JP2004345009A - 微小立体構造マニピュレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】３次元的な微小立体構造を作製することができる微小立体構造マニピュレータを提供する。
【解決手段】電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータから高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、基体上に形成されるピラー３１，３２を電荷間での反発力により操作する。
【選択図】 図６
【解決手段】電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータから高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、基体上に形成されるピラー３１，３２を電荷間での反発力により操作する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外形の大きさがμｍからｎｍオーダの微小立体構造物を集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたＣＶＤ法により、任意の寸法、形状、表面粗さに成形するＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロアクチュエータおよびセンサーは従来、半導体製造プロセスである、光または電子ビームを用いたリソグラフィによるパターン形成およびドライまたはウェットエッチングにより形成されている。
【０００３】
また、ＣＶＤを用いて微小立体構造物を作製する方法としては、光（レーザ）、集束電子ビーム（ＦＥＢ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたものがある。例えば、本願発明者らはガスを用いてＤｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）で構成されたナノワイングラス、コイル、ピラー（柱）などの様々な立体ナノ構造を、ＦＩＢ−ＣＶＤにより自由に作製できることをこれまでに示している（下記特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１０７２５２号公報（第３頁−第５頁 図３）
【非特許文献１】
Ｓｈｉｎｊｉ Ｍａｔｓｕｉ，Ｔａｋａｓｈｉ Ｋａｉｔｏ，Ｊｕｎ−ｉｃｈｉ Ｆｕｊｉｔａ，Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｍｕｒｏ，Ｋａｚｕｈｉｒｏ Ｋａｎｄａ，Ｙｕｉｃｈｉ Ｈａｒｕｙａｍａ：Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｆｏｃｕｄｅｄ−ｉｏｎ−ｂｅａｍ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｂ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．６，ｐｐ．３１８１−３１８４，２０００．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、これまでのマイクロアクチュエータおよびセンサーは、半導体製造プロセスを利用して、光または電子ビームを用いたリソグラフィによるパターン形成およびドライまたはウェットエッチングにより、シリコン基板等のウエハ上に形成された２次元構造として形成されている。しかし、この従来の製造方法では、マイクロ、ナノ立体構造を有する高機能マイクロアクチュエータおよび電気的、磁気的、光学的センサーを作製することは不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、３次元的な微小立体構造を作製することができるＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕微小立体構造マニピュレータにおいて、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、絶縁性の基体上にピラーを形成し、該ピラーに蓄積する電荷間の反発力により前記ピラーを操作する操作手段を具備する。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記絶縁性の基体上に形成されるピラーは複数本のピラーであることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記基体がガラスキャピラリーであることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、１本の梁と、この１本の梁の基部に形成される第１の極板と、これに対向する第２の極板間の、同電位の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記梁を外側に撓ませて操作することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、２本の梁と、これらの２本の梁の基部に形成される極板と、これらの２本の梁の基部に形成された極板にそれぞれ対向する極板との間の、電荷の蓄積による反発力を利用して、前記２本の梁を撓ませて操作することを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ピラーに複数のヒダが形成され、これらのヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを外側に撓ませて操作するヒダ積層型操作手段を有することを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔６〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ヒダ積層型操作手段を複数個配置して、前記ピラーのヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを互いに撓ませて操作することを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、コイル状ピラーに形成される巻回ループ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記巻回ループ間の変形により前記コイルを操作するコイル型操作手段を有することを特徴とする。
【００１５】
〔９〕上記〔８〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイル型操作手段が２重螺旋構造をなす２重操作手段であることを特徴とする。
【００１６】
〔１０〕微小立体構造マニピュレータにおいて、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割して、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、基体上にピラーとそのピラーを芯としたコイルを形成し、このコイルへの通電により操作することを特徴とする。
【００１７】
〔１１〕上記〔１０〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに電源を接続することを特徴とする。
【００１８】
〔１２〕上記〔１０〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに磁場を作用させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
ＦＩＢを用いた立体ナノ構造造形技術は、様々な立体ナノ構造デバイスを作製する上で非常に有効な技術である。
【００２１】
本発明は、これを利用して例えば、立体ナノ構造デバイスとして、微小立体構造マニピュレータを提供するようにしたものである。
【００２２】
