DE69837831T2

DE69837831T2 - Tisch-Einheit für das Positionieren einer Probe und Rastersondenmikroskop mit einem solchen Tisch

Info

Publication number: DE69837831T2
Application number: DE69837831T
Authority: DE
Inventors: Takashi Tsukuba-shi Shirai; Ken Tsuchiura-Shi Murayama; Takafumi Kashiwa-shi Morimoto; Hiroshi Tsuchiura-shi Kuroda; Harumasa Ohme-shi Onozato
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: EP0908719A1; JP3409298B2; DE69837831D1; JPH11108658A; EP0908719B1; US6184533B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Trägerbewegungseinheit, die zum Bewegen einer Probe oder für ihr Positionieren an einer vorbestimmten Stelle verwendet wird, und auf ein Rastersondenmikroskop, das mit der Trägerbewegungseinheit ausgestattet ist.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Ein Rastersondenmikroskop hat eine hohe Auflösung, die in der Lage ist, feine Objekte im Wesentlichen bis zu der Größe von Atomen oder Molekülen zu vermessen oder zu beobachten. In einem Rastersondenmikroskop nimmt ein Mess- und Beobachtungsabschnitt, der einen Erkennungsabschnitt aufweist, eine Probe als ein Plättchen wahr, das auf einem Probenhalter befestigt ist.
Ein typischer Probenträgermechanismus, der in dem herkömmlichen Rastersondenmikroskop verwendet wird, ist zum Beispiel in 10 dargestellt. Dieser Probenträgermechanismus wird durch einen Träger für die X-Achsenrichtung 901, einen Träger für die Y-Achsenrichtung 902 und einen Träger für die Z-Achsenrichtung 903 gebildet, die gestapelt angeordnet sind, um eine Dreifachstruktur zu ergeben. Der Probenträgermechanismus ist auf einem Oberflächentisch 904 angeordnet. Der Träger für die Z-Achsenrichtung 904 ist mit einem Probenhalter 905 versehen, auf dem eine Probe 906, wie etwa ein Plättchen und Ähnliches, befestigt ist. Eine Sondenspitze 907 zum Vermessen einer Probenoberfläche ist über der Probe 906 angeordnet. Die Sondenspitze 907 ist an einem Rahmen angebracht, der auf dem Oberflächentisch 905 befestigt ist. Wenn jeder der Träger für die X-Achsenrichtung 901, für die Y-Achsenrichtung 902 und für die Z-Achsenrichtung 903 einzeln betrieben wird, kann die auf dem Probenhalter 905 befestigte Probe 906 zu jeder Stelle bewegt werden. Die Sondenspitze 907 tastet die Oberfläche der Probe 906 auf eine Veränderung der Relativpositionsbeziehung zwischen der Probe 906 und der Sondenspitze 907 ab.
Für das Rastersondenmikroskop ist es im Allgemeinen vorteilhaft, dass keine äußeren Schwingungen in die Probe übertragen werden. Es ist daher erwünscht, die Steifigkeit der Mittelstruktur von der Sondenspitze 907 bis zu der Probe 906 zu erhöhen. In dem herkömmlichen Rastersondenmikroskop mit dem Probenträgermechanismus mit der vorher angeführten Dreifachstruktur wird jedoch die Gesamtsteifigkeit des Probenträgermechanismus durch die Reihenstruktur bestimmt, die aus der Kombination des Trägers für die X-Achsenrichtung, für die Y-Achsenrichtung und für die Z-Achsenrichtung erzeugt wird. Diese Reihenkombinationsstruktur führt zu einer Verringerung der Gesamtsteifigkeit, weil jede Steifigkeit der drei Träger addiert wird. Weiterhin wird, da die gestapelte Drei-Träger-Struktur die Gesamthöhe des Probenträgermechanismus erhöht, der Rahmen 908 in seinen Abmessungen vergrößert und daher die Steifigkeit des Rahmens 908 verringert.
