纳米镊子及其制造方法以及配备有该纳米镊子的扫描探针显微镜的利记博彩app

专利名称:纳米镊子及其制造方法以及配备有该纳米镊子的扫描探针显微镜的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用来观测样品表面和夹持微小物体的纳米镊子、配备这种纳米镊子的扫描探针显微镜，以及该纳米镊子的制造方法。
背景技术：
在扫描探针显微镜(SPM)中，在悬臂上的探针以原子直径级的非常小的距离位于样品附近上方，然后探针被用来二维地扫描样品的表面。在这个过程中检测例如由于样品和悬臂的相互作用产生的力，并且基于检测到的力来观察存在于样品表面的凹处、突出或者类似物。当纳米镊子的前端被打开和关闭时，它夹持纳米级尺寸的微小物体。相关领域中已知的纳米镊子具有如上面所述的观察功能和夹持功能(例如参见专利参考文献I)。在该专利参考文献中所公开的装置中，两个碳纳米管被固定到原子力显微镜的悬臂的前端上，其中一个碳纳米管被用来观察微小物体，并且当两个碳纳米管的前端采用静电力或者类似的力被打开/关闭时，微小样品被夹起和释放。
专利参考I :USPNo. 4，927，254

发明内容
本发明要解决的问题
但是，除了下面的在相关领域中生产纳米镊子的标准生产步骤之外，为了生产专利参考I中公开的纳米镊子，必须要完成一个将两个碳纳米管固定到悬臂的前端上的额外的、困难的生产步骤。
解决上述问题的方法
根据本发明的第一方面的纳米镊子包含支撑元件；观察探针，该观察探针从所述支撑元件向外突出，并且当观察样片的表面时被使用；可动臂，该可动臂临近从所述支撑元件向外突出的观察探针设置，并且使所述观察探针和所述可动臂之间关闭或者打开，从而夹持或者释放被夹持在所述观察探针和所述可动臂之间的样品；以及驱动机构，该驱动机构驱动所述可动臂，从而使所述观察探针和所述可动臂之间关闭或者打开，并且所述支撑元件、所述观察探针和所述可动臂都通过照相平版印刷术过程处理半导体晶片来形成。
根据本发明的第二方面的纳米镊子，包含支撑元件；观察探针，所述观察探针沿着特定的方向从所述支撑元件开始延伸，并且包括用在样品表面观察中的探针部和用来夹持样品的第一夹持部；可动臂，所述可动臂沿着特定的方向从所述支撑元件开始延伸，并且临近所述观察探针设置，并且包括沿着所述特定方向面向第一夹持部的第二夹持部；以及驱动机构，所述驱动机构沿着所述可动臂延伸的方向驱动所述可动臂，从而将所述样品夹持在第一夹持部和第二夹持部之间，以及所述支撑元件、所述观察探针和所述可动臂都通过照相平版印刷术过程处理半导体晶片来形成。
这是可接受的第一夹持部是从所述观察探针朝向所述样品表面向外突出的突出部，并且包括垂直于所述特定方向设置的第一夹持表面和在所述突出部的前端上形成的所述探针部；并且第二夹持部包括第二夹持表面，用来将所述样品夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间。并且也可以接受第一夹持表面和第二夹持表面的形成设置为垂直于所述特定方向。
这是可接受的所述半导体晶片是SOI晶片，该SOI晶片包括夹在一对硅层之间的SiO2层；所述观察探针和所述可动臂在所述一对硅层中的一个上互相之间间隔特定距离并排形成；以及第一夹持部、第二夹持部和探针部的每一个形成为沿着所述观察探针和所述可动臂并排设置的方向向外突出。并且这也是可以接受的第一夹持部、第二夹持部和探针部中的每一个形成为沿着垂直于所述观察探针和所述可动臂并排设置的方向延伸的方向向外突出。
这也是可以接受的所述观察探针由形成有沿着所述特定方向延伸的狭缝空间的马蹄铁形部件的横梁组成；以及所述可动臂设置为被允许在所述狭缝空间中沿着所述特定方向自由滑动。
此外，这是可以接受的所述驱动机构通过由供应电源产生的热引起的热变形来驱动所述可动臂。
根据本发明的第三方面的扫描探针显微镜，包括上面所述的任何一种纳米镊子；检测单元，该检测单元检测由于所述观察探针和所述样品表面之间的相互作用引起的位移；控制单元，该控制单元控制所述驱动机构的驱动操作；算术运算单元，该算术运算单元基于所述检测单元检测到的位移通过算术运算确定样品表面上的物理和/或化学状态；以及扫描装置，用来在相对于所述样品表面扫描移动中接合所述观察探针。还可以具有显示单元，该显示单元提供由所述算术运算单元执行的算术运算结果的可视显示。
这也是可以接受的所述检测单元包括将光辐射到所述观察探针上的光源和检测从所述观察探针反射回的光的光接收单元；以及所述算术运算单元基于所述光接收单元提供的检测信号通过算术运算确定样品的表面轮廓。
此外，这是可以接受的还具有励磁单元，为了以轻敲模式观察样品，该励磁单元使得所述观察探针以为所述观察探针选定的共振频率在一个方向上向样品振动，并且所述可动臂形成为具有以与所述观察探针的共振频率不同的值设置的共振频率。
根据本发明的第四方面，一种制造上面所述的纳米镊子的方法，包括使用由SOI晶片组成的半导体晶片；形成两个突出条的步骤，用来通过部分移除SOI晶片上的其中一个硅层形成所述观察探针和所述可动臂的基本形状；在突出条的前端形成获得接近或接触样本的尖部，以形成观察探针的基本形状；用所述两个突出条，通过局部移除另一个硅层和在SOI晶片内的氧化硅层形成所述观察探针和所述可动臂，并且还利用剩余未移除部分形成支撑元件。
根据本发明的第五方面的纳米镊子，包括支撑元件；一对臂，从所述支撑元件延伸、并排设置、具有夹持部，所述夹持部被用来夹持样品，每一个所述夹持部形成于一对臂上的一个上；探针部，被用来样品表面观察且形成于所述一对臂的至少一个上；施力机构，将力施加到该对臂上，从而相向移动所述臂，直到在该对臂上的所述夹持部开始互相接触；以及驱动机构，驱动该对臂，从而克服由所述施力结构施加的力使所述一对臂互相远离移动。[0018]这是可接受的所述支撑元件、所述一对臂、所述施力机构以及所述驱动机构都通过照相平版印刷术方法处理半导体晶片来形成。
这也是可以接受的还具有热执行器，既可以作为所述施力机构又可以作为所述驱动机构；以及所述热执行器是通过用硼涂覆硅层成并且然后退火用硼涂覆了的所述硅层所形成的元件，并且包括供应电源的电极。
根据本发明的第六方面用来制造纳米镊子的方法，包括使用由包括夹在一对硅层之间的SiO2层的SOI晶片组成的半导体晶片；第一步，通过蚀刻所述SOI晶片上的硅层中的一个来形成所述一对臂、所述施力结构和所述驱动机构；第二步，在组成所述施力机构的硅层上涂覆硼；以及第三步，通过退火用硼涂覆的所述硅层，在所述施力机构上产生收缩应力，该收缩应力被用来沿着关闭方向驱动所述一对臂。
这是可以接受的在所述第一步中，所述一对臂并排形成、互相间隔特定距离；以 及在所述第三步中，通过在所述施力机构上产生收缩应力，所述一对臂被设置在关闭状态。
根据本发明的第七方面的扫描探针显微镜，包括上面所述的纳米镊子；检测由于所述臂和所述样品表面之间的相互作用产生的位移的检测单元；控制所述驱动机构的驱动操作的控制单元；基于所述检测单元检测的位移通过算术运算确定所述样品表面上的物理和/或化学状态的算术运算单元；以及接合所述臂的前端相对于所述样品表面扫描运动的扫描装置。
可以具有显示单元，该显示单元提供由所述算术运算单元执行的算术运算结果的可视显示。
本发明的技术效果
根据本发明，构成纳米镊子的元件，例如支撑元件、观察悬臂、可动臂和夹持臂，通过照相平版印刷术将半导体晶片用作基底材料的方式形成，因此，获得了高度的尺寸精确性，从而能够准确地观察样品也牢固地夹持样品。此外，与相关领域中的包括其上固定有碳纳米管的纳米镊子相比，根据本发明的纳米镊子可以以较低的成本生产。而且，由于采用两个夹持部，通过朝向观察探针的夹持部线性地移动可动臂的夹持部来夹持样品，因此容易获得牢固地夹持。


图I :根据本发明的扫描探针显微镜的第一实施方式；
图2:纳米镊子I的基本结构元件，其中图(a)示出了观察探针10和可动臂20，图(b)示出了观察探针10的探针部；
图3 :观察探针的共振频率；
图4 :放大显示的观察探针10、可动臂20、驱动杠杆23和24以及供电单元6 ；
图5 :在(al)和(a2)中显示了步骤a，在(bl)和(b2)中显示的步骤b，在(cl)和(c2)中显示的步骤c ;
图6 :掩膜A的平面视图；
