WO2012161287A1 - 薄膜状素材の熱応答性測定方法および薄膜膜厚測定装置 - Google Patents

薄膜状素材の熱応答性測定方法および薄膜膜厚測定装置 Download PDF

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WO2012161287A1
WO2012161287A1 PCT/JP2012/063396 JP2012063396W WO2012161287A1 WO 2012161287 A1 WO2012161287 A1 WO 2012161287A1 JP 2012063396 W JP2012063396 W JP 2012063396W WO 2012161287 A1 WO2012161287 A1 WO 2012161287A1
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thin film
temperature
sensor chip
thermal
film thickness
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PCT/JP2012/063396
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二宮　英隆
貴紀 村山
治 柏崎
新一 村松
忠宣 関矢
Original Assignee
コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422—Investigating thin films, e.g. matrix isolation method

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring a film thickness of a thin film to which RifS (Reflectometric Interference Spectroscopy), which is known as a method for detecting intermolecular interactions, and a method for analyzing the thermal response of the thin film.
  • RifS Reflectometric Interference Spectroscopy
  • thermophysical properties are thermal analysis such as DSC (differential scanning calorimetry), TG (thermogravimetry), TMA (thermomechanical analysis), DMA (dynamic viscoelasticity measurement), etc.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • TG thermogravimetry
  • TMA thermomechanical analysis
  • DMA dynamic viscoelasticity measurement
  • the conventional intermolecular interaction measurement device for example, trade name “MI-Affinity” (registered trademark), Konica Minolta Opto Co., Ltd.) is required to enable stable analysis after the instrument is turned on.
  • means for controlling the temperature of the measurement section temperature control section, temperature adjustment element, temperature detection element, etc.
  • the measurement unit can be held at an arbitrary temperature, but there is no program temperature control function that reaches a predetermined temperature after a predetermined time.
  • it is insufficient as a means for measuring various physical properties relating to the thermal response of the thin film formed on the surface of the sensor chip.
  • other film thickness measuring devices have almost no change in refractive index due to temperature, so it is considered that temperature control is unnecessary, and there are few devices with temperature control devices.
  • An object of the present invention is to provide a means for measuring the thermal responsiveness of a thin film made of a material such as a polymer material.
  • the inventors utilize an intermolecular interaction measuring apparatus based on reflective RIfS, and, for example, MPC (2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) polymer, NIPAM (n-isopropylacrylamide), ionic (cation,
  • MPC 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine
  • NIPAM n-isopropylacrylamide
  • ionic ionic
  • the present invention includes the following matters.
  • a step of measuring data relating to the film thickness of an analysis target thin film at least at two temperatures with respect to a sensor chip (analysis target sensor chip) having an analysis target thin film formed on the surface And a step of calculating a change in film thickness with respect to the temperature of the thin film to be analyzed (film thickness calculation step).
  • the measurement step is performed in a temperature profile of a pattern in which the temperature is raised and / or lowered continuously, a pattern in which the temperature is raised and / or lowered in a stepped manner, or a mixed pattern thereof.
  • the thermal responsiveness measuring method as described in 2.
  • [5] The following (1), (2) using data acquired under the same conditions for the unmodified sensor chip or the sensor chip (reference sensor chip) at the stage before forming the analysis target thin film after the measurement step. ) Or a method for measuring the thermal responsiveness according to any one of [1] to [4], which includes a step of correcting data obtained for the analysis target sensor chip by both methods: (1) A method of correcting by taking the difference between the data obtained for the analysis target sensor chip and the data obtained for the reference sensor chip in correspondence with the temperature at which the data is acquired; (2) A method of correcting by taking a difference between the data obtained for the analysis target sensor chip and the data obtained for the reference sensor chip in correspondence with the time to acquire the data.
  • the thin film to be analyzed is a thin film formed of a film-forming solid or liquid; a thin film formed of a solid, liquid or gas that can be fixed to the surface of the sensor chip; or a flow formed on the sensor chip.
  • the thermal responsiveness measuring method according to any one of [1] to [5], wherein the thermal responsiveness measuring method is a thin film formed of a substance that dissolves or floats in the path.
  • a thin film thickness measuring apparatus comprising a program temperature adjusting means for performing thermal responsiveness measurement on an analysis target thin film formed on the surface of a sensor chip.
  • the film thickness of the thin film is measured using an ellipsometer, while the thermal analysis is measured using a DSC apparatus instead of the film.
  • a complicated analysis technique was required.
  • a thin film such as a polymer material is directly analyzed, and the film thickness is measured, and at the same time, from the change (that is, by a unit different from the conventional one).
  • Various thermophysical properties can be measured. For example, environmental resistance (stable stability in practical systems due to heat and heat-humidity), change from liquid to solid, solid to liquid due to heating, thermal response, thermal response behavior of molecules, thermal stability, etc. Analysis becomes possible, and information that has been difficult to measure in the past can also be acquired.
  • This provides a thin film thickness measuring apparatus and analysis method that can greatly contribute to the research and development of thin films made of polymer materials and the like.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an example of an embodiment of the present invention in an aspect according to RIfS.
  • the example which shows an output result when a step signal is added to the input of a control system.
  • A Proportional control characteristics. Upper graph: The target value can be approached smoothly. Lower graph: The amount of operation decreases in proportion to the deviation.
  • B Characteristics of PI control. Upper graph: The target value can be approached smoothly. Lower graph: The amount of operation is larger than proportional control (upper curve). Further, the deviation is accumulated by integration and generated as an operation amount (lower curve).
  • C PID control characteristics. Upper graph: follows target value quickly. Lower graph: There is a part where the controlled variable suddenly increases due to differential operation. An example of drawing when obtaining PID control parameters.
  • FIG. 5 is a graph of the change in the minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal response in the atmosphere of PST having a film thickness of 150 nm, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 6 is a graph of changes in reflectance minimum wavelength (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of PST having a film thickness of 150 nm in water measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 5 is a graph of the change in the minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal response in the atmosphere of PST having a film thickness of 150 nm, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 6 is a graph of changes in reflectance minimum wavelength (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of PST having a film thickness of 150 nm in water measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 5 is a graph of the change in the minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal response in the atmosphere of PST having a film thickness of 150
  • FIG. 7 is a graph of the change in the minimum wavelength of reflectance (change in time and temperature) showing the thermal responsiveness in air of the PST having a film thickness of 150 nm, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 8 is a graph of the change in the minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal response in the atmosphere of PST having a film thickness of 217 nm, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 9 is a graph of the change in the minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of PST having a film thickness of 217 nm in water measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 10 is a graph of changes in the minimum wavelength of reflectance (changes in time and temperature) showing the thermal response in the atmosphere of PST having a film thickness of 217 nm, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 11 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of the cationic polymer in the atmosphere as measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 12 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal response of a cationic polymer in water as measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 11 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal response of a cationic polymer in water as measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 13 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (change in time and temperature) showing the thermal responsiveness of the cationic polymer in the atmosphere, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 14 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of the anionic polymer in the atmosphere measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 15 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal response of an anionic polymer in water as measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 16 is a graph of the change in the minimum wavelength of reflectance (change in time and temperature) showing the thermal responsiveness of the anionic polymer in the atmosphere, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 14 is a graph of the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature) showing the thermal responsiveness of the anionic polymer in the atmosphere measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 15 is a graph of the
  • FIG. 17 is a graph of a change in minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing thermal responsiveness in the atmosphere of a reference substrate on which an analysis target thin film is not formed, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 18 is a graph of the change in minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing the thermal responsiveness in water of a reference substrate on which an analysis target thin film is not formed, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 19 is a graph showing the change in minimum wavelength of reflectance (vs. temperature), which shows the thermal responsiveness of a cationic polymer in water, as measured by a conventional general RIfS (without programmed temperature control means) in Example Group I. It is a graph.
  • FIG. 18 is a graph of the change in minimum reflectance wavelength (vs. temperature) showing thermal responsiveness in the atmosphere of a reference substrate on which an analysis target thin film is not formed, measured by RIfS in Example Group I.
  • FIG. 18 is a graph of the change in minimum reflectance wavelength
  • FIG. 20 is a graph showing the change in minimum wavelength of reflectance (versus time) showing the thermal responsiveness of the cationic polymer in the atmosphere, as measured by the conventional general RIfS (without programmed temperature control means) in Example Group I. It is a graph of.
  • FIG. 21 is a graph showing the measurement results of Example 1 of Example Group II.
  • FIG. 22 is a graph showing the measurement results of Example 2 of Example Group II.
  • FIG. 23 is a graph showing the measurement results of Example 3 of Example Group II.
  • FIG. 24 is a graph showing the measurement results of Example 4 of Example Group II.
  • FIG. 25 is a graph showing the measurement results of Example 5 of Example Group II.
  • FIG. 26 is a graph showing the measurement results of Example 6 of Example Group II.
  • FIG. 21 is a graph showing the change in minimum wavelength of reflectance (versus time) showing the thermal responsiveness of the cationic polymer in the atmosphere, as measured by the conventional general RIfS (without programmed temperature control means) in Example Group I. It is
  • FIG. 27 is a graph showing the measurement results of Example 7 in Example Group II.
  • FIG. 28 is a graph showing the measurement results of Example 8 of Example Group II.
  • FIG. 29 is a graph showing the measurement results of Example 9 in Example Group II.
  • FIG. 30 is a graph showing the measurement results of Example 10 of Example Group II.
  • the present invention provides a thin film thickness measuring apparatus suitable for use in the thermal response analysis method of the present invention.
  • the thin film thickness measuring apparatus is characterized by comprising a program temperature adjusting means for performing thermal analysis on the thin film to be analyzed formed on the surface of the sensor chip.
  • the temperature adjusting means provided in a conventionally known thin film thickness measuring apparatus can only adjust the temperature in the range of about 10 to 40 ° C.
  • the temperature may be adjusted to a high temperature range (for example, 100 to 200 ° C.) so that the glass transition temperature of the polymer material forming the thin film to be analyzed can be measured.
  • a high temperature range for example, 100 to 200 ° C.
  • the temperature rises and falls instantaneously, but the temperature is controlled by using the program temperature control means as in the present invention, that is, at a desired speed.
  • the temperature can be increased and decreased slowly (for example, at a rate of 1 ° C. or less in 10 seconds, preferably 0.5 ° C. or less in 10 seconds).
  • a multi-stage program for adjusting to a predetermined temperature at a predetermined time may be provided so that various thermophysical properties can be automatically measured.
  • the “thin film” refers to a film having a thickness of usually 1 nm to 100 ⁇ m, preferably 10 nm to 1 ⁇ m, more preferably 10 nm to 700 nm, although an appropriate range may vary depending on the type of thin film thickness measuring apparatus. .
  • the “thin film thickness measuring device” includes all known devices capable of measuring such a film thickness.
  • a typical example of the detection technique is a thin film thickness measurement device (intermolecular interaction measurement device) based on reflection type RIfS (reflection interference spectroscopy).
  • Measurement devices optical interference type film thickness meter, reflection spectral film thickness meter
  • thin film film thickness measurement devices spectral ellipsometer
  • FIG. 1 shows an outline of an embodiment of a thin film thickness measuring apparatus according to the present invention in a mode conforming to the reflection type RIfS.
  • the measuring device 1 mainly includes a measuring member 10, a white light source 20, a spectroscope 30, a light transmission unit 40, a control device 50, a temperature controller 100, and the like.
  • the measuring member 10 is configured based on a sensor chip 12 including at least a substrate 12a and an optical thin film 12b formed thereon.
  • the substrate 12a is generally rectangular and is preferably made of, for example, Si (silicon), and the optical thin film 12b is preferably made of, for example, SiN (silicon nitride).
  • An analysis target thin film 16 is further formed on the optical thin film 12b.
  • the analysis target thin film 16 may be formed on all the upper layers of the optical thin film 12b or may be formed on a part thereof.
  • the site where the analysis target thin film 16 is formed becomes the measurement unit 200.
  • the analysis target thin film 16 may be formed on the optical thin film 12b in advance, and if it can be synthesized or formed in the sealed flow path 14b, the raw material is added to the sealed flow path 14b constructed by the flow cell 14. It is also possible to form a film on the sensor chip during analysis.
  • a closed flow path can be formed using the flow cell 14 (FIG. 1 shows this aspect).
  • the flow cell 14 may not be used.
  • the flow cell 14 is a transparent member made of, for example, silicone rubber (polydimethylsiloxane: PDMS).
  • the flow cell 14 can be replaced with the sensor chip 12, and can be used in a disposable manner.
  • a groove 14 a is formed in the flow cell 14.
  • a sealed flow path 14b is formed. Both end portions of the groove 14a are exposed from the surface of the flow cell 14, one end portion is connected to the liquid feeding portion and functions as an inlet 14c to which various liquids 60 are supplied, and the other end portion is disposed in the waste liquid portion. It is connected and functions as an outlet 14d for various liquids 60.
  • the light transmission unit 40 is a first optical fiber 41 serving as a first light transmission path for guiding white light from the white light source 20 to the measurement unit 200, and irradiation of white light from the first optical fiber 41.
  • a second optical fiber 42 as a second light transmission path for guiding the reflected light from the measurement unit 200 to the spectroscope 30.
  • the end of the first optical fiber 41 on the white light source 20 side is connected to the connection port of the white light source 20.
