【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.23】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1064

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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

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,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,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,ナノワイヤー・ナノファイバー/ Nanowire/nanofiber

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，柿沼 李帆，西島 大貴，鈴木 翔太，岡本 遥流，小澤 晶

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-500：高速大面積電子線描画装置
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-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11 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）の条件最適化を進めると共に、有限要素解析によるシミュレーションで不純物濃度依存性を調査して、超高感度SiNW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、電子線描画装置等の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等を実施して、幅10.8 nm～155 nmのSiNWが形成できた。SiNW表面に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(a)のように6 aM（=10^-18 mol/L）の超低濃度で特異的結合が確認でき、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。さらなる高感度化を目指して、NW幅と不純物濃度を変化させた有限要素解析を実施したところ、Fig. 1(b)のようにNW幅の減少および不純物濃度の減少に伴う抵抗変化率の急激な増加が確認できた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 Resistance change ratio based on the characteristics of SiNW biosensor; (a) IgG detection results using SiNW biosensor, (b) Simulation results on the dependence of NW width and impurity concentration.

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.・【発表済み論文】Hui Zhang, The possibility of ultrasensitive detection of biomolecules using silicon nanowire biosensor with structural optimization, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 03SP85(2024). DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ad2b19

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)

1. Hui Zhang, Ultrasensitive Specific Detection of Anti-influenza A H1N1 Hemagglutinin Monoclonal Antibody Using Silicon Nanowire Field Effect Biosensors, ACS Applied Bio Materials, 8, 1038-1049(2025).
   DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.4c01263
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. H. Zhang, F. Osawa, H. Okamoto, Y. Qiu, Z. Liu, N. Ohshima, T. Kajisa, T. Sakata, T. Izumi, and H. Sone, “Ultrasensitive Specific Detection of Anti-influenza A H1N1 Hemagglutinin Monoclonal Antibody Using Silicon Nanowire Field Effect Biosensors”, 37th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2024), Kyoto, Japan, 14P-1-81 (14th Nov., 2024).
2. Y. Qiu, H. Zhang, F. Osawa, N. Ohshima, T. Kajisa, T. Sakata, T. Izumi and H. Sone, “Challenges in Forming Sub-10 nm Nanowires via Directed Self-Assembly for Future Applications in Silicon Nanowire Biosensor”, 37th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2024), Kyoto, Japan, 13B-2-5 (13th Nov., 2024).
3. 張慧，阿部真優菜，大澤郁弥，邱亜威，大嶋紀安，加治佐平，坂田利弥，和泉孝志，曾根逸人，“COMSOL 有限要素解析法を用いた高感度Si ナノワイヤバイオセンサの最適な構造の予測”，第85回応用物理学会秋季学術講演会，19a-C32-3，ホテル日航新潟他，新潟 (2024.9.19).

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