JP5964793B2 - Apatite thin film formation method - Google Patents

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Description

本発明は、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成するアパタイト薄膜形成方法に関するものである。   The present invention relates to an apatite thin film forming method for forming an apatite thin film made of hydroxyapatite.

ハイドロキシアパタイト(HAp)は、化学式Ca10(PO46(OH)2で表される無機化合物結晶であり、骨や歯を構成する主成分である。このHApは、人工的に合成可能であり、生体適合性を有する無機材料であり、医用工学やバイオテクノロジーに応用されている。とりわけ、様々な基板上に成膜したHAp膜の特性を制御することで、生体物質との相互作用を規定することが特徴の新たな応用先を開拓できる可能性が指摘されている。 Hydroxyapatite (HAp) is an inorganic compound crystal represented by the chemical formula Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 and is the main component constituting bones and teeth. This HAp can be artificially synthesized, is an inorganic material having biocompatibility, and is applied to medical engineering and biotechnology. In particular, it has been pointed out that by controlling the properties of HAp films formed on various substrates, it is possible to pioneer new application destinations characterized by defining the interaction with biological substances.

工業的に製造されるHApの形態としては、スラグ,粉末,ペースト,薄膜,固形ペレットなどがあり、これらが市場に供給されてきた。例えば、HApの粉末は、クラマトグラフィーで用いられるカラムの充填剤として使用されている。また、HApの固形ペレットは、生体親和性の高い培養基板として使われている。「Scaffold」は、医学生物学分野において、細胞培養のための足場材料として開発されたものである。   Industrially manufactured HAp forms include slag, powder, paste, thin film, solid pellet, etc., which have been supplied to the market. For example, HAp powder is used as a packing material for columns used in chromatography. In addition, HAp solid pellets are used as culture substrates with high biocompatibility. “Scaffold” has been developed as a scaffold material for cell culture in the field of medical biology.

また、例えば、骨の治療においては、欠損部へHAp多孔体やペーストを埋入し、骨の再生を促進する治療が行われている。これらの粉末やペーストではなく、堆積したHAp薄膜を中間層に用いると、骨との接合強度を高め、回復の早い治療が可能になると期待されている。また、生体内へ埋め込む金属構造材料の表面にHAp膜をコートし、生体親和性を付与することも、これまで主にプラズマスプレー法により行われてきた。   Further, for example, in the treatment of bone, a treatment for accelerating bone regeneration by embedding a HAp porous material or paste in a defect portion is performed. When the deposited HAp thin film is used for the intermediate layer instead of these powders and pastes, it is expected that the strength of the joint with the bone is increased and a rapid recovery treatment becomes possible. Moreover, the HAp film | membrane is coated on the surface of the metal structure material embedded in the living body, and bioaffinity is provided mainly by the plasma spray method until now.

H. Nishikawa, R. Hatanaka, M. Kusunoki, T. Hayami, and S. Hontsu, "Preparation of Freestanding Hydroxyapatite Membranes with Excellent Biocompatibility and Flexibility", Applied Physics Express, vol.1, 088001, 2008.H. Nishikawa, R. Hatanaka, M. Kusunoki, T. Hayami, and S. Hontsu, "Preparation of Freestanding Hydroxyapatite Membranes with Excellent Biocompatibility and Flexibility", Applied Physics Express, vol.1, 088001, 2008. M. Kusunoki, Y. Kawakami, T. Matsuda, H. Nishikawa, T. Hayami, and S. Hontsu, "Fabrication of a Large Hydroxyapatite Sheet", Applied Physics Express, vol.3, 107003, 2010.M. Kusunoki, Y. Kawakami, T. Matsuda, H. Nishikawa, T. Hayami, and S. Hontsu, "Fabrication of a Large Hydroxyapatite Sheet", Applied Physics Express, vol.3, 107003, 2010.

例えば、HApをシート状に加工したHAp薄膜は、骨の欠損部に貼り付けて、骨の早期の再生を促進する応用が考えられる。あるいは、歯周病によって溶けた骨や歯にHAp薄膜を貼ることにより、骨や歯の再生を促す治療への応用が期待できる。所謂ナノシートと呼ばれる厚さが数ナノメーターオーダーのシートがあるが、これは、ピンセットなどでつまんで取り扱うのは容易でなはい。現実的な扱いには、少なくとも数ミクロンの厚さのシートとすることが重要である。   For example, an HAp thin film obtained by processing HAp into a sheet shape may be applied to a bone defect to promote early regeneration of bone. Alternatively, application of the HAp thin film to a bone or tooth melted by periodontal disease can be expected to be applied to a treatment that promotes bone or tooth regeneration. There is a so-called nanosheet having a thickness of several nanometers, but this is not easy to handle by tweezers. For practical handling, it is important to have a sheet that is at least a few microns thick.

