(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型プローブ顕微鏡に用いるナノピンセットであって、
支持体と、
前記支持体から突出して試料の表面を観察する観察プローブと、
前記支持体から突出した前記観察プローブと並んで配設され、前記観察プローブとの間で前記試料を把持解放するために開閉する可動アームと、
通電によって発生する熱による熱変形で前記可動アームを駆動することにより、前記観察プローブと前記可動アームとの間の間隔を可変設定する駆動機構とを備え、
前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構は、同一の半導体ウエハから切り欠いて形成したことを特徴とするナノピンセット。
【請求項２】
走査型プローブ顕微鏡に用いるナノピンセットであって、
支持体と、
前記支持体から所定方向に延在し、試料表面観察用の探針部と試料把持用の第１の把持部が設けられた観察プローブと、
前記支持体から前記所定方向に延在し、前記観察プローブと並設され、前記第１の把持部に対して前記所定方向に沿って対向する第２の把持部が形成された可動アームと、
通電によって発生する熱による熱変形で前記可動アームを駆動することにより、前記第１の把持部と前記第２の把持部との間に試料が把持されるように、前記可動アームをその延在方向に駆動する駆動機構とを備え、
前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構は、同一の半導体ウエハから切り欠いて形成したことを特徴とするナノピンセット。
【請求項３】
請求項２に記載のナノピンセットにおいて、
前記第１の把持部は前記観察プローブから試料面方向に突出する突部であって、前記所定方向と直交する第１の把持面と突出先端に形成された前記探針部とを有し、
前記第２の把持部は、前記第１の把持面との間で前記試料を把持する第２の把持面を有することを特徴とするナノピンセット。
【請求項４】
請求項３に記載のナノピンセットにおいて、
前記第１の把持面および前記第２の把持面は、前記所定方向に対して直交するように形成されていることを特徴とするナノピンセット。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構を同一平面上に形成するに際し、ＳｉＯ２層を挟んだ一対のＳｉ層のうち一方のＳｉ層に所定間隔で並設して前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構を形成することを特徴とするナノピンセット。
【請求項６】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構を同一平面上に形成するに際し、ＳｉＯ２層を挟んだ一対のＳｉ層のうち一方のＳｉ層に所定間隔で並設して前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構を形成し、
前記第１の把持部および前記探針部は、前記並設の方向に直交する方向に前記観察プローブから突出して形成されていることを特徴とするナノピンセット。
【請求項７】
請求項６に記載のナノピンセットにおいて、
前記観察プローブは、前記所定方向と直行する方向に広がるスリット空間であって前記所定方向に対して所定の間隔が形成された馬蹄形状の梁であって、
前記可動アームは、前記スリット空間において前記所定方向にスライド自在に配設されることを特徴とするナノピンセット。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
前記駆動機構は、通電によって発生する熱による熱変形で前記可動アームを駆動することに代えて、静電力または圧電膜の伸縮を利用して前記可動アームを駆動することを特徴とするナノピンセット。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のナノピンセットと、
前記観察プローブと試料表面との相互作用に基づく変位を検出する検出部と、
前記駆動機構の駆動動作を制御する制御部と、
前記検出部で検出した変位に基づいて前記試料の表面の物理的および／または化学的状態を演算する演算部と、
前記観察プローブを前記試料表面に対して走査移動させる走査手段とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記演算部の演算結果を可視化する表示部をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記検出部は、前記観察プローブに光を照射する光源と、前記観察プローブで反射された前記光を検出する受光部とを備え、
前記演算部は、前記受光部からの検出信号に基づいて前記試料の表面形状を演算することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡において、
タッピングモードにより前記試料を観察するために、前記観察プローブをその共振周波数で試料方向に振動させる励振部をさらに備え、
前記可動アームは、その共振周波数が前記観察プローブの共振周波数から離れた値となるように構成されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
支持体と、前記支持体から突出して試料の表面を観察する観察プローブと、前記支持体から突出した前記観察プローブと並んで配設され前記観察プローブとの間で前記試料を把持解放するために開閉する可動アームと、通電によって発生する熱による熱変形で前記可動アームを駆動することにより前記観察プローブと前記可動アームとの間の間隔を可変設定する駆動機構とを備え、前記観察プローブ、前記可動アームおよび前記駆動機構を同一の半導体ウエハから切り欠いて形成した走査型プローブ顕微鏡用ナノピンセットの製造方法であって、
前記半導体ウエハをＳＯＩウエハとし、
前記ＳＯＩウエハの一方のシリコン層を部分除去することにより、前記観察プローブおよび前記可動アームの原型となる２本の帯状突起を形成する工程と、
前記観察プローブの原型となる帯状突起の先端部分に、前記試料に近接または接触する尖鋭部を形成する工程と、
前記ＳＯＩウエハの他方のシリコン層と酸化シリコン層を部分除去することにより、前記２本の帯状突起から、前記観察プローブおよび前記可動アームを形成するとともに、除去しない部分を前記支持体として形成する工程とを有する
ことを特徴とするナノピンセットの製造方法。
【請求項１４】
走査型プローブ顕微鏡に用いるナノピンセットであって、
支持体と、
前記支持体から延在するように並設され、試料把持用の把持部が各々設けられた一対のアームと、
前記一対のアームの少なくとも一方に形成された試料表面観察用の探針部と、
前記一対のアームの把持部が互いに接触するように、前記一対のアームを閉方向へとそれぞれ付勢する付勢機構と、
前記付勢機構による付勢力に抗して、通電によって発生する熱による熱変形で前記一対のアームを開方向へと駆動する駆動機構とを備えることを特徴とするナノピンセット。
【請求項１５】
請求項１４に記載のナノピンセットにおいて、
前記支持体、前記一対のアーム、前記付勢機構および前記駆動機構のそれぞれは、半導体ウエハを切り欠いて形成したことを特徴とするナノピンセット。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載のナノピンセットにおいて、
前記付勢機構および前記駆動機構は通電の有無に応じて膨張および収縮をする熱アクチュエータにより構成されており、前記熱アクチュエータが非通電状態にあるときには前記付勢機構として作動することを特徴とするナノピンセット。
【請求項１７】
試料把持用の把持部が各々設けられた一対のアームと、前記一対のアームの把持部が互いに接触するように前記一対のアームを閉方向へとそれぞれ付勢する付勢機構と、通電によって発生する熱による熱変形で前記一対のアームを開方向へと駆動する駆動機構とを備えた走査型プローブ顕微鏡に用いるナノピンセットの製造方法であって、
半導体ウエハとしてＳｉＯ２層を一対のＳｉ層で挟持したＳＯＩウエハを用い、前記ＳＯＩウエハの一方のＳｉ層をエッチングして、前記一対のアーム、前記付勢機構および前記駆動機構を形成する第１の工程と、
前記付勢機構を構成するＳｉ層にボロンをドープする第２の工程と、
前記ボロンがドープされたＳｉ層をアニール処理して、前記一対のアームを閉方向に駆動するための収縮応力を前記付勢機構に与える第３の工程とを有することを特徴とするナノピンセットの製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載のナノピンセットの製造方法において、
前記第１の工程では、前記一対のアームは所定の間隔で並設されるように形成され、
前記第３の工程では、前記付勢機構に前記収縮応力を与えて前記一対のアームを閉状態にさせることを特徴とするナノピンセットの製造方法。
【請求項１９】
請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のナノピンセットと、
前記アームと試料表面との相互作用に基づく変位を検出する検出部と、
前記駆動機構の駆動動作を制御する制御部と、
前記検出部で検出した変位に基づいて前記試料の表面の物理的および／または化学的状態を演算する演算部と、
前記アームの先端を前記試料表面に対して走査移動させる走査手段とを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１９に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記演算部の演算結果を可視化する表示部をさらに備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２１】
請求項１４に記載のピンセットにおいて、
前記通電によって発生する熱による熱変形で前記一対のアームを開方向へと駆動する駆動機構に代えて、静電力を利用した静電アクチュエータを駆動機構として用いることを特徴とするナノピンセット。
【請求項２２】
請求項１４に記載のナノピンセットにおいて、
