(57)【要約】本発明のナノグリッパーは、対向する一対のアーム７１、７１と、この一対のアーム７１、７１の先端部における対向面に、先端同士を対向させてそれぞれ形成された一対の突起部７２、７２とから構成されており、この突起部７２の先端が、５０ナノメートル以下の曲率である。また、この突起部７２は、シリコンの結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。そして、一対のアーム７１、７１の先端部同士を接近・離間させる、シリコン製の伸縮自在な一対の熱膨張アクチュエータ７５、７６が設けられている。
2003045838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、先端同士を対向させてそれぞれ形成された一対の突起部とからなり、該突起部の先端が、５０ナノメートル以下の曲率であることを特徴とするナノグリッパー。
【請求項２】
前記突起部が、シリコンの結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であることを特徴とする請求項１記載のナノグリッパー。
【請求項３】
前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のナノグリッパー。
【請求項４】
前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータであることを特徴とする請求項３記載のナノグリッパー。
【請求項５】
前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成されたことを特徴とする請求項４記載のナノグリッパー。
【請求項６】
絶縁層および（００１）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、前記シリコン層の表面に＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行することを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ナノグリッパーおよびその製造方法に関する。
ピンセットであれば一対のアームにより米粒や髪の毛などのミリオーダーの大きさのオブジェクトを摘んでハンドリングすることができるが、ＤＮＡや液晶パネル上のパーティクル、超集積回路基板上のパーティクル等、ナノオーダーの大きさのナノオブジェクトを摘むことはできない。ピンセットの先端部がナノオーダーで先鋭化されていないためである。本発明は、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる一対のアームを備えたナノグリッパーおよびその製造方法に関する。
背景技術
ナノグリッパーとして最低限要求される性能としては、取り扱うオブジェクトの大きさと同等あるいはそれ以下にまで、アームの先端部が先鋭化されているということが必要である。特にＤＮＡ等のナノオブジェクトをハンドリングするためには、ナノグリッパーのアームの先端部を５０ナノメートル以下に先鋭化しておく必要がある。かかる目的のナノグリッパーを製造する製造方法としては、カーボンナノチューブを原子間力顕微鏡用プローブの先端部に取りつける方法や、電子線堆積法、電界蒸発法、あるいはシリコンの異方性エッチングによって作製したシリコンナノワイヤーを利用するアクチュエータ一体化ツインプローブなどが知られている。
しかるに、従来のナノグリッパーおよびその製造方法には、以下の（ｉ）〜（ｉｖ）の問題がある。
（ｉ）従来のナノグリッパーは、カーボンナノチューブやシリコンナノワイヤーあるいは電子線堆積法、電界蒸着法によって製造されると、アームが細長い柱状構造となり、その先端部における曲げに対する強さは、長さの３乗に比例して曲げやすく（弱い力でも容易にたわみやすく）、さらに円形断面の場合は直径の４乗に反比例して曲げやすくなる。すなわち、ナノワイヤー構造のように細く長いものは、非常に曲げに対する強度が弱い。ＤＮＡや超集積回路製造基板上の微小パーティクル等は非常に小さく、飛散や乾燥を防ぐために溶液中で取り扱わなければならず、溶液中にナノグリッパーのアームの先端部を浸していると、溶液の粘性のためにアームの先端部のプローブ構造が変形してしまうという問題があった。
（ｉｉ）従来の電子線堆積法や電界蒸着堆積法によるナノグリッパーの製造方法によれば、個々の仕様に合ったナノグリッパーのアームを真空装置中で１本ずつ作製するため、制御性に優れたものを作製できるけれども、工業的な大量生産が困難である。しかも、従来の電子線堆積法等では、ナノオーダーの小さなアクチュエータを具備したナノグリッパーを製造することができないため、アームの先端部の間隔を精密に制御するのは困難であった。
（ｉｉｉ）アクチュエータ一体型ツインプローブは、市販されていない特殊な基板の作製工程を行う必要があり、さらにエッチング条件の超精密な管理を行ってプロープ構造が作製されるので、製造ステップが複雑すぎる。このエッチング管理が不充分であると、再現性、均一性のよい製造は不可能になり、工業的な大量生産に向かない。
（ｉｖ）高精度のリソグラフィによって、ナノグリッパーのアームの先端部をナノメートルオーダーの高い精度で先鋭化できるが、高精度のリソグラフィは高価である。
本発明はかかる事情に鑑み、高精度のリソグラフィを使用しなくても、アームの先端部に、先端がナノメートルオーダーの曲率で突起部を形成することができ、溶液中でＤＮＡ等を使用しても突起部のプローブ構造が変形せず、アームの突起部同士の間隔を精密に容易に制御でき、工業的な大量生産が容易で安価に製造できるナノグリッパーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項１のナノグリッパーは、対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、先端同士を対向させてそれぞれ形成された一対の突起部とからなり、該突起部の先端が、５０ナノメートル以下の曲率であることを特徴とする。
請求項２のナノグリッパーは、請求項１記載の発明において、前記突起部が、シリコンの結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であることを特徴とする。
請求項３のナノグリッパーは、請求項１または２記載の発明において、前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられていることを特徴とする。
請求項４のナノグリッパーは、請求項３記載の発明において、前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータであることを特徴とする。
請求項５のナノグリッパーは、請求項４記載の発明において、前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成されたことを特徴とする。
請求項６のナノグリッパーの製造方法は、絶縁層および（００１）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、前記シリコン層の表面に＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行することを特徴とする。
本発明において、（００１）面や（１００）面、（０１０）面等の記号は、結晶の結晶面を表わしており、（）内はミラー指数である。この記号の説明については、例えば森北出版株式会社出版の最新機械工学シリーズ５金属材料学第３版の６〜７ページ目に記載されている。
発明を実施するための最良の形態
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態のナノグリッパーの概略斜視図である。同図に示すように、本実施形態のナノグリッパーＧは、ベース１１の表面に、一対の絶縁部２２、２２を介して、左右一対のシリコンプローブ３５、３５がそれぞれ形成されたものであり、各シリコンプローブ３５はアーム７１を備えている。
前記一対のシリコンプローブ３５、３５の各アーム７１、７１において、それぞれの先端部における対向面には、突起部７２、７２がその先端同士を同一軸上に対向して形成されている。各突起部７２は、シリコン結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。シリコンプローブ３５のアクチュエータ７５、７６にはそれぞれ電極７５ｅ、７６ｅが形成されている。電極７５ｅ、７６ｅ間に通電すると、アクチュエータ７５、７６が熱膨張して伸長するので一対のアーム７１、７１がそれぞれヒンジ７３を中心に揺動して、開閉する。このため、突起部７２、７２間で物を掴むことができる。しかも、突起部７２の先端は、５０ナノメートル以下の曲率で先鋭化されているから、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを掴んだり離したりしてハンドリングすることができる。
つぎに、本発明のナノグリッパーの製造方法について説明する。
図２は、本発明のナノグリッパーの製造方法におけるフローチャートである。図４は本発明のナノグリッパーの製造ステップにおける説明図である。図２および図４（Ｉ）に示すように、本発明のナノグリッパーの製造方法における材料は、シリコン基板１０である。このシリコン基板１０は、ベース層１、絶縁層２および（００１）面方位を有するシリコン層３が順に積層されたものである。このシリコン基板１０としては、上下一対のシリコン層の間に、中間層として酸化シリコン層が形成された、いわゆるＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）が好適である。
なお、シリコン基板１０は、ＳＯＩ基板だけでなく、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスやポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板であってもよく、最上層が（００１）の面方位を有するシリコン層３であり、このシリコン層３の下面に絶縁層２が形成されているシリコン基板であれば、３層構造だけでなく、４層以上であってもよい。
ベース層１は、素材がＳｉ（１００）基板やＳｉ（１１１）基板、Ｓｉ（１１０）基板、ポリシリコン等のシリコンであり、その厚さは、約５００［μｍ］前後である。
なお、ベース層１の素材はシリコンだけでなく、ポリシリコンまたはガラスであってもよい。また、ベース層１の厚さは、１００〜１０００［μｍ］の範囲が好適である。
絶縁層２は、素材が酸化シリコンであり、その厚さは約２［μｍ］前後である。
なお、絶縁層２の厚さは０．１〜５［μｍ］の範囲が好適である。
シリコン層３は、素材がシリコンであり、その厚さが約３０［μｍ］前後である。しかも、このシリコン層３の表面は、（００１）の面方位を有したものである。このため、このシリコン層３を、水酸化カリウム水溶液でシリコンエッチングすれば、侵食中のシリコン層３の上面は（００１）面となり、侵食された部分のシリコン側壁にはシリコンの（１００）面が形成されるが、このシリコンエッチング処理の詳細については後述する。
ナノグリッパーＧを製造するには、まず、減圧ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤやスパッタ等の成膜装置によって、前記シリコン基板１０のシリコン層３の上面に、＜１００＞方向あるいは＜０１０＞方向に沿って、窒化シリコンのマスク膜４を成膜する（Ｓ１１）。マスク膜４はアモルファスであり、結晶方位を有しない。
つぎに、図４（ＩＩ）に示すように、スピンコーター等によって、マスク膜４の上面にフォトリソグラフィ用のレジスト膜５を形成する（Ｓ１２）。そして、図示しないが、フォトリソグラフィによって、幅が例えば７０μｍの線状マスクを作成し、この線状マスクをレジスト膜５の上面に置いて露光して、現像する。すると、図５（ＩＩＩ）に示すように、前記レジスト膜５が線状のレジスト５１となる。このレジスト５１の幅Ｗは前記線状マスクと同じ幅となる。
このレジスト５１の幅Ｗは、製造すべきナノグリッパーＧにおける突起部７２、７２間の間隔ｄを決める一つの重要なパラメータであり、シリコン層３の膜厚をｔとした場合、次式が成り立つ。
Ｗ＝２ｔ＋ｄ
よって、例えばｄ＝１０［μｍ］、ｔ＝３０［μｍ］の場合には、Ｗ＝７０［μｍ］となる。したがって、幅が７０［μｍ］のレジスト５１を形成させればよい。
この式で計算された幅Ｗの線状マスクを使用すればよい。
