DE69302084T2

DE69302084T2 - Elektromechanische positionierungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE69302084T2
Application number: DE69302084T
Authority: DE
Inventors: Stephan 72074 Tuebingen Kleindiek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2013-09-08
Also published as: AU4958493A; US5568004A; EP0611485B1; WO1994006160A1; EP0611485A1; DE69302084D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Positionierungsvorrichtung zur genauen Positionierung eines Spitzenmittels, insbesondere der Spitze einer nadel-ähnlichen Sonde, in einen Raum atomarer Ordnung auf einer Oberfläche eines Untersuchungsobjekts, besagte Vorrichtung enthält eine Piezo-Röhre, die Elektroden hat, die an variable Spannungen für die Erzeugung von Bewegungsaktionen besagten Spitzenmittels anzuschließen sind.
Eine Positionierungsvorrichtung dieser Art, konstruiert als eine piezomechanische Vorrichtung zur Positionierung eines Spitzenmittels in einem Raster-Tunnel-Mikroskop, ist bekannt aus Review Sci. Inst. 63(1), Jan. 1992, S. 263-264. In der dort gezeigten Vorrichtung ist ein Träger, der ein zu untersuchendes Objekt trägt, in einer Piezo-Röhre reibend gelagert. Nachteile dieser Vorrichtungen sind eine vergleichsweise komplizierte Konstruktion, ein vergleichsweise hohes Gewicht, ihre Massigkeit und die Anwendung von zwei verschiedenen Methoden der Bewegung für Grob- und Feinpositionierung.
Eine weitere Bewegungsvorrichtung zur Positionierung eines Untersuchungsobjekts, das im Bereich atomarer Ordnung analysiert werden soll, insbesondere in einem Raster-Tunnel-Mikroskop (STM), ist in DE 36 10 540 A1 gezeigt. Gemäß diesem früheren Stand der Technik wird das Untersuchungsobjekt auf drei Piezo-Halter gelegt die Elektroden haben, die an variable Spannungen anzusch]ießen sind, für die Erzeugung von Positionier- Aktionen des besagten Spitzenmittels. Der Abstand zwischen Spitze und Untersuchungsobjekt kann nur fein verändert werden, das heißt innerhalb des Bereichs der Piezo-Ausdehnungen. Grobpositionierungs-Aktionen sind mit dieser Bewegungsvorrichtung nur lateral möglich, sprich quer zur Bewegung des Untersuchungsobjekts relativ zum Spitzenmittel.
Eine noch weitere elektromechanische Positionierungsvorrichtung, sprich Mikromanipulator, ist in DE 38 22 504 A1 gezeigt. Der Mikromanipulator enthält Piezo-Halter zum Tragen und Bewegen des jeweiligen Untersuchungsobjekts. Für Mikrobewegungen sind die Ralter piezo-elektrisch justierbar. Für jeweilige Makrobewegungen enthält mindestens ein Halter einen Sockel, der piezo-elektrisch deformierbar ist, wobei in dem Sockel ein Bolzen befestigt ist, um innerhalb des Piezo-Halters reibend bewegbar zu sein antwortend auf elektrische Spannungen, die an den Halter anzulegen sind. So kann das Untersuchungsobjekt grob in eine Ausgangsposition plaziert werden fur die erforderliche Feinplazierung ini Verhaltnis zur Spitze einer nadel ahnlichen Sonde oder Ähnlichem.
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, die Nachteile der bekannten elektromechanischen Positionierungsvorrichtungen zu mildern. Es ist ein weiterer Gegenstand, die Vorrichtung so zu entwerfen, daß keine Bewegungen des Untersuchungsobjektes notig sind zur Positionierung - sprich näherbringen an das oder entsprechendes wegbewegen von dem - Spitzenmittel oder Ähnlichem in einen Raum atomarer Ordnung auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes. Die neue Vorrichtung soll so konstruiert werden, daß praktisch keine mechanischen Schwingungen, keine Temperaturdrift passieren kann und keine entsprechenden Dämpfungssysteme erforderlich sind.
Eine Vorrichtung, wie sie in der Präambel zu Anspruch 1 beansprucht wird, ist bekannt aus DE-A-36 10 540 oder dem korrespondierenden EP-A- 02 39 085.
