JPH0890431A

JPH0890431A - マイクログリッパおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0890431A
Application number: JP23180794A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Nakanishi; 博昭中西
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1994-09-27
Publication date: 1996-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体製造技術を応用してサブミクロンの精
度で加工された、安価で、変形しにくいマイクログリッ
パを提供することを目的とする。【構成】少なくとも２本のアーム及び該アームを保持
する保持部とからなるマイクログリッパが、（１１０）
面シリコン基板からなることを特徴とするマイクログリ
ッパ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクログリッパ及び
その製造方法に関し、より詳細には、細胞や数μｍ〜数
１００μｍの極微小の物体等を把持するマイクログリッ
パの新規な構成とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】通常、
細胞などを操作する手段として、ガラスキャピラリーが
使用されている。これは、ガラスキャピラリー内を減圧
状態にすることにより、その先端で細胞を吸着する方法
である。しかし、ガラスキャピラリーは、細胞のような
柔軟な物体の保持に限られ、例えば、マイクロマシン用
の部品などの剛性の高い物体の吸引保持は困難である。
また、ウェハ表面に付着した異物等、表面に凹凸がある
物体を保持することは吸着現象を利用する関係上不可能
に近いという課題があった。

【０００３】一方、ＩＣチップの基板への装着や、数１
００μｍサイズの物体を把持するために、金属性のグリ
ッパが使用されている。このようなグリッパとして、図
１０に示すような金属製のマイクログリッパ（Microsci
ence Group社、米国特許第4,652,095 号）３０が市販さ
れている。この装置は、２本の金属製のアーム３１が左
右対称に装備されたグリッパを有しており、把持する対
象物の大きさに応じてアームを取り替えることができ
る。しかし、１００μｍ程度のサイズを有する物体を把
持するためには、２本のアーム先端を１００μｍ以下に
精度よく、さらに左右対称に加工することが要求され、
アーム長が左右不揃いであったり、アーム先端がねじれ
ている場合には、微小な物体を把持する作業が極端に困
難となる。従って、金属への微細加工精度の限界から、
最小１００μｍ程度のサイズの物体を把持することがで
きるに止まっているのが現状である。

【０００４】近年、微細加工技術が発展しているため、
特殊な微細加工装置を使用することで、上記した１００
μｍ以下の微小な物体を把持するために必要な仕様を満
たす金属製マイクログリッパを製作することが可能とな
りつつある。すなわちこのような特殊な微細加工装置を
使用した場合には、必要な先端形状を有する金属製マイ
クログリッパを製作できる。しかし、マイクログリッパ
１個当たりの加工時間が膨大となり、その製造コストの
面で改善されるべき問題が多く残っている。

【０００５】また、金属製マイクログリッパを細胞の把
持に使用した後、他の目的で同一のグリッパを再使用し
たい場合、洗浄、滅菌処理を施す必要が生じる。金属製
のグリッパの場合、その作業中（例えば、先端を拭う作
業）に、グリッパ先端が変形しやすく、加熱滅菌工程に
おいても熱変形することがある。さらに、場合によって
は、硬い物体を把持した前後において、グリッパ先端が
変形することもあるという課題もあった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するため、半導体
製造技術を応用してサブミクロンの精度で加工された、
安価で、変形しにくいマイクログリッパを提供すること
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも２本のアーム及び該アームを保持する保持部とから
なるマイクログリッパが、（１１０）面シリコン基板か
らなるマイクログリッパが提供される。本発明における
マイクログリッパは、優れたバネ特性を有する単結晶シ
リコンの（１１０）面基板を用い、このシリコンを、半
導体製造技術で用いられているフォトファブリケーショ
ン技術を応用して、サブミクロンの精度で加工すること
により形成されるものである。つまり、単結晶シリコン
は、その引張強度が約１３ＧＰａであり、鋼鉄（０．８
ＧＰａ）の１５倍以上で、シリコン原子間の結合力から
計算される理論強度（約３０ＧＰａ）の半分近くにも達
する。また弾性限界が大きいだけでなく、クリープ、ヒ
ステリシス及び疲労などがほとんど問題にならないた
め、マイクログリッパの形成材料として有用である。

