JP2010281655A - 微小検体固定装置および微小検体の固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小検体を基台に移す際、静電気による吸着力、原子間力または分子間力等に打ち克って確実に基台上に固定する。
【解決手段】 上面１１が親水性を有する基台１０上に、開口部３１を有する撥水膜３０を形成する、冷却素子２０により基台３０を冷却すると開口部３１内に水滴１１０が結露する。微小検体１１２を水滴１１０の近傍に移動すると、メニスカス力により微小検体１１２が水滴１１０に取り込まれる。この後は、水滴１１０を揮発して、水滴１１０の凝集力により微小検体１１２を基台１０上に固定する。
【選択図】 図８

Description

この発明は、微小検体固定装置および微小検体の固定方法に関する。

新機能デバイス、細胞や血球などのバイオ材料の研究開発においては、試作したプロトタイプのデバイスの材料、物性、構造あるいは組成等を評価して改善、改良を繰り返す必要がある。また、半導体デバイス等の製造工程において、半導体デバイスに付着するパーティクル等の微細な異物の材料等を分析して、不良対策を講じることも極めて重要である。このような評価、分析を行う目的で電子顕微鏡等の分析装置が活用される。

基台上に異物を固定する方法として、液体材料を充填したガラス製ピペットを異物が付着した半導体ウエハに接触させ、ピペットの後方から窒素等でガスインパクトをかけ、基台上に押し出された液体材料で異物を固定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、半導体ウエハの状態のまま、異物を評価あるいは分析するのは、取り扱いが難しい。そこで、微小検体を半導体ウエハから別の基台に移して固定する方法が検討されている。

特開平１０−３０７０８８号公報（図３（ａ）〜（ｃ））

通常、微小検体を基台等に移すには、一般に、ナノピンセットといわれる微小ピンセットを用いる方法が知られている。しかし、このナノピンセットにより微小検体を基台に移す際、ナノピンセットと微小検体間に生じる静電気による吸着力、原子間力または分子間力等により微小検体がナノピンセットから離間せず、基台に移すことが困難であり、また、静電気によって微小検体が飛ばされて紛失しやすい、という課題が生じた。

本発明の微小検体固定装置は、表面の少なくとも一部に親水面を有する基台と、前記基台上に設けられ、前記基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜と、前記基台を冷却する冷却素子と、を具備することを特徴とする。

本発明の微小検体の固定方法は、表面の少なくとも一部に親水面を有する基台、前記基台上に設けられ、前記基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜および前記基台を冷却する冷却する冷却素子を有する微小検体固定装置を準備する工程と、前記冷却素子により前記基台を冷却して前記開口部内の前記親水面上に水滴を結露する工程と、微小検体を前記結露した水滴に接触し、メニスカス力により前記水滴内に取り込む工程と、前記水滴が揮発する際の凝集力により前記検体を前記基台の上面に固定する工程と、を具備することを特徴とする。

この発明によれば、微小検体を水滴のメニスカス力により基台上に移すので、微小検体を基台に移す際、静電気による吸着力、原子間力または分子間力等に打ち克って確実に基台上に固定することが可能になるという効果を奏する。

この発明の微小検体装置の実施形態１を示す拡大斜視図。 図１に図示された微小検体を上方からみた平面図。 図１に図示された微小検体装置の結露前の状態を説明するための平面図。 図３の同じ部分に水滴が結露した状態を説明するための平面図。 基台上面の親水面上に検体が固定される様子を説明するための拡大断面図であり、水滴が結露する前の状態を示す。 図５に続く状態の変化を示し、水滴が結露した状態の拡大断面図。 図６に続く状態の変化を示し、検体を水滴の近傍に移動した状態を示す拡大断面図。 図７に続く状態の変化を示し、検体がメニスカス力により水滴中に取り込まれる状態の拡大断面図。 図８に続く状態の変化を示し、検体が、水滴が揮発した後の凝集力により基台上面に固定された状態の拡大断面図。 水滴の結露を検出する結露検出回路を示す。 この発明の実施形態２を示す拡大平面図。