Die Problemlösung gemäß der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß besagtes Spitzenmittel mit einem Trägermittel niedriger Masse verbunden ist, besagtes Trägermittel ist reibend gelagert um bewegbar zu sein entlang einer Reibungsoberfläche in einer longitudinalen Richtung vertikal zu der Oberfläche des Untersuchungsobjekts, innerhalb der besagten Piezo-Röhre, und besagte Piezo-Röhre enthält Mittel für die Übertragung elektrisch kontrollierbarer Bewegungsaktionen auf das besagte Trägermittel als Antwort auf variable Spannungen. Verbesserungen und weitere Entwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Da die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen einzigen elektromechanischen Antrieb sowohl für Grob- als auch für Feinpositionierung der Sonde enthält, kann die Vorrichtung vergleichsweise klein und von geringem Gewicht sein und ist elektrisch in einfacher Weise kontrollierbar, indem Grobund Feinpositionierung autoniatisch in einer einzigen Aktion realisiert werden kann, wobei nur verschiedene Kontrollsignale benutzt werden.
In einer bevorzugten Anwendungsform ist der Träger niedriger Masse in einem Reibungshalter unter solch einer Reibung gelagert, daß er infolge seiner Masse vergleichsweise schnellen Längsbewegungen des Reibungshalters nicht folgt, wohl aber vergleichsweise langsamen Bewegungen des genannten Halters folgt. Eine solche Anwendungsform ermöglicht Grobpositionierung der Bewegungs-Spitze relativ zum Untersuchungsobjekt, vorzugsweise mit einer schrittweisen Bewegung der Bewegungs-Spitze, verursacht durch die vergleichsweise langsame Bewegung des Halters und abwechselnd schnelle Bewegungen desselben. Vorzugsweise eine Reibungsoberfläche bildet einen Teil eines Zwischenelementes, das mit einem freien Ende eines zylindrischen Teils des Halters verbunden ist. Noch vorzüglicher hat der flexible Träger niedriger Masse eine gebogene Form mit nur wenigen Kontaktpunkten zu dem Halter, so daß die Reibung justiert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird nicht das relativ schwere Untersuchungsobjekt, sondern das Trägermittel niedriger Masse, welches das Spitzenmittel enthält, sprich eine Bewegungs-Spitze, insbesondere die Spitze einer nadelähnlichen Sonde, bewegt sowohl für eine Grob- als auch für eine Feinverstellung in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des zu untersuchenden Objektes. Weiterhin ist nicht ein starrer Bolzen zum Heben oder Senken des schweren Untersuchungsobjektes, sondern ein leichter Draht oder Ähnliches, nur selbst, anzuheben oder zu senken gemäß der Erfindung.
Um reibend bewegbar zu sein in besagtem Piezo-Halter oder in einem Reibungshalter der innerhalb des genannten Piezo-Halters positioniert ist, können das Trägermittel niedriger Masse oder der Reibungshalter (auf seiner inneren Oberfläche), oder beide, Zwischenelemente (z.B. gequetschte Abschnitte) enthalten. Noch mehr bevorzugt kann das Trägermittel eine elastische gebogene Form haben, so daß es die Innenseite des entsprechenden Halters wenigstens an drei Berührungsflächen reibend berührt. Im ersteren Fall bestehen die Zwischenelemente vornehmlich aus drei Höckern, einer in der Mitte und einer an je einem Ende des besagten Trägermittels (innerhalb des Reibungshalters) oder auf der Innenseite des jeweiligen Halters, und abwechselnd vorspringend an der einen und an der anderen Seite des Trägermittels oder jeweils an beiden Seiten. Im bevorzugteren Fall besteht das Trägermittel niedriger Masse aus einem longitudinalen Teil, insbesondere einem elastischen nadel-ähnlichen Draht, aber in diesem Fall hat das Trägermittel eine elastisch gebogene Gestalt, so daß es reibend die Innenseite des jeweiligen Halters mindestens an drei Kontaktbereichen berührt. Die entsprechende Stärke der Reibung - sprich die Intensität der Reibungskraft - ist besonders in dem letzteren Fall verstellbar durch Ändern des Grades der elastischen Biegung.
Der Reibungshalter, insbesondere seine Innenoberfläche, ist vorzugsweise aus Glas oder einem keramischen Material gemacht. Falls erforderlich kann das Spitzenmittel elektrisch kontaktiert werden über das Trägermittel niedriger Masse mit einem dünnen Kabel am unteren Ende des besagten Trägermittels. Ebenfalls vorzugsweise ist der Reibungshalter (oder seine innere Oberfläche) aus einem Metall gemacht. Um die gewünschte Reibungskraft zu erzeugen, weist das Metall, vorzugsweise ein Metallbelag, außerdem eine speziell präparierte Oberflächenrauhigkeit an der Innenseite auf. In diesem Fall kann das Spitzenmittel elektrisch kontaktiert werden (falls notwendig) über das Trägermittel niedriger Masse und den besagten Metall-Reibungshalter. Das Kabel ist dann am unteren Ende des Metall-Reibungshalters befestigt, und das Trägermittel niedriger Masse, das das Spitzenmittels enhält, kann leicht ersetzt werden, weil es nirgendwo befestigt ist.
