JP2008173766A - 試料ホルダを回転及び並進させるマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、従来技術に係るマニピュレータを代替するマニピュレータを供することを目的とする。
【解決手段】 たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)に用いられるマニピュレータが記載されている。当該マニピュレータは、試料ホルダ(4)を回転及び並進させる能力を有する。当該マニピュレータは、円形の試料ホルダを2の部材(3A,3B)間で留める。前記部材はアクチュエータ(2A,2B)上にマウントされている。複数のアクチュエータを同一の方向に動かす結果、試料ホルダは並進する。その一方で、複数のアクチュエータを反対方向に動かす結果、試料ホルダは回転する。
【選択図】 図1A

Description

本発明は、回転軸の周りで試料ホルダを回転させ、かつ前記試料ホルダを並進軸に沿って並進させるマニピュレータに関する。前記試料ホルダは、回転軸の周りで回転対称性を有する少なくとも1の外表面、所謂被駆動表面(driven surface)、を示す。当該マニピュレータは、ベース、多数の部材、及びアクチュエータを有する。各部材は、表面、所謂駆動表面(driving surface)を示す。各駆動表面は、並進軸に沿って前記ベースに対して移動する。前記アクチュエータは、前記ベースに対して前記部材を移動させる。

本発明はまた、係るマニピュレータを有するステージ及び係るマニピュレータを有する装置にも関する。

係るマニピュレータは、特許文献1から既知である。

係るマニピュレータは、たとえば走査型プローブ顕微鏡(SPM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)のような非常に正確な操作が必要とされる装置に用いられる。

既知のマニピュレータは、たとえば試料ホルダのような円筒体を並進及び/又は回転させるのに用いられる。

当該マニピュレータは、試料ホルダを取り囲むベース、及び3つで1組をなす圧電性アクチュエータを2組有する。各アクチュエータは、そのベースの内側を向いている。各アクチュエータは、試料ホルダと接触する、所謂駆動表面を示す。3の表面からなる各組は、試料ホルダの周囲に、たとえば互いに120°離れた状態で設けられる。その表面は、その表面間で試料ホルダを留める。それにより試料ホルダは、表面間で固定される。そのアクチュエータは、駆動表面を、ベースに対して並進軸に沿って、かつその並進軸に対して垂直な方向に並進させる能力を有する。

その並進軸に沿って駆動表面を動かすことによって、試料ホルダは並進する。またその並進軸に垂直に駆動表面を動かすことによって、試料ホルダをその並進軸の周りで回転させることができる。

回転軸と並進軸とは一致するが、その一方でそのアクチュエータは、2軸に沿って動くように備えられていることを明記しておく。一の軸は並進軸に平行な軸であり、他の軸はその並進軸に垂直な軸である。

当該マニピュレータは、動作時に、ベアリング内で全くすべりを示さない（駆動表面全体にわたって試料ホルダが回転するときにのみ生じる）。従って固定/すべりの効果及び関連する運動の不規則性を導入することなく、非常に小さな運動を実現することが可能である。

既知のマニピュレータのストロークは、複数の駆動表面の少なくとも1が試料ホルダとの接触を切らなければならなくなる前では、限られている。たとえマニピュレータの大きさを縮小することで、並進軸に沿ったストロークを縮小することができるとしても、回転ストロークは非常に制限されていて、たとえば±1°である。

既知の特許文献では、既知のマニピュレータは、アクチュエータを1方向にゆっくりと動かすことによってそのストロークを増大させることができることが記載されている。アクチュエータを1方向にゆっくりと動かすことによって、駆動表面と試料ホルダとの間の静止摩擦力は、駆動表面を試料ホルダ上の同一位置に保持し、その後アクチュエータを反対方向に急激に動かす。アクチュエータが急激に動いた結果、駆動表面は試料ホルダ上ですべるので、試料ホルダに対する駆動表面の位置は別な位置に移される。
米国特許第6849989号明細書 米国特許第6388262号明細書