（実施形態１）
以下、この発明の微小検体固定装置の実施形態の一例について、図１、図２を参照して説明する。
微小検体固定装置１００は、擦りガラス等の板状部材からなる基台１０と、基台１０の底面に接触して配置された加熱冷却ステージ２０と、基台１０の上面に形成された撥水膜３０とを備える

基台１０は、上面１１全体が親水性を有している。擦りガラスはその表面が親水性を有しているが、親水性を有していない板状部材の表面に親水膜を形成しても良い。ガラス面に親水膜を形成する方法は種々知られているが、例えば、ガラス面上に酸化錫等の金属酸化物粒子群を形成する方法がある。

親水性を有する基台１０の上面１１の一領域（図１の二点鎖線で囲まれた領域）には、結露検出部５０が形成されている。
結露検出部５０を含む基台１０の上面１１上全体は撥水膜３０で覆われている。
撥水膜１０には平面視で円形の多数の第１の開口部３１が形成されており、該第１の開口部３１に対応する上面１１、すなわち、親水面が露出されている。
ガラス面に撥水膜を形成する方法は、種々、知られているが、例えば、金属酸化物微粒子およびシラン化合物等を含む処理液中に浸漬した後、水、エタノール等で表面を洗浄する方法がある。

結露検出部５０は、櫛歯型の一方の電極５１ａと他方の電極５１ｂとの一対の電極からなる結露検出用電極５１を含む結露回路部を有し、また、４個の端子９１〜９４を有している。一方の電極５１ａと他方の電極５１ｂは、図３に拡大して図示される如く、各櫛歯の歯の部分が、交互に相手方の歯と歯の間の位置するように配置され、且つ、各歯の一部が重なるように相互に組み合わされている。

結露検出用電極５１は、撥水膜３０に形成された、平面視で円形の第２の開口部(別の開口部)３２により外部に露出されている。
結露検出部５０の２個の端子９１および９３は、リード線９５、９６によりＤＣ電源６０に接続され、残りの２個の端子９２および９４は、リード線９７、９８により制御部７０に接続されている。
制御部７０は、加熱冷却ステージ２０を加熱モードと冷却モードに切り換える切替素子を含むドライブ回路を有しており、リード２１、２２により加熱冷却ステージ２０に接続されている。

加熱冷却ステージ２０は、例えば、ペルチェ素子等からなるものであり、ＰＮ接合部に電流を流すことによりＮ→Ｐ接合部分で生じる吸熱現象により基台１０を冷却し、Ｐ→Ｎ接合部分で生じる放熱現象により基台１０を加熱する。加熱と冷却の切り換えは、制御部７０のドライブ回路により電流の向きを変更することにより行われる。
また、制御部７０は、接続線７１により結露表示部８０に接続されている。
結露表示部８０は、結露状態が検出された際に、制御部７０からの信号により結露状態になったことを表示するものである。

結露検出部５０は、第２の開口部３２から外部に露出された結露検出用電極５１の他、三個の容量検出用電極５２、５３、５４を有する。各容量検出用電極５２、５３、５４は、結露検出用電極５１と同様に、それぞれ、櫛歯型の一方の電極および他方の電極からなる一対の電極を有しており、結露検出用電極５１および容量検出用電極５２、５３、５４は、図１０に図示されたブリッジ回路を構成する。

この微小検体固定装置１００は、加熱冷却ステージ２０により基台１０を冷却することにより、撥水膜３０の第１の開口部３１および第２の開口部３２から露出された基台１０の上面１１に水滴を結露させることができる。そして、第２の開口部３２に水滴が結露されたことを結露検出部５０により検出し、第１の開口部３１内に微小検体をメニスカス力により取り込み、この後、水滴が揮発することにより、水滴の凝集力で第１の開口部３１内に取り込んだ微小検体を基台１０上に固定するる。
以下、本発明の微小検体固定装置の各部の構成および作用と、その微小検体固定装置を用いた固定方法に関して詳述する。

