JP2005530311A - 顕微鏡観察試料操作用モジュラー・マニピュレーション・システム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 顕微鏡観察中の試料を操作するためにモジュラー・マニピュレーション・システムを用いるためのモジュラー・マニピュレーションのシステム及び方法を提供する。少なくとも１つの実施形態において、顕微鏡と連結するためのインターフェイスと、試料台と、前記試料台に配置された試料を操作するためのマニピュレータ・モジュールを受け入れるための複数のインターフェイスとを有するプラットフォームを提供する。好ましくは、マニピュレータ・モジュールを受け入れる複数のインターフェイスはそれぞれ、取り外し可能な方法でマニピュレータ・モジュールをプラットフォームに連結することを可能にする。従って好ましい実施形態において使用者は、１若しくはそれ以上の希望のマニピュレータ・モジュールを前記プラットフォームに選択的に連結することにより、希望のタイプのマニピュレーション操作を観察中の試料に対して行うことができる。従って好ましい実施形態は、希望の方法でマニピュレーション・システムを設定するための優れた柔軟性を備えている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、共存出願であり同一出願人である「顕微鏡観察試料操作用マニピュレーション・システム（ＭＡＮＵＰＩＬＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＭＡＮＩＰＵＬＡＴＩＮＧ Ａ ＳＡＭＰＬＥ ＵＮＤＥＲ ＳＴＵＤＹ ＷＩＴＨ Ａ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）」と題する米国特許出願番号第１０／１７３，５４２号に関連するものであり、この開示はこの参照により本明細書に組み込まれるものである。

本発明は全般に顕微鏡観察する試料を操作するためのマニピュレーション・システムに関するものであり、具体的には、試料を操作するための複数のマニピュレーション・モジュールを受け入れることのできるプラットフォームを好ましくは有するモジュラー・マニピュレーション・システムに関するものである。

マイクロメートル（μｍ）及びナノメートル（ｎｍ）サイズ・スケールにおいて、多くの開発がなされている。例えば、これら微小スケールで、生物学、医学、物理学、化学、電子学、工学、ナノテクノロジーのような科学分野において、物体（例えば物質、微生物、ウィルス、細菌等）の研究、新規物体の創出、及び／または物体の極めて精巧なアセンブルのためにかなりの研究が行われている。

そのような微小サイズスケールでの物体の操作において、前記物体の観察を助けるために、多くの場合顕微鏡装置の使用が必要とされる。例えば、人間が裸眼で見ることのできる最少の物体は約０．１ミリメートル（ｍｍ）である。適正な光学顕微鏡（ｌｉｇｈｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ若しくはｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いることで、像を約１５００倍に拡大することができる。しかし、光学顕微鏡を用いて拡大可能な範囲は、そのような顕微鏡操作を行う基になる光の物理的性質（すなわち光の波長）によって限定される。例えば、光学顕微鏡は比較的限定された分解能（非常に近接する２つの点の間を明確に見分ける能力）を有する。前記分解能αは、前記器具により的確に検知可能な方法で分離される２点源の角距離によって測定される。この角度が小さいほど、その分解能は大きい。ゆえに、一般にα＝１．２２λ／Ｄにおいて、使用される光の波長がλであり、対物レンズの直径をメートル単位（ｍ）で表したものがＤである。光学顕微鏡を用いて得られる最高の分解能は約０．２μｍである。これ以上近接した点を分離した点として明確に見分けることは、光学顕微鏡ではできない。

当然、物体を見るために顕微鏡に用いられる放射能の波長を下げることによって、達成可能な分解能を高めることができる。このため、従来の光学顕微鏡には小さ過ぎる物体を研究するために、光ではなく電子ビームを使う電子顕微鏡が開発された。Ｍａｘ ＫｎｏｌｌとＥｒｎｓｔ Ｒｕｓｋａが最初の電子顕微鏡を作ったのは１９３０年ごろであった。一般に電子顕微鏡は、観察対象の試料に放射線を当てるために電子ビームを使い、前記顕微鏡においてそのような電子ビーム（一般に、前記ビームに作用する磁力の結果による）の波長は、光学顕微鏡に使われる光の波長よりもはるかに小さい。従って、電子顕微鏡を用いて可能な拡大規模（及び分解能）は、光学顕微鏡のそれに比べてはるかに優れている。

現代の電子顕微鏡は典型的に、（１）加速電子ビームを発する電子銃と、（２）静電レンズ（例えば通常電子磁石または永久磁石によって形成される）及び電子ビームを制限し、且つ絞込み、試料表面を通過させ、拡大像を創出する金属アパーチャを有する像の生成システムと、（３）典型的に写真乾板または蛍光画面を含む像観察・記録システムと、（４）空気分子が電子をその通り道から偏向させる可能性があるため、前記顕微鏡を高真空下に保持するための真空ポンプとを有する。前記電子顕微鏡の開発は多岐に亘る科学分野においての知識と理解に非常に大きな影響を与えた。現代の電子顕微鏡は、ナノメートル以下の分解能（例えば、従来の光学顕微鏡の１０００倍の分解能である０．１ｎｍ）によって、最高１００万倍で原子レベルの詳細を見ることができる。

様々な異なるタイプの電子顕微鏡が開発されてきた。そのような電子顕微鏡は一般に光と対照的に方向性のある電子ビームを用いて試料を観察するという上述の原則で機能する。電子顕微鏡の１つのタイプに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）がある。ＴＥＭの場合、薄く切った試料を電子が透過し、蛍光画面または写真版上に像を形成するのが典型的である。前記試料の比較的密度の高い部分は、透過する電子が少なくなる（すなわちより多くの電子が拡散する）ため、結果として得られる像が暗くなる。ＴＥＭは最高１００万倍の倍率まで拡大可能で、例えばウィルスや動植物の細胞の構造を観察するために生物学及び医学のような科学分野で特に多用されている。

電子顕微鏡の別のタイプに、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）がある。ＳＥＭの場合、電子ビームは１点に焦点を当て、前記試料の表面を走査する。検出器が前記表面からの後方散乱電子及び２次電子を収集し、試料のリアルな３次元像の生成に使われる信号に変換する。前記走査工程の間、前記検出器が表面のくぼみから受け取る電子は少なくなるため、結果的に得られる像において前記表面の低い部分は暗くなる。ＳＥＭｓでは一般に前記試料は導電性でなくてはならない。ゆえに、導電性でない試料は一般に走査前に（例えばスパッタコーター（ｓｐｕｔｔｅｒ ｃｏａｔｅｒ）等を使い）金属（多くの場合、金）の薄層でコーティングされる。ＳＥＭは約１０万倍若しくはそれ以上の倍率の拡大が可能であり、特に生物学、医学、物理学、化学、工学のような科学分野で、例えば金属やセラミックから血球や昆虫の体まで、表面の３次元構造の研究等に多用されている。

マイクロ及び／またはナノスケールの物体の観察を助けるために、上述の光学及び電子顕微鏡に加え、これに限定されるものではないが例えば操作プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等、他の様々なタイプの顕微鏡が開発されてきた。例えば原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）、操作トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、近接陽光学操作顕微鏡（ＮＯＳＭ）等、様々なタイプのＳＰＭが開発されてきた。顕微鏡は伝統的に（例えば試料を見るための）結像に用いられてきた。しかし最近の傾向として、その有用性を高めるために、前記顕微鏡によって結像される試料を操作するために、前記顕微鏡と併用することのできるマニピュレータ機構を含めるようになってきた。例えば、ＳＥＭによる試料の結像を操作するために、ＳＥＭ内部に統合されるプローブのようなマニピュレータ機構が開発された。例えばＬＥＯ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ ＬＴＤ．は、ＳＥＭと共に使用するための特定のマニピュレータ機構を提案した。さらに、ＴＥＭにより結像される試料を操作するために、ＴＥＭ内部に統合されるプローブのようなマニピュレータ機構が開発された。例えばＮＡＮＯＦＡＣＴＯＲＹ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ は、ＴＥＭのための特定のｉｎ ｓｉｔｕ プローブを提案した。

上述のように、そのような顕微鏡群による試料の結像を操作するために、ＳＥＭ及びＴＥＭのような顕微鏡と共に使用するための操作機構（例えばプローブ）が開発されてきた。しかし、既存技術のマニピュレータ機構は比較的柔軟性のない構造を有するものである。例えば、そのようなマニピュレータ機構は一般に、顕微鏡観察中の試料を操作するためにシステム内の複数の望ましいマニピュレータ機構を使用者が設定する柔軟性を与え得るものである。更に、そのようなマニピュレーション・システムは顕微鏡に固定して取り付けされている。また、そのようなマニピュレーション・システムは、それらが取り付けられる顕微鏡に対する変更を必要とすることが多く、この変更はそのような顕微鏡の従来の機能に支障をきたす。また更に、先行技術のマニピュレーション・システムの大半は、試料を操作する働きをするマニピュレータ機構を、比較的少数（例えば１つ）有するだけである。

本発明は、顕微鏡観察する試料を操作するためにそのようなモジュラー・マニピュレーション・システムを用いるためのモジュラー・マニピュレーションのシステム及び方法を与えることを目的とする。本発明の少なくとも１つの実施形態において、顕微鏡と連結するためのインターフェイスと、試料台と、前記試料台上に配置された試料を操作するためのマニピュレータ・モジュールを受け入れるための複数のインターフェイスとを有するプラットフォームを提供する。特定の実施形態において、前記プラットフォームと顕微鏡とのインターフェイスによって、前記プラットフォームをそのような顕微鏡に取り外し可能な方法で連結することが可能となる。例えば、特定の実施形態において前記プラットフォームは前記顕微鏡の試料チェンバーへの挿入に適している。更に、マニピュレータ・モジュールを受け入れる複数のインターフェイスはそれぞれ、好ましくは取り外し可能な方法でマニピュレータ・モジュールをプラットフォームに連結することを可能にする。従って好ましい実施形態において使用者は、１若しくはそれ以上の望ましいマニピュレータ・モジュールを前記プラットフォームに選択的に連結することにより、望ましいタイプのマニピュレーション操作を観察中の試料に対して行うことができる。従って好ましい実施形態は、望ましい方法でマニピュレーション・システムを設定するための優れた柔軟性を備えている。

