(57)【要約】  本発明は、物体を分析または加工するためのナノマニピュレータに関する。このナノマニピュレータは、少なくとも一つの物体を分析位置または加工位置に対して相対的に移動させるために、移動すべき物体または物体ホルダを支持し、移動実施のために変位可能な複数の移動要素を装備しており、これらの移動要素は、それぞれ移動すべき物体または物体ホルダ用の支承面を有しており、これらの移動要素はナノマニピュレータの軸方向で少なくとも一つの支持平面を支えている。このナノマニピュレータは、支持平面を移動させるための、剪断圧電素子を含む移動要素を備えていることを特徴とする。
2008517251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を分析位置または加工位置に対して相対的に移動させるためのナノマニピュレータであって、前記ナノマニピュレータが、移動すべき物体またはそれ用の物体ホルダを支持し、移動実施のために変位可能な少なくとも一つの移動要素を備えており、前記移動要素が前記移動すべき物体または前記物体ホルダ用の載置台面を有しており、その際前記移動要素が支持平面を支えているナノマニピュレータにおいて、少なくとも一つの剪断圧電素子を含む移動要素を備えていることを特徴とするナノマニピュレータ。
【請求項２】
少なくとも一つの物体を分析位置または加工位置に対して相対的に移動させるためのナノマニピュレータであって、前記ナノマニピュレータが、移動すべき物体またはそれ用の物体ホルダを支持し、移動実施のために変位可能な複数の移動要素を備えており、前記移動要素がそれぞれ前記移動すべき物体または前記物体ホルダ用の載置台面を有しており、その際前記移動要素が前記ナノマニピュレータの軸方向で少なくとも一つの支持平面を支えているナノマニピュレータにおいて、少なくとも一つの剪断圧電素子を含む移動要素を備えていることを特徴とするナノマニピュレータ。
【請求項３】
互いに９０°ずれた位置に圧電励起可能な二つの接触面が配置されている少なくとも一つの剪断圧電素子を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のナノマニピュレータ。
【請求項４】
圧電励起可能な唯一つの接触面を有する少なくとも一つの剪断圧電素子を有する請求項１〜３のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項５】
前記ナノマニピュレータが、互いに独立に剪断圧電素子を制御する手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項６】
前記移動要素が、Ｘおよび／またはＹおよび／またはＺ方向の移動を実施できることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項７】
前記ナノマニピュレータが、それぞれの支持平面用の三つの移動要素を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項８】
前記移動要素が、支持平面を支えるための半球形の載置台を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項９】
前記移動要素が、特に希土類材料製の磁石を含んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１０】
前記移動要素がそれぞれ、ナノマニピュレータの担体上に軸方向で異なる高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１１】
前記移動要素が、斜めに走る支持平面を支えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１２】
斜めに走る支持平面として螺旋形を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１３】
各移動要素が、螺旋状に走る支持平面の一部分を支えていることを特徴とする請求項１２記載のナノマニピュレータ。
【請求項１４】
前記斜めに走る支持平面の各部分が同じように形成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載のナノマニピュレータ。
【請求項１５】
前記支持平面が物体ホルダ、レースまたは検査試料の一部であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１６】
前記支持平面の少なくとも一部が、Ｖ字型切込溝を有することを特徴とする請求項１〜１５いずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１７】
ＸおよびＹ方向の移動が、Ｚ方向の移動とは切り離されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１８】
少なくとも一つの支持平面に少なくとも一つの中空円筒形の移動要素が配置されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項１９】
中空円筒形の移動要素に前記ナノマニピュレータの走査針が固定されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２０】
移動要素が、別の支持平面を支えるための支持平面上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２１】
前記ナノマニピュレータの少なくとも一つの支持平面が開口部を有することを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２２】
前記支持平面の前記開口部が、その中で中空円筒形移動要素および／またはさらなる支持平面が並進移動できるように寸法を設定されていることを特徴とする請求項２１記載のナノマニピュレータ。
【請求項２３】
少なくとも二つの支持平面が、前記ナノマニピュレータの同一の軸方向平面に配置されていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２４】
少なくとも二つの支持平面が、前記ナノマニピュレータの軸方向の異なる平面に配置されていることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２５】
記ナノマニピュレータが、検査すべき物体の表面の分析および／または加工用の４本の走査針を有することを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２６】
それぞれの中空円筒形移動要素に走査針が一本ずつ固定されていることを特徴とする、請求項２５記載のナノマニピュレータ。
【請求項２７】
前記走査針（ｎ）が９０°未満の角度で試料に向けられていることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２８】
