JP2013524447A - 電子顕微鏡用マニピュレーターキャリヤ - Google Patents

電子顕微鏡用マニピュレーターキャリヤ Download PDF

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Abstract

【構成】本発明は、電子顕微鏡の真空試料室内へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するためのキャリヤ装置であって、（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この手段によって上記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなることを特徴とするキャリヤ装置に関する。本発明は、また、真空試料室の真空を変えることなくキャリア装置を電子顕微鏡の真空試料室に移送する方法であって、本発明のキャリア装置を電子顕微鏡の試料交換室を介して真空試料室へ移送することからなる移送方法に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子顕微鏡内部のマイクロメーターおよびナノメータースケールのサンプルのマニピュレーション/試験システムに関する。より具体的には、本発明は、電子顕微鏡用マニピュレーターキャリヤ、このマニピュレーターキャリヤを電子顕微鏡に移送するシステム、および本発明のマニピュレーターキャリヤを電子顕微鏡に移送する方法に関する
操作型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）の場合、原子間力顕微鏡法と比べて画像解像度を数ナノメーターレベルまで落とすことができる上に、フレームレートが比較的高いため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）内部にマニピュレーターを装着して、サンプルをナノメータースケールで分析でき、操作できる上に試験することができる。例えば、ナノマニピュレーターを製作し、ＳＥＭ内部の張力荷重式カーボンナノチューブそれぞれに使用すると、それぞれの機械的特性を評価できる（Ｍ．-Ｆ．Ｙｕ、Ｏ．Ｌｏｕｒｉｅ、Ｍ．Ｊ．Ｄｙｅｒ、Ｋ．Ｍｏｌｏｎｉ、Ｔｈｏｍａｓ Ｆ．Ｋｅｌｌｙ、ａｎｄ Ｒ．Ｓ．Ｒｕｏｆｆ、“Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８７、ｐｐ６３７−６４０、２０００）。また、ＳＥＭ内部にマイクロマニピュレーターを使用すると、プレハブ式のフォトニックプレートを新規な三次元フォトニック結晶に組み込むことができる（Ｋ．Ａｏｋｉ、Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ、Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ、Ｋ．Ｉｎｏｓｈｉｔａ、Ｔ．Ｂａｂａ、Ｋ．Ｓａｋｏｄａ、Ｎ．Ｓｈｉｎｙａ、ａｎｄ Ｙ．Ａｏｙａｇｉ、“Ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ”、Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．、Ｖｏｌ．２、ｐｐ．１１７−１２１、２００３）。また、米国特許第６，５８０，０７６号公報には、ＳＥＭ内部において微小物体を高い再現性をもって装着できるマイクロマニピュレーション方法が開示されている。
以上の実行可能性のため、ＳＥＭ用のいくつかのナノマニピュレーションシステムが、１９７０年代以降、企業や大学の実験室で開発されている。当初は、マニピュレーターをＳＥＭの試料交換室に取り付ける（Ｊ．Ｂ. Ｐａｗｌｅｙ、“Ａ ｄｕａｌ ｎｅｅｄｌｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．、Ｖｏｌ．４３、ｐｐ．６００−６０２、１９７２）か、あるいは試料交換室壁の真空貫通ポート（Ｉ．Ｋａｗａｂａｔａ、Ｙ．Ｎｏｍｕｒａ ａｎｄ Ｓ．Ｓｈｕｔｏ、“Ｍｉｃｒｏｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ＳＥＭ ｕｓｉｎｇ ｎｅｗ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ”、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃ、Ｖｏｌ．３０、ｐｐ８５−８８、１９８１）のいずれかに取り付けていた。これら２つの装着アプローチの場合、末端作動体のみを試料室内部に設ける以外は、マニピュレーターのＸＹＺ駆動素子はいずれも試料室の外部に設けられていた。さらに、これらアプローチには、試料交換室も貫通ポートのいずれも２つ以上のマニピュレーターを受け取ることができないという制限があった。
ＳＥＭナノマニピュレーションの多くの用途では、２つかそれ以上のマニピュレーターを協調操作する必要があるため、現在のほとんどのナノマニピュレーションシステムは、ＳＥＭ内部の試料ステージに固着されるプラットホーム／フィクスチュアに複数のマニピュレーターを取り付けている。米国特許第６，８９１，１７０号および第７，２２０，９７３Ｂ２号（いずれもＺｙｖｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）には、一つかそれ以上の着脱式マニピュレーターモジュールが顕微鏡ステージとインターフェースを形成するプラットホームに結合されたマニピュレーションシステムが開示されている。Ｚｙｖｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎはいくつかのナノマニピュレーションシステムを開発しているが、その中には例えば４つのナノマニピュレーターを有するＺｙｖｅｘ Ｓ１００システムがあり、ナノスケール物質の物性を確認評価するために使用できる（www.zyvex.com）。
欧州特許第ＤＥ１０２００７０３５９５０号および第ＷＯ２００８１２８５３２号（いずれもＫｌｏｃｋｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ）には、真空ステージにナノロボットモジュールを固定するナノロボットモジュールおよび交換アダプターが開示されている。同様に、Ｋｌｅｉｎｄｉｅｋ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ、Ａｔｔｏｃｕｂｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＡＧ、およびＳｍａｒＡｃｔ ＧｍｂＨも複数のマニピュレーターモジュールを備えたＳＥＭナノマニピュレーションシステムを製造販売している。
ＳＥＭナノマニピュレーションシステムは、大学の実験室でも開発され、この場合通常市販されているナノ位置決め装置を多重自由度のマニピュレーターに組み込んで開発を行っている。ＳＥＭ画像形成に磁場が干渉するため、ＳＥＭ適合アクチュエーターを構成するために、圧電素子を使用することが多い。米国特許第６，８００，９８４号（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．）には、案内装置に設けられた部材を駆動する圧電アクチュエーター積層体を有する圧電線形駆動装置が開示されている。また、米国特許第６，６６１，１５３号（Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ Ｌｔｄ．）には、複数の電極セットを有する圧電モーターにおける励起振動によって圧電モーターを駆動する方法および装置が開示されている。さらに、米国特許第６，４７６，５３７号および第６，７０７，２３１号（いずれもＮｅｗ Ｆｏｃｕｓ Ｉｎｃ．）には、被駆動部材に結合された圧電アクチュエーターを制御する方法および装置が開示されている。さらに、米国特許第５，５６８，００４号および第５，９９４，８２０号（いずれもＫｌｅｉｎｄｉｅｋ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ）には、圧電アクチュエーターに基づく電気機械式位置決め装置が開示され、そしてＷＯ/２００９/０３７６９３（Ｐｉｅｚｏ Ｎａｎｏ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ）には、スリック-スリップ原理（ｓｌｉｃｋ−ｓｌｉｐ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に基づく圧電回転モーターが開示されている。