前記駆動機構は、通電によって発生する熱による熱変形で前記可動アームを駆動することに代えて、圧電膜の伸縮を利用して前記可動アームを駆動することを特徴とするナノピンセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
試料表面の観察と微小物体の把持を行うナノピンセットおよびこれを備える走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）では、カンチレバーの探針を試料に対して原子径レベルの距離まで近接させ、探針を試料表面に対して２次元走査する。それによって、例えば、試料と探針との相互作用に基づく力を検出し、検出した力に基づいて試料表面の凹凸などを観察する。また、ナノピンセットは、先端部の開閉動作により、ナノオーダーサイズの微小物体を把持したりするものである。また、このような観察機能と把持機能とを併せ持つナノピンセットも知られている（例えば、特許文献１参照）。その装置では、原子間力顕微鏡のカンチレバーの先端に２本のカーボンナノチューブを固定し、一方のカーボンナノチューブを探針として微小物体の観察に用いるとともに、２本のカーボンナノチューブの先端部を静電力などにより開閉させて、微少試料の把持・解放を行わせている。【０００３】
【特許文献１】米国特許明細書第４，９２７，２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のナノピンセットでは、従来のナノピンセットの製造方法と比較して、カンチレバーの先端に２本のカーボンナノチューブを固定するという難しい製造工程がさらに必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によるナノピンセットは、支持体と、支持体から突出して試料の表面を観察する観察プローブと、支持体から突出した観察プローブと並んで配設され、観察プローブとの間で試料を把持解放するために開閉する可動アームと、観察プローブとの間で可動アームを開閉駆動する駆動機構とを備え、支持体、観察プローブおよび可動アームのそれぞれは、半導体ウエハをフォトリソグラフィープロセスにより加工して製作されるものである。
本発明の第２の態様によるナノピンセットは、支持体と、支持体から所定方向に延在し、試料表面観察用の探針部と試料把持用の第１の把持部が設けられた観察プローブと、支持体から所定方向に延在するように観察プローブと並設され、第１の把持部に対して所定方向に沿って対向する第２の把持部が形成された可動アームと、第１および第２の把持部間に試料が把持されるように、可動アームをその延在方向に駆動する駆動機構とを備え、支持体、観察プローブおよび可動アームのそれぞれは、半導体ウエハをフォトリソグラフィープロセスにより加工して製作されるものである。
なお、第１の把持部は観察プローブから試料面方向に突出する突部であって、所定方向と直交する第１の把持面と突出先端に形成された探針部とを有し、第２の把持部は、第１の把持面との間で試料を把持する第２の把持面を有するようにしても良いし、さらに、第１および第２の把持面が、所定方向に対して直交するように形成されていても良い。
半導体ウエハは、ＳｉＯ２層を一対のＳｉ層で挟持したＳＯＩウエハであって、観察プローブおよび可動アームを、前記一対のＳｉ層内の一方の層に所定間隔で並設して形成し、第１の把持部、第２の把持部および探針部は、それぞれ観察プローブから並設の方向に突出して形成されていても良いし、第１の把持部、第２の把持部および探針部は、並設の方向に直交する方向に、それぞれ観察プローブから突出して形成されていても良い。
また、観察プローブを、所定方向に延在するスリット空間が形成された馬蹄形状の梁とし、可動アームを、スリット空間において所定方向にスライド自在に配設するようにしても良い。
さらにまた、駆動機構を、通電によって発生する熱による熱変形で可動アームを駆動する構成としても良い。
本発明の第３の態様による走査型プローブ顕微鏡は、上述したいずれかのナノピンセットと、観察プローブと試料表面との相互作用に基づく変位を検出する検出部と、駆動機構の駆動動作を制御する制御部と、検出部で検出した変位に基づいて試料の表面の物理的および／または化学的状態を演算する演算部と、観察プローブを試料表面に対して走査移動させる走査手段とを備えるものである。なお、演算部の演算結果を可視化する表示部をさらに備えるようにしても良い。
また、検出部は、観察プローブに光を照射する光源と、観察プローブで反射された光を検出する受光部とを備え、演算部は、受光部からの検出信号に基づいて試料の表面形状を演算するようにしても良い。
さらに、タッピングモードにより前記試料を観察するために、観察プローブをその共振周波数で試料方向に振動させる励振部を備え、可動アームは、その共振周波数が観察プローブの共振周波数から離れた値となるように構成されるようにしても良い。
本発明の第４の態様によるナノピンセットの製造方法は、上述したナノピンセットの製造方法であって、半導体ウエハをＳＯＩウエハとし、ＳＯＩウエハの一方のシリコン層を部分除去することにより、観察プローブおよび可動アームの原型となる２本の帯状突起を形成する工程と、観察プローブの原型となる帯状突起の先端部分に、試料に近接または接触する尖鋭部を形成する工程と、ＳＯＩウエハの他方のシリコン層と酸化シリコン層を部分除去することにより、２本の帯状突起から、観察プローブおよび可動アームを形成するとともに、除去しない部分を支持体として形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の第５の態様によるナノピンセットは、支持体と、支持体から延在するように並設され、試料把持用の把持部が各々設けられた一対のアームと、一対のアームの少なくとも一方に形成された試料表面観察用の探針部と、一対のアームの把持部が互いに接触するように、一対のアームを閉方向へとそれぞれ付勢する付勢機構と、付勢機構による付勢力に抗して、一対のアームを開方向へと駆動する駆動機構とを備えるものである。
なお、支持体、一対のアーム、付勢機構および駆動機構のそれぞれは、半導体ウエハをフォトリソグラフィープロセスにより加工して製作されても良い。
また、付勢機構および駆動機構の機能を兼ねる熱アクチュエータを備え、熱アクチュエータは、Ｓｉ層にボロンをドープしてアニール処理した部材であって、通電用の電極を有するようにしても良い。
本発明の第６の態様によるナノピンセットの製造方法は、半導体ウエハとしてＳｉＯ２層を一対のＳｉ層で挟持したＳＯＩウエハを用い、ＳＯＩウエハの一方のＳｉ層をエッチングして、一対のアーム、付勢機構および駆動機構を形成する第１の工程と、付勢機構を構成するＳｉ層にボロンをドープする第２の工程と、ボロンがドープされたＳｉ層をアニール処理して、一対のアームを閉方向に駆動するための収縮応力を付勢機構に与える第３の工程とを有するものである。
なお、第１の工程では、一対のアームは所定の間隔で並設されるように形成され、第３の工程では、付勢機構に収縮応力を与えて一対のアームを閉状態にさせるようにしても良い。
本発明の第７の態様による走査型プローブ顕微鏡は、上述したナノピンセットと、アームと試料表面との相互作用に基づく変位を検出する検出部と、駆動機構の駆動動作を制御する制御部と、検出部で検出した変位に基づいて試料の表面の物理的および／または化学的状態を演算する演算部と、アームの先端を試料表面に対して走査移動させる走査手段とを備えるものである。
さらに、演算部の演算結果を可視化する表示部を備えるようにしても良い。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、支持体、観察プローブ、可動アームおよび把持アームなどのナノピンセットを構成する要素を、半導体ウエハを素材としてフォトリソグラフィーにより作製したので、寸法精度が高く、正確な試料の観察と確実な試料の把持が可能となる。また、従来例のようなカーボンナノチューブが固定されたナノピンセットに比べて、製造コストを低減することができる。さらに、可動アームの把持部を観察プローブの把持部に向けて直線移動させて両把持部間で試料を把持するので、確実な把持を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】ナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部を示す。
【図３】観察プローブの共振周波数を説明する図である。
【図４】観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６の拡大図である。
【図５】（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｃ１），（ｃ２）は工程ｃを説明する図である。
【図６】マスクＡを示す平面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。
【図８】工程ｄにおけるエッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図７のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図７のＩ−Ｉ断面図である。
【図９】マスクＢを示す平面図である。
【図１０】工程ｅを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１１】工程ｆを説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｉ断面図、（ｂ）はＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１２】工程ｆの処理後のウエハ３０を示す斜視図である。
【図１３】（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。
【図１４】（ａ）はマスクＣの平面図、（ｂ）はマスクＤの平面図である。
【図１５】第２の実施形態によるＡＦＭ装置の全体構成を、模式的に示す図である。
【図１６】（ａ）は観察プローブ１０および可動アーム２０の配置関係を示す図であり、（ｂ）は先端部分の拡大図である。
【図１７】（ａ）は観察動作を説明する図であり、（ｂ），（ｃ）は把持動作を説明する図である。
【図１８】（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｃ１）〜（ｃ３）は工程ｃを説明する図である。