图7 :在(a)和(b)中显示的步骤d ；
图8 :在步骤d中执行的蚀刻过程之前和之后的晶片30的截面视图，其中(a)是沿着图7中的II-II的截面视图，图(b)是沿着图7中的I-I的截面视图；[0034]图9 :掩膜B的平面视图；
图10 :在(a)和(b)中显示的步骤e，(a)是沿着I_I的截面视图，(b)是沿着II-II的截面视图；
图11 :在(a)和(b)中显示的步骤f，(a)是沿着I_I的截面视图，(b)是沿着II-II的截面视图；
图12 已经经过了步骤f的处理的晶片30的透视图；
图13 :在(al)和(a2)中显示的步骤g，在(bl)中显示的步骤h ;
图14 (a)显示的掩膜C的平面视图并且(b)中显示的掩膜D的平面视图；
图15 :在第二实施方式中得到的AFM装置中采用的全部结构的示意图；
图16: (a)显示的观察探针10和可动臂20之间的位置关系，以及(b)中放大显示 的前端面区域；
图17 (a)中显示的观察操作，(b)和(C)中显示的夹持操作；
图18 :在(al)和(a2)中显示的步骤a，在(bl)和(b2)中显示的步骤b，在(cl) (c3)中显示的步骤c ;
图19 :在(al)和(a2)中显示的步骤d，在(bl) (b3)中显示的步骤e以及在(Cl)和(c2)中显示的步骤f;
图20 :在(al)和(a2)中显示的步骤g，在(bl)和(b2)中显示的步骤h，在(cl) (c3)中显示的步骤i ;
图21 :第三实施方式中得到的纳米镊子中采用的结构的示意图，该纳米镊子具有图(a)中示出的在非驱动状态下的驱动机构80、图(b)中示出的在驱动状态下的驱动机构80和在图(c)中不出的纳米慑子的放大局部；
图22 :在纳米镊子51中采用的基本结构的示意图；
图23 :通过使用纳米镊子51执行的观察/夹持操作，(al) (b2)显示了观察操作，(Cl)和(c2)显示了夹持操作；
图24 :在(al) (a3)中显示的步骤a，在(bl)和(b2)中显示的步骤b ；
图25 :在(al) (a3)中显示的步骤C，在(bl)和(b2)中显示的步骤d ；
图26 :在(al)和(a2)中显示的步骤e，在(bl)和(b2)中显示的步骤f ；
图27 :在(al)和(a2)中显示的步骤g，在(bl)和(b2)中显示的步骤h ；
图28 :在(al) (a3)中显示的步骤i，在(bl) (b3)中显示的步骤j ；
图29 :表示在(a)以及(b)和(C)中的第四实施方式，(a)表示从样品表面侧看到的纳米镊子I的平面视图，(b)和(c)表示在纳米镊子I的前端部分R呈现的放大结构；
图30 :利用臂201和202夹持样品S执行的夹持操作，(a)显示了打开状态，(b)显示了关闭状态；
图31 (a)中显示的从SOI晶片上分离出的纳米镊子1，(b)中显示的已经经过退火处理的纳米镊子；
图32 :第四实施方式得到的纳米镊子I的变化图。
具体实施方式
实现本发明的最佳方式[0059]下面是参照附图对本发明的实施方式的说明。
(第一实施方式)
图I示意性地显示了在原子力显微镜系统(此后称作AFM系统)中采用的结构，作为它的第一实施方式，具体显示了根据本发明的扫描探针显微镜。图2显示了构成安装到图I中的AFM系统100中的纳米镊子(纳米小镊子)I的基本结构元件(一对纳米镊子称为纳米镊子)，其中(a)显示了观察探针10和可动臂20，(b)显示了观察探针10的探针部。
如图I所示，AFM系统100包含纳米镊子I、激光源2、2单元分流光电二极管3 (split photodiode)、算术运算单元4、励磁单元5和供电单元6。纳米镊子I包括形成为用来与支撑元件25 —起组成一体单元的观察探针10和可动臂20，该纳米镊子通过照相平版印刷术处理SOI晶片所形成，这将在后面具体说明。
观察探针10包括沿着图中X方向延伸的杠杆11和沿着X方向从杠杆11的前端延伸的探针部12。临近观察探针10安装或者设置的可动臂20包括沿着X方向延伸的杠杆21和沿着X方向从杠杆21的前端开始延伸的夹持部22。基本互相平行延伸的探针部12和夹持部22设置为互相之间有一定距离。作为支撑元件25的一体部分的驱动杠杆23和24用作驱动可动臂20的热执行器。驱动杠杆23和24的端部被连接到可动臂20，因此形成了一个连接机构。电从供电单元6被供给到用作热执行器的驱动杠杆23和24。
支撑元件25由位于AFM系统100上的固定器(未示出)可拆卸地固定。注意到，在图I中仅仅显示了支撑元件25的一部分。虽然没有显示，但是AFM系统100包括一个三维镜台，用来固定支撑元件25的固定器被固定到该镜台上。当三维镜台被驱动时，整个纳米镊子I可以在三维方向上移动。支撑元件25可以采用各种方式中的任何一种被连接到固定器上，例如将支撑元件25滑动且安装进固定器上形成的凹槽或者凹处，或者利用固定器上的板簧来夹持支撑元件25。
由2单元分流光电二极管3提供的检测信号被输入到算术运算单元4。基于向其输入的检测信号，算术运算单元4通过算术运算计算观察探针10的振幅并且确定样品S表面的轮廓。算术运算的结果在监控器7上显示。励磁单元5包括压电单元(未示出)和用于驱动压电单元的驱动电路，所述压电单元通过振动整个纳米镊子I在观察探针10上引起共振。
如图2所示，观察探针10的杠杆11和可动臂20上的杠杆21的YZ截面是矩形，沿着X方向测量的杠杆11和21的长度互相相等，并且沿着Z方向测量的厚度互相相等，并且杠杆11沿着Y方向的宽度大于杠杆21的宽度。此外，沿着在X方向上测量的它们的长度、在Y方向上测量的它们的宽度和在Z方向测量的它们的高度上，观察探针10的探针部12和可动臂20的夹持部22的尺寸互相相等。探针部12和夹持部22中的每一个都呈现沿着Z方向逐渐变细的楔形，并且它们沿着YZ平面都有直角三角形截面。设置为间隔距离d的探针部12和夹持部22的截面相对于Z轴是对称的。探针12和夹持部22的表面12a 和22a(此后称作垂直表面)互相面对、互相平行设置。探针部12的垂直表面12a和倾斜表面12b互相连接形成的峰线12c和夹持部分22的垂直表面22a和倾斜表面22b互相连接形成的峰线22c平行于X轴延伸，并且探针部和夹持部用作接近或者接触样品S的尖端(刃端)。[0067]现在将参照附图I和2说明观察样品时采用的方法。在该实施方式中，通过驱动设置在励磁单元5上的压电元件(未示出)、因而引起观察探针10沿着如图2中的箭头V所示的方向(Z方向)的弯曲振动并且同时沿着XY方向扫描纳米镊子I的方式，样品S的表面的轮廓通过测量被确定。这种方法通常可称作轻敲模式。在观察的过程中，观察探针10的探针部12被移动到非常接近样品的表面，从而在原子直径级的非常小的距离的上方定位它，并且样品表面被二维地扫描，同时沿着Z方向在观察探针上引起振动。当样品的表面被扫描到具有凹处或者突起时，并且因此探针部12的前端和样品S之间的距离(振动的探针部12的前端和样品S之间的平均距离)发生改变，由于在样品表面和探针部12之间的相互作用产生了改变，所以 杠杆11的振幅也发生改变。振幅的变化范围通过光杠杆测量方法被测量，该方法使用激光源2和2元件分流光电二极管。
在光杠杆测量方法中，激光源2产生的激光LI被指向到杠杆11的上表面上，并且从杠杆11的上表面反射的光线L2被接收在用作光接收单元的2元件分流光电二极管3上。2元件分流光电二极管3输出与光接收位置相应的检测信号到算术运算单元4。基于由2元件分流光电二极管3提供的检测信号，算术运算单元4计算在杠杆11上的振幅已经发生的改变范围，并且再基于振幅改变的范围通过算术运算确定样品表面上的轮廓。由此确定的表面轮廓然后被显示在监控器7上。
在上面描述的轻敲模式中进行的观察过程中，需要通过压电元件沿着Z方向振动整个支撑元件25的方式在观察探针10上引起共振。因此，观察探针10上的杠杆11的宽度被设置为大于可动臂20上的杠杆21的宽度，这在前面已经说明了，从而确保沿着振动探针10的厚度振动的共振频率高于可动臂20的共振频率。当励磁单元5以为观察探针10设置的共振频率振动整个支撑元件25时，观察探针10单独地共振且沿着Z方向振动。