  • the optical fiber 41 connected to the connection port is arranged so that the light incident end face faces the halogen lamp 21.
  • the end of the second optical fiber 42 on the spectroscope 30 side is connected to a connection port that receives light from the spectroscope 30.
  • Each of the optical fibers 41 and 42 has a structure in which fine fibers are bundled. And the edge part by the side of the flow cell 14 of the 1st optical fiber 41 and the 2nd optical fiber 42 is faced compoundly so that each fine fiber may become one bundle. That is, the fine fibers constituting the first optical fiber 41 are distributed in the center on the end face on the flow cell 14 side, and the fine fibers constituting the second optical fiber 42 are bundles of fine fibers of the first optical fiber 41. It is distributed around it to surround it.
  • the white light source 20 is composed of a halogen lamp and a housing for storing the halogen lamp.
  • the housing is provided with a connection port for connecting the first optical fiber 41.
  • a white light source is used.
  • the present invention is not limited to this, and any light source may be used as long as it emits light distributed over a wavelength range in which a change in the minimum reflectance wavelength described later can be detected.
  • the white light source 20 When the white light source 20 is turned on, the white light is irradiated onto the measuring unit 200 via the first optical fiber 41, and the reflected light is guided to the spectroscope 30 via the optical fiber 42.
  • the spectroscope 30 detects the light intensity of the light at fixed wavelength intervals included in the light received by the light receiving unit, and outputs the light intensity to the control device 50 as the spectral intensity.
  • reflected light from the measurement member 10 is received by the spectroscope 30.
  • a light transmissive member is used as the measurement member 10, and light from the white light source 20 is measured by the measurement member. It is also possible to arrange the spectroscope 30 so as to receive the light that has been irradiated onto the measuring member 10 and transmitted through the measuring member 10, and to be modified so as to detect the spectral intensity of the transmitted light.
  • the control device 50 is composed of, for example, a PC (Personal Computer), receives an input of execution of the analysis operation from the operator, and outputs an execution command of the analysis operation control to the measurement device 10. Thereby, the control apparatus 50 functions as a control part.
  • PC Personal Computer
  • control device 50 also functions as a calculation unit.
  • the control device 50 acquires the spectral intensity data of the measurement light from the spectroscope 30 and calculates the reflectance for each wavelength band by dividing the spectral intensity of the measurement light by the spectral intensity of the white light as a reference.
  • the spectral intensity data of the reference light may be previously measured and held at the time of device assembly adjustment, or may be acquired by other means, for example, every measurement.
  • a reflection spectrum is created based on the calculated reflectance, and the reflectance minimum wavelength is determined.
  • the waveform of the reflection spectrum usually has an irregular shape in which minute irregularities are repeated, and it may be difficult to calculate and specify the reflectance minimum wavelength.
  • the waveform is smoothed, and the solution (minimum value) is obtained from the high-order polynomial, and this can be specified as the value of the minimum reflectance wavelength. .
  • the microcomputer performs control to switch on / off the white light source 20 according to the control command of the control device 50, or performs temperature control according to the set temperature command of the control device 50.
  • the temperature adjustment means includes, for example, a temperature adjustment member 110 that performs heating and cooling such as a Peltier element and a cooling fan, and a temperature sensor 120 such as a thermistor. Contacted). Then, the control device 50 measures the temperature of the measurement member 10 with the temperature sensor 120 through the temperature adjuster 100, and executes temperature control so that the set temperature is reached by heating or cooling by the temperature adjustment member 110. Furthermore, the temperature controller 100 includes an electronic circuit (microcomputer) that performs program control of a heating and cooling temperature and time pattern. The temperature controller 100 may include an input unit that programs the pattern into the electronic circuit and a display unit that can confirm the input, or the function may be integrated into the control device 50.
  • a temperature adjustment member 110 that performs heating and cooling such as a Peltier element and a cooling fan
  • a temperature sensor 120 such as a thermistor. Contacted).
  • the control device 50 measures the temperature of the measurement member 10 with the temperature sensor 120 through the temperature adjuster 100, and executes temperature control so that the set
  • the measurement member 10 When performing detection, the measurement member 10 is warmed up in advance. That is, the control device 50 sends a command to the microcomputer so as to reach a preset temperature, and the microcomputer performs temperature control by the temperature adjusting means. The analysis is started after the temperature of the measuring member 10 is stabilized by warming up.
  • the temperature adjusting means performs temperature control so that the measuring unit 200 reaches a predetermined temperature at a predetermined time according to the target thermal analysis.
  • This temperature control is set in advance to be automatically executed by a program.
  • the program temperature adjusting means suitable for performing the thermal analysis according to the present invention is a member such as a detection unit, a temperature control unit, and a data recording unit which are used in the following conventional thermal analysis apparatus. Can be applied.
  • -Detection part A part equipped with a heater, a sample installation part, and a detector (sensor), which heats and cools the sample with a heater and detects the temperature and physical properties of the sample.
  • Temperature control part The part that controls the temperature of the heater, and controls the temperature of the heater according to the set program.
  • -Data recording part The part which inputs and records the signal from a detector and a temperature sensor, and processes from data recording to analysis.
  • the temperature control, data recording, and analysis can all be performed by a computer.
  • Various types of measurements can be performed by combining the sensor and heater of the detection unit, and a plurality of types of detection units can be connected to one computer.
  • the function of the detection unit can be integrated into the measurement unit 200, and the functions of the temperature control unit and the data recording unit can be integrated into the control unit 50 and the microcomputer.
  • the outline of this embodiment is as follows: (1) A preset schedule of “time” and “set temperature” is read into a temperature control program, and (2) a temperature controller and a thin film thickness measuring device (sensor) Input from the temperature sensor installed on the chip) by A / D conversion, temperature conversion, (3) calculate the difference between the measured temperature and the set temperature of the temperature control program, temperature control member (Peltier element, The temperature of the temperature adjusting member is controlled by driving a cooling fan or the like.
  • the following configuration is preferable because it can be controlled with a resolution of 0.1 ° C.
  • a change of 1 ° C. (temperature increase or decrease) takes 10 seconds or more.
  • the sampling period is 1 second
  • the average process is taken 10 times continuously
  • the average value of 8 times excluding the maximum and minimum is calculated.
  • the temperature conversion is performed by converting the A / D value (ad) to the temperature (t) using a predetermined conversion formula (polynomial). Since a general thermistor as a temperature sensor is non-linear, it is appropriate to complement by using a polynomial.
  • the actual temperature adjustment uses a difference between the actual temperature measured by the calibrated temperature measuring instrument and the temperature taken in by the firm from the temperature sensor in the adjustment process at the time of shipment, and is used as a standard of the set temperature during measurement (for example, 25
  • the offset value (c) is obtained from the temperature (° C.)
  • the slope (k) is obtained from the upper limit (for example, 40 ° C.) and the lower limit (for example, 15 ° C.)
  • the calculation of the heating / cooling degree (%) is, for example, a PID calculation method suitable for the sampling method (discrete value), and is tuned by three PID control parameters (Kp, Ki, Kd).
  • the basic formula is as follows.
  • the method for obtaining the PID control parameter is performed, for example, as follows.
  • the difference in characteristics depending on the PID parameter is, for example, as shown in FIG.
  • PWM output is performed for a heating signal or a cooling signal of a driving circuit of a temperature adjusting member (for example, a Peltier element), and the driving circuit is isolated by a photocoupler (duty: 0). ⁇ 100%, frequency: 1 kHz fixed).
  • a temperature adjusting member for example, a Peltier element
  • Control device 50 determines whether or not to continue the measurement, and if not, ends the process.
  • the measurement time may be set in advance, and it may be determined whether or not the measurement time has elapsed, or the measurement end input is set as a setting for continuing the measurement until the measurement end input is received. The presence or absence may be determined.
  • the spectral intensity is measured again.
  • the measurement is repeated so as to acquire data on the thin film to be analyzed formed on the surface of the sensor chip at at least two temperatures (for example, the reflectance minimum wavelength in RIfS).
  • the control device 50 periodically calculates the reflectance, creates a reflection spectrum, and determines the minimum wavelength of the reflectance, and records the time-series change. Thereby, the film thickness change with respect to temperature can be measured.
  • the sensor chip When performing analysis using a measuring device according to RIfS, the sensor chip has a structure similar to that of a known RIfS sensor chip, typically a laminated structure composed of a substrate and an optical thin film formed thereon. What you have is used. In the present invention, a thin film to be analyzed is further laminated on the optical thin film.
  • the substrate and the optical thin film are formed of a material having a refractive index and a thickness such that a minimum reflectance wavelength observed when white light is used falls within an appropriate range.
  • the substrate is preferably made of Si
  • the optical thin film is preferably made of SiN deposited thereon.
  • the refractive index of SiN is about 2.0 to 2.5 in the visible light wavelength range of about 400 to 800 nm.
  • the minimum reflectance wavelength is about 400 nm to It can be adjusted to a range of 800 nm.
  • the optical thin film may be made of SiO 2 , TiO 2 or Ti 2 O 5 .
  • the thin film to be analyzed in the present invention is not particularly limited as long as the film thickness measuring method can be appropriately performed.
  • the thin film formed by a film-forming solid or liquid; fixed to the surface of the sensor chip A thin film formed of a solid, liquid, or gas that can be used; or a thin film formed of a substance that dissolves or floats in a flow path formed on the sensor chip.
  • film-forming solids include synthetic or natural polymers such as hydrophobic polymers, hydrophilic polymers, water-soluble polymers, biomaterials and functional materials, but also organic low molecular compounds and inorganic compounds. included.
  • the solid that can be fixed to the surface of the sensor chip includes a fine particle or monomolecular compound that can be fixed to the surface of the sensor chip by an intermolecular interaction or the like.
  • the method for forming the thin film to be analyzed is not particularly limited.
  • a resinous polymer material after synthesis, it may be applied to the surface of the sensor chip 12 using a known method such as dip coating, spin coating, or spray coating.
  • a substance that captures the biological substance is detected by using a known technique for a sensor chip for RIFS, such as an antigen-antibody reaction or DNA hybridization. It is also possible to form a film by providing it on the surface of the chip.
  • a reactive functional group (amino group, carboxyl group, etc.) is introduced to the surface of the unmodified sensor chip by treatment with a silane coupling agent, and the reaction with the functional group of the polymer material
  • a thin film made of a polymer material may be formed.
  • a thin film made of a polymer material may be formed by intermolecular interaction or electrostatic adsorption.
  • a thin film made of the polymer material can be formed by introducing a polymerizable monomer by light, heat or the like onto the surface of the unmodified sensor chip and graft polymerization.
  • a known film forming technique such as a cast manufacturing method, a chemical vapor deposition method (CVD), or a physical vapor deposition method (PVD) can be used.
  • a sensor chip composed of only a minimum configuration as a sensor chip for RIfS, basically only a substrate made of Si and an optical thin film made of SiN is referred to as an “unmodified sensor chip”.
  • an unmodified sensor chip and a thin film to be analyzed in which the pre-processing for forming the thin film to be analyzed is performed on the unmodified sensor chip (for example, treatment with a silane coupling agent as described above).
  • the sensor chip in the previous stage is collectively referred to as a “reference sensor chip”.
  • a sensor chip having an analysis target thin film formed on the surface is referred to as an “analysis target sensor chip”.
  • the present invention provides a thermal responsiveness measuring method capable of performing various thermal responsiveness analyzes using a thin film thickness measuring apparatus.
  • the thermal responsiveness measuring method uses a thin film thickness measuring device, and the sensor chip (analysis target sensor chip) having an analysis target thin film formed on the surface thereof at least at two temperatures. It includes a step of measuring data relating to the film thickness of the thin film to be analyzed (measurement step) and a step of calculating the film thickness change with respect to the temperature of the thin film to be analyzed (film thickness calculation step).
  • data relating to the film thickness of the thin film to be analyzed may be measured at at least two temperatures.
  • data at a number of temperatures are measured.
  • only one of the temperature rise and the temperature fall may be performed, or the temperature may be lowered after the temperature rise or the temperature may be raised after the temperature fall.
  • Continuous means that the temperature is gradually changed at a constant rate
  • stepwise means that the temperature is changed for a certain period of time after a certain range of temperature increase or decrease within a short time. It is to repeat what is not allowed. For example, when the change in the thickness of the thin film to be analyzed cannot be observed if the temperature change is too fast, an appropriate analysis may be performed by changing the temperature stepwise.
  • the rate of temperature increase and / or temperature decrease in the pattern can be appropriately adjusted according to the purpose of thermal response analysis, but is preferably 10 to 3600 seconds per 1 ° C. If the temperature change is too fast, the change in film thickness of the thin film to be analyzed may not be observed due to the fact that thermal energy is consumed by vibrations other than the film thickness change.
  • the temperature raising or lowering may be cycled so that the temperature is lowered or raised to the original temperature. Good. Further, such a cycle may be repeated not only once but a plurality of times, for example, 2 to 100 cycles.
  • Such a thermal responsiveness measuring method is a thin film thickness measuring apparatus equipped with a programmed temperature adjusting means according to the present invention, which can automatically adjust the measuring temperature accurately. It is preferred to use and implement.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and any other thin film thickness measuring device can be used as long as it has means for acquiring data on the thickness of the thin film to be analyzed at at least two temperatures. It is also possible to implement.