Als eine den Stand der Technik für die Vergrößerung der Steifigkeit des strukturellen Abschnitts von einem Erkennungsabschnitt bis zu der Probe in dem Probenträgermechanismus des Rastersonden mikroskops kennzeichnende Literatur kann die Veröffentlichung von Tokko-Hei (Patent Nr. 1-34746) angeführt werden. Die in der Veröffentlichung angeführte Vorrichtung ist dazu angepasst, die Struktur der beweglichen Abschnitte auf ihre kleinsten möglichen Abmessungen zu verringern und die beweglichen Abschnitte durch Antriebsabschnitte direkt anzutreiben. Da jedoch der Antriebsabschnitt in dem beweglichen Abschnitt auf der Basis eines direkten Antriebssystems funktioniert und das vordere Ende des Antriebsabschnitts Antriebs- und Haltefunktionen hat, wirft die dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung das Problem auf, dass die Steifigkeit des Probenträgermechanismus durch die Steifigkeit der Antriebssektionen bestimmt wird. Konkret ausgedrückt hat jede Steifigkeit von Stahlkugeln, frei gelagerten Auflagen, Mutternelementen, Vorschubspindeln einen Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit, basierend auf ihrer Reihenbeziehung zueinander. Ferner vergrößert die Struktur für den direkten Antrieb die Höhe des Probenträgermechanismus.
US-A-5,286,977 offenbart eine Trägereinheit zum Bewegen einer Probe, wobei die Einheit auf einer Gleitoberfläche eines Oberflächentisches befestigt ist und einen Probenhalter, an dem die Probe befestigt ist, einen ersten Träger zum Bewegen des Probenhalters senkrecht zu der Gleitfläche und einen zweiten Träger zum Bewegen des Sondenkopfes in Bezug zu dem ersten Träger in Richtungen parallel zu der Gleitoberfläche, der auf der Gleitoberfläche angeordnet ist. Die Vorrichtung bietet eine erhöhte Steifigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Trägereinheit, die für das Bewegen einer Probe verwendet wird, zur Verfügung zu stellen, wobei ihre Gesamtsteifigkeit erhöht und ihre Höhe auf den kleinsten möglichen Wert verringert wird und ferner die Steifigkeit ihrer Antriebssektionen einen geringen Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit hat.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Rastersondenmikroskop mit der Trägereinheit zur Verfügung zu stellen.
Die Trägereinheit der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 1 ausgestaltet, um die vorher angeführten Aufgaben zu erfüllen.
Somit weist die Trägereinheit, die zum Bewegen einer Probe gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bei ihrer Anordnung auf einem Tisch mit horizontaler Oberfläche einen vertikalen Träger (Träger für die Z-Achsenrichtung) zum Bewegen eines Probenhalters nach oben und unten in einer senkrechten Richtung und eine horizontale Trägeranordnung (für die X-Achsen- und Y-Achsenrichtung) zum Bewegen des vertikalen Trägers in eine horizontale Richtung auf. Die Trägereinheit ist an einer horizontalen Gleitoberfläche des Oberflächentisches befestigt. Die horizontale Trägeranordnung ist feststehend auf der Gleitoberfläche und der vertikale Träger gleitfähig auf der Gleitoberfläche befestigt. Der vertikale Träger ist durch Verbindungsteile (zum Beispiel Scheibenfedern), eine hohe Steifigkeit in horizontaler Richtung und eine niedrige Steifigkeit in vertikaler Richtung aufweisen, mit dem horizontalen Träger verbunden.
Gemäß der vorher angeführten Ausgestaltung wird die Gesamtsteifigkeit der Trägereinheit nur durch den vertikalen Träger bestimmt und unterliegt nicht dem Einfluss der Steifigkeit der Abschnitte, die in die horizontale Trägeranordnung und den Antriebsabschnitt für jede Achsrichtung einbezogen sind. Daher kann die Steifigkeit der Trägereinheit erhöht werden. Ferner wird die Stillstandssteifigkeit der Trägereinheit nur durch die Steifigkeit des vertikalen Trägers bestimmt. Da alle Träger der Trägereinheit nicht in Stapelform angeordnet sind und ferner die Höhe der Trägereinheit nur durch den vertikalen Träger bestimmt wird, kann die Höhe der Trägereinheit auf die kleinsten möglichen Abmessungen verringert werden und daher kann die Höhe des Sondenspitzen-Trägerrahmens, der über der Probe angeordnet ist, verringert werden.