さらにＦＩＢ−ＣＶＤの場合、立体ナノ構造の作製において場所を選ばず、基体上、つまりシリコン基板上、ＡＦＭのカンチレバー上、ガラスキャピラリー上などの至る所で作製が可能である。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示すガラスキャピラリー先端にピラーを作製した斜視図、図２はそのピラーの反発の原理を示す図である。
【００２４】
図１に示すように直径約１μｍに引き伸ばしたガラスキャピラリー１先端にピラー２，２′を作製する際、図１（ａ）に示すようにピラー２が１本の場合は、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像を得るためにイオンビームを照射してもその構造に変化は観察できないが、図１（ｂ）に示すようにガラスキャピラリー１の先端に２本のピラー２，２′を作製し、同様にＳＩＭ像を得るためにイオンビームを照射すると、お互いが反発するように左右に開いていく現象が観察できた。この現象は、図２（ａ）に示すように、Ｇａ＋ イオンビームのプラスの電荷がお互いのピラー構造に蓄積し反発しあったため引き起こされたものであると考えられる。この際の電荷の蓄積は、ピラー２，２′を作製した場所がガラス上つまり絶縁物上であったため、Ｇａ＋ イオンビームのプラスの電荷がどこにも逃れることがなかったために起こったものである。
【００２５】
一方、図１（ｃ）では、ガラスキャピラリー１をＡｕ−Ｐｄ皮膜３でコーティングした後、２本のピラー２，２′の作製を行った。この場合は、ＳＩＭ像を得るためにイオンビームを照射しても２本のピラー２，２′が反発しあうように左右に動くことはなかった。これは、図２（ｂ）に示すようにＧａ＋ イオンビームによるプラスの電荷がＡｕ−Ｐｄ皮膜３を通り逃れたからであると思われる。このことからも、前述した現象はピラー２，２′に蓄積した電荷により引き起こされたものであるといえる。
【００２６】
この現象を利用することにより、マイクロ静電マニピュレータの一種として電圧により制御することができる曲がる梁や伸縮するコイル等を、ＦＩＢ−ＣＶＤで作製できる。本発明では、このようなマイクロ静電マニピュレータを応用することで医療、工業、研究などの幅広い分野で使用が可能な、ガラスキャピラリーを利用したマイクロ静電マニピュレータを作製する。
【００２７】
そこで、以下にＦＩＢ−ＣＶＤにより作製した様々なマイクロ静電マニピュレータ、そして電磁石型のマニピュレータの製造方法と原理について説明する。
【００２８】
以下で述べる一連のマイクロ静電マニピュレータや電磁石型のマニピュレータの構造は、集束イオンビーム（ＦＩＢ；Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）による化学気相成長法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により作製した。
【００２９】
図３は本発明のＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造のマニピュレータの作製原理を示す模式図である。
【００３０】
この図に示すように、ここでは、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られたた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御する。そのために、制御装置１５は、ＣＰＵ（中央処理装置）１６、微小立体構造物を作製するための微小立体構造物の三次元モデルデータメモリ１７、入出力インターフェース１８、表示装置１９、データ入力装置２０とを備えている。
【００３１】
そこで、ガスノズル１１からＣＶＤのソースガスとしてフェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）ガス１２を噴射する。フェナントレンガス１２は約８５℃に加熱してガス圧１．０×１０−４Ｐａで噴射し、そのガス雰囲気中でビーム照射電流約７ｐａ程度のＧａ＋ 集束イオンビーム１３を照射することでＣＶＤを行う。
【００３２】
Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３によるＣＶＤは、フェナントレンガス１２雰囲気中にＧａ＋ 集束イオンビーム１３を照射することで、基板（ここではガラスキャピラリー１４）に吸着しているフェナントレン分子をビーム励起表面反応により分解し、カーボンを析出させ堆積させることでＤＬＣを成長させていくものであり、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３を任意方向にスキャンさせることにより、マイクロ静電アクチュエータや電磁石型のマニピュレータのような微小立体構造物を作製する。
【００３３】
ここで、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３を制御するために用いた描画装置（図示なし）は、外部波形発生装置（型名「Ｗａｖｅ Ｆａｃｔｏｒｙ」，ＮＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ製）と立体構造のＣＡＤデータをＺ軸方向の階層ごとの断面データに分割し描画させる３Ｄ−ＣＡＭ（図示なし）の２種である。これらの描画装置を用いてＧａ＋ 集束イオンビーム１３の電磁界偏向制御を行うことで、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３をソースガス１２噴射中にコントロールすることにより、ＤＬＣを任意の形状に成長させる。
【００３４】
本発明の実施例として、電荷の蓄積による反発力により片側の梁だけ撓むマイクロ静電型の梁型マニピュレータの製作を行った。
【００３５】
図４は本発明の実施例を示す梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００３６】
この図に示すように、向かい合うピラーの極板２１と極板２１′間にそれぞれ同電位の電荷を蓄積させることにより、２枚の極板２１，２１′が反発しあい、片側の梁２２だけを極板２１′に対して外側に撓ませるものである。
【００３７】
電荷を蓄積させる方法としては、図１、図２で示したピラーの反発現象と同様に、イオンビームによる操作と、外側から電圧を与える方法がある。特に後者においては、撓み量を電圧により制御することが可能である。実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像を図５として示す。
【００３８】
図６は本発明の実施例を示すピラー構造の梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００３９】
この図に示すように、２本のピラー３１，３２に極板３３，３３′を設け、その外側にピラー３１，３２を挟むように極板３４，３４′を設ける。向かい合う極板３３と３４、３３′と３４′間にそれぞれ同電位の電荷を蓄積させることにより、極板３３と３４、３３′と３４′は互いに反発し合い、２本のピラー３１，３２を互いに内側に撓むように動作させることができる。ここでは、撓み量を電圧により制御することが可能である。実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像を図７として示す。
【００４０】
構造的には先に述べた梁型マイクロマニピュレータが向かい合う構造を有しており、動作原理も同じく構造に同電位の電圧をかけたときに極板間に生じる反発力により機能する。内側のピラーが外側の極板との反発力により押されることで、内側の２本の梁はお互いに近づく方向に力を受ける。そうすることでマニピュレーションするターゲットをつまむことができる。
【００４１】
図８は本発明の実施例を示すクーロン力を利用したマイクロ静電マニピュレータの動作原理図である。
【００４２】
この図において、４１，４２はピラー、４３，４４はピラー４１，４２の極板、４５は極板４３，４４間に設けられる共通の極板である。
【００４３】