图3是观察探针10上的共振频率的图表，其中沿着垂直轴表示振幅并且沿着水平轴表示频率。图3中的Vl代表观察探针10的振动曲线，并且图3中的V2代表可动臂20的振动曲线。当通过励磁单元5产生的振动的频率是fl时，在观察探针10产生共振，并产生幅峰。这个频率Π是观察探针10的共振频率。可动臂20的共振频率是f2，并且振动峰值显示位于频率f2。一旦频率超过了 f2，振幅快速降低并且在频率fl时的可动臂20的振幅k大大小于观察探针10上的振幅。通过设置杠杆11和21的宽度从而使观察探针10的共振频率高于可动臂20的共振频率f2，使观察探针10单独振动是可能的。
另外，可以通过调节杠杆11和21的厚度来选择所需的共振频率，从而代替通过调节杠杆11和21的宽度来选择所需的共振频率。在这个例子中，观察探针10的杠杆11的厚度应该呈现出大于可动臂20上的杠杆21的厚度。因为通过相应的厚度三次幂获得的值代表共振频率，所以共振频率可以通过稍微地改变厚度的方式简单地被调整到一个非常大的范围。
接下来，参照图I和4，说明驱动可动臂20的热执行器。图4是图I中的观察探针10、可动臂20、驱动杠杆23和24以及供电单元6的放大示意图。热执行器由驱动杠杆23和24以及供电单元6组成。驱动杠杆23的横梁部23a和驱动杠杆24的横梁部24a都被连接到可动臂20上。当横梁部23a和24a沿着Z方向测量的厚度互相相等时，沿着横梁部24a的X方向测量的宽度被设置为小于横梁部23a的宽度。供电单元6包括串联的两个可变电源6a和6b，并且可变电源6a的负电极被连接到驱动杠杆23，可变电源6b的正电极被连接到驱动杠杆24。可变电源6a和可变电源6b连接的连接点的电压和可动臂20上的电压都被设置到地电位。
如前面所述，沿着X方向测量的横梁部24a的宽度被设置为小于横梁部23a的宽度，从而具有较小横截面积的横梁部24a上的阻力系数大于横梁部23a上的阻力系数。由于这个原因，当电从供电单元6被供给到横梁部23a和24a上时，在横梁部24a上比在横梁部23a上产生的更多的焦耳热，并且横梁部24a比横梁部23a热膨胀到更大的范围。因此，使得可动臂20通过具有在可动臂20的宽度变窄的窄部20a上的支点的驱动杠杆23和24沿着平行于Y轴延伸的H方向弯曲。可动臂20的弯曲范围通过从供电单元6向横梁部23a和24a上施加的电压的反馈控制来调整。注意到，可变电源6a和6b上的电压是经调整的，从而将可动臂20的区域21a上的电压设置成地电位。
如上面所述，通过将可动臂22的区域21a上的电压调整到地电位，观察探针20和可动臂10两者上的电压也可以被控制在地电位，从而防止任何不需要的电压被施加到被夹持的样品S上。
通过下面的操作，样品将通过配备有这种热执行器机构的纳米镊子I所抓住和固定。首先，通过沿着样品的表面三维地移动纳米镊子I将要通过纳米镊子I夹持的样品S定位，并且采用观察探针10观察样品表面的轮廓。一旦样品S被检测到，那么纳米镊子I被移动，从而样品S可以定位于探针部12和夹持部22之间。在停止了观察探针10的轻敲操作之后，驱动杠杆23和24被驱动，并且可动臂20沿着H方向在形状上被弯曲，从而移动夹持部22更罪近探针部12，直到样品S被夹在夹持部22和探针部12之间。在这个过程中，通过驱动杠杆23和24仅仅使得可动臂20被弯曲，而观察探针10保持静止。
为了更加具体地说明夹持步骤，观察探针10上的探针部12的垂直表面12a(参照图2(b))首先被设置为接触样品S。接下来，弯曲可动臂20，从而移动夹持部22的垂直表面22a (参照图2 (b))更加靠近样品S，并且调整可变电源6a和6b，从而以最佳压力水平使垂直表面22a接触样品S。因此，样品S被纳米镊子I所夹持。
因为垂直表面12a和12b这样形成以至设置为互相平行且互相面对，所以样品S被牢固地夹持在平行表面12a和22a之间。一旦样品S被夹持，那么样品S可以通过驱动三维镜台的方式被三维地移动。此外，通过减少从供电单元6向零位施加的电压并且将夹持部22和探针部12之间的距离重新设置为最初的距离，当前被夹持的样品S可以简单地被释放。通过这个操作，样品S可以被夹持，同时可以通过带有观察探针10和可动臂20的纳米镊子I被观察。
接下来，将说明生产在本实施方式中获得的纳米镊子I采用的一种方法。纳米镊子I被制成由SOI (在绝缘层上的硅)晶片组成的一体的单元。通过将两个单晶硅片粘在一起，从而将形成于其中一个单晶硅片上的二氧化硅层夹在中间，来制造SOI晶片。如图I所示，支撑元件25包括组成SOI晶片的上硅层31、SiO2层32和下硅层33。除了被用来与供电单元6连接的电极等之外，观察探针10、可动臂20以及驱动杠杆23和24都由上硅层31组成。用在本实施方式中的组成SOI晶片的层31、32和33的厚度分别是6微米、I微米和300微米，但是本发明并不局限于这种尺寸组合。
图5 14是生产步骤(过程)，经过这些步骤，当步骤a到h被顺次执行时，生产出在本实施方式中得到的纳米镊子I。图5(al)和5(a2)表示步骤a，其中(al)是透视图，(a2)是截面视图。在步骤a中，大于50纳米厚的氮化硅(SiN)膜层34形成在SOI晶片30的上硅层31的上部，SOI晶片30由上硅层31、SiO2层32和下硅层33组成。注意到，SOI晶片30的上硅层这样形成，从而将单晶硅的基底平面(001)设置在上硅层31的表面上。
在图5(bl)和5(b2)中，利用显示透视图的(bl)和显示沿着I-I截取的截面图的(b2)说明步骤b。在步骤b中，SiN膜34通过使用图6中显示的掩膜A采用C2F6执行RIE被局部蚀刻并且移除，直到上硅层31局部暴露(覆盖未画阴影的区域Al和A2)。通过蚀刻移除了 SiN膜层34的区域Al基本上是观察探针10的前端和可动臂20的前端将被形成的区域。在区域A2的上方，形成观察探针10和可动臂20以及杠杆23和24的基本端侧。沿着观察探针10和可动臂20延伸的方向，即沿着窄条A延伸的方向应该对准于上硅层31的〈110〉方向。
注意到，图6中所示的掩膜A也覆盖支撑元件25，并且在图6中的线Rl-Rl上方的掩膜部分相应于图I和图5(bl)中表示的视图。因此，下面的说明是关于线Rl-Rl上方的区域。
在图5 (Cl)和图5(c2)中所示的步骤c中，大于O. I微米厚的氧化膜层35形成于区域Al和A2上的上娃层31的表面。上娃层31的暴露表面通过由氧气和氢气在高温下发生反应产生的蒸汽的蒸汽氧化方式被氧化。
图7(a)和图7(b)表示步骤d。在步骤d中，使用图9中所示的掩膜B执行ICP-RIE(感应耦合等离子体-反应离子蚀刻)蚀刻处理。如图9所示，掩膜B包括用来遮罩图7(cl)中的区域Al的前端遮罩区域BI。在图中沿着向上/向下方向延伸(沿着上硅层31的〈110〉方向)的狭缝SLl形成在前端遮罩区域BI上。此外，当形成驱动杠杆23和24的时候，使用狭缝SL2和SL3。注意到，图9中的线R2-R2上方的掩膜B的部分对应于图7(a)和7(b)中表示的部分。
图7(a)中的虚线表示已经经过了图5(cl)中所示的处理过程的、设置在晶片30上方的掩膜B。在图7 (a)没有被掩膜B所覆盖的区域通过ICP-RIE过程被蚀刻，直到SiO2层32被暴露。由于通过ICP-RIE执行的这个蚀刻过程在SiO2层32上停止，因此具有相同厚度的观察探针10和可动臂20可以高准确度地形成。
图7 (b)是已经经过蚀刻处理的晶片30。通过蚀刻在掩膜B上的狭缝SLl上方的区域，形成了沿着〈110〉方向延伸的狭缝凹槽40。狭缝凹槽40的两个侧表面垂直于SiN膜层34的表面，并且狭缝凹槽40的深度等于SiN膜层34和上硅层31的总厚度。狭缝凹槽40的两个侧表面最后成为制成的纳米镊子产品I的探针部12的垂直表面12a和夹持部22的垂直表面22a (参照图2)。
图8代表在蚀刻处理之前和之后的晶片30的截面视图，(a)代表沿着图7中的II-II截取的截面视图，并且(b)代表沿着图7中的I-I截取的截面视图。在没有被掩膜B覆盖的区域上方，蚀刻硅氮(SiN)膜层34、氧化膜层35和硅层31。因此，SiO2层32的上表面和硅层的侧表面暴露在蚀刻过的区域中。
