JP2006224293A - ナノ板を用いたナノ部品、その製造方法及びナノ機械の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はナノ部品及びそれによるナノ部品、並びにナノ機械などの製作方法に関するものである。
【解決手段】より詳細にはフォトリソグラフィーまたは電子ビームリソグラフィーを用いて基板上にグリッドを印刷し、グリッドの部位にナノ板水溶液を噴射してナノ板を位置させ、基板及びその基板上に位置したナノ板の上部に一定の厚さの保護膜を蒸着し、集束イオンビームまたは電子ビームリソグラフィーを用いて保護膜が蒸着されたナノ板を食刻した後、保護膜除去剤を使用して残余保護膜を除去することにより、ナノ部品を製造する方法及び、さらにこのようなナノ部品をナノ探針により移動及び組立てることにより、ナノ機械またはナノ構造体などを製作する方法に関するものである。本発明は優れた材質のナノ部品を安価で比較的簡単に製造する方法及びこのようなナノ部品や生体分子などを結合してナノ機械などを具現する方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明はナノ部品、その製造方法及びナノ機械（ｎａｎｏｍａｃｈｉｎｅ）またはナノシステムなどの製作方法に関するものであって、特にナノ板を集束イオンビーム（ＦＩＢ）又はイオンミリングのようなイオン食刻方法で加工し、さらにナノ探針で移動及び組み立ててナノ部品、ナノ機械又はナノシステムなどを容易に製造する技術に関するものである。

現在、限界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）がナノメーターの大きさを有するナノ部品、及びこのようなナノ部品などを組立、結合して作るナノ機械（以下、ナノ機械はナノマシン、ナノシステム、ナノ構造体などを含む意味として使用する）は、病気の診断及び治療、環境工学などの多様な分野においてその必要性が要求されている。このようなナノ部品などを製造する方法としては、半導体技術或いはＭＥＭＳ技術のような加工方式を用いて製造するトップダウン（ｔｏｐ−ｄｏｗｎ）方式と、このようなナノ部品と生体分子または合成分子を組み立てて構造体などを製作するボトムアップ（ｂｏｔｔｏｍ−ｕｐ）方式などとが研究されている。

１９８０年代中盤以降、半導体技術を機械工学に組み合わせたＭＥＭＳ技術を用いて、機械部品又はその限界寸法の大きさが数μｍ〜数ｍｍである超小型機械部品が開発されてきた。しかし、このような通常的なＭＥＭＳ技術を用いて数μｍ以下の大きさを有するナノ部品などを加工するためには、高価の製造装備及び工程などによって製造単価が増加する経済的な困難がある。

一方、生体分子または合成有機分子を希望する位置に移動、組み立ててモーターなどのナノ機械を製造する方法が報告されているが、工程の再現性が乏しく、多量生産が困難であるというデメリットがある。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決及び補完するために、集束されたイオンビームを用いた加工技術、または電子ビームを用いたパータン技術として、基板上に形成されたナノ板をナノギア、ナノ活字、ナノ輪、ナノ鋸歯などのような多様な形態のナノ部品で加工する方法を採用する。さらに、このように加工されたナノ部品をナノ探針を用いて移動し、他のナノ部品または微小有機体などと結合して、ナノ機械を製作する方法を採用する。これによって漸次に重要性が報告されているナノ部品及びナノ機械を工程再現性に優れた方法により、安価で比較的に手軽く供給できる方法を提供しようとすることが本発明の目的である。

本発明のその他の目的、特定なメリット及び新規な特徴などは、添付された図面などと連関される以下の詳細な説明と、好ましい実施例などからもっと明確になるでしょう。

上記した目的を達成するために本発明は、多様な形態のナノ部品を製造する方法として、保護膜がコーティングされたナノ板をイオン食刻して加工し、より複雑な構造のナノ機械の製作のために、ナノ探針を用いてナノ部品などを移動及び組み立てることを技術的な特徴とする。

