JP4959632B2 - ナノピンセットおよび把持方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小なワークをハンドリングするためのナノピンセット、および、そのナノピンセットによる把持方法に関する。

微小なワークをハンドリングするナノピンセットにおいて、櫛歯アクチュエータの容量変化を利用して試料の把持検出を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２１０５６６号公報

しかしながら、上述した装置では、アクチュエータの容量変化を検出して把持したか否かを判定しているので、検出感度や検出の安定性などに問題があった。

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、開閉駆動電圧が印加され、一対のアームの少なくとも一方を開閉駆動する静電アクチュエータと、静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振によりアームを振動させる増幅器と、アームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、自励発振により振動するアームの振幅が非接触時に一定となるように、開閉駆動電圧に基づいて増幅器の利得を調整する利得調整手段と、を備えたことを特徴とする。
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、
振動状態検出部で検出された振動状態の変化に基づき、アームによる試料の把持を検出する把持検出手段をさらに備えたものである。
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、
振動状態の変化を、アームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つとしたものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、アームに連結されて該アームを駆動する可動櫛歯電極部とを有することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載のナノピンセットによる試料の把持方法であって、振動状態検出部により振動状態の変化が検出されるまで、ナノピンセットを試料が載置された載置部の方向へ移動し、振動状態検出部により振動状態の変化が検出されたならば、ナノピンセットを載置部の方向と逆の方向に所定移動量だけ移動し、移動の後に静電アクチュエータによりアームを閉駆動し、振動状態検出部により振動状態の変化が検出されたならば、静電アクチュエータによるアームの閉駆動を停止することを特徴とする。

本発明によれば、振動の変化を検出することにより、アームによる把持を感度良く検出することができる。

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る。ナノピンセット１は、後述するように、半導体プロセス技術を応用したマイクロマシニング技術を利用して半導体基板上に形成される。ナノピンセット１はＸＹＺステージ等の移動機構に装着して用いられ、ミクロンオーダーの試料のハンドリングに使用される。

台座７上には、試料を把持するためのアーム３Ａ，３Ｂ、アーム３Ａ，３Ｂを左右に開閉するための静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂが形成されている。ミクロンオーダーの試料は、アーム３Ａ，３Ｂの先端に形成されたグリップ部３０によって把持される。後述するように、静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂは駆動回路部９によって駆動制御される。

図２はグリップ部３０の詳細を示す拡大図であり、アーム３Ａ，３Ｂの先端部分の厚さを階段状に薄くすることによってグリップ部３０が形成される。ミクロンオーダーの試料を把持するグリップ部３０の幅Ｗおよび厚さｔは、Ｗ＝１〜３０μｍ、ｔ＝１〜２５μｍのように試料と同程度の寸法に設定される。グリップ部３０の長さＬは１００μｍ程度と試料よりもやや長く設定される。

図１の左側のアーム３Ａを駆動する静電アクチュエータ６Ａは、台座７上に固定された固定電極６０ａと、アーム３Ａに連結された可動電極６１ａとを備えている。同様に、右側のアーム３Ｂを駆動する静電アクチュエータ６Ｂは、台座７上に固定された固定電極６０ｂと、アーム３Ｂに連結された可動電極６１ｂとを備えている。図示上下方向に延在する固定電極６０ａ，６０ｂと可動電極６１ａ，６１ｂとの各対向面は後述するように櫛歯形状となっている。

静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂの可動電極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。そして、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、および、固定電極６０ｂの電極端子８２と可動電極６１ｂの電極端子８３との間には、アーム開閉電圧がそれぞれ印加される。アーム開閉電圧が印加されると、静電力によって可動電極６１ａは図示右方向に、可動電極６１ｂは図示左方向にそれぞれ移動する。その結果、アーム３Ａ，３Ｂが閉じる。

アーム３Ａ，３Ｂ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３Ａ，３Ｂ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３Ａ，３Ｂに電気的な操作を加えたり、電気的な測定を行ったりすることができる。左側のアーム３Ａは、アーム３Ａ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３Ｂ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。その結果、左右のグリップ部３０により試料が把持される。

図３は左側のアーム３Ａと可動電極６１ａとの連結部分を示す拡大図であり、アーム３Ａは連結部材８を介して可動電極６１ａに連結されている。なお、アーム３Ａと連結部材８との間、および可動電極６１ａと連結部材８との間にはそれぞれ絶縁層１０２が形成されている。可動電極６１ａが静電力により図示右側に移動すると、その動きに連動してアーム３Ａも右側に移動する。右側のアーム３Ｂ、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。

