JP2000501500A - 走査型プローブ顕微鏡観察用の平坦なスキャンステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 三次元スキャナーは、サンプル保持用の平坦なステージを含む。上記ステージは、４つの同一のコドラント筒状ピエゾ走査素子によって走査フレーム内に保持される。各素子は、一端で定着された台座に固定され、コネクターを介して走査フレームに達するその反対端で固定される。スキャナー素子は対として動作させられＸ−Ｙ平面内でステージを移動させ、さらにいっしょに動作させられＸ−Ｙ平面の垂直なＺ方向にステージを移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】 走査型プローブ顕微鏡観察用の平坦なスキャンステージ 本発明の技術分野 新規の圧電スキャナー構造は、高さ７ｍｍ以下のフラットステージ内にＸ、Ｙ 及びＺスキャンを含む。３０ミクロンの軸方向の位置決め許容量に加え、３０ミ クロン以上のスキャンレンジが、本装置によって得ることができる。スキャンス テージは、数ミリメートル以上のサンプルの慣性平行移動を備える。特にフラッ ト構造は、特に近視野走査型光学顕微鏡に、及び共焦点の光学顕微鏡のような別 の光学顕微鏡技術と関連して作動するのに、良く適合している。 背景技術 スキャンステージは、全ての走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）（ディ・サリッ ド、「走査型 フォース マイクロスコピー」 オックスフォード大学出版、ニ ューヨーク）の心臓部に存在する。サンプルを移動させること又は画像素子の役 割を果たす特殊チップを移動させることのいずれかを必要とするＳＰＭ装置用の 正確な動作が、数ミクロン範囲でオングストロームの精度を必要とし、圧電素子 材料の利用を指示している。これらの材料は、上記材料を横切るように電界が印 加されて、一般的には小さい部品の優れた位置づけに利用されると、膨張し、収 縮する。 既知の圧電材料に関して、様々な走査技術が開発されているが、以下に記載す る全ての技術においては、サンプルを観察するためと、光放出又は光吸収を研究 する場合にチップ又はサンプル相互作用領域からの光を収束させるために、サン プルの下部又は上部に直接高倍率の顕微鏡の対物レンズを配置させることは、特 に問題があった。 先行技術事情 第１の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、Ｘ、Ｙ及びＺ方向平行移動用の直 交する３つの独立した圧電素子位置決めに依存している（ディ・サリッド、「ス キャニング フォース マイクロスコピー」 オックスフォード大学出版、ニュ ーヨーク）。これは単一素子でＸ−Ｙ軸走査及びＺ軸位置決めを提供したビンニ ングとスミス（ディ・サリッド、「スキャニング フォース マイクロスコピー 」オックスフォード大学出版、ニューヨーク）が開発したシングルチューブスキ ャナーによって、急速に達成された。この素子は、単一の圧電チューブを含んで いて、該チューブ内では外部電極が、図１で示すように４つの等しいコードラン トに分割されている。１のコードラントに印加された正の電圧は、一方にチュー ブの長さの膨張を引き起こし、反対側のコードラントに印加された大きさの等し い負の電圧は、対応するコードラントの収縮を引き起こし、結果的にチューブが 曲げられる。この曲げは、チューブの軸方向の膨張よりも著しく大きい。走査型 の全てのプローブ顕微鏡において、上記チューブスキャナーは、１の形態又は別 の形態で残されている。短いチューブによって数ミクロンの走査を可能にする一 方、長いチューブによって７５−１００ミクロン以上の走査範囲を提供すること が可能である。 一層の改善は、ベソックによる三脚スキャナー（ケイ・ベソック、表面科学１ ８１、１４５ （１９８７））の導入であった。このスキャナー構造では、４分 割されたチューブ状スキャナーの３つが一致して利用され、さらにサンプルがチ ューブの端部に載っている。