JP6179682B2 - 空隙配置構造体およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、空隙配置構造体およびその製造方法に関する。
検体中の目的物（被測定物）の量などを測定する方法として、複数の孔を有する空隙配置構造体をフィルタとして用いて、検体中の目的物を空隙配置構造体に捕集し、目的物が捕集された空隙配置構造体を測定に供する方法が知られている。
ここで、目的物が大気中に存在するＰＭ２．５、血液中に含まれる小胞体などの流体（検体）中に含まれる微小な物体である場合、微小な目的物を捕集するために、それらの目的物よりも小さな孔を有する多孔質（メッシュ状）構造体が必要となる。
しかし、孔の微細化には技術的に限界がある。また、孔のサイズが製造可能な場合であっても、孔のサイズが小さくなればなる程（例えば、１μｍ以下）、歩留まり率の低下、製造工程および設備の複雑化などにより、製造コストが高くなるといった問題が生じる。
特許文献１（国際公開第２０１４／０６４４１０号）の段落［００４７］および図８、ならびに、特許文献２（実開昭５９−１０８７９号公報）には、複数の貫通孔（空隙部）を有する２枚の空隙配置構造体を、一方の空隙配置構造体の空隙部の１つが他方の空隙配置構造体の空隙部の１つのみに部分的に重なるように積層してなる空隙配置構造体が開示されている。このようにしてフィルタを作製することで、微小な空隙部を有するフィルタを比較的容易に作製することができる。
また、特許文献３（特開２０１０−４２３４９号公報）および特許文献４（特開平１１−２７６８２０号公報）には、２層の平行に配列された線材群を互いに向きが９０°異なるように積層することで網目状構造体を形成し、さらに複数の網目状構造体を互いに網目の位置がずれるように積層することで、より小さな網目が形成されたフィルタ（空隙配置構造体）が開示されている。
国際公開第２０１４／０６４４１０号 実開昭５９−１０８７９号公報 特開２０１０−４２３４９号公報 特開平１１−２７６８２０号公報
空隙配置構造体の厚みは、必要な機械的強度を維持できる範囲で、薄い方が好ましい。空隙配置構造体の厚みが厚くなると、それをフィルタとして用いる場合、一般に流体を通過させた際の圧力損失が大きくなる。空隙配置構造体の圧力損失が大きくなると、流速が遅くなったり、流体を流すことが困難になったりするため、処理効率が低下するといった問題があるからである。また、空隙配置構造体の厚みが厚くなると、それを測定デバイスとして用いる場合、目的物（被測定物）の付着による影響が小さくなるため、測定感度が低下するという問題もある。
しかし、特許文献１および２に開示される空隙配置構造体は、２層の空隙配置構造体の厚みが必要であるため、全体の厚みが厚くなってしまう。さらに、特許文献３および４に開示される空隙配置構造体においては、２層の平行に配列された線材群から構成される網目より更に小さな網目を形成するためには、少なくとも４層の線材群を積層する必要がある。したがって、特許文献３および４に開示される空隙配置構造体は、さらに厚みが厚くなってしまう。
本発明は、上記の事情に鑑み、微小な空隙部を有しつつ、厚みが薄く、十分な強度を有する空隙配置構造体、および、その製造方法を提供することを目的とする。
［１］ 互いに対向する第１主面および第２主面を有し、前記第１主面および前記第２主面を貫通する複数の空隙部を有する膜状の空隙配置構造体であって、
前記第２主面上の一部の領域であり、前記第２主面の法線方向から見た平面視において前記複数の空隙部のうち３つ以上と接する少なくとも１つの領域において、前記第２主面から前記第２主面の法線方向に突出した突起を有する、空隙配置構造体。
［２］ 前記第１主面の法線方向に貫通する複数の第１空隙部を有する膜状の第１パターンと、前記第１主面の法線方向に貫通する複数の第２空隙部を有する膜状の第２パターンとを、前記第１主面上で重ね合わせてなる形状を有し、
前記第１主面の法線方向から見た平面視において、前記複数の第１空隙部の各々は前記複数の第２空隙部のうちの３つ以上と重なっており、前記複数の第２空隙部の各々は前記複数の第１空隙部のうちの３つ以上と重なっており、
前記空隙部は、前記複数の第１空隙部と前記複数の第２空隙部との重複部分であり、
前記第１パターンと前記第２パターンとが重複する交差領域のみに前記突起を有する、［１］に記載の空隙配置構造体。
［３］ 前記領域を３つ以上有し、一つおきの前記領域が前記交差領域に相当する、［２］に記載の空隙配置構造体。
［４］ 前記第１パターンと前記第２パターンとは同一形状であり、
前記形状は、前記第１パターンと前記第２パターンとを前記第１主面に水平な方向の位置をずらして重ね合わせてなる形状である、［２］または［３］に記載の空隙配置構造体。
［５］ 準周期構造体または周期構造体である、［１］〜［４］のいずれかに記載の空隙配置構造体。
［６］ 前記突起を除いた部分の厚みが３０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれかに記載の空隙配置構造体。
［７］ 前記複数の空隙部の孔サイズが０．５μｍ以下である、［１］〜［６］のいずれかに記載の空隙配置構造体。