そして、露光装置によって、マスク膜４およびレジスト５１を露光する（Ｓ１３）。ついで、図５（ＩＶ）に示すように、エッチング装置（ＲＩＥ装置）によって、マスク膜４をエッチングする（Ｓ１４）。そして、マスク膜４にマスク剥離液を噴射すると、マスク剥離液によって、前記レジスト５１が載せられた部分以外のマスク膜４は除去され、シリコン層３の上面が露出し、レジスト５１の下面には、線状のマスク４１のみが残る。このマスク４１の幅は、前記線状マスクやレジスト５１と同じ幅となる。レジスト５１にレジスト剥離液を噴射すると、このレジスト５１が剥離して除去される（Ｓ１５）。このため、マスク４１の上面が露出する。
ついで、図６（Ｖ）に示すように、スピンコーターによって、マスク４１と同じ厚みで、シリコン層３の表面にレジスト膜６を形成する（Ｓ１６）。
つぎに、図示しないが、製造すべきナノグリッパーとマスク４１とを組み合わせた形状と同じ形状のフォトリソグラフィ用マスクを、ナノグリッパーのアームとなるべき原アーム部分がマスク４１の左右両側に位置するように、レジスト膜６の上面に載せる。このフォトリソグラフィ用マスクを作るには、マスクの外形線をＣＡＤソフトで描いておき、マスク作製用の装置でこの図形をマスクシートに描きこめばよい。そして、フォトリソグラフィ装置により紫外線を照射するとフォトリソグラフィ用マスク上の図形が、前記レジスト膜６の表面に転写される。
このため、図６（ＶＩ）に示すように、シリコン層３の表面に、マスク４１を挟んで、製造すべきシリコンプローブ３５、３５とほぼ同じ形状の一対のレジスト６１、６１が左右対称に形成される。
一対のレジスト６１、６１、マスク４１およびシリコン層３の表面を、露光装置によって露光する（Ｓ１７）。マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下部分以外のシリコン層３は除去され、マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下部分には、マスク４１および一対のレジスト６１、６１が組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパー３１となって残る。そして、深堀りＲＩＥと呼ばれるＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、一対のレジスト６１、６１をエッチングする（Ｓ１８）。ついで、レジスト剥離液によって、一対のレジスト６１、６１を除去すると、図７（ＶＩＩ）に示すように、原ナノグリッパー３１およびマスク４１が露出する（Ｓ１９）。
図７（ＶＩＩＩ）に示すように、酸化炉によって熱酸化させると、原ナノグリッパー３１の露出面は、熱酸化して酸化シリコン膜３２が形成される（Ｓ２０）。図１２に示すように、マスク４１の下面部分における原ナノグリッパー３１は、酸化せずに細長い非酸化シリコン部３３となる。この非酸化シリコン部３３の幅は、前記マスク４１と同じ幅である。
そして、エッチング装置によって、前記マスク４１をエッチングして除去すると（Ｓ２１）、図８（ＩＸ）に示すように、前記非酸化シリコン部３３の上面が露出する。このため、原ナノグリッパー３１の露出部のうち、非酸化シリコン部３３はシリコン面であるが、非酸化シリコン部３３以外の露出部分の表面には酸化シリコン膜３２が形成されているのである。原ナノグリッパー３１において、アームとなる予定の部分を原アーム部分３１Ａで示す。この原アーム部分３１Ａでは、中央部は非酸化シリコン部３３であり、その左右両側は酸化シリコン膜３２、３２が形成されている。
つぎに、水酸化カリウムエッチングバスによって、非酸化シリコン部３３に、例えば３０［ｗｔ．％］の水酸化カリウム水溶液にエッチング液を投入してシリコンエッチングすると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食されていく。
すると、図８（ＩＸ）および図１３に示すように、原ナノグリッパー３１の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２並びに非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によって、漕状のエッチング穴９が構成される。このエッチング穴９は、侵食中の非酸化シリコン部３３における上面の（００１）面、酸化シリコン膜の（１００）面並びにシリコン壁面の（０１０）面で囲まれている。エッチング液は、水酸化カリウム水溶液であるから、シリコン（１００）面がシリコン（１１１）面より速くエッチングでき、エッチングが進むと、図１４に示すように、エッチング穴９の左右両隅部には、シリコンの結晶が突起部７２として析出する。このシリコン結晶は、エッチング穴９の前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにして析出するので、シリコン（１１１）面が露出する。このため、突起部７２は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。つまり、図８（Ｘ）および図１３に示すように、エッチング穴９の長手方向の中心を境として、左右一対のアーム７１、７１の間に、突起部７２が形成される。酸化シリコン膜３２が（１００）の面方位を有しているから、酸化シリコン膜３２の上面に対して５４．７°の角度で、突起部７２が析出する。
上述のように、アーム７１の先端部に、突起部７２が形成される。しかも、突起部７２は、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２の（１００）面に沿って形成されるので、突起部７２、７２はその先端が対向して形成されるのである。
図３は図２に続く本実施形態のナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。図３および図９（ＸＩＩ）に示すように、真空蒸着装置あるいはスパッタリング装置によって、基板１０の裏面、すなわちベース層１の裏面にアルミニウムを蒸着してアルミニウム膜８を形成させ、スピンコーターによって、アルミニウム膜８にレジスト膜９を形成させる（Ｓ３１）。
図示しないが、製造すべきベース１１と同形状のマスクをレジスト膜９に載置する。そして、レジストを現像すると、マスクの下部分以外のレジスト膜９およびアルミニウム膜８が除去され、マスクの下部分には図１０（ＸＩＩＩ）のように、レジスト９１およびアルミニウム膜８１が残る。
図１０（ＸＩＩＩ）に示すように、露光装置でベース層１およびレジスト９１を露光する（Ｓ３２）。そして、リン酸エッチングバスによって、リン酸でアルミニウム膜８１をエッチングする（Ｓ３３）。すると、レジスト９１が除去される
図１０（ＸＩＶ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によってエッチングすると、アルミニウム膜８１の下面以外のベース層１が除去される。アルミニウム膜８１の下面にはベース層１１が残る。（Ｓ３４）。
図１１（ＸＶ）に示すように、最後にＢＨＦエッチングバスによって、フッ化水素バスで酸化シリコンをエッチングすると、シリコンプローブ３５の表面の全ての二酸化シリコン膜３２が除去される。
上記のごときステップを順に実行することによって、本実施形態のナノグリッパーＧを製造することができるのである。
つぎに、本発明のナノグリッパーの製造方法における作用効果を説明する。
上記のごとく、本発明のナノグリッパーの製造方法によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパー３１の原アーム部分３１Ａにおいて、原アーム部分３１Ａの端面並びに上面におけるマスク４１を挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜３２が形成され、上面のマスクされている部分酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン部３３として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスク４１を除去して非酸化シリコン部３３を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパー３１の原アーム部分３１Ａの端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２、非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴９が構成される。エッチングが進むと、このエッチング穴９における左右両隅部に、前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部７２が形成される。この突起部７２は、（１００）面、（０１０）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部７２は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアーム７１、７１の先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜３２が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアーム７１の下面にある絶縁層２を除去することができる。したがって、突起部７２の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部７２は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部７２の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
よって、製造されたナノグリッパーＧはＤＮＡや細胞等の非常に小さなナノオブジェクトのハンドリングに適している。また、突起部７２が５０ナノメートル以下に先鋭化されているので、被測定物質と同程度の大きさになるため、カーボンナノチューブやナノ結晶等の電気特性の測定が可能になる。
さて、製造されたナノグリッパーＧを詳細に説明する。
再び図１に示すように、ベース１１の表面に、左右一対のシリコンプローブ３５、３５がそれぞれ一対の絶縁部２２、２２を介して形成されたものである。
ベース１１の大きさは、幅５［ｍｍ］×奥行１０［ｍｍ］×高さ０．５［ｍｍ］前後であるが、これらの値は、単なる例示に過ぎず、用途に応じて任意の値を設定しうる。
各絶縁部２２は、厚さが２［μｍ］の酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから構成されており、各酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃは、酸化シリコンのみを素材としているので絶縁材として機能する。
つぎに、シリコンプローブ３５を説明する。
左右一対のシリコンプローブ３５、３５は左右対称の形状である。このシリコンプローブ３５は、その素材がシリコンであるから導電性があり、通電により熱膨張する。このシリコンプローブ３５は、アーム７１、突起部７２、ヒンジ７３、支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６が一体に構成されたものである。
アーム７１の大きさは、幅２５０［μｍ］×長さ１２５０［μｍ］程度である。このアーム７１の先端部における対向面には、突起部７２が形成されている。アーム７１および突起部７２の下面には、絶縁部２２が形成されていないから、アーム７１は左右に揺動しやすい。
この突起部７２は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であり、その先端は尖っている。左右一対の突起部７２、７２の先端同士は、互いに対向しており、突起部７２、７２間の間隔は１０［μｍ］である。
アーム７１の基端面には、細いヒンジ７３を介して、支持部７４が形成されている。このため、アーム７１に左右の力が加わると、ヒンジ７３は撓み、アーム７１は左右に揺動する。
アーム７１の側面部から一対のアクチュエータ７５、７６が伸びており、いずれもＬ字状である。アクチュエータ７５、７６の基端部には電極７５ｅ、７６ｅが形成されている。
前記支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６は、それぞれ酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃを介して第１シリコン層１１の上面に形成されている。
電極７５ｅ、７６ｅの間に電源を印加し、電流を流すと、アクチュエータ７５、７６はジュール熱により熱膨張し、アーム７１はアクチュエータ７５、７６に押されるので、ヒンジ７３は撓んで、アーム７１は揺動する。
