JP5489363B2 - μｍスケールの物体、およびｎｍスケールの物体を掴み、これをリリースする素子。 - Google Patents
μｍスケールの物体、およびｎｍスケールの物体を掴み、これをリリースする素子。 Download PDFInfo
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Description
本発明は、マイクロ操作およびナノ操作、マイクロ技術およびナノ技術、およびナノ／マイクロスケールでの自動化に関する。
マイクロ／ナノ操作には、強い密着力のために端部エフェクターから掴んだ物体をリリースすることが長い間難しかった課題がある。力のスケーリングは毛細管作用力、静電力、および体積力（例えば重力）を支配するファンデルワース力を含む表面力（例えば密着力）の原因になる。迅速かつ正確にリリースする方法を求めて、現在までいくつかの提案がなされている。
“拾い上げて置く”間の表面密着性を変えると、一つのニードルプローブでμｍスケールサイズ物体を操作することができる（Ｏ．Ｆｕｃｈｉｗａｋｉ、Ａ．Ｉｔｏ、Ｄ．Ｍｉｓａｋｉ，ａｎｄ Ｈ．Ａｏｙａｍａ、“Ｍｕｌｔｉ−ａｘｉａｌ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｂｙ ｖｅｒａｔｉｌｅ ｍｉｃｒｏ ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｔｗｅｅｚｅｒｓ”、ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ｐａｓａｄｅｎａ、ＣＡ、ＵＳＡ、Ｍａｙ ２００８、ｐｐ．８９３−８９８）。この方法は、物体をリリースする基体上に設けられたＵＶ硬化接着剤を利用する方法である。
従来は、一本のニードルプローブの回転運動を利用して物体を掴む操作と開放する操作との間で前記密着力を操作していたが、これはミクロな球体を使用してダイヤモンド形状の構造体を構成するさいには成功していた（Ｓ．Ｓａｉｔｏ、Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ、Ｔ．Ｓａｔｏ、ａｎｄ Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ、“Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９２、ｐｐ．５１４０−５１４９、２００２）。ところが、Ｓａｉｔｏ等が提案した方法の場合、複雑な動作を実行するために高度な技術を持つ作業員が必要であり、試行錯誤的な方法を利用するものである。
基体密着性を利用せずに物体をリリースする能動的な方法も提案されている。即ち、基体‐プローブ電位差が作り出す電場を利用して、プローブから物体をリリースする方法である（Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ、Ｈ．Ｋａｊｉｈａｒａ、Ｍ．Ｕｒａｇｏ、Ｓ．Ｓａｉｔｏ、Ｙ．Ｍｏｃｈｉｍａｒｕ、ａｎｄ Ｔ．Ｏｎｚａｗａ“Ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｏ ｄｅｔａｃｈ ａｎ ａｄｈｅｒｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｙ ｃｏｕｌｏｍｂ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ”、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９０、ｐｐ．４３２−４３７、２００１）。ところが、この方法の場合、基体、プローブおよび物体はいずれも電導性でなければならない。
真空法の場合、物体を拾い上げる操作とこれを置く操作との間に生じる圧力差を利用していた（Ｗ．Ｚｅｓｃｈ、Ｍ．Ｂｍｎｎｅｒ、ａｎｄ Ａ．Ｗｅｂｅｒ，“Ｖａｃｕｕｍ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｎａｎｏ ｒｏｂｏｔ，”ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、ＮＭ、ＵＳＡ、Ａｐｒ．１９９７、ｐｐ．１７６１−１７６６）。ところが、この方法の場合、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）内部などの真空環境内で使用することには向いていないため、μｍ以下の物体を操作する能力に限界がある。
真空法の場合、物体を拾い上げる操作とこれを置く操作との間に生じる圧力差を利用していた（Ｗ．Ｚｅｓｃｈ、Ｍ．Ｂｍｎｎｅｒ、ａｎｄ Ａ．Ｗｅｂｅｒ，“Ｖａｃｕｕｍ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｎａｎｏ ｒｏｂｏｔ，”ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、ＮＭ、ＵＳＡ、Ａｐｒ．１９９７、ｐｐ．１７６１−１７６６）。ところが、この方法の場合、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）内部などの真空環境内で使用することには向いていないため、μｍ以下の物体を操作する能力に限界がある。
マイクロペルティエ冷却機の場合、氷滴を同時形成して、μｍサイズの物体を拾い上げ、そして氷滴を解凍して物体をリリースするために使用されていた（Ｂ．Ｌｏｐｅｚ−Ｗａｌｌｅ、Ｍ．Ｇａｕｔｈｉｅｒ、ａｎｄ Ｎ．Ｃｈａｉｌｌｅｔ、“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｓｕｂ−ｍｅｒｇｅｄ ｆｒｅｅｚｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ、ｖｏｌ．２４，ｐｐ．８９７−９０２、２００８）。ところが、Ｌｏｐｅｚ−Ｗａｌｌｅなどが開示している操作の場合、水性環境内で行う必要がある。
米国特許第６，９８７，２７７号公報には、走査型プローブ顕微鏡先端を使用して、パッシベーション処理した基体のスポットを選択的に活性化することによってｎｍスケールの物体を拾い上げ、これを置き、次に化学的・物理的結合力を使用して、ｎｍスケールの物体をこの活性化されたスポット上にリリースする方法が開示されている。この方法の場合、特別に処理されたサンプルおよび基体が必要である。
米国特許第６，９８７，２７７号公報には、走査型プローブ顕微鏡先端を使用して、パッシベーション処理した基体のスポットを選択的に活性化することによってｎｍスケールの物体を拾い上げ、これを置き、次に化学的・物理的結合力を使用して、ｎｍスケールの物体をこの活性化されたスポット上にリリースする方法が開示されている。この方法の場合、特別に処理されたサンプルおよび基体が必要である。