  • Data ( ⁇ and the like) measured in the measurement process can be converted into a film thickness at each temperature based on a predetermined conversion formula.
  • the film thickness at each temperature of the thin film to be analyzed and the state of the film thickness change with respect to the temperature obtained in this way can be used for various thermal responsiveness analyses.
  • RIfS In an aspect according to RIfS, in general, first, in the measurement process, based on the reflectance minimum wavelength (bottom peak) ( ⁇ ') of a sensor chip in which the thin film to be analyzed is not formed on the surface, Data relating to the thickness of the thin film to be analyzed is measured as a difference ( ⁇ ) from the reflectance minimum wavelength ( ⁇ ) of the sensor chip on which the thin film to be analyzed is formed.
  • ⁇ ( ⁇ 0 , ⁇ 1 , ⁇ 2 ..., ⁇ n ) At each temperature is equal to ⁇ ′ ( ⁇ ′ 0 ) at a certain temperature and ⁇ ( ⁇ 0 ,. ⁇ 1 , ⁇ 2 ... ⁇ n ... ( ⁇ 0 ⁇ ′ 0 , ⁇ 1 ⁇ ′ 1 , ⁇ 2 ⁇ ′ 2 ... ⁇ n ⁇ ⁇ ′ n ...
  • the film thickness of the thin film to be analyzed is calculated based on the measured ⁇ .
  • the method for calculating the film thickness of the thin film to be analyzed is not particularly limited, and a general method or an improved method obtained by improving the method can be used according to the required accuracy.
  • n is the refractive index of the thin film to be analyzed, and is usually in the range of about 1.4 to 1.6.
  • the film thickness may be calculated from the measured ⁇ using, for example, the following simulation.
  • d can be calculated from the measured values of ⁇ and ⁇ itself only when ⁇ is in the range of 400 to 800 nm, and when converted, d is about 100 nm or less.
  • periodicity appears (vibrates) in the measured ⁇ ( ⁇ ). That is, ⁇ is not measured as a minimum reflectance wavelength expected to appear in a range exceeding 800 nm, but as another reflectance minimum wavelength that appears in a range of 400 to 800 nm. For this reason, it is appropriate to calculate d by the following different methods when d is about 100 nm or less and when it is about 100 nm or more.
  • the boundary of periodicity is determined as follows. That is, (1) determine the period, (2) calculate the film thickness conversion coefficient (coefficient ⁇ refractive index ⁇ adjustment term) based on the periodicity and the refractive index, and then divide the value of ⁇ by the film thickness conversion coefficient. (3) In the second and subsequent cycles, the value obtained by adding the film thickness addition value is used as the film thickness value. The variation amount of the film thickness is similarly calculated using the film thickness conversion coefficient. In order to see the film thickness value and the amount of change of the substance itself, it is necessary to subtract the ⁇ value of the reference (for example, the sensor chip before modification) in advance. There is no need.
  • COPL Method There is also a calculation method using the optical path length (cOPL) using the amount of change in reflectance as follows.
  • the relationship between the wavelength shift of the extremum position (s) of the reflectance curve with respect to the change in optical path length is simulated in advance, and a template is created by mathematically processing it. Then, when the measured wavelength of the extreme value position of the reflectance curve is illuminated on the template, the optical path length of the thin film to be analyzed is approximately obtained.
  • a reference for example, a sensor chip before modification
  • the sensor chip (Correction for expansion and contraction of sensor chip) When a thin film to be analyzed is formed on a sensor chip and its thermal response analysis is performed, the sensor chip (Si / SiN) itself also expands and contracts so that ⁇ changes by 0.5 nm between a temperature difference of 30 ° C. This expansion and contraction is 1 mm or less as the film thickness variation value of SiN, but affects the measured value of ⁇ because the RIfS method is extremely sensitive.
  • the time of the thermal response analysis elapses, for example, when a cycle that fluctuates between two predetermined temperatures (peak and bottom) is repeated, the peak and bottom of ⁇ change from the first cycle, and the temperature is changed.
  • the time for reaching the peak and the bottom may deviate from the time for ⁇ to reach the peak and the bottom.
  • a step before the formation of the unmodified sensor chip or the thin film to be analyzed is further performed after the measurement process.
  • a step of correcting the data obtained for the sensor chip to be analyzed is performed by the following (1), (2) or both of these methods using data obtained under the same conditions for the sensor chip (reference sensor chip).
  • Preferably it is: (1) A method of correcting by taking the difference between the data obtained for the analysis target sensor chip and the data obtained for the reference sensor chip in correspondence with the temperature at which the data is acquired; (2) A method of correcting by taking a difference between the data obtained for the analysis target sensor chip and the data obtained for the reference sensor chip in correspondence with the time to acquire the data.
  • the above correction may be applied only when ⁇ is in the first period (the thickness of the thin film to be analyzed is about 100 nm or less).
  • the measurement method of the present invention uses thermal motion (a motion that consumes thermal energy by molecular motion such as heat propagation, vibration, rotation, translation, etc., for example, a linear expansion coefficient by TMA is used as a measuring means), structural change ( There is a method to measure endotherm and exotherm with changes in the membrane structure such as membrane shrinkage, expansion, phase transition, etc.), and also measures the hydration behavior that could not be done at the same time, the appropriate reference and measurement conditions This is a measurement method that allows each factor to be separated.
  • total thermal stability including thermal expansion and hydration, thermal expansion, high humidity, behavior in water, and interaction with electrolyte in water can be quantified.
  • the content of analysis related to thermal responsiveness based on the present invention is not particularly limited.
  • the following items can be easily extracted from the measurement data and analyzed.
  • Thermal expansion and hydration The meaning of measured values differs depending on the relationship between film thickness, measurement conditions, and film quality (film properties, uniformity, etc.) as follows.
  • film thickness In the thick film, the thermal expansion of the material is observed, while in the thin film, the surface area is relatively large. Therefore, hydration is easily observed when the humidity is high.
  • a hydrophilic film In water, a hydrophilic film is affected by hydrophilicity, but in a hydrophobic film, the surface is covered with water and stabilized, so a result close to the measurement of low humidity can be obtained. Even a substance that undergoes hydration in underwater measurement can measure the rate of change of the hydration structure by measuring for a long time and convert it to a hydration rate.
  • Some hydration depends on humidity and can easily be removed by changes in temperature, and this can be correlated with moisture absorption, and there is water that cannot be removed even during thermal cycling. It is handled separately from water absorption. The movement of the fine water molecules can be analyzed from the thermal response measurement of the present invention.
  • the mutation point can be determined according to the temperature regardless of the film thickness. In comparison in the atmosphere, water, and electrolyte solution, there are hydration and interaction with the electrolyte, and the behavior before and after the phase transition point is different.
  • the width of ⁇ can be set according to the lower and upper temperature limits.
  • the thermal expansion or hydration structure is different between when cooling from high temperature (low humidity) and when cooling from low temperature (high humidity). Although it can be set arbitrarily, here it is represented by a width of ⁇ of 25 ° C.
  • cycle stability can be calculated
  • the amount of expansion and contraction may be different even at the same temperature range between the low temperature and the high temperature.
  • the low temperature ⁇ is subtracted from the high temperature side ⁇ . This is likely to occur when the internal structure is not uniform.
  • MI-Affinity (registered trademark, Konica Minolta Optics Co., Ltd.) is used as a RifS-type intermolecular interaction measurement device, and the above-mentioned “MI-Affinity” is used as an unmodified sensor chip.
  • a sensor chip Si, thickness 1 mm / SiN, thickness 66 nm was used.
  • Example Group I- (Sample adjustment) As shown in Table 3, various polymers were coated on an unmodified sensor chip with a spin coater, and dried by heating at 70 ° C. for 30 minutes.
  • the thermal expansion, phase transition, and hydration structure of the thin film are highly accurate with unprecedented accuracy by measuring the thermal responsiveness with the RifS apparatus having the measurement method of the present invention and the program temperature adjustment mechanism. It can be seen that it can be measured.
  • changes in water greatly depend on the hydration structure, it can be a useful measurement method that can separate and measure the effects of thermal response and hydration structure by comparing with measurements in the atmosphere. I understand.
  • Example group II- Example preparation
  • the analysis target thin film was formed according to the “film formation method” in the same table using the film forming material shown in Table 5 as a sample.
  • Solvent application A film-forming material preparation solution was prepared according to Table 6. That is, each film-forming material (sample numbers 1 to 14) shown in Table 5 was weighed and placed in a sample tube, and a soluble solvent was weighed appropriately to prepare a 4.5 wt% solution. The obtained 4.5 wt% solution was further diluted with a solvent to prepare 1.5 wt% and 0.5 wt% solutions, respectively.
  • an unmodified sensor chip (bare substrate) is set on the spin coater under vacuum, and about 300 ⁇ L of the film-forming material preparation solution prepared in the previous step is injected, followed by spin coating at 3000 rpm for 1 minute. It was.
  • the polymer (sample numbers 1 to 12) is dried at 110 ° C for 1 hour, TPG (sample number 13) and NC21 (sample number 14) are dried at 80 ° C for 30 minutes using an electric oven, and the desired analysis is performed.
  • the target sensor chip was obtained.
  • the thickness of the thin film to be analyzed was measured with an ellipsometer “VASE” (manufactured by Woollam). The results are shown in Table 7.
  • an unmodified sensor chip was immersed at room temperature for 1 hour to adsorb the silane coupling agent in a hydrogen bonding manner.
  • the sensor chip was pulled up, washed sequentially with ethanol and ultrapure water, dried by nitrogen blowing, and dehydrated and condensed at 80 ° C. for 1 hour with a dry heat machine to prepare an aminated sensor chip (amino group substrate).
  • the sensor chip after the reaction was immersed in a 1/10 predetermined aqueous sodium hydroxide solution for 10 minutes. After neutralizing with dilute hydrochloric acid, washing with ultrapure water and drying were performed to obtain the target sensor chip for analysis.
  • the thickness of the thin film to be analyzed formed in the above (a) and (b) was measured with an ellipsometer “VASE” (manufactured by Woollam). The results are shown in Table 10.
  • SiO 2 vapor-deposited product was prepared by requesting a contractor.
  • the polysilazane coating agent “AQUAMICA NAX120” was diluted to 2%, and about 300 ⁇ L of the prepared solution was injected using the spin coater, followed by spin coating at 3000 rpm for 1 minute. After coating, drying was carried out at 80 ° C. for 8 hours to convert to silica to prepare a SiO 2 coated sample. The results are shown in Table 13.
  • Example 1 Measurement of linear expansion coefficient of hydrophobic polymers (PS1-3, PS2-3, PSC2, PSC3) As measurement conditions, two conditions with different humidity in the atmosphere (20 ° C 10%, 20 ° C 50%) and water that can only be achieved with RIfS One condition was added, and a thermal response cycle of 10-40 ° C. was measured under a total of three conditions. The results are shown in Table 14 and FIG. Table 14 shows the most stable ⁇ values at 10 ° C. and 40 ° C. in the second cycle. Further, the variable film thickness and linear expansion coefficient between the two points were determined. Since the bottom peak of the sample is the second period and the third period, the substrate is not corrected.
  • the linear expansion coefficient is highly convenient because it is convenient to use the RIfS film thickness and stretch film thickness, but it is also described because it can be calculated using the RIfS stretch film and ellipso film thickness. Although there is no big difference between the measured values of RIfS and ellipso, RIfS measurement reliability is high in principle with ultra-thin films of 20 nm or less and thick films of 500 nm or more.
  • the linear expansion coefficient (linear expansion coefficient_RIfS, linear expansion coefficient_ellipso) obtained by measuring RIfS in thick films (about 300 nm or more) is consistent with the literature values, and the molecular weights of PS1 and PS2 The impact of the difference is also clear.
  • RIfS has a feature of high measurement reliability because it continuously measures the film thickness and measures three cycles.
  • the thermal expansion coefficient in water was able to be calculated
  • the thermal response measurement of the present invention shows that the linear expansion coefficient can be accurately obtained using a thin film of several hundreds of nanometers that is simple and practical.
  • Example 2 Measurement of Thermal Response of Polystyrene PS2 with Different Film Thickness The thermal response of polystyrene PS2 with different film thickness was measured at 20 degrees 10% in the atmosphere. The results are shown in Table 15 and FIG.
  • the film thickness is sufficiently thick as in PS-2-3, the linear expansion coefficient approaches the literature value. However, since the molecule tends to thermally move at a thickness of around 100 nm as in PS2-2, it is larger than the literature value. Value.
  • the film thickness is as low as 50 nm or less as in PS2-1, film thickness displacement accompanying water adsorption / desorption is observed, and the phenomenon that the film thickness increases as the temperature decreases. It has been shown that the theory that ultra-thin films of 100 nm or less increase affinity with water even with hydrophobic polymers can be demonstrated. The usefulness of RIfS thermal response measurement, which can measure water adsorption and desorption at the same time as thermal expansion measurement, is clear.
  • Example 3 Measurement of thermal expansion and hydration of water-absorbing polymers (PMMA1, PMMA2, PVAc) Three measurement conditions: humidity difference in the atmosphere (20 ° C 10%, 20 ° C 30%, 20 ° C 50%), and one condition in water And a thermal response cycle of 10-40 ° C. was measured under a total of four conditions. The results are shown in Table 16 and FIG.
