WO2011161895A1 - 分析素子チップの製造方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、表面プラズモン共鳴分析装置又は表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられ、所定の面１３の面上に金属膜１５を形成したプリズム１１を備えた分析素子チップ１０の製造方法であって、プリズム１１の所定の面１３の面上に金属膜１５を形成する成膜工程を備え、この成膜工程は、成膜時間と形成される金属膜１５の膜厚との関係である成膜レートが変化したときの膜厚である境界膜厚Ｄ２に基づく所定の膜厚Ｄ３で金属膜１５を形成することを特徴とする。

Description

分析素子チップの製造方法

　本発明は、表面プラズモン共鳴の共鳴角の変化に基づいて検体を分析する表面プラズモン共鳴分析装置に用いられる分析素子チップ、及び表面プラズモン共鳴によって生じたエバネッセント波を用いて検体に含まれる蛍光物質を発光させてこの蛍光を測定して検体に含まれる特定物質を分析する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられる分析素子チップの製造方法に関するものである。

　従来から、特許文献１に記載の分析素子チップ（センサーチップ）が知られている。この分析素子チップは、表面プラズモン共鳴を利用した分析装置である表面プラズモン共鳴分析装置や表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられる。この分析素子チップは、図８に示すように、所謂クレッチマン配置のものであり、プリズム１１０と、プリズム１１０の所定の面１１２の面上に形成される金属膜１１４とを備える。

　この分析素子チップ１００では、表面プラズモン共鳴が金属膜１１４に生じ、この表面プラズモン共鳴が利用されて検体の高感度且つ高精度の分析が行われる。

　この分析素子チップ１００は以下のようにして製造される。

　先ず、プリズム１１０の所定の面１１２の面上に形成される金属膜１１４の膜厚が決定される。具体的には、プリズム１１０の所定の面１１２上に所定の厚さの金属膜が形成される。そして、プリズム１１０内に入射した光が所定の面１１２上の金属膜によって全反射されるようにプリズム１１０に光が照射される。そして、所定の面１１２に対する前記光の入射角が変更されたときの光の反射率と入射角との関係が求められる（図９参照）。この光の反射率と入射角との関係において反射率の値が最も小さくなったときに金属膜１１４に表面プラズモン共鳴が生じ、このときの入射角がプラズモン共鳴角である。

　同様にして、異なる膜厚の金属膜１１４が形成された所定の面１１２における反射率と入射角との関係が求められる。反射率の値が小さい程、金属膜１１４の近傍に電場強度の大きな増強電場（近接場）が形成され、検体の高感度且つ高精度な分析が可能となる。そのため、各膜厚における反射率の最小値が相互に比較されてその中で最も小さな反射率である最小反射率が求められる。そして、この最小反射率が得られた金属膜１１４の膜厚ｄが求められる。金属膜１１４の膜厚は、このように求められた膜厚ｄよりも小さな膜厚（膜厚ｄとの差が２０ｎｍ以下）となるように決定される。このように、プリズム１１０上に形成される金属膜１１４の膜厚が、最小反射率が得られた膜厚ｄよりも小さいことにより、ＳＰＲ分析又はＳＰＦＳ分析において金属膜１１４上に配置される試料溶液１１６による光吸収の影響が抑えられる。決定された膜厚の金属膜１１４がプリズム１１０の所定の面１１２の面上に形成される。

　以上のように製造された分析素子チップ１００では、検体を含む試料溶液１１６が金属膜１１４上に配置される。そして、最小反射率が得られた入射角で光が所定の面１１２に入射するように光がプリズム１１０に照射される。これにより、表面プラズモン共鳴が金属膜１１４において生じ、これが利用されて検体の定量分析が高感度且つ高精度に行われる。

　金属膜１１４が真空成膜によってプリズム１１０の所定の面１１２の面上に形成（成膜）される場合、所定の面１１２上において金属膜１１４は、以下のように形成される。

　金属膜１１４は、先ず、図１０（Ａ）に示すように、所定の面１１２の成膜領域において金属膜１１４を構成する分子（金属分子）の付着していない領域１１３が存在する状態、即ち、薄膜として未完成な状態（非膜構造）となる。そして、成膜が進むにつれて、金属分子の付着していない領域１１３が金属分子によって埋められる。これにより、金属膜１１４は、図１０（Ｂ）に示すように所定の面１１２の成膜領域全体を隙間なく覆うように金属分子が付着した状態（膜構造）となる。

　この真空成膜において金属膜１１４が非膜構造から膜構造となる境界の膜厚（境界膜厚）は、スパッタ法や蒸着法等の成膜方法によって異なる。

　そのため、上記のように最小反射率が得られた膜厚ｄよりも小さな膜厚となるように金属膜１１４がプリズム１１０上に形成されると、成膜方法によっては成膜された金属膜１１４が非膜構造となっている場合がある。

　このような非膜構造の金属膜１１４の形成された分析素子チップ１００が用いられてＳＰＲ分析やＳＰＦＳ分析が行われると、検出される信号（シグナル信号）強度が分析素子チップ１００毎に異なる等、安定した性能が得られない。

日本国特開２００９－２５２１５号公報

　本発明の目的は、プリズム上に形成される金属膜の成膜方法に関わらず、膜構造の金属膜を形成することができる分析素子チップの製造方法を提供することである。

　本発明にかかる分析素子チップの製造方法は、金属膜の成膜時間とこの成膜時間で形成される金属膜の膜厚との関係である成膜レートが変化したときの膜厚に基づく所定の膜厚となるようにプリズム上に金属膜を形成する。このため、本発明によれば、プリズム上に形成される金属膜の成膜方法に関わらず、膜構造の金属膜が形成される分析素子チップの製造方法を提供することができる。