Ein Vorteil der Piezo-Röhre der Erfindung ist, daß diese Röhre einen Reibungshalter ein- oder umschließen kann, der insbesondere auch röhren-ähnlich ist. In besagtem Reibungshalter kann das Trägermittel niedriger Masse unter Reibung gelagert sein, wobei der Begriff "niedrige Masse" definiert wird durch das Verhältnis zwischen besagter Reibung und dem Gewicht der besagten niedrigen Masse, so daß das Trägermittel nicht den vergleichsweise schnellen Bewegungen des besagten Reibungshalters folgt, sondern nur den vergleichsweise langsamen Bewegungen des besagten Halters folgt.
Ein anderer Vorteil der elektromechanischen Positionierungsvorrichtung der Erfindung ist, daß besagte Piezo-Röhre koaxial von einer weiteren Piezo- Röhre umgeben werden kann, für das Abrastern des (relativ schweren) Untersuchungsobjektes lateral - sprich senkrecht zu den Bewegungsaktionen des besagten Trägermittels - relativ zum Spitzenmittel. Im Prinzip kann die äußere Piezo-Röhre durch drei oder mehr Piezo-Halter gebildet werden, aber es wird bevorzugt, einen röhren-ähnlichen Halter zu verwenden, der durchweg aus einem Materialstück besteht, so daß eine äußere koaxiale Röhre temperaturmäßig und mechanisch die darin plazierte Positionierungsvorrichtung schützen kann. Diese Konstruktion reduziert die Größe der ganzen Vorrichtung stark, so daß sie nahezu unempfindlich gegen mechanische Schwingungen ist. Die Länge von innerer und äußerer Piezo-Röhre sollte wenigstens substantiell dieselbe sein, und beide können auf einer gemeinsamen Grundplatte befestigt werden. In diesem Sinne werden keine temperaturbedingten Ausdehnungsprobleme auftreten, so lange wie die gesamte Vorrichtung die gleiche Temperatur besitzt, was leicht zu erreichen ist, besonders weil es nur elektrische Verbindungen gibt. In diesem Aufbau kann das Untersuchungsobjekt problemlos auf die besagte äußere Piezo-Röhre ohne irgendeine komplizierte Vorbereitungen gelegt werden. Dies kann sogar automatisch geschehen.
Um rein elektrisch kontrollierte Positionierung zu erreichen, enthält eine bevorzugte Anwendungsforin eine Piezo-Röhre, die eine innere und eine äußere Kontroll-Elektrode hat, um die besagte longitudinale Bewegung oder Justierung des Trägers niedriger Masse zu realisieren. Vorzugsweise bildet eine Reibungsoberfläche einen Teil eines Elements aus einem nicht piezoaktivem Material, das mit einem freien Ende der Positionierungs-Piezo-Röhre verbunden ist. In solch einer Anwendungsform kann die Bewegung in einer Richtung oder die Justierung der Bewegungs-Spitze leicht erzeugt werden durch elektrische Aktivierung der Piezo-Röhre. Für diesen Zweck sind in einer bevorzugten Anwendungsform die Kontroll-Elektroden mit einem Sägezahn- Generator verbunden. Das Trägermittel kann den langsamen Flanken der Sägezahn-Impulse folgen, ist aber nicht fähig, den steilen Flanken zu folgen. So resultieren alle longitudinalen Positionierungsbewegungen darin, daß der Spitze-Untersuchungsobjekt Abstand eingestellt werden kann, indem lediglich das äußerst leichte Trägermittel bewegt wird. Keine weitere Masse braucht bewegt zu werden.
