JP2006255847A - ナノピンセット、これを備える微小力計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 把持した微小試料の力計測ができるナノピンセットを提供すること。
【解決手段】 ナノピンセット１には、支持体１ａからＹ方向に向かって、振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０、駆動レバー３０および検出レバー４０が突設されている。先ず、振動カンチレバー１０をＸ方向に撓み振動させて、その共振周波数ｆ_０を測定し、次に、振動カンチレバー１０の先端１２ａと静止カンチレバー２０の先端２２ａとの間にＤＮＡ断片を捕捉した状態で、振動カンチレバー１０の共振周波数ｆ_１を測定する。共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）からＤＮＡ断片のバネ定数や力などの力特性を計測する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＮＡ断片などの微小物体を把持するナノピンセットおよびこれを備える微小力計測装置および方法に関する。

ナノピンセットは、レバーの先端部の開閉動作により、ＤＮＡ分子のようなナノオーダーサイズの微小物体を把持したり開放する機能を有する。従来、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にダイオード特性部を設けておき、２本のカーボンナノチューブの先端部の間隔を静電力により変化させて微小物体を把持し、ダイオード電流を測定することで微小物体に対する握力を測定するナノピンセットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３-２２５８９５号公報

特許文献１のナノピンセットは、２本のカーボンナノチューブで微小物体を把持したときの握力を測定するものであり、その握力は、カーボンナノチューブの弾性力などを含んでおり、微小物体そのものの力特性を測定することはできない。

（１）請求項１に係るナノピンセットは、支持部と、支持部から突出して先端部が開閉駆動してＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉する一対のカンチレバーと、一対のカンチレバーのいずれか一方に振動を与える駆動部とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載のナノピンセットにおいて、駆動部は、振動するカンチレバー（以下、振動カンチレバー）と対向配置された駆動レバーを含み、
振動カンチレバーと駆動レバーとの間に電界を印加して振動カンチレバーを振動させることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のナノピンセットにおいて、一対のカンチレバーは、その先端部で微小試料を捕捉する際に高周波電界が印加されるものであり、一対のカンチレバーには、高周波電界を印加する導電膜が形成されていることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、支持部、一対のカンチレバー、および駆動部は、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で作製されることを特徴とする。
（５）請求項５の発明による微小力計測装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のナノピンセットと、一対のカンチレバー間に高周波電界を印加する高周波電源と、駆動部へ電源を供給する駆動用電源と、駆動部により振動が与えられた一方のカンチレバーの振動を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の微小力計測装置において、検出手段による検出結果により微小試料の力特性を演算する演算手段をさらに備えることを特徴とする。
（７）請求項７の発明による微小試料の微小力計測方法は、請求項１乃至４項のいずれか一項に記載のナノピンセットの一方のカンチレバーに振動を与え、そのカンチレバー（以下、振動カンチレバー）の共振周波数ｆ_０を測定する工程と、請求項１乃至４項のいずれか一項に記載のナノピンセットの一対のカンチレバー間に高周波電界を印加して微小試料を把持する工程と、微小試料を把持した状態で振動カンチレバーに振動を与え、その振動カンチレバーの共振周波数ｆ_１を測定する工程と、共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）に基づいて微小試料の力特性を計測する工程とを含むことを特徴とする。
（８）請求項８の発明による微小力計測方法は、一対のカンチレバーを有するナノピンセットを使用し、一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉してその力特性を計測する方法において、一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉しない状態でカンチレバーを振動させてその共振周波数ｆ_０を測定し、一対のカンチレバー間にＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉した状態でカンチレバーの共振周波数ｆ_１を測定し、共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）からＤＮＡ断片などの微小試料のバネ定数や力などの力特性を計測することを特徴とする。
（９）請求項９の発明による微小力計測方法は、一対のカンチレバーを有するナノピンセットを使用し、一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉してその力特性を計測する方法において、一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉しない状態でカンチレバーを振動させてその角共振周波数ω_０におけるイミタンスＩ_０を測定し、一対のカンチレバー間にＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉した状態でカンチレバーの角共振周波数ω_０におけるイミタンスＩ_１を測定し、イミタンスのシフト量（Ｉ_０−Ｉ_１）からＤＮＡ断片などの微小試料のバネ定数や力などの力特性を計測することを特徴とする。