米国特許第６，６４８，３８９号公報には、サンプルを拾い上げ、リリースするための振動型放出マイクログリッパーが開示されている。このマイクログリッパーの製造プロセスは、そのスケールダウン能力に限界があり、開放精度も良くないことは、同様な振動型設計に見られる通りである（Ｙ．Ｆａｎｇ ａｎｄ Ｘ．Ｔａｎ、“Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｊｋｒ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｌｅａｓｅ ｉｎ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ，”ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｂｅｉｊｉｎｇ、Ｃｈｉｎａ、Ｏｃｔ．２００６、ｐｐ．１３４１−１３４５）。
また、米国特許第７，０２５，６１９号公報には、機械式ソケットを使用して、２つのマイクロ部品をロックし組み立てることが開示されている。この方法の場合、組み立てのために、各部品が特別設計の機械式接続部をもつ必要がある。
また、米国特許第７，０２５，６１９号公報には、機械式ソケットを使用して、２つのマイクロ部品をロックし組み立てることが開示されている。この方法の場合、組み立てのために、各部品が特別設計の機械式接続部をもつ必要がある。
いくつかのマイクログリッパー特許設計が存在しているが、いずれも掴む能力のみに焦点を向けている。リリース性が信頼できる公知グリッパー設計は見当たらない。例えば、米国特許第６，８６２，９２１号公報（Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．）には、２つの走査型プローブ顕微鏡先端を併用して、操作用ピンセットを形成することが開示されている。また、米国特許第７，２６１，３５２号公報（Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏ．， Ｌｔｄ）には、カーボンナノチューブグリッパー素子が開示されている。ＺｙｖｅｘやＮａｓｃａｔｅｃなどのマイクロ技術およびナノ技術を得意とする他の企業も物体を拾い上げることができる異なるタイプのマイクログリッパーおよびマイクロプローブを製品化しているが、いずれもリリース機構を欠いている。
リリース機構を欠いているだけでなく、既存の設計は、ダウンスケーリング能力にも制限がある。ｎｍサイズの物体を操作するためには、理想的には、素子の操作端部が物体に匹敵するサイズをもっていなければならない。これは、素子におけるすべての構造的部材が同じ厚さである、大半のＭＥＭＳ型（マイクロエレクトロメカニカル系）マイクログリッパーでは実現しにくい。素子の厚さを薄くすると、重なり合う面積または容積が小さくなるため、マイクロアクチュエーターの性能が大きく低下し、またフレクシャーのアスペクト比が悪くなり、操作時に望ましくない動作が発生する。ニードルプローブの場合、ダウンスケーリングは実現しやすいが、拾い上げ能力がかなり制限される。
Ｏ．Ｆｕｃｈｉｗａｋｉ、Ａ．Ｉｔｏ、Ｄ．Ｍｉｓａｋｉ，ａｎｄ Ｈ．Ａｏｙａｍａ、"Ｍｕｌｔｉ−ａｘｉａｌ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｂｙ ｖｅｒａｔｉｌｅ ｍｉｃｒｏ ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｔｗｅｅｚｅｒｓ"、ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ｐａｓａｄｅｎａ、ＣＡ、ＵＳＡ、Ｍａｙ ２００８、ｐｐ．８９３−８９８
Ｓ．Ｓａｉｔｏ、Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ、Ｔ．Ｓａｔｏ、ａｎｄ Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ、"Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９２、ｐｐ．５１４０−５１４９、２００２
Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ、Ｈ．Ｋａｊｉｈａｒａ、Ｍ．Ｕｒａｇｏ、Ｓ．Ｓａｉｔｏ、Ｙ．Ｍｏｃｈｉｍａｒｕ、ａｎｄ Ｔ．Ｏｎｚａｗａ"Ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｔｏ ｄｅｔａｃｈ ａｎ ａｄｈｅｒｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｙ ｃｏｕｌｏｍｂ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ"、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、ｖｏｌ．９０、ｐｐ．４３２−４３７、２００１
Ｗ．Ｚｅｓｃｈ、Ｍ．Ｂｍｎｎｅｒ、ａｎｄ Ａ．Ｗｅｂｅｒ，"Ｖａｃｕｕｍ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｎａｎｏ ｒｏｂｏｔ，"ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、ＮＭ、ＵＳＡ、Ａｐｒ．１９９７、ｐｐ．１７６１−１７６６；
Ｂ．Ｌｏｐｅｚ−Ｗａｌｌｅ、Ｍ．Ｇａｕｔｈｉｅｒ、ａｎｄ Ｎ．Ｃｈａｉｌｌｅｔ、"Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｓｕｂ−ｍｅｒｇｅｄ ｆｒｅｅｚｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ、ｖｏｌ．２４，ｐｐ．８９７−９０２、２００８
Ｙ．Ｆａｎｇ ａｎｄ Ｘ．Ｔａｎ、"Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｊｋｒ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｌｅａｓｅ ｉｎ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ，"ｉｎ Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｂｅｉｊｉｎｇ、Ｃｈｉｎａ、Ｏｃｔ．２００６、ｐｐ．１３４１−１３４５