図４はナノピンセット１の断面形状を示す図であり、図１のＡ−Ａ’断面，Ｂ−Ｂ’断面，Ｃ−Ｃ’断面およびＤ−Ｄ’断面を示したものである。Ａ−Ａ’断面，Ｂ−Ｂ’断面およびＣ−Ｃ’断面に示すように、台座７には貫通孔７ａ，７ｂが形成されており、アーム３Ａ，３Ｂおよび静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂはこれら貫通孔７ａ，７ｂ上に架け渡されるように形成されている。

静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂ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により連結されたアーム３Ａ，３Ｂも絶縁層１０２を介して台座７上に形成されている。Ｄ−Ｄ’断面は図１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３Ａ，３Ｂ，静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂ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。なお、ナノピンセット１の製造方法については後述する。

《動作説明》
本実施の形態のナノピンセット１では、上述したように静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂに直流電圧を印加し、その電圧値を制御することでアーム３Ａ，３Ｂの開閉動作を行うようにした。さらに、静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂを自励発振させてアーム３Ａ，３Ｂを微小振動させ、試料を把持した際の微小振動の変化によりアーム３Ａ，３Ｂによる把持を検出するようにした。

まず、アーム開閉電圧により電気系と機械系とが結合された各静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂが、交流電圧を印加することにより所定の振動数で発振すること、すなわち、各静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂが振動子として機能することを説明する。

図５（ａ）は、静電アクチュエータ６Ａの固定電極６０ａおよび可動電極６１ａの構造を示す拡大図であり、図５（ｂ）は、静電アクチュエータ６Ａにおける電気・機械結合系の等価回路を示す図である。なお、静電アクチュエータ６Ｂも同様なので、以下では静電アクチュエータ６Ａを例に説明する。一般に、電気・機械結合系においては、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの保存則が成立し、ここでは、アーム開閉電圧が小さく、可動電極の変位量や電荷量の変動は小さいとしてモデル化して考える。

固定電極６０ａと可動電極６１ａとの対向部は櫛歯形状になっており、固定電極６０ａに形成された櫛歯６００と可動電極６１ａに形成された櫛歯６１０とは、互い違いに相手方に入り込んでいる。櫛歯６００，６１０間には静電容量Ｃ_０が生じる。この静電容量Ｃ_０は、凹凸が多数形成された櫛歯６００，６１０間におけるトータルの静電容量を表している。また、ｍは可動部（アーム３Ａおよび可動電極６１ａ）の質量、ｋはバネ定数、ｒｆは機械抵抗、ｖは可動部１２の振動速度を表している。Ａは、アーム開閉電圧Ｅ_０を印加することによる機械系と電気系との間の結合係数である。振動を励起するための交流電圧を印加すると、電気系に電流ｉ２が流れて静電アクチュエータ６Ａが駆動される。

図５（ｂ）の等価回路で示される静電アクチュエータ６Ａに関して、線形近似基本方程式は式（１），（２）のように表される。なお、Ｃ_Ｓは浮遊容量であり、図５（ｂ）の等価回路のＣ_０をＣ_０＋Ｃ_Ｓと置き換えて式を立てた。
ｉ_１＝ｊω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）ｅ_１＋（Ｅ_０Ｃ_０／Ｘ_０）ν_１ （１）
ｆ_１＝ｊωｍν_１＋ｒ_ｆν_１＋ｋν_１／ｊω＋Ｅ_０Ｃ_０ｅ_１／Ｘ_０ （２）
但し、ｉ_１は交流電流値、ｅ_１は入力交流電圧の振幅、ν_１は可動部の振動速度であり、ｆ_１は可動部に作用する外力を表している。また、Ｘ_０は初期状態の櫛歯間距離である。

式（１），（２）より、外力が零の場合、静電アクチュエータ６Ａのアドミッタンスの絶対値｜Ｙ｜と角周波数ωとの関係は式（３）のように表すことができる。ここで、Ａ＝Ｅ_０Ｃ_０／Ｘ_０である。

図６は、アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示したものである。このアドミッタンス曲線は、電気・機械結合系の特性曲線になっている。一方、｜Ｙ｜＝ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）で表される直線（破線）は、機械系がない電気系のみの場合の特性曲線であり、式（３）において次式（４）が成り立つ場合の特性曲線を表している。
Ａ^２−２ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）（ωｍ−ｋ／ω）＝０ （４）

式（４）を満たす角周波数ωを発振角周波数ω１と呼ぶと、発振角周波数ω_１は、アドミッタンス曲線と｜Ｙ｜＝ω（Ｃ_０＋Ｃ_Ｓ）で表される直線との交点における角周波数である。発振角周波数ω_１は共振角周波数ω_０に近い値であり、発振角周波数ω_１で静電アクチュエータ６Ａを駆動すると、上述したように機械系の特性がキャンセルされ、電気系のみのアドミッタンス計測が可能となる。

