JP2010527441A - 小型ナノファブリケーション装置 - Google Patents

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Abstract

構造体を製造するとともに、直接書き込みモードでパターニングするために材料をチップから表面へと付着させるのに用いられ、肉眼で見える距離を移動しながらもナノスケールパターニングを行なうことができる能力を与える装置を提供する。小規模製造およびナノリソグラフィにおいて役立つ。機器をコンパクトにできるとともに、実験室の作業台または机上で機器を使用できる。装置は、ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリから、該多軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されている、複数のナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの前記多軸アセンブリと、少なくとも一つの前記ペンアセンブリとを備え、少なくとも一つの観察アセンブリと、少なくとも一つのコントローラとを備える。圧電方法ならびにデバイスおよびモータによるナノポジショニングは特に有益である。装置は、一体型の環境チャンバおよびハウジング、ならびに供給されるべき材料のためのインクリザーバを含むことができる。観察アセンブリは、長い作動距離を有する顕微鏡であってもよい。バイオアレイまたはマイクロアレイの製造において特に有用である。多軸アセンブリは5軸アセンブリであってもよい。ソフトウェアが効率的な使用を容易にし得る。

Description

関連出願
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2007年5月9日に出願された米国仮出願第60/916,979号の優先権を主張する。
連邦政府の補助金
本明細書において記載される特許請求の範囲の発明は、NIH SBIR助成金第2 R44 HG002978-02号を用いて開発された。政府は、特許請求の範囲の発明において特定の権利を有する。
背景
現代の経済における多くの用途は、ナノスケールを含む益々小さいスケールの構築・撮像構造体の使用を必要とする（例えばナノファブリケーション）。例えば更に小さく更に高性能の電子回路および電子部品が必要とされる。また、更に小さく更に高性能の生物学的構造体およびアレイが必要とされる。複雑な修復プロセスが小さいスケールで必要とされる。小さいスケールでの作業では、良好な位置合わせ方法および分解能が高い方法が必要とされる。一つの重要な方法は、直接書き込みリソグラフィ、または直接書き込みナノリソグラフィである。この場合、描写またはパターニングが構造体上で直接に行なわれる。これを行なうための一つの手法がチップベースの手法である。この手法では、鋭利なチップ（例えばSPMまたはAFMチップ）上に材料がコーティングされ、その後、材料が鋭利なチップから表面へと供給される。例えば、Mirkinらの米国特許第6,635,311号（特許文献1）および第6,827,979号（特許文献2）を参照されたい。また、NanoInk（イリノイ州、スコーキー）によって販売されるNSCRIPTOR（商標）ナノリソグラフィ機器も参照されたい。しかしながら、ナノスケールの製造は、更に大きいスケールでは生じ得ない、多くの困難および不確実性を与える。
ナノスケールを含む小さいスケールで形成する際の一つの重要な要件は、ナノスケールでの形成プロセスを停止させることなく、且つ位置合わせ精度を損なうことなく、より長いマクロスケールの距離にわたって動作できることである。すなわち、ナノスケールの製造は、マクロスケール（例えばmmのスケール）にわたる移動を伴うこともできる。多くの装置および機器はこの能力を与えない。例えば、材料を一列に付着させている場合には、長いラインの付着が可能であることが望まれる。または、点またはスポットのアレイで材料を付着させている場合、幾つかの場合では、幅広いおよび/または長いアレイを有することが望まれる。更に、これらの動作を行なうことができる装置および機器を簡略化する必要性が存在する。また、これらの機器が多用途であり、且つ感度および信頼性を与える必要性も存在する。また、機器がコンパクトで小型であれば有益である。多用途性の一つの局面は、例えば供給デバイスの一次元アレイおよび二次元供給デバイスを含む多くのタイプの供給デバイスと共に機能できることであり、これにより、異なる更に困難な位置合わせ問題が引き起こされる場合がある。二次元アレイでは、アレイの面および表面の面が一致されなければならず、これをナノスケールで行なうのは困難である。更に、ナノスケールチップと表面の間の角度を注意深く制御しなければならない。
特に、タンパク質およびペプチドのアレイ、ならびにDNAおよびオリゴヌクレオチドのアレイを含むバイオアレイを形成するための、更に良好な製造方法を開発する必要性が存在する。現在の方法としては、例えば、インサイチュー合成法（例えばアフィメトリクス）、ミクロ接触印刷法（例えばナノテラ）、およびロボットスポッティング法が含まれる。
米国特許第6,827,979号（特許文献2）は、鋭利なチップから基板表面へのインク材料の供給について記載しており、この場合、基板表面をチップと選択的に係合するように傾けることができる。
PCT出願国際公開公報第2006/076302号（特許文献3）は表面パターニングシステムについて記載している。しかしながら、このシステムは、パターニングされるべき基板表面に特に傾斜をもたらさない。また、例えば米国特許第7,008,769号（特許文献4）を参照されたい。
材料がペンアレイから基板へと供給されるナノリソグラフィ付着機器が公知である。この場合、ペンアレイは、3軸位置決めによって制御される。
米国特許第6,635,311号 米国特許第6,827,979号 PCT出願国際公開公報第2006/076302号 米国特許第7,008,769号
概要
本明細書において、例えば、物品、機器、装置、キット、製造方法、使用方法、ならびにソフトウェアおよびハードウェアが提供される。
例えば、一つの態様は、ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリから、該多軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されている、少なくとも五つのナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの前記多軸アセンブリと、少なくとも一つの前記ペンアセンブリと、を備え、少なくとも一つの観察アセンブリと、少なくとも一つのコントローラと、を備える装置を提供する。
他の態様は、ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリのチップから、該多軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されており、前記多軸アセンブリが、前記ペンアセンブリおよび前記基板を取り囲むための環境チャンバと結合されるように適合され、且つ前記基板が配置された取り外し可能なテーブルアセンブリと共に機能するようにも適合されている、少なくとも一つの圧電ナノポジショニングXステージ、少なくとも一つの圧電ナノポジショニングYステージ、少なくとも一つの圧電ナノポジショニングZステージ、傾きを与えるための第1の圧電ゴニオメータ、および該第1のゴニオメータの傾きに対して直交する傾きを与えるための第2の圧電ゴニオメータを備える少なくとも一つの多軸アセンブリと、ペンがカンチレバーのアレイを含み、該カンチレバーがその上に配置された前記チップを有する、ペンのアレイを含む少なくとも一つのペンアセンブリと、を備え、少なくとも一つの観察アセンブリと、少なくとも一つのコントローラと、を備える装置を提供する。
他の態様は、チップを備えるカンチレバーを含むペンのアレイを設ける工程と、前記チップ上に材料を配置する工程と、基板の空間位置および方向が、X方向の動作、Y方向の動作、Z方向の動作、第1の傾きの動作、および該第1の傾きに対して直交する第2の傾きの動作を与える多軸アセンブリによって制御される、前記チップから基板へと材料を供給する工程と、を含む方法を提供する。
他の態様は、ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリから、該5軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されている、少なくとも五つの一体型圧電ナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの5軸アセンブリと、少なくとも一つの前記ペンアセンブリと、少なくとも一つの観察アセンブリと、少なくとも一つのコントローラとを備え、前記5軸アセンブリが、少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備える、装置を提供する。
他の態様は、本明細書において記載される態様に係る装置を設ける工程と、材料をペンアセンブリから基板へ供給する工程とを含む方法を提供する。
更にまた、他の態様は、少なくとも五つのナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの多軸アセンブリを備え、該多軸アセンブリが少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備える、装置を提供する。
ソフトウェアが、本明細書において記載される、請求される方法を実行するように適合されてもよい。