走査針の付いた少なくとも一つの中空円筒形移動要素が、支持平面に偏心固定されていることを特徴とする請求項１〜２７のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項２９】
前記ナノマニピュレータが走査針の周囲を冷却する手段を有することを特徴とする請求項１〜２８のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項３０】
前記ナノマニピュレータが試料ホルダを有することを特徴とする請求項１〜２９のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項３１】
前記試料ホルダが、前記ナノマニピュレータの脚部のベースプレート内に配置されていることを特徴とする請求項１〜３０のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項３２】
前記支持平面が、前記ナノマニピュレータの脚部のベースプレート内に配置されていることを特徴とする請求項１〜３１のいずれか一つに記載のナノマニピュレータ。
【請求項３３】
請求項１〜３２のいずれか一つに記載のナノマニピュレータを含むことを特徴とする顕微鏡、特に走査プローブ顕微鏡またはＳＥＭ。
【請求項３４】
低温ステーションを含むことを特徴とする請求項３３記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体を分析または加工するためのナノマニピュレータに関する。
【０００２】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および走査型フォース顕微鏡（ＳＦＭ、ＡＦＭ）は、研究、教育および工業の分野で表面形態の特徴付けに使用される。
【０００３】
走査型トンネル顕微鏡および走査型フォース顕微鏡の基本原理は、中空円筒形の圧電移動要素に固定された微細な尖端または走査針による表面走査に基づいている。走査型トンネル顕微鏡では、尖端と試料の間の電流が分析対象試料の表面に沿って測定される。
【０００４】
走査型フォース顕微鏡では、走査針の代わりにレバーまたはいわゆる片持ち桿が固定されている。この場合試料と片持ち桿の間の力が測定量として用いられる。
【背景技術】
【０００５】
特許文献１から、物体のＸ、ＹおよびＺ方向での微小移動測定用のマイクロマニピュレータが公知である。この場合、物体は少なくとも三つの中空円筒形圧電移動要素上に設置される。この移動要素は、密組織の導電性内部ライニングおよび外面には相互絶縁された複数の部分ライニングを有する。個々の部分ライニングと内部ライニングの間に電圧をかけることによって、中空円筒形圧電移動要素にＸ、ＹおよびＺ方向において極性に応じた歪みまたは変形が誘起される。
この動きは非常に精確であり、以下では微小移動と称する。１／１０００ナノメートルまでの精度で連続移動させることができる。他方、圧電素子の変形では数マイクロメートルの範囲でしか移動できない。
【０００６】
物体または物体ホルダの粗移動には慣性駆動装置が使用される。
移動要素を例えば鋸波状パルスにより適切に制御すれば、検査すべき物体または物体ホルダは、それぞれ検査すべき物体または物体ホルダの慣性により位置変更される。この動きは、以下では粗移動と称するが、ナノメートルからミリメートルの範囲をカバーする。粗移動は微小移動のように連続的には行われず、ナノメートル領域でステップ単位で行われ、その幅は鋸波状パルスの振幅によって決まる。検査試料に対する物体または物体ホルダの位置を調整するために、慣性駆動の原理に基づく粗移動によってＸおよびＹ方向での並進移動が可能である。以下では、微小移動も粗移動もマイクロ移動として捉える。
【０００７】
特許文献２からは、ナノマニピュレータの軸に沿った垂直方向で、斜めにまたは螺旋状に走る支持平面を支える移動要素が公知である。螺旋状に走る支持平面は同じ形態の多数の区分領域に分割することができ、その際少なくとも一つの中空円筒形移動要素が各区分領域を支えている。
中空円筒形移動要素を適切に制御すると、螺旋状に走る支持平面が回転し出す。加工および分析面の粗移動が軸方向（Ｚ方向）にも現われる。その変位は、圧電素子自体に電圧をかけて達成できるレベルを遥かに越えている。この方法により、例えば尖端または走査針の試料への粗接近が可能である。
【０００８】
移動要素を別の方式で適切に制御または移動させると、支持平面はＸまたはＹ方向に水平粗移動することができる。物体がＸ、ＹおよびＺ方向での粗移動により然るべき位置にくると、走査針による中空円筒形圧電素子の変形により別の精確な移動（微小移動）を行うことができる。
【０００９】
マイクロマニピュレータには、物体または試料表面の分析または加工作業における上記目的のために走査針が装備されている。走査針は中空円筒形移動要素に固定されている。この要素は圧電効果により変形または歪みを起こし、それによって走査針と物体の間の所期の相対移動が達成される（微小移動）。
【００１０】
マイクロエレクトロニクスからナノエレクトロニクスへの移行に伴い、ナノ構造による電子特性および電荷移送の測定が望まれる。
【００１１】
Ｓｈｉｒａｋｉ他の非特許文献１から、ＵＨＶ−ＳＥＭ内に配置された４探針システムが公知である。各探針がそれぞれ一つのＳＴＭを表す。探針操作の制御にＳＥＭが使用される。これにより探針の位置決めが可能である。粗位置決めで探針は互いに数μｍにまで接近する。それぞれ５つの電極をもつ中空円筒形移動要素が、高精度での探針の位置決めを可能にし、これをナノメートル領域で移動させる。それにより、探針の微細な位置決めが実施される。構成部品の電気特性が、例えば４本の探針または走査針の利用によって分析可能である。
【００１２】
同様に従来技術からＵＨＶナノ探針も公知である。これを用いても、例えば半導体および生物分子の構成要素のナノメートル領域までに到る複数点の測定が可能である。この場合、４本の走査針が互いに約６００ナノメートルの距離にまで近づけられ、次に構成要素内で走査針間の導電性が別々に測定される。走査針は、対応する粗調整および微調整によりそれぞれ独立に位置決め可能である。
【００１３】
従来から知られているマニピュレータはすべて、振動を抑えるのに高コストのメカニズムが不可欠であるのが欠点である。
マニピュレータ周辺からの振動は、走査針の位置決め可能性をもＳＥＭ、ＴＥＭまたは同様の方法によるその位置決定をも妨げる。例えば探針の位置決めの場合、換気装置から発する振動を補償または緩和しなければならない。
【００１４】
尖端、物体担体、および尖端または試料の位置決めおよび位置決定に必要な他のすべての装置を、空気流の抑制された作業位置に配置することが提案された。従来技術から、圧搾空気式自動振動減衰器も公知である。走査針の相互間距離および／または試料に対する距離が短いほど、この種の振動の抑制コストは大きくなる。そのためマニピュレータが高価になる。
【特許文献１】ドイツ国特許第３６１０５４０号明細書
【特許文献２】ドイツ国特許第３８４４６５９号明細書
