JP2011505000A - 枢動駆動を伴うカンチレバー - Google Patents
枢動駆動を伴うカンチレバー Download PDFInfo
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Abstract
長い移動経路を有するカンチレバーの下向き撓みのための枢動点の使用を含む、直接描画ナノリソグラフィーおよび画像化に有用な改良された駆動装置を開示する。本装置は、少なくとも一つのホルダ、少なくとも一つのカンチレバー、該カンチレバーの延長部を含み、該延長部がアクチュエータと一体化しており、該カンチレバーが駆動に適合されている。アクチュエータは、静電、熱、または圧電アクチュエータであってもよい。カンチレバーはチップを含むことができ、物質がチップから表面に移送されることができる。
Description
関連出願
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる、2007年11月26日に出願された米国特許仮出願第60/990,272号の優先権を主張する。
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる、2007年11月26日に出願された米国特許仮出願第60/990,272号の優先権を主張する。
連邦政府資金援助の声明
本明細書に記載される態様は、一部、連邦政府基金空軍研究所第一等賞FA8650-06-C-7617を使用して開発されたものである。連邦政府は本出願における権利を保有することができる。
本明細書に記載される態様は、一部、連邦政府基金空軍研究所第一等賞FA8650-06-C-7617を使用して開発されたものである。連邦政府は本出願における権利を保有することができる。
背景
鋭利なナノスケールチップおよびそのようなチップの使用を制御するための器具の開発が、材料をミクロスケールおよびナノスケールで画像化し、製作することにおける重要な進歩を招いた。例は、原子間力顕微鏡検査法をはじめとする様々な走査型プローブ顕微鏡検査法を含む。一つの重要な技術において、たとえば、材料を鋭利なチップ、たとえば走査型プローブまたは原子間力顕微鏡チップにコートしたのち、高い解像度でそのチップから表面に輸送することができる。たとえば、Mirkinらへの米国特許第6,827,979号（特許文献1）を参照すること。チップをカンチレバーに配置し、そのカンチレバーを個々に駆動することができる。たとえば、Liuらへの米国特許第6,642,129号（特許文献2）を参照すること。一度に多数のカンチレバーを使用することができ、場合によっては、個々のカンチレバーを別々に駆動することもできる。
鋭利なナノスケールチップおよびそのようなチップの使用を制御するための器具の開発が、材料をミクロスケールおよびナノスケールで画像化し、製作することにおける重要な進歩を招いた。例は、原子間力顕微鏡検査法をはじめとする様々な走査型プローブ顕微鏡検査法を含む。一つの重要な技術において、たとえば、材料を鋭利なチップ、たとえば走査型プローブまたは原子間力顕微鏡チップにコートしたのち、高い解像度でそのチップから表面に輸送することができる。たとえば、Mirkinらへの米国特許第6,827,979号（特許文献1）を参照すること。チップをカンチレバーに配置し、そのカンチレバーを個々に駆動することができる。たとえば、Liuらへの米国特許第6,642,129号（特許文献2）を参照すること。一度に多数のカンチレバーを使用することができ、場合によっては、個々のカンチレバーを別々に駆動することもできる。
これらの進歩にもかかわらず、特に、より高密度設計の所与の製作プロセスのためにこれらのカンチレバーおよびチップの数が増す場合、そのような画像化および製作装置およびプロセスを改善する必要性が存在する。
概要
本明細書に記載される態様は、たとえば、物品、装置および器具ならびにそれらを製造し、使用する方法を含む。装置は、化学的または生物学的パターン付け材料を表面に直接付着させるためのディップペンナノリソグラフィーにおける装置としての使用に適合されてもよい。装置は、直接描画ナノリソグラフィープリントに適合されてもよい。装置は、MEMSスイッチとしての使用に適合されてもよい。
本明細書に記載される態様は、たとえば、物品、装置および器具ならびにそれらを製造し、使用する方法を含む。装置は、化学的または生物学的パターン付け材料を表面に直接付着させるためのディップペンナノリソグラフィーにおける装置としての使用に適合されてもよい。装置は、直接描画ナノリソグラフィープリントに適合されてもよい。装置は、MEMSスイッチとしての使用に適合されてもよい。
たとえば、一つの態様は、ホルダエッジを含む少なくとも一つのホルダと、ホルダに配置され、ホルダエッジを越えて延在する少なくとも一つのカンチレバーとを含み、カンチレバーを動かすためのアクチュエータに、ホルダエッジを越えて延在するカンチレバーが駆動時にホルダから離れるように適合されている装置を提供する。カンチレバーは、ホルダエッジを越えて延在するときに枢動点でホルダと接触することができる。アクチュエータは、たとえば、静電アクチュエータまたは熱アクチュエータまたは圧電アクチュエータであることができる。装置は、ホルダに配置された静止電極およびカンチレバーに配置された可動電極を含むことができる。誘電体が静止電極と可動電極との間にあることができる。カンチレバーは、カンチレバーの端部領域に配置されたチップを含むことができる。カンチレバーが駆動時にリセス領域の中にさらに移動するように、ホルダはリセス領域に適合されていてもよい。装置は、ホルダに配置され、ホルダエッジを越えて延在する複数のカンチレバーを含むことができる。装置は、ホルダエッジを越えて延在するカンチレバーが駆動時にホルダから離れることができるように、カンチレバーを動かすための複数のアクチュエータに適合されてもよい。
別の態様は、エッジを有しかつリセスに適合されている少なくとも一つのホルダと、ホルダに配置され、ホルダエッジを越えて延在し、かつリセスの中に曲がり込むように適合されている、少なくとも一つのカンチレバーとを含み、アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されている装置を提供する。装置は、静電アクチュエータ、熱アクチュエータ、または圧電アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されてもよい。アクチュエータは熱アクチュエータであることができ、装置が少なくとも一つの感温性インクを付着させるためにDPNプリントで使用される場合、延長部が、アクチュエータからカンチレバーを熱隔離する手段を提供することができる。ホルダの材料は、たとえば、ケイ素、半導体材料、ガラス、またはプラスチックであることができる。カンチレバーは、たとえば窒化ケイ素である、または窒化ケイ素を含むことができ、チップをさらに含むことができる。