従って、HApの極薄シートを形成する様々な試みがなされている(非特許文献1,非特許文献2参照)。例えば非特許文献1では、塩化ナトリウム(NaCl)の結晶基板の上にHAp薄膜を形成し、NaCl結晶基板を水に溶解して除去することで、単独のHAp薄膜としている。しかしながら、NaClのような結晶基板は市販されているが、大変高価である。さらに、HAp薄膜を形成した後に、NaCl結晶基板を水に溶かしてHAp薄膜を得る方法は、大面積のHAp薄膜を得る目的にそぐわないと言える。   Therefore, various attempts have been made to form HAp ultrathin sheets (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). For example, in Non-Patent Document 1, an HAp thin film is formed on a sodium chloride (NaCl) crystal substrate, and the NaCl crystal substrate is dissolved in water and removed to form a single HAp thin film. However, crystal substrates such as NaCl are commercially available but are very expensive. Furthermore, it can be said that the method of obtaining the HAp thin film by dissolving the NaCl crystal substrate in water after forming the HAp thin film is not suitable for the purpose of obtaining a large area HAp thin film.

非特許文献2では、レジスト膜の上にHAp薄膜を形成し、この後、レジストを有機溶剤で溶解して除去することで、単独のHAp薄膜を形成している。しかしながら、レジストを用いると、HAp薄膜中にレジスト中のカーボンが拡散する可能性がある、またレジストを溶解する有機溶剤の影響が、HAp薄膜に及ぶことも懸念される。   In Non-Patent Document 2, a single HAp thin film is formed by forming a HAp thin film on a resist film, and then dissolving and removing the resist with an organic solvent. However, when a resist is used, there is a possibility that carbon in the resist may diffuse into the HAp thin film, and that the influence of the organic solvent that dissolves the resist reaches the HAp thin film.

このような背景から、無機薄膜を犠牲層として基板上に成膜し、次いで、無機薄膜の上にHAp膜を形成し、この後、無機薄膜を除去する方法が最も望ましいと考えられる。また、無機薄膜の除去においては、水を用いることが様々な観点から望ましい。従って、犠牲層として用いる材料は、水溶性であることが重要となる。   From such a background, a method in which an inorganic thin film is formed on a substrate as a sacrificial layer, then a HAp film is formed on the inorganic thin film, and then the inorganic thin film is removed is considered most desirable. In removing the inorganic thin film, it is desirable to use water from various viewpoints. Therefore, it is important that the material used for the sacrificial layer is water-soluble.

水溶性の材料と言えば、所謂塩に分類されるLiF、NaCl、KClなどの化合物の溶解度が高い。これら塩の中で、LiFは、光学用途の窓材にも用いられているが高価である。さらなる問題点は、一般に、上述したような塩の層を基板上に成膜するのが困難な点にある。   Speaking of water-soluble materials, compounds such as LiF, NaCl, and KCl classified as so-called salts have high solubility. Among these salts, LiF is used for optical window materials but is expensive. A further problem is that it is generally difficult to form a salt layer as described above on a substrate.

以上に説明したように、従来では、安定した状態でかつコストの上昇を抑制した状態で、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成することが、容易ではないという問題があった。   As described above, conventionally, there has been a problem that it is not easy to form an apatite thin film made of hydroxyapatite in a stable state while suppressing an increase in cost.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、安定した状態でかつコストの上昇を抑制した状態で、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜が容易に形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and enables an apatite thin film made of hydroxyapatite to be easily formed in a stable state while suppressing an increase in cost. With the goal.

本発明に係るアパタイト薄膜形成方法は、基板の上に、酸化リチウムからなる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層の上にハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成するアパタイト薄膜形成工程と、基板とアパタイト薄膜との間の犠牲層を水に溶解させることで除去し、アパタイト薄膜を基板より分離する分離工程とを備える。   An apatite thin film forming method according to the present invention includes a sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer made of lithium oxide on a substrate, an apatite thin film forming step of forming an apatite thin film made of hydroxyapatite on the sacrificial layer, A separation step of removing the sacrificial layer between the substrate and the apatite thin film by dissolving it in water and separating the apatite thin film from the substrate.