【非特許文献１】Ｉ．Ｓｈｉｒａｋｉ，Ｆ．Ｔａｎａｂｅ，Ｒ．Ｈｏｂａｒａ，Ｔ．ＮａｇａｏおよびＳ．Ｈａｓｅｇａｗａ著、Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ  ｄｒｉｖｅｎ  ｆｏｕｒ−ｔｉｐ  ｐｒｏｂｅｓ  ｆｏｒ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  ｖａｃｕｕｍ、“Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．”２００１年刊、４９３号、６３３〜６４３ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、振動にたいする感度が従来技術から知られているものよりも低いナノマニピュレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この課題は独立請求項または従属請求項に記載のナノマニピュレータによって解決される。有利な実施形態は、それらの関連請求項から明らかになる。
【００１７】
このナノマニピュレータは、分析位置または加工位置に対して相対的に物体を移動させる。これは、移動すべき物体またはそれ用の物体ホルダを支持し、移動実施のために変位可能な複数の移動要素を備えており、これらの移動要素は、それぞれ移動すべき物体または物体ホルダ用の載置台を有する。これらの移動要素は、ナノマニピュレータの軸方向で少なくとも一つの支持平面を支えている。この支持平面は、移動すべき物体または物体ホルダの一部を成している。
【発明の効果】
【００１８】
このナノマニピュレータは、それぞれ少なくとも一つの剪断圧電素子を含み、支持平面を移動させる移動要素を備えていることを特徴とする。これらの移動要素は、慣性駆動の原理に基づく粗移動の他に微小移動も実施することができる。本発明に基づくナノマニピュレータは、従来型ナノマニピュレータに比べて構成の自由度が多く有利である。
【００１９】
このナノマニピュレータは、例えば電子顕微鏡、光学顕微鏡、レーザ装置のような分析機器で使用すると有利である。
このナノマニピュレータは、特に顕微鏡で使用すると有利である。その際このマニピュレータは検査すべき物体の担体として役立つ。
【００２０】
ナノメートル領域の分析では、ナノマニピュレータ構造の剛性が非常に重要である。
本発明の枠内で、ナノマニピュレータが周辺からの振動よりも高い固有振動数をもつように構成しなければならないことが認識されていた。これは、薄い中空円筒形の移動要素の代わりに、剪断圧電素子をもつ小型の移動要素を使用することによって達成される。ナノマニピュレータの固有振動数が高いことは、より低周波数の外部揺動および振動に対して敏感でないことを意味する。これは、外部からの振動に対するナノマニピュレータの感度が低くなる効果をもたらし、例えば走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）による結像、加工および分析の際の分解能を改善させる。
従来技術から公知の中空円筒形移動要素と比較すると、様々な支持平面に配置された剪断圧電素子付き移動要素の固有振動数の総和は、中空円筒形移動要素で達成される値より高く、また外部からナノマニピュレータに作用する振動周波数よりも高い。
【００２１】
剪断圧電素子によるナノマニピュレータの高さが比較的低い場合、剪断圧電素子によるナノマニピュレータの外部からの振動に対する感度が、中空円筒形移動要素を使用する場合よりも低くなるという効果が得られて有利である。
【００２２】
剪断圧電素子を含む移動要素の構成サイズが、従来から使用されている中空円筒形移動要素に比べて小さいので、ナノマニピュレータ本体の構造がよりコンパクトに形成できて特に有利である。
中空円筒形移動要素の典型的サイズは、直径約３ｍｍ、高さ約１５ｍｍである。これに比べ、剪断圧電素子を含む移動要素は、本例では面サイズが３ｍｍ×３ｍｍに過ぎず、高さが約４ｍｍであり、その高さのうち剪断圧電素子が占めるのは約２ｍｍに過ぎない。
【００２３】
このナノマニピュレータは、長手方向の剪断効果による様々な移動を行う各種の剪断圧電素子を含むことができる。
【００２４】
この剪断圧電素子は、絶縁セラミックス（ベースプレート）、その上に配置された薄い接触層（例えばタンタル製）、さらにその上に配置された圧電式変位可能な第一セラミックス層から成る複合層を有することができる。上記の最上層の上に接触層が蒸着されている。この接触層の上に圧電式変位可能な第二セラミックス層が配置されている。さらにその上に、別の接触層、および被覆プレートとして第二絶縁セラミックス層が配置されている。
圧電式変位可能な両セラミックス層は、その格子構造を互いに９０°ずらして配置されている。圧電式変位可能な両セラミックス層は、その上下の界面に接触層を有しており、したがってそれぞれ２面で接触可能である。９０°の相互位置ずれおよび接触層における適切な電圧極性により、長手方向の剪断効果を用いて、それぞれ絶縁性の固定基盤に対するＸ方向およびＹ方向での意図された変形が可能である。ナノマニピュレータのＸ−Ｙ平面に垂直な方向に移動する、別の両面接触圧電素子をベースプレートと被覆プレートの間に挿入することによって、Ｚ方向の移動も行うことができる。
【００２５】
本発明の有利な一実施形態では、ナノマニピュレータは、それぞれの支持平面ごとに剪断圧電素子をもつ均等配置された３つの移動要素を有する。３つの移動要素により、３点支持布陣による支持平面の十分に確実な支承が保証される。
【００２６】
剪断圧電素子を含む、ナノマニピュレータの各移動要素は、支持平面用の特に半球状の載置台面を備えている。
【００２７】
本発明の特に有利な実施形態では、移動要素は、特に希土類材料から成る磁石を含むことができる。この磁石は、例えば、鋼製の半球状載置台の支持体として使用することができる。支持平面の材料が、例えば物体ホルダまたは他の移動物体の一部として磁気材料から成っている限り、この材料は移動要素の半球状載置台により強固に結合することができる。この措置自体だけで、ナノマニピュレータの外部からの振動に対して感度が低くなる効果が得られる。
【００２８】
磁石は、例えば半球状の載置台と剪断圧電素子の第二絶縁層の間に配置される。絶縁層、磁石および半球状載置台は互いに堅固に結合される。
【００２９】
支持平面用の様々な剪断圧電素子は、規則的配置をなす互いに独立に制御する手段を有する。各剪断圧電素子は、この制御によりＸ、Ｙおよび／またはＺ方向の移動を行う。
【００３０】
移動要素はナノマニピュレータの担体上に、場合によっては軸方向で異なる高さに配置される。
【００３１】
支持平面は、物体ホルダ、レースまたは検査試料の一部である。物体ホルダの場合は、これに少なくとも一つの走査針を固定することができる。走査針は、必ずしも必須でないが中空円筒形移動要素を介して、物体ホルダに固定することができる。物体ホルダは、走査針と共に筒状移動要素を保持する。
【００３２】
本発明の別の実施形態では、ナノマニピュレータにより多くの支持平面を配置し、それらを剪断圧電素子を含む移動要素によって支え、移動させることが可能である。
それには、複数の支持平面を軸方向で互いに上下に配置し、それらを剪断圧電素子を含む移動要素によって支え、移動させる。その場合、移動要素は担体上で軸方向で異なる高さに配置される。各担体は、軸方向で異なる高さに移動要素の設置場所を有することが好ましい。