図５〜図８は、本発明の微小検体の固定方法を説明するための、図１におけるＶ―Ｖ線拡大断面図である。
図５は、撥水膜３０の第１の開口部３１から基台１０の親水面である上面１１が外部に露出された状態を示す。
図５の状態において、制御部７０より、加熱冷却ステージ２０に吸熱作用を生じさせる電流を流し、基台１０を冷却すると、空気中の水蒸気が、基台１０の第１の開口部３１から露出された基台１０の上面１１に水滴１１０として付着する。
この場合、水滴１１０は、図４に図示される如く、第２の開口部３２内にも形成されるが、撥水膜３０で覆われている領域には生じない。
撥水膜３０の第２の開口部３２内に水滴１１０が結露されたことは、結露検出部５０で検出され、結露表示部８０にて表示されるため、作業者は結露発生時を確認することができる。結露検出部５０による結露検出動作については後述する。

撥水膜３０の第１の開口部３１内に水滴１１０が結露されたら（図６参照）、電子顕微鏡等の評価装置により評価あるいは分析する微小検体１１２を、例えば、ナノピンセット１１５と言われる微小なピンセットにより把持して、水滴１１０の近傍に近づける（図７参照）。

ナノピンセット１１５は、一対のアーム１１６、１１７を有し、また、図示はしないが、各アーム１１６、１１７を駆動するための一組の静電アクチュエータを有する。各静電アクチュエータは、一面に櫛歯を有する固定電極、および固定電極対向側に櫛歯を有する可動電極を有する。各可動電極電極は、それぞれ、アーム１１６または１１７に連結されており、可動電極および固定電極間に電圧を印加することにより、静電気により、可動電極が移動しアーム１１６、１１７を開閉する。このように、アーム１１６および１１７を開閉することにより微小検体１１２を把持することができる。

そして、微小検体１１２と水滴１１０との離間距離がある程度接近するか、あるいは微小検体１１２が水滴１１０にかすかに接触すると、図８に図示される如く、水滴１１０が微小検体１１２に飛びつき架橋ができる。つまり、メニスカス（液体架橋）が生じる。
このメニスカス力は、微小検体１１２とナノピンセット１１５のアーム１１６、１１７との間に作用する静電気による吸着力、あるいは原子間力や分子間力よりも大きい。このため、ナノピンセット１１５のアクチュエータへの電流供給を絶って可動レバー１１７を開くと、微小検体１１２は水滴１１０中に取り込まれる。

このように、微小検体１１２が水滴１１０中に取り込まれたら、制御部７０から加熱冷却ステージ２０に冷却時とは逆方向に電流を流し、加熱冷却ステージ２０が放熱作用を生じるようにする。
この加熱冷却ステージ２０の放熱作用により基台１０が加熱され、水滴１１０が揮発する。水滴が揮発することにより、微小検体１１２と基台１０の上面１１との間に凝集力が作用し、微小検体１１２は、基台１０の上面１１に固定される。
このような状態とした後、微小検体１１２が固定された基台１０を電子顕微鏡等の評価または分析用装置のステージに取り付けて所望の作業を行う。

上述した如く、本発明の微小検体の固定装置によれば、微小検体１１２を水滴１１０のメニスカス力により取り込むので、微小検体１１２とナノピンセット１１５等の把持具との間に静電気による吸着力、あるいは原子間力や分子間力が作用しても確実に把持具から引き離すことが可能である。また、水滴１１０中に微小検体１１２を取り込んだ後、水滴１１０を揮発して、微小検体１１２を水滴１１０の凝集力により基台１０に固定するので、微小検体１１２を何ら損傷することなく固定することが可能である。
また、微小検体１１２を取り込むための第１の開口部３１を、基台１０上に多数個形成するので、１つの基台１０上に多数の微小検体１１２を固定することができ、評価や分析を能率的に行うことができるとともに、試料の保管も容易となる。