別の態様は、エッジを有しかつリセスに適合されている少なくとも一つのホルダと、ホルダに配置され、ホルダエッジを越えて延在し、かつリセスの中に曲がり込むように適合されている、少なくとも一つのカンチレバーとを含み、カンチレバーに配置された電極およびホルダに配置された電極を含むアクチュエータによって静電的に駆動されるカンチレバーの動きに適合されている装置を提供する。一つの電極は可動電極であることができ、他方の電極は静止電極であることができる。カンチレバーの撓みは、可動電極と静止電極との間の40ボルト未満の印加電圧に応答して、2ミクロンよりも大きいことができる。カンチレバーは、電極を構成する金属における固有応力によって屈曲することができる。金属は、カンチレバーの上に連続的に付着されることができる。カンチレバーは、電極を構成する金属における固有応力によって静止状態で屈曲することができる。
別の態様は、駆動されるカンチレバーを含み、アクチュエータがカンチレバーの枢動延長部に作用する装置を提供する。駆動されるカンチレバーは、駆動または非駆動状態にあることができる。
別の態様は、機械的に応力を受けるカンチレバーを基材上に製作する工程、カンチレバーとともに機能するように適合され、ホルダエッジを含むホルダを製作する工程、カンチレバーとホルダとを組み合わせる工程、ホルダエッジを越えて延在するカンチレバーが機械的応力によってホルダの方向に曲がるように、基材を除去する工程を含む、方法を提供する。カンチレバーは、ホルダと接触するまで曲がることができる。ホルダはリセス空間を含み、カンチレバーはリセスの中に曲がり込むことができる。
別の態様は、少なくとも一つのカンチレバーおよびプローブチップを基材上に製作する工程、可動電極を形成するために金属コンタクトのパターンをカンチレバーの上に付着させる工程、ホルダの一面にリセスをエッチングする工程、エッチング保護層をホルダの一部に付着させる工程、静止電極、ならびに可動電極および静止電極双方のための配線およびボンドパッドを形成するために、金属コンタクトのパターンをホルダに付着させる工程、ホルダ上の配線を基材上の可動電極に機械的かつ電気的に接合する工程、ならびに基材とホルダの選択領域とをエッチングによって除去する工程を含む、装置を製造する方法を提供する。
他の態様は、これらの装置を含む器具を含む。たとえば、ホルダエッジを含む少なくとも一つのホルダと、ホルダに配置され、ホルダエッジを越えて延在する少なくとも一つのカンチレバーとを含み、カンチレバーを動かすためのアクチュエータと、ホルダエッジを越えて延在するカンチレバーが駆動時にホルダから離れるように適合されている少なくとも一つの装置を含む、直接描画プリントに適合されている器具。
別の態様は、駆動されるプローブそれぞれが、カンチレバー、カンチレバーに向かってホルダを越えて延在するカンチレバーの延長部（ホルダおよびカンチレバーがリセス空間を形成し、カンチレバーがアクチュエータと一体化し、リセス空間の中に曲がり込む）、および該カンチレバーの端部のチップを含む、駆動されるプローブのアレイ、ならびに該プローブを制御するための電子機器を含む、直接描画プリントまたはディップペンナノリソグラフィーに適合されている器具を提供する。
別の態様は、少なくとも一つのパターン付け化合物および基材を提供する工程、本明細書に記載される態様の器具を提供する工程、パターン付け化合物を該チップに装填する工程、およびパターン付け化合物を該基材に付着させる工程を含む、ナノリソグラフィー方法である。
少なくとも一つの態様の一つの利点は、たとえばカンチレバーの動きおよび作用の光学的モニタリングならびにカンチレバー上のインクの使用においてカンチレバーをより容易に見ることができることである。
少なくとも一つの態様の別の利点は、チップの撓みが下向きになり、ハンドルウェーハから離れ、パターン付けされる基材に向くことができ、それが、特にDPNプリント用途にとって望ましいということである。
少なくともいくつかの態様における別の利点は、所与の変位を提供するために使用される電圧の減少である。
少なくともいくつかの態様における別の利点は、カンチレバーの行程長の増大である。
少なくともいくつかの態様における別の利点は、感温性インク材料、たとえばタンパク質のような生体分子を熱応力からより良く保護することができることである。
少なくともいくつかの態様における別の利点は、静摩擦を実質的または完全に回避することができることである。
詳細な説明
序文
本明細書で引用されるすべての文献が参照により全体として本明細書に組み入れられる。
序文
本明細書で引用されるすべての文献が参照により全体として本明細書に組み入れられる。
2007年11月26日に出願された米国特許仮出願第60/990,272号の優先権が参照により全体として本明細書に組み入れられる。
マイクロ加工は当技術分野で公知である。たとえば、Madou et al., The Fundamentals of Microfabrication, 2nd Ed., 2002を参照すること。
DPN（D. Bullen and C. Liu, Sensors and Actuators A 125, 504-511 (2006)、米国特許第7,247,895号および第6,867,443号）および他の用途、たとえばMEMSスイッチ（米国特許第6,949,985号）のための静電的に駆動されるマイクロカンチレバーの代替設計は、カンチレバーの表面に製作された可動電極およびカンチレバーに隣接する静止電極を使用している。
図1は、静止電極の表面に誘電層を組み込むそのような設計を示す。または、誘電層は、可動電極の表面にあってもよいし、または両方の電極の表面にあってもよい。電極どうしが接触しないほど十分な低さの電圧で装置が作動するならば、誘電層が全く省かれてもよい。
図1に示すように、従来の設計は、その可動部分がカンチレバーと一体化しているアクチュエータを使用するものであった。したがって、カンチレバーは、静止電極および支持構造の存在により、少なくとも部分的に上方から隠蔽される。これが、カンチレバー位置の光学的モニタリングを妨げるおそれがある。
図2に示すように、カンチレバーのチップ端の撓みはホルダの方向に上向きであり、これは、直接描画およびDPNプリント用途には望ましくないかもしれない。カンチレバーの下方への短い静止電極の配置が下向きの撓みを可能にするであろう。しかし、そのような配置は、描画面へのチップの接触を妨げることなしには困難である。さらには、カンチレバーの表面への可動電極の配置は、カンチレバーの長さに対する電極の長さを制限する。これは、他方で、所与の変位を達成するために必要な電圧に対して下限を課す。
以下さらに説明する図3〜6は、製作方法を含め、態様の例を示す。
ホルダ
図3〜6はホルダの一例を示し、ホルダは当技術分野で公知である。ホルダは、エッジ、すなわち、カンチレバーが延在するときに越える基準点を提供するホルダエッジを含むことができる。一つまたは複数の電極がホルダに配置されることができる。電極は、静止電極であり、カンチレバーが動いても動かないことができる。加えて、固体誘電体を含む一つまたは複数の誘電体が電極に配置されることができる。
