うことにより種付けすることができる。超音波処理を行うことにより、ダイヤモンド表面に均一にダイヤモンド微粒子を種付けすることができる。
また、本発明は、ダイヤモンド微粒子のアルコール分散液若しくは水分散液を試料表面に滴下し、スピンコート法により表面に種付けすることができる。スピンコート法を用いて種付けを行うことにより、ダイヤモンド表面に均一にダイヤモンド微粒子を種付けすることができる。
さらに本発明は、種付けされるダイヤモンド試料として、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ホモエピタキシャルダイヤモンド、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド、ナノダイヤモンド、及び上記ダイヤモンドにホウ素、リン、窒素等の不純物がドープされた各種ダイヤモンドを用いることができる。種付けする物質がダイヤモンドであり、これをハードマスクとして用いるため、ダイヤモンド試料の種類にかかわらず、表面微細構造が製造可能である。
The sample used in the present invention may be any material as long as it has a surface capable of seeding nanodiamond fine particles. Typical examples include silicon, gallium arsenide, and diamond.
In the present invention, nano diamond fine particles are seeded on a sample surface and used as a fine hard mask, and then dry etching is performed. The present invention relates to a method of manufacturing a nanoelectrode and a diamond nanoelectrode. Since diamond is chemically stable and extremely hard, it is a good hard mask material for any substrate.
In the present invention, nanodiamond fine particles having a diameter of 1 nm to 1000 nm can be used as the diamond fine particles to be seeded. By seeding these nanodiamond fine particles on the diamond surface, it plays the role of a hard mask in the subsequent dry etching, so that a microstructure having an arbitrary size of 1 nm to 1000 nm can be produced on the surface.
Furthermore, the present invention can be seeded by immersing a sample in an alcohol dispersion or aqueous dispersion of diamond fine particles and performing ultrasonic treatment for 10 to 120 minutes. By performing ultrasonic treatment, diamond fine particles can be uniformly seeded on the diamond surface.
In the present invention, an alcohol dispersion or an aqueous dispersion of diamond fine particles can be dropped on the sample surface and seeded on the surface by a spin coating method. By performing seeding using a spin coat method, diamond fine particles can be uniformly seeded on the diamond surface.
Further, the present invention provides single crystal diamond, polycrystalline diamond, homoepitaxial diamond, heteroepitaxial diamond, nanodiamond, and various diamonds doped with impurities such as boron, phosphorus and nitrogen as diamond samples to be seeded. Can be used. Since the material to be seeded is diamond and is used as a hard mask, a surface microstructure can be manufactured regardless of the type of diamond sample.

また、本発明は、ダイヤモンド試料として、導電性ダイヤモンドを用いることができる。導電性ダイヤモンドは、化学的に安定でノイズの少ない電極材料として用いることができる。これにより、ナノメートルオーダーのダイヤモンド微小電極の製造が可能である。
さらに本発明は、表面に種付けされたダイヤモンド微粒子を常温硬化性、熱硬化性、光硬化性樹脂を用いて固定化することができる。これにより、表面に種付けされたダイヤモンド微粒子のダイヤモンド試料への密着性が高まり、ドライエッチングの際に安定なハードマスクとなるため、より均一性の高い微細構造が製造できる。
また、本発明は、表面に種付けされたナノダイヤモンド微粒子を核としてダイヤモンドを結晶成長させて固定化することができる。これにより、表面に種付けされたダイヤモンド微粒子のダイヤモンド試料への密着性が高まり、ドライエッチングの際に安定なハードマスクとなるため、より均一性の高い微細構造が製造できる。ナノダイヤモンド微粒子の成長に、プラズマCVD、熱フィラメント等の既存の手法および装置が利用できる。ダイヤモンド成長時には、ダイヤモンド種付け基板を600〜1000℃に保持し、炭素源ガスおよび水素ガスを任意の混合比で混ぜ合わせたガスを使用することができる。さらに、これに加えて、酸素源ガス、アルゴンガス、窒素ガスを用いることができる。これにより、成膜されるダイヤモンドの粒径を制御することができる。また、n型およびp型の半導体ダイヤモンドを成膜する場合には、ホウ素源ガス、リン源ガスを用いることができる。
また、本発明は、ダイヤモンド試料として、導電性ダイヤモンドを用いることができる。これにより、ナノメートルオーダーのダイヤモンドナノ電極の製造が可能である。
さらに本発明は、製造した導電性ダイヤモンド微細構造表面に、絶縁物質を成膜し、さらに、絶縁物質をエッチングする工程により、ナノサイズのダイヤモンド電極を露出させることができる。ダイヤモンド試料を用いて製造したダイヤモンド微細構造を電極として用いることにより、化学的に安定でノイズの少ない電極となる。また、ダイヤモンド電極を微小化することにより、応答速度やS/N比の向上が見込まれる。
In the present invention, conductive diamond can be used as a diamond sample. Conductive diamond can be used as an electrode material that is chemically stable and has low noise. As a result, a nanometer-order diamond microelectrode can be manufactured.
