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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung
Nr. 10-2004-0107224, eingereicht am 16. Dezember 2004 beim koreanischen
Patentamt, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikrotisch und insbesondere
auf einen Mikrotisch, der in einer Mikrosäulen-Elektronenstrahlvorrichtung
genutzt wird, die in eine Ultrahochvakuumkammer eingebaut ist und
eine Elektronenemissionsspitze an einem Elektronenlinsenmodul ohne
Kopplungseffekte stabil positionieren kann.
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2. Beschreibung des verwandten
Gebiets
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Weltweit
werden Anstrengungen unternommen, Mikrotische, die in Mikrosäulen-Elektronenstrahlvorrichtungen
genutzt werden, zu miniaturisieren. Die Mikrotische werden auf Rastertunnelmikroskope
angewendet, die eine Emissionsspitze, d. h. eine Elektronenstrahlquelle,
die für
alle Elektronenstrahlvorrichtungen wesentlich ist, entlang einer
optischen Achse ausrichten und die Emissionsspitze in einer Feldemissionsbetriebsart
betreiben.
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Die 1 und 2 sind
eine perspektivische Ansicht bzw. eine perspektivische Explosionsdarstellung
eines herkömmlichen
Mikrotischs, der Piezoelemente nutzt, die dazu verwendet werden,
ein Elektronenstrahlquellenspitzenmodul entlang der X-, Y- und Z-Achse
zu bewegen (siehe S. Kleindiek et al., J. Vac. Sci. Technol. B 13(6),
s. 2653–2656,
Nov/Dec 1995).
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Ein
Tischmodul 100, das in einer herkömmlichen Mikrosäulen-Elektronenstrahlvorrichtung
genutzt wird, funktioniert als eine Dreiachsen-Positionierungseinrichtung.
Das Tischmodul 100 enthält
vier Tische aus rostfreiem Stahl, d. h. einen Grundrahmen 101,
einen Y-Achsen-Gleitstand 110, einen X-Achsen-Gleitstand 120 und
einen Z-Achsen-Gleitstand 130.
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Diese
Konstruktion ist instrumentell kompliziert und erfordert physikalisch
verschiedene Zusatzfunktionen, die jeweils Betriebsprobleme verursachen.
Außerdem
führt die
langsame Bewegung der piezoelektrischen Aktuatoren (PZT-Aktuatoren) 102 zur
Reibung zwischen den Tischen, während
die schnelle Bewegung der PZT-Aktuatoren 102 veranlasst,
dass die Tische wegen ihrer Trägheit
aus ihren gewünschten
Lagen gleiten.
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Im
Allgemeinen bewegt jeder der PZT-Aktuatoren 102 die Tische
etwa um 10 µm,
wenn an die PZT-Aktuatoren 102 100 V angelegt werden. Um
zu veranlassen, dass die beweglichen Tische gleiten, sollten sowohl
ein starres Lager als auch eine glatte Gleitfläche verwendet werden. Für das gleichmäßig gleitende
Lager können
Stahl und Saphir verwendet werden, die eine glatte Gleitfläche haben.
In dem beweglichen Grundrahmen 101 kann unter einem Winkel
von 90 Grad ein Führungslager
angeordnet sein, das V-Nuten 112 von mehreren Millimetern
aufweist. In den V-Nuten 112 können Kugelgleitlager angeordnet
sein, die als Führungslager
wirken.
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In
dem herkömmlichen
Tischmodul 100 wird auf die Berührungsflächen eine große Kraft
ausgeübt,
so dass die V-Nuten 112 über einen Halbstab 114 gleiten
können,
um die Berührungsflächen zu drücken und
die an den Berührungsflächen erzeugte Reibung
zu verringern. Allerdings besitzt diese Konstruktion Nachteile der
schlechten Ausrichtung der V-Nuten 112, wenn die V-Nuten 112 mechanisch
verarbeitet werden. Außerdem
wird ein höherer
Druck als durch die Kugellager erzeugt, während die Berührungsflächen zunehmen.
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Zum
Drücken
der beweglichen Tische wird eine Blattfeder 113 und keine
Schraubenfeder verwendet. Die Blattfeder 113 ist in einer
Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der sie biegsam ist, recht steif.
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Weiterhin
offenbart die Patentschrift
DE
724 183 A eine Anordnung zum Justieren von Objektträgern und
Blenden, in welcher eine runde Objektblende entlang einer Achse
durch einen Piezoaktuator positioniert wird. Auf der gegenüberliegenden
Seite entlang dieser Achse ist ein Lager vorgesehen, welches eine
Feder umfasst, die immer mit einer Federkraft auf die Objektblende
einwirkt. Dabei ist das Lager immer in Kontakt mit der Objektblende
und positioniert die Objektblende bis zu der Position, zu der der
Piezo entweder zurückgezogen
oder ausgefahren ist. Durch den ständigen Kontakt von Piezo bzw. Lager
mit der Objektblende können
jedoch longitudinale Schwingungen der Feder oder elektronisches Rauschen
bzw. elektronischer Drift des Piezos in die positionierte Objektblende
einkoppeln, wodurch die justierte Position nicht konstant gehalten
werden kann.