このため、左右両方のシリコンプローブ３５、３５におけるそれぞれの電極７５ｅ、７６ｅ間に電源をそれぞれ印加し、電流を流すと、一対の突起部７２、７２間の間隙は狭くなる。よって、突起部７２、７２によって、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを掴んだり離したりしてハンドリングすることができるのである。
なお、本実施形態のナノグリッパーＧは、アクチュエータは１方向のみに移動するものであるが、もう１つアクチュエータを導入し、２軸方向に自由にプローブが移動できるようにしてもよい。また、アクチュエータとして静電型アクチュエータ、圧電型アクチュエータを用いてもよい。
また、図１５に示すように、アクチュエータをピエゾアクチュエータとしてもよい。このピエゾアクチュエータは、電圧で微小変位を制御でき、熱的なドリフトもないので微小量の位置決めに好適である。
さらに、図１６に示すように、アクチュエータを静電力による静電アクチュエーターにしてもよい。この場合、プロープと一体化して形成しやすく、静電容量を求めることによって、変位量を測定することができるので好適である。
産業上の利用可能性
請求項１の発明によれば、一対のアームにおける突起部の先端同士は対向しており、各突起部は５０ナノメートル以下の曲率であるから、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項２の発明によれば、突起部がシリコンの結晶なので固く、アームの先端部を溶液中を浸しても突起部のプローブ構造が変形しない。しかも、突起部の先端は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点であるから、５０ナノメートル以下の曲率である。このため、溶液中でＤＮＡを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項３の発明によれば、アクチュエータを伸縮させることで、一対のアームの先端部は接近離間する。このため、一対のアームの突起部によって、ナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項４の発明によれば、発熱量を調整することにより、熱膨張アクチュエータの伸縮量を調整することができるから、アームの摘力を容易に調整することができる。
請求項５の発明によれば、熱膨張アクチュエータをナノグリッパー本体と同一シリコン基板内に一体形成することが可能なので、工業的な大量生産が容易であり、安価に製造できる。また、一対の電極間に通電する電流を調整することにより、シリコン製の伸縮アームの伸長量を調整し、アームの摘力を調整することができるので、摘力調整が簡単であり、しかも、一対のアームにおける突起部同士の間隔を精密に容易に制御できる。
請求項６の発明によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパーの原アーム部分において、その端面並びに上面におけるマスクを挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜が形成され、上面のマスクされている部分は酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン部として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスクを除去して非酸化シリコン部を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパーの原アーム部分の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部の上面、原アーム部分の端面に形成された酸化シリコン膜並びに非酸化シリコン部が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴が構成される。このエッチング穴は、侵食中の非酸化シリコン部における上面の（００１）面、酸化シリコン膜の（１００）面並びにシリコン壁面の（０１０）面で囲まれている。エッチングが進むと、エッチング穴の左右両隅部に、前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部が形成される。この突起部は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアームの先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアームの下面にある絶縁層を除去することにより、ナノグリッパーを製造することができる。したがって、突起部の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
【図面の簡単な説明】
図１は、ナノグリッパーＧの概略斜視図である。
図２は、ナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。
図３は、図２に続く本実施形態のナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。
図４は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（Ｉ）、（ＩＩ）の説明図である。
図５は、本実施形態のナノグリッパーＧの製造ステップ（ＩＩＩ）、（ＩＶ）の説明図である。
図６は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（Ｖ）、（ＶＩ）の説明図である。
図７は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（ＶＩＩ）、（ＶＩＩＩ）の説明図である。
図８は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（ＩＸ）、（Ｘ）の説明図である。
図９は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（ＸＩＩ）の説明図である。
図１０は、ナノグリッパーＧの製造ステップ（ＸＩＩＩ）、（ＸＩＶ）の説明図である。
図１１は、ナノグリッパーＧにおける製造ステップ（ＸＶ）の説明図である。
図１２は、図７のＸＩＩＡ−ＸＩＩＡ線断面図、図１２（Ｂ）は図７のＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線断面図である。
図１３は、原アーム部分３１Ａの斜視拡大図である。
図１４は、突起部７２が形成されるときの説明図である。
図１５は、他の実施形態のナノグリッパーにおける説明図である。
図１６は、他の実施形態のナノグリッパーにおける説明図である。
【図１】
2003045838.tif 000003
【図２】
2003045838.tif 000004
【図３】
2003045838.tif 000005
【図４】
2003045838.tif 000006
【図５】
2003045838.tif 000007
【図６】
2003045838.tif 000008
【図７】
2003045838.tif 000009
【図８】
2003045838.tif 000010
【図９】
2003045838.tif 000011
【図１０】
2003045838.tif 000012
【図１１】
2003045838.tif 000013
【図１２】
2003045838.tif 000014
【図１３】
2003045838.tif 000015
【図１４】
2003045838.tif 000016
【図１５】
2003045838.tif 000017
【図１６】
2003045838.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月15日(2004.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部が一のベースに固定された対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に形成された一対の突起部とを備えたナノグリッパーであって、前記一対の突起部が、前記一対のアームの対向面間に配置された一のシリコン結晶を、その（１００）面と平行かつ前記一対のアームの対向面と直交する酸化シリコン膜を形成した状態において、エッチングすることによって形成されたものであることを特徴とするナノグリッパー。
【請求項２】
前記一対の突起部が、シリコンの結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であることを特徴とする請求項１記載のナノグリッパー。
【請求項３】
前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のナノグリッパー。
【請求項４】
前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータであることを特徴とする請求項３記載のナノグリッパー。
【請求項５】
前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成されたことを特徴とする請求項４記載のナノグリッパー。
【請求項６】
絶縁層および（００１）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、前記シリコン層の表面に＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行することを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
【請求項７】
一のベースに固定された一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、一対の突起部とを備えたナノグリッパーの製造方法であって、表面が（００１）面方位を有するシリコン層を備えたベースにおいて、前記シリコン層の表面に、＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するマスク形成ステップと、前記マスクをその幅方向から挟み、その先端面が、（１００）面方位を有しかつ前記マスクの先端を同一面内に含むように原ナノグリッパーを前記シリコン層に形成する原ナノグリッパー形成ステップと、該原ナノグリッパーが形成された前記シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成させる酸化シリコン膜形成ステップと、前記マスクを除去し、該マスクによって被覆されていた非酸化シリコン部をエッチングするエッチングステップとを順に実行することを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
【請求項８】
前記一対のアームと前記一対の突起部が、一つの基礎シリコン結晶から形成されたものであり、該基礎シリコン結晶の（００１）面方位を有する面に、その軸方向が＜０１０＞方向と平行な細長い非酸化シリコン部を備えた酸化シリコン膜を形成した状態で、該基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載のナノグリッパー。
【請求項９】
前記細長い非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位を有する面となるよう形成されたものであることを特徴とする請求項８記載のナノグリッパー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
比例して曲げやすくなる。すなわち、ナノワイヤー構造のように細く長いものは、非常に曲げに対する強度が弱い。ＤＮＡや超集積回路製造基板上の微小パーティクル等は非常に小さく、飛散や乾燥を防ぐために溶液中で取り扱わなければならず、溶液中にナノグリッパーのアームの先端部を浸していると、溶液の粘性のためにアームの先端部のプローブ構造が変形してしまうという問題があった。
（ｉｉ）従来の電子線堆積法や電界蒸着堆積法によるナノグリッパーの製造方法によれば、個々の仕様に合ったナノグリッパーのアームを真空装置中で１本ずつ作製するため、制御性に優れたものを作製できるけれども、工業的な大量生産が困難である。しかも、従来の電子線堆積法等では、ナノオーダーの小さなアクチュエータを具備したナノグリッパーを製造することができないため、アームの先端部の間隔を精密に制御するのは困難であった。
（ｉｉｉ）アクチュエータ一体型ツインプローブは、市販されていない特殊な基板の作製工程を行う必要があり、さらにエッチング条件の超精密な管理を行ってプロープ構造が作製されるので、製造ステップが複雑すぎる。このエッチング管理が不充分であると、再現性、均一性のよい製造は不可能になり、工業的な大量生産に向かない。