【０００８】本発明におけるマイクログリッパの形状と
しては、少なくとも２本のアームを有しており、さらに
これらアームを保持するための保持部とからなるものが
好ましい。マイクログリッパの大きさは特に限定される
ものではなく、把持しようとする対象に応じて適宜調整
することができる。マイクログリッパの厚さは、用いる
基板の厚さに対応し、例えば、１００〜５００μｍ程度
が好ましい。また、保持部は、例えば、数ｍｍ²〜数１
０ｍｍ²程度の多角形等を有しており、この保持部から
数ｍｍ〜数１０ｍｍ程度の長さで延設された複数本のア
ームを有している。アーム先端部は、保持部から一定の
幅を有して形成されていてもよく、徐々に又は段階的に
幅が細くなって形成されていてもよい。マイクログリッ
パとして加工する基板は、（１１０）面シリコン基板で
あることが好ましく、マイクログリッパのアームの長手
方向が、結晶軸＜１１１＞に対して垂直に交わることが
好ましい。

【０００９】また、本発明の製造方法によれば、（１１
０）面シリコン基板上に保護マスクを形成し、該保護マ
スクを用いて異方性エッチングを行い少なくとも２本の
アーム及び該アームを保持する保持部とからなるマイク
ログリッパを製造するマイクログリッパの製造方法が提
供される。つまり、本発明の製造方法においては、（１
１０）面シリコン基板上にフォトリソグラフィファブリ
ケーション技術を用いて保護マスクを形成した後、この
保護マスクを用いて異方性エッチングを施すことによ
り、基板に対して垂直方向のエッチング加工が可能（基
板に対して垂直な面は（１１１）面）となり、サブミク
ロンの精度でマイクログリッパを形成するものである。

【００１０】フォトファブリケーション技術を用いて、
シリコン基板上に保護マスクを形成する方法は、例え
ば、以下の工程によって行われる。まず、シリコン基板
上に保護マスクを構成する材料を積層したのち、保護マ
スク構成材料を含むシリコン基板上全面にフォトレジス
トと呼ばれる感光性材料を塗布する。次いで、所望の形
状を有するフォトマスクを用いてフォトレジストを露光
する。さらに、このフォトレジストを現像することによ
り、露光した部分にフォトレジストを残すとともに露光
していない部分のフォトレジストを除去するか、又は、
露光していない部分にフォトレジストを残すとともに露
光した部分のフォトレジストを除去して、フォトマスク
のパターンをフォトレジストに転写、複製する。続い
て、所定のパターンが形成されたフォトレジストをマス
クとして、シリコン基板上に積層された保護マスクを構
成する材料をエッチング除去し、所望の形状を有する保
護マスクを形成する。なお、用いるフォトレジストによ
っては、シリコン基板上に直接フォトレジストを塗布
し、露光、現像することによって、フォトレジストマス
クを保護マスクとして使用することもできる。

【００１１】上記の方法で用いるフォトレジストとして
は、特に限定されるものではなく、後のエッチング工程
における溶液に耐えるものであれば何でも良い。またそ
の膜厚も、特に限定されるものではない。また、フォト
レジストを現像する現像液としては、用いるフォトレジ
ストを現像するために用いられているものであれば、特
に限定されるものではない。さらに、フォトレジストの
露光は、一般に半導体製造に用いられているアライナも
しくはステッパなどを用いて行うことができる。

