(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶方位（１００）のシリコン基板の面上に設けられた薄膜を半導体製造技術を用いてパターニングして形成された薄膜プレートと、前記シリコン基板をエッチングマスクにて部分的にエッチング除去して形成され、前記エッチングマスクに対応する形状を有し、該薄膜プレートを支持し、周囲の面が結晶方位（１１１）の面である支持体と、前記薄膜プレートを補強するために設けられ、前記シリコン基板をアンダーエッチングすることにより前記薄膜プレートの少なくとも根本領域の一部に梁状に配置されシリコンからなり前記支持体とは異なる結晶方位の面を有する補強部材とを有し、
前記支持体は、前記薄膜プレートを固定し前記薄膜プレートが突出する主稜部と、前記主稜部の側部に位置する側稜部とを有し、
前記補強部材は、前記主稜部の前記（１１１）の面から前記薄膜プレートに沿って設けられ、
前記主稜部の少なくとも一部は、（１１１）の面が露出しており、
前記薄膜プレートは、前記支持体の少なくとも一方の側稜部又は前記側稜部の延長線より突出して配置され、且つ、少なくとも先端部は前記補強部材から突出していることを特徴とするマイクロ切開装置。
【請求項２】
前記薄膜プレートには前記支持体側の面に該薄膜プレートを補強するプレート強化膜がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ切開装置
【請求項３】
前記薄膜プレートの端部は、テーパ状領域を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロ切開装置。
【請求項４】
前記薄膜プレートの端部は、ノコギリ刃を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロ切開装置。
【請求項５】
前記薄膜プレートは窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロ切開装置。
【請求項６】
前記プレート強化膜はボロン・ドープシリコンであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ切開装置。
【請求項７】
上面及び下面の結晶方位が（１００）面を有するシリコン基板を準備し、
前記シリコン基板の前記上面、及び、前記下面に薄膜を形成し、
前記上面の前記薄膜を薄膜プレートの形状にパターニングし、前記下面の前記薄膜を支持体の形状にパターニングし、
前記上面、及び、前記下面の薄膜をエッチングマスクとして、前記シリコン基板を異方性のアンダーエッチングを行うことを特徴とするマイクロ切開装置の製造方法。
【請求項８】
前記異方性エッチングは、前記支持体の周囲が結晶方位（１１１）面で覆われる前にエッチングを停止することにより、アンダーエッチングさせることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ切開装置の製造方法。
【請求項９】
前記異方性エッチングは、略１０％のアンダーエッチングであることを特徴とする請求項７又は８に記載のマイクロ切開装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、卵細胞、原生動物等微細な対象物を加工する際に用いる、マイクロ切開装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、卵細胞や原生動物等の微細な加工対象物を切開あるいは切断するために専用の切開刃が用いられている。このような微細な加工対象物は、一般に大きさが数μmから１００μm程度である。従来、機械加工により数μmに薄膜化を施した金属刃や、破断したガラス片の中から適切な厚みの破片を抽出し、マニピュレータに設置して動かすことにより、加工対象の切開あるいは切断をおこなっていた。しかし、このような金属やガラス破片による切開刃を得るには、職人的な技術を必要とし、歩留まり良く安定した切開刃を得ることができなかった。
【０００３】
そこで、本出願人は特願平６−２１８３５１において、半導体製造技術を用いたマイクロ切開装置を提案した。図８は、特願平６−２１８３５１において本出願人が提案したマイクロ切開装置１００を示す概略斜視図である。このマイクロ切開装置は、切れ刃となる薄膜プレート１０２とそれを支持する支持体１０１からなり、シリコン基板上に薄膜を成長しパターニングしたあと、シリコン基板をエッチングすることにより得られる。このように半導体製造技術を用いて製造されたマイクロ切開装置１００は、マニピュレータ（図示せず）に設置して操作される。
【０００４】