本明細書において記載される様々な態様のうちの一つまたは複数で見出され得る、一つまたは複数の利点としては、ナノスケール分解能および位置決め精度の保持を伴なってマクロスケールで動作できること（例えばマクロスケールペン移動）、良好な感度、良好な信頼性、安価、良好な汎用性、バイオテクノロジー用途および電子用途の両方で用いる多種多様な付着材料を使用できること、およびコンパクト性（机上で使用できること）が含まれる。特に、例えば核酸アセンブリおよびタンパク質アセンブリを、例えば金属表面上またはガラス表面上に形成するために、ナノメートル分解能を伴ってミリメートルスケール領域にわたって、機器を用いてサブミクロンアレイを形成することができる。抗体およびオリゴマーのナノスケールパターニング、ならびにそれらの生物学的活性のスクリーニングは、アレイ内およびアレイ間における特徴の、優れた均一性および再現性を伴なって達成することができる。プロセスは、例えばゼロに近い僅かな量で表わされる薬剤標的の検査に関連する、かなり少ない量の合成材料および標識材料を必要とし得る。nm分解能を伴なったマクロスケール領域にわたるプログラム可能な多重の付着が提供される。
（a）第1の側面図、（b）第2の側面図、および（c）斜視図を示す機器の一実施態様を図示する。 マウントを含む顕微鏡アセンブリの分解図を示す一実施態様を図示する。 ペンアレイおよび支持アセンブリを示す一実施態様を図示する。 回転テーブルアセンブリの分解図を示す一実施態様を図示する。 筐体の分解図を示す一実施態様を図示する。 機器に対して付加された環境チャンバを示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最下位置にある（A）第1の側面図、（A）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が中間位置にある（A）第1の側面図、（A）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最上位置にある（A）第1の側面図、（A）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最上位置にあり、且つステージ2が5度傾いた（A）第1の側面図、（B）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最上位置にあり、且つステージ2およびステージ3の両方が5度傾いた（A）第1の側面図、（B）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最上位置にあり、且つステージ2およびステージ3の両方が5度傾き、且つステージ4が20mm並進された（A）第1の側面図、（B）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 ステージ1が最上位置にあり、且つステージ2およびステージ3の両方が5度傾き、且つステージ4およびステージ5の両方が20mm並進された（A）第1の側面図、（B）第2の側面図を示す一実施態様を図示する。 最も極端な位置にあるトッププレートの平面図を示す一実施態様を図示する。 最下位置にあるトッププレートの平面図を示す一実施態様を図示する。 顕微鏡マウント設計を図示する。 ACSコントローラおよびAB2ドライバボックスフロントパネルにおける一実施態様を図示する。 エンコーダを図示する。 エンコーダのための一実施態様を図示する。 ナノアレイアセンブリの製品図面を図示する。 顕微鏡を装着するのに用いるプレートの製品図面を図示する。 下筐体で用いるプレートの製品図面を図示する。 上筐体で用いるプレートの製品図面を図示する。 ペンベースで用いるブロックの製品図面を図示する。 ペンベースで用いるプレートの製品図面を図示する。 ペンホルダで用いるディスクの製品図面を図示する。 ペンホルダで用いるレバーの製品図面を図示する。 ペンホルダで用いるプレートの製品図面を図示する。 アダプタで用いるベースの製品図面を図示する。 アダプタで用いる上端部品の製品図面を図示する。 アダプタで用いる上端部品の他の製品図面を図示する。 ベースにおける製品図面を図示する。 後筐体のためのカバーの製品図面を図示する。 前筐体のためのカバーの製品図面を図示する。 更に大きい機器または装置の写真を示す。 多軸アセンブリに焦点を合わせる写真を示す。 顕微鏡および環境チャンバに焦点を合わせる写真を示す。 顕微鏡および環境チャンバに焦点を合わせる、上から見た写真を示す。 環境チャンバを伴なわない顕微鏡に焦点を合わせ、且つペンホルダおよび基板を示す、写真を示す。 図39に類似するが側方から見た写真を示す。 機器から取り外された環境チャンバを示す。 機器配線を示す。 機器の斜視図を示す。 機器の斜視図を示す。 環境チャンバを機器に挿入する状態を示す。 環境チャンバを機器に挿入する状態を示す。
詳細な説明
序文
本明細書において引用される全ての文献は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
ここで主張される態様を実施するため、当業者は、必要に応じて、例えば、
（i）Fundamentals of Microfabrication, The Science of Miniaturization, 2nd Ed., Madou,
（ii）The Nanopositioning Book. Moving and Measuring to Better than a Nanometre, T. R. Hicks et al, 2000;
を使用できる。
例えば、マイクロファブリケーションおよびMEMSにおける圧電効果の使用が公知である。これについては、例えばMadouの551-560頁を参照されたい。
装置
以下、様々な重要な要素について説明する。当業者は、公知のハードウェア、ソフトウェア、コントローラ、実装、ケーブル、筐体、電気配線、電源などを使用してこれらの要素を利用できる。幾つかの場合では、製造業者および販売業者から得られる材料および構成要素の一部として要素を得ることができる。
装置は、機器または機器の構成要素であってもよい。
部品は、単一部品、または、単一部品として機能するように統合して製造された複数の構成要素であってもよい。アセンブリは、単一のアセンブリとして機能するように統合して製造された複数の構成要素であってもよい。
多軸アセンブリ
3軸アセンブリ、5軸アセンブリ、および6軸アセンブリは当技術分野において公知である。装置は、ステージを介して少なくとも五つの動作制御モードを与えることができる、少なくとも一つの多軸アセンブリを備えることができる。多軸アセンブリが5軸アセンブリであってもよい。五つのステージは、一体化できるが、独立のステージとなって独立に機能できる。
3軸は、当技術分野において公知のX、Y、およびZ動作または方向であってもよい。例えば、XおよびY動作は、XステージおよびYステージのそれぞれを介して、平面内で二つの直交する方向でそれぞれ横方向動作または縦方向動作を与えることができる。Zステージを介したZ動作は、X動作およびY動作のための面に対する高さの昇降を与えることができる。すなわち、Zステージによって垂直動作を与えることができる。
更なる動作は、二つの直交する方向の傾きを与えることができる。例えば、X軸を中心とする回転、またはY軸を中心とする回転によって面を傾けることができる。
五つまたはそれ以上のステージを、一つのコントローラによる制御を受ける単一の機能ユニットへと一体化することができる。
望ましければ、一つまたは複数の更なるステージを設けて一体化することにより、六つまたはそれ以上のステージを設けることができる。例えば、回転ステージを多軸アセンブリの第六のステージとして加えることができる。
ポジショニングシステムおよびステージは、ナノポジショニングシステムおよびステージならびに圧電ナノポジショニングステージを含め、当技術分野において公知である。例えば、ドイツのGoettingenのLinosによる製品を参照されたい。これらは、例えば、リニアステージ、XYステージ、ゴニオメータステージ、回転ステージ、垂直並進ステージ、傾斜ステージ、プリズムステージ、LUMINOSナノポジショナ、および作動ドライブ、計量用のマイクロメータねじを含む手動ポジショナを含んでいる。また、これらは、例えばリニアステージ、XYステージ、回転ステージ、および付属品を含む例えば電動ポジショナも含んでいる。これらはコントローラも含んでいる。また、これらは、圧電ポジショナおよび圧電コントローラを含む圧電システムも含んでいる。
ナノポジショニングステージは、ナノメートルの範囲で対象物を移動させることができる。
例えば圧電、静電、電磁および磁歪を含む様々な作動および動作の方法を使用することができる。
圧電ナノポジショニングステージは、当技術分野において公知の動作制御のための圧電モータを含む精密モータを備えることができる。例えばNanomotion Ltd（イスラエルのYokneam）が提供する製品および特許を参照されたい。例えばNanomotionの米国特許第7,211,929号;第7,199,507号;第7,183,690号;7,119,477号;第7,075,211号;第7,061,158号;第6,979,936号;第6,879,085号;第6,747,391号;第6,661,153号;第6,617,759号;第6,473,269号;第6,384,515号;第6,367,289号;第6,247,338号;第6,244,076号;第6,193,199号;第6,064,140号を参照されたい。Nanomotionの米国特許第5,696,421号は、直交軸を含む多軸回転デバイスについて記載している。圧電マイクロモータが例えば米国特許第5,616,980号に記載されている。
また、FriendらのIEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 53, 6, June 2006, 1160-1168も参照されたい。
電磁気の例としては例えば米国特許第7,185,590号が含まれる。電磁構成要素およびポジショナは例えばPhysik Instrumenteから得ることができる。磁歪の例としては、例えばMicromega Dynamicsから入手できる構成要素が含まれる。
当業者は、ナノポジショニング技術、デバイス、および構成要素のための製造業者を探すことができる。