以下で説明するように、本発明は簡単な化学的合成法から製造された単結晶ナノ板を用いたナノ部品及びその製造方法、さらに、ナノ探針によってナノ部品を移動、組み立ててナノ機械などを製作する方法に関するものである。特に、イオン食刻法で単結晶ナノ板を直接加工するため、材質的な面（強度、耐摩耗性など）で優秀であり、他の方法などと比較して作業が単純であり、低費用で高品質のナノ部品を製造できるだけでなく、大きさがもっと小さく、応用性が豊かな多様の形態のナノ部品などを提供できる。そして、化学的合成法では製造できない形態のナノ構造も実現できるので、ナノ構造体の材質や模様の変化による電気的・光学的特性の変化のようなナノ構造体の特性研究、及びその他の様々な目的に合うようにナノ板を加工して使用することができる。

本発明はナノ技術の多様な分野で単独に、且つ、組み合わせて応用され得る多様性を提供でき、ナノ部品を製造し、それらを移動して組み立てることのようなボトムアップ方式とトップダウン方式とを混用すれば、ナノシステムを具現できるので、ＭＥＭＳ技術とＮＥＭＳ技術との新しい方向への接近も期待することができる。特に、金で製造されたナノ部品の場合には、シリコンや他の材料などとは異なり、生体物質との結合が容易であるだけでなく、生体親和的であるため、機能性ナノ物質の代表的物質として注目を浴びている生体分子などと組み合わせて、新しい概念のナノ機械を開発するのに用いることができる。

従って、本発明によって製造されたナノ部品は、ナノ技術のうち、特にナノ機械分野の発展に大きい寄与をすることと予想され、薬物伝達物質やその他にも特殊な形態のナノ構造体を必要とする多様の分野で有用に用いられることができる。

本発明は下記に言及される好ましい実施例と関連して説明されるものであるが、本明細書及び図面に記載された事項の範囲からはずれることなく、多様な修正や変形をすることが可能である。従って、添付した特許請求の範囲は、本明細書及び図面に記載された事項の範囲内でこのような修正や変形を含む。

以下、添付した図面を参照しながら本発明の構成、及び好ましい実施例などを詳細に説明することにする。図１及び図２は、本発明の実施例によるナノ板を用いたナノ部品の製造段階を示すフローチャートであり、図３ａ及び図３ｂ、図４ａ乃至図４ｄは、イオン食刻段階の二つの場合を各々細分化した工程図であり、図５乃至図８は、多様な形態のナノ板とナノ部品などの斜視図であり、図９及び図１０は、ナノ板と製造されたナノ部品などの電界効果走査電子顕微鏡写真であり、図１１ａ及び図１１ｂは、ナノ部品などの組立により製作されるナノモーターの平面図及び縦断面図である。

図１に図示したように、本発明の一実施例によるナノ部品の製造方法は、基板上に数字と点とからなったグリッド（ｇｒｉｄ）を印刷する段階ｓ１０、ナノ板が分散されている水溶液を上記グリッド部位に噴射してナノ板を位置させる段階ｓ２０、上記ナノ板が位置する基板上にアルミニウム保護膜を蒸着する段階ｓ３０、集束イオンビーム（Ｄｕａｌ Ｂｅａｍ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ／Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ，ＤＢＳＥＭ／ＦＩＢ）を用いるか、または電子ビームリソグラフィー（Ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）を用いて上記保護膜が蒸着されたナノ板をイオン食刻する段階ｓ４０、アルミニウム除去剤で食刻後の残余アルミニウム保護膜を除去する段階ｓ５０を含み、ナノ探針を用いて基板でナノ部品を移動及び組み立てる段階ｓ６０を追加することができる。

グリッド印刷段階ｓ１０ではフォトリソグラフィー（Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）と電子ビームリソグラフィーとを用いてシリコン基板上に数字と点の形態でグリッドを印刷する。その後、ナノ板を位置させる段階ｓ２０では、１μｌ〜２０μｌ容量のマイクロピペットを用いてナノ板が分散されている水溶液ほぼ１μｌ〜２μｌをグリッド部位に噴射する。ナノ板は板形態を帯びる全ての材質（金属、半導体、絶縁体など）として構成することができる。