图10图示了步骤e，其中(a)中表示了类似于图7中沿着I_I截取的那些视图的截面视图，并且(b)中表示了类似于图7中沿着II-II截取的那些视图的截面视图。在步骤e中，为了保护表面，氧化膜层36形成在经过在步骤d中执行的蚀刻处理已经暴露的上硅层31的侧表面上。如步骤c中一样，通过蒸汽氧化形成了氧化膜层。、[0088]图11图示了步骤f，其中(a)中表示了类似于图10(a)中沿着1_1截取的截面视图，并且(b)中表示了类似于图10(b)中沿着II-II截取的截面视图。在步骤f中，通过使用C2F6实施的RIE处理的蚀刻，SiN膜层34被移除。因此，上硅层31的上表面如图11 (a)和11(b)中所示变得暴露。这种RIE处理的实施没有使用掩膜，但是C2F6气的压力被提高，从而获得蚀刻条件，在该条件下，SiN膜层34以高于氧化膜层35和36的蚀刻速率的蚀刻速率被移除，从而仅SiN膜层34被移除。这意味着在上硅层31上方的氧化膜层35和在上硅层31的侧表面上的氧化膜层36未被蚀刻。图12是处理过的晶片30的透视图，其中氧化层35和36用打点表示为阴影区域。
在图13中，(al)和(a2)图示了步骤g并且(bl)图示了步骤h。图13 (a2)是沿着图13(al)中的III-III截取的截面视图。在步骤g中，上硅层31使用30%的KOH水溶液非等向性地蚀刻。由于上硅层31的上表面仅被暴露在氧化膜层35和36没有出现的区域的上方，如图11所示，因此上硅层31的非等向性蚀刻开始于暴露的上表面，并且形成了倾斜表面llb、21b、12b和22b。如前面的说明，单晶硅的基底平面(001)被设置在上硅层 31的表面上，因此单晶硅的{111}平面被设置在通过非等向性蚀刻形成的倾斜表面12b和22b 上。
注意到，如前面的说明，通过保护除了具有阻抗的杠杆21要占用的区域之外的区域，并且热氧化或者蚀刻与杠杆21相应的区域到预定的深度的方式，观察探针10上的杠杆11的厚度可以被设置为大于在可动臂20上的杠杆21的厚度，从而得到所需的共振频率。
接下来，使用图14(a)中所示的掩膜C沿着厚度方向执行ICP-RIE处理，从而通过蚀刻移除保留在已经形成了观察探针10和可动臂20的基本形状的区域周围的区域上的上硅层31，直到SiO2层31的表面暴露。然后，通过蚀刻移除氧化膜层35和36。通过使用上面描述的掩膜C执行的蚀刻处理，可以调整探针部12和夹持部22的长度。此外，由于互相成直线设置的端表面12e和22e设置为垂直于探针部12和夹持部22延伸的方向，所以样品S可以更加牢固地被夹持。
在图13(bl)中显示的步骤h中，通过开始于SOI晶片30的后表面的、使用图14(b)中显示的掩膜D执行的ICP-RIE过程中的蚀刻，下硅层33的任何不需要的部分被移除。这个蚀刻处理在SiO2层32上停止。然后，因为使用氢氟酸溶液移除了任何不需要的SiO2层32，所以形成了得到所需形状的纳米镊子I。注意到，通过步骤h被移除的部分在图13(bl)中以双点划线指示。也注意到，在图14中显示掩膜C和D的线R3-R3上方的区域相应于图13中所示的被处理的部分。
通过上面描述的步骤，完成了纳米镊子1，该镊子包括与支撑元件25 —起形成一体的单元并且沿着相同方向延伸的观察探针10和可动臂20。在形成了观察探针10和可动臂20同时，使用类似的方法也形成了驱动杠杆23和24。
上面说明了用来制造单个纳米镊子I的制造过程的顺序，但是实际的制造过程在单个的SOI的单元中被执行，即，实际的制造过程通过批处理执行。通过采用照相平版印刷术方法执行的这种批处理，在一批中从一个SOI晶片可以制造大量的纳米镊子1，这使得制造成本降低很多。
通过将上面说明的在本实施方式中获得的纳米镊子I安装在AFM系统中，可以获得下述的优点。[0096](I)由于观察探针10和可动臂20是通过照相平版印刷术从一个SOI晶片中形成为一体的单元，所以可以以低成本制造纳米镊子。此外，由于确保了高的尺寸准确性，所以可以采用观察探针10和可动臂20牢固地夹持样品S。
(2)由于杠杆11和21的宽度或者厚度的设置从而保证了观察探针10上的共振频率Π高于可动臂20上的共振频率f2，所以仅观察探针10必须被移动到非常接近样品S并且被振动为呈现为以轻敲模式激发的观察探针10的共振频率被设置为观察探针的共振频率。因此，临近观察探针设置的可动臂20的存在不会阻碍观察操作。
(3)由于可动臂20是通过热执行器被驱动，没有电压被施加到可动臂20上，因此即使是导电样品或者生物学样品也可以容易地被牢固地夹持。
(4)当通过热执行器驱动可动臂20时，通过反馈控制可以控制电压，从而将可动臂20和观察探针10上的电压设置为基本等于接地电压。因此，阻止了施加到要被夹持的样品S上的任何不需要的电压。
(第二实施方式)
图15示意性地显示了在第二实施方式中得到的AFM系统中采用的整个结构。注意到，与第一实施方式中的相同的参考数字指代同一部件，从而排除了重复说明的必要。可动臂20由驱动机构300沿着M方向(X方向)驱动。驱动机构300包括一对电极301、一对热变形部302、一对杠杆部303、一对连杆部304以及一对横梁部305。如同在第一实施方式中所述，纳米镊子I的支撑元件25由固定器(未示出)可拆卸地夹持，该固定器可以通过一个三维镜台(未示出)三维地移动。
每个电极301被连接到每个热变形部302，并且热变形部302的前端被设置为接触相应的杠杆部303。依次地，杠杆部303通过相应的连杆部304被连接到横梁部305，并且横梁部305被连接到可动臂20的基座上。该对电极301被连接到供电单元6上，从而电可以从供电单元6通过电极301供给到热变形部302。因为电被施加到热变形部302上，所以热变形部302由于焦耳热沿着长度方向热膨胀，使得可动臂20沿着+X方向线性地移动。因此，通过调整施加到作为热膨胀执行器的驱动机构300上的电，即，通过调整施加到热变形部32上的电流值，可动臂20可以沿着X方向往复运动M。
在前面说明的第一实施方式中，观察探针10和可动臂20沿着Y方向并排设置，并且可动臂20通过热执行器沿着Y方向被驱动。但是在第二实施方式中，观察探针10和可动臂20并排设置，沿着Z方向一个在另一个的上方，并且可动臂20被移动，从而通过驱动机构300沿着X方向滑动。
在图16中，(a)显示了观察探针10和可动臂20之间的位置关系，并且(b)中放大显示了观察探针和可动臂的前端。注意到，在图16中简化示意地图示了驱动机构300。观察探针10包括沿着X方向延伸的杠杆11、在杠杆11的前端并且沿着Z方向向外突出的夹持部12和在夹持部12的前端上的探针部13。这个观察探针10被形成为纳米镊子I的支撑元件25的一体的部分。可动臂20也包括沿着X方向延伸的杠杆21和位于杠杆21的前端上并且沿着Z方向向外突出的夹持部22。驱动机构300被连接在可动臂20的基座上。
杠杆11向外突出超过支撑元件25的程度被设置为大于杠杆21向外突出超过支撑元件25的程度。此外，沿着Y方向测量的杠杆11的宽度和沿着Y方向测量的杠杆21的 宽度互相相等，并且杠杆沿着Z方向互相之间间隔一预定距离并排设置。[0106]如图16(b)中的放大所示，夹持部12和夹持部22沿着X方向设置，并且夹持部12和22包括互相面对的平坦表面。这些互相面对的表面12a和22a设置为垂直于X轴并且互相平行。通过沿着M方向移动可动臂20，可以调整相对表面12a和22a之间的距离。
探针部13和夹持部22的前端22b都是尖的，并且连接探针部12和夹持部22的前端22b的线基本上平行于X轴延伸。因此，当通过线性地移动可动臂20的方式使得相对的表面12a和22a互相接触时，探针部13和夹持部22的前端22b对准。
参照图17，说明为了通过使用纳米镊子I观察样品的表面执行的观察操作和通过使用纳米镊子I夹持样品执行的夹持操作。首先说明观察操作。在第二实施方式中也是通过类似于在第一实施方式中采用的轻敲模式观察样品的表面。第二实施方式中纳米镊子I的支撑元件25同样也沿着Z方向由励磁单元25引起振动，用来在观察探针10上产生共振
如图17(a)所示，固定纳米镊子I的固定器(未示出)被三维地移动，直到纳米镊子I相对于样品表面P设置为倾斜预定角度接近样品表面P。当执行观察操作时，驱动机构300不接合并且观察探针10的夹持部12和可动臂20的夹持部22之间的距离被设置为最大距离do。然后，观察探针10的探针部13以原子直径级的非常小的距离被定位在样品表面P的周围区域，并且用类似于第一实施方式中采用的方法观察样品表面。这里不再详细描述具体的观察方法。