加えて、アパタイト薄膜形成工程と分離工程との間に、700以上800℃以下の温度条件で加熱することで、アパタイト薄膜を結晶化させるとともに犠牲層と基板との密着性を弱める結晶化工程を備える In addition, a crystallization step of crystallizing the apatite thin film and weakening the adhesion between the sacrificial layer and the substrate by heating under a temperature condition of 700 to 800 ° C. between the apatite thin film forming step and the separation step. Prepare .

また、本発明に係るアパタイト薄膜形成方法は、基板の上に、酸化リチウムからなる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層の上にハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成するアパタイト薄膜形成工程と、基板とアパタイト薄膜との間の犠牲層を水に溶解させることで除去し、アパタイト薄膜を基板より分離する分離工程とを備え、薄膜形成工程では、下層の犠牲層が露出する開口領域を備えてアパタイト薄膜を形成する。The apatite thin film forming method according to the present invention includes a sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer made of lithium oxide on a substrate, and an apatite thin film forming step of forming an apatite thin film made of hydroxyapatite on the sacrificial layer. And a separation step in which the sacrificial layer between the substrate and the apatite thin film is removed by dissolving in water, and the apatite thin film is separated from the substrate. In the thin film formation step, an opening region where the lower sacrificial layer is exposed is formed. An apatite thin film is formed.

なお、アパタイト薄膜形成工程と分離工程との間に、700以上800℃以下の温度条件で加熱することで、アパタイト薄膜を結晶化させるとともに犠牲層と基板との密着性を弱める結晶化工程を備えるようにしてもよい。In addition, a crystallization process is provided between the apatite thin film forming process and the separation process, in which the apatite thin film is crystallized by heating at a temperature of 700 to 800 ° C. and weakens the adhesion between the sacrificial layer and the substrate. You may do it.

以上説明したことにより、本発明によれば、安定した状態でかつコストの上昇を抑制した状態で、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜が容易に形成できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an apatite thin film made of hydroxyapatite can be easily formed in a stable state while suppressing an increase in cost.

図1Aは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1A is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining an apatite thin film forming method according to an embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1B is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 図1Cは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1C is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 図1Dは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1D is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 図1Eは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1E is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 図1Fは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。FIG. 1F is a configuration diagram showing a state in each intermediate step for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 図2は、加熱処理をしていない状態で犠牲層102に形成されているアパタイト薄膜103のラマン散乱スペクトルを測定した結果を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the results of measuring the Raman scattering spectrum of the apatite thin film 103 formed on the sacrificial layer 102 in a state where no heat treatment is performed. 図3は、X線回折測定により得られたアパタイト薄膜103および犠牲層102のX線回折パタンを示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing X-ray diffraction patterns of the apatite thin film 103 and the sacrificial layer 102 obtained by X-ray diffraction measurement.

以下、本発明の実施の形態について図1A〜図1Fを参照して説明する。図1A〜図1Fは、本発明の実施の形態におけるアパタイト薄膜形成方法を説明する各途中工程における状態を示す構成図である。図1A,図1B,図1D〜図1Fは、断面を模式的に示し、図1Cは平面を示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1F. FIG. 1A to FIG. 1F are configuration diagrams showing states in respective intermediate steps for explaining the apatite thin film forming method in the embodiment of the present invention. 1A, 1B, and 1D to 1F schematically show cross sections, and FIG. 1C shows a plane.

まず、図1Aに示すように、基板101の上に、酸化リチウム(Li2O)からなる犠牲層102を形成する(犠牲層102形成工程)。基板101は、例えば、主表面の面方位を(100)とした直径4インチのシリコンウエハである。また、RFマグネトロンスパッタにより酸化リチウムを堆積することで、犠牲層102を形成する。犠牲層102の形成次の基板温度条件は、室温(25℃程度)とする。この条件であれば、以下に示すように、犠牲層102は、非晶質状態の酸化リチウムから構成されたものとなる。 First, as shown in FIG. 1A, a sacrificial layer 102 made of lithium oxide (Li 2 O) is formed on a substrate 101 (a sacrificial layer 102 forming step). The substrate 101 is, for example, a silicon wafer having a diameter of 4 inches with the surface orientation of the main surface being (100). Further, the sacrificial layer 102 is formed by depositing lithium oxide by RF magnetron sputtering. Formation of the sacrificial layer 102 The next substrate temperature condition is room temperature (about 25 ° C.). Under these conditions, as shown below, the sacrificial layer 102 is composed of amorphous lithium oxide.

