AFM探針ナノミリングによるPDMSナノ流体チップの精密作製

概要

ポリジメチルシロキサン（PDMS）ナノ流体デバイスは医療、化学、生物センシングに不可欠である。本研究では、圧電アクチュエータの駆動電圧と周波数を調整することで100 nm以下のナノチャネルを任意の寸法で作製できる、新規かつコスト効率に優れたAFM探針ベースのナノミリング手法を提案する。ナノミリングとUVリソグラフィによるマイクロチャネル形成を組み合わせ、マイクロ・ナノチャネルが統合されたPDMSスラブを作製した。PDMS架橋剤比率がナノチャネル形状に及ぼす影響を系統的に検討し、作製チャネル内でのKCl溶液の電気伝導度を測定した。結果は、このアプローチがラベルフリー検出用途に適した高精度・多チャネルナノ流体チップを提供することを確認した。

背景

マイクロ・ナノ流体プラットフォームはDNA解析、細胞ソーティング、タンパク質研究、食品安全性、環境モニタリングの要である。ウイルス検出、ナノ粒子操作、イオン輸送研究に不可欠な100 nm以下チャネルの需要が高まる中、ナノチャネル寸法の精密制御が必須となっている。反応性イオンエッチング、フォトリソグラフィ、FIB、EBL、ナノインプリント、ホットエンボッシング、犠牲層モールディングなど従来手法には、分解能限界、高コスト、複雑なマスク変更などの欠点がある。特にAFM探針ナノミリングのような超精密加工法は、サブナノメートル精度、高速加工、環境要件の緩さでこれらを克服する。

AFMナノミリングは圧電アクチュエータで探針を円軌道駆動し、切削深さと幅を精密制御する。PMMAやPCでの実証例はあるが、PDMSナノ流体デバイスへの応用は未開拓だった。PDMSは優れた弾性体特性とマイクロ流体への広範な実績があり、再利用可能・使い捨て可能なナノ流体チップ作製に理想的である。本研究はAFMナノミリングとPDMS作製を統合し、制御可能なナノチャネルを作製してその電気特性を評価することでこのギャップを埋める。

実験方法

ナノミリングシステム構成

市販AFM（Dimension Icon、Bruker）と圧電アクチュエータ（P-122.01、PI）を組み合わせた。アクチュエータの±1 µm可動域を、Tektronix AFG1022増幅器からの正弦波信号（30–150 V、100 Hzまたは1500 Hz）で駆動する。厚さ100 nmのダイヤモンドコート、曲率半径10 nmの探針（DT-NCLR、Nanosensors）でミリングし、ばね定数68 N/mのシリコンカンチレバーでPSDを介して垂直荷重を計測する。PC基板（15×12×1 mm、Mw = 35,000）をエポキシホルダに固定した。

ナノチャネル・マイクロチャネルモールドの作製

PCナノチャネルモールドをAFMシステムでミリングする。探針は、x軸とy軸に90°位相差を持つ正弦波でアクチュエータを駆動することで円軌道を描く。駆動周波数（100 Hz、1500 Hz）と送り速度10 nm（1 µm/sまたは15 µm/s）で長さ80 µmのナノチャネルを作製。PSDセットポイントで垂直荷重（17 µN、25 µN）を制御し、探針を前進方向に向けてパイルアップを両側に堆積させ、リークを防止した。比較用に単一スクラッチ（垂直荷重25–58 µN）も実施した。

マイクロチャネルはSiウェハ上にSU-8フォトリソグラフィで作製：幅30 µm、中心間距離50 µmのU字チャネルを、SU-8 2015スピンコート、UV露光、現像で形成した。このマイクロチャネルモールド（図2a4）をPDMSで複製した。

マイクロチャネルとナノチャネルの転写印刷

PDMS（Sylgard 184）をマイクロチャネルモールドに（比率10:1）流し込み、80°Cで4時間硬化。剥離したレプリカをマイクロチャネル基板とした。ナノチャネル側では、PCモールドをプレミックス比（A-PDMS）9:1、7:1、5:1でキャストし硬化。得られたレプリカを第二PDMSスラブ（比率10:1、9:1、8:1）に押し当てナノ構造を転写した。二段階転写によりサブ100 nm寸法を維持しつつモールド損傷を低減した。真空脱泡で気泡を除去し、最終的に95°Cで接合してチップを密封した。

チップ接合

酸素プラズマ（32秒、81 W、1.5 mbar）でPDMS表面を活性化。単眼顕微鏡、精密ステージ、ホルダからなるカスタムアライメントシステムでマイクロ・ナノチャネル層を精密位置合わせ。接合アセンブリを95°Cで20分アニールし、封止されたリークフリーデバイスを得た。

結果と考察

圧電アクチュエータ軌道

アクチュエータ振幅は駆動電圧に比例し、高周波（1500 Hz）で振幅が大きくなる。ナノチャネル幅は350–690 nmの範囲で、精密な寸法制御が可能であることを確認した。

PC上のナノチャネルモールド

単一スクラッチでは幅と深さが垂直荷重増加とともに単調に増大（図4a）。一方ナノミリングでは非線形関係を示す：100 Hzでは深さが最初上昇後、弾性回復で減少するが、1500 Hzでは切削速度が材料のチップ形成閾値を超えるため深さが急増する（図4d）。幅は電圧増加とともに一貫して拡大し、同一荷重で1500 Hzの方が100 Hzより広いチャネルとなる（図4c）。AFM像（図5）は単一スクラッチで対称的パイルアップ、ナノミリングで非対称パイルアップを示し、探針の円運動と整合する。

ナノチャネルモールドの第一転写

単一スクラッチ（ナノチャネルI）とナノミリング（ナノチャネルII、III）で形成された壁を、PDMS比率5:1、7:1、9:1で転写した。壁は元の深さを維持するが、PDMSの柔軟性により幅方向に拡大し、最も硬い5:1で最も幅広くなる（図7）。この傾向は、硬いPDMSブレンドほど弾性回復が小さいことを反映する。

ナノチャネルモールドの第二転写

5:1の壁をマスターとし、第二転写をPDMS比率10:1、9:1、8:1で行い、最終ナノチャネル（A、B、C）を得た。深さはそれぞれ120 nm、80 nm、60 nm、幅は690 nm、680 nm、500 nmとなった（図8）。硬いブレンド（10:1）ほど深く広いチャネルとなり、柔らかいブレンド（8:1）では回復が大きく特徴が狭まる。

電気特性評価

各チップに4本のナノチャネルと1 mM KCl電解質を導入。電流-電圧曲線（図9）から、マイクロチャネル伝導度は全チップで同一だが、ナノチャネル伝導度は形状依存性を示した。チップA（60×500 nm）が最大電流を示し、最大の電気二重層オーバーラップによる。チップC（120×690 nm）が最小。チップBは高電場でオーム-制限-オーバーリミッティング挙動を示し、イオン輸送飽和を示唆する。これらの結果は作製ナノチャネルが機能的であり、寸法制御がデバイス性能に直結することを実証する。

結論

AFM探針ナノミリングを用いたサブ100 nm PDMSナノ流体チップのスケーラブルかつ低コストな作製法を確立した。精密ミリング、UVリソグラフィ、二段階PDMS転写、プラズマ接合を統合し、調整可能な寸法を持つ多チャネルデバイスを実現。電気テストでナノチャネルの機能性を検証し、形状がイオン伝導度に与える影響を示した。現在のAFMセットアップではチャネル長が約80 µmに限定されるが、本手法はバイオセンシングと分析用途向け高性能ナノ流体プラットフォームへの実用的道筋を提供する。