Die Trägereinheit kann einen Keilkombinationsmechanismus aufweisen, der als Hebe- und Absenkmechanismus in dem vertikalen Träger wirkt. Der Keilkombinationsmechanismus führt die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Probenhalters auf der Basis der horizontalen Bewegungsvorgänge seiner geneigten Fläche aus. Der Keilkombinationsmechanismus kann die Steifigkeit der Trägereinrichtung erhöhen und ihre Höhe ebenso wie die Höhe des Hebe- und Absenkmechanismus verringern.
In der Trägereinheit weist der Keilkombinationsmechanismus ein oberes Keilteil, auf dem der Probenhalter angeordnet ist, und ein unteres Keilteil auf, das durch einen Antriebsabschnitt in horizontaler Richtung beweglich ist. Das obere und das untere Keilteil sind so angeordnet, dass ihre geneigten Flächen einander zugewandt sind.
In der Trägereinheit weist die horizontale Trägeranordnung einen Träger für eine erste Achsenrichtung (X-Achse) und einen Träger für eine zweite Achsenrichtung (Y-Achse) auf. Der Träger für die erste Achsenrichtung ist feststehend an der Gleitoberfläche des Oberflächentisches befestigt. Der Träger für die zweite Achsenrichtung ist auf dem Träger für die erste Achsenrichtung so angeordnet, dass er durch einen Schienenführungsmechanismus beweglich ist, und einen Fahrrahmen aufweist, der durch einen anderen Schienenführungsmechanismus beweglich ist. In diesem Fall ist der vertikale Träger mittels der Verbindungsteile mit dem Fahrrahmen verbunden.
In der Trägereinheit weist ferner die horizontale Trägeranordnung einen Träger für eine erste Achsenrichtung (X-Achse) und einen Träger für eine zweite Achsenrichtung (Y-Achse) auf und der Träger für die erste Achsenrichtung ist an der Gleitoberfläche des Oberflächentisches feststehend befestigt. Weiterhin ist der Träger für die zweite Achsenrichtung in einem Innenraum des Trägers für die erste Achsenrichtung so angeordnet, dass er auf der Gleitoberfläche gleitfähig ist. In diesem Fall ist der vertikale Träger in einem Innenraum des Trägers für die zweite Achsenrichtung so angeordnet, dass er auf der Gleitoberfläche des Oberflächentisches beweglich ist.
In der Trägereinheit kann eine Bodenplatte des vertikalen Trägers einen Luftausströmmechanismus aufweisen, der Luft durch Düsen, die an einer unteren Oberfläche der Bodenplatte gebildet sind, ausströmen lässt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es dem vertikalen Träger, sich ruhig gleitend auf der Gleitoberfläche des Oberflächentisches zu bewegen, ohne dass Reibung vorhanden ist.
Weiterhin ist das Rastersondenmikroskop der vorliegenden Erfindung mit der vorher angeführten Trägereinheit und dem Erkennungsabschnitt versehen, einschließlich einer Sondenspitze, die auf eine an dem Probenhalter befestigte Probe gerichtet ist. Dieses Rastersondenmikroskop nimmt die Probe wahr, indem bewirkt wird, dass die Sondenspitze die Probenoberfläche in Übereinstimmung mit der Bewegung der Probe mittels der Trägereinheit abtastet, wobei eine spezifische physikalische Größe erkannt wird, die zwischen der Sondenspitze und der Probe erzeugt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht der ersten Ausführung einer Trägerbewegungseinheit der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Darstellung, die das äußere Erscheinungsbild der Trägereinheit der ersten Ausführung zeigt.
3 ist eine Draufsicht, welche die Trägereinheit der ersten Ausführung zeigt.
4 ist eine Ansicht eines Hauptabschnitts eines Trägers für die Z-Achsenrichtung von vorn.
5 ist eine Draufsicht, welche den Träger für die Z-Achsenrichtung zeigt.
6 ist eine Seitenansicht, die einen Hauptabschnitt eines Trägers für die Z-Achsenrichtung zeigt.
7 ist eine Ansicht eines unteren Keilteils in einem Keilkombinationsmechanismus.
8 ist eine perspektivische Darstellung des äußeren Erscheinungsbilds der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Draufsicht, welche die Trägereinheit der zweiten Ausführung zeigt.