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Ähnlich nachteilig
aufgebaute Positioniervorrichtungen sind aus den Druckschriften
DE 761 373 A ,
DE 40 23 311 A1 und
JP 01-210 672 A bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Mikrotisch, an dem piezoelektrische
Elemente einfach angebracht werden können und der eine Emissionsspitze
lediglich unter Verwendung der beweglichen piezoelektrischen Elemente
ohne Kopplungseffekte stabil positionieren kann.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Mikrotisch geschaffen, der umfasst:
einen Körper
mit einer vertikal durchlochten Durchgangsbohrung, die durch einen
Mittelabschnitt davon verläuft;
eine Rolle, die einen Spitzenabschnitt mit einer in ihrer Mitte eingelassenen
Elektronenemissionsspitze enthält und
die durch die Durchgangsbohrung des Körpers verläuft, um in der Durchgangsbohrung
entlang einer ersten Achse senkrecht zu der vertikalen Richtung bewegt
zu werden; ein erstes piezoelektrisches Element, das an dem Körper angeordnet
ist und verlängert
wird, wenn daran eine Spannung angelegt wird, um die Rolle in einer
Richtung entlang der ersten Achse zu schieben; ein zweites piezoelektrisches Element,
das an dem Körper
angeordnet ist und verlängert
wird, wenn daran eine Spannung angelegt wird, um die Rolle in der
anderen Richtung entlang der ersten Achse zu schieben; und eine
obere Abdeckung, die mit einem oberen Abschnitt des Körpers gekoppelt
ist und eine Durchgangsbohrung aufweist, durch die die Rolle verläuft, wobei
sie mit der Durchgangsbohrung des Körpers in Verbindung steht,
wobei die Rolle durch Einstellen der an das erste piezoelektrische
Element und an das zweite piezoelektrische Element angelegten Spannungen
wie gewünscht
entlang der ersten Achse positioniert werden kann; und wobei das
erste und das zweite piezoelektrische Element wieder verkürzt werden,
um sich von der Rolle zu trennen, wenn die an das erste und an das
zweite piezoelektrische Element angelegte Spannung entfernt wird.
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Ferner
kann der Mikrotisch umfassen: eine erste Stellschraube, die außerhalb
des ersten piezoelektrischen Elements angeordnet ist, um die Lage des
ersten piezoelektrischen Elements entlang der ersten Achse einzustellen;
und eine zweite Stellschraube, die außerhalb des piezoelektrischen
Elements angeordnet ist, um die Lage des zweiten piezoelektrischen
Elements entlang der ersten Achse einzustellen.
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Ferner
kann der Mikrotisch umfassen: ein drittes piezoelektrisches Element,
das an dem Körper
angeordnet ist und verlängert
wird, wenn daran eine Spannung angelegt wird, um die Rolle in einer Richtung
entlang einer zweiten Achse, die senkrecht sowohl zu der vertikalen
Richtung als auch zu der ersten Achse ist, zu schieben; und ein
viertes piezoelektrisches Element, das an dem Körper angeordnet ist und verlängert wird,
wenn daran eine Spannung angelegt wird, um die Rolle in der anderen
Richtung entlang der zweiten Achse zu schieben, wobei die Rolle
durch Einstellen der an das dritte piezoelektrische Element und
an das vierte piezoelektrische Element angelegten Spannung entlang
der zweiten Achse wie gewünscht
positioniert werden kann.
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Wenn
die an das dritte und an das vierte piezoelektrische Element angelegte
Spannung entfernt wird, können
das dritte und das vierte piezoelektrische Element wieder verkürzt werden,
um sich von der Rolle zu trennen.
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Die
Breite einer Oberfläche
sowohl des ersten als auch des zweiten piezoelektrischen Elements,
die der Rolle zugewandt ist, kann nicht kleiner als ein maximaler
Abstand sein, in dem die Rolle durch das dritte oder durch das vierte
piezoelektrische Element entlang der zweiten Achse bewegt werden
kann, und die Breite einer Oberfläche sowohl des dritten als
auch des vierten piezoelektrischen Elements, die der Rolle zugewandt
ist, kann nicht kleiner als ein maximaler Abstand sein, in dem die Rolle
durch das erste oder durch das zweite piezoelektrische Element entlang
der ersten Achse bewegt werden kann, wobei die Bewegung der Rolle
entlang der zweiten Achse wegen des dritten und des vierten piezoelektrischen
Elements durch die Lage der Rolle entlang der ersten Achse nicht
beeinflusst werden kann und die Bewegung der Rolle entlang der ersten Achse
wegen des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elements durch
die Lage der Rolle entlang der zweiten Achse nicht beeinflusst werden
kann.
