KR20040070192A - 나노 그리퍼 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20040070192A KR10-2004-7008126A KR20047008126A KR20040070192A KR 20040070192 A KR20040070192 A KR 20040070192A KR 20047008126 A KR20047008126 A KR 20047008126A KR 20040070192 A KR20040070192 A KR 20040070192A
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가부시키가이샤 테크노 네트워크 시코쿠
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Abstract

본 발명의 나노 그리퍼는, 대향하는 한쌍의 아암(71, 71)과, 이 한쌍의 아암(71, 71)의 선단부에 있어서의 대향면에, 선단끼리를 대향시켜서 각각 형성된 한쌍의 돌기부(72, 72)로 구성되어 있고, 이 돌기부(72)의 선단이, 50 나노미터 이하의 곡률이다. 또한, 이 돌기부(72)는, 실리콘의 결정이고, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이다. 그리고, 한쌍의 아암(71, 71)의 선단부끼리를 접근·이격시키는, 실리콘으로 만든 신축 자유로운 한쌍의 열팽창 액츄에이터(75, 76)가 설치되어 있다.

Description

나노 그리퍼 및 그 제조방법{Nano gripper and method of manufacturing the nano gripper}
나노 그리퍼로서 최소한 요구되는 성능으로서는, 취급할 오브젝트의 크기와 동등 혹은 그 이하로까지, 아암의 선단부가 첨예화되어 있을 것이 필요하다. 특히 DNA 등의 나노 오브젝트를 핸들링하기 위해서는, 나노 그리퍼의 아암의 선단부를 50 나노미터 이하로 첨예화하여 둘 필요가 있다. 이러한 목적의 나노 그리퍼를 제조하는 제조방법으로서는, 카본 나노튜브를 원자간력(原子間力) 현미경용 프로브의 선단부에 장착하는 방법과, 전자선 퇴적(堆積)법, 전계 증발법, 혹은 실리콘의 이방성(異方性) 엣칭에 의하여 제작한 실리콘 나노와이어를 이용하는 액츄에이터 일체화 트윈 프로브 등이 알려져 있다.
그런데, 종래의 나노 그리퍼 및 그 제조방법에는, 이하의 (i) ~ (iv)의 문제가 있다.
(i) 종래의 나노 그리퍼는, 카본 나노튜브나 실리콘 나노와이어 혹은 전자선 퇴적법, 전계 증착법에 의하여 제조되면, 아암이 가늘고 긴 기둥 형상 구조가 되어, 그 선단부에 있어서의 휨에 대한 강도는, 길이의 3승에 비례하여 휘기 쉽고(약한 힘으로도 용이하게 휘기 쉽고), 게다가 원형 단면의 경우에는 직경의 4승에 반비례하여 휘기 쉽게 된다. 즉, 나노와이어 구조와 같이 가늘고 긴 것은, 특히나 휨에 대한 강도가 약하다. DNA나 초집적회로 제조기판 상의 미소(微小) 파티클 등은 극히 작아서, 비산이나 건조를 방지하기 위하여 용액 중에서 취급하지 않으면 안되고, 용액 속에 나노 그리퍼의 아암의 선단부를 담그고 있으면, 용액의 점성 때문에 아암의 선단부의 프로브 구조가 변형되어 버린다고 하는 문제가 있었다.
(ii) 종래의 전자선 퇴적법이나 전계 증착 퇴적법에 의한 나노 그리퍼의 제조방법에 의하면, 개개의 사양에 맞는 나노 그리퍼의 아암을 진공장치 중에서 1개씩 제작하기 때문에, 제어성이 우수한 것을 제작할 수 있지만, 공업적인 대량생산이 곤란하다. 게다가, 종래의 전자선 퇴적법 등에서는, 나노 오더의 작은 액츄에이터를 구비한 나노 그리퍼를 제조하는 것이 불가능하기 때문에, 아암의 선단부의 간격을 정밀하게 제어하는 것은 곤란하였다.
(iii) 액츄에이터 일체형 트윈 프로브는, 시판되고 있지 않는 특수한 기판의 제작공정을 행할 필요가 있고, 게다가 엣칭 조건의 초정밀한 관리를 행하여 프로브구조가 제작되므로, 제작 스텝이 지나치게 복잡하다. 이 엣칭 관리가 불충분하면, 재현성, 균일성이 좋은 제조는 불가능하게 되어, 공업적인 대량생산을 지향할 수 없다.