【図１９】（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｅを説明する図であり、（ｃ１），（ｃ２）は工程ｆを説明する図である。
【図２０】（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｈを説明する図であり、（ｃ１）〜（ｃ３）は工程ｉを説明する図である。
【図２１】第３の実施の形態によるナノピンセットの構造を模式的に示す図であり、（ａ）は駆動機構８０の非駆動状態を示し、（ｂ）は駆動機構８０の駆動状態を示し、（ｃ）はナノピンセットの部分拡大図である。
【図２２】ナノピンセット５１の主要部の構造を示す模式図である。
【図２３】ナノピンセット５１を用いた観察・把持動作を説明する図であり、（ａ１）〜（ｂ２）は観察動作を示し、（ｃ１）、（ｃ２）は把持動作を示す。
【図２４】（ａ１）〜（ａ３）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図である。
【図２５】（ａ１）〜（ａ３）は工程ｃを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｄを説明する図である。
【図２６】（ａ１），（ａ２）は工程ｅを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｆを説明する図である。
【図２７】（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｈを説明する図である。
【図２８】（ａ１）〜（ａ３）は工程ｉを説明する図であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｊを説明する図である。
【図２９】第４の実施形態を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。
【図３０】アーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図であり、（ａ）は開状態、（ｂ）は閉状態を示す。
【図３１】（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示す図であり、（ｂ）はアニール処理後のナノピンセット１を示す図である。
【図３２】第４の実施形態におけるナノピンセット１の変形例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明による走査型プローブ顕微鏡の第１の実施の形態を示す図であり、原子間力顕微鏡装置（以下、ＡＦＭ装置と言う）の構成を模式的に示す図である。図２は、図１のＡＦＭ装置１００に設けられたナノピンセット１の主要部を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０と可動アーム２０とを示し、（ｂ）は観察プローブ１０の探針部を示している。【０００９】
図１に示すように、ＡＦＭ装置１００は、ナノピンセット１と、レーザ光源２と、２分割フォトダイオード３と、演算部４と、励振部５と、電源部６とを備えている。ナノピンセット１は、支持体２５に一体に形成された観察プローブ１０および可動アーム２０を有し、後述するように、ＳＯＩウエハをフォトリソグラフィー技術を用いて加工することにより形成される。【００１０】
観察プローブ１０は、図のＸ方向に延在するレバー１１と、レバー１１の先端からＸ方向に延在する探針部１２とを有している。観察プローブ１０と並設されている可動アーム２０は、Ｘ方向に延在するレバー２１とレバー２１の先端からＸ方向に延在する把持部２２とを有している。ほぼ平行に延在する探針部１２と把持部２２とは、距離ｄを隔てて設けられている。支持体２５と一体に設けられている駆動レバー２３，２４は、可動アーム２０を駆動するための熱アクチュエータとして機能するものである。駆動レバー２３，２４は、それぞれの端部が可動アーム２０に接続され、リンク機構を形成している。熱アクチュエータとして機能する駆動レバー２３，２４には、電源部６から電力が供給される。【００１１】
支持体２５は、ＡＦＭ装置１００に設けられたホルダー（不図示）に着脱可能に保持されている。なお、図１では、支持体２５の一部のみが図示されている。図示していないが、ＡＦＭ装置１００は３次元ステージを備えており、支持体２５が保持されるホルダーはこの３次元ステージに固定される。その３次元ステージを駆動することにより、ナノピンセット１全体を３次元方向に移動させることができる。支持体２５のホルダーへの装着方法としては、例えば、ホルダーに形成された溝部または凹部に支持体２５をスライドさせて嵌め込んだり、ホルダーに取り付けられた板バネで支持体２５を挟持するなど、種々の方法がある。【００１２】
２分割フォトダイオード３からの検出信号は、演算部４に入力される。演算部４は、検出信号に基づいて観察プローブ１０の振幅を算出し、試料Ｓの表面形状を演算する。演算結果はモニタ７に表示される。励振部５は、ナノピンセット１全体を振動させて観察プローブ１０を共振させるためのピエゾ素子（不図示）と、その駆動回路とを備えている。【００１３】
図２に示すように、観察プローブ１０のレバー１１および可動アーム２０のレバー２１はＹＺ断面の形状が矩形となっており、Ｘ方向の長さとＺ方向の厚さは等しく設定され、Ｙ方向の幅についてはレバー１１の方が大きく設定されている。また、観察プローブ１０の探針部１２と可動アーム２０の把持部２２は、Ｘ方向の長さ、Ｙ方向の幅、Ｚ方向の高さのすべてが等しく設定されている。探針部１２および把持部２２は、−Ｚ方向に先細りとなったウエッジ型形状をしており、それぞれのＹＺ断面の形状は直角三角形になっている。距離ｄを隔てて配置された探針部１２および把持部２２の断面形状は、Ｚ軸に関して対称となっている。探針部１２および把持部２２の対向する面（以下では、直交面と呼ぶ）１２ａ，２２ａは、互いに平行となっている。探針部１２の直交面１２ａと斜面１２ｂが交わる稜線１２ｃと、把持部２２の直交面２２ａと斜面２２ｂが交わる稜線２２ｃとは、それぞれＸ軸に対して平行に延在しており、これらは試料Ｓに近接または接触する先鋭部（刃先）として機能する部分である。【００１４】
図１，２を参照しながら試料の観察方法について説明する。本実施の形態では、励振部５に設けられた不図示のピエゾ素子を駆動して、観察プローブ１０を図２の矢印Ｖで示す方向（Ｚ方向）に撓み振動させつつナノピンセット１をＸＹ方向に走査し、試料Ｓの表面形状を計測する。この方式は、一般にタッピングモードと呼ばれる。このとき、観察プローブ１０の探針部１２を試料表面に原子径レベルで近接させた上で、Ｚ方向に振動させながら２次元的に試料表面を走査する。試料表面の凹凸により、探針部１２の先端と試料Ｓとの距離（探針部１２は振動しているので平均距離）が変化すると、試料表面および探針部１２間の相互作用の変化によってレバー１１の振幅が変化する。この振幅の変化量をレーザ光源２と２分割フォトダイオードとを利用した光てこ方式の計測方法により測定する。【００１５】
光てこ方式の計測方法では、レーザ光源２からのレーザ光Ｌ１をレバー１１の上面に入射させ、レバー１１の上面からの反射光Ｌ２を受光部である２分割フォトダイオード３で受光する。２分割フォトダイオード３は、その受光位置に応じた検出信号を演算部４へ送出する。演算部４は、２分割フォトダイオード３からの検出信号に基づいてレバー１１の振幅の変化量を算出し、さらに、振幅変化量に基づいて試料Ｓの表面形状を演算する。この表面形状はモニタ７に表示される。【００１６】
上述したタッピングモードによる観察では、ピエゾ素子で支持体２５全体をＺ方向に振動して観察プローブ１０を共振させる必要がある。そのため、上述したように観察プローブ１０のレバー１１の幅を可動アーム２０のレバー２１の幅よりも広くして、観察プローブ１０の厚さ方向の振動の共振周波数を可動アーム２０の共振周波数よりも高くなるように設計する。そして、励振部５により観察プローブ１０の共振周波数で支持体２５全体を振動させると、観察プローブ１０のみが共振してＺ方向に振動する。【００１７】
図３は、観察プローブ１０の共振周波数を説明する図であり、縦軸は振幅を、横軸は周波数をそれぞれ表している。図３において、Ｖ１は観察プローブ１０の振動曲線であり、Ｖ２は可動アーム２０の振動曲線である。励振部５により加える振動の周波数がｆ１のときに、観察プローブ１０は共振して振幅のピークが発生する。この周波数ｆ１が観察プローブ１０の共振周波数である。一方、可動アーム２０の共振周波数はｆ２であり、周波数ｆ２に振幅のピークが現れる。周波数がｆ２よりも高くなると振幅は急激に小さくなり、可動アーム２０の周波数ｆ１における振幅量ｋは観察プローブ１０の振幅に比べてはるかに小さい値となる。このように、観察プローブ１０の共振周波数ｆ１が可動アーム２０の共振周波数ｆ２よりも高くなるように、レバー１１、２１の幅を設定することにより、観察プローブ１０のみを振動させることができる。【００１８】
また、レバー１１、２１の幅を調整して共振周波数を設定する代わりに、レバー１１、２１の厚さを調整することで共振周波数を設定してもよい。この場合、観察プローブ１０のレバー１１の厚さを可動アーム２０のレバー２１の厚さよりも厚く設定すればよい。共振周波数は厚さの３乗で変化するので、厚さをわずかに変えるだけで共振周波数を変化させることができる。【００１９】
次に、図１，４を参照しながら可動アーム２０を駆動する熱アクチュエータについて説明する。図４は、図１に示した観察プローブ１０，可動アーム２０，駆動レバー２３，２４および電源部６を拡大して模式的に示したものである。熱アクチュエータは駆動レバー２３，２４と電源部６とで構成され、駆動レバー２３の梁部２３ａと駆動レバー２４の梁部２４ａとが可動アーム２０にそれぞれ接続されている。梁部２３ａ，２４ａのＺ方向の厚さは同一であるが、梁部２４ａのＸ方向の幅は梁部２３ａのそれよりも狭く設定されている。電源部６は直列に接続された２つの可変電源６ａ，６ｂを有し、可変電源６ａの負極は駆動レバー２３に、可変電源６ｂの正極は駆動レバー２４に接続されている。可変電源６ａと可変電源６ｂとの接続点、および可動アーム２０は接地電位とされている。【００２０】