本発明は、従来技術に係るマニピュレータを代替するマニピュレータを供することを目的とする。

上記目的のため、本発明によるマニピュレータは、以下のような特徴を有する。
・アクチュエータは、並進軸に沿った運動を起こすように備えられた線形アクチュエータである。
・少なくとも2の駆動表面が互いに対向している。
・複数の駆動表面は、その間で被駆動表面を留めるように備えられている。
その結果、少なくとも2の駆動表面が、並進軸に沿って互いに反対方向に等距離を動くとき、試料ホルダは回転軸の周りで回転する。また駆動表面が、並進軸に沿って同一方向に等距離を動くとき、試料ホルダは、並進軸に対して平行な方向に並進する。その結果、回転軸と並進軸とが互いに垂直となる。

回転ストロークは、被駆動表面の円周についての、複数の駆動表面の相互に対する相対ストロークによって与えられるので、回転ストロークは、駆動表面の相対移動量が被駆動表面の円周を超えるときには360°よりも大きくできる。その際、被駆動表面に対して駆動表面の位置を再設定する必要ない。

部材はたとえば、2の平行シリンダの形態をとって良い。その2の平行シリンダ間では、試料ホルダが留められている。ベースに対してシリンダを変位させることによって、ベースに対する試料ホルダの並進及び/又は回転が実現される。

駆動表面はほぼ平行であって良い。しかし駆動表面は、少なくともそのストローク終端で、非平行となるように形成されても良い。それにより、試料ホルダの損失の原因となる恐れのある、被駆動表面の駆動表面からのすべりが生じないようにすることが可能である。

特許文献2はまた、360°よりも大きい角度で回転する能力を有するマニピュレータについて記載している。このマニピュレータは、薄い金属帯で作動する円形の試料ホルダ、及び小さなベアリングを有する。部品の合計数はかなり多くなる。この種類のマニピュレータの大きさはかなり小さい（典型的には約5nm幅）ので、その結果その構造物は、非常に壊れやすく、かつ損傷を受けやすい。

また本発明によるマニピュレータに係る他の利点は、試料ホルダが、少なくとも1面から自由にアクセス可能なことである。これにより、マニピュレータからの試料ホルダの挿入及び取り出しを容易にすることができる。

本発明によるマニピュレータの実施例では、被駆動表面が駆動表面間で留められているときには、その駆動表面は、互いにほぼ平行である。

本発明によるマニピュレータの他の実施例では、駆動表面の数は偶数で、各駆動表面は別な駆動表面に対向し、互いに対向する駆動表面の各組はその駆動表面間で被駆動表面を留めるように備えられている。

本発明によるマニピュレータのさらに他の実施例では、駆動表面の数は2に等しい。

これは、利用可能な駆動表面の最小数であるので、最も単純な構造を供する。部材をたとえば2の長いシリンダとして形成し、かつ環状の溝を有する被駆動表面を備えることによって、試料ホルダは、その2の長いシリンダ間で保持可能となる。本実施例における回転軸は、試料ホルダの回転軸に沿っている。

本発明によるマニピュレータの別な実施例では、駆動表面の数は4に等しい。試料ホルダは、2の突き出た心棒を有する。前記試料ホルダの心棒は、互いに同一直線上に存在する。各試料ホルダの心棒は、4の駆動表面のうちの2の表面間で留められている。

本発明によるマニピュレータのさらに別な実施例では、部材は汎用シリンダの形態をとる。

上述のマニピュレータは、潤滑剤又は真空との相性の悪い他の材料を用いる必要がない。このことにより、当該マニピュレータは、たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)のようなそれ自体既知の粒子光学装置内のマニピュレータとして、より適したものとなる。

TEM内において試料が存在する領域は、典型的には10^-6mbar以下の圧力にまで排気される。多くの潤滑剤及びたとえば合成物質は、この圧力との相性が良くない。

本発明によるマニピュレータのさらに別な実施例では、駆動表面は、被駆動表面と協働するような形状である。その協働する形状は、駆動表面上の凹形状の縁と試料ホルダ上の凸形状の縁である。

駆動表面間で試料ホルダを保持するためには、協働する駆動表面と被駆動表面を形成することで、試料ホルダが、マニピュレータからすべり、又は落ちないようにすることが必要である。表面を協働する凹面と凸面形状にすることによって、これは実現される。