［８］ 前記第１主面に突起を有していない、［１］〜［７］のいずれかに記載の空隙配置構造体。
［９］ ［２］に記載の空隙配置構造体の製造方法であって、
前記第１パターンに相当する第１構造体を形成する第１パターン形成工程と、
前記第２パターンに相当する第２構造体を形成し、前記第１構造体と前記第２構造体とが結合されてなる前記空隙配置構造体を得る、第２パターン形成工程とを含み、
前記第２構造体は、少なくとも前記第１パターンと前記第２パターンとが重複する交差領域において、前記第２主面上に前記第２主面の法線方向に突出した突起を含む、製造方法。
［１０］ 前記第１パターン形成工程において、第１レジストを用いたリソグラフィーにより前記第１構造体を形成し、その後、前記第１レジストを除去し、
前記第２パターン形成工程において、第２レジストを用いたリソグラフィーにより前記第２構造体を形成する、［９］に記載の製造方法。
［１１］ ［１］〜［８］のいずれかに記載の空隙配置構造体を用いた細胞の濾過方法。
本発明によれば、微小な空隙部を有しつつ、厚みが薄く、十分な強度を有する空隙配置構造体、および、その製造方法を提供することができる。
実施形態１の空隙配置構造体の構造を示す平面図である。 実施形態１の空隙配置構造体を構造を説明するための模式図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）は、実施形態１の空隙配置構造体の変形例の構造を示す平面図である。（ｂ）は、実施形態１の空隙配置構造体の別の変形例の構造を示す平面図である。 実施形態２の空隙配置構造体の構造を示す模式図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は斜視図である。 実施形態２の空隙配置構造体の変形例の構造を示す平面図である。 実施形態２の空隙配置構造体の別の変形例の構造を示す平面図である。 実施形態２の空隙配置構造体の製造方法を説明するための断面図である。 空隙配置構造体の厚みと圧力損失との関係を示すグラフである。 実施形態２の空隙配置構造体を測定デバイスとして用いる場合の効果を説明するためのシミュレーション結果に用いた空隙配置構造体の単位構造を示す斜視図である。（ａ）は実施例１、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２の単位構造を示す。 実施形態２の空隙配置構造体を測定デバイスとして用いる場合の効果を説明するためのシミュレーション結果を示す透過率スペクトルである。（ａ）は実施例１、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２の結果を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
［実施形態１］
（空隙配置構造体）
本実施形態の空隙配置構造体１は、基本的には、図２（ａ）に示されるような、互いに対向する一対の主面（第１主面１ａおよび第２主面１ｂ）を有し、第１主面１ａおよび第２主面１ｂを貫通する複数の空隙部１ｃを有する膜状の構造体である。
ただし、本実施形態の空隙配置構造体１は、図１に示されるように、第２主面１ｂ上の一部の領域であり、第２主面１ｂ（第１主面１ａ）の法線方向から見た平面視において複数の空隙部１ｃのうち４つと接する複数の領域１ｄにおいて、第２主面１ｂから第１主面１ａの法線方向（第１主面１ａの反対側）に突出した突起を有することを特徴とする。なお、図２において突起は記載していない。
本実施形態の空隙配置構造体においては、突起が設けられる領域が３つ以上の空隙部と接する領域（桟部の交差部分）であるため、この突起により空隙配置構造体において３つ以上の方向から応力がかかる部分が補強され、空隙配置構造体の強度が向上する。したがって、本実施形態の空隙配置構造体は、厚みを薄くしても、十分な強度を維持することが可能である。
なお、国際公開第２０１２／２９６２９号の図１等には、空隙配置構造体（周期的構造体）を構成する単位構造体において、２つの空隙部と接する領域（桟部の途中）において、主面に垂直な方向に突出した突起を有する空隙配置構造体が開示されている。しかしながら、この突起は、３つ以上の空隙部と接する領域に設けられたものではなく、３つ以上の方向から応力がかかるこの領域を補強することはできない。
図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して、例えば、複数の空隙部１ｃは、第１主面１ａ（第２主面１ｂ）に水平な方向において周期的に配置されている。ただし、空隙部１ｃは、その全てが周期的に配置されていてもよく、本発明の効果を損なわない範囲で、一部の空隙部１ｃが周期的に配置され、他の空隙部１ｃが非周期的に配置されていてもよい。
空隙配置構造体１は、好ましくは準周期構造体や周期構造体である。準周期構造体とは、並進対称性は持たないが配列には秩序性が保たれている構造体のことである。準周期構造体としては、例えば、２次元準周期構造体としてペンローズ構造が挙げられる。周期構造体とは、並進対称性に代表される様な空間対称性を持つ構造体のことであり、好ましくは２次元周期構造体である。２次元周期構造体としては、例えば、メッシュフィルタ、２次元回折格子などが挙げられる。
