JP2006061991A - サンプリング用治具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料や凸凹の構造体を有する領域にある微小試料を、簡易且つ効率良く採取するサンプリング用治具を提供する。
【解決手段】 微小試料を採取する為のサンプリングニードルを有するマイクロマニピュレータのサンプリング用治具において、前記サンプリングニードルの先端部に、突起を有する。突起の側面に更に小突起を付けてもよい。突起及び小突起は、酸化亜鉛針状結晶である。本発明のサンプリング用治具を製造する方法は、前記サンプリングニードルの先端部を含めた表面又は前記表面の一部分を絶縁材料で覆い隠す工程、前記絶縁材料の一部分を剥離する工程、前記剥離部分上に突起を成長させる工程を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロマニピュレータなどに用いられるサンプリング用治具及びその製造方法に関する。

製品製造においては、電子顕微鏡により微少試料の観察をすることが行われている。すなわち、製造工程、各工程間の搬送もしくは放置、製品の試験評価の間に微小な異物が混入したり、生成したりすることで製品の不良品が生じることがある。このような異物は、製造装置の駆動部から生成するもの、人体発塵、加熱やプロセスガスなどによる反応生成物などである。異物の混入及び生成を防ぐ対策としては、従来、ＴＦＴ液晶を構成する基板やインクを吐出したバブルジェツトプリンタ（登録商標）のヘッド（以下、「ＢＪヘッド」という）などに付着したり生成したりする異物を採取する。続いて、その組成及び結晶構造などを分析した上で、その結果を元にして異物発生源を探っていくことである。基板上に付着されたり生成されたりする微小異物を採取する方法としては、従来、基板上に付着した微小異物を二本のサンプリングニードルつまり微小針を使って採取するというマイクロマニピュレータ装置が知られている(下記特許文献１参照)。

図４は、下記特許文献１に開示されたマイクロマニピュレータの概略図である。

マイクロマニピュレータは、試料台４５上の微小な試料４６に対して処理を施すための金属キャピラリー４１ｂを有する。金属キャピラリー４１ｂは、駆動装置（微動部４２ｂ，粗動部４３ｂ）により移動される。電源装置４４は、金属キャピラリー４１ｂに互いに異なる２つの極性の電圧を選択的に印加するものである。更に、金属キャピラリー４１ｂとは別に金属キャピラリー４１ｂと接触可能に配置されたガラスキャピラリーを備えている。ガラスキャピラリーも、駆動装置により移動される。

この装置では、微小針先端への微小試料の付着は微小試料の持つ自然な静電気力及び粘着力で行われているので、これを利用して微小試料を採取することができる。
特開平５−２０８３８７号公報

しかしながら、従来の二本の微小針を用いて採取する方法では、平らな表面上の微小異物や自然な静電気力及び粘着性を有する微小試料を採取できるが、溶液などの自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料やＢＪヘッドのノズルなどにおける凸凹の構造体を有する領域にある微小試料などを採取するのが困難であるという問題がある。

よって、本発明は、上記の従来技術の課題を解決し、微小試料を簡易且つ効率良く採取するサンプリング用治具及びその製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明のサンプリング用治具は、微小試料を採取する為のサンプリングニードルを有するマイクロマニピュレータのサンプリング用治具において、前記サンプリングニードルの先端部に、突起を有することを特徴とする。

また、本発明のサンプリング用治具を製造する方法であって、前記サンプリングニードルの先端部を含めた表面又は前記表面の一部分を絶縁材料で覆い隠す工程、前記絶縁材料の一部分を剥離する工程、前記剥離部分上に突起を成長させる工程を有することを特徴とする。

本発明により、溶液などの自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料やＢＪヘッドのノズルなどにおける凸凹の構造体を有する領域にある微小試料などを、簡易且つ効率良く採取することができる。

また、本発明により、前記微小試料を簡易且つ効率良く採取できるサンプリング用治具の製造方法を提供することができる。

以下に本発明の実施の形態について図を用いて詳しく説明する。
＜本発明におけるサンプリング用治具について＞
図１は、本発明におけるサンプリング用治具を示す概略図である。

