DE10249534B4

DE10249534B4 - Vorrichtung zur Höhenverstellung

Info

Publication number: DE10249534B4
Application number: DE2002149534
Authority: DE
Inventors: Karsten Urban; Joachim Dr. Wienecke
Original assignee: Leica Microsystems Jena GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: DE10249534A1

Abstract

Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Objekttisches für optische Untersuchungen,
– mit einem Krafterzeugungsmittel zur vertikalen Bewegung einer Tischplatte (1) relativ zu einem Gehäuse (2) und einer Einrichtung zur Steuerung der Krafterzeugungsmittel,
– wobei die Krafterzeugungsmittel die Tischplatte (1) bewegende Kräfte horizontal gerichtet erzeugt, und Mittel vorgesehen sind, die diese horizontal gerichteten Kräfte in eine vertikal gerichtete Kraft umsetzen und auf die Tischplatte (1) übertragen,
dadurch gekennzeichnet,
– dass als Mittel zur Umsetzung der horizontal gerichteten Kräfte in vertikal gerichtete Kräfte mindestens ein lineares durchgebogenes Biegeelement (7) vorgesehen ist, das mit seinen beiden Enden eingespannt ist und in Vertikalrichtung einen Scheitelpunkt aufweist;
– dass die Tischplatte (1) mit dem Biegeelement (7) in einem Bereich um den Scheitelpunkt verbunden ist, und
– dass wenigstens ein eingespanntes Ende des Biegeelements (7) beweglich mit dem Krafterzeugungsmittel gekoppelt ist, wobei der Grad der Durchbiegung die Höhe der Tischplatte (1)...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Objekttisches für optische Untersuchungen, mit einem Krafterzeugungsmittel zur vertikalen Bewegung einer Tischplatte relativ zu einem Gehäuse und einer Einrichtung zur Steuerung der Krafterzeugungsmittel, wobei die Krafterzeugungsmittel die Tischplatte bewegende Kräfte horizontal gerichtet erzeugt, und Mittel vorgesehen sind, die diese horizontal gerichteten Kräfte in eine vertikal gerichtete Kraft umsetzen und auf die Tischplatte übertragen.
Vorrichtungen zur Höhenverstellung bei Geräten, die der optischen Untersuchung von auf einem Träger oder einer Tischplatte fixierten Objekten dienen, sind seit der Erfindung des Mikroskops bekannt und erfolgen im einfachsten Fall beispielsweise mit Hilfe eines Handrades über ein Getriebe, wobei bei Drehung des Handrades die Höhe der Tischplatte verstellt wird.
Solch einfache Mechanismen erfüllen jedoch nicht die Ansprüche, die bei der kommerziellen Untersuchung von Objekten – beispielsweise bei der Untersuchung von Halbleiterwafern – gestellt werden. Hier kommt es auf einen hohen Durchsatz an Objekten bei hoher Genauigkeit an. Dazu ist unter anderem eine schnelle und genaue Höhenverstellung der Tischplatte nötig, damit einerseits schnell fokussiert werden kann und andererseits auch die Objekte auf der Tischplatte schnell gewechselt werden können.

Üblicherweise wird eine Höhenverstellung erreicht, indem horizontal wirkende Kräfte in eine vertikale Bewegung der Tischplatte umgesetzt werden. So wird in der Schrift US 4,688,908 ein Mikroskop mit einer solchen Vorrichtung zur Höhenverstellung offenbart. Mit dem dort offenbarten Mechanismus läßt sich jedoch die Tischplatte nicht schnell und dabei gleichzeitig genau verstellen, da keine Hebelwirkung vorhanden ist bzw. die Kraft nicht übersetzt wird.

In der Schrift US 5,323,712 (auch DE 38 29 022 C2 ) werden zur Umsetzung der horizontalen Kräfte in eine vertikale Bewegung Kipphebel in zwei Varianten alternativ eingesetzt, die entweder eine Untersetzung oder eine Übersetzung erzeugen. Bei einer Übersetzung kann die Tischplatte relativ schnell in einem relativ großen Bereich bewegt werden. Die Verstellung erfolgt dabei jedoch ungenau und erlaubt keine schnelle und genaue Fokussierung. Eine genaue Fokussierung kann nur im Falle der Untersetzung erreicht werden. In diesem Fall erfolgt die Höhenverstellung jedoch nur langsam.