（ｉｖ）高精度のリソグラフィによって、ナノグリッパーのアームの先端部をナノメートルオーダーの高い精度で先鋭化できるが、高精度のリソグラフィは高価である。
本発明はかかる事情に鑑み、高精度のリソグラフィを使用しなくても、アームの先端部に、先端がナノメートルオーダーの曲率で突起部を形成することができ、溶液中でＤＮＡ等を使用しても突起部のプローブ構造が変形せず、アームの突起部同士の間隔を精密に容易に制御でき、工業的な大量生産が容易で安価に製造できるナノグリッパーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求項１のナノグリッパーは、基端部が一のベースに固定された対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に形成された一対の突起部とを備えたナノグリッパーであって、前記一対の突起部が、前記一対のアームの対向面間に配置された一のシリコン結晶を、その（１００）面と平行かつ前記一対のアームの対向面と直交する酸化シリコン膜を形成した状態において、エッチングすることによって形成されたものであることを特徴とする。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
請求項２のナノグリッパーは、請求項１記載の発明において、前記一対の突起部が、シリコンの結晶であり、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であることを特徴とする。
請求項３のナノグリッパーは、請求項１または２記載の発明において、前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられていることを特徴とする。
請求項４のナノグリッパーは、請求項３記載の発明において、前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータであることを特徴とする。
請求項５のナノグリッパーは、請求項４記載の発明において、前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成されたことを特徴とする。
請求項６のナノグリッパーの製造方法は、絶縁層および（００１）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、前記シリコン層の表面に＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行することを特徴とする。
請求項７のナノグリッパーの製造方法は、一のベースに固定された一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、一対の突起部とを備えたナノグリッパーの製造方法であって、表面が（００１）面方位を有するシリコン層を備えたベースにおいて、前記シリコン層の表面に、＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するマスク形成ステップと、前記マスクをその幅方向から挟み、その先端面が、（１００）面方位を有しかつ前記マスクの先端を同一面内に含むように原ナノグリッパーを前記シリコン層に形成する原ナノグリッパー形成ステップと、該原ナノグリッパーが形成された前記シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成させる酸化シリコン膜形成ステップと、前記マスクを除去し、該マスクによって被覆されていた非酸化シリコン部をエッチングするエッチングステップとを順に実行することを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
請求項８のナノグリッパーは、請求項１または２記載の発明において、前記一対のアームと前記一対の突起部が、一つの基礎シリコン結晶から形成されたものであり、該基礎シリコン結晶の（００１）面方位を有する面に、その軸方向が＜０１０＞方向と平行な細長い非酸化シリコン部を備えた酸化シリコン膜を形成した状態で、該基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすることによって形成されたものであることを特徴とする。
請求項９のナノグリッパーは、請求項８記載の発明において、前記細長い非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位を有する面となるよう形成されたものであることを特徴とする。
本発明において、（００１）面や（１００）面、（０１０）面等の記号は、結晶の結晶面を表わしており、（）内はミラー指数である。この記号の説明については、例えば森北出版株式会社出版の最新機械工学シリーズ５金属材料学第３版の６〜７ペー


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
スク４１と同じ幅である。
そして、エッチング装置によって、前記マスク４１をエッチングして除去すると（Ｓ２１）、図８（ＩＸ）に示すように、前記非酸化シリコン部３３の上面が露出する。このため、原ナノグリッパー３１の露出部のうち、非酸化シリコン部３３はシリコン面であるが、非酸化シリコン部３３以外の露出部分の表面には酸化シリコン膜３２が形成されているのである。原ナノグリッパー３１において、アームとなる予定の部分を原アーム部分３１Ａで示す。この原アーム部分３１Ａでは、中央部は非酸化シリコン部３３であり、その左右両側は酸化シリコン膜３２、３２が形成されている。
つぎに、水酸化カリウムエッチングバスによって、非酸化シリコン部３３に、例えば３０［ｗｔ．％］の水酸化カリウム水溶液をエッチング液として投入してシリコンエッチングすると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食されていく。
すると、図８（ＩＸ）および図１３に示すように、原ナノグリッパー３１の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２並びに非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によって、漕状のエッチング穴９が構成される。このエッチング穴９は、侵食中の非酸化シリコン部３３における上面の（００１）面、酸化シリコン膜の（１００）面並びにシリコン壁面の（０１０）面で囲まれている。エッチング液は、水酸化カリウム水溶液であるから、シリコン（１００）面がシリコン（１１１）面より速くエッチングでき、エッチングが進むと、図１４に示すように、エッチング穴９の左右両隅部には、シリコンの結晶が突起部７２として析出する。このシリコン結晶は、エッチング穴９の前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにして析出するので、シリコン（１１１）面が露出する。このため、突起部７２は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。つまり、図８（Ｘ）および図１３に示すように、エッチング穴９の長手方向の中心を境として、左右一対のアーム７１、７１の間に、突起部７２が形成される。酸化シリコン膜３２が（１００）の面方位を有しているから、酸化シリコン膜３２の上面に対して５４．７°の角度で、突起部７２が析出する。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上述のように、アーム７１の先端部に、突起部７２が形成される。しかも、突起部７２は、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２の（１００）面に沿って形成されるので、突起部７２、７２はその先端が対向して形成されるのである。
図３は図２に続く本実施形態のナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。図３および図９（ＸＩＩ）に示すように、真空蒸着装置あるいはスパッタリング装置によって、基板１０の裏面、すなわちベース層１の裏面にアルミニウムを蒸着してアルミニウム膜８を形成させ、スピンコーターによって、アルミニウム膜８にレジスト膜９を形成させる（Ｓ３１）。
図示しないが、製造すべきベース１１と同形状のマスクをレジスト膜９に載置する。そして、レジストを現像すると、マスクの下部分以外のレジスト膜９およびアルミニウム膜８が除去され、マスクの下部分には図１０（ＸＩＩＩ）のように、レジスト９１およびアルミニウム膜８１が残る。
図１０（ＸＩＩＩ）に示すように、露光装置でベース層１およびレジスト９１を露光する（Ｓ３２）。そして、リン酸エッチングバスによって、リン酸でアルミニウム膜８１をエッチングする（Ｓ３３）。すると、レジスト９１が除去される
図１０（ＸＩＶ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によってエッチングすると、アルミニウム膜８１の下面以外のベース層１が除去される。アルミニウム膜８１の下面にはベース層１１が残る。（Ｓ３４）。
図１１（ＸＶ）に示すように、最後にＢＨＦエッチングバスによって、フッ化水素バスで酸化シリコンをエッチングすると、シリコンプローブ３５の表面の全ての酸化シリコン膜３２が除去される。
上記のごときステップを順に実行することによって、本実施形態のナノグリッパーＧを製造することができるのである。
つぎに、本発明のナノグリッパーの製造方法における作用効果を説明する。
上記のごとく、本発明のナノグリッパーの製造方法によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパー３１の原アーム部分３１Ａにおいて、原アーム部分３１Ａの端面並びに上面におけるマスク４１を挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜３２が形成され、上面のマスクされている部分酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
部３３として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスク４１を除去して非酸化シリコン部３３を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパー３１の原アーム部分３１Ａの端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分３１Ａの端面に形成された酸化シリコン膜３２、非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴９が構成される。エッチングが進むと、このエッチング穴９における左右両隅部に、前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部７２が形成される。この突起部７２は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部７２は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアーム７１、７１の先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜３２が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアーム７１の下面にある絶縁層２を除去することができる。したがって、突起部７２の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部７２は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部７２の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
よって、製造されたナノグリッパーＧはＤＮＡや細胞等の非常に小さなナノオブジェクトのハンドリングに適している。また、突起部７２が５０ナノメートル以下に先鋭化されているので、被測定物質と同程度の大きさになるため、カーボンナノチューブやナノ結晶等の電気特性の測定が可能になる。
さて、製造されたナノグリッパーＧを詳細に説明する。
再び図１に示すように、ベース１１の表面に、左右一対のシリコンプローブ３５、３５がそれぞれ一対の絶縁部２２、２２を介して形成されたものである。