Eine weitere Anordnung enthält Kontrollmittel zur Kontrolle der Sägezahnimpulse als Reaktion auf einen vorher bestimmten Strom zwischen besagtem Spitzenmittel und dem jeweiligen Untersuchungsobjekt, vorzugsweise wird besagter Strom anschließend stabilisiert mit Hilfe einer Regel-Schleife. Ein solches Kontrollmittel ermöglicht, daß das Spitzenmittel automatisch ohne Unterbrechung positioniert wird, wobei die Aktivierung der Piezo-Röhre unterbrochen wird bei einer bestimmten Entfernung (Spitzenmittel/Untersuchungsobjekt), und anschließend wird Fein-Positionierung bewirkt, beginnend bei der dann erreichten Position, durch angepaßte Aktivierung derselben Piezo-Röhre, vorzugsweise mit einem Signal, das von der Position des Spitzenmittels abgeleitet wird.
Der Wechsel von einem ersten Positionierungsbereich zu einem weiteren wird vorzugsweise bewirkt durch ein Sägezahn-Impuls-Kontroll-Signal, das erzeugt wird als Funktion eines vorher festgelegten Bewegungs-Spitzezu-Untersuchungsobjekt Abstand. Von einer so erreichten Situation ist ein weiterer Positionierungsbereich verfügbar, zum Beispiel während des Abrasterns in einem Raster-Tunnel-Elektronen-Mikroskop.
Eine piezo-mechanische Vorrichtung gemäß der Erfindung ist sehr nützlich für alle Arten von Sonden-Raster Mikroskopen, wie ein Raster-Tunnel- Mikroskop, ein Atomkraft-Mikroskop, ein Magnetkraft-Mikroskop etc. Die Vorrichtung ist auch sehr geeignet für eine Feldelektronen-Kanone, in welchem das Spitzenmittel als das Elektronen-emittierende Element fungiert, und für die exakte Positionierung eines optischen Elements, wie z.B. eines Spiegels in einem optischen Apparat, insbesondere in einem Interferometer.
Einige Anwendungsformen der Erfindung werden in weiteren Einzelheiten hernach beschrieben in Verbindung mit begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen
zeigen Figur 1 a und 1 b schematisch eine piezo-mechanische Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 2 zeigt einige Kontrollsignale und die resultierenden Bewegungen in der Vorrichtung;
Figur 3 zeigt eine elektronische Schaltung zur Erzeugung der Kontrollsignale und
Figur 4 zeigt schematisch eine alternative Anwendungsform einer piezomechanischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in den Figuren 1a und 1b gezeigt ist, enthält eine Piezo-Röhre (2), die zwei Kontroll-Elektroden (4) und (6) hat. Die Piezo-Röhre (2) umfaßt eine nicht-piezo-Halterungsröhre (8), welche Röhre als Reibungshalter für einen nadel- oder draht-förmigen Träger (-Mittel) (10) funktioniert, der ein Spitzenmittel trägt, insbesondere eine Bewegungs-Spitze (12). Das Ende (14) des Trägers (10) gegenüber dem Spitzenmittel (12) ragt frei aus dem Reibungshalter (8) heraus. Der Träger (10) ist aus Draht niedriger Masse gemacht und ist in dem Reibungshalter (8) unter einer gegebenen Reibung gelagert. Die Definition der Größe dieser Reibung im Verhältnis zu der niedrigen Masse des Drahtes ist oben erwähnt.
Um die gewünschte Reibung in einer ersten Anwendungsform zu erhalten, kann der Träger (10), der Reibungshalter (8) oder beide mit gequetschten Abschnitten (11a) versehen werden. Figur 1a zeigt diese Zwischenelemente oder gequetschten Abschnitte (11a) in Form von drei Höckern, angebracht in der Mitte und einer an jedem Ende des Trägers (10) innerhalb des Lagerungsoder Reibungshalters (8). Sie stehen abwechselnd zur einen oder anderen Seite dieses Trägers (10) oder zu beiden Seiten jeweils heraus.
In einer weiteren Anwendungsform hat das Trägermittel niedriger Masse (10) oder der Draht eine gebogene Form mit nur einigen wenigen Berührungspunkten oder -flächen zur Innenseite des Reibungshalters (8) hin, insbesondere drei Berührungsstellen oder -flächen (11b), wie in Figur 1b gezeigt. Besonders in dieser Anwendungsform kann der Grad oder die Intensität der Reibung zwischen dem Träger (10) und Reibungshalter (8) eingestellt werden, indem der Draht oder Träger (10) angemessen gebogen wird. Der drahtförmige Träger (10) sollte vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,25 mm haben und kann aus Pt-Ir hergestellt werden, welches ein bevorzugtes Material für ein Spitzenmittel in einem Raster-Tunnel-Mikroskop ist. Die Höhe (L) des Drahtes kann variieren, zum Beispiel zwischen ungefähr 4 und 10 mm, abhängig von verschiedenen Anwendungen. Zum Zwecke der Positionierung der Bewegungs-Spitze kann der Reibungshalter (8) an der Piezo-Röhre (2) zum Beispiel mit einem Verbindungsklebstoff (18) befestigt werden, welcher Klebstoff starr sein sollte und eine niedrige Masse haben sollte, um schnelle Bewegungen zu erlauben.