(iv) 고정밀도의 리소그래피에 의하여, 나노 그리퍼의 아암의 선단부를 나노미터 오더의 높은 정밀도로 첨예화할 수 있지만, 고정밀도의 리소그래피는 고가이다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여, 고정밀도의 리소그래피를 사용하지 않고서도, 아암의 선단부에, 선단이 나노미터 오더의 곡률로 돌기부를 형성시킬 수가 있고, 용액 중에서 DNA 등을 사용하여도 돌기부의 프로브 구조가 변형되지 않으며, 아암의 돌기부끼리의 간격을 정밀하게 용이하게 제어할 수 있고, 공업적인 대량생산이 용이하게 저가로 제조 가능한 나노 그리퍼 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 나노 그리퍼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
핀셋이라면 한쌍의 아암에 의하여 쌀알이나 머리카락 등의 밀리미터 오더의 크기의 오브젝트를 집어서 핸들링할 수가 있지만, DNA나 액정패널 상의 파티클, 초집적회로 기판 상의 파티클 등, 나노 오더의 크기인 나노 오브젝트를 집는 것은 불가능하다. 핀셋의 선단부가 나노 오더로 첨예화되어 있지 않기 때문이다. 본 발명은, DNA 등의 나노 오브젝트를 집거나 놓거나 하여 핸들링할 수가 있는 한쌍의 아암을 구비한 나노 그리퍼 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은, 나노 그리퍼(G)의 개략 사시도이다.
도 2는, 나노 그리퍼(G)의 제조방법에 있어서의 플로챠트이다.
도 3은, 도 2에 이어지는 본 실시형태의 나노 그리퍼(G)의 제조방법에 있어서의 플로챠트이다.
도 4는, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (I), (II)의 설명도이다.
도 5는, 본 실시형태의 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (III), (IV)의 설명도이다.
도 6은, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (V), (VI)의 설명도이다.
도 7은, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (VII), (VIII)의 설명도이다.
도 8은, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (IX), (X)의 설명도이다.
도 9는, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (XII)의 설명도이다.
도 10은, 나노 그리퍼(G)의 제조스텝 (XIII), (XIV)의 설명도이다.
도 11은, 나노 그리퍼(G)에 있어서의 제조스텝 (XV)의 설명도이다.
도 12 (A)는, 도 7의 XIIA-XIIA선 단면도, 도 12 (B)는, 도 7의 XIIB-XIIB선단면도이다.
도 13은, 원(原) 아암 부분(31A)의 사시 확대도이다.
도 14는, 돌기부(72)가 형성될 때의 설명도이다.
도 15는, 다른 실시형태의 나노 그리퍼에 있어서의 설명도이다.
도 16은, 다른 실시형태의 나노 그리퍼에 있어서의 설명도이다.
청구항 1의 나노 그리퍼는, 대향하는 한쌍의 아암과, 이 한쌍의 아암의 선단부에 있어서의 대향면에, 선단끼리를 대향시켜서 각각 형성된 한쌍의 돌기부로 이루어지고, 이 돌기부의 선단이, 50 나노미터 이하의 곡률인 것을 특징으로 한다.
청구항 2의 나노 그리퍼는, 청구항 1 기재의 발명에 있어서, 상기 돌기부가, 실리콘의 결정이고, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상인 것을 특징으로 한다.
청구항 3의 나노 그리퍼는, 청구항 1 또는 청구항 2 기재의 발명에 있어서,상기 한쌍의 아암의 선단부끼리를 접근·이격시키는 한쌍의 액츄에이터가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 4의 나노 그리퍼는, 청구항 3 기재의 발명에 있어서, 상기 액츄에이터가, 열팽창(熱膨脹) 액츄에이터인 것을 특징으로 한다.
청구항 5의 나노 그리퍼는, 청구항 4 기재의 발명에 있어서, 상기 열팽창 액츄에이터가, 실리콘으로 만든 한쌍의 신축(伸縮) 아암으로 이루어지고, 각 신축 아암에 통전시키기 위한 한쌍의 전극이 형성된 것을 특징으로 한다.
청구항 6의 나노 그리퍼의 제조방법은, 절연층 및 (001)면 방위를 가지는 실리콘층을 구비한 기재(基材)를 재료로 하여, 대향하는 한쌍의 아암을 구비한 나노 그리퍼를 제조하는 제조방법으로서, 상기 실리콘층의 표면에 <010> 방향을 따라서 가늘고 긴 마스크를 형성하는 스텝과, 상기 실리콘층의 표면에, 상기 아암이 될 원(原) 아암 부분에 대응하는 레지스트를, 상기 원 아암 부분이 상기 마스크의 좌우 양측에 위치하도록 형성하는 스텝과, 상기 실리콘층을 엣칭하여, 제조할 나노 그리퍼 및 상기 마스크가 조합된 형상과 동일 형상의 원(原) 나노 그리퍼를 형성하는 스텝과, 상기 레지스트만을 제거하는 레지스트 제거 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 노출된 실리콘면을 열(熱)산화시켜서, 산화실리콘막을 형성시키는 열산화 스텝과, 상기 마스크만을 제거하는 마스크 제거 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 표면에 있어서, 상기 마스크로 피복되어 있던 비(非) 산화실리콘면을 수산화칼륨용액으로 실리콘엣칭하는 실리콘엣칭 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 산화실리콘막을 엣칭하여 제거하는 산화실리콘막 제거 스텝을 순차적으로 실행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, (001)면이나 (100)면, (010)면 등의 기호는, 결정의 결정면을 표시하고 있고, () 안은 밀러(Miller)지수이다. 이 기호의 설명에 대해서는, 예컨대 모리키타(森北)출판주식회사 출판의 최신기계공학 시리즈 5 금속재료학 제3판의 6 ~ 7 페이지째에 기재되어 있다.
