(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座と、
スキャンフレームと、
４つの四分割筒状ピエゾ素子と、
複数の接続ジョイントと、を含むスキャンステージであって、
上記ピエゾ素子は、上記スキャンフレームと同一平面にあって、上記フレームを支持するために上記台座に接続されており、
ピエゾ素子は、上記スキャンフレームと間隔を隔てており、
各ピエゾ素子が隣接する素子に対して垂直であり、
各ピエゾ素子が第１の端部と第２の端部とを有しており、
各ピエゾ素子の上記第１の端部が上記台座に固定されており、
上記接続ジョイントが、上記ピエゾ素子の動作中において上記スキャンフレームの面内では軸方向に剛体で且つ横方向に可撓性であり、
上記接続ジョイントは、各ピエゾ素子の上記第２の端部と上記スキャンフレームとの間に接続されており、それによって上記ピエゾ素子の屈曲が、上記スキャンフレームに上記台座に対して直交方向の走査を提供するスキャンステージ。
【請求項２】
さらに上記スキャンフレーム上に支持されたサンプルマウントを含んでいる請求項１に記載のスキャンステージ。
【請求項３】
上記４つのピエゾ素子が、互いに平行な第１の一対のピエゾ素子と、互いに平行であるが上記第１の一対のピエゾ素子とは垂直な第２の一対のピエゾ素子と、を含んでいる請求項１又は２に記載のスキャンステージ。
【請求項４】
上記第１の一対のピエゾ素子が上記スキャンフレーム面内で屈曲して上記スキャンフレームをＸ軸に沿って移動でき、上記第２の一対のピエゾ素子が上記スキャンフレーム面内で屈曲してＹ軸に沿って上記スキャンフレームを移動できる請求項３に記載のスキャンステージ。
【請求項５】
上記第１の一対のピエゾ素子及び第２の一対のピエゾ素子が、上記スキャンフレームに垂直な向きに屈曲して上記スキャンフレームをＺ軸に沿って移動できて、上記Ｘ、Ｙ及びＺ軸は、相互に垂直である請求項３又は４に記載のスキャンステージ。
【請求項６】
上記接続ジョイントは、上記スキャンフレームの面内では軸方向に剛体で横方向に可撓性のコネクタバーを含んでいる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項７】
上記コネクタバーが、薄くて平坦な細長いコネクタバーである請求項６に記載のスキャンステージ。
【請求項８】
上記コネクタバーは、対応するピエゾ素子に対して垂直であり、上記スキャンフレームを上記対応するピエゾ素子の屈曲方向に移動する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項９】
上記第２の一対のピエゾ素子に接続された上記コネクタバーが可撓性で上記スキャンフレームのＸ軸方向への移動を可能にしており、上記第１の一対のピエゾ素子に接続された上記コネクタバーが可撓性で上記スキャンフレームのＹ軸方向への移動を可能にしている請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１０】
さらに、上記スキャンフレーム上面にはサンプルマウントを支持する支持部材を含んでおり、これによりサンプルマウントがスライド可能に支持されている請求項１乃至９のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１１】
上記ピエゾ素子が、上記スキャンフレームの面内での及び上記スキャンフレームの面に垂直方向への選択的な屈曲動作のために上記台座に固定されている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１２】
上記スキャンフレームとピエゾ素子とが、上記スキャンフレームの面に垂直方向に数ミリメートルの厚さを有する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１３】
上記ピエゾ素子が屈曲して、上記スキャンフレームを１００ミクロンのスキャンレンジを越えて直交移動できる請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１４】
走査プローブ顕微鏡を受容するために、上記スキャンフレーム上に第２のプレートとを含んでいる請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【請求項１５】