図3〜6はホルダの一例を示し、ホルダは当技術分野で公知である。ホルダは、エッジ、すなわち、カンチレバーが延在するときに越える基準点を提供するホルダエッジを含むことができる。一つまたは複数の電極がホルダに配置されることができる。電極は、静止電極であり、カンチレバーが動いても動かないことができる。加えて、固体誘電体を含む一つまたは複数の誘電体が電極に配置されることができる。
ホルダは、リセス空間を形成するように適合されてもよく、カンチレバーは、駆動が実施されるとき、このリセス空間の中へとさらに曲がり込むことができる。たとえば、リセス空間の一つの態様に関して図3を参照すること。リセス空間は、電極または誘電体のような固体材料で部分的に埋められることもできる。
図7は、リセス空間が比較的小さく、電極および誘電体によって埋められて、完成した構造の表面に段がほとんどまたは全くない別の態様を示す。静止電極上の誘電体をカンチレバーのベースと同一平面に維持するのに十分なだけの深さの段がホルダ（ハンドル）にエッチングされているのが見える。静止電極または誘電体がボンディングに干渉するおそれがあるため、それらを表面上に突出させないこともできる。
カンチレバー
カンチレバーおよびその製作は当技術分野で公知である。たとえば、Akamine, Quate（Stanford）への米国特許第5,021,364号を参照すること。図3〜6はまた、カンチレバーの例を示す。カンチレバーは、ホルダに配置されることができ、ホルダエッジを越えて延在することができる。カンチレバーがホルダと接触する領域は、ベースまたはアンカ領域と呼ばれることができる。一つまたは複数の電極がカンチレバーに配置されることができる。電極は、可動電極であり、カンチレバーとともに動くことができる。加えて、固体誘電体を含む一つまたは複数の誘電体が電極に配置されることができる。
カンチレバーおよびその製作は当技術分野で公知である。たとえば、Akamine, Quate（Stanford）への米国特許第5,021,364号を参照すること。図3〜6はまた、カンチレバーの例を示す。カンチレバーは、ホルダに配置されることができ、ホルダエッジを越えて延在することができる。カンチレバーがホルダと接触する領域は、ベースまたはアンカ領域と呼ばれることができる。一つまたは複数の電極がカンチレバーに配置されることができる。電極は、可動電極であり、カンチレバーとともに動くことができる。加えて、固体誘電体を含む一つまたは複数の誘電体が電極に配置されることができる。
当技術分野で公知であるように、カンチレバーは、カンチレバーの端部領域に配置されたチップを含むことができる。チップは、たとえば、ナノスコープチップ、走査型プローブ顕微鏡チップ、原子間力顕微鏡チップ、中実チップ、中空チップ、化学的に官能化されたチップなどであることができる。チップは、たとえばケイ素、窒化ケイ素、ダイアモンド、およびチップを有するカンチレバー構造における使用に関して公知である他の材料でできていることができる。チップは、当技術分野で公知であるように、先鋭化されることができる。たとえば、Akamine et al., J. Vac. Sci. Technol. B 10(5), 2307-2310を参照すること。
装置は、当技術分野で公知であるような複数のカンチレバーを含むことができる。
延長部がホルダエッジを越える状態で、電極領域の長さは、カンチレバーの長さによって制限されず、大きな撓みを可能にする。
アクチュエータ
アクチュエータは当技術分野で公知である。アクチュエータは、駆動を提供するために共に機能する複数のサブパーツ、たとえば1対の電極および電極を作動させるための要素またはストリップの示差加熱によって熱駆動を提供する複数のストリップを含むことができる。アクチュエータの例は、静電、熱および圧電アクチュエータを含む。装置は、再び例として図3〜6に示すように、ホルダエッジを越えて延在することができるカンチレバーが駆動時にホルダから離れることができるように、カンチレバーを動かすためのアクチュエータに適合されてもよい。
アクチュエータは当技術分野で公知である。アクチュエータは、駆動を提供するために共に機能する複数のサブパーツ、たとえば1対の電極および電極を作動させるための要素またはストリップの示差加熱によって熱駆動を提供する複数のストリップを含むことができる。アクチュエータの例は、静電、熱および圧電アクチュエータを含む。装置は、再び例として図3〜6に示すように、ホルダエッジを越えて延在することができるカンチレバーが駆動時にホルダから離れることができるように、カンチレバーを動かすためのアクチュエータに適合されてもよい。
駆動の結果として、カンチレバーを、たとえば少なくとも2ミクロンまたは少なくとも5ミクロンまたは少なくとも10ミクロン、上下させることができる。
静電駆動の場合、駆動の電圧は用途および所望の動きに適合されてもよい。
圧電駆動は、たとえば、Minne et al., Appl. Phys. Lett. 68(10), 1427-1429に記載されている。
熱駆動は、たとえば、Bullen et al., Appl. Phys. Lett. 84, (5), 789-791に記載されている。
静電駆動は、たとえば、Bullen et al., Sensors and Actuators, A 125 (2006) 504-511、Napoli et al., J. Dyn. Sys. Meas., Control. 126, 319-326に記載されている。
ジップまたはジッパアクチュエータおよびジッピング効果を使用するアクチュエータが公知である。たとえば、Li et al., J. Microelectromechanical Systems, vol. 14, no. 6, Dec. 2005 (1283-1297)、Divoux et al., Transducers '03, 488-491、Li et al., Transducers '03, 480-483およびFrutos et al., IEEE 2005 ("An Electrostatically Actuated Valve for Turbulent Boundary Layer Control.")を参照すること。アクチュエータは、カーブしたアクチュエータであることができる。バイオミミックアクチュエータが、たとえば、Liu et al., Sensors and Actuators A, 130-131 (2006) 545-552に記載されている。
枢動点
カンチレバーは、ホルダエッジを越えて延在するときに枢動点でホルダと接触することができる。カンチレバーが枢動点でホルダと接触するとき、実際の接触は、層、たとえばカンチレバー上の、カンチレバーの一部を形成する電極による接触であることができる。たとえば、図3および4および7を参照すること。加えて、カンチレバーが枢動点でホルダと接触するとき、実際の接触は、層、たとえばホルダ上の、ホルダの一部を形成する誘電層による接触であることができる。