다음으로, 본 발명의 실시형태를 도면에 기하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태의 나노 그리퍼의 개략 사시도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 나노 그리퍼(G)는, 베이스(11)의 표면에, 한쌍의 절연부(22, 22)를 개재하여, 좌우 한쌍의 실리콘 프로브(35, 35)가 각각 형성된 것으로서, 각 실리콘 프로브(35)는 아암(71)을 구비하고 있다.
상기 한쌍의 실리콘 프로브(35, 35)의 각 아암(71, 71)에 있어서, 각각의 선단부에 있어서의 대향면에는, 돌기부(72, 72)가 그 선단끼리를 동일축 상에 대향시켜서 형성되어 있다. 각 돌기부(72)는, 실리콘 결정으로서, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이다. 실리콘 프로브(35)의 액츄에이터(75, 76)에는 각각 전극(75e, 76e)이 형성되어 있다. 전극(75e, 76e) 사이에 통전시키면, 액츄에이터(75, 76)가 열팽창하여 신장하므로 한쌍의 아암(71, 71)이 각각 힌지(73)를 중심으로 요동(搖動; 휨 운동)하여, 개폐된다. 따라서, 돌기부(72, 72) 사이에 물건을 집을 수가 있다. 게다가, 돌기부(72)의 선단은, 50 나노미터 이하의 곡률로 첨예화되어 있으므로, DNA 등의 나노 오브젝트를 집거나놓거나 하여 핸들링할 수가 있다.
이어서, 본 발명의 나노 그리퍼의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 2는, 본 발명의 나노 그리퍼의 제조방법에 있어서의 플로챠트이다. 도 4는 본 발명의 나노 그리퍼의 제조스텝에 있어서의 설명도이다. 도 2 및 도 4(I)에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 나노 그리퍼의 제조방법에 있어서의 재료는, 실리콘 기판(10)이다. 이 실리콘 기판(10)은, 베이스층(1), 절연층(2) 및 (001)면 방위를 가지는 실리콘층(3)이 순차적으로 적층된 것이다. 이 실리콘 기판(10)으로서는, 상하 한쌍의 실리콘층의 사이에, 중간층으로서 산화실리콘층이 형성된, 소위 SOI 기판(Silicon On Insulator)가 바람직하다.
그리고, 실리콘 기판(10)은, SOI 기판만이 아니라, 유리 기판 상에 단결정 실리콘층을 가지는 기판이나, 아몰퍼스나 폴리실리콘 기판 상에 SOI층을 가지는 기판이어도 좋고, 최상층이 (001)의 면 방위를 가지는 실리콘층(3)이고, 이 실리콘층(3)의 하면에 절연층(2)이 형성되어 있는 실리콘 기판이라면, 3층 구조만이 아니라, 4층 이상이어도 좋다.
베이스층(1)은, 소재가 Si(100) 기판이나 Si(111) 기판, Si(110) 기판, 폴리실리콘 등의 실리콘이고, 그 두께는, 약 500[㎛] 전후이다.
그리고, 베이스층(1)의 소재는 실리콘만이 아니라, 폴리실리콘 또는 유리이어도 좋다. 또한, 베이스층(1)의 두께는, 100 ~ 1000[㎛]의 범위가 바람직하다.
절연층(2)은, 소재가 산화실리콘이고, 그 두께는 약 2[㎛] 전후이다.
그리고, 절연층(2)의 두께는 0.1 ~ 5[㎛]의 범위가 바람직하다.
실리콘층(3)은, 소재가 실리콘이고, 그 두께가 약 30[㎛] 전후이다. 게다가, 이 실리콘층(3)의 표면은, (001)의 면 방위를 가진 것이다. 따라서, 이 실리콘층(3)을, 수산화칼륨 수용액으로 실리콘엣칭하면, 침식 중인 실리콘층(3)의 상면은 (001)면이 되고, 침식된 부분의 실리콘 측벽에는 실리콘의 (100)면이 형성되는데, 이 실리콘엣칭 처리의 상세에 대해서는 후술한다.
나노 그리퍼(G)를 제조하려면, 먼저, 감압 CVD 장치나 플라즈마 CVD나 스팩터 등의 성막(成膜)장치에 의하여 상기 실리콘 기판(10)의 실리콘층(3)의 상면에, <100> 방향 혹은 <010> 방향을 따라서, 질화실리콘의 마스크막(4)을 성막한다(S11). 마스크막(4)은 아몰퍼스이고, 결정 방위를 가지지 않는다.