本発明の少なくとも１つの実施形態はプラットフォームを有するシステムを提供し、前記プラットフォームは試料台と、前記試料台に配置される試料を顕微鏡によって結像するように顕微鏡に連結されるインターフェイスとを有する。前記システムは更に、前記試料台に配置された試料を操作するために前記プラットフォームに取り外し可能な方法で連結される複数のマニピュレータ・モジュールを有する。好ましくは、前記プラットフォームは少なくとも走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と連結するのに適しているが、特定の実施形態においては別のタイプの顕微鏡との連結に適し得る。好ましくは、前記マニピュレータ・モジュールはそれぞれ、エンドエフェクタと、各モジュールに対応するエンドエフェクタを動かすための駆動機構とを有する。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、顕微鏡で観察する試料を支えるポータブルな試料ホルダーを提供する。前記ポータブル試料ホルダーは試料を受け取るための台部を有する。前記ポータブル試料ホルダーは複数のインターフェイス取り付け位置を更に有し、そのような複数のインターフェイス取り付け位置はそれぞれマニピュレータ・モジュールを受け入れるためのものであり、前記マニピュレータ・モジュールはエンドエフェクタと、受け取った試料を操作するために前記エンドエフェクタを動かす駆動機構とを有する。更に、前記ポータブル試料ホルダーは顕微鏡と連結するためのインターフェイスを有する。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、顕微鏡観察中の試料を操作する方法を提供する。前記方法は、試料を操作するために用いる少なくとも１つのマニピュレータ・モジュールを選択する工程を有する。前記方法は更に、前記選択された各マニピュレータ・モジュールをマニピュレータ・プラットフォームの複数のインターフェイス位置の１つに連結する工程を有する。前記方法は更に、前記マニピュレータ・プラットフォームに試料を配置する工程と、前記マニピュレータ・プラットフォームに置かれた試料を顕微鏡によって結像することができるように前記プラットフォームを前記顕微鏡に連結する工程を有する。前記方法は更に、前記マニピュレータ・プラットフォームに連結されたマニピュレータ・モジュールを前記試料の操作に用いる工程を有する。

以下に記述する本発明の詳細な説明の理解に役立てるために、本発明の特徴と技術的利点を上記において比較的大まかに記述した。以下に、本発明の請求項の主題を成す本発明の更なる特徴と利点を記述する。当業者であれば、ここに開示する概念と具体的な実施形態を基本としてそのまま活用し、本発明と同じ目的を達成するその他の構造を変更または設計できるものと理解されるべきである。また、当業者であれば、そのような同等の構造が、添付の請求項が定める本発明の意図と範囲から逸脱するものではないことを理解するべきである。本発明に特有と思われる新規の特徴は、その機構及び操作方法のいずれに関しても、また更なる目的と利点に関しても、以下の説明とそれに伴う図面を合わせて考慮することによって更によく理解されるであろう。しかし、前記各図面は例証と説明のみを目的として提供するものであり、本発明の制約を定める意図を持たないことを明確に理解するべきである。

次に上記の図面を参考に本発明の様々な実施形態について説明するが、図面を通し一貫して同様の参照番号は同様の部品を表す。本発明の実施形態は、顕微鏡観察中の試料の操作に用いるマニピュレーション・システムを提供する。好ましくは、前記マニピュレーション・システムはモジュラーであり、様々な異なるタイプのマニピュレータ・モジュールをプラットフォームと選択的に連結することができ、それにより希望するタイプの操作を行うために前記プラットフォームを設定することが可能となる。

本明細書では「マニピュレーション／操作（ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）」は最も広い意味で用いられ、観察する試料に変化を与える動作のみに限定するものではない。むしろ、ある種類の操作では前記試料を一切変更することなく、前記試料の観察（例えば前記試料の具体的な性質の測定）を助けるものである。例えば、Ｗｅｂｓｔｅｒによれば「操作する（ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ）」とは「特に巧妙に手動または機械的方法で扱うこと（ｔｒｅａｔ）、または動作或いは操作すること（ｏｐｅｒａｔｅ）」である。Ｍｅｒｒｉａｍ−Ｗｅｂｓｔｅｒ’Ｓ ＣＯＬＬＥＧＩＡＴＥ ＤＩＣＴＩＯＮＡＲＹ，ＤＥＬＵＸＥ Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９８（ＩＳＢＮ ０−８７７７９−７１４−５）。本明細書で用いる「操作する（ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ）」という言葉（及び「操作（ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）」など前記言葉のバリエーション）は、それが試料を「扱うこと（ｔｒｅａｔｉｎｇ）」または「動作すること（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ）」を含むＷｅｂｓｔｅｒの定義を含み、それは必ずしも前記試料に変更を加えることではない（むしろ場合によっては単に前記試料の性質の観察を助けることである）しかし、下記に更に説明するように、操作のタイプは「機械的な手段」によって行われる操作に限定されるものではなく、電気的な手段など他の様々なタイプの操作手段を包含することを意図するものである。

本発明の特定の実施形態において、マニピュレーション・システムはプラットフォームを有し、前記プラットフォームは試料台と、前記試料台に配置される試料を顕微鏡によって結像するように顕微鏡に連結されるインターフェイスとを有する。前記マニピュレーション・システムは更に、前記試料台に配置された試料を操作するために前記プラットフォームに取り外し可能な方法で連結される複数のマニピュレータ・モジュールを有する。最も好ましくは、前記プラットフォームは少なくともＳＥＭと連結可能であることである。前記マニピュレータ・モジュールはそれぞれ、プローブ、グリッパー等のようなエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを動かすための駆動機構とを有する。好ましくは、各マニピュレータ・モジュールはその対応するエンドエフェクタを操作するために独立に操作することが可能である。例えば、プラットフォームを、そのプラットフォームに連結された複数のマニピュレータ・モジュールと共に設定することができ、各マニピュレータ・モジュールは、その対応するエンドエフェクタに少なくとも３次元に並進運動を与えるように独立に作動可能である。

特定の実施形態において、前記マニピュレーション・システムはポータブルなマニピュレーション・プラットフォーム（「試料ホルダー」と呼ばれる場合もある）を有する。好ましくは、そのようなマニピュレーション・プラットフォームは顕微鏡に連結することが可能であり、それにより前記顕微鏡自体の変更を必要とせずに望ましい試料マニピュレーション能力を前記顕微鏡に加えることができる。すなわち、好ましくは前記マニピュレーション・プラットフォームは、それを顕微鏡に連結することにより、顕微鏡による試料の結像のみでなく前記マニピュレーション・プラットフォームを用いてそのような試料を操作することも可能にするように実施され、好ましくはそのマニピュレーション能力は、前記顕微鏡の変更を必要とせずに顕微鏡に与えられる。むしろ特定の実施形態によれば、マニピュレーション・プラットフォーム（または「試料ホルダー」）に連結されるマニピュレーション・モジュールを有するマニピュレーション・プラットフォームは、顕微鏡自体の変更を必要としない方法で前記顕微鏡に取り外し可能な方法で連結することができる。例えば、ＴＥＭ及びＳＥＭのような顕微鏡は典型的に、試料ホルダーを受け入れるための試料チェンバーを有し、本発明の特定の実施形態は、そのような試料チェンバーと連結するのに適した試料ホルダー（または「マニピュレーション・プラットフォーム」）を有し、前記試料ホルダーは顕微鏡により結像する試料を受け取る台部を有し、更に前記試料を操作するための１若しくはそれ以上のマニピュレータ・モジュールを有する。従って特定の実施形態において、前記試料ホルダー（または「マニピュレーション・プラットフォーム」）によるｉｎ ｓｉｔｕの操作が提供され、前記試料ホルダーは顕微鏡から（例えば前記顕微鏡の試料チェンバーから）容易に取り外すことができ、標準の方法で前記顕微鏡を操作することを望む他の顕微鏡使用者に一切の支障をきたすことがないため、その使用者は前記顕微鏡機器自体が提供する全機能を利用することが可能となる。

例えば特定の実施形態において、顕微鏡に載せる試料を保持するためのポータブル試料ホルダーは試料を受け取るための台部を有する。前記試料ホルダーは更に複数のインターフェイス位置を有し、それぞれマニピュレータ・モジュールを受け入れるためのものである。上述のように、マニピュレータ・モジュールはエンドエフェクタと、前記試料台部に受け取った試料を操作するために前記エンドエフェクタを動かすための駆動機構とを有する。従って、試料を操作する働きをする制御可能なマニピュレータ・モジュールを前記複数のインターフェイス位置それぞれに選択的に連結し、希望するタイプの試料マニピュレーション用のポータブル試料ホルダーを設定することができる。

前記ポータブル試料ホルダーは更に顕微鏡と連結するためのインターフェイスを有する。従って、結像する試料を顕微鏡に載せるために前記試料ホルダーを用いることができ、且つ前記試料ホルダーはそのような試料を操作するためにそこに選択的に連結されたマニピュレータ・モジュールを有することができる。好ましくは本発明の実施形態の試料ホルダー（または「マニピュレーション・プラットフォーム」）は、そのような顕微鏡の正常な動作（例えば結像機能）に支障をきたさずに顕微鏡と連結可能である。従って、観察する試料の操作能力を与えるために前記マニピュレーション・システムは、例えばＳＥＭまたはＴＥＭのような顕微鏡と連結されるが、好ましくは前記顕微鏡の標準機能（例えば結像機能）を利用しようとする使用者に支障をきたさないことである。例えば、使用者は前記マニピュレーション・プラットフォームを顕微鏡から取り外し、そのような顕微鏡の従来の動作を可能にするために従来の試料ホルダーと交換するか、あるいは前記マニピュレーション・プラットフォームのマニピュレータ・モジュールを使わずに、前記顕微鏡自体の従来の機能（例えば結像機能）のみを使うことができる。

上述のように、顕微鏡はマイクロメートル及び／またはナノメートルスケールで試料を分析または取り扱う上で重要な役割を果たす。そのようなような小さなサイズスケールで試料を観察するために、光学顕微鏡、電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＥＭ等）、ＳＰＭ等、あるいはこれらに限定されない様々な異なるタイプの顕微鏡が開発されてきた。本発明の代替実施形態を既知若しくは最近開発された１若しくはそれ以上の顕微鏡タイプに応用することができるが、好ましい実施形態では電子顕微鏡に応用される。以下に更に詳細に説明するように、最も好ましい１つの実施形態は少なくともＳＥＭに応用することができるものである。従って、本発明の特定の実施形態が提供する利点の一部についてより良く理解するために、既存技術で入手可能な電子顕微鏡の例を図１〜２と共に示し、更に詳細に以下に説明する。より具体的には、ＴＥＭの典型的な構造を図１と共に説明し、ＳＥＭの典型的な構造を図２と共に説明する。その後、本発明の実施形態の実施例を図３〜５と共に説明し、ＳＥＭに実施された好ましい実施形態の実施例を図６と共に説明する。その後、顕微鏡観察中の試料の操作を行うために本発明の実施形態をどのように利用することができるかを示す例について、図７の工程系統図と共に説明する。

ＴＥＭ及びＳＥＭの典型的構造については以下に図１〜２と共に説明するが、本発明の実施形態がここで説明する構造例に限定されないことを理解するべきである。むしろ、本発明の特定の実施形態は、既知若しくは最近開発されたＴＥＭ及びＳＥＭの他の構造と共に利用され得るものである。加えて、好ましい実施形態は少なくともＳＥＭと共に利用され得るマニピュレーション・システムを提供するが、本発明の他の実施形態を、ＳＥＭの他に、あるいはＳＥＭの代わりに、１若しくはそれ以上の既知または最近開発された他のタイプの顕微鏡（光学顕微鏡、ＳＰＭ及び／またはＴＥＭなど他のタイプの電子顕微鏡が含まれるがこれらに限定されない）と共に利用することもできるように設定することもできる。