なお、共振角周波数ω_０は、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をω_ｐより僅かに高いところに位置しており、アドミッタンス曲線のピーク角周波数をω_ｐ、凹カーブを示す部分のボトムの角周波数をω_ｂとすれば、共振角周波数ω_０と発振角周波数ω_１との関係は、式（５）で表すことができる。

このように、静電アクチュエータ６Ａは共振回路として機能することが解った。そこで、本実施の形態では、静電アクチュエータ６Ａと増幅器とを用いて自励発振駆動機構を構成するようにした。

図７は、静電アクチュエータ６を駆動するための駆動回路部９を示したブロック図である。本図において、静電アクチュエータ６は、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）が本来的に有しているＬ，Ｃ,Ｒ共振回路に基づいて描いてある。すなわち、櫛歯ドライブ（COMB-DRIVE）を受動２端子素子とみなして駆動回路９を示したのが図７である。

駆動回路部９は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を帰還回路として有する増幅器９１と、増幅器９１の出力電圧Ｖ_０を基準電圧Ｖｒと比較してゲイン制御電圧Ｖｃを発生するＡＧＣ（自動ゲイン制御）回路９５と、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対してバイアス直流電圧Ｅ_０を印加するＤＣ電源９２を含んでいる。このバイアス印加用ＤＣ電源９２は、静電アクチュエータの機能に着目した場合、「アーム開閉用ＤＣ電源」と呼ぶことができる。

櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を増幅器９１の帰還回路に挿入する際、本実施の形態では、以下の点に注意を払っている。

第１に、バイアス直流電圧Ｅ_０を印加するＤＣ電源９２の内部抵抗は非常に小さいので、帰還信号がＤＣ電源９２側を通過しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態では、高抵抗Ｒ_highをＤＣ電源と直列に挿入してある。このことにより、バイアス用ＤＣ電源９２が帰還パスに影響を与えないようにしている。

第２に、バイアス印加用ＤＣ電源９２が、増幅器９１を含んだ回路系統からＤＣ回路としてフローティング状態にすると同時に、増幅器９１の端子（出力端子＆入力端子）にＤＣ電圧が直接印加されないよう、ブロッキング・コンデンサＣ_Ｂを挿入してある。

次に、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６における各端子の電圧Ｖ_１，Ｖ_２について説明する。電圧Ｖ_１は、増幅器９１におけるＤＣバイアス回路の設計値により得られる値であり、一般的に、片電源電圧（＋Ｂ）のみを用いる場合には、Ｖ_１＝＋Ｂ／２とする。他方、両電源電圧（±Ｂ）を用いる場合には、Ｖ_１＝０とする。

電圧Ｖ２は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６の等価回路から明らかなようにＤＣ電流を通過させないので、Ｖ_２＝Ｅ_０となる。ここでＥ_０は、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６に対して印加されているバイアス直流電圧Ｅ_０である。このようにして設定された電圧Ｖ_１と電圧Ｖ_２との差に従って、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６が開閉される。換言すると、櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６を開閉するために必要な端子間電位差は、｜Ｖ_１−Ｖ_２｜である。

静電アクチュエータ６Ａの電極６０ａ，６１ａには、アーム開閉用ＤＣ電源９２によりアーム開閉電圧Ｅ_０が印加される。このアーム開閉電圧Ｅ_０を制御することで、アーム３Ａ，３Ｂの開閉動作が行われる。増幅器９１からの出力信号は、接触／把持検出回路９３に供給される。接触／把持検出回路９３は、試料の接触状態あるいは把持状態を検出するために、例えば電圧コンパレータあるいは周波数コンパレータを内蔵している（図示せず）。すなわち、電圧コンパレータを用いて増幅器９１の出力電圧値をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。周波数コンパレータを用いた場合には、増幅器９１から出力される信号の周波数をモニタすることにより、試料の接触／把持を検出する。

増幅器９１と櫛歯ドライブ（静電アクチュエータ）６とで発振回路を構成することにより、静電アクチュエータ６Ａに電圧を印加するとアーム３Ａ，３Ｂは共振周波数で振動することになる。この振動しているアーム３Ａ，３Ｂが試料や他の物に接触すると等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化し、振動の振幅および周波数が変化する。本実施の形態では、この振動・周波数の変化を接触／把持検出回路９３で検出することにより、アーム３Ａ，３Ｂによる試料の把持や、試料が載置されている基板面等へのアーム３Ａ，３Ｂの接触を検出するようにした。

