DD240627A1 - Anordnung zur feinstpositionierung von objekten im dreidimensionalen raum - Google Patents

Abstract

Die Einrichtung ist ueberall in der Mikroskopiertechnik oder Feinstbearbeitung von Gegenstaenden, Proben oder dergleichen, insbesondere in der Herstellung feinster Strukturen der Mikroelektronik einsetzbar. Die Erfindung hat eine im mechanischen Aufbau einfache, wartungs- und verschleissarme, in der Funktion zuverlaessige, kostenguenstige Einrichtung mit geringen raeumlichen Abmassen zum Ziel. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feinstpositionierung von Werkstuecken oder Proben in einem raeumlichen, orthogonalen Koordinatensystem stufenlos und spielfrei zu realisieren. Diese Aufgabe wird geloest, indem eine in einem Aufnahmegehaeuse luftkissengelagerte Traegerplatte durch in Gruppen angeordnete Luftaustrittsoeffnungen so angesteuert werden kann, dass ueberlagerte Verschiebungen der Traegerplatte in der X-, Y- und Z-Achse sowie in einer Winkeldrehung um die Z-Achse ausgefuehrt werden. Fig. 1

Description

Eine allseitig feinbearbeitete prismatische Trägerplatte ist zwischen einer Grund- und einer Deckplatte angeordnet. Die der Trägerplatte zugewandten Seiten der Grund- und Deckplatte sind ebenfalls feinbearbeitet.

Zwischen Grund- und Deckplatte befinden sich vier Abstandsleisten, welche die Trägerplatte an ihren Stirnseiten umschließen. Die Höhe der Abstandsleisten ist so bemessen, daß zwischen Grund- und Trägerplatte einerseits sowie zwischen Deck- und Trägerplatte andererseits ein Luftspalt entsteht, der dem halben Verstellweg in derZ-Achse entspricht. Auf gleiches Abstandsmaß sind auch die Abstandsleisten zu den Stirnflächen der Trägerplatte, also in X- bzw. in Y-Achse eingestellt. Die Deckplatte besitzt einen zentrischen Ausbruch, wodurch die Trägerplatte von oben zugängig ist und das aufzunehmende Objekt an die Trägerplatte angekoppelt werden kann. Grund- und Deckplatte sind mit Druckluftführungskanälen versehen, welche auf der der Trägerplatte zugewandten Seite in gleicher geometrischer Anordnung und gleicher Anzahl von aus Düse und Beruhigungskammer bestehenden Druckluftaustrittsöffnungen enden. Jede Abstandsleiste besitzt zwei Druckluftführungskanäle, die in je einer Gruppe von Druckluftaustrittsöffnungen, jedoch mindestens einer Druckluftaustrittsöffnung auf der der Stirnseite der Trägerplatte zugewandten Seite enden.

Grund- und Deckplatte besitzen je vier zu den vier Außenkanten parallel verlaufende, im Bereich der Außenkanten der Trägerplatte angeordnete nutförmige Abströmkanäle, die an jeweils beiden Enden mit dem Außenraum in Verbindung stehen. Jede Gruppe von Druckluftaustrittsöffnungen in Grundplatte und Deckplatte sowie jede Gruppe in den vier Abstandsleisten ist je einer Druckluftsteuereinheit zugeordnet. Diese wiederum sind verbunden einerseits mit dem Druckluftanschluß an eine Druckluftversorgung und andererseits über je eine Steuerleitung mit einem zentralen Steuerteil.