【００１２】また、シリコン基板上に積層する保護マス
クを構成する材料としては、後に実施する異方性エッチ
ングに耐える材料のものであれば、特に限定されるもの
ではないが、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜又はこれ
らの積層膜等が好ましい。この際の膜厚は、マイクログ
リッパを構成するシリコン基板を所望の厚さでエッチン
グ除去できる厚さを有していれば、特に限定されるもの
ではないが、例えば本発明の場合には２０００〜４００
０Å程度が好ましい。

【００１３】本発明において、保護マスクを用いて異方
性エッチングを行う方法としては、ウェットエッチング
が挙げられる。ウェットエッチングにおいて用いるエッ
チャントは、ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ（テトラメチルア
ンモニウムハイドライド）、ヒドラジンなどこの分野で
使用されているエッチャントであれば、特に限定される
ものではない。

【００１４】本発明において、基板に垂直なエッチング
加工を施すためには、グリッパのアーム長手方向を、結
晶軸＜１１１＞に対して垂直方向に正確にアライメント
する必要がある。これは、例えば、長さ１０mmのアーム
を作製する場合、１°のアライメント誤差に起因するア
ーム厚みのばらつきが約１７０μｍにも達するためであ
る。よって、数１００μｍ厚みのアームを得るために
は、少なくとも±０．１°程度のアライメント精度が必
要である。従って、（１１０）シリコン基板面内の結晶
軸方向を調べるため、マスクパターンを用いた予備的な
異方性エッチングを施しておくことが望ましい。この方
法としては、例えば、１°刻みの放射状の溝パターンを
有するマスクパターンを用いて異方性エッチングを行
い、エッチングされた溝幅を観察することが挙げられ
る。これにより、グリッパのアーム長手方向と結晶軸＜
１１１＞とが直交する方位、つまり、サイドエッチング
が略ゼロになる方位を見つけ出すことができ、これを用
いて正確なアライメントを実現する。また、本発明に
おいては、上記方法によりマイクログリッパを形成した
後、熱酸化処理を施して、マイクログリッパ表面全面に
酸化シリコンを形成してもよい。これにより、シリコン
のバネ特性等の優れた特性を生かしながら、かつ絶縁性
のマイクログリッパを得ることができ、電界が印加され
た作業領域内での使用も可能となる。熱酸化処理の方法
としては、ウェハ単位で行うことが好ましく、ウェット
酸化、ドライ酸化のいずれでも良い。例えば、常圧水蒸
気中にて、１０００〜１２００℃の温度範囲で１０分間
〜１時間程度熱処理を行う方法が挙げられる（なお、こ
の際の膜厚は１０００Å〜１μｍ）。

【００１５】さらに、本発明においては、マイクログリ
ッパを形成した後に、少なくともグリッパのアーム根元
付近の応力集中部に、Ａｌなどの金属薄膜を形成する
か、もしくは有機弾性材料を塗布してもよい。これによ
り、さらに破損しにくいマイクログリッパを得ることが
できる。この際の金属薄膜の材料としては、例えばアル
ミニウム、白金、金、チタン、タンタル、タングステ
ン、銅、クロム等の金属等を挙げることができ、これら
の材料をスパッタリング、真空蒸着等により形成するこ
とができる。この際の金属膜の膜厚は特に限定されるも
のではないが、数１００Å〜数１０００Å程度が好まし
い。また、有機弾性材料としては、ポリイミド、ポリス
チレン、メタクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリアセ
タール、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹
脂、珪素樹脂等を挙げることができる。これら有機弾性
材料は、公知の方法、例えば、原料溶液をマイクログリ
ッパの所望の部分に塗布し、適当な硬化手段を施すこと
により形成することができる。この際の有機弾性材料の
膜厚は、特に限定されるものではないが、数μｍ〜数１
０μｍ程度が好ましい。