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Ferner
kann der Mikrotisch umfassen: einen ersten Stützvorsprung, der zwischen der
ersten Achse und einer ersten Geraden parallel zu der ersten Achse
angeordnet und näher
zu der ersten Geraden ist; einen ersten Hebel der sowohl das erste
piezoelektrische Element als auch die Rolle berührt und sich um den ersten
Stützvorsprung
dreht; einen zweiten Stützvorsprung,
der zwischen der ersten Achse und einer zweiten Geraden parallel
zu der ersten Achse angeordnet ist und näher zu der zweiten Geraden
ist; und einen zweiten Hebel, der sowohl das zweite piezoelektrische
Element als auch die Rolle berührt
und sich um den zweiten Stützvorsprung
dreht, wobei das erste piezoelektrische Element entlang der ersten Geraden
angeordnet ist und das zweite piezoelektrische Element entlang der
zweiten Geraden angeordnet ist, wobei die Rolle einen Abstand bewegt
wird, der gleich dem Abstand, den das erste piezoelektrische Element
verlängert
und bewegt wird, mal dem Verhältnis
des Abstands zwischen der ersten Achse und dem ersten Stützvorsprung
zu dem Abstand zwischen dem ersten Stützvorsprung und der ersten
Geraden ist, wenn das erste piezoelektrische Element verlängert und
bewegt wird, wobei die Rolle einen Abstand bewegt wird, der gleich
dem Abstand, den das zweite piezoelektrische Element verlängert und bewegt
wird, mal dem Verhältnis
des Abstands zwischen der ersten Achse und dem zweiten Stützvorsprung
zu dem Abstand zwischen dem zweiten Stützvorsprung zu dem Abstand
zwischen dem zweiten Stützvorsprung
und der zweiten Geraden ist, wenn das zweite piezoelektrische Element
verlängert
und bewegt wird.
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Ferner
kann der Mikrotisch umfassen: einen dritten Stützvorsprung, der zwischen der
zweiten Achse und einer dritten Geraden parallel zu der zweiten
Achse angeordnet und näher
zu der dritten Geraden ist; einen dritten Hebel der sowohl das dritte
piezoelektrische Element als auch die Rolle berührt und sich um den dritten
Stützvorsprung
dreht; einen vierten Stützvorsprung,
der zwischen der zweiten Achse und einer vierten Geraden parallel
zu der zweiten Achse angeordnet ist und näher zu der vierten Geraden
ist; und einen vierten Hebel, der sowohl das vierte piezoelektrische
Element als auch die Rolle berührt
und sich um den vierten Stützvorsprung
dreht, wobei das dritte piezoelektrische Element entlang der dritten
Geraden angeordnet ist und das vierte piezoelektrische Element entlang
der vierten Geraden angeordnet ist, wobei die Rolle einen Abstand
bewegt wird, der gleich dem Abstand, den das dritte piezoelektrische
Element verlängert
und bewegt wird, mal dem Verhältnis
des Abstands zwischen der zweiten Achse und dem dritten Stützvorsprung
zu dem Abstand zwischen dem dritten Stützvorsprung und der dritten
Geraden ist, wenn das dritte piezoelektrische Element verlängert und
bewegt wird, wobei die Rolle einen Abstand bewegt wird, der gleich
dem Abstand, den das vierte piezoelektrische Element verlängert und
bewegt wird, mal dem Verhältnis
des Abstands zwischen der zweiten Achse und dem vierten Stützvorsprung
zu dem Abstand zwischen dem vierten Stützvorsprung und der vierten
Geraden ist, wenn das vierte piezoelektrische Element verlängert und bewegt
wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch die ausführliche
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
davon anhand der beigefügten
Zeichnung klarer, in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Mikrotischs ist;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des herkömmlichen Mikrotischs aus 1 ist;
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3 eine
Draufsicht eines Mikrotischs, der piezoelektrische Elemente gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nutzt, in einem Zustand ist, in dem eine
obere Abdeckung entfernt ist und ein Flansch einer Rolle mit einer
Strichpunktlinie gekennzeichnet ist;
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4 eine
Querschnittsansicht des Mikrotischs aus 3 ist;
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5 eine
Ansicht zur Erläuterung
der Bedingungen für
die Breite jedes piezoelektrischen Elements des Mikrotischs aus 3 ist;
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6A bis 6F Ansichten
zur Erläuterung
der Bewegung einer Rolle gemäß einer Änderung
der an zwei piezoelektrische Elemente in dem Mikrotisch aus 3 angelegten
Spannung sind; und
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7 eine
Draufsicht eines Mikrotischs ist, der piezoelektrische Elemente
nutzt, deren Bewegung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung durch Hebel verstärkt wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun umfassender anhand der beigefügten Zeichnung
beschrieben, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
gezeigt sind.
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3 ist
eine Draufsicht eines Mikrotischs gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der piezoelektrische Elemente nutzt.
Gemäß 3 enthält der Mikrotisch 1 einen
Körper 10,
eine Rolle 20, ein erstes, ein zweites, ein drittes und
ein viertes piezoelektrisches Element 30, 32, 34 und 36 und
eine obere Abdeckung 40.
