JP4712671B2 - ナノピンセットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミクロンオーダーの試料をハンドリングするナノピンセット、およびその製造方法に関する。

従来、ミクロンオーダーの試料をハンドリングするナノピンセットが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そのナノピンセットでは、一対のアームとそれらを駆動するアクチュエータとが半導体微細加工技術により形成されており、アームをアクチュエータで開閉動作させることで試料の把持・開放を行っている。

特開２００６−２６８２５号公報

ところで、液中の生物試料などをハンドリングする場合には、ナノピンセットの把持部を液中に浸して試料を把持するので、ナノピンセットに液が付着する。液が蒸発したときに、付着した液中の不純物や、その液に付着した異物などが汚れとしてピンセット表面に残るという問題があった。また、空気中の水分がピンセット表面に付着し、それに異物が付着することでピンセットが汚れる場合もある。

請求項１の発明によるナノピンセットは、開閉自在な一対のアームと、一対のアームの少なくとも一方に形成された櫛歯可動電極、および、該櫛歯可動電極と隙間を介して噛合するように形成された櫛歯固定電極を有し、アーム開閉動作を行わせる駆動部と、アームの各々に形成された試料把持部と、を備え、アームおよび駆動部の各々の表面には撥水性の化学吸着単分子膜が形成され、試料把持部は、シリコン基材と、シリコン基材の表面に形成された酸化シリコン層と、酸化シリコン層の表面の一部領域であって試料把持部の互いに対向する把持面の一部を含む領域が露出するように、酸化シリコン層の表面に形成された前記撥水性の化学吸着単分子膜と、を有することを特徴とする。
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、撥水性の化学吸着単分子膜が形成されず酸化シリコン層が露出している面に、親水性の導電膜を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、異物の付着によるナノピンセットの汚れを低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるナノピンセットの一実施の形態を示す図であり、ナノピンセット１の概略構成を示す斜視図である。図１に示すナノピンセット１は、半導体微細加工技術を利用して基板上に形成される。ナノピンセット１に設けられた一対のアーム３は、駆動部６によって矢印Ｒで示すように図示左右方向に開閉する。ミクロンオーダーの試料は、アーム３の先端に形成されたグリップ部３ａによって把持される。アーム３の少なくともグリップ部３ａには撥水加工が施され、汚れの付着を防止するようにしている。

図２はナノピンセット１の詳細を示す平面図である。台座７上に形成された駆動部６は静電アクチュエータを構成しており、左側のアーム３を駆動するための固定電極６０ａおよび可動電極６１ａと、右側のアーム３を駆動するための固定電極６０ｂおよび可動電極６１ｂとを有している。図示上下方向に延在する固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの各対向面は櫛歯形状となっている。可動電極６１ａ，６１ｂは、それぞれ支持部６２によって台座７に弾性的に固定されている。

固定電極６０ａの電極端子８０と可動電極６１ａの電極端子８１との間に電圧を印加すると、静電力によって可動電極６１ａが図示右方向に移動する。一方、固定電極６０ｂの電極端子８２と可動電極６１ｂの電極端子８３との間に電圧を印加すると、静電力によって可動電極６１ｂが図示左方向に移動する。

アーム３は支持部６３を介して台座７に弾性的に固定されている。アーム３には支持部６３を介して電極端子８４が接続されており、電極端子８４を利用してアーム３に電気的な操作を加えたり、電気的な測定を行うことができる。左側のアーム３は、アーム３の下部に設けられた連結部材８によって左側の可動電極６１ａに連結されている。

同様に、右側のアーム３は、連結部材８によって右側の可動電極６１ｂに連結されている。そのため、可動電極６１ａ，６１ｂの左右方向への移動に伴って、一対のアーム３アーム３も左右に移動する。図２において、台座７のアーム３が配設されている領域には溝状の貫通孔７ａが形成されており、駆動部６が配設されている領域には矩形状の貫通孔７ｂが形成されている。アーム３および駆動部６はこれら貫通孔７ａ，７ｂ上に架け渡されるように支持されている。