（１）請求項１乃至４に記載の発明によるナノピンセットによれば、一対のカンチレバー間に微小試料を把持し、一方のカンチレバーにその開閉方向に振動を与えることにより、微小試料の力特性を計測することができる。
（２）請求項５乃至９に記載の発明による微小力計測装置および方法によれば、一対のカンチレバー間に微小試料を把持し、一方のカンチレバーにその開閉方向に振動を与え、振動するカンチレバーの振動を検出することにより、微小試料の力特性を計測することができる。

以下、本発明の実施の形態による微小力計測装置およびナノピンセットについて図１〜８を参照しながら説明する。図１において、微小力計測装置１００は、図５〜図８を参照して詳細に説明する半導体製造プロセスで作製されたナノピンセット１と、高周波電源２と、励振用電源３と、検出部４と、制御・測定部５とを備えている。

図１を参照して、ナノピンセット１の各構成部品について、材料となるウエハと対比させて説明する。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５０は、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、ＳｉＯ_２層を介して貼り合わせたものである。本実施の形態で用いられるＳＯＩウエハ５０は、図１に示されるように、上部Ｓｉ層５１（厚さ３０μｍ）、ＳｉＯ_２層５２（厚さ２μｍ）および下部Ｓｉ層５３（厚さ３００μｍ）から成る。上部Ｓｉ層５１は、０．００１Ωｃｍ程度の低抵抗シリコンである。

図１に示すように、ナノピンセット１は、支持体１ａ、駆動レバー３０、検出レバー４０、振動カンチレバー１０、および静止カンチレバー２０から構成されている。支持体１ａは、不図示のホルダの溝部または凹部にスライドさせて嵌め込み、ホルダに取り付けられた板バネで押圧保持するなどしてホルダに着脱可能に取り付けられる。このホルダは不図示の移動機構により３次元方向に移動可能に構成され、これにより、ナノピンセット１全体が３次元方向に移動可能とされている。

図１に示すように、下部Ｓｉ層５３から形成された支持体１ａの上端部からは、駆動レバー３０、検出レバー４０、振動カンチレバー１０、および静止カンチレバー２０がそれぞれ形成されている。振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０、駆動レバー３０および検出レバー４０の４本のレバーは、電極などを除くと上部Ｓｉ層５１のみから形成されており、それぞれの厚さは、基本的には上部Ｓｉ層５１の厚さ３０μｍに等しい。駆動レバー３０、検出レバー４０、振動カンチレバー１０、および静止カンチレバー２０の上面には、それぞれアルミニウム膜（導電膜）がコーティングされており、各々のレバーは互いに絶縁されている。さらに、振動カンチレバー１０、駆動レバー３０および検出レバー４０には、アルミニウム膜と絶縁を保って、それぞれ電極膜１３、３１および４１が設けられている。

図１に示すナノピンセット１の先端部分の拡大斜視図である図２にも示されるように、振動カンチレバー１０は、レバー１１と突起部１２とを有し、静止カンチレバー２０は、レバー２１と突起部２２とを有する。突起部１２の先端１２ａと突起部２２の先端２２ａは、間隔ｄで対向している。また、振動カンチレバー１０の一方の側面と駆動レバー３０の側面は、間隔Ｄで対面し、振動カンチレバー１０の他方の側面と検出レバー４０の側面は、ギャップｘで対面している。突起部１２の先端１２ａの形状と、突起部２２の先端２２ａの形状は後で詳細に説明する。

高周波電源２は、一方の端子が振動カンチレバー１０のアルミニウム膜に、他方の端子が静止カンチレバー２０のアルミニウム膜に接続されている。交流電源３ａと直流電源３ｂとが直列に配設された励振用電源３は、負極端子が振動カンチレバー１０の電極膜１３に、正極端子が駆動レバー３０の電極膜３１に接続されている。つまり、駆動レバー３０の電極膜３１は、振動カンチレバー１０の電極膜１３の対向電極となっている。

検出部４は、振動カンチレバー１０の電極膜１３と検出レバー４０の電極膜４１に接続された発振回路であり、ギャップｘを静電容量として検出する。制御・測定部５は、高周波電源２、励振用電源３および検出部４に接続されており、高周波電源２、励振用電源３を制御するとともに、検出部４により測定された静電容量からギャップｘを算出する。