一例として、Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ Ｉｎｃ．製の圧電アクチュエーターを集積化することによって、複数の動作ユニットを備えたいくつかのＳＥＭナノマニピュレーションシステムが製造されている。例示すると、（Ｔ．Ｆｕｋｕｄａ、Ｍ．Ｎａｋａｊｉｍａ、Ｐ．Ｌｉｕ ａｎｄ Ｈ．ＥｌＳｈｉｍｙ、“Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｎａｎｏｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｎａｎｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｂｙ ｎａｎｏｒｏｂｏｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｒａｔｉｏｎ”、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒｏｂｏｔ、Ｒｅｓ．、Ｖｏｌ．２８、ｐｐ．５３７−５４７、２００９）、（Ｄ．Ｎａｋａｂａｙａｓｈｉ、Ｐ．Ｃ．Ｓｉｌｖａ、ａｎｄ Ｄ．Ｕｇａｒｔｅ、“Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｔｗｏ−ｔｉｐ ｎａｎｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ａ ＳＥＭ”、Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．、Ｖｏｌ．２５４、ｐｐ．４０５−４１１、２００７）、および（Ｍ．−Ｆ．Ｙｕ、Ｍ．Ｊ．Ｄｙｅｒ、Ｇ．Ｄ．Ｓｋｉｄｍｏｒｅ、Ｈ．Ｗ．Ｒｏｈｒｓ、Ｘ．−Ｋ．Ｌｕ、Ｋ．Ｄ．Ａｕｓｍａｎ、Ｊ．Ｒ．Ｖｏｎ Ｅｈｒ、ａｎｄ Ｒ．Ｓ．Ｒｕｏｆｆ、“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．、Ｖｏｌ．１０、ｐｐ. ２４４−２５２、１９９９）に開示されている。プレートに固定されるマニピュレーターとは異なる型式の、圧電ディスクによって動作する可動マイクロロボットも開発されており、ＳＥＭステージ上に取り付けられたガラスベースプレート上で自由に動作できる（Ａ．Ｋｏｒｔｓｃｈａｃｋ、Ａ．Ｓｈｉｒｉｎｏｖ、Ｔ．Ｔｒｕｐｅｒ、ａｎｄ Ｓ．Ｆａｔｉｋｏｗ、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｎａｎｏｈａｎｄｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｓ：ｄｅｓｉｇｎ, ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ, ｈａｐｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ”、Ｒｏｂｏｔｉｃａ、Ｖｏｌ．２３、ｐｐ. ４１９−４３４、２００５）（Ｓ．Ｆａｔｉｋｏｗ、Ｔ．Ｗｉｃｈ、Ｈ．Ｈｕｌｓｅｎ、Ｔ．Ｓｉｃｖｅｒｓ、ａｎｄ Ｍ．Ｊａｈｎｉｓｃｈ、“Ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎａｎｏｈａｎｄｌｉｎｇ ｉｎｓｉｄｅ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”ＩＥＥＥ/ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｅｃｈａ．、Ｖｏｌ．１２、ｐｐ．２４４−２５２、２００７）。固定式マイクロマニピュレーターと比較した場合、この可動式マイクロロボットは、作業空間は大きいが、位置決め精度は低い。
米国特許第６，５８０，０７６号 米国特許第６，８９１，１７０号 米国特許第７，２２０，９７３Ｂ２号 欧州特許第ＤＥ１０２００７０３５９５０号 ＷＯ２００８１２８５３２ 米国特許第６，８００，９８４号 米国特許第６，６６１，１５３号 米国特許第６，４７６，５３７号 米国特許第６，７０７，２３１号 米国特許第５，５６８，００４号 米国特許第５，９９４，８２０号 ＷＯ/２００９/０３７６９３
Ｍ．-Ｆ．Ｙｕ、Ｏ．Ｌｏｕｒｉｅ、Ｍ．Ｊ．Ｄｙｅｒ、Ｋ．Ｍｏｌｏｎｉ、Ｔｈｏｍａｓ Ｆ．Ｋｅｌｌｙ、ａｎｄ Ｒ．Ｓ．Ｒｕｏｆｆ、"Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ"、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８７、ｐｐ６３７−６４０、２０００ Ｋ．Ａｏｋｉ、Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ、Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ、Ｋ．Ｉｎｏｓｈｉｔａ、Ｔ．Ｂａｂａ、Ｋ．Ｓａｋｏｄａ、Ｎ．Ｓｈｉｎｙａ、ａｎｄ Ｙ．Ａｏｙａｇｉ、"Ｍｉｃｒｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ"、Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．、Ｖｏｌ．２、ｐｐ．１１７−１２１、２００３ Ｊ．Ｂ. Ｐａｗｌｅｙ、"Ａ ｄｕａｌ ｎｅｅｄｌｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．、Ｖｏｌ．４３、ｐｐ．６００−６０２、１９７２ Ｉ．Ｋａｗａｂａｔａ、Ｙ．Ｎｏｍｕｒａ ａｎｄ Ｓ．Ｓｈｕｔｏ、"Ｍｉｃｒｏｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ＳＥＭ ｕｓｉｎｇ ｎｅｗ ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ"、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃ、Ｖｏｌ．３０、ｐｐ８５−８８、１９８１ Ｔ．Ｆｕｋｕｄａ、Ｍ．Ｎａｋａｊｉｍａ、Ｐ．Ｌｉｕ ａｎｄ Ｈ．ＥｌＳｈｉｍｙ、"Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｎａｎｏｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｎａｎｏａｓｓｅｍｂｌｙ ｂｙ ｎａｎｏｒｏｂｏｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ"、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒｏｂｏｔ、Ｒｅｓ．、Ｖｏｌ．２８、ｐｐ．５３７−５４７、２００７ Ｄ．Ｎａｋａｂａｙａｓｈｉ、Ｐ．Ｃ．Ｓｉｌｖａ、ａｎｄ Ｄ．Ｕｇａｒｔｅ、"Ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｔｗｏ−ｔｉｐ ｎａｎｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ａ ＳＥＭ"、Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．、Ｖｏｌ．２５４、ｐｐ．