  • Polyvinyl acetate with higher hydrophilicity changes greatly with each thermal cycle, and thermal expansion decreases in underwater measurement and tends to increase in the atmosphere. In water, it is considered that thermal diffusion proceeds due to surface hydration, and in the atmosphere, energy is accumulated due to thermal hysteresis and thermal expansion increases.
  • Table 17 and FIG. 24 show the Tm (melting point) measurement results of polyoctadecyl methacrylate (PodMA-1).
  • the complex phase transition structure around Tm37.5 ° C can be measured, and the thermal response measurement of the present invention can measure thermal expansion below the melting point and can also clearly measure Tm (phase transition point) like DSC. It can be seen that this is an excellent and diverse measurement method unlike any other.
  • Table 18 and FIG. 25 show the results of thermal response measurement of water-soluble materials (PAA, PEG, PEO, PEI, PVA, HEMA, DAC).
  • the effect of humidity on water-soluble materials, temperature rise / fall in water, relation to water, thermal response, and hysteresis are also observed, indicating water behavior with respect to the membrane.
  • HEMA it is an ultra-thin film of around 10nm, so no linear expansion coefficient is observed, but the thermal response in the negative direction due to hydration can be accurately measured. It can also be seen that the hydration behavior is suppressed at 5% NaCl.
  • Example 6 The results of LCST measurement for polyisopropylacrylamide (PNIPAMC) are shown in Table 19 and FIG.
  • the LCST measurement is performed while changing the temperature using the turbidity method, but the thermal response measurement of the present invention can be easily and accurately measured. It can be seen from the graph that LCST32 ° C of PNIPaam produced by amine coupling can be clearly measured. Moreover, the moisture absorption of polyisopropylacrylamide and the interaction in water are clearly understood by comparing the atmosphere with water. Similar LCST was observed in PNIPAM after graft polymerization.
  • Table 20 and FIG. 27 show the thermal response measurement results of the ecological materials (TPG-1, TPG-2, TPG-3, NC21-1, NC21-2, NC21-3, CMD, BSA).
  • Neutral fat TPG a biomaterial, undergoes thermal contraction in water, but is thermally expanded in 5% NaCl, and changes in membrane structure due to hydration and inhibition by NaCl have been observed.
  • Phospholipid NC-21 shows a hysteresis that returns to the starting point in the atmosphere, but it contracts only once in water, and thermal expansion is observed in 5% NaCl, which can be used for hydration analysis.
  • polysaccharide CMD and protein BSA humidity effects related to thermal response can be measured with high sensitivity even though they are thin films.
  • Example 8 The results are shown in Table 21 and FIG. Thermal expansion measurement is possible even with PS, PP, and COP, which are difficult to measure with conventional equipment, and the linear expansion coefficient almost matches the literature value.
  • PP-P shows a distortion in the thermal response curve
  • the present invention shows the denseness and uniformity of hot pressing.
  • Example 9 The linear expansion coefficient of SiO 2 and the temperature effect of the hydration structure are shown in Table 22 and FIG. It does not show thermal responsiveness in the atmosphere and is clearly visible in water. Although water adsorption equivalent to thermal expansion occurs in the atmosphere, it can be estimated that the surroundings are water in water, and conversely, there is no water going in and out and the original thermal expansion is visible.
  • Table 23 and FIG. 30 show the calculation results of the linear expansion coefficients of PS1 and PS2 based on the converted optical path length (cOPL). It can be seen from cOPL that the film thickness can be easily calculated and the accuracy is sufficient.

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Abstract

　本発明は、高分子材料からなる薄膜の各種の熱物性を測定するための手段を提供する。本発明に係る熱応答性測定方法は、薄膜膜厚測定装置を使用し、表面に分析対象薄膜が形成されたセンサーチップ（分析対象センサーチップ）について、少なくとも２つの温度において当該分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程、および当該分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を算出する工程（膜厚算出工程）を含むことを特徴とする。また、このような熱応答性測定方法のためには、センサーチップの表面に形成された分析対象薄膜について、熱応答性測定を行うためのプログラム温度調節手段を備える薄膜膜厚測定装置を使用することが好適である。

Description

薄膜状素材の熱応答性測定方法および薄膜膜厚測定装置
　本発明は、分子間相互作用検出方法として知られているＲＩｆＳ（Reflectometric Interference Spectroscopy：反射型干渉分光法）を応用した薄膜の膜厚測定方法、およびその薄膜の熱応答性の分析方法に関する。
　近年、生体分子や有機高分子間の結合（分子間相互作用）を、標識を用いることなく直接的に検出する手法の研究開発が進められている。たとえば、光学薄膜の干渉色変化を利用したＲＩｆＳ（Reflectometric Interference Spectroscopy：反射型干渉分光法）が提案され、実用化もされている。ＲＩｆＳ方式の基本原理は特許文献１や非特許文献１などに記載されている。
　一方、高機能性高分子材料の開発に伴い、その熱物性の測定ニーズは高まりつつある。従来、熱物性は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）、ＴＧ（熱重量測定）、ＴＭＡ（熱機械分析）、ＤＭＡ（動的粘弾性測定）などの熱分析（物質の温度を一定のプログラムによって変化させながら、その物質のある物理的性質を温度の関数として測定する一連の技法）によって測定されてきた。しかしながら、従来のそれらの測定方法では、高分子材料のフィルム（厚さが１ｍｍ前後）、バルク、粉末などしか対象とすることができず、高分子材料の薄膜（厚さがｎｍ～μｍ）について上記の熱分析は行うことができない。そのため、高分子材料からフィルムを作製して代用とし、マクロな測定からミクロな数値を推定するしかなく、高分子材料等の薄膜の実技的な耐性や安定性に関する情報を得にくいという問題もある。
　なお、従来の分子間相互作用測定装置（たとえば商品名「MI-Affinity」（登録商標）、コニカミノルタオプト株式会社）は、機器の電源を入れてから安定的な分析を行えるようにするまでの「暖機」のために、測定部の温度の制御を行う手段（温度制御部、温度調節素子、温度検出素子等）を備えている。しかしながら、このような温度制御手段には熱分析の思想はないため、任意の温度に測定部を保持することはできるものの、所定の時間後に所定の温度に到達するようなプログラム温度コントロール機能がなく、センサーチップ表面に形成された薄膜の熱応答性に関する各種の物性を測定するための手段としては不充分であった。また、その他の膜厚測定装置では温度による屈折率の変動がほとんどないため、温度コントロールは不要と考えられており温調装置の付いたものはほとんどない。
特許第３７８６０７３号公報
Sandstrom et al, APPL.OPT., 24, 472, 1985
　本発明は、高分子材料などの素材からなる薄膜の熱応答性を測定するための手段を提供することを課題とする。
　発明者らは、反射型ＲＩｆＳに基づく分子間相互作用測定装置を利用し、そのセンサーチップ表面にたとえばＭＰＣ（２－メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン）ポリマー、ＮＩＰＡＭ（ｎ－イソプロピルアクリルアミド）、イオン性（カチオン、アニオン）ポリマー等の水和性ポリマーを１０ｎｍ～１μｍまでの厚さで塗布し、当該センサーチップ（測定部）の温度コントロールを行い変化させたところ、温度を低下させると反射率極小波長が長波長側に移る、つまり膜厚が増大し、逆に温度を上昇させると反射率極小波長が短波長側に移る、つまり膜厚が減少するという、当該ポリマー特有の温度変化に合致した挙動を定量的に観察することができた。更に従来の測定方法では測定し得なかった水中で熱応答性を測定した結果、大気中とは異なる挙動を示した。また同様に機能性のないポリスチレン塗布膜を測定したところ一般的に測定されているように温度低下で膜厚が減少し、温度上昇で膜厚が増大する現象をサブオングストローム～オングストロームレベルの微小変化で観察することが出来た。そして、ＲＩｆＳや、その他の膜厚測定技術を利用することにより、高分子材料からなる薄膜の各種の熱物性を測定することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
　すなわち、本発明は下記の事項を包含する。
　［１］　薄膜膜厚測定装置を使用し、表面に分析対象薄膜が形成されたセンサーチップ（分析対象センサーチップ）について、少なくとも２つの温度において当該分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程（測定工程）、および当該分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を算出する工程（膜厚算出工程）を含むことを特徴とする、熱応答性測定方法。
　［２］　前記測定工程が、連続的に昇温および／または降温をかけるパターン、階段状に昇温および／または降温をかけるパターン、またはこれらの混合のパターンの温度プロファイルにおいて行われる、［１］に記載の熱応答性測定方法。
　［３］　前記パターンにおける昇温および／または降温が１℃あたり１０～３６００秒の速度である、［２］に記載の熱応答性測定方法。
　［４］　前記パターンにおける昇温および降温が１～１００サイクル繰り返される、［２］に記載の熱応答性測定方法。
　［５］　前記測定工程の後にさらに、無修飾センサーチップまたは分析対象薄膜を形成する前の段階のセンサーチップ（リファレンスセンサーチップ）について同様の条件により取得したデータを用いる、下記（１）、（２）またはこれらの両方の方法により、前記分析対象センサーチップについて得られたデータを補正する工程を含む、［１］～［４］のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法：