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Der
Körper 10 weist
eine vertikal durchlochte Durchgangsbohrung 12 auf, die
durch seinen Mittelabschnitt verläuft. Der Körper 10 kann aus rostfreiem Stahl
hergestellt sein, um ihn in ein Ultrahochvakuum zu laden. Die Durchgangsbohrung 12 weist
einen Durchmesser auf, der groß genug
ist, um zwischen der Durchgangsbohrung 12 und der Rolle 20 einen Raum
derart zu bilden, dass die Rolle 20 entlang der ersten
und der zweiten Achse 91 und 92 bewegt werden
kann.
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4 ist
eine Querschnittsansicht des Mikrotischs aus 3. Wie in 4 gezeigt
ist, ist die Rolle 20 in die Durchgangsbohrung 12 des
Körpers 10 eingeführt. Die
Rolle 20 enthält
einen Spitzenabschnitt 22 mit einer Elektronenemissionsspitze
und einen Flansch 24 mit einem größeren Durchmesser. Der Spitzenabschnitt 22 ist
entlang der Mittelachse der Rolle 20 angeordnet, während der
Flansch 24 in einem oberen Abschnitt der Rolle 20 gebildet
ist.
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Obgleich
der Spitzenabschnitt 22 nicht gezeigt ist, ist er auf eine
geeignete Stelle an einem (nicht gezeigten) Elektronenlinsenmodul
ausgerichtet, das ein elektrostatisches Quelllinsenmodul zum Entnehmen
von Elektronen aus der Emissionsspitze und zum Beschleunigen der
Elektronen, ein Objektivfokuslinsenmodul zum Fokussieren eines Strahls und
ein Einzel- oder Doppelablenkmodul zum Beugen des Strahls umfasst.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die Berührungsflächen zwischen
der Rolle 20 und dem Körper 10 auf
Hochglanz poliert, so dass die Rolle 20 lediglich unter
Verwendung der piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 36,
die an vier Seiten der Rolle 20 angeordnet sind, an einer
gewünschten Stelle
genau angeordnet werden kann.
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Die
Rolle 20 ist vertikal in der Durchgangsbohrung 12 angeordnet.
Da der Spitzenabschnitt 22 entlang der Mittelachse der
Rolle 20 festgestellt ist, wird der Spitzenabschnitt 22 zusammen
mit der Rolle 20 bewegt.
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Die
Rolle 20 ist mit dem Körper 10 gekoppelt, damit
sie entlang der ersten Achse 91, die senkrecht zu der vertikalen
Richtung ist, bewegt werden kann. Da der Durchmesser der Rolle 20,
wie in 4 gezeigt ist, etwas kleiner als der Durchmesser
der Durchgangsbohrung 12 des Körpers 10 ist, ist
zwischen der Außenfläche der
Rolle 20 und der Oberfläche
der Durchgangsbohrung 12 des Körpers 10 der Raum 19 gebildet.
Die Rolle 20 kann in dem Raum 19 entlang der ersten
Achse 91 bewegt werden.
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Der
Flansch 24 der Rolle 20 ist über der Durchgangsbohrung 12 des
Körpers 10 angeordnet und
weist einen Außendurchmesser
auf, der größer als
der Durchmesser der Durchgangsbohrung 12 ist. Der Flansch 24 ist
in 3 durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet.
Der Flansch 24 steht unter einem Druck, der durch eine
Druckeinrichtung 42 erzeugt wird. Dementsprechend kann
eine obere Oberfläche
des Flanschs 24 eine Fläche
haben, die groß genug
ist, um den Druck aufzunehmen. Die Rolle 20 kann allein
durch die piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 36 bewegt
werden.
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Das
erste bis vierte piezoelektrische Element 30, 32, 34 und 36 sind
an dem Körper 10 angeordnet. Jedes
der piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 36 wird
mit einer nicht linearen Hysteresecharakteristik verlängert, während eine
daran angelegte Spannung erhöht
wird. Die Länge
des piezoelektrischen Elements wird bei einer maximalen Spannung
von 100 V um 10 µm
erhöht.
Zum Beispiel wird die Länge des
piezoelektrischen Elements bei einer Spannung von 10 V um 1 µm, bei
einer Spannung von 20 V um 2 µm
und bei einer Spannung von 30 V um 3 µm erhöht. Es ist bekannt, dass diese
piezoelektrischen Elemente auf die Mikrotischtechnologie angewendet werden
und in einer Ultrahochvakuumbedingung verwendet werden.
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Wenn
an das erste piezoelektrische Element 30 eine Spannung
angelegt wird, wird das erste piezoelektrische Element 30 verlängert und
so bewegt, dass es die Rolle 20 in einer Richtung (nach
rechts in 3) entlang der ersten Achse 91 schiebt.
Wenn die an das erste piezoelektrische Element 30 angelegte
Spannung entfernt wird, wird das erste piezoelektrische Element 30 verkürzt und
trennt sich von der Rolle 20. Wenn in der vorliegenden
Ausführungsform
eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente angelegt wird, gelangen
die piezoelektrischen Elemente mit der Rolle 20 in Kontakt,
um die Rolle 20 in eine gewünschte Lage zu schieben, während sich die
piezoelektrischen Elemente von der Rolle 20 trennen, wenn
die an die piezoelektrischen Elemente angelegte Spannung entfernt
wird.