カンチレバーは、ホルダエッジを越えて延在するときに枢動点でホルダと接触することができる。カンチレバーが枢動点でホルダと接触するとき、実際の接触は、層、たとえばカンチレバー上の、カンチレバーの一部を形成する電極による接触であることができる。たとえば、図3および4および7を参照すること。加えて、カンチレバーが枢動点でホルダと接触するとき、実際の接触は、層、たとえばホルダ上の、ホルダの一部を形成する誘電層による接触であることができる。
枢動点は、カンチレバーの少なくとも二つの領域を指定するために使用することができる。第一の領域はホルダエッジを越えて延在する。第二の領域はホルダエッジを越えて延在しない。この領域は枢動延長部であることができる。当業者は、これら二つの領域の長さを変えることができる。場合によっては、ホルダエッジを越えて延在するカンチレバーの長さがホルダエッジを越えて延在しないカンチレバーの長さよりも短くなるように装置を設計することができる。したがって、態様は、アクチュエータがカンチレバーの枢動延長部に対して作用する被駆動カンチレバーを含む装置を含む。
製造方法
図5は、先に説明し、以下に特許請求する装置を製造する一つの態様を示す。これらの製造方法は特定の態様に適合されてもよい。
図5は、先に説明し、以下に特許請求する装置を製造する一つの態様を示す。これらの製造方法は特定の態様に適合されてもよい。
基材を提供し、エッチングし、付着させ、パターン付けし、接着する工程を含む公知のマイクロ加工法を使用することができる。
多くの場合、カンチレバーを含むことができる第一の物体が形成される。次いで、カンチレバーのためのホルダを含む第二の物体を形成することができる。そして、第一の物体と第二の物体とを接着する。二つの物体は、共に機能するように工作される。
器具
本明細書に記載され、特許請求される装置は、画像化および製作の両方を包含する用途で使用するための器具との使用に適合されてもよい。たとえば、器具はさらに、たとえば、ディップペンナノリソグラフィーを含む直接描画ナノリソグラフィーにおける使用に適合されてもよい。たとえば、器具は、カンチレバーの動きおよびアクチュエータの動作を制御するための電子機器、光学、位置決め、校正および／またはアライメントシステムを有することができる。器具は、カンチレバーチップを含むカンチレバーにインクを装填することができるようにインク供給システムを有することができる。器具は、基材を含むように適合されてもよく、材料がチップから基材に移される。
本明細書に記載され、特許請求される装置は、画像化および製作の両方を包含する用途で使用するための器具との使用に適合されてもよい。たとえば、器具はさらに、たとえば、ディップペンナノリソグラフィーを含む直接描画ナノリソグラフィーにおける使用に適合されてもよい。たとえば、器具は、カンチレバーの動きおよびアクチュエータの動作を制御するための電子機器、光学、位置決め、校正および／またはアライメントシステムを有することができる。器具は、カンチレバーチップを含むカンチレバーにインクを装填することができるようにインク供給システムを有することができる。器具は、基材を含むように適合されてもよく、材料がチップから基材に移される。
パターン付け器具の例はまた、US2005/0266149およびWO2006/076302（Henderson）にも記載されている。
用途および使用方法
パターン付けおよび直接描画プリントが特に重要な用途である。たとえば、Lieらへの米国特許第7,247,895号を参照すること。本明細書に記載される様々な態様の実施に関して、リソグラフィー、マイクロリソグラフィーおよびナノリソグラフィー器具、直接描画プリントおよびパターン付けのためのペンアレイ、アクティブペン、パッシブペン、インク、パターン付け化合物、キット、インク送り出し、ソフトウェアおよびアクセサリは、NanoInk, Inc., Chicago, ILから得ることができる。ソフトウェアは、リソグラフィー設計および制御のためのユーザインタフェースを提供するINKCADソフトウェア（NanoInk, Chicago, IL）を含む。環境制御のためにE-Chamberを使用することができる。ディップペンナノリソグラフィー（登録商標）およびDPN（登録商標）は、NanoInk, Inc.の商標である。
パターン付けおよび直接描画プリントが特に重要な用途である。たとえば、Lieらへの米国特許第7,247,895号を参照すること。本明細書に記載される様々な態様の実施に関して、リソグラフィー、マイクロリソグラフィーおよびナノリソグラフィー器具、直接描画プリントおよびパターン付けのためのペンアレイ、アクティブペン、パッシブペン、インク、パターン付け化合物、キット、インク送り出し、ソフトウェアおよびアクセサリは、NanoInk, Inc., Chicago, ILから得ることができる。ソフトウェアは、リソグラフィー設計および制御のためのユーザインタフェースを提供するINKCADソフトウェア（NanoInk, Chicago, IL）を含む。環境制御のためにE-Chamberを使用することができる。ディップペンナノリソグラフィー（登録商標）およびDPN（登録商標）は、NanoInk, Inc.の商標である。
カンチレバー、チップおよびパターン付け化合物を使用する直接描画プリントに関する以下の特許および同時係属出願が、参照により全体として本明細書に組み入れられ、インク、パターン付け化合物、ソフトウェア、インク送り出し装置などをはじめとして、本明細書に記載される様々な態様の実施に使用されることができる。
1. インク、チップ、基材および他の器具パラメータならびにパターン付け法を含むDPNプリントの基本的局面を記載する、Mirkinらへの米国特許第6,635,311号。
2. ソフトウェア制御、エッチング手法、ナノプロッタならびにコンプレックスおよびコンビナトリアルアレイ形成を含むDPNプリントの基本的局面をさらに記載する、Mirkinらへの米国特許第6,827,979号。
3. DPNプリントのアパーチャ態様および駆動力態様を記載する、2002年9月5日公開の米国特許出願公開公報2002/0122873A1（"Nanolithography Methods and Products Produced Therefor and Produced Thereby"）。
4. DPNプリントのアライメント法を記載する、2003年2月14日出願のEbyらへの米国特許出願第10/366,717号（"Methods and Apparatus for Aligning Patterns on a Substrate"）（2003年10月2日に2003/0185967として公開）。
5. DPNプリントの校正法を記載する、2003年2月28日出願のDupeyratらへの米国特許出願第10/375,060号（"Nanolithographic Calibration Methods"）。