４０５−４１１、２００７ Ｍ．−Ｆ．Ｙｕ、Ｍ．Ｊ．Ｄｙｅｒ、Ｇ．Ｄ．Ｓｋｉｄｍｏｒｅ、Ｈ．Ｗ．Ｒｏｈｒｓ、Ｘ．−Ｋ．Ｌｕ、Ｋ．Ｄ．Ａｕｓｍａｎ、Ｊ．Ｒ．Ｖｏｎ Ｅｈｒ、ａｎｄ Ｒ．Ｓ．Ｒｕｏｆｆ、"Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｕｎｄｅｒ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌ．、Ｖｏｌ．１０、ｐｐ. ２４４−２５２、１９９９ Ａ．Ｋｏｒｔｓｃｈａｃｋ、Ａ．Ｓｈｉｒｉｎｏｖ、Ｔ．Ｔｒｕｐｅｒ、ａｎｄ Ｓ．Ｆａｔｉｋｏｗ、"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｎａｎｏｈａｎｄｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔｓ：ｄｅｓｉｇｎ, ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ, ｈａｐｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ"、Ｒｏｂｏｔｉｃａ、Ｖｏｌ．２３、ｐｐ. ４１９−４３４、２００５ Ｓ．Ｆａｔｉｋｏｗ、Ｔ．Ｗｉｃｈ、Ｈ．Ｈｕｌｓｅｎ、Ｔ．Ｓｉｃｖｅｒｓ、ａｎｄ Ｍ．Ｊａｈｎｉｓｃｈ、"Ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎａｎｏｈａｎｄｌｉｎｇ ｉｎｓｉｄｅ ａ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"ＩＥＥＥ/ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｅｃｈａ．、Ｖｏｌ．１２、ｐｐ．２４４−２５２、２００７
サンプルと相互作用するために、ＳＥＭナノマニピュレーターは、機械的接続および電気的接続を備えた、プローブ、ＡＦＭカンチレバーやグリッパーなどの末端作動体を備えている必要がある。末端作動体は、主に損傷（折り曲げ損傷、破断損傷）する傾向があるため、頻繁に交換される作動体である。従来のＳＥＭナノマニピュレーションシステムはいずれも高真空試料室に固定されているため、末端作動体を交換する場合には、試料室を開ける必要があり、室内を汚染（従って、画像形成性が落ちる）するだけでなく、長時間のポンプダウンプロセスを伴う。このように、高真空を破ることなく、ナノマニピュレーションシステムを試料室に移送でき、かつこれから運び出すことが望まれている。
本発明の一態様によれば、本発明は、電子顕微鏡の真空試料室内へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するためのキャリヤ装置であって、（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって上記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなることを特徴とするキャリヤ装置を提供するものである。
本発明の一態様によれば、本発明のキャリヤ装置は、さらに、キャリヤ装置を電子顕微鏡のサンプルステージに結合する手段を有する。
本発明の別な態様の場合、上記電子顕微鏡は、試料交換室を有し、上記電子顕微鏡の試料交換室を介して上記キャリヤ装置を真空試料室に移送し、これによって上記真空試料室内の真空を維持するように上記キャリヤ装置を構成する。
本発明のさらに別な態様の場合、上記キャリヤ装置がさらに上記電子顕微鏡のサンプルステージに結合するベース部を有し、このベース部が上記マニピュレーターキャリヤを挿入ロッドに解放自在に接続する係合部を有し、そして上記挿入ロッドによって上記キャリヤ装置を上記交換室から上記真空試料室に移送する。
本発明のさらに別な態様の場合、上記キャリヤ装置の上記プラットホームがさらに、解放自在にサンプルホルダーに結合する取り付け手段を有する。
本発明のさらに別な態様の場合、上記キャリヤ装置がさらにサンプルを受け取り、上記一つかそれ以上のマニピュレーターによって画像形成および/またはマニピュレーションを行うスペースを有する。
本発明のさらに別な態様の場合、上記キャリヤ装置がさらに上記プラットホームに着脱自在に固定された上記一つかそれ以上のマニピュレーターを有する。
本発明のさらに別な態様の場合、本発明は、電子顕微鏡の真空試料室に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するシステムであって、（ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって上記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および（ｂ）上記電子顕微鏡の上記真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、上記キャリヤ装置の上記電気コネクターに係合するように構成された一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とするシステムに関する。
本発明の一つの態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記キャリヤ装置がさらにこのキャリヤ装置を上記電子顕微鏡のサンプルステージに結合する手段を有することを特徴とする。
本発明の別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記キャリヤ装置がさらに上記プラットホームに着脱自在に固定された一つかそれ以上のマニピュレーターを有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記電子顕微鏡が試料交換室を有し、そして上記キャリヤ装置が上記電子顕微鏡の上記試料交換室を介して上記真空試料室に移送することによって、上記試料真空室内の真空を維持するように構成されたことを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記キャリヤ装置がさらに上記電子顕微鏡のサンプルステージに結合するように構成されたベース部を有し、そしてこのベース部が上記キャリヤ装置を挿入ロッドに解放自在に接続する係合部を有し、この挿入ロッドによって上記マニピュレーターキャリヤを上記交換室から上記真空試料室に移送することができることを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、さらに上記電子顕微鏡のサンプルステージに取り付けられ、上記補完的電気コネクターを上記真空試料室内に固定する取り付け手段を有し、そしてこの取り付け手段が上記電子顕微鏡の各構成素子と干渉しないように構成されていることを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記補完的電気コネクターがさらに上記キャリヤ装置の上記一つかそれ以上の電気コネクターと上記一つかそれ以上の補完的電気コネクターとの係合を案内する案内手段を有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記プラットホームがさらにサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記プラットホームがサンプルを受け取り、画像形成および/またはマニピュレーションを行うスペースを有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、さらに上記真空室内に、上記キャリヤ装置の上記プラットホームに載っているサンプルを上記キャリヤ装置の上記サンプルステージによる移動から切り離す切り離しシステム（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を有し、そしてこの切り離しシステムが上記プラットホームに載っているサンプルを持ち上げる手段を有し、かつ上記サンプルを支持して、マニピュレーションおよび画像形成を行うことができるようにしたことを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記プラットホームがさらに一つかそれ以上の孔を有し、上記切り離しシステムがこれら一つかそれ以上の孔に延入して、上記スペースの載っている上記サンプルを持ち上げ、マニピュレーションおよび画像形成を行えるように上記サンプルを支持することができる一つかそれ以上のポストを有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、一つかそれ以上のマニピュレーターを上記真空室に移送するシステムは、上記切り離しシステムがさらに上記一つかそれ以上のポストに連動接続され、上記一つかそれ以上のポストを昇降させる駆動手段を有することを特徴とする。