上述したように、梁部２４ａのＸ方向の幅は梁部２３ａのそれよりも狭く設定されているので、断面積のより小さな梁部２４ａの抵抗値は梁部２３ａの抵抗値よりも大きい。そのため、電源部６から梁部２３ａ，２４ａへ電力が供給されると、梁部２３ａに比べて梁部２４ａの方が発生するジュール熱が大きく、梁部２４ａの熱膨張は梁部２３ａのそれよりも大きくなる。その結果、駆動レバー２３，２４は、概ね、可動アーム２０の幅が狭くなっている狭隘部２０ａを支点として、可動アーム２０をＹ軸と平行なＨ方向に撓ませることになる。可動アーム２０の撓み量は、電源部６から梁部２３ａ，２４ａへ印加する電圧をフィードバック制御することにより調節する。なお、可動アーム２０の領域２１ａがグランドレベルになるように、可変電源６ａ，６ｂの電圧を調整する。【００２１】
このように、可動アーム２０の領域２１ａの電位をグランドレベルに制御することにより、観察プローブ２０と可動アーム１０をともに接地電位に制御できるので、把持する試料Ｓに不要な電圧が印加されるのを防止できる。【００２２】
このような熱アクチュエータ機構を備えたナノピンセット１で試料Ｓを把持する場合には、以下のような動作を行わせる。先ず、ナノピンセット１を試料表面に沿って３次元的に移動させ、観察プローブ１０で試料表面の形状を観察することにより、把持したい試料Ｓを探す。試料Ｓが検出されたならば、探針部１２と把持部２２との間に試料Ｓが位置するように、ナノピンセット１を移動する。そして、観察プローブ１０のタッピング動作を停止した後に、駆動レバー２３，２４を駆動して可動アーム２０を図のＨ方向に撓ませることにより把持部２２を探針部１２へ接近させ、試料Ｓを把持部２２と探針部１２の間に挟み込む。このとき、可動アーム２０だけが駆動レバー２３，２４により撓み、観察プローブ１０は動かない。【００２３】
具体的な把持手順は、まず、試料Ｓに観察プローブ１０の探針部１２の直交面１２ａ（図２（ｂ）参照）を接触させる。その後、可動アーム２０を撓ませて把持部２２の直交面２２ａ（図２（ｂ）参照）を試料Ｓに接近させ、直交面２２ａが試料Ｓに適切な押圧力で接触するように可変電源６ａ，６ｂを調節する。その結果、試料Ｓがナノピンセット１により把持される。【００２４】
直交面１２ａ，２２ａは平行状態で互いに対向するように構成されているので、試料Ｓは平行な面１２ａ，２２により確実に把持される。試料Ｓを把持した後は、３次元ステージを駆動することにより、試料Ｓを３次元的に移動させることができる。また、把持した試料Ｓを解放するときには、電源部６による印加電圧を零にして、把持部２２と探針部１２との間隔を元の距離ｄに戻せばよい。このような動作により、観察プローブ１０と可動アーム２０とを有するナノピンセット１は、試料Ｓの観察と把持の両方を行うことができる。【００２５】
次に、本実施の形態のナノピンセット１の製造方法について説明する。ナノピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ２層を形成し、そのＳｉＯ２層を挟むように貼り合わせたものである。図１に示されるように、支持体２５は、ＳＯＩウエハを構成する上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３で形成されている。また、観察プローブ１０、可動アーム２０および駆動レバー２３，２４は、電源部６を接続するための電極などを除くと上部Ｓｉ層３１で形成されている。本実施の形態では、各層３１，３２，３３の厚さが順に６μｍ，１μｍ，３００μｍであるＳＯＩウエハが用いられているが、このような寸法組み合わせに限定されるものではない。【００２６】
図５〜１４は、本実施の形態のナノピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｈまで順に処理される。図５の（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は斜視図、（ａ２）は断面図である。工程ａでは、上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３から成るＳＯＩウエハ３０を用意し、上部Ｓｉ層３１の上に厚さ５０ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４を形成する。なお、ＳＯＩウエハ３０の上部Ｓｉ層３１は、表面がＳｉ単結晶の主面（００１）となるように構成されている。【００２７】
図５の（ｂ１）および（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｂ１）は斜視図、（ｂ２）はＩ−Ｉ断面図である。工程ｂでは、図６に示すマスクＡを用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥでＳｉＮ膜３４を部分的にエッチング除去し、上部Ｓｉ層３１の一部（白抜きの領域Ａ１，Ａ２）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、概略、観察プローブ１０の先端および可動アーム２０の先端が形成される領域である。一方、領域Ａ２は、観察プローブ１０および可動アーム２０の基端側と駆動レバー２３，２４が形成される領域である。観察プローブ１０および可動アーム２０が延在する方向には、すなわち、細長い領域Ａの伸延方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選ぶ。【００２８】
なお、図６に示したマスクＡは支持体２５も含めたマスクとなっており、図１や図５（ｂ１）に示す部分は、図６のＲ１−Ｒ１線よりも上側の領域が関係している。以下の説明では、Ｒ１−Ｒ１線よりも上側の領域について説明する。【００２９】
図５の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１およびＡ２の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法は水蒸気酸化であり、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成した水蒸気を用いて、上部Ｓｉ層３１の露出面を酸化する。【００３０】
図７の（ａ），（ｂ）は、工程ｄを説明する図である。工程ｄでは、図９に示すマスクＢを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）によりエッチングを行う。図９に示すように、マスクＢには、図７（ｃ１）の領域Ａ１を覆う部分である先端遮蔽領域Ｂ１が形成されている。その先端遮蔽領域Ｂ１には、図示上下方向（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）に延在するスリットＳＬ１が形成されている。また、スリットＳＬ２，ＳＬ３は、駆動レバー２３，２４を作製するためのものである。なお、図９に示すマスクＢのＲ２−Ｒ２線より上部領域が、図７（ａ），（ｂ）に示した部分に対応している。【００３１】
図７（ａ）の破線は、図６（ｃ１）で形成されたウエハ３０上にマスクＢを配置して示したものである。図７（ａ）において、マスクＢで覆われていない部分は、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、ＳｉＯ２層３２までエッチングされる。このＩＣＰ−ＲＩＥでは、エッチングはＳｉＯ２層３２で停止するので、観察プローブ１０および可動アーム２０の厚さを均一かつ高精度に形成することができる。【００３２】
図７（ｂ）はエッチング後のウエハ３０を示したものである。マスクＢのスリットＳＬ１の部分からのエッチングにより、＜１１０＞方向に延在するスリット溝４０が形成される。スリット溝４０の両側面は、ＳｉＮ膜３４の表面に対して垂直になっており、スリット溝４０の深さは、ＳｉＮ膜３４と上部Ｓｉ層３１の厚さの和に相当する。スリット溝４０の両側面は、ナノピンセット１の完成段階で、探針部１２の直交面１２ａと把持部２２の直交面２２ａ（図２参照）となる。【００３３】
図８は、エッチング前後のウエハ３０の断面を示したものであり、（ａ）は図７のＩＩ−ＩＩ断面図で、（ｂ）は図７のＩ−Ｉ断面図である。マスクＢで覆われていない部分では、窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４，酸化膜３５，Ｓｉ層３１がエッチングされている。その結果、エッチングされた部分では、ＳｉＯ２層３２の表面およびＳｉ層３１の側面が露出することになる。【００３４】
図１０は工程ｅを説明する図であり、（ａ）は図７のＩ−Ｉ断面と同様の断面を示す図であり、（ｂ）は図７のＩＩ−ＩＩ断面同様の断面を示す図である。工程ｅでは、工程ｄのエッチングにより露出した上部Ｓｉ層３１の側面に、表面保護のための酸化膜３６を形成する。この酸化処理は、工程（ｃ）と同様の水蒸気酸化である。【００３５】
図１１は工程ｆを説明する図であり、（ａ）は図１０（ａ）と同様のＩ−Ｉ断面図であり、（ｂ）は図１０（ｂ）と同様のＩＩ−ＩＩ断面図である。工程ｆでは、Ｃ２Ｆ６を用いたＲＩＥによりＳｉＮ膜３４をエッチング除去する。その結果、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、上部Ｓｉ層３１の上面が露出する。このＲＩＥ処理はマスクを用いずに行われるが、Ｃ２Ｆ６のガス圧力を高めることによって、ＳｉＮ膜３４を酸化膜３５，３６よりも大きいエッチングレートで除去できるようなエッチング条件に設定し、ＳｉＮ膜３４だけを除去する。そのため、上部Ｓｉ層３１上の酸化膜３５および上部Ｓｉ層３１側面の酸化膜３６はエッチングされずに残ることになる。図１２は処理後のウエハ３０を示す斜視図であり、ドットのハッチングを施した部分が酸化膜３５，３６の部分である。【００３６】
