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JP2009085889A - Manufacturing method of microcolumn - Google Patents

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JP2009085889A
JP2009085889A JP2007259179A JP2007259179A JP2009085889A JP 2009085889 A JP2009085889 A JP 2009085889A JP 2007259179 A JP2007259179 A JP 2007259179A JP 2007259179 A JP2007259179 A JP 2007259179A JP 2009085889 A JP2009085889 A JP 2009085889A
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Japan
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layer
microcolumn
porous film
columnar body
base metal
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JP2007259179A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryota Ohashi
良太 大橋
Toru Den
透 田
Shigeru Ichihara
滋 市原
Tatsuya Saito
達也 斉藤
Takashi Nakamura
高士 中村
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

【課題】柱状体の直径が頂部から底部にかけて均一であり、かつ柱状体の間隔が狭い場合でも高アスペクトな柱状体を有するマイクロカラムを提供する。
【解決手段】基板上に下地金属層と被陽極酸化層を配置する工程と、前記被陽極酸化層を陽極酸化して前記基板に対して垂直方向に形成された孔を有する多孔質皮膜とする工程と、前記下地金属層の元素を含む酸化物を前記多孔質皮膜の孔の底部から孔の上方向に成長させて前記多孔質皮膜の上面を覆い柱状体と被覆層を形成する工程と、前記多孔質皮膜を除去して、前記基板上に前記下地金属層の元素を含む酸化物からなる柱状体と被覆層を有する中空構造体を得る工程とを有するマイクロカラムの製造方法。
【選択図】図3
A microcolumn having a columnar body with a high aspect even when the diameter of the columnar body is uniform from the top to the bottom and the interval between the columnar bodies is narrow.
A step of disposing a base metal layer and an anodized layer on a substrate, and anodizing the anodized layer to form a porous film having holes formed in a direction perpendicular to the substrate. A step of growing an oxide containing an element of the base metal layer from the bottom of the hole of the porous film in the upward direction of the hole to cover the upper surface of the porous film and forming a columnar body and a coating layer; A method for producing a microcolumn, comprising: removing the porous film to obtain a columnar body made of an oxide containing an element of the base metal layer and a hollow structure body having a coating layer on the substrate.
[Selection] Figure 3

Description

本発明はマイクロカラムの製造方法に関し、特に陽極酸化プロセスにより作製した酸化物中空構造体を流路として用いるマイクロカラムの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a microcolumn, and more particularly to a method for producing a microcolumn using an oxide hollow structure produced by an anodic oxidation process as a flow path.

近年、μTAS(Micro Total Analysis System)と呼ばれるマイクロ流体デバイスが注目されている。μTASは微量試料の分析を微細な流路内で混合、分離、抽出を行うデバイスであり、核酸やタンパク質等の微量な生体材料の分析に対して有効である。一般にμTASはシリコン基板上にフォトリソグラフィーやエッチングなどの半導体加工技術を用いて微細な流路やマイクロカラムを形成している。   In recent years, microfluidic devices called μTAS (Micro Total Analysis System) have attracted attention. μTAS is a device that mixes, separates and extracts trace samples in a fine flow path, and is effective for analyzing trace amounts of biological materials such as nucleic acids and proteins. In general, μTAS forms fine flow paths and microcolumns on a silicon substrate using semiconductor processing techniques such as photolithography and etching.

特にマイクロカラムについて、特に核酸やタンパク質等の大きさが100nm以下の微小な試料を高精度で分析するには、マイクロカラムの分離材の周期間隔は100nm以下であることが必要となる。このようなマイクロカラムを作製する手法としては、例えば、特許文献1においては凹凸パターンを有するレジスト膜をマスクとし、エッチングにより柱状体からなるマイクロカラムを作製する手法が開示されている。
特開2004−045357号公報
In particular, in the case of a microcolumn, in order to analyze a minute sample such as nucleic acid or protein with a size of 100 nm or less with high accuracy, the periodic interval of the separation material of the microcolumn needs to be 100 nm or less. As a technique for producing such a microcolumn, for example, Patent Document 1 discloses a technique for producing a microcolumn made of a columnar body by etching using a resist film having a concavo-convex pattern as a mask.
JP 2004-045357 A

しかしながら、特許文献1に示されるようなエッチングを用いた手法では、一般に加工表面から深部になるほどエッチングされ難くなる。その結果、エッチングを用いた手法では、柱状体の断面形状が頂部よりも底部において幅広くなり、柱状体の直径は頂部と底部で差が生じる問題があった。この差は柱状体の直径を小さくするほど相対的に顕著になり、分離能を低下させる原因となる。また、エッチングを用いた手法では、柱状体の間隔が狭くなるほど深部までエッチングすることが難しくなるため、高アスペクトの柱状体を作製することが困難であった。   However, in the technique using etching as disclosed in Patent Document 1, generally, etching becomes more difficult as the depth increases from the processing surface. As a result, the technique using etching has a problem that the cross-sectional shape of the columnar body is wider at the bottom than the top, and the diameter of the columnar body is different between the top and the bottom. This difference becomes more prominent as the diameter of the columnar body is reduced, which causes a decrease in separation ability. Further, in the technique using etching, it becomes difficult to etch to a deeper portion as the interval between the columnar bodies becomes narrower, so that it is difficult to produce a high aspect columnar body.