　上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面とから明らかになるであろう。

図１は、本実施形態に係る分析素子チップの概略縦断面図である。 図２は、前記分析素子チップのプリズム上に形成された金属膜の膜厚と電場増強度との関係を示す図である。 図３は、プラズマ支援型スパッタ法における成膜時間と膜厚との関係を示す図である。 図４は、マグネトロンスパッタ法における成膜時間と膜厚との関係を示す図である。 図５は、イオンアシスト蒸着法における成膜時間と膜厚との関係を示す図である。 図６は、電子銃加熱真空蒸着法における成膜時間と膜厚との関係を示す図である。 図７は、抵抗加熱真空蒸着法における成膜時間と膜厚との関係を示す図である。 図８は、従来の分析素子チップの概略斜視図であって、金属膜上に試料溶液を載せた状態を示す図である。 図９は、前記分析素子チップにおけるプリズムの反射面での光の反射率と反射面への光の入射角との関係を示す図である。 図１０は、真空成膜により基板の成膜面上に形成される金属膜の状態を説明するための図であって、図１０（Ａ）は非膜構造（薄膜として未完成な状態）の金属膜を示す図であり、図１０（Ｂ）は膜構造（薄膜として完成した状態）の金属膜を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明するが、分析素子チップの製造方法を説明する前に、当該製造方法により製造される分析素子チップについて説明する。

　分析素子チップは、ＳＰＲ分析装置や表面プラズモン共鳴蛍光分析装置（ＳＰＦＳ分析装置）において用いられる、所謂クレッチマン配置のセンサーチップである。ここで、ＳＰＲ分析装置は、表面プラズモン共鳴の共鳴角の変化に基づいて検体を分析するものであり、ＳＰＦＳ分析装置は、検体に含まれる蛍光物質が表面プラズモン共鳴に基づくエバネッセント波により励起されて発した蛍光を測定し、この蛍光に基いて検体を分析するものである。

　具体的に、分析素子チップは、図１に示すように、プリズム１１と、プリズム１１の表面に成膜（形成）される金属膜１５と、検体や試薬、洗浄液等の試料溶液が金属膜１５上を当該金属膜１５に接しつつ流れる流路２１を形成する流路部材２０とを備える。

　プリズム１１は、入射面１２と、反射面（所定の面）１３と、射出面１４とをその表面に含み、透明なガラス又は樹脂により形成されている。入射面１２は、分析素子チップ１０が表面プラズモン共鳴蛍光分析装置等に設置されて検体の分析を行うときに、当該表面プラズモン共鳴蛍光分析装置等の光源（図示省略）からの光をプリズム１１の内部に入射させる。反射面１３は、その上側に金属膜１５が成膜され、入射面１２からプリズム１１の内部に入射した光を金属膜１５により反射する。射出面１４は、反射面１３上の金属膜１５により反射された光をプリズム１１の外部に出射する。尚、プリズムは、入射面と反射面と出射面とをその表面に含み、入射面からプリズムの内部に入射した光が反射面上の金属膜によって全反射し、この全反射した光がプリズムの内部で乱反射せずに出射面からプリズムの外部に出射される形状であればよい。

　金属膜１５は、プリズム１１上に成膜された金属製の薄膜である。本実施形態の金属膜１５は、金により形成されている。この金属膜１５は、プリズム１１内において光が全反射されることにより生じるエバネッセント波（近接場光）を増幅するための部材である。即ち、金属膜１５が反射面１３上に設けられて表面プラズモン共鳴が生じることにより、光が金属膜１５の設けられていない反射面１３において全反射してエバネッセント波が生じた場合に比べ、反射面１３の表面近傍に形成される電場（エバネッセント波）が増強さされる。本実施形態の金属膜１５は、プリズム１１の反射面１３上の略全面を覆うように成膜されている。しかし、金属膜１５は、反射面１３上において少なくとも流路２１と対応する部位に成膜されていればよい。尚、金属膜１５の材質は、金に限定されず、表面プラズモン共鳴を生じさせる金属であればよい。例えば、金属膜１５は、銀、銅、アルミ等（合金を含む）により形成されてもよい。また、この金属膜１５は、表面プラズモン共鳴を生じさせることができるように膜厚が１００ｎｍ以下となるように形成される。尚、金属膜１５の膜厚の詳細は後述される。

　このような金属膜１５は、プラズマ支援型スパッタ法、マクネトロンスパッタ法、イオンアシスト蒸着（ＩＡＤ）法、電子銃（ＥＢ）加熱真空蒸着法、抵抗加熱真空蒸着法、イオンプレーティング法、及び分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等によって反射面１３上に真空成膜される。

　検体中の特定の抗原等を捕捉するための生理活性物質１６が金属膜１５の表面（プリズムと反対側の面）１５ａに固定されている。本実施形態の生理活性物質１６は抗体である。この生理活性物質１６は、反射面１３上に金属膜１５が成膜された後に表面処理によって金属膜１５に固定される。本実施形態の金属膜１５は、生理活性物質１６を安定して固定できるよう、金属膜１５上にＣＭＤ（カルボキシメチルデキストラン）膜（図示省略）を有する。生理活性物質１６は、ＣＭＤ膜の表面に固定される。

　流路部材２０は、プリズム１１の反射面１３上に設けられ、検体等の試料溶液が流れる流路２１を有する。この流路部材２０は、透明な樹脂により形成される。本実施形態の流路部材２０は、水平方向に拡がる板状の部材である。流路２１は、検出部２２と、複数の案内部２３とを有する。検出部２２は、抗原抗体反応が行われる。各案内部２３は、分析素子チップ１０の外部から検出部２２へ試料溶液を案内し、又は検出部２２から外部へ試料溶液を案内する。