次に、水滴１１０が結露したことを検出する結露検出部５０の回路動作について説明する。
図１０は、図２に図示された、結露検出用電極５１および三個の容量検出用電極５２、５３、５４を含む結露検出回路図である。
図１０の容量式ブリッジ回路において、容量、電流および電流の向き、直流電源電圧Ｅを図示の通りとする。図１０におけるノードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ、図２の端子９３、９４、９１、９２に接続される。

図１０において、ＡＤＢＡの閉ループより（式１）が成立する。

ＢＤＣＢの閉ループより（式２）が成立する。

ＥＡＤＣＥの閉ループより（式３）が成立する。

また、Ｂ点を流れる電流より(式４)が成立する。
Ｉ₁＝Ｉ₂＋I₅ ・・・・ （式４）
また、Ｄ点を流れる電流より（式５）が成立する。
Ｉ₄＋Ｉ₅＝I₃ ・・・・ （式５）

上記（式１）〜(式５)より下記（式６）が得られる。

ここで、Ｉ_５の時間変位は一定であるため、単位時間の積分値は(式７)となる。

また、電流計の抵抗をＲとすると(式８)が成立する。
Ｖ₅＝I₅Ｒ ・・・・ （式８）

(式７)および(式８)を（式６）に代入すると(式９)が得られる。

よって、次の(式１０)を満たすとき、(式９)の右辺が０となり、ＢＤ間に電流が流れない平衡状態となる。
また、（式１０）を満たさないときはＢＤ間に電流が流れる。
Ｃ₁Ｃ₃＝Ｃ₂Ｃ₄ ・・・・ （式１０）

そこで、容量検出用電極５２、５３、５４および水滴が結露しない状態の結露検出用電極５１から得られる容量を(式１０)を満たすように形成しておく。例えば、図３に図示されているように結露検出用電極５１の一方の電極５１ａと他方の電極５１ｂ間に水滴１１０が付着しない状態において結露検出用電極５１から得られる容量Ｃ₄と、他の三個の容量検出用電極５２、５３、５４から得られる容量Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃が(式１０)を満たすようにしておく。

例えば、図３に図示されている水滴１１０が結露する前の容量は、ガラス基板の比誘電率５．５〜９．９程度の影響を受け、ほぼ２ＰＦ程度となる。三個の容量検出用電極５２、５３、５４から得られる容量Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃も上記と同じ２ＰＦにしておく。
このような状態では、（式１０）が満足されるので、ＤＢ間には電流Ｉ₅は流れず、電流は検出されない。
ここで、結露検出用電極５１上に水滴１１０が付着すると、図４に図示される如く、結露検出用電極５１の一方の電極５１ａと他方の電極５１ｂ間には水滴１１０が介在され、結露検出用電極５１における容量Ｃ₄が増大し、(式１０)が満足されなくなる。結露後の結露検出用電極５１から得られる容量Ｃ₄は、例えば、２５ＰＦ程度となり、結露前の２ＰＦ程度から大きく変化する。このため、ＢＤ間には（式９）に示す電流Ｉ₅が流れる。
このＢＤ間に流れる電流Ｉ₅を検出し、制御部７０から結露表示部８０に表示制御信号を供給し、結露表示部８０にて水滴１１０が結露したことが表示される。

（実施形態２）
実施形態１では、微小検体１１２を固定する固定領域と、結露検出用電極５１を含む結露検出部５０が形成される領域とは、同一の基台１０上に形成されている。
これに対し、図１１に図示される本発明の実施形態２では、微小検体を固定する固定領域と、結露検出用電極を含む結露検出部が形成される領域とは異なる基台に形成するようにしたものである。
以下、本発明の微小検体固定装置の実施形態２について説明する。但し、実施形態１と同一の部材には、同一の図面参照番号を付して、その説明を省略する。