保護膜蒸着段階ｓ３０はナノ板が位置する基板の上部にアルミニウムを蒸着する段階として、基板上にナノ板を加工する前の作業であり、イオンビーム集束時、または電界効果走査電子顕微鏡で観察の時、ナノ板が損傷されるとか、カーボンによって汚染されることを防止するためである。この時、アルミニウム薄膜の蒸着厚さは２０ｎｍ〜６０ｎｍであることが望ましい。保護膜の材質はアルミニウムに限らず、ナノ部品に損傷を与えなく、食刻後に安全に除去できれば、保護膜形成に使用することができる。イオン食刻段階ｓ４０は図２などの説明で扱うこととする。

保護膜除去段階ｓ５０は、アルミニウム除去剤を使用してナノ板食刻が終わった後、残余アルミニウム薄膜を除去する段階として、アルミニウム除去剤（ＡＬ−１２、Ｃｙａｎｔｅｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｉｎｃ． ＣＡ）を使用し、温度を５０℃に維持し、３０秒間除去し、そしてアルミニウム膜を除去した後の洗浄は蒸留水を使用することが望ましい。

ナノ部品の移動及び組立段階ｓ６０はナノ探針（Ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ＭＭ３Ａ，Ｋｌｅｉｎｄｉｅｋ ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ，Ｇｅｒｍａｎｙ）でナノ部品を基板で移動及び組み立てる段階として、完成されたナノ部品を基板で分離するか、希望する位置に移動して他の部品と組み立てるためである。ナノ探針は集束イオンビーム装備または電界効果走査電子顕微鏡の内部に装着してナノ部品を製作することに用いられ、探針の直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍであることが最も望ましい。

図２に図示したように、図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームを用いた場合のイオン食刻段階は、食刻用電子ビームレジストを保護膜の上部に一定の厚さでコーティングするレジストコーティング段階ｓ４１、電子ビームで被食刻部２００のレジストを露光及び現像する被食刻部露光及び現像段階ｓ４２、レジストの露光及び現像された部分に該当する保護膜及びナノ板を食刻するミリング段階ｓ４３、レジスト除去剤を使用して保護膜上部の残余レジストを除去するレジスト除去段階ｓ４４からなる。

図３ａ及び図３ｂは、イオン食刻段階ｓ４０のうちで集束イオンビームを用いる場合を説明するための工程図である。図３ａは集束イオンビーム装備に入れる前の試料の状態として、基板１００の中央上部にナノ板１１０が位置しており、その上部全体に保護膜１２０が形成された状態を示す。図３ｂは、集束イオンビームにより保護膜１２０及びナノ板１１０の被食刻部２００が食刻された後の状態を示す。ここで被食刻部２００とは、製造しようとするナノ部品の形状によってナノ板で食刻されなければならない部分を意味する。作業の時、イオンビームの電流は１ｐＡ〜１０ｐＡであることが最も望ましい。

図４ａ乃至図４ｄは、図１の電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階ｓ４０を詳細に説明するための工程図である。この過程では電子ビームリソグラフィーを用いてナノギアやナノ活字などのナノ部品の形態でレジストをパータニングした後、イオンミリングでナノ板を食刻する。図４ａは作業前に準備された試料の状態であり、図４ｂは電子ビームリソグラフィーのために食刻用電子ビームレジスト（ＺＥＰ−５２０Ａ）１４０を表面に略１５０ｎｍの厚さでコーティングした後、電子ビームを用いて被食刻部２００に該当するレジストを露光及び現像してパータニングする過程である。露光後に現像液で略１０秒間現像する。図４ｃは、電子ビームリソグラフィー作業が終わった試料をイオンミリングでレジストがパータニングされた部分に該当する被食刻部２００のみを削る作業である。イオンミリング作業をする時には、基板ホルダー部分を冷却水や液体窒素で冷却しなければならず、加速電圧は２５０Ｖ、ビーム電流は２０ｍＡ、食刻時間は２分〜４分とすることが望ましい。図４ｄはイオンミリング後、不必要な残余電子ビームレジスト１４０を除去する段階であって、電子ビームレジストをきれいに除去するためには、専用電子ビームレジスト除去剤（ＺＤＭＡＣ）を使用しなければならず、除去剤の温度は６０℃を維持することが望ましい。レジスト除去時間は少なくとも４時間以上である。