従来技術の問題を要約すると、従来方法の場合、高度な再現性と正確なリリース性を欠いているため、その場でサンプルを作成し、操作するために重要であるだけでなく、μｍサイズやｎｍサイズの構造／素子を構成するために重要な、効率が良く自動化されたｎｍレベルやμｍレベルの操作に制限が出てくる。必要なことは、（１）μｍおよびｎｍサイズの物体を簡単かつ確実に掴むことができること、（２）物体のリリースが迅速で、高度の再現性があり、正確であること、および（３）μｍサイズ以下及びｎｍサイズの物体を操作するためのダウンスケーリングが容易なグリッパ−デザインである。
本発明の一つの態様は、ｎｍサイズ又はμｍサイズの物体を掴むことができ、物体を能動的にリリースできる素子を提供するものである。
本発明の別な態様は、物体を掴み、この物体を能動的にリリースできる素子の製造方法を提供するものである。
本発明の別な態様は、物体を掴み、この物体を能動的にリリースできる素子の製造方法を提供するものである。
即ち、本発明の第１態様は、ｎｍスケールサイズの物体あるいはμｍスケールサイズの物体を操作する素子であって、
（ａ）物体を掴むグリップ作用アーム、
（ｂ）物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、および
（ｃ）グリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有することを特徴とする前記素子である。
（ａ）物体を掴むグリップ作用アーム、
（ｂ）物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、および
（ｃ）グリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有することを特徴とする前記素子である。
本発明のさらに別な態様は、ｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作する素子を製造する方法であって、この素子が構造要素を有し、これら構造要素が、物体を掴むグリップ作用アーム、物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、およびグリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有するものであり、以下の工程を有することを特徴とする方法である：
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、および
（ｄ）上面側から底部層の露出領域をエッチングして、物体を操作する素子を製造する工程。
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、および
（ｄ）上面側から底部層の露出領域をエッチングして、物体を操作する素子を製造する工程。
本発明のさらに別な態様は、ｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作する素子を製造する方法であって、この素子が構造要素を有し、これら構造要素が、物体を掴むグリップ作用アーム、物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、およびグリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有するものであり、このグリップ作用アームが所定厚さに設定されたグリップ作用先端を有し、そして前記方法が前記構造要素に対して前記先端の厚さを選択的に小さくできるもので、以下の工程を有することを特徴とする方法：
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の構造要素に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記構造要素に対して厚みを薄くしたグリップ作用先端部をもつ前記素子を提供する工程。
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の構造要素に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記構造要素に対して厚みを薄くしたグリップ作用先端部をもつ前記素子を提供する工程。
本発明のさらに別な態様は、ｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作する素子を製造する方法であって、この素子が構造要素を有し、これら構造要素が、物体を掴むグリップ作用アーム、物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、およびグリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有するものであり、シリコン担持絶縁体ウェーハーをその一つの側からパターンエッチングすることを特徴とする前記方法である。
本発明のさらに別な態様は、ウェーハーの一つの側から２つの構成材料層をパターニングしてｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作する素子を製造するマイクロ製造方法であって、上記素子が高アスペクト比構造体および低アスペクト比構造体からなり、そして以下の工程を有することを特徴とする上記方法：
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の高アスペクト比構造体に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記素子の低アスペクト比構造体を形成する工程。
本発明のさらに別な態様は、ウェーハーの一つの側から２つの構成材料層をパターニングしてｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作する素子を製造するマイクロ製造方法であって、上記素子が高アスペクト比構造体および低アスペクト比構造体からなり、そして以下の工程を有することを特徴とする上記方法：
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の高アスペクト比構造体に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記素子の低アスペクト比構造体を形成する工程。
本発明のさらに別な態様は、ｎｍスケールサイズの物体またはμｍスケールサイズの物体を操作できる素子を使用して物体を掴み、これを目的のターゲット領域に置く方法であって、前記素子が物体の周囲で開閉するグリップ作用アーム、物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、およびグリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させるマイクロアクチュエーション手段を有するものであり、そして以下の工程を有することを特徴とする上記方法：