図３はナノピンセット１の断面形状を説明する図である。Ａ−Ａ’断面およびＢ−Ｂ’断面に示すように、台座７のアーム３の下方には貫通孔７ａが形成されている。駆動部６は絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。同様に、連結部材８上に形成されたアーム３および駆動部６（可動電極６１ａ，６１ｂ）も絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。Ｅ−Ｅ’断面は図１，２の電極端子８０〜８４の部分を断面したものであり、電極端子８０〜８４も絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。このように、ナノピンセット１は絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(silicon on insulator)基板に形成される。そして、アーム３，駆動部６および電極端子８０〜８４は同一シリコン層を用いて形成される。

図４はグリップ部３ａの形状の一例を示したものである。ここでは、先端部分の厚さを階段状に薄くして、図４に示すようなグリップ部３ａを形成する。ナノピンセット１に設けられたアーム３でミクロンオーダーの試料を把持する場合、それらの作業は顕微鏡視野内で行われる。そのため、アーム３が台座７に隠れて見えなくなるような不都合を避けるために、図２に示すようにアーム３はグリップ部３ａが形成された先端部分が台座７から図示上方に突出するように構成されている。

また、試料が把持される部分であるグリップ部３ａは試料に比べて長く設定され、幅および厚さは試料と同程度となるように設定されている。各グリップ部３ａの寸法の一例を記すと、長さＬは１００μｍ、厚さｔは１〜２５μｍ、幅ｗは１〜３０μｍである。通常、試料は平坦なステージ上に載置され、その試料をアーム３により把持するので、アーム３の下面側は平面状とされる。

図５は図２の左側のアーム３に対して設けられた固定電極６０ａおよび可動電極６１ａの一部を拡大して示したものである。電極６０ａ，６１ａは静電アクチュエータを構成しており、電極端子８０，８１に電圧を印加して固定電極６０ａと可動電極６１ａとの間に電位差を与えると、電極６０ａ，６１ａ間に静電気力が働く。その結果、支持部６２によって台座７に弾性的に固定された可動電極６１ａが図示右方向に移動する。なお、発生する静電気力は、電極６０ａ，６１ａ同士のギャップ間隔や電極の対向する部分の表面積や、電圧の大きさにより変化する。

アーム３は連結部材８を介して可動電極６１ａに連結されているので、可動電極６１ａが静電気力により図示右側に移動すると、その動きに同期してアーム３も右側に移動する。図２に示した右側のアーム３、固定電極６０ｂ、可動電極６１ｂに関しても左右反転している以外は全く同様の構造となっている。そのため、電極端子８２，８３に電圧を印加して電極６０ｂ、６１ｂ間に電位差を与えると、右側のアーム３が図示左方向に移動する。その結果、左右のアーム３が閉じて、グリップ部３ａの間に試料が把持される。

なお、ＳＯＩ(silicon on insulator)基板を用いてナノピンセット１を形成する製造方法に
ついては周知であるので（例えば、上述した特許文献１参照）、ここでは説明を省略する
。ナノピンセット１の形成に用いる基板としては、ＳＯＩ基板の他に、ガラス基板上に単
結晶シリコン層を有する基板や、アモルファスシリコン基板やポリシリコン基板上にＳＯＩ層を有する基板なども用いることができる。いずれの場合も、シリコン層にアーム３等が形成される。

《化学吸着単分子膜の形成》
次に、ナノピンセット１に撥水性の膜を形成する方法について説明する。上述したように、ナノピンセット１のアーム３や駆動部６もシリコンによって形成されている。そのため、化学吸着単分子膜（撥水性膜）を形成するために、シリコン表面に熱酸化によりＳｉＯ_２層を形成する。その後、フッ化炭素基と炭化水素基とアルコキシシリル基とを主成分とする物質を用いて、ＳｉＯ_２層上に化学吸着単分子膜を形成する。