【００１６】

【作用】本発明のマイクログリッパによれば、マイクロ
グリッパが少なくとも２本のアーム及びこのアームを保
持する保持部とから構成されており、さらに、これらア
ーム及び保持部が（１１０）面シリコン基板からなるの
で、垂直な把持面（（１１１）面）が実現できる。ま
た、材料がシリコンであるので、優れたバネ特性を有
し、グリッパとしての繰り返し動作特性も良くなる（ク
リープ、ヒステリシスが少ない）。また、アーム先端に
外力が働く洗浄工程を経ても変形しにくく、さらに、熱
変形がほとんどなくなる。

【００１７】また、本発明のマイクログリッパの製造方
法によれば、フォトファブリケーション技術により加工
するため、サブミクロンの精度でマイクログリッパが加
工されることなる。

【００１８】

【実施例】本発明のマイクログリッパ及びその製造方法
を、図面に基づいて説明する。実施例１マイクログリッパは、図１に示したように、少なくとも
２本のアーム２ａ及び２ｂと、このアーム２ａ及び２ｂ
を保持する保持部３とからなっている。このマイクログ
リッパ１は、表裏面が（１１０）面シリコン基板から構
成されている。

【００１９】このようなマイクログリッパ１の製造方法
を以下に示す。まず、グリッパのアーム長手方向を、シ
リコン基板の結晶軸＜１１１＞に対して垂直方向に正確
にアライメントするため、図２（ａ）に示したように、
（１１０）シリコン基板４を用いる。シリコン基板４上
に、減圧ＣＶＤ法により成膜した膜厚約２０００Åのシ
リコン窒化膜５、および減圧ＣＶＤ法により成膜した膜
厚約２０００Åのシリコン膜６を形成する。

【００２０】次いで、図２（ｂ）に示したように、シリ
コン基板４上にフォトレジスト７（シプレイ２７）を塗
布した後、方位出し用のマスク（図５）を用いてフォト
レジスト７を露光、現像して所望の形状にパターニング
する。その後、図２（ｃ）に示したようにパターニング
したフォトレジスト７をエッチング保護膜として用い、
バッファＨＦ（３７℃、２分）にてシリコン酸化膜６を
パターニングする。さらに、フォトレジスト７を除去
し、シリコン酸化膜６をエッチング保護膜として、熱リ
ン酸（約１７０℃、２５分）にてシリコン窒化膜５をパ
ターニングする。

【００２１】続いて、図２（ｄ）に示したように、パタ
ーニングしたシリコン酸化膜６およびシリコン窒化膜５
をマスクとし、（１１０）と（１１１）が直交する方位
出しのための第１の異方性エッチング（４０％ＫＯＨ水
溶液、約８０℃）を行う。このような方向出しのための
異方性エッチングにおいて、図５に示すような放射状の
溝パターン（１°刻み）に対し、約１０分間の異方性エ
ッチングを実施した後、光学顕微鏡にてエッチングされ
た溝幅を観察すれば、（１１０）と（１１１）が直交す
る方位の溝１０はサイドエッチングがほぼゼロであるた
め溝幅がもっとも細く、前記方位からずれた溝の幅８及
び９は、１０よりも大きいことから（１１０）と（１１
１）が直交する方位が決定できる。

【００２２】次いで、図３（ａ）に示したように、（１
１０）と（１１１）が直交する方位を決定したシリコン
基板４に対し、再度フォトレジスト１１を塗布する。そ
して、マイクログリッパ作製用のマスク（図６）を用い
てパターンを露光、現像する。さらに、図３（ｂ）に示
したように、図２（ｃ）と同様に、シリコン酸化膜６お
よびシリコン窒化膜５をパターニングした後、シリコン
酸化膜６を全面エッチング除去する。

【００２３】最後に、シリコン窒化膜２をエッチング保
護膜として第２の異方性エッチング（４０％ＫＯＨ水溶
液、約８０℃、約２時間）を行い、図３（ｃ）に示しよ
うなマイクログリッパを形成する。その後、エッチング
保護膜として使用したシリコン窒化膜５をエッチング除
去する。さらに、グリッパ先端はコーナーエッチングに
より左右対称には得られないため、先端をダイシングカ
ットすることで形状を整える。あるいは、コーナーエッ
チングにて侵食されると予想される量を補償するパター
ンをあらかじめマイクログリッパ作製用のマスクに用意
しておいてもよい。