6. タンパク質およびペプチドのナノアレイを記載する、2003年4月10日公開のMirkinらへの米国特許出願公開公報2003/0068446（"Protein and Peptide Nanoarrays"）。
7. 核酸パターン付けを記載する、2002年12月2日出願のMirkinらへの米国特許出願第10/307,515号（"Direct-Write Nanolithographic Deposition of Nucleic Acids from Nanoscopic Tips"）（2003年6月12日公開のPCT/US2002/038252）。
8. 反応性パターン付けおよびゾルゲルインクを記載する、2002年12月17日出願のMirkinらへの米国特許出願第10/320,721号（"Patterning of Solid State Features by Direct-Write Nanolithographic Printing"）（2003年8月28日に2003/0162004として公開）。
9. アクティブペンアレイを記載する、Liuらへの米国特許第6,642,129号および第6,867,443号（"Parallel, Individually Addressible Probes for Nanolithography"）。
10. 2003年1月9日公開のSchwartzへの米国特許出願公開公報2003/0007242（"Enhanced Scanning Probe Microscope and Nanolithographic Methods Using Same"）。
11. 2003年1月9日公開のSchwartzへの米国特許出願公開公報2003/0005755（"Enhanced Scanning Probe Microscope"）。
12. 触媒ナノ構造およびカーボンナノチューブ用途を記載する、2003年8月11日出願の米国特許出願第10/637,641号（現在、2004/0101469として公開）。
13. タンパク質のプリントを記載する、2003年5月23日出願の米国特許出願第10/444,061号（現在、2004年2月12日に2004/0026681として公開）および電導性ポリマーを記載する、2004年1月15日公開の米国特許出願公開公報2004/0008330。
14. パターン付け化合物としての導体材料を記載する、2003年8月26日出願の米国特許出願第10/647,430号（現在、米国特許第7,005,378号）。
15. フォトマスク修復を含むマスク用途を記載する、2003年10月21日出願の米国特許出願第10/689,547号（現在、2004年9月9日に2004/0175631として公開）。
16. マイクロフルイディックスおよびインク送り出しを記載する、2003年11月12日出願の米国特許出願第10/705,776号（現在、2005年2月17日に2005/0035983として公開）。
17. ペプチドおよびタンパク質のプリントを記載する、2004年3月1日出願の米国特許出願第10/788,414号（現在、2005年1月13日に2005/0009206として公開）。
18. ROMP法およびコンビナトリアルアレイを記載する、2004年7月19日出願の米国特許出願第10/893,543号（現在、2005年12月8日に2005/0272885として公開）。
19. スタンプチップまたはポリマーコートチップ用途を記載する、2005年2月14日出願の米国特許出願第11/056,391号（現在、2005年11月17日に2005/0255237として公開）。
20. チップレスカンチレバーおよびフラットパネルディスプレイ用途を記載する、2005年2月25日出願の米国特許出願第11/065,694号（現在、2005年10月27日に2005/0235869として公開）。
21. DPN法によって製造されたナノ構造のエッチングを記載する、2006年1月19日公開の米国特許出願公開公報2006/001,4001。
22. 2004年12月2日公開のLiuおよびMirkinへのWO2004/105046は、密着プリントのための走査型プローブを記載している。
2. ソフトウェア制御、エッチング手法、ナノプロッタならびにコンプレックスおよびコンビナトリアルアレイ形成を含むDPNプリントの基本的局面をさらに記載する、Mirkinらへの米国特許第6,827,979号。
3. DPNプリントのアパーチャ態様および駆動力態様を記載する、2002年9月5日公開の米国特許出願公開公報2002/0122873A1（"Nanolithography Methods and Products Produced Therefor and Produced Thereby"）。
4. DPNプリントのアライメント法を記載する、2003年2月14日出願のEbyらへの米国特許出願第10/366,717号（"Methods and Apparatus for Aligning Patterns on a Substrate"）（2003年10月2日に2003/0185967として公開）。
5. DPNプリントの校正法を記載する、2003年2月28日出願のDupeyratらへの米国特許出願第10/375,060号（"Nanolithographic Calibration Methods"）。
6. タンパク質およびペプチドのナノアレイを記載する、2003年4月10日公開のMirkinらへの米国特許出願公開公報2003/0068446（"Protein and Peptide Nanoarrays"）。
7. 核酸パターン付けを記載する、2002年12月2日出願のMirkinらへの米国特許出願第10/307,515号（"Direct-Write Nanolithographic Deposition of Nucleic Acids from Nanoscopic Tips"）（2003年6月12日公開のPCT/US2002/038252）。
8. 反応性パターン付けおよびゾルゲルインクを記載する、2002年12月17日出願のMirkinらへの米国特許出願第10/320,721号（"Patterning of Solid State Features by Direct-Write Nanolithographic Printing"）（2003年8月28日に2003/0162004として公開）。
9. アクティブペンアレイを記載する、Liuらへの米国特許第6,642,129号および第6,867,443号（"Parallel, Individually Addressible Probes for Nanolithography"）。
10. 2003年1月9日公開のSchwartzへの米国特許出願公開公報2003/0007242（"Enhanced Scanning Probe Microscope and Nanolithographic Methods Using Same"）。