本発明のさらに別な態様の場合、本発明は、電子顕微鏡の真空試料室内におけるサンプルをマニピュレーションするシステムであって、（ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および（ｂ）上記電子顕微鏡の上記真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、上記キャリヤ装置の上記電気コネクターに係合されるように構成された一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とするシステムに関する。
本発明の一つの態様の場合、上記のサンプルをマニピュレーションするシステムは、上記電子顕微鏡が試料交換室を有し、そして上記キャリヤ装置が上記電子顕微鏡の上記試料交換室を介して上記真空試料室に移送することによって、上記真空試料室内の真空を維持するように構成されたことを特徴とする。
本発明の別な態様の場合、本発明は、試料交換室を有する電子顕微鏡の真空試料室内の真空を変えることなくこの電子顕微鏡の真空試料室へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送する方法であって、（ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置を用意する工程、（ｂ）上記キャリヤ装置に上記交換室において上記一つかそれ以上のマニピュレーターを設ける工程、および（ｃ）上記キャリヤ装置を上記試料交換室から上記真空試料室に移送する工程を有することを特徴とする上記方法に関する。
本発明の一つの態様の場合、上記の真空試料室へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送する方法は、上記プラットホームがサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有し、そして上記工程（ｂ）に先立って、サンプルを保持したサンプルホルダーを上記取り付け手段に取り付けることを特徴とする。
本発明の一つの態様の場合、上記の真空試料室へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送する方法は、上記プラットホームがサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有し、そしてさらに（ｄ）上記試料交換室を介してサンプルを載せたサンプルホルダーを上記真空試料室に移送する工程、および（ｅ）上記真空試料室内の上記プラットホームの上記取り付け手段に上記サンプルホルダーを取り付ける工程を有することを特徴とする。
本発明の装置、システムおよび方法は、以下に示すように、従来技術よりすぐれた作用効果を発揮する。
１．今までのすべてのマニピュレーション/ナノマニピュレーションシステムと比較した場合、ナノマニピュレーターを含むマニピュレーターの取り付け/取り外しを行っても、また末端作動体（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）を交換しても、試料室の高真空に影響はない。
２．マニピュレーター/ナノマニピュレーターの取り付け/取り外しのために末端作動体の交換を行うために真空試料室を開ける必要がないため、真空環境への汚染が少なく、結果としてよりよい画像形成特性が実現できる。
３．試料室内の真空が解放されないため、ポンプダウン（ｐｕｍｐ−ｄｏｗｎ）時間が長くなく、実際用途においてすぐれて有利である。
４．本発明の装置設計およびシステム設計はいずれも、画像形成/分析を対象とする走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を始めとする電子顕微鏡の標準的な使用方法にとって邪魔になるものではなく、高い自由度を確保できる。ＳＥＭの内部でマニピュレーション/ナノマニピュレーションを行うユーザーや（マニピュレーション/ナノマニピュレーションを行う必要なく）ＳＥＭを画像形成/分析のみに使用するユーザーの場合、相互の作業を妨害せずに同じＳＥＭを使用できる。
５．本発明の装置設計およびシステム設計はいずれも、検査/マニピュレーション対象の半導体ウェハ全体などの面積の大きいサンプルに対処でき、現在は特殊な装置のみが行えるタスクを標準的なＳＥＭを使用して実行できる。
例示のみを目的として、以下添付図面を参照して本発明の実施態様を説明する。
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の外観を示す図である。 本発明のマニピュレーターキャリヤと係合するように装着されたアダプターマウントおよび電気コネクターを備えた内部ＳＥＭステージ（段）を示す図である。 本発明の一態様におけるマニピュレーターキャリヤを示す図である。 本発明の一態様におけるサンプルホルダーを示す図である。 試料交換室に移送する交換ロッドに取り付けられた、本発明の一態様におけるマニピュレーターキャリヤを示す図である。 交換ロッドによって真空試料室に移送状態にある、本発明の一態様におけるマニピュレーターキャリヤを示す図である。 アダプターマウントおよび電気コネクターへの接続を確保する、本発明の一態様におけるマニピュレーターキャリヤを示す図である。 試料アダプター（サンプルホルダー）が試料スタブとともに、交換ロッドに装着され、かつ試料交換室内の所定位置に置かれた状態を示す図である。 真空試料室内のマニピュレーターキャリヤに試料アダプターを結合した状態を示す図である。 交換ロッドが引き抜かれた状態におけるマニピュレーターキャリヤ上の試料アダプターを示す図である。 本発明の別な態様におけるマニピュレーターキャリヤを示す図である。 マニピュレーターキャリヤ上からウェハを引き上げるためにｚ-モーターをＳＥＭ室に装着したウェハ検査構成を示す図である。 ｚ-モーターを駆動して、一つのリンクおよび４つの支持ポストを介してウェハをマニピュレーターキャリヤから引き離す状態を示す図である。 本発明の一態様における方法の一例を示す図である。 本発明の別な態様における方法の一例を示す図である。
なお、図示の一つかそれ以上の本発明実施態様は、例示のみを目的としている。即ち、明細書の開示および添付図面は、例示のみを目的とし、理解の一助になるもので、本発明の範囲を定義するものではない。
特に断らない限り、本開示で使用する技術的用語、科学的用語はいずれも、本発明が属する分野において当業者が通常理解している意味と同じ意味をもつ。また、特許請求の範囲の記載を除いて特に断らない限り、“または（あるいは）”は、“および（そして）”などの意味を包含するものであり、逆も成立する。非制限的な用語術語も、特に断らない限り、あるいはそれ以外の明示がない限り、制限的な意味はない。（例えば、“含む”、“有する”、“含有する”などは通常“限定することなく含有する”という意味である。）例えば、特に断らない限り、特許請求の範囲の記載などにおける単数表現は、複数表現や限定表現を含むものである。本明細書で言及した先行例は、本開示に援用するものである。以下、添付図面を参照することにより本発明を詳しく説明する。