上述したナノピンセット１は、図９（ａ）に示すようにＳＯＩ基板Ｗ上に多数形成され、ダイシングにより一つ一つのナノピンセット１に分割される。そのため、ナノピンセット１への化学吸着単分子膜の形成は、分割を行う前のＳＯＩ基板Ｗ全体で行われる。図９（ｂ）に示すように、チャンバ４００にはフッ化炭素基と炭化水素基とアルコキシシリル基とを主成分とする物質Ｌを収容する容器４０１が接続されている。そして、熱酸化によるＳｉＯ_２層が形成された基板Ｗをチャンバ４００内に搬入する。

図９（ｂ）に示す例では、複数の基板Ｗがセットされた基板カセット４０２をチャンバ内に収容するようにしている。基板Ｗをチャンバ内に搬入したならば、バルブＶを開いて物質Ｌの蒸気をチャンバ４００内に導入する。ＳｉＯ_２膜がその蒸気に曝されるとＳｉＯ_２膜上に化学吸着単分子膜が形成される。その後、ＳＯＩ基板Ｗをダイシング加工して、それぞれのナノピンセット１に分割する。

上述したフッ化炭素基と炭化水素基とアルコキシシリル基とを主成分とする物質としては、ＣＦ_３（ＣＦ_２）_ｎ（ＣＨ_２）_２Ｓｉ（ＯＡ）_３，［ＣＦ_３（ＣＦ_２）_ｎ（ＣＨ_２）_２］_２Ｓｉ（ＯＡ）_２，あるいは［ＣＦ_３（ＣＦ_２）_ｎ（ＣＨ_２）_２］_３ＳｉＯＡ（ｎは整数、Ａはメチル基、エチル基、プロピル基等の短鎖アルキル基）があげられる。具体的には、ＣＦ_３ＣＨ_２Ｏ（ＣＨ_２）_１５Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_３、ＣＦ_３（ＣＨ_２）_２Ｓｉ（ＣＨ_３）_２（ＣＨ_２）_１５Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_３などがある。

これらの物質を用いた場合には、ＳｉＯ_２層をそれら物質の蒸気に曝すだけで、ＳｉＯ_２層上に膜厚さ数ｎｍ程度の化学吸着単分子膜が形成されるので、非常に簡単な処理で撥水性領域を形成することができる。化学吸着単分子膜を形成する領域としては、アーム３の部分だけでも良いし、ナノピンセット１の全体でも良い。また、駆動部６を含めてナノピンセット１はナノマイクロオーダーで形成されるが、化学吸着単分子膜は数ｎｍ程度なので、ナノピンセット１の駆動機能に影響を与えることはない。

図６は化学吸着単分子膜の形成過程を示したものであり、２０６はシリコン材表面に形成されたＳｉＯ_２層を示す。図６（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２層２０６には、大気中の水蒸気と反応してできたＯＨ基が形成されている。符号３００で示したものがアルコキシラン系のフッ化炭素化合物の分子である。この分子はＳｉ（ＯＣＨ_３）_３基を有しており、そのＯＣＨ_３とＳｉＯ_２膜２０６表面のＯＨ基とが反応してＣＨ_３ＯＨが生成されるとともに、この分子のＳｉとＳｉＯ_２膜２０６の表面に並んだＯとが共有結合して、単分子膜２０７が形成されることになる（図６（ｃ）参照）。この化学吸着単分子膜２０７は優れた撥水性を有している。