多軸アセンブリは、直線X動作に適合されるモータまたはステージなどの構成要素を備えることができる。例えば、構成要素は、少なくとも10mm、または少なくとも20mm、または少なくとも40mmの動作を与えることができる。
多軸アセンブリは、直線Y動作に適合されたモータまたはステージなどの構成要素を備えることができる。例えば、構成要素は、少なくとも約10mm、または、少なくとも約20mm、または少なくとも約40mmの動作を与えることができる。範囲は、例えば約10mm〜約60mmであってもよい。
多軸アセンブリは、直線Z動作に適合されたモータまたはステージなどの構成要素を備えることができる。例えば、構成要素は、少なくとも10mm、または少なくとも20mm、または少なくとも40mmの動作を与えることができる。範囲は、例えば約10mm〜約60mmであってもよい。
X平面およびY平面内での動作範囲は、例えば少なくとも約400平方mm、または少なくとも約900平方mm、または少なくとも約1,600平方mmの範囲を与えることができる。
幾つかの場合では、Z動作に比べて広い動作範囲が、X動作およびY動作に関して必要とされ得る。例えば、Z動作範囲は、X動作範囲またはY動作範囲の約33％〜67％であってもよい。
多軸アセンブリは、第1の傾斜動作に適合されたモータまたはステージまたはゴニオメータなどの構成要素を備えることができる。例えば、傾斜角度は、例えば少なくとも2度、または少なくとも5度、または少なくとも10度であってもよい。
多軸アセンブリは、第2の傾斜動作に適合されたモータまたはステージまたはゴニオメータなどの構成要素を備えることができる。これは、第1の傾斜とは独立に機能できる。例えば、傾斜角度は、例えば少なくとも2度、または少なくとも5度、または少なくとも10度であってもよい。
傾斜動作は、基板の平面とペンアセンブリの平面の間の位置合わせを行なうことができる。更に、傾斜動作は、基板からチップ上への材料のより良好なコーティング、またはチップから基板への材料のより良好な供給または付着を可能にし得る。チップと基板の間の角度は、多軸傾斜を用いてより良好に制御できる。例えば、当技術分野において公知のように、約7度〜約15度の傾斜角度を使用できる。
特に、圧電構成要素およびモータを効果的に使用できる。
多軸アセンブリは、モータを含む他の要素と一体化される、例えば光学エンコーダを含む、一つまたは複数のエンコーダを備えることができる。
多軸アセンブリは、圧電モータを駆動させるためにマルチチャンネルコントローラおよび増幅器を備えることができる。
ステージは、5nmの分解能、および±15nmまたは更により好ましくは±5nmの再現性を有することができる。作業移動速度は例えば少なくとも100nm/秒または最大で20cm/秒であってもよく、範囲は例えば約100nm/秒〜約20cm/秒であってもよい。
五つの全てのステージを多軸アセンブリへと一体化して、単一のマルチチャンネルコントローラから制御することができる。この構造は、精密機構をシステムの他の部品から分離することができるとともに、製造プロセス中に加えられる場合がある、高い湿度または温度などの特定の状態下でステージを動作から保護することができる。五つの全てのステージの一体化は、例えばペン、インク入れ、分散システム、環境チャンバ、および光学素子を含む構成要素を位置決めするための、より多くの空間および汎用性を与えることができる。マルチチャンネルコントローラは、ステージの平行な独立した動作のために設計することができるとともに、それ自体の論理プロセッサを介して各ステージの位置の読み取り、処理、および調整を支持する。
多軸アセンブリを拡張可能スクリーンによって作業環境から分離することができる。
個々のステージは、アルミニウムまたはスチールなどの金属を備えることができる。
一つの態様では、圧電チューブアクチュエータをステージと一体化できる。圧電チューブアクチュエータを最上部のステージに設置することができる。
ステージは、特に多くの圧電モータの場合と同様に存在するプロセスを駆動するために非線形プロセスが使用されるときに、調整することができる。ステージ性能は、例えば並進速度、移動範囲、およびステージ負荷などのパラメータによって決まる。ユーザは、アセンブリの各ステージ毎に短距離および長距離動作のためのPID（比例積分微分）パラメータを最適化することができる。ユーザは、正確なPIDを決定することができるとともに、それらを例えば動作管理ソフトウェアにおいて指定することができる。
多軸ステージは、それらが互いに機能するように一体化させることができる。例えば、多軸ステージは、例えば垂直に積み重ねることを含み、互いの上に配置することができる。例えば、一つの態様では、最も下側のステージがZステージであり;Zステージ上に第1の傾斜ステージが配置され;第1の傾斜ステージ上に第2の傾斜ステージが配置され;第2の傾斜ステージ上にXステージが配置され；およびXステージ上にYステージが配置されるように多軸アセンブリを組み立てることができる。Z軸ステージは、底部にあって、他のステージの重量を支持することができる。当業者は、異なるステージを互いに機能し、且つ独立に機能するように一体化することができる。例えば、特定のナノポジショニングデバイスの製造業者の製造者は、その特定のナノポジショニングステージを他のナノポジショニングステージと一体化させて、必要とされる仕様を満たす方法を設計することができる。
多軸アセンブリをXY粗動並進ステージによって支持することができる。このステージは手動操作することができる。ステージは、例えば、基板面積全体にわたって50mm×50mmの視野を与えることができる。粗動並進ステージは、比較的大きくてもよく、例えば少なくとも10cm、または少なくとも20cmのベースを有することができる。分解能は、例えば少なくとも1ミクロンにまで至ることができる。粗動並進ステージは、例えばドイツのGoettingenにあるLinosを介して得ることができる。例としては、デジタルマイクロメータを有するX-YステージXY200が含まれる。
更に、ナノメートル分解能をもってステージの動作を制御するために、および/または調整するために、ソフトウェアを組み込むことができる。
以下、多軸アセンブリの実施例について更に説明する。
多軸アセンブリのための筐体/コントローラ/および配線
多軸アセンブリは、筐体またはハウジング内に配置することができる。これにより、塵埃を含む粒子から精密機構を保護することができる。また、これにより、ペンアセンブリおよび基板の周囲の環境を多軸アセンブリの環境から分離することもできる。筐体は、例えば金属または高分子（プラスチックを含む）またはセラミックを含む任意の固体構造要素から形成することができる。筐体は、多軸アセンブリの動作にかかわらず動かないようにすることができる。筐体は、互いに機能する一連の部品、例えばトッププレート、ボトムプレート、および一つまたは複数のサイドプレートを含むプレートを備えることができる。ロッドのような支持構造体を使用することができる。
トッププレートは開口を有することができる。開口は、テーブルアセンブリが例えば下側位置にあるときにテーブルアセンブリと共に機能して、テーブルアセンブリによってシールされるように適合されてもよい。多軸アセンブリおよびテーブルアセンブリは、筐体の環境と、環境チャンバの環境との間に物理的な分離、および/またはバリアが存在するように適合させることができる。これにより、多軸アセンブリから塵埃および破片が侵入しないようにすることもできる。また、開口は、例えばテーブルアセンブリおよびトップハウジングプレートに固定された材料のウェブによってシールすることもできる。あるいは、円形のブラシシールを使用することができる。テーブルアセンブリがトップハウジングプレートの底部に平らに保たれつつ自由に移動できるようにするために、プレートを使用することができる。そのため、テーブルアセンブリが移動するときに、プレートも開口を依然として覆いつつ移動する。金属ディスクおよびプラスチックディスクの組み合わせを含むディスクを使用することができる。
ケーブルを用いて多軸アセンブリの配線を行なうことができる。例えば、10本のケーブルを使用することができる。この場合、例えば5本がモータ用で、5本がエンコーダ用である。
製造業者により供給される情報および当技術分野において公知の方法によってコントローラおよび増幅器を適合させることができる。ケーブルおよび配線は、当技術分野において公知のように使用することができる。サイズ、柔軟性、出口ポイント、および長さを特定の用途に適合させることができる。
以下、筐体、コントローラ、および配線に関する実施例について更に説明する。
テーブルアセンブリ/取り外し可能な基板
装置および多軸アセンブリは、サンプルホルダまたは基板ホルダとして機能することができ、またはホルダと結合され得るテーブルアセンブリを更に備えることができる。テーブルアセンブリは、異なるサイズおよび形状を有する多種多様な基板を保持して位置決めするように適合されてもよい。例えば、テーブルアセンブリは、長さまたは直径が例えば最大5インチまで、または最大12インチまでの一般的な市販の基板を受け入れるように適合されてもよい。テーブルアセンブリは、回転させることができるとともに、所望であれば任意の位置または選択された位置にロックすることができる。
テーブルアセンブリおよび基板ホルダは交換可能であってもよい。テーブルアセンブリおよび基板ホルダは、温度調整・制御できるように適合されていてもよい。例えば、テーブルアセンブリおよび基板ホルダに、ヒータまたはクーラを設けることができる。テーブルアセンブリおよび基板ホルダは、ポジショナのX軸およびY軸と位置合わせされるように移動させて位置決めすることができる。
取り外し可能な基板は、多軸アセンブリによって制御することができる。基板は平坦であってもよい。基板は、多軸アセンブリと結合されて、多軸アセンブリによって位置決めされるように適合されていてもよい。基板は、X方向、Y方向、およびZ方向に移動させることができ、且つ任意の二つの直交する傾斜形態で傾斜させることができる。