Werden über das zentrale Steuerteil durch Aktivierung der zugeordneten Druckluftsteuereinheiten die sich jeweils parallel gegenüber befindlichen Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen einer Verstellachse mit dem gleichen Druck angesteuert, so bilden sich allseitig gleiche Luftpolster zwischen der Trägerplatte und den sie umgebenden Teilen aus, und die Trägerplatte nimmt eine stabile zentrische Lage im Hohlraum, der durch Grund-, Deckplatte und die vier Abstandsleisten begrenzt wird, ein. Verändert man die Druckansteuerung dahingehend, daß die sich in einer Verstellachse parallel gegenüber befindlichen Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen ungleiche Drücke aufweisen, dann ergibt sich eine Verschiebung der Trägerplatte in Richtung des geringeren Druckes. Dabei wirken die von den anderen Achsen vorhandenen Luftpolster als Führungselement. Auf gleiche Art wird eine Verschiebung in den anderen beiden Achsen erreicht. Steuert man in allen vier Abstandsleisten die beiden vorhandenen Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen so an, daß jeweils vier sich diagonal gegenüber befindliche Gruppen gleichen Druck aufweisen, während die sich parallel gegenüber befindlichen Gruppen unterschiedliche Drücke besitzen, dann ergibt sich eine Verdrehung der Trägerplatte. Durch die Ansteuerung der jeder Gruppe von Druckluftaustrittsöffnungen zugeordneten Druckluftsteuereinheit über das zentrale Steuerteil ist eine Überlagerung aus Verschiebungen in allen drei Ebenen und Verdrehung in einer Ebene innerhalb des durch den allseitig die Trägerplatte umgebenden Luftspalt vorgegebenen Bereiches möglich, wobei die Trägerplatte in allen Fällen durch die in allen Ebenen vorhandenen Luftpolster stabilisiert wird. Die in Grund- und Deckplatte angebrachten Abströmkanäle ermöglichen einen ungehinderten Abfluß der ausgeströmten Luft und bewirken so eine Entkopplung der Bewegungen in den einzelnen Achsen.

Ausführungsbeispiel

In einem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung näher dargestellt und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Die Einrichtung in einer perspektivischen Teil-Schnittdarstellung

Fig.2: Die Einrichtung in einem Schnitt parallel zur X-Y-Ebene mit schematischer Darstellung der pneumatischen Ansteuerung Fig.3: Die Einrichtung in einem Schnitt parallel zur Z-X-Ebene

Fig. 4: Eine Draufsicht auf die Grundplatte.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den geometrischen Aufbau eienr Anordnung zur Feinstpositionierung von Objekten für Verschiebungen in den drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen X; Ϋ; Z um Beträge im Mikrometerbereich und Verdrehungen in der X-Y-Ebene um den Winkel φ im Winkelminutenbereich.

Sie besteht aus der Grundplatte 1, den Abstandsleisten 2; 3; 4 und 5, die auf der Grundplatte befestigt sind, der Deckplatte 6 sowie der im Hohlraum, der von Grundplatte 1, Deckplatte 6 und den vier Abstandsleisten 2,3,4, 5 begrenzt wird, von einem Luftpolster umgebenen, frei bewegbaren Trägerplatte 7. Die Deckplatte 6 besitzt in ihrem Zentrum einen Durchbruch 13, der die Verbindung mit dem zu verschiebenden Objekt gestattet.

Fig. 2 stellt einen Schnitt durch die Mitte der Einrichtung dar. Die Abstandsleisten 2,3,4, und 5 besitzen je zwei Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen 9, die jeweils im äußeren Drittel der Abstandsleisten 2,3,4,5 auf der derTrägerplatte 7 zugewandten Seite eingebracht sind. Grund- und Deckplatte 1,6 besitzen die gleiche Anzahl von Druckluftaustrittsöffnungen 9, die je zu einer Gruppe zusammengefaßt sind. Die Anordnung ist in Fig. 3 und Fig.4 dargestellt. Die Druckluftaustrittsöffnungen 9 bestehen wie bei statischen Luftlagern aus Düse und Beruhigungskammer.

Jede Gruppe von Druckluftaustrittsöffnungen 9 ist über einen Druckluftführungskanal 8 mit einer Druckluftsteuereinheit 10 verbunden. Alle Druckluftsteuereinheiten 10 sind mit dem zentralen Steuerteil 11 und der zentralen Druckluftversorgung verbunden. Grund- und Deckplatte 1,6 besitzen je vier zu den Außenkanten parallel verlaufende, im Bereich der Außenkanten der Trägerplatte 7 angebrachte Abströmkanäle 12. Werden die sich jeweils parallel gegenüber befindlichen Druckluftaustrittsöffnungen 9 durch das zentrale Steuerteil 11 und die zugeordneten Druckluftsteuereinheiten 10 mit gleichem Druck angesteuert, so daß P_x1 = P_x2 = P_x3 = P_x4 und P_y1 = P_y2 = P_y3 = P₄ sowie P_z1 = P₂₂ ist, so bildet sich allseitig um die Trägerplatte 7 ein Luftkissen aus und die Trägerplatte 7 nimmt eine stabile zentrische Lage im Hohlraum ein. Das Verschieben der Trägerplatte 7 in jeweils eine Richtung wird erreicht, indem die sich parallel gegenüber befindlichen Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen 9 gegensinnig in ihrem Druckwert verändert werden, so z. B. P₂₁ > P_z2 oder P_x1 = P_x2 > P_x3 =P_x4 oder Pyi = P_Y2> Py3 = Py4/ damit stellen sich ungleich dicke Luftpolster ein, welche aber trotzdem eine stabile Lage der Trägerplatte 7 gewährleisten. Eine Verschiebung derTrägerplatte 7 kann gleichzeitig und überlagert in allen drei Achsen erfolgen, wobei durch die in Grund- und Deckplatte 1,6 angebrachten Abströmkanäle 12 eine gute Entkopplung erreicht wird. Die um die Trägerplatte 7

