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Ausgangspunkt
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Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Mikrobearbeitungsvorrichtung, die verwendet wird zum
Bearbeiten/Zusammenbauen von Halbleiter- und optischen Einrichtungen
und ein Verfahren der Mikroarbeits- bzw. -bearbeitungsvorrichtung.
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Beschreibung der verwandten
Technik:
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Es gibt eine wachsende Notwendigkeit
zur Durchführung
akkurater und rascher Mikrobearbeitung oder Zusammenbauarbeit in
einer bestimmten Atmosphäre
um verbesserte Geräte
bzw. Einrichtungen zu produzieren, und zwar basierend auf einer Kombination
aus Technologien der Halbleiterbauelemente und der optischen Bauelemente.
Solche Aufgaben werden durchgeführt,
während
Vergrößerungsmittel
verwendet werden, wie beispielsweise ein Elektronenmikroskop, um
das Verhalten eines Werkstücks
zu beobachten.
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In einer Mikrowelt kann eine Aufgabe
zur Bearbeitung oder zum Zusammenbau, während das Werkstück unter
einer Vergrößerung auf
dem Niveau eines Elektronenmikroskops überwacht wird, eine vollständig unterschiedliche
Erfahrung sein, als in einer Welt von Makroobjekten. In einer Makroarbeitswelt
mit regulär
bemessenen Objekten wird die Aufgabe der Einführung einer Stange in ein Loch
beispielsweise durchgeführt
durch Führen
des Stangenstücks
gegen die Innenoberfläche
des Lochs. In diesem Fall kann der Bediener eine Gegenwiderstandskraft
fühlen,
die durch die Innenoberfläche
ausgeübt wird
und der Einführprozess
wird durchgeführt
während
ein konstanter Widerstandsgrad gefühlt wird, der durch das Loch
ausgegeben wird, so dass der Einführvorgang durchgeführt werden
würde ohne
ein Problem anzutreffen. Wenn in dem Vorgang eine Abnormalität auftreten
würde,
werden üblicherweise
einige Warnsignale, wie beispielsweise abnormale Geräusche oder
andere Problemsignale erzeugt, um den Bediener hiervon in Kenntnis
zu setzen.
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Jedoch ist in einer Welt der Handhabung
von mikroskopischen Objekten dieselbe Aufgabe der Einführung einer
feinen Stange in ein kleines Loch ein vollständig unterschiedlicher Prozess.
In diesem Fall muss eine Abschätzung
dahingehend, ob die feine Stange gerade eingeführt wird oder nicht, strikt
visuell durchgeführt
werden. Wenn der Bediener die Stange in das Loch drückt, ohne
sich dessen bewusst zu sein, dass der Boden der Stange irgendwie an
der Innenoberfläche
festliegt, resultiert ein weiterführendes Drücken entweder in einem Zerbrechen der
Stange oder durch ein Wegspringen der Stange durch eine akkumulierte
elastische Belastung in der Stange, die häufig ein Verschwinden bzw.
einen Verlust der Stange zur Folge hat. Daher ist es wesentlich ein
geeignetes Observationssystem vorzusehen, um die Interferenz zwischen
dem Loch und der Stange zu vermeiden. Die konventionellen Mikrobearbeitungsverfahren
sind nicht in der Lage, ein solches System anzubieten, wodurch der
Bereich der Mikrobearbeitungsarbeiten auf solche limitiert ist,
die relativ simple Aufgaben involvieren.
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Ein Abhilfe schaffender Schritt kann
darin liegen, die Anordnung der Beobachtungseinrichtung in eine
geeignete Position zu verändern,
um eine vollständigere
Observation zu ermöglichen,
wobei dieser Prozess jedoch eine Fokuseinstellung bzw. Fokussierung
jedes Mal erfordert, wenn der Ort verändert wird. Ferner ist es nach
der Fokussierung des Strahls auf einen benötigten Ort weiterhin notwendig,
die Punktaberration bzw. Abweichung zu entfernen, was ein zeitaufwendiger
Aufwand ist. Daher ist es nicht realistisch, die Durchführung von
Mikrobearbeitungsaufgaben zu erwarten, welche häufige Fokussierwechsel benötigen.
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Andererseits gibt es eine Technik
von Flüssigkristalloptiken,
welche eine dreidimensionale Abbildung vorsehen, diese Technik ist
jedoch für
den Bediener ermüdend
und ist nicht geeignet für
Aufgaben, welche eine längere
Zeitdauer erfordern. Wenn ferner der Sehschärfewinkel in der räumlichen
Abbildung groß ist,
obwohl das Abbild ausgeprägt
bzw. deutlich ist, dann kann sich die Abbildungsform von dem natürlichen
Abbild des Werkstücks
unterscheiden und der Bediener erfährt eine erhebliche mentale Belastung
bei der Durchführung
der Arbeit, was zu möglichen
beruflichen Gesundheitsproblemen führen kann. Obwohl ein räumliches
Abbild auch dreidimensionale Information enthält, die durch das visuelle Gefühl des Bedieners
interpretiert werden muss, sollte sie um wirklich nützlich zu
sein, durch unterschiedliche Ansichten, wie z. B. Drauf- und Seitenansichten oder
Ansichten von entgegengesetzten Enden begleitet werden, die simultan
angezeigt werden sollten. Die herkömmliche Mikrobearbeitungstechnologie
ist nicht in der Lage, eine solche Beobachtungsfähigkeit anzubieten.
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Darüber hinaus umfasst eine übliche Arbeit eine
Aufgabe, die mehr ist als eine einfache passive Informationssammlung
wie z. B. das Zeichnen eines akkuraten Kreises oder das Zeichnen
einer geraden Linie. Um quantitative Ergebnisse für eine solche Aufgabe
zu erzeugen, ist es notwendig, ein nicht verzerrtes Abbild des Werkstücks zu haben,
das von einer oberen wirklichen Mitte oder von einer genauen seitlich
liegenden Seite des Werkstücks
angesehen wird. Andererseits ist zum Beobachten des Arbeitsfortschrittes
und zum Antizipieren des nächsten Schrittes
für ein
Werkstück,
das konstant Veränderungen
unterworfen ist, eine Rückkoppelungssteuerung
in Echtzeit notwendig und in diesem Fall muss die Beobachtung aus
der vorteilhaftesten Position heraus durchgeführt werden, die häufig eine
perspektivische Ansicht ist. In einigen Fällen können zusätzlich zu einer Ansicht direkt
von oben Ansichten von anderen Winkelpositionen auch erforderlich
sein.
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Bei der Durchführung einer Mikrobearbeitung
ist es wünschenswert,
dass die Arbeit durchgeführt
wird, während
ein Werkstück
unter einem Elektronenmikroskop oder einer anderen Beobachtungseinrichtung
beobachtet wird. Jedoch gibt es viele praktische Hindernisse bei
der Anordnung der Bearbeitungsvorrichtung und einer Observationsvorrichtung
in demselben Arbeitsraum und zwar infolge von Problemen, wie z.
B. dem Fehlen von ordnungsgemäßem Ausrüstungsraum,
Bewegungsraum und einer Kontamination der Beobachtungsgeräte durch Prozesspartikel
oder sekundäre
Emissionspartikel. Die Bearbeitung wird üblicherweise in einem Vakuum durchgeführt und
daher ist es notwendig, zum Überwachen
des Arbeitsfortschritts das Werkstück aus der evakuierten Umgebung
zu entfernen, die Ergebnisse zu beobachten und das Werkstück in die
Vakuumumgebung zurückzuführen, was
dazu führt,
dass die Vorrichtung evakuiert werden muss, jedes Mal wenn eine
Beobachtung bzw. Observation durchgeführt wird.
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Ferner ist es dann, wenn feine Strukturen
an mehreren Flächen
eines Werkstücks
mikrobearbeitet werden notwendig, das Werkstück für jede Bearbeitung einer feinen
Struktur zu repositionieren, was in einer zeitaufwendigen und ineffizienten
Herstellung bzw. Bearbeitung resultiert. Insbesondere dann, wenn
es notwendig ist, eine feingekrümmte
Struktur mit einer Rotationssymmetrie herzustellen durch Drehen
des Werkstücks,
ist ein extrem langwieriger Vorgang notwendig, um die zwei Achsen
des Werkstücks
und der Rotationseinrichtung auszurichten. Wenn diese Art des Vorgangs
eine Anzahl von Malen für
jeden Bearbeitungsschritt für
die mehreren Oberflächen
durchgeführt
werden muss, werden die Arbeitseffizienz und die Präzision drastisch
reduziert. Ferner ist eine komplexe Einrichtung notwendig, um eine
solche Ausrichtungsaufgabe durchzuführen und das Vorsehen einer
solchen Einrichtung für
jede Arbeitsstation ist nicht nur eine komplexe und kostenträchtige Aufgabe
sondern führt
auch zu dem ernsthaften Nachteil, dass der notwendige Ausrüstungs- bzw.
Geräteraum
benötigt
wird.