基板は、マクロスケールの位置決めをもたらすように十分に大きくてもよい。基板は、金属、セラミック、高分子、ガラス、複合体、混合物、または任意の他の固体材料であってもよい。基板を表面処理することができる。例えば、薄層または層または単層を基板表面上に配置することができる。一例は、ガラススライドなどの、1インチ×3インチスライドである。ガラススライドは処理できる。
以下、テーブルアセンブリの実施例について更に説明する。
観察アセンブリ/顕微鏡
装置は、例えば光学顕微鏡、または光学顕微鏡および蛍光顕微鏡の組み合わせを含む顕微鏡などの、観察アセンブリを備えることができる。蛍光に関しては、IRレーザを含めることができる。これは、位置決めおよび位置合わせ、ならびに点在していることを確かめることを含む製造プロセスの視覚による監視のために使用できる。光学素子は、高分解能および長い作動距離によって特徴付けることができる。例えば、少なくとも約20mm、もしくは少なくとも約30mmの作動距離（例えば対物レンズとサンプル表面の間の距離）を使用することができ、または約30mm〜約40mm（例えば34mm）の作動距離を使用することができる。視野を、例えば約2.1×2.8mmから約0.21×0.28mmまで調整するために、一体ズーム機能を使用することができる。これらのズーム値は顕微鏡の仕様に依存し得る。フォーカス機能およびズーム機能は、電動化してリモートコントローラから、またはコンピュータソフトウェアによりアクセスできる。分解能は、例えば約400nmに至るまで対象物を視覚化できるように適合されてもよい。
画像をビデオカメラおよびレコーダなどによって取得することができる。
例えばA-Zoom2 10×Series分析顕微鏡（10:1ズーム範囲）などの顕微鏡は、例えばニューヨーク州のロチェスターにあるQioptiq Imaging Solutionsから得ることができる。Optem（登録商標）対物レンズを使用できる。
以下、観察アセンブリの実施例について更に説明する。
重要な特徴は、サブミクロン形体を検出できることである。例えば、一つのアレイにわたって点を形成することができる。この場合、点の直径が1ミクロン未満まで減少するが、アレイにわたる距離の関数としてのグレー値の測定により点を検出できる。検出は、例えば蛍光顕微鏡検査によって達成できる。また、検出は、サブミクロンアレイを含むアレイの混成に従うこともできる。
ペンアセンブリ＆供給
ペンアセンブリは、材料をチップから基板へと供給するように適合されてもよい。チップをカンチレバー上に配置することができる。例えば、単一のチップを使用できる。または、複数のチップを使用できる。チップをカンチレバーのアレイ上に配置することができる。この場合、各カンチレバーが一つのチップを備える。例えば、チップの一次元アレイを使用できる。あるいは、チップの二次元アレイを使用できる。例えば米国特許出願第11/690,738号および米国仮出願第60/894,657号を参照されたい。二次元アレイは、例えば約10,000本のペン〜約100,000本のペン、例えば約55,000本のペンを備えることができる。一つの態様では、二次元10×10ペンアレイを形成して例えばDNAおよびタンパク質を高スループット印刷するための、その他の機器と一体化させることができる。
フォトリソグラフィ法および電子ビームリソグラフィ法を含む、MEMS製造方法を使用して、ペンアセンブリを用意することができる。
特に、ナノスケールの鋭いチップの、カンチレバー端部への配置を含むカンチレバー上への配置が可能である。チップは、例えば、原子間力顕微鏡チップを含む走査プローブ顕微鏡チップを含む、ナノスケールチップであってもよい。チップは、中実であってもよく、または中実であるが穴、チャネル、または開口を有していてもよい。
チップは、硬質無機材料、例えばSiN、シリコンから形成することができ、または更に柔軟な有機材料から形成することができ、または更に硬質なもしくは柔軟な材料のコーティングを備えることができる。チップは、材料を供給できるように適合されてもよい。例えば、チップは、撮像のためだけに通常作製されるよりも長くてもよい。チップを湾曲させることができる。チップは、供給のためにより多くの材料を保持できるように適合されてもよい。チップは、高分子またはDNAまたはタンパク質を含む材料のような、より多くの粘性材料を保持するように適合されていてもよい。また、チップは、必要に応じてAFMイメージングなどの撮像のために適合させることもできる。
ペンアセンブリは、固定されるように適合されてもよく、または移動できるように適合されていてもよい。特に、ペンアセンブリは、X方向、Y方向、またはZ方向に移動できるように適合されていてもよい。または、ペンアセンブリがZ方向のみに移動できるように適合されていてもよい。ここで、X方向およびY方向は実質的に基板の面に関するものであるが、Z方向はこの面に対して垂直である。
ペンアセンブリは、ポジショナのX軸およびY軸と位置合わせされるように、移動させて位置決めすることができる。ペンアセンブリは、移動できないブラケットに嵌まり込むように適合されていてもよい。ブラケットは、必要に応じて、ペンの数センチメートル内に、マイクロチップまたはプリアンプなどの要素を備えて保持するように適合されてもよい。
ナノスケールで供給または付着させることを含む、材料を、チップまたはペンから基板へと供給または付着させるための方法およびデバイスおよび機器が、当技術分野において公知である。例えばMirkinらの米国特許第6,635,311号および第6,827,979号（DPN（登録商標）印刷またはDIP PEN NANOLITHOGRAPHY（登録商標）印刷）を参照されたい。また、例えばHendersonらの米国特許出願公開第2005/0266149号を参照されたい。供給される材料は、例えば、有機材料、無機材料、または生物学的材料であってもよい。直接書き込み法を使用できる。例えば、Direct-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications, Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources, Ed. Pique, Chrisey, 2002（例えば10章および18章を含む）を参照されたい。作動チップが公知である。例えばLiuらの米国特許第6,642,129号を参照されたい。核酸およびタンパク質またはペプチド材料を含む生物学的材料を付着させることができる。例えば、米国特許出願公開第2003/0068446号およびPCT出願国際公開公報第/2003/048314号を参照されたい。インクは、DNAのDMF溶液に基づくことができる。ゾルゲル材料を付着させることができる。例えば米国特許出願公開第2003/0162004号を参照されたい。高分子および導電性高分子を供給することができる。例えば、米国特許出願公開第2004/0008330号および米国特許第7,102,656号を参照されたい。熱供給方法を使用できる。例えば米国特許出願公開第2006/0040057号を参照されたい。触媒材料を供給することができる。例えば、第2004/0101469号および米国特許第7,098,056号を参照されたい。導電材料およびその前駆物質を供給できる。例えば、第2004/0127025号および米国特許第7,005,378号を参照されたい。磁性材料を供給できる。例えば第2004/0142106号を参照されたい。単量体を供給できる。例えば第2005/0272885号を参照されたい。
表面上に付着させられる材料は、表面に吸着、表面に化学吸着、表面に共有結合、または表面にイオン結合することができる。多くの場合、安定した付着が望ましい。
一つの態様は、金の上に付着させられる、チオールおよび硫化物のような硫黄化合物などの、自己集合した単層を形成する化合物の供給を含む。
一つの態様は、抗体、酵素、および多くの他のタイプのタンパク質もしくはペプチド化合物または材料の付着を含む。
一つの態様は、RNA、DNA、核酸、オリゴヌクレオチド、ならびにRNAおよびDNAで見出される、任意の他の情報を含有する単量体または高分子の付着を含む。
ナノ粒子、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブ、フラーレン、デンドリマーなどを含むナノ材料を付着させることができる。
材料を付着させ、供給し、またはパターニングすることができ、その後、材料は、例えばタンパク質もしくはナノワイヤもしくは他の小粒子を含む更なる材料を吸収し、または更なる材料に結合するために使用される。例えば米国特許第7,182,996号を参照されたい。
基板上に付着される材料は、液体であってもよく、湿っていてもよく、乾いていてもよく、または固体であってもよい。1000兆分の1リットルの量のインクを付着させることができる。界面活性剤を使用できる。例えば米国特許出願公開第2006/0242740号を参照されたい。
湿度、温度、および他のパラメータは、チップと基板との間にメニスカスが形成されるように適合させることができる。毛管力および湿潤相互作用を制御することができる。
位置合わせをコンピュータソフトウェアによって制御することができる。例えば第2003/0185967号を参照されたい。較正をコンピュータソフトウェアによって制御することができる。例えば米国特許第7,060,977号を参照されたい。
層状構造体を形成することができ、複数の付着物を用いて構造体の高さを増大させることができる。一つの層を付着させることができる。その上に他の層を付着させることができる。
構造体は、不揃いもしくは規則正しくてもよく、または連続もしくは不連続、点もしくは線、直線もしくは曲線などであってもよい。
チップを所望のように改質することができる。例えば、望ましければ、チップを高分子でコーティングすることができる。例えば第2005/0255237号を参照されたい。