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、柱状体の直径が頂部から底部にかけて均一であり、かつ柱状体の間隔が狭い場合でも高アスペクトな柱状体を有するマイクロカラムの製造方法を提供することである。   The present invention has been made to solve such a problem, and the production of a microcolumn having a columnar body having a high aspect even when the diameter of the columnar body is uniform from the top to the bottom and the interval between the columnar bodies is narrow. Is to provide a method.

上記の課題は本発明の以下の構成により解決できる。
上記課題を解決するマイクロカラムの製造方法は、基板上に下地金属層と被陽極酸化層を配置する工程と、前記被陽極酸化層を陽極酸化して前記基板に対して垂直方向に形成された孔を有する多孔質皮膜とする工程と、前記下地金属層の元素を含む酸化物を前記多孔質皮膜の孔の底部から孔の上方向に成長させて前記多孔質皮膜の上面を覆い柱状体と被覆層を形成する工程と、前記多孔質皮膜を除去して、前記基板上に前記下地金属層の元素を含む酸化物からなる柱状体と被覆層を有する中空構造体を得る工程とを有することを特徴とする。
The above problem can be solved by the following configuration of the present invention.
A method of manufacturing a microcolumn that solves the above-described problem is a process of disposing a base metal layer and an anodized layer on a substrate, and anodizing the anodized layer to be formed in a direction perpendicular to the substrate A step of forming a porous film having pores, and a columnar body covering an upper surface of the porous film by growing an oxide containing an element of the base metal layer from the bottom of the hole of the porous film in an upward direction of the hole. Forming a covering layer; and removing the porous film to obtain a hollow structure having a columnar body made of an oxide containing the element of the base metal layer and a covering layer on the substrate. It is characterized by.

本発明によれば、柱状体の直径が頂部から底部にかけて均一であり、かつ柱状体の間隔が狭い場合でも高アスペクトな柱状体を有するマイクロカラムの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the diameter of a columnar body is uniform from the top part to the bottom part and the space | interval of a columnar body is narrow, the manufacturing method of the microcolumn which has a columnar body with a high aspect can be provided.

以下に本発明の実施形態に関わるマイクロカラムの製造方法について詳細に説明する。
本発明に係るマイクロカラムの製造方法は、以下の(a)から(d)の工程を有することを特徴とする。(a)基板上に下地金属層と被陽極酸化層を配置する工程。(b)前記被陽極酸化層を陽極酸化して前記基板に対して垂直方向に形成された孔を有する多孔質皮膜とする工程。(c)前記下地金属層の元素を含む酸化物を前記多孔質皮膜の孔の底部から孔の上方向に成長させて前記多孔質皮膜の上面を覆い柱状体と被覆層を形成する工程。(d)前記多孔質皮膜を除去して、前記基板上に前記下地金属層の元素を含む酸化物からなる柱状体と被覆層を有する中空構造体を得る工程。
Hereinafter, a method for producing a microcolumn according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
The method for producing a microcolumn according to the present invention includes the following steps (a) to (d). (A) A step of disposing a base metal layer and an anodized layer on a substrate. (B) a step of anodizing the anodized layer to form a porous film having pores formed in a direction perpendicular to the substrate; (C) A step of growing an oxide containing an element of the base metal layer from the bottom of the hole of the porous film in the upward direction of the hole to cover the upper surface of the porous film to form a columnar body and a coating layer. (D) A step of removing the porous film to obtain a hollow structure having a columnar body made of an oxide containing an element of the base metal layer and a coating layer on the substrate.

前記下地金属層が、Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、Wから選ばれる少なくとも一つの元素を含む層であることが好ましい。
前記多孔質皮膜を除去して柱状体と被覆層を有する中空構造体を形成する工程を、第二の陽極酸化により行うことが好ましい。
The base metal layer is preferably a layer containing at least one element selected from Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo, and W.
The step of removing the porous film to form a hollow structure having a columnar body and a coating layer is preferably performed by second anodic oxidation.

前記第二の陽極酸化に使用する電解液が、ホウ酸アンモニウム水溶液、酒石酸アンモニウムまたはクエン酸アンモニウム水溶液であることが好ましい。
前記多孔質皮膜を除去して柱状体と被覆層を有する中空構造体を形成する工程を、ウェットエッチングにより行うことが好ましい。
The electrolytic solution used for the second anodic oxidation is preferably an aqueous ammonium borate solution, an ammonium tartrate solution or an aqueous ammonium citrate solution.
The step of forming the hollow structure having the columnar body and the coating layer by removing the porous film is preferably performed by wet etching.

前記被陽極酸化層に陽極酸化の開始点となる窪みを形成した後、前記被陽極酸化層を陽極酸化することが好ましい。
前記柱状体が、均一な直径及び間隔で配列されることが好ましい。
It is preferable that the anodized layer is anodized after forming a depression that becomes the starting point of anodization in the anodized layer.
The columnar bodies are preferably arranged with a uniform diameter and interval.