（ａ）掴むべき物体の周囲にグリップ作用アームを締める工程、
（ｂ）素子を移動させて物体を持ち上げ、物体を目的のターゲット領域に移す工程、
（ｃ）グリップ作用アームを開く工程、および
（ｄ）リリースプランジャーを作動させて、グリップ作用アームのうち一つのアームに密着力によって密着されている物体を能動的にリリースし、物体をターゲット領域に置く工程。
本発明のさらに別な態様は、バッチ式マイクロ製造技術で製造したシングルチップ型集積（一体化）ＭＥＭＳ素子である。即ち、静電的か、あるいは電熱的に駆動されるグリッパーであり、２つの独立作動グリップ作用アームおよびこれと一体化された、物体を能動的にリリースするプランジャーを使用して、μｍサイズの物体またはｎｍサイズの物体を掴むグリッパーである。このプランジャーは、物体に衝撃を与えるかあるいはこれを押すことができ、密着されている物体に密着力を超える十分なモーメンタム与えて、要求があればこれをリリースできるものである。
前述のように、物体を掴み能動的にリリースする素子を有する本発明によれば（１）μｍサイズ又はｎｍサイズの物体を簡単かつ確実に掴むことができること、（２）物体のターゲット領域でのリリースが迅速で、高度の再現性があり、正確であること、および（３）μｍサイズ以下やｎｍサイズの物体を操作するためのマイクログリップ作用先端のダウンスケーリングが正確であることといった作用効果を実現することができる。
（ａ）掴むべき物体の周囲にグリップ作用アームを締める工程、
（ｂ）素子を移動させて物体を持ち上げ、物体を目的のターゲット領域に移す工程、
（ｃ）グリップ作用アームを開く工程、および
（ｄ）リリースプランジャーを作動させて、グリップ作用アームのうち一つのアームに密着力によって密着されている物体を能動的にリリースし、物体をターゲット領域に置く工程。
本発明のさらに別な態様は、バッチ式マイクロ製造技術で製造したシングルチップ型集積（一体化）ＭＥＭＳ素子である。即ち、静電的か、あるいは電熱的に駆動されるグリッパーであり、２つの独立作動グリップ作用アームおよびこれと一体化された、物体を能動的にリリースするプランジャーを使用して、μｍサイズの物体またはｎｍサイズの物体を掴むグリッパーである。このプランジャーは、物体に衝撃を与えるかあるいはこれを押すことができ、密着されている物体に密着力を超える十分なモーメンタム与えて、要求があればこれをリリースできるものである。
前述のように、物体を掴み能動的にリリースする素子を有する本発明によれば（１）μｍサイズ又はｎｍサイズの物体を簡単かつ確実に掴むことができること、（２）物体のターゲット領域でのリリースが迅速で、高度の再現性があり、正確であること、および（３）μｍサイズ以下やｎｍサイズの物体を操作するためのマイクログリップ作用先端のダウンスケーリングが正確であることといった作用効果を実現することができる。
以下例示のみを目的として、添付図面を参考にして本発明の実施態様を詳細に説明する。
添付図面を参考にして本発明の実施態様を例示のみを目的として説明する。なお、以下の説明および図面は説明のみを目的とし、理解の一助になるもので、本発明の範囲を限定して定義するものではない。
本発明は、μｍサイズおよびｎｍサイズの物体を高度の反復性でかつ正確に“拾い上げて置く”ことができる能動的リリースプランジャーからなる素子を提供するものである。具体的には、本発明は、従来設計の問題（即ち、リリースおよびダウンスケーリングに関する問題）を解決するもので、要求に応じて物体を掴み、これをリリースできるμｍ／ｎｍスケールの工具素子を提供し、かつ新規なマイクロ製造技術プロセスによってダウンスケーリングを容易にするものである。
即ち、本発明の第１態様は、ｎｍスケールサイズの物体あるいはμｍスケールサイズの物体を操作する素子であって、
（ａ）物体を掴むグリップ作用アーム、
（ｂ）物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、および
（ｃ）グリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有することを特徴とする前記素子である。
（ａ）物体を掴むグリップ作用アーム、
（ｂ）物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、および
（ｃ）グリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させて物体を掴み、そしてグリップ作用アームから物体を能動的にリリースするマイクロアクチュエーション手段を有することを特徴とする前記素子である。
本発明の別な態様は、ウェーハーの片面から２つの材料層をパターンニングできる新規なマイクロ技術製造方法である。このマイクロ技術製造方法は、多層ウェーハー（例えばシリコン担持絶縁体ウェーハーなど）を使用して、高アスペクト比構造体および端部が薄い構造体を有する素子を構成する最も標準的なマイクロ技術製造プロセスに統合できる。ｎｍスケールサイズの物体を操作する素子の場合、このマイクロ技術製造方法を使用すると、操作すべきｎｍサイズの物体に匹敵する厚みをもち、高アスペクト比構造体および低アスペクト比構造体の両方を備えた素子を構成できる。即ち、本発明のさらに別な態様は、高アスペクト比構造体および低アスペクト比構造体をもつ、ｎｍスケールサイズの物体を操作する素子の製造方法であって、以下の工程を有することを特徴とする：
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の高アスペクト比構造体に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記素子の低アスペクト比構造体を形成する工程。
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を示す材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する工程、
（ｂ）前記素子に対応する上部層の目的の最終パターンに上部層をパターンエッチングする工程、
（ｃ）上部層にフォトレジストマスクを設層し、前記素子の高アスペクト比構造体に対応する中間層の目的の最終パターンにこのマスクをパターニングする工程、
（ｄ）上面側から中間層の露出領域を底部層までエッチングする工程、
（ｅ）上面側から上部層および底部層の露出領域をエッチングする工程、および