上記ピエゾ素子は、上記ステージが共焦点スキャン光学顕微鏡内をミクロンステップで移動するように屈曲できて、上記スキャンフレームの上記直交方向の走査が、光学的セクショニング用のＺ方向への動作と、ステージスキャン用のＸＹ方向への動作と、を提供する請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のスキャンステージ。
【発明の詳細な説明】
本発明の技術分野
新規のピエゾスキャナの設計には、高さ７ｍｍ以下のフラットステージ内にＸ、Ｙ及びＺ方向の走査が組み込まれている。本装置によって、３０ミクロンの軸方向の位置決め許容量に加え、３０ミクロン以上のスキャンレンジを得ることができる。また、このスキャンステージは、数ミリメートル以上のサンプルの慣性移動を提供する。特に、フラットな設計は、特に近視野走査型光学顕微鏡用や、共焦点光学顕微鏡のような別の光学顕微鏡技術用と連動して動作するのに、好適である。
背景技術
スキャンステージは、全ての走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の心臓部に位置している（ディ・サリッド、「スキャニング  フォース  マイクロスコピー」オックスフォード大学出版、ニューヨーク）。サンプルを移動させるために又は画像素子として機能する特殊チップを移動させるためにＳＰＭ装置に必要とされる正確な移動では、数ミクロンにわたってオングストロームの精度が要求され、そして圧電材料の利用が決定づけられている。これらの圧電材料は、圧電材料を横切るように電界が印加されると膨張又は収縮するので、一般的に小さい部品の微小な位置づけに利用される。
既知の圧電材料を用いた様々な走査技術が開発されているが、以下に記載する全ての技術において、サンプルを観察するために、そして、発光又は光吸収の研究の場合であればチップ／サンプル相互作用領域からの光を収集するために、サンプルの真下又は真上に高倍率の顕微鏡の対物レンズを配置するることが、特に問題となっていた。
先行技術の状況
初めの走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では、Ｘ、Ｙ及びＺ方向の移動は、直交する３つの独立したピエゾ位置決め装置に頼っていた（ディ・サリッド、「スキャニング  フォース  マイクロスコピー」オックスフォード大学出版、ニューヨーク）。このピエゾ位置決め装置は、ビンニングとスミスによって開発された、単一素子によってＸ−Ｙ方向の走査とＺ方向の位置決めとを提供する単一チューブスキャナにすぐ引き継がれた（ディ・サリッド、「スキャニング  フォース  マイクロスコピー」オックスフォード大学出版、ニューヨーク）。この素子は、単一のピエゾチューブから構成されており、図１で示すように、このピエゾチューブでは外部電極が４つの等しい４分割体に分割されている。１つの４分割体に印加された正電圧によって、片側でチューブ長さの伸びが起こり、そして対向する４分割に印加された大きさの等しい負電圧によって、それに対応する４分割体の収縮が引き起こされ、最終的な結果としてチューブの屈曲となる。この屈曲は、チューブの軸方向の伸びよりも著しく大きい。全ての走査型プローブ顕微鏡において、このようなチューブスキャナは、どのような形態にせよ残存している。短いチューブによって数ミクロンの走査を可能にする一方、長いチューブによって７５〜１００ミクロン以上の走査範囲を提供することが可能である。
一層の進歩は、ベソックによる三脚型スキャナの導入であった（ケイ・ベソック、表面科学  １８１、１４５  （１９８７））。このスキャナの設計では、３つの同じ４分割チューブスキャナを一体として利用し、サンプルはそれらのチューブの頂部に載っている。このスキャナにより、だれにでも普通の方法でサンプルをスキャンすることを可能にし、また慣性移動技術によって非常に広い範囲にわたってサンプルを大まかに位置決めできるという付随的な特徴を有する。この水平慣性移動は、１回の動作の中で、３つのチューブを片側にゆっくりと曲げ、続いて急速にそのチューブを真っ直ぐにして最初の位置に戻すことによって達成される。チューブが戻り動作をするときに、サンプルは慣性によってその位置にとどまるので、最終的な結果としては、サンプルが横方向に移動する。この移動はＸ方向及びＹ方向のどちらにも可能であり、サンプル自身の大きさによってのみ制限される。実際のチューブの屈曲は、単にピエゾ素子に鋸歯状電圧を印加するだけで達成される。移動に加えて、軸方向の大まかな位置決めもまた、適切なマウントサンプルを配置し、慣性回転を利用することによって達成できる。