【００３３】
本発明の特に有利な一実施形態では、剪断圧電素子を含む移動要素を、別の支持平面を支え移動させるための支持平面上に配置することもできる。
機能的には、このようにするとナノマニピュレータの動きが互いに切り離されて非常に有利である。
【００３４】
本発明の特に有利な一実施形態では、支持平面の少なくとも一つに開口部が設けてある。この開口部内に別の支持平面が配置されている。
それにより、ナノマニピュレータ内にできる空間がより効率よく利用され非常に有利であり、またナノマニピュレータの固有振動数がさらに高められる。
走査針が堅固に固定された筒状移動要素をもつ、ナノマニピュレータ内に配置された物体ホルダも、その中に別の支持平面が配置された開口部をもつ支持平面を有することができる。
【００３５】
走査針は、中空円筒形移動要素を介して物体ホルダに堅固に固定することができる。走査針は、これを支える移動要素を介して、検査試料または分析位置または加工位置に対して相対的に移動される。
剪断圧電素子をもつ移動要素は、走査針が装着された中空円筒形移動要素用のホルダの支持平面を支えている。それにより、走査針は中空円筒形移動要素に固定されていても、剪断圧電素子の高い固有振動数により周囲から切り離されているので、剪断圧電素子を介して振動に対して感度が低くなる状況が達成される。
【００３６】
ナノマニピュレータの中空円筒形移動要素は、有利には変形可能である。中空円筒形移動要素を介して走査針と堅固に結合されている物体ホルダは、物体ホルダを支える剪断圧電素子の慣性駆動装置による制御によって移動し（粗移動）、分析位置または加工位置に対して相対的に位置決めされる。微細位置決めおよび移動のためには中空円筒形移動要素が制御され変形される。
【００３７】
本発明の別の実施形態では、走査針をもつ中空円筒形移動要素をナノマニピュレータの底部に固定し、剪断圧電素子を含む移動要素の上に検査試料をあてがい、その上を移動させることも可能である。
【００３８】
中空円筒形移動要素に固定された物体、例えば走査針の、検査試料に対する相対的移動、ならびに物体ホルダまたは試料を支える移動要素のそれと同期した同時の変形の原理については、特許文献１が参照され、その内容を本特許出願に援用する。
【００３９】
本発明の別の有利な実施形態では、ナノマニピュレータが少なくとも一つの斜めに走る支持平面を有する。ナノマニピュレータの斜めに走る支持平面は、支持平面およびそれに固定された物体のＺ方向における粗移動に役立つ。
斜めに走る支持平面としては、特に螺旋形を設置することができる。したがって螺旋形は、斜めに走る支持平面の特定の実施形態である。斜めにまたは螺旋状に走る支持平面は、既にその内容を本特許出願に援用する特許文献２から公知のものと、同じ機能を有する。
【００４０】
物体を支える剪断圧電素子の励起により、支持平面内での剪断圧電素子の回転によりＺ方向での移動が起こるので、斜めにまたは螺旋状に走る支持平面を伝って物体ホルダの粗移動が行われる。
【００４１】
本発明の別の一実施形態では、中空円筒形移動要素と走査針をもつ物体ホルダは、試料に対して相対的に移動する物体として、斜めに走る支持平面を有する。
【００４２】
剪断圧電素子によって動かされる物体ホルダには、位置が固定された試料の上を剪断圧電素子によって移動される少なくとも一つの走査針をもつ中空円筒形圧電素子を固定することができる。中空円筒形圧電素子の対応する制御、およびそれによって生じる、試料上での走査針の微小移動により、試料の分析および／または加工が行われる。
【００４３】
支持平面は、いわゆるレースまたは試料の一部を成すことができる。後者の場合、移動要素は直接試料上に設置され、試料を様々な空間方向に移動させる。支持平面を支える剪断圧電素子の適切な移動により、支持平面のＸまたはＹ方向での慣性並進による粗移動を達成することができる。
【００４４】
本発明の別の有利な一実施形態では、ナノマニピュレータは複数の支持平面を有する。
軸に沿って異なる方向に配置された様々な支持平面用の剪断圧電素子により、ナノマニピュレータ全体の高さを、支持要素としての中空円筒形移動要素による従来技術から知られているものよりも遥かに低くすることが実現される。これは、有利なことに、ナノマニピュレータの固有振動数を高める効果をもつ。
【００４５】
それぞれ一つまたは複数の中空円筒形移動要素が固定された複数の物体ホルダを固定する場合、これらを軸に沿って異なる方向に設置することが可能である。中空円筒形の各移動要素は、少なくとも一つの試料用走査針を有する。それにより多点測定が可能である。
【００４６】
その際に特に有利なことに、複数の物体ホルダが螺旋状に延びる支持平面を有することができる。その場合、Ｘ、ＹおよびＺ方向に互いに独立に移動可能な走査針が試料の上を誘導される。
【００４７】
ナノマニピュレータでは移動経過をそれぞれ二つの支持平面相互間で割り振ることができる。例えば、斜めにまたは螺旋状に走る支持平面にはＺ方向の粗移動だけを、軸方向にずれて平坦な支持平面には専らＸ方向およびＹ方向の粗移動の実施を割り当てることができる。
平坦な支持平面は、その平坦な形態により物体ホルダのＸおよびＹ方向での位置決めに使用されるレースの一部を成すことができる。この場合、剪断圧電素子をもつ移動要素は、斜めにまたは螺旋状に走る支持平面を支えるためにレース上に配置することができる。平坦な支持平面の動きが斜めに走る支持平面の動きを誘導する。
【００４８】
ナノマニピュレータが斜めにまたは螺旋状に走る支持平面だけでなく平坦な支持平面を有している限り、平坦な支持平面によるＸおよびＹ方向での物体の移動を斜めにまたは螺旋状に走る支持平面によるＺ方向の移動から切り離すことが可能であり非常に有利である。それには、これらの平面を支える種類の異なる剪断圧電素子が使用される。
【００４９】
支持平面は、例えば円形または楕円形の開口部をもつことができる。この開口部を介して、走査針をもつ少なくとも一つの中空円筒形移動要素が動かされる。この開口部は、その中で少なくとも一つの中空円筒形移動要素がＸおよびＹ方向に移動できるように形成されている。
【００５０】
この開口部は、別の支持平面がその中であらゆる空間方向に移動可能なように形成することができる。支持平面の開口部には、中空円筒形移動要素に加えてさらに、特に螺旋状の支持平面を配置させ移動させることもできる。有利なことに、このようにナノマニピュレータの軸方向唯一つの平面内に複数の支持平面が配置される。それにより、コンパクトな構造でありながら、ナノマニピュレータに提供される空間の利用性が最適化され、固有振動数が高められる。
【００５１】
支持平面は、その中で剪断圧電素子の半球状載置台が動けるだけのＶ字型切込溝をもつことができる。その場合、移動要素の半球状載置台はＶ字型切込溝に納まることが好ましい。螺旋状形態の支持平面では、剪断圧電素子の半球状載置台はＶ字型切込溝によって確実に誘導される。