이어서, 도 4(II)에 나타내는 바와 같이, 스핀 코터 등에 의하여, 마스크막(4)의 상면에 포토 리소그래피용의 레지스트막(5)을 형성한다(S12). 그리고, 도시하지 않았지만, 포토 리소그래피에 의하여 폭이 예컨대 70㎛인 선 형상의 마스크를 작성하고, 이 선 형상의 마스크를 레지스트막(5)의 상면에 놓고 노광하여, 현상한다. 그러면, 도 5(III)에 나타내는 바와 같이, 상기 레지스트막(5)이 선 형상의 레지스트(51)가 된다. 이 레지스트(51)의 폭(W)은 상기 선 형상 마스크와 같은 폭이 된다.
이 레지스트(51)의 폭(W)은, 제조할 나노 그리퍼(G)에 있어서의 돌기부(72, 72) 사이의 간격(d)을 결정하는 하나의 중요한 파라미터로서, 실리콘층(3)의 막 두께를 t라 한 경우, 다음 식이 성립한다.
W = 2t + d
따라서, 예컨대 d = 10[㎛], t = 30[㎛]인 경우에는, W = 70[㎛]가 된다. 따라서, 폭이 70[㎛]인 레지스트(51)를 형성시키면 된다.
이 식에서 계산된 폭(W)의 선 형상 마스크를 사용하면 된다.
그리고, 노광장치에 의하여, 마스크막(4) 및 레지스트(51)를 노광한다(S13). 이어서, 도 5(IV)에 나타내는 바와 같이, 엣칭장치(RIE 장치)에 의하여, 마스크막(4)을 엣칭한다(S14). 그리고, 마스크막(4)에 마스크 박리액을 분사하면, 마스크 박리액에 의하여, 상기 레지스트(51)가 덮인 부분 이외의 마스크막(4)은 제거되고, 실리콘층(3)의 상면이 노출되며, 레지스트(51)의 하면에는, 선 형상의 마스크(41)만이 남는다. 이 마스크(41)의 폭은, 상기 선 형상 마스크나 레지스트(51)와 같은 폭이 된다. 레지스트(51)에 레지스트 박리액을 분사하면, 이 레지스트(51)가 박리되어 제거된다(S15). 따라서, 마스크(41)의 상면이 노출된다.
이어서, 도 6(V)에 나타내는 바와 같이, 스핀 코터에 의하여 마스크(41)와 같은 두께로, 실리콘층(3)의 표면에 레지스트막(6)을 형성한다(S16).
다음으로, 도시하지는 않았지만, 제조할 나노 그리퍼와 마스크(41)를 조합시킨 형상과 동일한 형상의 포토 리소그래피용 마스크를, 나노 그리퍼의 아암이 될 원(原) 아암 부분이 마스크(41)의 좌우 양측에 위치하도록, 레지스트막(6)의 상면에 놓는다. 이 포토 리소그래피용 마스크를 만들려면, 마스크의 외형선을 CAD 소프트웨어로 그려놓고, 마스크 제작용 장치로 이 도형을 마스크 시트에 그려 넣으면 된다. 그리고, 포토 리소그래피 장치에 의하여 자외선을 조사하면 포토 리소그래피용 마스크 상의 도형이, 상기 레지스트막(6)의 표면에 전사된다.
이로 인하여, 도 6(VI)에 나타내는 바와 같이, 실리콘층(3)의 표면에, 마스크(41)를 사이에 두고, 제조할 실리콘 프로브(35, 35)와 거의 동일 형상의 한쌍의 레지스트(61, 61)이 좌우 대칭으로 형성된다.
한쌍의 레지스트(61, 61), 마스크(41) 및 실리콘층(3)의 표면을, 노광장치에 의하여 노광한다(S17). 마스크(41) 및 한쌍의 레지스트(61, 61)의 밑부분 이외의 실리콘층(3)은 제거되고, 마스크(41) 및 한쌍의 레지스트(61, 61)의 밑부분에는, 마스크(41) 및 한쌍의 레지스트(61, 61)가 조합된 형상과 같은 형상의 원(原) 나노 그리퍼(31)가 되어 남는다. 그리고, 심굴(深堀) RIE라고 불리우는 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)에 의하여, 한쌍의 레지스트(61, 61)를 엣칭한다(S18). 이어서, 레지스트 박리액에 의하여, 한쌍의 레지스트(61, 61)를 제거하면, 도 7(VII)에 나타내는 바와 같이, 원(原) 나노 그리퍼(31) 및 마스크(41)가 노출된다(S19).
도 7(VIII)에 나타내는 바와 같이, 산화로(爐)에 의하여 열(熱)산화시키면, 원(原) 나노 그리퍼(31)의 노출면은, 열산화하여 산화실리콘막(32)이 형성된다(S20). 도 12에 나타내는 바와 같이, 마스크(41)의 하면 부분에 있어서의 원(原) 나노 그리퍼(31)는, 산화되지 않아 가늘고 긴 비(非) 산화실리콘부(33)가 된다. 이 비 산화실리콘부(33)의 폭은, 상기 마스크(41)와 동일 폭이다.