Mit der korrekten Reibung gelagert, wird der drahtförmige Träger (10) Piezo-Bewegungen folgen - wegen seiner geringen Masse -, wenn die Beschleunigung zum Beispiel nicht 10³ m/s² überschreitet, resultierend aus einem Reibungs-kraft/Träger-masse Verhältnis von ungefähr 15 mN/15 mg. Um die Bewegungs-Spitze auf ein Objekt (20) hin zu bewegen, wird eine Sägezahn-Spannung gemäß Figur 2 an die Elektroden der Piezo-Röhre angelegt. Während der schnellen Kontraktion oder schnellen Ausdehnung der Piezo-Röhre (2) und somit des Reibungshalters (8) zum Beispiel mit einer Beschleunigung von etwa 10m&sup4;/s², bleibt der Trägerdraht (10) in Position infolge seiner Trägheit. Es ist offensichtlich, daß die Stärke der Gravitation von 10 m/s² keinen substantiellen Einfluß auf die Operation hat.
Während der langsamen Ausdehnung oder Kontraktion, die durch die langsame Flanke des Kontroll-Sägezahnes hervorgebracht wird, wird der Träger so bewegt, daß das Spitzenmittel annähernd in einen gegebenen Abstand vom Untersuchungsobjekt gebracht werden kann. In dieser Weise wird Grobpositionierung bewirkt, wobei das Sägezahn-Kontroll-Signal lediglich invertiert wird, um den Abstand zu vergrößern oder zu verkleinern. Ein gegebener Tunnel-Strom von dem Spitzenmittel kann benutzt werden als Kontroll- Kriterium, um sich einer Arbeitsposition anzunähern. Von diesem Punkt aus kann die gewünschte Feinpositionierung des Spitzenmittels bewirkt werden durch jede Methode, die an sich bekannt ist, die eine Standard-Regelung benutzt wie beschrieben in Verbindung mit Figur 3. Das Untersuchungsobjekt (20) wird vorzugsweise gestützt von einer zweiten Piezo-Röhre (22), befestigt - insbesondere koaxial und/oder in einer geeigneten Entfernung um die Piezo- Röhre (2) - auf einer Grundplatte (24), die ebenfalls die erste Piezo-Röhre (2) trägt. Die Grundplatte (24) ist vorzugsweise aus einem Material gemacht, das thermo-mechanischen Eigenschaften ähnlich denen des Piezo-Materials hat. So werden alle thermischen Einflüsse auf den Zwischenraum zwischen der Bewegungs-Spitze (12) und dem Objekt (20) vermieden, so lange wie die gesamte Vorrichtung dieselbe Temperatur hat. Die zweite Piezo-Röhre (22) ist vorzugsweise versehen mit den wohlbekannten Quadrant Kontroll- Elektro den, die ein X-Y-Abrastern des Objekts relativ zum Spitzenmittel ermöglichen, wie aus Surface Sci. 181,1987, Seiten 145-153 bekannt ist. An der zweiten Piezo-Röhre (22) kann ein Unterstützungsring (26) befestigt werden, zum zum Wohl-definieren der Position des Objekts.