図１（ａ）に示すように、サンプリング用治具は、先端が尖っていた針状のサンプリングニードル１１から成っており、先端部、すなわち、その全体長さの先よりの部分に多数の突起１２が形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、突起１２の側面に更に一本以上の小突起１３が形成されている。サンプリングニードル１１の材料としては、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｇ、Ｍｎなどの金属材料が好ましく、且つ微小試料を採取するのに耐えられる硬質材料が好ましい。また、サンプリングニードル１１の先端は、半球面であることが好ましく、ニードル１１の最先端（尖った部分）における曲率半径は０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。突起１２はサンプリングニードル１１の最先端の表面と垂直方向に形成されている方が好ましく、サンプリングニードル１１の側面と垂直方向に形成されているのも好ましい。また、突起１２の軸方向とサンプリングニードル１１の側面とのなす角は６０°以上であることが好ましく、８０°以上であることがより好ましい。小突起１３も同様に、突起１２の側面と垂直方向に形成されている方が好ましい。また、小突起１３の軸方向と突起１２の側面とのなす角は６０°以上であることが好ましく、８０°以上であることがより好ましい。また、一列に並んだ突起１２（図３（ｃ））などのように、所望通りの領域に突起１２を形成させることもできる。

また、突起１２及び小突起１３は酸化亜鉛針状結晶から成っているが、次にこの針状結晶について述べる。針状結晶とは所謂ウィスカーであり、欠陥の無い針状単結晶もしくは螺旋転移などを含んだ針状結晶から成っている。また、針状結晶は円柱及び円錐、円錐で先端が尖っているものや先端が平坦なものなどをすべて含む。更に、三角錐、四角錐、六角錐、それ以外の多角錐やその多角錐の先端が平坦なもの、また三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状、あるいは先端が尖った三角柱、四角柱、六角柱、それ以外の多角柱状やその先端が平坦なものなども含まれ、更に、これらの折れ線状構造も含まれる。

また、生成された針状結晶のアスペクト比は２以上、更に１０以上であることが好ましく、針状結晶において最大直径を有する横切断面の重心を通る最小長さも１μｍ以下、更に５００ｎｍ以下であることが好ましい。ここでいうアスペクト比とは、針状結晶の横切断面が円形または円形に近い状態の形状の場合は直径に対する長さの比率をいい、針状結晶の横切断面が六角形などの角形の場合は切断面の重心を通る最小長さに対する長さの比率をいうものとする。

また、本発明におけるサンプリング用治具においては、各々の突起１２の間隔距離は１００ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましく、小突起１３の間隔距離は１ｎｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。ここでいう間隔距離とは、各々の突起及び小突起１３の最大直径を有する横切断面の重心の間隔距離をいうものとする。また、突起１２はサンプリングニードル１１の先端から１００μｍ以下の距離がある領域を有するニードル１１の側面に生成された方が好ましい。また、小突起１３は突起１２の側面のどの領域にでも生成されてもよい。

＜本発明におけるサンプリング用治具の製造方法について＞
本発明におけるサンプリング用治具の製造方法については、一例として、酸化亜鉛針状結晶から成る突起１２をめっき（電解めっき）により作製する方法を詳細に説明する。

図２は、本発明におけるサンプリング用治具を製造するための電解めっき装置の概略図である。

以下、酸化亜鉛針状結晶を酸化亜鉛の突起１２とする。

少なくとも亜鉛イオンが含まれている電解液２５中において、めっきを行うことにより、径が細く高アスペクト比を有する酸化亜鉛の突起１２を作製することができる。亜鉛を含有する塩として使用できる化合物としては、例えば硝酸亜鉛、塩化亜鉛、硫酸亜鉛、炭酸亜鉛、酢酸亜鉛などが挙げられる。電解質としてこれらの化合物の中から選んだ一種類の化合物でも、二種類以上の混合させた化合物でも用いることができる。酸化亜鉛の突起１２を作製する条件としては、高アスペクト比を得る為により低濃度が好まれ、１ｍｍｏｌ／Ｌ〜０．０５ｍｏｌ／Ｌ程度の範囲が適しており、更に１ｍｍｏｌ／Ｌ〜０．０１ｍｏｌ／Ｌ程度の範囲がより好ましい。また、電解溶媒としては、エタノール等の有機媒体、水、酸素等の気体を溶かした水等を用いるが、扱いの容易さから水が好ましい。