さらに、前記柱状体と被覆層を有する中空構造体を酸化雰囲気下にて熱処理する工程を有することが好ましい。
次に、図3に基づいて、本発明に係るマイクロカラムの製造方法の各工程について順次説明する。
Furthermore, it is preferable to include a step of heat-treating the hollow structure having the columnar body and the coating layer in an oxidizing atmosphere.
Next, based on FIG. 3, each process of the manufacturing method of the microcolumn which concerns on this invention is demonstrated sequentially.

図3は本発明に係るマイクロカラムの製造方法の一実施態様を示す工程図である。
まず、図3(a)に示す様に、基板上に下地金属層、さらにその上に被陽極酸化層をスパッタリングなどの薄膜形成方法を用いて配置した試料を用意する。図3(a)に示す下地金属層13としては、Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、Wから選ばれる少なくとも一つの元素を含む材料を配置する。また、被陽極酸化層としては、Al或いはAlを主成分とした合金を配置する。
FIG. 3 is a process diagram showing one embodiment of a method for producing a microcolumn according to the present invention.
First, as shown in FIG. 3A, a sample is prepared in which a base metal layer is further formed on a substrate, and an anodized layer is further disposed thereon using a thin film forming method such as sputtering. As the base metal layer 13 shown in FIG. 3A, a material containing at least one element selected from Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo, and W is disposed. Further, as the anodized layer, Al or an alloy containing Al as a main component is disposed.

次に試料を燐酸やシュウ酸、硫酸などの酸性水溶液を用いて陽極酸化すると、図3(b)に示すように、試料表面から多数の孔18が基板14に対して垂直方向に成長した多孔質皮膜17が得られる。この多孔質皮膜17の構造は、微小な孔18と、それを取り囲む被陽極酸化層の酸化物19から成る。   Next, when the sample was anodized using an acidic aqueous solution such as phosphoric acid, oxalic acid, sulfuric acid, etc., as shown in FIG. 3B, a large number of holes 18 grew from the sample surface in the direction perpendicular to the substrate 14. A quality film 17 is obtained. The structure of the porous film 17 includes a minute hole 18 and an oxide 19 of an anodized layer surrounding the hole 18.

孔18の成長は試料表面のランダムな位置から発生する。しかし、図3(a)に示すように試料の被陽極酸化層の表面に陽極酸化の開始点となる微小な窪み16を電子線描画やナノインプリントやFIB(Focused ion beam)法などで用意しておくと、孔は開始点の位置からのみ発生する。すなわち窪みの配列パターンにあわせて規則配列した孔を有する多孔質皮膜を得ることができる。この際、陽極酸化電圧V(Volt)は規則配列の周期(nm)=2.5×V、となる陽極酸化電圧Vとすると、高度に規則化した孔を有する多孔質皮膜を得るのに好ましい。   The growth of the holes 18 occurs from random positions on the sample surface. However, as shown in FIG. 3 (a), a minute recess 16 serving as an anodic oxidation starting point is prepared on the surface of the anodized layer of the sample by electron beam drawing, nanoimprinting, FIB (Focused ion beam) method, or the like. In other words, the hole is generated only from the position of the starting point. That is, it is possible to obtain a porous film having pores regularly arranged according to the arrangement pattern of the depressions. At this time, when the anodic oxidation voltage V (Volt) is an anodizing voltage V that satisfies a regular arrangement period (nm) = 2.5 × V, it is preferable to obtain a porous film having highly ordered pores. .

上記のような多孔質皮膜を得るには、被陽極酸化膜としてAlを用いるのが一般的に行われている。その理由はSiやTiなど、Al以外の材料でも陽極酸化により多孔質皮膜を形成する材料はあるが、孔の垂直性がそれほど良くない、酸性水溶液としてフッ酸を使用する等のAlの陽極酸化に比べて問題点や難点があるためである。ここで、Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wから選ばれる少なくとも一つの元素を含むAl合金であれば、Alと同様に垂直性の良い孔を有する多孔質皮膜が形成可能である。この場合Alを合金化することにより、膜表面に形成される突起物や粒界に起因する膜表面の粗さを低減することが可能となるため、試料表面に陽極酸化の開始点となる微小な窪みを用意する際には特に有効な手段となる。Alに対する元素の添加量は、添加する元素の種類にもよるが、Alと同様に垂直性の良い孔を有する多孔質皮膜を形成するには概ね5atomic%以上50atomic%以下の範囲にすることが好ましい。   In order to obtain the porous film as described above, Al is generally used as the anodized film. The reason is that some materials other than Al, such as Si and Ti, form a porous film by anodic oxidation, but the verticality of the holes is not so good, and anodic oxidation of Al such as using hydrofluoric acid as an acidic aqueous solution This is because there are problems and disadvantages compared to. Here, if it is an Al alloy containing at least one element selected from Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, and W, a porous film having pores with good perpendicularity can be formed like Al. . In this case, by alloying Al, it is possible to reduce the roughness of the film surface due to protrusions and grain boundaries formed on the film surface, so that the sample surface has a minute starting point for anodization. It becomes a particularly effective means when preparing a hollow. The amount of element added to Al depends on the type of element to be added, but in order to form a porous film having pores with good perpendicularity as with Al, the amount should be generally in the range of 5 atomic% to 50 atomic%. preferable.