vorhandenen Luftpolster bewirken eine geringe Reibung, so daß eine Verstellung mit geringen Druckunterschieden ohne Slip-Stick-Effekt und geringer Hysterese möglich ist.

Soll zusätzlich zur Verschiebung in den drei Achsen die Trägerplatte 7 in der X-Y-Ebene noch um einen Winkel φ verdreht werden, so sind bei gleichbleibenden Drücken in der Z-Richtung, die Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen 9 in den Abstandsleisten 2,3,4, 5 so anzusteuern, daß jeweils vier sich diagonal gegenüber befindliche Gruppen von Druckluftaustrittsöffnungen 9 gleichen Druck aufweisen, während die Drücke sich parallel gegenüber befindlicher Gruppen unterschiedlich sind. Es muß also die Bedingung:

^Pz1 ? ^Pz2 " ^koast· ^Px1 - ^Px4 ^Py1 " ^P*^P " ^E = ^E2 " ^p3

erfüllt sein.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht die stufenlose kontinuierliche Verschiebung der Trägerplatte 7 um differentiell kleine Wege und eine Winkeldrehung in der X-Y-Ebene eines räumlichen Koordinatensystems sowie eine Höhenverstellung in derZ-Achse.

Infolge des gewählten pneumatischen Antriebes ergeben sich weitere Vorteile, wie geringer Raumbedarf, verschleißarme Lagerung, Einsparung teurer mechanischer Präzisionsantriebe, Vermeidung von Kopplungs- und Gewindespielen. Der Realisierung der Bewegung der Trägerplatte in der Z-Richtung kommt besondere Bedeutung zu, da die Höhenfeinverstellung allgemein mit erhöhtem Aufwand verbunden ist.

Claims (3)

1. Anordnung zur Feinstpositionierung von Objekten im dreidimensionalen Raum, bestehend aus einem Aufnahmegehäuse, welches aus einer Grundplatte, einer Deckplatte und vier Abstandsleisten gebildet wird, die einen Hohlraum umschließen, mit einer in diesem Hohlraum aufgenommenen Trägerplatte sowie Druckluftführungskanälen und Druckluftaustrittsöffnungen, einem zentralen Steuerteil und Druckluftsteuereinheiten, die von dem zentralen Steuerteil angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß Druckluftaustrittsöffnungen (9) in den Abstandsleisten (2; 3; 4; 5) mit ihren Mittenachsen in der X-Y-Ebene eines mit seinem Ursprung im Mittelpunkt des Hohlraumes gedachten dreidimensionalen orthogonalen Koordinatensystems und senkrecht zu den inneren Begrenzungsflächen der Abstandsleisten (2; 3; 4; 5) angeordnet sind, daß die Druckluftaustrittsöffnungen (9) paarig genau gegenüberliegend angeordnet sind, daß Druckluftaustrittsöffnungen (9) in der Grundplatte (1) und in der Deckplatte (6) in mindestens je zwei parallel zueinander liegenden Reihen parallel zur Z-Achse angeordnet sind, daß die Druckluftaustrittsöffnungen (9) in jeder Abstandsleiste (2; 3; 4; 5) im Bereich von der X- bzw. Y-AchsebiszumEndejederAbstandsleiste(2;3;4; 5) Funktionsgruppen zugeordnet sind und jeder dieser Funktionsgruppen eine Druckluftsteuereinheit (10) zugeordnet ist, daß die in den Luftspalten zwischen der Trägerplatte (7) und den Umgrenzungsflächen (1; 2; 3; 4; 5; 6) aufgebauten Luftpolster als Führungselemente für die Trägerplatte (7) wirken, daß bei Druckbeaufschlagung der Druckluftaustrittsöffnungen (9) in der Grundplatte (1) und der Deckplatte (6) sich über und unter der Trägerplatte (7) in eine Lage parallel zur X-Y-Ebene mit gleichen Abständen zur Grundplatte (1) und Deckplatte (6) einstellt, daß in jedem Ende der Abstandsleisten (2; 3; 4; 5) parallel zur X-Y-Ebene mindestens eine der in Richtung der Trägerplatte (7) weisenden Druckluftaustrittsöffnungen (9) angeordnet ist und die austretende Druckluft eine Druckverteilung aufbaut, deren Komponenten senkrecht auf alle Flächen der Trägerplatte (7) wirken, so daß sich die Trägerplatte (7) in eine stabile Mittenlage mit gleichem Abstand zu jeder Umgrenzungsfläche (1; 2; 3; 4; 5; 6) einstellt und die in Richtung der Koordinaten des orthogonalen Koordinatensystems wirkenden Druckkomponenten durch die Beziehung