Further, in the present invention, diamond fine particles seeded on the surface can be fixed using a room temperature curable, thermosetting, or photocurable resin. As a result, the adhesion of the diamond fine particles seeded on the surface to the diamond sample is enhanced, and a stable hard mask is obtained during dry etching, so that a more uniform microstructure can be manufactured.
In the present invention, diamond can be crystal-grown and immobilized using nano-diamond fine particles seeded on the surface as nuclei. As a result, the adhesion of the diamond fine particles seeded on the surface to the diamond sample is enhanced, and a stable hard mask is obtained during dry etching, so that a more uniform microstructure can be manufactured. Existing methods and equipment such as plasma CVD and hot filament can be used for the growth of nanodiamond fine particles. During diamond growth, a diamond seed substrate can be held at 600 to 1000 ° C., and a gas obtained by mixing a carbon source gas and a hydrogen gas at an arbitrary mixing ratio can be used. In addition to this, oxygen source gas, argon gas, and nitrogen gas can be used. Thereby, the particle diameter of the diamond to be formed can be controlled. Further, when forming n-type and p-type semiconductor diamond, boron source gas and phosphorus source gas can be used.
In the present invention, conductive diamond can be used as a diamond sample. Thereby, a nanometer-order diamond nanoelectrode can be manufactured.
Furthermore, according to the present invention, a nano-sized diamond electrode can be exposed by a process of forming an insulating material on the surface of the manufactured conductive diamond microstructure and further etching the insulating material. By using a diamond microstructure manufactured using a diamond sample as an electrode, the electrode is chemically stable and has little noise. Further, the response speed and the S / N ratio are expected to be improved by miniaturizing the diamond electrode.

また、本発明は、前記ダイヤモンド電極体において、絶縁性ダイヤモンドを成膜する工程と、前記絶縁物質を除去する工程により、表面がすべてダイヤモンドであり、かつ、ナノサイズの電極を露出させることができる。表面がすべてダイヤモンドであるため、化学的に非常に安定でノイズの少ない電極となる。また、ダイヤモンド電極を微小化することにより、応答速度やS/N比の向上が見込まれる。
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る表面微細構造製造方法である。(1)試料P1を、ナノダイヤモンド微粒子のアルコール分散液若しくは水分散液に浸漬し、10〜120分間の超音波処理により、種付け処理を行う。若しくはスピンコート法により種付け処理を行っても良い。(2)表面にナノダイヤモンド微粒子P2が種付けされる。これをハードマスクとして、ドライエッチングを行う。(3)ナノダイヤモンド微粒子が鋳型となり、使用するナノダイヤモンド微粒子の粒径と同等の表面微細構造P3が製造される。ここでは、一例として、針状構造を示しているが、ドライエッチング時間を短くすれば、ナノダイヤモンド微粒子が完全にはエッチングされないため、ドライエッチング後に、ナノダイヤモンド微粒子を除去すれば、先端が平らな突起構造が得られる。このように、非常に簡便な手法ながら、表面にナノメートルオーダーの微細構造が、製造可能である。
