光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置
【課題】走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブを利用した光硬化性樹脂の新しい微細加工方法及び装置を提供することにある。
【解決手段】先端が開口した中空のマイクロピペットプローブ１２を備えた走査型シェアフォース顕微鏡を用い、マイクロピペットプローブ１２の内部に液状の光硬化性樹脂を充填し、マイクロピペットプローブ１２の先端を透明な基板１８の表面上の所定の位置に接触させ、透明な基板１８の表面上に液状の光硬化性樹脂を所定の量だけ滴下させ、この滴下した光硬化性樹脂液の部分に励起用レーザ光５４を照射して滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることで、透明な基板１８の表面上に光硬化性樹脂の堆積物を形成することを特徴とする。
【解決手段】先端が開口した中空のマイクロピペットプローブ１２を備えた走査型シェアフォース顕微鏡を用い、マイクロピペットプローブ１２の内部に液状の光硬化性樹脂を充填し、マイクロピペットプローブ１２の先端を透明な基板１８の表面上の所定の位置に接触させ、透明な基板１８の表面上に液状の光硬化性樹脂を所定の量だけ滴下させ、この滴下した光硬化性樹脂液の部分に励起用レーザ光５４を照射して滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることで、透明な基板１８の表面上に光硬化性樹脂の堆積物を形成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型シェアフォース顕微鏡を用いた微細加工方法及び装置に関するもので
あり、特に、光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は，微細なプローブを用いてその先端と試料表面の間に働く様々
な物理量を検出して，ナノスケールでの高い分解能で前記物理量の表面分布を画像化でき
る顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は，試料表面の観察だけではなくて、表面の微細加工ツールとしても知られている。走査型プローブ顕微鏡を用いた微細表面加工技術は比較的低コストでシンプルであり、原子スケールからマイクロスケールまで高い加工精度を有しており、次世代の微細表面加工技術として期待されている。
【０００３】
このような微細表面加工技術としては、例えば、下記の非特許文献１に記載されている。下記の非特許文献１は、走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型シェアフォース顕微鏡のプローブとして，マイクロピペットプローブを採用している。そして，このマイクロピペットの内部に，試料加工用の試薬溶液（１，４−ジオキサン）を充填して，この試薬を被加工物であるポリカーボネート基板に近接させて，試薬の蒸気により基板を加工している。
【非特許文献１】Ｆ． Ｉｗａｔａ， ｅｔ ａｌ．， “Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”， Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １５ （２００４） ｐ．４２２−４２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来技術では、液体状態の光硬化性樹脂を基板の表面上の所定の位置に滴下し、この滴下した光硬化性樹脂液の部分を樹脂状態に硬化させることで、基板の表面上に微少量の樹脂を堆積させることが出来なかった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブの組み合わせを用いて，液体状態の光硬化性樹脂をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端から透明な基板の表面上の所定の位置に滴下し、その後、この滴下した光硬化性樹脂液の部分をレーザ光で照射させることで樹脂状態に硬化させ、透明な基板の表面上に適宜所望の形状の光硬化性樹脂の堆積物を形成することができる微細加工の方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成すべく、本願の第１の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、先端が開口した中空のマイクロピペットプローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階と、該マイクロピペットプローブの内部に光硬化性樹脂液を充填する段階と、該マイクロピペットプローブの該先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させる段階と、該透明な基板の表面上に該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させる段階と、該滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させる段階と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本願の第２の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、第１の発明において、前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする。
【０００８】
さらに、本願の第３の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、第１及び２の発明において、微細加工が施された前記透明な基板の表面に対して前記マイクロピペットプローブを非接触の状態で走査することにより，前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記透明な基板の表面の加工状態を観察することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本願の第４の発明の光硬化性樹脂の微細加工装置は、先端が開口した中空のマイクロピペットプローブと，試料台と，該試料台を該マイクロピペットプローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡を具備し、さらに、前記マイクロピペットプローブ内に充填された光硬化性樹脂液と、該試料台に載置された透明な基板と、レーザ照射装置とを具備し、該透明な基板の表面上に該マイクロピペットプローブ内に充填された該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させ、該滴下した光硬化性樹脂液の部分に該レーザ照射装置からのレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本願の第５の発明の光硬化性樹脂の微細加工装置は、第４の発明において、前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、液体状態の光硬化性樹脂をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させて液体状態の光硬化性樹脂を滴下し、滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して樹脂状態に硬化させることで、透明な基板の表面上に適宜所望の形状の光硬化性樹脂の堆積物を形成することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、レーザ光を照射して樹脂状態に硬化させる際に全反射する角度で照射することによって、透過光や散乱光を防ぐことができると同時に、発生するエバネッセント光を利用することで滴下した光硬化性樹脂液を硬化させることが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、透明な基板の表面上に堆積した光硬化性樹脂の形成状況を観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするためのマイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。マイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成は既に知られており、ここでは、その構成を簡単に説明するが、図１には、本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするために新たに励起用レーザ光硬化装置が追加されて内蔵されている。