図１１に示す実施形態２の微小検体固定装置２００おいて、第１の基台１０ａ上に、基台１０ａと同一平面サイズの第１の撥水膜３０ａが形成されている。第１の基台１０ａの上面は、実施形態１と同様に親水性を有している。また、第１の撥水膜３０ａには、第１の基台１０ａの親水面である上面１１を露出する多数の第１の開口部３１が形成されている。

第２の基台１０ｂの上面は、実施形態１と同様に親水性を有し、親水性を有する上面上に、実施形態１と同様に結露検出部５０が形成されている。結露検出部５０は、結露検出用電極５１と、三個の容量検出用電極５２、５３、５４を有する。また、第２の基台１０ｂ上に、第２の基台１０ｂと同一平面サイズの第２の撥水膜３０ｂが形成されている。第２の撥水膜３０ｂには、結露検出用電極５１を外部に露出する第２の開口部３２が形成されている。三個の容量検出用電極５２、５３、５４は、第２の撥水膜３０ｂによって覆われている。

第１の基台１０ａおよび第２の基台１０ｂは、加熱冷却ステージ２０に密着して支持されている。このような、微小検体固定装置２００によれば、第１の実施形態１の場合と同様の作用、効果を奏することができる。

加えて、実施形態２においては、微小検体を固定する領域が形成された第１の基台１０ａと結露検出部５０が形成された第２の基台１０ｂが分離しているので、第１の基台１０ａに微小検体を固定した後、この微小検体が固定された第１の基台１０ａのみを観察または分析するために取り外し、微小検体が未固定の別の第１基台１０ａを加熱冷却ステージ２０上に取り付けて、水滴の結露工程〜微小検体の固定工程を行うことができ、作業の能率化および装置の低コスト化が可能となる。

上記実施形態を以下のように変形して実施することができる。
（１）基台１０を加熱冷却ステージ２０上に搭載する場合で説明した。しかし、加熱して水滴１１０を揮発するのは、例えば、赤外線等の熱線にて行うことも可能であり、この場合には、基台１０と加熱手段とを密着して配置する必要はない。
また、時間的余裕がある場合には、加熱手段を用いることなく揮発させることも可能である。

（２）基台１０上に、結露検出部５０を設けて、水滴の結露発生を検出する場合で説明したが、結露発生を目視で確認することとすれば、結露検出部５０を設ける必要がなくなる。
（３）結露検出機能を有するものとする場合でも、基台１０または１０ｂ上には、結露検出用電極５１のみを設け、三個の容量検出用電極５２、５３、５４は別の部材に形成するようにしてもよい。

（４）微小検体１１２を水滴１１０の近傍に移動する把持具としてナノピンセットを用いる場合で説明したが、静電気が帯電した把持具よって微小検体１１２を吸着して水滴の近傍に移動するようにしてもよい。例えば、布や皮革で擦ったガラス棒は＋に帯電し、エボナイトは−に帯電するので、微小検体をこの静電気で吸着することができる。

（５）基台１０、１０ａ、１０ｂの上面１１上の全面に親水性を持たせる必要はなく、第１の開口部３１、第２の開口部３２から露出される領域のみ親水性を持たせるようにしてもよい。
（６）結露検出用電極５１、容量検出用電極５２、５３、５４上にも親水性を持たせるようにしても良い。

その他、本発明の微小検体固定装置は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して構成することが可能であり、要は、表面の少なくとも一部に親水面を有する基台と、基台上に設けられ、該基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜と、基台を冷却する冷却素子と、を具備するものであればよい。

また、本発明の、微小検体の固定方法は、表面の少なくとも一部に親水面を有する基台、基台上に設けられ、該記基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜および基台を冷却する冷却素子を有する微小検体固定装置を準備する工程と、冷却素子により基台を冷却して開口部内の親水面上に水滴を結露する工程と、微小検体を前記結露した水滴に接触し、メニスカス力により水滴内に取り込む工程と、水滴が揮発する際の凝集力により検体を基台の上面に固定する工程と、を具備するものであればよい。