これは、極板４３と４５、４４と４５間に生じる電位差によるクーロン力を利用した静電マニピュレータである。つまり、３枚の極板４３，４５，４４からなり、中心の極板４５に＋電位をかけ、外側の２枚の極板４３，４４に−の電荷がかかるようにしている。そうすることにより、中心の＋の極板４５に外側の２枚の極板４３，４４がクーロン力によりひきつけられ、マニピュレータの指となる外側の構造（ピラー４１，４２）が動作する。電位差を利用する場合、２枚の極板４３，４４を引きつけ合わせることもできるが、それではマニピュレータの指となるピラー４１，４２の先の部分が接触した場合、電気的にショートしてしまう。そのため、極板を３枚にし、全体としては−電位の極板４３，４４を動作させる方法をとった。図９は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像であり、図９（ａ）は絶縁性の基体４０上に形成した場合であり、図９（ｂ）はガラスキャピラリー４６上に形成した場合である。
【００４４】
次に、梁型マイクロマニピュレータと同様に、電荷の蓄積による反発力を利用した多数のヒダの反発により撓むヒダ構造型マニピュレータの製作を試みた。
【００４５】
図１０は本発明の実施例を示すピラー構造のヒダ積層型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００４６】
この図に示すように、ピラー５１に複数のヒダ型極板５２を積層させることにより、ヒダ型極板５２がお互いの電荷の蓄積により反発し合う構造をとらせ、ヒダ構造がある側とは反対側にピラー５１が撓むことを可能にしている。このヒダ構造型マニピュレータもイオンビームによる操作と外側からの電圧を与えることによる電荷の蓄積により撓む構造となっている。このヒダ構造型マニピュレータは、極板５２の形状、大きさそして極板５２間の距離を変えてやることにより、さまざまな方向への動作が可能である。実際に試作したヒダ積層型マニピュレータのＳＩＭ画像を図１１として示す。
【００４７】
図１２は本発明の実施例を示すヒダ構造を利用したマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００４８】
この図に示すように、ピラー６１，６２の付け根部分に先に述べたヒダ積層型マニピュレータ６３，６４を操作部品として設けるようにしている。動作原理も同じであり、構造的にはヒダ積層型マニピュレータ６３，６４が向かい合う形に配置し、その上のピラー６１，６２部分が、マニピュレーションするターゲットをつまむ指となる構造にしている。
【００４９】
すなわち、ヒダ積層型マニピュレータ６３，６４に同電位の電圧をかけることで、ヒダ積層型マニピュレータ６３，６４の複数の極板が反発し合い、全体としては２本の指（ピラー６１，６２）が近づく方向に動く。図１３は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより製作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【００５０】
図１４は本発明の実施例を示すコイル型マイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００５１】
この図に示すように、このコイル７１は、螺旋構造をとっているため、構造の重なり部（巻回部）７１Ａ〜７１Ｃに連続的な周期性がある。この構造に電荷を蓄積させてやると、Ｚ軸方向に重なった部分７１Ａ〜７１Ｃに反発力が働く。重なりが連続的であるため、全ての重なった部分に反発力が働き、全体としては上向きの力が働き、コイル７１が伸長する。電荷を蓄積させる方法としては、同電位を与えるだけであるので、イオンビームによる操作、または外側から電圧を与えることで可能である。実際に試作したコイル型マニピュレータ構造のＳＩＭ画像を図１５として示す。
【００５２】
図１６は本発明の実施例を示す２重螺旋型のマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００５３】
この図に示すように、コイル８１と８２からなる２重螺旋型マニピュレータを作製した。そのＳＩＭ画像を図１７として示す。この２重螺旋マニピュレータは、コイル８１と８２を２つ重ねた構造をしており、２つのコイル８１，８２に同電位の電荷を与えた場合は、図１６（ａ）のように連続的に積層する２つのコイル８１，８２がお互いに反発し合い、全体としては上方向に伸長する。一方で、図１６（ｂ）のように２本のコイル８１，８２のうち片方８１を＋に、もう一方８２を−にすれば２本のコイル８１，８２がお互いに引き合い、全体としては収縮する。２重螺旋型マニピュレータは、電気的に一本のコイルの電位を切り替えるだけで、前述したような伸長、収縮の二つの動作を実現することが可能である。
【００５４】
上記したＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したこれらの梁型、ヒダ型、コイル型の静電マニピュレータは、様々なナノデバイス、マイクロデバイス、そしてナノ・マイクロマシーン等の部品として使用することができる。ＦＩＢ−ＣＶＤが主な加工プロセスであるため、従来のシリコンプロセスなどの技術では不可能であった超微細スケールでの高機能デバイス、高機能マシーンの製作が可能となる。
【００５５】
さらに、ＦＩＢ−ＣＶＤを他の加工技術と組み合わせることもできるため、ＦＩＢ−ＣＶＤにおけるマニピュレータの作製は非常に有効なものであるといえる。もちろん前述したようなマニピュレータの構造は、目的にあった形状、サイズに作製できるため、目的とする機能、運動性能をもった高性能デバイス、高機能マシーンを自由に設計することができる。
【００５６】
例えば、以下で述べるような静電マイクロマニピュレータや、センシングとマニピュレーション等のような複数の機能を持ったナノ電磁石のような高機能マイクロデバイスの作製も容易である。
【００５７】
図１８は本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その１）の模式図である。
【００５８】
この図において、９１は芯となるピラー、９２はそのピラー９１のまわりに巻回されるコイル、９３はそのコイル９２に接続される電源、９４はその電源９３に接続されるスイッチである。
【００５９】
ここでは、芯となるピラー９１のまわりをコイル９２が巻回される形となっており、このコイル９２に電源９３から電流を流すことにより、芯となるピラー９１を磁石（電磁石）とすることができる。
【００６０】
図１９は本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その２）の模式図である。
【００６１】
この実施例では、芯となるピラー１０１のまわりにコイル１０２を巻回し、そのコイル１０２に磁場発生器１０３を作用させるようにする。この磁場発生器１０３は電源１０５とスイッチ１０４を備え、この電磁石型マニピュレータに固定的に配置するようにしてもよいし、固定しないで、分離されたリモート式装置として、コイル１０２への接近離脱により、電磁石型マニピュレータを操作するようにしてもよい。つまり、この電磁石型マニピュレータは磁気的センシングが可能なマニピュレータとしても用いる。
【００６２】
従来の静電力により、ターゲットを引きつけるマニピュレーションは、その先端に生じる静電力により目標物をキャッチしマニピュレートするものであるが、先端を磁石にしてやれば静電力の他に磁力でも目標物をキャッチしマニピュレートしてやることが可能となってくる。また、先端が電磁石ということで通電電流を変化させることにより目標物を吸引する力を変化させたり、ＯＮ／ＯＦＦを切り替えたりすることを電気的に行うことができるので、非常に使いやすいマニピュレータとなる。
【００６３】
このように、電磁誘導を利用した局所的なセンシングを行うことが出来る。磁場が変化しているところにこのナノ電磁石の先端を持っていってやれば、磁場の変化によりコイルに電流が流れ、その磁場の変化をセンシングすることができる。図２０は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより製作したマイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【００６４】