引き続き陽極酸化を続けることで多孔質皮膜17は試料表面から基板方向へと成長し、下地金属層13に到達するまで孔18は成長する。作製された孔18の直径は燐酸溶液などに浸漬させることにより孔18の直径を拡大する(ポアワイド)ことが可能である。この処理により孔の水平断面の直径を任意に制御することが可能である。   By continuing the anodic oxidation, the porous film 17 grows from the sample surface toward the substrate, and the holes 18 grow until reaching the base metal layer 13. The diameter of the produced hole 18 can be enlarged (pore wide) by immersing it in a phosphoric acid solution or the like. By this treatment, the diameter of the horizontal cross section of the hole can be arbitrarily controlled.

次に、前記下地金属層の元素を含む酸化物を前記多孔質皮膜の孔の底部から孔の上方向に成長させて前記多孔質皮膜の上面を覆い柱状体と被覆層を形成する。具体的には、図3(b)の状態から、更にホウ酸アンモニウム水溶液、酒石酸アンモニウムまたはクエン酸アンモニウム水溶液など、バリア型の陽極酸化皮膜が得られる電解液に変えて陽極酸化を行う。この陽極酸化により、図3(c)のように下地金属層の酸化物11を多孔質皮膜の孔18の中に充填しながら成長させることができる。したがって、下地金属層の酸化物11の形状は孔18の形状を反映したものとなる。孔18の直径は頂部から底部にかけて均一性が高く、柱状体21は孔を鋳型として形成される。その結果、柱状体21の直径が頂部から底部にかけて均一な構造体を作製できる。なお、下地金属層の酸化物11のうち、孔18に充填されている部分を柱状体21とし、孔18から溢れた部分を被膜層22とする。   Next, an oxide containing the element of the base metal layer is grown from the bottom of the hole of the porous film in the upward direction of the hole to cover the upper surface of the porous film to form a columnar body and a coating layer. Specifically, the anodic oxidation is performed by changing from the state of FIG. 3B to an electrolytic solution that can provide a barrier type anodic oxide film such as an aqueous ammonium borate solution, an ammonium tartrate solution, or an aqueous ammonium citrate solution. By this anodic oxidation, as shown in FIG. 3C, the oxide 11 of the base metal layer can be grown while being filled in the holes 18 of the porous film. Therefore, the shape of the oxide 11 of the base metal layer reflects the shape of the hole 18. The diameter of the hole 18 is highly uniform from the top to the bottom, and the columnar body 21 is formed using the hole as a mold. As a result, a structure in which the diameter of the columnar body 21 is uniform from the top to the bottom can be produced. Of the oxide 11 of the base metal layer, a portion filled in the hole 18 is a columnar body 21, and a portion overflowing from the hole 18 is a coating layer 22.

孔内で成長する柱状体の高さは陽極酸化電圧に依存し、各柱状体はほぼ一定の高さで成長する。一方、多孔質皮膜17上面に達する電圧以上で陽極酸化をした場合は、基板に対して垂直方向だけでなく水平方向の成長も始まる。よって、十分高い電圧で陽極酸化を行うと、孔18から溢れた下地金属層の酸化物11が隣の孔のものと接触し、最終的に多孔質皮膜17上面を下地金属層の酸化物11が覆った被膜層22を形成できる。ここで酸化雰囲気にて加熱処理を行うと、酸化物中の結合水等の不純物が除去され、更に、高い酸化数の酸化物となり、エッチング耐性が高まる。   The height of the columnar body growing in the hole depends on the anodic oxidation voltage, and each columnar body grows at a substantially constant height. On the other hand, when anodic oxidation is performed at a voltage higher than the voltage reaching the upper surface of the porous film 17, growth in the horizontal direction as well as the vertical direction with respect to the substrate starts. Therefore, when anodization is performed at a sufficiently high voltage, the oxide 11 of the base metal layer overflowing from the hole 18 comes into contact with the adjacent hole, and finally the upper surface of the porous film 17 is covered with the oxide 11 of the base metal layer. The coating layer 22 covered with can be formed. Here, when heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, impurities such as bound water in the oxide are removed, and the oxide has a higher oxidation number, thereby increasing etching resistance.