このマイクロ切開装置は、半導体製造技術を使用して得られるので、大量に安価に、そして再現性良いものが得られると言う、それまでにない優れた特徴を持つものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、本出願人が特願平６−２１８３５１において提案したマイクロ切開装置は、上記のように優れた特徴を有するものである。しかしながら、近年、この技術分野において、さらなる特性を有するマイクロ切開装置が望まれている。  マイクロ切開装置は、微細な加工物を対象とし、一般に顕微鏡下で操作する。しかし、たとえ顕微鏡を使用しても、マニュピレータへの設置が適当でないと、支持体が障害物となり加工物を載せるプレパラート等と接触する可能性があり、操作性の向上が望まれている。本発明のマイクロ切開装置はそのような要望に鑑みてなされたものであり、対象物を切開、切断するための操作性を更に向上させることを目的とする。
【０００６】
あるいは、本発明のマイクロ切開装置は、耐久性、特に機械的耐久性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１のマイクロ切開装置は、結晶方位（１００）のシリコン基板の面上に設けられた薄膜を半導体製造技術を用いてパターニングして形成された薄膜プレートと、前記シリコン基板をエッチングマスクにて部分的にエッチング除去して形成され、前記エッチングマスクに対応する形状を有し、該薄膜プレートを支持し、周囲の面が結晶方位（１１１）の面である支持体と、前記薄膜プレートを補強するために設けられ、前記シリコン基板をアンダーエッチングすることにより前記薄膜プレートの少なくとも根本領域の一部に梁状に配置されシリコンからなり前記支持体とは異なる結晶方位の面を有する補強部材とを有し、前記支持体は、前記薄膜プレートを固定し前記薄膜プレートが突出する主稜部と、前記主稜部の側部に位置する側稜部とを有し、前記補強部材は、前記主稜部の前記（１１１）の面から前記薄膜プレートに沿って設けられ、前記主稜部の少なくとも一部は、（１１１）の面が露出しており、前記薄膜プレートは、前記支持体の少なくとも一方の側稜部又は前記側稜部の延長線より突出して配置され、且つ、少なくとも先端部は前記補強部材から突出していることを特徴とする。この構成により、支持体は障害物にはなり得ず、加工対象物を搭載させるスライドガラスと接触することがない。このため、対象物を切開、切断するための操作性が向上したマイクロ切開装置を提供することが可能となる。さらに請求項１のマイクロ切開装置は、補強部材を有するので薄膜プレートの機械的耐久性が格段に向上する。このため、耐久性の向上したマイクロ切開装置を提供することが可能となる。補強部材は、根本領域の一部に設けさえすれば、あたかも梁のような作用を施し確実にマイクロ切開装置の機械的耐久性は向上する。しかし、これに限らず、たとえば補強部材が薄膜プレートの中央付近まで延在しても構わない。
【００１０】
また、請求項２のマイクロ切開装置は、請求項１に記載のマイクロ切開装置において、支持体側の前記薄膜プレートの面には薄膜プレートを補強するプレート強化膜がさらに設けられることを特徴とする。この構成により、薄膜プレートの機械的耐久性が格段に向上する。このため、耐久性の向上したマイクロ切開装置を提供することが可能となる。また、薄膜プレートの機械的剛性も向上し、これまで切断、切開が不可能であった剛性の高い対象物さえも加工することが可能となる。
【００１１】
また、請求項３のマイクロ切開装置は、請求項１又は請求項２に記載のマイクロ切開装置において、前記薄膜プレートの端部は、テーパ状領域を有することを特徴とする。この構成により、薄膜プレート端部の切れ刃は鋭角となる。このため、鋭利な切れ刃を有するマイクロ切開装置を提供することが可能となる。
【００１２】
また、請求項４のマイクロ切開装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロ切開装置において、前記薄膜プレートの端部は、ノコギリ刃を有することを特徴とする。この構成により、ノコギリ形状の切れ刃を有するマイクロ切開装置を提供することが可能となる。微細な加工対象物に切れ刃を押し当てると、加工対象物が滑るように切れ刃から逃げていく可能性がある。しかし、切れ刃をノコギリ形状にすれば、これを防止することが可能となる。
【００１３】
また、請求項５のマイクロ切開装置は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロ切開装置において、前記薄膜プレートは窒化シリコン膜であることを特徴とする。半導体製造技術の内、シリコン基板を加工するシリコンプロセスは最も確立された技術である。また、窒化シリコン膜は、シリコンプロセスにおいて成膜が容易で、また、シリコンを強塩基溶液でエッチングする際、シリコンに対するマスク材となり、かつ、比較的強度の高い膜として知られている。支持体にシリコン基板から加工したシリコンを使用し、薄膜プレートに窒化シリコン膜を用いれば、このような優れたシリコンプロセスを使用でき、安価で容易に優れたマイクロ切開装置を提供することが可能となる。
【００１５】
また、請求項６のマイクロ切開装置は、請求項２に記載のマイクロ切開装置において、前記プレート強化膜はボロン・ドープシリコンであることを特徴とする。シリコンプロセスを用いて支持体を形成するなら、シリコンにボロンをドープして、シリコンエッチングすることにより容易にボロン・ドープシリコンからなるプレート強化膜を得ることができる。このため、容易に機械的耐久性および機械的強度の向上したマイクロ切開装置を提供することが可能となる。