本発明によるマニピュレータのさらに別な実施例では、駆動表面は、被駆動表面の形状と協働するような形状である。協働する形状とは、駆動表面上の凸形状の縁と試料ホルダ上の凹形状の縁である。

本発明によるマニピュレータのまたさらに別な実施例では、凹形状の縁は溝で、かつ凸形状の縁は刃である。

本発明によるマニピュレータの別な実施例では、当該マニピュレータはステージ上にマウントされる。そのステージは、装置上にそのステージをマウントするフランジを示す。そのステージは、当該マニピュレータのベースがマウントされるマウント用ベースを示す。そのステージは、そのフランジに対してそのマウント用ベースを移動させる能力を有する。

たとえばTEMで用いられる従来のステージのようなステージ上に当該マニピュレータをマウントすることによって、当該マニピュレータは、新たな自由度(DoF’s)を獲得する。それにより、試料ホルダをより多目的に位置設定することが可能となる。

本発明によるマニピュレータのさらに別な実施例では、当該マニピュレータは、ステージ上にマウントされている。そのステージのマウント用ベースは、そのステージのフランジに対して、少なくとも2の並進軸に沿って動き、かつ1の回転軸の周りにも動く。前記軸は、当該マニピュレータの軸と一致しない。その結果ステージは、5の自由度によって、そのフランジに対して試料ホルダを操作するように備えられる。

本発明によるマニピュレータは、2の自由度を示す。1の回転自由度と1の並進自由度である。多くの用途では、試料ホルダは、より多くの自由度によって位置設定可能であることが求められる。従来のステージ上に当該マニピュレータのベースをマウントすることによって、試料ホルダは、2よりも多くの自由度で位置設定可能となる。

本発明によるマニピュレータのさらに別な実施例では、当該マニピュレータはステージ上にマウントされる。そのステージのマウント用ベースは、そのステージのフランジに対して、少なくとも2の並進軸に沿って動き、かつ少なくとも1の回転軸の周りにも動く。当該マニピュレータの並進軸の1は、そのステージの並進軸の1と一致する。

この実施例では、当該マニピュレータのベースは、従来のステージ上にマウントされている。当該マニピュレータの並進は、たとえばその方向における試料ホルダ位置の微調整として用いられて良い。その一方で、その方向における従来のステージの並進は、祖調整として用いられて良い。

さらに他の実施例では、装置には、本発明によるマニピュレータが備えられる。

この実施例では、当該マニピュレータは、たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型透過電子顕微鏡(STEM)、走査型電子顕微鏡(SEM)、集束イオンビーム(FIB)装置のような装置に備えられる。

当該マニピュレータはまた、たとえば走査型プローブ顕微鏡(SPM)のような他の装置にマウントされても良い。SPMとは、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型トンネル顕微鏡(STM)、走査型近接場光学顕微鏡(SNOM)を含む装置の群の一般名称である。これらすべての装置は、ナノメートル以上の分解能での試料の分析が可能で、かつナノメートルの精度で試料又は試料ホルダの位置を設定するマニピュレータ/ステージを用いる。

ここで本発明が、概略図に基づいて詳述される。図中、対応する特徴部位は、同一参照番号で特定される。

図1Aは、試料ホルダを有する本発明によるマニピュレータを図示している。ベース1は、2のアクチュエータ2A及び2Bと接続する。先細り形状を有するシリンダの形態をとる2の部材3A及び3Bが、そのアクチュエータに取り付けられている。

そのアクチュエータは、軸8に沿ってその部材を変位させるように備えられている。そのアクチュエータは、圧電性アクチュエータであって良いが、モータであっても良く、又は、たとえば熱膨張及び収縮で動作しても良い。

部材3Aと部材3Bとの間で、試料ホルダ4が留められている。各部材は駆動表面を示す。その駆動表面で、各部材はその試料ホルダと接触できる。その一方で、その試料ホルダは被駆動表面を示す。その被駆動表面で、その試料ホルダはその駆動表面と接触できる。