그리고, 엣칭장치에 의하여, 상기 마스크(41)를 엣칭하여 제거하면(S21), 도 8(IX)에 나타내는 바와 같이, 상기 비 산화실리콘부(33)의 상면이 노출된다. 이로 인하여, 원 나노 그리퍼(31)의 노출부 중, 비 산화실리콘부(33)는 실리콘면이지만,비 산화실리콘부(33) 이외의 노출부분의 표면에는 산화실리콘막(32)이 형성되어 있는 것이다. 원 나노 그리퍼(31)에 있어서, 아암이 될 예정인 부분을 원(原) 아암 부분(31A)으로 나타낸다. 이 원 아암 부분(31A)에서는, 중앙부는 비 산화실리콘부(33)이고, 그 좌우 양측은 산화실리콘막(32, 32)이 형성되어 있다.
다음으로, 수산화칼륨 엣칭배스(bath)에 의하여, 비 산화실리콘부(33)에, 예컨대 30[wt.%]의 수산화칼륨 수용액에 엣칭액을 투입하여 실리콘엣칭하면, 비 산화실리콘부(33)의 실리콘은, 그 상면부터 차차 침식되어 간다.
그러면, 도 8(IX) 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 원 나노 그리퍼(31)의 단면(端面)부에 있어서는, 침식 중인 비 산화실리콘부(33)의 상면, 원 아암 부분(31A)의 단면(端面)에 형성된 산화실리콘막(32) 및 비 산화실리콘부(33)가 제거된 부분에 있어서의 좌우의 실리콘 벽면에 의하여, 보트 형상의 엣칭 홈(9)이 구성된다. 이 엣칭 홈(9)은, 침식중인 비 산화실리콘부(33)에 있어서의 상면의 (001)면, 산화실리콘막의 (100)면 및 실리콘 벽면인 (010)면으로 둘러싸여 있다. 엣칭액은, 수산화칼륨 수용액이므로, 실리콘(100)면이 실리콘(111)면보다 빨리 엣칭될 수 있어서, 엣칭이 진행되면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 엣칭 홈(9)의 좌우 양 모서리부에는, 실리콘의 결정이 돌기부(72)로서 석출된다. 이 실리콘 결정은, 엣칭 홈(9)의 상기 (001)면, (100)면 및 (010)면을 연고로 하여 석출되므로, 실리콘(111)면이 노출된다. 이로 인하여, 돌기부(72)는, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이다. 즉, 도 8(X) 및 도 13에 나타내는 바와 같이, 엣칭 홈(9)의 길이방향의 중심을 경계로 하여, 좌우 한쌍의 아암(71, 71)의 사이에, 돌기부(72)가 형성된다. 산화실리콘막(32)이 (100)의 면 방위를 가지고 있으므로, 산화실리콘막(32)의 상면에 대하여 54.7°의 각도로, 돌기부(72)가 석출된다.
상술한 바와 같이, 아암(71)의 선단부에, 돌기부(72)가 형성된다. 게다가, 돌기부(72)는, 원 아암 부분(31A)의 단면(端面)에 형성된 산화실리콘막(32)의 (100)면을 따라서 형성되므로, 돌기부(72, 72)는 그 선단이 대향하여 형성되는 것이다.
도 3은 도 2에 이어지는 본 실시형태의 나노 그리퍼(G)의 제조방법에 있어서의 플로챠트이다. 도 3 및 도 9(XII)에 나타내는 바와 같이, 진공증착장치 혹은 스퍼터링장치에 의하여, 기판(10)의 이면, 즉 베이스층(1)의 이면에 알루미늄을 증착하여 알루미늄막(8)을 형성시키고, 스핀 코터에 의하여, 알루미늄막(8)에 레지스트막(9)을 형성시킨다(S31).
도시하지는 않았지만, 제조할 베이스(11)와 동일 형상의 마스크를 레지스트막(9)에 올려놓는다. 그리고, 레지스트를 현상하면, 마스크의 밑부분 이외의 레지스트막(9) 및 알루미늄막(8)이 제거되고, 마스크의 밑부분에는 도 10(XIII)와 같이, 레지스트(91) 및 알루미늄막(81)이 남는다.
도 10(XIII)에 나타내는 바와 같이, 노광장치에서 베이스층(1) 및 레지스트(91)를 노광한다(S32). 그리고, 인산엣칭배스(bath)에 의하여, 인산으로 알루미늄막(81)을 엣칭한다(S33). 그러면, 레지스트(91)가 제거된다.
도 10(XIV)에 나타내는 바와 같이, ICP-RIE장치에 의하여 엣칭하면, 알루미늄막(81)의 밑면 이외의 베이스층(1)이 제거된다. 알루미늄막(81)의 하면에는 베이스층(11)이 남는다(S34).