　具体的に、検出部２２は、流路部材２０の裏面（図１において下側の面）２０ｂに設けられた溝とプリズム１１上の金属膜１５とにより囲まれている。即ち、この検出部２２では、試料溶液が金属膜１５の表面（生理活性物質１６が固定されている面）１５ａと接しつつ流れる。各案内部２３の一方の端部は、流路部材２０の表面（図１において上側の面）２０ａで開口し、他方の端部（前記一方の端部と反対側の端部）は、検出部２２と接続されている。このように案内部２３と検出部２２と案内部２３とが順に繋がって一本の流路２１が形成されている。

　この流路部材２０は、プリズム１１と接着剤によって接着（接合）されている。本実施形態では、検出部２２を水平方向から囲み且つ流路部材２０とプリズム１１との間となる位置にシール部材２５が設けられている。シール部材２５は、弾性体からなる。このシール部材２５は、流路部材２０とプリズム１１との接合部位からの試料溶液の漏れを防いでいる。

　以上のような分析素子チップ１０は、以下のようにして製造される。

　プリズム１１、金属膜１５、流路部材２０の材質がそれぞれ決定され、プリズム１１と流路部材２０とが形成される。

　次に、金属膜１５の最適膜厚（所定の膜厚）Ｄ３が決定され、反射面１３の面上に最適膜厚Ｄ３の金属膜１５が成膜される。

　具体的には、最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２とが求められ、これらの比較に基づいて最適膜厚Ｄ３が決定される。ここで、最大電場膜厚Ｄ１は、金属膜１５に表面プラズモン共鳴を生じさせることにより金属膜１５近傍に形成される増強電場に基づく膜厚である。詳しくは、最大電場膜厚Ｄ１は、前記材質の決められたプリズム１１及び金属膜１５を用いた分析素子チップ１０において表面プラズモン共鳴が金属膜１５に生じたときに、当該金属膜１５の表面１５ａ近傍の増強電場の強度が最大となる膜厚である。また、境界膜厚Ｄ２は、金属膜１５の状態（構造）に基づく膜厚である。詳しくは、境界膜厚Ｄ２は、金属膜１５がプリズム１１の反射面１３上に真空成膜されるときに、この金属膜１５が非膜構造から膜構造になる境界の膜厚である。尚、非膜構造の金属膜１５は、図１０（Ａ）に示すように、真空成膜において、基材の成膜面１１２に金属膜１５を構成する金属分子が付着していない領域が存在する状態（即ち、薄膜としては未完成の状態）である。また、膜構造の金属膜１５とは、図１０（Ｂ）に示すように、真空成膜において、基材の成膜面１１２の全体を隙間なく覆うように金属分子が付着している状態（即ち、薄膜として完成した状態）である。

　最大電場膜厚Ｄ１は、プリズム１１の屈折率、金属膜１５の屈折率、金属膜１５の消衰係数、及び検体の分析の際にプリズム１１の反射面１３上の金属膜１５で反射させる光の波長等に基づくシミュレーションにより求められる。詳しくは、金属膜１５の膜厚が変化したときの各膜厚における増強電場の強度が求められる。これら各膜厚の増強電場が互いに比較され、求められた増強電場のうちの最も強度の大きな増強電場が求められる。この最も大きな増強電場を得られる膜厚が最大電場膜厚Ｄ１として導出される。

　例えば、プリズム１１にＢＫ７（ガラス）が用いられ、金属膜１５に金が用いられ、検体の分析の際に波長が６３５ｎｍの光が用いられる場合、前記のミュレーションにより求められる最大電場膜厚Ｄ１は、以下の表１に示す膜厚となる。

　この表１において、膜構造の金膜（金属膜）における屈折率及び消衰係数が金膜の屈折率及び消衰係数として用いられる。尚、表１は、分析素子チップ１０におけるプリズム１１の材質として用いることが可能である他の材質（１０６０Ｒ（樹脂）、Ｅ４８Ｒ(樹脂)、ＳＬＡＬ１０（ガラス）、ＯＫＰ４（樹脂）、ＬａＦ７１（ガラス））についてのシミュレーション結果も併せて示す。

　また、金属膜１５に生理活性物質１６が安定して固定されるように金属膜１５上にＣＭＤ膜が設けられる場合、シミュレーションにより求められる最大電場膜厚Ｄ１は、以下の表２のようになる。

　この表２における上限膜厚は、図２に示す膜厚と電場増強度（以下、単に「感度」とも称する。）との関係を示す感度曲線において、感度が１以下となる膜厚である。感度が１以下となる場合、検体の分析の際に、分析素子チップ１０から分析に必要な強度のシグナル信号（ＳＰＲ分析においてはプラズモン共鳴角の変化、ＳＰＦＳ分析においては検体中の抗原に標識された蛍光物質の励起光）が十分に得られない。そのため、この上限膜厚が分析素子チップ１０に用いられる金属膜１５の膜厚の上限となる。

　次に、金属膜１５がプリズム１１の反射面１３上に真空成膜されるときに、この金属膜１５が非膜構造から膜構造になる境界の膜厚（境界膜厚）Ｄ２が導出される。この境界膜厚Ｄ２は、成膜時間（経過時間）と実測による膜厚との関係である成膜レートに基づいて求められ、成膜方法や成膜条件によって異なる。具体的には、成膜レートが求められ、この成膜レートが変化したときの膜厚が境界膜厚Ｄ２として導出される。この成膜レートの変化は、金属膜１５の状態の変化に起因している。