次に、前記多孔質皮膜を除去して、基板上に下地金属層の元素を含む酸化物からなる柱状体と被覆層を有する中空構造体を得る。具体的には、下地金属層の酸化物11が成長した試料を、酸やアルカリ溶液に浸漬することでウェットエッチングを行う。この際、Alを主成分とする多孔質皮膜17と下地金属層の酸化物11との間のエッチング耐性の違いを利用して、多孔質皮膜17のみを選択的に溶解除去して、下地金属層の酸化物11を残すようにエッチングを行う。エッチングは多孔質皮膜17の上面が下地金属層の酸化物11で覆われていない領域から、多孔質皮膜17の側面にエッチング液が進入して流路12を形成するように内部まで進行する。そして、最終的に図3(d)に示すように下地金属層酸化物11からなる柱状体21と被覆層22を有する中空構造体20を作製することができる。   Next, the porous film is removed to obtain a hollow structure having a columnar body made of an oxide containing an element of the base metal layer and a coating layer on the substrate. Specifically, wet etching is performed by immersing a sample in which the oxide 11 of the base metal layer is grown in an acid or alkali solution. At this time, by utilizing the difference in etching resistance between the porous film 17 containing Al as a main component and the oxide 11 of the base metal layer, only the porous film 17 is selectively dissolved and removed, and the base metal is removed. Etching is performed to leave the oxide 11 of the layer. The etching proceeds from the region where the upper surface of the porous film 17 is not covered with the oxide 11 of the underlying metal layer to the inside so that the etching solution enters the side surface of the porous film 17 and forms the flow path 12. And finally, as shown in FIG.3 (d), the hollow structure 20 which has the columnar body 21 which consists of the base metal layer oxide 11, and the coating layer 22 can be produced.

図1は、本発明の方法により製造されたマイクロカラムの一例の断面を示す模式図である。図1に示すように、隣接する柱状体の周期間隔をP、柱状体の直径をD、柱状体の高さをhとそれぞれ表記する。上述したように周期間隔PはナノインプリントやFIB(Focused ion beam)法によって形成される微小な窪みの間隔によって決定される。柱状体の直径Dはポアワイド処理によって決定される。柱状体の高さhは被陽極酸化層の厚さによって決定される。以上より、本発明ではP、D、hをそれぞれ独立に決定することができる。   FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an example of a microcolumn manufactured by the method of the present invention. As shown in FIG. 1, the periodic interval between adjacent columnar bodies is denoted by P, the diameter of the columnar bodies is denoted by D, and the height of the columnar bodies is denoted by h. As described above, the period interval P is determined by the interval between minute recesses formed by nanoimprinting or FIB (Focused Ion Beam) method. The diameter D of the columnar body is determined by pore wide processing. The height h of the columnar body is determined by the thickness of the anodized layer. From the above, in the present invention, P, D, and h can be determined independently.

本発明のマイクロカラムは、周期間隔Pを30nm以下にすることができ、さらには16nmまで狭くすることができる。柱状体の直径Dは5nm程度まで小さくすることができ、柱状体の高さhは1μmまで高くすることができる。以上のP、D、hをそれぞれ独立に変化させることで、分析試料に対して適当なマイクロカラムを作製することができる。   In the microcolumn of the present invention, the period interval P can be set to 30 nm or less, and further can be reduced to 16 nm. The diameter D of the columnar body can be reduced to about 5 nm, and the height h of the columnar body can be increased to 1 μm. By changing the above P, D, and h independently, an appropriate microcolumn can be produced for the analysis sample.

また本発明によるマイクロカラムを構成する柱状体は孔を鋳型として形成されるため、柱状体の直径が頂部から底部にかけて均一である。また、柱状体の間隔が特に50nm以下のような狭い場合であっても高アスペクトな柱状体を有するマイクロカラムを提供することができる。特に核酸やタンパク質等の微小な試料を高精度で分析するには、周期間隔Pが100nm以下で、柱状体の直径Dが頂部から底部にかけて均一であるような分離カラムが必要である。本発明によれば、かかる分離カラムを分析試料のサイズに応じて作製することができる。   In addition, since the columnar body constituting the microcolumn according to the present invention is formed using holes as a mold, the diameter of the columnar body is uniform from the top to the bottom. Further, a microcolumn having a high aspect columnar body can be provided even when the interval between the columnar bodies is particularly narrow, such as 50 nm or less. In particular, in order to analyze a minute sample such as nucleic acid or protein with high accuracy, a separation column is necessary in which the periodic interval P is 100 nm or less and the columnar body diameter D is uniform from the top to the bottom. According to the present invention, such a separation column can be produced according to the size of the analysis sample.

さらに、下地金属層酸化物11は下地金属層13をTi,Nb,Zr,Hf,Ta,Mo,Wの少なくとも一つ以上の含む元素から選択することで、様々な酸化物とすることができる。特に下地金属層13としてTiもしくはZrを選択した場合、下地金属層酸化物11はそれぞれ酸化チタン、酸化ジルコニウムとなり、熱処理を施すことでそれぞれの結晶になる。酸化チタンや酸化ジルコニウムは核酸やタンパク質といったリン酸基を含む試料の分離に優れた特性を示すため、生体材料の分析には最適である。   Furthermore, the base metal layer oxide 11 can be made into various oxides by selecting the base metal layer 13 from an element including at least one of Ti, Nb, Zr, Hf, Ta, Mo, and W. . In particular, when Ti or Zr is selected as the base metal layer 13, the base metal layer oxide 11 becomes titanium oxide and zirconium oxide, respectively, and each crystal is formed by heat treatment. Titanium oxide and zirconium oxide are optimal for the analysis of biomaterials because they exhibit excellent properties for separating samples containing phosphate groups such as nucleic acids and proteins.