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Hinsichtlich des Standes der Technik
wird auf die
DE 38
02 598 C1 hingewiesen, die ein Abtastelektronenmikroskop
zeigt, in dem die Elektronenoptiken und die Detektoren durch eine
Goniometereinrichtung getragen werden und der Probenträger in der
Form eines starren festgelegten Probentischs vorgesehen ist.
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Ferner ist die
EP 0 200 333 A2 auf eine
Ionenstrahlbearbeitungsvorrichtung gerichtet, die einen feinfokussierten
Strahl von Ionen verwendet, der in einer Ionenquelle produziert
wird, wobei die Vorrichtung einen Strahl von Elektronen umfasst,
der auf das Ziel gerichtet ist, der die Ladung neutralisiert, die durch
den einfallenden Ionenstrahl erzeugt wird. Eine ultrapräzise Steuerung
des Ätzprozesses
wird erreicht durch Überwachen
der Partikel, die von der Ziel- bzw. Targetoberfläche gesputtert
werden.
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Die
DE 42 26 694 A1 zeigt ein Verfahren zum Trennen
eines vorbestimmten Abschnitts von einem Chip einer integrierten
Schaltung, wobei das Verfahren die Bearbeitung mit einem fokussierten
Ionenstrahl aus wenigstens zwei Einfallsrichtungen verwendet, und
wobei die abgetrennte Probe mechanisch mit einer Sonde verbunden
ist. Die abgetrennte Probe bzw. das Sample wird durch die Sonde
gehalten und kann durch sie bewegt werden.
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Zusätzlich zeigt
US 4,663,511 ein verbessertes optisches
System zum Vorsehen eines stereoskopischen Sichtfeldes für den Bediener,
wobei das optische System insbesondere geeignet ist zur Verwendung
in unterschiedlichen Maschinen, wie beispielsweise Elektronen- oder
Laserstrahlschweiß- und
-bohrmaschinen.
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Gemäß der Erfindung ist eine Mikrobearbeitungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Die Erfindung
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine energiestrahlunterstützte Mikrobearbeitungsvorrichtung
vorzusehen, so dass ein Herstellungsprozess einschließlich der
Ausrichtung einer Maskierungsvorrichtung und des Werkstücks sowie
der Zusammenbau von Werkstücken
mit Mikrogröße durchgeführt werden
kann, während
das Werkstück
in Echtzeit observiert wird.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
eine Mikropalettenvorrichtung vorzusehen, zur Handhabung des Werkstücks durch
eine Anzahl von Arbeitsstationen, die mit Herstellungs- und Zusammenbauarbeiten
bzw. Vorgängen
in Beziehung stehen.
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Eine Mikrobearbeitungsvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist Folgendes auf: eine Arbeitseinrichtung, die in einem Arbeitsraum
angeordnet ist, der den Arbeitsbereich umgibt; Positioniermittel
zum Einstellen einer Relativposition der Bearbeitungs- und/oder
Zusammenbaumittel bezüglich
des Werkstücks;
und nicht weniger als zwei Observationsmittel zum Vorsehen von vergrößerten Echtzeitabbildern
des Fortschritts in der Mikrobearbeitung aus nicht weniger als zwei
Ansichtsrichtungen.
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Gemäß der Vorrichtung werden wenigstens zwei
Observationseinrichtungen verwendet, um den Arbeitsfortschritt aus
wenigstens zwei Ansichtsrichtungen zu observieren. Der Bediener
ist in der Lage, die Aufgabe durchzuführen, während er visuelle Information
aus wenigstens zwei Richtungen erhält. Da die notwendige visuelle
Information simultan aus mehr als einer Richtung geliefert werden
kann, können
Mikroarbeitsaufgaben viel effizienter und quantitativer durchgeführt werden,
welche in der herkömmlichen
Vorrichtung, die nur eine unidirektionale visuelle Information liefert,
durchgeführt
werden konnten. Die Bedienerermüdung
wird auch erheblich reduziert. Die Vorrichtung ermöglicht somit
die Herstellung feiner Teile für
die Verwendung in optischen Einrichtungen bzw. Geräten und
in anderen fortschrittlichen Technologiegebieten.
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Ein Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass ein Energiestrahl verwendet wird, um eine Herstellung
bzw. Fabrikation durchzuführen,
während
der Fortschritt bei der Mikrobearbeitung durch wenigstens zwei Observations-
bzw. Beobachtungseinrichtungen beobachtet wird.
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Ein weiterer Aspekt der Vorrichtung
liegt darin, dass ein Mikromanipulator verwendet wird, während der
Fortschritt bei der Mikrobearbeitung durch wenigstens zwei Observationseinrichtungen
beobachtet wird.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung
liegt darin, dass eine Mikrobearbeitung durchgeführt wird in einer hermetisch
abgedichteten Umgebung, während
der Fortschritt bei der Mikrobearbeitung durch wenigstens zwei Observationseinrichtungen
beobachtet wird.
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Ein noch weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Observationseinrichtungen optische, Laser und Elektronenmikroskope
umfassen, welche verwendet werden können um den Fortschritt bei
der Mikrobearbeitung durch wenigstens zwei Observationseinrichtungen
zu beobachten.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung
liegt darin, dass die Observationseinrichtungen bezüglich der
Werkstücke
bewegbar sind, um eine Positionierung der Observationseinrichtungen
zu ermöglichen, um
die bestgeeignete visuelle Information hinsichtlich der fortschreitenden
Arbeit zu liefern.
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Ein weitere Aspekt der Vorrichtung
liegt darin, dass die Observationseinrichtungen in einer parallelen
Translations- bzw. Bewegungsrichtung bewegbar sind, um dem Fortschritt
bei einer linearen Mikrobearbeitung zu folgen.
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Ein weiterer Aspekt der Vorrichtung
liegt darin, dass die Observationseinrichtungen entlang einer sphärischen
Oberfläche
bewegbar sind, um dadurch zu ermöglichen,
dass sich die Observationseinrichtungen in kreisförmigen Pfaden
bewegen, wobei die Mitte in der Mitte der Kugel liegt, um unterschiedliche
Sichtwinkel des Fortschritts der Mikrobearbeitung vorzusehen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Vorrichtung mit Bildverarbeitungseinrichtungen versehen
ist, um die Bilder an den Beobachtungseinrichtungen anzuzeigen,
so dass quantitative Beobachtungen durch geführt werden können zum
Bestimmen der Position des Werkstücks, um die Durchführung einer
genaueren Mikroarbeit zu ermöglichen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Vorrichtung mit einer Steuereinrichtung versehen
ist zum automatischen Steuern der relativen Position des Werkstücks bezüglich der Strahlenquelle
oder des Maskengliedes auf der Basis der Abbilder, die von den Bildbearbeitungseinrichtungen
empfangen werden.
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Die vorliegende Erfindung präsentiert
eine andere Art einer Mikrobearbeitungsvorrichtung, die Folgendes
aufweist: Werkstücktragmittel
zum Tragen des Werkstücks,
angeordnet in einem Vakuumgefäß; eine
Energiestrahlquelle zum Strahlen eines Energiestrahls zu dem Vakuumgefäß; und Beobachtungsmittel
zum Beobachten des Herstellungs- bzw. Fabrikationsfortschritts des
Werkstücks;
und Positioniermittel zum relativen Positionieren der Werkstücktragmittel,
entweder in eine Bestrahlungsposition zur Bestrahlung des Werkstücks mit
einem Energiestrahl oder in eine Beobachtungsposition zum Beobachten des
Fabrikationsfortschritts mit den Beobachtungsmitteln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Vorrichtung kann das Werkstück
entweder in die Bestrahlungsposition oder die Beobachtungsposition
innerhalb einer Kammer platziert werden, um unterschiedliche Prozessschritte
durchzuführen,
so dass die Beobachtung und die Mikrobearbeitung alternierend bzw.
abwechselnd ausgeführt
werden können,
ohne die Vakuumumgebung zu beeinträchtigen. Insbesondere bei der
Durchführung
einer Mikrobearbeitung unter Verwendung der Maskenglieder ist es
notwendig, häufig
die relativen Positionen einzustellen um die Maskenglieder auszutauschen,
oder um den Fortschritt bei der Mikrobearbeitung zu bestätigen und
selbst in solchen Fällen
ist es möglich,
die Arbeit fortzusetzen ohne die Vakuumumgebung zu stören. Dieser
Ansatz ermöglicht,
dass die Arbeit durchgeführt
wird, ohne das Werkstück
auch nur einmal der Atmosphäre
auszusetzen, so dass ein hoher Grad an Reinheit beibehalten werden
kann, wodurch die Produktqualität
verbessert wird durch Verhindern einer Oberflächenoxidation und Kontamination.
Dar über hinaus
wird infolge der Eliminierung der Evakuierung und eines Leckagetests
die Arbeitseffizienz verbessert und die Bearbeitungs- bzw. Prozesszeit
wird verkürzt.