本発明は、電子顕微鏡（ＥＭ）の試料室内の高真空を撹乱せずに、一つかそれ以上のマニピュレーターを電子顕微鏡内に移送し、かつ電子顕微鏡内から取り出す装置、システムおよび方法に関する。
本発明それ自体は、ＥＭ内へのマニピュレーターの装着に対してより効率が高く、またよりＥＭ適合性の高い方法を提供するものである。本発明によれば、一つかいくつかのマニピュレーターを保持した装置キャリヤを、試料交換室を介してＥＭの真空試料室に移送し、これから取り出すことができる。従って、マニピュレーターキャリヤを真空試料室に移送するさいにも、あるいは取り出すさいにも、試料室の高真空を撹乱することはない。末端作動体（即ち、マニピュレーターに取り付けた端部ツール）を交換するさいにも、試料室の高真空を撹乱することはない。
本発明の一態様におけるＥＭ内に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送装着するキャリヤ装置は、（ｉ）一つかそれ以上のマニピュレーターを対象とするプラットホーム、および（ｉｉ）ＥＭ内の電気素子に一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する一つかそれ以上の電気コネクターからなることを特徴とする。
本発明の一態様における電子顕微鏡の真空試料室内へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するシステムは、（ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって上記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および（ｂ）上記電子顕微鏡の上記真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、上記キャリヤ装置の上記電気コネクターに係合されるように構成された一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とする。
本発明の別な態様における電子顕微鏡の真空試料室内部においてサンプルをマニピュレーションするシステムは、（ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって上記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、上記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および（ｂ）上記電子顕微鏡の上記真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、上記キャリヤ装置の上記電気コネクターに係合されるように構成された一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とする。
以下の説明および実施例では、本発明を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に焦点を絞って説明する。なお、当業者ならば理解できるように、本発明は当然のこととして上記以外の別な実施態様にも拡張できる。例えば、本発明の装置、システム、および方法は、透過型電子顕微鏡および反射型電子顕微鏡を始めとする、真空試料室および試料交換室を有する任意のＥＭに使用することができる。
なお、本開示における用語“マニピュレーター”は、必ずしも起きるわけではないが、サンプルが変質することもある、サンプルのμｍまたはnｍスケールでの試験、処理または操作を行う装置を含む広い概念である。例えば、マニピュレーターはサンプル特性の観察に役立つ。
図１は、典型的なＳＥＭの外観を示す図である。真空試料室９０は（図１０に内部が示されている）、サンプルの画像形成を行う真空試料室である。真空試料室９０はサンプルステージ５０を有する。真空サンプル室９０内でステージ５０を操作できる駆動手段（電気モーター）は、例えば、ＳＥＭの真空試料室９０の外部に設けられたボックス１２０内にあるため、電子ビームとの電磁干渉は起きない。試料交換室１３０（図５および図８に内部が示されている）は、試料室９０の高真空に影響が出ないように、試料交換時に試料を一時的に置いておくスペースである。（サンプルと呼ぶこともある）試料を真空試料室９０に移送するために、あるいは取り出すために、（“サンプルホルダー”とも呼ばれている）試料アダプターを交換ロッド４０の端部に取り付け、手動で押し出し操作および引っ張り操作を行って、試料交換室１３０を介して試料アダプターを真空試料室９０にスライドさせる。従来システムの場合、ナノマニピュレーションシステムを真空試料室９０内に移送し、あるいは取り出すさい、あるいはマニピュレーターの末端作動体を変えるさい、その都度高真空試料室９０のドア１１０を開ける必要があり、この結果試料室９０が汚染され、真空が撹乱されるため、長いポンプダウン操作が必要になる。本発明は、試料室ドア１１０を開ける必要なく、一つかそれ以上のマニピュレーターを真空試料室９０に移送し、かつ取り出すことができるため、試料室９０内の高真空を維持できる新規なシステム、方法および装置を提供するものである。
試料室９０の内部では、図２に示すように、アダプターマウント６０を使用して、アダプターマウント６０のスロット６４に試料アダプターを着脱自在に固定することによって、ＳＥＭサンプルステージ５０に試料アダプターを結合し、試料について標準的なＳＥＭ画像形成/分析を行うことができる。サンプルステージ５０はモーター駆動式のステージであり、ＸＹ方向に移動してサンプルまたはサンプル内部の目的ターゲットを限局化でき、また垂直Ｚ方向に移動してサンプルの合焦を行うことができる。本発明の場合、本発明のキャリヤ装置を着脱自在に固定し、ＥＭ内部に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送し装着できるアダプターマウント６０を活用する。即ち、本発明のキャリヤ装置を固定するために特別な構造を設計、使用する必要がないため、マニピュレーションシステムを適用しても、ＳＥＭの標準的な使用の妨げにはならない。
図３は、ナノマニピュレーターなどのツールをＥＭに電気的に接続するとともにナノマニピュレーターを移送する手段になる、本発明のマニピュレーターキャリヤ装置３００の態様を示す図である。本発明の一態様の場合、ＥＭ内に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送し装着するキャリヤ装置３００を実現できる。この態様のキャリヤ装置３００は、（ｉ）キャリヤプラットホーム３２０、および（ｉｉ）一つかそれ以上のマニピュレーターをＥＭ内部の電気素子に電気的に接続する一つかそれ以上のコネクター３３０からなる。以下に説明するように、プレート３２０の電気コネクター３３０が保持されたツールをＳＥＭの内外に設けられた電子部品および電気素子に電気的に接続する。
さらに、キャリヤ装置３００はプラットホーム３２０に一つかそれ以上のマニピュレーターを固定する固定手段３７０を有する。この固定手段３７０によってマニピュレーターをプラットホーム３２０に着脱自在に固定できる。例えば、固定手段３７０はネジやボルトなどの固定部材を有する。
さらに、キャリヤ装置３００はＳＥＭにこれを取り付ける手段を有する。キャリヤ装置３００自体は、真空試料室９０内にＳＥＭを結合するＴ−ベースアダプター３４０などのベースアダプターを有する。このベースアダプター３４０の場合、例えば、ＳＥＭ試料ステージ５０のスロット６４に結合し、キャリヤ装置３００全体をステージ５０に固定するように構成する。また、ベースアダプター３４０には、キャリヤ装置３００を挿入ロッドまたは交換ロッド４０に解放自在に接続する係合手段３６０を設けて、以下に続けて説明するように、マニピュレーターキャリヤ３００を真空試料室９０に移送、そしてこれから取り出すことができるように構成する。