一つの態様では、位置決めおよびフィードバックのためにレーザ光学素子を使用できる。しかしながら、他の態様では、レーザ光学素子を排除できる。例えば、ペンがセンサと適合される場合には、レーザ光学素子を排除できる。これにより、デバイスを簡略化できるとともに、より速い動作が可能になる。
スケールがナノメートルであり、且つnmの範囲だけ離間される構造体を形成できる。これらはナノ構造体であってもよい。横方向寸法が、例えば線幅またはドット径であってもよい。例えば、横方向寸法は、約5ミクロンまたはそれ未満、または約1,000nmまたはそれ未満、または約500nmまたはそれ未満、または約250nmまたはそれ未満、または約100nmまたはそれ未満であってもよい。横方向寸法は、例えば少なくとも約1nm、または少なくとも約10nm、または少なくとも約25nmであってもよい。構造体は、例えば約5ミクロンまたはそれ未満、または約1,000nmまたはそれ未満、または約500nmまたはそれ未満、または約250nmまたはそれ未満、または約100nmまたはそれ未満の距離または平均距離だけ離間させることができる。この離間距離は、エッジ間距離または中心間距離であってもよい。
異なるタイプのインクまたは材料の供給によってパターニングを行なうことができる。例えば、少なくとも二つの異なる材料、または少なくとも12個の異なる材料を単一の基板上へ供給することができる。
国際公開公報第2006/076302号（BioForce Nanosciences）は、表面パターニング工具および圧電動作アセンブリについて記載している。
以下、ペンアセンブリの実施例について更に説明する。
環境チャンバ
装置は環境チャンバを更に備えることができる。環境チャンバ内では、多軸アセンブリ（取り囲まれていてもよい）と光学顕微鏡の間の容積をシールするチャンバを使用して、環境状態が周囲の空気から独立するように環境状態を制御することができる。環境チャンバは、ペンアセンブリおよび基板を取り囲むように適合されてもよい。チャンバは透明であってもよい。チャンバは、例えばプラスチックまたはガラスであってもよい。チャンバは比較的小さいため、温度、湿度、およびガス組成などのパラメータを容易に制御できる。チャンバは、流入空気またはガス流に関して、温度センサおよび湿度センサのための出口に関して適合させることができる。特に、これらのパラメータを制御して、チップから基板への材料の供給または付着を制御することができる。自動フィードバック制御を行なうために、環境チャンバをソフトウェアと一体化させることもできる。環境チャンバには、自動フィードバック制御を行なうために、電子的な温度センサおよび湿度センサを設けることができる。
以下の実施例は、環境チャンバの一例について更に説明する。
更なるパラメータ、ハードウェア、およびソフトウェア
当技術分野において公知の方法およびデバイスは、機器または装置を振動から保護するために使用できる。例えば、装置をエアテーブル上に配置して、設置し、使用することができる。
二次元ペンアレイを装着して平面（2D）内で位置合わせを容易にするために、フレームを形成してその他の機器と一体化させることができる。
更に、例えば0.001度の分解能をもって、ペンアレイをサンプル構造体に対して回転させるように、システムを形成して一体化することができる。
当技術分野において公知のように、ペンアセンブリから基板への材料の供給を管理するために、ソフトウェアを使用することができる。例えば、イリノイ州、スコーキーにあるNanoInkが提供する製品および米国特許第6,827,979号を参照されたい。
公知のコンピュータハードウェアまたは機器ハードウェアは、一般に、ソフトウェアと一体化させることができ、コントローラとして機能できる。例えば、レーザベースのフィードバックシステムは、ソフトウェアと組み合わせることができ、または接近、位置合わせ、インク付け、および印刷を含む自動作業を行なって、印刷の品質を向上させるためにコントローラとして、ソフトウェアとは独立して機能することができる。
幾つかの態様では、サブナノメートル空間分解能/位置合わせ精度を伴う独立した撮像法を行なうために、原子分解能スキャナを機器に付加することができる。インク付けおよび書き込みのために使用されるアセンブリのこれらのスキャナおよびチップは、協働して、ナノスケール形体のパターニングおよび撮像を同時に行なうことができる。
キットを使用することができる。例えば、これらは、例えば基板、インク材料、ペン、指示書、容器、インク入れなどの付属品を備えることができる。
ソフトウェアによって制御され得る機器の特徴の例としては、以下が含まれる。
1.動作制御パネルからのステージルーチンの実行;
2.漸進的および連続的な動作が可能;
3.低速動作および高速動作が可能;
4.ステージを有効にする/無効にする;
5.目標位置を指定して実行する;
6.全てのステージにおける現在の位置を監視する;
7.全てのステージにおけるステージルーチンを同時に実行する;
8.選択された位置を捕えて、保存し、実行する;
9.ルーチンを実行して、自動アプローチ能力および印刷能力を可能にするプリント基板の上端面を画定する;
10.印刷領域内のアプローチ位置を計算する;
11.一次元および二次元ペンアレイのための位置合わせを可能にする;
12.インク付け位置を捕えて、保存し、実行する;
13.安全移動のための限界を指定する;
14.動作制御パネルからパターン形態コードを介してペンに近づいてペンを引き出す;
15.実験設定を保存して開く;
16.個々の点および線ならびにそれらのアレイのための印刷パラメータ（例えば数、間隔、速度、長さ、および滞留時間など）およびパターン形態を指定する;
17.特定の印刷パラメータを用いて単一の実行で複数のパターンを実行する;
18.印刷実行中にペンの再度のインク付けを可能にする;および
19.印刷プロセスの状態および残り時間を監視する。
一つの態様では、撮像、更なるメニューバー、機能を起動させるためのアイコン、データ入力セクション、および情報読み出しセクションを与えることができるメインウインドウがソフトウェアに組み込まれる。
一つの態様では、例えば、二つのカテゴリーの作業、すなわち、（i）動作制御、および（ii）アレイ構成をもたらすソフトウェアを用意して使用することができる。例えば、動作制御ソフトウェアを使用して、例えば事前調整されたステージ移動および指定場所を含む、頻繁に使用されるルーチンにアクセスできる。更に、アレイ形態ソフトウェアを使用して、個々の点および線、ならびに点および線のアレイを指定することができる。
ソフトウェアメインウインドウは、例えば、プロジェクトオプション、構成オプション、パターンオプション、ウインドウオプション、およびヘルプオプションを含むオプションを有するメニューバーを与えることができる。メインウインドウは、ペンに関する現在の位置および目標位置、ならびに、x、y、z、TX、およびTY傾き位置を示すことができる。また、メインウインドウは、例えば、アプローチ計算およびインク入れ情報を示すこともできる。
プロジェクトオプション下では、例えば、データおよび時間、サンプル、インク、書き込みツール、書き込み状態、パターン形態、およびパターン位置などに関するプロジェクト情報である情報を入力して情報にアクセスできる。
構成オプション下では、例えば、各軸の最小移動距離および最大移動距離などの安全な動作パラメータを設定することができる。
パターンオプション下では、例えば、点形体および線形体ならびにそれらのアレイ形態を指定するためにウインドウを開くことができる。パラメータは、例えば、アレイの数およびアレイ内の要素の数、X方向およびY方向でのアレイと要素との間の間隔、間隔タブにおけるプラスの値が下から上、左から右へまたはその逆での形体の印刷をもたらし得ることを考慮に入れた、第1のアレイおよび第1の要素の位置を含む。
他のパターンパラメータをソフトウェアによって制御することができる。
例えば、アレイの数、間隔、および基点に関する情報入力を用いてアレイを形成することができる。ここで、「繰り返し」パラメータは、第1の完全な実行後に、アレイまたは要素が繰り返されるべき回数を制御することができる。例えば、100個の点からなる五つのアレイを含むパターンにおいて、アレイ領域内の繰り返し「2」は、五つの全てのアレイが完成された後に、それらが更に2回繰り返されることを意味し得る。
点を描くため、例えば、点の数、間隔、および基点に関する情報を入力することができる。「滞留時間」パラメータは、点の形成に関しては、書き込んでいるペンがインクまたは分子を付着させるために、サンプル表面とどれ位の時間にわたって接触したままでいるかを意味し得る。
X方向およびY方向で線を描く場合には、線の数、間隔、および基点に関する情報を入力することができる。また、両方の軸に関して同じであり得る「線長」も設定できる。また、書き込み速度を設定することもできる。
ソフトウェアによって制御される「速度」パラメータは、線を形成するための基板表面上にわたるペン移動の速度であってもよい。
動作制御パネルは、ステージの手動操作のための以下の典型的な特徴:すなわち、複数の、例えば9個の所定の動作インクリメント（例えばミクロンでの、例えば1ミクロンまたは5ミクロンまたは100ミクロンでの）、および低速（LS）設定、各ステージ毎の動作制御（チェックボックス、動作矢印、開始ボタン、フィードバック位置）を含むことができる。動作インクリメントボタンは、選択された移動を全てのステージに対して適用するために使用できる。アクティブな動作インクリメントを強調することができる。例えば「<」または「>」矢印などのキーを押すことにより、関連するステージが移動を実行できる。各軸に関して、また各動作インクリメントに関して、調整プロセス中に決定されるPID設定が最適化され得る。技術的には、インクリメントボタンを押すことにより、関連するPID設定をコントローラへロードすることができる。PID設定は、例えば10個のバッファなどの複数のバッファを有することができるACSファイルに記憶させることができる。各バッファは、特定の動作のためのPID設定に関する情報を含むことができる。関連するバッファを実行することによって所望のPIDをロードできる。各動作は、軸を示す文字、軸をチェックし、またはチェックマークを消すための正方形ボックス、動作方向を選択するための動作矢印、およびステージの絶対座標を示すタブ（フィードバック）を有することができる。インクリメント動作に加えて、矢印を保持することによって連続的な動作を生み出すことができる。また、非常に正確な位置決めのため、特定の座標を右側の位置ボックスへタイプし、その後、開始ボタンを押して動作を実行することができる。市販の動作制御パネルを特定の構成のために適合させることができる。