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Somit
beeinflusst ein instabiles Rauschen, das möglicherweise durch die an die
piezoelektrischen Elemente angelegte Spannung erzeugt wird, die
Bewegung der Rolle 20 kaum.
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Außerhalb
des ersten piezoelektrischen Elements 30 ist eine erste
Stellschraube 31 angeordnet, um die Lage des ersten piezoelektrischen
Elements 30 entlang der ersten Achse 91 einzustellen.
Die erste Stellschraube 31 wird verwendet, um die Anfangslage
des ersten piezoelektrischen Elements 30 zu bestimmen.
Das heißt,
die erste Stellschraube 31 wird verwendet, um einen Anfangsabstand
zwischen dem ersten piezoelektrischen Element 30 und der
Rolle 20 einzustellen.
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Das
zweite piezoelektrische Element 32 schiebt die Rolle 20 entlang
der ersten Achse 91 in der entgegengesetzten Richtung (in 3 nach links).
Das zweite piezoelektrische Element 32 und das erste piezoelektrische
Element 30 sind symmetrisch in Bezug auf die Rolle 20.
An einer Seite des zweiten piezoelektrischen Elements 32 ist
eine zweite Stellschraube 33 angeordnet.
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Da
die Operationen des zweiten piezoelektrischen Elements 32 und
der zweiten Stellschraube 33 die gleichen wie die des ersten
piezoelektrischen Elements 30 und der ersten Stellschraube 31 sind,
wird hiervon keine Erläuterung
gegeben.
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Das
dritte und das vierte piezoelektrische Element 34 und 36 bewegen
die Rolle 20 in der vorliegenden Ausführungsform entlang einer zweiten Achse 92,
die senkrecht zu der ersten Achse 91 und zu der vertikalen
Richtung, in der die Rolle 20 angeordnet ist, ist.
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Das
dritte piezoelektrische Element 34 ist an dem Körper 10 angeordnet.
Wenn an das dritte piezoelektrische Element 34 eine Spannung
angelegt wird, wird das dritte piezoelektrische Element 34 verlängert und
bewegt, so dass es die Rolle 20 in einer Richtung (nach
unten in 3) entlang der zweiten Achse 92 schiebt.
Das vierte piezoelektrische Element 36 kann die Rolle 20 in
der anderen Richtung (nach oben in 3) entlang
der zweiten Achse 92
schieben. Wenn die an das dritte und
an das vierte piezoelektrische Element 34 und 36 angelegte
Spannung entfernt wird, werden das dritte und das vierte piezoelektrische
Element 34 und 36 wieder verkürzt, wobei sie sich von der
Rolle 20 trennen. Dementsprechend kann die Rolle 20 in
einer gewünschten
Lage entlang der zweiten Achse 92 angeordnet werden, indem
die an das dritte piezoelektrische Element 34 und an das
vierte piezoelektrische Element 36 angelegten Spannungen
eingestellt werden.
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Außerhalb
des dritten piezoelektrischen Elements 34 und des vierten
piezoelektrischen Elements 36 sind eine dritte Stellschraube 35 bzw.
eine vierte Stellschraube 37 angeordnet.
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Die
Breite einer Oberfläche
sowohl des ersten als auch des zweiten piezoelektrischen Elements 30 und 32,
die der Rolle 20 zugewandt ist, ist nicht kleiner als ein
maximaler Abstand, den die Rolle 20 durch das dritte piezoelektrische
Element 34 oder durch das vierte piezoelektrische Element 36 entlang der
zweiten Achse 92 bewegt werden kann. Die Breite einer Oberfläche sowohl
des dritten als auch des vierten piezoelektrischen Elements 34 und 36,
die der Rolle 20 zugewandt ist, ist nicht kleiner als ein maximaler
Abstand, den die Rolle 20 durch das erste piezoelektrische
Element 30 oder durch das zweite piezoelektrische Element 32 entlang
der ersten Achse 91 bewegt werden kann. Dementsprechend
wird die Bewegung der Rolle 20 entlang der zweiten Achse 92 wegen
des dritten und des vierten piezoelektrischen Elements 34 und 36 nicht
durch die Lage der Rolle 20 entlang der ersten Achse 91 beeinflusst
und wird die Bewegung der Rolle 20 entlang der ersten Achse 91 wegen
des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elements 30 und 32 nicht
durch die Lage der Rolle 20 entlang der zweiten Achse 92 beeinflusst.