その試料ホルダは、上に試料5が設けられるグリッド6を示す。試料ホルダ4は、試料ホルダ4は、グリッド6（又は少なくとも部分的に透過性を示す表面）を示す。グリッド6は、たとえばTEMで使用されるような荷電粒子が、少なくとも局所的にグリッド6を通過させることを可能にする。しかし薄膜が備えられた試料ホルダもまた、TEMで使用されるものとして知られている。たとえばX線顕微鏡のような他の用途に用いることで、試料ホルダに対して新たな要求が生まれる。その結果としてたとえば、試料ホルダの形態が異なってくる。

アクチュエータ2A及び2Bが、部材3A及び3Bを、同一方向に同一距離だけ変位させるとき、試料キャリア4は、アクチュエータが動く方向に沿って並進する。

そのアクチュエータが、その部材を、それぞれ反対方向に（同一距離だけ）変位させるとき、試料キャリア4は回転する。

明らかに、部材3A及び3Bの動く距離が同一ではないときには、その結果として試料キャリア4は回転すると共に並進する。

上述したように、部材3A及び3Bは、振動感受性が高Q値とならないように先細りシリンダとして形成するのが最善だが、他のシリンダが用いられても良い。

図1Bは、線AA’に沿った図1Aのマニピュレータの断面を図示している。

ここで部材3A及び3Bは、試料ホルダ内の溝と協働する円形の断面を示すことが明らかに示される。試料キャリアは部材の駆動表面にわたって回転することが可能で、他方試料キャリアは2の部材によって画定される面内に保持される。従って試料キャリアが2の部材から飛び出る危険はない。被駆動表面が駆動表面にわたって回転する結果、（ほとんど）摩擦の起こらない運動が実現する。またそれにより、摩擦が生じる運動に関するすべり/固定効果及び不規則な運動が回避される。

円形の断面を有する部材が図示されているが、当業者は、たとえば正方形の断面のような他の断面を有する部材が用いられても良いことをすぐに理解する、ことに留意して欲しい。

図1Cは、他の試料ホルダを有する本発明によるマニピュレータの断面を線AA’に沿って図示している。

図示された試料ホルダは、標準的な試料グリッドとの相性が良い。そのグリッド6は、試料キャリア内に挿入されて、かつ脱離を防ぐために、円形バネ7で固定される。

この実施例では、回転軸は、グリッド6つまりは試料5がマウントされている面に垂直であることに留意して欲しい。

図2Aは、試料ホルダを有する本発明による他のマニピュレータを図示している。

図2Aは、図1Aから導かれうると考えられる。しかしここでは、部材3A及び3Bは溝を示し、試料キャリアは協働する縁を示す。

図2Bは、線AA’に沿った図2Aのマニピュレータの断面を図示している。

図3Aは、2の突き出た心棒を有する試料ホルダが4の駆動表面間で留められているマニピュレータを図示している。

図3Aは、上に2のアクチュエータ2A及び2Bがマウントされているベース1を示す。ハッチングで示されているアクチュエータ2Bは、この図では、アクチュエータ2Aよりもわずかに長い。アクチュエータ2A及び2Bは互いに接続している。部材30はアクチュエータ2Aと接続し、部材32（ハッチングで示されている）はアクチュエータ2Bと接続する。部材30は2の先端部31A及び31Bを有する。部材32は2の先端部33A及び33B（ハッチングで示されている）を有する。

試料ホルダ21は、共通の軸に沿って配置されている2の心棒20A及び20Bを有する。グリッド6は、試料ホルダ上にマウントされている。グリッド6は、試料ホルダ21上にマウントされている。グリッド6の上には試料5が設けられている。

試料ホルダ21の心棒20Aは、先端部31Aと先端部33Aの間で留められている。その一方で、試料ホルダの心棒20Bは、先端部31Bと先端部33Bの間で留められている。

図3Bは、線AA’に沿った図3Aのマニピュレータの断面を図示している。図3Bは、心棒20Aを間で留める先端部31A及び先端部33A、並びに心棒20Bを間で留める先端部31B及び先端部33Bを示す。