ナノピンセット１による微小試料の把持および微小力計測装置１００による微小試料の力特性測定について説明する。本実施の形態では、微小試料としてＤＮＡ分子を対象とするが、ＤＮＡ分子に限らず、例えばたんぱく質なども対象となる。ＤＮＡ分子の断片（以下、ＤＮＡ断片）は、中和溶液中でランダムコイル状に丸まっている。その溶液中に振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０の先端部分を浸漬し、突起部１２と２２をＤＮＡ断片に近づけ、高周波電源２により突起部１２と２２との間に１ＭＨｚ程度の高周波電界を印加する。高周波電界を印加すると、ＤＮＡ断片は、静電配向の原理により伸長するとともに、電界が集中する突起部１２の先端１２ａと突起部２２の先端２２ａの間に捕捉される。

前述したように、振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０にはアルミニウム膜がコーティングされており、アルミニウムとＤＮＡ断片中のリンとが結合することにより、ＤＮＡ断片は、突起部１２と２２の間に強固にグリップされる。ＤＮＡ断片をグリップした後に、振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０の先端部分を溶液中から引き上げ、ＤＮＡ断片を空中で保持する。間隔ｄを可変にしておけば、弛みのない状態でＤＮＡ断片を保持することができる。なお、振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０のアルミニウム膜は、突起部１２と２２との間に高周波電界を印加するための導電膜であるから、少なくとも突起部１２，２２にコーティングされていればよい。

ナノピンセット１の振動カンチレバー１０の共振周波数変化を表すグラフである図３と、本実施の形態による微小力計測装置を用いて計測された微小試料の力−変位特性を表すグラフである図４も参照して、ＤＮＡ断片の力特性の測定について説明する。

（１）ＤＮＡ断片をグリップしていない状態でのナノピンセット１の力特性をリファレンスとして測定する。直流電源３ｂにより、振動カンチレバー１０の電極膜１３と駆動レバー３０の電極膜３１との間に直流バイアス電圧を印加すると、その直流バイアス電圧に応じた静電力が間隔Ｄの部分に発生し、振動カンチレバー１０が変位するので、振動カンチレバー１０のＸ方向の変位量（オフセット変位量ｘ_０）を測定する。そして、その直流バイアス電圧に交流バイアス電圧を重畳させ、交流電源３ａの周波数を変化させながら振動カンチレバー１０の振幅を測定し、振幅が最大となる共振周波数ｆ_０の値を取得する。共振周波数ｆ_０は、図３の周波数曲線Ａのピークで示される。直流バイアス電圧の大きさを変えてオフセット変位量を変化させ、オフセット変位量と共振周波数の関係を求める。

（２）前述した手法により、測定したいＤＮＡ断片をグリップする。
（３）ＤＮＡ断片をグリップしたまま、（１）と同様の方法で、振幅が最大となる共振周波数ｆ_１の値を取得する。共振周波数ｆ_１は、図３の周波数曲線Ｂのピークで示される。（１）と同様、直流バイアス電圧の大きさを変えてオフセット変位量を変化させ、オフセット変位量と共振周波数の関係を求める。
（４）（１）と（３）の測定で同じ直流バイアス値、すなわち同じオフセット変位量ｘ_０における共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）を導き出す。

（５）このシフト量（ｆ_０−ｆ_１）から以下の手順でＤＮＡ断片のバネ定数を算出する。一般に、カンチレバーのバネ定数ｋは、カンチレバーのヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩ_ｚ、長さをｌとすると、式１で与えられる。
ｋ＝３ＥＩ_ｚ／ｌ^３ …（１）
レイリーの方法によれば、カンチレバーの角共振周波数ωは、ｍを単位長さ当りの質量とすれば、式２と書き表すことができる。但し、ω＝２πｆである。
ω＝√｛ｋ／（３３ｍ／１４０）｝ …（２）
３３ｍ／１４０＝ｍｄとおくと、式２は式３となる。
ω＝√（ｋ／ｍｄ） …（３）

本実施の形態の振動カンチレバー１０に上記の手法を適用すると、ＤＮＡ断片をグリップしていない振動カンチレバー１０のバネ定数がｋ、角共振周波数がωである。ＤＮＡ断片をグリップすることにより、見かけ上バネ定数がΔｋだけ大きくなり、角共振周波数がΔωだけ増加したとすると、式（３）は式（４）のように書き表すことができる。
ω＋Δω＝√｛（ｋ＋Δｋ）／ｍｄ｝≒√（ｋ／ｍｄ）＋Δｋ／２√（ｍｄ・Ｓｋ） …（４）
すなわち、ＤＮＡ断片のバネ定数Δｋは下記の式（５）から求められる。但し、Δω＝２π（ｆ_０−ｆ_１）である。
Δｋ＝２√（ｍｄ・ｋ）・Δω …（５）
バネ定数Δｋにオフセット変位量ｘ_０を乗ずることにより、ＤＮＡ断片の引張力、圧縮力などの力Ｆを算出する。