図2は図1の柱状体の部位における平面図を示す。試料は下地金属層の酸化物13の柱状体の間の流路12を通って流れ、試料サイズに応じて分離される。ここで、下地金属層の酸化物13の柱状体は、窪み16の配列パターンを任意に設定することで様々な配列にすることができ、三角格子配列や正方格子配列、同心円状などの配列パターンを持つ柱状体を作製することができる。また窪み16の加工領域を任意に設定することで、流路中の任意の位置にカラムを形成することも可能であり、サイズの異なる多段のカラムを一つのμTASチップ上に設けることも出来る。   FIG. 2 shows a plan view of the columnar body of FIG. The sample flows through the flow path 12 between the columns of the oxide 13 of the base metal layer, and is separated according to the sample size. Here, the columnar body of the oxide 13 of the underlying metal layer can be arranged in various arrangements by arbitrarily setting the arrangement pattern of the depressions 16, and can be arranged in a triangular lattice arrangement, a square lattice arrangement, a concentric circle arrangement pattern, or the like. Can be produced. In addition, by arbitrarily setting the processing region of the recess 16, it is possible to form a column at an arbitrary position in the flow path, and it is also possible to provide multistage columns having different sizes on one μTAS chip.

以下、実施例を用いて本発明を説明するが、以下に限定されるものではない。
実施例1
本実施例は、本発明のマイクロカラムの製造方法について示す。以下に本実施例におけるマイクロカラムの製造方法について図3を用いて詳細に説明する。工程は図3(a)から(d)の工程からなる。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated using an Example, it is not limited to the following.
Example 1
This example shows a method for manufacturing a microcolumn of the present invention. Hereinafter, a method for producing a microcolumn in the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. A process consists of the process of Fig.3 (a) to (d).

図3(a)に示すように、Si基板上に下地金属層13としてNbを40nm成膜し、その上に被陽極酸化層15としてHfを7atomic%含んだAlHf層をスパッタリングにより100nm成膜した。ここで陽極酸化の開始点としてFIBを用いて前記AlHf層表面に2nm程度の小さな窪み16を25nm間隔の正方配列で形成した。   As shown in FIG. 3A, a 40 nm Nb film was formed as a base metal layer 13 on a Si substrate, and an AlHf layer containing 7 atomic% Hf was formed thereon as a anodic oxidation layer 15 by a 100 nm film by sputtering. . Here, FIB was used as the starting point of anodization, and small depressions 16 of about 2 nm were formed in a square arrangement at 25 nm intervals on the surface of the AlHf layer.

次に、図3(b)に示すように、前記AlHf層を浴温3℃の1.0mol/L硫酸水溶液中にて10Vの印加電圧で陽極酸化を行うことで、窪み16を開始点として試料表面から多数の孔18が基板14に対して垂直方向に成長した多孔質皮膜17が得られた。得られた多孔質皮膜17を浴温20℃の5wt%リン酸水溶液に浸すことで、ウェットエッチングによる孔径拡大処理を行った。試料表面をFE−SEMで観察したところ、孔18の直径は12nmであった。   Next, as shown in FIG. 3B, the AlHf layer is anodized at an applied voltage of 10 V in a 1.0 mol / L sulfuric acid aqueous solution having a bath temperature of 3 ° C. A porous film 17 in which a large number of holes 18 grew in the direction perpendicular to the substrate 14 from the sample surface was obtained. The obtained porous film 17 was immersed in a 5 wt% phosphoric acid aqueous solution having a bath temperature of 20 ° C. to perform a pore size expansion process by wet etching. When the sample surface was observed with FE-SEM, the diameter of the hole 18 was 12 nm.

次に、図3(c)に示すように、試料を浴温22℃の0.15mol/Lホウ酸アンモニウム水溶液中にて印加電圧50Vにて陽極酸化した。これにより、下地金属層Nbの酸化物の成長が進行して体積膨張することで、孔の底部から前記基板に対して垂直方向に孔内部に下地金属層の酸化物11であるNb酸化物が充填され、最終的に孔の頂部から溢れて多孔質皮膜17を完全に覆うまで陽極酸化を続けた。その後大気雰囲気下において300℃の加熱処理を行った。   Next, as shown in FIG.3 (c), the sample was anodized in the 0.15 mol / L ammonium borate aqueous solution with a bath temperature of 22 degreeC by the applied voltage of 50V. As a result, the growth of the oxide of the base metal layer Nb proceeds and the volume expands, so that the Nb oxide, which is the oxide 11 of the base metal layer, extends from the bottom of the hole to the inside of the hole in the direction perpendicular to the substrate. The anodic oxidation was continued until it was filled and finally overflowed from the top of the hole and completely covered the porous film 17. Thereafter, a heat treatment at 300 ° C. was performed in an air atmosphere.