P — D ι ρ , ρ ___ ρ ^_ ρ ^_ ρ ^_ ρ __ ρ _t ρ ·

z1 ^rz2 ¹Xl ^rx2 ^rx3 r x4 Tyl Γγ2 Γγ3 — Γγ4

beschrieben sind, daß bei auf einen konstanten Wert eingestelltem, in Z-Richtung wirkenden Druckkomponenten, es gilt dabei die Beziehung

^Pz1 * ^Pz2 ⁼ konstant,

und Veränderung der in X- und/oder Y-Richtung wirkenden Druckkomponenten, es gelten dabei die Beziehungen ρ _ ρ <

JL ι -Λ-ί- ^

p — p K. ρ

yi ~ y2 J ^xy3

die Trägerplatte (7) parallel zur X-Y-Ebene kontinuierlich, stufenlos jeweils in den Richtungen X und Y um kleinste Weglängen der Größenordnung 0,1 Mikrometer und maximal bis zum Anliegen der Trägerplatte (7) an eine bzw. zwei benachbarte Abstandsleisten (2; 3; 4; 5) verschiebbar ist, daß bei auf konstante Werte eingestellte in X- und Y-Richtung wirkende Druckkomponente, es gelten dabei die Beziehungen

c„-i — J--0-0 5 Ρ—ο ~ P~ λ ~ konstant» und

-Λ- I J&.C* J>

^Py1 - ^Py2 I ^Py3 " ^Py4 " konstant,

und Veränderung der in Z-Richtung wirkenden Druckkomponenten, es gilt dabei die Beziehung p Vi ρ

z1 > z2>

die Trägerplatte (7) senkrecht zur X-Y-Ebene kontinuierlich, stufenlos in der Richtung Z um kleinste Weglängen der Größenordnung 0,1 Mikrometer und maximal bis zum Anliegen der Trägerplatte (7) an die Grundplatte (1) oder die Deckplatte (6) verschiebbar ist, daß bei auf einen konstanten Wert eingestellten, in Z-Richtung wirkenden Druckkomponenten, es gilt dabei die Beziehung

P ~ P »

*Ζ1 > *Z2

und Veränderung der Drücke in jeweils vier sich diagonal gegenüberliegenden Funktionsgruppen, wobei die.sich parallel gegenüberliegenden Funktionsgruppen unterschiedliche Drücke aufweisen, es gelten dabei die Beziehungen

ρ — P = P S= P ^P ss"¹³ — T> _ "D

x1 ~ s4 y1 y4> x2

die Trägerplatte (7) parallel zur X-Y-Ebene kontinuierlich, stufenlos um einen Winkel φ um die Z-Achse verdrehbar ist, daß die Längs- und Verdrehbewegungen überlagerbar sind, daß sich stabile Lagen der Trägerplatte (7) ohne Überschwingen einstellen, daß in der Grundplatte (1) und in der Deckplatte (6) jeweils mindestens vier nutartige Abströmkanäle (12), die die Verbindung zum druckfreien Außenraum herstellen, parallel zu den inneren Begrenzungskonstanten des Hohlraums angeordnet sind.

-1 Erfindungsanspruch:

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Parallelität, Winkligkeit und Ebenheit summarisch resultierende Formabweichung der Trägerplatte (7) kleiner als 10% des Verstellbereiches ist.