また、犠牲層102は、層厚300nmとする。RFマグネトロンスパッタによる酸化リチウムの堆積においては、酸素ガスを3sccm導入し、300nmの膜厚の酸化リチウム膜を得た。酸化リチウム膜が非晶質であることは、X線回折により確認した。なお、sccmは流量の単位であり、0℃・1013hPaの流体が1分間に1cm3流れることを示す。 The sacrificial layer 102 has a layer thickness of 300 nm. In the deposition of lithium oxide by RF magnetron sputtering, 3 sccm of oxygen gas was introduced to obtain a lithium oxide film having a thickness of 300 nm. It was confirmed by X-ray diffraction that the lithium oxide film was amorphous. Note that sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute.

次に、図1B,図1Cに示すように、犠牲層102の上に、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜103を形成する(アパタイト薄膜103形成工程)。例えば、電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ法により、ハイドロキシアパタイトの焼結体からなるターゲット、およびキセノンガスにH2Oガスを加えたスパッタガスを用い、犠牲層102の上にハイドロキシアパタイトを堆積すればよい。H2Oの蒸気によるガスを2×10-2Pa導入する。また、基板加熱は実施しない条件とする。 Next, as shown in FIGS. 1B and 1C, an apatite thin film 103 made of hydroxyapatite is formed on the sacrificial layer 102 (apatite thin film 103 forming step). For example, by depositing hydroxyapatite on the sacrificial layer 102 by electron cyclotron resonance (ECR) sputtering using a target made of a sintered body of hydroxyapatite and a sputtering gas obtained by adding H 2 O gas to xenon gas. Good. A gas of H 2 O vapor is introduced at 2 × 10 −2 Pa. The substrate is not heated.

この例では、直径4インチのシリコンウエハ上に、一辺14mmの平面視正方形とした複数(4×4=16個)のアパタイト薄膜103を形成した。各アパタイト薄膜103が配置されているピッチは、18mmである。従って、隣り合うアパタイト薄膜103の間隔(開口領域の幅)は、4mmとなる。例えば、よく知られたステンシルマスクを用いてハイドロキシアパタイトを堆積することで、上述したように、複数のアパタイト薄膜103を、開口領域を設けて同時に形成できる。アパタイト薄膜103の形状、寸法などは、所望とする形状,寸法とすればよい。   In this example, a plurality of (4 × 4 = 16) apatite thin films 103 having a square shape in a plan view with a side of 14 mm were formed on a silicon wafer having a diameter of 4 inches. The pitch at which each apatite thin film 103 is arranged is 18 mm. Therefore, the interval between the adjacent apatite thin films 103 (the width of the opening region) is 4 mm. For example, by depositing hydroxyapatite using a well-known stencil mask, as described above, a plurality of apatite thin films 103 can be formed simultaneously with an opening region. The shape and size of the apatite thin film 103 may be a desired shape and size.

次に、図1D,図1E,図1Fに示すように、基板101とアパタイト薄膜103との間の犠牲層102を水に溶解させることで除去し、アパタイト薄膜103を基板101より分離する(分離工程)。例えば、上述したようにアパタイト薄膜103を形成した基板101を、純水中に浸漬すればよい。例えば、隣り合うアパタイト薄膜103の隙間(開口領域)に露出している犠牲層102に純水が作用し、犠牲層102が溶解する(図1D)。溶解は、基板101に到達し(図1E)、基板101の平面方向に進み、結果として、犠牲層102が除去される(図1F)。これらのことにより、所望とする形状,寸法としたアパタイト薄膜103が、容易に形成できるようになる。得られたアパタイト薄膜103は、基板上に固定されているなどの状態ではなく、単独で存在するものとなる。   Next, as shown in FIGS. 1D, 1E, and 1F, the sacrificial layer 102 between the substrate 101 and the apatite thin film 103 is removed by dissolving in water, and the apatite thin film 103 is separated from the substrate 101 (separation). Process). For example, the substrate 101 on which the apatite thin film 103 is formed as described above may be immersed in pure water. For example, pure water acts on the sacrificial layer 102 exposed in the gap (opening region) between adjacent apatite thin films 103, and the sacrificial layer 102 is dissolved (FIG. 1D). The dissolution reaches the substrate 101 (FIG. 1E) and proceeds in the planar direction of the substrate 101, with the result that the sacrificial layer 102 is removed (FIG. 1F). As a result, the apatite thin film 103 having a desired shape and size can be easily formed. The obtained apatite thin film 103 is not in a state of being fixed on the substrate, but is present alone.