当以轻敲模式观察样品表面P或者微小的样品S时，通过使用观察探针10，观察探针10的探针部13，以大于需要定位在样品表面P或者微小样品S的临近区域的可动臂20的前端22b的振幅振动。因此，在第二实施方式中，通过将观察探针10上的杠杆11的厚度设置为大于可动臂20上的杠杆21的厚度，纳米镊子被构成为杠杆11沿着顺着厚度的方向上的振动的共振频率大于如同在第一实施方式中的杠杆21振动的共振频率。因为纳米镊子I的支撑元件25通过励磁单元5以选定的共振频率被引起振动，所以杠杆11单独共振且沿着Z方向振动程度非常大。因此，通过观察探针10能够实现没有可动臂20不断阻碍观察的AFM观察。
如图17(b)所示，一旦纳米镊子I被移动到微小样品S被定位在夹持部12和22之间的位置，驱动机构300就被接合操作，从而抓住且夹持微小样品S。在夹持操作之前，停止励磁单元5的振动操作。纳米镊子I朝向微小样品S移动同时保持距离d为d0。当电流被供给到驱动机构300上的热变形部302上时，热变形部302由于因此产生的焦耳热变得热膨胀，并且由于热膨胀它们沿着+X方向的移动程度由杠杆部303增加。然后横梁部305和可动臂20通过连杆部304沿着+X方向被驱动。
通过上面描述的操作，微小样品S被夹在夹持部22和夹持部12之间，因此微小样品S被夹持在互相平行设置的表面12a和22a之间。在这个操作过程中，通过调整供应到热变形部302上的电流值，微小样品S可以最佳的夹持力被夹持。在夹持部12和夹持部22之间从而夹持样品于其间的距离d等于dl (dl < d0)，这个距离与微小样品的尺寸匹配。
随后，通过三维镜台(未示出)三维移动夹持纳米镊子I的固定器，微小样品S也可以被三维地移动，如图17(c)所示。在本实施方式中得到的纳米镊子I也包括观察探针10和可动臂20，可以被用来观察样品表面P或者微小样品S并且被用来夹持微小样品S。此外，由于微小样品S可以被牢固地夹持，同时保持夹持部12和22的相对表面12a和22a互相平行，所以与采用相关领域中的纳米镊子夹持微小样品相比，微小样品S可以更加牢固地被夹持，相关领域中的镊子的打开/关闭是由于夹持部在圆弧路径上移动。由于这个原因，当需要夹持的微小物体具有球形表面，例如圆柱碳纳米管或者球壳状碳分子时，本实施方式中得到的纳米镊子I是理想的。注意到，通过降低从供电单元6施加的电压或者重新设置电压到零，从而增加夹持部22和夹持部12之间的距离，通过纳米镊子I被夹持住的微小样品S可以被容易地释放。
接下来，说明制造过程，在该制造过程中制造在第二实施方式中得到的纳米镊子
I。在这个说明中，连续描述a到i的九个步骤(过程)。图18(al)和18(a2)代表步骤a，(al)是平面视图并且(a2)是截面视图。在步骤a中，准备SOI晶片400。在本实施方式中使用的SOI晶片400包括厚度为50微米的上硅层401、厚度为I微米的SiO2层402和厚度为400微米的下硅层403。上硅层401被形成，从而单晶硅的基底平面(001)被设置在它的表面上，以图中左和右的方向(100)延伸。
图18 (bI)和18 (b2)代表步骤b，(bl)是平面视图并且(b2)是截面视图。在步骤b中，上硅层401的表面采用氧气和氢气高压反应产生的蒸汽通过蒸汽氧化(湿氧化)方式被氧化，并且厚度大于O. 3微米的氧化膜层404形成在上硅层401的整个表面的上方。
图18 (Cl)、18 (c2)和18 (c3)代表步骤c，(cl)是平面视图、(c2)是截面视图并且(c3)是步骤c中使用的掩膜MA的平面视图。掩膜MA是通过照相平版印刷术形成的抗蚀剂掩膜。在步骤c中，通过使用掩膜MA执行BHF蚀刻，从而移除部分氧化膜层404。
图19 (al)和19 (a2)代表步骤d, (al)是平面视图并且(a2)是截面视图。在步骤d中，厚度大于O. 05微米的硅氮膜层(Si3N4膜层或者SiN膜层)通过LP CVD形成在氧化膜层404和暴露的上硅层401上方。
图19(bl)、19(b2)和19(b3)代表步骤e，(bl)是平面视图、(b2)是沿着IA-IA截取的截面视图并且(b3)是步骤e中使用的掩膜MB的平面视图。在步骤e中，一旦形成掩膜MB,就通过RIE蚀刻SiN膜层405，然后通过蚀刻SiN膜层405已经被暴露的氧化膜层404通过BHF蚀刻过程被移除。随后，通过BHF蚀刻过程已经暴露的部分上硅层401通过执行ICP-RIE (感应耦合等离子体-反应离子蚀刻)被蚀刻。ICP-RIE过程在顺着厚度的方向上基本垂直增加并且在SiO2层402上停止。因此，如图19 (b2)所示形成了深度为50微米的凹槽B11，该深度等于上硅层401的厚度。注意到，凹槽Bll是通过开始于掩膜B的非遮罩部B12上的蚀刻过程形成的。
图19(d)和19 (c2)代表步骤f，(cl)是平面视图并且(c2)是沿着IA-IA截取的截面视图。在步骤f中，上硅层401的暴露表面是通过蒸汽氧化被氧化，并且氧化膜层406形成为厚度大于O. 3微米。这个氧化膜层406可用作保护膜层，在后面将具体描述的随后的非等向性蚀刻过程中防止凹槽Bll的内壁等被蚀刻。
图20 (al)和20 (a2)代表步骤g，(al)是平面视图并且(a2)是沿着IA-IA截取的截面视图。在步骤g中，SiN膜层405通过RIE被移除。因此，上硅层401暴露了区域A10，在该区域SiN膜层405先前已经存在。图20 (bl)和20(b2)代表步骤h，(bl)是平面视图并且(b2)是沿着IA-IA截取的截面视图。在步骤h中，在区域AlO中存在的上硅层401通过使用TMAH(氢氧化四甲铵)溶液被非等向性地蚀刻。采用TMAH不容易被蚀刻的氧化膜层404和406在非等向性蚀刻过程中被用作停止层的功能。通过这个非等向性蚀刻过程中， 形成了都是由上硅层401组成的并且具有斜面Cl、C2和C3的三个三角锥。斜面Cl、C2和C3是具有低蚀刻率的(111)平面。注意到，在步骤h中可以使用KOH溶液取代TMAH溶液。[0121]图20(cl)、20(c2)和20 (c3)代表步骤i，(cl)是平面视图、(c2)是沿着IA-IA截取的截面视图并且(c3)是步骤i中使用的掩膜MC的平面视图。在步骤i中，通过使用图20 (c3)中所不的掩膜MC并且开始于SOI晶片400的后表面上，即存在下娃层403的一侧上执行的蚀刻过程，下硅层403的任何不需要的部分被移除，并且剩余的SiO2层402也被移除。使用掩膜MC的遮罩部A13覆盖的区域A12上存在的下硅层403保持未被蚀刻以最终形成支撑元件25，如图20 (c2)所示。此外，通过上面描述的在SiO2层402上执行的蚀刻过程，存在于娃层401和下娃层403之间的SiO2层402,它覆盖了与可动臂20相应的区域以及从热变形部到驱动机构300上的横梁部变化范围的区域，它被蚀刻并且提高了支撑元件25，因此能够实现由于热变形引起的位移。
上面描述的制造方法相对于与上硅层401的厚度(例如，如同上面解释中提出的50微米)一致的观察探针10和可动臂20的厚度施加限制，但是观察探针和可动臂沿着长度方向和顺着厚度方向上的尺寸通过照相平版印刷术可以自由设置。换句话说，为了获得在轻敲模式中振动所需的共振频率，观察探针10和可动臂20的长度和厚度可以容易地被设置到最佳的理想值。此外，也可以自由设置在夹持部12和夹持部22之间的距离d。
上面顺序说明了制造单个纳米镊子I的制造过程，但是实际的制造过程在单个SOI晶片的单元中可以被执行，即，实际的制造过程通过批处理被执行。通过照相平版印刷术方法中采用的执行的这种批处理过程，从单个SOI晶片上一批可制造大量的纳米镊子1，这使得制造成本降低很多。
通过将上面描述的本实施方式中得到的纳米镊子I安装到AFM系统中，可以获得下列优点。
(I)由于观察探针10和可动臂20是通过照相平版印刷术从一个SOI晶片中形成为一体的单元，所以可以以低成本制造纳米镊子。此外，由于确保了高的尺寸准确性，可以采用观察探针10和可动臂20牢固地夹持样品S。
(2)由于朝向观察探针10的夹持部12通过线性滑动可动臂20的夹持部22，微小样品S被抓住且夹持在两个夹持部之间，从而可以各易地执彳丁夹持 呆作。
