(57)【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、
前記一対のアームと前記一対の突起部が、表面が（００１）面方位を有する基礎シリコン結晶から一体に形成されたものであり、
前記一対の突起部は、
＜100＞方向に沿って伸びた前記一対のアームとなるべき部分と、該一対のアームとなるべき部分の間に設けられた＜100＞方向に沿って伸びた非酸化シリコン部とを備えた、＜100＞方向と直交する先端面を有する原ナノグリッパーを前記基礎シリコン結晶に形成し、
該原ナノグリッパーの先端面および前記一対のアームとなるべき部分における（００１）面方位を有する面に酸化シリコン膜を形成した状態で、前記非酸化シリコン部を異方性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】
前記非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位または（０１０）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１記載のナノグリッパー。
【請求項７】
絶縁層および表面が（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＜100＞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であって、該マスクの先端を同一面内に含みかつ＜100＞方向と直交する先端面を有する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異方性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８】
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、該シリコン層の表面に、＜100＞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、
前記シリコン層に、前記一対のアームとなるべき部分によって前記マスクをその幅方向から挟み、かつ、その先端面が＜100＞方向と直交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異方性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、前記一対のアームと前記一対の突起部が、表面が（００１）面方位を有する基礎シリコン結晶から一体に形成されたものであり、前記一対の突起部は、＜100＞方向に沿って伸びた前記一対のアームとなるべき部分と、該一対のアームとなるべき部分の間に設けられた＜100＞方向に沿って伸びた非酸化シリコン部とを備えた、＜100＞方向と直交する先端面を有する原ナノグリッパーを前記基礎シリコン結晶に形成し、該原ナノグリッパーの先端面および前記一対のアームとなるべき部分における（００１）面方位を有する面に酸化シリコン膜を形成した状態で、前記非酸化シリコン部を異方性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記載の発明において、前記非酸化シリコン部が、その軸方向の一端面が、（１００）面方位または（０１０）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７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＜100＞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であって、該マスクの先端を同一面内に含みかつ＜100＞方向と直交する先端面を有する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異方性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８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、該シリコン層の表面に、＜100＞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、前記シリコン層に、前記一対のアームとなるべき部分によって前記マスクをその幅方向から挟み、かつ、その先端面が＜100＞方向と直交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異方性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。
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。
また、本願明細書中の記号＜＞は、結晶の対称性によって等価な方向を表す記号であり、＜100＞方向とは、結晶の対称性により（100 ）面およびこの（100 ）面と同一の性質を持っている等価な面（例えば、シリコン結晶における（001 ）面や（010 ）面等）と直交するすべての方向を表している。
【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 ）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の上面に置いてレジスト膜５を露光して、現像する（S13 ）。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】
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 ）と、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、  一対のレジスト６１、６１の表面を、露光装置によって露光する（S17 ）と、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】
そして、深堀りＲＩＥと呼ばれるＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）によって、シリコン層３をエッチングすると（S18 ）、マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下の部分以外のシリコン層３は除去される。すると、マスク４１および一対のレジスト６１、６１の下の部分には、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。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。原ナノグリッパー３１は、その露出部のうち、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が形成された状態となってている。例えば、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 で示すと、この原アーム部分31A は、中央部に非酸化シリコン部３３、その左右両側に酸化シリコン膜３２、３２が存在した状態となっているのである。
【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となる。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８０形成させ、スピンコーターによって、アルミニウム膜８０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に載置し、レジスト膜９１を露光すると（S32 ）、マスクの下部分以外のレジスト膜９０が除去される。
【００１８】
ついで、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８０をエッチングする（S33 、図１０（XIII））。
そして、残っていたレジスト膜９１を除去した後、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によってエッチングすると、図１０（X1V）に示すように、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、原ナノグリッパーにおける非酸化シリコン部をエッチングすれば、一対のアームとなるべき部分はエッチングされず、非酸化シリコン部のみがエッチングされる。すると、非酸化シリコン部には、シリコン結晶の＜１００＞方向と直交する酸化シリコン膜に沿って一対の突起部が形成され、この一対の突起部は、その先端同士が同一軸上に対向した状態となるように形成される。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、一対の突起部を、その一面が（１００）面方位または（０１０）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７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８の発明によれば、原ナノグリッパーは、一対のアームとなるべき部分によってマスクをその幅方向から挟み、かつ、その先端面が＜100＞方向と直交しかつマスクの先端を同一面内に含むように形成されるから、原ナノグリッパーが形成された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＞方向と直交する面を有する酸化シリコン膜が形成される。このため、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状の一対の突起が形成される。この一対の突起部が前記シリコン結晶の＜１００＞方向と直交する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。
【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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