本発明における酸化亜鉛の突起１２をめっきにより作製する方法としては、３電極もしくは２電極を使用して、少なくとも亜鉛イオンが含有された電解液２５にサンプリングニードル１１の先端部を浸して電位を印加することにより、酸化亜鉛の突起１２を作製することができる。

その作製装置の一例として３電極で電着を行う作製装置を図２に示した。参照極２１、対極２２、作用極２３をビーカ２４中の電解液２５に浸して電位を印加することにより、作用極２３であるサンプリングニードルの先端部上に酸化亜鉛の突起１２が成長する。この作製条件として、少なくとも亜鉛塩が含有された電解質及びその電解質濃度、ＩＰＡ（Isopropyl Alcohol）や水等の電解溶媒、電解電位値、電解液の温度、電着時間、酸素などの活性気体濃度、電解液の対流条件等を変える他に、添加する界面活性剤の種類、添加量も変えれば良い。例えば硝酸亜鉛水溶液を採用してめっきを行う場合は、硝酸亜鉛濃度は１ｍｍｏｌ／Ｌ以上１０ｍｍｏｌ／Ｌ以下、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照極２１に対する作用極２３の電位つまり電解電位は−０．９Ｖ以上−１．５Ｖ以下、電解液温度はマントルヒータ２６等を用いて８５℃以上９０℃以下に設定するのが好ましい。また、前記電解液２５に塩化カリウムなどの界面活性剤を添加するなどにより酸化亜鉛の突起１２の側面側に一本以上の小突起１３も形成することができる。

また、本発明におけるサンプリングニードル１１の所望通りの領域に突起１２を作製する方法について、以下に詳細に説明する。

図３は、本発明におけるサンプリング用治具の製造方法の一実施態様を示す工程図である。

ここでは、一列に並んだ酸化亜鉛の突起１２の製造方法を示している。

一例として酸化亜鉛のめっき、絶縁材料膜３１であるマスクを形成したサンプリングニードル１１を挙げる。ここでいうマスクとは、酸化亜鉛のめっきにより形成する酸化亜鉛の突起１２を形成させない為のマスクである。

図３（ａ）に、絶縁材料膜３１を形成したサンプリングニードルの図を示す。絶縁材料膜の製造方法はスパッタ法、蒸着法、スプレー法、スピンコート法などが色々とあるが、本発明においてはスパッタ法で膜厚３００ｎｍの酸化チタン膜を形成した。マスクに用いるものとしては、めっきの電位の印加でも突起１２が形成されないほどの膜厚を有し、酸化物半導体やレジストなどの有機材料などの絶縁材料であればよい。絶縁材料膜３１の膜厚は５０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。

図３（ｂ）に、絶縁材料膜３１に一直線の凹構造３２を形成したサンプリングニードル１１の図を示す。例えば、電子線、Ｘ線、紫外線、可視光線などのリソグラフィ、ウェットエッチングまたはドライエッチング技術、もしくはＦＩＢ（収束イオンビーム）などの電子線直描技術によって凹構造３２を形成することができるが、本発明においてはＦＩＢを用いて幅３００ｎｍを有する凹構造３２を形成した。凹構造の底はサンプリングニードルの側面が露出されている。また、直線上の凹構造３２だけでなく、所望通りの形態及びサイズを有する凹構造３２を形成してもよい。

図３（ｃ）に、凹構造３２の底に酸化亜鉛の突起１２が形成されたサンプリングニードル１１の図を示す。凹構造３２を形成したサンプリングニードル１１を作用極２３として、少なくとも亜鉛イオンが含有された水溶液に浸しめっきを行う。こうすることで、凹構造３２の底から一列に並んだ酸化亜鉛の突起１２を形成させることができる。少なくとも亜鉛イオンが含有された水溶液の種類、めっきの条件などは、先述した本発明における酸化亜鉛の突起１２をめっきにより作製する方法と同様である。

以下に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。以下に示す各々の実施例は、本発明における実施形態の一例である。