２次元周期構造体としては、例えば、図２に示すようなマトリックス状に一定の間隔で空隙部１ｃが配置された膜状構造体（格子状構造体）が挙げられる。図２に示す空隙配置構造体１は、その第１主面１ａ（第２主面１ｂ）の法線方向からみて正方形の空隙部１ｃが、該正方形の各辺と平行な２つの配列方向（図中の縦方向と横方向）に等しい間隔で設けられた膜状構造体である。
空隙配置構造体１は、少なくともその表面を含む一部が導体で形成されていることが好ましく、空隙配置構造体の全体が導体で形成されていることがより好ましい。ここで、導体とは、電気を通す物体（物質）のことであり、金属だけでなく半導体も含まれる。
金属としては、ニッケル、金、銀、銅、白金、鉄、クロム、シリコン、ゲルマニウム、およびこれらの材料を含む合金などが挙げられる。好ましくはニッケル、金、銀、銅、白金およびクロムであり、さらに好ましくはニッケルおよび金である。
また、半導体としては、例えば、ＩＶ族半導体（Ｓｉ、Ｇｅなど）や、ＩＩ−ＶＩ族半導体（ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなど）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなど）、ＩＶ族化合物半導体（ＳｉＣ、ＳｉＧｅなど）、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体（ＣｕＩｎＳｅ２など）などの化合物半導体、有機半導体が挙げられる。
なお、図１に示す領域１ｄは、平面視において複数の空隙部１ｃと点で接する領域であるが、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、平面視において複数の空隙部１ｃと線で接する領域であってもよい。
（フィルタ）
本実施形態の空隙配置構造体は、流体（検体）中に含まれる目的物を捕集するためのフィルタ（篩い）として用いることができる。
流体は、例えば、気体または液体である。目的物としては、例えば、流体中に含まれる無機物、有機物もしくはそれらの複合物、または、生物由来物質が挙げられる。本明細書において、「生物由来物質」とは、細胞（真核生物）、細菌（真性細菌）、ウィルス等の生物に由来する物質を意味する。細胞（真核生物）としては、例えば、卵、精子、人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、ＥＳ細胞、幹細胞、間葉系幹細胞、単核球細胞、単細胞、細胞塊、浮遊性細胞、接着性細胞、神経細胞、白血球、リンパ球、再生医療用細胞、自己細胞、がん細胞、血中循環がん細胞（ＣＴＣ）、ＨＬ−６０、ＨＥＬＡ、菌類を含む。細菌（真性細菌）としては、例えば、グラム陽性菌、グラム陰性菌、大腸菌、結核菌を含む。ウィルスとしては、例えば、ＤＮＡウィルス、ＲＮＡウィルス、ロタウィルス、（鳥）インフルエンザウィルス、黄熱病ウィルス、デング熱病ウィルス、脳炎ウィルス、出血熱ウィルス、免疫不全ウィルスを含む。なお、目的物は、流体中に存在する状態で形状を有しているものであればよく、固体に限らず、液体、ゾルまたはゲル等であってもよい。
気体中の無機物、有機物もしくはそれらの複合物としては、例えば、大気中のＰＭ（Particle Matter）２．５や、ＳＰＭ（Suspended Particulate Matter）、ＰＭ１０、花粉などが挙げられる。なお、ＰＭ２．５とは、大気中に浮遊する粒子状物質であり、粒子径が概ね２．５μｍ以下のものである。
上述の目的物以外にも、例えば以下のような目的物の捕集に、本実施形態の空隙配置構造体を適用することができる。
液中の細胞（例えば、直径９μｍの略球形のＨＬ６０が５×１０４個含まれた総量１ｍＬのＰＢＳ液）を濾過するために、上記実施形態の空隙配置構造体を適用することができる。
また、癌の新しい検査方法として、血中の癌細胞由来のエクソソーム（小胞体）を定量する研究が進められている。エクソソームのサイズは数百ｎｍ程度であり、白血球、赤血球および他の血液細胞を除去した血液サンプルから、エクソソームのみを捕集（濾過および濃縮）するために、上記実施形態の空隙配置構造体を適用することができる。
また、ノロウィルスは培養できないため、発病後、かなりの時間が経過して、ウイルス数が増えないと検査できないという問題があるが、微量なウィルスを空隙配置構造体で捕集（濾過および濃縮）できれば、培養不要で迅速な検査が可能になる。このため、上記実施形態の空隙配置構造体は、このようなウィルスの選択的な捕集に適用することもできる。
目的物を「捕集する」とは、例えば、フィルタの孔に物理的に目的物を保持することや、目的物が吸着しやすいように修飾されたフィルタの表面に直接的または間接的に目的物を付着させることをいう。
フィルタとして用いられる空隙配置構造体の空隙部１ｃの大きさは、目的物を捕集できる大きさであれば特に限定されないが、例えば、物理的に目的物が通過できないか、または通過し難い大きさであることが好ましい。なお、空隙配置構造体をフィルタとして用いる場合は、空隙配置構造体の空隙部１ｃの大きさがフィルタの孔の大きさに相当する。
