DE3614996C1 - Elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung zur Verschiebung eines Objektes in sehr kleinen Schrittlängen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (EP-PS 00 71 666).

In der physikalischen Meß- und Untersuchungstechnik gewinnen zunehmend Meßverfahren an Bedeutung, bei denen mit einer geeigneten Sonde entweder sehr kleine Strukturen auf einer Substratoberfläche abgetastet werden müssen oder die Oberfläche aus einem sehr kleinen Abstand zur Sonde angetastet werden muß. Um die Sonde gezielt in die Nähe der Substratoberfläche bringen zu können, wird eine Mikropositionier­ einrichtung benötigt. Die besondere Schwierigkeit liegt darin begründet, daß der einzelne Meß- oder Positionierschritt für die Relativbewegung zwischen Substratoberfläche und Sonde im Nanometerbereich, der Gesamtstellweg aber im Bereich von einigen Millimetern liegen soll. Die Antriebsvorrichtung soll dabei insbesondere auch für den Einsatz in Kammern mit verän­ derlichen Druckbedingungen, z. B. Hochvakuum, und bei extrem niedrigen Temperaturen geeignet sein, die bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes reichen können.

Der aus der EP-PS 00 71 666 bekannte elektrisch bewegbare Träger wurde insbesondere für die Raster-Tunnel-Mikroskopie entwickelt. Er besteht aus einer piezoelektrischen Platte und einer Mehrzahl von Beinen, welche die Platte über einer Bankoberfläche tragen. Die Beine sind mit der Platte beweglich, aber ortsfest verbunden und können durch elektrostatische Kräfte gegenüber der Bankoberfläche fixiert werden. Die piezo­ elektrische Platte ist an ihrer Ober- und Unterseite mit einer Elektrode belegt. Beim Anlegen einer Spannung an diese Elektrode ändert sich die Dicke der Platte durch elektrostriktive Kräfte, womit auch eine Durchmesseränderung der Platte verbunden ist. Da die Beine ortsfest mit der Platte verbunden sind, werden die Beine entsprechend der Durchmesseränderung verschoben. Die Verschiebung erfolgt relativ zu den jeweils auf der Bankober­ fläche fixierten Beinen.

Die Beine sind im nicht fixierten Zustand unter dem Einfluß der Schwerkraft durch Haftreibung mit der Bankoberfläche verbunden. Durch Deformation der piezoelektrischen Platte müssen daher zunächst diese Kräfte überwunden werden, bevor die Beine in die gleitende Vorschubbewegung gelangen. Der Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung erfolgt sprunghaft und führt grundsätzlich zu einer in der Anfangsphase unkon­ trolliert sprunghaften Vorschubbewegung, die im Annäherungs­ bereich der relativ zueinander zu positionierenden Teile an diesen Beschädigungen erzeugen können.

Der Träger ist sowohl linear als auch rotierend verschiebbar. Die mit der Fixierbarkeit der einzelnen Beine verbundene genaue Positionierbarkeit des Trägers ist mit einer relativ aufwendigen mechanischen Konstruktion des Trägers und einer Vielzahl von elektrischen Steuerungselementen verbunden. Der Träger ist damit anfälliger für Beschädigungen und die Vielzahl elektrischer Zuleitungen ist mit einer Wärmeabgabe verbunden, die beim Einsatz im Tieftemperaturbereich nicht vernachlässigbar ist.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs­ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen sehr einfachen Aufbau besitzt, zum Betrieb relativ niedrige Spannungen benötigt, mit möglichst wenigen Zuleitungen auskommt, eine sehr flache Bauweise ermöglicht, in ihrer Gestaltung an unterschiedliche Aufgaben angepaßt werden kann, die mechanisch und elektrisch sehr zuverlässig ist und auch eine langsame, kontinuierliche Annäherung zwischen Sonde und Prüfkörper erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.