また、キャリヤ装置３００のプラットホーム３２０はサンプルホルダーを受け取り、これをマニピュレーションするスロット６４と同様な構成のスロットまたはホルダーマウント３５０を有する。マニピュレーターキャリヤ装置３００と一体に、あるいはこれとは別に試料を移送必要があるかどうかに応じて試料をマニピュレーション位置に装着する方法は２つある。第１の方法では、上部に試料を載せた（図示省略）Ｔ−ベース試料アダプターなどの試料アダプターをマニピュレーターキャリヤ３００のホルダーマウント３５０に挿入し、マニピュレーターキャリヤ装置３００とともにＳＥＭ内に移送できる。第２の方法の場合、ＳＥＭの真空試料室９０内にマニピュレーターキャリヤ３００を装着した後に、図４に示す試料アダプター４００などの試料アダプターを使用して試料を真空試料室９０に移送することができる。図４について説明すると、試料アダプター４００は、Ｔ−ベースアダプター４１０および移送アダプター４３０を有する。既にキャリヤ装置３００を納めた試料室９０内に試料アダプター４００を移送するために、移送アダプター４３０に設けられた係合手段４６０に解放自在に交換ロッド４０を取り付けることができる。また、この移送アダプター４３０は、図４に示すようにＴ−ベースアダプターの形を取ることができる。このＴ−ベースアダプター４１０をマニピュレーターキャリヤ装置３００のスロット３５０に挿入し、キャリヤ装置３００に試料アダプター４００を固定する。次に試料を試料スタブ４２０に載せ、Ｔ−ベースアダプター４１０に取り付ける。なお本態様では、アダプターをＴ−ベースアダプターとしたが、本発明では他のタイプのアダプターを使用することができる。
マニピュレーターの電気接続に関して図２および図６について説明すると、電気コネクター３３０と係合できる補完的電気コネクター５３０は、試料室９０内の、ＳＥＭステージ５０に取り付けられる例えばマウント７０に固定できる。アダプターマウント７０の形状については、ＳＥＭの構成素子に対して干渉しないように、例えばＳＥＭステージの動きを制限するマイクロスイッチと衝突しないように、設計する必要がある。アダプターマウント７０の場合、さらに、試料の他の分析に使用するＥＤＸ検出器などの付加的なＳＥＭ検出器の動作を妨害してはならない。また、補完的電気コネクター５３０は案内手段を有することができる。補完的電気コネクター５３０の案内ポスト５２０については、電気コネクター３３０に挿入し、キャリヤプラットホーム３２０の電気コネクター３３０がアダプターマウント７０の補完的電気コネクター５３０の位置に対して正確にアライメントし、これとスムーズに係合できるように設計すればよい。補完的電気コネクター５３０からのケーブル（図示省略）は、ＳＥＭの貫通ポート（ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｒｔ）に接続してから、ＳＥＭの外部に設けられた電気素子（例えばマニピュレーター駆動素子/制御素子など）に接続する。補完的電気コネクター５３０を受け取るために、試料室ドア１１０は一度だけ開き、補完的電気コネクター５３０およびケーブルを支持したアダプターマウント７０を装着することができるが、これら電気コネクターおよびケーブルの存在はＳＥＭの標準的な使用に影響しないため、永続的にそのままにしておくことができる。なお、図２および図６に、マニピュレーターの雄コネクター３３０に接続するように図示されている雌形の補完的電気コネクター５３０を示すが、これら補完的電気コネクター５３０の場合、キャリヤプラットホーム３２０の雌コネクター３３０と係合できる雄コネクターでもよい。例えばプラグ/ソケットコネクターやＰＣＩイクスプレス（ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ）コネクターなどを始めとする任意の都合のよいコネクターも本発明に使用することができる。
試料室９０内部に補完的電気コネクター５３０およびケーブルのアダプターマウント７０を装着した後、一つかそれ以上のマニピュレーターを支持したマニピュレーターキャリヤ装置３００を、ちょうど標準的なＳＥＭ試料アダプターと同様に、真空試料室９０に移送できる。図５において、試料交換室１３０のドアを開き、そして一つかそれ以上のマニピュレーター７００（図３には２つのマニピュレーターを示す）および電気コネクター３３０を交換ロッド４０に接続した装置３００を試料交換室１３０に取り付ける。試料交換室１３０のドアを閉め、排気を行う。
試料交換室の排気が終了したなら、真空試料室９０を開き、交換ロッド４０によってマニピュレーターキャリヤ装置３００を図６および図７に示すように、高真空試料室９０内に移送するが、試料室９０の真空が撹乱されることはない。キャリヤ装置３００のアダプター３４０がアダプターマウント６０のスロット６４にスライドし、同時にマニピュレーターキャリヤ装置３００のコネクター３３０が補完的コネクター５３０に係合するが、この場合アライメント（位置合わせ）に案内ポスト５２０を使用してもよく、あるいは使用しなくてもよい。マニピュレーターキャリヤ装置３００の高さについては、特にＳＥＭステージを最も高い位置に上げて、試料を観察する作動距離を最短化する場合、マニピュレーターだけでなく試料も対物レンズ５１０から適正距離に位置するように設計する必要がある。
キャリヤ装置３００の移送後、図７に示すように、交換ロッド４０をキャリヤ装置３００から取り外し、引き出す。
図８に、ロッド４０を取り付けた試料交換室１３０に試料アダプター４００を移送する状態を示す。ロッド４０によって、アダプター４００を真空を撹乱せずに真空試料室９０にスライドする。アダプター４００は、スロット３５０に結合するまでスライドする（図９）。この後、ロッド４０が後退し、試料アダプター４００がキャリヤ装置３００に結合した状態になり、マニピュレーター７００が試料アダプター４００に載っているサンプルを操作できる状態になる(図１０)。
マニピュレーター７００は圧電モーター/アクチュエーターからなり、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向にそって動作でき、あるいは回転動作できる。マニピュレーター内部の位置決め装置は粗い位置決めモードおよび精細な位置決めモードの両モードで作動でき、解像度の高い集積エンコーダーからの閉ループ位置フィードバックを使用することもあり、使用しないこともある。末端ツール(即ち末端作動体)、例えば、プローブ７１０はマニピュレーター７００に装着することができる。プローブ７１０も雄コネクター３３０に電気的に接続することができる。把持ツールやピペットなどの他の形式の末端作動体もマニピュレーションタスクを行うために装着することができる。
マニピュレーターおよび末端作動体は、コネクター３３０および５３０を介してＳＥＭ外部の電気素子に、そして最終的にはコンピュータに接続する。マニピュレーターは、常時ＳＥＭの画像をモニターしている操作員が、ジョイスティック/キーパッドまたはコンピュータプログラムを介して制御する。さらに、ＳＥＭからのフィードバックを映像センサーだけでなくマニピュレーターおよび末端作動体の集積位置/力センサーとして使用して、マニピュレーションタスクを自動閉ループ制御することも可能である。
（細胞などの生物学的物質、ナノワイヤ、ナノチューブ、およびマイクロエレクトロメカニカルシステム、即ちＭＥＭＳ素子などの）小さな試料をマニピュレーションするだけでなく、本発明のキャリヤ装置３００は、半導体ウェハ全体または生物学的組織などの比較的大きなサンプルをマニピュレーションするシステムに特化することも可能である。
比較的小さなサンプルを調べるさいに、プラットホーム３２０のマニピュレーター７００は、マニピュレーション対象サンプル内の調べのすべての対象部位や対象点にアクセスできるが、比較的大きなサンプルを調べるさいには、マニピュレーション対象サンプル内の調べのすべての対象部位や対象点にアクセスできない。キャリヤ装置３００は、これが取り付けられているＥＭのサンプルステージ５０によってＸＹ方向に移動できる。サンプルがキャリヤ装置３００に取り付けられている場合、キャリヤ装置が動くと、サンプルも対応して動く。即ち、本発明の別な態様の場合、マニピュレーターが半導体ウェハなどの比較的大きな試料内の調べのすべての対象部位や対象点にアクセスできる新規かつユニークなシステムである。本発明のこの態様の場合、ウェハなどの比較的大きなサンプルをサンプルステージ５０によってキャリヤ装置３００の動きから切り離すことができ、マニピュレーター７００がマニピュレーション対象のウェハ内の調べのすべての対象部位や対象点にアクセスできることになる。