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5 ist
eine Ansicht zur Erläuterung
der Bedingungen für
die Breite jedes piezoelektrischen Elements des Mikrotischs aus 3.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die Breite W1 des ersten piezoelektrischen
Elements 30, die der Rolle 20 zugewandt ist, und
die Breite W2 des zweiten piezoelektrischen Elements 32 nicht
kleiner als ein maximaler Abstand 12, den die Rolle 20 durch
das dritte piezoelektrische Element 34 oder durch das vierte
piezoelektrische Element 36 entlang der zweiten Achse 92 bewegt werden
kann. Da der maximale Abstand 12, den die Rolle 20 entlang
der zweiten Achse bewegt werden kann, in der vorliegenden Ausführungsform
auf 10 µm
eingestellt ist, ist jede der Breiten W1 und W2 gleich oder größer 10 µm. Da die
Breite W1 des ersten piezoelektrischen Elements 30 größer als
der maximale Abstand 12 ist, kann das erste piezoelektrische
Element 30, wie in 5 gezeigt
ist, die Rolle 20 an einer bestimmten Lage zwischen den
zwei Kontaktpunkten 302 und 304 berühren, selbst
wenn die Rolle 20 durch das dritte und durch das vierte
piezoelektrische Element 34 und 36 in den maximalen Abstand 12 bewegt
wird. Folglich kann das erste piezoelektrische Element die Rolle 30 unabhängig von der
Lage der Rolle 20 entlang der zweiten Achse 92 in
eine gewünschte
Lage entlang der ersten Achse 91 schieben. Das Gleiche
betrifft die Bewegung der Rolle 20 entlang der zweiten
Achse.
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Die
obere Abdeckung 40 weist eine Durchgangsbohrung 41 auf,
die mit der Durchgangsbohrung 12 des Körpers 10 in Verbindung
steht, wobei die Rolle 20 durch die Durchgangsbohrung 41 der oberen
Abdeckung 40 verläuft.
Die Durchgangsbohrung 41 weist einen ausreichenden Durchmesser auf,
um zwischen der oberen Abdeckung 40 und der Rolle 20 einen
Raum 49 derart zu bilden, dass die Rolle 20 entlang
der ersten und der zweiten Achse 91 und 92 bewegt
werden kann. Die obere Abdeckung 40 ist mit einem oberen
Abschnitt des Körpers 10 gekoppelt.
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Die
obere Abdeckung 40 enthält
die Druckeinrichtung 42, die den Flansch 24 der
Rolle 20 drückt,
um die Bewegung der Rolle 20 zu begrenzen.
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Die
Druckeinrichtung 42 drückt
die Rolle 20 derart, dass die Rolle 20 durch das
erste, zweite, dritte und vierte piezoelektrische Element 30, 32, 34 und 36 entlang
der ersten Achse 91 oder entlang der zweiten Achse 92 geschoben
werden kann. Das heißt,
wenn der in die Rolle 20 eingelassene Spitzenabschnitt 22 ausgerichtet
ist, drückt
die Druckeinrichtung 42 die Rolle 20 derart, dass
die Rolle 20 durch die piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 34,
jedoch nicht durch unerwartete äußere Kräfte wie
etwa jene, die sich aus Schwingungen ergeben, geschoben werden kann.
Zu dieser Zeit sollte die durch die piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 36 erzeugte
Schubkraft höher
als die Gleitreibung zwischen der Rolle 20 und dem Körper 10 sein.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Druckeinrichtung eine unter der oberen Abdeckung 40 angeordnete
Feder 42. Ferner kann mit der Feder 42 eine Druckplatte 44 verwendet
werden. Das heißt, zwischen
der Feder 42 und der Rolle 20 kann die Druckplatte 44 angeordnet
sein, um die Kraft von der Feder 42 gleichmäßig auf
die Rolle 20 zu verteilen.
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Anhand
der 6A bis 6F wird
nun ein Verfahren zum Positionieren der Rolle 20 in einer
gewünschten
Lage entlang der ersten Achse 91 unter Verwendung des ersten
und des zweiten piezoelektrischen Elements 30 und 32 erläutert. Genauer
wird ein Verfahren zum Positionieren der Rolle 20 2 µm links
von der Mitte erläutert.
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Wie
in 6A gezeigt ist, ist die Rolle 20 praktisch
entlang einer Mittelachse angeordnet, wobei sowohl an das erste
piezoelektrische Element 30 als auch an das zweite piezoelektrische
Element 32 50 V angelegt werden. Jedes der piezoelektrischen Elemente 30, 32, 34 und 36 wird
bei einer Spannung von 100 V 10 µm bewegt. Zu dieser Zeit werden
die Lagen des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elements 30 und 32 durch
die erste und durch die zweite Stellschraube 31 und 33 derart
gesteuert, dass zwischen der Rolle 20 und dem ersten und
dem zweiten piezoelektrischen Element 32 und 34 kein Raum
vorhanden ist.
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Anhand
von 6B wird nun die an das erste und an das zweite
piezoelektrische Element 30 und 32 angelegte Spannung
entfernt. Daraufhin wird zwischen der Rolle 20 und sowohl
dem ersten als auch dem zweiten piezoelektrischen Element 30 und 32 ein
Raum von 5 µm
gebildet.
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Obgleich
dies in den 6A bis 6F nicht gezeigt
ist, wird die Rolle 20 durch die Druckplatte 44 und
durch die Feder 42, die die Druckeinrichtung bilden, nach
unten gedrückt,
wodurch zwischen der Rolle 20, der Druckplatte 44 und
dem Körper 10 Reibung
erzeugt wird. Im Ergebnis wird die Rolle 20 allein durch
die piezoelektrischen Elemente 30 und 32 bewegt.