しかしながら、アーム開閉電圧を変えてアーム３Ａ，３Ｂの開閉動作を行うと、アーム開閉電圧の大きさによって、すなわち、アーム３Ａ，３Ｂの開き具合によって振動の振幅および周波数が変化することが分かった。また、十分な接触検出の精度を得るためには、アーム３Ａ，３Ｂの振幅を１００ｎｍ程度まで小さくする必要がある。しかし、振幅が小さくなると空気の粘性等が原因して振動が不安定になり、不安定から振幅が小さくなった場合でも把持と誤判定してしまうおそれがあった。

そこで、本実施の形態では、ＡＧＣ回路９５により増幅器９１の利得を調整することで、アーム開閉によって入力Ｖ_１が変化しても、増幅器９１からの出力電圧Ｖ_０が一定となるようにした。そのため、アーム３Ａ，３Ｂが何も把持していないフリーな状態では、アーム３Ａ，３Ｂは一定の振幅で振動するようになる。但し、接触／把持検出回路９３により上記接触あるいは把持の状態を検出可能とするために、ＡＧＣ回路９５が有しているゲイン制御機能は、予め適切な値に設定しておく。このゲイン設定については、設計事項であるので詳細な記載は省略する。

図７では、増幅器９１に電圧制御型可変利得増幅器を使用し、出力レベル検出器（図示せず）、誤差検出回路（図示せず）および制御回路（図示せず）によりＡＧＣ回路９５を構成するようにした。すなわち、増幅器９１の出力電圧Ｖ_０を出力レベル検出器（図示せず）で監視し、出力レベル検出器（図示せず）から出力される直流電圧と予め設定されている基準電圧Ｖｒとを誤差検出回路（図示せず）で比較する。誤差検出回路（図示せず）は、比較結果として誤差信号ｋを制御回路（図示せず）に出力する。制御回路（図示せず）は、誤差信号ｋ（図示せず）がゼロとなるようなゲイン制御電圧Ｖｃを増幅器９１の制御端子に供給する。増幅器９１は、入力されたゲイン制御電圧Ｖｃに応じた利得で入力電圧Ｖ１を増幅し、出力電圧Ｖ_０を出力する。本実施の形態では、出力電圧Ｖ_０の増加に伴ってゲイン制御電圧Ｖｃを大きくし、増幅器９１の利得が小さくなるように制御して出力電圧Ｖ_０が一定になるように制御する。

図８は、ＡＧＣ回路９５の一例を示したものである。増幅器９１の出力電圧Ｖ_０は全波整流され、後段のオペアンプからは全波整流した電圧と基準電圧−Ｖｒとを比較した結果ゲイン制御電圧Ｖｃが出力される。ゲイン制御電圧ＶｃはＦＥＴ９７のゲートに入力され、ゲート電圧を変化させることで増幅器９１の利得を変化させる。ゲイン制御電圧Ｖｃは誤差信号ｋがゼロになるように制御されるので、一定振幅の出力電圧Ｖ_０が得られることになる。

図９はＡＧＣ機能を説明する図であり、アーム開閉電圧Ｅ_０およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときのアーム３Ａ，３Ｂの振幅を、レーザードップラー振動計を用いて測定したデータである。縦軸は振幅、横軸はゲイン制御電圧Ｖｃを示しており、４種類の開閉電圧１６，１８，２０，２２Ｖに対して曲線Ｌ１〜Ｌ４が得られた。例えば、ゲイン制御電圧ＶｃをＶｃ＝１Ｖに固定してＡＧＣ機能を働かせなかった場合、開閉電圧を１６Ｖに設定するとアーム３Ａ，３Ｂの振幅は約３μｍとなり、開閉電圧を１８Ｖに増加してアーム３Ａ，３Ｂを閉じると振動の振幅は約７μｍに増加する。

そこで、アーム開閉に関わらず振幅を一定に保つためには、開閉電圧の変化に同期してゲイン制御電圧Ｖｃを変化させれば良い。例えば、開閉電圧を１６Ｖ、１８Ｖ、２０Ｖと変化させてアームを閉じる場合に、その変化に同期させてゲイン制御電圧Ｖｃを１Ｖ、１．２Ｖ、１．３Ｖと変化させることで、振幅を約３μｍに保持することができる。

アーム３Ａ，３Ｂが振動しながら試料や他の物に接触したり、アーム３Ａ，３Ｂで試料を把持したり、アーム３Ａ，３Ｂ同士が接触するまで閉じたりすると、等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化して振動の振幅や周波数が変化するので、その変化を接触／把持検出回路９３で検出する。例えば、接触前後において、出力電圧Ｖ_０は図１０（ａ）の状態から図１０（ｂ）に示す状態へと変化する。この出力電圧Ｖ_０を直流信号に変換してその大きさを基準値と比較し、基準値以下となったならば接触状態や把持状態となったと判断する。