上記で簡単に説明したように、電子顕微鏡は、高エネルギー電子ビームを用いて非常に細かいスケールで試料を検査する科学機器である。この検査によって以下を含む非常に多くの情報が与えられる。（１）トポグラフィーすなわち試料の表面的特徴または「外観」、その質感（テクスチャ）についてであり、前記特徴と物理的特性（硬度、反射力）間の直接的関係、（２）モルフォロジーすなわち前記試料を成す粒子の形と粒径についてであり、これらの構造と物理的特性（延性、強度、反応力等）間の直接的関係、（３）組成すなわち前記試料が有する元素と化合物、及びそれらの相対的な量についてであり、組成物質の物理的特性（融点、反応力、硬度等）間の直接的関係、及び（４）結晶情報すなわち前記試料内での原子の配列についてであり、これらの配列と物理的特性（伝導性、電気的性質、強度等）の間の直接的関係。

光学顕微鏡は光の物理的性質（すなわち光の波長）による制約を受け、５００倍または１０００倍までの拡大及び約０．２μｍの分解能までという限界があるため、電子顕微鏡が開発された。１９３０年代早期に、光学顕微鏡に関するこの理論上の限界に達し、科学界では、有機細胞（細胞核、ミトコンドリア等）の内部構造の詳細を観察することが望まれた。これには１０，０００倍以上の拡大が必要であり、それは光学顕微鏡では不可能なことであった。光学顕微鏡に使用される光波長による制約を克服するために、電子ビームを使って試料に放射線を当てる電子顕微鏡が開発された。

一般に電子顕微鏡は光学顕微鏡と類似の働きをするが、光の代わりに電子の集中ビームを使って試料を「結像」し、その構造と組成に関する情報を得る点が光学顕微鏡と異なる。電子顕微鏡の動作は一般に以下を含む。（１）（例えば電子源により）電子流を形成、正電位を用いてそれを試料に向けて加速。（２）金属アパーチャと磁性レンズを用い、この電子流を閉じ込め集中させて細く集中したモノクロビームにする。（３）静電レンズ（一般に磁性レンズ）を用いてこのビームの焦点を試料に当てる。（４）放射線を受けた試料内部で相互作用が起き、前記電子ビームに作用する。

まず図１を参照すると、ＴＥＭ１００の構造例の図面が示されている。ＴＥＭは最初に開発されたタイプの電子顕微鏡であり、試料を「透視」するために光ではなく電子の集中ビームが使われる点を除き、光学透過顕微鏡の原型に則した造りである。ＴＥＭの作用はスライド投射器とよく似ている。スライド投射器は光ビームにスライドを通過（透過）させ、光がスライドを通過するにつれてそれがスライド上の構造と物体による影響を受ける。これらの影響を受けるのは、スライドの一部を透過する光ビームの一部に過ぎない。次にこの透過されたビームが表示画面上に投影され、スライドの拡大像が作られる。ＴＥＭは一般にこれと同じように作用するが、（スライド投影機においてスライドであるのに対し）試料を（光よりむしろ）電子ビームが照射する。典型的に、透過された部分が蛍光スクリーンに投影されたものを使用者は見ることになる。更に図１と共に、典型的なＴＥＭのより技術的な説明を以下に記す。

図１の構造例が示すように、ＴＥＭ１００は電子源１０１を有し、前記電子源はモノクロ電子流１０２を作り出すための電子銃を有することがある。前記電子流１０２はコンデンサーレンズ１０３と１０４とによって細く微小で緊密なビームに集束される。通常、ＴＥＭの「スポットサイズ・ノブ」（図示せず）により制御される第１のコンデンサーレンズ（１０３）によって「スポットサイズ」（すなわち最終的に前記試料に当たるスポットの全体的な範囲）が大体定まる。第２のレンズ（１０４）は、通常は前記ＴＥＭの「強度または輝度のノブ」（図示せず）によって制御され、試料に当たるスポットサイズを実際に変更する（例えば、広く分散したスポットから一点に集中したビームに変える）。前記ビーム１０２は前記コンデンサーアパーチャ１０５（通常は使用者が選択可能）によって狭められ、高角電子（前記光軸１１４から遠くにある電子）が取り除かれる。前記ビーム１０２が前記試料（または「標本」）１０６に当たり、その一部が前記試料を透過する。ビーム１０２のうち透過した部分は対物レンズ１０７によって集束され結像する。

前記ビームを狭めるために、任意で対物及び選択領域金属アパーチャ（前者は１０８、後者は１０９として図面に含む）を含めることができる。前記対物アパーチャ１０８は高角回折電子を遮断することによってコントラストを強調し、前記選択領域アパーチャ１０９は前記試料１０６の原子を順に配列することによって電子の周期回折の調査を可能にすることができる。前記結像は中間及び投影レンズ１１０、１１１、１１２を通過してカラムを降りるにつれて拡大される。前記結像が前記蛍光結像スクリーン１１３に当たり光が作り出されると、前記結像が使用者に見えるようになる。典型的に、前記結像の比較的暗い部分は前記試料１０６の中でもより少ない電子が透過した部分（すなわち前記試料１０６の比較的厚いまたは密度の高い部分）であり、比較的明るい部分は前記試料１０６の中でもより多くの電子が透過した部分（すなわち前記試料１０６の比較的薄いまたは密度の低い部分）である。

図１が更に示すように、ＴＥＭは典型的に試料チェンバー１１５を有し、結像される試料１０６が前記チェンバーに置かれる。例えば、チェンバー１１５から取り外し可能な試料ホルダーは、試料１０６を置くことができる台部を有することができる。従って、試料１０６を試料ホルダーの台部上に置くことができ、次に前記試料ホルダーを試料チェンバー１１５に挿入することができる。試料チェンバー１１５はそのような試料ホルダーを受け入れるための定められたインターフェイスを有する。例えば、ＴＥＭの試料チェンバーは典型的に、全体に約直径３ｍｍの薄い試料を載せるための、約厚さ３ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ約９ｃｍの標準ＴＥＭ試料ホルダーを受け入れるインターフェイスを有する。

図２を参照すると、ＳＥＭの構造例が示されている。図２はＳＥＭの代表的構造の高レベルのブロック図２００Ａと模式図２００Ｂを示す。図面が示すように、ＳＥＭは電子源２０１を有し、前記電子源はモノクロ電子２０２を作り出すための電子銃を有す得る。アラインメントコントロール２０３を使い、作り出された電子流２０２の方向を下記で説明するＳＥＭの構成要素と整合する。

電子流２０２は、通常は前記ＳＥＭの「粗プローブ流ノブ（コース・プローブ・カレント・ノブ）」（図示せず）によって制御される第１のコンデンサーレンズ２０５によって凝集される。このレンズ２０５は、前記ビームの形成と前記ビーム内の流量の制限との両方の役割を果たす。前記レンズは前記コンデンサーアパーチャ２０６と共に作用し、前記ビームから高角電子を取り除く。前記ビームは前記コンデンサーアパーチャ２０６（通常は使用者が選択することはできない）によって収縮され、高角電子が一部取り除かれる。通常は前記ＳＥＭの「微小プローブ流ノブ」（図示せず）によって制御される第２のコンデンサーレンズ２０７が前記電子２０２を薄く緊密な凝集ビームにする。

更に、使用者が選択可能な対物アパーチャ２０８は高角電子を前記ビームから取り除く。次に一式のコイル２０９が前記ビームを格子状に「走査」または「全体移動」し、その走査速度（通常はマイクロ秒範囲）によって定められた時間だけポイント上に留まる。最終レンズである前記対物レンズ２１０が前記走査ビームを希望に応じて前記試料（または試料）２１１の一部に集束する。前記ビームが前記試料２１１に当たり（且つ数マイクロ秒留まると）前記試料内部で相互作用が起こり、様々な機器によってそれが検出される。例えば、副次及び／または後方散乱電子２１６が検出・増幅器２１７によって検出され増幅される。前記ビームが次に留まる点に移動する前に、これら機器（例えば検出・増幅器２１７）が相互作用数を本質的に数え、ディスプレー２１８（例えば陰極線管（ＣＲＴ））にピクセルを表示する。ピクセルの強度は数えられた相互作用数によって決まる（例えば、作用が多いほどピクセルは明るい）。このプロセスは前記格子走査が終了するまで繰り返され、次にまた繰り返されることもある。例えば全体のパターンが毎秒３０回走査され得る。従って、ディスプレー２１８上に結果的に映る結像は、前記試料２１１のトポグラフィーに対応する、強度の異なる数千ものスポット（またはピクセル）を有することができる。

ブロック図２００Ａが更に示すように、ＳＥＭは典型的に試料チェンバー２１４を有し、結像される試料２１１が前記チェンバーに置かれる。例えば、チェンバー２１４から取り外し可能な試料ホルダーは、試料２１１を置くことができる台部２１３を有することができる。従って、試料２１１を試料ホルダーの台部２１３上に置くことができ、次に前記試料ホルダーを試料チェンバー２１４に挿入することができる。試料チェンバー２１４はそのような試料ホルダーを受け入れるための定められたインターフェイス２１５を有する。ＳＥＭの定められたインターフェイス２１５は一般に、ＴＥＭ１００の試料チェンバー１１５を示す図１と共に説明した前記インターフェイスのような市販のＴＥＭの試料チェンバーの定められたインターフェイスとは異なる。例えば、ＳＥＭ試料チェンバーは典型的に、例えば約１５ｃｍ ｘ １５ｃｍ ｘ ６ｃｍなど、前記チェンバー内のスペースに比較的大きい試料を必要に応じて受け入れるためのインターフェイスを有する。通常、モーター駆動式の台部２１２が前記ＳＥＭ内に含まれており、試料チェンバー２１４内で第２１３を動かすことが可能である。また、典型的に空気圧式エアロックバルブ２０４を使い、試料２１１が一度試料チェンバー２１４に挿入された後はＳＥＭ内が真空に保たれるようにすることで、作り出された前記ビームの電子が空気分子によってその意図する軌道から外されないようにする。

図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態の構造例がブロック図として示されている。この構造例において、前記マニピュレーション・システムはマニピュレーション・プラットフォーム１０を有し、前記プラットフォームは、位置１、２、３、４のような複数のマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置を配置するベース６を含む。前記マニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置１〜４はそれぞれ、以下に更に詳細に説明するように、マニピュレータ・モジュールを受け入れることができる。４つのそのようなインターフェイス位置が図３の構造例に示されているが、代替構造において異なる数（４つ未満または４つを超える数）のそのようなインターフェイス位置を実施することが可能であることを理解すべきである。しかし、以下により詳細に述べるように、そのようなプラットフォームに連結されたマニピュレータ・モジュールが少なくとも４つあることにより、マニピュレータ・モジュールが４つ未満では達成が困難な特定のタイプの操作（例えば測定、特性検査等）を試料に対し行うことが可能となるため、プラットフォーム１０は（図３の例の位置１〜４のような）少なくとも４つのマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置を含むのが最も好ましい。

好ましくはプラットフォーム１０は、顕微鏡で観察される試料を受け取るための試料台５を有する。従ってマニピュレータ・モジュールを１若しくはそれ以上のマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置１〜４に連結し、以下により詳細に述べるように、試料台５に配置された試料の操作を行うことができる。プラットフォーム１０は更に、試料台５に配置された試料をそのような顕微鏡で結像することができるようにベース６と顕微鏡の連結を可能にするインターフェイス７を有する。従って、例えば１つのプラットフォーム１０を顕微鏡に連結し、１若しくはそれ以上のインターフェイス位置１〜４に配置されたマニピュレータ・モジュールを用いて前記試料を操作し、試料台５に配置された試料を結像することができる。