11. 2003年1月9日公開のSchwartzへの米国特許出願公開公報2003/0005755（"Enhanced Scanning Probe Microscope"）。
12. 触媒ナノ構造およびカーボンナノチューブ用途を記載する、2003年8月11日出願の米国特許出願第10/637,641号（現在、2004/0101469として公開）。
13. タンパク質のプリントを記載する、2003年5月23日出願の米国特許出願第10/444,061号（現在、2004年2月12日に2004/0026681として公開）および電導性ポリマーを記載する、2004年1月15日公開の米国特許出願公開公報2004/0008330。
14. パターン付け化合物としての導体材料を記載する、2003年8月26日出願の米国特許出願第10/647,430号（現在、米国特許第7,005,378号）。
15. フォトマスク修復を含むマスク用途を記載する、2003年10月21日出願の米国特許出願第10/689,547号（現在、2004年9月9日に2004/0175631として公開）。
16. マイクロフルイディックスおよびインク送り出しを記載する、2003年11月12日出願の米国特許出願第10/705,776号（現在、2005年2月17日に2005/0035983として公開）。
17. ペプチドおよびタンパク質のプリントを記載する、2004年3月1日出願の米国特許出願第10/788,414号（現在、2005年1月13日に2005/0009206として公開）。
18. ROMP法およびコンビナトリアルアレイを記載する、2004年7月19日出願の米国特許出願第10/893,543号（現在、2005年12月8日に2005/0272885として公開）。
19. スタンプチップまたはポリマーコートチップ用途を記載する、2005年2月14日出願の米国特許出願第11/056,391号（現在、2005年11月17日に2005/0255237として公開）。
20. チップレスカンチレバーおよびフラットパネルディスプレイ用途を記載する、2005年2月25日出願の米国特許出願第11/065,694号（現在、2005年10月27日に2005/0235869として公開）。
21. DPN法によって製造されたナノ構造のエッチングを記載する、2006年1月19日公開の米国特許出願公開公報2006/001,4001。
22. 2004年12月2日公開のLiuおよびMirkinへのWO2004/105046は、密着プリントのための走査型プローブを記載している。
特に、たとえばゾルゲル材料を付着させてマスクを修復するフォトマスク修復用途を実施することができる。
上記で引用されたすべての文献は参照により本明細書に組み入れられ、その中の教示は、本明細書に記載される様々な態様との使用に適合されてもよい。
DPN法はまた、ハイスループット平行法の記載を含め、Gingerらの「The Evolution of Dip-Pen Nanolithography」、Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 30-45に記載されている。
直接描画法は、DPNプリントおよびパターン転写法を含め、たとえばDirect-Write Technologies, Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources, Pique and Chrisey (Eds), 2002に記載されている。
本明細書に記載される直接描画ナノリソグラフィー器具および方法は、ペプチド、タンパク質、核酸、DNA、RNA、ウイルス、生体分子などに基づくバイオアレイ、ナノアレイおよびマイクロアレイを調製するための使用に特に関連する。たとえば、チップおよびライブラリの量産に関する米国特許第6,787,313号、ピペットチップを用いる自動化分子生物学研究室に関する第5,443,791号、薬学的用途における分子アレイの自動化合成のための装置に関する第5,981,733号を参照すること。コンビナトリアルアレイを調製することもできる。たとえば、Hendersonらへの米国特許第7,008,769号、第6,573,369号および第6,998,228号を参照すること。
走査型プローブ顕微鏡検査法がBottomley, Anal. Chem., 1998, 70, 425R-475Rで考察されている。また、たとえば米国特許第5,705,814号（Digital Instruments）に記載されているようなプローブ交換機構を含む走査型プローブ顕微鏡が当技術分野で公知である。
本明細書に記載される一つまたは複数の態様は、ディップペンナノリソグラフィーにおける用途および他の用途、たとえばMEMSスイッチをはじめとするスイッチに使用することができる。たとえば、Qiuらへの米国特許第6,949,985号を参照すること。
熱的に駆動されるシステムは、アクチュエータからカンチレバーを熱隔離する手段を提供することができる。これは、ディップペンナノリソグラフィー（DPN）用途において、たとえば、少なくとも一つの感温性インク、たとえばタンパク質および核酸のような生体分子を含むインクが使用される場合に望ましいかもしれない。
非限定的例および実施例
以下の非限定的例および実施例によってさらなる態様を提供する。
以下の非限定的例および実施例によってさらなる態様を提供する。
カンチレバーの動作
図3に示す例示的態様において、静電的に駆動されるプローブは、カンチレバー10、プローブチップ18、枢動延長部11および可動電極14を含むものであった。静止電極は16である。ホルダは、アクチュエータのための対電極12を含むものであった。また、電極リセスが示されている。この特定の例において、カンチレバーの延長部は、電極を構成する金属における固有応力によって上に曲げられていた。または、屈曲は、固有応力勾配を有する材料または異なる固有応力状態にあるいくつかの材料からカンチレバー延長部を製作することによって達成することもできる。
図3に示す例示的態様において、静電的に駆動されるプローブは、カンチレバー10、プローブチップ18、枢動延長部11および可動電極14を含むものであった。静止電極は16である。ホルダは、アクチュエータのための対電極12を含むものであった。また、電極リセスが示されている。この特定の例において、カンチレバーの延長部は、電極を構成する金属における固有応力によって上に曲げられていた。または、屈曲は、固有応力勾配を有する材料または異なる固有応力状態にあるいくつかの材料からカンチレバー延長部を製作することによって達成することもできる。
プローブ電極および／または対電極を電圧源に結合し、電圧を印加して、可動電極と対電極との間に静電引力を提供した。可動電極領域における屈曲の結果として、カンチレバーの有効ベースが支持構造のエッジに寄り掛かり、カンチレバーは静止電極に対して角度θで傾斜した。角度θは、電極リセスの深さと、アクチュエータのカンチレバー延長部の応力誘発曲率半径との関数である。