【００１５】
図１において円筒状のプローブ支持体１０の中心軸上にマイクロピペットプローブ１２が固定されている。プローブ支持体１０には励振用圧電素子が組み込まれている。この圧電素子の材質はＰＺＴである。この励振用圧電素子の振動によって，マイクロピペットプローブ１２は図１の紙面に垂直な方向に振動する。試料台１４は圧電素子で駆動される３次元アクチュエータによって，ＸＹ方向（水平面内での２次元方向）及びＺ方向（上下方向）に所定の移動距離の範囲内で移動できる。
【００１６】
試料台１４の上面には基板支持体１６が固定されている。基板支持体１６の上面には透明な基板１８を載せることができる。なお、透明な基板１８としては、ガラス、プラスチック、マイカ製等の基板が考えられる。また、透明な基板１８は基板支持体１６の上面に載せることができるが、単に載せるのではなく、固定されることが望ましい。マイクロピペットプローブ１２は励振用圧電素子によって水平方向に振動し，その振幅は振幅検出装置で検出される。振幅検出装置は変位検波用レーザダイオード２０と集光レンズ２２と２分割フォトダイオード２４で構成されている。変位検波用レーザダイオード２０は波長６７０ｎｍの変位検波レーザ光を出射し，この変位検波用レーザ光２６は集光レンズ２２でマイクロピペットプローブ１２の付近に集光され，そこを通過した変位検波用レーザ光は２分割フォトダイオード２４で集光される。２分割フォトダイオード２４の出力はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存する。
【００１７】
励起用レーザダイオード５０、反射板５１と５２、プリズム５３が、本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするために新たに追加され、励起用レーザ光硬化装置として内蔵されている。この励起用レーザ光硬化装置は、マイクロピペットプローブ１２の先端から透明な基板１８の表面上に滴下された液状の光硬化性樹脂を硬化させて堆積させるために使用される。
【００１８】
次に，走査型シェアフォース顕微鏡の制御系を説明する。図１において，プローブ支持
体１０に組み込まれた励振用圧電素子には発振器２８から発振出力信号２９が供給されて
、プローブ支持体１０は所定の共振周波数で水平方向に振動する。２分割フォトダイオー
ド２４の出力信号はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存しており、この出力
信号はＩ−Ｖ変換器３０と演算回路３２とロックインアンプ３４を経て、マイクロピペッ
トプローブ１２の振動振幅に変換される。ロックインアンプ３４には参照信号３３として
発振器２８の信号が入力されていて、このロックインアンプ３４によりノイズが除去され
る。ロックインアンプ３４から出力されるマイクロピペットプローブ１２の振動振幅３５
は制御回路３６に入力される。
【００１９】
制御回路３６ではマイクロピペットプローブ１２の振動振幅と所定の基準値とを比較して、振動振幅が基準値に等しくなるようにＺ方向指令信号３７を出力する。すなわち，振動振幅が基準値よりも大きければ、試料台１４を上昇させるように、逆に、振動振幅が基準値よりも小さければ、試料台１４を下降させるように、Ｚ方向指令信号３７を出力する。Ｚ方向駆動信号はＰＺＴドライバ３８のＺ方向駆動回路４０に入力され、Ｚ方向駆動回路４０からは、Ｚ方向のＰＺＴアクチュエータに対して、Ｚ方向駆動信号４１が出力される。
【００２０】
その結果、試料台１４が微小距離だけ上下して、マイクロピペットプローブ１２の振動振幅が常に一定に保たれる。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅は、後述するように、プローブの先端と透明な基板１８の表面との距離に依存するので、結局、上述のようなＺ方向のフィードバック制御により、プローブの先端と透明な基板１８の表面との距離が一定に保たれる。
【００２１】
パーソナルコンピュータ４４はＰＺＴドライバ３８のＸＹ方向駆動回路４２にＸＹ方向
指令信号４５を出力する。ＸＹ方向駆動回路４２はそれに応じてＸＹ方向アクチュエータ
に対してＸＹ方向駆動信号４３を出力し、試料台１４がＸＹ方向に移動する。これによっ
て、透明な基板１８の表面上の所望の位置をマイクロプローブピペット１２の先端に対向させることができる。Ｚ方向駆動回路４０からはＺ方向指令信号（これは，基板の表面の高さ信号に相当する）がパーソナルコンピュータ４４に入力されている。したがって、パーソナルコンピュータ４４では、ＸＹ方向指令信号に応じたＺ方向指令信号の値、すなわち、基板表面上の各位置における高さ信号を取得することができ、これに基づいて、基板表面の高さ画像を作ることができる。
【００２２】
図２は走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。上段のＡの状態は
、プローブ５７の先端と試料５６の表面との距離ｄが十分離れている状態である。このと
き、プローブ５７は所定の共振周波数で振動していて、その振幅は最大値Ｗｍａｘとなる。上段のＢの状態は、プローブ５７の先端が試料５６の表面に近づいて、プローブ５７の振動振幅が試料５６の影響を受けている状態である。
【００２３】
すなわち、共振周波数付近で振動するプローブ５７が試料５６に近づくと、プローブ５７はシェアフォースと呼ばれる横方向の力を受ける。このときの振動振幅はＡの状態よりも小さくなる。プローブ５７がさらに試料５６に近づくと、振動振幅が急激に減衰する。そして、上段のＣに示すように、プローブ５７の先端が試料５６の表面に接触すると、振動振幅はゼロになる。
【００２４】
下段のグラフは、横軸にプローブ５７の先端と試料５６の表面との距離ｄをとり，縦軸にプローブ５７の振動振幅をとったものである。距離ｄがｄ１よりも大きいときは、上段のＡの状態に相当し、プローブの振動振幅はＷｍａｘである。距離ｄがｄ１よりも小さくなっていくと振動振幅は減少していき、この中間状態が上段のＢの状態に相当する。距離ｄがさらに小さくなってゼロに近づくと、振動振幅がゼロになる。これが上段のＣの状態に相当する。そして，距離ｄがｄ１よりも小さい領域が制御領域であり、この制御領域は、距離ｄに応じて振動振幅が変化する領域として定義される。
【００２５】
この制御領域内の特定の振動振幅値を基準値Ｗｒｅｆとすると、プローブに対して試料を相対的に走査して、振動振幅が常に基準値Ｗｒｅｆに等しくなるように距離ｄを制御すれば、その距離ｄの変化によって試料表面の高さ変化を表すことができる。このようにして、試料の表面形状を取得することができる。本発明の実施例では、基準値ＷｒｅｆをＷｍａｘの８０％に設定している。
【００２６】
プローブを試料に接触した状態から徐々に離していくと、プローブの振動振幅は増加し
ていくが、その上昇曲線５８は、距離を小さくしていくときの下降曲線６０とは異なって
いる。すなわち、ヒステリシス特性がある。下降曲線６０の傾きは距離制御（高さ制御）
の感度を示している。
【００２７】
図３はマイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。マイクロピペッ
トプローブはマイクロピペット引き伸ばし装置によって製造される。この引き伸ばし装置
は、第１チャック６２と第２チャック６４と加熱装置６６を備えている。第１チャック６
２はガラス管６８の一端をつかんで図面の左方向に引っ張り力７０を付与するものである
。第２チャック６４はガラス管６８の他端をつかんで図面の右方向に引っ張り力７２を付
与するものである。
【００２８】