図３に更に示すように、制御システム８をプラットフォーム１０に連結することにより、インターフェイス位置１〜４に連結されたマニピュレータ・モジュールの操作を使用者が制御し、希望する方法で試料を操作することが可能となる。制御システム８は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）のような、プロセッサをベースとする何らかの適切なシステムを有することができ、前記システムはインターフェイス位置１〜４に連結されたマニピュレータ・モジュールの操作を制御する能力を有する。例えば、使用者は（キーボード、ポインタ・デバイス、ジョイスティック等を介し）指令を制御システム８に入力することができ、そのような指令に対して制御システム８は、プラットフォーム１０に連結された適切なマニピュレータ・モジュールに指令信号（例えば電気的信号）を伝達し、そのようなマニピュレータ・モジュールの操作を制御する。例えば、各マニピュレータ・モジュール・インターフェイス１〜４につながる伝導性（金属等）トレースのような通信パス（図３には示されていない）をプラットフォーム１０に与えることができ、前記通信パスを介しそのような制御システム８から１若しくはそれ以上のそのようなマニピュレータ・モジュール・インターフェイスへの指令信号の通信を可能とする方法で制御システム８をプラットフォーム１０に連結することができる。

当然、適切なソフトウェアを制御システム８上で実行し、プラットフォーム１０に連結されたマニピュレータ・モジュールを制御することもできる。例えば、制御システム８上でソフトウェアを実行し、使用者の入力に対し、及び／または制御システム８が１若しくはそれ以上のマニピュレータ・モジュールから受け取ったフィードバックに対し、１若しくはそれ以上のマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置１〜４に伝達される適切な指令信号を作り出すことができる。更に、制御システム８上でソフトウェアを実行し、使用者に情報を（例えば表示装置、プリンタ、オーディオ・スピーカ、及び／または制御システム８に含まれる他の出力装置を介して）出力することができる。例えば、プラットフォーム１０に連結されたマニピュレータ・モジュールの位置に関する情報を、制御システム８を介して使用者に提供することができる。それに加えて、またはその代わりに、試料の操作によりマニピュレータ・モジュールが取得した測定に関する情報を制御システム８によって出力することもできる。すなわち、試料に対する操作動作を行うことにより、前記マニピュレータ・モジュールは制御システム８に出力情報を与えることができ、そのような制御システム８は、その受け取った情報及び／または前記マニピュレータ・モジュールが受け取った情報を元に、そのような制御システム８が得た更なる情報を、使用者に与えることができる。

それに加えて、またはその代わりに、特定の実施においてマニピュレータ・モジュールは、制御システム８に個々のマニピュレータ・モジュールの操作能力を伝達するためのロジックを有することができる。例えば、マニピュレータ・モジュールは、その動作能力（例えば３直交次元Ｘ、Ｙ、Ｚの１若しくはそれ以上における並進動作を起こすことができるか、及び／または回転動作を起こすことができるかどうか）についての情報を制御システム８に伝達するためのロジックを有することができる。更に、特定の実施において前記マニピュレータ・モジュールは、そのエンドエフェクタ（例えば前記マニピュレータ・モジュールに含まれるエンドエフェクタのタイプ）についての情報を制御システム８に伝達するためのロジックを有することができる。特定の実施形態において、制御システム８は、プラットフォーム１０の各マニピュレータ・モジュールの動作操作能力についての情報を出力することができる。更に、特定の実施形態において、制御システム８はプラットフォーム１０に連結された前記マニピュレータ・モジュールの動作操作能力に基づいて、プラットフォーム１０の前記マニピュレータ・モジュールを与えられた使用者が利用可能な様々な異なるタイプのマニピュレーション操作を求める働きをするソフトウェアを含むことができる。従って例えば、制御システム８はプラットフォーム１０に連結された前記マニピュレータ・モジュールの動作操作能力を分析することができ、且つ使用者がそのようなマニピュレータ・モジュールを用いて行うことができるマニピュレーション操作のタイプを出力することができる。この方法において制御システム８は、プラットフォーム１０に連結された前記マニピュレータ・モジュールを用いて行うことができる操作のタイプ（例えば試料に関して入手可能な測定のタイプ及び／またはアセンブリ・動作のタイプ）を使用者が認識するのを補助することができる。以下に更に説明するように、特定の実施形態において前記マニピュレータ・モジュールは、使用者が望ましいマニピュレータ・モジュールのあるプラットフォーム１０を選択的に設定することができるようにプラットフォーム１０に取り外し可能な方法で連結され、従って特定の実施形態において制御システム８はプラットフォーム１０の任意の設定の動作操作能力を使用者が認識するのを補助することができる。

特定の実施形態において、図４Ａと共に以下に更に説明するようなマニピュレータ・モジュールを、そのようなインターフェイス位置で制御システム８から受信した指令信号を用いてそのようなマニピュレータ・モジュールの操作を制御するような方法で、例えばプラットフォーム１０の位置１のようなインターフェイス位置に連結することができる。例えば、マニピュレータ・モジュールをプラットフォーム１０の任意の位置１〜４と連結することができ、それによりその伝達インターフェイス（例えば電気的入力及び／または出力インターフェイス）が前記位置の伝達パスと連結される。例えば、マニピュレータ・モジュールはその操作を制御するための入力信号を受け取るための伝導性トレースを有することができ、プラットフォーム１０のインターフェイス位置（例えば位置１〜４のうちの１つ）に前記マニピュレータ・モジュールが連結されると、前記連結済みマニピュレータ・モジュールの操作を制御するために制御システム８を使うことを可能にするように、そのようなインターフェイス位置に制御システム８を通信可能な方法で連結する適切な伝導性トレースとその伝導性トレースが連結する。上述のように、特定の実施形態において、信号（例えば測定等）を出力するためのマニピュレータ・モジュールの伝導性トレースを通信可能な方法でプラットフォーム１０の適切な伝導性トレースに連結することができ、前記通信可能な方法で前記マニピュレータ・モジュールのインターフェイス位置を制御システム８に連結することができ、それにより制御システム８はそのようなマニピュレータ・モジュールから信号を受信することができる。各マニピュレータ・モジュールにモーション及び置換センサーを適切に追加することで、そのようなセンサーからの信号が制御システム８に送られるようにすることもできる。制御システム８に適正な制御ソフトウェアとハードウェア設定を実施し、リアルタイムでマニピュレータ・モジュールの位置を監視することができ、必要であればその位置を測定または訂正することができる。特定の実施において、制御システム８を前記顕微鏡が提供する結像システムと連結し、前記マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタの位置を制御するためにリアルタイムの物体認識と位置識別を行うこともできる。

従って動作において、使用者は試料をプラットフォームの試料台５（または前記マニピュレータ・モジュールのうちの１つ）に配置することができる。前記使用者は更に、望ましいマニピュレータ・モジュールをプラットフォーム１０のインターフェイス位置１〜４の１若しくはそれ以上に選択的に連結することができる。次にプラットフォーム１０を、台部５（または、特定の実施においてはプラットフォーム１０に連結されたマニピュレータ・モジュールの１つ）上の試料を結像することができるような方法で顕微鏡に連結することができ、前記使用者は制御システム８を利用し、プラットフォーム１０に連結された選ばれたマニピュレータ・モジュールを用いて前記試料を制御操作することができる。

好ましくは、インターフェイス７はプラットフォーム１０を、試料台５上の試料を結像するために少なくとも１つのタイプの顕微鏡に取り外し可能な方法で連結することを可能にする。最も好ましくは、図６の例と共に以下に詳細に説明するように、インターフェイス７はプラットフォーム１０を少なくともＳＥＭに取り外し可能な方法で連結することを可能にする。しかしながら、代替実施形態においてインターフェイス７は、ＳＥＭに加え、またはＳＥＭの代わりに、１つもしくはそれ以上の他のタイプの顕微鏡とプラットフォーム１０との連結を可能にすることもある。更に、特定の実施形態においてインターフェイス７は、プラットフォーム１０を複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも取り外し可能な方法で連結することを可能にするように調整可能である。例えば、本明細書に参考としてその開示を含めた、共存出願であり同一出願人である「顕微鏡観察試料操作用マニピュレーション・システム（ＭＡＮＵＰＩＬＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＭＡＮＩＰＵＬＡＴＩＮＧ Ａ ＳＡＭＰＬＥ ＵＮＤＥＲ ＳＴＵＤＹ ＷＩＴＨ Ａ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）」と題する米国特許出願番号第１０／１７３，５４２号に記述されているような調整可能なインターフェイスをプラットフォーム１０に実施することができ、それによりそのようなプラットフォームを複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも適合するように適応させることができる。

上記を考慮して、好ましい実施形態は、試料台５と、選択されたマニピュレータ・モジュールをそれに連結できるようにする複数のインターフェイス位置１〜４とを有するプラットフォーム１０を提供する。好ましくは、そのようなインターフェイス位置はマニピュレータ・モジュールを前記インターフェイスに取り外し可能な方法で連結することを可能にし、それにより使用者が試料に対する望ましいタイプの操作を行うための望ましいマニピュレータ・モジュールをプラットフォーム１０に選択的に実施することができるものである。すなわち、使用者は前記インターフェイス位置１〜４上で様々な異なるマニピュレータ・モジュールを交換することにより、前記プラットフォーム１０を選択的に再設定することができる。

図４Ａを見ると、様々なマニピュレータ・モジュールを含む例集４００が示されており、試料に対し望ましいタイプの操作を行うようにプラットフォーム１０を設定するために、前記モジュールを（図３の）プラットフォーム１０に選択的に連結することができる。図４Ａの例には、マニピュレータ・モジュール４０１、４０２、４０３，４０４のブロック図が含まれている。当然、例集４００にいくつでもマニピュレータ・モジュールを含めることができ、それらを希望に応じて使用者がプラットフォーム１０を設定するために選択できる利用可能なマニピュレータ・モジュールとすることもできる。

好ましくは、各マニピュレータ・モジュールは、プラットフォーム１０のインターフェイス位置（例えば位置１〜４のうちの１つ）と取り外し可能な方法で連結するためのインターフェイスを有する。例えば、マニピュレータ・モジュール４０１〜４０４はそれぞれ、インターフェイス４０１Ｂ、４０２Ｂ、４０３Ｂ、４０４Ｂを有する。そのようなインターフェイス４０１Ｂ、４０２Ｂ、４０３Ｂ、４０４Ｂは、好ましくはプラットフォーム１０のインターフェイス位置１〜４と適合し、それによりマニピュレータ・モジュール４０１〜４０４のいずれもが、インターフェイス位置１〜４のいずれとも連結可能となる。マニピュレータ・モジュールのインターフェイス（例えばマニピュレータ・モジュール４０１のインターフェイス４０１Ｂ）は、インターフェイス位置１〜４のうちの１つを介して前記マニピュレータ・モジュールをプラットフォーム１０に機械的に固定し電気的に接続する働きをし、それによって各マニピュレータ・モジュールのインテグリティが保たれる。インターフェイス位置１〜４は、プラットフォーム１０と共に使う予定の顕微鏡のサイズの要求を満たすようにプラットフォーム１０に合わせて設計され、各インターフェイス位置１〜４は、好ましくは動作操作可能な方法でプラットフォーム１０にマニピュレータ・モジュールを連結するための機械的及び電気的コネクタを含むものである。