以上の測定および演算を、オフセット変位量を連続的または段階的に変化させて行うことで、図４に示されるようなＤＮＡ断片の力−変位特性曲線が得られる。図４は、縦軸に力（Ｆ）、横軸に変位量（ｘ）をとり、力−変位特性曲線を描いたものであり、オフセット変位量ｘ_０からＤＮＡ断片の力を求めることができる。

本実施の形態の力計測では、バネ定数ｋが数Ｎ／ｍというような高剛性の振動カンチレバー１０を用いて、ｐＮオーダーの微小な力を計測することができる。なお、測定精度は、振動カンチレバー１０の共振のＱ値に依存するので、ＤＮＡ断片を大気中で測定するよりも真空中で測定する方が高精度の力計測ができる。

このようなナノピンセット１を用いた力計測では、ＤＮＡ断片そのものの力特性を測定する他に、例えば、ＤＮＡ断片にどの種類のたんぱく質がどのように結合しているかを調べることができる。種々のたんぱく質を含む混合溶液中にＤＮＡ断片をグリップしたナノピンセット１の先端部分を浸漬すると、特定のたんぱく質がＤＮＡ断片の特定の結合部分（イントロン）に結合する。ＤＮＡ断片は、たんぱく質が結合したためにバネ定数が変化する。従って、上述した方法で、たんぱく質が結合したＤＮＡ断片のバネ定数あるいは力を測定することにより、たんぱく質の種類や結合状態を知ることができる。

本実施の形態のナノピンセット１の製造工程について、図５〜８を参照しながら詳しく説明する。図５は、ナノピンセット１の製造工程（ａ）〜（ｄ）を説明する部分斜視図であり、図６は、ナノピンセット１の製造工程（ｅ）〜（ｇ）を説明する部分斜視図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、図６の製造工程（ｅ）におけるナノピンセット１のそれぞれ拡大斜視図、上面図、断面図であり、図７（ｄ）は、図６の製造工程（ｆ）におけるナノピンセット１の拡大斜視図である。図８は、ナノピンセット１の製造工程で用いられるマスクＡ，Ｂ，Ｃのパターンを重ね合わせて示す平面図である。マスクＡ，Ｂ，Ｃの遮蔽領域はそれぞれ斜線で表す。なお、図８は、マスクＡ，Ｂ，Ｃの互いの位置関係や寸法比較のために、３つのパターンを重ね合わせて示すものである。

ナノピンセット１の製造工程は、図５，６に示される工程（ａ）から（ｇ）まで順に進む。
図５を参照すると、工程（ａ）では、上述した３層構造のＳＯＩウエハ５０の上部Ｓｉ層５１の表面と下部Ｓｉ層５３の表面に、低圧ＣＶＤにより厚さ５０ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）膜５４を形成する。なお、上部Ｓｉ層５１の表面は、単結晶Ｓｉの主面（００１）を選ぶ。
工程（ｂ）では、マスクＡを用い、Ｃ_２Ｆ_６を用いたＲＩＥ（reactive ion etching）により、ごく狭い領域Ａ１にのみＳｉＮ膜５４が残るようにエッチング除去する。マスクＡは、フォトリソグラフィーで作製したレジストマスクである。ここで、振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０、駆動レバー３０および検出レバー４０が延在する方向（Ｙ方向）としては、上部Ｓｉ層５１の＜１００＞方向を選ぶ。

工程（ｃ）では、マスクＢを用いてＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層５１を厚さ方向にエッチングする。マスクＢは、フォトリソグラフィーで作製したレジストマスクである。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング作用は、ＳｉＯ_２層５２で停止するので、エッチング深さ、換言すれば各レバーの厚さを均一且つ高精度に作製することができる。エッチングされた部分には、ＳｉＯ_２層５２の表面が露出する。
工程（ｄ）では、上部Ｓｉ層５１が露出している表面および側面に表面保護のための酸化膜５５を厚さ０．５μｍ形成する。酸化方法は、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ウエット酸化（水蒸気酸化）である。