図１１に、比較的大きなサンプルを調べることができる構成のキャリヤ装置９００を示す。ウェハなどの比較的大きなサンプルは、マニピュレーターキャリヤプラットホーム９２０の中心に載せることができ、ここには２つかそれ以上の貫通孔９１０があるため、マニピュレーターキャリヤ９００の下にある支持ポストが貫通孔９１０内上方に移動し、ウェハに接触し、これをマニピュレーターキャリヤプラットホーム９２０から垂直に引き離すため、ウェハを中心にしてキャリヤ９００のＸＹ運動からウェハを切り離す。このようにして、プラットホーム９２０のマニピュレーター７００が、マニピュレーション対象のウェハ内部のすべての点にアクセスすることができる。
別な態様の場合、本発明それ自体は、ＥＭ内の一つかそれ以上のマニピュレーター７００を有するステージ５０およびキャリア装置９００の動きからサンプルを切り離すシステムに関する。本態様では、マニピュレーション対象のサンプルをキャリヤ装置９００の動きから切り離す切り離しシステムは、キャリヤプラットホーム９２０に載っているサンプルを持ち上げることができ、かつサンプルを支持してマニピュレーションおよび画像形成を行うことができる一つかそれ以上の支持ポストを有する。これら一つかそれ以上のポストに連結された駆動手段を使用すると、これら一つかそれ以上のポストを上下できる。
図１２および図１３に示すように、ウェハ９７０は、キャリヤプラットホーム９２０の中心に一つかそれ以上の貫通孔９１０を有する、構成を変更したマニピュレーターキャリヤ装置９００に載せることができる。上記一つかそれ以上の孔９１０のサイズについては、ポスト９４０などの一つかそれ以上の支持手段内で動作できるように設定する。圧電モーター９８０などの駆動手段は、真空試料室９０の壁か底部に、あるいはＳＥＭの真空試料室９０内のその他の任意の好適な静止構造体に装着することができる。レバーおよび支持手段９４０を介して、モーター９８０が、図１３に示すように、キャリヤプラットホーム９２０からウェハ９７０を持ち上げる。従って、ＳＥＭステージ５０によってマニピュレーターキャリヤ装置９００がＸ方向およびＹ方向に移動すると、ウェハがＸＹ運動の点においてＳＥＭステージ５０から切り離されるため、末端作動体の作業空間がウェハ全体を覆うことになる。即ち、本発明の動作システムによると、標準的な半導体ウェハに対する調べが高性能化する。
また、本発明は、真空試料室９０内の真空を撹乱することなく、電子顕微鏡の真空試料室９０に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送する方法にも関する。本発明の一つの態様による方法は、以下の工程からなる。
（ａ）（ｉ）一つかそれ以上のマニピュレーター７００が着脱自在に固定されたキャリヤプラットホーム３２０、および（ｉｉ）キャリヤプラットホーム３２０に固定され、一つかそれ以上のマニピュレーター７００に電気的に接続する電気コネクター３３０を有するキャリヤ装置３００、９００を用意する工程、
（ｂ）キャリヤ装置３３０、９００を一つかそれ以上のマニピュレーター７００とともに試料交換室１３０内に置く工程、および
（ｃ）キャリヤ装置３００、９００を試料交換室１３０から真空試料室９０内に移送する工程。
図１４および図１５のフローチャートに、真空室９０内の真空を撹乱することなく、本発明のキャリヤ装置３００、９００をＥＭの真空試料室９０内に移送する方法の非限定的な方法の２つの例を示す。
図１４に、マニピュレーション対象サンプルをキャリヤ装置３００、９００とともに試料真空室９０に移送するキャリヤ装置３００、９００の移送方法の一例を示す。ブロック１４０１において、ユーザーがマニピュレーターを選択し、選択したマニピュレーターをキャリヤ装置３００、９００に結合/固定する。ブロック１４０２において、サンプルをキャリヤプラットホームに直接載せるか、サンプルが支持されている試料アダプターをスロット３５０に挿入する。ブロック１４０３において、交換ロッドをキャリヤ装置３００、９００に取り付け、試料交換室１３０内にキャリヤ装置３００、９００を取り付ける。試料交換室１３０を閉じ、排気する。交換室１３０を排気したなら、交換ロッドを使用してキャリヤ装置３００、９００を試料室９０（ブロック１４０４）内にスライドするか、あるいは移送する。真空試料室９０内において、キャリヤ装置３００、９００のベース部３４０をサンプルステージ５０上においてスロット６４に係合または結合し、これによってキャリヤ装置３００、９００をサンプルステージ５０（ブロック１４０５）に結合する。ブロック１４０５の工程と同時に、アダプターマウント７０（ブロック１４０６）に補完的電気コネクター５３０を設けた状態で、キャリヤ装置３００、９００上の電気コネクター３３０を結合する。ロッド４０を外し、後退させる。このようにして、マニピュレーターが機能を発揮できる状態になり、従ってサンプルをマニピュレーションできる状態になる（ブロック１４０７）。
図１５に、試料アダプター（サンプルホルダー）４００を使用して、マニピュレーターキャリヤが真空試料室９０内に装着された後に、試料を試料真空室９０に移送するキャリヤ装置３００の移送方法の別な例を示す。ブロック１５０１〜１５０５に、キャリヤ装置３００をステージ５０に結合し、サンプルがマニピュレーターキャリヤ装置３００のプラットホームに置かれていない点を除けば、ブロック１４０１〜１４０６と同様な方法で電気コネクター３３０を補完コネクター５３０に係合する工程を示す。試料がスタブ４２０に載せられているサンプルホルダー４００に交換ロッド４０を取り付け、試料交換室１３０にサンプルホルダー４００を取り付ける。試料交換室１３０を排気したなら、試料真空室９０に連絡するドアを開け、ロッド４０を使用して、キャリヤ装置３００上のホルダーマウント３５０に向けて真空試料室９０内にサンプルホルダー４００をスライドし、これによってサンプルを所定位置に置き、ロッド４０の後退後に、画像形成およびマニピュレーションを実施する。
なお、当業者ならば、以上説明してきた実施態様を、本発明の範囲から逸脱せずに変更し、実用化できることを理解できるはずである。
３００：マニピュレーターキャリヤ装置
３２０：キャリヤプラットホーム
３３０：電気コネクター
３４０：ベースアダプター
３５０：ホルダーマウント、スロット
３６０：係合手段
３７０：固定手段

Claims (24)

  1. 電子顕微鏡の真空試料室内へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するためのキャリヤ装置であって、（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって前記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）前記プラットホームに固定され、前記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなることを特徴とするキャリヤ装置。
  2. さらに、前記キャリヤ装置を前記電子顕微鏡のサンプルステージに結合する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のキャリヤ装置。
  3. 前記電子顕微鏡が試料交換室を有し、前記電子顕微鏡の前記試料交換室を介して前記キャリヤ装置を前記真空試料室に移送し、これによって前記真空試料室内の該真空を維持するように構成した請求項１に記載のキャリヤ装置。