レイアウトパネルセクションには、レイアウトパネル内のボタンのうちの一つを押した後に「取得」ボタンを押すことにより、ステージの現在の位置を常に保存することができる。保存された位置を実行するためには、関連するボタンを押した後に「Go To」ボタンを押せば十分である。例えば、レイアウトパネル上には10個の利用可能なボタンが存在し得る。最初の三つ、例えばP1、P2、およびP3は、アプローチ設定点を計算するための手続きの一部であるサンプル面を画定するためだけに使用できる。他のボタンは、一つまたは複数のインク入れの位置を保存するために使用できる。他のボタンは、任意の位置のために使用できる。
アプローチボタンセクションにおいて、ガラススライドまたはカスタム基板などの各サンプルは、特定のZ値およびT値を有することができる。任意のX/Y位置におけるアプローチ点を計算するために、サンプルの上端面を画定することができる。それを行なうため、ユーザは、一つの面を画定する三つの異なる位置で基板表面に手動で近づくことができる。これを行なうための他の方法は、最もマイナスのX、Y値で開始した後に、Yを一定に維持して、最もプラスのXへ移動し、最後に最もプラスのYへ移動することである。
これらの三つの点は、一般に、矩形基板の角に生じる。各位置（例えばP1、P2、およびP3）では、レイアウトパネル上の取得ボタンを押すことによってX、Y、およびZが取得される。三つの点の座標は、3点面方程式を用いて面を画定するために使用される。計算ボタンを押すと、XおよびYの関数としてのZに関して面の方程式が解かれる。ここで、アプローチボタンが押されると、アプリケーションは、導かれた方程式を使用して、任意の特定のXおよびYに関してZを計算する。アプローチボタンを押すことにより、プログラムアルゴリズムは、XおよびY座標を読み取った後に、それらを方程式に代入して特定のZを計算し、最終的に所望のZ動作を実行することができる。そのため、一つの態様は、コントローラが基板面の画定を可能にするためのソフトウェアを備えることを提供する。
用途
本明細書において記載される機器および装置は、多種多様な用途で使用できる。
幾つかの用途では、材料が未だパターン化されていない表面上に付着させられる。他の用途では、材料が表面上に付着させられ、この場合、この表面は、修復を必要とする欠陥を含む。例えば、付加的修復を行なうことができる。表面は、必要に応じて、特定の用途のために予め処理することができ、またはインデックス付けすることができる。表面には親水性または疎水性を与えることができ、粗さを制御できる。
一つの用途は、絶縁機能、半導体機能、および導電機能の組み合わせに基づく電子回路の製造にある。電子パラメータを測定することができる。例えば第2004/0026681号を参照されたい。
一つの用途はフォトマスク修復にある。例えば第2004/0175631号を参照されたい。
一つの用途はフラットパネルディスプレイ修復にある。例えば第2005/0235869号を参照されたい。
形成された表面を更にエッチングに供することができる。この場合、表面上に付着させられた材料がエッチングレジストとして作用する。例えば第2006/0014001号を参照されたい。
例えば第7,199,305号に記載されるようにナノスケール検査を行なうことができる。
一つの特に重要な用途は、タンパク質アレイおよびDNAアレイを含むバイオアレイまたはマイクロアレイまたはナノアレイの分野にある。例えば、Microarrays, Muller, Roder, 2006;Microarrays for an Integrative Genomics, Kohane, 2003を参照されたい。本明細書において記載されるように製造されるアレイは、AFM法を含む蛍光・走査プローブ法によって更に解析され得る。例えば、これらのアレイを用いて診断を行なうことができる。バイオアレイに関する更なる記述は、例えば米国特許第6,573,369号において見出すことができる。
アレイは、点または線に基づくことができる。一つの特に重要な態様は、オリゴヌクレオチドおよびcDNAのアレイを含む。例えば、オリゴヌクレオチドは、例えば5塩基長〜60塩基長を有することができる。基板表面に対する化学吸着結合もしくは共有結合のために、末端位置でオリゴヌクレオチドを改質しまたは適合させることができる。表面上でパターニング状態にあるインクのための他の化合物は、例えば2塩基長〜150塩基長に基づくことができる。
オリゴヌクレオチド混成アレイを実行することができる。例としては、HIV、VV、BAおよびEV混成アレイが含まれる。
アレイが形成されると、アレイ内の形状およびサイズの一貫性を示す、アレイのAFM位相画像を実行することができる。例えば、特徴サイズは210±5nmとなり得る。
この技術の一つの局面は、例えばマイクロ流体源およびインク入れおよびリザーバを含むインクを使用できる場所への、インクの供給である。例えば、第2005/0035983号および米国特許第7,034,854号を参照されたい。
アレイは周期的であってもよく、または非周期的であってもよい。
機器は、プロッタとして使用できるとともに、連続的な線および点を含む多種多様な形状を描くために使用できる。
所望の通りに力フィードバックを使用できる。
動作を自動化するため、および/または印刷結果の品質を高めるため、ソフトウェアを機器と統合することができる。
予め合成された分子を点在させることができる。
予め製造されたMEMSに分子を組み込むことによって、ナノアセンブリを形成することができる。
溶液の連続的な付着によって、層ごとの成長を達成することができる。
固相合成を行なうことができる。一つの例は、多重インク供給による原位置分子合成である。他の例は、化学合成による更なる分子アセンブリのためのテンプレートを形成することである。他の例は、錯体化学に基づく、順序付けられた超分子アセンブリである。
実施態様/実施例
非限定的な実施例について説明する。多軸アセンブリの一例として、独立して動作する五つのステージを備える多軸アセンブリのための、以下の非限定的な仕様に基づいて5軸アセンブリ機器が形成された。
XY移動は、X方向およびY方向で少なくとも40mmである。
Z移動は少なくとも20mmである。
チップ/傾斜移動は少なくとも±10度である。
位置フィードバックは、5nm分解能をもって精密リニアエンコーダによって与えられる。
X、Y、およびZ動作における長さに関する実際の分解能は、少なくとも±15nmであり、再現性に関して少なくとも±15nmである。
角度分解能は少なくとも±0.001度である。
最低保証移動速度は少なくとも100nm/秒である。
最高移動速度は最大で1〜10mm/秒である。
これらの仕様の範囲内で、多軸アセンブリを製造するために製造業者を使用できる。一つの製造業者は、例えば、NanoMotion, Ltd.（Yokneam, イスラエル;a Johnson Electric Co.）である。あるいは、ナノポジショニング技術の他の製造業者に問い合わせすることができ、または多軸アセンブリの組み立て方法に関する技術文献を参照することができる。
図1（a）〜（c）は、多軸アセンブリのための顕微鏡および筐体を含む大型機器を示す。図20も参照されたい。
図2は、顕微鏡、顕微鏡マウントプレート、およびU-チャネルブレースならびにクロスブレースを示す、顕微鏡のための態様を示す。この構造は、強度を与えるとともに重量を軽減する。それにより、ケーブルをチャネルの中心の下側へ延ばしてU-チャネル側から出すことができる（図示せず）。図21は顕微鏡マウントプレートの一例を示す。
図3は、ペンアレイを装着するためのアセンブリに関する一態様を示す。ペンアレイをこのアセンブリに接着することができる。アセンブリは、例えば図24に示されるようなペンベースのためのブロックを備えることができる。アセンブリは、例えば図25に示されるようなペンベースのためのプレートを更に備えることができる。アセンブリは、例えば図26に示されるようなペンホルダのためのディスクを更に備えることができる。アセンブリは、例えば図27に示されるようなレバーを更に備えることができる。アセンブリは、例えば図28に示されるようなペンホルダのためのプレートを更に備えることができる。
図4は、多軸アセンブリの上端に装着するためのテーブルアセンブリを示す。アセンブリの上端部品は、回転調整できるように浮いたままの状態であってもよく、または、ボルトを所定位置に設けて強固に接続することができる。基板をこのテーブルアセンブリ上に置くことができる。例えば図29に示されるような下端部品を製造することができる。上端部品は、例えば図30および図31に示されるように製造することができる。
図5は、多軸アセンブリのための筐体アセンブリを示す。筐体は、四つの正方形ロッド、トッププレート、ボトムプレート、二つのシートメタル側面を備える。ボトムプレートは、筐体がXYテーブル上に載置できるように突出部を備えることができる。このオプションにより、必要に応じて筐体を回転させることができる。または、強固な装着のために筐体をXYテーブルに固定することができる。図22はボトムプレートの一例を更に示す。図23はトッププレートの一例を更に示す。図33は後筐体の一例を示す。図34は前筐体の一例を示す。
図6は、例えば温度、湿度、および周囲の部屋の雰囲気以外のガスの流れの制御を可能にし得る環境チャンバを示す。
動作研究
図7〜13は段階的な多軸動作を示す。
図7には、多軸アセンブリがその最下位置に示されている。ペンは、テーブルアセンブリの上端に載置する基板と接触していない。