図６の工程（ｅ）を参照すると、Ｃ_２Ｆ_６を用いたＲＩＥにより、領域Ａ１に残したＳｉＮ膜５４をエッチング除去し、上部Ｓｉ層５１を露出させた後に、ＴＭＡＨ（tetra methyl ammonium hidride）溶液を用いて異方性エッチングを行う。酸化膜５５はＴＭＡＨにエッチングされ難く、上部Ｓｉ層５１のみが優先的にエッチングされる。この工程は、振動カンチレバー１０および静止カンチレバー２０の先端部分の形状を生成する重要な工程であり、図７を参照して詳しく説明する。

図７（ａ）〜（ｃ）を参照すると、上部Ｓｉ層５１は、領域Ａ１のみで露出しており、領域Ａ１以外は、表面保護のための酸化膜５５に覆われている。つまり、図７（ｂ）の上面図に示される振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０、駆動レバー３０および検出レバー４０の形成領域の大半は酸化膜５５に覆われている。ＴＭＡＨによる異方性エッチングは、領域Ａ１およびその左右の酸化膜５５に覆われている領域Ａ１ＬおよびＡ１Ｒにおいて、エッチングを停止させるＳｉＯ_２層５２が完全に露出するまで進行し、エッチングレートの小さい｛１１１｝面が４ヶ所に形成される。

図７（ｃ）は、図７（ｂ）のＩ−Ｉ断面図である。図７（ｃ）に示される酸化膜５５Ｌ，５５Ｒは、酸化膜５５のうち、それぞれ領域Ａ１Ｌ，Ａ１Ｒに形成された酸化膜であり、酸化膜５５Ｌ，５５Ｒの下側が抉られた状態にエッチングされ、斜面Ｐ１，Ｐ２が形成される。全体としては、図７（ａ）に示されるように、｛１１１｝面である４つの斜面Ｐ１〜Ｐ４が形成される。斜面Ｐ１とＳｉＯ_２層５２とが接するコーナーが突起部１２の先端１２ａであり、斜面Ｐ２とＳｉＯ_２層５２とが接するコーナーが突起部２２の先端２２ａである。

再び図６に戻り、工程（ｆ）を参照する。マスクＣを用いて下部Ｓｉ層５３とＳｉＯ_２層５２の不要部分を除去する。すなわち、ＳＯＩウエハ５０の裏面、すなわち下部Ｓｉ層５３の表面に、マスクＣの形状にアルミニウムパターンを形成しておき、工程（ａ）で形成されたＳｉＮ膜をＲＩＥによりパターン状に除去し、下部Ｓｉ層５３をＩＣＰ−ＲＩＥによりパターン状に除去し、最後にＳｉＯ_２層５２をＢＨＦによりパターン状に除去する。この一連のエッチング工程により、振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０、駆動レバー３０および検出レバー４０の形が完成する。

エッチングにより、図７（ａ）に示されている斜面Ｐ３，Ｐ４とその周辺領域が離脱し、図７（ｄ）の製造工程（ｆ）におけるナノピンセット１の拡大斜視図に示されるように、斜面Ｐ１を有する突起部１２と斜面Ｐ２を有する突起部２１が形成される。
なお、駆動レバー３０および検出レバー４０も、振動カンチレバー１０および静止カンチレバー２０の製造工程中で同様の手法により同時に作製される。各レバー１０，２０，３０，４０と支持体１ａとの間には、絶縁物質であるＳｉＯ_２層５２が介在する。

工程（ｇ）では、各レバー１０，２０，３０，４０の表面に真空蒸着により厚さ５０ｎｍのアルミニウム膜５６を形成する。上述したように、各レバー１０，２０，３０，４０は、相互に絶縁されており、この絶縁を保つようにアルミニウム膜５６を形成する。振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０のアルミニウム膜５６が高周波電源２に接続される電極である。

アルミニウム膜５６形成後に、振動カンチレバー１０、駆動レバー３０および検出レバー４０のアルミニウム膜５６上に、絶縁を保って電極膜１３、３１および４１（図１参照）をそれぞれ形成する。以上によりナノピンセット１が完成する。

なお、図８に示すマスクＢの領域Ｂ１のパターンは、製造時に振動カンチレバー１０を損傷から防護する部分をナノピンセット１に形成するためのものである。また、マスクＣの領域Ｃ１の左右のパターンは、４本のレバーを保護する部分を形成するためのものであり、ナノピンセット１を使用するときに分離する。