　詳しくは、成膜初期には、基板（本実施形態ではプリズム１１）の成膜面（本実施形態では反射面１３）において、金属分子が疎らに付着することにより複数の島（島状領域）が形成される（図１０（Ａ）参照）。次に、真空成膜において基板に向う金属分子は、この疎らに付着している金属分子と結合する。このとき、新たに結合した金属分子は、金属膜１５の厚み方向に結合するものばかりでなく、島と島との間を埋めるように成膜面にも付着する。これにより、次第に島と島とが繋がり、成膜時間の経過に伴い成膜面において金属分子が付着していない領域１１３が少なくなり、やがてなくなる（図１０（Ｂ）参照）。この時の膜厚が境界膜厚Ｄ２である。境界膜厚Ｄ２となる前の基板に到達した金属分子の一部は、島と島との間を埋めるように成膜面に付着している金属分子と結合する。このため、基板に到達した金属分子の一部だけが膜厚に寄与する。しかし、境界膜厚Ｄ２以後に基板に到達した全ての金属分子は、既に付着している金属分子の上に結合する。このため、基板に到達した全ての金属分子が膜厚に寄与する。これにより、境界膜厚Ｄ２を挟んでその前後で成膜レート（成膜速度）が変化する。即ち、境界膜厚Ｄ２以降は、成膜レート（成膜速度）が上がる。これは、金膜が成膜される場合に限られず、他の金属が用いられた真空成膜においても非膜構造から膜構造となるときに前記同様の成膜レートの変化が現れる。

　例えば、金属膜１５がプラズマ支援型スパッタ法により成膜される場合の境界膜厚Ｄ２は、以下のように求められる。この時の成膜条件は、
　成膜条件例
　・到達真空度：２×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・成膜真空度：５×１０^－４Ｔｏｒｒ
　・導入ガス：アルゴン　６ｓｃｃｍ
　・カソード印加電力：１００Ｗ
　・支援コイル印加電力：５０Ｗ
　・カソードと基板との間の距離：３００ｍｍ
　・成膜時間：任意可変
　・使用基板：シグマ光機平行平面基板　ＯＢＰ－２５Ｓ０１－Ｐ
である。

　この成膜条件により金属膜１５が成膜され、そのときの成膜時間（経過時間）と実測した膜厚との関係が求められる。各膜厚は、ＦＩＢ－ＴＥＭにより断面を作成し実測する方法やエリプソメトリー等により求められる。その結果が図３に示される。

　図３によれば、膜厚が２８ｎｍのときに成膜レートが変化している。このため、上記のプラズマ支援型スパッタ法により成膜される金属膜１５の境界膜厚Ｄ２は２８ｎｍである。

　分析素子チップ１０の製造において使用可能な他の成膜方法における境界膜厚Ｄ２が以下に示される。

　<マグネトロンスパッタ法の場合>
　成膜条件例
　・到達真空度：２×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・成膜真空度：５×１０^－３Ｔｏｒｒ
　・導入ガス：アルゴン　６ｓｃｃｍ
　・カソード印加電力：１００Ｗ
　・カソードと基板との間の距離：７０ｍｍ
　・成膜時間：任意可変
　・使用基板：シグマ光機平行平面基板　ＯＢＰ－２５Ｓ０１－Ｐ

　この成膜条件により金属膜１５が成膜された場合の成膜時間（経過時間）と実測した膜厚との関係が図４に示される。図４によれば、膜厚が３８ｎｍのときに成膜レートが変化している。このため、上記のマグネトロンスパッタ法により成膜される金属膜１５の境界膜厚Ｄ２は３８ｎｍである。

　<イオンアシスト蒸着法の場合>
　成膜条件例
　・到達真空度：２×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・成膜真空度：１×１０^－６Ｔｏｒｒ
　・電子銃蒸発源電力：６ｋＶ，６０ｍＡ
　・蒸発源と基板との間の距離：６００ｍｍ
　・イオンガン：アルゴン導入後、５００Ｖ，０．５Ａにて冷陰極放電によりアルゴンをイオン化
　・成膜時間：任意可変
　・使用基板：シグマ光機平行平面基板　ＯＢＰ－２５Ｓ０１－Ｐ

　この成膜条件により金属膜１５が成膜された場合の成膜時間（経過時間）と実測した膜厚との関係が図５に示される。図５によれば、膜厚が４０ｎｍのときに成膜レートが変化している。このため、上記のイオンアシスト蒸着法により成膜される金属膜１５の境界膜厚Ｄ２は４０ｎｍである。

　<電子銃（ＥＢ）加熱真空蒸着法の場合>
　成膜条件例
　・到達真空度：５×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・成膜真空度：８×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・電子銃蒸発源電力：６ｋＶ，８０ｍＡ
　・蒸発源と基板との間の距離：６００ｍｍ
　・成膜時間：任意可変
　・使用基板：シグマ光機平行平面基板　ＯＢＰ－２５Ｓ０１－Ｐ

　この成膜条件により金属膜１５が成膜された場合の成膜時間（経過時間）と実測した膜厚との関係が図６に示される。図６によれば、膜厚が４６ｎｍのときに成膜レートが変化している。このため、上記のイオンアシスト蒸着法により成膜される金属膜１５の境界膜厚Ｄ２は４６ｎｍである。

　<抵抗加熱真空蒸着法の場合>
　成膜条件例
　・到達真空度：５×１０^－７Ｔｏｒｒ
　・成膜真空度：１×１０^－６Ｔｏｒｒ
　・電子銃蒸発源電力：５Ｖ，１００Ａ
　・蒸発源と基板との間の距離：６００ｍｍ
　・成膜時間：任意可変
　・使用基板：シグマ光機平行平面基板　ＯＢＰ－２５Ｓ０１－Ｐ

　この成膜条件により金属膜１５が成膜された場合の成膜時間（経過時間）と実測した膜厚との関係が図７に示される。図７によれば、膜厚が５２ｎｍのときに成膜レートが変化している。このため、上記のイオンアシスト蒸着法により成膜される金属膜１５の境界膜厚Ｄ２は５２ｎｍである。