Die Druckschrift DE 94 12 112 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Objekttisches mit wählbarem Untersetzungsverhältnis.

In der Druckschrift JP 09318883 A ist eine Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Objekttisches mit Piezoantrieb offenbart.

Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß bei der Umsetzung der horizontalen Kräfte in eine vertikale Bewegung ein horizontaler Versatz bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen nicht zu vermeiden ist. Dieser Versatz kann bis zu 400 nm betragen, was beispielsweise bei Objekten mit unregelmäßig geformten Oberflächen schon zur Defokussierung führen kann und den Untersuchungsprozeß erheblich verlängert. Auch visuell macht sich der Versatz durch ein unangenehmes Zittern des Bildes bei der Höhenverstellung bemerkbar.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Höhenverstellung zu entwickeln, die eine schnelle und dabei genaue Verstellung der Höhe erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass als Mittel zur Umsetzung der horizontal gerichteten Kräfte in vertikal gerichtete Kräfte mindestens ein lineares durchgebogenes Biegeelement vorgesehen ist, das mit seinen beiden Enden eingespannt ist und in Vertikalrichtung einen Scheitelpunkt aufweist, dass die Tischplatte mit dem Biegeelement in einem Bereich um den Scheitelpunkt verbunden ist, und dass wenigstens ein eingespanntes Ende des Biegeelements beweglich mit dem Krafterzeugungsmittel gekoppelt ist, wobei der Grad der Durchbiegung die Höhe der Tischplatte festlegt.

Durch die Kopplung der Krafterzeugungsmittel mit einem Biegeelement, welches in der Ruheposition – in der also keine Kraft in horizontaler Richtung wirkt – schon leicht durchgebogen ist, kann ein großer Hub erreicht werden: Wenn die Krafterzeugungsmittel in horizontaler Richtung Kraft auf das Biegeelement ausüben, wird dieses zusammen- oder auseinandergedrückt und dabei verändert sich die vertikale Lage des Scheitelpunkts der Durchbiegung und damit auch die Höhe der Tischplatte. Mit dieser Konstruktion sind problemlos Übersetzungen von einem Verhältnis von beispielsweise 1:7 möglich. Selbstverständlich können auch andere Übersetzungen gewählt werden, sofern die Arbeitsbedingungen dies erforderlich machen, zum Beispiel indem die Anfangsdurchbiegung in der Ruhelage variiert wird. Als Biegeelement kann beispielsweise eine Blattfeder aus Edelstahl mit einer Zugfestigkeit von ca. 1500 N/mm² verwendet werden. Die Tischplatte kann auf diese Weise schnell in der Höhe verstellt werden.

Bevorzugt werden als Krafterzeugungsmittel Piezoantriebe vorgesehen. Bei einem Biegeelement ist mindestens ein Piezoantrieb notwendig. Verwendet man einen Piezoantrieb, so läßt sich die Kraft über die Spannungsregelung sehr genau und fein dosieren. In Abhängigkeit von der angelegten Spannung kann man die Höhenverstellung der Tischplatte als Kennlinie abspeichern und so im Betrieb eine nicht nur schnelle, sondern auch genaue Höhenverstellung und Fokussierung erreichen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zur Kraftübertragung vom Piezoantrieb zum Biegeelement zusätzlich ein Hebel vorgesehen. Auf diese Weise wird der Bereich für die Höhenverstellung der Tischplatte weiter vergrößert und zusätzlich auch ein höherer Hub, d.h. eine Hebung und Senkung der Tischplatte mit höherer Geschwindigkeit erreicht. Vorzugsweise schließt das mit dem Krafterzeugungsmittel gekoppelte Ende des Biegeelements mit dem Hebelarm des Hebels im wesentlichen einen rechten Winkel ein, was eine günstige Kraftübertragung ermöglicht. Das Biegeelement kann dazu bei spielsweise direkt am Hebel eingespannt sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Übersetzung des Hebels im wesentlichen 1:3. Auf diese Weise kann die Leistungsfähigkeit des Piezoantriebs maximal ausgenutzt werden, in der Kombination beispielsweise mit der Übersetzung von 1:7 aus der Durchbiegung alleine erhält man eine Übersetzung von etwa 1:21.