１つの実施例において、各インターフェイス位置において約１０の電気トレースが入手可能であり、そこに機械的に連結されると、マニピュレータ・モジュールは１若しくはそれ以上のそのような電気トレースと電気接続し、制御システム８と通信可能な方法で連結する。例えば、特定のマニピュレータ・モジュールは、第１の数（例えば５つ）の、インターフェイス位置にある入手可能な前記電気トレースと連結し、それにより制御システム８からそのようなマニピュレータ・モジュールへの制御信号及び／またはそのようなマニピュレータ・モジュールから制御システム８への出力情報の通信が可能となり、他の特定のマニピュレータ・モジュールは、異なる数（例えば１０）の入手可能な前記電気トレースと連結し、それにより制御信号の量を増加（または減少）させること及び／または制御システム８と前記マニピュレータ・モジュール間で出力情報を通信することが可能となる。例えば、特定のマニピュレータ・モジュールは、第１の数（例えば５つ）の、インターフェイス位置にある入手可能な前記電気トレースと連結し、それにより制御システム８からそのようなマニピュレータ・モジュールへの制御信号及び／またはそのようなマニピュレータ・モジュールから制御システム８への出力情報の通信が可能となり、他の特定のマニピュレータ・モジュールは、異なる数（例えば１０）の入手可能な前記電気トレースと連結し、それにより制御信号の量を増加（または減少）させること及び／または制御システム８と前記マニピュレータ・モジュール間で出力情報を通信することが可能となる。

以下に図５と共に説明するような好ましい実施形態において、プラットフォーム１０の各インターフェイス位置１〜４のサイズは約１５ｍｍ ｘ １５ｍｍである（従ってＳＥＭの試料チェンバーに連結するために適したプラットフォーム１０となる）。当然、代替実施形態において各インターフェイス１〜４は１５ｍｍ ｘ １５ｍｍ以外のサイズであることもあり、それによりプラットフォーム１０は望ましい顕微鏡との連結に適切なサイズとなる。例えば、ＴＥＭの試料チェンバーと連結するように設定されたプラットフォーム１０が有する、マニピュレータ・モジュールを受け入れるためのインターフェイス位置は、１５ｍｍ ｘ １５ｍｍよりも小さいこともある。

例集４００の各マニピュレータ・モジュールは、好ましくは試料を操作するためのエンドエフェクタを有する。例えば、マニピュレータ・モジュール４０１〜４０４は、エンドエフェクタ（ＥＥ）４０１Ｃ、４０２Ｃ、４０３Ｃ、４０４Ｃをそれぞれ有する。そのようなエンドエフェクタを利用し、プラットフォーム１０の試料台５に配置された試料を連動する及び／または操作することができる。利用することができるエンドエフェクタの例についての詳細を、以下に図４Ｂと共に説明する。特定の実施形態において、前記マニピュレータ・モジュールは複数の異なるタイプのエンドエフェクタのいずれも受け入れるインターフェイスを有することができる。例えば、マニピュレータ・モジュール４０１〜４０４は、エンドエフェクタ・インターフェイス４０１Ｄ、４０２Ｄ、４０３Ｄ、４０４Ｄをそれぞれ有する。従って、特定の実施形態において、マニピュレータ・モジュールは、使用者が複数の異なるタイプのエンドエフェクタをそのようなマニピュレータ・モジュールに取り外し可能な方法で連結することを可能にするインターフェイス（インターフェイス４０１Ｄ、４０２Ｄ、４０３Ｄ、４０４Ｄの様なインターフェイス）を有することができ、それにより使用者は望ましいタイプのエンドエフェクタを含めるために選択的に前記マニピュレータ・モジュールを設定することができる。

更に、各マニピュレータ・モジュールは、好ましくは前記マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタに制御可能な動作を与える駆動機構を有する。例えば、並進動作及び／または回転動作をエンドエフェクタに与えるためのアクチュエーション機構をマニピュレータ・モジュール内に含めることができる。例えば、マニピュレータ・モジュール４０１〜４０４は、インターフェイス４０１Ａ、４０２Ａ、４０３Ａ、４０４Ａをそれぞれ有する。より具体的には、図４Ａの例において、マニピュレータ・モジュール４０１は、エンドエフェクタ４０１Ｃの３方向への並進動作（３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った動作）を与える働きをする駆動機構４０１Ａを有する。マニピュレータ・モジュール４０２は、エンドエフェクタ４０２Ｃの３方向への並進動作（３つの直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った動作）及び回転動作を与える働きをする駆動機構４０２Ａを有する。マニピュレータ・モジュール４０３は、エンドエフェクタ４０３Ｃの２方向への並進動作（２つの直交軸Ｘ、Ｙに沿った動作）を与える働きをする駆動機構４０３Ａを有する。マニピュレータ・モジュール４０４は、エンドエフェクタ４０４Ｃの２方向への並進動作（２つの直交軸Ｘ、Ｙに沿った動作）及び回転動作を与える働きをする駆動機構４０４Ａを有する。

特定の実施形態において、マニピュレータ・モジュールはエンドエフェクタの比較的大きく粗い動作を可能にする第１の駆動機構を有することができ、前記マニピュレータ・モジュールは更にエンドエフェクタの比較的微細で正確な動作を可能にする第２の駆動機構を有することができる。従って、第１の駆動機構を用いて前記マニピュレーション・モジュールのエンドエフェクタの位置を試料台５上の試料に対し比較的粗く調整し、第２の駆動機構を用いてそのようなエンドエフェクタをより微細／正確に位置づけることができる。例えば、マニピュレータ・モジュール４０１の駆動機構４０１Ａはエンドエフェクタ４０１ＣのＸ、Ｙ、Ｚに比較的大きく粗い動作を与える第１の駆動機構を有することができ、更に駆動機構４０１Ａはエンドエフェクタ４０１Ｃに比較的微細で正確な動作を与える第２の駆動機構４０１Ｅ（図４Ａにおいて任意の選択肢として点線で示されている）を有することができる。そのような第２の駆動機構４０１Ｅは、エンドエフェクタ４０１Ｃに１若しくはそれ以上の次元の並進動作（例えばＸ、Ｙ、及び／またはＺの動作）及び／またはエンドエフェクタ４０１Ｃの回転動作を与えることができる。マニピュレータ・モジュール４０１と同様に、各マニピュレータ・モジュール４０２〜４０４は、それぞれに対応するエンドエフェクタに比較的大きく粗い動作を与える第１の駆動機構と、それぞれに対応するエンドエフェクタに比較的微細で正確な動作を与える第２の駆動機構４０２Ｅ、４０３Ｅ、４０４Ｅを有する。

従って、好ましい実施形態において、マニピュレータ・モジュールの駆動機構は、前記モジュールのエンドエフェクタに比較的大きい範囲の動作を与える（ただし第２の駆動機構よりも精度が低い場合がある）第１の駆動機構と、比較的微細な範囲の優れた精度を有する動作を与える第２の駆動機構を有することができる。例えば、好ましい実施形態の１つの実施において、比較的大きい移動距離を与えるマイクロアクチュエータを実施する。例えば、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを実施し、マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタにそのような大きい移動範囲を与えることができる。リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータは本技術分野においてよく知られているため、本明細書では更に詳細な説明はしない。代替実施において、既知または最近開発された様々なその他の適切なマイクロアクチュエータのどれでもマニピュレータ・モジュール内に実施し、前記モジュールのエンドエフェクタに比較的大きい移動範囲を与えることができ、例としてスティック・スリック圧電性アクチュエータ、超音波圧電性アクチュエータ、またはインチワーム圧電性アクチュエータが含まれるがこれらに限定されず、またこれらはいずれも本技術分野でよく知られている。

好ましい実施形態の１つの実施において、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータをマニピュレータ・モジュールの第１の駆動機構に実施し、前記モジュールのエンドエフェクタに、約３０ナノメートルのステップ分解能で数ミリメートルの並進範囲を与える。従って、そのような第１の駆動機構を利用し、前記モジュールのエンドエフェクタを１若しくはそれ以上の次元で動かすことができる（例えばモジュール４０１の例においてはそのような動作が３次元Ｘ、Ｙ、Ｚで与えられる）。より具体的には、前記第１の駆動機構はそのようなリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを複数有することができ、それにより前記マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタを複次元において独立に動かすことができる。例えば、第１のリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを実施し、１つの次元で（例えばＸ軸に沿って）前記エンドエフェクタに動作を与えることができ、第２のリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを実施し、直交次元で（例えばＹ軸に沿って）前記エンドエフェクタに動作を与えることができ、第３のリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを実施し、第３の直交次元で（例えばＺ軸に沿って）前記エンドエフェクタに動作を与えることができる。そのようなリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを用いて前記エンドエフェクタの位置づけを行う精度は、前記マイクロアクチュエータのステップ（すなわち各ステップ（工程）の距離）の分解能による制限を受ける。上述の実施例において使用したリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータのステップ分解能は約３０ナノメートルであり、従ってマニピュレータ・モジュールの第１の駆動機構のそのようなマイクロアクチュエータを用いて、前記モジュールのエンドエフェクタを、希望する位置から約３０ナノメートル以内に配置することができる。

更に、好ましい実施形態においてマニピュレータ・モジュールの駆動機構は、比較的微細な範囲の優れた精度を有する動作を与える第２の駆動機構を有することができる。例えば、好ましい実施形態の１つの実施例において、非常に正確な動作を与えるマイクロアクチュエータを実施する。例えば、圧電チューブを施し、マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタにそのような正確な動作を与えることができる。例えば、四電極圧電チューブを施し、マニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタに、自由空間においてサブ・ナノメートル分解能で数マイクロの範囲でそのような正確な動作を与えることができる。そのような四電極圧電チューブは本技術分野においてよく知られているため、本明細書では更に詳細な説明はしない。あるいは、前記モジュールのエンドエフェクタのそのような微細な並進動作が一次元にのみ必要な場合は、例えば圧電性スタック、圧電性バイモルフ、あるいは単純な圧電性プレートのようなよく知られたアクチュエータを使うこともできる。

好ましい実施形態の１つの実施例において、四電極圧電チューブをマニピュレータ・モジュールの第２の駆動機構に実施し、前記モジュールのエンドエフェクタに、約１ナノメートル（またはそれ以下）の分解能で数マイクロメートルの並進範囲を与える。従って、そのような第２の駆動機構を用い、前記モジュールのエンドエフェクタを１若しくはそれ以上の次元に、比較的小さい距離（例えば最高で数マイクロメートルまで）で優れた精度（例えば約１ナノメートルの精度）を持って動かすことができる（例えば３次元Ｘ、Ｙ、Ｚにそのような動作を与えることができる）。従って、希望する操作を試料に行うために、マニピュレータ・モジュールのそのような第２の駆動機構を用いてそのようなモジュールのエンドエフェクタの非常に正確な位置づけを行うことができる。