図１３において、（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ１）は工程ｈを説明する図である。図１３（ａ２）は、図１３（ａ１）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。工程ｇでは、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて上部Ｓｉ層３１を異方性エッチングする。この場合、図１１に示すように、上部Ｓｉ層３１は酸化膜３５，３６が形成されていない上面部分のみが露出しているので、上部Ｓｉ層３１はその部分から異方性エッチングされ、斜面１１ｂ、２１ｂ、１２ｂ、２２ｂが形成される。前述したように、上部Ｓｉ層３１の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）に選んでいるので、異方性エッチングによって形成される斜面１２ｂ、２２ｂは単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。【００３７】
なお、前述した共振周波数の設定のために、観察プローブ１０のレバー１１の厚さを可動アーム２０のレバー２１の厚さよりも厚く形成する場合は、レバー２１の領域以外をレジストで保護して、レバー２１の領域のみを所定厚さになるまで熱酸化あるいはエッチングすればよい。【００３８】
次いで、図１４（ａ）に示すマスクＣを用いてＩＣＰ−ＲＩＥにより、観察プローブ１０および可動アーム２０の原型が形成されている周辺領域に残存する上部Ｓｉ層３１を、ＳｉＯ２層３２の表面が露出するまで厚さ方向にエッチング除去する。その後、酸化膜３５，３６をエッチング除去する。このマスクＣを用いたエッチングにより、探針部１２および把持部２２の長さを調節することができる。また、端面１２ｅ，２２ｅが探針部１２および把持部２２の延在方向と位置を揃えて垂直になるので、試料Ｓの把持をより一層確実に行うことができる。【００３９】
図１３（ｂ１）に示す工程ｈでは、図１４（ｂ）に示すマスクＤを用いてＳＯＩウエハ３０の裏面から、下部Ｓｉ層３３側の不要部分をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチング除去する。このエッチングは、ＳｉＯ２層３２で停止する。そして、フッ酸溶液によりＳｉＯ２層３２の不要部分を除去すればナノピンセット１の形状となる。なお、工程ｈで除去された部分は、図１３（ｂ１）に示すように二点鎖線で示した部分である。なお、図１３で示した部分の処理には、マスクＣ、ＤのＲ３−Ｒ３線より上部領域が対応している。【００４０】
以上により、支持体２５と一体に観察プローブ１０および可動アーム２０が同一方向に延在するナノピンセット１が完成する。このとき、駆動レバー２３，２４も、観察プローブ１０および可動アーム２０の製造工程中で同様の手法により作製される。【００４１】
上記の製造工程では、１個のナノピンセット１についての一連の作製手順を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。このバッチ処理では、フォトリソグラフィー法により、１枚のＳＯＩウエハから多数のナノピンセット１を一括で作製することができ、大幅な製造コストの削減をもたらすものである。【００４２】
以上説明したように、本実施の形態によるナノピンセット１は、ＡＦＭ装置に搭載することにより、次のような作用効果を奏する。
（１）ＳＯＩウエハからフォトリソグラフィー法により観察プローブ１０と可動アーム２０とを一体で作製するので、低コストでナノピンセットを作製できるとともに、寸法精度が高いので、観察プローブ１０と可動アーム２０による試料Ｓの把持を確実に行うことができる。【００４３】
（２）観察プローブ１０の共振周波数ｆ１が可動アーム２０の共振周波数ｆ２よりも高くなるように、レバー１１、２１の幅または厚さを設定しているので、タッピングモードで観察プローブ１０を励振する際の共振周波数を、観察プローブ１０の共振周波数とすれば、観察プローブ１０だけを試料Ｓに近接させて振動させることができ、可動アーム２０が並設されていても観察に支障をきたすことがない。
（３）可動アーム２０を熱アクチュエータで駆動するように構成するので、可動アーム２０自体には電圧が印加されず、導電性試料でも生物試料でも容易に把持することができる。
（４）熱アクチュエータで可動アーム２０を駆動する際、可動アーム２０と観察プローブ１０とをほぼ接地電位になるように電圧をフィードバックした。この結果、把持する試料Ｓに不所望な電位が印加されることが抑制される。【００４４】
〔第２の実施形態〕
図１５は、第２の実施形態によるＡＦＭ装置の構成を模式的に示す全体構成図である。なお、上述した第１の実施形態と同一部分には同一の符号を付し、重複する説明については省略する。可動アーム２０は、駆動機構３００によりＭ方向（Ｘ方向）に駆動される。駆動機構３００には、電極３０１、熱変形部３０２、梃子部３０３、連結部３０４および梁部３０５が、それぞれ一対ずつ設けられている。第１の実施形態と同様に、ナノピンセット１の支持体２５は不図示のホルダーに着脱可能に保持され、そのホルダーは、不図示の３次元ステージにより３次元方向に移動することができる。【００４５】
熱変形部３０２には電極３０１が接続され、熱変形部３０２の先端は梃子部３０３に当接している。梃子部３０３は連結部３０４を介して梁部３０５と接続され、梁部３０５は可動アーム２０の基部に接続されている。一対の電極３０１は電源部６に接続されており、電源部６から電極３０１を介して熱変形部３０２に電力が供給できるようになっている。熱変形部３０２に電力が供給されると、ジュール熱により熱変形部３０２が長手方向に熱膨張し、可動アーム２０を＋Ｘ方向に直線移動させる。したがって、熱膨張アクチュエータとしての駆動機構３００に供給する電力を調整することにより、すなわち、熱変形部３２に流す電流値を調節することにより、可動アーム２０にＸ方向への往復運動Ｍを行わせることができる。【００４６】
上述した第１の実施形態では、観察プローブ１０および可動アーム２０はＹ方向に並設され、熱アクチュエータにより可動アーム２０をＹ方向に駆動するような構成とした。一方、第２の実施形態では、観察プローブ１０および可動アーム２０をＺ方向に上下に重なるように並設し、駆動機構３００により可動アーム２０をＸ方向にスライド移動させるような構成としている。【００４７】
図１６において、（ａ）は観察プローブ１０および可動アーム２０の配置関係を示す図であり、（ｂ）は先端部分の拡大図である。なお、図１６では、駆動機構３００に関しては、模式的に簡略化して示した。観察プローブ１０は、Ｘ方向に延在するレバー１１と、レバー１１の先端に設けられてＺ方向に突出する把持部１２と、把持部１２の先端部分に設けられた探針部１３とを有している。この観察プローブ１０は、ナノピンセット１の支持体２５と一体に形成されている。一方、可動アーム２０も、Ｘ方向に延在するレバー２１と、レバー２１の先端に設けられてＺ方向に突出する把持部２２とを有している。可動アーム２０の基部には、駆動機構３００が連結されている。【００４８】
レバー１１の支持体２５からの突出長さは、レバー２１の突出長さよりも長く設定されている。また、レバー１１のＹ方向の幅とレバー２１のＹ方向の幅は等しく、所定間隔でＺ方向に並設されている。【００４９】
図１６（ｂ）の拡大図に示したように、把持部１２と把持部２２とはＸ方向に沿って配置されており、把持部１２および２２の互いの対向する部分は平面状に形成されている。それらの対向面１２ａ，２２ａはＸ軸に直交する面となっており、互いに平行に配置されている。対向面１２ａ，２２ａ間の距離ｄは可動アーム２０をＭ方向に移動することにより、変化させることができる。【００５０】
探針部１３と把持部２２の先端２２ｂは、いずれも先鋭であり、探針部１３と把持部２２の先端２２ｂとを結ぶ線はＸ軸にほぼ平行となっている。従って、可動アーム２０を直線移動させて、対向面１２ａと２２ａを接触させたときには、探針部１３と把持部２２の先端２２ｂとが合致する。【００５１】
図１７を参照しながら、ナノピンセット１による試料表面の観察動作と、把持動作について説明する。最初に、観察動作について説明する。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様のタッピングモードにより試料表面の観察を行う。この場合も、ナノピンセット１の支持体２５を励振部５によりＺ方向に振動させて、観察プローブ１０を共振振動させる。【００５２】
まず、ナノピンセット１を保持する不図示のホルダーを３次元的に移動させ、図１７（ａ）に示すように、ナノピンセット１を試料表面Ｐに対して所定角度だけ傾斜させてアプローチする。観察動作を行う際には駆動機構３００を動作させず、観察プローブ１０の把持部１２と可動アーム２０の把持部２２との間隔ｄを最大間隔ｄ０に設定しておく。そして、観察プローブ１０の探針部１３を試料表面Ｐに原子径レベルで近接させ、第１の実施形態と同様の方法により試料表面の観察を行う。ここでは、詳しい説明は省略する。【００５３】
観察プローブ１０を用いてタッピングモードによる試料表面Ｐまたは微小試料Ｓの観察を行う場合、観察プローブ１０の探針部１３を可動アーム２０の先端２２ｂよりも大きい振幅で振動させて、試料表面Ｐまたは微小試料Ｓに近接させる必要がある。そこで、観察プローブ１０のレバー１１の厚さを可動アーム２０のレバー２１の厚さよりも厚くし、第１の実施形態と同様にレバー１１の厚さ方向の振動の共振周波数をレバー２１の共振周波数よりも高くなるように設計する。励振部５によりナノピンセット１の支持体２５をその共振周波数で振動させると、レバー１１のみが共振してＺ方向に大きく振動する。その結果、可動アーム２０が観察の障害となることなく、観察プローブ１０によるＡＦＭ観察を行うことができる。【００５４】
図１７（ｂ）に示すように、微小試料Ｓが把持部１２，２２間となる位置にナノピンセット１を移動したならば、駆動機構３００を動作させて微小試料Ｓの把持動作を行わせる。把持動作を行う場合には、励振部５による振動動作を停止する。ナノピンセット１は、間隔ｄをｄ０に保った状態で微小試料Ｓへと移動させる。駆動機構３００の熱変形部３０２に電流を流すと、熱変形部３０２はジュール熱の発生により熱膨張し、熱膨張による＋Ｘ方向への変位量は梃子部３０３により拡大される。そして、連結部３０４を介して、梁部３０５および可動アーム２０が＋Ｘ方向に駆動される。【００５５】
このような動作により、微小試料Ｓを把持部２２と把持部１２との間に挟み込むことにより、微小試料Ｓは互いに平行な面１２ａ，２２ａの間に把持されることになる。このとき、熱変形部３０２への電流値を調節することにより、適切な把持力で微小試料Ｓを把持することができる。把持中の把持部１２と把持部２２との間隔ｄは、微小試料Ｓの大きさｄ１（ｄ１＜ｄ０）となる。【００５６】