また、アーム３Ａ，３Ｂが試料に接触したり、試料を把持したりすると、アーム３Ａ，３Ｂの振幅を所定値に維持しようとＡＧＣ回路９５が働き、増幅器９１の制御端子に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃが変化する。そこで、増幅器９１に供給されるゲイン制御電圧Ｖｃの変化から振動の変化を検出し、それによって接触を検出するようにしても良い。ゲイン制御電圧Ｖｃの変化は振幅や周波数の変化に先立って検出されるので、より高感度な接触検出ができる。

上述したように、本実施の形態のナノピンセット１では、静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂを発振させてアーム３Ａ，３Ｂを微小振動させ、アーム３Ａ，３Ｂが試料等に接触したときの振動の変化を検出して接触や把持を検出するようにした。また、ＡＧＣ回路９５を用いて振動の振幅を一定に保持するようにした。そのため、従来のように静電アクチュエータの容量変化を検出する方法と比べて、検出感度、検出精度の安定性に優れている。本実施の形態の場合、検出感度は固有振動のＱ値によってきまり、容量変化を利用した場合に比べて１０〜１００倍の感度向上が期待できる。また、静電アクチュエータを振動子として用いた自励発振を利用しているので、回路の簡素化に関しても優れている。

なお、上述した実施の形態ではアーム３Ａ，３Ｂの両方を振動させたが、一方だけを振動させて、振動している方のアームにより接触検出や把持検出を行わせるものであっても良い。また、一方のアームだけを開閉動作および振動動作させるものであっても構わない。

さらに、一方のアームを静電方式に変わる他の方式のアクチュエータで開閉駆動し、他方のアームを静電アクチュエータで振動のみさせて、そのアームにより接触検出や把持検出を行わせても良い。他の方式のアクチュエータとしては、熱膨張によってアームを駆動させる熱アクチュエータなどがある。この場合には、振動する方のアームは開閉動作を行わないのでＡＧＣ回路９５を省略しても良いが、アームを微小振幅で安定的に振動させるためにはＡＧＣ回路９５を用いる方が好ましい。

《製造工程の説明》
次に、ＳＯＩ(silicon on insulator)基板を用いてナノピンセット１を形成する場合の、製造方法について説明する。なお、以下ではアーム３Ａ，３Ｂや静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂの部分の形成方法について説明し、駆動回路部９については説明および図示を省略する。駆動回路部９はアーム３Ａ，３Ｂや静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂを構成するものと同一のシリコン層に半導体プロセス技術によって形成しても良いし、別に作成した回路素子を台座７上に配置するようにしても良い。

ナノピンセット１の形成に用いる基板１００としては、図１１（ａ）に示すように＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るベース層１０１、酸化シリコンから成る絶縁層１０２、＜１１０＞方位の単結晶シリコンから成るシリコン層１０３が順に積層されたシリコン基板が用いられる。シリコン基板１００には、ＳＯＩ基板だけでなく、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。すなわち、最上層が＜１１０＞方位を有するシリコン層１０３であって、このシリコン層１０３の下層に絶縁層１０２が形成されているような層構造を有するシリコン基板であれば、ベース層１０１を多層構造としてもかまわない。

シリコン基板１００の各層の厚さの一例を述べると、シリコン層１０３は２５μｍ、絶
縁層１０２は１μｍ、ベース層１０１は３００μｍである。また、シリコン基板１００上における１つのナノピンセットを形成する領域は縦、横ともに数mmの矩形状をしている。図１１（ａ）に示す工程では、スパッタリング法や真空蒸着法などにより、厚さ約５０nmのアルミ層１０４をシリコン層１０３の表面に形成する。

次に、図１１（ｂ）のようにアルミ層１０４の表面にレジスト１０５を約２μｍの厚さで形成し、フォトリソグラフィによりレジスト１０５を露光・現像することにより、図１１（ｃ）に示すレジストパターン１０５ａを形成する。図１４はシリコン基板１００の斜視図であり、アルミ層１０４の上面に、アーム３Ａ，３Ｂ，静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂ等に対応するレジストパターン１０５ａが形成されている。なお、図１１（ｃ）は図７のＦ−Ｆ’断面を示したものである。

次に、図１１（ｄ）に示すように、このレジストパターン１０５ａをマスクとして混酸
液によりアルミ層１０４をエッチングし、シリコン層１０３を露出させる。その後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching）によりシリコン層１０３を垂直方向に異方性エッチングする。このエッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われ、エッチング終了後、硫酸・過酸化水素混合液によりレジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去する（図１２（ａ）参照）。