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Ein Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Positioniervorrichtung das Werkstück zwischen der
Bestrahlungsposition und der Beobachtungsposition bewegt.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung
liegt darin, dass die Positioniereinrichtung die Energiestrahlquelle
und die Beobachtungseinrichtungen bewegt.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass sie mit einer Werkstücktrageinrichtung
versehen ist mit einer Mikrobewegungseinstelleinrichtung, so dass
das Werkstück
zusammen mit der Trageinrichtung bewegt werden kann, und zwar zu
der Beobachtungsposition zum Einstellen der Positionierung oder
zum Überwachen
des Fortschritts der Mikrobearbeitung.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Maskengliedhaltemittel an einem speziellen Ort zwischen
der Energiestrahlquelle und dem Werkstück angeordnet sind, um das
Werkstück gegenüber einer
Bestrahlung abzudecken bzw. zu maskieren, so dass feine Muster auf
dem Maskenglied auf das Werkstück übertragen
werden können, während der
Belichtungsgrad bezüglich
der Strahlenenergie gesteuert wird.
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Ein noch weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Haltemittel Mikrobewegungsmittel aufweisen zum Vorsehen
einer Mikropositionierung des Maskengliedes bezüglich des Energiestrahls, um
eine Relativbewegung des Maskengliedes zu erlauben, während der
Fortschritt bei der Mikrobearbeitung in der Beobachtungsposition
beobachtet wird.
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Ein noch weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
daran, dass eine Vielzahl von austauschbaren Maskengliedern mit
unterschiedlichen feinen Mustern vorgesehen ist, um dadurch zu ermöglichen, dass
unterschiedliche feine Muster auf einer einzelnen Oberfläche oder
auf unterschiedlichen Oberflächen
dupliziert werden. Diese Anordnung ermöglicht eine Serie von Maskierungsschritten,
wie zum Beispiel einen Maskengliedaustausch, eine Positionseinstellung
des Maskengliedes bezüglich
des Werkstücks
derart, dass sie präzise
und rasch durchgeführt
werden können,
ohne die Vakuumumgebung zu stören,
wodurch eine Oxidation, Kontamination und Probleme hinsichtlich
Positionierfehlern vermieden werden.
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Ein noch weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Beobachtungsmittel nicht weniger als zwei Beobachtungsmittel
umfassen, wobei jedes Beobachtungsmittel ein unterschiedliches Sichtfeld
von Arbeitsbereichen an dem Werkstück vorsieht, um dadurch eine
räumliche
Ansicht der fortschreitenden Mikrobearbeitung bzw. Mikroarbeit vorzusehen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Positioniermittel eine Parallelbewegung bzw. Translationseinrichtung
aufweisen um dadurch eine Hin- und Herbewegung zwischen der Beobachtungsposition
und der Bestrahlungsposition zu ermöglichen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung
liegt darin, dass die Positioniermittel eine Drehbewegungseinrichtung
umfassen, um dadurch eine Hin- und Herdrehbewegung zwischen der
Beobachtungsposition und der Bestrahlungsposition zu ermöglichen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung
liegt darin, dass der Energiestrahl ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus einem schnellen Atomstrahl, einen Ionenstrahl, einem Elektronenstrahl,
einem Atomstrahl, einem Molekularstrahl, einem Laserstrahl, einem
Strahlungsstrahlenbündel
und einem Röntgenstrahl.
Durch Verwendung eines elektrisch neutralen Strahls, wie beispielsweise
einem schnellen Atomstrahl, wird die überlegene Direktionalität des Strahls
in jedem Materialtyp beibehalten, wodurch es ermöglicht wird, präzise feine
Strukturen, wie beispielsweise tiefe Kanäle mit präzisen vertikalen Wänden und
flachen Bodenflächen,
zu erzeugen.
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Ionenstrahlen sind nützlich bei
der Herstellung elektrisch leitender Materialien wie beispielsweise
Metallen. Elektronenstrahlen können
als ein feiner Strahl oder ein divergierender Strahl erzeugt werden und
beide Typen sind zweckmäßig bzw.
nützlich
in Kombination mit reaktiven Gasen zum Aktivieren der zu prozessierenden
Oberfläche
des Werkstücks
unter gut kontrollierbaren Bedingungen. Laser-, Röntgenstrahlen
und Strahlungsstrahlenbündel
sehen unterschiedliche Energien und Wellenlängen vor und bieten unterschiedliche
Grade der Oberflächenreaktivität. Für die Mikrobearbeitungsarbeit
können
diese Strahlen direkt verwendet werden, um Oberflächenmaterialien
zu entfernen oder sie können
in Verbindung mit reaktiven Gasen verwendet werden, um chemische
Oberflächenaktivierung
vorzusehen. Diese Strahlen können
je nach Notwendigkeit ausgewählt
werden, in Abhängigkeit
von der Größe der zu erzeugenden
feinen Struktur und der Reaktivität des Oberflächenmaterials.
Wenn die Größe der ultrafeinen
Strukturen kleiner wird als die Wellenlänge eines Laserstrahls wird
die Herstellung davon üblicherweise
sehr schwierig und Röntgenstrahlen
oder ein Strahlungsstrahl bzw. Strahlenbündel ist besser geeignet. Ein
Atom- oder Molekularstrahl ist ein Niedrigenergiestrahl und ist
zweckmäßig beim
Verhindern der Erzeugung von Oberflächenbeschädigungen. Zusammenfassend sollte
die Auswahl eines Energiestrahls, basierend auf der Notwendigkeit
für jede
bestimmte Anwendung erfolgen.
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Noch ein weiterer Aspekt der Vorrichtung liegt
darin, dass die Beobachtungsmittel ein einzelnes Beobachtungsmittel
oder eine Kombination von Beobachtungsmitteln umfasst, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus einem optischen Mikroskop, einem Lasermikroskop,
einem Elektronenmikroskop, um dadurch eine große bzw. breite Auswahl hinsichtlich
des Beobachtungsverfahrens anzubieten. Das optische Verfahren ist
einfach und das Laserverfahren bietet eine hohe Kohärenz hinsichtlich
des Energiestrahls über
einen langen Arbeitsabstand und das Abtastelektronenmikroskop bzw.
Abtastsekundärelektronenmikroskop
sieht eine höhere
Vergrößerungsfähigkeit
vor.
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Ferner sind Mikropalettenmittel vorgesehen zum
Halten eines Werkstücks
und zum Positionieren des Werkstücks
bezüglich
der Mikroarbeits- bzw. Bearbeitungsmittel, die einen Palettenkörper und
einen Halteabschnitt aufweisen, der frei drehbar auf einem Wellenglied
angeordnet ist, das an dem Palettenkörper befestigt ist. Diese Palettenanordnung
ermöglicht,
dass das Werkstück
an dem Halteabschnitt angeordnet wird und so transportiert wird,
dass eine In-Situ-Mikrobearbeitung
bzw. Arbeit rasch bzw. sofort durchgeführt werden kann. Dieser Ansatz
ist insbesondere effektiv, wenn eine Serie von Prozessvorgängen an
dem Werkstück
seriell durch eine Drehung des Werkstücks durchgeführt wird.
Es gibt keine Notwendigkeit das Werkstück zu repositionieren, wodurch
die Arbeitspräzision
und die Betriebseffizienz erhöht
wird. Ferner gibt es keine Notwendigkeit eine Positioniereinrichtung
für jede
Station vorzusehen, wodurch sich ein kompakter und vereinfachter Gesamtaufbau
der Vorrichtung ergibt, wodurch die Herstellungskosten der Vorrichtung
verringert werden.
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Das Wellenglied der Palettenmittel
ist mit Leistungsübertragungsmitteln
versehen, zum freien Koppeln oder Entkoppeln des Wellengliedes mit
bzw. von einer externen Antriebsquelle.
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Das Wellenglied der Palettenmittel
besitzt einen Übertragungs-
bzw. Getriebemechanismus, der mit einer externen Antriebseinrichtung
gekoppelt oder entkoppelt werden kann, wodurch die Notwendigkeit
eliminiert wird, dass eine Antriebseinrichtung an den Palettenmitteln
vorgesehen ist und was eine kompakte und leichtgewichtige Transporteinrichtung vorsieht
und die Kosten der Gesamtvorrichtung verringert.
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Die Leistungsübertragungsmittel der Palettenmittel
umfassen Scheiben und Riemen, Räder bzw.
Zahnräder
und Reibungsrollen bzw. -walzen, welche alle einfache und effektive
Verfahren zur Leistungsübertragung
darstellen.
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Das Wellenglied der Palettenmittel
ist mit vorgespannten Lagern versehen, um ein Ausschlagen bzw. Flattern
des Wellengliedes auf nicht mehr als 10 μm zu begrenzen. Die Lager können Schrägkugellager
oder Rillenkugellager sein. Die Vorbelastung minimiert einen Schlupf
bzw. Spielraum zwischen den sich bewegenden und stationären Laufflächen der
Lager, wodurch der Ausschlag auf weniger als 10 μm begrenzt wird, um feine Strukturen
mit hoher Präzision
zu erzeugen oder um einen Mikrozusammenbau durchzuführen.