In the present invention, in the diamond electrode body, the surface of the diamond electrode and the nano-sized electrode can be exposed by the step of forming the insulating diamond and the step of removing the insulating substance. . Since the entire surface is diamond, it is an electrode that is chemically very stable and has low noise. Further, the response speed and the S / N ratio are expected to be improved by miniaturizing the diamond electrode.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a surface microstructure manufacturing method according to the present invention. (1) The sample P1 is immersed in an alcohol dispersion or aqueous dispersion of nanodiamond fine particles, and a seeding treatment is performed by ultrasonic treatment for 10 to 120 minutes. Or you may perform a seeding process by a spin coat method. (2) Nano-diamond fine particles P2 are seeded on the surface. Using this as a hard mask, dry etching is performed. (3) The nano-diamond fine particles serve as a template, and a surface microstructure P3 equivalent to the particle size of the nano-diamond fine particles to be used is manufactured. Here, as an example, a needle-like structure is shown. However, if the dry etching time is shortened, the nanodiamond fine particles are not completely etched. Therefore, if the nanodiamond fine particles are removed after the dry etching, the tip is flat. A protrusion structure is obtained. In this way, a microstructure on the order of nanometers can be produced on the surface with a very simple technique.

図2は、本発明に係るダイヤモンドナノ電極体の製造方法である。(1)導電性ダイヤモンド試料を用いて図1の方法で製造された表面微細構造P3上に絶縁物質P4を成膜する。絶縁物質としては、例えば、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物等の酸化物が利用できる。(2)絶縁物質P4をエッチングすることにより、ナノメートルオーダーの導電性電極部位P5を露出する。エッチング方法は、既存のウエットエッチングおよびドライエッチングが適用可能である。P5はダイヤモンドナノ電極として、化学的に安定でノイズが少なく、応答速度およびS/N比の向上を実現する。
図3は、本発明に係る表面がすべてダイヤモンドであるダイヤモンドナノ電極体の製造方法である。(1)図2で製造したダイヤモンドナノ電極体表面に、さらに、絶縁性ダイヤモンド成膜を行う。絶縁性ダイヤモンド薄膜P6は、ダイヤモンドが露出した部分にのみ成膜される。ダイヤモンド成膜に、プラズマCVD、熱フィラメント等の既存の手法および装置が利用できる。ダイヤモンド成膜時には、ダイヤモンド種付け基板を600〜1000℃に保持し、炭素源ガスおよび水素ガスを任意の混合比で混ぜ合わせたガスを使用することができる。さらに、これに加えて、酸素源ガス、アルゴンガス、窒素ガスを用いることができる。(2)絶縁物質を酸処理により除去することにより、ナノメートルオーダーの導電性電極部位P7を露出する。エッチング方法は、既存のウエットエッチングおよびドライエッチングが適用可能である。P7はダイヤモンドナノ電極として、化学的に非常に安定でノイズが少なく、応答速度およびS/N比の向上を実現する。
次に本発明の実施例を詳述するが、本発明は、本実施形態に開示された特定の構成になんら限定されるものではなく、したがって、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
FIG. 2 shows a method for producing a diamond nanoelectrode body according to the present invention. (1) An insulating material P4 is formed on the surface microstructure P3 manufactured by the method of FIG. 1 using a conductive diamond sample. As the insulating material, for example, an oxide such as silicon oxide or aluminum oxide can be used. (2) The insulating material P4 is etched to expose the conductive electrode portion P5 of nanometer order. As an etching method, existing wet etching and dry etching can be applied. P5 is chemically stable and has low noise as a diamond nanoelectrode, and realizes an improvement in response speed and S / N ratio.