空隙配置構造体１の開口率（空隙部１ｃを含む空隙配置構造体の主面の面積に対する空隙部１ｃの開口面積の比率）は、空隙配置構造体を通過する流体の流速を高める観点から３％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。
なお、空隙配置構造体の強度保証の観点からは、開口率が８０％以下であることが好ましく、６０％以下であることがより好ましい。
空隙配置構造体の厚みは、必要な機械的強度を維持できる範囲で、薄い方が好ましい。空隙配置構造体の厚みが厚くなると、一般に流体を通過させた際の圧力損失が大きくなる。空隙配置構造体の圧力損失が大きくなると、流速が遅くなったり、流体を流すことが困難になったりするため、処理効率が低下するといった問題があるからである。
本実施形態の空隙配置構造体は、突起を除いた部分の厚みが３０μｍ以下であることが好ましい。該厚みは、より好ましくは２４μｍ以下であり、より好ましくは１５μｍ以下であり、より好ましくは９μｍ以下であり、さらに好ましくは３μｍ以下である。
空隙配置構造体の厚みに関して、比較試験を行った。具体的には、孔サイズ（Ｄ）が０．５μｍ、ピッチ（Ｐ）が１．３μｍ、厚みが表１に示す厚みである５種類の空隙配置構造体を用意し、それらの圧力損失をマノスターゲージにより測定した。比較試験の結果から求めた空隙配置構造体の厚みと圧力損失との関係を表１および図８に示す。
表１および図８に示される結果から、上記厚みが３０μｍ以下である場合、圧力損失は大気圧（１０１．３２５ｋＰａ）以下となることが分かる。圧力損失が大気圧より大きくなると、空隙配置構造体の破れ等の不具合が生じやすくなる。したがって、フィルタとして用いる空隙配置構造体の厚みは、３０μｍ以下であることが好ましいことが分かる。
本実施形態の空隙配置構造体は、基本的に１層から構成されるため、特許文献１〜４に開示される空隙配置構造体よりも、厚みの薄い空隙配置構造体を得る上で有利である。
また、本実施形態の空隙配置構造体は、３つ以上の空隙部と接する領域に設けられた突起によって補強されているため、十分な強度を維持したまま従来よりも厚みを薄くすることができる。この点においても、本実施形態の空隙配置構造体は、厚みの薄い空隙配置構造体を得る上で有利である。
本実施形態の空隙配置構造体１において、空隙部１ｃの孔サイズは、５００μｍ以下であることが好ましい。また、ピッチは、１３００μｍ以下であることが好ましい。ミクロンオーダーの粒子をフィルタに捕捉可能となるからである。さらに好ましくは、空隙部１ｃの孔サイズは、５μｍ以下であることが好ましい。また、ピッチは、１３μｍ以下であることが好ましい。サブミクロンオーダーの粒子をフィルタに捕捉可能となるからである。
空隙配置構造体１は、第１主面１ａに突起を有していないことが好ましく、第１主面１ａが平坦であることがより好ましい。空隙配置構造体１を用いて傷付きやすい目的物（細胞など）を濾過する場合に、第１主面１ａ側に目的物が捕捉されるようにすれば、目的物を傷付けずに濾過することができる。
フィルタとして用いられる空隙配置構造体の表面は、目的物が吸着しやすいような修飾が施されていてもよい。なお、この表面修飾によって化学的に目的物を捕集できる範囲であれば、空隙配置構造体の空隙部１ｃの大きさは、物理的に目的物が通過できるような大きさであってもよい。
目的物が吸着しやすいような修飾とは、例えば、目的物と親和性の高い物質によるコーティングが挙げられる。他にも、空隙配置構造体の表面にホスト分子を結合する修飾を施し、該ホスト分子に目的物が結合されるようにしてもよい。ここで、ホスト分子とは、目的物を特異的に結合させることのできる分子などであり、ホスト分子と目的物の組み合わせとしては、例えば、抗原と抗体、糖鎖とタンパク質、脂質とタンパク質、低分子化合物（リガンド）とタンパク質、タンパク質とタンパク質、一本鎖ＤＮＡと一本鎖ＤＮＡなどが挙げられる。
（測定デバイス）
また、目的物を捕集した空隙配置構造体（フィルタ）に電磁波を照射し、空隙配置構造体の電磁波特性を用いて目的物（被測定物）の量または特性を測定するための測定デバイスとして用いることができる。
空隙配置構造体の電磁波特性を用いた測定方法としては、種々公知の機構を用いることができるが、例えば、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）などの赤外分光法、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）が挙げられる。
測定に用いられる電磁波は、例えば、フィルタの構造に応じて散乱を生じさせることのできる電磁波であり、具体的には、電波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線などである。電磁波の周波数は、特に限定されないが、好ましくは１ＧＨｚ〜１ＰＨｚであり、さらに好ましくは２０ＧＨｚ〜２００ＴＨｚ（テラヘルツ波）である。