（ｆ）上面側から中間層の露出領域をエッチングして、前記素子の低アスペクト比構造体を形成する工程。
本発明の別な態様は、ｎｍスケールサイズの物体やμｍスケールサイズの物体を操作できる素子を使用して物体を掴み、これを目的のターゲット領域に置く方法であって、前記素子が物体の周辺で開閉するグリップ作用アーム、物体をグリップ作用アームから能動的にリリースするリリースプランジャー、およびグリップ作用アームおよびリリースプランジャーに接続され、グリップ作用アームおよびリリースプランジャーを作動させるマイクロアクチュエーション手段を有するものであり、そして以下の工程を有することを特徴とする：
（ａ）掴むべき物体の周囲にグリップ作用アームを締める工程、
（ｂ）素子を移動させて物体を持ち上げ、物体を目的のターゲット領域に移す工程、
（ｃ）グリップ作用アームを開く工程、および
（ｄ）リリースプランジャーを作動させて、グリップ作用アームのうち一つのアームに密着力によって密着されている物体を能動的にリリースし、物体をターゲット領域に置く工程。
（ａ）掴むべき物体の周囲にグリップ作用アームを締める工程、
（ｂ）素子を移動させて物体を持ち上げ、物体を目的のターゲット領域に移す工程、
（ｃ）グリップ作用アームを開く工程、および
（ｄ）リリースプランジャーを作動させて、グリップ作用アームのうち一つのアームに密着力によって密着されている物体を能動的にリリースし、物体をターゲット領域に置く工程。
本明細書では操作という用語を使用するが、これはｎｍスケールの物体またはμｍスケールの物体の変位操作や組み立て操作を意味し、制限する意図はないが例示すれば、ｎｍスケールの物体またはμｍスケールの物体を掴む操作、持ち上げ操作、押す操作、解き放つ（リリース）操作、射出する操作をいう。
図１および図２に、本発明の物体を掴み、これを能動的にリリースする素子の一実施態様を示す。この実施態様の場合、物体を掴み、これを能動的にリリースする素子は、（ｉ）それぞれが２つのグリップ作用アームＧ１、Ｇ２のうち一つを制御して掴み操作とグリッパー‐プランジャー動作をアラインメントさせる２つの静電くし形駆動マイクロアクチュエーターＢ、Ｃ、（ｉｉ）能動的リリースプランジャーを制御する静電くし形駆動アクチュエーターＤ、および（ｉｉｉ）作動する力を変位に変形するために使用する線形ビームフレクシャーＦ１、Ｆ２、Ｆ３の３つの構成部分からなる静電作動式マイクログリッパーからなる。
図１および図２に、本発明の物体を掴み、これを能動的にリリースする素子の一実施態様を示す。この実施態様の場合、物体を掴み、これを能動的にリリースする素子は、（ｉ）それぞれが２つのグリップ作用アームＧ１、Ｇ２のうち一つを制御して掴み操作とグリッパー‐プランジャー動作をアラインメントさせる２つの静電くし形駆動マイクロアクチュエーターＢ、Ｃ、（ｉｉ）能動的リリースプランジャーを制御する静電くし形駆動アクチュエーターＤ、および（ｉｉｉ）作動する力を変位に変形するために使用する線形ビームフレクシャーＦ１、Ｆ２、Ｆ３の３つの構成部分からなる静電作動式マイクログリッパーからなる。
図１および図２の実施態様の場合、グリッパーおよびプランジャーは横方向くし形駆動マイクロアクチュエーターによって作動するが、他の形式の静電アクチュエーター、電熱アクチュエーターやその他のマイクロアクチュエーターを運動／力増幅／逓減機構と併用することも可能であり、いずれも本発明の範囲に含まれる。
帯域幅が広く、運動解像力が高く、温度勾配がなく、実装が簡単な上、表面密着力より強い十分な力出力があるため、横方向くし形駆動マイクロアクチュエーターは、マイクロ／ナノ操作に対して理想的な素子である。フレクシャーＦ１、Ｆ２、Ｆ３の寸法を変えることによって、あるいはくし形駆動マイクロアクチュエーターＢ、Ｃ、Ｄの寸法を変えることによってアクチュエーターの運動範囲および解像力を調節できる。
このくし形駆動マイクロアクチュエーターＢは、フレクシャーＦ１を偏向させる力を発生する。線形運動は、グリップ作用アームＧ１に直接伝達される。フレクシャーＦ２を介してマイクロアクチュエーターＣに接続された第２のグリップ作用アームＧ２の構成は対称的である。グリップ作用アームは、電極Ｅ２とＥ１との間に、あるいはＥ４とＥ１との間に電圧を印加することによって個々に制御される。グリップ作用先端部の間隔が、掴むべき物体のサイズを決定する。
くし形駆動マイクロアクチュエーターが発生する力がフレクシャーＦ３を偏向させ、線形運動を造り出す場合、電圧を電極Ｅ３とＥ１との間に印加することによって能動的リリースプランジャーＰを制御する。４つのテザード式（ｔｅｔｈｅｒｅｄ）フレクシャーＦ３によりプランジャー先端部に対するｘ−ｙ面内における面外運動が最小になる。
この能動的リリースプランジャーは別な方法でも使用することができる。基体を独立してリリースする場合、作動電圧が急に上昇するため、プランジャーＰが高速移動し、グリップ作用アームＧ１またはＧ２に密着している物体に衝突する。この衝撃により密着している物体が十分なモーメンタムを獲得し、物体とグリップ作用アームとの間の密着力より大きくなる結果、リリースが生じる。プランジャーの移動速度が比較的低速の場合は、密着物体がグリップ作用アームから押し出され、直接基体内に落ちるが、リリースが上手くいくかどうかは、プランジャー／物体の接触面間の密着力差、および物体／基体接触面間の密着力差に依存する。プランジャーがグリップ作用アーム先端部を超えた場合にも、操作ニードルプローブとして機能する。
アクチュエーション電圧の上昇分布が異なると、プランジャー速度および力も異なってくる。大きさが〜１０μｍのマイクロスフィアで行った一つの具体的な実験では、作動電圧が急に上昇すると、リリースを確保できることが実証された。高速ビデオグラフィー（１３，０００フレーム／秒）を使用して最大プランジ動作速度を定量化した結果から、プランジ動作速度が６５．２４ｍｍ／秒の場合、マイクロスフィア速度が１０５．０１ｍｍ／秒になることが明らかになった。プランジ動作速度が高速になると、サンプル作成（例えばベーキング）にそれ程注意を向ける必要もなくなり、あるいは環境制御（例えば湿度）への必要性も少なくなる。
図３は、高速プランジャーを使用して行うマイクロスフィアのマイクロ操作シーケンスを示す図である。即ち、（ａ）マイクログリッパーがマイクロスフィアに近づき、一つのグリップ作用アームを使用してこれを横方向に押してマイクロスフィアと基体との間の初期密着を破る。（ｂ）２つのグリップ作用アームを閉じ、マイクロスフィアを掴みこれを持ち上げる。（ｃ）マイクロスフィアをターゲット領域に移し、基体上に最小距離で置く。（ｄ）グリップ作用アームを開き、マイクロスフィアが密着しているグリップ作用アームによりマイクロスフィアをプランジャーに対して右側に正しく移す。（ｅ）プランジャーでマイクロスフィアを押し出し、基体上に正確に置く。（ｆ）マイクログリッパーを後退させ、“拾い上げて置く”プロセスを繰り返す。