特定の実施形態において、マニピュレータ・モジュールは、例えばエンドエフェクタの比較的微細で正確な動作を可能にする駆動機構（例えば駆動機構４０１Ｅ、４０２Ｅ、４０３Ｅ、４０４Ｅ）のような、単独の駆動機構のみを有することがある。例えば、マニピュレータ・モジュールのそのような単独の駆動機構は、約１ナノメートル（またはそれ以下）の分解能で数マイクロメートルの並進範囲を前記モジュールのエンドエフェクタに与える四電極圧電チューブを有することができる。単独の駆動機構は、例えば市販のＴＥＭの試料チェンバーのように比較的制限のある試料チェンバーを有する顕微鏡に用いるために前記モジュラー・マニピュレーション・システムを設定することを可能にすることもあり、特定の実施形態においては単独の駆動機構を有することが利益となる。例えば、本明細書に参考としてその開示を含めた、共存出願であり同一出願人である「顕微鏡観察試料操作用マニピュレーション・システム（ＭＡＮＵＰＩＬＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＭＡＮＩＰＵＬＡＴＩＮＧ Ａ ＳＡＭＰＬＥ ＵＮＤＥＲ ＳＴＵＤＹ ＷＩＴＨ Ａ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）」と題する米国特許出願番号第１０／１７３，５４２号に記述されているように、前記マニピュレーション・システム（または「試料ホルダー」）の各マニピュレータ機構に高精度アクチュエータのみを含めることにより、そのようなマニピュレーション・システムはそこに配置された複数のマニピュレータ機構を有することができるようになり、さらに例えば市販のＴＥＭの試料チェンバーのように比較的制限のある試料チェンバーと連結するのに適したサイズを保つことができる。「顕微鏡観察試料操作用マニピュレーション・システム」に更に記述されているように、特定の実施例において、前記マニピュレーション・システム（または「試料ホルダー」）から独立した粗調整機構を用い、プラットフォーム１０に連結されたマニピュレータ機構を連動し、比較的長距離の粗い動きをそれらのエンドエフェクタに与えることにより、まずそのようなエンドエフェクタを初期位置に配置し、その後に各マニピュレータ機構に付随する内部アクチュエータを用い、（例えば観察中の試料を操作するために）それらの高精度の動作を行うことができる。

次に図４Ｂを見ると、マニピュレータ・モジュールに実施可能なエンドエフェクタの例が示されている。より具体的には、様々なエンドエフェクタの例集４５０が示されている。特定の実施形態において、試料の操作を行うためにマニピュレータ・モジュールを目的とする設定にするために、そのようなエンドエフェクタを（図４Ａの例集４００のマニピュレータ・モジュールのような）複数の異なるマニピュレータ・モジュールのいずれとも選択的に連結することができる。図４Ｂの例集４５０には、エンドエフェクタの例４５１、４５２，４５３、４５４、４５５が含まれている。当然、例集４５０にいくつでもエンドエフェクタを含めることができ、それらを希望に応じて使用者がマニピュレータ・モジュールを設定するために選択できるように利用可能とすることもできる。この例において、エンドエフェクタ４５１はプローブを有し、エンドエフェクタ４５２はガラス繊維を有し、エンドエフェクタ４５３はグリッパーを有し、エンドエフェクタ４５４は皮下注射針を有し、エンドエフェクタ４５５はホースを有する。そのようなエンドエフェクタ４５１〜４５５を利用し、プラットフォーム１０の試料台５に配置された試料を連動する及び／または操作することができる。既知または最近開発されたその他の様々なタイプのエンドエフェクタを、図４Ｂが示すエンドエフェクタ例に加えて、あるいはそれらの代わりに、例集４５０に含めることもできる。

特定の実施形態において、マニピュレータ・モジュールは例集４５０の様々な異なるエンドエフェクタのいずれをも受け入れるインターフェイスを有することができる。例えば、図４Ａのマニピュレータ・モジュール４０１〜４０４は、エンドエフェクタ・インターフェイス４０１Ｄ、４０２Ｄ、４０３Ｄ、４０４Ｄをそれぞれ有する。従って、特定の実施において、マニピュレータ・モジュールは、使用者が例集４５０のいずれのエンドエフェクタでもそのようなマニピュレータに取り外し可能な方法で連結することを可能にするインターフェイス（インターフェイス４０１Ｄ、４０２Ｄ、４０３Ｄ、４０４Ｄの様なインターフェイス）を有することができ、それにより使用者は望ましいタイプのエンドエフェクタを含めるために選択的に前記マニピュレータ・モジュールを設定することができる。

図５はマニピュレーション・プラットフォーム５００の好ましい実施形態の実施例を示す。この実施例において、マニピュレーション・プラットフォーム５００はベース６を有し、前記ベースには、図３の位置１、２、３、４のような複数のマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置がある。この例において、マニピュレータ・モジュールは前記ベースの各インターフェイス位置に連結されている。従って、マニピュレータ・モジュール５０１、５０２、５０３、５０４、はベース６に連結される。好ましくは、そのようなマニピュレータ・モジュール５０１〜５０４がベース６に取り外し可能な方法で連結されることにより、使用者は各モジュールを取り外し、異なるモジュール（図４Ａの例集４００から選択されるモジュール等）と交換することができる。４つのマニピュレータ・モジュールがベース６に連結された例が図５の構造例に示されているが、代替構造において異なる数（４つ未満または４つを超える数）のそのようなマニピュレータ・モジュールをベース６に同様に連結することが可能であることを理解すべきである。上述のように、ベース６が（図３の例が示す位置１〜４のように）少なくとも４つのマニピュレータ・モジュール・インターフェイス位置を含むのが最も好ましいが、使用者が望む操作のタイプによっては、必ずしもマニピュレータ・モジュールをベース６の各インターフェイス位置に連結しなくてもよい。

プラットフォーム５００は顕微鏡で観察される試料を受け取るための試料台５を有する。従って、マニピュレータ・モジュール５０１〜５０４をそのような試料台５の周囲に配置し、試料台５に配置された試料の操作を行うために用いることができる。プラットフォーム５００は、更に試料台５に配置された試料をそのような顕微鏡で結像することができるようにベース６と顕微鏡の連結を可能にするインターフェイス７を有する。最も好ましくは、インターフェイス７はベース６を少なくともＳＥＭに連結可能にすることである。プラットフォーム５００を顕微鏡に連結した後は、マニピュレータ・モジュール５０１〜５０４を用いて前記試料を操作し、試料台５に配置された試料を結像することができる。図５に更に示すように、制御システム８をプラットフォーム５００に連結することにより、マニピュレータ・モジュール５０１〜５０４の操作を使用者が制御し、希望する方法で試料を操作することが可能となる。

この例において、マニピュレータ・モジュール５０１は、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ、５０１Ｂ、５０１Ｃを含む第１の駆動機構を有する。マニピュレータ・モジュール５０１は、更に圧電チューブ５０１Ｄを含む第２の駆動機構を有する。マニピュレータ・モジュール５０１は、更にインターフェイス５０１Ｅを介して圧電チューブ５０１Ｄに連結されたエンドエフェクタ５０１Ｆを有する。図面が示すように、この例において前記第２の駆動機構の圧電チューブ５０１Ｄは（リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ〜５０１Ｃを有する）前記第１の駆動機構に連結されており、それにより圧電チューブ５０１Ｄ（及びそのような圧電チューブ５０１Ｄに連結されたエンドエフェクタ５０１Ｆ）を動かすために前記第１の駆動機構を操作することが可能となる。より具体的には、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａは、図面に示されるＸ軸に沿って圧電チューブ５０１Ｄ（及び順にエンドエフェクタ５０１Ｆ）に動作を与える働きをする。リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ｂは、図面に示されるＹ軸に沿って圧電チューブ５０１Ｄ（及び順にエンドエフェクタ５０１Ｆ）に動作を与える働きをし、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ｃは、図面に示されるＺ軸に沿って圧電チューブ５０１Ｄ（及び順にエンドエフェクタ５０１Ｆ）に動作を与える働きをする。従って、マニピュレータ・モジュール５０１は、図４Ａのマニピュレータ・モジュール４０１の場合のように、エンドエフェクタ５０１Ｆの並進動作を３つの直交次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）において与えるモジュール例である。

各リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ〜５０１Ｃは比較的大きい移動範囲を与えることができる。例えば、各リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ〜５０１Ｃは数ミリメートルの並進範囲を与える。従って、マニピュレータ・モジュール５０１の第１の駆動機構は、エンドエフェクタ５０１ＦをＸ、Ｙ、及び／またはＺ軸に沿って最高で数ミリメートルまで動かす働きをする。そのようなリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ〜５０１Ｃを用いてエンドエフェクタ５０１Ｆの位置づけを行う精度は、前記マイクロアクチュエータのステップ（すなわち各ステップ（工程）の距離）の分解能による制限を受ける。この実施例において、リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０１Ａ〜５０１Ｃのステップ分解能は約３０ナノメートルであり、従ってそのようなマイクロアクチュエータを用いてエンドエフェクタ５０１Ｆを希望する位置の約３０ナノメートル以内に配置することができる。

更に、この実施例において、マニピュレータ・モジュール５０１は比較的微細な範囲の優れた精度を有する動作を与える第２の駆動機構を有することができる。より具体的には、圧電チューブ５０１Ｄを実施することにより、第２の駆動機構がエンドエフェクタ５０１Ｆの正確な動作を与えるようにする。この例において、圧電チューブ５０１Ｄは、約１ナノメートルの分解能で数マイクロメートルの並進範囲をエンドエフェクタ５０１Ｆに与える。そのような圧電チューブ５０１Ｄを用い、エンドエフェクタ５０１Ｆを１若しくはそれ以上の次元Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、比較的小さい距離（例えば最高で数マイクロメートルまで）を優れた精度（例えば約１ナノメートルの精度）で動かすことができる（例えば３次元Ｘ、Ｙ、Ｚにそのような動作を与えることができる）。従って、そのような圧電チューブ５０１Ｄを用い、試料台５に配置された試料の望ましい操作を行うために、エンドエフェクタ５０１Ｆの非常に正確な位置づけを制御することができる。

図５の例において、マニピュレータ・モジュール５０２及び５０３は上述のモジュール５０１と同一である。従って、各マニピュレータ・モジュール５０２及び５０３は第１の駆動機構を含み、前記第１の駆動機構は前記モジュールのそれぞれ対応するエンドエフェクタに比較的長距離の動作を与える３つのリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータを有し、且つそのような各マニピュレータ・モジュール５０２及び５０３は第２の駆動機構を含み、前記第２の駆動機構は前記モジュールのそれぞれ対応するエンドエフェクタの非常に正確な位置づけを行う圧電チューブを有する。