図１５は、レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後の基板１００を示す斜視図である。絶縁層１０２上には、同一シリコン層１０３により立体構造体が形成される。その立体構造体は、アーム３Ａ，３Ｂを構成する部分１０３ａと、静電アクチュエータ６Ａ，６Ｂを構成する部分１０３ｂと、電極端子８０〜８４を構成する部分１０３ｃと、後述するガード４を構成する部分１０３ｄとから成る。

次いで、露出した絶縁層１０２およびシリコン層１０３（１０３ａ〜１０３ｄ）を覆う
ようにレジスト１０６を塗布する（図１２（ｂ）参照）。レジスト１０６の塗布厚さは１０μｍ程度とする。その後、フォトリソグラフィによりレジスト１０６にマスクパターンを転写して現像することにより、図１６に示すようにアーム構成部１０３ａの先端部分におけるレジスト１０６が矩形状に除去されたレジストパターン１０６ａを形成する。そして、レジストパターン１０６ａをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥや通常のＲＩＥなどを行い、アーム構成部１０３ａの先端部分をナノピンセットの把持対象に合わせた形状および大きさに加工する。

次に、図１２（ｃ）に示すように基板１００を表裏反転させて、スパッタリング法や真空蒸着法によりベース層１０１の表面にアルミ層１０７を形成する。アルミ層１０７の厚さは、約５０nmとする。そして、アルミ層１０７の上にレジスト１０８を約２μｍの厚さに形成した後にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、そのレジスト１０８をマスクに用いてアルミ層１０７を混酸液によりエッチングする（図１３（ａ）参照）。

図１７は、レジスト１０８およびアルミ層１０７の形状を示す斜視図である。図１３（
ａ）は図１７のＧ−Ｇ’断面を示したものであり、絶縁層１０２の図示下側（表面側）にはシリコン層１０３によるアーム部１０３ａの断面が図示されている。図１７から判るように、レジスト１０８は、後述するガード４および連結部５に対応する部分Ｒ１，Ｒ２、台座７に対応する部分Ｒ３および図４の連結部材８に対応する部分Ｒ４が残っており、逆に図４に示した貫通孔７ａ，７ｂに対応する部分が除去されてベース層１０１が露出している。

その後、ベース層１０１の上に形成されたレジスト１０８およびアルミ層１０７をマスクとして、ベース層１０１をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。ベース層１０１は異方性エッチングにより垂直方向にエッチングされ、エッチングは絶縁層１０２が露出するまで行われる。エッチング終了後に、硫酸・過酸化水素混液によりレジスト１０８，１０６およびアルミ層１０７を除去する（図１３（ｂ）参照）。

図１８は、図１３（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示す図である。エッチングに
より、ベース層１０１には貫通孔７ａ，７ｂを有する台座７やガード４，連絡部５および連結部材８が形成される。基板１００上には、ガード４が形成されたナノピンセット１が複数形成される。次いで、台座上に露出している酸化シリコンから成る絶縁層１０２を、緩衝フッ化水素溶液を用いてエッチングする。その結果、シリコン層１０３とベース層１０１とで挟まれた領域を除いて、絶縁層１０２が除去される（図１３（ｃ）参照）。

図１９はベース層１０１の表面側を示す斜視図であり、図１３（ｃ）は図１９のＨ−Ｈ’断面を示したものである。電極部１０３とベース部１０１との間には絶縁層１０２が介在している。その後、図１３（ｄ）に示すように、露出しているベース層１０１の上および各構造体を構成するシリコン層１０３の上に、真空蒸着法等によりアルミ等からなる導体膜１０９を形成する。導体膜１０９の厚さは５００nm以下とする。

このようにして、ガード４を備えたナノピンセット１が形成される。なお、把持対象に
よってはＦＩＢなどの加工装置によりグリップ部３ａをさらに追加工しても良い。ガード４はナノピンセット１のアーム３Ａ，３Ｂを保護するものであり、連結部５により台座７に連結されている。ナノピンセット１を使用する際には、連結部５の部分を折って、ガード４をナノピンセット１から外して用いる。

［変形例］
図２０は、熱アクチュエータを用いたナノピンセットの一例を示す図である。開閉動作するアーム３Ａには、駆動レバー２３，２４から成る熱アクチュエータが設けられている。一方、静電アクチュエータ６Ｂが設けられたアーム３Ｂは、開閉動作は行わず振動動作のみを行う。駆動レバー２３，２４は、それぞれの梁部２３ａ，梁部２４ａがアーム３Ａに接続されている。梁部２４ａのＸ方向の幅は、梁部２３ａよりも狭く作製されている。