この措置はそれ自体だけで、ナノマニピュレータが外部からの振動に対して敏感でなくなるという効果も引き出す。この場合、走査針をもつ中空円筒形移動要素が固定されている物体ホルダの一部が螺旋状の支持平面を成している。Ｖ字型切込溝があるため、物体ホルダの回転と共に走査針の動きが専らＺ方向に、すなわちＸおよびＹ方向の移動成分なしに行われることになり非常に有利である。このようにして、ＸおよびＹ方向の移動はＺ方向の移動から切り離される。
【００５２】
移動要素を、別の支持平面を支える支持平面上に配置することが可能である。
このように、軸方向下方に位置する支持平面を動かすことにより、他の支持平面を特に有利に誘導することができる。
【００５３】
開口部をもつレース上に配置された移動要素は、場合によっては螺旋形をとる支持平面を支えている。この移動要素は、Ｖ字型切込溝に接する一方向でのみ制御可能な剪断圧電素子をもつことができる。それにより、この移動要素の移動方向は螺旋状に延びる支持平面の物体ホルダ内Ｖ字型切込溝に接する方向に向けられており、適切な制御の下でそれが物体ホルダの回転を誘導する。螺旋状に形成された、支持平面用の載置台を介してなされる物体ホルダの回転により、そのＺ方向での移動が引き起こされる。
【００５４】
Ｖ字型切込溝をもつ斜めに走る支持平面とナノマニピュレータの軸方向下方平面内にある、これに対応する平坦な支持平面との組み合わせにより、平面レースの剪断圧電素子を介してのＸおよびＹ方向の粗移動は、非常に有利なことに、斜めにまたは螺旋状に走る支持平面をもつ物体ホルダの剪断圧電素子によるＺ方向での物体の粗移動から切り離される。平坦な支持平面をもつレースは、これを支える剪断圧電素子の作用によりＸおよびＹ方向に移動する。軸方向でそれより上方に配置された、物体ホルダ内の斜めに、特に螺旋状に走る支持平面は、平坦な支持平面に配置された別の剪断圧電素子により支えられる。このレースは中央に開口部が配置されていて、走査針をもつ中空円筒形移動要素はそこを通って移動することができる。
支持平面の移動するこの実施形態の場合でも、複数の物体ホルダおよび中空円筒形移動要素から成る配置が可能である。その場合、ナノマニピュレータの少なくとも一つのレースおよび少なくとも一つの物体ホルダは開口部を有する。
【００５５】
本発明の特に有利な一実施形態では、移動要素用のナノマニピュレータ担体は、それらが軸方向に移動する複数の移動要素用の設置場所をもつように形成されている。したがって、一つの担体が軸方向で異なる場所で、例えば二つまたはそれ以上の移動要素を支持することができるので、一担体当りの移動要素数に応じて支持平面がナノマニピュレータの軸方向で異なる高さで支えられ移動することができる。
【００５６】
本発明によるナノマニピュレータを用いると、ナノ構造による電荷運搬の測定が非常に有利に行える。それには、ナノ構造による電荷運搬を測定するために、１本だけではなく複数本の走査針でナノ構造に接触することが必要である。その場合最低限２本の走査針が必要である。４本の走査針によれば、接触抵抗に依存することなく４点測定法により電荷運搬の測定が可能である。本発明に基づくナノマニピュレータでは、測定に適した数の走査針が、一つまたは複数の物体ホルダに設置された中空円筒形移動要素に取り付けられている。４本走査針付きナノマニピュレータの場合では、例えば走査針間の導電性測定には、４点測定法により物体表面の分析が非常に有利に行える。それには確かに、対応する支持平面をもつ唯一つの物体ホルダに移動要素をすべて設置することができるが、しかしその場合は走査針の相互距離は固定設定される。有利なことに、移動対象の各物体または中空円筒形の各移動要素は、このように互いに独立して、Ｚ方向とは切り離されてＸおよびＹ方向に移動する。剪断圧電素子の使用によって初めて、自由空間を完全に利用して、同時に振動から保護することが可能である。
【００５７】
走査針付き中空円筒形移動要素は、支持平面をもつ単一または複数の物体ホルダに対して、有利なことに、偏心固定される。この措置自体だけでも、ナノマニピュレータにおける自由空間の効率的分割をもたらし有利である。
【００５８】
操縦範囲を拡大する目的で、剪断圧電作用で移動させることのできる複数のセラミックス層を軸方向に上下重ね合わせ、それを筒状移動要素の代わりに使用することが可能である。
【００５９】
検査試料はナノマニピュレータの基盤に設置されたベースプレートの試料ホルダ内に配置することができる。しかしまた、試料は筒状移動要素に固定されたナノマニピュレータ内走査針の上方に配置することもできる。さらに、検査試料はナノマニピュレータ内の固定位置に、すなわち、走査針付き中空円筒形移動要素の固定された、移動素子によって動かし得る物体ホルダの上方に配置することも可能である。
【００６０】
このナノマニピュレータまたはその試料ホルダは、有利なことに、低温での測定が可能になるように冷却装置を備えることができる。
【００６１】
このナノマニピュレータは、有利なことに、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）または走査型フォース顕微鏡の一部分を成すことができる。
この種の装置は、極低温での分析が可能になるように、低温槽内に配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
以下に、本発明を実施例および添付図面を基にして詳しく説明する。図面では、同一部材は同一符号で表わしている。
【００６３】
ナノマニピュレータの各支持平面は３つの移動要素を介して支持され、必要な場合には加工位置または分析位置に対して相対的に移動する。個々の移動要素は各々、物体を微小移動させるために剪断圧電素子を有する。各移動要素は剪断圧電素子２、３、３２、３３等々の他に、磁石２ａ、２ａ’、３ａ、３２ａ、３３ａ、３３ａ’等々、それも特に、剪断圧電素子の層の列と堅固に結合している希土類材料から成る磁石を備えている。磁石上には鋼製の載置台２ｂ、２ｂ’’、３ｂ、３２ｂ等々が固定されている。
【００６４】
移動要素は、一部、描画方法上、図面において識別できないか、または完全に識別できないか、あるいは符号を備えていない。
【００６５】
各移動要素は励起用の接触部を有する。接触部は移動要素の接触層に配置されている。接触部は、例えば図３の移動要素２’において層縁から引き出された短線で示してある。この剪断圧電素子においてだけ、３つの接触部がすべて描かれている。
【００６６】
圧電作用で変位の可能な両層間の９０°移動、および圧電作用で移動可能な層間に配置された接触層に対してそれぞれ外側に位置する層間での適当な電圧極性の設定によって、圧電作用で移動可能な層について、長手方向の剪断効果によりベースプレートまたはカバープレートのそれぞれ位置の固定した絶縁基盤に対しＸおよびＹ方向での照準設定変形が可能である。１移動要素につき接触部が３つずつ、これら移動要素の接触層に配置されていて、かつ圧電作用で移動可能な層を励起させるために電極（図示されていない）に通じている。
【００６７】
これに関しては、筒状移動要素に設置された走査針を物体ホルダ１、１ａ、１ａ’および移動要素を介して各方向に移動させるためには電圧経過の制御が必要である。マクロ移動は、ナノマニピュレータの脚部に配置された試料８の加工平面または分析平面に対し垂直方向についてもなされるステップ単位でのマイクロ移動の加算により達成される。