現在、生命の分野など細胞小器官の働きや遺伝子の発現などを研究する方法として、既存のインジェクターを使い細胞内に試薬をインジェクションする方法が広く用いられている。しかし、その方法では試薬は細胞内全体に広がり、選択的に細胞小器官などを個別に観察することは容易ではない。
【００６５】
そこで、インジェクターの先端を本発明によりそれらに使用しやすい形状にすれば、細胞内の細胞小器官などに選択的に試薬などをインジェクションすることも容易になると思われる。さらに細胞や細胞小器官などが傷つくことは実験を行う際にもっとも避けたいことであるが、本発明を適用して、細胞に対してインジェクターの先端形状を細くしかも尖った形状に加工することにより、細胞にかかるストレスを少なくすることができるという利点がある。
【００６６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６８】
（１）ＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したこれらの梁型、ヒダ型、コイル型の静電マニピュレータは、様々なナノデバイス、マイクロデバイス、そしてナノ・マイクロマシーン等の部品として使用することができる。ＦＩＢ−ＣＶＤが主な加工プロセスであるため、従来のシリコンプロセスなどの技術では不可能であった超微細スケールでの高機能デバイス、高機能マシーンの製作が可能となる。
【００６９】
さらにＦＩＢ−ＣＶＤを他の加工技術と組み合わせることもできるため、ＦＩＢ−ＣＶＤにおけるマニピュレータ（アクチュエータ）作製は非常に有効なものであるといえる。もちろん前述したようなマニピュレータ（アクチュエータ）構造は、目的にあった形状、サイズに作製できるため、目的とする機能、運動性能をもった高機能デバイス、高機能マシーンを自由に設計することができる。例えば、静電マイクロマニピュレーターや、センシングとマニピュレーション等のような複数の機能を持ったナノ磁石のような高機能マイクロデバイスの作製も容易である。
【００７０】
（２）ＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造物製造方法において、ガラスキャピラリー上に、３次元マイクロマニピュレータの微小立体構造物を有した細胞内バイオマニピュレータおよび遺伝子注入装置を作製することができる。
【００７１】
（３）ＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造物製造方法において、探針に、３次元マイクロアクチュエータ、ナノインジェクターおよび電磁気、光、熱、力センサーの微小構造体を有した走査プローブ顕微鏡を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すガラスキャピラリー先端にピラーを作製した斜視図である。
【図２】本発明の実施例を示すピラーの反発の原理を示す図である。
【図３】本発明のＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータの作製原理を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図５】実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図６】本発明の実施例を示すピラー構造の梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図７】実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図８】本発明の実施例を示すクーロン力を利用したマイクロ静電マニピュレータの動作原理図である。
【図９】実際に試作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図１０】本発明の実施例を示すピラー構造のヒダ積層型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図１１】実際に試作したヒダ積層型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１２】本発明の実施例を示すヒダ構造を利用したマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１３】実際に試作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図１４】本発明の実施例を示すコイル型マイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１５】実際に試作したコイル型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１６】本発明の実施例を示す２重螺旋型のマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１７】実際に試作した２重螺旋型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１８】本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その１）の模式図である。
【図１９】本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その２）の模式図である。
【図２０】実際に試作した電磁石型マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【符号の説明】
１，１４，４６ ガラスキャピラリー
２，２′，３１，３２，４１，４２，５１，６１，６２ ピラー
３ Ａｕ−Ｐｄ皮膜
１１ ガスノズル
１２ フェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）ガス（ソースガス）
１３ Ｇａ＋ 集束イオンビーム
１５ 制御装置
１６ ＣＰＵ（中央処理装置）
１７ 微小立体構造物の三次元モデルデータメモリ
１８ 入出力インターフェース
１９ 表示装置
２０ データ入力装置
２１，２１′，３３，３３′，３４，３４′，４３，４４ 極板
２２ 片側の梁
４０ 絶縁性の基体
４５ 共通の極板
５２ ヒダ型極板
６３，６４ ヒダ積層型マニピュレータ
７１，８１，８２，９２，１０２ コイル
７１Ａ〜７１Ｃ 構造の重なり部（巻回部）
９１，１０１ 芯となるピラー
９３，１０５ 電源
９４，１０４ スイッチ
１０３ 磁場発生器
【発明の属する技術分野】
本発明は、外形の大きさがμｍからｎｍオーダの微小立体構造物を集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたＣＶＤ法により、任意の寸法、形状、表面粗さに成形するＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロアクチュエータおよびセンサーは従来、半導体製造プロセスである、光または電子ビームを用いたリソグラフィによるパターン形成およびドライまたはウェットエッチングにより形成されている。
【０００３】
また、ＣＶＤを用いて微小立体構造物を作製する方法としては、光（レーザ）、集束電子ビーム（ＦＥＢ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたものがある。例えば、本願発明者らはガスを用いてＤｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）で構成されたナノワイングラス、コイル、ピラー（柱）などの様々な立体ナノ構造を、ＦＩＢ−ＣＶＤにより自由に作製できることをこれまでに示している（下記特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１０７２５２号公報（第３頁−第５頁 図３）
【非特許文献１】