도 11(XV)에 나타내는 바와 같이, 최후로 BHF엣칭배스(bath)에 의하여, 불화수소배스(bath)로 산화실리콘을 엣칭하면, 실리콘 프로브(35)의 표면의 모든 이산화실리콘막(32)이 제거된다.
상기와 같이 스텝을 순차적으로 실행함으로써, 본 실시형태의 나노 그리퍼(G)를 제조할 수가 있는 것이다.
다음으로, 본 발명의 나노 그리퍼의 제조방법에 있어서의 작용 효과를 설명한다.
상기와 같이, 본 발명의 나노 그리퍼의 제조방법에 의하면, 열(熱)산화 스텝에 의하여 원(原) 나노 그리퍼(31)의 원(原) 아암 부분(31A)에 있어서, 원 아암 부분(31A)의 단면(端面) 및 상면에 있어서의 마스크(41)를 사이에 둔 좌우 양측부는 산화실리콘막(32)이 형성되고, 상면의 마스크되어 있는 부분은 산화되지 않고 실리콘면 그대로 비(非) 산화실리콘부(33)로서 남는다. 그리고, 마스크 제거 스텝에 의하여, 마스크(41)를 제거하여 비 산화실리콘부(33)를 노출시킨 후, 실리콘엣칭 스텝에 의하여 수산화칼륨 용액으로 실리콘엣칭한다. 그러면, 비 산화실리콘부(33)의 실리콘은, 그 상면부터 차차 침식된다. 원(原) 나노 그리퍼(31)의 원(原) 아암 부분(31A)의 단면(端面)부에 있어서는, 침식 중인 비 산화실리콘부(33)의 상면, 원 아암 부분(31A)의 단면(端面)에 형성된 산화실리콘막(32), 비산화실리콘부(33)가 제거된 부분에 있어서의 좌우의 실리콘 벽면에 의하여 엣칭 홈(9)이 구성된다. 엣칭이 진행되면, 이 엣칭 홈(9)에 있어서의 좌우 양모서리부에, 상기 (001)면, (100)면 및 (010)면을 연고로 하여 실리콘 결정의 돌기부(72)가 형성된다. 이 돌기부(72)는 (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이다. 게다가, 돌기부(72)는, 상기 엣칭 홈의 좌우 양모서리부에 형성되므로, 한쌍의 아암(71, 71)의 선단부에 있어서의 대향면에, 선단끼리가 대향하여 형성되는 것이다. 그리고, 산화실리콘막 제거 스텝에 의하여, 상기 산화실리콘막(32)이 완전히 제거되고, 절연층 제거 스텝에 의하여 한쌍의 아암(71)의 하면에 있는 절연층(2)을 제거할 수가 있다. 따라서, 돌기부(72)의 형상은 실리콘의 결정면에 의하여 규정되고, 또한 한쌍의 대향하는 돌기부(72)는 1 결정방위의 직선 상에 형성되므로, 고정밀도의 리소그래피를 사용하지 않고서도, 돌기부(72)의 선단을 50 나노미터 이하의 곡률로 형성할 수가 있는 것이다.
따라서, 제조된 나노 그리퍼(G)는 DNA나 세포 등의 극히 작은 나노 오브젝트의 핸들링에 적합하게 되어 있다. 또한, 돌기부(72)가 50 나노미터 이하로 첨예화되어 있으므로, 피측정물질과 동일 정도의 크기가 되므로, 카본 나노튜브나 나노결정 등의 전기 특성의 측정이 가능해진다.
이제, 제조된 나노 그리퍼(G)를 상세히 설명한다.
다시 도 1에 나타낸 바와 같이, 베이스(11)의 표면에, 좌우 한쌍의 실리콘 프로브(35, 35)가 각각 한쌍의 절연부(22, 22)를 통하여 형성된 것이다.
베이스(11)의 크기는, 폭 5[㎜]×깊이10[㎜]×높이 0.5[㎜] 전후인데, 이들의 값은, 단순한 예시에 불과하며, 용도에 따라서 임의의 값을 설정할 수 있다.
각 절연부(22)는, 두께가 2[㎛]인 산화실리콘층(21A, 21B, 21C)으로 구성되어 있고, 각 산화실리콘층(21A, 21B, 21C)은, 산화실리콘만을 소재로 하고 있으므로 절연재로서 기능한다.
다음으로, 실리콘 프로브(35)를 설명한다.
좌우 한쌍의 실리콘 프로브(35, 35)는 좌우 대칭의 형상이다. 이 실리콘 프로브(35)는, 그 소재가 실리콘이므로 도전성이 있고, 통전에 의하여 열팽창한다. 이 실리콘 프로브(35)는, 아암(71), 돌기부(72), 힌지(73), 지지부(74), 액츄에이터(75) 및 액츄에이터(76)가 일체로 구성된 것이다.