  4. 前記キャリヤ装置がさらに前記電子顕微鏡のサンプルステージに結合するベース部を有し、該ベース部が前記マニピュレーターキャリヤを挿入ロッドに解放自在に接続する係合部を有し、そして前記挿入ロッドによって前記キャリヤ装置を前記交換室から前記真空試料室に移送できることを特徴とする請求項３に記載のキャリヤ装置。
  5. 前記プラットホームがさらに、解放自在にサンプルホルダーに結合する取り付け手段を有することを特徴とする請求項１に記載のキャリヤ装置。
  6. 前記プラットホームがさらにサンプルを受け取り、前記一つかそれ以上のマニピュレーターによって画像形成および/またはマニピュレーションを行うスペースを有することを特徴とする請求項１に記載のキャリヤ装置。
  7. 前記キャリヤ装置がさらに前記プラットホームに着脱自在に固定された前記一つかそれ以上のマニピュレーターを有することを特徴とする請求項１に記載のキャリヤ装置。
  8. 電子顕微鏡の真空試料室に一つかそれ以上のマニピュレーターを移送するシステムであって、
    （ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって前記一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）前記プラットホームに固定され、前記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および
    （ｂ）前記電子顕微鏡の前記真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、前記キャリヤ装置の前記電気コネクターに係合されるように構成された前記一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とする移送システム。
  9. 前記キャリヤ装置がさらに該キャリヤ装置を前記電子顕微鏡のサンプルステージに結合する手段を有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 前記キャリヤ装置がさらに前記プラットホームに着脱自在に固定された一つかそれ以上のマニピュレーターを有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  11. 前記電子顕微鏡が試料交換室を有し、そして前記キャリヤ装置が前記電子顕微鏡の前記試料交換室を介して前記真空試料室に移送することによって、前記試料真空室内の該真空を維持するように構成したことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  12. 前記キャリヤ装置がさらに前記電子顕微鏡のサンプルステージに結合するように構成されたベース部を有し、そして該ベース部が前記キャリヤ装置を挿入ロッドに解放自在に接続する係合部を有し、該挿入ロッドによって前記マニピュレーターキャリヤを前記交換室から前記真空試料室に移送することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
  13. さらに前記電子顕微鏡のサンプルステージに取り付けられ、前記補完的電気コネクターを前記真空試料室内に固定する取り付け手段を有し、そして該取り付け手段が前記電子顕微鏡の各構成成分と干渉しないように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  14. 前記補完的電気コネクターがさらに前記キャリヤ装置の前記一つかそれ以上の電気コネクターと前記一つかそれ以上の補完的電気コネクターとの係合を案内する案内手段を有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  15. 前記プラットホームがさらにサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  16. 前記プラットホームがサンプルを受け取り、画像形成および/またはマニピュレーションを行うスペースを有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  17. さらに前記真空室内に、前記キャリヤ装置の前記プラットホームに載っているサンプルを前記キャリヤ装置の前記サンプルステージによる移動から切り離す切り離しシステムを有し、そして該切り離しシステムが前記プラットホームに載っている前記サンプルを持ち上げる手段を有し、かつ前記サンプルを支持して、マニピュレーションおよび画像形成を行うことができるようにしたことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記プラットホームがさらに一つかそれ以上の孔を有し、前記切り離しシステムがこれら一つかそれ以上の孔に延入して、前記スペースに載っている前記サンプルを持ち上げ、マニピュレーションおよび画像形成を行えるように前記サンプルを支持することができる一つかそれ以上のポストを有することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記切り離しシステムがさらに前記一つかそれ以上のポストに連動接続され、前記一つかそれ以上のポストを昇降させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
  20. 電子顕微鏡の真空試料室内におけるサンプルをマニピュレーションするシステムであって、
    （ａ）（ｉ）固定手段を有するプラットホームであって、この固定手段によって一つかそれ以上のマニピュレーターを着脱自在に固定するプラットホーム、および（ｉｉ）前記プラットホームに固定され、前記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置、および
    （ｂ）前記電子顕微鏡の真空試料室内に固定された一つかそれ以上の補完的電気コネクターであって、前記キャリヤ装置の前記電気コネクターに係合されるように構成された一つかそれ以上の補完的電気コネクターからなることを特徴とするシステム。
  21. 前記電子顕微鏡が試料交換室を有し、そして前記キャリヤ装置が前記電子顕微鏡の前記試料交換室を介して前記真空試料に移送することによって、前記試料真空室内の該真空を維持するように構成したことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
  22. 試料交換室を有する電子顕微鏡の真空試料室内の真空を変えることなく電子顕微鏡のこの真空試料室へ一つかそれ以上のマニピュレーターを移送する方法であって、
    （ａ）（ｉ）前記一つかそれ以上のマニピュレーターが着脱自在に固定されたプラットホーム、および（ｉｉ）このプラットホームに固定され、前記一つかそれ以上のマニピュレーターを電気的に接続する電気コネクターからなるキャリヤ装置を用意する工程、
    （ｂ）前記キャリヤ装置に前記交換室において前記一つかそれ以上のマニピュレーターを設ける工程、および
    （ｃ）前記キャリヤ装置を前記試料交換室から前記真空試料室に移送する工程を有することを特徴とする方法。
  23. 前記プラットホームがサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有し、そして前記工程（ｂ）に先立って、サンプルを保持したサンプルホルダーを前記取り付け手段に取り付けることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記プラットホームがサンプルホルダーに解放自在に結合する取り付け手段を有し、そしてさらに
    （ｄ）前記試料交換室を介してサンプルを保持したサンプルホルダーを前記真空試料室に移送する工程、および
    （ｅ）前記真空試料室内の前記プラットホームの前記取り付け手段に前記サンプルホルダーを取り付ける工程を有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
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