【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23UT1017
利用課題名 / Title
電子線リソグラフィを用いた高感度バイオセンサ用ナノワイヤの作製
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
リソグラフィ・露光・描画装置、成膜・膜堆積、膜加工・エッチング、バイオセンサ,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,ワイヤーボンディング/ Wire Bonding,電子顕微鏡/ Electronic microscope,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope,光学顕微鏡/ Optical microscope,電子分光/ Electron spectroscopy,バイオセンサ/ Biosensor,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,センサ/ Sensor
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
曾根 逸人
所属名 / Affiliation
群馬大学理工学府 電子情報部門
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
張 慧,邱 亜威,大澤 郁弥,和田 圭祐,柿沼 李帆,西島 大貴
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-600：汎用ICPエッチング装置
UT-604：高速シリコン深掘りエッチング装置
UT-704：高密度汎用スパッタリング装置
UT-802：高速ランプアニール装置
UT-900：ステルスダイサー
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
微量分析技術は理学、工学、医学の基盤技術であり、特に生化学や臨床検査の分野では、化学物質や生体分子の検出に必要不可欠である。これまで我々は、電子線（EB）リソグラフィを用いてSilicon on insulator（SOI）基板への微細加工を行い、幅約20 nmのSiナノワイヤ（SiNW）を形成し、aMレベルの超低濃度IgG（抗体）の検出を確認した。さらなる高感度化を目指して、EB描画および反応性イオンエッチング（RIE）の条件最適化によってSiNWを細線化させて、超高感度バイオセンサを作製することを目的とした。
実験 / Experimental
フォトリソグラフィでTi電極を形成したn型SOI基板上にEBリソグラフィにより、ネガ型EBレジストのHSQを用いたレジスト細線パターンを形成した。そして、それをマスクとしてRIEによってSiデバイス層をエッチングして、SiNWを形成した。
結果と考察 / Results and Discussion
今年度はRIE、ステルスダイサー、高速ランプアニール装置等の装置利用のためグループメンバーが延べ25日施設を訪問した。電極を形成したSOI基板への重ねEB描画、RIE等を実施した結果、Fig. 1(a)に示す平均幅10.8 nmのSiNW列が形成できた。その後、電極絶縁、外部電極へ配線を行った後、SiNWセンサ部に反応セルを絶縁樹脂で固定して、バイオセンサを完成させた。ソースメータを用いた測定回路に繋ぎ、卵白アルブミンを修飾後に免疫グロブリンG（IgG）を反応させたところ、Fig. 1(b)のように6 aM（=10-18 mol/L）の超低濃度で特異的結合を確認すると共に、IgG濃度の増加およびNW細線化に伴う抵抗変化率の増加も確認できた。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 SiNW fabricated by EB lithography; (a) SEM image of SiNWs, (b) IgG detection results using SiNW biosensor.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
・共同研究者：群馬大学 大嶋紀安助教，帝京平成大学 和泉孝志教授，東京大学 坂田利弥准教授・科研費 萌芽「体液１滴中の多種生体物質を同時検出する超高感度Siナノワイヤバイオセンサの創製」，R2～5.・科研費 若手研究「Siナノワイヤの細線化とアスペクト比調整によるウイルス感染超早期診断の実現」，R3～5. ・JST 創発的研究支援事業「計算科学とナノ微細加工技術を駆使した超高感度Siナノワイヤバイオ センサシステムの創製」，R4～6.
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Hui Zhang, Estimation of the Depletion Layer Thickness in Silicon Nanowire-Based Biosensors from Attomolar-Level Biomolecular Detection, ACS Applied Materials & Interfaces, 15, 19892-19903(2023).
DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c00202
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- H. Zhang, M. Abe, F. Osawa, Y. Qiu, N. Ohshima, T. Kajisa, T. Sakata, T. Izumi and H. Sone, “The Possibility of Ultrasensitive Detection of Biomolecules using Silicon Nanowire Biosensor with Structural Optimization”, 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2023), Sapporo, Japan, 16P-1-91 (16th Nov., 2023).
- H. Sone, K. Arai, K. Wada, R. Kakinuma, A. Saito, H. Zhang and T. Sakata, “Fabrication of Ring-Shaped Multi-Biosensor for in vitro Embryo Evaluation and Measurement of Weight Detection Sensitivity”, 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2023), Sapporo, Japan, 16P-1-84 (16th Nov., 2023).
- 張慧，邱亜威，大澤郁弥，大嶋紀安，加治佐平，坂田利弥，和泉孝志，曾根逸人，“Siナノワイヤバイオセンサ空乏領域の推測による高感度化要因の解明”，第84回応用物理学会秋季学術講演会，21p-D902-4，熊本城ホール他，熊本 (2023.9.21).
- 大澤郁弥，張慧，邱亜威，板橋芽比子，大嶋紀安，加治佐平，坂田利弥，和泉孝志，曾根逸人，“Siナノワイヤバイオセンサ電気特性と検出感度の幅及び極性依存性”，第84回応用物理学会秋季学術講演会，21p-D902-5，熊本城ホール他，熊本 (2023.9.21).
- 和田圭祐，新井貫人，柿沼李帆，齋藤暁子，張慧，坂田利弥，曾根逸人，“体外受精卵評価のためのリング型マルチバイオセンサ作製と質量検出感度測定”，第84回応用物理学会秋季学術講演会，21p-D902-6，熊本城ホール他，熊本 (2023.9.21).
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件