また、請求項７のマイクロ切開装置の製造方法は、上面及び下面の結晶方位が（１００）面を有するシリコン基板を準備し、前記シリコン基板の前記上面、及び、前記下面に薄膜を形成し、前記上面の上の前記薄膜を薄膜プレートの形状にパターニングし、前記下面の上の前記薄膜を支持体の形状にパターニングし、前記上面、及び、前記下面の薄膜をエッチングマスクとして、前記シリコン基板を異方性のアンダーエッチングを行うことを特徴とする。
また、請求項８のマイクロ切開装置の製造方法は、請求項７に記載の製造方法において、前記異方性エッチングは、前記支持体の周囲が結晶方位（１１１）面で覆われる前にエッチングを停止することにより、アンダーエッチングさせることを特徴とする。
また、請求項９のマイクロ切開装置の製造方法は、請求項７又は８に記載の製造方法において、前記異方性エッチングは、略１０％のアンダーエッチングであることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態のマイクロ切開装置であり（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’部における断面図である。
本実施の形態のマイクロ切開装置１０は、シリコン基板から形成された支持体１１と、窒化シリコン膜をパターニングして形成され支持体１１に支持された薄膜プレート１２からなる。支持体１１は、薄膜プレート１２を実質的に固定する主稜部１５ａ（頂点ｘ、ｙを結ぶ線）と、その主稜部の両側部に位置する側稜部１５ｂ（頂点ｗ、ｘを結ぶ線）、１５ｃ（頂点ｙ、ｚを結ぶ線）を有する。主稜部１５ａの反対側にはホルダーを介してマニュピレータが接続される（図示せず）。なお、１４は窒化シリコン膜であり、支持体１１の形状にパターニングされている。
【００１７】
薄膜プレート１２は、長靴状の形状を有しており端部１３を切れ刃として使用する。これは、後述する半導体製造技術で形成される。薄膜プレート１２は、一方の側稜部１５ｂの延長線１６より外側に突出している。このようにすれば、加工物を切断、切開する際、側稜部１５ｂ、１５ｃが障害となることがなく、操作性が向上する。
【００１８】
図２は、本実施形態のマイクロ切開装置１０を用いてウニ卵１７（直径100μm）を切断する概念図である。マイクロ切開装置１０をアルミニウム棒からなるホルダー１８の先端に固定し、ホルダー１８を油圧のマニピュレータ（図示せず）に取り付けた。切断するウニ卵１７をスライドガラス１９上に載せ、顕微鏡（図示せず）で観察しながら、上方よりマイクロ切開装置の切れ刃１３を押し当ててマニピュレータを操作した。支持体１１はスライドガラス１９に当たることなく、即ち、支持体１１が切断操作の障害となること無く、容易にウニ卵１７を切断することが可能であった。マイクロ切開装置の操作性は、極めて向上することが判明した。同様な切断を牛卵子（直径60μm）、マウス卵子（直径30μm）でも実施したが、これらの切断においても操作性の向上が実証された。
【００１９】
次に、図３を用いて本実施形態のマイクロ切開装置の製造工程を説明する。（１００）面方位の厚さ250μmのシリコン基板（Ｓｉ）２１の両面に、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）を用いて、窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）２２を0.7μmの厚さに成膜した［図３（ａ）］。そして、基板上面の窒化シリコン膜２２を薄膜プレートの形状にパターニング（２３）し、下面の窒化シリコン膜２２を支持体の形状にパターニング（２５）した［図３（ｂ）］。
【００２０】
パターニングはフォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いた。ドライエッチングは、ＳＦ6、Ｈeをエッチングガスとして圧力を０．２４torr、パワーを２００Ｗの条件で反応性イオンエッチング装置で実施した。この条件で、図３（ｂ）に示す如く薄膜プレートの切れ刃２６の断面形状をテーパ状にすることができ、鋭利な切れ刃を得ることが可能である。
【００２１】
その後、この基板をテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液に浸し、基板をエッチングした。ＴＭＡＨ水溶液にシリコンを浸すと、結晶方位（１１１）面が（１００）面よりも溶解速度が著しく遅いため異方性エッチングが進行する。また、ＴＭＡＨ水溶液は、窒化シリコン膜を溶解しない。よって、窒化シリコン膜２２は、シリコン基板をエッチングするときのエッチングマスクとして作用する。シリコン基板のエッチングは、ＴＭＡＨの温度が８５℃でおよそ３２０分で完了する。ここでは、基板の不要な領域を完全に除去するため、３０分程度（１割程度）長めに実施した。この工程で支持体となるシリコンが残り、マイクロ切開装置が完成した［図３（ｃ）］。
【００２２】