これは、だれでも普通の方法でサンプルをスキャン することを可能にし、慣性平行移動技術によって非常に広い範囲でサンプルを大 まかに配置することができるという付随的な特徴を有する。上記水平慣性移動は 、上記３つのチューブを一方にゆっくりと曲げ、続いて急速にそのチューブを真 っ直ぐにして、単一ジャーク内の最初の位置に戻すことで、達成される。慣性に よって、サンプルはチューブがジャークバックされる位置にとどまるので、最終 的な結果として、サンプルが水平平行移動する。平行移動はＸ方向及びＹ方向の どちらにも可能であり、サンプル自身の大きさによってのみ、制限される。実際 のチューブの曲げは、単に圧電素子に鋸歯状電圧を印加することでのみ達成され る。上記平行移動に加えて、軸方向の大まかな位置決めもまた、適切なマウント にサンプルを配置し慣性回転を利用することで達成される。 これらシングルチューブ構造及び三重チューブ構造の最大の短所は、スキャナ ーの軸方向の大きな伸張である。現在、商業的なＳＴＭ及びＡＦＭシステムで利 用されている広い範囲を走査するチューブは、数インチ伸張することができる（ ディ・サリッド、「走査型 フォース マイクロスコピー」 オックスフォード 大学出版、ニューヨーク）。この制約は、全ての検査用光学機器がサンプルの一 方の面に配置され、別の面の領域のみがスキャン機構のドメインであることを意 味する。サンプルの下部又は上部に直接高倍率の顕微鏡の対物レンズを配置させ 、さらに近傍領域の光放出を収束させることが望まれる近視野走査型光学顕微鏡 検査（「近視野走査型光学顕微鏡」、１９９０年４月１７日発行された米国特許 公報第4,917,462号）の近視野走査は、上記制約は問題であった。この問題を解 決するために、多くの工夫された解決策が考案されている。一の選択は、サンプ ルよりもチップを走査するものであった（エイ・ルイスとケイ・リベルマンの「 ネイチャー」 ３５４、２１４（１９９１年））。この結果、画像の人工化物を 生じ、光学システムの軸対象を破壊する可能性があり、望ましくない。別の選択 は、大口径の単一チューブの完全な内部に又は三脚スキャナーの完全な中心に対 物レンズを配置することを含んでいる。上記の方法は両方とも、対物レンズを交 換することを困難又は不可能にする。最後の可能性は、対物レンズの近くに配置 されたスキャナーチューブのエッジのサンプルを片持ちすることであるが、この ことは機械的に不安定であるという問題を生ずる。 発明の要約 ここに記載された装置は、高さが数ミリメートルのものと同様に小型なもので あることができる薄い、平坦なパッケージにおいて直交する３方向で走査するこ とを提供することによって、上記問題に対する理想的な解決手段を提供する。本 装置は、共焦点の光学顕微鏡検査をスキャンするステージにも、理想的に適する 。その固有の位置決め能力が、共焦点サンプルを走査しながら、Ｚ方向にサンプ ルを光学的にスライスする機構を提供する。 このように、本発明は、数ミリの高さのものと同じぐらい小型のものであるこ とができるフラット構造物において、３次元で広範囲のスキャンをするための装 置と方法である。 図面の簡単な説明 本発明の前述された目的と補足的な目的、特徴及び利点が、添付の図面ととも に、以下の好ましい実施例の詳細な説明から明確となるだろう。添付図面おいて 、 図１は、単一チューブ圧電スキャナーを示す。 図２は、本発明にかかる圧電スキャナーのフラットステージの概略上面図であ る。 図３は、図２のスキャナーで利用されているサンプル位置決め作用物の拡大図 である。 図４は、図２のスキャナーの圧電チューブとサンプルフレームとの間に用いら れるフレキシブル接続コネクターの略斜視図である。 好ましい実施例の説明 本発明によると、先に略述した従来の圧電スキャナーにかかる問題に対する解 決策は、平坦な配列において図１で示すようなピエゾチューブスキャナーの能力 を利用することである。本発明にかかるフラットスキャナーは、図２の１２で概 略的に示される。