加熱装置６６は、ガラス管６８の周囲を取り囲む加熱コイル７４と、この加熱コイル７４に電力を供給する加熱電源７６からなる。二つのチャック６２、６４によってガラス管６８に引っ張り力を付与した状態で、加熱電源７６から加熱コイル７４に電力を供給して、ガラス管６８の中央を加熱すると、ガラス管６８の中央が軟化して伸びるとともに、その径が小さくなっていき、ついには中央で分離する。
【００２９】
これによって、先端が先細のマイクロピペットプローブが出来上がる。二つのチャック６２、６４に付与する引っ張り力の強さと、加熱電源７６が供給する電力とを調整することで、出来上がるマイクロピペットプローブの先端の開口径を変えることができる。高温にするほど、開口径は小さくなる傾向にある。実施例では，開口径が約２００ｎｍのものを使用する。なお、加熱装置としては、上記の手段に限らず、例えば、レーザによる加熱手段を利用することも可能である。
【００３０】
図４は出来上がったマイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。図４において、マイクロピペットプローブ１２の先端付近には第１テーパ部７７と第２テーパ部７８が形成されている。
【００３１】
図５はマイクロピペットプローブの構造を示す説明図である。図５において、中空のマイクロピペットプローブ１２の先端付近８２は先細のテーパ状になっていて、その先端は開口している。開口径は約２００ｎｍである。マイクロピペットプローブ１２の内部には光硬化性樹脂液８０が充填されている。
【００３２】
この実施例では，光硬化性樹脂液８０として、感光波長が５００ｎｍに調整され、粘度が１００ｍＰａ・ｓ（２５°Ｃ）の光硬化性樹脂の原液を、アセトンで１．５倍に希釈化したものを使用している。この光硬化性樹脂液８０が充填されたマイクロピペットプローブ１２の先端を透明な基板１８に接触した状態にすることで、光硬化性樹脂液８０が透明な基板１８の表面上に滴下されて硬化し、光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。なお、光硬化性樹脂液としては、上記に限らず、モノマー、オリゴマー、光開始剤等の種類や組成割合などを調整することにより、本実施例の様に溶剤を添加することなく、プローブに充填可能な粘度に調整した光硬化性樹脂液を用いることも可能である。
【００３３】
図６は透明な基板の表面上に滴下された光硬化性樹脂液を硬化するための原理を示す説明図である。図６において、励起用レーザ光５４は、プリズム５３、透明な基板１８を介して、透明な基板１８の表面上に滴下された光硬化性樹脂液の部分に照射される。また、照射される励起用レーザ光５４は滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射される。この場合、反射面からしみ出す様なエバネッセント光８６が発生する。このエバネッセント光８６によって光硬化性樹脂液が励起されて硬化し、光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。なお、照射される励起用レーザ光５４は、滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射されることによって、マイクロピペットプローブ１２内に光が入らないために、マイクロピペットプローブ１２に充填されている光硬化性樹脂液８０が液体状態に保たれ、連続した加工が可能となる。
【００３４】
この実施例では、透明な基板１８として屈折率が１．５２のガラス基板を、またプリズム５３として屈折率が１．５２のプリズムを使用している。また、これらのガラス基板とプリズムを一時的に固定し、間に空気が入らないようにするためにマッチングオイル８８が使用される。そして、このマッチングオイル８８として、ガラス基板とプリズムと同じ１．５２の屈折率をもつマッチングオイルを使用することで、ガラス基板とプリズムとの間で全反射が起きることを防止している。
【００３５】
また、励起用レーザ光５４は、図１の励起用レーザダイオード５０から図示しないノズルを通して出射され、反射板５１、反射板５２、プリズム５３、マッチングオイル８８、透明な基板１８であるガラス基板を介して、ガラス基板の表面上に滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射されるように制御される。なお、励起用レーザ光５４の照射スポット径は、例えば、０．２〜２ｍｍ程度にすることができるため、レーザ照射位置を変えなくても、プローブによる加工域を十分にカバーして照射することが可能である。図６において、ハッチングして描いた励起用レーザ光５４は照射スポット径の一部を描いたものである。
【００３６】
また、励起用レーザ光５４として、波長が４８８ｎｍで出力が１２ｍＷのアルゴン・イオン・レーザを使用しているが、この限りではなく、その波長が光硬化性樹脂の感光波長に合うものであれば良く、逆に、使用する光硬化性樹脂は、その感光波長がレーザの波長に合うものであれば良い。一般に、光硬化性樹脂としては紫外線硬化性樹脂が広く普及しているので、その場合には、可視光レーザではなく、紫外線レーザを使用するのが望ましい。また、レーザの照射時間は、基板の表面に滴下した光硬化性樹脂が硬化するのに十分な時間であれば良く、光硬化性樹脂の光硬化性やレーザの強度等を勘案して決定すれば良い。
【００３７】
次に、光硬化性樹脂の加工手順を纏めて説明する。まず、図５で説明した光硬化性樹脂液８０をマイクロピペットプローブ１２の内部に充填する。そして、図１において、パーソナルコンピュータ４４からＸＹ方向指令信号４５を出力して試料台１４をＸＹ方向に動かし、透明な基板１８であるガラス基板の所望の地点（光硬化性樹脂を堆積させたい地点）をマイクロピペットプローブ１２の真下に持ってくる。
【００３８】
次に、制御回路３６を加工モードにして、ガラス基板がマイクロピペットプローブ１２の先端に十分に近接するまで、Ｚ方向指令信号３７を出力する。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅がゼロ近辺になったときにマイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態にあるものと判断する。マイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態になると、マイクロピペットプローブ１２の先端から光硬化性樹脂液８０がガラス基板の表面上の所望の地点に滴下される。なお、この滴下は、雫となって転移するほか、プローブの先端から滲み出ている光硬化性樹脂液がガラス基板に接触して転移するようにして行われる。
【００３９】
なお、滴下される光硬化性樹脂液の量はマイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態を保持している時間（以降、加工時間と呼ぶ）の長さに依存する。そして、図６で説明したように、ガラス基板の表面上の所望の地点に滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から、励起用レーザ光５４が全反射する角度で入射され、エバネッセント光８６の発生によって滴下された光硬化性樹脂液が硬化して光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。
【００４０】
図７は、図１〜６の実施例に基づく本発明の光硬化性樹脂の微細加工によって、ガラス基板上に１ドットの堆積加工を施したものについての取得画像のイメージとこの画像中のラインに沿ったドットの高さ変化を示している。
【００４１】
図７（ａ）は、加工時間が０．４秒、励起用レーザ光の照射時間が２秒程度の場合を示している。図７（ａ）の上段が取得画像から線画として作図したものであり、その中央に約１８０ｎｍのサイズの堆積物９０−１が形成されている。この線画として作図したものは、光硬化性樹脂液のガラス基板上への滴下、そして、励起用レーザ光による照射の後、観察モードにして，マイクロピペットプローブをガラス基板に非接触の状態で走査して取得した画像から得られたものである。堆積物があるところだけが高くなっており，その高い部分を他の部分から区別して（ハッチング）示している。
【００４２】