また、電磁波としては、例えば、所定の偏波方向を有する直線偏光の電磁波（直線偏波）や無偏光の電磁波（無偏波）を用いることができる。直線偏光の電磁波としては、例えば、短光パルスレーザを光源としてＺｎＴｅ等の電気光学結晶の光整流効果により発生するテラヘルツ波や、半導体レーザから出射される可視光や、光伝導アンテナから放射される電磁波等が挙げられる。無偏光の電磁波としては、高圧水銀ランプやセラミックランプから放射される赤外光等が挙げられる。
本実施形態の空隙配置構造体は、３つ以上の空隙部と接する領域に突起を有しているため、測定感度が向上し、より微量の被測定物を測定することが可能となる。
［実施形態２］
図４を参照して、本実施形態の空隙配置構造体１は、主面の法線方向に貫通する複数の第１空隙部１１ｃを有する膜状の第１パターン１１と、主面の法線方向に貫通する複数の第２空隙部１２ｃを有する膜状の第２パターン１２とを、同一平面（第１主面１ａ）上で重ね合わせてなる形状を有している。
第１主面１ａ（第２主面１ｂ）の法線方向から見た平面視において、第１パターン１１の複数の第１空隙部１１ｃの各々は第２パターン１２の複数の第２空隙部１２ｃのうちの４つと重なっている。逆に、第２パターン１２の複数の第２空隙部１２ｃの各々は第１パターン１１の複数の第１空隙部１１ｃのうちの４つと重なっている。この複数の第１空隙部１１ｃと複数の第２空隙部１２ｃとの重複部分が、空隙配置構造体１の空隙部１ｃを構成している。
そして、本実施形態の空隙配置構造体は、第１パターン１１と第２パターン１２との重複部分（交差領域１ｅ）のみにおいて、第２主面１ｂ（第１パターン１１の主面１１ｂと第２パターン１２の主面１２ｂからなる面）上に第１主面１ａ（第２主面１ｂ）の法線方向（第１主面１ａの反対側）に突出した突起を有する点で、実施形態１とは異なる。
第１パターン１１および第２パターン１２は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示される空隙配置構造体１と同様の形状を有している。第１パターン１１は、互いに対向する一対の主面１１ａ，１１ｂと、第１空隙部１１ｃとを有している。同様に、第２パターン１２は、互いに対向する一対の主面１２ａ，１２ｂと、第２空隙部１２ｃとを有している。
本実施形態の空隙配置構造体においては、上記の構成により、第１パターン１１の空隙部（第１空隙部１１ｃ）および第２パターン１２の空隙部（第２空隙部１２ｃ）よりも、小さいサイズの空隙部１ｃが形成される。例えば、図４（ａ）に示されるように、第１空隙部１１ｃおよび第２空隙部１２ｃの両方の孔サイズ（図２（ａ）に示すＤ）が１．０μｍ、ピッチ（図２（ａ）に示すＰ）が１．４μｍである場合、空隙部１ｃの孔サイズは０．３μｍとなり、ピッチは０．７μｍとなる。
また、本実施形態の空隙配置構造体においては、特許文献１および２に開示される空隙配置構造体のように、一方の空隙配置構造体の空隙部の１つが他方の空隙配置構造体の空隙部の１つのみに部分的に重なっている場合に比べて、空隙部のうち貫通孔を構成する部分の比率を高めやすくなる。したがって、本実施形態の空隙配置構造体は、特許文献１および２に開示されるような空隙配置構造体よりも、開口率の低下を抑制し、ろ過の効率、電磁波測定の効率などの低下を抑制することができる。
図５および図６に、本実施形態の空隙配置構造体の変形例を示す。図５に示す変形例は、第１パターン１１および第２パターン１２が、正六角形の空隙部を有するハニカム状の構造を有している。また、図６に示す変形例は、第１パターン１１および第２パターン１２が、円形の空隙部を有するハニカム状の構造を有している。これらの変形例において、一方のパターンの１つの空隙部が他方のパターンの３つの空隙部と重なっている。
また、図５および図６に示す空隙配置構造体１は、第１パターン１１と第２パターン１２とが重複する交差領域１ｅにおいて、第２主面から第２主面の法線方向（第１主面の反対側）に突出した突起を有する。なお、図５および図６においては、簡略化のために交差領域１ｅの１つのみを示しているが、実際には、第１パターン１１と第２パターン１２とが重複する部分の全てが交差領域１ｅである。
なお、本実施形態の空隙配置構造体の形状は、上記の形状に限定されず、他にも正三角形、正八角形などの空隙部を有する第１パターン１１および第２パターン１２から構成されていてもよい。
また、本実施形態の空隙配置構造体１においては、第２主面１ｂ上の一部の領域であり、第２主面１ｂの法線方向から見た平面視において複数の空隙部１ｃのうち３つ以上と接する複数の領域１ｄ（図１に示す領域１ｄ）が、一つおきに交差領域１ｅとなっており、その交差領域１ｅのみに第２主面１ｂの法線方向に突出した突起を有している。すなわち、複数の領域１ｄに対して一つおきに突起が設けられている。これにより、空隙部１ｃのサイズよりも大きい目的物を捕集する際に、目的物を空隙配置構造体１上に安定して捕捉することができ、また、目的物の凝集を抑制し、目的物を空隙配置構造体１の主面上に分散された状態で捕捉することができる。
なお、突起は、交差領域１ｅの全てに設けられている必要はなく、複数の交差領域１ｅの一部に設けられていてもよい。