아암(71)의 크기는, 폭 250[㎛]×길이 1250[㎛] 정도이다. 이 아암(71)의 선단부에 있어서의 대향면에는, 돌기부(72)가 형성되어 있다. 아암(71) 및 돌기부(72)의 하면에는, 절연부(22)가 형성되어 있지 않으므로, 아암(71)은 좌우로 요동(휨 운동)하기 쉽다.
이 돌기부(72)는, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이고, 그 선단은 뾰족하게 되어 있다. 좌우 한쌍의 돌기부(72, 72)의 선단끼리는, 서로 대향하고 있고, 돌기부(72, 72) 사이의 간격은 10[㎛]이다.
아암(71)의 기단(基端)면에는, 가느다란 힌지(73)를 통하여, 지지부(74)가 형성되어 있다. 이로 인하여, 아암(71)에 좌우의 힘이 가해지면, 힌지(73)는 휘어지고, 아암(71)은 좌우로 요동한다.
아암(71)의 측면부에서 한쌍의 액츄에이터(75, 76)가 뻗어 있고, 둘 다 L자 형상이다. 액츄에이터(75, 76)의 기단부에는 전극(75e, 76e)이 형성되어 있다.
상기 지지부(74), 액츄에이터(75) 및 액츄에이터(76)는, 각각 산화실리콘층(21A, 21B 및 21C)을 개재하여 제1 실리콘층(11; 베이스)의 상면에 형성되어 있다.
전극(75e, 76e)의 사이에 전원을 인가하여 전류를 흐르게 하면, 액츄에이터(75, 76)는 쥬울 열에 의하여 열팽창하고, 아암(71)은 액츄에이터(75, 76)에 의해 밀리므로, 힌지(73)는 휘고, 아암(71)은 요동한다.
이로 인하여, 좌우 양방의 실리콘 프로브(35, 35)에 있어서의 각각의 전극(75e, 76e) 사이에 전원을 각각 인가하고, 전류를 흐르게 하면, 한쌍의 돌기부(72, 72)의 간극은 좁아진다. 따라서, 돌기부(72, 72)에 의하여, DNA 등의 나노 오브젝트를 집거나 놓거나 하여 핸들링할 수가 있는 것이다.
그리고, 본 실시형태의 나노그리버(G)는, 액츄에이터는 1방향으로만 이동하는 것이지만, 하나 더 액츄에이터를 도입하여, 2축 방향으로 자유로이 프로브가 이동할 수 있도록 하여도 좋다. 또한, 액츄에이터로서 정전(靜電)형 액츄에이터, 압전형 액츄에이터를 이용하여도 좋다.
또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 액츄에이터를 피에조 액츄에이토로 하여도 좋다. 이 피에조 액츄에이터는, 전압에서 미소 변위를 제어할 수 있고, 열(熱)적인 드리프트도 없으므로 미소량의 위치결정에 바람직하다.
더욱이, 도 16에 나타내는 바와 같이, 액츄에이터를 정전(靜電)력에 의한 정전 액츄에이터로 하여도 좋다. 이 경우, 프로브와 일체화하여 형성하기 쉽고, 정전용량을 구함으로써, 변위량을 측정하는 것이 가능하므로 바람직하다.
청구항 1의 발명에 의하면, 한쌍의 아암에 있어서의 돌기부의 선단끼리는 대향하고 있고, 각 돌기부는 50 나노미터 이하의 곡률이므로, DNA 등의 나노 오브젝트를 집거나 놓거나 하여 핸들링할 수가 있다.
청구항 2의 발명에 의하면, 돌기부가 실리콘의 결정이므로 단단하고, 아암의 선단부를 용액 중에 담궈도 돌기부의 프로브 구조가 변형되지 않는다. 게다가, 돌기부의 선단은, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점이므로, 50 나노미터 이하의 곡률이다. 이로 인하여, 용액 중에서 DNA를 집거나 놓거나 하여 핸들링할 수가 있다.
청구항 3의 발명에 의하면, 액츄에이터를 신축시킴으로써, 한쌍의 아암의 선단부는 접근 이격한다. 이로 인하여, 한쌍의 아암의 돌기부에 의하여, 나노 오브젝트를 집거나 놓거나 하여 핸들링할 수가 있다.
청구항 4의 발명에 의하면, 발열량을 조절함으로써, 열팽창 액츄에이터의 신축량을 조정할 수가 있어서, 아암의 집는 힘을 용이하게 조정할 수가 있다.
청구항 5의 발명에 의하면, 열팽창 액츄에이터를 나노 그리퍼 본체와 동일 실리콘 기판 내에 일체 형성시키는 것이 가능하므로, 공업적인 대량생산이 용이하고, 저가로 제조할 수 있다. 또한, 한쌍의 전극 사이에 통전하는 전류를 조정함으로써, 실리콘으로 만든 신축 아암의 신장량을 조정하여, 아암의 집는 힘을 조정할 수가 있으므로, 집는 힘 조정이 간단하고, 게다가, 한쌍의 아암에 있어서의 돌기부끼리의 간격을 정밀하게 용이하게 제어할 수 있다.