なお、アルコキシラン系のフッ化炭素化合物の例を示したが、他に、クロロシラン系のフッ化炭素化合物でも同様に可能である。例えば、ＣＦ_３（ＣＦ_２）_ｎ（Ｒ）_ｍＳｉＸ_ｐＣｌ_３−ｐ（ただし、ｎは０または整数、好ましくは１〜２２の整数、Ｒはアルキル基、フェニル基、ビニル基、エチニル基、シリコン若しくは酸素原子を含む置換基、ｍは０または１、Ｘはアルキル基、アルコキシル基、含フッ素アルキル基または含フッ素アルコキシ基の置換基、ｐは０，１または２）があげられる。具体的には、ＣＦ_３ＣＨ_２Ｏ（ＣＨ_２）_１５ＳｉＣｌ_３、ＣＦ_３（ＣＨ_２）_２Ｓｉ（ＣＨ_３）_２（ＣＨ_２）_１５ＳｉＣｌ_３などがある。撥水性を有する化学吸着単分子膜の形成に用いられる物質としては、これら以外にも種々のものが知られている（例えば、特開２００５−２０６７９０号公報）。

（ナノピンセットの特徴）
上述したように、本実施の形態のナノピンセット１では、ピンセット表面に化学吸着単分子膜２０７が形成されているので撥水性に優れている。そのため、水分を帯びた微粒子がナノピンセット１の表面に付着し難い。物体表面に付着している微粒子の付着力はメニスカス力，静電気力，ファンデルワールス力などに起因しているが、微粒子やナノピンセット１が電荷を帯びていない場合には、大気中の水分が凝縮して形成されたメニスカス力が大きな影響を与える。

図７はナノピンセット１の表面に付着している異物の接触面付近を拡大して示した模式図である。異物とピンセット表面との隙間には、凝縮した水分のメニスカス（水架橋）が形成される。ピンセット表面と水の接触角をθ１、異物表面と水との接触角をθ２とすると、メニスカス力（引力）Ｆは次式（１）で近似することができる。なお、Ｒは接触面における異物の曲率半径であり、γは水の表面張力である。
Ｆ＝４πＲγ（cosθ１＋cosθ２） …（１）

しかしながら、ナノピンセット１の表面は撥水性を有しているため、図７に示すような水架橋は安定に存在できない。すなわち、撥水面では水は丸く固まった状態になりやすいので、水を帯びた異物はナノピンセット１の表面から滑り落ちやすく、ピンセット表面に汚れが付きにくい。また、液中の生物試料を把持する場合、グリップ部３ａを液中に挿入しなければならない。しかし、撥水性の化学吸着単分子膜２０７が形成されているため、グリップ部３ａに液が付着し難く汚れの付着を防止できる。

［変形例１］
上述した実施の形態では、ナノピンセット表面に化学吸着単分子膜２０７を形成することで、汚れが付き難いナノピンセットが得られるようにした。そのため、図８（ａ）に示すように液膜８０に覆われた試料８１を把持するときに、表面が撥水性であるため試料８１の位置が移動しやすく把持し難い場合が生じる。そこで、変形例１のナノピンセット１では、試料を把持するグリップ部３ａに化学吸着単分子膜２０７が形成されない非撥水領域３０１を設けた。

図８（ｂ）に示す例では、グリップ部３ａの上下の面と対向面に非撥水領域３０１が設けられている。非撥水領域３０１以外の面には撥水性の化学吸着単分子膜２０７が形成されているため、試料８１は、表面張力によって液膜８０とともに非撥水領域３０１にトラップされることになる。そのため、小さな把持力でソフトに把持する必要のある試料、例えば生体試料などを操作する場合により適している。なお、ナノピンセット１の場合、化学吸着単分子膜２０７が形成されない非撥水領域３０１には、上述したように熱酸化によるＳｉＯ_２層が形成されている。ＳｉＯ_２は親水性であるため、液膜８０に覆われた試料８１のトラップ効果がより一層高まる。

［変形例２］
ナノピンセット１の場合、試料が非常に微小であるため、その質量に起因する重力よりも電荷に起因する静電力の方が支配的になる。そのため、ナノピンセット１が静電気を帯びているような場合、試料を把持しようとナノピンセット１を近づけたときに静電反発力によって試料が弾かれたように動いてしまって把持できない場合が生じる。そこで、変形例２では、絶縁性の化学吸着単分子膜２０７に代えて導電性の撥水性膜をアーム３に形成し、その導電性撥水性膜をアースすることでアーム３が帯電するのを防止するようにした。