図５は本発明に使用される三角板、五角板及び六角板の形態のナノ板などを図示したものである。図６、図７及び図８は各々図５のナノ板を用いて製作できるナノ部品であるナノ活字、ナノ輪、ナノ鋸歯及びナノギアの形状を図示したものとして、上記ナノ部品などはナノ技術の各分野で代表的な部品などである。ナノギアはナノ機械の核心部品であり、ナノ輪とナノ活字はナノシステム、そしてナノ鋸歯はナノファクトリーなどに緊要に使用されるであろう。

このようなナノ部品は厚さが１ｎｍ〜５００ｎｍであり、ナノ部品平面状の一側長さが１０ｎｍ〜２，０００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ〜１，０００ｎｍの大きさを有する。

図９の電界効果走査電子顕微鏡写真を参照すれば、本発明に使用されるナノ板は厚さ４１０が１ｎｍ〜５００ｎｍであり、平面状の一側長さ４２０が１０ｎｍ〜２，０００ｎｍである板状形態であることが分かる。

図１０は本発明の実施例によるナノギア５１０及びナノ活字５２０の電界効果走査電子顕微鏡写真である。ナノギア５１０は集束イオンビームを用いて製造したが、加速電圧は３０ｋＶ、ビーム電流は１ｐＡ、食刻時間は２分３０秒である。上記ナノ活字５２０は電子ビームリソグラフィーとイオンミリングとを用いて製造し、加速電圧は２５０Ｖ、ビーム電流は２０ｍＡ、食刻時間は３分である。

図１１ａ及び図１１ｂは本発明によるナノ機械の一実施例であるナノモーター６００を図示したものである。ナノモーター６００は大きく固定子６１１及び軸６１２を含むモーター台６１０、ナノギアからなった回転子６２０、軸カバー６３０などから構成される。本実施例の場合は、モーター台がナノギアからなった回転子より厚いナノ板を用いて製造される。ナノ探針は、集束イオンビームや電界効果走査電子顕微鏡の内部に装着して、上記ナノ部品などを製作することに用いられ、探針の直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍであることが最も望ましい。ナノモーターはナノ板の一定の位置に軸６１２などを製造するトップダウン技術であるＭＥＭＳ技術と、他のナノ部品などをナノ探針によって移動及び組み立てるボトムアップ技術を組み合わせて製作する。

本発明の実施例によるナノ板を用いたナノ部品の製造段階を示すフローチャート。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームリソグラフィーを用いた場合のイオン食刻段階を示すフローチャート。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで集束イオンビームを用いた場合のイオン食刻段階を示す工程図。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで集束イオンビームを用いた場合のイオン食刻段階を示す工程図。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階を示す工程図。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階を示す工程図。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階を示す工程図。 図１のイオン食刻段階ｓ４０のうちで電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階を示す工程図。 本発明に使用されるナノ板の概略的な斜視図。 本発明によるナノ活字の概略的な斜視図。 本発明によるナノ輪及びナノ鋸歯の概略的な斜視図。 本発明によるナノギアの概略的な斜視図。 本発明に使用されるナノ板の電界放出走査電子顕微鏡写真。 本発明の実施例によるナノギア及びナノ活字の電界放出走査電子顕微鏡写真。 本発明の実施例によるナノモーターの平面図。 図１１ａのＡ−Ａ線を切開した縦断面図。