図７（ａ）の下段は上段の画像中のライン９４に沿った高さ変化を示している。横軸はライン９４に沿った位置であり、縦軸はガラス基板表面の高さである。中央付近において１８０ｎｍのドット幅で高い部分が観測され、この部分が堆積物に相当する。なお、堆積量は０．０９ａＬである。
【００４３】
図７（ｂ）は、加工時間が６秒、励起用レーザ光の照射時間が２秒程度の場合を示している。図７（ｂ）の上段が取得画像から線画として作図したものであり、その中央に約２３０ｎｍのサイズの堆積物９２−１が形成されている。堆積物があるところだけが高くなっており，その高い部分を他の部分から区別して（ハッチング）示している。 図７（ａ）の下段は上段の画像中のライン９６に沿った高さ変化を示している。横軸はライン９６に沿った位置であり、縦軸はガラス基板表面の高さである。中央付近において２３０ｎｍのドット幅で高い部分が観測され、この部分が堆積物に相当する。なお、堆積量は０．３７ａＬである。
【００４４】
図８は光硬化性樹脂の１ドット堆積加工における加工時間とドット幅およびドット高さとの関係を示すグラフである。図８（ａ）は、加工時間とドット幅との関係を、図８（ｂ）は、加工時間とドット高さとの関係を示している。
【００４５】
図８（ａ）において、横軸は加工時間であり、縦軸はドット幅である。プロット９０−２は図７（ａ）の場合を、また、プロット９２−２は図７（ｂ）の場合を示している。また、その他のプロットも図７（ａ）と（ｂ）の場合と同様の手順、方法に基づいてプロットされたものである。図８（ｂ）において、横軸は加工時間であり、縦軸はドット高さである。プロット９０−３とプロット９２−３は、それぞれ、図７（ａ）と（ｂ）の場合を示している。また、その他のプロットも図７（ａ）と（ｂ）の場合と同様の手順、方法に基づいてプロットされたものである。加工時間が長くなると、ドット幅とドット高さ共に大きくなる傾向にある。
【００４６】
なお、図７及び図８は、図１〜６の実施例に基づく本発明の光硬化性樹脂の微細加工によって、ガラス基板上に１ドットの堆積物を形成したものについての取得画像から線画として作図したもの、ドット幅、ドット高さ等のデータを示したが、複数のドットを連続的にガラス基板上に堆積させることも可能である。また、図４にマイクロピペットプローブの製造方法を、図５にマイクロピペットプローブの概略形状を示したが、マイクロピペットプローブの先端の開口径を更に小さくしたマイクロピペットプローブと置き換えることによって、図７（ａ）に示した堆積物よりも更に小さい堆積物を形成することも可能である。
【００４７】
さらに、ドット形成した上にさらに重ねてドットを形成すること、ドット周辺に密接してその他のドット等を形成することも可能であり、適宜所望な形状に成形することができる。また、基板の表面処理を工夫することによって、光硬化性樹脂を基板に堅固密着させて形成することも、あるいはまた、基板に形成された光硬化性樹脂を基板から剥離することも可能である。この剥離した光硬化性樹脂の微細な加工物は、例えば、マイクロパーツとしての利用が考えられる。
【００４８】
従って、本実施例の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することによって、光硬化性樹脂液をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させて光硬化性樹脂液を滴下し、滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して液体状態から樹脂状態に硬化させることで、基板の表面上に微少量の光硬化性樹脂を堆積させることが可能となる。
【００４９】
また、基板の表面上に堆積された光硬化性樹脂の堆積状況を観察することも可能となる。さらに、加工時間等の加工条件、マイクロピペットプローブ先端の開口径等を任意に選択することで、光硬化性樹脂の堆積量及び形状が調整可能となり、ガラス基板等の透明な基板の表面上に適宜所望の形状の堆積物を形成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置は、走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブを利用して光硬化性樹脂液を透明な基板の表面上に滴下し、この滴下した光硬化性樹脂液の部分に励起用レーザ光を照射することで硬化させて微小量の堆積物を形成する微細加工の方法及び装置であって、今日、工業的に幅広く利用されている光硬化性樹脂を、光導波路、マイクロマシン、ナノマシン等の微細デバイスの製作などに活用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするためのマイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。
【図２】走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。
【図３】マイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。
【図４】マイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。
【図５】マイクロピペットプローブの構造を示す説明図である。
【図６】光硬化性樹脂液を硬化するための原理を示す説明図である。
【図７】光硬化性樹脂の１ドット堆積加工の取得画像のイメージ図と画像中のラインに沿ったドットの高さ変化を示す図である。
【図８】光硬化性樹脂の１ドット堆積加工における加工時間とドット幅およびドット高さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０ プローブ支持体
１２ マイクロピペットプローブ
１４ 試料台
１６ 基板支持体
１８ 透明な基板
２０ 変位検波用レーザダイオード
２４ ２分割フォトダイオード
２８ 発振器
３０ Ｉ−Ｖ変換器
３２ 演算回路
３４ ロックインアンプ
３６ 制御回路
３８ ＰＺＴドライバ
４０ Ｚ方向駆動回路
４２ ＸＹ方向駆動回路
４４ パーソナルコンピュータ
５０ 励起用レーザダイオード
５１ 反射板
５２ 反射板
５３ プリズム
５４ 励起用レーザ光
８０ 光硬化性樹脂液
８４ 光硬化性樹脂堆積物
８６ エバネッセント光
８８ マッチングオイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型シェアフォース顕微鏡を用いた微細加工方法及び装置に関するもので
あり、特に、光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は，微細なプローブを用いてその先端と試料表面の間に働く様々
な物理量を検出して，ナノスケールでの高い分解能で前記物理量の表面分布を画像化でき
る顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は，試料表面の観察だけではなくて、表面の微細加工ツールとしても知られている。走査型プローブ顕微鏡を用いた微細表面加工技術は比較的低コストでシンプルであり、原子スケールからマイクロスケールまで高い加工精度を有しており、次世代の微細表面加工技術として期待されている。
【０００３】
このような微細表面加工技術としては、例えば、下記の非特許文献１に記載されている。下記の非特許文献１は、走査型プローブ顕微鏡の一種である走査型シェアフォース顕微鏡のプローブとして，マイクロピペットプローブを採用している。そして，このマイクロピペットの内部に，試料加工用の試薬溶液（１，４−ジオキサン）を充填して，この試薬を被加工物であるポリカーボネート基板に近接させて，試薬の蒸気により基板を加工している。