次に、図3(d)に示すように、25℃の5wt%リン酸水溶液中にて多孔質皮膜を除去することで、Nb酸化物からなる中空構造体20が得られた。
以上により、隣接する柱状体の周期間隔をPが25nm、柱状体の直径をDが12nm、柱状体の高さをhが300nmであるマイクロカラムを作製できた。
Next, as shown in FIG.3 (d), the hollow structure 20 which consists of Nb oxide was obtained by removing a porous membrane | film | coat in 25 degreeC 5 wt% phosphoric acid aqueous solution.
As described above, a microcolumn having a period interval between adjacent columnar bodies of P of 25 nm, a columnar body diameter of D of 12 nm, and a columnar body height of h of 300 nm was fabricated.

実施例2
Si基板上に下地金属層としてNbを40nm成膜し、その上に被陽極酸化層としてHfを7atomic%含んだAlHf層をスパッタリングにより100nm成膜した。次に試料表面にスピンコート法にてアルミニウムアルコキシドを20nmの厚みで塗布し、90℃で20分間ベークした後にアルコキシド表面にナノインプリントで陽極酸化の開始点となる窪みを転写した。本実施例では、高さ15nmの突起が、50nmの間隔で三角格子配列をしたモールドをアルコキシド表面に押し付けることで、モールドの突起を陽極酸化の開始点となる窪みとしてアルコキシド表面に転写した。
Example 2
A 40 nm thick Nb film was formed on the Si substrate as a base metal layer, and an AlHf layer containing 7 atomic% Hf was formed thereon by sputtering as the anodic oxidation layer. Next, aluminum alkoxide was applied to the surface of the sample by spin coating to a thickness of 20 nm, baked at 90 ° C. for 20 minutes, and then a depression serving as an anodic oxidation starting point was transferred to the alkoxide surface by nanoimprinting. In this example, protrusions with a height of 15 nm were pressed onto a surface of the alkoxide by pressing a mold having a triangular lattice arrangement at an interval of 50 nm against the alkoxide surface.

さらに試料を180℃にて紫外線とオゾンを用いたアッシングで10分間処理することで、アルコキシド内のポリマー部を除去すると同時にアルミニウム部の酸化を進行させて、アルコキシド層を酸化した。その後、浴温16℃の0.3mol/L硫酸水溶液中にて20Vの印加電圧で陽極酸化を行った。酸化したアルコキシド層とアルミニウム層は一括に陽極酸化された。陽極酸化後の試料をFE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)で観察することにより、モールドの突起のパターンと同様に三角格子配列をした多孔質皮膜の形成が確認された。得られた多孔質皮膜を浴温20℃の5wt%リン酸水溶液に浸すことで、ウェットエッチングによる孔径拡大処理を行った。試料表面をFE−SEMで観察したところ、孔の直径は27nmであった。   Further, the sample was treated by ashing using ultraviolet rays and ozone at 180 ° C. for 10 minutes, thereby removing the polymer portion in the alkoxide and simultaneously proceeding the oxidation of the aluminum portion to oxidize the alkoxide layer. Thereafter, anodization was performed at an applied voltage of 20 V in a 0.3 mol / L sulfuric acid aqueous solution having a bath temperature of 16 ° C. The oxidized alkoxide layer and aluminum layer were anodized all together. By observing the anodized sample with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope), it was confirmed that a porous film having a triangular lattice arrangement was formed in the same manner as the pattern of the protrusions on the mold. The obtained porous coating was immersed in a 5 wt% phosphoric acid aqueous solution having a bath temperature of 20 ° C., thereby carrying out a pore size enlargement process by wet etching. When the sample surface was observed with FE-SEM, the diameter of the hole was 27 nm.

次に試料を浴温22℃の0.15mol/Lホウ酸アンモニウム水溶液中にて印加電圧80Vにて陽極酸化した。これにより、下地金属層Nbの酸化物の成長が進行して体積膨張することで、孔の底部から前記基板に対して垂直方向に孔内部に下地金属層の酸化物であるNb酸化物が充填され、最終的に孔の頂部から溢れて多孔質皮膜を覆うまで陽極酸化を続けた。その後大気雰囲気下において300℃の加熱処理を行った。25℃の5wt%リン酸水溶液中にて多孔質皮膜を除去することで、Nb酸化物からなる中空構造体が得られた。   Next, the sample was anodized at an applied voltage of 80 V in a 0.15 mol / L ammonium borate aqueous solution having a bath temperature of 22 ° C. As a result, the growth of the oxide of the base metal layer Nb proceeds and the volume expands, so that the hole is filled with Nb oxide, which is the oxide of the base metal layer, in the direction perpendicular to the substrate from the bottom of the hole. Anodization was continued until it finally overflowed from the top of the hole and covered the porous film. Thereafter, a heat treatment at 300 ° C. was performed in an air atmosphere. By removing the porous film in a 5 wt% phosphoric acid aqueous solution at 25 ° C., a hollow structure made of Nb oxide was obtained.

以上により、隣接する柱状体の周期間隔をPが50nm、柱状体の直径をDが27nm、柱状体の高さhが100nmであるマイクロカラムを作製できた。   As described above, a microcolumn having a periodic interval P between adjacent columnar bodies of 50 nm, a columnar body diameter of D of 27 nm, and a columnar body height h of 100 nm was fabricated.