以下、本発明の好適な実施例を以下のとおり列挙する。

「実施例１」
本実施例は、一例として、サンプリングニードル１１の先端部上に多数の酸化亜鉛の突起１２を作製した例について説明する。最先端の曲率半径が１μｍであるタングステンから成るサンプリングニードル１１を作用極２３として、８５℃まで加熱した２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛水溶液（電解液２５）に浸し、−１．２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ：参照極２１）の印加で電着を５０００秒間行った。この時に用いた対極２２は亜鉛板であった。この後、管状電気炉中に設置し酸素を１．６７×１０^−３Ｌ／Ｓ流しながら５００℃で熱処理を一時間行った。走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、その試料を形態観察した結果、酸化亜鉛の突起１２が前記サンプリングニードル１１先端部から成長していたことが分かった。この酸化亜鉛の突起１２の径は３００ｎｍ〜１μｍであり、アスペクト比は１０〜２０であった。

比較例として、曲率半径が１μｍであるタングステンのサンプリングニードルを用意する。前記サンプリングニードルには突起１２も何も付けていない状態である。前記サンプリングニードルを用いたマイクロマニピュレータ装置にて、インク吐出したＢＪヘッドのノズルの凹構造内にあった微小異物（粒径は１〜２μｍ）を採取しようとしたが、その微小異物はインク溶液に分散されていた為、採取できなかった。

本実施例におけるサンプリング用治具においては、これを用いたマイクロマニピュレータ装置にて、前述した微小異物を突起に引っかけて簡易且つ効率良く採取できた。溶液などの自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料やＢＪヘッドのノズルなどにおける凸凹の構造体を有する領域にある微小試料などを、簡易且つ効率良く採取することができる。

「実施例２」
本実施例は、一例として、サンプリングニードル１１先端部上に多数の小突起１３を有する酸化亜鉛の突起１２を作製した例について説明する。最先端の曲率半径が１μｍであるタングステンから成るサンプリングニードル１１を作用極２３として、２ｍｍｏｌ／ＬのＫＣｌを添加し、８５℃まで加熱した２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛水溶液（電解液２５）に浸し、−１．２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ：参照極２１）の印加で電着を５０００秒間行った。この時に用いた対極２２は亜鉛板であった。

この後、管状電気炉中に設置し酸素を１．６７×１０^−３Ｌ／Ｓ流しながら５００℃で熱処理を一時間行った。ＦＥ−ＳＥＭを用いて、その試料を形態観察した結果、酸化亜鉛の突起１２が前記サンプリングニードル１１先端部から成長し、更にその酸化亜鉛の突起１２の側面上に多数の小突起１３つまり、酸化亜鉛の小突起１３が成長していたことが分かった。この酸化亜鉛の突起１２の径は６００ｎｍ〜１μｍであり、アスペクト比は１５〜２０であった。また、酸化亜鉛の小突起１３の径は３００ｎｍであり、アスペクト比は３〜２０であった。

比較例として、曲率半径が１μｍであるタングステンのサンプリングニードルを用意する。このサンプリングニードルには突起１２も何もつけていない状態である。このサンプリングニードルを用いたマイクロマニピュレータ装置にて、インク吐出したＢＪヘッドのノズルの凹構造内にあった微小異物（粒径は１〜２μｍ）を採取しょうとしたが、その微小異物はインク溶液に分散されていた為、採取できなかった。

本実施例におけるサンプリング用治具においては、これを用いたマイクロマニピュレータ装置にて、先述した微小異物を突起に引っかけて簡易且つ効率良く採取できた。また、実施例１に比べて先述したインク溶液中に分散された微小異物を更に多く採取でき、粒径１〜２μｍ以下の微小異物も採取できた。溶液などの自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料やＢＪヘッドのノズルなどにおける凸凹の構造体を有する領域にある微小試料などを、簡易且つ効率良く採取することができる。

「実施例３」
本実施例は、一例として、サンプリングニードル１１先端部上に櫛状の酸化亜鉛の突起１２（図３（ｃ））を作製した例について説明する。最先端の曲率半径が１μｍであるタングステンから成るサンプリングニードル１１の先端部にスパッタリング法により膜厚１００ｎｍの酸化チタン膜（絶縁材料膜３１）を形成した（図３（ａ））。続いて、収束イオンビーム（ＦＩＢ）で酸化チタン膜をエッチングすることで前記サンプリングニードル１１の先端部に幅３００ｎｍ深さ１００ｎｍの凹構造３２を形成した（図３（ｂ））。