次に、形成されたアパタイト薄膜103の特性調査の結果について説明する。まず、前述したように、犠牲層102の上に、一辺14mmの平面視正方形とした複数のアパタイト薄膜103を形成した試料ウエハを作製する。作製した試料ウエハより各アパタイト薄膜103の形成領域を切り出し、18mm角の試料チップを得る。試料チップにおいては、シリコンからなるチップ基板の上に、酸化リチウムからなる犠牲層102を介してアパタイト薄膜103が形成されている。   Next, the result of the characteristic investigation of the formed apatite thin film 103 will be described. First, as described above, a sample wafer is produced in which a plurality of apatite thin films 103 having a square shape of 14 mm on a side are formed on the sacrificial layer 102. A region where each apatite thin film 103 is formed is cut out from the prepared sample wafer to obtain an 18 mm square sample chip. In the sample chip, an apatite thin film 103 is formed on a chip substrate made of silicon via a sacrificial layer 102 made of lithium oxide.

上記試料チップに対して加熱をすることなく、最上層のアパタイト薄膜103のラマン散乱スペクトルを測定した。この測定の結果を図2に示す。図2に示すように、アパタイト薄膜103に含まれるPO4 3-ユニットの非対称伸縮モードν3と、対称伸縮モードν1が明瞭に観測されている。これらのことより、アパタイト薄膜103が、ハイドロキシアパタイトより構成されていることが示されている。 The Raman scattering spectrum of the uppermost apatite thin film 103 was measured without heating the sample chip. The result of this measurement is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the asymmetric stretching mode ν 3 and the symmetric stretching mode ν 1 of the PO 4 3- unit included in the apatite thin film 103 are clearly observed. These facts indicate that the apatite thin film 103 is composed of hydroxyapatite.

次に、上述した試料チップに対して加熱処理を行う。加熱処理は、大気圧の酸素ガス中で行った。加熱処理の条件は、550℃で10時間、600℃で3時間、700℃で3時間、800℃で2時間である。これらの加熱処理をした各試料チップに対し、X線回折によりアパタイト薄膜103および犠牲層102の結晶状態を測定した。測定の結果を図3に示す。図3は、X線回折測定により得られたアパタイト薄膜103および犠牲層102のX線回折パタンである。   Next, heat treatment is performed on the above-described sample chip. The heat treatment was performed in oxygen gas at atmospheric pressure. The conditions for the heat treatment are 550 ° C. for 10 hours, 600 ° C. for 3 hours, 700 ° C. for 3 hours, and 800 ° C. for 2 hours. The crystal state of the apatite thin film 103 and the sacrificial layer 102 was measured by X-ray diffraction for each of the heat-treated sample chips. The measurement results are shown in FIG. FIG. 3 shows X-ray diffraction patterns of the apatite thin film 103 and the sacrificial layer 102 obtained by X-ray diffraction measurement.

図3に示すように、ハイドロキシアパタイト結晶に帰属されるピークが観測されている。酸化リチウムは、軽元素の酸化物であるため、たとえ結晶化していたとしても、X線回折ピークは非常に弱い。このため、図3では、酸化リチウムに帰属されるピークは観測されていない。   As shown in FIG. 3, a peak attributed to a hydroxyapatite crystal is observed. Since lithium oxide is a light element oxide, the X-ray diffraction peak is very weak even if it is crystallized. For this reason, in FIG. 3, the peak attributed to lithium oxide is not observed.

550℃において十分に時間をかけて結晶化させた試料チップの測定結果では、ハイドロキシアパタイト(310)方向への優先配向が見られている。一方、600℃以上の加熱温度条件では、ランダム配向の結晶子で構成されていることが分かった。   In the measurement results of the sample chip crystallized at 550 ° C. with sufficient time, preferential orientation in the hydroxyapatite (310) direction is observed. On the other hand, it was found that the film was composed of randomly oriented crystallites at a heating temperature of 600 ° C. or higher.