【非特許文献１】Ｆ． Ｉｗａｔａ， ｅｔ ａｌ．， “Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”， Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １５ （２００４） ｐ．４２２−４２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来技術では、液体状態の光硬化性樹脂を基板の表面上の所定の位置に滴下し、この滴下した光硬化性樹脂液の部分を樹脂状態に硬化させることで、基板の表面上に微少量の樹脂を堆積させることが出来なかった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブの組み合わせを用いて，液体状態の光硬化性樹脂をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端から透明な基板の表面上の所定の位置に滴下し、その後、この滴下した光硬化性樹脂液の部分をレーザ光で照射させることで樹脂状態に硬化させ、透明な基板の表面上に適宜所望の形状の光硬化性樹脂の堆積物を形成することができる微細加工の方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成すべく、本願の第１の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、先端が開口した中空のマイクロピペットプローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階と、該マイクロピペットプローブの内部に光硬化性樹脂液を充填する段階と、該マイクロピペットプローブの該先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させる段階と、該透明な基板の表面上に該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させる段階と、該滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させる段階と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、本願の第２の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、第１の発明において、前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする。
【０００８】
さらに、本願の第３の発明の光硬化性樹脂の微細加工方法は、第１及び２の発明において、微細加工が施された前記透明な基板の表面に対して前記マイクロピペットプローブを非接触の状態で走査することにより，前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記透明な基板の表面の加工状態を観察することを特徴とする。
【０００９】
さらに、本願の第４の発明の光硬化性樹脂の微細加工装置は、先端が開口した中空のマイクロピペットプローブと，試料台と，該試料台を該マイクロピペットプローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡を具備し、さらに、前記マイクロピペットプローブ内に充填された光硬化性樹脂液と、該試料台に載置された透明な基板と、レーザ照射装置とを具備し、該透明な基板の表面上に該マイクロピペットプローブ内に充填された該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させ、該滴下した光硬化性樹脂液の部分に該レーザ照射装置からのレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本願の第５の発明の光硬化性樹脂の微細加工装置は、第４の発明において、前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、液体状態の光硬化性樹脂をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させて液体状態の光硬化性樹脂を滴下し、滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して樹脂状態に硬化させることで、透明な基板の表面上に適宜所望の形状の光硬化性樹脂の堆積物を形成することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、レーザ光を照射して樹脂状態に硬化させる際に全反射する角度で照射することによって、透過光や散乱光を防ぐことができると同時に、発生するエバネッセント光を利用することで滴下した光硬化性樹脂液を硬化させることが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することにより、透明な基板の表面上に堆積した光硬化性樹脂の形成状況を観察することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするためのマイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。マイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成は既に知られており、ここでは、その構成を簡単に説明するが、図１には、本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするために新たに励起用レーザ光硬化装置が追加されて内蔵されている。
【００１５】
図１において円筒状のプローブ支持体１０の中心軸上にマイクロピペットプローブ１２が固定されている。プローブ支持体１０には励振用圧電素子が組み込まれている。この圧電素子の材質はＰＺＴである。この励振用圧電素子の振動によって，マイクロピペットプローブ１２は図１の紙面に垂直な方向に振動する。試料台１４は圧電素子で駆動される３次元アクチュエータによって，ＸＹ方向（水平面内での２次元方向）及びＺ方向（上下方向）に所定の移動距離の範囲内で移動できる。
【００１６】
試料台１４の上面には基板支持体１６が固定されている。基板支持体１６の上面には透明な基板１８を載せることができる。なお、透明な基板１８としては、ガラス、プラスチック、マイカ製等の基板が考えられる。また、透明な基板１８は基板支持体１６の上面に載せることができるが、単に載せるのではなく、固定されることが望ましい。マイクロピペットプローブ１２は励振用圧電素子によって水平方向に振動し，その振幅は振幅検出装置で検出される。振幅検出装置は変位検波用レーザダイオード２０と集光レンズ２２と２分割フォトダイオード２４で構成されている。変位検波用レーザダイオード２０は波長６７０ｎｍの変位検波レーザ光を出射し，この変位検波用レーザ光２６は集光レンズ２２でマイクロピペットプローブ１２の付近に集光され，そこを通過した変位検波用レーザ光は２分割フォトダイオード２４で集光される。２分割フォトダイオード２４の出力はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存する。
【００１７】
励起用レーザダイオード５０、反射板５１と５２、プリズム５３が、本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするために新たに追加され、励起用レーザ光硬化装置として内蔵されている。この励起用レーザ光硬化装置は、マイクロピペットプローブ１２の先端から透明な基板１８の表面上に滴下された液状の光硬化性樹脂を硬化させて堆積させるために使用される。
【００１８】
次に，走査型シェアフォース顕微鏡の制御系を説明する。図１において，プローブ支持
体１０に組み込まれた励振用圧電素子には発振器２８から発振出力信号２９が供給されて
、プローブ支持体１０は所定の共振周波数で水平方向に振動する。２分割フォトダイオー
ド２４の出力信号はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存しており、この出力
信号はＩ−Ｖ変換器３０と演算回路３２とロックインアンプ３４を経て、マイクロピペッ
トプローブ１２の振動振幅に変換される。ロックインアンプ３４には参照信号３３として
発振器２８の信号が入力されていて、このロックインアンプ３４によりノイズが除去され
る。ロックインアンプ３４から出力されるマイクロピペットプローブ１２の振動振幅３５
は制御回路３６に入力される。
【００１９】
制御回路３６ではマイクロピペットプローブ１２の振動振幅と所定の基準値とを比較して、振動振幅が基準値に等しくなるようにＺ方向指令信号３７を出力する。すなわち，振動振幅が基準値よりも大きければ、試料台１４を上昇させるように、逆に、振動振幅が基準値よりも小さければ、試料台１４を下降させるように、Ｚ方向指令信号３７を出力する。Ｚ方向駆動信号はＰＺＴドライバ３８のＺ方向駆動回路４０に入力され、Ｚ方向駆動回路４０からは、Ｚ方向のＰＺＴアクチュエータに対して、Ｚ方向駆動信号４１が出力される。