（１）データを取得する温度を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法；
（２）データを取得する時間を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法。
　［６］　前記分析対象薄膜が、被膜形成性の固体もしくは液体により形成される薄膜；センサーチップの表面に固着可能な固体、液体もしくは気体により形成される薄膜；またはセンサーチップ上に形成された流路内に溶解もしくは浮遊する物質により形成される薄膜である、［１］～［５］のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
　［７］　気体中および液体中それぞれで、前記分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を測定することにより、当該液体が分析対象薄膜の膜厚に与える影響と当該液体によらずに熱が分析対象薄膜の膜厚に与える影響とを分析することを含む、［１］～［６］のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
　［８］　前記膜厚算出工程により、非接触測定による物質の熱膨張係数、水和性被膜の熱膨張係数、熱ヒステリシス、熱緩和時間、熱遅延時間、ＬＣＳＴ、ＵＣＳＴ、相転移、熱ゆらぎ、吸水性、吸湿性または水和性について分析することを含む、［１］～［７］のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
　［９］　前記薄膜膜厚測定装置が反射干渉分光法（ＲＩｆＳ）に基づくものである、［１］～［８］のいずれかに記載の熱応答性測定方法。
　［１０］　センサーチップの表面に形成された分析対象薄膜について、熱応答性測定を行うためのプログラム温度調節手段を備えることを特徴とする、薄膜膜厚測定装置。
　［１１］　前記薄膜膜厚測定装置が反射干渉分光法（ＲＩｆＳ）に基づくものである、［１０］に記載の薄膜膜厚測定装置。
　従来、高分子からなる薄膜に関する物性値を得るためには、たとえば薄膜の膜厚はエリプソメーターを使用して測定する一方、熱分析はフィルムを代用としてＤＳＣ装置を使用して測定するというように、煩雑な分析手法が必要とされていた。本発明による改良された薄膜膜厚測定装置によれば、高分子材料等の薄膜を直接の分析対象とし、膜厚を測定すると同時に、その変化から（つまり従来とは異なる単位（dimension）により）各種の熱物性を測定することができる。たとえば、環境耐性（熱、熱－湿による実技系での寸土安定性）、加熱による液状から固形状、固形状から液状への変化、熱応答性、分子の熱応答挙動、熱安定性などに関する分析が可能となり、従来は測定することが困難であった情報も取得することができるようになる。これにより、高分子材料等からなる薄膜の研究開発に大きく貢献しうる薄膜膜厚測定装置および分析手法が提供される。
図１は、ＲＩｆＳに準じた態様における、本発明の実施形態の一例の概略図である。 制御系の入力にステップ信号を加えたときの出力結果を示す例。（ａ）比例制御の特性。上のグラフ：スムーズに目標値に近づけることができる。下のグラフ：操作量は偏差に比例して少なくなっていく。（ｂ）ＰＩ制御の特性。上のグラフ：スムーズに目標値に近づけることができる。下のグラフ：比例制御より大きな操作量となる（上の曲線）。また、積分により偏差分が蓄積され、操作量として発生する（下の曲線）。（ｃ）ＰＩＤ制御の特性。上のグラフ：素早く目標値に追従する。下のグラフ：微分動作により制御量が急激に大きくなる部分がある。 ＰＩＤ制御パラメータを求める際の描画の例。 ＰＩＤパラメータによる特性の違いを示す例。上の曲線：パラメータが大きい例の時の特性。下の曲線：パラメータが小さい例の時の特性。 図５は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚１５０ｎｍのＰＳＴの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図６は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚１５０ｎｍのＰＳＴの水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図７は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚１５０ｎｍのＰＳＴの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対時間、温度変化）のグラフである。 図８は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚２１７ｎｍのＰＳＴの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図９は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚２１７ｎｍのＰＳＴの水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１０は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、膜厚２１７ｎｍのＰＳＴの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対時間、温度変化）のグラフである。 図１１は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、カチオン性ポリマーの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１２は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、カチオン性ポリマーの水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１３は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、カチオン性ポリマーの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対時間、温度変化）のグラフである。 図１４は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、アニオン性ポリマーの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１５は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、アニオン性ポリマーの水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１６は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、アニオン性ポリマーの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対時間、温度変化）のグラフである。 図１７は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、分析対象薄膜が形成されていないリファレンス基板の大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１８は、実施例群ＩにおいてＲＩｆＳにより測定した、分析対象薄膜が形成されていないリファレンス基板の水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図１９は、実施例群Ｉにおいて従来の一般的なＲＩｆＳ（プログラム温度調節手段なし）により測定した、カチオン性ポリマーの水中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対温度）のグラフである。 図２０は、実施例群Ｉにおいて従来の一般的なＲＩｆＳ（プログラム温度調節手段なし）により測定した、カチオン性ポリマーの大気中での熱応答性を示す、反射率極小波長の変化（対時間）のグラフである。 図２１は実施例群IIの実施例１の測定結果を表すグラフである。 図２２は実施例群IIの実施例２の測定結果を表すグラフである。 図２３は実施例群IIの実施例３の測定結果を表すグラフである。 図２４は実施例群IIの実施例４の測定結果を表すグラフである。 図２５は実施例群IIの実施例５の測定結果を表すグラフである。 図２６は実施例群IIの実施例６の測定結果を表すグラフである。 図２７は実施例群IIの実施例７の測定結果を表すグラフである。 図２８は実施例群IIの実施例８の測定結果を表すグラフである。 図２９は実施例群IIの実施例９の測定結果を表すグラフである。 図３０は実施例群IIの実施例１０の測定結果を表すグラフである。
　－薄膜膜厚測定装置－
　本発明は一つの側面において、本発明の熱応答性分析方法に使用するために好適な薄膜膜厚測定装置を提供する。
　すなわち、本発明に係る薄膜膜厚測定装置は、センサーチップの表面に形成された分析対象薄膜について、熱分析を行うためのプログラム温度調節手段を備えることを特徴とする。このような装置を使用することにより、分析対象薄膜の厚さと共に、当該分析対象薄膜の各種の熱物性を測定することが可能である。
　より具体的には、たとえば、従来公知の薄膜膜厚測定装置に備えられている温度調節手段は温度を約１０～４０℃の範囲で調節することしかできないが、本発明における温度調節手段は、たとえば分析対象薄膜を形成する高分子素材のガラス転移温度を測定することができるよう、高温域（たとえば１００～２００℃）にまで温度調節することが可能なものであってもよい。また、プログラムによるコントロールを受けない一般的な温度調節手段では瞬時に温度が上昇、下降してしまうが、本発明のようにプログラム温度調節手段を用いることにより温度を制御する、すなわち所望の速度でゆっくりと（たとえば１０秒で１℃以下、好ましくは１０秒で０．５℃以下の速度で）温度を上昇、下降させることができる。さらに、各種の熱物性の測定を自動的に行えるよう、所定の時間に所定の温度に調節するための多段階のプログラムを備えていてもよい。
　なお、「薄膜」とは、薄膜膜厚測定装置の種類によって適切な範囲は変動しうるが、通常１ｎｍ～１００μｍ、好ましくは１０ｎｍ～１μｍ、より好ましくは１０ｎｍ～７００ｎｍの厚さを有する膜を指す。
　「薄膜膜厚測定装置」には、このような膜厚を測定することのできる公知の装置全般が包含される。代表的には、検出技術として反射型ＲＩｆＳ（反射干渉分光法）に基づく薄膜膜厚測定装置（分子間相互作用測定装置）が挙げられるが、それ以外にも、光干渉法に基づく薄膜膜厚測定装置（光干渉式膜厚計、反射分光膜厚計）や、分光エリプソメトリーに基づく薄膜膜厚測定装置（分光エリプソメーター）なども含まれる。しかしながら、水中での熱測定や表面粗さの大きい試料等を対象とすることは、光干渉式膜厚計（反射分光膜厚計）や分光エリプソメーターでは困難であり、大気中、水中両方で高精度に、またリアルタイムで熱分析を行うことができるという観点から、ＲＩｆＳが特に好ましい。
　（ＲＩｆＳに準じた態様）
　本発明に係る薄膜膜厚測定装置は、従来の反射型ＲＩｆＳ（反射干渉分光法）を用いる分子間相互作用測定装置を基礎として作製することができるが、特に温度調節手段等の熱分析に関する構成について改良がなされている。反射型ＲＩｆＳに準じた態様の本発明に係る薄膜膜厚測定装置の一実施形態の概要を図１に示す。
　測定装置１は、主に、測定部材１０，白色光源２０，分光器３０，光伝達部４０，制御装置５０，温度調節器１００などから構成されている。
　測定部材１０は、少なくとも基板１２ａと、その上に形成された光学薄膜１２ｂを含む、センサーチップ１２を基本として構成される。
　基板１２ａは、一般的には矩形で、たとえばＳｉ（シリコン）製が好ましく、光学薄膜１２ｂはたとえばＳｉＮ（窒化シリコン）製が好ましい。
　光学薄膜１２ｂの上層にはさらに、分析対象薄膜１６が形成されている。分析対象薄膜１６は、光学薄膜１２ｂの上層全てに形成されていても、一部に形成されていてもよい。分析対象薄膜１６が形成されている部位が測定部２００となる。
　分析対象薄膜１６は、あらかじめ光学薄膜１２ｂ上に成膜されていてもよいし、密閉流路１４ｂ内で合成ないし形成できるものである場合には、フローセル１４によって構築される密閉流路１４ｂに原材料を送液し、分析時にセンサーチップ上に成膜するようにすることも可能である。
　また、液中での熱分析を行うために測定部２００を液体に浸漬させる必要がある場合にも、フローセル１４を用いて密閉流路を形成することができる（図１はこの態様を示す）。大気中での熱分析を行う場合には、フローセル１４は用いなくてもよい。
　フローセル１４は、たとえばシリコーンゴム（ポリジメチルシロキサン：ＰＤＭＳ）製の、透明な部材である。フローセル１４はセンサーチップ１２に対して貼り替え可能となっており、ディスポーザブル（使い捨て）使用が可能となっている。フローセル１４には溝１４ａが形成されている。フローセル１４をセンサーチップ１２に密着させると、密閉流路１４ｂが形成される。溝１４ａの両端部はフローセル１４の表面から露出しており、一方の端部が送液部に接続されて各種液体６０が供給される流入口１４ｃとして機能し、他方の端部は廃液部に接続されて各種液体６０の流出口１４ｄとして機能するようになっている。
　光伝達部４０は、白色光源２０からの白色光を測定部２００に導くための第一の光伝達経路としての第一の光ファイバ４１と、第一の光ファイバ４１からの白色光の照射による反射光を測定部２００から分光器３０に導くための第二の光伝達経路としての第二の光ファイバ４２とを備えている。第一の光ファイバ４１の白色光源２０側の端部は、当該白色光源２０の接続ポートに接続されている。接続ポートに接続された光ファイバ４１は光入射端面がハロゲンランプ２１に対向するように配置されている。第二の光ファイバ４２の分光器３０側の端部は、当該分光器３０の受光を行う接続ポートに接続されている。
　上記各光ファイバ４１，４２は、いずれも微細ファイバを束ねた構造となっている。そして、第一の光ファイバ４１と第二の光ファイバ４２のフローセル１４側の端部は、各々の微細ファイバが一つの束となるように複合的に寄り合わされている。即ち、第一の光ファイバ４１を構成する微細ファイバは、フローセル１４側の端面において中央に分布し、第二の光ファイバ４２を構成する微細ファイバは第一の光ファイバ４１の微細ファイバの束を取り囲むようにその周囲に分布している。
　白色光源２０は、ハロゲンランプと、これを格納する筐体とから構成されている。筐体には、第一の光ファイバ４１を接続するための接続ポートが設けられている。なお、本実施形態では白色光源を用いているが、これに限られるものではなく、後述する反射率極小波長の変化が検出でき得る波長域にわたって分布する光を発光する光源であればよい。
　白色光源２０が点灯すると、その白色光が第一の光ファイバ４１を介して測定部２００に照射され、その反射光が光ファイバ４２を介して分光器３０に導かれる。この分光器３０は、受光部で受光する光に含まれる一定の波長間隔ごとの光について光強度を検出し、分光強度として制御装置５０に出力する。
　なお、本実施形態においては、測定部材１０からの反射光を分光器３０で受光するようにしているが、測定部材１０として光透過性のものを用いて、白色光源２０からの光を測定部材１０に照射し、測定部材１０を透過してきた光を受光するように分光器３０を配置し、透過光の分光強度を検出するよう変形することも可能である。