Hierzu

3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ausführen feinster Stellwege in einem räumlichen Koordinatensystem, mit der zusätzlich noch eine Winkelverstellbewegung um ihre senkrechte Achse ausführbar ist. Die Einrichtung ist in der Mikroskopiertechnik, insbesondere in der Fertigung mikroelektronischer Bauelemente, einsetzbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach dem Stand der Technik sind Mikroskopiertische oder Kreuztische bekannt, die mit Hilfe von Schraubenspindeln, Schraubenspindeln mit Untersetzungsgetrieben oder hintereinandergeschalteten Federn verschiedener Steifigkeit in ihren Führungen um Schrittlängen im Mikrometerbereich verschoben werden können. Als Antriebe sind Schrittmotoren verschiedener physikalischerWirkprinzipien, so z. B. elektromagnetisch, elektrodynamisch, magnetostriktiv oder piezoelektrisch bekannt. Allen diesen Einrichtungen ist gemeinsam, daß für diese Kreuztische Führungen höchster Präzision und spielfreie Kopplung mit dem Antriebsaggregat erforderlich sind. Der Aufbau dieser Kreuztische ist kompliziert, dafür jede Achse ein Antrieb mit Führungen erforderlich ist und die Realisierung von Winkelverstellungen zusätzlichen Aufwand erfordert. Infolgedessen ist auch der Raumbedarf für solche Einrichtungen sehr hoch. Ein weiterer Nachteil mechanischer Antriebe der genannten Art besteht im „toten Gang". Es sind zwar Mittel bekannt, den toten Gang kleinzuhalten, im Laufe der Betriebszeit tritt jedoch eine Undefinierte Verstellung des toten Ganges ein.

Eine zufriedenstellende Zuverlässigkeit einer solchen Einrichtung wird also von Fertigungstoleranzen und Verschleiß Undefiniert beeinflußt, sie kann auch mit beträchtlichem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand, der dazu noch sehr kostenaufwendig ist, nicht auf Dauer realisiert werden.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine im mechanischen Aufbau einfache, wartungs-und verschleißarme, zuverlässige, kostengünstige Einrichtung zum Feinstpositionieren zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feinstpositionierung von Werkstücken im Mikrometerbereich parallel zu den Achsen eines räumlichen orthogonalen Koordinatensystems und eine Drehung im Winkelminutenbereich um die senkrechte Achse desselben spielfrei und stufenlos zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Hohlraum eines aus Einzelteilen montierten Aufnahmegehäuses eine prismatische, allseitig feinbearbeitete Trägerplatte angeordnet ist, daß im Aufnahmegehäuse Druckluftaustrittsöffnungen so angeordnet sind, daß diese senkrecht auf die Begrenzungsflächen der Trägerplatte gerichtet sind, daß diese Druckluftaustrittsöffnungen paarig einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß auf die Ober- und die Unterseite der Trägerplatte mindestens je vier Druckluftaustrittsöffnungen gerichtet sind, daß auf jedes Ende der Seitenflächen derTrägerplatte mindestens eine Druckluftaustrittsöffnung gerichtet ist, daß die Druckluftaustrittsöffnungen abschnittsweise zu Funktionsgruppen angeordnet sind und diese Funktionsgruppen Druckluftsteuereinheiten zugeordnet sind, die von einem zentralen Steuerteil angesteuert werden, daß bei Druckbeaufschlagung der Druckluftaustrittsöffnung sich ein allseitig gleichmäßiges Luftpolster um die Trägerplatte ausbildet und die Trägerplatte in eine stabile Lage gebracht wird, daß durch definierte Druckänderungen die Trägerplatte im Hohlraum stufenlos um feinste Stellwege im dreidimensionalen Raum verschoben und um die senkrechte Achse eines in ihrem Mittelpunkt gedachten dreidimensionalen, orthogonalen Koordinatensystems gedreht werden kann, daß die Luftpolster in den Luftspalten zwischen der Trägerplatte und dem Aufnahmegehäuse als Führungselemente wirken, daß die Längs- und Verdrehbewegungen überlagerbar sind, daß sich stabile Lagen derTrägerplatte ohne Überschwingen einstellen, daß nutartige Abströmkanäle in der Grund- und Deckplatte des Aufnahmegehäuses die Verbindung zwischen Hohlraumund Außenraum herstellen und daß die aus Parallelität, Winkligkeit und Ebenheit summarisch resultierende Formabweichung derTrägerplatte kleiner als 10% des Verstellbereiches ist.