【００２０】
その結果、試料台１４が微小距離だけ上下して、マイクロピペットプローブ１２の振動振幅が常に一定に保たれる。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅は、後述するように、プローブの先端と透明な基板１８の表面との距離に依存するので、結局、上述のようなＺ方向のフィードバック制御により、プローブの先端と透明な基板１８の表面との距離が一定に保たれる。
【００２１】
パーソナルコンピュータ４４はＰＺＴドライバ３８のＸＹ方向駆動回路４２にＸＹ方向
指令信号４５を出力する。ＸＹ方向駆動回路４２はそれに応じてＸＹ方向アクチュエータ
に対してＸＹ方向駆動信号４３を出力し、試料台１４がＸＹ方向に移動する。これによっ
て、透明な基板１８の表面上の所望の位置をマイクロプローブピペット１２の先端に対向させることができる。Ｚ方向駆動回路４０からはＺ方向指令信号（これは，基板の表面の高さ信号に相当する）がパーソナルコンピュータ４４に入力されている。したがって、パーソナルコンピュータ４４では、ＸＹ方向指令信号に応じたＺ方向指令信号の値、すなわち、基板表面上の各位置における高さ信号を取得することができ、これに基づいて、基板表面の高さ画像を作ることができる。
【００２２】
図２は走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。上段のＡの状態は
、プローブ５７の先端と試料５６の表面との距離ｄが十分離れている状態である。このと
き、プローブ５７は所定の共振周波数で振動していて、その振幅は最大値Ｗｍａｘとなる。上段のＢの状態は、プローブ５７の先端が試料５６の表面に近づいて、プローブ５７の振動振幅が試料５６の影響を受けている状態である。
【００２３】
すなわち、共振周波数付近で振動するプローブ５７が試料５６に近づくと、プローブ５７はシェアフォースと呼ばれる横方向の力を受ける。このときの振動振幅はＡの状態よりも小さくなる。プローブ５７がさらに試料５６に近づくと、振動振幅が急激に減衰する。そして、上段のＣに示すように、プローブ５７の先端が試料５６の表面に接触すると、振動振幅はゼロになる。
【００２４】
下段のグラフは、横軸にプローブ５７の先端と試料５６の表面との距離ｄをとり，縦軸にプローブ５７の振動振幅をとったものである。距離ｄがｄ１よりも大きいときは、上段のＡの状態に相当し、プローブの振動振幅はＷｍａｘである。距離ｄがｄ１よりも小さくなっていくと振動振幅は減少していき、この中間状態が上段のＢの状態に相当する。距離ｄがさらに小さくなってゼロに近づくと、振動振幅がゼロになる。これが上段のＣの状態に相当する。そして，距離ｄがｄ１よりも小さい領域が制御領域であり、この制御領域は、距離ｄに応じて振動振幅が変化する領域として定義される。
【００２５】
この制御領域内の特定の振動振幅値を基準値Ｗｒｅｆとすると、プローブに対して試料を相対的に走査して、振動振幅が常に基準値Ｗｒｅｆに等しくなるように距離ｄを制御すれば、その距離ｄの変化によって試料表面の高さ変化を表すことができる。このようにして、試料の表面形状を取得することができる。本発明の実施例では、基準値ＷｒｅｆをＷｍａｘの８０％に設定している。
【００２６】
プローブを試料に接触した状態から徐々に離していくと、プローブの振動振幅は増加し
ていくが、その上昇曲線５８は、距離を小さくしていくときの下降曲線６０とは異なって
いる。すなわち、ヒステリシス特性がある。下降曲線６０の傾きは距離制御（高さ制御）
の感度を示している。
【００２７】
図３はマイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。マイクロピペッ
トプローブはマイクロピペット引き伸ばし装置によって製造される。この引き伸ばし装置
は、第１チャック６２と第２チャック６４と加熱装置６６を備えている。第１チャック６
２はガラス管６８の一端をつかんで図面の左方向に引っ張り力７０を付与するものである
。第２チャック６４はガラス管６８の他端をつかんで図面の右方向に引っ張り力７２を付
与するものである。
【００２８】
加熱装置６６は、ガラス管６８の周囲を取り囲む加熱コイル７４と、この加熱コイル７４に電力を供給する加熱電源７６からなる。二つのチャック６２、６４によってガラス管６８に引っ張り力を付与した状態で、加熱電源７６から加熱コイル７４に電力を供給して、ガラス管６８の中央を加熱すると、ガラス管６８の中央が軟化して伸びるとともに、その径が小さくなっていき、ついには中央で分離する。
【００２９】
これによって、先端が先細のマイクロピペットプローブが出来上がる。二つのチャック６２、６４に付与する引っ張り力の強さと、加熱電源７６が供給する電力とを調整することで、出来上がるマイクロピペットプローブの先端の開口径を変えることができる。高温にするほど、開口径は小さくなる傾向にある。実施例では，開口径が約２００ｎｍのものを使用する。なお、加熱装置としては、上記の手段に限らず、例えば、レーザによる加熱手段を利用することも可能である。
【００３０】
図４は出来上がったマイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。図４において、マイクロピペットプローブ１２の先端付近には第１テーパ部７７と第２テーパ部７８が形成されている。
【００３１】
図５はマイクロピペットプローブの構造を示す説明図である。図５において、中空のマイクロピペットプローブ１２の先端付近８２は先細のテーパ状になっていて、その先端は開口している。開口径は約２００ｎｍである。マイクロピペットプローブ１２の内部には光硬化性樹脂液８０が充填されている。
【００３２】
この実施例では，光硬化性樹脂液８０として、感光波長が５００ｎｍに調整され、粘度が１００ｍＰａ・ｓ（２５°Ｃ）の光硬化性樹脂の原液を、アセトンで１．５倍に希釈化したものを使用している。この光硬化性樹脂液８０が充填されたマイクロピペットプローブ１２の先端を透明な基板１８に接触した状態にすることで、光硬化性樹脂液８０が透明な基板１８の表面上に滴下されて硬化し、光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。なお、光硬化性樹脂液としては、上記に限らず、モノマー、オリゴマー、光開始剤等の種類や組成割合などを調整することにより、本実施例の様に溶剤を添加することなく、プローブに充填可能な粘度に調整した光硬化性樹脂液を用いることも可能である。
【００３３】
図６は透明な基板の表面上に滴下された光硬化性樹脂液を硬化するための原理を示す説明図である。図６において、励起用レーザ光５４は、プリズム５３、透明な基板１８を介して、透明な基板１８の表面上に滴下された光硬化性樹脂液の部分に照射される。また、照射される励起用レーザ光５４は滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射される。この場合、反射面からしみ出す様なエバネッセント光８６が発生する。このエバネッセント光８６によって光硬化性樹脂液が励起されて硬化し、光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。なお、照射される励起用レーザ光５４は、滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射されることによって、マイクロピペットプローブ１２内に光が入らないために、マイクロピペットプローブ１２に充填されている光硬化性樹脂液８０が液体状態に保たれ、連続した加工が可能となる。
【００３４】
この実施例では、透明な基板１８として屈折率が１．５２のガラス基板を、またプリズム５３として屈折率が１．５２のプリズムを使用している。また、これらのガラス基板とプリズムを一時的に固定し、間に空気が入らないようにするためにマッチングオイル８８が使用される。そして、このマッチングオイル８８として、ガラス基板とプリズムと同じ１．５２の屈折率をもつマッチングオイルを使用することで、ガラス基板とプリズムとの間で全反射が起きることを防止している。
【００３５】