図8では、Z軸ステージがテーブルアセンブリおよび基板を上昇させるが、それが未だペンと接触しない。
図9では、Z軸ステージがテーブルアセンブリおよび基板を十分に持ち上げておらず、この時点で、ペンが基板と接触する。
図10では、テーブルアセンブリおよび基板が第2のステージによって5度で傾けられる。
図11では、テーブルアセンブリおよび基板が第2のステージによって更に5度傾けられる。この場合、傾きは、図10の傾きに対して直交する。
図12では、テーブルアセンブリおよび基板が第4のステージによって20mm移動される。
図13では、テーブルアセンブリおよび基板が第5のステージによって更に20mm移動される。この場合、移動は図12の動きに対して直交する。
図14は、最も極端な位置にあるトッププレートの平面図を示す。
図15は、最下位置にあるトッププレートの平面図を示す。ここで、例えば、テーブルは、トッププレートと共にシールを形成するために2mm凹部内に位置することができる。したがって、テーブルは、異物がハウジング内に落ち込むのを防止するのに役立ち得るカバーとして機能することができる。
図16は顕微鏡マウント設計を示す。
図17は、ACSコントローラおよびAB2ドライバボックスフロントパネルを示す。
図18は、Renishaw.1ミクロン分解能RGHエンコーダを示す。
図19は、Mercury TM3500スマートエンコーダシステムを示す。
図35〜46は、ワーキングモデルの付加的な斜視的な写真を与えている。
図33〜36および図43〜44において、多軸アセンブリのための筐体のサイドパネルは、ワーキングモデル内の多軸アセンブリを見ることができるように除去されている。
図37〜38は、ワーキングモデル内を顕微鏡によって見るための穴または観察ポートを含む環境チャンバを示す。
図39〜40において、環境チャンバは、ワーキングモデル内のペンアセンブリ、およびテーブルアセンブリ、ならびにテーブルアセンブリ上の基板をより良く示すために除去されている。
図41は、ワーキングモデル内の機器から取り外される環境チャンバを示す。
図42は、ワーキングモデル内の配線を示す。
図45および図46は、ワーキングモデル内への環境チャンバの挿入を示す。
ワーキングモデルは一つまたは複数の態様を示すが、ワーキングモデルとは異なる他の態様が主張される発明の範囲内となり得る。

Claims (111)

  1. ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリから、該多軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されている、
    少なくとも五つのナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの前記多軸アセンブリと、
    少なくとも一つの前記ペンアセンブリと、
    を備え、
    少なくとも一つの観察アセンブリと、
    少なくとも一つのコントローラと、
    を備える装置。
  2. 多軸アセンブリが、少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備える、請求項1記載の装置。
  3. ナノポジショニングステージが圧電ナノポジショニングステージを含む、請求項1記載の装置。
  4. 多軸アセンブリが、少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備え、前記ステージが圧電機構によって作動される、請求項1記載の装置。
  5. 多軸アセンブリが第6のナノポジショニングステージを備える、請求項1記載の装置。
  6. ペンアセンブリから基板への材料の供給を、少なくとも20mm×20mmの基板表面積にわたって行なうことができるように、多軸アセンブリが、十分に移動できる、請求項1記載の装置。
  7. ペンアセンブリから基板への材料の供給を、少なくとも40mm×40mmの基板表面積にわたって行なうことができるように、多軸アセンブリが、十分に移動できる、請求項1記載の装置。
  8. 多軸アセンブリが、ペンアセンブリから基板への材料の、20cm/秒またはそれ未満の最大移動速度の供給を可能にする、請求項1記載の装置。
  9. 多軸アセンブリが、ペンアセンブリから基板への材料の、少なくとも100nm/秒の移動速度の供給を可能にする、請求項1記載の装置。
  10. 多軸アセンブリがXY並進ステージ上に配置されている、請求項1記載の装置。
  11. 多軸アセンブリのための筐体を更に備える、請求項1記載の装置。
  12. 多軸アセンブリが、他の構成要素を装着できるように適合されたテーブルアセンブリを装着するように適合された、ペンアセンブリと対向する開口を備える、請求項1記載の装置。
  13. 基板を受けるために多軸アセンブリ上に配置されたテーブルアセンブリを更に備える、請求項1記載の装置。
  14. ペンアセンブリおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備える、請求項1記載の装置。
  15. ペンアセンブリおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備え、該環境チャンバが、観察アセンブリによる観察を容易にするための開口を備える、請求項1記載の装置。
  16. ペンアセンブリおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備え、且つ該環境チャンバが、温度、湿度、およびガス組成を制御するように適合されている、請求項1記載の装置。
  17. ペンアセンブリがペンの一次元アレイを含む、請求項1記載の装置。
  18. ペンアセンブリがペンの二次元アレイを含む、請求項1記載の装置。
  19. ペンアセンブリが、少なくとも55,000個のペンを備えるペンの二次元アレイを含む、請求項1記載の装置。
  20. 観察アセンブリが顕微鏡を含む、請求項1記載の装置。
  21. 観察アセンブリが、顕微鏡を備え、且つ蛍光検出を可能とするように適合されている、請求項1記載の装置。
  22. 観察アセンブリが、少なくとも400nmの分解能で構造を観察するように適合されている顕微鏡を含む、請求項1記載の装置。
  23. 材料が生物学的材料を含む、請求項1記載の装置。
  24. コントローラが、多軸アセンブリの少なくとも動きを制御する、請求項1記載の装置。
  25. コントローラが、材料を、点または線の形態で基板上に供給できるようにするソフトウェアを備える、請求項1記載の装置。
  26. コントローラが、環境チャンバ内のガスの雰囲気を制御するためのソフトウェアを備える、請求項1記載の装置。
  27. ナノポジショニングステージが静電ナノポジショニングステージを含む、請求項1記載の装置。
  28. ナノポジショニングステージが電磁ナノポジショニングステージを含む、請求項1記載の装置。
  29. 供給が直接書き込みナノリソグラフィである、請求項1記載の装置。
  30. 多軸アセンブリが少なくとも10度の基板の傾斜を可能にする、請求項1記載の装置。
  31. ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリのチップから、該多軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されており、
    前記多軸アセンブリが、前記ペンアセンブリおよび前記基板を取り囲むための環境チャンバと結合されるように適合され、且つ前記基板が配置される取り外し可能なテーブルアセンブリと共に機能するようにも適合されている、
    少なくとも一つの圧電ナノポジショニングXステージ、少なくとも一つの圧電ナノポジショニングYステージ、少なくとも一つの圧電ナノポジショニングZステージ、傾きを与えるための第1の圧電ゴニオメータ、および該第1のゴニオメータの傾きに対して直交する傾きを与えるための第2の圧電ゴニオメータを備える少なくとも一つの前記多軸アセンブリと、
    ペンがカンチレバーのアレイを含み、該カンチレバーがその上に配置された前記チップを有する、ペンのアレイを含む少なくとも一つの前記ペンアセンブリと、
    を備え、
    少なくとも一つの観察アセンブリと、
    少なくとも一つのコントローラと、
    を備える装置。
  32. ペンアセンブリがペンをZ方向に移動させるように適合されている、請求項31記載の装置。
  33. 供給されるべき材料を保持するためのマイクロ流体デバイスを更に備える、請求項31記載の装置。
  34. 多軸アセンブリが、少なくとも20mmのX動作、少なくとも20mmのY動作、および少なくとも10mmのZ動作を与える、請求項31記載の装置。
  35. 多軸アセンブリが、少なくとも40mmのX動作、少なくとも40mmのY動作、および少なくとも20mmのZ動作を与える、請求項31記載の装置。
  36. 多軸アセンブリが、第1のゴニオメータから少なくとも5度の傾きを与え、且つ第2のゴニオメータから少なくとも5度の傾きを与える、請求項31記載の装置。
  37. 多軸アセンブリが、第1のゴニオメータから少なくとも10度の傾きを与え、且つ第2のゴニオメータから少なくとも10度の傾きを与える、請求項31記載の装置。
  38. 多軸アセンブリが少なくとも100nm/秒の移動速度を与える、請求項31記載の装置。
  39. 多軸アセンブリが10mm/秒以下の移動速度を与える、請求項31記載の装置。
  40. 多軸アセンブリが少なくとも0.001度の傾きに関する角度分解能を与える、請求項31記載の装置。
  41. 少なくとも5nm分解能で位置フィードバックを与える少なくとも一つのリニアエンコーダを更に備える、請求項31記載の装置。
  42. X、Y、およびZ動作における長さに関する分解能が、少なくとも±5nmである、請求項31記載の装置。