実施形態１と同様に、本実施形態の空隙配置構造体も、３つ以上の空隙部と接する領域に突起を有しているため、測定感度が向上し、より微量の被測定物を測定することが可能となる。この効果を検証するためのシミュレーション計算を実施した。
具体的には、図９を参照して、図９（ａ）に示されるような単位構造１００から構成される空隙配置構造体を実施例１とした。実施例１は、突起１ｆを有する本実施形態の空隙配置構造体に相当する。また、図９（ｂ）に示されるような単位構造１００から構成される空隙配置構造体を比較例１とした。比較例１の空隙配置構造体は、図２に示すような突起のない従来の空隙配置構造体である。さらに、図９（ｃ）に示されるような単位構造から構成される空隙配置構造体を比較例２とした。比較例２の空隙配置構造体は、国際公開第２０１２／２９６２９号の図１に相当する従来の空隙配置構造体である
各空隙配置構造体を構成する単位構造のパラメータは、表２に示すとおりである。
上記のような実施例１、比較例１および比較例２の空隙配置構造体について、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ：時間領域差分法）による電磁界シミュレーション（Ｍｉｃｒｏ−ｓｔｒｉｐｅｓ）を行った。実施例１、比較例１および比較例２について、シミュレーションによって得られた透過率スペクトルをそれぞれ図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図中の太線は空隙配置構造体のみの透過率スペクトルを示し、細線は、空隙配置構造体の表面に被測定物（厚み０．１μｍの誘電体フィルム）を付加したものについての透過率スペクトルを示す。
なお、電磁界シミュレーションの条件は、空隙配置構造体１の基本格子の主面を入射面、その反対面を観測面とし、それら以外の面を周期境界とした。さらに、空隙配置構造体（基本格子）の材料はＮｉとした。また、電磁波は、波源から、偏光面（電界面）がＹ方向となるような平面波（直線偏光波）を格子単位の主面に対して垂直に入射した。また、空隙配置構造体を透過した電磁波は、平面波の波源とは逆側に設けた観測面で透過した電磁波が検出されるものとした。平面波の波源と基本格子との距離は２７０μｍとし、基本格子と観測面との間の距離は２７０μｍとした。
図１０（ａ）〜（ｃ）に示される透過率スペクトルから、実施例１におけるピーク点付近のスペクトルは、比較例１および２よりもシャープになっていることが分かる。
また、金属メッシュに物質が付着すると、被測定物の付着前（太線）に対して付着後（細線）のスペクトルの周波数がシフトする。このシフト変化によるピーク点周波数（図中に細線で示す付着後のスペクトルのピーク極大値における周波数）の透過率差（図中の矢印で示す差）は、比較例１および２よりも実施例１で大きくなった。したがって、シフト変化による透過率差により空隙配置構造体の表面に付着した物質を検出する場合、実施例１が優位になる。
なお、実施例１では空隙部１ｃが４分割されるため、比較例１および２のピッチが２．６μｍであるのに対して、実施例１のピッチは１．３μｍとなる。このため、ピーク点が高周波側にシフトする。
また、付着前後の透過率の基準点を、例えば、ピーク点の波長の１／２の波長（図中の丸囲み部分）とした場合、比較例１および２では透過率差があるために基準がとれないのに対して、実施例１では付着前後の透過率差が生じないため基準点により校正することができる。さらに、実施例では付着前後の透過率の基準点をピーク点の２／３とした場合でも、透過率差が生じていないため基準点により校正することができる。基準点の校正により、スペクトル解析における誤差要因が低減され、微量物質の検出感度を高めることが可能となる。
（製造方法）
上記のように、第１パターン１１と第２パターン１２との重複部分において突起を有する本実施形態の空隙配置構造体は、以下の製造方法により容易に製造することができる。
本実施形態の空隙配置構造体の製造方法は、基本的に、
第１パターン１１に相当する第１構造体１１０を形成する第１パターン形成工程と、
第２パターン１２に相当する第２構造体１２０を形成し、第１構造体１１０と第２構造体１２０とが結合されてなる空隙配置構造体１を得る、第２パターン形成工程とを含む。
以下、各工程について図７を参照して説明する。
（第１パターン形成工程）
本工程では、金属膜３上に堆積法により、第１パターン１１に相当する第１構造体１１０を所定のパターニングで形成する。
まず、図７（ａ）を参照して、基板２を用意する。基板２は、特に限定されないが、例えば、Ｓｉからなる。
次に、図７（ｂ）を参照して、基板２上に、スパッタリングによりＴｉ膜及びＣｕ膜をこの順序で製膜し、Ｔｉ膜及びＣｕ膜からなる積層膜（金属膜３）を形成する。この金属膜３は、後の工程でエッチングによって除去される層であるが、第１パターンを形成する際に、Ｎｉのめっきに際してのシード層としても機能する。
金属膜３の厚みは、特に限定されないが、後の工程で部分的に除去されるものであるため、本実施形態の空隙配置構造体を得られる範囲内で薄い方が好ましい。具体的には、例えば、金属膜３の厚みは、１００〜６００ｎｍであることが好ましい。なお、例えば、Ｔｉ膜の厚みは２０ｎｍ程度とすればよく、Ｃｕ膜の厚みは２００ｎｍ〜５００ｎｍ程度とすればよい。