熱アクチュエータの駆動レバー２３，２４は電源部２００に接続されている。電源部２００は、直列に接続された２つの可変電源２００ａ，２００ｂを有し、可変電源２００ａのマイナス側が駆動レバー２３に接続され、可変電源２００ｂのプラス側が駆動レバー２４に接続されている。可変電源２００ａと２００ｂの接続点はアース電位とされる。

梁部２４ａの抵抗値は梁部２３ａよりも大きく設定されており、電源部２００から駆動レバー２３，２４へ電力が供給されると、ジュール熱の発生が大きな梁部２４ａの方が梁部２３ａよりも大きく熱膨張する。その結果、根元部分の幅が狭くなった部分２０ａを支点として、アーム３Ａが傾くように閉じる。なお、アーム３Ｂ側の振動駆動に関しては、上述したナノピンセットと同様であるので説明を省略するが、上述した実施の形態と同様の効果を奏することができる。

《把持動作の説明》
最後に、ナノピンセット１による把持動作の一例を図２１，２２を参照しながら説明する。前述したように、ナノピンセット１は、ＸＹＺステージ等によって３次元方向に移動することができる。まず、図２１（ａ）に示すように、アーム３Ａ，３Ｂを開いた状態で、ナノピンセット１をＺ軸方向に移動してアーム３Ａ，３Ｂを試料３００の方向へと近づける。この段階では、アーム６Ａ，３Ｂは自由な状態なので、自励発振により所定の振幅で振動している。

次に、図２１（ｂ）に示すように、試料３００が載置されている台３０２に接触すると、接触した際にアーム３Ａ，３Ｂの振動が小さくなる。接触による拘束力が非常に小さければＡＧＣ回路９５によって振幅を所定値に維持できるが、拘束力が振幅を所定値に維持できる範囲を越えると振幅が所定値よりも小さくなる。そして、アーム３Ａ，３Ｂを台３０２に押しつける力が増して拘束力がさらに大きくなると、振幅を一定に保てなくなりアーム３Ａ，３Ｂの振動が停止する。図２１（ｂ）では、振動が停止した状態を示した。

この場合、アーム３Ａ，３Ｂの台３０２への接触は、上述したように周波数の変化、振幅の変化、制御電圧Ｖｃの変化のいずれかにより検出することができる。例えば、振幅が基準値よりも小さくなった場合に、アーム３Ａ，３Ｂが台３０２に接触したと判断する。

図２１（ｃ）では、把持動作に移行するために、アーム３Ａ，３Ｂを微少量だけ上昇させる。その結果、アーム３Ａ，３Ｂが再び振動することになる。アーム３Ａ，３Ｂを台３０２から微少量上昇させたならば、アーム開閉電圧を上げて、図２２（ａ）に示すようにアーム３Ａ，３Ｂの閉動作を開始する。そして、図２２（ｂ）に示すようにアーム３Ａ，３Ｂが試料３００を把持すると、把持力によってアーム３Ａ，３Ｂの振動が停止する。アーム３Ａ，３Ｂの振動の停止は、図７の接触・把持検出回路９３により検出される。把持が検出されたならば、アーム開閉電圧の上昇を停止して把持検出時の電圧に保持する。その後、ＸＹＺステージを駆動して、図２２（ｃ）に示すように試料３００を把持した状態でナノピンセット１を移動し、試料３００を所望の位置へと搬送する。

図７に示した駆動回路部９および接触／把持検出回路９３は、振動振幅を検出することにより櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するものである。しかし、櫛歯ドライブの接触・把持状態を検出するためには、周波数検出に基づいて接触・把持状態を検出すること、あるいは位相検出に基づいて接触・把持状態を検出することも可能である。以下、周波数検出系を備えた接触・把持検出回路、および、位相検出系を備えた接触・把持検出回路について説明する。

図２３は、振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、図７と異なり、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。ＦＭデモジュレータＦＭＤＭは、基準周波数ｆ_０に対する周波数シフト量を検出して周波数偏差信号を出力する。この周波数偏差信号は接触／把持検出回路９３Ａに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。

図２４は、位相検出系を備えた接触・把持検出回路である。本図において、図７と同様の構成要素には、図７と同様の符号を付してある。本図では、上記図２３の場合と同様、増幅器９１の正帰還路中にバンドパスフィルタＢＰＦおよび位相シフタＰＳを含んでいる。位相シフタＰＳを調整することにより、発振周波数の微調整を行うことができる。本図では、位相検出器ＰＨＤＥＴを備えており、予め調整した任意の位相（フリー状態の位相を用いる）を零位相として、位相シフト量を電圧に変換する。位相検出器ＰＨＤＥＴの出力信号は接触／把持検出回路９３Ｂに入力され、図示されていない閾値回路による判定結果に基づいて、試料との接触あるいは把持状態が検出される。