Ｓｈｉｎｊｉ Ｍａｔｓｕｉ，Ｔａｋａｓｈｉ Ｋａｉｔｏ，Ｊｕｎ−ｉｃｈｉ Ｆｕｊｉｔａ，Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｍｕｒｏ，Ｋａｚｕｈｉｒｏ Ｋａｎｄａ，Ｙｕｉｃｈｉ Ｈａｒｕｙａｍａ：Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｆｏｃｕｄｅｄ−ｉｏｎ−ｂｅａｍ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｂ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．６，ｐｐ．３１８１−３１８４，２０００．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、これまでのマイクロアクチュエータおよびセンサーは、半導体製造プロセスを利用して、光または電子ビームを用いたリソグラフィによるパターン形成およびドライまたはウェットエッチングにより、シリコン基板等のウエハ上に形成された２次元構造として形成されている。しかし、この従来の製造方法では、マイクロ、ナノ立体構造を有する高機能マイクロアクチュエータおよび電気的、磁気的、光学的センサーを作製することは不可能であった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、３次元的な微小立体構造を作製することができるＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕微小立体構造マニピュレータにおいて、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、絶縁性の基体上にピラーを形成し、該ピラーに蓄積する電荷間の反発力により前記ピラーを操作する操作手段を具備する。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記絶縁性の基体上に形成されるピラーは複数本のピラーであることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記基体がガラスキャピラリーであることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、１本の梁と、この１本の梁の基部に形成される第１の極板と、これに対向する第２の極板間の、同電位の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記梁を外側に撓ませて操作することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、２本の梁と、これらの２本の梁の基部に形成される極板と、これらの２本の梁の基部に形成された極板にそれぞれ対向する極板との間の、電荷の蓄積による反発力を利用して、前記２本の梁を撓ませて操作することを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ピラーに複数のヒダが形成され、これらのヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを外側に撓ませて操作するヒダ積層型操作手段を有することを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔６〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ヒダ積層型操作手段を複数個配置して、前記ピラーのヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを互いに撓ませて操作することを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔２〕又は〔３〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、コイル状ピラーに形成される巻回ループ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記巻回ループ間の変形により前記コイルを操作するコイル型操作手段を有することを特徴とする。
【００１５】
〔９〕上記〔８〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイル型操作手段が２重螺旋構造をなす２重操作手段であることを特徴とする。
【００１６】
〔１０〕微小立体構造マニピュレータにおいて、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割して、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、基体上にピラーとそのピラーを芯としたコイルを形成し、このコイルへの通電により操作することを特徴とする。
【００１７】
〔１１〕上記〔１０〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに電源を接続することを特徴とする。
【００１８】
〔１２〕上記〔１０〕記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに磁場を作用させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
ＦＩＢを用いた立体ナノ構造造形技術は、様々な立体ナノ構造デバイスを作製する上で非常に有効な技術である。
【００２１】
本発明は、これを利用して例えば、立体ナノ構造デバイスとして、微小立体構造マニピュレータを提供するようにしたものである。
【００２２】
さらにＦＩＢ−ＣＶＤの場合、立体ナノ構造の作製において場所を選ばず、基体上、つまりシリコン基板上、ＡＦＭのカンチレバー上、ガラスキャピラリー上などの至る所で作製が可能である。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示すガラスキャピラリー先端にピラーを作製した斜視図、図２はそのピラーの反発の原理を示す図である。
【００２４】
図１に示すように直径約１μｍに引き伸ばしたガラスキャピラリー１先端にピラー２，２′を作製する際、図１（ａ）に示すようにピラー２が１本の場合は、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像を得るためにイオンビームを照射してもその構造に変化は観察できないが、図１（ｂ）に示すようにガラスキャピラリー１の先端に２本のピラー２，２′を作製し、同様にＳＩＭ像を得るためにイオンビームを照射すると、お互いが反発するように左右に開いていく現象が観察できた。この現象は、図２（ａ）に示すように、Ｇａ＋ イオンビームのプラスの電荷がお互いのピラー構造に蓄積し反発しあったため引き起こされたものであると考えられる。この際の電荷の蓄積は、ピラー２，２′を作製した場所がガラス上つまり絶縁物上であったため、Ｇａ＋ イオンビームのプラスの電荷がどこにも逃れることがなかったために起こったものである。
【００２５】
一方、図１（ｃ）では、ガラスキャピラリー１をＡｕ−Ｐｄ皮膜３でコーティングした後、２本のピラー２，２′の作製を行った。この場合は、ＳＩＭ像を得るためにイオンビームを照射しても２本のピラー２，２′が反発しあうように左右に動くことはなかった。これは、図２（ｂ）に示すようにＧａ＋ イオンビームによるプラスの電荷がＡｕ−Ｐｄ皮膜３を通り逃れたからであると思われる。このことからも、前述した現象はピラー２，２′に蓄積した電荷により引き起こされたものであるといえる。
【００２６】
この現象を利用することにより、マイクロ静電マニピュレータの一種として電圧により制御することができる曲がる梁や伸縮するコイル等を、ＦＩＢ−ＣＶＤで作製できる。本発明では、このようなマイクロ静電マニピュレータを応用することで医療、工業、研究などの幅広い分野で使用が可能な、ガラスキャピラリーを利用したマイクロ静電マニピュレータを作製する。
【００２７】
そこで、以下にＦＩＢ−ＣＶＤにより作製した様々なマイクロ静電マニピュレータ、そして電磁石型のマニピュレータの製造方法と原理について説明する。
【００２８】