前記凹構造３２を有するサンプリングニードル１１を作用極２３として、８５℃まで加熱した２ｍｍｏｌ／Ｌ硝酸亜鉛水溶液（電解液２５）に浸し、−１．２Ｖ（ｖｓ． Ａｇ／ＡｇＣｌ：参照極２１）の印加で電着を５０００秒間行った。この時に用いた対極２２は亜鉛板であった。電着後、酸化亜鉛の突起１２が前記サンプリングニードル１１先端部の凹構造３２の底から成長し、櫛状の酸化亜鉛の突起１２が形成された（図３（ｃ））。この酸化亜鉛の突起１２の径は３００ｎｍ〜１μｍであり、アスペクト比は１５〜２０であった。

比較例として、曲率半径が１μｍであるタングステンのサンプリングニードルを用意する。前記サンプリングニードルには突起１２も何も付けていない状態である。前記サンプリングニードルを用いたマイクロマニピュレータ装置にて、インク吐出したＢＪヘッド吐出口の周辺の平坦な表面にインク溶液と共にあった微小異物（粒径は１〜２μｍ）を採取しょうとしたが、その微小異物はインク溶液に分散されていた為、採取できなかった。

本実施例におけるサンプリング用治具においては、インク吐出したＢＪヘッド吐出口の周辺の平坦な表面と櫛状の酸化亜鉛の突起１２とが平行になるように、サンプリング用治具を設置して、先述した微小異物を突起１２に引っかけて簡易且つ効率良く採取できた。溶液などの自然な静電気力や粘着性が小さい微小試料やＢＪヘッドのノズルなどにおける凸凹の構造体を有する領域にある微小試料などを簡易且つ効率良く採取することができる。また、前記凸凹の構造体を有する領域に応じて、サンプリングニードルの所望の領域に突起１２を形成することで、微小試料などを簡易且つ効率良く採取することができる。

本発明におけるサンプリング用治具を示す概略図 電解めっき装置の概略図 本発明におけるサンプリング用治具の製造方法の一実施態様を示す工程図 従来のマイクロマニピュレータの概略図

符号の説明

１１…サンプリングニードル
１２…突起
１３…小突起
２１…参照極
２２…対極
２３…サンプリングニードル（作用極）
２４…ビーカ
２５…電解液
２６…マントルヒータ
３１…絶縁材料膜
３２…凹構造

Claims (13)

1. 微小試料を採取する為のサンプリングニードルを有するサンプリング用治具において、前記サンプリングニードルの先端部に、突起を有することを特徴とするサンプリング用治具。
2. 前記突起の側面に更に小突起を有することを特徴とする請求項１に記載のサンプリング用治具。
3. 前記突起は、複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のサンプリング用治具。
4. 前記突起及び小突起は、酸化亜鉛針状結晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサンプリング用治具。
5. 前記サンプリングニードルの最先端の曲率半径は、０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のサンプリング用治具。
6. 前記突起の直径は、５０ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のサンプリング用治具。
7. 前記突起のアスペクト比は、２以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のサンプリング用治具。
8. 前記突起の間隔距離は、１００ｎｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のサンプリング用治具。
9. 前記小突起の直径は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のサンプリング用治具。
10. 前記小突起のアスペクト比は、２以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のサンプリング用治具。
11. 前記小突起の間隔距離は、１ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のサンプリング用治具。
12. 請求項１に記載のサンプリング用治具を製造する方法において、前記サンプリングニードルの先端部を含めた表面又は前記表面の一部分を絶縁材料で覆い隠す工程、前記絶縁材料の一部分を剥離する工程、前記剥離部分上に突起を成長させる工程を有することを特徴とするサンプリング用治具の製造方法。
13. めっきにより突起又は１本以上の小突起を側面に付けた突起を作製することを特徴とする請求項１２に記載のサンプリング用治具の製造方法。

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