ベース１１の大きさは、幅５［ｍｍ］×奥行１０［ｍｍ］×高さ０．５［ｍｍ］前後であるが、これらの値は、単なる例示に過ぎず、用途に応じて任意の値を設定しうる。
各絶縁部２２は、厚さが２［μｍ］の酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから構成されており、各酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃは、酸化シリコンのみを素材として


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
いるので絶縁材として機能する。
つぎに、シリコンプローブ３５を説明する。
左右一対のシリコンプローブ３５、３５は左右対称の形状である。このシリコンプローブ３５は、その素材がシリコンであるから導電性があり、通電により熱膨張する。このシリコンプローブ３５は、アーム７１、突起部７２、ヒンジ７３、支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６が一体に構成されたものである。
アーム７１の大きさは、幅２５０［μｍ］×長さ１２５０［μｍ］程度である。このアーム７１の先端部における対向面には、突起部７２が形成されている。アーム７１および突起部７２の下面には、絶縁部２２が形成されていないから、アーム７１は左右に揺動しやすい。
この突起部７２は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であり、その先端は尖っている。左右一対の突起部７２、７２の先端同士は、互いに対向しており、突起部７２、７２間の間隔は１０［μｍ］である。
アーム７１の基端面には、細いヒンジ７３を介して、支持部７４が形成されている。このため、アーム７１に左右の力が加わると、ヒンジ７３は撓み、アーム７１は左右に揺動する。
アーム７１の側面部から一対のアクチュエータ７５、７６が伸びており、いずれもＬ字状である。アクチュエータ７５、７６の基端部には電極７５ｅ、７６ｅが形成されている。
前記支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６は、それぞれ酸化シリコン層２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃを介してベース１１の上面に形成されている。
電極７５ｅ、７６ｅの間に電源を印加し、電流を流すと、アクチュエータ７５、７６はジュール熱により熱膨張し、アーム７１はアクチュエータ７５、７６に押されるので、ヒンジ７３は撓んで、アーム７１は揺動する。
このため、左右両方のシリコンプローブ３５、３５におけるそれぞれの電極７５ｅ、７６ｅ間に電源をそれぞれ印加し、電流を流すと、一対の突起部７２、７２間の間


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
隙は狭くなる。よって、突起部７２、７２によって、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを掴んだり離したりしてハンドリングすることができるのである。
なお、本実施形態のナノグリッパーＧは、アクチュエータは１方向のみに移動するものであるが、もう１つアクチュエータを導入し、２軸方向に自由にプローブが移動できるようにしてもよい。また、アクチュエータとして静電型アクチュエータ、圧電型アクチュエータを用いてもよい。
また、図１５に示すように、アクチュエータをピエゾアクチュエータとしてもよい。このピエゾアクチュエータは、電圧で微小変位を制御でき、熱的なドリフトもないので微小量の位置決めに好適である。
さらに、図１６に示すように、アクチュエータを静電力による静電アクチュエーターにしてもよい。この場合、プロープと一体化して形成しやすく、静電容量を求めることによって、変位量を測定することができるので好適である。
産業上の利用可能性
請求項１の発明によれば、一対の突起部がシリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜に沿って形成されるので、その先端同士を同一軸上に対向させた状態で形成することができる。よって、一対のアームの先端部を接近させれば、一対のアームに形成されている突起部が接近するから、一対のアームの突起部によってＤＮＡ等のナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項２の発明によれば、突起部がシリコンの結晶なので固く、アームの先端部を溶液中を浸しても突起部のプローブ構造が変形しない。しかも、突起部の先端は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点であるから、５０ナノメートル以下の曲率である。このため、溶液中でＤＮＡを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項３の発明によれば、アクチュエータを伸縮させることで、一対のアームの先端部は接近離間する。このため、一対のアームの突起部によって、ナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項４の発明によれば、発熱量を調整することにより、熱膨張アクチュエータの伸縮量を調整することができるから、アームの摘力を容易に調整することができる。
請求項５の発明によれば、熱膨張アクチュエータをナノグリッパー本体と同一シ


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
リコン基板内に一体形成することが可能なので、工業的な大量生産が容易であり、安価に製造できる。また、一対の電極間に通電する電流を調整することにより、シリコン製の伸縮アームの伸長量を調整し、アームの摘力を調整することができるので、摘力調整が簡単であり、しかも、一対のアームにおける突起部同士の間隔を精密に容易に制御できる。
請求項６の発明によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパーの原アーム部分において、その端面並びに上面におけるマスクを挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜が形成され、上面のマスクされている部分は酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン部として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスクを除去して非酸化シリコン部を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパーの原アーム部分の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部の上面、原アーム部分の端面に形成された酸化シリコン膜並びに非酸化シリコン部が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴が構成される。このエッチング穴は、侵食中の非酸化シリコン部における上面の（００１）面、酸化シリコン膜の（１００）面並びにシリコン壁面の（０１０）面で囲まれている。エッチングが進むと、エッチング穴の左右両隅部に、前記（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部が形成される。この突起部は、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアームの先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアームの下面にある絶縁層を除去することにより、ナノグリッパーを製造することができる。したがって、突起部の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
請求項７の発明によれば、シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすれば、（００１）面、（１００）面、（０１０）面で囲まれたエッチング穴が形成される。このとき、シリコン結晶は、エッチング穴の（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにして析出するので、エッチング穴の（１００）面および（０１０）面によって形成される角に、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐が形成される。しかも、シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成すれば、非酸化シリコン部および原ナノグリッパーの先端面にはシリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜が形成される。このため、一対の突起部が前記シリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜に沿って形成されるので、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。よって、一対の突起部の先端が同一軸上かつ対向するナノグリッパを製造することができる。
請求項８の発明によれば、基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすれば、（００１）面、（１００）面、（０１０）面で囲まれたエッチング穴が形成される。このとき、基礎シリコン結晶は、エッチング穴の（００１）面、（１００）面および（０１０）面を頼りにして析出するので、エッチング穴の（１００）面および（０１０）面によって形成される角に、（１００）面、（００１）面および（１１１）面で構成された頂点を備えた三角錐が形成される。よって、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。
請求項９の発明によれば、一対の突起部を、その一面が（１００）面方位を有するように形成することができるので、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。




【手続補正書】
【提出日】平成16年9月9日(2004.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部が一のベースに固定された対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に形成された一対の突起部とを備えたナノグリッパーであって、
前記一対の突起部が、
前記一対のアームの対向面間に配置された一のシリコン結晶を、その（１００）面と平行かつ前記一対のアームの対向面と直交する酸化シリコン膜を形成した状態において、エッチングすることによって形成されたものである
ことを特徴とするナノグリッパー。
【請求項２】
前記一対の突起部が、シリコンの結晶であり、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である
ことを特徴とする請求項１記載のナノグリッパー。
【請求項３】
前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられている
ことを特徴とする請求項１または２記載のナノグリッパー。
【請求項４】
前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータである
ことを特徴とする請求項３記載のナノグリッパー。
【請求項５】
前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成された
ことを特徴とする請求項４記載のナノグリッパー。
【請求項６】
前記一対のアームと前記一対の突起部が、一つの基礎シリコン結晶から形成されたものであり、
該基礎シリコン結晶の（００１）面方位を有する面に、その軸方向が＜０１０＞方向と平行な細長い非酸化シリコン部を備えた酸化シリコン膜を形成した状態で、該基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすることによって形成されたものである
ことを特徴とする請求項１または２記載のナノグリッパー。
【請求項７】
前記細長い非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位を有する面となるよう形成されたものである
ことを特徴とする請求項６記載のナノグリッパー。
【請求項８】
絶縁層および（001 ）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、