図4に示すように可動電極の完全な引き込みに十分な電圧が印加されると、カンチレバーは上記角度θだけ撓んだ。これがカンチレバーチップをアクティブ化モード（図4に概略的に示す）に駆動し、これが、DPNの場合、プローブチップに配置されたパターン付け化合物を基材に塗布することによって描画プロセス（ナノリソグラフィーの動作）を開始することができる。
製作
図5A〜5Hは、枢動延長部設計の一つまたは複数の静電的に駆動されるプローブを含む装置を形成する方法を示す。
図5A〜5Hは、枢動延長部設計の一つまたは複数の静電的に駆動されるプローブを含む装置を形成する方法を示す。
まず、図5Aにおいて、二酸化ケイ素の薄膜（たとえば約100〜200nm）層をケイ素基材20の背面に成長させて保護マスクを形成した。好ましくは、ケイ素基材20は面方位<100>ケイ素ウェーハであった。基材20の前面の一部分に二酸化ケイ素の別の薄膜層を成長させ、フォトリソグラフィー的にパターン付けして、ピラミッド形くぼみ22を形成するための保護マスクを提供した。ケイ素基材20の前面を、70〜80℃の30％KOH水溶液で、異方性ウェットエッチングによってエッチングして（エチレンジアミンピロカテコール（EDP）を使用することもできる）、プローブチップ18のピラミッド形ケイ素形状22を画定した。次いで、前面および背面の二酸化ケイ素層を除去して、図4Aに示す構造を得た。望むならば、これらのくぼみを酸化先鋭化してもよい。たとえば、S. Akamine and C. F. Quate, J. Vac. Sci. Technol. B. 10, 2307 (1992)を参照すること。
図5Bにおいて、低応力窒化ケイ素の層24を、低圧化学蒸着（LPCVD）により、プローブチップ18を画定するピラミッド形くぼみ22の上への付着を含め、モールドウェーハの前面に付着させた。前面の窒化ケイ素の層24をパターン付けした。先鋭化された凹形（くぼみ）モールドの使用は、窒化物層の厚さ、たとえば約15nmから独立して、モールドの曲率半径に匹敵しうる曲率半径を有するチップを生じさせる。
図5Cにおいて、Cr、PtおよびAuを含む三分子層26を連続的に蒸着させ、窒化ケイ素層24上での剥離によってパターン付けして、可動電極を形成した。Cr30nm／Pt60nm／Au400nmの厚さを使用した。Crは接着層として作用した。Ptは、CrがAuの接着面を汚染することを防ぐための拡散バリヤとして作用した。Auの厚さは、接着の容易さを考慮して決定した。静電駆動が使用されたため、高い伝導性は不要であった。
図5Dには、ホルダの初期製作が示されている。ホルダとも呼ばれるケイ素ハンドルウェーハ30にリセス32をエッチングした。二酸化ケイ素の層を成長させる、および／または窒化ケイ素の層を付着させるかしたのち、パターン付けした（28）。
次に、図5Eにおいて、Cr、PtおよびAuを含む三分子層を蒸着させ、剥離によってパターン付けして静止電極34、ならびに可動電極および静止電極双方のための配線およびボンドパッド36を基材上面に形成した。
図5Fにおいて、窒化ケイ素の誘電層38をプラズマ増強CVDによって静止電極に付着させ、パターン付けした。装置が、可動電極の完全な引き込みのためのしきい値未満の電圧で作動し、設計が、5Hにおける枢動点42で電極が接触しないような設計であるならば、この誘電層は省かれてもよい。
次に、図5Gにおいて、ハンドルウェーハ上の配線をモールドウェーハ上の可動電極に金熱圧着することにより、モールドウェーハ20とハンドルウェーハ30とを機械的かつ電気的に接合した。接着温度の上昇が、可動電極を形成する金属中に（永久的な）固有の引っ張り応力を発生させた。
次に、図5Hにおいて、接着したアセンブリを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液中でエッチングして、モールドウェーハ20およびハンドルウェーハ30の選択領域を除去した。解放されると、可動電極14における引っ張り応力がカンチレバー延長部11のアクチュエータ領域を屈曲させて、カンチレバー10と可動電極14との間に枢動点42を形成した。
より効率的なナノリソグラフィーのためには、個々の選択的に駆動可能な電極を有する複数のプローブをプローブアレイチップに配置することができ、例示的なプローブアレイチップアレイが図6に示されている。当技術分野で公知であるように、リーダプローブおよびライタプローブを製作することができる。チップは、可動電極が各枢動延長部に配置され、各枢動延長部がそれぞれ選択可能かつ制御可能な電圧源に結合されたカンチレバー式窒化ケイ素プローブを含むものであった。例示的態様において、各リーダプローブは、幅が40μmであり、長さが、アクチュエータ延長部を含め、300μmであった。各リーダプローブ枢動延長部は、幅40μmであり、長さ150μmであり、プローブの先端に窒化ケイ素プローブチップ18を含むものであった。各ライタプローブは、幅が26μmであり、長さが、アクチュエータ延長部を含め、300μmであった。各リーダプローブ枢動延長部は、幅26μmかつ長さ150μmであり、プローブの先端に窒化ケイ素プローブチップ18を含むものであった。
静止電極を接地し、プローブの電極を、35〜40ボルトと計測される引き込み電圧で励起した。カンチレバーの撓みは、カンチレバーの端部での非駆動面外位置から13〜18μmであると推測された。これは有意な改善である。
さらなる態様において、リーダプローブは、幅30ミクロンであることができ、ライタプローブは、幅18または30ミクロンであることができる。長さは、全長および延長部の長さのいずれも、実質的に増すことができる。アクチュエータ長さは、たとえば、129、198、260または400ミクロンであることができる。当業者は、特定の用途に関してこれらの寸法を調節することができる。たとえば、より長いアクチュエータは、より低い電圧（たとえば10V未満）での引き込みを可能にし得る。電極の静摩擦および破損を計測することもできる。
Claims (39)
- ホルダエッジを含む少なくとも一つのホルダと、
該ホルダに配置されかつ該ホルダエッジを越えて延在する、少なくとも一つのカンチレバーと
を含み、
カンチレバーを動かすためのアクチュエータに、該ホルダエッジを越えて延在する該カンチレバーが駆動時に該ホルダから離れるように適合されている、
装置。 - カンチレバーが、ホルダエッジを越えて延在するときに枢動点でホルダと接触する、請求項1記載の装置。
- アクチュエータが、静電アクチュエータ、熱アクチュエータ、または圧電アクチュエータである、請求項1記載の装置。
- アクチュエータが静電アクチュエータである、請求項1記載の装置。
- ホルダに配置された静止電極、およびカンチレバーに配置された可動電極を含む、請求項1記載の装置。
- ホルダに配置された静止電極、およびカンチレバーに配置された可動電極、ならびに該静止電極と該可動電極との間の誘電体を含む、請求項1記載の装置。
- カンチレバーが、該カンチレバーの端部領域に配置されたチップを含む、請求項1記載の装置。