Aus der DE-OS 30 06 973 ist eine elektrisch steuerbare Antriebs­ vorrichtung zur Verschiebung eines stabförmigen Objekts bekannt, wobei die Antriebsvorrichtung ein piezoelektrisches Rohr mit ganz­ flächiger Innenelektrode und segmentierter Außenelektrode ist und an die Segmente der Außenelektrode zeitlich abgestimmte Gleich­ spannungspotentiale gelegt werden. Ferner ist es durch die DE- PS 34 12 014 bekannt, piezoelektrische Scheiben mit ganzflächiger Elektrodenbeschichtung auf der einen Seite und gleichflächigen Elektrodensegmenten auf der anderen als Antriebsvorrichtung für Kippbewegungen einzusetzen.

Als zu verschiebendes Objekt kann sowohl ein die Substratober­ fläche tragender Körper als auch die Sonde vorgesehen sein. Das Objekt ist mit der Oberfläche der piezoelektrischen Platte bzw. Scheibe durch die Haftreibung verbunden. Die Oberfläche der Schiebe läßt sich durch geeignete Änderung der an den Elektroden liegenden Spannungen bewegen. Bei langsamer Änderung der Spannung folgt das Objekt aufgrund seiner Haftreibung der Bewegung der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe.

Die Spannungsänderung kann jedoch auch so schnell erfolgen, daß die damit verknüpfte Beschleunigung der Masseteile in der Oberfläche ein Vielfaches der Erdbeschleunigung erreicht. Die Trägheitskraft des aufliegenden Objektes wird so groß, daß sie die Haftreibungskraft zwischen der Auflagefläche auf der piezoelektrischen Scheibe und dem Objekt überschreitet. In diesem Fall bewegt sich die Oberfläche relativ zum Objekt, ohne dieses mitzunehmen.

Der Grundgedanke des somit beschriebenen Antriebsmecha­ nismus besteht darin, durch zwei in bezug auf Kontraktion und Dilatation einander gegengerichteter Teilflächen der piezo­ elektrischen Platte eine gerichtete Bewegung in deren Oberfläche zu erzeugen. Bei einer Aufteilung in zwei Halbkreisflächen bei einer Scheibe als piezoelektrischer Platte erfolgt die Bewegung senkrecht zu der Trennungslinie der Halbkreisflächen.

Die Größe des Verstellweges hängt von der Differenz der an den beiden Teilflächen liegenden Spannung ab. Wählt man die Spannungen so, daß ihre Summe zu jedem Zeitpunkt konstant ist, dann heben sich die mit der Kontraktion und Dilatation verbundenen Längenänderungen im Durchmesser der piezoelektri­ schen Scheibe auf. Da der Rand der Scheibe in einem Rahmen festgehalten wird, bewegt sich nur die Mitte linear in Abhängig­ keit von der Differenz der Potentiale an den Elektrodenflächen.

Die an die piezoelektrische Scheibe legbare Spannung kann über einen sehr großen Bereich variiert werden. Damit kann auch die Schrittlänge der Objekverschiebung über einen weiten Bereich frei gewählt werden. Der maximale Verstellweg hängt von dem Durchmesser der piezoelektrischen Scheibe ab und kann daher ebenfalls einfach an die jeweilige Meßaufgabe angepaßt werden.

Durch Wiederholung des einzelnen Verschiebevorgangs kann das Objekt schrittweise über einen vorgegebenen Weg oder in eine vorgegebene Position geführt werden.

Zur Richtungssteuerung muß die eine Seite der piezoelektri­ schen Scheibe in mehr als zwei Elektrodensegmente aufgeteilt werden. Durch geeignete Kontraktion und Dilatation nebeneinander- oder einander gegenüberliegender Teilflächen kann der Vektor für die Bewegung der Oberfläche der piezoelektrischen Scheibe eingestellt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß jeweils die Summe der Potentiale an zwei mit unterschiedlichen Poten­ tialen belegten Elektrodensegmenten zumindest nahezu konstant ist, so daß die Längenänderung der piezoelektrischen Scheibe in Richtung des jeweiligen Bewegungsvektors kompensiert wird. Die neue Antriebsvorrichtung besitzt keine mechanisch bewegten Teile. Sie benötigt nur soviel elektrische Zuleitungen wie Elektroden vorhanden sind.