(3)由于可动臂20是通过热执行器被驱动，没有电压被施加到可动臂20上，因此即使是导电样品或者生物学样品也可以容易地被牢固地夹持。
(4)由于杠杆11和21的厚度被设置成保证了观察探针10上的共振频率高于可动臂20上的共振频率，因此仅观察探针10必须被移动到非常接近样品表面P并且被振动，因此，观察操作不会被可动臂20阻碍。
(第三实施方式)
图21代表平面示意图，显示了在第三实施方式中得到的纳米镊子中采用的结构，图21 (a)是在非驱动状态下的它的驱动机构80、图21 (b)是在驱动状态下的驱动机构80以及图21(c)是图21(a)和图21(b)中的纳米镊子的局部放大图。如图21(a)所示，纳米镊子51包含观察探针60、可动臂70、支撑元件75和驱动机构80。与支撑元件75 —起组成一体的单元的观察探针60包括沿着X方向延伸的U形(马蹄铁形)杠杆61、沿着Z方向向外突出在杠杆61的前端的临近区域上的夹持部62和设置在夹持部62的前端上的探针部63。[0131]探针部63位于夹持部62的前端。可动臂70被可滑动地设置在由杠杆61形成的U形空间中。形成在可动臂70的杠杆71的前端上、沿着X方向延伸的、沿着Z方向向外突出的夹持部72。杠杆61和杠杆71被定位在一个单一的平面上，杠杆61和杠杆71沿着Z方向测量的厚度互相相等，并且探针部63和夹持部72沿着Z方向的高度也互相相等。
图22示意性地显示了在第三实施方式中得到的纳米镊子51的基本结构元件。互相面对的夹持部62的表面62a和夹持部72的表面72a设置为互相平行。此外，探针部63和夹持部72的前端72b中的每一个都是尖的，并且连接探针部63和夹持部72的前端72b的线基本平行于杠杆71滑动的滑动方向M延伸。纳米镊子51将微小样品夹持在这些相对的表面62a和72a之间，并且通过使用探针部63来引导样品表面的AFM观察。
可动臂70的基座被连接到驱动机构80，因此可动臂70通过驱动机构80沿着M方向被驱动滑动。由于驱动机构80采用了类似于第二实施方式中的驱动机构300的结构，因此忽略驱动机构80的具体解释。此外，如同在第一实施方式中得到的纳米镊子1，在第三实施方式中得到的纳米镊子51被插进图15所示的AFM系统中，被用在样品表面的AFM观察 并且也夹持微小样品。
图23显示了通过使用纳米镊子51执行的观察操作。如图23 (al)和图23 (a2)所示，纳米镊子51相对于样品表面倾斜预定的角度被移动到非常接近样品表面P。这时，在观察探针60的夹持部62和可动臂70的夹持部72之间的距离被保持在最大距离d0。注意至IJ，LI是从激光源2发出的光，其被辐射到观察探针60的上表面上。从观察探针60的上表面反射出的光L2进入2单元分流光电二极管3。
然后，如图23(bl)和23(b2)所示，探针部63以原子直径级的距离被定位在靠近样品表面P，同时在相对的表面62a和72a之间保持距离d为d0，并且以轻敲模式观察样品表面。在第三实施方式中得到的纳米镊子51中，通过设置观察探针60上的杠杆61的宽度大于可动臂70上的杠杆71的宽度，仅杠杆61产生共振并以大振幅振动。
图23 (Cl)和23 (c2)显示了使用纳米镊子51执行的夹持微小样品S的夹持操作。如同在第二实施方式中得到的纳米镊子31，纳米镊子51也被移动，从而将微小样品S定位在互相保持距离d0的夹持部72和夹持部62之间。然后，可动臂70沿着+X方向移动，直到微小样品S被夹在夹持部72和夹持部62之间。在这个实施方式中，夹持微小样品S在它们之间的相对表面62a和72a也设置为互相平行,从而可以高稳固地夹持微小样品S。
接下来，将说明制造纳米镊子51的制造过程。图24(al) 24(a3)代表步骤a，(al)是平面视图、(a2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图并且(a3)是在步骤a中使用的掩膜ME。首先准备由上硅层91 (厚度为10微米)、SiO2层92 (厚度为I微米)和下硅层93 (厚度为400微米)组成的SOI晶片90，并且厚度超过O. 05微米的硅氮膜层(Si3N4膜层或者SiN膜层)94通过LP CVD形成于上硅层91的上方。
随后，通过使用图24 (a3)中所示的掩膜ME执行RIE过程来移除与掩膜ME上的孔D2相应的存在的SiN膜层94或者区域D1，然后，通过ICP-RIE沿着顺着厚度的方向也蚀刻上硅层91。由于ICP-RIE过程在SiO2层92上停止，所以如图24(a2)所示形成了深度为10微米的凹槽D1，该深度等于上硅层91的厚度。在图24(bl)和24(b2)中所示的步骤b中，厚度为O. 3微米的氧化膜层95通过蒸汽氧化在上硅层91的暴露部分(凹槽Dl的内侧)形成。[0139]图25 (al) 25 (a3)代表步骤c，(al)是平面视图、(a2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图并且(a3)是掩膜MF。在图25(al)和25 (a2)所示的步骤c中，线IIA-IIA左边区域El上存在的SiN膜层94通过使用图24 (a3)中所示的掩膜MF蚀刻区域Fl的方式被移除，直到上硅层91暴露。区域Fl相应于掩膜MF的非遮罩部F2。
图25 (bl)和25 (b2)代表步骤d，(bl)是平面视图并且(b2)是沿看IIA-IIA截取的截面视图。在步骤d中，在区域Fl上的上硅层91使用KOH溶液被非等向性地蚀刻。这个蚀刻过程在一个时间点上立刻停止，该时间点为蚀刻深度等于5微米、上硅层91的厚度的一半，从而在凹槽Dl的两侧上形成两个三角锥，其具有斜面Gl和G2以及5微米的高度。斜面Gl和G2中的每一个都定位在硅晶的(111)平面上，并且在(111)平面上的蚀刻率低于平行于基底表面的(001)平面的蚀刻率。注意到，在步骤d中可以使用TMAH溶液取代KOH溶液。
26 (al)和26 (a2)代表步骤e，(al)是平面视图并且(a2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图。在步骤e中，氧化膜层96形成于上硅层91的暴露表面(区域Fl)上。图 26 (bl)和26(b2)代表步骤f，(bl)是平面视图并且(b2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图。在步骤f中，通过RIE移除了所有保留的SiN膜层94。因此，上硅层91也暴露到线IIA-IIA右侧的区域E2上。
图27 (al)和27 (a2)代表步骤g，(al)是平面视图并且(a2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图。在步骤g中，类似于在图27 (bl)和27(b2)的步骤d中执行的过程被执行，用来非等向性地修整在区域E2上的上硅层91的边缘。一旦蚀刻深度到达5微米，也停止区域E2的非等向性蚀刻。因此，沿着线IIA-IIA形成了 2个以上的三角锥，其具有斜面G3和G4。斜面G3和G4中的每一个也设置在(111)平面上，这与斜面Gl和G2相同。
图27 (bl)和27 (b2)代表步骤h，(bl)是平面视图并且(b2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图。在步骤h中，为了保护区域Fl而形成的氧化膜层96通过蚀刻被移除。由包括斜面Gl的三角锥和包括斜面G3的三角锥组成的组合三角锥最终形成了夹持部62和夹持部63，但是，由包括斜面G2的三角锥和包括斜面G4的三角锥组成的组合三角锥最终形成了夹持部72。由于区域Dl是三角形，所以互相面对的夹持部62和夹持部72的表面互相平行设置。
图28 (al)到28 (a3)代表步骤i，(al)是平面视图、(a2)是沿着IIA-IIA截取的截面视图以及(a3)是掩膜MG。此外，图28 (bl)到28 (b3)代表步骤j，(bl)是平面视图并且(b2)和(b3)分别代表观察探针60和已经形成的可动臂70的平面视图和透视图。注意到，在图28(al)、28(a3)、28(bl)和28 (b3)中所示的图显示的范围大于在图24到27中显示的范围。