【００６８】
各剪断圧電素子２、２’、２”または３２、３２’、３２”は、互いに９０°ずらして配置された、圧電作用で変位可能な、ＸおよびＹ方向での物体移動のための２つのセラミックス層を有する。この剪断圧電素子はベースプレートとしての絶縁セラミックス、接触層、圧電作用で変位可能な第一セラミックス層、別の接触層、圧電作用で変位可能な第二セラミックス層、また別の接触層および圧電作用で変位可能な第二層用のカバープレートとしての第二絶縁セラミックス層から成る連続した層の列を有する。接触層は蒸着されておりその分非常に薄いので、図では各剪断圧電素子につき４層からなる層の列として描かれている。したがって、圧電作用で変位可能な各層は上面と下面で２つの接触層に接触している。
【００６９】
剪断圧電素子３、３’、３”または３３、３３’、３３”（図２〜５）はＺ方向にのみ作動するが、構成は以下のようになっている。ベースプレートとしては絶縁性セラミックスが使用され、その上に接触層、またその上に圧電作用で変位可能なセラミックス層、さらにその上に接触層が配置されている。絶縁性セラミック層はカバープレートないし複合層の遮断に使用される。これらの剪断圧電素子は、示されたナノマニピュレータでは、螺旋状に延びる支持平面の移動を実行するために使用される。
【００７０】
物体ホルダ１、１ａおよび１ａ’は、剪断圧電素子の半球状載置台のために、その下面に螺旋状に延びる支持平面を有する。螺旋状に延びる支持平面は３つの区分領域から成っている。この支持平面は物体ホルダ１、１ａおよび１ａ’の一部である。物体ホルダ１、１ａおよび１ａ’にはそれぞれ１体ずつ中空円筒形移動要素９、９’が固定結合されていて、この移動要素それぞれに１本ずつ懸垂状走査針７、７’が装着されている。各物体ホルダ１、１ａおよび１ａ’は３体の移動要素で支えられているので、慣性並進による励起後の移動要素の変形および走査針７、７’と試料８の間の粗移動を介して相対的移動が行われる。
【００７１】
実施例では、螺旋状に延びる支持平面の３区分領域は描画方法の関係上必ずしもすべてが見て取れる訳ではない。例えば、図１では、図平面の前方に位置する２つの断片だけが見て取れる。
実施例１では３区分領域はそれぞれ同じように構成されている。特に螺旋面は、各区分領域それぞれ０．５ｍｍの同じ勾配を有する。この勾配は、物体ホルダ１、１ａ、１ａ’と圧電励起可能な剪断圧電素子の間の相対的移動の場合でも、移動要素の半球状載置台と螺旋状に斜めに走る支持平面の間に十分な接着性が存在するように選択される。移動要素は物体ホルダ１、１ａおよび１ａ’上にて静止状態で滑りずれてはならない。勾配の選択には、その上移動要素の転向性も考慮に入れなければならない。支持平面の各区分領域は、それぞれ対応する移動要素によって支えられる。
【００７２】
図２、３および５では、物体ホルダ１ａ、１ａ’またはそれらの支持平面は要求の変化に適合されている。それらは、さらに、各区分領域それぞれ０．５ｍｍの同勾配をもつ３つの区分領域から成っている。これら区分領域のうち二つは同形態に構成されている。物体ホルダの下面には、半球状載置台の収容のため、図５に図示されているように、放射方向に形成されたＶ字型切込溝１００が設けられている。素材の熱膨張が異なる場合の補償用に、Ｖ字型切込溝のない第３の支持平面区分領域が形成されている。半球状載置台のＶ字型切込溝への沈降深度の補償用として高さ調整装置が必要である。物体ホルダ１ａ、１ａ’の形態変更および物体ホルダのＶ字型切込溝に接する方向での移動要素３、３’、３”、３３、３３’、３３”の移動により、移動要素が対応する励起状態である場合、並進移動なしに物体ホルダの回転誘導が可能である。中空円筒形移動要素９、９’を介して走査尖端７、７’の純垂直移動が達成できる。
【実施例１】
【００７３】
図１は、物体ホルダ１を支える３つの移動要素をもつナノマニピュレータ１１を示している。各移動要素は剪断圧電素子２、２’および２”を有する。移動要素の半球状載置台２ｂ、２ｂ’、２ｂ”と剪断圧電素子２、２’および２”の間には一つずつ磁石２ａ、２ａ’および２ａ”が配置されている。磁石２ａ、２ａ’および２ａ”は磁性鋼製の物体ホルダ１を載置台２ｂ、２ｂ’に結合させるために用いられる。第３の移動要素は、図平面の後方部に位置する剪断圧電素子２”を介して一部だけ示されている。剪断圧電素子、磁石および載置台は互いに密着している。
【００７４】
移動対象物体は、図１では中空円筒形移動要素９に固定された走査針７である。この移動要素９は物体ホルダ１に固定されている。
【００７５】
各移動要素は、ベースプレート６の特殊形成担体５に配置されている。３つある担体５の一つだけに符号が付けてある。粗移動には物体ホルダ１下方の移動要素が用いられる。微小移動目的には、物体ホルダ１の中央部に中空円筒形移動要素９が固定されている。
【００７６】
中空円筒形移動要素９はその自由末端に走査針７を有する。走査針７は移動要素、物体ホルダおよび中空円筒形移動要素を介して試料８表面上に誘導される。試料８は、ナノマニピュレータのベースプレート６の中央位置で試料ホルダに固定配置されている。試料８は走査針７を介して分析および／または加工される。
【００７７】
実施例１では、ＳＴＭの中空円筒形移動要素９に取り付けられた走査針７が、試料８に対してナノメートルからミリメートルの距離範囲でＸ、ＹおよびＺ方向に移動可能なＳＴＭ用ナノマニピュレータ１１を示している。中空円筒形移動要素は、点線で描かれたナノマニピュレータ１１の中心軸１０に配置されている。剪断圧電素子２、２’、２”間の丁度中心に当る走査針７のこの配置は必ずしも強要されない。走査針７または中空円筒形移動要素９は物体ホルダ１の別の場所に固定することもでき、その場合では物体ホルダ１またはナノマニピュレータ１１に偏心配置される。
【００７８】
走査針７付き物体ホルダ９のＸおよびＹ方向の動きは慣性並進により、Ｚ方向の動きは慣性回転により行われる。
【実施例２】
【００７９】
図２は、走査針７の試料８上でのＸおよびＹ方向の動きがＺ方向の動きから切り離されているナノマニピュレータ２１の側面図である。この切り離しは対リング１ａ、２２の使用によって達成される。平坦な支持平面をもつレース２２はＸおよびＹ方向での慣性並進に用いられる。レース２２には、このレース２２によって誘導される物体ホルダ１ａが割り当てられている。物体ホルダ１ａは、慣性回転、すなわちＺ方向での垂直移動のための螺旋状に延びる支持平面を有する。
【００８０】
平坦なレース２２は中央に大きな開口部をもち、物体ホルダ１ａに固定された中空円筒形移動要素９がそこを通って誘導され移動できるようになっている。物体ホルダ１ａは、最初の実施例と同様に螺旋状に走る支持平面を有する。この場合では加えて、３支持平面の二つには物体ホルダの下面にＶ字型切込溝が設けられており、その中に移動要素の半球状載置台２ｂ等々が嵌め込まれている。第３の支持平面は、熱膨張率に差がある場合の締付現象を防止するために、Ｖ字型切込溝なしの形態に作られている。したがって、物体ホルダ１ａの下面に設けられたＶ字型切込溝は半球状載置台２ｂ等々の上に載っている。側面図の描画方法上の理由からＶ字型切込溝は認識できない。磁石の接合した、移動要素の半球状載置台と物体ホルダ１ａのＶ字型切込溝が、重力と物体ホルダの磁性材料の作用によって、それ自体で既に物体ホルダ１ａの座りを安定化させており、物体ホルダは外部からの振動に対して敏感でなくなっている。Ｖ字型切込溝は、その中に嵌め込まれた移動要素の変形時におけるＸおよびＹ方向の側方並進移動を排除する。それにより、走査針７においては回転の間専らＺ方向の垂直移動が保証される。