Ein Piezoantrieb kann dabei aus einem oder mehreren Piezoelementen bestehen. Letztere ermöglichen vorteilhaft einen größeren einstellbaren Höhenbereich und erlauben auch die Untersuchung schwererer Objekte. Dabei können die Piezoelemente in Reihe oder parallel angeordnet sein, auch Kombinationen beider Anordnungsmöglichkeiten sind denkbar.

Wird ein Biegeelement durch das Krafterzeugungsmittel zusammengedrückt, so verschiebt sich der Scheitelpunkt der Durchbiegung in horizontaler Richtung, wenn auch nur geringfügig. In einer bevorzugten Ausgestaltung, sind daher zur Verbindung der Tischplatte mit dem Biegeelement ein oder mehrere Ausgleichselemente vorgesehen, durch die ein horizontaler Versatz des Scheitelpunkts der Durchbiegung relativ zur Tischplatte ausgleichbar ist. Die Ausgleichselemente sind vorzugsweise als Gelenke ausgestaltet, wobei insbesondere Kippgelenke in Betracht kommen. Dabei kann auch die Tischplatte direkt in die Ausgestaltung mit einbezogen werden und einen Teil der Gelenkfunktion übernehmen. Denkbar sind aber auch andere Arten von Ausgleichselementen ohne Gelenke, beispielsweise ein einfacher Gleitstein.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindungsgerade zwischen den beiden eingespannten Enden des Biegeelements parallel zur horizontal gerichteten Kraft des Piezoantriebs. Auf diese Weise wird die vom Piezoantrieb erzeugte horizontale Kraft optimal ausgenutzt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind zur Unterdrückung des horizontalen Versatzes Tischplatte und Gehäuse über mindestens ein elastisches Führungselement zur Geradführung verbunden. In Verbindung mit den Ausgleichselementen läßt sich auf diese Weise der horizontale Versatz der Tischplatte stark verringern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante ist das elastische Führungselement als ringförmige Membran ausgebildet, die mit ihrem inneren Umfang an der Unterseite der Tischplatte und mit ihrem äußeren Umfang am Gehäuse fixiert ist. In einer technisch äquivalenten Ausführung kann sie aber auch mit ihrem inneren Umfang am Gehäuse und mit ihrem äußeren Umfang an der Tischplatte fixiert sein. Als Material für eine solche elastische Membran eignet sich beispielsweise Federstahl. Dabei können sowohl an den Rändern als auch in der Membran Aussparungen vorhanden sein, die beispielsweise durch die Konstruktion bedingt sein können oder auch der Minimierung von Zug- und Spannungskräften dienen können. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elastischen Führungselemente jeweils paarweise in Form einer Parallelführung angeordnet, beispielsweise ober- und unterhalb des Biegeelements. Auf diese Weise läßt sich der horizontale Versatz bis auf weniger als 20 nm reduzieren, während bei herkömmlichen Anordnungen üblicherweise mit Versetzungen von etwa 300 nm bis 400 nm zu rechnen ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zur Unterstützung der Vertikalbewegung mindestens eine Feder mit vertikaler Wirkung der Federkraft vorgesehen, die mit ihrem einen Ende mit der Unterseite der Tischplatte und mit ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse verbunden ist. Dies kann beispielsweise eine Spiralfeder sein, die über eines der Ausgleichselemente mit der Unterseite der Tischplatte verbunden ist. Die Feder sitzt in diesem Fall unter dem Biegeelement. Auch zwei Spiralfedern, die jeweils rechts und links vom Biegeelement entlang seiner Längsachse in der Nähe des Scheitelpunkts der Durchbiegung angeordnet sind und nicht über das Ausgleichselement, sondern direkt mit der Tischplatte verbunden sind, bilden eine mögliche Ausgestaltung. Die Federkraft ist im wesentlichen vertikal gerichtet und beeinflußt daher nicht die elastischen Führungselemente in ihrer Wirkung. Durch die Federn können die Masse des Tisches und eventuell darauf befindlicher Objekte kompensiert werden, je nach Schwere der zu untersuchenden Objekte können diese Federn auch ausgewechselt werden.