10 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Trägerbewegungseinheit zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Nachfolgend werden hierin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Zuerst auf 1 bis 6 Bezug nehmend, wird die erste Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutert.
Eine Bezugszahl 12 bezeichnet eine Trägerbewegungseinheit der ersten Ausführung. Diese Trägerbewegungseinheit 12 ist auf einer oberen Oberfläche eines Oberflächentisches 11 angeordnet. Die obere Oberfläche des Oberflächentisches 11 verläuft vorzugsweise parallel zu einer horizontalen Oberfläche (X- und Y-Richtungen) und bildet eine präzise Gleitoberfläche. Die Trägerbewegungseinheit 12 weist einen Träger für die X-Achsenrichtung 10, einen Träger für die Y-Achsenrichtung 20 und einen Träger für die Z-Achsenrichtung 30 auf. Der Träger für die X-Achsenrichtung 10 führt eine Bewegung in Richtung der X-Achse aus und der Träger für die Y-Achsenrichtung 20 führt eine Bewegung in Richtung der Y-Achse auf. Diese Träger für die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung 10 und 20 bilden zusammen einen horizontalen Träger. Der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 führt eine Bewegung in vertikaler Richtung (Z-Achsenrichtung) aus und funktioniert als vertikaler Träger. Ein Probenhalter 13 ist an dem Träger für die Z-Achsenrichtung 30 angebracht. Eine Probe, wie etwa ein Plättchen, ist auf dem Probenhalter 13 befestigt. Die Probe ist an der höchsten Position der Trägerbewegungseinheit 12 angeordnet.
Ein Rahmen 14, der feststehend auf dem Oberflächentisch 11 befestigt ist, ist über der Trägerbewegungseinheit 12 angeordnet. Der Rahmen 14 ist nicht auf den in 1 dargestellten Rahmen eingeschränkt, sondern er kann jede Form aufweisen. Der Rahmen 14 weist einen Erkennungsabschnitt 15 ungefähr in der Mittelposition auf, der über der Probe angeordnet ist. Der Erkennungsabschnitt 15 weist eine Sondenspitze 16 auf, deren Spitzenende in Richtung auf eine obere Oberfläche der Probe gerichtet ist. Die Trägerbewegungseinheit 12 bewegt die Probe in alle Richtungen der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse und dadurch bewirkt eine Veränderung in der Relativpositionsbeziehung zwischen der Sondenspitze und der sich bewegenden Probe, dass die Sondenspitze 16 die Oberfläche der Probe so abtastet, dass die Probenoberfläche vermessen und beobachtet werden kann. Der Mechanismus, der die in 1 dargestellte Trägerbewegungseinheit 12 einschließt, gehört zu einem Rastersondenmikroskop.
Wie in 2 dargestellt, weist der Träger für die X-Achsenrichtung 10 zwei parallele Rahmen für die X-Achse 10a und 10b auf, die feststehend an dem Oberflächentisch 11 befestigt sind. Eine Schiene 17 ist auf jeder oberen Oberfläche der beiden Rahmen für die X-Achse 10a und 10b angeordnet. Ein Rahmen für die Y-Achse 18 ist auf den beiden Schienen 17 so angeordnet, dass der Raum zwischen den beiden Schienen überspannt wird und er in X-Achsenrichtung beweglich ist. In dem Träger für die X-Achsenrichtung 10 ist ein Antriebsabschnitt für die X-Achse 19 auf dem Rahmen für die X-Achse 10a angeordnet, der eine große Breite aufweist. Der Antriebsabschnitt für die X-Achse 19 weist zwei Halteplatten 19a und 19b, eine Drehwelle 19c, die durch die beiden Halteplatten drehbar gelagert ist, und einen Motor 19d auf, der die Drehwelle 19c dreht. Die Drehwelle 19c weist auf ihrer Oberfläche ein Außengewinde auf, mit dem ein Verbindungsabschnitt 21, der in der Seite des Y-Achsenrahmens 18 angeordnet ist, eingreift. Der Verbindungsabschnitt 21 weist ein Gewindeloch auf. Wenn sich die Drehwelle 19c dreht, bewegt sich der Verbindungsabschnitt 21 entlang der Drehwelle 10c in Reaktion auf die Drehrichtung der Drehwelle 19c und ferner wird auch der mit dem Verbindungsabschnitt 21 verbundene Y-Achsenrahmen 18 zusammen bewegt. Der vorher angeführte Träger für die X-Achsenrichtung 10 kann den Y-Achsenrahmen 18 und die zu diesem Rahmen zugehörigen Abschnitte, d.h. den Träger für die Y-Achsenrichtung 20 und den Träger für die Z-Achsenrichtung 30, in X-Achsenrichtung bewegen.