FIG. 3 shows a method for producing a diamond nanoelectrode body according to the present invention whose surface is all diamond. (1) An insulating diamond film is further formed on the surface of the diamond nanoelectrode manufactured in FIG. The insulating diamond thin film P6 is formed only on the portion where the diamond is exposed. Existing methods and equipment such as plasma CVD and hot filament can be used for diamond film formation. During diamond film formation, a diamond seeded substrate can be held at 600 to 1000 ° C., and a gas obtained by mixing a carbon source gas and a hydrogen gas at an arbitrary mixing ratio can be used. In addition to this, oxygen source gas, argon gas, and nitrogen gas can be used. (2) The conductive material part P7 of nanometer order is exposed by removing the insulating material by acid treatment. As an etching method, existing wet etching and dry etching can be applied. P7 is a diamond nanoelectrode that is chemically very stable and has low noise, and realizes an improvement in response speed and S / N ratio.
Next, examples of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment, and thus various modes can be used without departing from the gist of the present invention. It goes without saying that it can be implemented in this way.

ダイヤモンド基板として、単結晶Ib(100)基板を用いた。種付けには、ナノダイヤモンド微粒子のエタノール分散液を用いた。本実施例で使用したナノダイヤモンド微粒子は粒径がそろっており、平均粒径は約10nmであった。ダイヤモンド試料を分散液に浸漬し30分間の超音波処理を行った。ダイヤモンド試料を取り出し、ドライエッチングを行った。エッチングガスは酸素とCFの混合ガス、ICPバイアスは100Wを用いた。エッチング時間は、10秒であった。ダイヤモンド試料表面の観察は、Molecular Imaging社製の走査型プローブ顕微鏡を用いて行った。図4に原子間力顕微鏡(AFM)像を示す。表面凹凸がナノメートルオーダーであるのに対し、1μm四方に渡って均一な微細構造が製造されていることがわかる。図5に、図4の断面図を示す。高さ、幅共に、約8nmの微細構造が製造されている。この値は、用いたナノダイヤモンド微粒子の粒径と非常に良く一致している。このように、非常に簡便な手法を用いて、表面微細構造が製造可能であった。 A single crystal Ib (100) substrate was used as the diamond substrate. For seeding, an ethanol dispersion of nanodiamond fine particles was used. The nanodiamond fine particles used in this example had a uniform particle size, and the average particle size was about 10 nm. The diamond sample was immersed in the dispersion and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. A diamond sample was taken out and dry-etched. The etching gas used was a mixed gas of oxygen and CF 4 and the ICP bias was 100 W. The etching time was 10 seconds. The surface of the diamond sample was observed using a scanning probe microscope manufactured by Molecular Imaging. FIG. 4 shows an atomic force microscope (AFM) image. It can be seen that the surface irregularities are on the order of nanometers, whereas a uniform fine structure is manufactured over 1 μm square. FIG. 5 shows a cross-sectional view of FIG. A fine structure of about 8 nm in both height and width is manufactured. This value agrees very well with the particle size of the nanodiamond particles used. In this way, the surface microstructure can be manufactured using a very simple method.