Das heißt,
die durch die piezoelektrischen Elemente 30 und 32 ausgeübte Kraft
zum Schieben der Rolle 20 ist höher als die durch die Berührungsflächen zwischen
der Rolle 20, dem Körper 10 und der
Druckplatte 44 der oberen Abdeckung 40 erzeugte
Reibung.
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Wie
in 6C gezeigt ist, wird an das zweite piezoelektrische
Element 32 eine Spannung von 100 V angelegt. Daraufhin
wird die Rolle 20 5 µm
nach links bewegt.
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Wie
in 6D gezeigt ist, wird daraufhin die an das zweite
piezoelektrische Element 32 angelegte Spannung wieder entfernt.
Daraufhin wird zwischen der Rolle 20 und dem zweiten piezoelektrischen
Element 32 ein Abstand von 10 µm gebildet. Wie in 6E gezeigt
ist, wird an das erste piezoelektrische Element 30 eine
Spannung von 30 V angelegt, um die Rolle 20 3 µm nach
rechts zu schieben. Wie in 6F gezeigt
ist, wird die an das erste piezoelektrische Element 30 angelegte
Spannung entfernt. Im Ergebnis trennt sich die Rolle 20 3 µm von dem ersten
piezoelektrischen Element 30 und 7 µm von dem zweiten piezoelektrischen
Element 32 und befindet sich 2 µm links von der Mittelachse.
Wenn sich die Rolle 20 in der gewünschten Lage befindet, wird
die an das erste und an das zweite piezoelektrische Element 30 und 32 angelegte
Spannung entfernt, wodurch eine Spannungsinstabilität verhindert
wird. Da die Rolle 20 durch die Druckeinrichtung befestigt
ist, wird die Rolle 20 außerdem nicht durch äußere Schwingungen
beeinflusst und kann sich somit stabil in der gewünschten
Lage befinden.
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7 ist
eine Draufsicht eines Mikrotischs 1a, der piezoelektrische
Elemente verwendet, gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Im
Folgenden werden lediglich Unterschiede zwischen der in 7 veranschaulichten
vorliegenden Ausführungsform
und der in den 3 bis 6 veranschaulichten
vorangehenden Ausführungsform
erläutert.
Gleiche Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Konstruktionen und
Operationen haben gleiche Bezugszeichen.
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Um
die Bewegung der piezoelektrischen Elemente in Bezug auf die Rolle
zu verstärken,
werden in dieser in 7 veranschaulichten Ausführungsform
zusätzlich
einfache Hebel und Stützvorsprünge verwendet.
Durch effektive Nutzung des Innenraums des Mikrotischs ist die gesamte
Größe des kleinen Mikrotischs
so wenig wie möglich
vergrößert.
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Wie
in 7 gezeigt ist, ist das erste piezoelektrische
Element 30 entlang einer ersten Geraden 93 parallel
zu der ersten Achse 91 angeordnet. Zwischen der ersten
Achse 91 und der ersten Geraden 93 ist näher zu der
ersten Geraden 93 ein erster Stützvorsprung 50 angeordnet.
Sowohl das erste piezoelektrische Element 30 als auch die
Rolle 20 berühren
einen ersten Hebel 52, der sich um den ersten Stützvorsprung 50 dreht.
Das heißt,
wenn das erste piezoelektrische Element 30 verlängert wird
und sich bewegt, bewegt es ein Ende des ersten Hebels 52, während das
andere Ende des ersten Hebels 52 die Rolle 20 schiebt.
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Wenn
bei dieser Konstruktion das erste piezoelektrische Element 30 verlängert und
bewegt wird, wird die Rolle 20 dadurch, dass sich der erste Hebel 52 um
den ersten Stützvorsprung 50 bewegt, in 7 nach
rechts bewegt. Der Abstand, den die Rolle 20 bewegt wird,
ist hier gleich dem Abstand, den sich das erste piezoelektrische
Element 30 bewegt, mal dem Verhältnis des Abstands zwischen
der ersten Achse 91 und dem ersten Stützvorsprung 50 zu
dem Abstand zwischen dem ersten Stützvorsprung 50 und
der ersten Geraden 93.
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Ein
Punkt F1, wo eine Kraft ausgeübt
wird, und ein Ausübungspunkt
F2 sind in 7 durch Pfeile gekennzeichnet.
Wenn die an das erste piezoelektrische Element 30 angelegte
Spannung entfernt wird, wird das erste piezoelektrische Element 30 wieder
verkürzt,
wobei die durch den ersten Hebel 52 auf die Rolle 20 ausgeübte Kraft
entfernt wird. Außerdem kann
zusätzlich
eine Konstruktion zum Trennen des ersten Hebels 52 von
der Rolle 20 angewendet werden.
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Dieser
Mechanismus wird ebenfalls für
das zweite, dritte und vierte piezoelektrische Element 32, 34 und 36 verwendet.