また、励起用レーザ光５４は、図１の励起用レーザダイオード５０から図示しないノズルを通して出射され、反射板５１、反射板５２、プリズム５３、マッチングオイル８８、透明な基板１８であるガラス基板を介して、ガラス基板の表面上に滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で入射されるように制御される。なお、励起用レーザ光５４の照射スポット径は、例えば、０．２〜２ｍｍ程度にすることができるため、レーザ照射位置を変えなくても、プローブによる加工域を十分にカバーして照射することが可能である。図６において、ハッチングして描いた励起用レーザ光５４は照射スポット径の一部を描いたものである。
【００３６】
また、励起用レーザ光５４として、波長が４８８ｎｍで出力が１２ｍＷのアルゴン・イオン・レーザを使用しているが、この限りではなく、その波長が光硬化性樹脂の感光波長に合うものであれば良く、逆に、使用する光硬化性樹脂は、その感光波長がレーザの波長に合うものであれば良い。一般に、光硬化性樹脂としては紫外線硬化性樹脂が広く普及しているので、その場合には、可視光レーザではなく、紫外線レーザを使用するのが望ましい。また、レーザの照射時間は、基板の表面に滴下した光硬化性樹脂が硬化するのに十分な時間であれば良く、光硬化性樹脂の光硬化性やレーザの強度等を勘案して決定すれば良い。
【００３７】
次に、光硬化性樹脂の加工手順を纏めて説明する。まず、図５で説明した光硬化性樹脂液８０をマイクロピペットプローブ１２の内部に充填する。そして、図１において、パーソナルコンピュータ４４からＸＹ方向指令信号４５を出力して試料台１４をＸＹ方向に動かし、透明な基板１８であるガラス基板の所望の地点（光硬化性樹脂を堆積させたい地点）をマイクロピペットプローブ１２の真下に持ってくる。
【００３８】
次に、制御回路３６を加工モードにして、ガラス基板がマイクロピペットプローブ１２の先端に十分に近接するまで、Ｚ方向指令信号３７を出力する。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅がゼロ近辺になったときにマイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態にあるものと判断する。マイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態になると、マイクロピペットプローブ１２の先端から光硬化性樹脂液８０がガラス基板の表面上の所望の地点に滴下される。なお、この滴下は、雫となって転移するほか、プローブの先端から滲み出ている光硬化性樹脂液がガラス基板に接触して転移するようにして行われる。
【００３９】
なお、滴下される光硬化性樹脂液の量はマイクロピペットプローブ１２の先端がガラス基板に接触した状態を保持している時間（以降、加工時間と呼ぶ）の長さに依存する。そして、図６で説明したように、ガラス基板の表面上の所望の地点に滴下された光硬化性樹脂液の部分に対して下側から、励起用レーザ光５４が全反射する角度で入射され、エバネッセント光８６の発生によって滴下された光硬化性樹脂液が硬化して光硬化性樹脂堆積物８４が形成される。
【００４０】
図７は、図１〜６の実施例に基づく本発明の光硬化性樹脂の微細加工によって、ガラス基板上に１ドットの堆積加工を施したものについての取得画像のイメージとこの画像中のラインに沿ったドットの高さ変化を示している。
【００４１】
図７（ａ）は、加工時間が０．４秒、励起用レーザ光の照射時間が２秒程度の場合を示している。図７（ａ）の上段が取得画像から線画として作図したものであり、その中央に約１８０ｎｍのサイズの堆積物９０−１が形成されている。この線画として作図したものは、光硬化性樹脂液のガラス基板上への滴下、そして、励起用レーザ光による照射の後、観察モードにして，マイクロピペットプローブをガラス基板に非接触の状態で走査して取得した画像から得られたものである。堆積物があるところだけが高くなっており，その高い部分を他の部分から区別して（ハッチング）示している。
【００４２】
図７（ａ）の下段は上段の画像中のライン９４に沿った高さ変化を示している。横軸はライン９４に沿った位置であり、縦軸はガラス基板表面の高さである。中央付近において１８０ｎｍのドット幅で高い部分が観測され、この部分が堆積物に相当する。なお、堆積量は０．０９ａＬである。
【００４３】
図７（ｂ）は、加工時間が６秒、励起用レーザ光の照射時間が２秒程度の場合を示している。図７（ｂ）の上段が取得画像から線画として作図したものであり、その中央に約２３０ｎｍのサイズの堆積物９２−１が形成されている。堆積物があるところだけが高くなっており，その高い部分を他の部分から区別して（ハッチング）示している。 図７（ａ）の下段は上段の画像中のライン９６に沿った高さ変化を示している。横軸はライン９６に沿った位置であり、縦軸はガラス基板表面の高さである。中央付近において２３０ｎｍのドット幅で高い部分が観測され、この部分が堆積物に相当する。なお、堆積量は０．３７ａＬである。
【００４４】
図８は光硬化性樹脂の１ドット堆積加工における加工時間とドット幅およびドット高さとの関係を示すグラフである。図８（ａ）は、加工時間とドット幅との関係を、図８（ｂ）は、加工時間とドット高さとの関係を示している。
【００４５】
図８（ａ）において、横軸は加工時間であり、縦軸はドット幅である。プロット９０−２は図７（ａ）の場合を、また、プロット９２−２は図７（ｂ）の場合を示している。また、その他のプロットも図７（ａ）と（ｂ）の場合と同様の手順、方法に基づいてプロットされたものである。図８（ｂ）において、横軸は加工時間であり、縦軸はドット高さである。プロット９０−３とプロット９２−３は、それぞれ、図７（ａ）と（ｂ）の場合を示している。また、その他のプロットも図７（ａ）と（ｂ）の場合と同様の手順、方法に基づいてプロットされたものである。加工時間が長くなると、ドット幅とドット高さ共に大きくなる傾向にある。
【００４６】
なお、図７及び図８は、図１〜６の実施例に基づく本発明の光硬化性樹脂の微細加工によって、ガラス基板上に１ドットの堆積物を形成したものについての取得画像から線画として作図したもの、ドット幅、ドット高さ等のデータを示したが、複数のドットを連続的にガラス基板上に堆積させることも可能である。また、図４にマイクロピペットプローブの製造方法を、図５にマイクロピペットプローブの概略形状を示したが、マイクロピペットプローブの先端の開口径を更に小さくしたマイクロピペットプローブと置き換えることによって、図７（ａ）に示した堆積物よりも更に小さい堆積物を形成することも可能である。
【００４７】
さらに、ドット形成した上にさらに重ねてドットを形成すること、ドット周辺に密接してその他のドット等を形成することも可能であり、適宜所望な形状に成形することができる。また、基板の表面処理を工夫することによって、光硬化性樹脂を基板に堅固密着させて形成することも、あるいはまた、基板に形成された光硬化性樹脂を基板から剥離することも可能である。この剥離した光硬化性樹脂の微細な加工物は、例えば、マイクロパーツとしての利用が考えられる。
【００４８】
従って、本実施例の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置を提供することによって、光硬化性樹脂液をマイクロピペットプローブ内に充填させ、マイクロピペットプローブの先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させて光硬化性樹脂液を滴下し、滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して液体状態から樹脂状態に硬化させることで、基板の表面上に微少量の光硬化性樹脂を堆積させることが可能となる。
【００４９】