在图28 (al)和28 (a2)中所示的步骤i中，使用掩膜MG执行ICP-RIE过程用来形成观察探针60和可动臂70的轮廓。经过这个蚀刻过程，也形成了部分支撑元件75的轮廓。如图28(al)中所示，观察探针60和可动臂70的基本形状以上硅层91形成，该上硅层91存在于观察探针60和可动臂70之间的边界上，并且移除了在观察探针和可动臂四周的周围区域。在移除了上硅层91的区域上，SiO2层92就暴露了，这是显而易见的。
在图28 (bl)和28 (b2)中所示的步骤j中，使用掩膜MH执行ICP-RIE过程，从而互相分离观察探针60和可动臂70，并且形成支撑元件75的轮廓。在步骤j中，下硅层93和SiO2层92的任何不需要的部分从SOI晶片90的后表面被移除，即，从存在的下硅层93的侧面被移除。经过这个过程，完成了纳米镊子51的形成，该镊子包括观察探针60和可动臂70、沿着单一方向延伸并且与支撑元件75 —起组成一体的单元。此外，同时通过类似的方法，也形成了驱动机构80，同时形成观察探针60和可动臂70。驱动机构80也由上硅层91组成，这与观察探针60和可动臂70 —样。
上面描述的制造方法使得观察探针60和可动臂70的尺寸可以通过照相平版印刷术自由选择，该尺寸是沿着长度方向(X方向)、沿宽度方向(Y方向)和沿厚度方向(Z方向)测量的。长度和宽度的确定要相应于掩膜的尺寸，并且在观察探针60上的杠杆61的宽度可以容易地被设置到一个最优值从而在轻敲模式中获得振动所需的共振频率。此外，也可以自由地设置夹持部62和夹持部72之间地距离d(=最大距离d0)。杠杆61和71的厚度、夹持部62和探针部63的组合高度以及夹持部72的高度都相应于上硅层91被蚀刻到的程度来确定，在制造过程中应该被控制。
通过将第三实施方式中的纳米镊子51插入到AFM系统中，实现了类似于在第二实施方式中的纳米镊子的那些优点。注意到，如前面的说明，当在轻敲模式中为了获得振动的共振频率时，通过调整观察探针60上的杠杆61的宽度比调整杠杆61的厚度可以保证更加准确。
(第四实施方式)
图29示出了第四实施方式，其中(a)是呈现样品表面侧的纳米镊子I的平面视图，并且(b)和(c)中的每一个代表纳米镊子I的前端R的放大结构。臂201和202形成于支撑元件25上。参考数字203和204表示驱动单元，该驱动单元沿着图中箭头所示的方向驱动臂201和202打开/关闭。驱动单元203和204是热膨胀执行器，其通过焦耳热引起膨胀并且由来自电源209供给的电力被接合运行。参考数字205和206分别代表驱动单元203和204的电极，并且电源209被连接到电极205和206上。
臂201和202上的前端区域R可以采用图29(b)中所示的结构或者图29 (C)中所示的结构。注意到，图29(b)和29(c)中的每一个都显示了在打开状态的臂，从而更加清楚地显示出前端的结构。图29(b)中所示的结构类似于前面说明的在第一实施方式中得到的纳米镊子中所采用的结构，并且包括其上形成为直角三角形截面的夹持部201a和202a。图29(c)中所示的前端结构类似于第三实施方式中得到的纳米镊子的结构，并且包括突出201b和202b，该突出呈现为朝向样品形成于臂201和202的平坦表面上的斜锥面或者角锥的形状。
图30示出了使用臂201和202来夹持样品S的夹持操作。如图29(a)所示电源209在关闭(OFF)状态，而臂201和202被关闭。在这个实施方式中，在驱动单元203和204上的硅层上采用了硼，因此当电源209在关闭状态时，应力沿着图29中的向上和向下指向的箭头所示的方向被施加，从而使得驱动单元203和204紧缩。
为了抓住或者夹持样品S，还在关闭状态的纳米镊子I被移动到样品S的附近。接下来，打开电源209给电极205和206施加电压。响应为电流流过如下所示的路径电极205 —驱动单元203 —臂201 —臂202 —驱动单元204 —电极206。在驱动单元203和204上的较小的截面区域上产生了更多的焦耳热，因此，使得驱动单元203和204沿着图30(a)中箭头所示的方向(沿着图中的垂直方向)热膨胀。因此，臂201被移动到右边并且臂202、被移动到左边，使得臂201和202设置为打开状态。
如图30(a)所示，一旦臂201和202被设置为在打开状态，那么移动纳米镊子I从而将样品S定位在臂201和202之间。当臂201和202在打开状态时，没有电流流动，因为臂201和臂202不再互相接触。因此，在驱动单元203和204上的温度降低，使已经扩展的驱动单元203和204产生自然趋向，以恢复到最初的状态。因为温度降低，所以臂201和202沿着关闭方向移动，直到它们在样品S上关闭，如图30(b)所示。然后，由于驱动单元203和204试图紧缩而引起的应力产生了抓住且夹持样品S的夹持力。注意到，如果臂201和202进入打开状态，那么电源209被关闭，样品S在电源关闭状态被抓住且夹持。
当纳米镊子I在AFM系统中被用作观察探针时，如图29 (a)所示，通过关闭电源209关闭臂，并且由AFM系统的励磁单元引起支撑元件25的振动。激光可以被辐射到臂201或者臂202上。在这个例子中，臂201和202的前端，S卩，由图29(a)中的夹持部201a和202a形成的前尖端或者由图29(b)中的突出部201b和202b形成的前尖端作为探针部。
制造纳米镊子I的制造过程包括用于涂硼和通过退火已经涂硼了的驱动单元203和204用来产生应力的附加步骤，但是纳米镊子I也可以采用类似于在第一实施方式或者第三实施方式中的制造方法的来制造。如在第一和第三实施方式中，驱动单元203和204形成为具有SOI晶片的上硅层31 (参照图I)。
掩膜图案形成于前面说明的准备好的SOI晶片的上硅层31上，并且将要形成驱动单元203和204的区域用硼涂覆。更具体来说，通过使用离子植入装置将硼离子植入驱动单元区域。随后，组成纳米镊子I的支撑元件25、臂201和202、驱动单元203和204等等采用类似于在第一或者第三实施方式中采用的制造方法的制造方法形成。一旦纳米镊子I形成于SOI晶片上，那么纳米镊子I通过蚀刻与SO I晶片分离，并且驱动单元203和204通过热处理退火。
图31(a)显示了与SOI晶片分离的纳米镊子1，且它的臂201和202处于打开状态。即，经过蚀刻，臂201和202形成打开状态。然后，经过退火，植入的硼取代了硅晶格位置上的硅。由于硼的原子半径小于硅的原子半径，所以通过在晶格位置上替换为硼而产生沿着压缩方向上应力。因此，驱动单元203和204紧缩，并且如图31(b)所示，通过热处理臂201和202的前端设置在关闭状态。注意到，在通过蚀刻形成了纳米镊子I的结构性元件之后，通过使用抗蚀剂掩模可以用硼涂覆驱动单元203和204。
图32是图29中所示的纳米镊子I的一种变化方式的例子。在这种变化方式中得到的纳米镊子包括位于臂201和202的基底上的电极207和208。电源209A被连接在电极205和207之间，电源209B被连接在电极206和208之间。因此，臂201和202可以单独地被驱动到打开/关闭，并且通过将电流供给到驱动单元203和204，同时夹持样品，可以调整夹持力的大小。但是，不言而喻，电源209A和209B可以保持在关闭状态，而样品被夹持。注意到在这种变化方式中得到的纳米镊子I可以通过简单地连接电极205和206之间的电源来接合在打开/关闭操作，这类似于在图29和30中所示的纳米镊子的操作。
通过将电流施加到驱动单元203和204中，并且因此使得驱动单元203和204热膨胀，在图30和32中所示的任一种纳米镊子中的臂201和202被驱动打开，但是这些纳米镊子中的任一个还可以包括除了用硼涂覆的驱动单元203和204之外的驱动机构。采用这种结构的纳米镊子中的驱动单元203和204简单地作为沿着关闭方向将力施加到臂201和202上的施力机构。在图30和32中所示的不包括这种附加的驱动机构的任一种纳米镊子中的驱动单元203和204既可以用作施力机构也可以用作驱动机构。驱动机构可以是通过热膨胀过程来驱动臂的热执行器，或者也可以是通过使用静电来驱动臂的静电执行器。此夕卜，如果驱动机构具有独立于施力机构的部件，那么在退火处理之前的臂201和202之间的距离可以设置为足够小到实际可以考虑为0，这是由于臂201和202随后可以通过驱动机构设置为打开状态。