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Das
heißt,
zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element 32 und der
Rolle 20 sind ein zweiter Stützvorsprung 54 und
ein zweiter Hebel 56 angeordnet, zwischen dem dritten piezoelektrischen
Element 34 und der Rolle 20 sind ein dritter Stützvorsprung 57 und
ein dritter Hebel 58 angeordnet und zwischen dem vierten
piezoelektrischen Element 36 und der Rolle 20 sind
ein vierter Stützvorsprung 59 und
ein vierter Hebel 60 angeordnet. Da der Betrieb und die Wirkung
jedes von diesen die Gleichen wie oben sind, wird keine weitere
Erläuterung
gegeben.
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Der
Mikrotisch, der die piezoelektrischen Elemente nutzt, ist in eine
Ultrahochvakuumkammer eingebaut und kann die Emissionsspitze an
einem Elektronenlinsenmodul, das ein elektrostatisches Quelllinsenmodul
zum Entnehmen von Elektronen aus der Emissionsspitze und zum Beschleunigen
der Elektronen, ein Objektivfokuslinsenmodul zum Fokussieren eines
Strahls und ein Einzel- oder Doppelablenkmodul zum Beugen des Strahls
enthält,
umfasst, genau positionieren.
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Insbesondere,
da die piezoelektrischen Elemente als Aktuatoren angebracht sind
und verwendet werden, treten keine Kopplungseffekte auf, wenn die
piezoelektrischen Elemente entlang der ersten Achse und der zweiten
Achse bewegt werden. Außerdem
kann lediglich unter Verwendung der beweglichen piezoelektrischen
Elemente eine hochstabile Ausrichtung erzielt werden. Da die an
die piezoelektrischen Elemente angelegte Spannung entfernt wird und
die Rolle lediglich durch die obere Abdeckung festgestellt wird,
nachdem die Rolle wie gewünscht positioniert
worden ist, wird die Rolle nicht durch Spannungsänderungen und Schwingungen
beeinflusst. Im Ergebnis kann die Emissionsspitze gemäß der vorliegenden
Erfindung stabil positioniert und festgestellt werden.
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Darüber hinaus
kann die Bewegung der Rolle durch die piezoelektrischen Elemente
verstärkt werden,
falls zusätzlich
Hebel genutzt werden.
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Die
Emissionsspitze kann ohne verschiedene Bedenken und Probleme des
herkömmlichen
Gebiets allein unter Verwendung der beweglichen piezoelektrischen
Elemente ohne Kopplungseffekte stabil ausgerichtet werden. Darüber hinaus
kann die Spitze stabil positioniert und festgestellt werden, ohne
durch Spannungsänderungen
und Schwingungen beeinflusst zu werden. Während die Spannungen an die
piezoelektrischen Elemente angelegt werden, die bewegt werden sollen,
wird eine Spannungsversorgung zu anderen piezoelektrischen Elementen abgeschaltet,
wodurch die sich bewegenden piezoelektrischen Elemente nicht unterbrochen
werden.
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Da
die Breite der Berührungsflächen zwischen
der Rolle und den piezoelektrischen Elementen ausreichend groß ist, kann
die Bewegung entlang einer der Achsen unabhängig von der Lage der Rolle entlang
der anderen Achse sichergestellt werden, wodurch Probleme einer
nicht linearen Bewegung wegen Kopplungseffekten verhindert werden.
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Dementsprechend
ist der Mikrotisch der vorliegenden Erfindung für die weltweit verwendeten
miniaturisierten Mikrosäulen-Elektronenstrahlvorrichtungen
geeignet.
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Obgleich
die Rolle 20 in den oben erwähnten Ausführungsformen entlang der ersten
Achse und entlang der zweiten Achse bewegt werden kann, ist die
vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, wobei die Rolle 20 entlang
nur einer der ersten und der zweiten Achse bewegt werden können kann.
Das heißt,
die Rolle 20 kann entlang einer Geraden auf einer einzelnen
Achse und nicht in einer Ebene mit zwei Achsen bewegt werden. In
diesem Fall werden das dritte und das vierte piezoelektrisch Element nicht
genutzt.
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Obgleich
als die Druckeinrichtung in den hier beschriebenen Ausführungsformen
die Feder verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht
beschränkt,
wobei irgendeine Druckeinrichtung verwendet werden kann, falls sie
die Bewegung der Rolle 20 derart einschränken kann,
dass die Rolle 20 allein durch die piezoelektrischen Elemente
bewegt werden kann.
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Obgleich
in den oben erwähnten
Ausführungsformen
die zweidimensionale Bewegung der Rolle 20 begrenzt ist,
kann eine ähnliche
Struktur verwendet werden, um die vertikale Bewegung der Rolle zu
begrenzen.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann der Mikrotisch, der die piezoelektrischen
Elemente der vorliegenden Erfindung nutzt, die Emissionsspitze durch Bewegen
der piezoelektrischen Elemente genau und stabil ausrichten.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung insbesondere anhand beispielhafter Ausführungsformen davon
gezeigt und beschrieben wurde, versteht der Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet, dass daran in Bezug auf die Form und die Einzelheiten
verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können, ohne
von dem wie durch die folgenden Ansprüche definierten Erfindungsgedanken
und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