また、基板の表面上に堆積された光硬化性樹脂の堆積状況を観察することも可能となる。さらに、加工時間等の加工条件、マイクロピペットプローブ先端の開口径等を任意に選択することで、光硬化性樹脂の堆積量及び形状が調整可能となり、ガラス基板等の透明な基板の表面上に適宜所望の形状の堆積物を形成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の光硬化性樹脂の微細加工方法及び装置は、走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブを利用して光硬化性樹脂液を透明な基板の表面上に滴下し、この滴下した光硬化性樹脂液の部分に励起用レーザ光を照射することで硬化させて微小量の堆積物を形成する微細加工の方法及び装置であって、今日、工業的に幅広く利用されている光硬化性樹脂を、光導波路、マイクロマシン、ナノマシン等の微細デバイスの製作などに活用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は本発明の光硬化性樹脂の微細加工をするためのマイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。
【図２】走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。
【図３】マイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。
【図４】マイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。
【図５】マイクロピペットプローブの構造を示す説明図である。
【図６】光硬化性樹脂液を硬化するための原理を示す説明図である。
【図７】光硬化性樹脂の１ドット堆積加工の取得画像のイメージ図と画像中のラインに沿ったドットの高さ変化を示す図である。
【図８】光硬化性樹脂の１ドット堆積加工における加工時間とドット幅およびドット高さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０ プローブ支持体
１２ マイクロピペットプローブ
１４ 試料台
１６ 基板支持体
１８ 透明な基板
２０ 変位検波用レーザダイオード
２４ ２分割フォトダイオード
２８ 発振器
３０ Ｉ−Ｖ変換器
３２ 演算回路
３４ ロックインアンプ
３６ 制御回路
３８ ＰＺＴドライバ
４０ Ｚ方向駆動回路
４２ ＸＹ方向駆動回路
４４ パーソナルコンピュータ
５０ 励起用レーザダイオード
５１ 反射板
５２ 反射板
５３ プリズム
５４ 励起用レーザ光
８０ 光硬化性樹脂液
８４ 光硬化性樹脂堆積物
８６ エバネッセント光
８８ マッチングオイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開口した中空のマイクロピペットプローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階と、該マイクロピペットプローブの内部に光硬化性樹脂液を充填する段階と、該マイクロピペットプローブの該先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させる段階と、該透明な基板の表面上に該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させる段階と、該滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させる段階と、を含む光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする請求項１に記載の光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項３】
微細加工が施された前記透明な基板の表面に対して前記マイクロピペットプローブを非接触の状態で走査することにより、前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記透明な基板の表面の加工状態を観察することを特徴とする請求項１及び２に記載の光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項４】
先端が開口した中空のマイクロピペットプローブと、試料台と、該試料台を該マイクロピペットプローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡を具備し、さらに、該マイクロピペットプローブ内に充填された光硬化性樹脂液と、該試料台に載置された透明な基板と、レーザ照射装置とを具備し、該透明な基板の表面上に該マイクロピペットプローブ内に充填された該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させ、該滴下した光硬化性樹脂液の部分に該レーザ照射装置からのレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることを特徴とする光硬化性樹脂の微細加工装置。
【請求項５】
前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする請求項４に記載の光硬化性樹脂の微細加工装置。
【請求項１】
先端が開口した中空のマイクロピペットプローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階と、該マイクロピペットプローブの内部に光硬化性樹脂液を充填する段階と、該マイクロピペットプローブの該先端を透明な基板の表面上の所定の位置に接触させる段階と、該透明な基板の表面上に該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させる段階と、該滴下した光硬化性樹脂液の部分にレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させる段階と、を含む光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする請求項１に記載の光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項３】
微細加工が施された前記透明な基板の表面に対して前記マイクロピペットプローブを非接触の状態で走査することにより、前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記透明な基板の表面の加工状態を観察することを特徴とする請求項１及び２に記載の光硬化性樹脂の微細加工方法。
【請求項４】
先端が開口した中空のマイクロピペットプローブと、試料台と、該試料台を該マイクロピペットプローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡を具備し、さらに、該マイクロピペットプローブ内に充填された光硬化性樹脂液と、該試料台に載置された透明な基板と、レーザ照射装置とを具備し、該透明な基板の表面上に該マイクロピペットプローブ内に充填された該光硬化性樹脂液を所定の量だけ滴下させ、該滴下した光硬化性樹脂液の部分に該レーザ照射装置からのレーザ光を照射して該滴下した光硬化性樹脂液の部分を硬化させることを特徴とする光硬化性樹脂の微細加工装置。
【請求項５】
前記レーザ光は、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に対して下側から全反射する角度で照射され、前記滴下した光硬化性樹脂液の部分に生じるエバネッセント光により前記滴下した光硬化性樹脂液の部分が励起されて硬化することを特徴とする請求項４に記載の光硬化性樹脂の微細加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１１２０２１（Ｐ２００７−１１２０２１Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０６２１４（Ｐ２００５−３０６２１４）
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人精密工学会発行の「２００５年度 精密工学秋季大会学術講演会 講演論文集」に発表
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年９月１日 社団法人精密工学会発行の「２００５年度 精密工学秋季大会学術講演会 講演論文集」に発表
【出願人】（３０４０２３３１８）国立大学法人静岡大学 (416)
【Ｆターム（参考）】
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