以下で述べる一連のマイクロ静電マニピュレータや電磁石型のマニピュレータの構造は、集束イオンビーム（ＦＩＢ；Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）による化学気相成長法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により作製した。
【００２９】
図３は本発明のＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造のマニピュレータの作製原理を示す模式図である。
【００３０】
この図に示すように、ここでは、電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られたた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御する。そのために、制御装置１５は、ＣＰＵ（中央処理装置）１６、微小立体構造物を作製するための微小立体構造物の三次元モデルデータメモリ１７、入出力インターフェース１８、表示装置１９、データ入力装置２０とを備えている。
【００３１】
そこで、ガスノズル１１からＣＶＤのソースガスとしてフェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）ガス１２を噴射する。フェナントレンガス１２は約８５℃に加熱してガス圧１．０×１０−４Ｐａで噴射し、そのガス雰囲気中でビーム照射電流約７ｐａ程度のＧａ＋ 集束イオンビーム１３を照射することでＣＶＤを行う。
【００３２】
Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３によるＣＶＤは、フェナントレンガス１２雰囲気中にＧａ＋ 集束イオンビーム１３を照射することで、基板（ここではガラスキャピラリー１４）に吸着しているフェナントレン分子をビーム励起表面反応により分解し、カーボンを析出させ堆積させることでＤＬＣを成長させていくものであり、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３を任意方向にスキャンさせることにより、マイクロ静電アクチュエータや電磁石型のマニピュレータのような微小立体構造物を作製する。
【００３３】
ここで、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３を制御するために用いた描画装置（図示なし）は、外部波形発生装置（型名「Ｗａｖｅ Ｆａｃｔｏｒｙ」，ＮＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ製）と立体構造のＣＡＤデータをＺ軸方向の階層ごとの断面データに分割し描画させる３Ｄ−ＣＡＭ（図示なし）の２種である。これらの描画装置を用いてＧａ＋ 集束イオンビーム１３の電磁界偏向制御を行うことで、Ｇａ＋ 集束イオンビーム１３をソースガス１２噴射中にコントロールすることにより、ＤＬＣを任意の形状に成長させる。
【００３４】
本発明の実施例として、電荷の蓄積による反発力により片側の梁だけ撓むマイクロ静電型の梁型マニピュレータの製作を行った。
【００３５】
図４は本発明の実施例を示す梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００３６】
この図に示すように、向かい合うピラーの極板２１と極板２１′間にそれぞれ同電位の電荷を蓄積させることにより、２枚の極板２１，２１′が反発しあい、片側の梁２２だけを極板２１′に対して外側に撓ませるものである。
【００３７】
電荷を蓄積させる方法としては、図１、図２で示したピラーの反発現象と同様に、イオンビームによる操作と、外側から電圧を与える方法がある。特に後者においては、撓み量を電圧により制御することが可能である。実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像を図５として示す。
【００３８】
図６は本発明の実施例を示すピラー構造の梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００３９】
この図に示すように、２本のピラー３１，３２に極板３３，３３′を設け、その外側にピラー３１，３２を挟むように極板３４，３４′を設ける。向かい合う極板３３と３４、３３′と３４′間にそれぞれ同電位の電荷を蓄積させることにより、極板３３と３４、３３′と３４′は互いに反発し合い、２本のピラー３１，３２を互いに内側に撓むように動作させることができる。ここでは、撓み量を電圧により制御することが可能である。実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像を図７として示す。
【００４０】
構造的には先に述べた梁型マイクロマニピュレータが向かい合う構造を有しており、動作原理も同じく構造に同電位の電圧をかけたときに極板間に生じる反発力により機能する。内側のピラーが外側の極板との反発力により押されることで、内側の２本の梁はお互いに近づく方向に力を受ける。そうすることでマニピュレーションするターゲットをつまむことができる。
【００４１】
図８は本発明の実施例を示すクーロン力を利用したマイクロ静電マニピュレータの動作原理図である。
【００４２】
この図において、４１，４２はピラー、４３，４４はピラー４１，４２の極板、４５は極板４３，４４間に設けられる共通の極板である。
【００４３】
これは、極板４３と４５、４４と４５間に生じる電位差によるクーロン力を利用した静電マニピュレータである。つまり、３枚の極板４３，４５，４４からなり、中心の極板４５に＋電位をかけ、外側の２枚の極板４３，４４に−の電荷がかかるようにしている。そうすることにより、中心の＋の極板４５に外側の２枚の極板４３，４４がクーロン力によりひきつけられ、マニピュレータの指となる外側の構造（ピラー４１，４２）が動作する。電位差を利用する場合、２枚の極板４３，４４を引きつけ合わせることもできるが、それではマニピュレータの指となるピラー４１，４２の先の部分が接触した場合、電気的にショートしてしまう。そのため、極板を３枚にし、全体としては−電位の極板４３，４４を動作させる方法をとった。図９は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像であり、図９（ａ）は絶縁性の基体４０上に形成した場合であり、図９（ｂ）はガラスキャピラリー４６上に形成した場合である。
【００４４】
次に、梁型マイクロマニピュレータと同様に、電荷の蓄積による反発力を利用した多数のヒダの反発により撓むヒダ構造型マニピュレータの製作を試みた。
【００４５】
図１０は本発明の実施例を示すピラー構造のヒダ積層型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【００４６】
この図に示すように、ピラー５１に複数のヒダ型極板５２を積層させることにより、ヒダ型極板５２がお互いの電荷の蓄積により反発し合う構造をとらせ、ヒダ構造がある側とは反対側にピラー５１が撓むことを可能にしている。このヒダ構造型マニピュレータもイオンビームによる操作と外側からの電圧を与えることによる電荷の蓄積により撓む構造となっている。このヒダ構造型マニピュレータは、極板５２の形状、大きさそして極板５２間の距離を変えてやることにより、さまざまな方向への動作が可能である。実際に試作したヒダ積層型マニピュレータのＳＩＭ画像を図１１として示す。
【００４７】
図１２は本発明の実施例を示すヒダ構造を利用したマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００４８】
この図に示すように、ピラー６１，６２の付け根部分に先に述べたヒダ積層型マニピュレータ６３，６４を操作部品として設けるようにしている。動作原理も同じであり、構造的にはヒダ積層型マニピュレータ６３，６４が向かい合う形に配置し、その上のピラー６１，６２部分が、マニピュレーションするターゲットをつまむ指となる構造にしている。
【００４９】