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Der Halteabschnitt der Palettenmittel
ist mit einer Zentriereinrichtung versehen, zum Ausrichten einer
Drehmitte des Wellengliedes mit einer Drehmitte des Werkstücks durch
Rotations- und parallele Translations- bzw. Verschiebungsbewegungen,
um dadurch einen Wellenausschlag bzw. Flattern zu eliminieren.
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Wenn Scheiben und Riemen verwendet
werden, um die Antriebsleistung an die Mikropalette zu übertragen,
werden die Werkstücktragwelle
und die Antriebswelle in Position gebracht, um aneinander gekoppelt
zu werden durch Wickeln des Riemens auf die Wellen, um dadurch die
Antriebsleistung von der Antriebswelle auf die Werkstücktragwelle
zu übertragen.
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Wenn Räder bzw. Zahnräder verwendet
werden, um die Antriebsleistung auf die Mikropalette zu übertragen,
werden die Werkstücktragwelle
und die Antriebswelle in Position bewegt, so dass die Zahnräder miteinander
gekoppelt sind, um die Antriebsleistung von der Antriebswelle auf
die Werkstücktragwelle
zu übertragen.
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Wenn Reibungsrollen bzw. -walzen
verwendet werden, um die Antriebsleistung an die Mikropalette zu übertragen,
können
die Werkstücktragwelle und
die Antriebswelle durch den Kontakt der Rollen selbst oder durch
den Kontakt der Rollen mit anderen Übertragungs- bzw. Getriebeeinrichtungen
angetrieben werden, um die Antriebsleistung von der Antriebswelle
auf die Werkstücktragfläche zu übertragen.
Es wird bevorzugt, dass eine der Rollen elastisch ist oder der Kontakt
elastisch ausgebildet ist. Zum Beispiel können die Rollen durch Reibung
angetrieben werden oder eine Kombination einer Rolle und eines Riemens
kann verwendet werden, um die Antriebsleistung zu übertragen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung
zur Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw. -bearbeitungsvorgangs;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens
zur Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw.
-bearbeitungsvorgangs;
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3A–3B perspektivische Ansichten
eines noch weiteren Ausführungsbeispiels
des Verfahrens zur Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw.
-bearbeitungsvorgangs;
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4A–4D Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Verfahrens zur Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw. -bearbeitungsvorgangs, wobei 4A eine perspektivische
Ansicht ist; 4B und 4C Darstellungen von vergrößerten Bildern
sind; und 4D eine Darstellung
einer geometrischen Beziehung der in Beziehung stehenden Abschnitte
ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines noch weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zur
Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw. -bearbeitungsvorgangs;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Behandlungsvorrichtung zur
Durchführung
eines Mikroarbeits- bzw.
-bearbeitungsvorgangs;
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7 eine
perspektivische Ansicht der Behandlungsvorrichtung gemäß 6 zur Durchführung eines
Mikroarbeits- bzw. -bearbeitungsvorgangs;
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8 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Behandlungsvorrichtung;
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9 eine
Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Behandlungsvorrichtung;
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10A–10B Querschnittsansichten
der Behandlungsvorrichtung gemäß 9;
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11 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Behandlungsvorrichtung;
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12 eine
perspektivische Ansicht zur Darstellung des Betriebs der Behandlungsvorrichtung gemäß 11 zur Durchführung eines
Behandlungsvorgangs;
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13 eine
Querschnittsseitenansicht der Behandlungsvorrichtung gemäß 11;
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14 eine
Darstellung des Betriebs eines weiteren Ausführungsbeispiels der Behandlungsvorrichtung;
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15 eine
perspektivische Ansicht einer Behandlungsvorrichtung;
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16 eine
perspektivische vergrößerte Ansicht
der wesentlichen Teile der Behandlungsvorrichtung gemäß 15;
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17 eine
schematische Ansicht eines Querschnitts der Vorrichtung gemäß 16;
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18 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Mikroarbeits- bzw.
-bearbeitungsvorrichtung;
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19 eine
schematische Darstellung des Querschnitts der Vorrichtung gemäß 18;
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20A–20B eine Darstellung eines
Beispiels der wesentlichen Schritte unter der Verwendung der Behandlungsvorrichtung;
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21 ein
Beispiel einer optischen Faser, die durch das Verfahren gemäß 20 hergestellt ist;
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22A–22B ein weiteres Beispiel
von Schritten, welche die Behandlungsvorrichtung verwenden;
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23 einen
Schritt bei der Herstellung einer feinen Struktur durch die Schritte
gemäß 22;
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24A–24C Darstellungen eines Beispiels des
Behandlungs- oder Zusammenbauvorgangs bei der Verwendung der Vorrichtung
gemäß 18;
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25A und 25B perspektivische Ansichten einer
noch weiteren Behandlungsvorrichtung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Mikroarbeits-
bzw. Bearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die geeignet
ist zur Durchführung
einer Mikroarbeit, d. h. von Bearbeitungs- und/oder Zusammenbauvorgängen an
Werkstücken
(mit minimaler Größe in der Größenordnung
von mehreren Mikron).
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Die Vorrichtung weist Folgendes auf:
ein Arbeitspodest 1, angeordnet in dem zentralen Arbeitsbereich;
ein Paar von Zusammenbaueinheiten 2, 3, die in
einem ersten Arbeitsraum angeordnet sind, der das Arbeitspodest 1 umgibt;
und in einem zweiten Arbeitsraum ist ein Paar von vergrößerten Observations-
bzw. Beobachtungseinrichtungen (Abtastelektronenmikroskope bzw.
Abtastsekundärelektronenmikroskope) 4, 5 angeordnet,
wobei der zweite Arbeitsraum den ersten Arbeitsraum umgibt.
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Das Podest ist in der Mitte der Vorrichtungsbasis 6 angeordnet
und ist mit einer XYZ-Stufe bzw. Plattform versehen zur Erzeugung
von Bewegungen in den Horizontal- und Vertikalebenen. Ein Paar von gegenüberliegenden
halbkreisförmigen
Schienen 7, 8 (erste Schienen) ist vorgesehen,
um das Podest 1 zu umgeben und jede dieser Schienen ist
mit Schlitten 9, 10 versehen, die gleitbar an
den jeweiligen Schienen angebracht sind. Die Schlitten 9, 10 sind
jeweils mit bogenförmigen
Tragsäulen 11, 12 versehen,
die jeweils mit Schlitten bzw. Gleitelementen 13, 14 versehen
sind. Jeder dieser Schlitten bzw. Gleitelemente 13, 14 ist
mit einem Mikromanipulator 2, 3 (Zusammenbaueinrichtungen)
versehen, um Zusammenbauvorgänge
durchzuführen.
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Eine andere oder weitere Vorrichtung
würde eine
Energiestrahlquelle an einem Schlitten 13 und einem Manipulator 3 an
dem anderen Schlitten 14 umfassen. Wenn eine solche Vorrichtung
für eine
energiestrahlunterstützte
Behandlung verwendet würde,
wird der Manipulator 3 eingesetzt als eine Einrichtung
zum Halten eines Maskengliedes mit einigen speziellen feinen Mustern
zur Übertragung
des Energiestrahls. Ferner sind bei dem obigen Beispiel beide Beobachtungseinrichtungen
Elektronenmikroskope, aber es ist möglich bzw. erlaubbar, optische
oder Lasermikroskope oder eine Kombination aus optischen, Laser-
und anderen anwendbaren Vergrößerungseinrichtungen
zu verwenden, und zwar abhängig
von der Anwendung. Es ist nicht notwendig, die Anzahl der Beobachtungseinrichtungen
auf zwei zu beschränken,
so dass drei oder mehr Einrichtungen installiert sein können.
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Ferner sind außerhalb der ersten Schiene 7, 8 an
der Vorrichtungsbasis 6 zweite Schienen 15, 16 konzentrisch
zu den ersten Schienen 7, 8 angeordnet. Jede Schiene
ist mit frei gleitbaren Schlitten bzw. Gleitelementen 17 bzw. 18 versehen,
mit bogenförmigen
Säulen 19, 20 bestimmter
Längen
sowie jeweiligen Schlitten bzw. Gleitelementen 21, 22.
Die Elektronenmikroskope 4, 5 sind an den Schlitten 21, 22 angeordnet,
um ein Sichtfeld vorzusehen, das den Arbeitsbereich A einschließt. Eine
der Säulen 19, 20 erstreckt
sich zu dem oberen Bereich des Arbeitsbereichs A um eine Beobachtung
bzw. Observation des Arbeitsbereichs A von der oberen Mitte zu ermöglichen.
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Jeder der Schlitten 9, 10, 13, 14, 17, 18, 21 und 22 kann
eine Antriebseinrichtung, wie beispielsweise Motoren umfassen, um
eine Bewegung durch eine Fernsteuerung an einen speziellen Ort zu
ermöglichen.