図示されているように、グリッド6は、円形バネ7によって所定の位置に保持される。

アクチュエータ2Aを一の方向に、かつアクチュエータ2Bを他の方向に、それぞれ（ベース1に対して）等距離だけ動かすことによって、先端部31Aと31Bは試料ホルダに対して一の方向に動き、かつ先端部33Aと33Bは一の方向とは反対の方向に動く。その結果ベースに対して心棒20Aと20Bが回転するので、試料ホルダも回転する。

両アクチュエータがベース1に対して同一方向に（等距離を）動く結果、（ベースに対して）試料ホルダが並進する。

この実施例では、回転軸はグリッド6及び試料5の面に平行であることに留意して欲しい。

さらにこの実施例では、先端部31A、31B、33A、及び33Bの駆動表面が平坦面として図示されていること、及びその先端部は長方形の断面を有することに留意して欲しい。当業者は、本発明によるマニピュレータが、この形態に限定される必要がなく、たとえば円形又は楕円形の断面を有する先端部が用いられても良いことを理解する。

図4は、本発明による他のマニピュレータを図示している。

図4は、線形アクチュエータ11が上にマウントされているベース1を示している。アクチュエータ11は副ベース10を動かすことができる。副ベース10上には、ギアホイール12がマウントされている。このギアホイール12は、部材3A及び3Bのアクチュエータとして機能する。それにより、アクチュエータ11が並進することで試料ホルダ4が並進する。他方ギアホイール12が回転することで、試料ホルダが回転する。

部材3Aは薄くなることで、ちょうつがいとバネとを併せ持つものとして機能する。それにより、事前に搬入されたバネによって、制御された力で、試料ホルダを留めることが可能となる。

当業者は、そのようなちょうつがいを用いなくてもその部材を事前に搬入することが可能であることを理解することに留意して欲しい。

たとえばTEMで用いられているような従来のステージ上にマニピュレータのベースをマウントすることによって、ステージの自由度を、より多くすることができる。係るステージはまた、たとえばTEMのような粒子光学装置に用いられても良い。

実施例では、TEMについてのみ言及されているが、当業者は、TEMの代わりに、本発明が、走査型透過電子顕微鏡(STEM)、集束イオンビーム装置(FIB)等の装置のステージとして用いられても良いことを理解する。また走査型プローブ顕微鏡(SPM)についても、本発明によるマニピュレータが用いられて良い。SPMとは、走査型トンネル顕微鏡(STM)、走査型近接場光学顕微鏡(SNOM)等の装置の群の一般名称である。

試料ホルダを有する本発明によるマニピュレータを図示している。 線AA’に沿った図1Aのマニピュレータの断面を図示している。 他の試料ホルダを有する本発明によるマニピュレータの断面を線AA’に沿って図示している。 試料ホルダを有する本発明による他のマニピュレータを図示している。 線AA’に沿った図2Aのマニピュレータの断面を図示している。 2の突き出た心棒を有する試料ホルダが4の駆動表面間で留められているマニピュレータを図示している。 線AA’に沿った図3Aのマニピュレータの断面を図示している。 本発明による他のマニピュレータを図示している。

符号の説明

1 ベース
2A アクチュエータ
2B アクチュエータ
3A シリンダ
3B シリンダ
4 試料ホルダ
5 試料
6 グリッド
7 円形バネ
8 軸
10 副ベース
11 線形アクチュエータ
12 ギアホイール
20A 心棒
20B 心棒
21 試料ホルダ
30 部材
31A 先端部
31B 先端部
32 部材
33A 先端部
33B 先端部

Claims (18)