物体を置く精度（ランディング精度）は、基体上のグリップ作用アームおよびプランジャーの高さに反比例する。ランディング精度を高めるためには、マイクログリッパーを目的地上に短い距離で置く必要がある。高速プランジャーを使用すると、衝撃時にこのマイクロ物体をプランジャーから離しておくことができるため、リリース性能を基体と無関係にしておくことができる。なお、ここで使用する“基体”とは、物体をリリースすべき任意の表面、例えば三次元構造の構成時などの別な物体の上部を意味する。図４に、基体の２μｍの高さから１０μｍのマイクロスフィアを能動的にリリースした代表的な実験における精度結果を示す。
この具体的な構成におけるリリース精度は０．７±０．４６μｍである。位置設定システムの精度／再現性は〜１μｍで環境パラメーターを厳密に制御していないため、本発明技術のみのリリース精度は、数百ｎｍ以上と考えられる。
直観的な能動的リリース設計が、周囲環境および真空環境の両者においてμｍサイズの物体およびｎｍサイズの物体を拾い上げリリースできる設計は、この種の設計の嚆矢である。本発明の場合、対象とする物体のサイズ範囲は約１ｎｍ〜約５００μｍである。本発明による新規な素子は広い用途で利用できる。例示すれば、細胞研究で使用する電子顕微鏡における生物細胞の物理的変性および切断、光学顕微鏡および電子顕微鏡下での新規な三次元的μｍ／ｎｍサイズ構造を構成する操作の自動化などである。
本発明の素子を形成する２つの製造プロセスを図５および図７に示す。図５は、〜１μｍまでの物体をマイクロ操作できる素子のマイクロ製造プロセス（Ａ）を示す図である。図７は、μｍ以下のサイズ物体およびｎｍサイズの物体をナノ操作できる素子を製造する別なプロセス（Ｂ）を示す図である。いずれのプロセスもＳＯＩ（シリコン担持絶縁体）ウェーハーを使用する。これらマイクロ製造プロセスに好適なＳＯＩウェーハーは、厚さが２００〜５００μｍのシリコンハンドル層、ＳｉＯ２ボックス層などの厚さが０．１〜２μｍの埋設絶縁層、および厚さが１０〜３００μｍのシリコン素子層を有するＳＯＩウェーハーである。
プロセス（Ａ）の工程
１．ＳＯＩウェーハー６０を準備する工程。
２．例えばＤＲＩＥ（深反応性イオンエッチング）を使用して、埋設酸化物層４０（フォトリソグラフィーマスク１）までウェーハー６０のハンドル層２０をエッチングする工程。
３．ｅ−ビーム蒸着によってオーム接点３０を形成しこれをリフトオフによってパターニングする（フォトリソグラフィーマスク２）工程。
４．フォトリソグラフィーマスク３を使用して素子層５０をパターニングし、ＤＲＩＥを使用して、ＢＯＸ（埋設酸化物）層までエッチングする工程。
５．ＳｉＯ２ＢＯＸ層をエッチングし、個々の素子１０をウェーハー６０から回収する工程。
ｎｍサイズの物体を操作するためには、グリップ作用先端部が物体に匹敵する厚さであることが理想的である。標準的なＳＯＩ製造プロセスに基づいて、プロセス（Ａ）で製造したマイクログリッパーをダウンスケーリングする場合、素子全体を薄層化するしか手段がない。これは、フレクシャーの十分でないアスペクト比、低いマイクロアクチュエーター性能、および低い素子集積度の結果として発生する望ましくない面外運動などの問題を引き起こす。
１．ＳＯＩウェーハー６０を準備する工程。
２．例えばＤＲＩＥ（深反応性イオンエッチング）を使用して、埋設酸化物層４０（フォトリソグラフィーマスク１）までウェーハー６０のハンドル層２０をエッチングする工程。
３．ｅ−ビーム蒸着によってオーム接点３０を形成しこれをリフトオフによってパターニングする（フォトリソグラフィーマスク２）工程。
４．フォトリソグラフィーマスク３を使用して素子層５０をパターニングし、ＤＲＩＥを使用して、ＢＯＸ（埋設酸化物）層までエッチングする工程。
５．ＳｉＯ２ＢＯＸ層をエッチングし、個々の素子１０をウェーハー６０から回収する工程。
ｎｍサイズの物体を操作するためには、グリップ作用先端部が物体に匹敵する厚さであることが理想的である。標準的なＳＯＩ製造プロセスに基づいて、プロセス（Ａ）で製造したマイクログリッパーをダウンスケーリングする場合、素子全体を薄層化するしか手段がない。これは、フレクシャーの十分でないアスペクト比、低いマイクロアクチュエーター性能、および低い素子集積度の結果として発生する望ましくない面外運動などの問題を引き起こす。
素子全体の薄層化に関係する問題を解決するためには、グリップ作用先端部以外の素子構造を維持した状態で、グリップ作用先端部を選択的に薄くすることが理想である。これは、概念上は、薄い酸化物層をシリコンウェーハー上部に実装すると実現できる。酸化物層がグリップ作用先端構造を形成し、そしてシリコン層が素子のそれ以外の構造になる。この方法で得た素子は厚さが２〜３００μｍ程度に過ぎず、素子を壊さずに取り扱うことは難しい。素子のこの取り扱い問題を解決するために、ＳＯＩウェーハーにさらにハンドル層を設層し、構造を強化することが便利である。
３層以上の材料層からなるウェーハー（例えば素子シリコン層、埋設酸化物層、およびハンドルシリコン層の３層からなるＳＯＩウェーハー）については、標準的な既存のマイクロ製造プロセスでは各層に異なるパターンを形成できない。本発明は、図６に示すように、また以下に説明するように、ウェーハーの一方の側から２つの材料層をパターニングできる新規な一般的な製造方法を提供するものである。ＳＯＩウェーハーの場合、この新規な方法を適用すると、埋設酸化物層を素子シリコン層とは異なるパターンでパターニングできる上に、μｍ以下サイズの物体およびｎｍサイズの物体を操作できる薄層化したグリップ作用先端部を形成できるようにパターニングを実施できる。また、通常のマイクロ加工プロセスを使用して、ウェーハーを最大４つまでの材料層を個別にパターニングすることができる。
一般的なプロセスを記述する一般的な実施例を使用して、以下の工程（図７）によってウェーハーの一方の側から層Ａ（上部）および層Ｂ（底部）の２つの材料層をパターニングできる。
１．エッチングマスクとして材料Ｂを層Ａの上に設層する工程。
２．設層した層を層Ｂの目的の最終パターンにパターニングする工程。
３．設層した層Ｂのマスクフォトレジストを層Ａの目的の最終パターンにパターニングする工程。
４．上部から露出材料Ａをエッチングする工程。
５．上部から露出材料Ｂをエッチングする工程。
６．上部から露出材料Ａをエッチングする工程。
１．エッチングマスクとして材料Ｂを層Ａの上に設層する工程。
２．設層した層を層Ｂの目的の最終パターンにパターニングする工程。
３．設層した層Ｂのマスクフォトレジストを層Ａの目的の最終パターンにパターニングする工程。