次に、図７（ｃ）を参照して、金属膜３上に第１レジスト４１を形成する。例えば、この第１レジスト４１は、フォトリソグラフィー法により形成することができる。第１レジスト４１は、第１構造体１１０が形成される部分に相当する位置に、開口を有するようにパターニングされ、主面の法線方向に貫通する複数の第１空隙部１１ｃを有する膜状の第１構造体１１０が形成されるようにパターニングされる。
次に、図７（ｄ）を参照して、第１レジスト４１の開口において露出した金属膜３の表面上に、第１構造体１１０（Ｎｉ膜）をめっき法により形成する。このようにして、主面の法線方向に貫通する複数の第１空隙部１１ｃを有する膜状の第１構造体１１０が形成される。
まず、図７（ｅ）を参照して、第１レジスト４１を剥離法により除去する。このように、第１構造体１１０を形成した後、第２形成工程の前に、第１レジスト４１を剥離することで、第１構造体１１０と、後述の第２構造体１２０とを同一平面（第１主面１ａ）上に形成することができる。これにより、単に第１構造体１１０と第２構造体１２０とを積層するよりも、最終的に得られる空隙配置構造体１の厚みを低減することができる。
（第２パターン形成工程）
本工程では、第１構造体１１０上に堆積法により、第２パターン１２に相当する第２構造体１２０を所定のパターニングで形成し、空隙配置構造体１を得る。
まず、図７（ｆ）を参照して、金属膜３および第１構造体１１０上に、第２レジスト４２を形成する。第２レジスト４２は、第２構造体１２０が形成される部分に相当する位置に、開口を有するようにパターニングされ、主面の法線方向に貫通する複数の第２空隙部１２ｃを有する膜状の第２構造体１２０が形成されるようにパターニングされる。
また、パターニングは、図４（ａ）に示されるように、第１主面１ａ（第２主面１ｂ）の法線方向から見た平面視において、複数の第１空隙部１１ｃの各々は４つの第２空隙部１２ｃと重なり、かつ、複数の第２空隙部１２ｃの各々は４つの第１空隙部１１ｃと重なるように設計される。これにより、複数の第１空隙部１１ｃと複数の第２空隙部１２ｃとが重なっている部分が、空隙配置構造体１の空隙部１ｃとなる。
なお、本実施形態において、第２レジスト４２は、第１レジスト４１と同じ形状であり、配置される位置（第１主面１ａの水平方向の位置）のみが第１レジスト４１とは異なる。
このような第１レジスト４１および第２レジスト４２を、第１パターン１１の複数の第１空隙部と第２パターン複数の第２空隙部との重複部分が、均一な大きさおよび形状となるように、位置をずらして形成することで、得られる空隙配置構造体１を準周期構造体または周期構造体とすることができる。例えば、図４に示すような空隙配置構造体を得るためには、第１パターン１１と第２パターン１２の配置を縦方向および横方向において半ピッチずつずらすようにパターニングすればよい。
また、空隙配置構造体１の開口率は、例えば、第１パターン１１および第２パターン１２における図２（ｂ）にＤで示される空隙部の開口サイズとＰで示される空隙部の格子間隔（ピッチ）の設計と、第１パターン１１と第２パターン１２との配置設計とによって、調整することができる。
次に、図７（ｇ）を参照して、第２レジスト４２の開口において露出した金属膜３および第１構造体１１０の表面上に、第２構造体１２０（Ｎｉ膜）をめっき法により形成する。これにより、図４（ｂ）に示されるように、第２構造体１２０は、交差領域１ｅ（第１パターン１１と第２パターン１２との重複部分）において第２主面上に第２主面の法線方向に突出した突起１２０ｅを含むように形成される。
次に、図７（ｈ）を参照して、第２レジスト４２を剥離法により除去する。
次に、図７（ｉ）を参照して、金属膜３をエッチングにより除去する。エッチング方法としては、例えば、金属膜を溶解するエッチング液に上記の工程で得られた空隙配置構造体の前駆体を浸漬する方法が挙げられる。なお、エッチング液は、例えば、純水を用いたリンスによって洗浄し、その後に乾燥が行われる。
上記の工程によって、第１構造体１１０および第２構造体１２０から構成される本実施形態の空隙配置構造体１を得ることができる。
なお、本実施形態では、レジストを用いて第１構造体および第２構造体を形成したが、他の方法で第１構造体および第２構造体を形成してもよい。例えば、金属、樹脂等を蒸着することにより、第１構造体および第２構造体を形成しもよい。また、第１構造体および第２構造体が樹脂からなる場合、光硬化性樹脂をパターニングすることにより、第１構造体および第２構造体を形成してもよい。
本実施形態の空隙配置構造体の製造方法によれば、第１パターン１１の空隙部（第１空隙部１１ｃ）および第２パターン１２の空隙部（第２空隙部１２ｃ）よりも、小さいサイズの空隙部１ｃを形成することができる。このため、空隙部１ｃより大きいサイズの空隙部を有する第１構造体１１０および第２構造体１２０を形成すればよく、微細な空隙部１ｃを比較的容易に作製することが可能である。