すなわち、ヒダ積層型マニピュレータ６３，６４に同電位の電圧をかけることで、ヒダ積層型マニピュレータ６３，６４の複数の極板が反発し合い、全体としては２本の指（ピラー６１，６２）が近づく方向に動く。図１３は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより製作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【００５０】
図１４は本発明の実施例を示すコイル型マイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００５１】
この図に示すように、このコイル７１は、螺旋構造をとっているため、構造の重なり部（巻回部）７１Ａ〜７１Ｃに連続的な周期性がある。この構造に電荷を蓄積させてやると、Ｚ軸方向に重なった部分７１Ａ〜７１Ｃに反発力が働く。重なりが連続的であるため、全ての重なった部分に反発力が働き、全体としては上向きの力が働き、コイル７１が伸長する。電荷を蓄積させる方法としては、同電位を与えるだけであるので、イオンビームによる操作、または外側から電圧を与えることで可能である。実際に試作したコイル型マニピュレータ構造のＳＩＭ画像を図１５として示す。
【００５２】
図１６は本発明の実施例を示す２重螺旋型のマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【００５３】
この図に示すように、コイル８１と８２からなる２重螺旋型マニピュレータを作製した。そのＳＩＭ画像を図１７として示す。この２重螺旋マニピュレータは、コイル８１と８２を２つ重ねた構造をしており、２つのコイル８１，８２に同電位の電荷を与えた場合は、図１６（ａ）のように連続的に積層する２つのコイル８１，８２がお互いに反発し合い、全体としては上方向に伸長する。一方で、図１６（ｂ）のように２本のコイル８１，８２のうち片方８１を＋に、もう一方８２を−にすれば２本のコイル８１，８２がお互いに引き合い、全体としては収縮する。２重螺旋型マニピュレータは、電気的に一本のコイルの電位を切り替えるだけで、前述したような伸長、収縮の二つの動作を実現することが可能である。
【００５４】
上記したＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したこれらの梁型、ヒダ型、コイル型の静電マニピュレータは、様々なナノデバイス、マイクロデバイス、そしてナノ・マイクロマシーン等の部品として使用することができる。ＦＩＢ−ＣＶＤが主な加工プロセスであるため、従来のシリコンプロセスなどの技術では不可能であった超微細スケールでの高機能デバイス、高機能マシーンの製作が可能となる。
【００５５】
さらに、ＦＩＢ−ＣＶＤを他の加工技術と組み合わせることもできるため、ＦＩＢ−ＣＶＤにおけるマニピュレータの作製は非常に有効なものであるといえる。もちろん前述したようなマニピュレータの構造は、目的にあった形状、サイズに作製できるため、目的とする機能、運動性能をもった高性能デバイス、高機能マシーンを自由に設計することができる。
【００５６】
例えば、以下で述べるような静電マイクロマニピュレータや、センシングとマニピュレーション等のような複数の機能を持ったナノ電磁石のような高機能マイクロデバイスの作製も容易である。
【００５７】
図１８は本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その１）の模式図である。
【００５８】
この図において、９１は芯となるピラー、９２はそのピラー９１のまわりに巻回されるコイル、９３はそのコイル９２に接続される電源、９４はその電源９３に接続されるスイッチである。
【００５９】
ここでは、芯となるピラー９１のまわりをコイル９２が巻回される形となっており、このコイル９２に電源９３から電流を流すことにより、芯となるピラー９１を磁石（電磁石）とすることができる。
【００６０】
図１９は本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その２）の模式図である。
【００６１】
この実施例では、芯となるピラー１０１のまわりにコイル１０２を巻回し、そのコイル１０２に磁場発生器１０３を作用させるようにする。この磁場発生器１０３は電源１０５とスイッチ１０４を備え、この電磁石型マニピュレータに固定的に配置するようにしてもよいし、固定しないで、分離されたリモート式装置として、コイル１０２への接近離脱により、電磁石型マニピュレータを操作するようにしてもよい。つまり、この電磁石型マニピュレータは磁気的センシングが可能なマニピュレータとしても用いる。
【００６２】
従来の静電力により、ターゲットを引きつけるマニピュレーションは、その先端に生じる静電力により目標物をキャッチしマニピュレートするものであるが、先端を磁石にしてやれば静電力の他に磁力でも目標物をキャッチしマニピュレートしてやることが可能となってくる。また、先端が電磁石ということで通電電流を変化させることにより目標物を吸引する力を変化させたり、ＯＮ／ＯＦＦを切り替えたりすることを電気的に行うことができるので、非常に使いやすいマニピュレータとなる。
【００６３】
このように、電磁誘導を利用した局所的なセンシングを行うことが出来る。磁場が変化しているところにこのナノ電磁石の先端を持っていってやれば、磁場の変化によりコイルに電流が流れ、その磁場の変化をセンシングすることができる。図２０は実際にＦＩＢ−ＣＶＤにより製作したマイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【００６４】
現在、生命の分野など細胞小器官の働きや遺伝子の発現などを研究する方法として、既存のインジェクターを使い細胞内に試薬をインジェクションする方法が広く用いられている。しかし、その方法では試薬は細胞内全体に広がり、選択的に細胞小器官などを個別に観察することは容易ではない。
【００６５】
そこで、インジェクターの先端を本発明によりそれらに使用しやすい形状にすれば、細胞内の細胞小器官などに選択的に試薬などをインジェクションすることも容易になると思われる。さらに細胞や細胞小器官などが傷つくことは実験を行う際にもっとも避けたいことであるが、本発明を適用して、細胞に対してインジェクターの先端形状を細くしかも尖った形状に加工することにより、細胞にかかるストレスを少なくすることができるという利点がある。
【００６６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６８】
（１）ＦＩＢ−ＣＶＤにより作製したこれらの梁型、ヒダ型、コイル型の静電マニピュレータは、様々なナノデバイス、マイクロデバイス、そしてナノ・マイクロマシーン等の部品として使用することができる。ＦＩＢ−ＣＶＤが主な加工プロセスであるため、従来のシリコンプロセスなどの技術では不可能であった超微細スケールでの高機能デバイス、高機能マシーンの製作が可能となる。
【００６９】
さらにＦＩＢ−ＣＶＤを他の加工技術と組み合わせることもできるため、ＦＩＢ−ＣＶＤにおけるマニピュレータ（アクチュエータ）作製は非常に有効なものであるといえる。もちろん前述したようなマニピュレータ（アクチュエータ）構造は、目的にあった形状、サイズに作製できるため、目的とする機能、運動性能をもった高機能デバイス、高機能マシーンを自由に設計することができる。例えば、静電マイクロマニピュレーターや、センシングとマニピュレーション等のような複数の機能を持ったナノ磁石のような高機能マイクロデバイスの作製も容易である。
【００７０】
（２）ＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造物製造方法において、ガラスキャピラリー上に、３次元マイクロマニピュレータの微小立体構造物を有した細胞内バイオマニピュレータおよび遺伝子注入装置を作製することができる。
【００７１】
（３）ＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造物製造方法において、探針に、３次元マイクロアクチュエータ、ナノインジェクターおよび電磁気、光、熱、力センサーの微小構造体を有した走査プローブ顕微鏡を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すガラスキャピラリー先端にピラーを作製した斜視図である。