４つの同一のコードラントスキャナー１４、１５、１６及び１ ７は、サンプルを中央ステージ又はサンプルマウント２０に保持し、さらに走査 を提供するのに利用される。各チューブ１４−１７は、対応する剛性コネクター ２２−２５によって一端が台座２８に固定されていて、かつ別の一端が、各々薄 く、平坦で可撓性の４つのコネクター３２−３５を介してスキャンフレーム３０ に取り付けられている。接続面を形成する二つの方向（Ｘ、Ｙ）に応力がかかる 場合に、コネクターは剛直であるが、その表面に対する垂線の方向（Ｚ）には容 易に曲がる。小さな３つの球３８−４０が、スキャンフレーム３０の上表面に埋 め込まれていて、さらに上記小さな球上に配置されるサンプルフレーム２０用の ベースを提供する。選択的な付加物は、サンプルマウントを特定の位置に保持す るためスキャンフレーム上に配置された３つの小さなマグネット４２である。 上記スキャナーの重要な部品は、圧電チューブスキャナー１４−１７をスキャ ンフレーム３０に取り付けるフレキシブルコネクター３２−３４である。該コネ クターの一つは、図２と同じ部品番号で図４で拡大されている。 フレーム３０の横方向の走査（Ｘ−Ｙ）は対をなすピエゾチューブを用いて実 行され、Ｘ、Ｙ面に垂直な方向（Ｚ）における軸方向の位置決めは、４つのチュ ーブを全て同時に用いることで提供される。例えば、サンプルフレームを左に移 動させるるためには（図２を参照にすると、負のＸ方向）、チューブ１５と１７ とが、該チューブの左右の外側電極に適切な電圧を印加されることにより、左に 曲げられる。チューブが曲がることで、コネクター３３と３５をそれぞれ押すこ ととと引くこととなり、サンプルフレームに応力がかかる。コネクター３２と３ ４とは応力がかかる方向に垂直であり、容易に曲げられ、サンプルフレームを左 に移動させる。右への平行移動（正のＸ方向）は、チューブに電圧を反対向きに 印加して行う。Ｙ方向平行移動は、独立してチューブ１４と１６とに電圧を印加 し、フレキシブルコネクター３３と３５を曲げることでなされる。 サンプルフレーム３０の軸方向（Ｚ方向）の平行移動は、全４つのチューブの 上電極と下電極に同時に電圧を印加することで達成される。上記軸方向の平行移 動範囲は横方向範囲に等しく、かつ該横方向範囲とは完全に独立している。 装置の実際の走査範囲は圧電チューブの固有の特性、チューブの寸法及び印加 電圧に依存する。装置の８つの電気コネクターがあり、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ 、＋Ｚ、−Ｚ、圧電素子接地（ピエゾチューブの中心）及び台座接地から成って いる。＋／−１２５Ｖである典型的な走査電圧及び商業的に入手できる直径０. １２５インチ、長さ１．２５インチのチューブを用いて、走査範囲３５μｍのＸ ＹＺスキャンを達成することができる。 サンプルの慣性平行移動は、前述の三脚スキャナーのように正確に実行される 。サンプル２０は、中央フレームに埋め込まれている３つの球３８、３９及び４ ０上に載る。小さいマグネット４２が、サンプルとフレームとの間の結合を増加 させ、反転動作を可能にすることが望まれる場合に、含まれることができる。サ ンプルを移動させるには、スキャンフレーム３０が所望の方向に移動され、その 後すばやく中立位置にジャークバックされて、サンプルの慣性力によってサンプ ルが特定の位置に保持され、結果的にサンプルの正味の変位が起きる。 前述のジオメトリー上の本スキャナーの第１の利点は、高倍率の顕微鏡の対物 レンズの近くに容易に配置することができる平坦な薄いプレート内で３次元走査 が実行されることである。 走査はプレート面の下に延びることがないので、対物レンズは完全に自由に、 全ての光学顕微鏡で見られる簡素な回転機構で交換できる。さらに、圧電チュー ブであって、該チューブ内において軸方向の移動が水平領域の分割に制限される チューブ圧電素子を用いる３次元スキャナーの前述の構造とは違って、本発明の 構造においては、軸方向の移動は水平移動と全く等しい。これは、従来の光学機 器によってチップが容易に配置され、表面に十分接近していて、軸方向機構又は Ｚ走査機構は、容易にチップを表面に接触させることができるので、接近機構を 非常に簡素にする。 