その後、図１７（ｃ）に示すように、ナノピンセット１を保持するホルダーを不図示の３次元ステージにより３次元方向に移動することによって、微小試料Ｓを３次元的に移動することができる。本実施の形態のナノピンセット１においても、観察プローブ１０と可動アーム２０とを有することにより、試料面Ｐや微小試料Ｓの観察と、微小試料Ｓの把持とを行うことができる。また、把持部１２，２２の対抗面１２ａ，２２ａを平行に保持した状態で微小試料Ｓを把持することができるので、把持部が円弧状に移動して開閉動作を行う従来のナノピンセットと比べて、確実に微小試料Ｓを把持することができる。そのため、本実施の形態のナノピンセット１は、円筒状のカーボンナノチューブや球状のフラーレンといった球面を有する微小物体の把持に好適である。なお、ナノピンセット１による微小試料Ｓの把持を解除する場合には、電源部６による印加電圧を低下させるか零とすることにより、把持部２２と把持部１２との間隔ｄを拡げればよい。【００５７】
次に、第２の実施形態におけるナノピンセット１の製造工程について説明する。ここでは、工程ａから工程ｉの９つの工程に分けて順に説明する。図１８の（ａ１）および（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）は断面図である。工程ａでは、ＳＯＩウエハ４００を用意する。本実施の形態では、ＳＯＩウエハ４００は、厚さ５０μｍの上部Ｓｉ層４０１と、厚さ１μｍのＳｉＯ２層４０２と、厚さ４００μｍの下部Ｓｉ層４０３とから成る。上部Ｓｉ層４０１は、その表面が単結晶Ｓｉの主面（００１）となるように形成されており、図の左右方向が＜１００＞方向になっている。【００５８】
図１８の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）は断面図である。工程ｂでは、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成する水蒸気を用いた水蒸気酸化（ウエット酸化）により、上部Ｓｉ層４０１の表面を酸化して厚さ０．３μｍの酸化膜４０４を全面に形成する。【００５９】
図１８の（ｃ１），（ｃ２），（ｃ３）は工程ｃを説明する図であり、（ｃ１）は平面図、（ｃ２）は断面図、（ｃ３）は工程ｃで用いるマスクＭＡの平面図である。マスクＭＡは、フォトリソグラフィーで形成したレジストマスクである。工程ｃでは、マスクＭＡを用いたＢＨＦによるエッチングを行って、酸化膜４０４の一部を除去する。【００６０】
図１９の（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）は断面図である。工程ｄでは、酸化膜４０４上および露出した上部Ｓｉ層４０１上に、ＬＰＣＶＤにより、厚さ０．０５μｍのシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜やＳｉＮ膜）を形成する。【００６１】
図１９の（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３）は工程ｅを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）はＩＡ−ＩＡ断面図、（ｂ３）は工程ｅで用いるマスクＭＢの平面図である。工程ｅでは、マスクＭＢを形成した後に、ＲＩＥによりＳｉＮ膜４０５をエッチングし、その後、エッチングにより露出した酸化膜４０４をＢＨＦを用いてエッチング除去する。そして、ＢＨＦによるエッチングにより露出した部分の上部Ｓｉ層４０１を、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）によりエッチングする。このＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチングは、厚さ方向にほぼ垂直に進行し、ＳｉＯ２層４０２で停止する。その結果、図１９（ｂ２）に示すように、上部Ｓｉ層４０１の厚さに等しい深さ５０μｍの溝Ｂ１１が形成される。なお、この溝Ｂ１１はマスクＢの非遮蔽部分Ｂ１２からのエッチングによって形成される。【００６２】
図１９の（ｃ１），（ｃ２）は工程ｆを説明する図であり、（ｃ１）は平面図、（ｃ２）はＩＡ−ＩＡ断面図である。工程ｆでは、水蒸気酸化により上部Ｓｉ層４０１の露出面を酸化して、厚さ０．３μｍの酸化膜４０６を形成する。この酸化膜４０６は、後述する異方性エッチングの際に、溝Ｂ１１の内壁などがエッチングされるのを防止するための保護膜として機能する。【００６３】
図２０の（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＡ−ＩＡ断面図である。工程ｇでは、ＲＩＥによりＳｉＮ膜４０５を除去する。その結果、除去前のＳｉＮ膜４５が形成されていた領域Ａ１０の上部Ｓｉ層４１が露出することになる。図２０（ｂ１），（ｂ２）は工程ｈを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）はＩＡ−ＩＡ断面図である。工程ｈでは、ＴＭＡＨ（tetra methyl ammonium hydroxide）溶液を用いて領域Ａ１０の上部Ｓｉ層４０１の異方性エッチングを行う。酸化膜４０４，４０６はＴＭＡＨにエッチングされ難く、この異方性エッチングの停止層として働く。この異方性エッチングの結果、上部Ｓｉ層４０１から成り斜面Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を有する３つの三角錐が形成される。斜面Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、エッチングレートが小さい（１１１）面である。なお、この工程ｈでは、ＴＭＡＨ溶液の代わりにＫＯＨ溶液を使用してもよい。【００６４】
図２０の（ｃ１），（ｃ２），（ｃ３）は工程ｉを説明する図であり、（ｃ１）は平面図、（ｃ２）はＩＡ−ＩＡ断面図、（ｃ３）は工程ｉで用いられるマスクＭＣである。工程ｉでは、図２０（ｃ３）に示すマスクＭＣを用いてＳＯＩウエハ４００の裏面から、すなわち下部Ｓｉ層４０３側から、下部Ｓｉ層４０３の不要部分をエッチング除去し、さらに残ったＳｉＯ２層４０２も除去する。その結果、マスクＭＣの遮蔽部分Ａ１３により遮蔽された領域Ａ１２の部分の下部Ｓｉ層４０３は、図２０（ｃ２）に示すように、支持体２５の部分としてエッチングされずに残る。また、ＳｉＯ２層４０２のエッチング除去により、可動アーム２０および駆動機構３００の熱変形部から梁部までの部分においては、Ｓｉ層４０１と下部Ｓｉ層４０３との間のＳｉＯ２層４０２は、上述したエッチング除去処理の際に除去されて支持体２５から浮いた状態となり、熱変形による動きが可能となる。【００６５】
上記の製造方法では、観察プローブ１０および可動アーム２０の幅寸法は、上部Ｓｉ層４０１の厚さ（例えば、上述した例では５０μｍ）で規制されるが、長さ方向と厚さ方向の寸法は、フォトリソグラフィーにより自由に設計することができる。従って、観察プローブ１０および可動アーム２０の長さ寸法や厚さ寸法については、タッピングモードの振動の共振周波数に適した寸法にすることは容易である。また、把持部１２と把持部２２の間隔ｄも任意に設定することができる。【００６６】
上記の製造工程では、１個のナノピンセット１についての一連の作製手順を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。このバッチ処理では、フォトリソグラフィー法により、１枚のＳＯＩウエハから多数のナノピンセット１を一括で作製することができ、大幅な製造コストの削減をもたらすものである。  【００６７】
以上説明したように、本実施の形態によるナノピンセット１は、ＡＦＭ装置に搭載することにより、次のような作用効果を奏する。
（１）ＳＯＩウエハからフォトリソグラフィー法により観察プローブ１０と可動アーム２０とを一体で作製するので、低コストであり、また、寸法精度が高く、観察プローブ１０と可動アーム２０による微小試料Ｓの把持を確実に行うことができる。
（２）可動アーム２０の把持部２２を観察プローブ１０の把持部１２に向けて直線的にスライド移動させて両把持部間で微小試料Ｓを把持するので、把持動作を容易に行うことができる。
（３）可動アーム２０を熱アクチュエータで駆動するように構成するので、可動アーム２０自体には電圧が印加されず、導電性試料でも生物試料でも容易に把持することができる。
（４）観察プローブ１０の共振周波数が可動アーム２０の共振周波数よりも高くなるように、レバー１１、２１の厚さを設定しているので、観察プローブ１０のみを試料表面Ｐに近接させて振動させることができ、可動アーム２０が観察に支障をきたすことはない。【００６８】
〈第３の実施の形態〉
図２１は、第３の実施の形態によるナノピンセットの構造を模式的に示す平面図であり、図２１（ａ）は、駆動機構８０の非駆動状態、図２１（ｂ）は、駆動機構８０の駆動状態を示し、図２１（ｃ）は、図２１（ａ），（ｂ）のナノピンセットの部分拡大図である。図２１（ａ）に示すように、ナノピンセット５１は、観察プローブ６０、可動アーム７０、支持体７５および駆動機構８０を有する。観察プローブ６０は支持体７５と一体に設けられており、Ｘ方向に延在するＵ字型（馬蹄形状）のレバー６１と、レバー６１の先端付近にＺ方向に突出する把持部６２と、把持部６２の先端部分に配置される探針部６３とを有している。【００６９】
探針部６３は把持部６２の先端に設けられている。可動アーム７０は、レバー６１によって形成されるＵ字型空間内にスライド可能に配設されている。可動アーム７０のＸ方向に延在するレバー７１の先端には、Ｚ方向に突出する把持部７２が形成されている。レバー６１とレバー７１とは同一面にあり、レバー６１およびレバー７１のＺ方向の厚さは等しく、探針部６３および把持部７２のＺ方向の高さ位置も等しい。【００７０】
図２２は、第３の実施の形態によるナノピンセット５１の主要部の構造を模式的に示したものである。把持部６２の対向面６２ａと把持部７２の対向面７２ａは互いに平行に形成されている。また、探針部６３と把持部７２の先端７２ｂはいずれも先鋭に形成されており、探針部６３と把持部７２の先端７２ｂとを結ぶ線は、レバー７１のスライド方向Ｍに対してほぼ平行となるように配設されている。ナノピンセット５１により微小試料が把持する際には、これらの対向面６２ａ，７２ａの間に微少試料が把持され、試料表面をＡＦＭ観察する場合には探針部６３を用いて観察が行われる。【００７１】