Der Träger für die X-Achsenrichtung 20 weist den vorher angeführten Y-Achsenrahmen 18 auf. Die Gesamtform des Y-Achsenrahmens 18 ist ein vierseitiges Gebilde und der Y-Achsenrahmen 18 hat eine Öffnung 18a in Rechteckform. Die Seitenabschnitte 18b und 18c des Y-Achsenrahmens 18, von denen jeder senkrecht zu den X-Achsenrahmen 10a und 10b verläuft, weisen eine solche Länge auf, dass sie quer zwischen den beiden Schienen 17 der X-Achsenrahmen angeordnet werden können. Ferner sind Schienenaufnahmeabschnitte 22, die in Berührung mit den Schienen 17 kommen, unter den Seitenabschnitten des Y-Achsenrahmens 18 angeordnet, wobei jeder von ihnen parallel zu den X-Achsenrahmen verläuft. Die Schienenaufnahmeabschnitte 22 gleiten auf der Schiene 17, um sich in Richtung parallel zu der Schiene 17 zu bewegen. Weiterhin sind Schienen 23 jeweils auf den oberen Oberflächen der Seitenabschnitte 18b und 18c des Y-Achsenrahmens 18 angeordnet.
Ein Fahrrahmen 31 ist auf den beiden Schienen 23 angeordnet, um so den Raum zwischen ihnen zu überspannen und in X-Achsenrichtung beweglich zu sein. Ein Antriebsabschnitt für die Y-Achsenrichtung 24 ist auf der oberen Oberfläche des sehr breiten Seitenabschnitts 18b angeordnet. Der Antriebsabschnitt für die Y-Achsenrichtung 24 weist zwei Halteplatten 24a und 24b, eine drehbar durch die beiden Halteplatten abgestützte Drehwelle 24c und einen die Drehwelle 24c drehenden Motor 24d auf. Die Drehwelle 24c ist mit Gewinde versehen und greift mit einem Verbindungsabschnitt 32 ein, der auf dem Seitenabschnitt des vorher angeführten beweglichen Rahmens 31 angeordnet ist. Dieser Verbindungsabschnitt 32 weist ein Gewindeloch auf. Wenn sich die Drehwelle 24c dreht, bewegt sich der Verbindungsabschnitt 32 in Reaktion auf die Drehrichtung entlang der Drehwelle 24c und weiterhin bewegen sich der Fahrrahmen 31, der mit dem Verbindungsabschnitt verbunden ist, zusammen. Somit kann der Träger für die Y-Achsenrichtung 20 den Fahrahmen 31 und die zugehörigen Abschnitte oder den Träger für Z-Achsenrichtung 30 in Y-Achsenrichtung bewegen.
Der Träger für Z-Achsenrichtung 30 ist mit dem Fahrrahmen 31 mittels seines oberen Abschnitts verbunden. Der Fahrrahmen 31 hat eine vierseitige Gestalt und eine rechteckige Öffnung 31a. Ein Körper (ein Keilkombinationsmechanismus und Ähnliches wird nachfolgend noch beschrieben) des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 ist in dem Raum angeordnet, der durch die Öffnung 31a gebildet wird. Die Seitenabschnitte 31b und 31c des Fahrrahmens 31, von denen jeder senkrecht zu der vorher angeführten Schiene 23 verläuft, ist ausreichend lang genug, um quer über den Raum zwischen den beiden Schienen 23 des Y-Achsenrahmens 18 angeordnet zu werden. Jeweils ein Schienenaufnahmeabschnitt 33, der mit den Schienen 23 in Berührung kommt, ist unter zwei anderen Seitenabschnitten des Fahrrahmens 31 parallel zu der Schiene 23 angeordnet. Der Schienenaufnahmeabschnitt 33 gleitet auf der Schiene 23, um sich in Y-Achsenrichtung zu bewegen.