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1 illustriert
ein Beispiel eines Mikroarbeitsvorgangs, der beinhaltet, dass ein
erstes Werkstück
W1 in ein Loch 23 eingeführt wird, das in einem zweiten
Werkstück
W2 vorgesehen ist. Das feine Stangenteil W1 wird mit einem Manipulator 3 gehalten
und in das Loch 23 eingeführt, während es eine Positionsausrichtung
durch Dreh- und Parallelbewegungen erfährt. Bei der Durch führung eines
solchen Schritts beobachtet der Bediener die Bewegungen der Werkstücke auf
Schirmen beider Beobachtungseinrichtungen (in diesem Fall Elektronenmikroskope) 4, 5 sowie
durch die nicht unterstützte
visuelle Beobachtung und bedient die Antriebseinrichtungen, um die
Schlitten 9, 10, 13, 14, 17, 18, 21 und 22 entlang der
Schienen 7, 8, 15 und 16 und
die Säulen 11, 12, 19 und 20 zu
bewegen. Durch einen solchen Vorgang werden die Beobachtungseinrichtungen 4, 5 dazu gebracht,
sich entlang der sphärischen
Oberflächen in
Beziehung zu den Werkstücken
W1, W2 zu bewegen, um Bilddaten zu erhalten, die in der Richtung
zu sehen sind, die notwendig ist um den Vorgang ordnungsgemäß durchzuführen.
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Gemäß diesem Verfahren kann die
Beobachtung der Werkstücke
simultan aus dem oberen Mittelpunkt oder aus der genauen seitlichen
Position erfolgen, um eine detaillierte Beobachtung der Positionsbeziehungen
in dem Arbeitsbereich, gebildet durch das feine Stangenteil W1 und
das Loch 23, zu ermöglichen.
Die Beobachtung kann aus vielen unterschiedlichen Richtungen erfolgen,
je nach Notwendigkeit für
die Durchführung
der Aufgabe und sie dient zum Vorsehen einer unschätzbaren
Hilfe bei der guten Durchführung
der Aufgabe.
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2 zeigt
eine Ansicht des Arbeitsbereichs in der Nähe des Arbeitsbereichs A in
einem Beispiel einer Bearbeitung unter Verwendung eines Energiestrahls.
Eine Maske M, die als ein Maskenglied wirkt, wird auf ein Substratwerkstück W3 platziert
und ein Energiestrahl, wie beispielsweise ein schneller Atomstrahl
(FAB = fast atomic beam) wird von oben ausgestrahlt. Die Arbeitsschritte
zum Übertragen
des Musters von der Maske M auf das Werkstück W3 kann eine Bewegung der
Maske M umfassen zum Steuern der Menge des entfernten Oberflächenmaterials
durch Steuern der Belichtungsdauer gegenüber der FAB-Bestrahlung. Die
notwendige Bewegung ist eine Parallelbewegung der Maske M mit einem
Separationsabstand von ungefähr
100 μm,
z. B. zwischen dem Maskenglied und der zu bearbeitenden Oberfläche auf
dem Werkstück
W3.
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In diesem Fall ist die Maske M an
einer Drehstufe bzw. Plattform 25 angeordnet, die an der XY-Stufe
bzw. Plattform 24 vorgesehen ist, die in dem Arbeitsbereich
angeordnet ist. Eine Beobachtungseinrichtung 5 der zwei
Beobachtungseinrichtungen wird auf eine, ungefähr ebene Position, abgesenkt. Die
Maske M und das Werkstück
W3 werden horizontal ausgerichtet mittels der Beobachtungseinrichtung 4 und
zwar in einer nach oben gerichteten Richtung und die Parallelausrichtung
und der Trennungsabstand werden mittels der Beobachtungseinrichtung 5 in
einer horizontalen Richtung gemessen. Wenn es notwendig ist, die
Maske M zu neigen, um die Maske M parallel zu dem Werkstück W3 auszurichten,
geht die Positionsausrichtung zwischen den beiden verloren und eine
zusätzliche
Einstellung ist notwendig. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
werden die Observationen bzw. Beobachtungen jedoch durch zwei Beobachtungseinrichtungen 4, 5 simultan
ausgeführt
und daher besteht keine Notwendigkeit, eine Einstellung des Fokus
von einer Observationseinrichtung viele Male zu wiederholen, um
ordnungsgemäße Ausrichtungseinstellungen
zu erhalten.
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Die 3A, 3B zeigen ein Beispiel der
Reparatur einer Leitungsverbindung in einer hochintegrierten Schaltung
bzw. LSI-Schaltung. Bei diesem Reparaturvorgang ist es notwendig,
den Abschnitt "a" mit einem fokussierten
Ionenstrahl durchzutrennen. Bei einer reinen Beobachtung von oben,
wie in 3A zu sehen ist,
ist es nicht möglich
abzuschätzen,
wann die Leitung vollständig
durchgetrennt ist. Durch Positionieren der Beobachtungseinrichtung 5 mit
einem schiefen Winkel wie in 1 gezeigt
ist, ist es möglich
zu bestätigen,
dass die Leitung durchgetrennt wurde durch Ermöglichen der Beobachtung der
durchgetrennten Oberfläche "b" mit einem Winkel, wie in 3B gezeigt ist. Bei der
Durchführung eines
solchen Vorgangs tritt es manchmal auf, dass sich die Bearbeitungsbereiche
durch externe Störung über dem
Zielbereich verschieben und daher ist es zur Verhinderung eines
solchen Vorfalls notwendig, simultan die Ansicht von oben zu überwachen
und zwar mit der Beobachtungseinrichtung 4.
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Die 4A–4D illustrieren einen Vorgang zum
Bewegen eines nadelspitzenförmigen
Werkstücks 26,
das an einem Schlitten 14 befestigt ist zu einer Markierung 27,
die an einem Werkstück
W4 platziert ist, während
die Bewegungen durch zwei Beobachtungseinrichtungen (Abtastsekundärelektronenmikroskope) 4, 5 beobachtet
werden. Zunächst werden,
wie in 4A gezeigt ist,
durch Beobachten des Bildes von der ersten Einrichtung 4,
die oberhalb angeordnet ist, die Spitze des Werkzeugs 26 und
die Markierung 27 ausgerichtet, wie in 4B dargestellt ist. Basierend auf dem
Bild, das in der zweiten Einrichtung 5 gezeigt ist, wird
der Abstand zwischen der Spitze des Werkzeugs 26 und der
Markierung 27 als "I" gemessen, wie in 4C angezeigt ist. Aus der
in 4D gezeigten Geometrie
wird der tatsächliche
Abstand "h" zwischen der Spitze
des Werkzeugs 26 und der Markierung 27 durch die
folgende Gleichung angegeben: h = I/cos⊝, undes
folgt daher, dass die Spitze des Werkzeugs 26 mit der Markierung 27 Kontakt
macht durch Bewegen der Z-Stufe um eine Größe gleich "h".
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Zur Darstellung des Vorgangs wurde
die Markierung 27 auf das Werkstück W gezeichnet, aber in einem
tatsächlichen
Vorgang kann eine Software-Programmierung
verwendet werden zum Rechnen des Markierungsortes in derselben Art
und Weise ohne die Oberfläche
tatsächlich
zu markieren.
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5 illustriert
einen Vorgang zum Installieren eines Baby-Chips 29 mit
einer Kunden bzw. kundenspezifischen LSI-Schaltung auf einem allgemeinen
Mother-Chip 28. Ein solcher Baby-Chip 29 wird in
Fällen
verwendet, wenn das Herstellungsverfahren für den Baby-Chip 29 kundenspezifisch
durchgeführt werden
kann, oder wenn das Produktionsverfahren davon unterschiedlich ist
zu dem des Mother-Chips 28 oder wenn der Ertrag bzw. die
Ausbeute für
den Baby-Chip gering ist. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt
einer lokalen Planarisierung des Installationsbereichs mit einer
Diamantnadel, dem Positionieren des Baby-Chips 29 in dem
Installationsbereich und einer lokalen Film abscheidung zum Vorsehen
einer Leitungsverbindung 30. Eine nachfolgende Inspektion
wird durch die Verwendung von Sondenspitzen 33, 34 durchgeführt, die
an den Enden von Werkzeugen 31, 32 befestigt sind,
die an dem Schlitten 14 angebracht sind. Wenn der Installationsvorgang
unsachgemäß ist, wird
die Verbindung durch Ätzen
mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB = focused ion beam) getrennt
und die Verbindungsschritte werden wiederholt.
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6 ist
eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der Mikroarbeitsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung. Ein Umriss einer Behandlungskammer 111 ist
durch die in der Darstellung gezeigte durchgezogene Linie gezeigt
und die Behandlungskammer 111 weist einen hermetisch abgedichteten
Raum auf, der entweder auf einer Vakuumatmosphäre oder einer Niedrigdruck-Inertatmosphäre gehalten
wird. Eine Energiestrahlquelle 112 ist an einem oberen
Teil eines Endes der Behandlungskammer 111 angeordnet.
Ein nach unten schauendes optisches Mikroskop 113 ist an
einem oberen Teil des anderen Endes der Kammer 111 angeordnet, während ein
horizontal schauendes optisches Mikroskop 114 an einer
Seitenoberfläche
an dem anderen Ende der Kammer 111 angeordnet ist.