　このように求められた最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２とが比較され、プリズム１１上に形成される金属膜１５の膜厚（最適膜厚）Ｄ３が決定される。

　詳しくは、境界膜厚Ｄ２よりも最大電場膜厚Ｄ１が大きい場合には、最大電場膜厚Ｄ１が最適膜厚Ｄ３とされる。一方、境界膜厚Ｄ２が最大電場膜厚Ｄ１以下の場合には、境界膜厚Ｄ２に所定の値を加えた膜厚が最適膜厚Ｄ３とされる。

　例えば、ＳＬＡＬ１０によって形成されたプリズム１１上に電子銃加熱真空蒸着法によって金属膜（金膜）１５が形成される場合、上記より、最大電場膜厚Ｄ１が４４ｎｍであり、境界膜厚Ｄ２が４６ｎｍとなる。

　この場合、最大電場膜厚（４４ｎｍ）Ｄ１よりも境界膜厚（４６ｎｍ）Ｄ２が大きい。従って、境界膜厚（４６ｎｍ）Ｄ２に所定の膜厚（本実施形態では２ｎｍ）が加えられた膜厚が最適膜厚（本実施例では４８ｎｍ）Ｄ３となる。

　これは以下の理由による。プリズム１１上に境界膜厚Ｄ２よりも薄い最大電場膜厚Ｄ１の金属膜１５が形成されると、この金属膜１５が非膜構造となる。このため、当該金属膜１５に表面プラズモン共鳴が生じてもその表面近傍にはシミュレーションで求めた電場強度よりも小さい強度の増強電場しか形成されない。詳しくは、シミュレーションにおいて、最大電場膜厚Ｄ１は、膜構造の金属膜１５の屈折率及び消衰係数に基づいて求められている。そのため、境界膜厚Ｄ２よりも最大電場膜厚Ｄ１が小さい場合には、最大電場膜厚Ｄ１の金属膜１５が形成されても、この金属膜１５は、非膜構造、即ち、薄膜として未完成な状態となる。従って、膜構造である境界膜厚Ｄ２の金属膜１５における増強電場に比べ、最大電場膜厚Ｄ１の金属膜１５における増強電場の電場強度が小さくなる。以上より、境界膜厚Ｄ２が最大電場膜厚Ｄ１以下の場合には、境界膜厚Ｄ２に所定の値を加えた膜厚が最適膜厚Ｄ３とされる。

　尚、最適膜厚Ｄ３が求められるときに、境界膜厚Ｄ２に所定の値が加えられるのは、最適膜厚Ｄ３を境界膜厚Ｄ２よりも厚くして金属膜１５が確実に膜構造となるようにするためである。但し、この所定の値は２ｎｍに限定されず、１～５ｎｍであればよい。或いは、所定の値は、成膜バラツキが考慮されて、最適膜厚Ｄ３の＋１０％程度に設定されてもよい。

　また、例えば、金属膜（金膜）１５がＳＬＡＬ１０によって形成されたプリズム１１上にマグネトロンスパッタ法によって形成される場合、上記より、最大電場膜厚Ｄ１が４４ｎｍであり、境界膜厚Ｄ２が３８ｎｍとなる。

　この場合、境界膜厚（３８ｎｍ）Ｄ２よりも最大電場膜厚（４４ｎｍ）Ｄ１が大きい。このため、最大電場膜厚（４４ｎｍ）Ｄ１が最適膜厚Ｄ３となる。この最大電場膜厚Ｄ１は境界膜厚Ｄ２よりも厚い。このため、この最大電場膜厚Ｄ１の金属膜１５がプリズム１１上に形成されれば、確実に膜構造の金属膜１５が得られる。また、最大電場膜厚Ｄ１は、膜構造の金属膜１５において増強電場が最大になる膜厚として求められたものである。従って、この膜厚の金属膜１５に表面プラズモン共鳴が生じたときの増強電場は最大となる。即ち、この膜厚の金属膜１５は、前記のシミュレーションにより求められた電場強度の増強電場を得ることができる。

　このようにして最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２とから最適膜厚Ｄ３が決定されると、金属膜１５がこの最適膜厚Ｄ３となるようにプリズム１１の反射面１３の面上に形成される。このとき、金属膜１５は、前記の最適膜厚Ｄ３を求めるときに用いた境界膜厚Ｄ２に対応する成膜方法（例えば、境界膜厚Ｄ２としてプラズマ支援型スパッタ法における値を用いた場合には、プラズマ支援型スパッタ法）によって成膜される。

　プリズム１１の反射面１３の面上に最適膜厚Ｄ３（製造誤差を含む）の金属膜１５が形成されると、その表面１５ａにＣＭＤ膜が設けられる。その後、生理活性物質１６がＣＭＤ膜に表面処理によって固定される。

　尚、生理活性物質１６は、金属膜１５の表面１５ａにおいて、少なくとも流路２１（詳しくは、検出部２２）に対応する領域に固定されていればよい。また、ＣＭＤ膜は、前記のように生理活性物質１６を安定して固定するために設けられるものである。そのため、金属膜１５の表面１５ａにＣＭＤ膜が設けられることなく、直接、生理活性物質１６が金属膜１５の表面１５ａに固定されてもよい。

　生理活性物質１６が金属膜１５に固定されると、流路部材２０がプリズム１１に接着される。このとき、流路部材２０は、検出部２２を水平方向から囲み且つ流路部材２０とプリズム１１との間となる位置に弾性体（シール部材）２５を挟み込むようにプリズム１１上に接着される。尚、流路部材２０とプリズム１１との接合は、接着に限定されず、レーザ溶着や超音波溶着、クランプ部材を用いた圧着等であってもよい。流路部材２０とプリズム１１とが液密に接合されていれば、前記検出部２２を囲むシール部材２５はなくてもよい。