Wie in 4 bis 6 dargestellt, weist der Körper des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 eine Bodenplatte 34, die gleitfähig auf dem Oberflächentisch 11 angeordnet ist, und zwei Z-Achsenrahmen 35 rechts bzw. links auf, die feststehend an den Seitenabschnitten der Bodenplatte 34 befestigt sind. Jeder der beiden Z-Achsenrahmen 35 ist mit dem Fahrrahmen 31 durch Scheibenfedern 36 an zwei Punkten verbunden. Die Scheibenfeder 36 ist ein rechteckiges scheibenförmiges Federelement mit der erforderlichen Fläche. Alle Scheibenfedern 36 werden im Wesentlichen horizontal gehalten und weisen in vertikaler Richtung (Z-Achsenrichtung) Flexibilität auf, während sie in X-Achsen- und Y-Achsenrichtung die erforderliche hohe Steifigkeit aufweisen. Wenn jeder der Träger für die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung 10 und 20 in Funktion ist, bewegt sich der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 einschließlich der Bodenplatte 34 und des Z-Achsenrahmens 35, der mit dem Fahrrahmen 31 durch die vier Scheibenfedern 36 verbunden ist, in X- und Y-Achsenrichtung (horizontaler Richtung) auf dem Oberflächentisch 11.
In dem Körper des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 ist ein Keilkombinationsmechanismus 37, der eine Bewegung in vertikaler Richtung (Z-Achsenrichtung) als Hebe- und Absenkmechanismus ausführt, auf der Bodenplatte 34 angeordnet. Der Keilkombinationsmechanismus 37 weist ein unteres Keilteil 37a und ein oberes Keilteil 37b auf und diese beiden Keilteile sind kombiniert, um eine solche spezifische Relativpositionsbeziehung zu haben, dass ihre geneigten Flächen einander zugewandt sind. Ein verschiebbares Mittelteil 44 ist zwischen den geneigten Flächen angeordnet und kommt gleitfähig in Berührung mit ihnen. Der Probenhalter 13 ist auf der oberen Oberfläche des oberen Keilteils 37b angeordnet. Der vorher angeführte rechte und linke Z-Achsenrahmen 35, ein vorderer Rahmen 39 und ein hinterer Rahmen 40 sind um den Keilkombinationsmechanismus 37 herum angeordnet. Der Keilkombinationsmechanismus 37 wird von diesen Rahmen 35, 39 und 40 von vier Seiten umgeben. Die Form des oberen Keilteils 37b in dem Keilkombinationsmechanismus 37 ist, wie in einer Draufsicht dargestellt, im Wesentlichen mit der Form des vierseitigen Raumes identisch, der durch die Rahmen 35, 39 und 40 gebildet wird. Innerhalb dieses vierseitigen Raumes kann sich das obere Keilteil 37b nur in vertikaler Richtung bewegen (oder gleiten) und es ist so eingeschränkt, dass es sich nicht in horizontaler Richtung (X-Achsen- und Y-Achsenrichtung) bewegen kann, weil die Führungsschienen (in den Fig. nicht dargestellt), die eine Gleitbewegung nur in Z-Achsenrichtung ermöglichen, zwischen dem Keilkombinationsmechanismus 37 und jedem vorderen Rahmen 39 und hinteren Rahmen 40 angeordnet sind. Ferner gleicht die Form des unteren Keilteils 37a der Form des oberen Keilteils 37b und ist so gestaltet, dass seine Länge in X-Achsenrichtung kürzer ist, als der Abstand zwischen dem vorderen Rahmen 39 und dem hinteren Rahmen 40. Somit ist das untere Keilteil 37a in X-Achsenrichtung in dem Raum zwischen dem vorderen Rahmen 39 und dem hinteren Rahmen 40 bewegbar (oder gleitfähig). Ferner ist das untere Keilteil 37a mittels eines verschiebbaren Mittelteils 45 gleitfähig auf der Bodenplatte 34 angeordnet. Dieses gleitfähige Mittelteil 45 weist die Form einer dünnen Platte oder eines dünnen Bleches auf. Wie in 7 dargestellt sind zum Beispiel zwei Stücke des verschiebbaren Mittelteils 45 an der Basis des unteren Keilteils 37a angebracht.