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Innerhalb der Kammer 111 ist
ein Podest 115 vorgesehen, das frei gleitbar auf einem
Paar von Schienen 116 angebracht ist, die parallel zu einer Wand
der Kammer 111 angeordnet sind. Unterhalb der Mitte des
Podestes 115 ist eine Antriebseinrichtung 117 vorgesehen,
welche das Podest 115 entlang der Schienen 116 bewegt,
um dadurch eine Hin- und Herbewegung des Podestes 115 zwischen
einer Bestrahlungsposition unterhalb der Energiestrahlquelle 112 und
einer Beobachtungsposition, gesehen durch das optische Mikroskop 113,
zu bewegen. In der Darstellung weist die Antriebseinrichtung 117 eine Schraubenwelle 119 auf,
die durch einen Motor 118 angetrieben wird, um eine präzise Positionierung
in der Bestrahlungsposition und der Beobachtungsposition vorzusehen.
Es gibt keine besondere Einschränkung
hinsichtlich des Aufbaus der Antriebseinrichtung und solange die
präzise
Positionierung erreichbar ist, ist es beispielsweise möglich, piezoelektrische
Elemente in Kombination mit einem Linearmotor zu verwenden.
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Das Podest 115 ist versehen
mit einer Muster- bzw. Probenhaltestufe 120 zum Halten
eines Werkstücks
W und einer gegenüberliegenden
Maskengliedhalteeinrichtung 122 zum Halten einer Maske 121.
Diese Halteeinrichtungen 120, 122 sind mit Positioniereinrichtungen 123, 124 versehen,
zum Positionieren des Werkstücks
W oder der Maske 121, wobei die Einrichtungen ausgerüstet sind
mit Betätigern
zum Erzeugen einer Dreh- oder Parallelübertragungsbewegung in der
X-, Y- oder Z-Richtung.
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Der Betrieb dieser Vorrichtung wird
nachfolgend beschrieben.
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Das Podest 115 wird zu dem
Beobachtungspunkt bewegt, an dem die Maske 121 und das
Werkstück
W durch Betrieb der Positioniereinrichtungen 123, 124 ausgerichtet
werden, während
die Bewegungen unter dem optischen Mikroskop 113, 114 beobachtet
werden. Das Podest 115 wird dann zu dem Bestrahlungspunkt
unterhalb der Energiestrahlquelle 112 bewegt zur Durchführung einer
Behandlung bzw. Prozessierung. Wenn es notwendig ist, den Fortschritt
der Behandlung zu überwachen
bzw. zu beobachten oder Einstellungen hinsichtlich der Positionierung
vorzunehmen, wird die Antriebseinrichtung 117 verwendet
zum Bewegen des Podestes 115 zu dem Beobachtungspunkt,
um den Zustand des Werkstücks
W unter den Mikroskopen 113, 114 zu beobachten
und anschließend
wird das Podest 115 zu dem Bestrahlungspunkt zurückgeführt, um
die Bearbeitung fortzusetzen.
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Wie oben beschrieben, ist es, da
die Mikroarbeitsvorrichtung mit zwei Beobachtungseinrichtungen 113, 114 versehen
ist, möglich,
nicht nur die Position und die Form des Werkstücks in einem dreidimensionalen
Raum zu beobachten, sondern auch die relative parallele Positionierung
des Werkstücks bezüglich der
Maske fein einzustellen. Wenn ein Muster der Maske 121 auf
das Werkstück
W übertragen
wird durch Verwendung einer Maske 121, in Kombination mit
einem stark linearen Energiestrahl, wie zum Beispiel einem FAB (fast
atomic beam) kann die korrekte Position der Maske 121 zu
dem Werkstück
leicht bestimmt werden, und die Positionierung kann rasch und präzise eingestellt
werden. In diesem Fall wären,
wenn die Musterdimensionen in der Größenordnung von mehreren zehn
Mikrometern liegen, optische Mikroskope 113, 114 mit
einer Verstärkung von
größer als × 500 für diese
Aufgabe adäquat.
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Da bei dieser Vorrichtung der Bestrahlungspunkt
und der Beobachtungspunkt separat vorgesehen sind, gibt es weniger
Probleme hinsichtlich Partikeln, welche durch den Ätzvorgang
emittiert werden, die die Leistung der Beobachtungseinrichtungen
direkt beeinflussen bzw. beeinträchtigen.
In diesem Fall kann ein Vorhang vorgesehen sein zum Trennen der
Räume um
noch weiter den Einfluss eines solchen Effektes zu reduzieren, wenn
sich das Podest 115 an dem Bestrahlungspunkt befindet.
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7 zeigt
die zuvor beschriebene Mikroarbeitsvorrichtung, die eine Vielzahl
von Masken 121 an einer Maskenhalteeinrichtung 121a aufweist,
so dass unterschiedliche Muster auf dem Werkstück W bearbeitet werden können, durch
Austauschen der Masken 121 während des Bestrahlungsschrittes.
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In diesem Fall ist es durch Vorpositionierung der
Masken 121 bezüglich
des Werkstücks
W vor dem Beginn des Bestrahlungsschrittes nur notwendig, den Maskenhalter 121a zu
drehen, um die Maske während
des Bestrahlungsschrittes auszutauschen und somit ist keine Repositionierung
der Masken notwendig. Es ist natürlich
möglich
bzw. erlaubbar zu dem Beobachtungspunkt zurückzukehren, um die relative
Positionierung der Maske 121 bezüglich des Werkstücks W neu
einzustellen.
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8 zeigt
eines weiteres Ausführungsbeispiel
der Mikroarbeitsvorrichtung mit einer Drehtischbasis 125,
die durch eine Rotationseinrichtung 126 angetrieben wird,
die unterhalb der Drehtischbasis 125 angeordnet ist, um
die Drehtischbasis 125 um eine vertikale Mittelachse zu
drehen. Das Werkstück W
und die Maske 121 sind frei bewegbar an ihrem Platz gehalten
durch ihre jeweiligen Halteeinrichtungen 120, 122.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind der Bestrahlungspunkt und der Beobachtungspunkt derart voneinander
ge trennt, so dass das Werkstück W
und die Maske 121 ausgetauscht werden können durch eine Drehung der
Drehtischbasis 125 um 180°.
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Diese Vorrichtung erlaubt auch die
Durchführung
einer sofortigen Beurteilung darüber,
ob die Bearbeitung fortgeführt
werden soll, oder die Masken 121 ausgetauscht werden sollen,
während
das Werkstück
in dem Vakuum verbleibt, und zwar durch Beobachten des Arbeitsfortschrittes,
so dass der Vorgang kontinuierlich fortschreiten kann, ohne unterbrochen
zu werden.
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Das Ausführungsbeispiel der Mikroarbeitsvorrichtung
gemäß 9 umfasst eine sphärische Behandlungskammer 131 mit
einem Werkstück
W, das in der Mitte davon angeordnet ist. Die Energiestrahlquelle 132 ist
direkt oberhalb angeordnet, und jedes der zwei optischen Mikroskope 133, 134 ist
jeweils mit einem Winkel von ungefähr 45° bezüglich der Ober- und der Unterseite
angeordnet, um den Mittelbereich der Kammer 131 zu betrachten.
Das Podest 135 ist mit einem Antriebsmechanismus (nicht
gezeigt) versehen zum Drehen um eine Horizontalachse 136 und
eine Vertikalachse 137, so dass die Halteeinrichtungen 120, 122 zum
Halten des Werkstücks
W und der Maske 121 sich neigen, oder in einer Horizontalebene
drehen können.
Die Herstellung wird durchgeführt
durch Positionieren der Maske 121 und des Werkstücks W an
dem Behandlungspunkt und zwar direkt unterhalb der Energiestrahlquelle 132 und
Beobachtungen werden durchgeführt durch
Kippen des Podestes 135, so dass die Maske 121 und
das Werkstück
W sich im Sichtfeld der optischen Mikroskope 133, 134 befinden.
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Durch Drehen des Podestes 135 können Beobachtungen
hinsichtlich der Positionsausrichtung zwischen dem Werkstück W und
der Maske 121 sowie dem Fortschritt der Mikrobearbeitung
auf der zu prozessierenden Oberfläche des Werkstücks W durchgeführt werden,
und zwar sowohl während
der Herstellung sowie nach der Herstellung mittels der optischen
Mikroskope 133, 134.
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Der Vorteil dieser Konfiguration
liegt darin, dass der Bewegungsabstand gering ist und der Beobachtungspunkt
und der Behandlungspunkt rasch erreicht werden können durch Drehen oder Kippen
des Podestes 135 um die Achsen 136, 137 und
zwar im Vergleich zur Bewegung, welche eine parallele Übertragung
und Rotationsbewegungen erfordert.