ホウ素ドープ多結晶ダイヤモンド基板を用いて、実施例1と同一の方法で、表面微細構造を製造した。図6はサイクリックボルタモグラムであり、作用電極を該ダイヤモンド基板とし、参照電極にAg/AgCl、対極にPtを用いた。溶液は、pH7.4のリン酸緩衝液に、1.0mMのFe(CN) 3−/4−を加えたものを用いた。また、スキャン速度は100mV/秒であった。このようなサイクリックボルタモグラムから、作用電極上で進行するFe(CN) 3−/4−の酸化還元反応が電流として測定できるため、この電流値から電極表面の情報が得られる。図6aは表面微細構造製造後のサイクリックボルタモグラムである。+0.6V付近の酸化ピークは、+5.4μAであった。また、−0.3V付近の還元ピークは、−5.6μAであった。一方、図6bは、図6aの表面を1本鎖DNAで化学修飾したものである。+0.7V付近の酸化ピークは、+4.5μAであった。また、−0.4V付近の還元ピークは、−3.8μAであった。DNA化学修飾層が抵抗として働くために、図6bのピークは、図6aのピークと比較して、小さくなり、酸化および還元ピーク間の幅が広がっている。しかし、両表面の差異は比較的少ない。この表面は、さらに相補的な1本鎖DNAを導入し、2本鎖DNAとすることで、1本鎖DNAと2本鎖DNAの電流強度の違いから、特定のDNAを検出することが可能なDNAセンサーとして用いることができる。2本鎖DNAの場合は、1本鎖DNAよりもさらに電流強度が小さくなる。本発明の表面微細構造製造方法で製造した表面微細構造を有するダイヤモンドナノ電極は、1本鎖DNAを化学修飾した時点でも大きなシグナルが観察できることから、この表面は、ダイヤモンドナノ電極として使用することができ、DNAセンサーとして非常に良い。 A surface microstructure was produced by the same method as in Example 1 using a boron-doped polycrystalline diamond substrate. FIG. 6 is a cyclic voltammogram, in which the working electrode is the diamond substrate, Ag / AgCl is used as the reference electrode, and Pt is used as the counter electrode. As the solution, a solution obtained by adding 1.0 mM Fe (CN) 6 3- / 4- to a phosphate buffer having a pH of 7.4 was used. The scanning speed was 100 mV / second. From such a cyclic voltammogram, the oxidation-reduction reaction of Fe (CN) 6 3- / 4- progressing on the working electrode can be measured as a current, so that information on the electrode surface can be obtained from this current value. FIG. 6a is a cyclic voltammogram after the production of the surface microstructure. The oxidation peak around +0.6 V was +5.4 μA. Moreover, the reduction peak in the vicinity of −0.3 V was −5.6 μA. On the other hand, FIG. 6b is obtained by chemically modifying the surface of FIG. 6a with single-stranded DNA. The oxidation peak around +0.7 V was +4.5 μA. Moreover, the reduction peak around −0.4 V was −3.8 μA. Because the DNA chemical modification layer acts as a resistance, the peak in FIG. 6b is smaller and broader between the oxidation and reduction peaks compared to the peak in FIG. 6a. However, the difference between both surfaces is relatively small. This surface can detect specific DNA from the difference in current intensity between single-stranded DNA and double-stranded DNA by introducing complementary single-stranded DNA into double-stranded DNA. It can be used as a simple DNA sensor. In the case of double-stranded DNA, the current intensity is even smaller than that of single-stranded DNA. Since the diamond nanoelectrode having the surface microstructure manufactured by the surface microstructure manufacturing method of the present invention can observe a large signal even when the single-stranded DNA is chemically modified, this surface can be used as a diamond nanoelectrode. It is very good as a DNA sensor.

(比較例1)
表面が平坦なホウ素ドープダイヤモンド基板を用いて、実施例2と同一条件でのサイクリックボルタモグラム計測および、同一条件での1本鎖DNAの化学修飾を行った。図7aは平坦表面でのサイクリックボルタモグラムである。+0.6V付近の酸化ピークは、+3.9μAであった。また、−0.3V付近の還元ピークは、−3.5μAであった。実施例2の結果と比較して、ピークが小さい。これは、実施例2の表面が、本発明の表面微細構造製造法により、確かに表面微細構造が製造されて表面積が広がっていることを示す。一方、図7bは、図7aの表面を1本鎖DNAで化学修飾したものである。一見してほとんどピークが観察されていないことが明らかである。これは、DNA化学修飾層が抵抗として働くために、図7bのピークは、図7aのピークと比較して、小さくなったためである。図7bでは、実施例2と同一条件でDNA修飾を行ったにもかかわらず、電気化学的シグナルが計測できなくなった。この表面は、さらに相補的な1本鎖DNAを導入し、2本鎖DNAとすることで、1本鎖DNAと2本鎖DNAの電流強度の違いから、特定のDNAを検出することが可能なDNAセンサーとして用いることができる。2本鎖DNAの場合は、1本鎖DNAよりもさらに電流強度が小さくなることから、1本鎖DNAを化学修飾した時点でシグナルが観察できなくなるこの表面は、DNAセンサーとして不適切である。従って、本発明の表面微細構造はダイヤモンドナノ電極として使用することができ、DNAセンサーとして性能が良い。
(Comparative Example 1)