【００８１】
物体ホルダ１ａ移動用の剪断圧電素子はレース２２上に配置されている。物体ホルダ１ａはレース２２の並進移動時ではこれに誘導される。担体５上に配置された剪断圧電素子２、２’および２”の励起および変形がレース２２の並進移動を誘起する。剪断圧電素子３、３’および３”は対応する移動要素を介してレース２２上に配置されているので、物体ホルダ１ａは中空円筒形移動要素９と走査針７と共に、レース２２の移動により試料８表面上をＸおよびＹ方向に誘導され移動する。その際、走査針７のＺ座標に変化は現われない。
【００８２】
中空円筒形移動要素９はナノマニピュレータ２１に偏心配置されている。Ｖ字型切込溝をもつ螺旋状に延びる支持平面での剪断圧電素子３、３’および３”の励起により物体ホルダ１ａに回転が起きる。走査尖端７をもつ中空円筒形移動要素９はＺ方向でのみ移動する。
【００８３】
走査針７は、有利なことに、中空円筒形移動要素９の下端に斜めに固定されている。それにより、走査針７は９０°未満の角度で試料８表面に向いている。上記の結果有利なことに、剪断圧電素子の使用によって全体として小さな自由空間の中に複数の中空円筒形移動要素が配置でき、それらが共同で試料８の表面を走査するという効果が得られる。これは、特にナノメータ構造の導電率の測定に望ましいものである。
【００８４】
図１に示された配置に対する優位点は、ＸおよびＹ方向の動きをＺ方向の動きから切り離したことである。図１と同じように物体ホルダ１だけを使用した場合では、水平移動が物体ホルダ１中央の高さにも変化を来たす。実施例１ではその高さ変化が同様に物体ホルダ１、延いては走査針７の並進移動を招来する。水平移動と垂直移動の不都合なこの結合は、平面レース２２と螺旋状に延びる支持平面に誘導部をもつ物体ホルダ１ａから成る対リングにより除去される（図２参照）。すなわち、平坦な支持平面をもつ平面レース２２は専ら水平方向に移動するが、物体ホルダ１は専ら軸方向、つまり垂直方向に移動する。
【実施例３】
【００８５】
図３は、それぞれが物体ホルダ１ａまたは１ａ’を誘導する二つの平面レース２２、２２’をもつナノマニピュレータ３１の横断面を示している。図４は同一ナノマニピュレータの下方斜視図である。
【００８６】
Ｘ、ＹおよびＺ方向の移動経過については、レース２２には物体ホルダ１ａが、レース２２’には物体ホルダ１ａ’が割り当てられている。図２との符号の一致は、同機能をもつ同構成部品を表わしている。本実施例では、実施例２の対リングのところで既に説明したように、両物体ホルダ１ａ、１ａ’のＸおよびＹ方向の移動はＺ方向の移動から切り離されている。
【００８７】
ナノマニピュレータ３１は、図２に描かれたナノマニピュレータに加え、レース２２’と物体ホルダ１ａ’で構成される別の対リングを有する。物体ホルダ１ａ’、それに偏心固定されている中空円筒形移動要素９’およびそれに装着された走査針７’は３つの剪断圧電素子３３、３３’、３３”を介してＺ方向に移動する。
【００８８】
図３では載置台３３ｂ、３３ｂ’および３３ｂ”のうち載置台３３ｂだけが見て取れる。それは、図平面では前方に、物体ホルダ１ａ’のＶ字型切込溝１００をもたない螺旋区分上に存在するからである。図３では載置台３３ｂ’および３３ｂ”は見えない。これらは物体ホルダ１ａ’の下面Ｖ字型切込溝内を移動する（図４参照）。
剪断圧電素子３３、３３’、３３”は移動要素の一部として、物体ホルダ１ａ’に対応するレース２２’の縁に、それらの移動方向、すなわち接線方向に、配置されている。
レース２２’を支える剪断圧電素子３２、３２’および３２”の動きが、物体ホルダ１ａ’の並進移動を誘起する。
【００８９】
図２のナノマニピュレータ２１についての説明にあるとおり、走査針７、７’の移動には中空円筒形移動要素９、９’、物体ホルダ１ａ、１ａ’にそれぞれ一つずつ備わった螺旋状に延びる支持平面で構成されている対リングおよび平坦な支持平面をもつそれぞれ一つずつの平面レース２２、２２’が用意されている。それにより、各中空円筒形移動要素９、９’は互に独立して試料８上を移動する。
【００９０】
これは、剪断圧電素子をもつ、本発明に基づく構造によって初めて可能である。その構造形態によれば遥かにコンパクトで小型であり、それぞれ一つの走査針の装着された中空円筒形移動要素につきそれぞれ二つの支持平面の使用が可能になるからである。物体ホルダ１ａはそれに固定された中空円筒形移動要素９と共にレース２２’の中央開口部に配置されているので、非常にコンパクトな構造形態が実現される。剪断圧電素子の代わりに中空円筒形移動要素を使用した場合ではこれは不可能である。
【００９１】
両対リングは、専らＸおよびＹ方向の慣性並進のための、平坦な支持平面をもつそれぞれ一つずつの平面レース２２、２２’、これらに誘導される、螺旋状に延びる支持平面と慣性回転、すなわちＺ方向垂直移動のためのＶ字型切込溝とをもつ物体ホルダ１ａ、１ａ’を有する。
【００９２】
剪断圧電素子の使用によって全体として小さな自由空間の中に、このように、物体８の表面を共同で走査できる複数の中空円筒形移動要素が配置される。この点は、特にトランジスタなど最小限のナノメートル構造における導電性の測定には望ましい。
【００９３】
両中空円筒形移動要素９、９’は、対応する物体ホルダに偏心固定されている。各移動要素９、９’には走査針７、７’が、走査針の自由末端がナノマニピュレータの対称軸１０上に来るように斜めに装着されている（図３参照）。
それにより、走査針は１００ナノメートル未満の非常に短い距離での相互の誘導が保証される。
【００９４】
対リング１ａ、２２および１ａ’、２２’は自由に相互移動が可能である。
【００９５】
図５ａは、図３に描かれた剪断圧電素子の移動方向を肉太矢印１０１で示した平面図である。矢印は一つだけに標識符号１０１が付けてある。図５ｂは、図５ａに示された配置の上方斜視図である。
剪断圧電素子３２、３２’、３２”は担体５の上方設置位置に配置されていて、レース２２’を支えまたは移動させる。剪断圧電素子３、３’、３”はレース２２上に配置されていて、物体ホルダ１ａを支えまたは移動させる。剪断圧電素子はレース２２にも物体ホルダ１ａ’にも同様の動きを示す。
並進移動は、それぞれＸおよびＹ方向に移動できる剪断圧電素子２、２’、２”および３２、３２’、３２”をもつ３つの移動要素によって行われる。これらの移動要素は担体５を介してベースプレート６と結合している。それぞれそれらの上に配置された物体ホルダ１ａ、１ａ’は、下方のレース２２、２２’に対して回転運動を誘導する。それは、剪断圧電素子３、３’、３”および３３、３３’、３３”をもつ対応する移動要素は接線方向にしか移動できないからである。剪断圧電素子の励起は、慣性駆動装置により平面レースおよび物体ホルダの移動を発動させる鋸波パルスにより行われる。