ただし、マニピュレータ・モジュール５０４はマニピュレータ・モジュール５０１〜５０３と異なる。すなわち、この例において使用者は３つの同一のマニピュレータ・モジュール５０１〜５０３をプラットフォーム５００に選択的に連結し、（異なる動作操作能力を与える）異なるタイプのマニピュレータ・モジュール５０４をプラットフォーム５００に選択的に連結した。マニピュレータ・モジュール５０１〜５０３と同様、マニピュレータ・モジュール５０４は第１の駆動機構を有し、前記機構はリニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ５０４Ａ、５０４Ｂ、５０４Ｃを含み、前記各マイクロアクチュエータはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿って比較的長距離の動作を前記モジュールのエンドエフェクタに与える働きをする。また、マニピュレータ・モジュール５０１〜５０３と同様、マニピュレータ・モジュール５０４は第２の駆動機構を有し、この機構は圧電チューブ５０４Ｅを含み、前記チューブは（例えば３つの次元Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて）比較的微細で正確な動作を前記モジュールのエンドエフェクタに与える働きをする。加えて、マニピュレータ・モジュール５０４の第１の駆動機構は更にマイクロアクチュエータ５０４Ｄを有し、前記５０４Ｄは前記モジュールのエンドエフェクタに回転動作を与える働きをする。好ましくは、マイクロアクチュエータ５０４Ｄは、連続３６０度回転操作が可能で０．０２度未満の角度ステップ分解能を有するスティック・スリップタイプの圧電性回転アクチュエータを有する。従って、マニピュレータ・モジュール５０４は、図４Ａのマニピュレータ・モジュール４０２の場合のように、そのエンドエフェクタの並進動作を３つの直交次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で与え、且つそのようなエンドエフェクタの回転動作を与えるモジュール例である。

好ましくは、各モジュール５０１〜５０４がベース６に取り外し可能な方法で連結されることにより、使用者は１若しくはそれ以上のそのようなモジュールのどれでも取り外し、希望に応じて異なるモジュール（図４Ａの例集４００から選択されるモジュール等）と交換することができる。従って、ベース６の適切なインターフェイス位置に希望のタイプのモジュールを配置することにより、使用者が試料の操作を行うために望ましいプラットフォーム５００を選択的に設定することができるということを理解すべきである。従って動作において、使用者は試料をプラットフォーム５００の試料台５に配置することができる。使用者は更に、図５の例が示すモジュール５０１〜５０４のような希望のマニピュレータ・モジュールを、プラットフォーム５００の１若しくはそれ以上のインターフェイス位置に選択的に連結することができる。次にプラットフォーム５００を、台部５上の試料を結像することができるような方法で顕微鏡に連結することができ、前記使用者は制御システム８を利用し、そのようなプラットフォーム５００に連結された前記選ばれたマニピュレータ・モジュールを用いて前記試料を制御操作することができる。

好ましくは、インターフェイス７はプラットフォーム５００を、試料台５上の試料を結像するために少なくとも１つのタイプの顕微鏡に取り外し可能な方法で連結することを可能にする。最も好ましくは、インターフェイス７がベース５００を少なくともＳＥＭに連結可能にする。例えば、図５の実施例においてベース６は約１０ｃｍの長さ「Ｌ」と約１０ｃｍの幅「Ｗ」を有する。更に、図５の実施例においてプラットフォーム５００は全体として約４ｃｍの高さ「Ｈ」を有する。そのようなようなプラットフォーム５００の実施例は、少なくとも市販の大半のＳＥＭ（例えばそれらの試料チェンバー）と取り外し可能な方法で連結することができ、それにより試料台５に配置された試料を前記ＳＥＭによって結像する間、前記試料の操作が可能となる。当然、代替実施形態において、ＳＥＭに加えて、またはＳＥＭの代わりにその他のタイプの顕微鏡と取り外し可能な方法で連結するのに適するように異なるサイズのプラットフォーム５００を実施することができ、プラットフォーム５００の１若しくはそれ以上のマニピュレータ・モジュールを用いて試料台５上の試料を操作しながら結像することができるような方法でそれを行うことができる。

図６はＳＥＭに連結されたマニピュレーション・プラットフォームの好ましい実施形態の実施例を示す。より具体的には、図２のブロック図２００Ａに示されているＳＥＭ例と同様に、図６はＳＥＭに連結された図５のプラットフォーム５００を（ブロック図の形式で）示している。図面が示すように、プラットフォーム５００はＳＥＭの試料チェンバー２１４と連結されており、それにより試料台５に配置された試料をＳＥＭで結像することが可能となる。更に、そのような試料をＳＥＭにより結像する間、モジュール５０１〜５０４を制御して前記試料を望ましい方法で操作することができる。

上記を考慮して、好ましい実施形態は試料台５と、選択されたマニピュレータ・モジュールを前記に連結できるようにする複数のインターフェイス位置１〜４とを有するプラットフォーム１０を提供する。好ましくは、そのようなインターフェイス位置はマニピュレータ・モジュールを前記インターフェイスに取り外し可能な方法で連結することを可能にし、それにより使用者は試料に対する希望のタイプの操作を行うために望ましいマニピュレータ・モジュールをプラットフォーム１０に選択的に実施することができる。すなわち、使用者は前記インターフェイス位置１〜４上で様々な異なるマニピュレータ・モジュールを交換することにより、前記プラットフォーム１０を選択的に再設定することができる。

次に図７を見ると、本発明の特定の実施形態をどのように利用することができるかを例証する工程系統図が示されている。より具体的には、図７は、（図５のプラットフォーム５００の例のような）マニピュレータ・プラットフォームを設定し、そのようなマニピュレータ・プラットフォームを顕微鏡と共に用いて試料を観察するための工程系統図の例を示す。図面が示すように、工程ブロック７０１において使用者は、試料を操作するために用いる少なくとも１つのマニピュレータ・モジュールを選択する。例えば、使用者は１若しくはそれ以上の希望のタイプのマニピュレータ・モジュールをそのようなモジュール群（例えば図４Ａの例集４００）から選択することができる。更に図７が示すように、希望のタイプのマニピュレータ・モジュールを選択する際、使用者は工程ブロック７０１Ａにおいて、そのようなマニピュレータ・モジュールに連結するための希望のタイプのエンドエフェクタを選択することができる。すなわち、特定の実施形態においてマニピュレータ・モジュールは、図４Ｂの例集４５０のエンドエフェクタのような複数の異なるタイプのエンドエフェクタのいずれをも取り外し可能な方法でそのようなマニピュレータ・モジュールに連結することを可能にするインターフェイスを有することができる。従って、工程ブロック７０１Ａにおいて使用者は希望のタイプのエンドエフェクタを選択することができ、工程ブロック７０１Ｂにおいて使用者は選択済みのマニピュレータ・モジュールに前記選択したエンドエフェクタを連結することができる。当然、特定の実施形態においてマニピュレータ・モジュールがすでにそこに取り付けられた希望のエンドエフェクタを有していること、及び／またはマニピュレータ・モジュールに取り外し可能な方法でエンドエフェクタを連結することを可能にするインターフェイスをマニピュレータ・モジュールが有していないこと（例えば前記マニピュレータ・モジュールが「固定」エンドエフェクタを有していること）もある。従って、工程ブロック７０１Ａ及び７０１Ｂは任意の工程として点線で示した。

工程ブロック７０２において、ブロック７０１で選択されたマニピュレータ・モジュールは、図３のマニピュレータ・プラットフォーム１０のインターフェイス位置１〜４のようなマニピュレータ・プラットフォームのインターフェイス位置にそれぞれ連結される。従って、前記希望のマニピュレータ・モジュールをマニピュレータ・プラットフォームに連結することにより、使用者は希望に応じて（例えば試料に対する希望のタイプの操作を行うために）前記マニピュレータ・プラットフォームを設定することができる。ブロック７０４において使用者は、図３が示すマニピュレータ・プラットフォーム１０の試料台５のような前記マニピュレータ・プラットフォームの試料台に試料を配置する。工程ブロック７０４において前記マニピュレータ・プラットフォームはＳＥＭのような顕微鏡と連結され、それにより前記試料を前記顕微鏡で結像することが可能になる。その後、工程ブロック７０５において、前記マニピュレータ・プラットフォームに連結された選択済みのマニピュレータ・モジュールを用い、好ましくは前記試料を前記顕微鏡で結像する間、前記試料の操作を行う。

上述のように、マニピュレーション・プラットフォーム１０は複数のインターフェイス位置を好ましくは有し、前記各位置はマニピュレーション・モジュールを受け入れる。最も好ましくは、少なくとも４つのマニピュレーション・モジュールをそのようなマニピュレーション・プラットフォーム１０に実施することができることである。複数のマニピュレーション機構があれば、様々な測定を試料に対して行うことが可能となる。本発明の特定の実施形態は、顕微鏡のマニピュレーション・システムに導入されるマニピュレーション機構の数が不十分であるために従来不可能であった測定を可能にする。

例えば、エッチングされた伝導性Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）プローブのような伝導性且つ先端の尖ったプローブをエンドエフェクタとして導入し、試料を試料台５の表面に置くか、または前記試料表面に２つのプローブを配置することによって自由空間に浮かせる（すなわち２つのプローブを用いて前記試料を自由空間に停止させ、その他のプローブを１若しくはそれ以上用いて試料の測定をすることによって）、前記試料のナノメートルスケール部位の伝導性測定を行うことができる。１つのプラットフォーム上の４つのマニピュレータ・モジュールを用い、観察中の試料に対するナノメートルスケールでの４つのプローブによるケルビン伝導性測定を行うことができる。４つのプローブによる伝導性測定の１つの利点は、前記プローブと前記試料の間に作られるインターフェイスに本来ある接触抵抗の影響がなくなり、２つまたは３つのプローブによる伝導性測定では得られない前記試料の正確な伝導性が得られることである。また、マルチモジュールのマニピュレータ設計は前記顕微鏡内の装置に容易なプロトタイピングも可能にする。例えば、３つのプローブを有するマニピュレータ（例えば３つのマニピュレータ・モジュールを有するマニピュレーション・プラットフォーム１０）を用い、２つのプローブで前記試料の「ＩＶ」（電流、電圧）特性を測定しながら残りの第３のプローブによってゲート電圧を与えることにより、電界効果トランジスタ測定を実行することができる。その他のタイプのエンドエフェクタを用いることにより、フォース・プローブ、フォース測定、またはフォースと電気を組み合わせた測定をナノメータースケールで実現することも可能である。当業者であれば、本発明の実施形態により試料に対するその他の様々なタイプの測定及び／または特性検査が可能となることを評価するであろう。

更に、本発明の特定の実施形態のマニピュレーション・システムを、マイクロ及び／またはナノスケールの物体の組立作業を行うために利用することもできる。例えば、複数の試料を台部５に配置することができ、特定の用途において（図５のモジュール５０１〜５０４のような）マニピュレーション・モジュールを用いてそのような試料を希望する構造に組み立てることができる。更に、当業者であれば、そのようなマニピュレーション・システムのその他の様々な用途を認識するであろう。