当然、この走査技術は、それ自身の能力において全ての走査応用物に利用でき る。しかしながら、特に、走査型プローブ顕微鏡は、このスキャン機構を装置に 導入することにより利点を表す。これら全ての顕微鏡検査において、チップとサ ンプルとを同時に観察することは通常困難であるが、この制限は本発明の構造に よって除かれる。プローブとその関連機構部とを保持して第２のプレート（隠れ たものとして示されている）とこのような顕微鏡とについて、光学機器と電子機 器部とがスキャンステージ３０に配置され、光学顕微鏡検査の共焦スキャンを含 む光学顕微鏡検査の全種類と完全な互換性がある走査型プローブ顕微鏡を提供す る。走査型プローブ顕微鏡の中で近視野の光学顕微鏡は、上記構造から最も多く のものを得る。このような光学技術によって、３次元スキャナーを従来の光学顕 微鏡に完全に一体化させることは、光を観測すること及び光を収束させることの どちらに対しても絶対的に重要である。従来の光学顕微鏡と近視野の超解像度光 学技術との間の視野の重なりを考慮している。上記スキャナーは、レンズスキャ ンの複雑な機構が光学的区分を得るためにレンズの焦平面を変えるような共焦の 顕微鏡検査に役立つであろう。 本発明は、好ましい具体例の形で記載されているが、以下の請求項で記載され た本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく変更が可能なことは、当業者 にとっては明瞭である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１０月２４日（１９９７．１０．２４） 【補正内容】 請求の範囲 １. 台座と、 スキャンフレームと、 隣接する素子に対して垂直な素子を備えている上記フレームから間隔を隔てて いて、第１の端部と第２の端部を保持していて、上記第１の端部は上記台座に固 定されていて、上記台座の上記スキャンフレームを支えるように接続されたフレ ームを備えた共通面の４つのコドラント筒状ピエゾ素子と、 上記素子が曲がることで上記台座に対して上記スキャンフレームの直交走査を 行う各素子の上記第２の端部と上記スキャンフレームとの間に接続された接続ジ ョイントとを含むスキャンステージ。 ２． さらに上記スキャンフレーム上に支えられたサンプルマウントを含んでい る請求の範囲１記載のスキャンステージ。 ３． 上記４つのコドラント筒状ピエゾ素子が、互いに平行な第１の一対の素子 と、互いに平行であるが上記第１の一対の素子に垂直な第２の一対の素子を含ん でいる請求の範囲１記載のスキャンステージ。 ４． 上記第１の一対の素子がＸ軸に沿って上記スキャンフレームを移動させる ように上記フレーム面で曲がることが可能で、上記第２の一対の素子がＹ軸に沿 って上記スキャンフレームを移動させるように上記フレーム面で曲がることが可 能な請求の範囲１記載のスキャンステージ。 ５． 上記第１及び第２の一対の素子が、Ｚ軸に沿って上記スキャンフレームを 移動させるように上記フレームに垂直な向きに曲がることが可能で、上記Ｘ、Ｙ 及びＺ軸は相互に垂直である請求の範囲４記載のスキャンステージ。 ６． 上記各接続ジョイントは、軸方向に固定された薄く、フラットな引き伸ば されたコネクターバーであって、該コネクターバーは第１の端部で対応するピエ ゾ素子に接続されていて、かつ、第２の端部で上記第２のスキャンフレームに接 続されているものを含んでいる請求の範囲５記載のスキャンステージ。 ７． 上記コネクターバーが、対応するピエゾ電子素子に対して垂直であり、該 対応するピエゾ電子素子が曲がる方向に上記スキャンフレームを移動させる請求 の範囲６記載のスキャンステージ。 ８． 上記第２の一対の素子に接続された上記コネクターバーは、上記スキャン フレームのＸ方向の移動が可能なようにフレキシブルであり、上記第１の一対の 素子に接続された上記コネクターバーは、上記スキャンフレームのＹ方向の移動 が可能なようにフレキシブルである請求の範囲７記載のスキャンステージ。 ９． 上記接続ジョイントは、上記フレーム面内で軸方向には固定されていて水 平面方向にはフレキシブルであるコネクターバーを含んでいる請求の範囲１記載 のスキャンステージ。 １０． さらに、上記フレームのサンプルサポートをスライドできるように支え る手段を含んでいる請求の範囲９記載のスキャンステージ。 １１． 上記コードラントされた円柱のピエゾ電子素子は、上記フレーム面に対 して垂直方向で、上記フレーム面の選択的な曲げ動作用に上記台座に取り付けら れている請求の範囲１記載のスキャンステージ。 １２． 上記スキャンフレームとピエゾ電子素子とが、上記スキャンフレーム面 に垂直な方向に数ミリメートルの厚さを保持する請求の範囲１記載のスキャンス テージ。 １３． 上記スキャンステージが、１００ミクロンのスキャンレンジを超えて上 記フレームを直交移動させるように曲げることができる請求の範囲１記載のスキ ャンステージ。 １４． スキャンされたプローブ顕微鏡を受けるために上記フレームにサンプル マウントとマウンテングプレートとを含んでいる請求の範囲１記載のスキャンス テージ。 １５． 上記素子が、光学顕微鏡検査の共焦スキャンにおけるマイクロステップ で上記ステージを移動させるように曲げることが可能で、上記フレームの直交動 作が、ステージスキャン用のＸＹ方向及び光学的選択用のＺ方向を提供する請求 の範囲１記載のスキャンステージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルイス，アーロン アメリカ合衆国14853ニューヨーク州イサ カ、ウッドクレスト・アベニュー38番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ３次元で独立して直交の走査を可能にするために、同一平面にあり、走査 フレームにピエゾを結合させる各ピエゾの一端で可撓な接続ジョイントと互いに 垂直に配置された４つのコドラント筒状ピエゾ素子と、 周囲の台座の各ピエゾの他端に剛直なコネクターと、 から成るスキャナー。 ２． 高さが数ｍｍの請求の範囲１記載の装置。 ３． ３つの方向で１００ミクロンをこえる走査範囲を保持する請求の範囲１記 載の装置。 ４． サブミクロンステップによって、プレートを二次元で数ミリメートル以上 平行移動させる請求の範囲１記載の装置。 ５． 走査型プローブ顕微鏡観察において、走査型プローブ顕微鏡のチップを保 持する第２のプレートが配置されるサンプルスキャンステージとして使用するた めの、プレートを含み、一対のプレートのどちらかのサイドに配置されたレンズ によってサンプルの観察を著しく妨げることない請求の範囲１記載の装置。 ６． 上記ステージのＺ動作が、サンプル表面を上記第２プレートのチップへ微 細な接近させるのに利用される請求の範囲５記載の装置。 ７． 上記ステージのＺ動作が、上記チップに対してサンプルをフィードバック させ、チップの下でサンプルを走査する間に利用される請求の範囲５記載の装置 。 ８． ステージ走査するスキャナーのＸＹ動作を用いながら、光学的区分をする スキャナーのＺ動作を利用する共焦点のスキャン光学顕微鏡のレンズに対してサ ンプルを走査する機構部として利用する請求の範囲１記載の装置。 ９． ３次元で独立して直交の走査を可能にするために、同一平面にあり、走査 フレームにピエゾを結合させる各ピエゾの一端で可撓な接続ジョイントと互いに 垂直に配置された４つのコドラント筒状ピエゾ素子と、周囲の台座に各ピエゾの 他端に剛直なコネクターと、を使用して、三次元で走査するための方法。 １０． 走査型プローブ顕微鏡観察において、サンプルを走査する請求の範囲９ 記載の方法。 １１ 走査型プローブ顕微鏡観察用に、チップに対してサンプル表面をフィー ドバックと微接近に、Ｚ動作が利用される請求の範囲９記載の方法。 １２ 光学的区分の為に上記スキャナーのＺ移動を利用する光学顕微鏡の共焦 走査においてレンズに対してサンプルをスキャンさせる一方で、ステージを走査 させる上記スキャナーのＸＹ動作を利用する請求の範囲９記載の方法。