なお、第１構造体１１０と第２構造体１２０との材料の組み合わせは、特に限定されないが、空隙配置構造体全体として均一な特性を得る観点からは、同種の材料の組み合わせであることが好ましい。
また、第１パターン１１と第２パターン１２とは、その空隙部の大きさ、形状、ピッチなどが同一であることが好ましい。この場合、空隙配置構造体において、大きさの均一な貫通孔を規則的に配列することができる。これにより、フィルタとしては厳密な篩いを行うことができ、測定デバイスとしては精度の高い測定を行うことができる。
ただし、第１構造体１１０と第２構造体１２０の材料、第１パターン１１と第２パターン１２の空隙部の大きさ、形状、ピッチなどを変えることで、空隙配置構造体に特殊な特性を付与してもよい。例えば、第１構造体１１０を導体、第２構造体１２０を絶縁体とすることで、電磁波による微量物質検出において、第１構造体１１０の周期構造に依存度が高い応答を得ることができ、第２構造体１２０の空隙部の大きさ、形状、ピッチを対象物（目的物）に合わせて任意に設計することが可能となる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、本発明の実施形態で示した第１パターンと第２パターンの重ね合わせに加えて、複数のパターンを組み合わせた３層以上の空隙配置構造体についても設計することが可能である。
１ 空隙配置構造体、１ａ 第１主面、１ｂ 第２主面、１ｃ 空隙部、１ｄ 領域、１ｅ 交差領域、１ｆ 突起、１００ 単位構造、１１ 第１パターン、１１ａ，１１ｂ 主面、１１ｃ 第１空隙部、１１０ 第１構造体、１２ 第２パターン、１２ａ，１２ｂ 主面、１２ｃ 第２空隙部、１２０ 第２構造体、１２０ｅ 突起、２ 基板、３ 金属膜、４１ 第１レジスト、４２ 第２レジスト。

Claims (10)

  1. 互いに対向する第１主面および第２主面を有し、前記第１主面および前記第２主面を貫通する複数の空隙部を有する膜状の空隙配置構造体であって、
    前記第２主面上の一部の領域であり、前記第２主面の法線方向から見た平面視において前記複数の空隙部のうち３つ以上と接する少なくとも１つの領域において、前記第２主面から前記第２主面の法線方向に突出した突起を有し、
    前記第１主面の法線方向に貫通する複数の第１空隙部を有する膜状の第１パターンと、前記第１主面の法線方向に貫通する複数の第２空隙部を有する膜状の第２パターンとを、前記第１主面上で重ね合わせてなる形状を有し、
    前記第１主面の法線方向から見た平面視において、前記複数の第１空隙部の各々は前記複数の第２空隙部のうちの３つ以上と重なっており、前記複数の第２空隙部の各々は前記複数の第１空隙部のうちの３つ以上と重なっており、
    前記空隙部は、前記複数の第１空隙部と前記複数の第２空隙部との重複部分であり、
    前記第１パターンと前記第２パターンとが重複する交差領域のみに前記突起を有する、空隙配置構造体。
  2. 前記領域を３つ以上有し、一つおきの前記領域が前記交差領域に相当する、請求項１に記載の空隙配置構造体。
  3. 前記第１パターンと前記第２パターンとは同一形状であり、
    前記形状は、前記第１パターンと前記第２パターンとを前記第１主面に水平な方向の位置をずらして重ね合わせてなる形状である、請求項１または２に記載の空隙配置構造体。
  4. 準周期構造体または周期構造体である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
  5. 前記突起を除いた部分の厚みが３０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
  6. 前記複数の空隙部の孔サイズが０．５μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
  7. 前記第１主面に突起を有していない、請求項１〜６のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
  8. 請求項１に記載の空隙配置構造体の製造方法であって、
    前記第１パターンに相当する第１構造体を形成する第１パターン形成工程と、
    前記第２パターンに相当する第２構造体を形成し、前記第１構造体と前記第２構造体とが結合されてなる前記空隙配置構造体を得る、第２パターン形成工程とを含み、
    前記第２構造体は、少なくとも前記第１パターンと前記第２パターンとが重複する交差領域において、前記第２主面上に前記第２主面の法線方向に突出した突起を含む、製造方法。
  9. 前記第１パターン形成工程において、第１レジストを用いたリソグラフィーにより前記第１構造体を形成し、その後、前記第１レジストを除去し、
    前記第２パターン形成工程において、第２レジストを用いたリソグラフィーにより前記第２構造体を形成する、請求項８に記載の製造方法。
  10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の空隙配置構造体を用いた細胞の濾過方法。
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