本発明は、柱状体の直径が頂部から底部にかけて均一であり、かつ柱状体の間隔が狭い場合でも高アスペクトな柱状体を有するμTAS用のマイクロカラムの製造に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for manufacturing a micro column for μTAS having a columnar body having a high aspect even when the diameter of the columnar body is uniform from the top to the bottom and the interval between the columnar bodies is narrow.

本発明の方法により製造されたマイクロカラムの一例の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of an example of the microcolumn manufactured by the method of this invention. 本発明のマイクロカラムの平面図を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the top view of the microcolumn of this invention. 本発明に係るマイクロカラムの製造方法の一実施態様を示す工程図である。It is process drawing which shows one embodiment of the manufacturing method of the microcolumn which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 下地金属層の酸化物
12 流路
13 下地金属層
14 基板
15 被陽極酸化層
16 窪み
17 多孔質皮膜
18 孔
19 被陽極酸化層の酸化物
20 中空構造体
21 柱状体
22 被覆層
P 隣接する柱状体の周期間隔
D 柱状体の直径
h 柱状体の高さ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Oxide of base metal layer 12 Flow path 13 Base metal layer 14 Substrate 15 Anodized layer 16 Depression 17 Porous film 18 Hole 19 Oxide of anodized layer 20 Hollow structure 21 Columnar body 22 Covering layer P Adjacent layer Periodic interval of columnar body D Diameter of columnar body h Height of columnar body

Claims (8)

マイクロカラムの製造方法であって、基板上に下地金属層と被陽極酸化層を配置する工程と、前記被陽極酸化層を陽極酸化して前記基板に対して垂直方向に形成された孔を有する多孔質皮膜とする工程と、前記下地金属層の元素を含む酸化物を前記多孔質皮膜の孔の底部から孔の上方向に成長させて前記多孔質皮膜の上面を覆い柱状体と被覆層を形成する工程と、前記多孔質皮膜を除去して、前記基板上に前記下地金属層の元素を含む酸化物からなる柱状体と被覆層を有する中空構造体を得る工程とを有することを特徴とするマイクロカラムの製造方法。   A method of manufacturing a microcolumn, comprising a step of disposing a base metal layer and an anodized layer on a substrate, and a hole formed in a direction perpendicular to the substrate by anodizing the anodized layer A step of forming a porous film, and an oxide containing an element of the base metal layer is grown from the bottom of the hole of the porous film to the upper direction of the hole to cover the upper surface of the porous film and to form a columnar body and a coating layer And a step of removing the porous film and obtaining a hollow structure having a columnar body made of an oxide containing an element of the base metal layer and a coating layer on the substrate. A method for manufacturing a microcolumn. 前記下地金属層が、Ti、Zr、Nb、Hf、Ta、Mo、Wから選ばれる少なくとも一つの元素を含む層であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロカラムの製造方法。   2. The method for manufacturing a microcolumn according to claim 1, wherein the base metal layer is a layer containing at least one element selected from Ti, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo, and W. 前記多孔質皮膜を除去して柱状体と被覆層を有する中空構造体を形成する工程を、第二の陽極酸化により行うことを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロカラムの製造方法。   The method for producing a microcolumn according to claim 1 or 2, wherein the step of forming the hollow structure having a columnar body and a covering layer by removing the porous film is performed by second anodic oxidation. 前記第二の陽極酸化に使用する電解液が、ホウ酸アンモニウム水溶液、酒石酸アンモニウムまたはクエン酸アンモニウム水溶液であることを特徴とする請求項3に記載のマイクロカラムの製造方法。   The method for producing a microcolumn according to claim 3, wherein the electrolytic solution used for the second anodic oxidation is an aqueous ammonium borate solution, an ammonium tartrate solution or an aqueous ammonium citrate solution. 前記多孔質皮膜を除去して柱状体と被覆層を有する中空構造体を形成する工程を、ウェットエッチングにより行うことを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロカラムの製造方法。   The method for producing a microcolumn according to claim 1 or 2, wherein the step of forming the hollow structure having the columnar body and the covering layer by removing the porous film is performed by wet etching. 前記被陽極酸化層に陽極酸化の開始点となる窪みを形成した後、前記被陽極酸化層を陽極酸化することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載のマイクロカラムの製造方法。   The microcolumn production according to any one of claims 1 to 5, wherein the anodized layer is anodized after forming a recess as a starting point of anodization in the anodized layer. Method. 前記柱状体が、均一な直径及び間隔で配列されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかの項に記載のマイクロカラムの製造方法。   The method for manufacturing a microcolumn according to claim 1, wherein the columnar bodies are arranged with a uniform diameter and interval. さらに、前記柱状体と被覆層を有する中空構造体を酸化雰囲気下にて熱処理する工程を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの項に記載のマイクロカラムの製造方法。   The method for manufacturing a microcolumn according to any one of claims 1 to 7, further comprising a step of heat-treating the hollow structure having the columnar body and the coating layer in an oxidizing atmosphere.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024257718A1 (en) * 2023-06-13 2024-12-19 日本軽金属株式会社 Carrier for analysis, method for producing carrier for analysis, and analysis method

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