前記シリコン層の表面に＜010 ＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、
前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、
前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、
前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、
前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、
前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、
前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、
前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行する
ことを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
【請求項９】
一のベースに固定された一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、一対の突起部とを備えたナノグリッパーの製造方法であって、
表面が（００１）面方位を有するシリコン層を備えたベースにおいて、前記シリコン層の表面に、＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するマスク形成ステップと、
前記マスクをその幅方向から挟み、その先端面が、（１００）面方位を有しかつ前記マスクの先端を同一面内に含むように原ナノグリッパーを前記シリコン層に形成する原ナノグリッパー形成ステップと、
該原ナノグリッパーが形成された前記シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成させる酸化シリコン膜形成ステップと、
前記マスクを除去し、該マスクによって被覆されていた非酸化シリコン部をエッチングするエッチングステップとを順に実行する
ことを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノグリッパーおよびその製造方法に関する。ピンセットであれば一対のアームにより米粒や髪の毛などのミリオーダーの大きさのオブジェクトを摘んでハンドリングすることができるが、ＤＮＡや液晶パネル上のパーティクル、超集積回路基板上のパーティクル等、ナノオーダーの大きさのナノオブジェクトを摘むことはできない。ピンセットの先端部がナノオーダーで先鋭化されていないためである。本発明は、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる一対のアームを備えたナノグリッパーおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノグリッパーとして最低限要求される性能としては、取り扱うオブジェクトの大きさと同等あるいはそれ以下にまで、アームの先端部が先鋭化されているということが必要である。特にＤＮＡ等のナノオブジェクトをハンドリングするためには、ナノグリッパーのアームの先端部を５０ナノメートル以下に先鋭化しておく必要がある。かかる目的のナノグリッパーを製造する製造方法としては、カーボンナノチューブを原子間力顕微鏡用プローブの先端部に取りつける方法や、電子線堆積法、電界蒸発法、あるいはシリコンの異方性エッチングによって作製したシリコンナノワイヤーを利用するアクチュエータ一体化ツインプローブなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
（ｉ）従来のナノグリッパーは、カーボンナノチューブやシリコンナノワイヤーあるいは電子線堆積法、電界蒸着法によって製造されると、アームが細長い柱状構造となり、その先端部における曲げに対する強さは、長さの３乗に比例して曲げやすく（弱い力でも容易にたわみやすく）、さらに円形断面の場合は直径の４乗に反比例して曲げやすくなる。すなわち、ナノワイヤー構造のように細く長いものは、非常に曲げに対する強度が弱い。ＤＮＡや超集積回路製造基板上の微小パーティクル等は非常に小さく、飛散や乾燥を防ぐために溶液中で取り扱わなければならず、溶液中にナノグリッパーのアームの先端部を浸していると、溶液の粘性のためにアームの先端部のプローブ構造が変形してしまうという問題があった。
（ii）従来の電子線堆積法や電界蒸着堆積法によるナノグリッパーの製造方法によれば、個々の仕様に合ったナノグリッパーのアームを真空装置中で１本ずつ作製するため、制御性に優れたものを作製できるけれども、工業的な大量生産が困難である。しかも、従来の電子線堆積法等では、ナノオーダーの小さなアクチュエータを具備したナノグリッパーを製造することができないため、アームの先端部の間隔を精密に制御するのは困難であった。
(iii) アクチュエータ一体型ツインプローブは、市販されていない特殊な基板の作製工程を行う必要があり、さらにエッチング条件の超精密な管理を行ってプロープ構造が作製されるので、製造ステップが複雑すぎる。このエッチング管理が不充分であると、再現性、均一性のよい製造は不可能になり、工業的な大量生産に向かない。
(iv) 高精度のリソグラフィによって、ナノグリッパーのアームの先端部をナノメートルオーダーの高い精度で先鋭化できるが、高精度のリソグラフィは高価である。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑み、高精度のリソグラフィを使用しなくても、アームの先端部に、先端がナノメートルオーダーの曲率で突起部を形成することができ、溶液中でＤＮＡ等を使用しても突起部のプローブ構造が変形せず、アームの突起部同士の間隔を精密に容易に制御でき、工業的な大量生産が容易で安価に製造できるナノグリッパーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１のナノグリッパーは、基端部が一のベースに固定された対向する一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に形成された一対の突起部とを備えたナノグリッパーであって、前記一対の突起部が、前記一対のアームの対向面間に配置された一のシリコン結晶を、その（１００）面と平行かつ前記一対のアームの対向面と直交する酸化シリコン膜を形成した状態において、エッチングすることによって形成されたものであることを特徴とする。
請求項２のナノグリッパーは、請求項１記載の発明において、前記一対の突起部が、シリコンの結晶であり、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であることを特徴とする。
請求項３のナノグリッパーは、請求項１または２記載の発明において、前記一対のアームの先端部同士を接近・離間させる一対のアクチュエータが設けられていることを特徴とする。
請求項４のナノグリッパーは、請求項３記載の発明において、前記アクチュエータが、熱膨張アクチュエータであることを特徴とする。
請求項５のナノグリッパーは、請求項４記載の発明において、前記熱膨張アクチュエータが、シリコン製の一対の伸縮アームからなり、各伸縮アームに通電するための一対の電極が形成されたことを特徴とする。
請求項６のナノグリッパーは、請求項１または２記載の発明において、前記一対のアームと前記一対の突起部が、一つの基礎シリコン結晶から形成されたものであり、該基礎シリコン結晶の（００１）面方位を有する面に、その軸方向が＜０１０＞方向と平行な細長い非酸化シリコン部を備えた酸化シリコン膜を形成した状態で、該基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすることによって形成されたものであることを特徴とする。
請求項７のナノグリッパーは、請求項６記載の発明において、前記細長い非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位を有する面となるよう形成されたものであることを特徴とする。
請求項８のナノグリッパーの製造方法は、絶縁層および（001 ）面方位を有するシリコン層を備えた基材を材料として、対向する一対のアームを備えたナノグリッパーを製造する製造方法であって、前記シリコン層の表面に＜010 ＞方向に沿って細長いマスクを形成するステップと、前記シリコン層の表面に、前記アームとなるべき原アーム部分に対応するレジストを、前記原アーム部分が前記マスクの左右両側に位置するように形成するステップと、前記シリコン層をエッチングして、製造すべきナノグリッパーおよび前記マスクが組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパーを形成するステップと、前記レジストのみを除去するレジスト除去ステップと、前記原ナノグリッパーの露出したシリコン面を熱酸化させて、酸化シリコン膜を形成させる熱酸化ステップと、前記マスクのみを除去するマスク除去ステップと、前記原ナノグリッパーの表面において、前記マスクで被覆されていた非酸化シリコン面を水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングするシリコンエッチングステップと、前記原ナノグリッパーの酸化シリコン膜をエッチングして除去する酸化シリコン膜除去ステップとを順に実行することを特徴とする。
請求項９のナノグリッパーの製造方法は、一のベースに固定された一対のアームと、該一対のアームの先端部における対向面に、一対の突起部とを備えたナノグリッパーの製造方法であって、表面が（００１）面方位を有するシリコン層を備えたベースにおいて、前記シリコン層の表面に、＜０１０＞方向に沿って細長いマスクを形成するマスク形成ステップと、前記マスクをその幅方向から挟み、その先端面が、（１００）面方位を有しかつ前記マスクの先端を同一面内に含むように原ナノグリッパーを前記シリコン層に形成する原ナノグリッパー形成ステップと、該原ナノグリッパーが形成された前記シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成させる酸化シリコン膜形成ステップと、前記マスクを除去し、該マスクによって被覆されていた非酸化シリコン部をエッチングするエッチングステップとを順に実行することを特徴とするナノグリッパーの製造方法。
本発明において、（001 ）面や（100 ）面、（010 ）面等の記号は、結晶の結晶面を表わしており、（）内はミラー指数である。この記号の説明については、例えば森北出版株式会社出版の最新機械工学シリーズ５金属材料学第３版の６〜７ページ目に記載されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本実施形態のナノグリッパーの概略斜視図である。同図に示すように、本実施形態のナノグリッパーＧは、ベース１１の表面に、一対の絶縁部２２、２２を介して、左右一対のシリコンプローブ３５、３５がそれぞれ形成されたものであり、各シリコンプローブ３５はアーム７１を備えている。
【０００８】
前記一対のシリコンプローブ３５、３５の各アーム７１、７１において、それぞれの先端部における対向面には、突起部７２、７２がその先端同士を同一軸上に対向して形成されている。各突起部７２は、シリコン結晶であり、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。シリコンプローブ３５のアクチュエータ７５、７６にはそれぞれ電極75e 、76e が形成されている。電極75e 、76e 間に通電すると、アクチュエータ７５、７６が熱膨張して伸長するので一対のアーム７１、７１がそれぞれヒンジ７３を中心に揺動して、開閉する。このため、突起部７２、７２間で物を掴むことができる。しかも、突起部７２の先端は、５０ナノメートル以下の曲率で先鋭化されているから、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを掴んだり離したりしてハンドリングすることができる。
【０００９】
つぎに、本発明のナノグリッパーの製造方法について説明する。
図２は、本発明のナノグリッパーの製造方法におけるフローチャートである。図４は本発明のナノグリッパーの製造ステップにおける説明図である。図２および図４（Ｉ）に示すように、本発明のナノグリッパーの製造方法における材料は、シリコン基板１０である。このシリコン基板１０は、ベース層１、絶縁層２および（001）面方位を有するシリコン層３が順に積層されたものである。このシリコン基板１０としては、上下一対のシリコン層の間に、中間層として酸化シリコン層が形成された、いわゆるＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）が好適である。