　以上のような分析素子チップ１０の製造方法によれば、真空成膜におけるいずれの成膜方法によって金属膜１５がプリズム１１上に形成されても、確実に膜構造の金属膜１５が得られる。しかも、金属膜１５において生じた表面プラズモン共鳴に基づく当該金属膜１５の近傍の増強電場の強度が最大となる。

　尚、本発明の分析素子チップの製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

　例えば、上記実施形態では、最大電場膜厚Ｄ１が求められた後に境界膜厚Ｄ２が求められているが、境界膜厚Ｄ２が求められた後に最大電場膜厚Ｄ１が求められてもよい。また、最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２とが同時に求められてもよい。即ち、プリズム１１の材質と金属膜１５の材質とが決定された後に成膜方法が決定されるのに限定されず、成膜方法が決定された後にプリズム１１の材質と金属膜１５の材質とが決定されてもよい。また、プリズム１１の材質と金属膜１５の材質と成膜方法とが同時に決定されてもよい。

　最大電場膜厚Ｄ１は、プリズム１１の材質や金属膜１５の材質が変更される度にシミュレーションによって求められてもよい。また、最大電場膜厚Ｄ１は、プリズム１１の材質や金属膜１５の材質が変更される際に予め準備されている所定のテーブルに基づいて求められてもよい。この所定のテーブルは、種々の材質における最大電場膜厚Ｄ１がシミュレーションによってそれぞれ求められ、その結果がまとめられたものである（表２参照）。同様に、境界膜厚Ｄ２は、成膜方法が変更される度に実測によって求められてもよい。また、境界膜厚Ｄ２は、成膜方法が変更される際に予め準備されている所定のテーブルに基づいて求められてもよい。この所定のテーブルは、種々の成膜方法における境界膜厚Ｄ２が実測によってそれぞれ求められ、その結果がまとめられたものである（以下の表３参照）。

　上記実施形態では、最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２との比較に基づいて最適膜厚Ｄ３が導出されている。しかし、少なくとも境界膜厚Ｄ２が求められ、これに基づいて最適膜厚Ｄ３が導出される（例えば、境界膜厚Ｄ２よりも厚い膜厚とする）ことにより、確実に膜構造の金属膜１５がプリズム１１上に得られる。この場合、金属膜１５において表面プラズモン共鳴が生じるように、最適膜厚Ｄ３の上限は、表２に示す上限膜厚となる。

　上記実施形態では、最大電場膜厚Ｄ１と境界膜厚Ｄ２とを比較したときに、最大電場膜厚Ｄ１の方が大きい場合には、この最大電場膜厚Ｄ１が最適膜厚Ｄ３となる。しかし、これに限定されない。即ち、金属膜１５における増強電場の強度が小さくなるが、最大電場膜厚Ｄ１よりも大きな膜厚が最適膜厚Ｄ３とされてもよい。但し、表面プラズモン共鳴が生じる厚さであることから、最適膜厚Ｄ３は１００ｎｍ以下でなければならない。

　電子銃加熱真空蒸着法によって、材質がＳＬＡＬ１０（ガラス）の基板上に金膜が形成された。この基板と金膜との組み合わせでは、境界膜厚Ｄ２が４６ｎｍ（表３参照）、最大電場膜厚Ｄ１が４４ｎｍ（表１参照）となり、境界膜厚Ｄ２が最大電場膜厚Ｄ１よりも大きい。そのため、基板上に形成される金膜の膜厚（最適膜厚）Ｄ３は、境界膜厚Ｄ２に２ｎｍを加えた４８ｎｍとなる。そして、基板と同質のプリズム１１の反射面１３にマッチングオイルが塗布され、この上から基板が貼り付けられて分析素子チップ１０が作成された。

　波長が６３５ｎｍのレーザ光が、金膜で全反射するように分析素子チップ１０に対して照射され、金膜の表面側に染み出てくるエバネッセント波（近接場光）の光量（シグナル信号強度）が光電子倍増管により測定された。その結果が以下の表４に示される。また、上記実施形態におけるシミュレーションによって最適膜厚Ｄ３（４８ｎｍ）における増強電場の強度が求められる。この増強電場の強度からシグナル信号強度が導出される。その結果が表４に比較例として示される。

　理論的には、最も強いシグナル信号が最大電場膜厚Ｄ１（４４ｎｍ）の金膜において得られ、このシグナル信号の強度よりも比較例（４８ｎｍ）の金膜におけるシグナル信号の強度の方が小さくなる。しかし、実測では、最大電場膜厚Ｄ１の金膜よりも最適膜厚Ｄ３（４８ｎｍ）の金膜におけるシグナル信号の強度の方が大きくなることが当該実施例において確認された。

　マグネトロンスパッタ法によって、材質がＥ４８Ｒ(樹脂)の基板上に金膜が形成された。この基板と金膜との組み合わせでは、境界膜厚Ｄ２が３８ｎｍ（表３参照）、最大電場膜厚Ｄ１が３８ｎｍ（表１参照）となり、境界膜厚Ｄ２と最大電場膜厚Ｄ１とが等しい。そのため、基板上に形成される金膜の膜厚（最適膜厚）Ｄ３は、確実に膜構造とするために２ｎｍの余裕をとって４０ｎｍとする。そして、基板と同質のプリズム１１の反射面１３にマッチングオイルが塗布され、この上から基板が貼り付けられて分析素子チップ１０が作成された。

　波長が６３５ｎｍのレーザ光が、金膜で全反射するように分析素子チップ１０に対して照射され、金膜の表面側に染み出てくるエバネッセント波（近接場光）の光量（シグナル信号強度）が光電子倍増管により測定された。その結果が以下の表５に示される。