次に、犠牲層102の結晶性と、犠牲層102の溶解性について説明する。図1Bを用いて説明したように、犠牲層102の上にアパタイト薄膜103を形成した後、加熱処理などをすることなく、水に浸漬した場合、水に浸漬してから1時間程度で、アパタイト薄膜103が自発的に分離した。上述したように加熱処理をしていない場合、酸化リチウムおよびハイドロキシアパタイトは、いずれも非晶質の状態である。非晶質のハイドロキシアパタイトの、水に対する溶解速度は、結晶のハイドロキシアパタイトの溶解速度よりも大きい。しかしながら、これらよりも酸化リチウムの水に対する溶解速度の方が、はるかに大きい。この結果、上述したように、短時間の処理で、アパタイト薄膜103を基板101より分離することができる。   Next, the crystallinity of the sacrificial layer 102 and the solubility of the sacrificial layer 102 will be described. As described with reference to FIG. 1B, when the apatite thin film 103 is formed on the sacrificial layer 102 and then immersed in water without performing heat treatment, the apatite is immersed in water for about 1 hour. The thin film 103 separated spontaneously. When heat treatment is not performed as described above, both lithium oxide and hydroxyapatite are in an amorphous state. The dissolution rate of amorphous hydroxyapatite in water is larger than the dissolution rate of crystalline hydroxyapatite. However, the dissolution rate of lithium oxide in water is much greater than these. As a result, as described above, the apatite thin film 103 can be separated from the substrate 101 in a short time.

次に、犠牲層102の上にアパタイト薄膜103を形成した後、550℃で10時間の条件で加熱処理した場合について説明する。この場合、水に浸漬してから何日経過しても、アパタイト薄膜103が基板101より分離しない。上述した条件の加熱により、アパタイト薄膜103は、結晶化する。また、犠牲層102も結晶化する。このような状態では、水に何日間浸漬しても、ピンセットなどで傷をつけない限り、アパタイト薄膜103を基板101から剥がし去ることはできなかった。また、600℃で3時間アニールして結晶化した場合、アパタイト薄膜103を壊さないと、剥がれなかった。   Next, the case where the apatite thin film 103 is formed on the sacrificial layer 102 and then heat-treated at 550 ° C. for 10 hours will be described. In this case, the apatite thin film 103 does not separate from the substrate 101 no matter how many days have passed after being immersed in water. By heating under the above-described conditions, the apatite thin film 103 is crystallized. The sacrificial layer 102 is also crystallized. In such a state, the apatite thin film 103 could not be peeled off from the substrate 101 as long as it was immersed in water for several days unless it was damaged by tweezers. Further, when crystallized by annealing at 600 ° C. for 3 hours, the apatite thin film 103 was not broken unless it was broken.

次に、犠牲層102の上にアパタイト薄膜103を形成した後、700℃あるいは800℃で2時間の条件で加熱処理した場合について説明する。700℃あるいは800℃で2時間アニールして結晶化したハイドロキシアパタイト膜に関しては、1日間水に浸けると、ハイドロキシアパタイト膜の一部が自発的に剥がれた。酸化リチウム膜のSi基板からの浮き上がりが部分的に生じ、そこへ水が侵入するため、剥離しやすくなると考えられる。   Next, a case where the apatite thin film 103 is formed on the sacrificial layer 102 and then heat-treated at 700 ° C. or 800 ° C. for 2 hours will be described. When the hydroxyapatite film crystallized by annealing at 700 ° C. or 800 ° C. for 2 hours was immersed in water for one day, part of the hydroxyapatite film was spontaneously peeled off. It is considered that the lithium oxide film partially lifts from the Si substrate, and water penetrates there, so that the lithium oxide film easily peels off.

以上に説明したように、本発明においては、犠牲層を特に酸化リチウムから構成したところに特徴がある。酸化リチウムに限らず、Na2O、K2Oなどのアルカリ金属の酸化物であれば、水溶性である犠牲層として用いることが可能である。このようなアルカリ金属の酸化物の中で、水に対する溶解速度は、酸化リチウムが最も大きい。 As described above, the present invention is characterized in that the sacrificial layer is particularly composed of lithium oxide. Not only lithium oxide but also an oxide of an alkali metal such as Na 2 O or K 2 O can be used as a water-soluble sacrificial layer. Among such alkali metal oxides, lithium oxide has the highest dissolution rate in water.

一方、所謂リン酸カルシウムに分類される物質群には、Ca10(PO46(OH)2(ハイドロキシアパタイト)、Ca82(PO46・5H2O(OCP)、CaHPO4・2H2O(DCPD)、Ca3(PO42(TCP)などがある。この中では、ハイドロキシアパタイトの化学的安定性が最も高く、これ以外は、水溶液中の平衡により最終的に到達するハイドロキシアパタイトの前駆体と位置付けられる。ハイドロキシアパタイトの水に対する溶解度は最も低いが、僅かな組成のずれや結晶性の低下により、実際のハイドロキシアパタイト膜の溶解度は劇的に変わる可能性がある。このため、水に浸けておく時間は短いに越したことはない。 On the other hand, substance groups classified as so-called calcium phosphate include Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hydroxyapatite), Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6 · 5H 2 O (OCP), CaHPO 4 · 2H. 2 O (DCPD), Ca 3 (PO 4 ) 2 (TCP), and the like. Among them, hydroxyapatite has the highest chemical stability, and other than this, it is positioned as a precursor of hydroxyapatite finally reached by equilibrium in an aqueous solution. Hydroxyapatite has the lowest solubility in water, but the solubility of an actual hydroxyapatite film may change dramatically due to a slight compositional shift or a decrease in crystallinity. For this reason, the time to immerse in water has never been short.