在纳米镊子上形成的夹持部或者突出的前尖端在样品观察过程中被用作探针部，但是例如在第四实施方式中得到的、样品可以被夹持在臂201和202之间的、通常关闭的纳米镊子通过夹持探针元件的引导可以被用在样品观察中。在这个例子中，没有必要形成图29(c)中的突出部201b和202b。
如上面的解释，当电源关闭时，在第四实施方式中得到的纳米镊子进入关闭状态， 在电源在关闭状态下，可以用来连续地夹持样品。因此，在第四实施方式中的纳米镊子上的电量消耗可以被降低，不同于第一到第三实施方式中得到的通常打开的纳米镊子。注意到在第四实施方式中打开/关闭到左边和右边的纳米镊子中采用通常关闭的结构，通常关闭的结构例如在第二或者第三实施方式中所公开的滑动型纳米镊子中同样也可以得到。
注意到，本发明也可以采用单晶硅晶片来代替在上面解释的每个实施方式中使用的SOI晶片。由于硅晶片不包括在ICP-RIE过程中用作阻塞物的SiO2层32，所以控制ICP-RIE过程被执行的状况是必要的。为了在硅的{100}平面上蚀刻硅晶片到5微米的深度，例如包含SF6和C4F8的混合气体可以被用作反应气体，并且在这个例子中，蚀刻过程需要采用600W的高频输出电平执行大约I. 7分钟。硅晶片比SOI晶片更加便宜、并且除了如上面所述需要调整ICP-RIE过程的状况之外，可以通过与参照实施方式中描述的制造步骤完全相同步骤来处理，这种硅晶片的使用将得到进一步降低的制造成本。
只要包含本发明的技术特征，那么本发明可以是任何方式，并不局限于上面解释的实施方式。例如，在观察探针上振动的振幅的变化范围可以采用上面所述的实施方式中的光杠杆方法来测量，但是包含容量改变的测量的各种测量方法中的任何一种都可以被替代采用。此外，在任何实施方式中得到的纳米镊子例如可以被用在用来检测静电或者摩擦力的扫描探针显微镜系统(SPM系统)中，从而代替用在AFM系统中。然而，可动臂20或者70或者臂201和202可以由静电或者压电膜层的膨胀/紧缩来驱动，从而代替热执行器。可动臂20上的夹持部22、可动臂70上的夹持部72、或者臂201和202上的突出部201a和202a或者臂201和202上的突出部201b和202b可以是各种形状中的任一种，并且它们不必在突出的形状上形成。此外，观察样品可以以接触方式来代替轻敲模式来使用观察探针10或者60或者臂201和202。此外，观察探针10或者60除了观察功能之外，也可以如同可动臂20或者70那样具有朝向样品夹持位置移动的功能。
下面的优先申请公开文件被引入作为参考
2004年11月22日提交的第2004-337842号日本专利申请；
2005年2月18日提交的第2005-42883号日本专利申请。
权利要求
1.一种纳米镊子，包含 支撑兀件； 观察探针，从所述支撑元件向外突出，并且当观察样片的表面时被使用； 可动臂，临近从所述支撑元件向外突出的观察探针设置，并且使所述观察探针和所述可动臂之间关闭或者打开，以夹持或者释放被夹持在所述观察探针和所述可动臂之间的样品；以及 驱动机构，其利用热执行器、静电、压电膜的膨胀/紧缩中的任意一种驱动所述可动臂，从而使所述观察探针和所述可动臂之间关闭或者打开，其中 所述支撑元件、所述观察探针和所述可动臂都通过照相平版印刷术过程处理半导体晶片来形成。
2.根据权利要求
I所述的纳米镊子，其特征在于 所述观察探针，从所述支撑元件向外突出并沿着特定的方向延伸，并且包括用于样品表面观察的探针部和用来夹持样品的第一夹持部； 所述可动臂，临近所述观察探针设置并从所述支撑元件沿着特定的方向延伸，并且包括沿着所述特定方向面向第一夹持部的第二夹持部；以及 所述驱动机构，沿着所述可动臂延伸的方向驱动所述可动臂，从而将所述样品夹持在第一夹持部和第二夹持部之间。
3.根据权利要求
2所述的纳米镊子，其中 第一夹持部是从所述观察探针朝向所述样品表面向外突出的突出部，并且包括垂直于所述特定方向设置的第一夹持表面和在所述突出部的前端上形成的所述探针部；以及第二夹持部包括第二夹持表面，用来将所述样品夹持在第一夹持表面和第二夹持表面之间。
4.根据权利要求
3所述的纳米镊子，其中 第一夹持表面和第二夹持表面的形成为垂直于所述特定方向设置。
5.根据权利要求
2-4中任何一项所述的纳米镊子，其中 所述半导体晶片是SOI晶片，包括夹在一对硅层之间的SiO2层； 所述观察探针和所述可动臂在所述一对硅层中的一个上、互相之间间隔特定距离并排形成；以及 第一夹持部、第二夹持部和探针部的每一个形成为沿着所述观察探针和所述可动臂并排设置的方向向外突出。
6.根据权利要求
2-4中的任一项所述的纳米镊子，其中 所述半导体晶片是SOI晶片，该SOI晶片包括夹在一对硅层之间的SiO2层； 所述观察探针和所述可动臂在所述一对硅层中的一个上、互相之间间隔特定距离并排形成；以及 第一夹持部、第二夹持部和探针部的每一个形成为沿着垂直于所述观察探针和所述可动臂并排设置的方向延伸的方向向外突出。
7.根据权利要求
6所述的纳米镊子，其中 所述观察探针由形成有沿着所述特定方向延伸的狭缝空间的马蹄铁形部件的横梁组成；以及所述可动臂设置为允许在所述狭缝空间中沿着所述特定方向自由滑动。
8.根据权利要求
1_4、7中的任一项所述的纳米镊子，其中 所述驱动机构通过由供应电源产生的热引起的热变形来驱动所述可动臂。
9.一种扫描探针显微镜,包括 根据权利要求
1-8中任一项所述的纳米镊子； 检测单元，检测由于所述观察探针和所 述样品表面之间的相互作用引起的位移； 控制单元，控制所述驱动机构的驱动操作； 算术运算单元，基于所述检测单元检测到的位移通过算术运算确定样品表面上的物理和/或化学状态；以及 扫描装置，用来在相对于所述样品表面的扫描移动中接合所述观察探针。
10.根据权利要求
9所述的扫描探针显微镜，还包括 显示单元，提供由所述算术运算单元执行的算术运算结果的可视显示。
11.根据权利要求
9或者权利要求
10所述的扫描探针显微镜，其中 所述检测单元包括将光辐射到所述观察探针上的光源和检测从所述观察探针反射回的光的光接收单元；以及 所述算术运算单元基于所述光接收单元提供的检测信号通过算术运算确定样品的表面轮廓。
12.根据权利要求
9或者权利要求
10所述的扫描探针显微镜，还包括 励磁单元，为了以轻敲模式观察样品，该励磁单元使所述观察探针以为所述观察探针选定的共振频率在一个方向上向样品振动，其中 所述可动臂形成为具有以与所述观察探针的共振频率不同的值设置的共振频率。
13.—种通过使用由SOI晶片组成的半导体晶片来制造根据权利要求
I所述的纳米镊子的方法，包括步骤 通过部分移除SOI晶片上的一个硅层来形成作为所述观察探针和所述可动臂的基本形状的两个突出条，并且在作为所述观察探针的基本形状的突出条的前端形成获得接近或接触样本的尖部；以及 用所述两个突出条，通过局部移除另一个硅层和在SOI晶片内的氧化硅层形成所述观察探针和所述可动臂，并且还利用剩余未移除部分形成支撑元件。
专利摘要
根据本发明的纳米镊子(1)包含支撑元件(25)；从所述支撑元件(25)向外突出，并且当观察样片的表面时被使用的观察探针(10)；可动臂(20)，该可动臂临近从所述支撑元件(25)向外突出的观察探针(10)设置，并且使所述观察探针(10)和所述可动臂(20)之间关闭或者打开，从而夹持或者释放被夹持在所述观察探针(10)和所述可动臂(20)之间的样品；以及驱动机构，该驱动机构驱动所述可动臂(20)，从而使所述观察探针(10)和所述可动臂(20)之间关闭或者打开，并且，所述支撑元件(25)、所述观察探针(10)和所述可动臂中(20)都通过照相平版印刷术过程处理半导体晶片(30)来形成。
文档编号G01Q80/00GKCN101061059 B发布类型授权 专利申请号CN 200580039812
公开日2012年8月29日 申请日期2005年11月22日
发明者今野隆, 桥口原, 细木真保 申请人:国立大学法人香川大学, 青井电子株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (4),