上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してナノピンセットを形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法によりナノピンセットを形成しても良い。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明によるナノピンセットの一実施の形態を示す図である。 グリップ部３０の詳細を示す拡大図である。 アーム３Ａと可動電極６１ａとの連結部分を示す拡大図である。 ナノピンセットの断面形状を示す図であり、図１のＡ−Ａ’断面，Ｂ−Ｂ’断面，Ｃ−Ｃ’断面およびＤ−Ｄ’断面をそれぞれ示す図である。 （ａ）は静電アクチュエータ６Ａの固定電極６０ａおよび可動電極６１ａの構造を示す拡大図であり、（ｂ）は静電アクチュエータ６Ａにおける電気・機械結合系の等価回路を示す図である。 アドミッタンス値｜Ｙ｜の角周波数依存性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。 駆動回路部９を説明するブロック図である。 ＡＧＣ回路９５の一例を示す図である。 開閉電圧およびゲイン制御電圧Ｖｃを変えたときのアーム３Ａ，３Ｂの振幅の測定データを示す図である。 接触前後における出力電圧Ｖ_０の一例を示す図であり、（ａ）は接触前の信号を、（ｂ）は接触後の信号をそれぞれ示す。 ナノピンセットの製造手順を説明する図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工程が進む。 図１１の工程に続く工程を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に工程が進む。 図１２の工程に続く工程を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）の順に工程が進む。 図１１（ｃ）のシリコン基板１００の斜視図である。 レジストパターン１０５ａおよびアルミ層１０４を除去した後の基板１００を示す斜視図である。 レジストパターン１０６ａを示す斜視図である。 図１３（ａ）のレジスト１０８およびアルミ層１０７の形状を示す斜視図である。 図１３（ｂ）に示すベース層１０１の裏面側を示す図である。 図１３（ｃ）のベース層１０１の表面側を示す斜視図である。 熱アクチュエータを用いたナノピンセットの一例を示す図である。 ナノピンセット１による把持動作を説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に動作が行われる。 図２１に示す把持動作に続く手順を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に動作が行われる。 振動周波数検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。 位相検出系を備えた接触・把持検出回路を示す図である。

符号の説明

１：ナノピンセット、３Ａ，３Ｂ：アーム、６Ａ，６Ｂ：静電アクチュエータ、８：連結部材、９：駆動回路部、１１：共振回路、２３，２４：駆動レバー、６０ａ，６０ｂ：固定電極、６１ａ，６１ａ：可動電極、９１：増幅器、９２：ＤＣ電源、９３：接触／把持検出回路、９５：ＡＧＣ回路、６００，６１０：櫛歯、３００：試料

Claims (5)

1. 開閉自在な一対のアームと、
   開閉駆動電圧が印加され、前記一対のアームの少なくとも一方を開閉駆動する静電アクチュエータと、
   前記静電アクチュエータが有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記アームを振動させる増幅器と、
   前記アームの物体への接触による振動状態の変化を検出する振動状態検出部と、
   前記自励発振により振動する前記アームの振幅が非接触時に一定となるように、前記開閉駆動電圧に基づいて前記増幅器の利得を調整する利得調整手段と、を備えた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、
   前記振動状態検出部で検出された前記振動状態の変化に基づき、前記アームによる試料の把持を検出する把持検出手段をさらに備えた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、
   前記振動状態の変化は、前記アームの物体への接触による共振振動の振幅の変化、周波数の変化および位相の変化のいずれか一つであることを特徴とするナノピンセット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のナノピンセットにおいて、
   前記静電アクチュエータは、静止櫛歯電極部と、前記アームに連結されて該アームを駆動する可動櫛歯電極部とを有することを特徴とするナノピンセット。
5. 請求項１に記載のナノピンセットによる試料の把持方法であって、
   前記振動状態検出部により前記振動状態の変化が検出されるまで、前記ナノピンセットを前記試料が載置された載置部の方向へ移動し、
   前記振動状態検出部により前記振動状態の変化が検出されたならば、前記ナノピンセットを前記載置部の方向と逆の方向に所定移動量だけ移動し、
   前記移動の後に前記静電アクチュエータにより前記アームを閉駆動し、
   前記振動状態検出部により前記振動状態の変化が検出されたならば、前記静電アクチュエータによる前記アームの閉駆動を停止することを特徴とする把持方法。

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