Using a boron-doped diamond substrate having a flat surface, cyclic voltammogram measurement under the same conditions as in Example 2 and chemical modification of single-stranded DNA under the same conditions were performed. FIG. 7a is a cyclic voltammogram on a flat surface. The oxidation peak around +0.6 V was +3.9 μA. Moreover, the reduction peak around −0.3 V was −3.5 μA. Compared with the result of Example 2, the peak is small. This indicates that the surface of Example 2 is surely produced by the surface microstructure manufacturing method of the present invention and the surface area is increased. On the other hand, FIG. 7b is obtained by chemically modifying the surface of FIG. 7a with single-stranded DNA. It is clear that almost no peak is observed at first glance. This is because the peak in FIG. 7b is smaller than the peak in FIG. 7a because the DNA chemical modification layer acts as a resistance. In FIG. 7b, even though DNA modification was performed under the same conditions as in Example 2, electrochemical signals could not be measured. This surface can detect specific DNA from the difference in current intensity between single-stranded DNA and double-stranded DNA by introducing complementary single-stranded DNA into double-stranded DNA. It can be used as a simple DNA sensor. In the case of double-stranded DNA, the current intensity is smaller than that of single-stranded DNA, and this surface where the signal cannot be observed when the single-stranded DNA is chemically modified is unsuitable as a DNA sensor. Therefore, the surface microstructure of the present invention can be used as a diamond nanoelectrode, and has good performance as a DNA sensor.

本発明の微細構造製造方法と、ダイヤモンドナノ電極製造方法およびダイヤモンドナノ電極は、電極、電子放出源、MEMS、バイオデバイス、光学素子、切削工具、研磨工具、金型、プローブ、ヒートシンク、触媒担体等のダイヤモンドデバイスとして利用可能であり、産業上の利用可能性が高い非常に重要な技術である。   The fine structure manufacturing method, diamond nanoelectrode manufacturing method and diamond nanoelectrode of the present invention are electrodes, electron emission sources, MEMS, biodevices, optical elements, cutting tools, polishing tools, molds, probes, heat sinks, catalyst carriers, etc. It is a very important technology that can be used as a diamond device and has high industrial applicability.

本発明に係る表面微細構造製造方法である。It is a surface microstructure manufacturing method according to the present invention. 本発明に係るダイヤモンドナノ電極体の製造方法である。It is a manufacturing method of the diamond nanoelectrode body concerning the present invention. 本発明に係る表面がすべてダイヤモンドであるダイヤモンドナノ電極体の製造方法である。The present invention relates to a method for producing a diamond nanoelectrode body whose surface is all diamond. 実施例1のダイヤモンド試料表面のAFM像である。2 is an AFM image of the surface of a diamond sample of Example 1. 実施例1のダイヤモンド試料表面の断面図である。2 is a cross-sectional view of the surface of a diamond sample of Example 1. FIG. 実施例2のホウ素ドープ多結晶ダイヤモンド表面上で計測したサイクリックボルタモグラムである。4 is a cyclic voltammogram measured on the boron-doped polycrystalline diamond surface of Example 2. FIG. 比較例1のホウ素ドープ多結晶ダイヤモンド表面上で計測したサイクリックボルタモグラムである。3 is a cyclic voltammogram measured on the boron-doped polycrystalline diamond surface of Comparative Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

P1・・・試料、P2・・・ナノダイヤモンド微粒子、P3・・・表面微細構造、P4・・・絶縁物質、P5・・・ナノメートルオーダーの導電性電極部位、P6・・・絶縁性ダイヤモンド薄膜、P7・・・ナノメートルオーダーの導電性電極部位。 P1 ... Sample, P2 ... Nanodiamond fine particles, P3 ... Surface fine structure, P4 ... Insulating material, P5 ... Electroconductive electrode part of nanometer order, P6 ... Insulating diamond thin film , P7: Conductive electrode part of nanometer order.