このように、本実施形態のマイクロ切開装置は、半導体製造技術、特に最も確立されたシリコンプロセスを使用して製造できるので、安価で優れたものとなる。更に、薄膜プレートの形状も基板上に形成する薄膜（本実施形態では窒化シリコン膜）をパターニングするフォトリソマスクを変えることにより、容易に変更できる。第１の実施形態の変形例によるマイクロ切開装置４０の平面図を図４に示す。薄膜プレートは、側稜部又は側稜部の延長線より突出すれば操作性が向上するのである。
【００２３】
図５は、第２の実施形態のマイクロ切開装置であり（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’部における断面図である。ただし、平面図では補強部材５５を透視して記載している。
第１の実施形態のマイクロ切開装置１０との相違点は、第２の実施形態のマイクロ切開装置５０には、ボロンドープ・シリコンで形成されたプレート強化膜５４が薄膜プレート５２の支持体５１側の面（本図では下側の面）に配置された点と、薄膜プレート５２の根本領域から薄膜プレート５２の中央にかけてシリコンで形成された補強部材５５が配置された点にある。シリコンで形成された支持体５１が窒化シリコン膜による薄膜プレート５２を支持する構成は、第１の実施形態と同様である。
【００２４】
補強部材５５は、薄膜プレート５２の根本に梁のように配置される。このため、補強部材５５により、薄膜プレート５２の機械的耐久性が格段に向上し、それに従って、マイクロ切開装置５０の耐久性も向上する。補強部材は、根本領域の一部に設けさえすれば、確実にマイクロ切開装置の機械的耐久性は向上する。しかし、本実施形態のように、薄膜プレート５２の中央付近まで延在させても構わない。
【００２５】
プレート強化膜５４は、薄膜プレート５２の下にほぼ一面配置される。ただし、切れ刃５３付近にまで延在すると対象物の切断、切開を妨げる可能性がある。このため、図５に示したように切れ刃５３付近にまで配置させない方がより好ましい。プレート強化膜５４により、薄膜プレート５４の機械的耐久性が格段に向上し、それに従って、マイクロ切開装置の機械的耐久性は向上する。また、薄膜プレートの機械的剛性も向上し、これまで切断、切開が不可能であった剛性の高い対象物さえも加工することが可能となる。
【００２６】
次に、図６を用いて本実施形態のマイクロ切開装置の製造工程を説明する。（１００）面方位の厚さ250μmのシリコン基板６１の両面に、周知のシリコンプロセスによる熱酸化法に従って、熱酸化シリコン膜（図示せず）を形成し、後にプレート強化膜となる領域が露出するように熱酸化シリコン膜を除去した。残った熱酸化シリコン膜をマスクとして周知の熱拡散法に従い、ボロン（Ｂ）をシリコン基板６１にドーピング（拡散）し、ボロンドープ・シリコン６２を形成した。ボロンの拡散は、固相拡散源を使用して１１７５℃、３０分間の熱処理で実施した。この条件で、ボロンドープ・シリコン６２のボロンの濃度は、シリコン基板の表面から深さ２μmの位置で1立方cm当たり2＊10の20乗 となった。次いで、熱酸化シリコン膜を除去した。ここまでの工程で得られた構造を図６（ａ）に示す。
【００２７】
次に、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）を用いて、窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）６３を0.7μmの厚さに成膜した［図６（ｂ）］。そして、基板上面の窒化シリコン膜６３を薄膜プレートの形状にパターニング（６４）し、下面の窒化シリコン膜６３を支持体の形状にパターニング（６５）した［図６（ｃ）］。
パターニングはフォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いた。ドライエッチングは、ＳＦ6、Ｈeをエッチングガスとして圧力を０．２４torr、パワーを２００Ｗの条件で反応性イオンエッチング装置で実施した。この条件で、図６（ｃ）に示す如く薄膜プレートの切れ刃６４の断面形状をテーパ状にすることができ、鋭利な切れ刃を得ることが可能である。
【００２８】
なお、基板上面のパターニングでは、切れ刃部分の窒化シリコン膜６３が、ボロンドープ・シリコン６２よりも１０〜２０μm程度突出するようにパターニングした。
次に、支持体６９、プレート強化膜６８および補強部材６６を形成するために、この基板を水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に浸し、基板をエッチングした。水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液にシリコンを浸すとテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液と同様に結晶方位（１１１）面が（１００）面よりも著しく溶解速度が遅いため異方性エッチングが進行する。また、水酸化カリウム水溶液は、窒化シリコン膜を溶解しない。よって、窒化シリコン膜は、シリコン基板をエッチングするときのエッチングマスクとして作用する。