これらの単一チューブ及び三脚型チューブの設計における最大の短所は、スキャナの軸方向に長く伸びていることである。現在、商業的なＳＴＭ及びＡＦＭシステムで利用されている広範囲走査用のチューブは、数インチの長さに伸ばすことができる（ディ・サリッド、「スキャニング  フォース  マイクロスコピー」オックスフォード大学出版、ニューヨーク）。この制約は、全ての検査用光学機器がサンプルの片側に配置され、反対側の領域がスキャン機構の単独領域になることを意味している。近視野走査型光学顕微鏡では、試料の観察及び近視野発光の収集のためにサンプルの直下又は直上に高倍率の顕微鏡の対物レンズを配置させることが望まれる場合、このような制約が特に問題になっていた（「近視野走査型光学顕微鏡」、１９９０年４月１７日発行された米国特許公報第4,917,462号）。この問題を克服するために、多くの工夫された解決策が考案された。１つの選択肢は、サンプルではなくチップを走査するものであった（エイ・ルイスとケイ・リベルマンの「ネイチャー」３５４、２１４（１９９１年））。これは、画像アーチファクトを生じるかもしれず、光学システムの軸対称性を破壊するので望ましくない。別の選択肢は、大口径の単一チューブの完全な内部に又は三脚スキャナの中心に、対物レンズを配置することを含んでいる。これらの方法はいずれも、対物レンズの交換が困難又は不可能になる。最後の可能性は、対物レンズの近くに配置されたチューブスキャナの端部にサンプルを片持ちすることであるが、この方法では機械的に不安定であるという深刻な問題を生じる可能性がある。
発明の要約
本明細書に記載された装置は、高さ数ミリメートル程度の小型化が可能な薄くて平坦なパッケージ内に、直交する３方向への走査を備えることによって、上記の問題に対する理想的な解決手段を提供する。本装置は、ステージ走査型の共焦点光学顕微鏡にも理想的に適合する。軸方向における本装置固有の位置決め能力は、共焦点を通してサンプルを走査しながら、サンプルをＺ方向に光学的にスライスする機構を提供する。
このように、本発明は、高さ数ミリメートル程度の小型化が可能な平坦な構造内において、３次元の広範囲な走査をするための方法と装置である。
【図面の簡単な説明】
本発明の前述した及びさらなる目的、特徴、そして利点は、添付の図面とともに、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明確となるだろう。添付の図面おいて、
図１は、単一チューブのピエゾスキャナを示す。
図２は、本発明にかかるフラットステージのピエゾスキャナの概略上面図である。
図３は、図２のスキャナで利用されているサンプル位置決め用の作用物の拡大図である。
図４は、図２のスキャナのピエゾチューブとスキャンフレームとの間に用いられるフレキシブル接続コネクタの略斜視図である。
好ましい実施形態の説明
本発明によれば、上記に概説した従来のピエゾスキャナにおける問題に対する解決策は、図１で示すようなピエゾチューブスキャナ１０の能力を、平坦な結合構造内で利用することである。本発明にかかるフラットスキャナは、図２の符号１２で概略的に示される。４つの同じ４分割スキャナ１４、１５、１６及び１７は、中央のステージのサンプル又はサンプルマウント２０を支持するのに用いられ、そして走査を提供するのに利用される。各チューブ１４〜１７は、その一端が、対応する剛性コネクタ２２〜２５によって台座２８に固定されていて、そして他端は、薄く、平坦で可撓性の４つのコネクタ３２〜３５の各々を介してスキャンフレーム３０に取り付けられている。コネクタの平面を形成する二つの方向（Ｘ、Ｙ）に応力がかかる場合にはコネクタは剛直であるが、それらの上面に対して垂線の方向（Ｚ）には容易にたわむ。３つの小球３８〜４０が、スキャンフレーム３０の上面に埋め込まれていて、さらに小球上に配置されるサンプルマウント２０用のベースを提供する。選択的な付加物は、サンプルマウントを所定の位置に保持するためにスキャンフレーム上に配置された３つの小さなマグネット４２である。
上記スキャナの重要な部品は、ピエゾチューブスキャナ１４〜１７をスキャンフレーム３０に取り付けるフレキシブルコネクタ３２〜３４である。それらのコネクタの一つを、図２と同じ部品番号を付して図４に拡大している。