なお、シリコン基板１０は、ＳＯＩ基板だけでなく、ガラス基板上に単結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスやポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板であってもよく、最上層が（001 ）の面方位を有するシリコン層３であり、このシリコン層３の下面に絶縁層２が形成されているシリコン基板であれば、３層構造だけでなく、４層以上であってもよい。
【００１０】
ベース層１は、素材がＳｉ(100 )基板やＳｉ(111 )基板、Ｓｉ(110 )基板、ポリシリコン等のシリコンであり、その厚さは、約500 ［μｍ］前後である。
なお、ベース層１の素材はシリコンだけでなく、ポリシリコンまたはガラスであってもよい。また、ベース層１の厚さは、100 〜1000［μｍ］の範囲が好適である。
絶縁層２は、素材が酸化シリコンであり、その厚さは約２［μｍ］前後である。
なお、絶縁層２の厚さは0.1 〜５［μｍ］の範囲が好適である。
シリコン層３は、素材がシリコンであり、その厚さが約３０［μｍ］前後である。しかも、このシリコン層３の表面は、（001 ）の面方位を有したものである。このため、このシリコン層３を、水酸化カリウム水溶液でシリコンエッチングすれば、侵食中のシリコン層３の上面は（001 ）面となり、侵食された部分のシリコン側壁にはシリコンの（100 ）面が形成されるが、このシリコンエッチング処理の詳細については後述する。
【００１１】
ナノグリッパーＧを製造するには、まず、減圧ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤやスパッタ等の成膜装置によって、前記シリコン基板１０のシリコン層３の上面に、＜100＞方向あるいは＜010＞方向に沿って、窒化シリコンのマスク膜４を成膜する（S11 ）。マスク膜４はアモルファスであり、結晶方位を有しない。
【００１２】
つぎに、図４（II）に示すように、スピンコーター等によって、マスク膜４の上面にフォトリソグラフィ用のレジスト膜５を形成する（S12 ）。そして、図示しないが、フォトリソグラフィによって、幅が例えば７０μm の線状マスクを作成し、この線状マスクをレジスト膜５の上面に置いて露光して、現像する。すると、図５（III ）に示すように、前記レジスト膜５が線状のレジスト５１となる。このレジスト５１の幅Ｗは前記線状マスクと同じ幅となる。
このレジスト５１の幅Ｗは、製造すべきナノグリッパーＧにおける突起部７２、７２間の間隔ｄを決める一つの重要なパラメータであり、シリコン層３の膜厚をｔとした場合、次式が成り立つ。
Ｗ＝２ｔ＋ｄ
よって、例えばｄ＝１０［μｍ］、ｔ＝３０［μｍ］の場合には、Ｗ＝７０［μｍ］となる。したがって、幅が７０［μｍ］のレジスト５１を形成させればよい。
この式で計算された幅Ｗの線状マスクを使用すればよい。
【００１２】
そして、露光装置によって、マスク膜４およびレジスト５１を露光する（S13 ）。ついで、図５（IV）に示すように、エッチング装置（ＲＩＥ装置）によって、マスク膜４をエッチングする（S14 ）。そして、マスク膜４にマスク剥離液を噴射すると、マスク剥離液によって、前記レジスト５１が載せられた部分以外のマスク膜４は除去され、シリコン層３の上面が露出し、レジスト５１の下面には、線状のマスク４１のみが残る。このマスク４１の幅は、前記線状マスクやレジスト５１と同じ幅となる。レジスト５１にレジスト剥離液を噴射すると、このレジスト５１が剥離して除去される（S15 ）。このため、マスク４１の上面が露出する。
ついで、図６（Ｖ）に示すように、スピンコーターによって、マスク４１と同じ厚みで、シリコン層３の表面にレジスト膜６を形成する（S16 ）。
【００１３】
つぎに、図示しないが、製造すべきナノグリッパーとマスク４１とを組み合わせた形状と同じ形状のフォトリソグラフィ用マスクを、ナノグリッパーのアームとなるべき原アーム部分がマスク４１の左右両側に位置するように、レジスト膜６の上面に載せる。このフォトリソグラフィ用マスクを作るには、マスクの外形線をＣＡＤソフトで描いておき、マスク作製用の装置でこの図形をマスクシートに描きこめばよい。そして、フォトリソグラフィ装置により紫外線を照射するとフォトリソグラフィ用マスク上の図形が、前記レジスト膜６の表面に転写される。
このため、図６（VI）に示すように、シリコン層３の表面に、マスク４１を挟んで、製造すべきシリコンプローブ３５、３５とほぼ同じ形状の一対のレジスト６１、６１が左右対称に形成される。
【００１４】
一対のレジスト６１、６１、マスク４１およびシリコン層３の表面を、露光装置によって露光する（S17 ）。マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下部分以外のシリコン層３は除去され、マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下部分には、マスク４１および一対のレジスト６１、６１が組み合わされた形状と同形状の原ナノグリッパー３１となって残る。そして、深堀りＲＩＥと呼ばれるＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）によって、一対のレジスト６１、６１をエッチングする（S18 ）。ついで、レジスト剥離液によって、一対のレジスト６１、６１を除去すると、図７（VII ）に示すように、原ナノグリッパー３１およびマスク４１が露出する（S19 ）。
【００１５】
図７（VIII）に示すように、酸化炉によって熱酸化させると、原ナノグリッパー３１の露出面は、熱酸化して酸化シリコン膜３２が形成される（S20 ）。図１２に示すように、マスク４１の下面部分における原ナノグリッパー３１は、酸化せずに細長い非酸化シリコン部３３となる。この非酸化シリコン部３３の幅は、前記マスク４１と同じ幅である。
そして、エッチング装置によって、前記マスク４１をエッチングして除去すると（S21 ）、図８（IX）に示すように、前記非酸化シリコン部３３の上面が露出する。このため、原ナノグリッパー３１の露出部のうち、非酸化シリコン部３３はシリコン面であるが、非酸化シリコン部３３以外の露出部分の表面には酸化シリコン膜３２が形成されているのである。原ナノグリッパー３１において、アームとなる予定の部分を原アーム部分31A で示す。この原アーム部分31A では、中央部は非酸化シリコン部３３であり、その左右両側は酸化シリコン膜３２、３２が形成されている。
【００１６】
つぎに、水酸化カリウムエッチングバスによって、非酸化シリコン部３３に、例えば３０［wt.％］の水酸化カリウム水溶液をエッチング液として投入してシリコンエッチングすると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食されていく。
すると、図８（IX）および図１３に示すように、原ナノグリッパー３１の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分31A の端面に形成された酸化シリコン膜３２並びに非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によって、漕状のエッチング穴９が構成される。このエッチング穴９は、侵食中の非酸化シリコン部３３における上面の（001 ）面、酸化シリコン膜の（100 ）面並びにシリコン壁面の（010 ）面で囲まれている。エッチング液は、水酸化カリウム水溶液であるから、シリコン（100 ）面がシリコン（111 ）面より速くエッチングでき、エッチングが進むと、図１４に示すように、エッチング穴９の左右両隅部には、シリコンの結晶が突起部７２として析出する。このシリコン結晶は、エッチング穴９の前記（001 ）面、（100 ）面および（010 ）面を頼りにして析出するので、シリコン（111 ）面が露出する。このため、突起部７２は、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。つまり、図８（Ｘ）および図１３に示すように、エッチング穴９の長手方向の中心を境として、左右一対のアーム７１、７１の間に、突起部７２が形成される。酸化シリコン膜３２が（100 ）の面方位を有しているから、酸化シリコン膜３２の上面に対して54.7°の角度で、突起部７２が析出する。
上述のように、アーム７１の先端部に、突起部７２が形成される。しかも、突起部７２は、原アーム部分31A の端面に形成された酸化シリコン膜３２の（100 ）面に沿って形成されるので、突起部７２、７２はその先端が対向して形成されるのである。
【００１７】
図３は図２に続く本実施形態のナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。図３および図９（XII ）に示すように、真空蒸着装置あるいはスパッタリング装置によって、基板１０の裏面、すなわちベース層１の裏面にアルミニウムを蒸着してアルミニウム膜８を形成させ、スピンコーターによって、アルミニウム膜８にレジスト膜９０を形成させる（S31 ）。
図示しないが、製造すべきベース１１と同形状のマスクをレジスト膜９０に載置する。そして、レジストを現像すると、マスクの下部分以外のレジスト膜９０およびアルミニウム膜８が除去され、マスクの下部分には図１０（XIII）のように、レジスト膜９１およびアルミニウム膜８１が残る。
【００１８】
図１０（XIII）に示すように、露光装置でベース層１およびレジスト膜９１を露光する（S32 ）。そして、リン酸エッチングバスによって、リン酸でアルミニウム膜８１をエッチングする（S33 ）。すると、レジスト膜９１が除去される
図１０（X1V）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によってエッチングすると、アルミニウム膜８１の下面以外のベース層１が除去される。アルミニウム膜８１の下面にはベース層１１が残る。（S34 ）。
図１１（ＸＶ）に示すように、最後にＢＨＦエッチングバスによって、フッ化水素バスで酸化シリコンをエッチングすると、シリコンプローブ３５の表面の全ての酸化シリコン膜３２が除去される。
【００１９】
上記のごときステップを順に実行することによって、本実施形態のナノグリッパーＧを製造することができるのである。
【００２０】
つぎに、本発明のナノグリッパーの製造方法における作用効果を説明する。
上記のごとく、本発明のナノグリッパーの製造方法によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパー３１の原アーム部分31A において、原アーム部分31A の端面並びに上面におけるマスク４１を挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜３２が形成され、上面のマスクされている部分酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン部３３として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスク４１を除去して非酸化シリコン部３３を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部３３のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパー３１の原アーム部分31A の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部３３の上面、原アーム部分31A の端面に形成された酸化シリコン膜３２、非酸化シリコン部３３が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴９が構成される。エッチングが進むと、このエッチング穴９における左右両隅部に、前記（001 ）面、（100 ）面および（010 ）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部７２が形成される。この突起部７２は、（100）面、（001）面および（111）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部７２は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアーム７１、７１の先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜３２が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアーム７１の下面にある絶縁層２を除去することができる。したがって、突起部７２の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部７２は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部７２の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