上述したように、ハイドロキシアパタイトによるアパタイト薄膜を水に接触させておく時間を可能な範囲で短くすることを考慮すると、犠牲層を溶解速度の小さなNa2OやK2Oから構成するという選択肢はあり得ない。成膜に適した酸化物であって、しかも水への溶解度の高い材料として酸化リチウムが有力な候補に挙げられるが、実際に酸化リチウムが上記目的に適した材料であることは、発明者らの鋭意の検討によって初めて明らかになった。 As described above, in consideration of shortening the time during which the apatite thin film made of hydroxyapatite is in contact with water as much as possible, the option of constituting the sacrificial layer from Na 2 O or K 2 O having a low dissolution rate is impossible. As an oxide suitable for film formation and having high solubility in water, lithium oxide can be cited as a promising candidate, but the fact that lithium oxide is actually a material suitable for the above-mentioned purpose has been determined by the inventors. It became clear for the first time by the earnest examination.

ハイドロキシアパタイトによるアパタイト薄膜を基板より分離するときに、前述したように、犠牲層の上で隙間(開口領域)のある状態にパターン化されているとよい。隙間に露出している犠牲層が水に溶解して基板に至るまで除去された後に、アパタイト薄膜下部の犠牲層も水が作用(侵食)しやすくなる。実用上は、あらかじめ利用に適した寸法のパタン状にアパタイト薄膜を形成しておくことが望ましい。   When the apatite thin film made of hydroxyapatite is separated from the substrate, as described above, the apatite thin film is preferably patterned in a state having a gap (opening region) on the sacrificial layer. After the sacrificial layer exposed in the gap is dissolved in water and removed to reach the substrate, the sacrificial layer below the apatite thin film is also susceptible to water action (erosion). Practically, it is desirable to form an apatite thin film in a pattern shape having dimensions suitable for use in advance.

アパタイト薄膜の基板からの分離の容易性は、酸化リチウムからなる犠牲層の状態が重要となる。室温で酸化リチウムをスパッタ成膜すると、非晶質の酸化リチウムが堆積する。このような状態の酸化リチウムによる犠牲層には多くの空隙があり、水分子は容易に犠牲層中へ侵入し、非常に速く水に溶ける。   In order to easily separate the apatite thin film from the substrate, the state of the sacrificial layer made of lithium oxide is important. When lithium oxide is sputtered at room temperature, amorphous lithium oxide is deposited. There are many voids in the sacrificial layer made of lithium oxide in this state, and water molecules easily penetrate into the sacrificial layer and dissolve in water very quickly.

これに対し、加熱処理を行うと、アパタイト薄膜および犠牲層の界面において原子の相互拡散が部分的に生じ、アパタイト薄膜と犠牲層とが一体化しやすくなる。また同時に、犠牲層(酸化リチウム)が高密度化・結晶化することで、水に対する溶解は極端に遅くなる。   In contrast, when heat treatment is performed, atomic interdiffusion partially occurs at the interface between the apatite thin film and the sacrificial layer, and the apatite thin film and the sacrificial layer are easily integrated. At the same time, as the sacrificial layer (lithium oxide) is densified and crystallized, dissolution in water becomes extremely slow.

ところがさらに高温の条件で加熱すると、例えば、シリコン基板を使用した場合、犠牲層とシリコン基板との間に密着層が存在しないため、犠牲層がシリコン基板から浮かび上がり、水が侵入しやすくなる。この結果、剥離しやすくなると考えられる。従って、加熱処理をする場合、前述したような700〜800℃の条件であれば、アパタイト膜の基板からの分離は、むしろ容易になる。   However, when heated under higher temperature conditions, for example, when a silicon substrate is used, there is no adhesion layer between the sacrificial layer and the silicon substrate, so that the sacrificial layer floats from the silicon substrate and water easily enters. As a result, it is thought that it becomes easy to peel. Therefore, when the heat treatment is performed, the apatite film can be easily separated from the substrate under the conditions of 700 to 800 ° C. as described above.