Zum Zweck der Klarheit zeigt Figur (2) die Bewegungen des Spitzenmittels, die mittels des Sägezahn-Kontroll-Signals erzielt werden, wobei die Bewegung der Spitze als Funktion der Zeit t in einer vergleichbaren Weise gegeben ist, weil ein Nullpunkt hier nicht relevant ist. Zum Beispiel zeigt eine Trajektorie (Pi) 100 nm und eine Trajektorie (ti) zeigt 10 msec. In einem Zeitintervall (30) bewirken langsame Flanken eines Sägezahn-Kontroll-Impulses vergleichsweise langsame Reibungshalter-Bewegungen (34), während steile Flanken der Sägezahn-Impulses schnelle Bewegungen (36) des Reibungshalters hervorrufen. Das Trägermittel niedriger Masse (10) folgt nur den zuerst erwähnten Bewegungen, als deren Ergebnis die Bewegungs-Spitze auf das Objekt (20) hin bewegt wird entlang einer Linie (35), während der Träger (10) und damit auch die Bewegungs-Spitze während der schnellen Bewegungen (36) stationär bleiben. Dies geschieht weiter, bis ein gegebener Abstand (d) erreicht ist. In diesem Augenblick wird das Sägezahn-Signal automatisch unterbrochen mit Hilfe eines Bewegungs-Spitzen-korrelierten Signals, zum Beispiel eines Tunnel-Strom-Signals, das durch eine Sondenspitze geliefert wird. Während eines Zeitintervalls (40) ist die Position der Bewegungs-Spitze stabilisiert. Somit ist der Abstand (d) stabilisiert, zum Beispiel während des Abrasterns des Untersuchungsobjekts, mit Hilfe einer bekannten Regel- Schleife. Eine solche Regel-Schleife kann leicht eine relativ große Variationsbreite bewältigen, die während des Abrasterns auftritt, und erlaubt einen schnellen Wechsel auf ein weiteres Raster-Feld.
Wenn die Objektuntersuchung beendet ist, wird das Spitzenmittel von dem Untersuchungsobjekt in einem Zeitintervall (42) entfernt, in welchem ein invertiertes Sägezahn-Kontroll-Signal auftritt, von dem langsam abfallende Flanken Bewegungen (44) herbeiführen, die von dem Trägermittel niedriger Masse (10) mitvollzogen werden, und steil ansteigende Flanken, welche schnelle Bewegungen herbeiführen (46), die von dem Träger (10) nicht mitvollzogen werden. Dies resultiert darin, daß der Träger (10) gezwungen wird, sich von dem Objekt (20) wegzubewegen entlang einer Linie (48), bis eine sichere Distanz zum Parken, wie sie zum Beispiel für den Austausch des Untersuchungsobjekts gebraucht wird, erreicht ist.
Figur 3 zeigt eine Kontrollschaltung für Grob- und Feinpositionierung einer Bewegungs-Spitze. Eine Regelschleife enthält einen logarithmischen Verstärker (50), einen Integrator (52) mit einer Versorgungskontrolle (54) und eine Tunnelstrom-Kontrolle (56) zum Einstellen eines Tunnel-Stromes zwischen einem Untersuchungsobjekt (55) und einem Spitzenmittel (57). Der Regelung folgen zwei Schmitt-Trigger (58). Ein Folger (66) und ein Inverter (68) verdoppeln den Kontrollbereich für die Piezo-Struktur (72). Eine Spannungsversorgung von zum Beispiel 18 V kann benutzt werden, um Probleme mit Hochspannungsversorgungen zu vermeiden. In der Schaltung: erzeugt (S1) eine Tunnelspannung, (S2) stellt den Tunnelstrom ein, welcher einen positiven Wert für die Annäherung des Spitzenmittels hat und einen negativen Wert für die Entfernung des Spitzenmittels, und (S3) definiert die Schleifen-Bandbreite und die Annäherungsgeschwindigkeit der Spitze. (S1), (S2), (S3) können durch spannungskontrollierbare Widerstände oder dergleichen für automatischen Betrieb ersetzt werden.
Wie in Figur 4 gezeigt, haben in einer alternativen Anwendungsform die Kontrollelektroden (4) und (6) jeweils die Form einer zylindrischen Röhre und sind an der Außen- bzw. Innenwand der Piezo-Röhre (2) positioniert. Ausdehnung oder Kontraktion der Piezo-Röhre (2) wird dadurch erreicht, daß eine Spannung an die Kontrollelektroden (4) und (6) angelegt wird, so daß die Wand der Piezo-Röhre (2) sich zusammenzieht oder ausdehnt in einer radialen Richtung. Wegen der Erhaltung des Volumens bedingt die Kontraktion oder Expansion in besagter radialer Richtung Expansion beziehungsweise Kontraktion entlang der longitudinalen Achse der Piezo-Röhre (2).