４．上部から露出材料Ａをエッチングする工程。
５．上部から露出材料Ｂをエッチングする工程。
６．上部から露出材料Ａをエッチングする工程。
プロセス（Ｘ）の作業条件としては：
１．材料ＡおよびＢには適当なエッチング方法が利用できる。
２．材料ＡおよびＢは、例えばシリコンとＳｉＯ２との間のように好適なエッチング選択性をもつ。
３．フォトレジストは、材料ＡおよびＢのエッチングに対して耐エッチング性を示す。
の３条件がある。
１．材料ＡおよびＢには適当なエッチング方法が利用できる。
２．材料ＡおよびＢは、例えばシリコンとＳｉＯ２との間のように好適なエッチング選択性をもつ。
３．フォトレジストは、材料ＡおよびＢのエッチングに対して耐エッチング性を示す。
の３条件がある。
材料Ａが素子シリコン層で、材料ＢがＳＯＩウェーハーのＢＯＸ層であるこの新規な製造プロセス（Ｘ）をプロセス（Ａ）に一体化することによって、新規なマイクロ製造プロセス（Ｂ）は以下の工程を有することになる。
１．ＳＯＩウェーハー１６０の両側に、ＳｉＯ２などの所定の電気抵抗をもつ材料１１０を熱的に成長させる工程。
２．素子層１５０にクロムを蒸着し、これをパターンニングしてくし形フィンガーおよびフレクシャーなどの特徴付けをする（フォトリソグラフィーマスク１）工程。
３．フォトリソグラフィーマスク２および所定のＣｒエッチングマスクを使用するＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で上部ＳｉＯ２層をエッチングする工程。
４．ｅ−ビーム蒸着によってオーム接点１３０を形成し、リフトオフによってパターニングする（マスク３）工程。
５．底部ＳｉＯ２層をパターニングして、ハンドル層上にＤＲＩＥ（深反応性イオンエッチング）エッチングマスクを形成する（マスク４）工程。
６．ＤＲＩＥを使用して、ＳｉＯ２ＢＯＸ層までハンドル層１２０をエッチングする工程。
７．ハンドル層上に、所定の導電性をもつ材料の薄膜（金属／非金属）を蒸着する工程。
８．フォトリソグラフィーマスク５を使用して素子層１５０をパターンニングしてから、ＤＲＩＥを使用して、露出シリコンをエッチングする工程。
９．上部層およびＢＯＸ層の両層から露出したＳｉＯ２を上部からエッチングする工程。
１０．ＲＩＥを使用して露出金属／非金属薄膜を上部からエッチングする工程。
１１．ＤＲＩＥを使用して、露出素子層シリコンを上部からエッチングする工程。
１２．上部層およびＢＯＸ層から露出しているＳｉＯ２を上部からエッチングして取り
去り、グリップ先端部に金属／非金属薄層を露出する工程（必要に応じて実施する工程）
１．ＳＯＩウェーハー１６０の両側に、ＳｉＯ２などの所定の電気抵抗をもつ材料１１０を熱的に成長させる工程。
２．素子層１５０にクロムを蒸着し、これをパターンニングしてくし形フィンガーおよびフレクシャーなどの特徴付けをする（フォトリソグラフィーマスク１）工程。
３．フォトリソグラフィーマスク２および所定のＣｒエッチングマスクを使用するＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で上部ＳｉＯ２層をエッチングする工程。
４．ｅ−ビーム蒸着によってオーム接点１３０を形成し、リフトオフによってパターニングする（マスク３）工程。
５．底部ＳｉＯ２層をパターニングして、ハンドル層上にＤＲＩＥ（深反応性イオンエッチング）エッチングマスクを形成する（マスク４）工程。
６．ＤＲＩＥを使用して、ＳｉＯ２ＢＯＸ層までハンドル層１２０をエッチングする工程。
７．ハンドル層上に、所定の導電性をもつ材料の薄膜（金属／非金属）を蒸着する工程。
８．フォトリソグラフィーマスク５を使用して素子層１５０をパターンニングしてから、ＤＲＩＥを使用して、露出シリコンをエッチングする工程。
９．上部層およびＢＯＸ層の両層から露出したＳｉＯ２を上部からエッチングする工程。
１０．ＲＩＥを使用して露出金属／非金属薄膜を上部からエッチングする工程。
１１．ＤＲＩＥを使用して、露出素子層シリコンを上部からエッチングする工程。
１２．上部層およびＢＯＸ層から露出しているＳｉＯ２を上部からエッチングして取り
去り、グリップ先端部に金属／非金属薄層を露出する工程（必要に応じて実施する工程）
図７に示した一般的なプロセスをプロセス（Ｂ）に工程１、３、８、９および１１として組み込むと、素子シリコン層を素子構造（マイクロアクチュエーターおよびフレクシャー）にパターニングすることができ、ＢＯＸ層をグリップ作用先端部にパターニングすることができる。一般的なプロセスをプロセス（Ａ）と一体化すると、グリップ作用先端を選択的にμｍ以下に薄膜化できるためｎｍサイズの物体を操作することができる。
製造プロセスが複雑化するため、プロセス（Ｂ）の工程２を追加して、少ない部品数でアラインメント問題を最小限に抑えた。
用途における必要性に応じて、グリップ作用先端部を広い範囲の導電性材料または非導電性材料（プロセスＢ、工程７によって決る）から製造することができる。ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）内部でグリッパーを上下を逆にして使用した場合、設層薄膜（プロセスＢ、工程７）が荷電作用を防止するため、画像がいっそう明瞭になる。このタイプのグリッパーの作業環境は、周囲環境があり、また真空環境がある。
用途における必要性に応じて、グリップ作用先端部を広い範囲の導電性材料または非導電性材料（プロセスＢ、工程７によって決る）から製造することができる。ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）内部でグリッパーを上下を逆にして使用した場合、設層薄膜（プロセスＢ、工程７）が荷電作用を防止するため、画像がいっそう明瞭になる。このタイプのグリッパーの作業環境は、周囲環境があり、また真空環境がある。
図８は、プロセス（Ａ）を使用して製造した、能動的リリース式プランジャーを備えたグリッパーの一例のＳＥＭ像を示す図である。この素子は、サイズを約１μｍまで小さくした物体のマイクロ操作に好適である。図９は、プロセス（Ｂ）を使用して製造した、能動的リリース式プランジャーを備えたグリッパーの一例のＳＥＭ像を示す図である。この素子は、サイズを約１μｍ以下に小さくした物体のナノ操作に好適である。
なお、本発明は、能動的リリースの反復性および精度の点で嚆矢となる技術である。また、本発明は、新規な製造プロセス（Ｘ）を製造プロセス（Ａ）に組み込むことを通じて、素子層の厚さを変えることなく、マイクログリッパー先端部厚さ全体を正確に制御できる嚆矢となる技術である。