【００２９】
また、ボロンがドープされたシリコンは、水酸化カリウム水溶液による溶解速度がボロンがドープされていないシリコンに比べて著しく遅い。このため、ボロンドープ・シリコン６２は、窒化シリコン膜６３の下面に残存し、プレート強化膜６８となる。また、シリコン基板のエッチングは、ＫＯＨの温度が８５℃でおよそ１００分でジャストエッチングとなる。しかし、ここでは、補強部材６６を形成するために、１０分間（１割程度）アンダーエッチングとした(９０分）。この条件で、補強部材６６が薄膜プレート６４の根本付近に梁のように形成された。
【００３０】
そして、この工程で支持体６９、プレート強化膜６８、補強部材６６が同時に形成され、本実施形態のマイクロ切開装置が完成した［図６（ｄ）］。
このように、本実施形態のマイクロ切開装置は、シリコンプロセスを使用するため安価で優れたものとなるばかりでなく、補強部材を配置させたため、薄膜プレートの機械的耐久性が格段に向上し、それに従って、マイクロ切開装置の耐久性も向上する。また、プレート強化膜により、薄膜プレートの機械的耐久性と機械的剛性が向上し、これまで切断、切開が不可能であった剛性の高い対象物さえも加工することが可能となる。
【００３１】
図７は、第２の実施形態の変形例によるマイクロ切開装置７０を示す平面図である。ただし、補強部材７５を透視して記載している。支持体７１に支持される薄膜プレート７２の切れ刃７３は、ノコギリ刃が配置される。微細な加工対象物に切れ刃を押し当てると、加工対象物が滑るように切れ刃から逃げていく可能性がある。しかし、切れ刃をノコギリ形状にすれば、これを防止することが可能となる。この変形例によるマイクロ切開装置７０は、プレート強化膜（図示せず）、補強部材７５が配置される。しかし、これに限らず、プレート強化膜や補強部材を配置せずに薄膜プレートの切れ刃にノコギリ刃を配置させても同様な効果を生ずる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のマイクロ切開装置は、近年要望された効果を有する。
請求項１記載のマイクロ切開装置は、支持体が障害となって切断、切開を妨げる事がない。このため、操作性が格段に向上する。
【００３３】
請求項１記載のマイクロ切開装置は、補強部材が梁のような効果がある。このため、マイクロ切開装置の機械的耐久性は格段に向上する。
また、プレート強化膜を配置すれば、薄膜プレートの機械的耐久性と機械的剛性が格段に向上する。
また、切れ刃をテーパー状にすれば、加工物に対する切れ特性が格段に向上する。
【００３４】
また、切れ刃をノコギリ刃とすれば、加工物が切れ刃から逃げていく事を防止する効果がある。
また、シリコンプロセスを使用すれば、支持体、プレート強化膜、補強部材を同時に形成することが可能となり、特に複雑な工程を追加することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のマイクロ切開装置であり（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’部における断面図である。
【図２】第１の実施形態のマイクロ切開装置を用いてウニ卵を切断する概念図である。
【図３】第１の実施形態のマイクロ切開装置の製造工程図である。
【図４】第１の実施形態の変形例によるマイクロ切開装置を示す平面図である。
【図５】第２の実施形態のマイクロ切開装置であり（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’部における断面図である。
【図６】第２の実施形態のマイクロ切開装置の製造工程図である。
【図７】第２の実施形態の変形例によるマイクロ切開装置を示す平面図である。
【図８】従来のマイクロ切開装置を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１０、４０、５０、７０、１００  マイクロ切開装置
１１、２４、４１、５１、６９、７１、１０１  支持体
１２、２３、４２、５２、６４、７２、１０２  薄膜プレート
１３、２６、４３、５３、６７  切れ刃
１４、２５、５６、６５  窒化シリコン膜
１５ａ  主稜部
１５ｂ、１５ｃ  側稜部
１６  側稜部１５ｂの延長線
１７  ウニ卵
１８  ホルダー
１９  スライドガラス
２１、６１  シリコン基板
２２、６３  窒化シリコン膜
５４、６８  プレート強化膜
５５、６６、７５  補強部材
６２  ボロンドープ・シリコン
７３  ノコギリ刃
【図１】
0004118358.tif 000002
【図２】
0004118358.tif 000003
【図３】
0004118358.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004118358.tif 000007
【図７】
0004118358.tif 000008
【図８】
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