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。

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、微小力計測装置１００に搭載することにより、次のような作用効果を奏する。
（１）振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０との間でＤＮＡ断片をグリップして溶液から引き上げ、大気中或いは真空中など任意の環境で力計測ができる。
（２）振動カンチレバー１０のバネ定数を大きくすることにより、溶液に対して出し入れを行っても溶液の表面張力や粘性の影響を受け難く変形しないので、ＤＮＡ断片を確実にグリップでき、正確な力計測ができる。

本実施の形態では、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、上述した工程（ｃ）におけるＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング作用を停止させる働きをもつＳｉＯ_２層５２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（ＳＦ_６＋Ｃ_４Ｆ_８）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、工程（ｃ）のみを変更するだけで、他の総ての工程は本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。

本実施の形態のナノピンセット１、微小力計測装置１００は、様々な変形が考えられる。例えば、振動カンチレバー１０、静止カンチレバー２０には、導電膜としてアルミニウム膜をコーティングしたが、金や銅の薄膜を用いてもよい。また、振動カンチレバー１０の駆動には、本実施の形態では、静電力を利用したが、圧電膜の伸縮を利用してもよい。また、本実施の形態では、振動カンチレバー１０と検出レバー４０との間の振動によるギャップｘの変化を静電容量により測定する手法を用いたが、振動カンチレバー１０の振動による光の周波数のドップラーシフトを検出するレーザドップラー振動計を用いてもよい。この場合、検出レバー４０、検出部４は不要となる。

さらに、本実施の形態では、ＤＮＡ断片をグリップしていない状態での共振周波数ｆ_０とグリップしたときの共振周波数ｆ_１との差分、つまり共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）からＤＮＡ断片のバネ定数を算出したが、次のような手法でイミタンスの１つであるアドミッタンスのシフト量（Ｙ_０−Ｙ_１）を算出し、ＤＮＡ断片のバネ定数を求めてもよい。

（１）ＤＮＡ断片をグリップしていない状態で、角周波数ωとアドミッタンスＹとの関係を測定し、角共振周波数ω_０および所定の条件を満たす角周波数ω_１を求める。
（２）測定したいＤＮＡ断片をグリップする。
（３）ＤＮＡ断片をグリップした状態で、角周波数がω_１のときのアドミッタンスＹ_１を測定する。
（４）角周波数をω_１に固定してアドミッタンスのシフト量（Ｙ_０−Ｙ_１）を算出し、このシフト量からＤＮＡ断片のバネ定数を求める。但し、Ｙ_０はＤＮＡ断片をグリップしていない状態での角周波数ω_１におけるアドミッタンスである。
このアドミッタンス測定は、原理的に感度が共振周波数に反比例するため、低い共振周波数において感度が高く、バネ定数が小さいカンチレバーによる測定に適している。

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。本実施の形態では、交流電源３ａと直流電源３ｂにより、振動カンチレバー１０に撓み振動を与えて振動状態の変化を検出し、ＤＮＡ断片のバネ定数を計測しているが、直流バイアスのみにより、その直流バイアス電圧に応じた変位を振動カンチレバー１０に与えて、ＤＮＡ断片のバネ定数を計測することもできる。すなわち、振動カンチレバー１０と駆動レバー３０とが平行平板コンデンサを構成し、ＤＮＡ断片を把持していない状態での振動カンチレバー１０の変位量ｘｄまたはＤＮＡ断片を把持したときの変位量ｘがコンデンサ間の印加電圧Ｖの関数と考える。変位量ｘｄとｘの差分Δｘを測定し、Δｘを所定の式に代入することにより、ＤＮＡ断片のバネ定数を求めることができる。この場合も検出レバー４０、検出部４は不要となる。