よって、製造されたナノグリッパーＧはＤＮＡや細胞等の非常に小さなナノオブジェクトのハンドリングに適している。また、突起部７２が５０ナノメートル以下に先鋭化されているので、被測定物質と同程度の大きさになるため、カーボンナノチューブやナノ結晶等の電気特性の測定が可能になる。
【００２１】
さて、製造されたナノグリッパーＧを詳細に説明する。
再び図１に示すように、ベース１１の表面に、左右一対のシリコンプローブ３５、３５がそれぞれ一対の絶縁部２２、２２を介して形成されたものである。
ベース１１の大きさは、幅５[mm]×奥行１０[mm]×高さ0.5[mm]前後であるが、これらの値は、単なる例示に過ぎず、用途に応じて任意の値を設定しうる。
各絶縁部２２は、厚さが２［μｍ］の酸化シリコン層21A 、21B 、21C から構成されており、各酸化シリコン層21A 、21B 、21Cは、酸化シリコンのみを素材としているので絶縁材として機能する。
【００２２】
つぎに、シリコンプローブ３５を説明する。
左右一対のシリコンプローブ３５、３５は左右対称の形状である。このシリコンプローブ３５は、その素材がシリコンであるから導電性があり、通電により熱膨張する。このシリコンプローブ３５は、アーム71、突起部７２、ヒンジ７３、支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６が一体に構成されたものである。
アーム７１の大きさは、幅250 ［μｍ］×長さ1250［μｍ］程度である。このアーム７１の先端部における対向面には、突起部７２が形成されている。アーム７１および突起部７２の下面には、絶縁部２２が形成されていないから、アーム７１は左右に揺動しやすい。
この突起部７２は、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状であり、その先端は尖っている。左右一対の突起部７２、７２の先端同士は、互いに対向しており、突起部７２、７２間の間隔は１０［μｍ］である。
アーム７１の基端面には、細いヒンジ７３を介して、支持部７４が形成されている。このため、アーム７１に左右の力が加わると、ヒンジ７３は撓み、アーム７１は左右に揺動する。
アーム７１の側面部から一対のアクチュエータ７５、７６が伸びており、いずれもＬ字状である。アクチュエータ７５、７６の基端部には電極75e 、76e が形成されている。
前記支持部７４、アクチュエータ７５およびアクチュエータ７６は、それぞれ酸化シリコン層21A 、21B および21C を介してベース１１の上面に形成されている。
電極75e 、76e の間に電源を印加し、電流を流すと、アクチュエータ７５、７６はジュール熱により熱膨張し、アーム７１はアクチュエータ７５、７６に押されるので、ヒンジ７３は撓んで、アーム７１は揺動する。
このため、左右両方のシリコンプローブ３５、３５におけるそれぞれの電極75e 、76e 間に電源をそれぞれ印加し、電流を流すと、一対の突起部７２、７２間の間隙は狭くなる。よって、突起部７２、７２によって、ＤＮＡ等のナノオブジェクトを掴んだり離したりしてハンドリングすることができるのである。
【００２３】
なお、本実施形態のナノグリッパーＧは、アクチュエータは１方向のみに移動するものであるが、もう１つアクチュエータを導入し、２軸方向に自由にプローブが移動できるようにしてもよい。また、アクチュエータとして静電型アクチュエータ、圧電型アクチュエータを用いてもよい。
また、図１５に示すように、アクチュエータをピエゾアクチュエータとしてもよい。このピエゾアクチュエータは、電圧で微小変位を制御でき、熱的なドリフトもないので微小量の位置決めに好適である。
さらに、図１６に示すように、アクチュエータを静電力による静電アクチュエーターにしてもよい。この場合、プロープと一体化して形成しやすく、静電容量を求めることによって、変位量を測定することができるので好適である。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、一対の突起部がシリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜に沿って形成されるので、その先端同士を同一軸上に対向させた状態で形成することができる。よって、一対のアームの先端部を接近させれば、一対のアームに形成されている突起部が接近するから、一対のアームの突起部によってＤＮＡ等のナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項２の発明によれば、突起部がシリコンの結晶なので固く、アームの先端部を溶液中を浸しても突起部のプローブ構造が変形しない。しかも、突起部の先端は、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点であるから、５０ナノメートル以下の曲率である。このため、溶液中でＤＮＡを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項３の発明によれば、アクチュエータを伸縮させることで、一対のアームの先端部は接近離間する。このため、一対のアームの突起部によって、ナノオブジェクトを摘んだり離したりしてハンドリングすることができる。
請求項４の発明によれば、発熱量を調整することにより、熱膨張アクチュエータの伸縮量を調整することができるから、アームの摘力を容易に調整することができる。
請求項５の発明によれば、熱膨張アクチュエータをナノグリッパー本体と同一シリコン基板内に一体形成することが可能なので、工業的な大量生産が容易であり、安価に製造できる。また、一対の電極間に通電する電流を調整することにより、シリコン製の伸縮アームの伸長量を調整し、アームの摘力を調整することができるので、摘力調整が簡単であり、しかも、一対のアームにおける突起部同士の間隔を精密に容易に制御できる。
請求項６の発明によれば、基礎シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすれば、（001 ）面、（100 ）面、（010 ）面で囲まれたエッチング穴が形成される。このとき、基礎シリコン結晶は、エッチング穴の（001 ）面、（100 ）面および（010 ）面を頼りにして析出するので、エッチング穴の（100 ）面および（010 ）面によって形成される角に、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐が形成される。よって、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。
請求項７の発明によれば、一対の突起部を、その一面が（１００）面方位を有するように形成することができるので、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。
請求項８の発明によれば、熱酸化ステップにより、原ナノグリッパーの原アーム部分において、その端面並びに上面におけるマスクを挟んだ左右両側部は酸化シリコン膜が形成され、上面のマスクされている部分は酸化されずにシリコン面のまま非酸化シリコン部として残る。そして、マスク除去ステップにより、マスクを除去して非酸化シリコン部を露出させてから、シリコンエッチングステップによって水酸化カリウム溶液でシリコンエッチングする。すると、非酸化シリコン部のシリコンは、その上面から次第に侵食される。原ナノグリッパーの原アーム部分の端面部においては、侵食中の非酸化シリコン部の上面、原アーム部分の端面に形成された酸化シリコン膜並びに非酸化シリコン部が除去された部分における左右のシリコン壁面によってエッチング穴が構成される。このエッチング穴は、侵食中の非酸化シリコン部における上面の（001 ）面、酸化シリコン膜の（100 ）面並びにシリコン壁面の（010 ）面で囲まれている。エッチングが進むと、エッチング穴の左右両隅部に、前記（001 ）面、（100 ）面および（010 ）面を頼りにしてシリコン結晶の突起部が形成される。この突起部は、（100 ）面、（001 ）面および（111）面で構成された頂点を備えた三角錐の形状である。しかも、突起部は、前記エッチング穴の左右両隅部に形成されるから、一対のアームの先端部における対向面に、先端同士が対向して形成されるのである。そして、酸化シリコン膜除去ステップによって、前記酸化シリコン膜が全て除去され、絶縁層除去ステップによって一対のアームの下面にある絶縁層を除去することにより、ナノグリッパーを製造することができる。したがって、突起部の形状はシリコンの結晶面によって規定され、かつ一対の対向する突起部は１結晶方位の直線上に形成されるので、高精度のリソグラフィを使用しなくても、突起部の先端を５０ナノメートル以下の曲率で形成することができるのである。
請求項９の発明によれば、シリコン結晶を非酸化シリコン部からエッチングすれば、（001 ）面、（100 ）面、（010 ）面で囲まれたエッチング穴が形成される。このとき、シリコン結晶は、エッチング穴の（001 ）面、（100 ）面および（010 ）面を頼りにして析出するので、エッチング穴の（100 ）面および（010 ）面によって形成される角に、（100 ）面、（001 ）面および（111 ）面で構成された頂点を備えた三角錐が形成される。しかも、シリコン層の表面に酸化シリコン膜を形成すれば、非酸化シリコン部および原ナノグリッパーの先端面にはシリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜が形成される。このため、一対の突起部が前記シリコン結晶の（１００）面と平行な酸化シリコン膜に沿って形成されるので、一対の突起部を、その先端が同一軸上に配置され、かつ対向するように形成することができる。よって、一対の突起部の先端が同一軸上かつ対向するナノグリッパを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ナノグリッパーＧの概略斜視図である。
【図２】
ナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。
【図３】
図２に続く本実施形態のナノグリッパーＧの製造方法におけるフローチャートである。
【図４】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（Ｉ）、（II）の説明図である。
【図５】
本実施形態のナノグリッパーＧの製造ステップ（III）、（1V）の説明図である。
【図６】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（Ｖ）、（VI）の説明図である。
【図７】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（VII）、（VIII）の説明図である。
【図８】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（IX）、（Ｘ）の説明図である。
【図９】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（XII）の説明図である。
【図１０】
ナノグリッパーＧの製造ステップ（XIII）、（XIV）の説明図である。
【図１１】
ナノグリッパーＧにおける製造ステップ（XV）の説明図である。
【図１２】
図７のXIIA−XIIA線断面図、図１２（Ｂ）は図７のXIIB−XIIB線断面図である。
【図１３】
原アーム部分31A の斜視拡大図である。
【図１４】
突起部７２が形成されるときの説明図である。
【図１５】
他の実施形態のナノグリッパーにおける説明図である。
【図１６】
他の実施形態のナノグリッパーにおける説明図である。


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
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【国際調査報告】
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