　この結果では、最適膜厚Ｄ３（４０ｎｍ）の金膜において得られたシグナル信号強度が境界膜厚Ｄ２（３８ｎｍ）の金膜において得られたシグナル信号の強度よりも大きくなるっている。これは、境界膜厚Ｄ２は、成膜レートに基づいて導出されるがこの成膜レートには測定誤差が含まれるため、境界膜厚Ｄ２の金膜が非膜構造の場合があるからである。この結果から、境界膜厚Ｄ２よりも最適膜厚Ｄ３を僅かに厚くすることにより、金膜が確実に膜構造となることが確認できた。

　プラズマ支援スパッタ法によって、材質がＢＫ７(ガラス)の基板上に金膜が形成され、この金膜上にＣＭＤ膜が設けられた。この基板と金膜との組み合わせでは、境界膜厚Ｄ２が２８ｎｍ（表３参照）、最大電場膜厚Ｄ１が２８ｎｍ（表２参照）となり、境界膜厚Ｄ２と最大電場膜厚Ｄ１とが等しい。そのため、基板上に形成される金膜の膜厚（最適膜厚）Ｄ３は、確実に膜構造とするために２ｎｍの余裕をとって３０ｎｍとする。そして、基板と同質のプリズム１１の反射面１３にマッチングオイルが塗布され、この上から基板が貼り付けられて分析素子チップ１０が作成された。

　波長が６３５ｎｍのレーザ光が、金膜で全反射するように分析素子チップ１０に対して照射され、金膜の表面側に染み出てくるエバネッセント波（近接場光）の光量（シグナル信号強度）が光電子倍増管により測定された。その結果が以下の表６に示される。

　この結果では、最適膜厚Ｄ３（３０ｎｍ）の金膜において得られたシグナル信号強度が境界膜厚Ｄ２（２８ｎｍ）の金膜において得られたシグナル信号の強度よりも大きくなるっている。これは、境界膜厚Ｄ２は、成膜レートに基づいて導出されるがこの成膜レートには測定誤差が含まれるため、境界膜厚Ｄ２の金膜が非膜構造の場合があるからである。この結果から、境界膜厚Ｄ２よりも最適膜厚Ｄ３が僅かに厚くされることにより、金膜が確実に膜構造となることが確認できた。

［実施の形態の概要］
　以上の実施形態をまとめると、以下の通りである。

　本実施形態に係る分析素子チップの製造方法は、表面プラズモン共鳴の共鳴角の変化に基づいて検体を分析する表面プラズモン共鳴分析装置、又は検体に含まれる蛍光物質が表面プラズモン共鳴に基づくエバネッセント波により励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられ、所定の面の面上に金属膜を形成したプリズムを備えた分析素子チップの製造方法であって、前記プリズムの所定の面の面上に金属膜を形成する成膜工程を備える。そして、前記成膜工程は、成膜時間と形成される金属膜の膜厚との関係である成膜レートが変化したときの膜厚である境界膜厚に基づく所定の膜厚となるように前記金属膜を形成する。

　このように成膜時における成膜レートから境界膜厚が求められ、この境界膜厚に基づく所定の膜厚となるように金属膜が形成されることにより、プリズムの所定の面の成膜領域全体を覆うように金属膜を構成する分子が付着した状態の金属膜が形成される。

　詳しくは、真空成膜におけるいずれの成膜方法によって金属膜が形成されても、金属膜がプリズムの成膜領域において金属分子の付着していない領域が存在する状態（非膜構造）から膜構造となるときに成膜レートが変化する。この成膜レートの変化に基づいて成膜方法に応じた境界膜厚が求められ、この境界膜厚に基づく所定の膜厚の金属膜が前記成膜方法によってプリズム上に形成されることにより、真空成膜におけるいずれの成膜方法によって形成された金属膜でも確実に膜構造となる。

　上記の分析素子チップの製造方法は、前記成膜レートに基づいて前記境界膜厚を求める境界膜厚導出工程と、前記金属膜に表面プラズモン共鳴が生じたときにその表面近傍の電場が最大となる当該金属膜の膜厚である最大電場膜厚を当該金属膜の屈折率及び消衰係数に基づいて導出する最大電場膜厚導出工程と、前記境界膜厚と前記最大電場膜厚とを比較する比較工程と、をさらに備える。そして、前記成膜工程では、前記比較工程において境界膜厚よりも最大電場膜厚が大きいと判断された場合には、最大電場膜厚に基づく膜厚を前記所定の膜厚とし、前記比較工程において境界膜厚が最大電場膜厚以下と判断された場合には、前記境界膜厚に基づく膜厚を前記所定の膜厚とすることが好ましい。

　かかる構成によれば、真空成膜におけるいずれの成膜方法によってプリズム上に金属膜が形成されても、確実に膜構造の金属膜が得られる。しかも、金属膜において生じた表面プラズモン共鳴に基づく当該金属膜の近傍の電場（増強電場）の強度が最大若しくは略最大となる。

　具体的に、最大電場膜厚よりも境界膜厚が小さい場合、最大電場膜厚に基づく膜厚（最大電場膜厚若しくは略最大膜厚）の金属膜がプリズム上に形成されることにより境界膜厚よりも大きな膜厚の金属膜が形成される。このため、この金属膜は確実に膜構造となる。また、金属膜の膜厚が最大電場膜厚若しくは略最大電場膜厚であるため、当該金属膜における増強電場の強度は最大若しくは略最大となる。