Im Allgemeinen und bei üblichen Bedingungen reicht die Verwendung eines Biegeelements, das mit einem Piezoantrieb gekoppelt ist, aus. Insbesondere bei der Untersuchung schwerer Objekte ist jedoch eine Vorrichtung vorteilhaft, bei der zwei Piezoantriebe zur Erzeugung einander entgegengerichteter Kräfte und ein Biegeelement vorgesehen sind. Bei korrekter Ansteuerung bleibt der Scheitelpunkt der Durchbiegung so immer in der gleichen Position, der horizontaler Versatz ist dann auch ohne korrigierende Geradführung sehr gering. Auch kann eine Anordnung von mehreren Biegeelementen, zum Beispiel kreuzweise oder parallel, vorteilhaft sein.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung, 1, ist der Querschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
In 1 ist eine Tischplatte 1 in einem Gehäuse 2 in Ruheposition gelagert. Sie liegt im Beispiel in der einfachsten Ausführung auf Vorstehungen im Gehäuse auf. Links ist ein Piezoantrieb 3 zu sehen, der in horizontaler Richtung Kraft auf einen Hebel 4 ausübt, der an einem Drehpunkt 5 fixiert ist. Piezoantrieb 3 und Hebel 4 sind über ein Kugelgelenk 6 miteinander gekoppelt. Am Hebel 4 und am Gehäuse 2 ist ein Biegeelement 7 eingespannt. Wird an den Piezoantrieb 3 eine Spannung angelegt, so wird das Biegeelement 7 über den Hebel 4 zusammengedrückt und die Durchbiegung nach oben erhöht.
Das Biegeelement 7 kann zur Versteifung seiner Flanken mit Umhüllungen 8 versehen sein, die ebenfalls aus Stahl sein können und beispielsweise mit dem Biegeelement 7 durch Schrauben verbunden sein können. Zur Verbindung der Tischplatte 1 mit dem Biegeelement 7 sind zwei Ausgleichselemente 9 und 10 vorgesehen, die zusammen mit der Tischplatte 1 ein Kippgelenk bilden. Das Ausgleichselement 9 dient gleichzeitig auch der Versteifung des Biegeelements 7 in der Mitte. Auf der Oberseite des Ausgleichselements 9 ist eine Vertiefung ausgespart, in der das Ausgleichselement 10, welches die Form eine Stiftes hat, beweglich lagert. Der leichte horizontale Versatz des Scheitelpunkts der Durchbiegung des Biegeelements 7 bei erhöhter Durch biegung – wodurch das Ausgleichselement 9 relativ zur Tischplatte 1 verschoben wird – kann auf diese Weise ausgeglichen werden Zur Geradführung und Unterdrückung horizontalen Versatzes sind Führungselemente 11 in Form elastischer Membranen vorgesehen. Im in 1 gezeigten Querschnitt sind zwei ringförmige Führungselemente 11 jeweils ober- und unterhalb des Biegeelements 7 angebracht. Sie sind mit ihrem inneren Umfang mit der Tischplatte 1 verbunden, und mit ihrem äußeren Umfang mit dem Gehäuse 2 verbunden. Dabei sind sie leicht vorgespannt. Durch diese spezielle Anordnung kann ein horizontaler Versatz der Tischplatte 1 nahezu vollständig unterdrückt werden. Die Führungselemente 11 können auch in Streifenform ausgestaltet sein. Prinzipiell möglich ist auch die Verwendung von vertikal ausgerichteten, an der Tischplatte 1 angebrachten Zylindern mit passenden, am Gehäuse 2 angebrachten Buchsen, wobei diese Ausführung aber nicht die Genauigkeit der Variante mit ringförmigen Membranen erreicht.
Zur Unterstützung der Vertikalbewegung kann weiterhin eine Feder 12 vorgesehen sein, die im Beispiel als Schraubenfeder ausgeführt ist. Diese ist mit ihrem einen Ende über das Ausgleichselement 9 mit der Unterseite der Tischplatte 1 verbunden und mit ihrem anderen Ende am Gehäuse 2 befestigt.