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Die Observations- bzw. Beobachtungseinrichtungen
bei der Vorrichtung gemäß 9 sind anfällig für die Effekte
von Schmutz bzw. Kontaminationen, die während der Behandlung erzeugt
werden, und zwar infolge des kurzen Abstandes zwischen dem Bearbeitungspunkt
und dem Beobachtungspunkt. Wenn ein korrodierendes Gas oder reaktives Gas
in der Prozesskammer verwendet wird, kann eine Kontamination der
Detektoren und der Strahlenquellen der Elektronenmikroskope oder
der Linsen der optischen Mikroskope verhindert werden durch eine
Maskierungsanordnung, die in den 10A, 10B gezeigt ist. Die Maskierungseinrichtung
gemäß 10A weist einen Shutter
bzw. ein Schließelement 150 oder
ein Ventil auf, das an dem Führungsende
der optischen Mikroskope 133, 134 angeordnet ist,
das während
der Beobachtungen versetzt bzw. verschoben wird. Statt des Shutters
bzw. des Schließelements 150 weist
die Maskierungseinrichtung gemäß 10B einen Balgen 152 mit
einem Glasfenster 151 auf, so dass die hermetisch abgedichteten Räume die
optischen Mikroskope 133, 134 aufnehmen.
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Die 11–13 zeigen die Vorrichtung
gemäß 9 mit einer sphärischen
Behandlungskammer 131, einer Energiestrahlquelle 132 und
Beobachtungseinrichtungen 133, 134 mit dem Unterschied,
dass der Grundtisch 138 um eine Horizontalachse 139 drehbar
ist. Die Horizontalachse 139 ist so angeordnet, dass sie
senkrecht zur Ebene liegt, welche die Achsen der Energiestrahlquelle 132 und der
Beobachtungseinrichtungen 133, 134 enthält. Wenn
der Grundtisch 138 um die Achse 139 gedreht wird,
werden das Werkstück
W und die Maske 121 nacheinander in die Punkte gebracht.
Veränderungen
der Ausrichtungswinkel werden außerhalb der Behandlungskammer 131 durchgeführt durch
Drehen des Handgriffs 141, der an dem Verbindungsmechanismus 140 vorgesehen
ist, der gegenüber
der Drehachse 139 liegt.
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14 zeigt
eine stationäre
Basis 141 mit den Halteeinrichtungen 120, 122 für die Maske 121 und
das Werkstück
W und die Drehplatte 144 ist mit einer Energiestrahlquelle 142 und
einer oberen Beobachtungseinrichtung 143 versehen. Bei
dieser Konfiguration dreht sich die obere Beobachtungseinrichtung 143,
aber die andere Beobachtungseinrichtung 145 ist eine stationäre Seitenansichtseinrichtung
und erlaubt nur die Beobachtung der Maske 121 und des Werkstücks W von
der Seite der Vorrichtung her. Der Antriebs- und Tragmechanismus
für die
Drehplatte 144 sind hermetisch in der Prozesskammer abgedichtet
unter Verwendung von Magnetfluiddichtungen oder O-Ringdichtungen.
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15 zeigt
eine Mikropaletteneinrichtung (kurz Mikropalette oder Palette),
die bei der Mikrobehandlungsarbeit unter Verwendung eines Energiestrahls
verwendet wird. Die Mikrobearbeitungsvorrichtung A weist eine Energiestrahlquelle 201 auf,
die einen Energiestrahl vorsieht zum Bestrahlen eines Werkstücks 203 durch
eine Maske 202, die in dem Strahlenpfad angeordnet ist
um die Belichtung gegenüber
dem Energiestrahl zu steuern.
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Die Mikropalette P besitzt einen
Ausschnittsbereich 205 in dem Palettenkörper 204 und ein Wellenglied 206,
das sich über
den Raum des Ausschnittsbereichs 205 erstreckt und durch
nicht gezeigte Lager getragen wird. Das Wellenglied 206 steht
aus der Seitenoberfläche
des Palettenkörpers 204 hervor
und ist an dessen Spitze mit einem Halteabschnitt 207 zum
Halten eines Werkstücks 203 versehen.
Das Wellenglied 206 besitzt ein angetriebenes Rad bzw.
Zahnrad 208 in dem Ausschnittsbereich 205 zum Übertragen
der Drehantriebskraft an das Werkstück 203. Für die Lager
werden Schrägkugellager
und Rillenkugellager verwendet um eine Vorbelastung zwischen den
drehbaren und stationären
Ringen vorzusehen, um den Abstand zwischen den Innen- und Außenringen
zu eliminieren, um ein Ausschlagen bzw. Flattern des Wellengliedes 206 auf kleiner
als 10 μm
zu begrenzen.
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Oberhalb der Basis 209 der
Vorrichtung A ist eine XY-Stufe 210 vorgesehen, und zwar
angeordnet gegenüberliegend
zu der Energiestrahlquelle 201 und sie wird verwendet zum
Tragen einer Motorbasis 212 zur Anbringung eines elektrischen
Antriebsmotors (Drehantriebseinrichtung) 211 sowie einer
Palettenbasis 213. Der Antriebsmotor 211 dreht
sich zum Antrieb eines Übertragungszahnrades 218 über eine Übertragungswelle 214,
Scheiben bzw. Riemenscheiben 215, 216 und einem
Riemen 217, der an der Seitenoberfläche der Palettenbasis 213 vorgesehen
ist. Ein Teil des Übertragungszahnrades 218 steht über die
Oberfläche
der Palettenbasis 213 vor und durch Bewegen der Palette
P, die auf der Palettenbasis 213 platziert ist, in Horizontalrichtung
kann das Zahnrad 218 mit dem angetriebenen Zahnrad 208 in
Eingriff gebracht werden.
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Die Vorrichtung A weist ferner Folgendes auf:
eine Maskenhalteeinrichtung (Z-Stufe) 219 zum Halten einer
Maske 202 zwischen der Energiestrahlquelle 201 und
dem Werkstück 203;
und eine Palettendrückeinrichtung 220 mit
einem L-förmigen
Querschnitt. Beide dieser Einrichtungen 219, 220 sind
frei vertikal bewegbar.
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Der dem Ausschnittsbereich 205 gegenüberliegenden
Bereich in dem Palettenkörper 214 ist
mit einem flachen Abschnitt 222 versehen, zum Beispiel zum
Koppeln an einen Arm 221 eines Roboters.
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Die 16, 17 zeigen Einzelheiten des
Halteabschnitts 207 mit einer Mikropositioniereinrichtung 223,
die an der Spitze des Wellengliedes 206 angeordnet ist
und die verwendet wird zum Ausrichten der Mitten des Wellengliedes 206 und
des Werkstücks 203.
Die Mikropositioniereinrichtung 223 gemäß 16 umfasst einen spitzen Abschnitt 224 aus einer
elastischen Gelenkstruktur, die geeignet ist zum Vorsehen gemeinsamer
orthogonaler Mikrobewegungen in einer Ebene, senkrecht zur Achse
des Wellengliedes 206. Der Spitzenabschnitt 224 mit
einer quadratischen Querschnittsform ist in der Nähe des Basisbereichs
mit zwei quadratischen Löchern 224, 226 versehen,
die in zwei senkrechten Richtungen orientiert sind um dadurch zwei
Paare von gegenüberliegenden
parallelen Abschnitten 225a, 226a zu bilden. Das
Ende des Spitzenabschnittes 224 besitzt eine Öffnung 227 zur
Aufnahme einer opti schen Faser 203 (Werkstück mit Mikrogröße) und
ist umgeben mit einem zylindrischen Außenring 28, der an dem
Wellenglied 206 befestigt ist. Der Außenring 228 besitzt
ein M2-Innengewinde 229 in jedem Quadrant mit einem Winkel
von 30° bezüglich der
Wellenachse, wie in 17 gezeigt
ist, in die jeweils eine M2-Präzisionsschraube 230 eingepasst
ist.
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Die 18 und 19 zeigen eine Gesamtansicht
und eine Seitenansicht der Mikroarbeitsvorrichtung, die mit einer
Behandlungskammer 240 mit der zuvor beschriebenen Behandlungsvorrichtung
A versehen ist und mit einer Zusammenbaukammer 241, die
primär
zum Zusammenbauen feiner Teile designiert ist. Die zwei Kammern 240, 241 sind
hermetisch abgedichtet und miteinander über ein Schleusenventil (hermetisches
Ventil) 242 miteinander verbunden, wie in der Seitenansicht
der Vorrichtung A gemäß 19 dargestellt ist. Die
Zusammenbaukammer 241 besitzt eine zentrale Zusammenbaustufe
bzw. Plattform 243, diese umgebende Manipulatoren 244, eine
Energiestrahlquelle 245 und Beobachtungseinrichtungen 246.
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Die Behandlungs- bzw. Bearbeitungskammer 240 und
die Zusammenbaukammer 241 sind mit Schienen 247 zum
Transportieren eines Transportroboters 248 verbunden, der
eine Mikropalette P trägt. Der
Transportroboter 248 ist mit vier Armen 249 mit vier
Rotationsverbindungen versehen, und die Länge seines Körperabschnittes 250 ist
länger
als der Abstand zwischen den Schienen, der durch das Schleusenventil 242 bewirkt
wird, wodurch dem Roboter 248 ermöglicht wird, sich über den
Trennungs- bzw. Freiraum zu bewegen. Das Werkstück 203 ist somit in
der Lage, sich frei zwischen zwei hermetisch abgedichteten Kammern 240, 241 zu
bewegen, in dem es auf der Mikropalette P angebracht ist und durch
den Roboter 248 transportiert wird, um als ein komplex geformtes
Teil hergestellt zu werden.