  43. X、Y、およびZ動作における長さに関する分解能が、再現可能で、少なくとも±5nmである、請求項31記載の装置。
  44. 観察アセンブリが少なくとも30mmの移動長を有する顕微鏡を備える、請求項31記載の装置。
  45. 観察アセンブリが蛍光検出を有する顕微鏡を含む、請求項31記載の装置。
  46. ペンのアレイがペンの二次元アレイを含む、請求項31記載の装置。
  47. ペンのアレイが、少なくとも55,000個のペンを備えるペンの二次元アレイを含む、請求項31記載の装置。
  48. 多軸アセンブリが筐体内に収容されている、請求項31記載の装置。
  49. 多軸アセンブリがXY並進ステージ上に装着されている、請求項31記載の装置。
  50. コントローラが多軸アセンブリの動作を制御する、請求項31記載の装置。
  51. チップを備えるカンチレバーを含むペンのアレイを設ける工程と、
    前記チップ上に材料を配置する工程と、
    基板の空間位置および方向が、X方向の動作、Y方向の動作、Z方向の動作、第1の傾きの動作、および該第1の傾きに対して直交する第2の傾きの動作を与える多軸アセンブリによって制御される、前記チップから基板へと材料を供給する工程と、
    を含む方法。
  52. チップが走査プローブ顕微鏡チップである、請求項51記載の方法。
  53. チップが原子間力顕微鏡チップである、請求項51記載の方法。
  54. チップが固体ナノスケールチップである、請求項51記載の方法。
  55. チップが少なくとも一つの開口を備える、請求項51記載の方法。
  56. チップが作動チップである、請求項51記載の方法。
  57. チップ位置がZ方向で制御される、請求項51記載の方法。
  58. ペンのアレイがペンの二次元アレイを含む、請求項51記載の方法。
  59. 材料が生物学的材料である、請求項51記載の方法。
  60. 材料が、核酸、タンパク質、またはペプチド材料である、請求項51記載の方法。
  61. 多軸アセンブリが、Xステージ、Yステージ、Zステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを与える、請求項51記載の方法。
  62. ペンから基板への材料の供給を、少なくとも20mm×20mmの基板表面積にわたって行なうことができるように、多軸アセンブリが、十分に移動できる、請求項51記載の方法。
  63. ペンから基板への材料の供給を、少なくとも40mm×40mmの基板表面積にわたって行なうことができるように、多軸アセンブリが、十分に移動できる、請求項51記載の方法。
  64. 多軸アセンブリが、ペンから基板への材料の、最大で20cm/秒の最大移動速度の供給を可能にする、請求項51記載の方法。
  65. 多軸アセンブリがXY並進ステージ上に配置されている、請求項51記載の方法。
  66. 多軸アセンブリが手動操作可能なXY並進ステージ上に配置されている、請求項51記載の方法。
  67. 多軸アセンブリが装置の一部であり、該装置が該多軸アセンブリのための筐体を更に備える、請求項51記載の方法。
  68. 多軸アセンブリが、基板が配置されたテーブルアセンブリを装着するように適合された、ペンと対向する開口を備える、請求項51記載の方法。
  69. 多軸アセンブリが装置の一部であり、且つ該装置が、基板を受けるために多軸アセンブリ上に配置されたテーブルアセンブリを更に備える、請求項51記載の方法。
  70. 多軸アセンブリが装置の一部であり、且つ該装置が、ペンおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備える、請求項51記載の方法。
  71. 多軸アセンブリが装置の一部であり、且つ該装置が、ペンおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備え、該環境チャンバが、該装置の観察アセンブリによる観察を容易にするための開口を備える、請求項51記載の方法。
  72. 多軸アセンブリが装置の一部であり、且つ該装置が、ペンおよび基板を取り囲むための環境チャンバを更に備え、且つ該環境チャンバが、温度、湿度、およびガス組成を制御するように適合されている、請求項51記載の方法。
  73. ペンがペンの一次元アレイの一部である、請求項51記載の方法。
  74. ペンが、少なくとも10,000個のペンを備えるペンの二次元アレイの一部である、請求項51記載の方法。
  75. 顕微鏡を含む観察アセンブリを用いて基板を観察する工程を更に含む、請求項51記載の方法。
  76. 蛍光検出を可能にするように適合された顕微鏡を含む観察アセンブリを用いて基板を観察する工程を更に含む、請求項51記載の方法。
  77. 少なくとも400nmの分解能で構造を観察するように適合された顕微鏡を含む観察アセンブリを用いて基板を観察する工程を更に含む、請求項51記載の方法。
  78. 材料が核酸またはタンパク質材料を含む、請求項51記載の方法。
  79. 多軸アセンブリの少なくとも動きを制御するコントローラが使用される、請求項51記載の方法。
  80. 材料を点または線の形態で基板上に供給できるようにするソフトウェアを備えるコントローラが使用される、請求項51記載の方法。
  81. ペンアセンブリおよび多軸アセンブリが、材料を、該ペンアセンブリから、5軸アセンブリによって位置決めされた基板へと供給するように適合されている、
    少なくとも五つの一体型圧電ナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの前記5軸アセンブリと、
    少なくとも一つの前記ペンアセンブリと、
    少なくとも一つの観察アセンブリと、
    少なくとも一つのコントローラと、
    を備え、
    前記5軸アセンブリが、少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備える、
    装置。
  82. 5軸アセンブリが、その上に基板を配置できるテーブルアセンブリを備える、請求項81記載の装置。
  83. 観察アセンブリが、少なくとも30mmの作動距離を有する顕微鏡を含む、請求項81記載の装置。
  84. ペンアセンブリを取り囲むための少なくとも一つの環境チャンバ、および供給されるべき材料のための少なくとも一つのマイクロ流体リザーバとを更に備える、請求項81記載の装置。
  85. コントローラが、5軸アセンブリのための動作を制御するように適合されている、請求項81記載の装置。
  86. ペンアセンブリが直接書き込みナノリソグラフィに適合されている、請求項81記載の装置。
  87. ペンアセンブリがナノスケールチップの二次元アレイを含む、請求項81記載の装置。
  88. XステージおよびYステージがそれぞれ少なくとも20mmの移動距離を有する、請求項81記載の装置。
  89. XステージおよびYステージがそれぞれ少なくとも40mmの移動距離を有する、請求項81記載の装置。
  90. 5軸アセンブリは、ペンアセンブリのための環境チャンバおよび基板のためのテーブルアセンブリと共に機能するように適合されたハウジングによって取り囲まれる、請求項81記載の装置。
  91. 請求項1記載の装置を設ける工程と、
    材料をペンアセンブリから基板へ供給する工程と、
    を含む方法。
  92. 材料が生物学的材料を含む、請求項91記載の方法。
  93. 材料が核酸、タンパク質、またはペプチドを含む、請求項91記載の方法。
  94. 材料がオリゴヌクレオチドを含む、請求項91記載の方法。
  95. 材料が点または線の形態で基板へ供給される、請求項91記載の方法。
  96. ペンアセンブリが、チップを備えるカンチレバーのアレイを含む、請求項91記載の方法。
  97. ペンアセンブリが、ナノスケールチップを備えるカンチレバーのアレイを含む、請求項91記載の方法。
  98. ペンアセンブリが、ナノスケールチップを備えるカンチレバーの二次元アレイを含む、請求項91記載の方法。
  99. 供給が少なくとも5mmの距離にわたって行なわれる、請求項91記載の方法。
  100. 供給が少なくとも20mmの距離にわたって行なわれる、請求項91記載の方法。
  101. 少なくとも一つのXステージ、少なくとも一つのYステージ、少なくとも一つのZステージ、第1の傾斜ステージ、および該第1の傾斜ステージの傾きに対して直交する傾きを与える第2の傾斜ステージを含む五つの独立したステージを備える、少なくとも五つのナノポジショニングステージを備える少なくとも一つの多軸アセンブリ
    を備える装置。
  102. ナノポジショニングステージが、圧電ナノポジショニングステージ、静電ナノポジショニングステージ、電磁ナノポジショニングステージ、または磁歪ナノポジショニングステージである、請求項101記載の装置。
  103. ナノポジショニングステージが圧電ナノポジショニングステージを含む、請求項101記載の装置。
  104. 多軸アセンブリが第6のナノポジショニングステージを備える、請求項101記載の装置。
  105. 少なくともXナノポジショニングステージおよびYナノポジショニングステージが、少なくとも20mm直線的に移動できる、請求項101記載の装置。
  106. 基板の空間位置および方向がソフトウェアによって更に制御される、請求項51記載の方法。
  107. 供給がソフトウェアによって制御される、請求項91記載の方法。
  108. 供給がソフトウェアおよびレーザベースのフィードバックシステムによって制御される、請求項91記載の方法。
  109. レーザベースのフィードバックシステムを更に備える、請求項1記載の装置。
  110. 少なくとも一つの原子分解能スキャナを更に備える、請求項1記載の装置。
  111. コントローラが、基板面の画定を可能にするためのソフトウェアを備える、請求項1記載の装置。
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