可動アーム７０の基部は駆動機構８０に連結されており、可動アーム７０は駆動機構８０によってＭ方向にスライド駆動される。駆動機構８０の構成は第２の実施の形態の駆動機構３００と同様であり、詳細説明は省略する。また、第３の実施の形態のナノピンセット５１の場合も、第１の実施の形態のナノピンセット１と同様に、図１５のＡＦＭ装置１００に搭載して試料表面のＡＦＭ観察や微小試料の把持を行う。【００７２】
図２３はナノピンセット５１を用いた観察動作を説明する図であり、図２３（ａ１），（ａ２）に示すように、ナノピンセット５１を試料表面Ｐに対して所定角度だけ傾斜させてアプローチする。このときは、観察プローブ６０の把持部６２と可動アーム７０の把持部７２との間隔ｄは最大間隔ｄ０に保持される。なお、Ｌ１はレーザ光源２からの光であり、光Ｌ１は観察プローブ６０の上面に照射される。観察プローブ６０の上面で反射された光Ｌ２は、２分割フォトダイオード３に入射する。【００７３】
次いで、図２３（ｂ１），（ｂ２）に示すように、対向面６２ａ，７２ａ間の間隔ｄをｄ０に保持した状態で、探針部６３を試料表面Ｐに原子径レベルで近接させ、タッピングモードによる観察を行う。第３の実施の形態のナノピンセット５１の場合には、観察プローブ６０のレバー６１の幅を可動アーム７０のレバー７１の幅よりも広く設定することにより、レバー６１のみを共振させて大きな振幅で振動させる。【００７４】
図２３の（ｃ１）、（ｃ２）は、ナノピンセット５１による微小試料Ｓの把持動作を説明する図である。ナノピンセット５１の場合にも、第２の実施形態のナノピンセット３１と同様に、間隔ｄ０に保持された把持部７２と把持部６２との間に微小試料Ｓが位置するようにナノピンセット５１を移動する。その後、可動アーム７０を＋Ｘ方向にスライド移動させることにより、微小試料Ｓを把持部７２と把持部６２の間に挟み込むようにする。本実施の形態の場合も、微小試料Ｓを把持している対向面６２ａ，７２ａが互いに平行となっているので、微小試料Ｓを確実に把持することができる。【００７５】
次に、ナノピンセット５１の製造工程について説明する。図２４の（ａ１）〜（ａ３）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図、（ａ３）は工程ａで用いられるマスクＭＥを示す図である。まず、先ず、上部Ｓｉ層９１（厚さ１０μｍ）、ＳｉＯ２層９２（厚さ１μｍ）および下部Ｓｉ層９３（厚さ４００μｍ）から成るＳＯＩウエハ９０を用意し、その上部Ｓｉ層９１上に、厚さ０．０５μｍのシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜やＳｉＮ膜）９４をＬＰＣＶＤにより形成する。【００７６】
その後、図２４（ａ３）に示すマスクＭＥを用いたＲＩＥにより、マスクＭＥの開口Ｄ２に対応する領域Ｄ１のＳｉＮ膜９４をエッチング除去し、さらに、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いて上部Ｓｉ層９１を厚さ方向にエッチングする。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチングはＳｉＯ２層９２で停止するので、図２４（ａ２）に示すように、上部Ｓｉ層９１の厚さに等しい深さ１０μｍの溝Ｄ１が形成される。図２４（ｂ１），（ｂ２）に示す工程ｂでは、上部Ｓｉ層９１の露出部分（溝Ｄ１の内壁）に水蒸気酸化により厚さ０．３μｍの酸化膜９５を形成する。【００７７】
図２５の（ａ１）〜（ａ３）は工程ｃを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図、（ａ３）はマスクＭＦを示す図である。図２５（ａ１），（ａ２）に示す工程ｃでは、図２４（ａ３）に示すマスクＭＦを用いて、ＩＩＡ−ＩＩＡ線の左側領域Ｅ１のＳｉＮ膜９４を領域Ｆ１だけエッチング除去し、上部Ｓｉ層９１を露出させる。領域Ｆ１はマスクＭＦの非遮蔽部分Ｆ２に対応する。【００７８】
図２５の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｄを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。工程ｄでは、ＫＯＨ溶液を用いて領域Ｆ１の上部Ｓｉ層９１の異方性エッチングを行う。この場合、例えば、エッチング深さが上部Ｓｉ層９１の厚さの半分の５μｍになった時点でエッチングを中止すると、溝Ｄ１を挟んで斜面Ｇ１，Ｇ２を有する高さ５μｍの２つの三角錐が形成される。斜面Ｇ１，Ｇ２はＳｉ結晶の（１１１）面であり、基板面に平行な（００１）面に比べてエッチングレートが小さい。なお、この工程ｄでは、ＫＯＨ溶液の代わりにＴＭＡＨ溶液を使用してもよい。【００７９】
図２６の（ａ１），（ａ２）は工程ｅを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。工程ｅでは、上部Ｓｉ層９１の露出面（領域Ｆ１）に酸化膜９６を形成する。図２６の（ｂ１），（ｂ２）工程ｆを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。工程ｆでは、ＲＩＥにより残存するＳｉＮ膜９４をすべて除去する。従って、ＩＩＡ−ＩＩＡ線の右側領域Ｅ２でも上部Ｓｉ層９１が露出する。【００８０】
図２７の（ａ１），（ａ２）は工程ｇを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。工程ｇは、図２７（ｂ１），（ｂ２）に示す工程ｄと同様の工程であり、領域Ｅ２の上部Ｓｉ層９１の異方性エッチングを行う。領域Ｅ２の異方性エッチングでも、エッチング深さが５μｍになった時点でエッチングを中止する。その結果、ＩＩＡ−ＩＩＡ線を挟んで斜面Ｇ３，Ｇ４を有する２つの三角錐が新たに形成される。斜面Ｇ３，Ｇ４も、斜面Ｇ１，Ｇ２と同じく（１１１）面である。【００８１】
図２７の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｈを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）はＩＩＡ−ＩＩＡ断面図である。工程ｈでは、領域Ｆ１を保護するために形成した酸化膜９６をエッチング除去する。斜面Ｇ１を有する三角錐と斜面Ｇ３を有する三角錐とが合体した三角錐が把持部６２、探針部６３となり、斜面Ｇ２を有する三角錐と斜面Ｇ４を有する三角錐とが合体した三角錐が把持部７２となる。領域Ｄ１は矩形状に形成されているので、把持部６２と把持部７２の対向する面は平行となっている。【００８２】
図２８の（ａ１）〜（ａ３）は工程ｉを説明する図であり、（ａ１）は平面図、（ａ２）はＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面図、（ａ３）はマスクＭＧを示す図である。また、図２８の（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｊを説明する図であり、（ｂ１）は平面図、（ｂ２）、（ａ３）は形成された観察プローブ６０および可動アーム７０を示す平面図および斜視図である。なお、図２８（ａ１），（ａ３），（ｂ１），（ｂ３）では、図２４〜２７で示した領域よりも広域を示している。【００８３】
図２８（ａ１），（ａ２）に示す工程ｉでは、マスクＭＧを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、観察プローブ６０および可動アーム７０の外形を形作るためのエッチングを行う。このエッチングで支持体７５の外形の一部も同時に形成される。図２８（ａ１）に示されるように、観察プローブ６０と可動アーム７０の境界および周辺領域の上部Ｓｉ層９１が除去されたことにより、観察プローブ６０および可動アーム７０の原型が上部Ｓｉ層９１から作製される。もちろん、上部Ｓｉ層９１が除去された部分には、ＳｉＯ２層９２が露出している。【００８４】
図２８（ｂ１），（ｂ２）に示す工程ｊでは、マスクＭＨを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、観察プローブ６０および可動アーム７０の分離および支持体７５の外形を形作るためのエッチングを行う。この工程ｊでは、ＳＯＩウエハ９０の裏面から、すなわち下部Ｓｉ層９３側から下部Ｓｉ層９３とＳｉＯ２層９２の不要部分を除去する。以上により、支持体７５と一体に観察プローブ６０および可動アーム７０が同一方向に延在するナノピンセット５１が完成する。また、駆動機構８０も、観察プローブ６０および可動アーム７０の製造工程中で同様の手法により同時に作製される。駆動機構８０も、観察プローブ６０および可動アーム７０と同様に上部Ｓｉ層９１から作製される。【００８５】
上記の製造方法では、観察プローブ６０および可動アーム７０の長さ（Ｘ方向）、幅（Ｙ方向）、厚さ（Ｚ方向）の各寸法は、フォトリソグラフィーにより自由に設計し、製造することができる。長さと幅の寸法は、マスクの寸法で決まるものであり、観察プローブ６０のレバー６１の幅をタッピングモードの振動の共振周波数に適した寸法とすることも容易である。また、把持部６２と把持部７２の間隔ｄ（＝最大間隔ｄ０）も任意に設定することができる。一方、レバー部６１，７１の厚さ寸法、および探針部６３を併せた把持部６２、把持部７２の高さ寸法は、上部Ｓｉ層９１のエッチング量で決まるものであるから、製造工程で管理する。【００８６】
この第３の実施の形態によるナノピンセット５１は、ＡＦＭ装置に搭載することにより、第２の実施の形態によるナノピンセットと同じ効果を奏する。但し、上述したように、タッピングモードの振動の共振周波数に適した寸法とする場合、観察プローブ６０のレバー６１の幅寸法を調節する方が厚さ寸法を調節するよりも精度が高い。【００８７】
〈第４の実施の形態〉