【００９６】
図５ｂは、剪断圧電素子の配置を斜め上方から見た斜視図である。担体５には異なった高さに設置場所が配置されていて、それがナノマニピュレータのコンパクト構造形態を可能にしている。
【００９７】
実施例３および図３〜５に示されたようなナノマニピュレータを例に、個々の物体ホルダとレースの独立移動については既に明らかにすることができた。１００μｍ／秒〜数ｎｍ／秒の範囲の側方移動は剪断圧電素子の対応する制御により可能である。垂直方向の速度は、少なくとも１μｍ／秒〜数ｎｍ／秒の値が達成できる。
【００９８】
これらの実施例に示された中空円筒形移動要素９、９’は同一である。ただ、第３の実施例では移動要素９’は長く伸ばすために、これを結合部材９ａ’で物体ホルダ１ａ’に固定する方法を採る。
【実施例４】
【００９９】
図３に示された２対の物体ホルダとレースの結合を拡大するものとして、螺旋状に延びる支持平面をもつ物体ホルダと平坦な支持平面をもつレースからの組み合わせ４対をナノマニピュレータに配置することができる。このようにして、４点測定のために、４体の中空円筒形移動要素を４体の物体ホルダに設置することが可能である。
【実施例５】
【０１００】
実施例４のナノマニピュレータは簡略化することが考えられる。それには、４つの螺旋状に延びる支持平面をもつ４体の物体ホルダを実施例１に従って移動させる。螺旋状に延びる支持平面を支える剪断圧電素子は３担体上に軸方向異なった高さに固定する。それにより、４つの螺旋状に延びる支持平面はいずれも互いに独立して移動することができる。平坦な支持平面をもつレースの使用は省略される。
それにより、コンパクト性を高める上で好都合なことに、ＸおよびＹ方向の移動をＺ方向の移動から切り離すことが省かれる。４つの物体ホルダを移動させるには４つの支持平面だけが必要であって、実施例４のように８つも必要としない。実施例２および３で説明したとおり、これらは開口部を有する。
【０１０１】
すべての実施例において、それぞれレースと物体ホルダがナノマニピュレータベースプレート近くの下方領域に配置された変更実施形態も考えられる。その場合では中空円筒形移動要素は懸垂状態でなく、そびえ立った状態で物体ホルダに固定されている。検査試料は、走査針をもつ中空円筒形移動要素の上方固定位置に設置されている。
【０１０２】
別の実施形態の一つでは、中空円筒形移動要素９、９’はＸ、ＹおよびＺ方向で励起可能性をもつ剪断圧電素子に取り替えることができる。この変更はすべての実施例に適用することもできる。
【０１０３】
この実施例に描かれた中空円筒形移動要素は、上下に配置された複数の剪断圧電素子に取り替えることもできる。その場合ナノマニピュレータは、それぞれ複数の剪断圧電素子をもつ移動要素を有する。
【０１０４】
この実施例では走査針は螺旋状に延びる支持平面をもつ物体ホルダに固定され、試料８は移動尖端７の下方に配置されている。これと逆の配置も同様に、すべての実施例で可能である。その場合では、検査試料は斜めに走る支持平面をもつ物体ホルダに設置して、単一または複数の固定走査針の上を移動する。試料８と走査針７、７’付き中空円筒形移動要素９、９’の位置が図とは逆になる。
【０１０５】
以上の他に、剪断圧電素子２、２’、２”をもつ移動要素を直接検査すべき物体上に載せ、次にその物体を剪断圧電素子により単一または複数の位置固定走査針の上で移動させることも可能である。この場合では物体ホルダを省くことができる。
【０１０６】
実施例に示されたナノマニピュレータでは、剪断圧電素子を介する走査針と試料の間の相対的移動により実質上振動に依存しない試料分析または試料加工を実現するため、コンパクトな剪断圧電素子間の共同作用を介して、マニピュレータに高い固有振動数を与え、磁石により磁性半球状載置台を介して物体ホルダに影響を及ぼし、物体ホルダ支持平面内のＶ字型切込溝にそれぞれ独立した半球状の載置台を設置した配置を取る。
【０１０７】
加工対象物体の設置および誘導が確保される限り、複数の移動要素の代わりに、剪断圧電素子を含む唯一つの移動要素をナノマニピュレータに配置することは本発明の枠内であり可能である。本発明に基づくナノマニピュレータは、その場合、物体を分析位置または加工位置に対して相対的に移動させるために、前記移動すべき物体または前記物体ホルダ用の載置台を有しそれらを支持する、移動実施のために変位可能な少なくとも一つの移動要素を備えている。その際前記移動要素は支持平面を支えている。前記ナノマニピュレータは、剪断圧電素子を含む支持平面移動のための移動要素によって特徴付けられている。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明による物体ホルダを支える３つの移動要素をもつナノマニピュレータを示す図である。
【図２】走査針の試料上でのＸおよびＹ方向の動きがＺ方向の動きから切り離されているナノマニピュレータの側面図である。
【図３】ナノマニピュレータの横断面図である。
【図４】ナノマニピュレータを斜め下方から見た図である。
【図５ａ】図３に描かれた剪断圧電素子の移動方向を肉太矢印１０１で示した平面図である。
【図５ｂ】剪断圧電素子の配置を斜め上方から見た斜視図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１      物体ホルダ
１ａ    物体ホルダ
１ａ’  物体ホルダ
２      物体ホルダ１用またはレース２２用の剪断圧電素子
２’    物体ホルダ１用またはレース２２用の剪断圧電素子
２”    物体ホルダ１用またはレース２２用の剪断圧電素子
２ａ    物体ホルダ１およびレース２２を結合するための磁石  
２ａ’  物体ホルダ１およびレース２２を結合するための磁石
２ｂ    物体ホルダ１用およびレース２２用の半球状載置台
２ｂ’  物体ホルダ１用およびレース２２用の半球状載置台
３      物体ホルダ１ａ用の剪断圧電素子
３’    物体ホルダ１ａ用の剪断圧電素子
３”    物体ホルダ１ａ用の剪断圧電素子
３ａ    物体ホルダ１ａ結合用の磁石
３ｂ    物体ホルダ１ａ用の半球状載置台
５      担体
６      ベースプレート
７      走査針
８      試料
９      中空円筒形移動要素
９’    中空円筒形移動要素
１０    中心軸
１１    ナノマニピュレータ
２１    ナノマニピュレータ
２２    レース
２２’  レース
３１    ナノマニピュレータ
３２    レース２２’用の剪断圧電素子
３２’  レース２２’用の剪断圧電素子
３２”  レース２２’用の剪断圧電素子
３２ａ  レース２２’結合用の磁石
３２ｂ  レース２２’用の半球状載置台
３３    物体ホルダ１ａ’用の剪断圧電素子
３３’  物体ホルダ１ａ’用の剪断圧電素子
３３ａ  物体ホルダ１ａ’結合用の磁石
３３ｂ  物体ホルダ１ａ’用の半球状載置台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【国際調査報告】
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