フレーム３０の横方向（Ｘ−Ｙ）の走査は、一対のピエゾチューブを用いて実行され、そしてＸＹ面に垂直な方向（Ｚ）における軸方向の位置決めは、４つのチューブ全てを同時に用いることで提供される。例えば、スキャンフレームを左に移動させる（図２を参照すると、Ｘ軸の負方向）ためには、チューブの左側及び右側の外側電極に適切な電圧を印加して、チューブ１５、１７を左に曲げる（図１参照）。チューブが曲がることで、コネクタ３３は押され、コネクタ３５は引かれることとなり、スキャンフレームに応力がかかる。コネクタ３２、３４は、応力のかかる方向に垂直になっていて、容易にたわむので、スキャンフレームは左に移動することができる。右への移動（Ｘ軸の正方向）は、チューブに印加する電圧を反対にして行う。Ｙ方向への移動は、チューブ１４、１６に電圧を印加して、コネクタ３３、３５をわためることにより、独立して達成できる。
スキャンフレーム３０の軸方向（Ｚ方向）の移動は、４つ全てのチューブの上側電極と下側電極に同時に電圧を印加することで達成される。軸方向の移動範囲は横方向の移動範囲に等しく、かつ横方向の移動範囲とは完全に独立している。
装置の実際の走査範囲はピエゾチューブの固有の特性、チューブの寸法及び印加電圧に依存する。装置には８つの電気コネクタがあり、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ、＋Ｚ、−Ｚ、ピエゾ素子接地（ピエゾチューブの中心）、及びシャーシ接地から成っている。通常の走査電圧である＋／−１２５Ｖで、商業的に入手できる直径０．１２５インチ、長さ１．２５インチのチューブを用いて、走査範囲３５μｍのＸＹＺスキャンを達成することができる。
サンプルの慣性移動は、前述の三脚型スキャナと同様に実行される。サンプルマウント２０は、スキャンフレームに埋め込まれている３つの小球３８、３９及び４０上に置かれる。サンプルマウントとフレームとの間の結合を強めて、逆さまの向きで操作を可能にすることが望まれる場合には、小さいマグネット４２を含むことができる。サンプルを移動させるには、スキャンフレーム３０を所望の方向に移動し、そして、サンプルマウントの慣性力によってサンプルマウントを所定の位置に維持し結果的にサンプルマウントの正味の変位を生じさせるのに十分な早さで、スキャンフレーム３０を中立位置に戻す動作をする。
従来の結合構造と比較した本発明のスキャナの本質的な利点は、高倍率の顕微鏡の対物レンズの近くに容易に配置することができる平坦な薄いプレート内で、３次元走査が達成されることである。スキャナは、プレートの平面より下側に拡張されることがないので、対物レンズは、全ての光学顕微鏡で見られる簡単な回転機構によって、全く自由に交換できる。さらに、チューブ状ピエゾ素子を用い、軸方向の動きが横方向の領域の一部に制限される従来の３次元スキャナの構造とは違って、本発明の設計においては、軸方向の動きは横方向の動きと全く等しい。軸方向即ちＺ方向の走査機構がチップを表面に容易に接触させることができるように、チップを表面に十分接近して従来の光学機器に配置するのが容易であるので、接近機構が非常に簡素になる。
もちろん、この走査技術は、それ自体が全ての走査用途において大いに役立つ。しかしながら、特に走査型プローブ顕微鏡が、この走査機構を装置に導入することによる利益を享受するであろう。これらの顕微鏡の全てにおいて、チップとサンプルとを同時に観察することは常に困難であったが、本発明の構造によってその制限は除かれる。このような顕微鏡では、プローブ及びその関連機構部を保持している第２のプレート５０（透視状態で示されている）と、光学機器と、電子機器とがスキャンステージ３０上に配置されて、共焦点スキャン光学顕微鏡を含む従来の光学顕微鏡の全種類と完全に互換性のある組込型の走査型プローブ顕微鏡システムを提供する。走査型プローブ顕微鏡の中でも、近視野の光学顕微鏡がこの設計による利益を最も享受するであろう。このような光学技術においては、従来の光学顕微鏡に優秀な３次元スキャナを完全に組み込むことは、光の観測及び光の収集のどちらにおいても絶対不可欠である。このことが、従来の光学顕微鏡と超解像度の近視野光学技術との間の視野を重ねることを可能にしている。このスキャナは、光学切片を得るために、現行では複雑な機構のレンズスキャンを用いてレンズの焦点面を変えている共焦点顕微鏡にも役立つであろう。
本発明は、好ましい実施形態に関して記載してきたが、以下の請求の範囲に記載された本発明の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく変更が可能なことは、当業者にとっては明瞭である。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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