従来の報告では、結晶性のハイドロキシアパタイトによる薄膜を得るためには、非晶質のハイドロキシアパタイト薄膜を得た後に、熱処理炉に入れて、加熱処理する必要があった。これに対し、酸化リチウムを犠牲層に用いることで、800℃のアニールにも堪えられ、アパタイト薄膜を基板より分離する前に結晶化させることも可能となった。また、すべてのプロセスを、有機材料を用いることのない環境下で行うことができ、アパタイト薄膜中への不純物の侵入を回避できる点においても、本発明は有利である。以上に説明したように、本発明によれば、安定した状態でかつコストの上昇を抑制した状態で、ハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜が容易に形成できるようになる。   According to a conventional report, in order to obtain a thin film made of crystalline hydroxyapatite, it was necessary to obtain an amorphous hydroxyapatite thin film and then heat-treat it in a heat treatment furnace. On the other hand, by using lithium oxide for the sacrificial layer, it can withstand annealing at 800 ° C., and the apatite thin film can be crystallized before being separated from the substrate. In addition, the present invention is advantageous in that all processes can be performed in an environment where no organic material is used, and impurities can be prevented from entering the apatite thin film. As described above, according to the present invention, an apatite thin film made of hydroxyapatite can be easily formed in a stable state while suppressing an increase in cost.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…基板、102…犠牲層、103…アパタイト薄膜。   101 ... substrate, 102 ... sacrificial layer, 103 ... apatite thin film.

Claims (2)

基板の上に、酸化リチウムからなる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層の上にハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成するアパタイト薄膜形成工程と、
前記基板と前記アパタイト薄膜との間の前記犠牲層を水に溶解させることで除去し、前記アパタイト薄膜を前記基板より分離する分離工程と
を備え
前記アパタイト薄膜形成工程と前記分離工程との間に、700以上800℃以下の温度条件で加熱することで、前記アパタイト薄膜を結晶化させるとともに前記犠牲層と前記基板との密着性を弱める結晶化工程を備えることを特徴とするアパタイト薄膜形成方法。
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer made of lithium oxide on the substrate;
An apatite thin film forming step of forming an apatite thin film made of hydroxyapatite on the sacrificial layer;
Removing the sacrificial layer between the substrate and the apatite thin film by dissolving in water, and separating the apatite thin film from the substrate , and
Crystallization that weakens the adhesion between the sacrificial layer and the substrate while crystallizing the apatite thin film by heating at a temperature of 700 to 800 ° C. between the apatite thin film forming step and the separation step. A process for forming an apatite thin film comprising the steps .
基板の上に、酸化リチウムからなる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層の上にハイドロキシアパタイトからなるアパタイト薄膜を形成するアパタイト薄膜形成工程と、
前記基板と前記アパタイト薄膜との間の前記犠牲層を水に溶解させることで除去し、前記アパタイト薄膜を前記基板より分離する分離工程と
を備え、
前記薄膜形成工程では、下層の前記犠牲層が露出する開口領域を備えて前記アパタイト薄膜を形成することを特徴とするアパタイト薄膜形成方法。
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer made of lithium oxide on the substrate;
An apatite thin film forming step of forming an apatite thin film made of hydroxyapatite on the sacrificial layer;
A separation step of removing the sacrificial layer between the substrate and the apatite thin film by dissolving in water, and separating the apatite thin film from the substrate;
With
And in the thin film formation process, apatite film forming method with an opening area where the lower layer of the sacrificial layer is exposed, characterized that you form the apatite film.
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JP4955849B2 (en) * 2000-04-06 2012-06-20 健 八尾 Apatite structure and apatite pattern forming method
KR101084429B1 (en) * 2006-03-17 2011-11-21 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬 Biocompatible transparent sheet, method of producing the same and cell sheet
DE102009039665A1 (en) * 2009-09-02 2011-03-03 Aap Biomaterials Gmbh Hydroxylapatite material and process for its preparation
JP5854650B2 (en) * 2011-06-02 2016-02-09 学校法人近畿大学 Biocompatible transparent sheet, method for producing the same, and cell sheet
JP5580271B2 (en) * 2011-09-21 2014-08-27 日本電信電話株式会社 Method for producing hydroxyapatite thin film
JP2015043256A (en) * 2011-12-21 2015-03-05 シャープ株式会社 Optical substrate, manufacturing method of the same, light emitting element, liquid crystal element, display device, liquid crystal device, and lighting device
JP5859921B2 (en) * 2012-06-18 2016-02-16 日本電信電話株式会社 Method for producing hydroxyapatite thin film
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