Claims (8)

イヤモンドからなる試料の試料表面に直径1nm〜1000nmのナノダイヤモンド微粒子を種付けしてこれを微小ハードマスクとして使用し、ドライエッチングを行うことによりナノメートルオーダーの凹凸を製造する表面微細構造製造方法であって、試料をナノダイヤモンド微粒子のアルコール分散液若しくは水分散液に浸漬させ10〜120分の超音波処理を行うことにより種付けすることを特徴とする表面微細構造製造方法The sample surface of the sample consisting of diamond and seeded nanodiamond particles having a diameter 1nm~1000nm use it as a very small hard mask, the front surface microstructure produced produce irregularities of nanometer order by dry etching A method for producing a surface microstructure, comprising immersing a sample in an alcohol dispersion or aqueous dispersion of nanodiamond fine particles and performing ultrasonic treatment for 10 to 120 minutes . 種付けされるダイヤモンド試料が、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ホモエピタキシャルダイヤモンド、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド、ナノダイヤモンド、及び上記ダイヤモンドにホウ素、リン、窒素の不純物がドープされた各種ダイヤモンドであることを特徴とする、請求項1に記載の表面微細構造製造方法。 The diamond samples to be seeded are single crystal diamond, polycrystalline diamond, homoepitaxial diamond, heteroepitaxial diamond, nanodiamond, and various diamonds doped with boron, phosphorus, and nitrogen impurities. The method for producing a surface microstructure according to claim 1 . 表面に種付けされたナノダイヤモンド微粒子を、常温硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂を用いて固定化した後、前記ドライエッチングを行うことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれかに記載の表面微細構造製造方法。 Seeding nano diamond particles on the surface, cold-curable resin, thermosetting resin, was immobilized using a photo-curable resin, according to claim 1 or claim 2, characterized in that said dry etching The surface microstructure manufacturing method according to any one of the above. 表面に種付けされたナノダイヤモンド微粒子を核としてダイヤモンドを結晶成長させてナノダイヤモンド微粒子を固定化した後、前記ドライエッチングを行うことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれかに記載の表面微細構造製造方法。 The surface according to any one of claims 1 to 2 , wherein the dry etching is performed after the nanodiamond fine particles are fixed by growing diamond crystals using the nanodiamond fine particles seeded on the surface as a nucleus. Microstructure manufacturing method. ダイヤモンド試料が、導電性ダイヤモンドである、請求項1ないし請求項のいずれかに記載の表面微細構造製造方Diamond sample is a conductive diamond, the surface microstructure produced how according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載の表面微細構造製造方法により製造された表面微細構造を有するダイヤモンドナノ電極体。A diamond nanoelectrode body having a surface microstructure manufactured by the method for manufacturing a surface microstructure according to claim 5. 請求項5に記載の表面微細構造製造方法により製造された微細構造表面に絶縁物質を成膜する工程と、絶縁物質をエッチングする工程により、ナノメートルオーダーの導電性ダイヤモンド部位を露出させることを特徴とするダイヤモンドナノ電極製造方法。 A conductive diamond region of nanometer order is exposed by a step of forming an insulating material on the microstructure surface manufactured by the surface microstructure manufacturing method according to claim 5 and a step of etching the insulating material. Diamond diamond electrode manufacturing method. 請求項7で得られたダイヤモンドナノ電極体において、絶縁性ダイヤモンドをナノ電極の突起部分に成膜する工程の後、絶縁物質をすべて除去する工程により、表面がすべてダイヤモンドであり、かつ、ナノサイズの電極を露出させることを特徴とするダイヤモンドナノ電極製造方法。   8. The diamond nanoelectrode body obtained in claim 7, wherein after the step of forming the insulating diamond on the protruding portion of the nanoelectrode, the step of removing all the insulating material, the surface is all diamond, and the nanosize A method for producing a diamond nanoelectrode, wherein the electrode of the present invention is exposed.
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