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Als nächstes wird ein Fall einer
Herstellung einer optischen Faser unter Verwendung der Mikroarbeitsvorrichtung
beschrieben.
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Zunächst wird eine optische Faser 203 mit einer
geeigneten Aufspann- bzw. Handhabungsvorrichtung in einem Loch 227 des
Halteabschnitts 207 des Wellengliedes 206 der
Mikropalette P fixiert. Unter Verwendung der Arme 259 des
Roboters 248 wird die Mikropalette P zu der Palettenbasis 213 transportiert
und an seinem Platz positioniert mittels der XY-Stufe 210.
Die Palettendrückeinrichtung 220 wird abgesenkt
um die Palette P auf die Palettenbasis 213 zu drücken. Durch
diesen Vorgang werden das Antriebszahnrad 208 und das Übertragungszahnrad 218 aneinander
gekoppelt und die Drehbewegung des Antriebsmotors 211 wird
auf die optische Faser 203 übertragen, die an der Palette
P befestigt ist und zwar über
den Zeitsteuerriemen 217, Zahnräder 218, 208 und
das Wellenglied 206.
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Das Zentrierverfahren wird nachfolgend
beschrieben.
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Das Wellenglied 206 ist
ausschlags- bzw. flatterfrei ausgebildet, aber wenn die daran befestigte optische
Faser 203 flattert bzw. ausschlägt, liegt das daran, dass die
Mitten der optischen Faser 203 und des Wellengliedes 206 nicht
zusammenfallen. Um eine solche Situation auszugleichen, werden die
freien Enden der parallelen Abschnitte 225a, 226a durch die
Präzisionsschrauben 230 gedrückt, um
das Werkstück 203 dazu
zu bringen, sich relativ zu dem Wellenglied 206 innerhalb
einer Ebene mit rechten Winkeln bezüglich der Wellenachse zu bewegen.
Da die Präzisionsschrauben
mit einem schrägen
Winkel zur Achse geschraubt sind, erzeugt eine Drehung der Schraube
eine Bewegung gleich einem Bruchteil der Gewindesteigung. Zum Beispiel
ist die Gewindesteigung einer M2-Schraube 0,4 mm pro Umdrehung, aber
der 30° Winkel
der Schraube erzeugt einen Drückabstand
von 0,2 mm gegen die Parallelabschnitte 225a, 226a.
Der Drückvorgang
wird graduell fortgeführt
um die Mitte der optischen Faser 203 mit der Mitte des
Wellengliedes 206 auszurichten.
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Um einen Ätzvorgang an der optischen
Faser 203 unter Verwendung der Vorrichtung A durchzuführen, wird
ein Energiestrahl von der Energiestrahlquelle 203 durch
einen Schlitz einer Maske 202 auf die Faser gestrahlt.
Durch Ätzen
der optischen Faser 203, während diese mit dem Antriebsmotor 211 gedreht wird,
wird eine dreidimensionale feine Struktur an der optischen Faser 203 erzeugt.
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Die 20A zeigt
ein Beispiel einer solchen feinen Struktur. Die optische Faser 203 ist
an dem Wellenglied 206 der Palette P befestigt und die
optische Faser 203 ist einer FAB (fast atom beam = schneller
Atomstrahl) Bestrahlung durch eine Maske 202 mit einem
feinen Muster 251, das in eine Öffnung 205 vorspringt,
wie in 20B gezeigt ist,
ausgesetzt. Die feine, in 21 gezeigte
Struktur mit einem sphärischen
Ende, wird an der optischen Faser 203 durch dieses Verfahren
ausgebildet und kann als eine Linse bei optischen Übertragungen
bzw. Kommunikationen verwendet werden.
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22A zeigt
ein Beispiel einer nadelförmigen
feinen Struktur, die wie in 23 gezeigt
ist, an einer optischen Faser 203 ausgebildet wird unter
Verwendung einer Maske 202 mit einem langen schmalen Schlitzmuster 252 und
Bestrahlen mit einem FAB (fast atom beam). Das in 23 gezeigte Produkt ist eine (nadelspitzenförmige) Fasersonde 253,
die in Abtastsekundärelektronenmikroskopen
(STM) verwendet wird. Bei diesem Vorgang wird die Maske 202,
die an einer XY-Stufe 210 angebracht ist, in der Richtung
der Faserachse hin- und herbewegt, wie in 22B dargestellt ist und zwar mit einer
kontrollierten Geschwindigkeit, um den Grad der Belichtung gegenüber dem
Energiestrahl zu steuern.
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Nachdem die Bearbeitung beendet ist,
wird die optisch Faser 203 zusammen mit der Palette P aus
der Prozesskammer 240 entfernt und zu der Zusammenbaukammer 241 transportiert,
um in eine Mikroarbeitsmaschine oder ähnliche Einrichtungen mit ultrafeinen
Dimensionen eingebaut zu werden.
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Die 24A–24C illustrieren Fabrikationsschritte
für eine
Sonde 254 zur Verwendung mit sowohl einem Abtast-Nahfeld-optischen-Mikroskop bzw.
optischen Raster-Nahfeld-Mikroskop (SNOM = scanning near-field optical
microscope) und einem Rasterkraftmikroskop (AFM = atomic force microscope).
Die zuvor genannte Technik sieht eine kombinierte qualitative Information
hin sichtlich der Verteilung der Lichtabsorption und der Oberflächenkonfiguration
vor, und die letzte Technik sieht eine quantitative Information
hinsichtlich der Oberflächenkonfiguration
vor. Daher ist es durch die Verwendung einer Sonde 254,
die für
beide Techniken verwendet werden kann möglich, quantitative Information
hinsichtlich der Verteilung von Lichtabsorption für irgendeine
gegebene Oberflächenkonfiguration
zu erhalten. Die Sonde 254 sieht AFM-Information über eine Plattenfeder 255 mit
einer Nadelspitze 256 vor, wie in 24A gezeigt ist, und SNOM-Information wird
vorgesehen durch eine mit Gold plattierte Oberflächensonde 257 und
einem goldplattierten Reflektionsspiegel 258, die integral
in einer Lichtleiter- bzw. optischen Fasersonde 254 ausgebildet
sind.
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Die Sonde 254 wird hergestellt
in der Behandlungskammer durch Erhitzen einer optischen Faser 203 mit
einem Erhitzer 259 um die Spitze unter Verwendung einer
Biegevorrichtung 260 zu biegen, wie in 24B dargestellt ist. In dem nächsten Schritt
wird die Herstellung des Reflektionsspiegel 258 durchgeführt durch
Polieren der Oberfläche
der optischen Faser 203 mit einem Energiestrahl unter Verwendung
einer Maske 202 mit einem schmalen Schlitz 261,
wie in 24C dargestellt
ist. Nachfolgend wird dieser Bereich in der Prozesskammer goldplattiert.
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25A zeigt
eine weitere Mikropaletteneinrichtung mit einem Reibungsantriebsmechanismus für die Übertragung
von Motordrehmoment an die Palette. Die Drehbewegung des Antriebsmotors 272 wird
auf eine Welle 273 übertragen über einen
Zeitsteuerriemen 271, und wird ferner auf eine Rolle bzw. Walze 274 übertragen,
die an dem festen Ende eines Arms 276 angeordnet ist. Der
Arm 276 ist frei sich zu drehen und dreht sich mit der
Rolle 274 bis er durch eine Metallrolle 278 gestoppt
wird, die an der Palette vorgesehen ist. Bei dieser Einrichtung
wird die Drehung des Arms 276 in eine Druckkraft der Rolle 277 gegen
die Metallrolle 278 umgewandelt.
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Die Metallrolle 278 wird
somit durch die Reibungskraft des Zeitsteuerriemens 275 angetrieben. Die
Metallrolle 278 wird durch ein Lager 279, das
in 25B gezeigt ist,
getragen. Die gesamte Struktur des Lagers 279 ist als eine
Einheit ausgebildet durch elektrische Drahterodierbearbeitung und
ist aufgebaut zum Halten einer Welle mit drei Plattenfedergliedern 280,
welche aus unterschiedlichen Richtungen auf die Welle drücken. Diese
Art von vorbelasteter Wellenkonfiguration sieht eine weiche präzise Drehung
vor. Es gibt eine Gleitbewegung zwischen den Plattenfedern 280 und
der Welle, aber die Welle dreht sich mit ungefähr 10 Umdrehungen/min und daher besteht
keine Gefahr einer Reibungsabnutzung.
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Es sei bemerkt, dass die Ziele und
Vorteile der Erfindung mittels jeglicher kompatiblen Kombination(en),
die besonders in den Gegenständen
der vorliegenden Ansprüche
aufgezeigt ist (sind), erhalten werden kann.