1: Tischplatte
2: Gehäuse
3: Piezoantrieb
4: Hebel
5: Drehpunkt
6: Kugelgelenk
7: Biegeelement
8: Umhüllung
9: Ausgleichselement
10: Ausgleichselement
11: Führungselement
12: Feder

Claims

Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Objekttisches für optische Untersuchungen, – mit einem Krafterzeugungsmittel zur vertikalen Bewegung einer Tischplatte (1) relativ zu einem Gehäuse (2) und einer Einrichtung zur Steuerung der Krafterzeugungsmittel, – wobei die Krafterzeugungsmittel die Tischplatte (1) bewegende Kräfte horizontal gerichtet erzeugt, und Mittel vorgesehen sind, die diese horizontal gerichteten Kräfte in eine vertikal gerichtete Kraft umsetzen und auf die Tischplatte (1) übertragen, dadurch gekennzeichnet, – dass als Mittel zur Umsetzung der horizontal gerichteten Kräfte in vertikal gerichtete Kräfte mindestens ein lineares durchgebogenes Biegeelement (7) vorgesehen ist, das mit seinen beiden Enden eingespannt ist und in Vertikalrichtung einen Scheitelpunkt aufweist; – dass die Tischplatte (1) mit dem Biegeelement (7) in einem Bereich um den Scheitelpunkt verbunden ist, und – dass wenigstens ein eingespanntes Ende des Biegeelements (7) beweglich mit dem Krafterzeugungsmittel gekoppelt ist, wobei der Grad der Durchbiegung die Höhe der Tischplatte (1) festlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung vom Krafterzeugungsmittel auf das Biegeelement (7) über einen einseitig drehbar eingespannten Hebel (4) erfolgt, dessen Hebelarm mit dem kraftbeaufschlagten Ende des Biegeelements (7) einen im wesentlichen rechten Winkel einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Hebels (4) im wesentlichen 1:3 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Krafterzeugungsmittel mindestens ein Piezoantrieb (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoantrieb (3) aus mehreren Piezoelementen zusammengesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges Biegeelement (7) und zwei, einander entgegengerichtete Kräfte erzeugende und an den beiden Enden des Biegeelements (7) angreifende Piezoantriebe (3) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Biegeelements (7) auf gleicher Höhe liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Tischplatte (1) mit dem Biegeelement (7) ein oder mehrere Ausgleichselemente (9, 10) vorgesehen sind, durch die ein horizontaler Versatz des Scheitelpunkts der Durchbiegung relativ zur Tischplatte (1) ausgleichbar ist, wobei die Ausgleichselemente (9, 10) als Gelenke ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines horizontalen Versatzes zwischen Tischplatte (1) und Gehäuse (2) die Tischplatte (1) mit dem Gehäuse (2) über mindestens eine Geradführung mit elastischen Führungselementen (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Führungselemente (11) als ringförmige Membranen ausgebildet sind, die mit ihrem inneren Umfang an der Unterseite der Tischplatte (1) und mit ihrem äußeren Umfang am Gehäuse (2) fixiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Vertikalbewegung mindestens eine Feder (12) mit vertikaler Wirkung der Federkraft vorgesehen ist, die mit ihrem einen Ende mit der Unterseite der Tischplatte (1) und mit ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.