Eine Vorrichtung, wie sie in Figur 1a oder 1b gezeigt wird, kann ohne weiteres das Herz eines Raster-Tunnel-Mikroskops (STM) wie in Appl. Phys. Lett. 40 (1982), S. 178 beschrieben, bilden. Die Vorrichtung kann in einem Dewar-Gefäß plaziert werden, um eine bestimmte vorgegebene Temperatur zu bekommen oder mindestens die gleiche Temperatur für alle relevanten Elemente, aber dies hat sich hier als nicht notwendig erwiesen. Die Vorrichtung wird für eine bessere thermische Kontrolle und, um Schwingungsprobleme zu vermeiden, über vergleichsweise dünne Drähte angetrieben. Wenn die Resonanz-Frequenz der Vorrichtung annähernd 10 kHz beträgt, kann eine Dämpfung über 150 dB bei einer Frequenz von 1 Hz erreicht werden, was den Meßaufbau äußerst schwingungsfrei macht. Die Bandbreite der Regelschleife wird begrenzt nur durch die longitudinale Resonanz erster Ordnung der inneren Piezo-Röhrenstruktur und kann annähernd 100 kHz erreichen, was eine Rastergeschwindigkeit von bis zu 100 000 Bildpunkten per Sekunde oder vier Bildern mit 128 x 128 Bildpunkten pro Sekunde ermöglicht.
Ein STM gemäß der Erfindung verbindet hohe mechanische und thermische Stabilität mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit und einer sehr einfachen Objekthalterung. Weder das mechanische noch das elektronische System erfordert den Gebrauch irgendwelcher Hochpräzisionsteile. Der STM- Positionierer besteht aus nicht mehr als fünf Teilen: einer Grundplatte, einer X-Y-Raster-Röhre, einer Z-Piezo-Röhre, einem Reibungshalter und einem Träger niedriger Masse. Unbegrenzte X-Y- und Z-Grob-Positionierung ist möglich, durch Anlegung von Sägezahn-Spannungen an die Piezo-Röhren, wobei die Prinzipien der Reibung und des Trägheits-Gleitens nutzbar gemacht werden. Das elektronische System benutzt kostengünstige Standard- Operationsverstärker, wobei Spannungen über 20 V vermieden werden. Die einfache und kompakte Konstruktion des STM mit wenigen elektrischen Verbindungen eröffnet zahlreiche neue Anwendungen wie Tieftemperatur-STM, Ultrahochvakuum-STM, automatische Objektmessungen in abgeschlossenen Test-Buchten etc.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ebenfalls sehr geeignet für die Positionierung eines Elektronen-Emitters in einer Feld-Elektronenkanone wie sie in US 3,864,572 gezeigt wird. Sowohl die Montierung als auch die Einstellung auf die Operations-Degradation eines solchen Emitters können leicht durch die Positionierungsvorrichtung bewerkstelligt werden. Regelung ist möglich mit Hilfe des erwünschten Elektronenstromes oder eines Signals das von diesem Elektronenstrom abgeleitet wird.
Eine Positionierungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann auch für die Positionierung, zum Beipsiel eines Spiegels oder irgend eines anderen optischen Elementes in einem optischen Präzisionssystem wie einem Interferometer, wie in EP 491,435 gezeigt benutzt werden. Solch eine Vorrichtung ohne die Raster-Mittel, die Figur 1a und 1b zeigen, kann leicht in ein solches optisches System montiert werden und kann sowohl für endgültige Einstellung, für Wellenlängen-Kontrolle und für den Zusammenbau benutzt werden.
Gemäß der Erfindung enthält eine elektromechanische Positionierungsvorrichtung zur Positionierung zum Beispiel einer Sondenspitze (12) in einem Raster-Tunnel-Mikroskop, eines Elektronenemitters in einer Feld-Elektronenkanone, eines Spiegels in einem Interferometer etc. einen Träger niedriger Masse (10) als Antriebsmittel. Der Träger, der in einem elektromechanischen Bewegungs-Aktivierungsmittel gelagert ist, um reibend bewegbar zu sein, kann vergleichsweise schnell bewegt werden infolge seiner geringen Masse und sehr genau, weil seine Reaktion auf die Bewegungskraft von Sägezahn-Kontroll-Impulsen kontrolliert wird, vorzugsweise mittels einer piezo-mechanischen Struktur.

Claims

1. Eine elektromechanische Positionierungsvorrichtung zum exakten Positionieren eines Spitzenmittels (12), insbesondere der Spitze einer nadel-ähnlichen Sonde, bis in einen Raum von atomarer Ordnung auf der Oberfläche eines Objekts (20), genannte Vorrichtung enthält eine Piezo-Röhre (2), die Elektroden (4, 6) hat, die an variable Spannungen zur Erzeugung von Bewegungsaktionen des genannten Spitzemittels anzuschließen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Spitzenmittel (12) mit einem Trägermittel (10) niedriger Masse verbunden ist, genanntes Trägermittel ist reibend gelagert um bewegbar zu sein entlang einer Reibungsoberfläche in einer logitudinalen Richtung senkrecht zu der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes, in der besagten Piezo-Röhre und besagte Piezo-Röhre enthält Mittel für die Übertragung elektrisch kontrollierbarer Bewegungsaktionen auf das genannte Trägermittel (10) als Reaktion auf besagte variable Spannungen.