Die für den Verschiebemechanismus der Antriebsvorrichtung verantwortliche Massenverschiebung in der Oberfläche der piezo­ elektrischen Scheibe tritt sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Scheibe auf, wie nachfolgend noch anhand der Figuren erläutert wird. Als Auflagefläche für das zu verschie­ bende Objekt können daher prinzipiell beide Seiten verwendet werden. Da die ganzflächig als Elektrode ausgebildete Seite auf Massepotential liegt, treten keinerlei Probleme hinsichtlich der elektrischen Isolation auf, wenn ein elektrisch leitendes Objekt aufgelegt wird. Allerdings sind dann die spannungsführen­ den Elektroden einer Grundplatte näher, auf der die gesamte Antriebsvorrichtung ruht, so daß gegenüber dieser evtl. zusätzliche isolierende Abstandshalter anzubringen sind.

Wählt man die Seite mit den spannungsführenden Elektroden als Auflagefläche, so kann durch geeignete Beschichtung dieser Fläche dafür gesorgt werden, daß bei Auflage des Objekts kein Kurzschluß zwischen den Elektroden entsteht.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvor­ richtung wird nachfolgend anhand der schematischen Darstellung in den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der Antriebsvorrichtung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Antriebsvorrichtung,

Fig. 3 den Verlauf der Steuerspannungen und

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Deformation der Ober­ fläche der piezoelektrischen Scheibe.

Die in Fig. 1 gezeigte Schnittdarstellung der Antriebsvorrichtung macht die Einfachheit des Aufbaus deutlich. Eine piezoelektrische Scheibe 10 ist in einen Rahmen 11 eingespannt. Die Scheibe ist mit einer unteren Elektrode 12 belegt, die auf Massepotential liegt. Auf der Oberseite der Scheibe sind zwei voneinander getrennte Elektroden 13 und 14 aufgebracht, an die jeweils eine Spannung U _a und U _b gelegt werden kann.

Der Rahmen 11 ruht auf einer Grundplatte 15 , wobei die piezo­ elektrische Scheibe 10 zusätzlich durch einen Abstandshalter 16 abgestützt wird. Der Abstandshalter 16 hat primär eine Sicher­ heitsfunktion, für den Fall, daß sich die Scheibe 10 aus dem Rahmen 11 löst. Er stellt außerdem sicher, daß sich auch die Oberfläche der Unterseite der Scheibe 10 ungehindert bewegen kann. Darüber hinaus kann dadurch auch der Massekontakt hergestellt werden.

Auf die oberen Elektroden 13, 14 ist das zu verschiebende Ob­ jekt 17 aufgelegt, das an seiner unteren Seite mit einem elektrisch isolierenden Plättchen 18 verbunden ist. Es ist jedoch auch möglich, auf die Elektroden eine elektrisch isolierende Beschich­ tung aufzubringen, die einen Kurzschluß der an den Elektroden liegenden Spannungen durch das aufgelegte Objekt 17 verhindert. Für Testzwecke wurden als Objekte verschiedene Messingzylinder mit einer Masse von 50 bis 300 Gramm ausgewählt. Als isolierendes Plättchen 18 wurde eine 1,5 mm dicke, grob gereinigte Glas­ scheibe von 45 mm Durchmesser verwendet, die mit den Messing­ zylindern verklebt wurde. Die aufeinander gleitenden Flächen sind also die Unterseite der Glasscheibe und die Oberseite der Elektroden.

Die piezoelektrische Scheibe 10 hatte einen Durchmesser von etwa 100 mm und eine Dicke von 3 mm. Piezoelektrische Keramik­ materialien sind besonders geeignet und werden z. B. unter der Bezeichnung Vibrit (Fa. Siemens) oder PXE 5 (Fa. Valvo) angeboten. Als Elektrodenmaterial wurde Gold gewählt. Mit Hilfe der Grundplatte 15 wurde der Aufbau so justiert, daß die Oberfläche der Scheibe 10 waagrecht liegt. Der Rahmen 11 wurde z. B. aus Aluminium gefertigt.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf die Antriebsvorrichtung. In diesem Fall wurden auf die kreisförmige piezoelektrische Schei­ be 10 vier Elektroden 13, 13′, 14, 14′ aufgebracht. Durch entsprechen­ de Ansteuerung der Elektroden kann z. B. erreicht werden, daß das hier nicht gezeigte Objekt schrittweise senkrecht zu den Trennungsstegen zwischen den Elektrodensegmenten verscho­ ben wird, so daß eine zweidimensionale Verschiebung des Objekts möglich ist. Der Rahmen 11 besteht aus zwei rechtwinkligen Schenkeln, die über Schrauben 19 miteinander verspannt werden. Die Schenkel erzeugen eine Punktanlage der piezoelektrischen Scheibe 10. Diese Einspannung hat sich für eine zweidimensionale Objektverschiebung als besonders vorteilhaft erwiesen.