【００２４】なお、用いるマイクログリッパ作製用のマ
スクの形状を種々選択することにより、先端部の幅又は
厚みが傾斜的に細くなったもの、あるいは、図７（ａ）
に示したような先端部の幅が細いマイクログリッパや、
図７（ｂ）及び（ｃ）に示したような先端部の厚みが薄
いマイクログリッパを形成することもできる。実施例２また、上記実施例１で形成したマイクログリッパを、水
蒸気雰囲気下、１１００℃の温度で６０分間熱酸化する
ことにより、マイクログリッパの表面全面に、シリコン
酸化膜１２を形成する。

【００２５】これにより、表面全面にシリコン酸化膜が
形成されたマイクログリッパが作製され、シリコンのバ
ネ特性等の優れた特性を生かしながら、かつ絶縁性を有
したマイクログリッパを得ることができる。実施例３さらに、図８及び図９に示したように、上記実施例１で
形成したマイクログリッパのアーム２ａ及び２ｂの根元
付近、あるいはマイクログリッパの保持部３及びアーム
２ａ及び２ｂの根元付近に、スパッタリングによりアル
ミニウム膜１３、１４を膜厚２０００Å程度に形成す
る。

【００２６】これにより、さらに、破損しにくいマイク
ログリッパを実現することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のマイクログリッパによれば、マ
イクログリッパが少なくとも２本のアーム及びこのアー
ムを保持する保持部とから構成されており、さらに、こ
れらアーム及び保持部が（１１０）面シリコン基板から
なるので、優れたバネ特性を有することができ、グリッ
パとしての繰り返し動作特性を向上させることができ
る。また、アーム先端に外力が働く洗浄工程を経ても変
形しにくく、さらに、熱変形がほとんどないので、洗浄
や滅菌工程を実施して繰り返し使用することが可能とな
る。

【００２８】さらに、本発明のマイクログリッパの製造
方法によれば、フォトファブリケーション技術により加
工するため、サブミクロンの精度でマイクログリッパを
加工することができる。また、バッチプロセスで製造す
ることができるため、大量生産が可能となり、製造コス
トの低下に有利となり、実際には、細胞などを操作する
場合に、使い捨てとできる程度の低価格なマイクログリ
ッパを製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクログリッパの実施例を示す斜視
図である。

【図２】本発明のマイクログリッパの製造工程を説明す
るための製造工程図である。

【図３】本発明のマイクログリッパの製造工程を説明す
るための製造工程図である。

【図４】本発明のマイクログリッパの製造工程の別の実
施例を説明するための製造工程図である。

【図５】方向出しに用いるマスクの平面図である。

【図６】本発明のマイクログリッパを製造するためのマ
スクの平面図である。

【図７】本発明のマイクログリッパの別の実施例を示す
（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）断面図である。

【図８】本発明のマイクログリッパのさらに別の実施例
を示す斜視図である。

【図９】本発明のマイクログリッパのさらに別の実施例
を示す斜視図である。

【図１０】従来のマイクログリッパを示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１マイクログリッパ２ａ、２ｂアーム３保持部４シリコン基板５窒化シリコン膜（保護マスク）６酸化シリコン膜７、１１フォトレジスト８、９、１０溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２本のアーム及び該アームを
保持する保持部とからなるマイクログリッパが、（１１
０）面シリコン基板からなることを特徴とするマイクロ
グリッパ。
【請求項２】（１１０）面シリコン基板上に保護マス
クを形成し、該保護マスクを用いて異方性エッチングを
行い、少なくとも２本のアーム及び該アームを保持する
保持部とからなるマイクログリッパを製造することを特
徴とするマイクログリッパの製造方法。