　制御装置５０は、例えばＰＣ（Personal Computer）から構成され、オペレータから分析動作の実行の入力を受け付けて、測定装置１０への分析動作制御の実行指令を出力する。これにより、制御装置５０は、制御部として機能する。
　また、制御装置５０は演算部としても機能する。制御装置５０は、分光器３０から測定光の分光強度のデータを取得し、各波長帯域ごとに、測定光の分光強度を基準となる白色光の分光強度で除して反射率を算出する。基準光の分光強度データは、あらかじめ装置組み立て調整時に測定して保有していたものでもよいし、その他の手段によりたとえば測定の都度取得したものでもよい。算出された反射率に基づき反射スペクトルが作成され、反射率極小波長が決定される。
　反射スペクトルの波形は、通常、微小な凹凸が繰り返されるような不規則な形状を呈しており、反射率極小波長を算出・特定するのが困難な状態となっている場合があるが、たとえば、公知の手法を用いて反射スペクトルを高次関数で近似することにより波形を滑らかにし、高次多項式からその解（最小値）を求めて、これを反射率極小波長の値として特定することができる。
　マイコンは、制御装置５０の制御指令に応じて白色光源２０の点灯と消灯を切り換える制御を行ったり、制御装置５０の設定温度指令に応じて温度制御を行ったりする。
　温度調節手段（システム）は、例えば、ペルチェ素子、冷却ファンのような加温と冷却を行う温度調節部材１１０と、サーミスタのような温度センサー１２０とを備え、これらは測定部材１０に併設（当接）される。そして、制御装置５０が、温度調節器１００を通じて温度センサー１２０により測定部材１０の温度を計測し、温度調節部材１１０による加温又は冷却によって、設定温度となるように温度制御を実行する。さらに、温度調節器１００は、加温又は冷却の温度および時間のパターンをプログラム制御する電子回路（マイコン）を備える。上記パターンを上記電子回路にプログラムする入力手段や、入力を確認できる表示手段は、温度調節器１００が備えていてもよいし、制御装置５０に機能が統合されていてもよい。
　検出を行う際には予め測定部材１０の暖機が行われる。即ち、制御装置５０は、予め定めた設定温度となるようマイコンに指令を送り、マイコンは温度調節手段による温度制御を実行する。暖機により測定部材１０の温度が安定してから、分析を始める。
　つづいて、温度調節手段は、目的とする熱分析に応じて、測定部２００が所定の時間に、所定の温度となるよう温度制御を実行する。この温度制御は、予めプログラムによって自動的に実行されるように設定されている。
　このような本発明に係る熱分析を行うために好適なプログラム温度調節手段は、次のような従来の熱分析用装置に用いられていた検出部、温度制御部、データ記録部などの各部材を応用して構成することができる。
・検出部：ヒーター、試料設置部、検出器（センサー）を備えた部分で、試料をヒーターにより加熱冷却すると共に、試料の温度と物理的性質を検出する。
・温度制御部：ヒーターの温度制御を行う部分で、設定されたプログラムに従ってヒーターの温度を制御する。
・データ記録部：検出器と温度センサーからの信号を入力して記録する部分で、データ記録から解析までの処理を行う。
　温度制御及びデータの記録、解析までは全てコンピュータで行えるようになっている。検出部のセンサーとヒーターの組み合わせにより、様々な種類の測定が行うことができ、さらに１台のコンピュータに複数種の検出部を接続できるように構成されている。
　本発明に係る薄膜膜厚測定装置においては、上記検出部の機能は測定部２００に統合し、上記温度制御部およびデータ記録部の機能は制御装置５０およびマイコンに統合することができる。
　以下、本発明に係る熱応答性測定方法を実施する上で好適な温度調節手段（システム）の実施形態の一例を記載する。
　この実施形態の概要は次の通りである：（１）事前に設定した「時間」および「設定温度」の計画を温度調節プログラムに読み込み、（２）温度調節器および薄膜膜厚測定装置（センサーチップ）に設置された温度センサーから、Ａ／Ｄ変換により入力、温度変換し、（３）計測された温度と温度調節プログラムの設定温度との差分を算出して、温度調節部材（ペルチェ素子、冷却ファン等）を駆動して温度調節部材の温度を制御する。
　温度設定の制御は精密に行えたほうがよいが、たとえば以下のような構成とすることは、分解能０．１℃で制御することが可能であるため好ましい。なお、動作を安定化させるため、１℃の変化（昇温または降温）に１０秒以上の時間をかけるようにすることが好ましい。
　温度センサーからのＡ／Ｄ値取り込みは、たとえば、入力対象を２種（温度調節器および薄膜膜厚測定装置（センサーチップ））とし、分解能を約０．０５℃（０～５０℃／１０ｂｉｔ）、サンプリング周期を１秒とし、平均処理を、１０回連続で取り込み、最大および最小を除いた８回の平均値を算出するようにすることが好ましい。
　温度変換は、Ａ／Ｄ値（ａｄ）から温度（ｔ）への変換処理を所定の変換式（多項式）を用いて行う。温度センサーとして一般的なサーミスタは非線形であるため、多項式を用いて補完することが適切である。
　実温調整は、たとえば、出荷時調整工程において、校正された温度測定機にて測定した実温とファームが温度センサーより取り込んだ温度の差を使用して、測定時設定温度の標準（たとえば２５℃）にてオフセット値（ｃ）を求め、次いで上限（たとえば４０℃）、下限（たとえば１５℃）にて傾き（ｋ）を求め、次式により前述した温度変換で求めた温度（ｔ）を補正することにより行う：
　温度（ｔ’）＝温度（ｔ）×傾き（ｋ）／１０００＋オフセット（ｃ）。
　加熱／冷却度合い（％）の算出は、たとえば、サンプリング方式（離散値）に適したＰＩＤ演算方式とし、３つのＰＩＤ制御パラメータ（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄ）によりチューニングする。基本式は次の通りである。
　偏差＝目標値－実測値
　操作量＝Ｋｐ×偏差＋Ｋｉ×偏差の累積値＋Ｋｄ×前回偏差との差
　ＰＩＤ制御パラメータの求め方（ステップ応答法）は、たとえば次のようにして行う。
　まず、制御系の入力にステップ信号を加える。その出力結果は、たとえば図２に示すようなものとなる。続いて、図３に示すように、出力結果の立ち上がり曲線に接線を引き、それと軸との交点、定常値の任意設定％（例えば６３％）になった所の２点から、Ｌ：無駄時間、Ｔ：時定数、Ｋ：定常値の３つの値を求める。これらの値から、各パラメータを下表のように求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ＰＩＤパラメータによる特性の違いは、たとえば図４に示すようなものとなる。
　加熱／冷却の駆動は、たとえば、温度調節部材（たとえばペルチェ素子）の駆動回路の加熱信号または冷却信号に対してＰＷＭ出力を行い、当該駆動回路はフォトカプラにてアイソレーションされる（デューティ：０～１００％、周波数：１ｋＨｚ固定）ようにする。
　制御装置５０は、測定を継続するか判定を行い、継続しない場合には処理を終了する。かかる判定は、例えば、予め測定時間が設定され、当該測定時間が経過したか否かを判定してもよいし、測定の終了の入力を受けるまで測定を継続する設定として、測定終了の入力の有無を判定してもよい。測定を継続する場合には、再び、分光強度の測定が実行される。本発明では、少なくとも２つの温度においてセンサーチップの表面に形成された分析対象薄膜に関するデータ（たとえばＲＩｆＳでは反射率極小波長）を取得するよう、測定を繰り返す。制御装置５０は、周期的に反射率の算出、反射スペクトルの作成および反射率極小波長の決定を行い、その時系列的な変化を記録する。これにより、温度に対する膜厚変化を測定することができる。
　－センサーチップ－
　（ＲＩｆＳに準じた態様）
　ＲＩｆＳに準じた測定装置を用いる分析の際には、センサーチップとして、公知のＲＩｆＳ用センサーチップと同様の構造、典型的には基板と、その上に形成された光学薄膜とからなる積層構造を有するものが使用される。本発明では、上記光学薄膜の上にさらに、分析対象薄膜が積層される。
　基板および光学薄膜は、白色光を用いたときに観測される反射率極小波長が適切な範囲となるような屈折率および厚みを有する材質で形成される。たとえば、基板はＳｉ製、光学薄膜はその上に蒸着されたＳｉＮ製とすることが好ましい。ＳｉＮの屈折率は可視光領域の波長約４００から８００ｎｍの範囲において約２．０～２．５であり、ＳｉＮの膜厚を約４５～９０ｎｍとすることにより、反射率極小波長をおよそ４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲に調節することができる。上記光学薄膜は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2またはＴｉ2Ｏ5製とすることもできる。
　本発明における分析対象薄膜は、膜厚測定方法を適切に行える薄膜であれば特に限定されるものではないが、たとえば、被膜形成性の固体もしくは液体により形成される薄膜；センサーチップの表面に固着可能な固体、液体もしくは気体により形成される薄膜；またはセンサーチップ上に形成された流路内に溶解もしくは浮遊する物質により形成される薄膜が挙げられる。
　このうち「被膜形成性の固体」としては、疎水性ポリマー、親水性ポリマー、水溶性ポリマー、生体材料、機能性材料などの合成もしくは天然のポリマーが挙げられるが、有機低分子化合物や無機化合物も含まれる。また、センサーチップの表面に固着可能な固体としては、微粒子状や単分子状の化合物であって、分子間相互作用などによりセンサーチップの表面に固着しすることができる物質が含まれる。
　分析対象薄膜の形成方法も特に限定されるものではない。たとえば、樹脂状の高分子材料であれば、合成後、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング等、公知の手法を用いてセンサーチップ１２の表面に塗布すればよい。また、タンパク質、核酸等の生体関連物質からなる薄膜であれば、抗原抗体反応やＤＮＡハイブリダイゼーションなど、ＲＩｆＳ用のセンサーチップについて公知の手法を用いて、それらの生体関連物質を捕捉する物質をセンサーチップの表面に備えておくことなどにより、成膜することも可能である。さらに、シランカップリング剤を用いた処理などにより、無修飾のセンサーチップの表面に反応性官能基（アミノ基、カルボキシル基等）を導入し、高分子材料が有する官能基との反応により、当該高分子材料からなる薄膜を形成するようにしてもよい。このような官能基同士の反応のかわりに、分子間相互作用や静電吸着により高分子材料からなる薄膜を形成してもよい。あるいは、無修飾のセンサーチップの表面に光、熱などにより重合可能なモノマーを導入し、グラフト重合させることにより、当該高分子材料からなる薄膜を形成することもできる。その他、キャスト製法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）等、公知の成膜技術を用いることができる。
　なお、本発明において、ＲＩｆＳ用のセンサーチップとして最小限の構成、基本的にはＳｉからなる基板およびＳｉＮからなる光学薄膜だけで構成されるセンサーチップを「無修飾センサーチップ」と称する。また、このような無修飾センサーチップと、無修飾センサーチップに分析対象薄膜を形成するための前処理（たとえば前述したようなシランカップリング剤による処理）までが施された、分析対象薄膜を形成する前の段階のセンサーチップをあわせて「リファレンスセンサーチップ」と称する。一方、表面に分析対象薄膜が形成されたセンサーチップを「分析対象センサーチップ」と称する。
　－熱応答性測定方法－
　本発明は一つの側面において、薄膜膜厚測定装置を使用し、各種の熱応答性に関する分析を行うことのできる、熱応答性測定方法を提供する。
　本発明に係る熱応答性測定方法は、具体的には、薄膜膜厚測定装置を使用し、表面に分析対象薄膜が形成されたセンサーチップ（分析対象センサーチップ）について、少なくとも２つの温度において当該分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程（測定工程）、および当該分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を算出する工程（膜厚算出工程）を含む。
　（測定工程）
　測定工程では、少なくとも２つの温度において分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定すればよいが、好ましくは、連続的に昇温および／または降温をかけるパターン、階段状に昇温および／または降温をかけるパターン、またはこれらの混合のパターンの温度プロファイルにおいて、多数の温度におけるデータを測定するようにする。各パターンにおいて、分析の目的に応じて、昇温または降温の一方のみであってもよいし、昇温後に降温させるまたは降温後に昇温させるなど往復させてもよい。「連続的に」とは一定の速度で緩やかに温度を変化させ続けることであり、「階段状に」とは短時間の内に一定幅の昇温または降温を行った後に一定時間温度を変化させないことを繰り返すことである。たとえば、温度変化が速すぎると分析対象薄膜の膜厚変化が観察できないようなときに、階段状に温度を変化させることで適切な分析が行えるようになる場合がある。
　前記パターンにおける昇温および／または降温の速度は、熱応答性の分析の目的などに応じて適宜調整することができるが、１℃あたり１０～３６００秒の速度であることが好ましい。温度変化が速すぎると、熱エネルギーが膜厚変化以外の振動等に消費されてしまうなどの理由により、分析対象薄膜の膜厚変化が観察できない場合がある。
　また、熱応答性の分析の目的などに応じて、昇温または降温させた後、それと反対に降温または昇温させて元の温度まで戻すように、昇温および降温をサイクルさせるようにしてもよい。また、このようなサイクルを１回だけでなく複数回、たとえば２～１００サイクル繰り返すようにしてもよい。
　このような熱応答性測定方法、特に上述したような温度プロファイルを含む測定工程は、自動的に精密な測定温度の調節が行える、本発明に係るプログラム温度調節手段を備える薄膜膜厚測定装置を使用して実施することが好適である。ただし、本発明はそのような実施形態に限定されるものではなく、少なくとも２つの温度において分析対象薄膜の膜厚に関するデータを取得する手段を備える限り、その他の薄膜膜厚測定装置を使用して実施することも可能である。
　（膜厚算出工程）
　測定工程において測定されたデータ（Δλなど）は、所定の換算式に基づいて各温度における膜厚に換算することができる。このようにして求められる、分析対象薄膜の各温度における膜厚や、温度に対する膜厚変化の様子は、各種の熱応答性分析のために利用することができる。
　・ボトムピーク法
　ＲＩｆＳに準じた態様において、一般的にはまず、測定工程において、表面に分析対象薄膜が形成されていないセンサーチップの反射率極小波長（ボトムピーク）（λ'）を基準とし、表面に分析対象薄膜が形成されているセンサーチップの反射率極小波長（λ）との差（Δλ）などとして、分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定する。
　なお、各温度におけるΔλ（Δλ0，Δλ1，Δλ2・・・, Δλn・・・）は、ある１点の温度におけるλ'（λ'0）と、各温度におけるλ（λ0，λ1，λ2・・・,λn・・・）を対比させたときの差（λ0－λ'0，λ1－λ'1，λ2－λ'2・・・, λn－λ'n・・・）として求められる。
　続いて、測定されたΔλに基づき、分析対象薄膜の膜厚を算出する。分析対象薄膜の膜厚の算出方法は特に限定されるものではなく、要求される精度に応じて、一般的な方法や、それに改良を加えた改良法を用いることができる。
　たとえば、簡易的には、下記換算式によりΔλからｄを算出することができる：
　ｄ＝Δλ／２ｎ