符号の説明

ｓ１０…グリッド印刷段階、ｓ２０…ナノ板を位置させる段階、
ｓ３０…保護膜蒸着段階、ｓ４０…イオン食刻段階、
ｓ４１…レジストコーティング段階、ｓ４２…露光及び現像段階、
ｓ４３…イオンミリング段階、ｓ４４…レジスト除去段階、
ｓ５０…保護膜除去段階、ｓ６０…ナノ部品の移動及び組立段階、
１００…基板、１１０…ナノ板、１２０…保護膜、１３０…集束イオンビーム、
１４０…電子ビームレジスト、１５０…電子ビーム、１６０…イオンビーム、
２００…被食刻部、４１０…ナノ板の厚さ、４２０…ナノ板の平面状の一側長さ、
５１０…ナノギア、５２０…ナノ活字、
６００…ナノモーター、６１０…モーター台、６１１…固定子、６１２…軸、
６１３…ＳｉＯ₂層、６１４…Ｓｉ層、６２０…回転子、６３０…軸カバー。

Claims (13)

1. グリッドが印刷された基板上にナノ板が分散されている水溶液を噴射してナノ板を位置させる段階ｓ２０；
   前記ナノ板が位置する前記基板の上部に一定の厚さの保護膜を蒸着する段階ｓ３０；
   前記保護膜が蒸着された前記ナノ板の被食刻部を食刻するイオン食刻段階ｓ４０；及び
   保護膜除去剤を使用して食刻後の残余保護膜をナノ部品から除去する保護膜除去段階ｓ５０；
   を含むことを特徴とするナノ板を用いたナノ部品の製造方法。
2. 前記イオン食刻段階ｓ４０は、集束イオンビーム又は電子ビームリソグラフィーを用いることを特徴とする請求項１に記載のナノ板を用いたナノ部品の製造方法。
3. 前記イオン食刻段階ｓ４０は電子ビームリソグラフィーを用い、
   前記電子ビームリソグラフィーを用いたイオン食刻段階は：
   食刻用電子ビームレジストを前記保護膜の上部に一定の厚さでコーティングするレジストコーティング段階ｓ４１；
   電子ビームによる被食刻部に該当するレジストの露光及び現像段階ｓ４２；
   前記レジストの露光及び現像された部分に該当する被食刻部に沿って前記保護膜が蒸着されたナノ板を食刻するイオンミリング段階ｓ４３；及び
   レジスト除去剤を使用して保護膜上部の残余レジストを除去するレジスト除去段階ｓ４４；
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ板を用いたナノ部品の製造方法。
4. 前記ナノ板は金で形成されることを特徴とする請求項１に記載のナノ板を用いたナノ部品の製造方法。
5. 前記保護膜はアルミニウムで形成され、厚さが２０ｎｍ〜６０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のナノ板を用いたナノ部品の製造方法。
6. 請求項１に記載のナノ部品の製造方法によって製造されたナノ板を用いたナノ部品。
7. 前記ナノ部品は金で形成されたことを特徴とする請求項６に記載のナノ板を用いたナノ部品。
8. 前記ナノ部品はナノ活字、ナノ輪、ナノ鋸歯及びナノギアのうち、いずれか一つの形状を有することを特徴とする請求項６に記載のナノ板を用いたナノ部品。
9. 前記ナノ部品は厚さが１ｎｍ〜５００ｎｍであり、ナノ部品の平面状の一側長さが１０ｎｍ〜２，０００ｎｍの大きさであることを特徴とする請求項６に記載のナノ板を用いたナノ部品。
10. 前記ナノ部品はナノ部品の平面状の一側長さが１０ｎｍ〜１，０００ｎｍの大きさであることを特徴とする請求項９に記載のナノ板を用いたナノ部品。
11. 請求項６に記載のナノ部品をナノ探針により移動してナノ機械を組み立てることを特徴とするナノ機械の製作方法。
12. 前記ナノ探針は集束イオンビーム装備または電界効果走査電子顕微鏡の内部に装着され、ナノ探針の直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１１に記載のナノ機械の製作方法。
13. 前記ナノ機械は、固定子などが軸を中心に円周上に配列されたモーター台、及び前記軸を中心に固定子などの内部で回転可能な回転子を含むナノモーターであることを特徴とする請求項１２に記載のナノ機械の製作方法。

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