導電性撥水性膜としては、クロムの蒸着膜などが考えられる。また、アーム３全体にクロム膜を形成する代わりに、アーム３の一部、例えばグリップ部３ａの把持面（図８（ｂ）参照）だけにクロム膜を蒸着し、その他の面には撥水性に優れた化学吸着単分子膜２０７を形成するようにしても良い。また、図８に示す例の場合には、領域３０１の部分に親水性の導電膜を形成して帯電を防止するようにしても良い。

上述した実施の形態では、静電力による櫛歯アクチュエータによりアーム８を開閉駆動する形式のナノピンセットを例に説明したが、本発明はその他の駆動方式のナノピンセットにも同様に適用することができる。例えば、試料把持用の一対のアームと、特性評価用のプローブや表面形状を検出するためのプローブなどを備えたものであっても適用できる。

また、上述した例では、微細な櫛歯が形成された駆動部６も含めて全体的に撥水性膜を形成するようにしたので、ナノオーダーの膜厚が可能な化学吸着単分子膜２０７を用いたが、アーム３部分のみに撥水性膜を形成するような場合には、必ずしも膜厚がナノオーダーである必要はない。そのような場合、アーム３の間隔に比べてより薄い撥水性膜が形成可能であれば、化学吸着単分子膜２０７に代えてフッ素系やシリコン系等のコーティング材を用いても構わない。なお、上述した説明では、水分を例に説明したので撥水性膜と記しているが、撥水性の高い膜（化学吸着単分子膜やフッ素系の膜など）の場合には、油分に対しても同様の性質（撥油性）を有している。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、グリップ部３ａは試料把持部を構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の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。

本発明によるナノピンセットの一実施の形態を示す斜視図である。 ナノピンセット１の詳細を示す平面図である。 ナノピンセット１の断面形状を説明する図である。 グリップ部３ａの形状を示す斜視図である。 固定電極６０ａおよび可動電極６１ａの拡大図である。 化学吸着単分子膜の形成過程を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に形成される。 ナノピンセット１の表面に付着している異物の接触面付近を拡大して示した模式図である。 変形例１を説明する図であり、（ａ）は液膜８０に覆われた試料８１を把持する場合を示し、（ｂ）は非撥水領域３０１を示し、（ｃ）は非撥水領域３０１にトラップされた液膜８０に覆われた試料８１を示す。 化学吸着単分子膜の形成手順を説明する図であり、（ａ）はナノピンセット１が多数形成されたＳＯＩ基板Ｗの平面図を示し、（ｂ）は化学吸着単分子膜形成工程を示す。

符号の説明

１：ナノピンセット、３：アーム、６：駆動部、７：台座、３ａ：グリップ部、８０：液膜、８１：試料、２０７：化学吸着単分子膜、３０１：非撥水領域、Ｗ：ＳＯＩ基板

Claims (2)

1. 開閉自在な一対のアームと、
   前記一対のアームの少なくとも一方に形成された櫛歯可動電極、および、該櫛歯可動電極と隙間を介して噛合するように形成された櫛歯固定電極を有し、アーム開閉動作を行わせる駆動部と、
   前記アームの各々に形成された試料把持部と、を備え、
   前記アームおよび前記駆動部の各々の表面には撥水性の化学吸着単分子膜が形成され、
   前記試料把持部は、
   シリコン基材と、
   前記シリコン基材の表面に形成された酸化シリコン層と、
   前記酸化シリコン層の表面の一部領域であって前記試料把持部の互いに対向する把持面の一部を含む領域が露出するように、前記酸化シリコン層の表面に形成された前記撥水性の化学吸着単分子膜と、を有す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、
   前記撥水性の化学吸着単分子膜が形成されず前記酸化シリコン層が露出している面に、親水性の導電膜を形成したことを特徴とするナノピンセット。

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