図２９は第４の実施形態を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１の試料面側を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はナノピンセット１の先端部Ｒの構造を説明する拡大図である。支持体２５にはアーム２０１，２０２が形成されている。２０３，２０４は、アーム２０１，２０２を図の矢印方向に開閉駆動する駆動部である。駆動部２０３，２０４はジュール熱によって膨張動作を行う熱膨張アクチェータであり、電源２０９からの電力によって動作する。２０５，２０６は駆動部２０３，２０４の電極であり、電源２０９が接続されている。【００８８】
アーム２０１、２０２の先端部Ｒの構造としては、図２９（ｂ）に示すような構造としても良いし、図２９（ｃ）に示すような構造としても良い。なお、図２９（ｂ），（ｃ）では、先端部の構造が分かりやすいように、アームが開いた状態で図示している。図２９（ｂ）では、上述した第１の実施形態のナノピンセットと同様の構造を有しており、直角三角形の断面形状を有する把持部２０１ａ，２０２ａが形成されている。一方、図２９（ｃ）に示す先端構造は、第３の実施形態のナノピンセットの場合と同様に、アーム２０１，２０２の試料側平面上に角錐形状の突部２０１ｂ，２０２ｂが形成されている。【００８９】
図３０はアーム２０１，２０２による試料Ｓの把持動作を説明する図である。電源２０９がオフ状態では、図２９（ａ）に示すようにアーム２０１，２０２は閉じている。本実施の形態では、駆動部２０３，２０４のシリコン層にはボロンがドーピングされていて、電源２０９がオフの状態では、図３０の上下方向の矢印で示すように駆動部２０３，２０４が収縮する方向に応力が働いている。
【００９０】
試料Ｓの把持を行う場合には、ナノピンセット１を閉じた状態で試料Ｓの近傍まで移動する。次に、電源２０９をオンして電極２０５，２０６に電圧を印加すると、電極２０５→駆動部２０３→アーム２０１→アーム２０２→駆動部２０４→電極２０６のように電流が流れる。断面積が小さくなっている駆動部２０３，２０４ではジュール熱の発生が大きく、駆動部２０３，２０４は図３０（ａ）の矢印方向（図示上下方向）に熱膨張する。その結果、アーム２０１は右方向に、アーム２０２は左方向にそれぞれ移動し、アーム２０１，２０２が開いた状態となる。【００９１】
図３０（ａ）のようにアーム２０１，２０２が開状態となったならば、アーム２０１，２０２間に試料Ｓが位置するようにナノピンセット１を移動する。ところで、アーム２０１，２０２が開状態となると、アーム２０１とアーム２０２との接触が解除され電流が流れなくなる。その結果、駆動部２０３，２０４の温度が降下し、膨張していた駆動部２０３，２０４が元の状態に戻ろうとする。温度降下とともにアーム２０１，２０２は閉じる方向に移動し、図３０（ｂ）に示すように試料Ｓを把持することになる。そして、駆動部２０３，２０４が収縮しようとする応力によって、試料Ｓを把持する把持力が発生する。なお、アーム２０１，２０２が開状態となったならば電源２０９をオフし、電源オフ状態で試料Ｓを把持する。【００９２】
また、ナノピンセット１をＡＦＭ装置の観察プローブとして用いる場合には、電源２０９をオフにして図２９（ａ）のようにアームを閉じた状態とし、支持体２５をＡＦＭ装置の励振部により振動させる。レーザ光はアーム２０１，２０２のいずれに照射しても良い。この場合、アーム２０１，２０２の先端部分、すなわち、図２９（ａ）に示した把持部２０１ａ，２０２ａの先端や、図２９（ｂ）に示した突部２０１ｂ，２０２ｂの先端が探針部として機能する。【００９３】
ナノピンセット１の製造工程については、ボロンをドーピングする工程やボロンドーピングされた駆動部２０３，２０４をアニールして応力を発生させる工程が加わる他は、第１または第３の実施の形態と同様の製造方法が適用される。駆動部２０３，２０４は、第１及び第３の実施の形態と同様にＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１（図１参照）から形成される。【００９４】
そこで、用意されたＳＯＩウエハの上部Ｓｉ層３１上にマスクパターンを形成し、駆動部２０３，２０４が形成される領域にボロンのドーピングを行う。具体的には、イオン注入装置を用いて駆動部領域にボロンイオンをイオン注入する。その後、第１または第３の実施の形態と同様の製造方法により、ナノピンセット１を構成する支持部２５、アーム２０１，２０２、駆動部２０３，２０４等を形成する。ＳＯＩウエハ上にナノピンセット１が形成されたならば、エッチングによりＳＯＩウエハからナノピンセット１を分離し、熱処理を施すことにより駆動部２０３，２０４のアニーリングを行う。【００９５】
図３１の（ａ）はＳＯＩウエハから分離されたナノピンセット１を示したものであり、この段階ではアーム２０１，２０２は開いた状態となっている。すなわち、アーム２０１，２０２をエッチングにより形成する際には、開いた状態の形状にエッチングする。その後、アニーリングすることによって、注入されたボロンがＳｉの格子サイトに置換される。ボロンの原子半径はＳｉに比べて小さいので、ボロンを格子サイトに置換すると圧縮方向に応力が働く。その結果、熱処理後は、図３１（ｂ）に示すように駆動部２０３，２０４が収縮してアーム２０１，２０２の先端が閉じた状態となる。なお、駆動部２０３，２０４のボロンドーピングは、ナノピンセット１の構造をエッチングした後にレジストでマスクをかけて行っても良い。【００９６】
図３２は、図２９に示したナノピンセット１の変形例を示す図である。この変形例では、アーム２０１，２０２の基部に電極２０７，２０８を設け、電極２０５，２０７間に電源２０９Ａを接続し、電極２０６，２０８間に電源２０９Ｂをそれぞれ設けた。そのため、アーム２０１、２０２毎に開閉駆動を行うことができるとともに、試料を把持している間も駆動部２０３，２０４に電流を流すことにより、把持力を調整することが可能となる。もちろん、試料把持中に、電源２０９Ａ，２０９Ｂをオフ状態としてもかまわない。なお、変形例に示すナノピンセット１であっても、電極２０５，２０６間のみに電源を接続することにより、図２９，３０に示したナノピンセットと同様の開閉動作を行わせることができる。【００９７】
図３０，３２に示すナノピンセットでは、駆動部２０３，２０４に電流を流して駆動部２０３，２０４を熱膨張させてアーム２０１，２０２を開いたが、ボロンがドープされた駆動部２０３，２０４とは別に、アーム２０１，２０２を開方向に駆動する駆動機構をさらに設けるようにしても良い。この場合、駆動部２０３，２０４はアーム２０１，２０２に閉方向の付勢力を与える付勢機構としてのみ機能する。一方、図３０，３２に示したナノピンセットは、駆動部２０３，２０４が付勢機構と駆動機構とを兼ねている。駆動機構としては、熱膨張を利用した熱アクチェータでも良いし、静電力を利用した静電アクチュエータ等でも良い。また、付勢機構と駆動機構とを別構成とした場合、アニーリングを行う前のアーム２０１，２０２の間隔をゼロと見なせるくらい狭くしても、駆動機構によりアーム２０１，２０２を開状態とすることが可能である。【００９８】
上述した第１〜第４の実施形態では、ナノピンセットに形成された把持部や突部の先端を試料観察時の探針部として使用したが、第４の実施の形態のナノピンセットのようにノーマリークローズタイプのナノピンセットの場合、電源オフ状態で試料をアーム２０１，２０２間に把持することができるので、探針部材を把持して試料観察を行うことも可能である。この場合、図２９（ｃ）に示すような突部２０１ｂ，２０２ｂを形成する必要がない。【００９９】
このように、第４の実施形態のナノピンセットでは、電源オフ時に閉状態となるため、電源にオフにしたまま試料の把持状態を保持することができる。そのため、ノーマリーオープンタイプの第１〜３の実施形態のナノピンセットに比べて、電力消費を低減することができる。なお、第４の実施形態では、左右に開閉するタイプのナノピンセットに関して、ノーマリークローズ型の構成を説明したが、上述した第２および第３の実施形態に示したようなスライドタイプのナノピンセットに関しても、同様にノーマリークローズ型を構成することができる。【０１００】
なお、上述した実施の形態では、ＳＯＩウエハを用いたが、単結晶のＳｉウエハを用いることもできる。Ｓｉウエハを用いる場合は、ＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング作用を停止させる働きをもつＳｉＯ２層３２が存在しないので、ＩＣＰ−ＲＩＥの条件を制御する必要がある。Ｓｉウエハの{１００}面に対して、５μｍのエッチング深さを得るには、例えば、反応ガスとして（ＳＦ６＋Ｃ４Ｆ８）混合ガスを用い、高周波出力６００Ｗで約１．７分の処理を行う。Ｓｉウエハは、ＳＯＩウエハよりも安価であり、上述したＩＣＰ−ＲＩＥの工程のみを変更するだけで、他の総ての工程は上述した実施の形態と同様であるので、更なる製造コストの削減が可能となる。【０１０１】
本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、観察プローブの振幅の変化量を光てこ方式で計測したが、静電容量の変化等種々の計測方法を用いることができる。本実施の形態のナノピンセットは、ＡＦＭ装置に限らず、例えば、静電力や摩擦力を検出する走査型プローブ顕微鏡装置（ＳＰＭ装置）にも適用できる。また、可動アーム２０，７０およびアーム２０１，２０２の駆動には、熱アクチュエータに限らず、静電力または圧電膜の伸縮を利用してもよい。また、可動アーム２０の把持部２２、可動アーム７０の把持部７２、アーム２０１，２０２の把持部２０１ａ，２０１ａや突部２０１ｂ、２０２ｂに関しては様々な形状が考えられ、さらには突起状に形成しなくともよい。さらに、観察プローブ１０，６０およびアーム２０１，２０２を用いた観察には、タッピングモードに限らず、コンタクトモードを採用してもよい。また、観察プローブ１０，６０に対して、観察だけではなく、可動アーム２０，７０のような試料を把持するための移動機能を追加してもよい。【０１０２】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２００４年第３３７８４２号（２００４年１１月２２日出願）
日本国特許出願２００５年第４２８８３号（２００５年２月１８日出願）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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