1. 回転軸の周りで試料ホルダを回転させ、かつ並進軸に沿って前記試料ホルダを並進させるマニピュレータであって、前記試料ホルダは、前記回転軸の周りで回転対称性を有する少なくとも1の外側表面、所謂被駆動表面、を示し、
   当該マニピュレータは：
   ベース、
   各々が、所謂駆動表面と呼ばれる前記ベースに対して前記並進軸に沿って可動である表面を示す、多数の部材、及び
   前記ベースに対して前記部材を動かすアクチュエータ、
   を有し、
   前記アクチュエータは、前記並進軸に沿った運動を生じさせるように備えられ、
   少なくとも2の駆動表面は互いに対向し、かつ
   複数の前記駆動表面は、該駆動表面間で前記少なくとも1の被駆動表面を留めるように備えられ、
   それにより、
   前記少なくとも2の駆動表面が前記並進軸に沿って互いに反対方向に等距離を動くとき、前記試料ホルダは前記回転軸の周りで回転し、かつ前記駆動表面が前記並進軸に沿って同一方向に等距離を動くとき、前記試料ホルダは前記並進軸に対して平行な方向に並進し、
   前記回転軸と前記並進軸とが互いに垂直となる、
   ことを特徴とする、マニピュレータ。
2. 複数の前記駆動表面は、前記被駆動表面が前記駆動表面間で留められているときには、互いにほぼ平行である、請求項1に記載のマニピュレータ。
3. 前記駆動表面の数が偶数で、
   各駆動表面は他の駆動表面に対向し、
   互いに対向する駆動表面の各組は、被駆動表面を前記駆動表面間で留めるように備えられている、
   請求項1又は2に記載のマニピュレータ。
4. 前記駆動表面の数が2に等しい、請求項3に記載のマニピュレータ。
5. 前記駆動表面の数が4に等しく、
   前記試料ホルダが2の突き出た試料ホルダの心棒を有し、
   前記試料ホルダの心棒は、互いに同一直線上に存在し、
   各試料ホルダの心棒は、前記の4の駆動表面のうちの2表面の間で留められている、
   請求項3に記載のマニピュレータ。
6. 前記部材が汎用シリンダの形態をとる、上記請求項のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
7. 前記汎用シリンダが先細り形状を有するシリンダで、
   前記ベースに対向する前記先細り形状を有するシリンダの面が、前記試料ホルダ付近の前記先細り形状を有するシリンダの面よりも大きな断面を有する、請求項6に記載のマニピュレータ。
8. 前記線形アクチュエータが圧電性線形アクチュエータである、上記請求項のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
9. 真空中で動作するように備えられた、上記請求項のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
10. 前記駆動表面が前記被駆動表面の形状と協働するような形状で、かつ
    前記の協働する形状は、前記駆動表面上の凹形状の縁、及び前記被駆動表面上の凸形状の縁である、
    請求項1から9のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
11. 前記駆動表面が前記被駆動表面の形状と協働するような形状で、かつ
    前記の協働する形状は、前記駆動表面上の凸形状の縁、及び前記試料ホルダ上の凹形状の縁である、
    請求項1から9のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
12. 前記凹形状の縁が溝で、かつ前記凸形状の縁が刃である、請求項10又は11に記載のマニピュレータ。
13. ステージ上にマウントされるマニピュレータであって、
    該ステージは、装置上に前記ステージをマウントするフランジを示し、
    前記ステージは、当該マニピュレータのベースが上にマウントされるマウント用ベースを示し、かつ
    前記ステージは、前記フランジに対して前記マウント用ベースを動かす能力を有する、
    上記請求項のうちのいずれかに記載のマニピュレータ。
14. 前記のステージのマウント用ベースが、前記フランジに対して、少なくとも2の並進軸に沿って、かつ1の回転軸の周りで動き、
    前記並進軸の各々は他の前記並進軸に対してほぼ垂直で、かつ
    前記回転軸の各々は他の前記回転軸に対してほぼ垂直であるため、
    前記フランジに対して5の自由度で試料ホルダを操作するように備えられる、請求項13に記載のマニピュレータ。
15. 請求項13に記載のマニピュレータであって、
    前記のステージのマウント用ベースが、前記フランジに対して、少なくとも2の並進軸に沿って、かつ少なくとも1の回転軸の周りで動き、
    当該マニピュレータの前記並進軸の少なくとも1は、前記のステージの並進軸の1とほぼ一致する、
    マニピュレータ。
16. 上記請求項のうちのいずれかに記載のマニピュレータが備えられた装置。
17. 真空チャンバを有する装置であって、
    当該マニピュレータが、前記真空チャンバ内に設けられる、
    請求項16に記載の装置。
18. 前記真空チャンバが粒子光学装置の一部である、請求項17に記載の装置。

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