なお、特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係については、振動カンチレバー１０と静止カンチレバー２０が一対のカンチレバーに、電極膜１３、駆動レバー３０、電極膜３１が駆動部に、検出レバー４０、制御・測定部５が検出手段と演算手段にそれぞれ対応する。以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係る微小力計測装置の構成を模式的に示す全体構成図である。 図１に示すナノピンセットの先端部分の拡大斜視図である。 本発明の実施の形態に係るナノピンセットの振動カンチレバーの共振周波数変化を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る微小力計測装置を用いて計測された試料の力−変位特性を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係るナノピンセットの製造工程（ｅ）〜（ｇ）を説明する部分斜視図である。 本発明の実施の形態に係るナノピンセットの製造工程（ｅ）〜（ｇ）を説明する部分斜視図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、図６に示すナノピンセットの製造工程（ｅ）を説明する図であり、図７（ａ）がナノピンセットの先端部の拡大斜視図、図７（ｂ）がナノピンセットの先端部の上面図、図７（ｃ）が図７（ｂ）のＩ−Ｉ断面図であり、図７（ｄ）は、図６に示すナノピンセットの製造工程（ｆ）におけるナノピンセットの先端部の拡大斜視図である。 本発明の実施の形態に係るナノピンセットの製造工程で用いられるマスクＡ，Ｂ，Ｃの平面図である。

符号の説明

１：ナノピンセット ２：高周波電源
３：励振用電源 ４：検出部
５：制御・測定部 １０：振動カンチレバー
１２：突起部 １３：電極膜
２０：静止カンチレバー ２２：突起部
３０：駆動レバー ３１：電極膜
４０：検出レバー ５０：ＳＯＩウエハ
５１：上部Ｓｉ層 ５２：ＳｉＯ_２層
５３：下部Ｓｉ層 １００：微小力計測装置

Claims (9)

1. 支持部と、
   前記支持部から突出し、その先端部が開閉駆動してＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉する一対のカンチレバーと、
   前記一対のカンチレバーのいずれか一方に、その開閉駆動方向の振動を与える駆動部とを備えることを特徴とするナノピンセット。
2. 請求項１に記載のナノピンセットにおいて、
   前記駆動部は、前記振動するカンチレバー（以下、振動カンチレバー）と対向配置された駆動レバーを含み、
   前記振動カンチレバーと駆動レバーとの間に電界を印加して前記振動カンチレバーを振動させることを特徴とするナノピンセット。
3. 請求項１または２に記載のナノピンセットにおいて、
   前記一対のカンチレバーは、その先端部で微小試料を捕捉する際に高周波電界が印加されるものであり、前記一対のカンチレバーには、前記高周波電界を印加する導電膜が形成されていることを特徴とするナノピンセット。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
   前記支持部、前記一対のカンチレバー、および前記駆動部は、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハから一体で作製されることを特徴とするナノピンセット。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のナノピンセットと、
   前記一対のカンチレバー間に高周波電界を印加する高周波電源と、
   前記駆動部へ電源を供給する駆動用電源と、
   前記駆動部により振動が与えられた一方のカンチレバーの振動を検出する検出手段とを備えることを特徴とする微小力計測装置。
6. 請求項５に記載の微小力計測装置において、
   前記検出手段による検出結果により前記微小試料の力特性を演算する演算手段をさらに備えることを特徴とする微小力計測装置。
7. 請求項１乃至４項のいずれか一項に記載のナノピンセットの前記一方のカンチレバーに振動を与え、そのカンチレバー（以下、振動カンチレバー）の共振周波数ｆ_０を測定する工程と、
   微小試料を把持した状態で前記振動カンチレバーに振動を与え、その振動カンチレバーの共振周波数ｆ_１を測定する工程と、
   前記共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）に基づいて前記微小試料の力特性を計測する工程とを含むことを特徴とする微小力計測方法。
8. 一対のカンチレバーを有するナノピンセットを使用し、前記一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉してその力特性を計測する方法において、
   前記一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉しない状態で前記カンチレバーを振動させてその共振周波数ｆ_０を測定し、
   前記一対のカンチレバー間にＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉した状態で前記カンチレバーの共振周波数ｆ_１を測定し、
   前記共振周波数のシフト量（ｆ_０−ｆ_１）からＤＮＡ断片などの微小試料のバネ定数や力などの力特性を計測することを特徴とする微小力計測方法。
9. 一対のカンチレバーを有するナノピンセットを使用し、前記一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉してその力特性を計測する方法において、
   前記一対のカンチレバー間でＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉しない状態で前記カンチレバーを振動させてその角共振周波数ω_０におけるイミタンスＩ_０を測定し、
   前記一対のカンチレバー間にＤＮＡ断片などの微小試料を捕捉した状態で前記カンチレバーの角共振周波数ω_０におけるイミタンスＩ_１を測定し、
   前記イミタンスのシフト量（Ｉ_０−Ｉ_１）からＤＮＡ断片などの微小試料のバネ定数や力などの力特性を計測することを特徴とする微小力計測方法。
   

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