【図２】本発明の実施例を示すピラーの反発の原理を示す図である。
【図３】本発明のＦＩＢ−ＣＶＤによる微小立体構造マニピュレータの作製原理を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図５】実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図６】本発明の実施例を示すピラー構造の梁型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図７】実際に試作した梁型マイクロマニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図８】本発明の実施例を示すクーロン力を利用したマイクロ静電マニピュレータの動作原理図である。
【図９】実際に試作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図１０】本発明の実施例を示すピラー構造のヒダ積層型マニピュレータの動作原理を示す図である。
【図１１】実際に試作したヒダ積層型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１２】本発明の実施例を示すヒダ構造を利用したマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１３】実際に試作したマイクロ静電マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【図１４】本発明の実施例を示すコイル型マイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１５】実際に試作したコイル型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１６】本発明の実施例を示す２重螺旋型のマイクロ静電マニピュレータの原理図である。
【図１７】実際に試作した２重螺旋型マニピュレータのＳＩＭ画像を示す図である。
【図１８】本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その１）の模式図である。
【図１９】本発明の実施例を示す電磁石型マニピュレータ（その２）の模式図である。
【図２０】実際に試作した電磁石型マニピュレータのＳＩＭ画像である。
【符号の説明】
１，１４，４６ ガラスキャピラリー
２，２′，３１，３２，４１，４２，５１，６１，６２ ピラー
３ Ａｕ−Ｐｄ皮膜
１１ ガスノズル
１２ フェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）ガス（ソースガス）
１３ Ｇａ＋ 集束イオンビーム
１５ 制御装置
１６ ＣＰＵ（中央処理装置）
１７ 微小立体構造物の三次元モデルデータメモリ
１８ 入出力インターフェース
１９ 表示装置
２０ データ入力装置
２１，２１′，３３，３３′，３４，３４′，４３，４４ 極板
２２ 片側の梁
４０ 絶縁性の基体
４５ 共通の極板
５２ ヒダ型極板
６３，６４ ヒダ積層型マニピュレータ
７１，８１，８２，９２，１０２ コイル
７１Ａ〜７１Ｃ 構造の重なり部（巻回部）
９１，１０１ 芯となるピラー
９３，１０５ 電源
９４，１０４ スイッチ
１０３ 磁場発生器
Claims (12)
- 電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割し、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、絶縁性の基体上にピラーを形成し、該ピラーに蓄積する電荷間の反発力により前記ピラーを操作する操作手段を具備することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項１記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記絶縁性の基体上に形成されるピラーは複数本のピラーであることを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項１記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記基体がガラスキャピラリーであることを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項２又は３記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、１本の梁と、該１本の梁の基部に形成される第１の極板と、これに対向する第２の極板間の、同電位の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記梁を外側に撓ませて操作することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項２又は３記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、２本の梁と、該２本の梁の基部に形成される極板と、該２本の梁の基部に形成された極板にそれぞれ対向する極板との間の、電荷の蓄積による反発力を利用して、前記２本の梁を撓ませて操作することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項２又は３記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ピラーに複数のヒダが形成され、該ヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを外側に撓ませて操作するヒダ積層型操作手段を有することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項６記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記ヒダ積層型操作手段を複数個配置して、前記ピラーのヒダ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記ピラーを互いに撓ませて操作することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項２又は３記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、コイル状ピラーに形成される巻回ループ間の電荷の蓄積による反発力を利用して、前記巻回ループ間の変形により前記コイルを操作するコイル型操作手段を有することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項８記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイル型操作手段が２重螺旋構造をなす２重操作手段であることを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 電子計算機を利用して設計した微小立体構造物の三次元モデルデータを高さ方向に分割して、その断面形状を算出して得られた積層構造の離散的な描画データに基づいて、ビームの照射位置、照射時間を決定し、集束イオンビームを制御することにより、基体上に形成されるピラーと、該ピラーを芯としたコイルを形成し、該コイルへの通電により操作することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項１０記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに電源を接続することを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
- 請求項１０記載の微小立体構造マニピュレータにおいて、前記コイルに磁場を作用させることを特徴とする微小立体構造マニピュレータ。
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