- カンチレバーが駆動時にリセス領域の中にさらに移動するように、ホルダがリセス領域に適合されている、請求項1記載の装置。
- ホルダに配置されかつホルダエッジを越えて延在する複数のカンチレバーを含み、
カンチレバーを動かすための複数のアクチュエータに、該ホルダエッジを越えて延在する該カンチレバーが駆動時に該ホルダから離れるように適合されている、
請求項1記載の装置。 - カンチレバーが、ホルダエッジを越えて延在するときに枢動点でホルダと接触し、
アクチュエータが静電アクチュエータであり、
装置が、該ホルダに配置された静止電極と該カンチレバーに配置された可動電極とを含み、
該カンチレバーが、該カンチレバーの端部領域に配置されたチップを含み、
装置が、該ホルダに配置されかつ該ホルダエッジを越えて延在する複数のカンチレバーを含み、
装置が、カンチレバーを動かすための複数の静電アクチュエータに、該ホルダエッジを越えて延在する該カンチレバーが駆動時に該ホルダから離れるように適合されている、
請求項1記載の装置。 - エッジを有しかつリセスに適合されている少なくとも一つのホルダと、該ホルダに配置された少なくとも一つのカンチレバーと含み、
アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されている装置であって、
該カンチレバーが、ホルダエッジを越えて延在し、かつ該リセスの中に曲がり込むように適合されている、
装置。 - 静電アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されている、請求項11記載の装置。
- 熱アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されている、請求項11記載の装置。
- 圧電アクチュエータによって駆動されるカンチレバーの動きに適合されている、請求項11記載の装置。
- 化学的または生物学的パターン付け材料を表面に直接付着させるためのディップペンナノリソグラフィーにおける装置としての使用に適合されている、請求項11記載の装置。
- アクチュエータが熱アクチュエータであり、
装置が少なくとも一つの感温性インクを付着させるためにDPNで使用される場合、延長部が、該アクチュエータからカンチレバーを熱隔離する手段を提供する、
請求項11記載の装置。 - MEMSスイッチとしての使用に適合されている、請求項11記載の装置。
- ホルダの材料が、ケイ素、半導体材料、ガラス、またはプラスチックである、請求項11記載の装置。
- カンチレバーが窒化ケイ素である、請求項11記載の装置。
- カンチレバーがチップを含む、請求項11記載の装置。
- エッジを有しかつリセスに適合されている少なくとも一つのホルダと、該ホルダに配置された少なくとも一つのカンチレバーとを含み、
該カンチレバーに配置された電極と該ホルダに配置された電極とを含むアクチュエータによって静電的に駆動されるカンチレバーの動きに適合されている装置であって、
該カンチレバーが、ホルダエッジを越えて延在し、かつ該リセスの中に曲がり込むように適合されている、
装置。 - 一つの電極が可動電極であり、もう一つの電極が静止電極であり、かつ可動電極と静止電極との間の40ボルト未満の印加電圧に応答したカンチレバーの撓みが2μmよりも大きい、請求項21記載の装置。
- 化学的または生物学的パターン付け材料を表面に直接付着させるためのディップペンナノリソグラフィーにおける装置としての使用に適合されている、請求項21記載の装置。
- MEMSスイッチとしての使用に適合されている、請求項21記載の装置。
- カンチレバーが、電極を構成する金属における固有応力によって屈曲する、請求項21記載の装置。
- 金属がカンチレバーの上に連続的に付着している、請求項21記載の装置。
- カンチレバーが、電極を構成する金属における固有応力によって静止状態で屈曲する、請求項21記載の装置。
- ホルダの材料が、ケイ素、半導体材料、ガラス、またはプラスチックである、請求項21記載の装置。
- カンチレバーが窒化ケイ素である、請求項21記載の装置。
- 直接描画ナノリソグラフィープリントに適合されている、請求項21記載の装置。
- アクチュエータが該カンチレバーの枢動延長部に作用する、駆動されるカンチレバーを含む装置。
- 機械的に応力を受けるカンチレバーを基材上に製作する工程、
該カンチレバーとともに機能するように適合されかつホルダエッジを含むホルダを製作する工程、
該カンチレバーと該ホルダとを組み合わせる工程、
該ホルダエッジを越えて延在する該カンチレバーが機械的応力によって該ホルダの方向に曲がるように、該基材を除去する工程
を含む、方法。 - カンチレバーが、ホルダと接触するまで曲がる、請求項32記載の方法。
- ホルダがリセス空間を含み、かつカンチレバーがリセスの中に曲がり込む、請求項32記載の方法。
- カンチレバーが、可動電極を含むように製作され、かつホルダが、静止電極を含むように製作される、請求項32記載の方法。
- 少なくとも一つのカンチレバーおよびプローブチップを基材上に製作する工程、
可動電極を形成するために、金属コンタクトのパターンを該カンチレバーの上に付着させる工程、
ホルダの一面にリセスをエッチングする工程、
エッチング保護層を該ホルダの一部に付着させる工程、
静止電極と、可動電極および静止電極双方のための配線およびボンドパッドとを形成するために、金属コンタクトのパターンを該ホルダに付着させる工程、
該ホルダ上の該配線を該基材上の該可動電極に機械的かつ電気的に接合する工程、および
該基材と該ホルダの選択領域とをエッチングによって除去する工程
を含む、装置を製造する方法。 - ホルダエッジを含む少なくとも一つのホルダと、
該ホルダに配置されかつ該ホルダエッジを越えて延在する少なくとも一つのカンチレバーと
を含む少なくとも一つの装置を含む器具であって、
該装置が、カンチレバーを動かすためのアクチュエータに、該ホルダエッジを越えて延在する該カンチレバーが駆動時に該ホルダから離れるように適合されている、
直接描画プリントに適合されている器具。 - 駆動されるプローブのアレイおよび該プローブを制御するための電子機器を含む器具であって、
駆動されるプローブそれぞれが、
カンチレバー；
該カンチレバーに向かってホルダを越える、該カンチレバーの延長部；および
該カンチレバーの端部のチップ
を含み、
ホルダおよびカンチレバーがリセス空間を形成し、該カンチレバーがアクチュエータと一体化しかつ該リセス空間の中に曲がり込む、
ディップペンナノリソグラフィーに適合されている器具。 - 少なくとも一つのパターン付け化合物および基材を提供する工程と、
請求項38記載の器具を提供する工程と、
パターン付け化合物をチップに装填する工程と、
パターン付け化合物を該基材に付着させる工程と
を含む、ナノリソグラフィーの方法。
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