　ここで、ｎは分析対象薄膜の屈折率であり、通常、１．４～１．６程度の範囲になる。
　また、膜厚の算出精度をより高めたい場合は、たとえば、次のようなシミュレーションを利用して、測定されたΔλから膜厚を算出するようにしてもよい。
　ここで、前記λおよびΔλの測定値そのものからｄを算出することができるのは、λが４００～８００ｎｍの範囲にある場合、換算するとｄが約１００ｎｍ以下の場合に限られる。ｄが約１００ｎｍ以上の場合、測定されるλ（Δλ）には周期性が表れる（振動する）。すなわち、λは、８００ｎｍを超える範囲に表れると予測される反射率極小波長ではなく、４００～８００ｎｍの範囲に表れる別の反射率極小波長として測定される。このようなことから、ｄが約１００ｎｍ以下の場合と、約１００ｎｍ以上の場合とでは、次のような異なる方法によりｄを算出することが適切である。
　まず、ｄが約１００ｎｍ以下の場合、ｄとΔλの関係における周期性を考慮する必要はなく、Δλ／ｄ＝ａｎ＋ｂという一次の近似式が成り立つ。そこで、あらかじめｎおよびｄが既知のサンプルについてのΔλを何点か測定し、ｎおよびΔλ／ｄのプロットからΔλ／ｄ＝ａｎ＋ｂで表される回帰式を取得しておくことにより、同じ測定系においては、ｄ＝Δλ／（ａｎ＋ｂ）の換算式に測定されたΔλを当てはめる、換言すれば、１／（ａｎ＋ｂ）を「換算係数」として、測定値Δλに当該換算係数を乗ずることで、ｄを算出することができる。なお、測定が大気中（Dry系）で行われるか水中（Wet系）で行われるかによって、上記回帰式（ａおよびｂの値）は異なる。
　一方、ｄが約１００ｎｍ以上の場合、ｄとΔλの関係における周期性を考慮する必要がある。したがって、測定されるλが何周期目に該当するのかという情報を別途取得し（たとえば、分析対象薄膜の形成条件などから推定されるおおよその膜厚に基づき取得する）、それによって正しい膜厚を反映させるために加算すべきΔλ（加算Δλ値）を決定する必要がある。そして、測定されたΔλにその加算Δλ値を加えて得られる補正値を用いて、前記と同様の方法で取得した換算式に基づき、ｄを算出することが適切である。
　周期性の境界は以下の様に定める。すなわち、（１）周期を決定する、（２）周期性と屈折率を元に膜厚換算係数（係数×屈折率－調整項）を算出した後、Δλの値を当該膜厚換算係数で割って膜厚値を求める、（３）２周期目以降の場合は膜厚加算値を加算した値を膜厚値とする。膜厚の変異量も前記膜厚換算係数を用いて同様に計算する。物質そのものの膜厚値、変化量を見るためには、予めリファレンス（例えば修飾前のセンサーチップ）のλ値を引く必要があるが、周期が同一でない場合は測定値への影響は少ないので引く必要はない。
　・ｃＯＰＬ法
　また、次のような、反射率の変化量を利用した光路長（ｃＯＰＬ）を用いる算出方法もある。光路長の変化に対する反射率曲線の（複数の）極値位置の波長シフトの関係を予めシミュレーションし、それを数学的に処理してテンプレートを作成しておく。そして、実測された反射率曲線の極値位置の波長をそのテンプレートに照らすと、近似的に分析対象薄膜の光路長が得られる。このようにして得られるｃＯＰＬは、大気中、水中の光路長（＝屈折率ｎ×膜厚ｄ）を表しているので、ｃＯＰＬを分析対象薄膜の屈折率ｎで割ることで、分析対象薄膜の厚さｄを直接的に算出することができる。分析対象薄膜そのものの膜厚値、変化量を見るためには、予めリファレンス（例えば修飾前のセンサーチップ）のｃＯＰLを引く必要がある。
　（センサーチップの伸縮に関する補正）
　センサーチップ上に分析対象薄膜を形成してその熱応答分析を行う際、センサーチップ（Ｓｉ／ＳｉＮ）自体も、温度差３０℃の間でΔλが０．５ｎｍ変化する程度の伸縮を起こす。この伸縮は、ＳｉＮの膜厚変動値としては１Å以下であるが、ＲＩｆＳ方式が超高感度であるためにΔλの測定値に影響を及ぼす。
　また、熱応答分析の時間が経過するにつれて、たとえば所定の２点の温度（ピークおよびボトム）の間を変動させるサイクルを繰り返す際に、Δλのピークおよびボトムが初回のサイクルから変化し、温度がピークおよびボトムに達する時間とΔλがピークおよびボトムに達する時間とがずれることもある。
　したがって、分析対象薄膜の膜厚測定の精度を高めるためには、上述したような影響を極力排除できるよう、前記測定工程の後にさらに、無修飾センサーチップまたは分析対象薄膜を形成する前の段階のセンサーチップ（リファレンスセンサーチップ）について同様の条件により取得したデータを用いる、下記（１）、（２）またはこれらの両方の方法により、前記分析対象センサーチップについて得られたデータを補正する工程を行うことが好ましい：
　（１）データを取得する温度を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法；
　（２）データを取得する時間を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法。
　なお、前述したボトムピーク法ではΔλの測定値に周期性が表れるが、センサーチップの伸縮は、１周期目のΔλの測定値には一定の影響を及ぼすが、２周期目以降のΔλの測定値に及ぼす影響は小さく無視することができる。したがって、上記の補正は、Δλが１周期目（分析対象薄膜の膜厚が約１００ｎｍ以下）の場合にのみ適用すればよい。
　以上のようにして、熱分析の間、少なくとも２つ、通常はそれより多くの温度（Ｔ0，Ｔ1，Ｔ2・・・,Ｔn・・・）において、センサーチップの表面に形成された分析対象薄膜の膜厚に関するデータ（Δλ0，Δλ1，Δλ2・・・, Δλn・・・など）を取得し、その膜厚（ｄ0,ｄ1,ｄ2・・・,ｄn・・・）を算出することにより、分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を測定することができる。
　（分析内容）
　本発明では、上述したような膜厚算出工程により得られたデータに基づき、熱応答性に関する各種の物性値を算出やその解析を行うことができる。
　特に、本発明の測定法は、熱運動（熱の伝搬、振動、回転、並進等の分子運動で熱エネルギーを消費する運動で、例えばTMAによる線膨張係数が測定手段としてある）、構造変化（膜収縮、膨張、相転移等、膜構造の変化に伴い吸熱、発熱を測定するDSCで測定する方法がある）、更に従来できなかった水和挙動を同時に測定し、適切なリファレンス、測定条件を取ることで各々の因子分離が可能な測定方法である。また、熱膨張と水和を含めたトータルの熱安定性、熱膨張性、高湿化、水中での挙動、更に水中の電解質との相互作用等が定量化できる。
　本発明に基づく熱応答性に関する分析内容は特に限定されるものではないが、たとえば以下の各項目を測定データから容易に取り出し、解析することが可能である。
　１．熱膨張と水和
　以下の様に膜厚と測定条件、膜質（膜の性質、均一性等）との関係で測定値の意味づけが異なる。厚膜では物質の熱膨張が観察される、一方薄膜では、表面積が相対的に大きくなるため、湿度が高いと水和が観察されやすい。水中では、親水的な膜では親水性の影響が出るが、疎水的な膜では表面が水で覆われて安定化するため低湿化の測定に近い結果が得られる。水中測定において水和が進行する物質であっても長時間測定することで水和構造の変化率を測定し、水和速度に換算することが可能である。水和の中には湿度に依存し温度変化で容易に外れる水があり、これを吸湿と関連付けることができる、また熱サイクルの中でも外れない水があり、膜表面ではなく内部に入り込んでいる水と考えて吸水と区別して取り扱っている。以上の微細な水分子の動きが本発明の熱応答性測定から解析できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　２．構造変化
　測定温度範囲内に相転移点（Tg、Tm、LCST等）を有する物質では、膜厚に関わらず温度に応じて変異点が求まる。大気中、水中、電解質溶液中の比較では、水和、電解質との相互作用があり、相転移点前後の挙動が異なる。
　３．ヒステリシス
　下限と上限の温度によりΔλの幅ができる。高温(低湿)から冷やす場合と、低温（高湿）から上げる場合と途中の熱膨張または水和構造が異なっている。任意に設定可能だが、ここでは、25℃のΔλの幅で表す。また、熱サイクルを繰り返すことにより、サイクル安定性を求めることができる。
　４．熱膨張と熱収縮
　熱サイクルを繰り返すことで、徐々にΔλ（膜厚の関数）が上昇する場合、熱膨張、サイクルごとにΔλ（膜厚の関数）が低下する場合、熱収縮とみなすことができる。
　５．非対称性
　ヒステリシスに由来するが低温と高温とで同じ温度幅であっても伸縮量が異なる場合があり、ここでは、高温側のΔλから低温のΔλを引いている。内部構造が均一でない場合に出やすい。
　６．遅延
　例えば、10℃－40℃のサイクルにおいて本来熱応答は10℃で最も縮んで、40℃で最も伸びるが、熱伝搬がスムースにいかない場合、最少膜厚、最大膜厚が温度の最少、最大と時間的にずれることがある。ここでは、ずれ時間で表記する。オーバーシュートした熱膨張が通常の熱サイクルに戻る挙動を熱緩和と呼ぶ。遅延、および熱緩和は加熱速度に依存するので、より微細な変化を見るには昇温、降温速度を遅くすればよい。
　以下の実施例において、ＲＩｆＳ方式の分子間相互作用測定装置として「ＭＩ－Ａｆｆｉｎｉｔｙ」（登録商標、コニカミノルタオプティクス株式会社）を使用し、無修飾のセンサーチップとして、上記「ＭＩ－Ａｆｆｉｎｉｔｙ」専用のセンサーチップ（Ｓｉ，厚さ１ｍｍ／ＳｉＮ，厚さ６６ｎｍ）を使用した。
　－実施例群Ｉ－
　（サンプル調整）
　無修飾のセンサーチップ上に表３で示したように各種ポリマーをスピンコーターで塗布し、７０℃で３０分間加熱乾燥を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　（熱膨張度の測定）
　プログラム温度調整機能で温度を５℃ずつ変化させながら膜厚の変化を測定し、熱膨張率を温度に対する膜厚の変化量として計算した。表４において各膜厚は理論シミュレーションに実測値を勘案してΔλの値を係数２で割って求めた。比較２として、プログラム温度コントローラーがない「Mi-Affinity」の温調システムで熱応答性を測定した。膜厚計算において、大気中と水中では計算のベースが異なる、また100nm以上の膜厚では周期性が出るので一様な処理では膜厚は求まらないので、別途理論計算から求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　（結果の考察）
　表４から明らかな様に、機能性のないポリスチレンは低温で膜厚が収縮し、高温で膜厚が膨張する典型的な熱膨張率を示した。測定した試料の膜厚は従来測定不可能であったサブミクロンの膜厚であり、従来測定不可能であったサブオングストロームの膜厚変動が測定可能であることが分かる。本測定に用いたＲＩｆＳ測定装置のノイズレベルとシグナルレベルの検証の結果分解能は０．２オングストロームであることを確認した。また、大気中、水中両方でヒステリシスがなく大差のない熱応答挙動を示していることが確認できた。一方、水溶性の大きいカチオン性ポリマーのNo.3及びアニオン性ポリマーのNo.4は、低温で膜厚が増加し、高温で膜厚が低下する性質を有しており、ポリスチレンと逆の動きをすることが確認できた。また、大気中と水中とで挙動が大きく異なっている。水中のデータでは水和構造の変化を反映したものとなっている。水中におけるカチオン性ポリマーは高温側で水和構造の変化に伴う不可逆的な収縮を起こしていることが分かる。また、プログラム温調を行わない比較例２では温度変化が急速に起こるため、温度ストレスや過剰なエネルギー放出に対応する緩和現象が見られており、正しい熱応答性は測定できないことが分かる。以上のように、本発明の測定方法、およびプログラム温度調整機構を有するＲＩｆＳ装置で熱応答性を測定することで従来になかった精度で薄膜の熱膨張、相転移、水和構造が高精度で測定できることが分かる。また、水中の変化は水和構造に大きく依存しているので、大気中の測定と比較することで熱応答性と水和構造の影響が分離して測定可能な有益な測定方法であることが分かる。
　－実施例群II－
　（試料作製）
　以下の試料（分析対象センサーチップ）の作製では、サンプルとして表５に示した膜形成材料を用いて、同表中の「成膜方法」に従って分析対象薄膜を形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　（１）溶剤塗布
　表６に従って膜形成材料調製液を調製した。すなわち、前記表５に示した各膜形成材料（サンプル番号１～１４）を秤量し、サンプルチューブに入れ、更に溶解性の溶剤を適宜秤量し4.5wt%の溶解液を調製した。得られた4.5wt%の溶解液を更に溶剤で希釈して、各1.5wt%、0.5wt%の溶液を調製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　続いて、スピンコーターに無修飾のセンサーチップ（ベア基板）を真空下でセットし、前工程で調製済みの膜形成材料調製液を約300μL注液した後、3000rpmで1分間、回転塗布を行った。塗布後、ポリマー（サンプル番号１～１２）については110℃で1時間、TPG（サンプル番号１３）およびNC21（サンプル番号１４）は80℃30分間、電気オーブンを用いて乾燥し、目的とする分析対象センサーチップを得た。形成された分析対象薄膜の厚さはエリプソ測定装置「VASE」（ウーラム社製）で測定した。結果を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　（２）熱プレス
　前記表５に示した各膜形成材料（番号１５～１７）の樹脂ペレットを剥離シートに挟み、小型熱プレス機（As one:1-6002-02）を用いて260℃でポリマーを加熱溶融して、１～3mm厚程度のフィルムを作製した。
　続いて、前記小型熱プレス機に厚さ1cmのシリコーンゴムを敷き、その上に無修飾のセンサーチップ（ベア基板）をセットした。前記フィルムをセンサーチップの大きさにカットして載せ、更にその上にガラス製プレパラートを載せて、260℃で加熱しながら圧力をかけて加熱溶融し、RIfS測定に適した1μm以下の厚さに成型した。ゆっくりと温度を降下させた後、ガラス製プレパラートを剥離して、目的とする分析対象センサーチップを得た。形成された分析対象薄膜の厚さはエリプソ測定装置「VASE」（ウーラム社製）で測定した。結果を表８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　（３）アミンカップリング
　以下のアミンカップリングに関する工程は表９に従って行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　（３－１）シランカップリング剤による処理
　（ａ）アミノ化センサーチップ
　95%エタノール水溶液10mLに3-Aminopropyltrimethoxysilaneを100μL添加し、室温で1時間攪拌した。得られたシランカップリング剤の中に、無修飾のセンサーチップを室温で1時間浸漬し、水素結合的にシランカップリング剤を吸着させた。センサーチップを引き上げ、エタノール、超純水で順次洗浄後、窒素ブローにより乾燥させ、乾熱機にて80℃、1時間脱水縮合させることにより、アミノ化センサーチップ（アミノ基基板）を作製した。
　（ｂ）カルボキシル化センサーチップ
　超純水10mLにTriethoxysilylpropylmaleamic acidを100μL、酢酸を100μL添加し、室温で1時間攪拌した。得られたシランカップリング剤の中に、無修飾のセンサーチップを室温で1時間浸漬し、水素結合的にシランカップリング剤を吸着させた。センサーチップを引き上げ、エタノール、超純水で順次洗浄後、窒素ブローにより乾燥させ、乾熱機にて80℃、1時間脱水縮合させることにより、カルボキシル化センサーチップ（カルボキシル基基板）を作製した。