2. Eine Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Piezo-Röhre (2) - vorzugsweise nahezu passend - einen Reibungshalter (8) umgibt, der vorzugsweise ebenfalls röhren-förmig ist und genanntes Trägermittel niedriger Masse (10) ist longitudinal bewegbar in genanntem Reibungshalter (8) unter einer Reibungskraft gelagert, wobei das Verhältnis zwischen genannter Reibungskraft und genannter niedriger Masse so ist, daß das Trägermittel vergleichsweise schnellen Bewegungen genannten Reibungshalters nicht folgt, dagegen aber vergleichsweise langsamen Bewegungen genannten Halters (8) folgt.

3. Eine Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß genannte Reibungsoberfläche einen Teil von gequetschten Abschnitten oder Zwischenelementen (11a) bildet, die mit dem genannten Trägermittel (10) oder der inneren Oberfläche des genannten Reibungshalters (8) oder beiden, verbunden sind, vorzugsweise enthalten genannte Zwischenelemente (11a) drei Höcker, einer in der Mitte und einer an jedem Ende des genannten Trägermittels (10) oder Halters (8), innerhalb des genannten Reibungshalters (8), die abwechselnd auf der einen und der anderen Seite des Trägermittels (10) oder auf beiden Seiten jeweils herausragen.

4. Eine Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Trägermittel niedriger Masse (10) durch ein Längselement gebildet wird, vorzugsweise durch einen elastischen nadel-ähnlichen Draht, der eine elastisch gebogene Form hat, sodaß er die Innenseite des Reibungshalters (8) an mindestens drei Kontaktbereichen (11b) reibend berührt, wobei die Stärke der Reibung - sprich Intensität der Reibungskraft - durch Verändern des Grades der elastischen Biegung einstellbar ist.

5. Eine Positionierungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Piezo-Röhre (2) Elektroden (4, 6) besitzt, die an einen Sägezahngenerator angeschlossen sind, der die genannte Bewegungsaktion erzeugt, wobei genanntes Trägermittel niedriger Masse (10) langsamen Bewegungen folgt und schnellen Bewegungen des Reibungshalters (8) nicht folgt.

6. Eine Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß Mittel bereitgestellt werden um die Sägezahnimpulse des genannten Generators als Antwort auf ein vorbestimmtes Signal, das von dem Spitzenmittel (12) ausgelöst wird, zu kontrollieren, genanntes vorbestimmtes Spitzenmittel Signal wird infolgedessen durch Mittel einer Regelschleife stabilisiert.

7. Eine Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Wechseln zu einem anschließenden Positionierungsbereich des Spitzenmittels (12) durch Mittel des Sägezahnimpuls-Steuersignals bewirkt wird, das in Abhängigkeit des Abstandes Spitzenmittel-Untersuchungsobjekt (d) erzeugt wird.

8. Eine Positionierungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Piezo-Röhre (2), vorzugsweise koaxial und/oder in einem angemessenen Abstand, von einer weiteren Piezo-Röhre (22) umgeben ist zum lateralen Abrastern des Untersuchungsobjektes (20) - sprich transversal zur Bewegungsrichtung des genannten Trägermittels (10) - relativ zum Spitzenmittel (12).

9. Eine Positionierungsvorriditung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Reibungshalter (8), vorzugsweise dessen innerer Belag, aus Glas, einem keramischen Material oder einem Metall gemacht ist, das eine vorherbestimmte Oberflächenrauhigkeit auf der inneren Oberfläche hat, um die erforderliche Reibungskraft zu erzeugen.

10. Ein Raster-Tunnel-Elektronen-Mikwskop ausgestattet mit einer Positionierungsvorrichtung nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche für Grob- als auch für Feinpositionierung eines Spitzenmittels relativ zu einem zu untersuchenden Objekt.

11. Eine Feld-Elektronenquelle ausgestattet mit einer Positionierungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Positionierung eines Elektronen-Emitters relativ zu einer Kontrollelektrode der Elektronenquelle.

12. Ein optisches Instrument, in dem ein optisches Element mit hoher Präzision zu positionieren ist, das mit einer Positionierungsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgestattet ist.