청구항 6의 발명에 의하면, 열(熱)산화 스텝에 의하여, 원(原) 나노 그리퍼의 원(原) 아암 부분에 있어서, 그 단면(端面) 및 상면에 있어서의 마스크를 사이에 둔 좌우 양측부는 산화실리콘막이 형성되고, 상면의 마스크되어 있는 부분은 산화되지 않고 실리콘면 그대로 비(非) 산화실리콘부로서 남는다. 그리고, 마스크 제거 스텝에 의하여, 마스크를 제거하여 비 산화실리콘부를 노출시키고 나서, 실리콘 엣칭 스텝에 의하여 수산화칼륨 용액으로 실리콘엣칭한다. 그러면, 비 산화실리콘부의 실리콘은, 그 상면부터 차차 침식된다. 원 나노 그리퍼의 원 아암 부분의 단면부에 있어서는, 침식 중인 비 산화 실리콘부의 상면, 원 아암 부분의 단면에 형성된 산화실리콘막 및 비 산화실리콘부가 제거된 부분에 있어서의 좌우의 실리콘 벽면에 의하여 엣칭 홈이 구성된다. 이 엣칭 홈은, 침식 중인 비 산화실리콘부에 있어서의 상면의 (001)면, 산화실리콘막의 (100)면 및 실리콘 벽면의 (010)면으로 둘러싸여 있다. 엣칭이 진행되면, 엣칭 홈의 좌우 양모서리부에, 상기 (001)면, (100)면 및 (010)면을 연고로 하여 실리콘 결정의 돌기부가 형성된다. 이 돌기부는, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상이다. 게다가, 돌기부는, 상기 엣칭 홈의 좌우 양모서리부에 형성되므로, 한쌍의 아암의 선단부에 있어서의 대향면에, 선단끼리가 대향하여 형성되는 것이다. 그리고, 산화실리콘막 제거 스텝에 의하여, 상기 산화실리콘막이 완전히 제거되고, 절연층 제거 스텝에 의하여 한쌍의 아암의 하면에 있는 절연층을 제거함으로써, 나노 그리퍼를 제조할 수가 있다. 따라서, 돌기부의 형상은 실리콘의 결정면에 의하여 규정되고, 또한 한쌍의 대향하는 돌기부는 1 결정 방위의 직선 상에 형성되므로, 고정밀도의리소그래피를 사용하지 않아도, 돌기부의 선단을 50 나노미터 이하의 곡률로 형성할 수가 있는 것이다.

Claims (6)

  1. 대향하는 한쌍의 아암과, 이 한쌍의 아암의 선단부에 있어서의 대향면에, 선단끼리를 대향시켜서 각각 형성된 한쌍의 돌기부로 이루어지고, 이 돌기부의 선단이, 50 나노미터 이하의 곡률인 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부가, 실리콘의 결정이고, (100)면, (001)면 및 (111)면으로 구성된 정점을 구비한 삼각추의 형상인 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 한쌍의 아암의 선단부끼리를 접근·이격시키는 한쌍의 액츄에이터가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액츄에이터가, 열팽창(熱膨脹) 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열팽창 액츄에이터가, 실리콘으로 만든 한쌍의 신축(伸縮) 아암으로 이루어지고, 각 신축 아암에 통전시키기 위한 한쌍의 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼.
  6. 절연층 및 (001)면 방위를 가지는 실리콘층을 구비한 기재(基材)를 재료로 하여, 대향하는 한쌍의 아암을 구비한 나노 그리퍼를 제조하는 제조방법으로서, 상기 실리콘층의 표면에 <010> 방향을 따라서 가늘고 긴 마스크를 형성하는 스텝과, 상기 실리콘층의 표면에, 상기 아암이 될 원(原) 아암 부분에 대응하는 레지스트를, 상기 원 아암 부분이 상기 마스크의 좌우 양측에 위치하도록 형성하는 스텝과, 상기 실리콘층을 엣칭하여, 제조할 나노 그리퍼 및 상기 마스크가 조합된 형상과 동일 형상의 원(原) 나노 그리퍼를 형성하는 스텝과, 상기 레지스트만을 제거하는 레지스트 제거 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 노출된 실리콘면을 열(熱)산화시켜서, 산화실리콘막을 형성시키는 열산화 스텝과, 상기 마스크만을 제거하는 마스크 제거 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 표면에 있어서, 상기 마스크로 피복되어 있던 비(非) 산화실리콘면을 수산화칼륨용액으로 실리콘엣칭하는 실리콘엣칭 스텝과, 상기 원 나노 그리퍼의 산화실리콘막을 엣칭하여 제거하는 산화실리콘막 제거 스텝을 순차적으로 실행하는 것을 특징으로 하는 나노 그리퍼의 제조방법.
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