本発明及びその利点について詳細に説明してきたが、本発明に添付する請求項によって定められる本発明の意図と範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更、代替、修正を加えることができることを理解するべきである。更に、本発明の範囲は、本明細書に記述される工程、機械、製造、組成、手段、方法、手順の具体的な実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本明細書に記述された付随の実施形態と実質的に同じ機能を果たすまたは実質的に同じ結果をもたらす、既存または今後開発される工程、機械、製造、組成、手段、方法、または手順を本発明に従って利用することが可能であることを、本発明の開示により容易に理解するであろう。従って、添付の請求項はその範囲にそのような工程、機械、製造、組成、手段、方法、または手順を含むことを意図する。

本発明のより正しい理解のために、説明とそれに伴う図面を以下に参考として記述する。
図１は、ＴＥＭの典型的な構造を示す。 図２は、ＳＥＭの典型的な構造を示す。 図３は、本発明の好ましい実施形態の例示的構造をブロック図で示す。 図４Ａは、マニピュレーション・プラットフォームに選択的に連結され得る様々なマニピュレータ・モジュール群を例示的に示す。 図４Ｂは、マニピュレータ・モジュールに選択的に連結され得る様々なエンドエフェクタ群を例示的に示す。 図５は、マニピュレーション・プラットフォームの好ましい実施形態の実施例を示す。 図６は、ＳＥＭに連結されたマニピュレーション・プラットフォームの好ましい実施形態の実施例を示す。 図７は、本発明の特定の実施形態をどのように利用することができるかを例証する工程系統図を示す。

Claims (56)

1. プラットフォームであって、
   取り外し可能な方法で電子顕微鏡に連結するインターフェイスと、
   試料台と、
   前記試料台上の試料を操作するためのマニピュレータ・モジュールを受け入れる複数のインターフェイスであって、それぞれが取り外し可能な方法で前記プラットフォームにマニピュレータ・モジュールを連結する、前記複数のインターフェイスと
   を有するプラットフォーム。
2. 請求項１のプラットフォームにおいて、前記電子顕微鏡は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を有するものである。
3. 請求項１のプラットフォームにおいて、前記インターフェイスは前記プラットフォームを前記電子顕微鏡の試料チェンバーに挿入するのに適しているものである。
4. 請求項１のプラットフォームにおいて、前記マニピュレータ・モジュールはエンドエフェクタと、前記試料を操作するために前記エンドエフェクタを駆動するための駆動機構とを有するものである。
5. システムであって、
   試料台を有するプラットフォームと、顕微鏡に連結するためのインターフェイスとを有し、それにより前記試料台に配置された試料を前記顕微鏡によって結像することが可能となる、前記試料台及び前記インターフェイスと、
   前記試料台に配置された試料を操作するために前記プラットフォームに取り外し可能な方法で連結された複数のマニピュレータ・モジュールであって、前記試料を操作するために前記複数のマニピュレータ・モジュールを同時に操作することが可能である、前記マニピュレータ・モジュールと
   を有するシステム。
6. 請求項５のシステムにおいて、前記顕微鏡は電子顕微鏡を有するものである。
7. 請求項６のシステムにおいて、前記顕微鏡は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を有するものである。
8. 請求項５のシステムにおいて、前記複数のマニピュレータ・モジュールはそれぞれ、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを駆動するための駆動機構とを有するものである。
9. 請求項８のシステムにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの動作を少なくとも２次元で起こす働きをする。
10. 請求項８のシステムにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの動作を少なくとも３次元で起こす働きをする。
11. 請求項８のシステムにおいて、前記複数のマニピュレータ・モジュールのそれぞれの前記駆動機構は、対応するマニピュレータ・モジュールのエンドエフェクタを駆動するために独立に作動可能である。
12. 請求項８のシステムにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの粗い動作のための第１のアクチュエータを有するものである。
13. 請求項１２のシステムにおいて、前記エンドエフェクタの粗い動作は、約３０ナノメートルの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
14. 請求項１２のシステムにおいて、前記第１のアクチュエータは前記エンドエフェクタに少なくとも２ミリメートル範囲の動作を与える働きをする。
15. 請求項１２のシステムにおいて、前記第１のアクチュエータは、
    リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ、スティック・スリック圧電性マイクロアクチュエータ、超音波圧電性マイクロアクチュエータ、及びインチワーム圧電性マイクロアクチュエータから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
16. 請求項１２のシステムにおいて、前記駆動機構は更に前記エンドエフェクタを正確に動かすための第２のアクチュエータを有するものである。
17. 請求項１６のシステムにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすとは、少なくともナノメートルスケールの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
18. 請求項１６のシステムにおいて、前記第２のアクチュエータは、
    圧電チューブ、圧電スタック、圧電バイモルフ・マイクロアクチュエータ、及び圧電プレートから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
19. 請求項１６のシステムにおいて、前記第２のアクチュエータは四電極圧電チューブを有するものである。
20. 請求項８のシステムにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタを正確に動かすためのアクチュエータを有するものである。
21. 請求項２０のシステムにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすとは、少なくともナノメートルスケールの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
22. 請求項２０のシステムにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは、
    圧電チューブ、圧電スタック、圧電バイモルフ・マイクロアクチュエータ、及び圧電プレートから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
23. 請求項２０のシステムにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは四電極圧電チューブを有するものである。
24. 請求項８のシステムにおいて、前記エンドエフェクタは、
    プローブ、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、フック、及びホースから成る一群から選択される１つを有するものである。
25. 請求項５のシステムにおいて、前記複数のマニピュレータ・モジュールは、前記試料を前記顕微鏡によって結像している間に前記試料を操作するために、取り外し可能な方法で前記プラットフォームに連結されるものである。
26. 請求項５のシステムにおいて、前記複数のマニピュレータ・モジュールは、前記プラットフォームを前記顕微鏡に連結している間に前記試料を操作するために、取り外し可能な方法で前記プラットフォームに連結されるものである。
27. 請求項５のシステムにおいて、前記インターフェイスは前記プラットフォームを前記顕微鏡の試料チェンバーに挿入するのに適しているものである。
28. 顕微鏡に提供するための試料を保持するためのポータブル試料ホルダーであって、
    試料を受け取るための台部と、
    複数のインターフェイス位置であって、前記複数のインターフェイス位置はそれぞれマニピュレータ・モジュールを受け入れるためのものであり、前記マニピュレータ・モジュールがエンドエフェクタと、前記受け入れた試料を操作するために前記エンドエフェクタを駆動するための駆動機構とを有し、前記複数のインターフェイス位置が、前記受け取った試料を操作するためにそこに連結された複数のマニピュレータ・モジュールを同時に操作することを可能とするように配置される、前記インタフェース位置と、
    顕微鏡と連結するためのインターフェイスと
    を有するポータブル試料ホルダー。
29. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、顕微鏡と連結するための前記インターフェイスは前記顕微鏡に取り外し可能な方法で連結するためのインターフェイスを有するものである。
30. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記顕微鏡は電子顕微鏡を有するものである。
31. 請求項３０のポータブル試料ホルダーにおいて、前記顕微鏡は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を有するものである。
32. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの動作を少なくとも２次元で起こす働きをするものである。
33. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの動作を少なくとも３次元で起こす働きをするものである。
34. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタの粗い動作のための第１のアクチュエータを有するものである。
35. 請求項３４のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタの粗い動作は、約３０ナノメートルの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
36. 請求項３４のポータブル試料ホルダーにおいて、前記第１のアクチュエータは前記エンドエフェクタに少なくとも２ミリメートル範囲の動作を与える働きをする。
37. 請求項３４のポータブル試料ホルダーにおいて、前記第１のアクチュエータは、
    リニア・ステッパー・マイクロアクチュエータ、スティック・スリック圧電性マイクロアクチュエータ、超音波圧電性マイクロアクチュエータ、及びインチワーム圧電性マイクロアクチュエータから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
38. 請求項３４のポータブル試料ホルダーにおいて、前記駆動機構は更に前記エンドエフェクタを正確に動かすための第２のアクチュエータを有するものである。
39. 請求項３８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすとは、少なくともナノメートルスケールの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
40. 請求項３８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記第２のアクチュエータは、
    圧電チューブ、圧電スタック、圧電バイモルフ・マイクロアクチュエータ、及び圧電プレートから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
41. 請求項３８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記第２のアクチュエータは四電極圧電チューブを有するものである。
42. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記駆動機構は前記エンドエフェクタを正確に動かすためのアクチュエータを有するものである。
43. 請求項４２のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすとは、少なくともナノメートルスケールの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
44. 請求項４２のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは、
    圧電チューブ、圧電スタック、圧電バイモルフ・マイクロアクチュエータ、及び圧電プレートから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
45. 請求項４２のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは四電極圧電チューブを有するものである。
46. 請求項２８のポータブル試料ホルダーにおいて、前記エンドエフェクタは、
    プローブ、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、フック、ホースから成る一群から選択される１つを有するものである。
47. 顕微鏡で観察中の試料を操作する方法であって、
    試料を操作するために複数のマニピュレータ・モジュールを選択する工程と、
    前記複数のマニピュレータ・モジュールをそれぞれ、マニピュレータ・プラットフォームの複数のインターフェイス位置の１つに取り外し可能な方法で連結する工程と、
    試料を前記マニピュレータ・プラットフォームに配置する工程と、
    前記マニピュレータ・プラットフォームに配置した試料を前記顕微鏡によって結像することができるように前記マニピュレータ・プラットフォームを顕微鏡に連結する工程と、
    前記マニピュレータ・プラットフォームに連結された前記複数のマニピュレータ・モジュールを用いて前記試料を操作する工程であって、前記複数のマニピュレータ・モジュールが互いに協調しながら前記試料を操作するように、前記複数のマニピュレータ・モジュールを同時に動作操作することが可能である、操作する工程と
    を有する方法。
48. 請求項４７の方法において、前記顕微鏡は電子顕微鏡を有するものである。
49. 請求項４７の方法において、前記顕微鏡は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を有するものである。
50. 請求項４７の方法において、前記複数のマニピュレータ・モジュールはそれぞれ、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを駆動するための駆動機構とを有するものである。
51. 請求項５０の方法において、前記駆動機構は前記エンドエフェクタを正確に動かすためのアクチュエータを有するものである。
52. 請求項５１の方法において、前記エンドエフェクタを正確に動かすとは、少なくともナノメートルスケールの精度で前記エンドエフェクタを動かすことである。
53. 請求項５１の方法において、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは、
    圧電チューブ、圧電スタック、圧電バイモルフ・マイクロアクチュエータ、及び圧電プレートから成る一群から選択されるアクチュエータを有するものである。
54. 請求項５１の方法において、前記エンドエフェクタを正確に動かすための前記アクチュエータは四電極圧電チューブを有するものである。
55. 請求項４７の方法において、前記マニピュレータ・プラットフォームを顕微鏡と連結する前記工程は、
    前記マニピュレータ・プラットフォームを前記顕微鏡の試料チェンバーに挿入する工程を有するものである。
56. 請求項４７の方法において、前記試料を操作するために、前記マニピュレータ・プラットフォームと連結された前記複数のマニピュレータ・モジュールを用いる前記工程は、
    前記顕微鏡を用いて前記試料を結像する間に前記試料を操作するために、前記複数のマニピュレータ・モジュールを用いる工程を有するものである。

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