　一方、境界膜厚よりも最大電場膜厚が小さい場合、最大電場膜厚の金属膜がプリズム上に形成されるとこの金属膜は非膜構造となる。このため、略境界膜厚の金属膜が形成されることにより、この金属膜は膜構造となる。しかも、境界膜厚に基づく膜厚とすることにより、当該成膜方法において膜構造となる略最小膜厚の金属膜がプリズム上に形成される。このため、形成された金属膜において、確実な膜構造の実現と増強電場強度の確保との両立を図ることができる。具体的に、金属膜の膜厚が最大電場膜厚よりも大きくなるにしたがって当該金属膜における増強電場の強度が小さくなる（図２参照）。このため、膜構造となる膜厚のうちの略最小膜厚の金属膜が形成されることにより、当該金属膜における増強電場の強度が最大若しくは略最大となる。

　尚、前記比較工程において最大電場膜厚よりも境界膜厚が大きいと判断された場合に、前記成膜成工程では、前記境界膜厚に所定の値を加えて前記所定の膜厚とすること、が好ましい。成膜レートには測定誤差が含まれるため、この成膜レートに基づく境界膜厚よりも所定の膜厚が厚くされることによって、より確実に膜構造の金属膜が得られる。

　また、前記成膜工程は、前記境界膜厚、及び前記金属膜に表面プラズモン共鳴が生じたときにその表面近傍の電場が最大となる当該金属膜の膜厚である最大電場膜厚のうちの厚い膜厚となるように前記金属膜を形成してもよい。

　かかる構成によっても、真空成膜におけるいずれの成膜方法によってプリズム上に金属膜が形成されても、確実に膜構造の金属膜が得られる。また、金属膜における増強電場の強度が最大若しくは略最大となる。

　分析素子チップの製造方法において、プリズム上に金属膜が形成されるときの前記成膜工程は、プラズマ支援型スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンアシスト蒸着法、電子銃加熱真空蒸着法、又は抵抗加熱真空蒸着法のいずれ１つによって成膜すればよい。

　具体的には、前記成膜工程がプラズマ支援型スパッタ法による成膜である場合には、前記境界膜厚を２８ｎｍとし、前記成膜方法がマグネトロンスパッタ法による成膜である場合には、前記境界膜厚を３８ｎｍとし、前記成膜方法がイオンアシスト蒸着法による成膜である場合には、前記境界膜厚を４０ｎｍとし、前記成膜方法が電子銃加熱真空蒸着法による成膜である場合には、前記境界膜厚を４６ｎｍとし、前記成膜方法が抵抗加熱真空蒸着法による成膜である場合には、前記境界膜厚を５２ｎｍとする。

　境界膜厚をこのような値とすることにより、プリズム上に形成される金属膜において、確実な膜構造の実現と増強電場の強度の確保との両立が好適に図られる。

　以上のように、本発明に係る分析素子チップの製造方法は、表面プラズモン共鳴分析装置に用いられる分析素子チップ、及び表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられる分析素子チップの製造に有用であり、プリズム上に形成される金属膜の成膜方法に関わらず、膜構造の金属膜を形成するのに適している。

Claims (10)

1. 　表面プラズモン共鳴の共鳴角の変化に基づいて検体を分析する表面プラズモン共鳴分析装置、又は検体に含まれる蛍光物質が表面プラズモン共鳴に基づくエバネッセント波により励起されて発した蛍光を測定する表面プラズモン共鳴蛍光分析装置に用いられ、所定の面の面上に金属膜を形成したプリズムを備えた分析素子チップの製造方法であって、
   　前記プリズムの所定の面の面上に金属膜を形成する成膜工程を備え、
   　前記成膜工程は、成膜時間と形成される金属膜の膜厚との関係である成膜レートが変化したときの膜厚である境界膜厚に基づく所定の膜厚となるように前記金属膜を形成することを特徴とする分析素子チップの製造方法。
2. 　前記成膜レートに基づいて前記境界膜厚を求める境界膜厚導出工程と、
   　前記金属膜に表面プラズモン共鳴が生じたときにその表面近傍の電場が最大となる当該金属膜の膜厚である最大電場膜厚を当該金属膜の屈折率及び消衰係数に基づいて導出する最大電場膜厚導出工程と、
   　前記境界膜厚と前記最大電場膜厚とを比較する比較工程と、をさらに備え、
   　前記成膜工程では、前記比較工程において境界膜厚よりも最大電場膜厚が大きいと判断された場合には、最大電場膜厚に基づく膜厚を前記所定の膜厚とし、前記比較工程において境界膜厚が最大電場膜厚以下と判断された場合には、前記境界膜厚に基づく膜厚を前記所定の膜厚とすることを特徴とする請求項１に記載の分析素子チップの製造方法。
3. 　前記比較工程において最大電場膜厚よりも境界膜厚が大きいと判断された場合に、前記成膜成工程では、前記境界膜厚に所定の値を加えて前記所定の膜厚とすることを特徴とする請求項２に記載の分析素子チップの製造方法。
4. 　前記成膜工程は、前記境界膜厚、及び前記金属膜に表面プラズモン共鳴が生じたときにその表面近傍の電場が最大となる当該金属膜の膜厚である最大電場膜厚のうちの厚い膜厚となるように前記金属膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の分析素子チップの製造方法。
5. 　前記成膜工程は、プラズマ支援型スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンアシスト蒸着法、電子銃加熱真空蒸着法、及び抵抗加熱真空蒸着法のいずれ１つによって成膜することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。
6. 　前記成膜工程はプラズマ支援型スパッタ法による成膜であり、前記境界膜厚は２８ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。
7. 　前記成膜方法はマグネトロンスパッタ法による成膜であり、前記境界膜厚は３８ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。
8. 　前記成膜方法はイオンアシスト蒸着法による成膜であり、前記境界膜厚は４０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。
9. 　前記成膜方法は電子銃加熱真空蒸着法による成膜であり、前記境界膜厚は４６ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。
10. 　前記成膜方法は抵抗加熱真空蒸着法による成膜であり、前記境界膜厚は５２ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析素子チップの製造方法。

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