Fig. 3 zeigt einen besonders geeigneten zeitlichen Verlauf der beiden Steuerspannungen U _a und U _b in Form eines Sägezahns. Die Summe der Spannungen U _a(t) und U _b(t) ist bei diesem Spannungsverlauf konstant. Für die flache Flanke der Spannungen wurde z. B. eine Anstiegszeit von 50 ms gewählt, während die steile Flanke eine Anstiegszeit von 50 µs hatte. Die Amplitude der Spannungen war zwischen 0 und 1000 V regelbar. Der zu­ einander gegenläufige Spannungsverlauf bewirkt auch, daß die Kontraktion und Dilatation in den durch die Elektroden 13, 14 abgedeckten Teilbereichen der piezoelektrischen Scheibe 10 zueinander gegenläufig sind.

Der zeitliche Verlauf der Deformation der Oberfläche der Scheibe 10 ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Zur Zeit t _a ist die an der Elektrode 13 anliegende Spannung U _a maximal, d. h. die Dicke der Scheibe 10 ist in diesem Bereich gedehnt. Zur gleichen Zeit ist die an der Elektrode 14 anliegende Spannung U _b minimal, so daß dieser Bereich gestaucht ist. Die unterschiedliche Dickenän­ derung in den Teilbereichen der Scheibe 10 führt zu einer Massenverschiebung. Ein durch den Pfeil in Fig. 4 indizierter Punkt auf der Oberfläche der Scheibe 10 an der Grenze zwischen den beiden Elektroden 13, 14 wird daher nach links verschoben.

Zur Zeit t _b sind die beiden Spannungen U _a und U _b gleich groß. Die piezoelektrische Scheibe hat eine gleichförmige Dicke. Der durch den Pfeil indizierte Punkt ist nach rechts gewandert und liegt auf der Trennlinie zwischen den beiden Elektroden.

Zur Zeit t _c haben sich die Dickenverhältnisse gegenüber der Zeit t _a genau umgekehrt. Der indizierte Punkt ist von der Trenn­ linie entsprechend weit nach rechts gewandert. Denkt man sich diesen Punkt durch Haftreibung mit einem Punkt auf der Glas­ scheibe 18 verbunden, so ist auch das Objekt um den Betrag der Verschiebung des Punktes nach rechts gewandert.

Zur Zeit t _c setzt dann der Sprung der Spannung zum Zustand wie bei t _a ein. Diese Spannungsänderung erfolgt so schnell, daß die Haftreibungskräfte überwunden werden, so daß das Objekt an seinem Platz verharrt und der antreibende Punkt auf der Oberfläche der piezoelektronischen Scheibe unter dem Objekt an den Ausgangspunkt der vorstehenden Betrachtung zurückwandert.

Es ist ersichtlich, daß die Schrittlänge des in Fig. 4 indizierten Punktes von der Amplitude der angelegten Spannung abhängt. Bei einem Testobjekt von 180 Gramm wurde z. B. mit einer Betriebs­ spannung von 100 V eine minimale Schrittlänge von 13 nm erreicht und bei einer Betriebsspannung von 900 V eine maximale Schritt­ länge von 630 nm. Die Schrittfrequenz konnte zwischen 0 und 100 Hz verändert werden. Diese Werte hängen in bekannter Weise von den piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektri­ schen Materials ab.