本発明の微小検体固定装置および微小検体の固定方法は、半導体デバイス等の新機能デバイス、細胞や血球などのバイオ関連等の素材の材料、物性、構造あるいは組成等の評価、分析、およびこれらの素材に付着する異物の材料、組成等の評価、分析に適用できるものである。

１０ 基台
１０ａ 第１の基台
１０ｂ 第２の基台
１１ 上面（親水面）
２０ 加熱冷却ステージ
３０ 撥水膜
３０ａ 第１の撥水膜
３０ｂ 第２の撥水膜
３１ 第１の開口部
３２ 第２の開口部
５０ 結露検出部（結露検出回路）
５１ 結露検出用電極
５２、５３、５４ 容量検出用電極
６０ ＤＣ電源
７０ 制御部
８０ 結露表示部
１００、２００ 微小検体固定装置
１１０ 水滴
１１２ 微小検体
１１５ ナノピンセット

Claims (12)

1. 表面の少なくとも一部に親水面を有する基台と、
   前記基台上に設けられ、前記基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜と、
   前記基台を冷却する冷却素子と、
   を具備することを特徴とする微小検体固定装置。
2. 請求項１に記載の微小検体固定装置において、前記基台上に水滴の結露を検出するための一対の電極を含む結露検出用電極が設けられていることを特徴とする微小検体固定装置。
3. 請求項２に記載の微小検体固定装置において、前記結露検出用電極は、前記基台と一体的にまたは別体の基台上に設けられた前記撥水膜の他の開口部内に設けられていることを特徴とする微小検体固定装置。
4. 請求項２または３に記載の微小検体固定装置において、前記基台上に、前記結露検出用電極を含む結露検出用回路が設けられていることを特徴とする微小検体固定装置。
5. 請求項４に記載の微小検体固定装置において、前記結露検出用回路は、前記別の開口部内に設けられた前記結露検出用電極の他、前記撥水膜に覆われた三個の容量検出用電極を含み、これらの電極を接続した容量式ブリッジ回路であることを特徴とする微小検体固定装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の微小検体固定装置において、前記冷却素子は、前記基台を加熱する加熱機能を有することを特徴とする微小検体固定装置。
7. 表面の少なくとも一部に親水面を有する基台、前記基台上に設けられ、前記基台の親水面の少なくとも一部を外部に露出する開口部を有する撥水膜および前記基台を冷却する冷却する冷却素子を有する微小検体固定装置を準備する工程と、
   前記冷却素子により前記基台を冷却して前記開口部内の前記親水面上に水滴を結露する工程と、
   微小検体を前記結露した水滴に接触し、メニスカス力により前記水滴内に取り込む工程と、
   前記水滴が揮発する際の凝集力により前記検体を前記基台の上面に固定する工程と、
   を具備することを特徴とする微小検体の固定方法。
8. 請求項７に記載の微小検体の固定方法において、前記基台上に水滴の結露を検出するための一対の電極を含む結露検出用電極が設けられた前記微小検体固定装置を準備する工程を含むことを特徴とする微小検体の固定方法。
9. 請求項７に記載の微小検体の固定方法において、前記結露検出用電極は、前記基台と一体的に、または別体の基台上に、設けられた前記撥水膜の他の開口部内に設けられていることを特徴とする微小検体の固定方法。
10. 請求項８または９に記載の微小検体の固定方法において、さらに、前記結露検出用電極を用いて、前記別の開口部内に水滴が結露したことを検出する工程を有することを特徴とする微小検体の固定方法。
11. 請求項１０に記載の微小検体の固定方法において、前記別の開口部内に水滴が結露したことを検出する工程は、前記結露検出用電極を含む前記基台上に設けられた結露検出用回路を用いることを特徴とする微小検体の固定方法。
12. 請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の微小検体の固定方法において、前記冷却素子は、前記基台を加熱する加熱機能を有し、前記水滴が揮発する際の凝集力により前記検体を前記基台の上面に固定する工程は、前記基台を加熱して前記水滴を揮発する工程を含む微小検体の固定方法。
    
    

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