以上の説明は、プランジャーの面内運動を通じて能動式リリースを実現することに関する。能動式リリースの別な構成では、図１のマイクロアクチュエーターＤの代わりに面外マイクロアクチュエーターを使用する。例えば、プランジャーは、図９に示すように、熱バイモルフマイクロアクチュエーターと交換できる。上部層３１０は、熱膨張係数が底部層より高い設層材料からなる。熱が発生する場合、熱係数差によってプランジャーの先端部が矢印で示す方向（−Ｚ方向）に駆動され、プランジャーからの面外運動を通じて密着物体がリリースされる。
なお、当業者ならば、以上の実施態様は、本発明の範囲から逸脱することなく、変更実施可能であることを理解できるはずである。
Ｂ：マイクロアクチュエーター
Ｃ：マイクロアクチュエーター
Ｄ：マイクロアクチュエーター
Ｅ１〜４：電極
Ｆ１〜３：フレクシャー
Ｇ１〜２：グリップ作用アーム
Ｐ：プランジャー
Ｃ：マイクロアクチュエーター
Ｄ：マイクロアクチュエーター
Ｅ１〜４：電極
Ｆ１〜３：フレクシャー
Ｇ１〜２：グリップ作用アーム
Ｐ：プランジャー
Claims (10)
- ナノメートル（ｎｍ）サイズの物体又はマイクロメートル（μｍ）サイズの物体を衝撃でリリースし且つ操作するために掴む動作および衝撃でリリースする動作を行なう素子であって、
（ａ）前記ナノメートルサイズあるいはマイクロメートルサイズの物体を掴むグリップ作用アームと、
（ｂ）前記物体を前記グリップ作用アームから能動的にリリースするために、前記物体と前記グリップ作用アームとの間の密着力より大きな力で前記物体に衝撃を与える延長可能な衝撃用のリリースプランジャーと、
を備え、
（ｃ）前記グリップ作用アームおよび前記リリースプランジャーに接続されたマイクロアクチュエーション手段であり、このマイクロアクチュエーション手段が前記グリップ作用アームおよび前記リリースプランジャーを作動させて、前記物体を掴み、そして前記グリップ作用アームから前記物体を能動的にリリースし、
前記マイクロアクチュエーション手段が、静電マイクロアクチュエーター、電熱マイクロアクチュエーター、または圧電アクチュエーターであることを特徴とする素子。
- サイズが１ｎｍ〜５００μｍの範囲にある物体を掴みこれを前記衝撃でリリースできる請求項１に記載の素子。
- 前記プランジャーが、密着力によって前記グリップ作用アームのうち一つのアームに密着している前記物体を押し放すことによって前記グリップ作用アームから前記物体を能動的にリリースする請求項１に記載の素子。
- 前記リリースプランジャーがプランジャー速度および力を可変化できる請求項１に記載の素子。
- 前記マイクロアクチュエーション手段が前記グリップ作用アームに接続された第１組のマイクロアクチュエーター、および前記リリースプランジャーに接続された第２組のマイクロアクチュエーターからなる請求項１に記載の素子。
- 前記第２組のマイクロアクチュエーターを面内マイクロアクチュエーターによって構成して、前記プランジャーが面内方向から前記物体に衝撃を与えるか、あるいは前記第２組のマイクロアクチュエーターを面外マイクロアクチュエーターによって構成して、前記プランジャーが面外方向から前記物体に衝撃を与えるようにした請求項５に記載の素子。
- 前記第１組のマイクロアクチュエーターをそれぞれ独立して各前記グリップ作用アームに接続されたマイクロアクチュエーターによって構成した請求項５に記載の素子。
- 前記グリップ作用アームおよび前記プランジャーをフレクシャーによって前記マイクロアクチュエーション手段に接続した請求項１に記載の素子。
- さらに、前記プランジャーが前記物体を直接に操作するプローブとして機能する請求項１に記載の素子。
- ナノメートル（ｎｍ）サイズの物体およびマイクロメートル（μｍ）サイズの物体を、衝撃でリリースし且つ操作するために、掴む動作および衝撃でリリースする動作を行なう素子を製造する方法であって、
この素子が、
（i）前記ナノメートルサイズおよびマイクロメートルサイズの物体を掴むグリップ作用アームであって、グリップ作用先端部を有する前記グリップ作用アームと、
（ii）前記物体を前記グリップ作用アームから能動的にリリースするために、前記物体と
前記グリップ作用アームとの間の密着力より大きな力で前記物体に衝撃を与える延長可能な衝撃用のリリースプランジャーと、
を備え、
（iii）前記グリップ作用アームおよび前記リリースプランジャーに接続されたマイクロアクチュエーション手段であり、このマイクロアクチュエーション手段が前記グリップ作用アームおよび前記リリースプランジャーを作動させて、前記物体を掴み、そして前記グリップ作用アームから前記物体を能動的にリリースし、前記マイクロアクチュエーション手段が、静電マイクロアクチュエーター、電熱マイクロアクチュエーター、または圧電アクチュエーターであって、さらに、前記グリップ作用先端部が低アスペクト比を持ち、そして前記グリップ作用アームと前記リリースプランジャーと前記マイクロアクチュエーション手段とが高アスペクト比を持つものであって、
上記(i),(ii),(iii)を構成する素子であり、そこで、
（ａ）上面側および底面側を有し、それぞれが好適なエッチング選択性を有する材料からなる上部層、中間層および底部層からなるウェーハーを用意する第１工程と、
（ｂ）前記上部層の上に材料を追加して設層する第２工程であり、この追加した材料層が前記中間層と同じように概ね類似のエッチング選択性を有する前記第２工程と、
（ｃ）前記追加した材料層を第１エッチングマスクでパターニングする第３工程であり、前記グリップ作用先端部を、目的とする最終パターンに画定する前記第３工程と、
（ｄ）前記ウェーハーの前記上面側の上に、マスクフォトレジストを設層し且つパターニングして第２エッチングマスクにする第４工程であり、これによって、この素子の高アスペクト比構造体とする目的の最終パターンを画定し、前記上部層及び前記第１エッチングマスクの露出領域を残す前記第４工程と、
（ｅ）上部層の前記露出領域を前記上面側からエッチングすることで、前記中間層の領域を露出させる第５工程と、
（ｆ）前記中間層の前記露出領域と前記露出した前記第１エッチングマスクとを前記上面側からエッチングし、前記第１エッチングマスクでカバーされていた上部層であって且つこのエッチングによって露出した上部層の領域を残す第６工程と、
（g）前記第１エッチングマスクでカバーされていた上部層の前記露出した領域を、前記上面側からエッチングして前記中間層を露出させる第７工程とを有し、ここで露出した中間層がこの素子の前記低アスペクト比を有する前記グリップ作用先端部に相当し、そして、前記第２エッチングマスクでカバーされた領域が高アスペクト比を持つ前記グリップ作用アームと前記リリースプランジャーと前記マイクロアクチュエーション手段とに相当することを特徴とする方法。
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