Bei Einzelschrittfolge ist zu beachten, daß nach der plötzlichen Spannungsumschaltung die Massenverlagerung innerhalb der piezoelektrischen Scheibe erst nach einer gewissen Zeit endgül­ tig zur Ruhe kommt. Die Endlage wird asymptotisch erreicht, so daß dabei durchaus wieder der Haftreibungszustand zwischen Objekt und Antriebsvorrichtung einsetzen kann. Das führt dann zu einer Objektverschiebung aus der zuvor angesteuerten Lage heraus. Durch eine geeignete Gegenspannung kann dieser Effekt beseitigt werden. Die Gegenspannung kann zeitlich begrenzt sein oder auch als Spannungsimpuls an die Elektroden gelegt werden.

Claims (15)

1. Elektrisch steuerbare Antriebsvorrichtung zur Verschiebung eines Objekts in sehr kleinen Schrittlängen mit einer piezoelek­ trischen Platte (10), die auf beiden Flächen mit Elektroden belegt ist, und mit einer steuerbaren Gleichspannungsquelle (U _a , U _b ), die mit den Elektroden so verbunden ist, daß zwischen den Elektroden der gegenüberliegenden Flächen der Platte (10) ein elektrisches Feld entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die piezoelektrische Platte (10) an ihrem Rand in einen Rahmen (11) eingespannt ist,
• b) die eine Fläche der Platte (10) ganzflächig mit einer ge­ genüber dem Rahmen (11) elektrisch isolierten Elektrode (12) und die andere Fläche der Platte (10) mit mindestens zwei nahezu gleich großen, gegenüber dem Rahmen (11) elektrisch isolierten Elektrodenflächen (13, 14) belegt ist,
• c) die Steuerung der Spannungsquelle (U _a , U _b ) so ausgelegt ist, daß in einer ersten Phase eine langsame Spannungsänderung er­ folgt und in einer zweiten Phase eine sehr viel schnellere, entge­ gengerichtete Spannungsänderung gleicher Amplitude einsetzt, wo­ bei,
• d) jeweils die Summe der Potentiale an zwei mit unterschied­ lichem Potential belegten Elektrodenflächen (13, 14) zumindest na­ hezu konstant ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ganzflächig mit einer Elektrode (12) belegte Fläche der piezoelektrischen Platte (10) die obere Seite bildet, die auf Massepotential liegt und als Auflagefläche für das zu verschiebende Objekt (17) vorgesehen ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit getrennten Elektrodenflä­ chen (13, 14) belegte Fläche der piezoelektrischen Platte (10) die obere Seite bildet, an die die Steuerpotentiale (U _a , U _b ) angelegt sind und die unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Schicht (18) als Auflagefläche für das zu verschiebende Objekt (17) vorgesehen ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als elektrisch isolierende Schicht eine dünne Glasscheibe (18) vorgesehen ist, die mit dem zu ver­ schiebenden Objekt (17) verbunden ist.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht ganzflächig, die getrennten Elektrodenflächen (13, 14) überdeckend, auf die piezoelektrische Platte (10) aufgebracht ist.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine aufgesputterte Beschichtung vorgesehen ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine runde pie­ zoelektrische Scheibe (10) vorgesehen ist, die in einen quadrati­ schen Rahmen (11) eingespannt ist, wobei die Trennungslinie der getrennten Elektrodenflächen (13, 14) parallel zu einem Rahmenpaar liegt.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die getrennten Elektroden (13, 14) zwei Halbkreisflächen bilden.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die getrennten Elektroden vier gleich große Kreissegmente (13, 13′, 14, 14′) bilden.

10. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Spannungsverlaufs einer Sägezahnkurve entspricht ( Fig. 3).

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anstiegszeit der flachen Flanke des Sägezahns größer als 1 ms und die steile Flanke kleiner als 100 µs ist.

12. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase der Spannungsänderung einen asymptotisch gegen den Endwert verlaufenden Teil enthält.

13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die piezoelektri­ sche Scheibe (10) einen Durchmesser von 100 mm und eine Dicke von 3 mm aufweist.

14. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ quelle zwischen 0 bis 1000 V regelbar ist.

15. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Steuerzyklen einstellbar ist.