　（３－２）水和性ポリマーの固着
　（ａ）アミノ化センサーチップへの固着
　NHS（Ｎ－ヒドロキシコハク酸イミド）とWSC（水溶性カルボジイミド）とを、それぞれ50mMおよび200mMの濃度で含有する水溶液を25mM MESバッファー（pH5.0）を用いて調製した。得られた水溶液に、前記表５に示した各膜形成材料（番号１８～２０）を10mM（濃度5wt%）となるよう添加し、30分間撹拌後、前記アミノ化センサーチップを室温で20分間、攪拌しながら浸漬した。その後、センサーチップを引き上げ、超純水で洗浄した。化学結合に利用されていない活性エステルを加水分解するために1/10既定の苛性ソーダ水溶液中に前記反応後のセンサーチップを10分間浸漬した。希塩酸で中和後、更に超純水洗浄、乾燥を行い、目的とする分析対象センサーチップを得た。
　（ｂ）カルボキシル化センサーチップへの固着
　NHS（Ｎ－ヒドロキシコハク酸イミド）とWSC（水溶性カルボジイミド）とを、それぞれ50mMおよび200mMの濃度で含有する水溶液を25mM MESバッファー（pH5.0）を用いて調製した。得られた水溶液に、前記アミノ化センサーチップを室温で20分間、攪拌しながら浸漬した。その後、センサーチップを引き上げ、超純水で洗浄した。続いて、前記表５に示した各膜形成材料（番号２１～２５）を5wt%の濃度で含有する水溶液を、10mM Acetateバッファー（pH6.0）を用いて調製した。得られた水溶液に、前記活性エステル化工程で作製したセンサーチップを室温で4時間、攪拌しながら浸漬した。その後、センサーチップを引き上げ、超純水で洗浄し、目的とする分析対象センサーチップを得た。
　上記（ａ）および（ｂ）で形成された分析対象薄膜の厚さはエリプソ測定装置「VASE」（ウーラム社製）で測定した。結果を表１０に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　（４）グラフト重合
　以下のグラフト重合に関する工程は表１１に従って行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　3-メタクロイルプロピルトリエトキシシシラン（信越シリコーン社製）を1g秤量し、19mlのエタノールで溶解し、室温で1時間攪拌して、加水分解を進行させた。この溶液に無修飾のセンサーチップ（ベア基板）を浸積し、室温で１時間シランカップリング反応を行った。反応後、電気オーブンで８０℃、１時間乾燥させて成膜し、モノマー固着基板を作製した。
　続いて、イソプロパノール中に前記表５に示した各モノマー（番号２６～２８）を10wt%、重合開始剤「イルガキュア2959」(長瀬産業社製)を当該モノマーの1/100モル%を含有する溶液（モノマー反応液）を調製した。得られたモノマー反応液を前記工程で作製したモノマー固着基板に塗布し、キセノンランプを照射して光共重合反応を行い、目的とする分析対象センサーチップを得た。形成された分析対象薄膜の厚さはエリプソ測定装置「VASE」（ウーラム社製）で測定した。結果を表１２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　（５）SiO2
　SiO2蒸着品は業者に依頼して作成した。SiO2コートはポリシラザン系コーティング剤「アクアミカNAX120」を2%に希釈し、前記スピンコーターを用いて、調製液を約300μL注液した後、3000rpmで1分間、回転塗布を行った。塗布後、80℃で8時間乾燥を行い、シリカ転化させSiO2コートサンプルを作製した。結果を表１３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　（熱応答性の測定）
　本発明の加熱サイクルにおいては任意に昇温、降温速度、サイクル数を設定可能であるが、下記実施例では1℃当たり15秒の昇温、降温速度で3サイクル行った。
　［実施例１］
疎水性ポリマー(PS１-3、PS2-3、PSC2、PSC3)の線膨張係数測定
　測定条件として、大気中の湿度違い（20℃10%、20℃50%）2条件、およびRIfSでしかできない水中1条件を加えて、計3条件で10-40℃の熱応答サイクルの測定を行った。結果を表１４および図２１に示す。表１４に最も安定している2サイクル目の10℃、40℃のλ値を求めた。更に前記2点間の変動膜厚および線膨張係数を求めた。該サンプルのボトムピークは、2周期、3周期目であるので基板の補正は行わない。線膨張係数はRIfSの膜厚、及び伸縮膜厚を用いることの利便性が高く、好ましいが、RIfSの伸縮膜厚とエリプソ膜厚を用いても算出可能なので併記する。RIfSとエリプソの測定値に大差はないが原理的にエリプソに比べて概ね20nm以下の超薄膜、500nm以上の厚膜でRIfSの測定信頼性が高い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　表から分かるように厚膜(300nm程度以上)においてRIfSの測定で得られた線膨張係数（線膨張係数_RIfS、線膨張係数_エリプソ）は文献値と一致しており、PS1とPS2の分子量違いの影響も明確である。尚且つ、RIfSでは連続的に膜厚測定を行い、3サイクルも測定を行っているため測定の信頼性が高い特徴がある。また、本発明により初めて水中での熱膨張係数を求めることができたが、概ね湿度違い、大気-水中の差異は大きくない。本発明の熱応答計測により、簡易で実技系に近い数百nmの薄膜を用いて、線膨張係数が正確に求められることが分かる。
　［実施例２］
ポリスチレンPS2の膜厚違いの熱応答性測定
　ポリスチレンPS2について膜厚違いの熱応答性を大気中20度10%で測定した。結果を表１５および図２２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　PS-2-3のように膜厚が十分厚いと線膨張係数は文献値に近づくが、PS2-2のように１００nm前後の厚さでは分子が熱運動しやすいため、文献値よりも大きめな値となる。PS2-1のように50nm以下の低膜厚だと水の吸脱着に伴う膜厚変位が観測され、低温ほど膜厚が大きくなる現象が見られる。１００nm以下の超薄膜では疎水性ポリマーでも水との親和性が高まるとの学説を実証可能なことを示している。熱膨張計測と同時に水の吸脱着も測定可能なRIfS熱応答計測の有用性は明確である。
　［実施例３］
吸水性ポリマー(PMMA1、PMMA2、PVAc)の熱膨張及び水和性測定
　測定条件として、大気中の湿度違い（20℃10%、20℃30%、20℃50%）3条件、および水中1条件を加えて、計４条件で10-40℃の熱応答サイクルの測定を行った。結果を表１６および図２３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
　本実施例では疎水性ポリマーではあるが、吸水率がポリスチレンよりも高いPMMAとポリ酢酸ビニルでは、ポリスチレンに比べて膜厚がより厚い膜まで水の吸脱着が見られる。このことから熱膨張を定量化することにより、吸水率が算定可能なことを示している。吸水率の高いPMMA、酢酸ビニルの薄膜（PMMA１‐１、１‐２、２‐１、２‐２、PVAc１‐１、１‐２）では、測定環境の湿度が高いほど線膨張係数がマイナス側に大きくなっており水和（吸湿、吸水等）の評価が可能であることが分かる。PMMAのように水和が大きくない疎水性ポリマーは、水中では逆に低湿度化の熱応答性挙動に近づく傾向にある。
　親水性がより高いポリ酢酸ビニルでは、熱サイクル毎に大きく変化しており、水中計測では熱膨張が下がり、大気中では上がる傾向にある。水中では、表面水和により、熱拡散が進み、大気中では、熱ヒステリシスでエネルギーがたまり熱膨張が増大して行く様が測定されていると考えられる。
　［実施例４］
ポリオクタデシルメタクリレート（PodMA-1）のTm(融点)測定
　結果を表１７および図２４に示す。Tm37.5℃前後の複雑な相転移構造が測定できており、本発明の熱応答計測では、融点以下では熱膨張が測定でき、かつDSCのようにTm(相転移点)も明確に測定できており、他に類のない多様性のある優れた測定方法であることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
　［実施例５］
水溶性材料（PAA、PEG、PEO、PEI、PVA、HEMA、DAC）の熱応答性測定
　結果を表１８および図２５に示す。水溶性材料の湿度の影響、水中での昇温、降温、水との関わり、熱応答性が分かり、ヒステリシスも観察されており膜に対する水の振る舞いがわかる。HEMAを除くと10nm前後の超薄膜なので、線膨張係数は観測されないが、水和によるマイナス方向の熱応答性が精度良く測定できる。5%NaClにおいて水和挙動が抑えられていることも分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000022
　［実施例６］
ポリイソプロピルアクリルアミド（PNIPAMC）のLCST測定
　結果を表１９および図２６に示す。一般的にLCST測定は、濁度法を用いて、温度を変化させながら測定していくが、本発明の熱応答測定では、簡便にかつ正確に測定できる。グラフからアミンカップリングで作製した、PNIPaamのLCST32℃が明確に測定できていることがわかる。また、大気中と水中との比較によりポリイソプロピルアクリルアミドの吸湿、および水中での相互作用も明確に分かる。グラフト重合を行ったPNIPAMでも同様のLCSTが観測された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000023
　［実施例７］
生態材料（TPG-1、TPG-2、TPG-3、NC21-1、NC21-2、NC21-3、CMD、BSA）の熱応答性測定
　結果を表２０および図２７に示す。生体材料である中性脂肪TPGでは水中で熱収縮が起きるが、5%NaCl中では熱膨張しており水和による膜構造の変化とNaClによる抑制が観測されている。リン脂質NC-21では大気中で起点に戻るヒステリシスが見られるが、水中では1回目のみ収縮が見られ、5%NaCl中では熱膨張が見られており水和の解析に使える。多糖類CMD、タンパクBSAでは、薄膜であるにもかかわらず、熱応答に関わる湿度の影響を高感度で測定できている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
　［実施例８］
　結果を表２１および図２８に示す。従来の機器では測定が困難な熱プレス加工フィルムのPS、PP、COPでも熱膨張測定が可能で、線膨張係数も文献値とほぼ一致する。また、PP-Pでは熱応答曲線にひずみが見えており、本発明により熱プレス加工の緻密性、均一性が分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000026
　［実施例９］
SiO2の線膨張係数と水和構造の温度影響
　結果を表２２および図２９に示す。大気中では熱応答性が見えず、水中では明確に見られる。大気中では熱膨張と同等の水吸着が起こっているが、水中では周りが水なので逆に水の出入りがなく本来の熱膨張が見えていると推定できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000027
　［実施例１０］
換算光路長（ｃOPL）によるPS1、PS2の線膨張係数の算出
　結果を表２３および図３０に示す。ｃOPLにより、膜厚算出が容易で精度も十分であることが分かる。
　その他、PBMA、PiBMA、PVC、COP等の各サンプルでも文献値に近い線膨張係数が得られているほか、安定した熱応答性が測定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000028
　　１　　測定装置
　１０　　測定部材
　１２　　センサーチップ
　１２ａ　シリコン基板
　１２ｂ　ＳｉＮ（窒化シリコン）膜
　１４　　フローセル
　１４ａ　溝
　１４ｂ　密閉流路
　１４ｃ　流入口
　１４ｄ　流出口
　１６　　分析対象薄膜
　２０　　白色光源
　３０　　分光器
　４０　　光伝達部
　４１　　第一の光ファイバ
　４２　　第二の光ファイバ
　５０　　制御装置
　６０　　各種液体
　１００　温度調節器
　１１０　温度調節部材
　１２０　温度センサー
　２００　測定部

Claims (11)

  1. 　薄膜膜厚測定装置を使用し、表面に分析対象薄膜が形成されたセンサーチップ（分析対象センサーチップ）について、少なくとも２つの温度において当該分析対象薄膜の膜厚に関するデータを測定する工程（測定工程）、および当該分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を算出する工程（膜厚算出工程）を含むことを特徴とする、熱応答性測定方法。
  2. 　前記測定工程が、連続的に昇温および／または降温をかけるパターン、階段状に昇温および／または降温をかけるパターン、またはこれらの混合のパターンの温度プロファイルにおいて行われる、請求項１に記載の熱応答性測定方法。
  3. 　前記パターンにおける昇温および／または降温が１℃あたり１０～３６００秒の速度である、請求項２に記載の熱応答性測定方法。
  4. 　前記パターンにおける昇温および降温が１～１００サイクル繰り返される、請求項２に記載の熱応答性測定方法。
  5. 　前記測定工程の後にさらに、無修飾センサーチップまたは分析対象薄膜を形成する前の段階のセンサーチップ（リファレンスセンサーチップ）について同様の条件により取得したデータを用いる、下記（１）、（２）またはこれらの両方の方法により、前記分析対象センサーチップについて得られたデータを補正する工程を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法：
    （１）データを取得する温度を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法；
    （２）データを取得する時間を対応させて、前記分析対象センサーチップについて得られたデータとリファレンスセンサーチップについて得られたデータとの差分を取ることにより補正する方法。
  6. 　前記分析対象薄膜が、被膜形成性の固体もしくは液体により形成される薄膜；センサーチップの表面に固着可能な固体、液体もしくは気体により形成される薄膜；またはセンサーチップ上に形成された流路内に溶解もしくは浮遊する物質により形成される薄膜である、請求項１～５のいずれかに記載の熱応答性測定方法。
  7. 　気体中および液体中それぞれで、前記分析対象薄膜の温度に対する膜厚変化を測定することにより、当該液体が分析対象薄膜の膜厚に与える影響と当該液体によらずに熱が分析対象薄膜の膜厚に与える影響とを分析することを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
  8. 　前記膜厚算出工程により、非接触測定による物質の熱膨張係数、水和性被膜の熱膨張係数、熱ヒステリシス、熱緩和時間、熱遅延時間、ＬＣＳＴ、ＵＣＳＴ、相転移、熱ゆらぎ、吸水性、吸湿性または水和性について分析することを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
  9. 　前記薄膜膜厚測定装置が反射干渉分光法（ＲＩｆＳ）に基づくものである、請求項１～８のいずれか一項に記載の熱応答性測定方法。
  10. 　センサーチップの表面に形成された分析対象薄膜について、熱応答性測定を行うためのプログラム温度調節手段を備えることを特徴とする、薄膜膜厚測定装置。
  11. 　前記薄膜膜厚測定装置が反射干渉分光法（ＲＩｆＳ）に基づくものである、請求項１０に記載の薄膜膜厚測定装置。
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