Der Keilkombinationsmechanismus 37 weist in der Außenseite des vorderen Rahmens 39 einen Motor 41 auf. Eine Antriebswelle 42 des Motors 41 ist mit Gewinde versehen und ein Ende von ihr ist durch eine Halteplatte 43 drehbar gelagert. Eine Schraube mit Außengewinde, die in der Antriebswelle 42 ausgebildet ist, greift mit einer Schraube mit Innengewinde (mit einer Mutter) 37a-1 ein, die feststehend an der Innenseite des unteren Keilteils 37a befestigt ist. Wenn der Motor 41 betrieben wird, um die Antriebswelle 42 zu drehen, bewegt sich das untere Keilteil 37a in X-Achsenrichtung in Reaktion auf die Drehrichtung der Antriebswelle 42. Wenn sich das untere Keilteil 37a in X-Achsenrichtung bewegt, bewegt sich das obere Keilteil 37b in vertikaler Richtung in Reaktion auf die Positionsbeziehung zwischen den beiden Keilteilen 37a und 37b auf der Basis der besonderen Funktionsweise des Keilkombinationsmechanismus 37. Die konkrete Beschreibung der Vorgänge erfolgt unter Bezugnahme auf 6. Das obere Keilteil 37a bewegt sich nach unten, wenn sich das untere Keilteil 37a nach links bewegt, während sich das obere Keilteil 37b nach oben bewegt, wenn sich das untere Keilteil 37a nach rechts bewegt, weil das obere Keilteil durch die geneigte Fläche des unteren Keilteils nach oben geschoben wird.
Wie vorher angeführt, ist die Trägerbewegungseinheit gemäß der ersten Ausführung, die durch den Träger für die X-Achsenrichtung 10, den Träger für die Y-Achsenrichtung 20 und den Träger für die Z-Achsenrichtung 30 gebildet ist, in der Lage, den Probenhalter 13, der auf dem Träger für die Z-Achsenrichtung 30 angeordnet ist, in jede Richtung der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse zu bewegen. Wenn sich der Probenhalter 13 bewegt, bewegt sich auch die auf dem Probenhalter platzierte Probe.
In der Trägerbewegungseinheit 12 wird der Körper des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 mit dem Probenhalter 13 verschiebbar (in einer stetigen Gleitbewegung bewegbar) auf dem Oberflächentisch 11 gehalten, wobei der ganze Träger für die Z-Achsenrichtung 30 durch den Träger für die X-Achsenrichtung 10 und den Träger für die Y-Achsenrichtung 20 in X-Achsen- bzw. Y-Achsenrichtung bewegt werden kann. Gemäß der Struktur dieser Trägerbewegungseinheit ist der Träger für die Y-Achsenrichtung 20 auf dem Träger für die X-Achsenrichtung 10 aufgestapelt und der Z-Achsenrahmen 35 des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 ist mit dem Fahrrahmen 31, der bewegbar auf dem Träger für die Y-Achsenrichtung 20 angeordnet ist, verbunden. Für das Verbinden des Z-Achsenrahmens 35 mit dem Fahrrahmen 31 werden Scheibenfedern 36 verwendet. Somit ist die Struktur, die durch die Abschnitte von dem Abschnitt für die X-Achsenrichtung 10 bis zu dem Probenhalter 13 gebildet ist, keine Reihen-Verbindungsstruktur. Zusätzlich zu diesem Merkmal wird der Keilkombinationsmechanismus 37 als Hebe- und Absenkmechanismus für den Träger für die Z-Achsenrichtung 30 verwendet. Die Steifigkeit der Struktur von dem Träger für die X-Achsenrichtung 10 bis zu dem Probenhalter 13 kann vergrößert werden. Weiterhin kann die Höhe des Probenhalters 13 auf den geringsten möglichen Wert verringert werden, da der Abstand von dem Oberflächentisch 11 bis zu dem Probenhalter 13, d.h. die Höhe der Trägerbewegungseinheit 12, durch den Körper des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 bestimmt und der Keilkombinationsmechanismus 37 als Hebe- und Absenkmechanismus verwendet wird.
Wenn der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 sich im Stillstand befindet, kommen die Gleitoberflächen des Keilkombinationsmechanismus 37 und die Bodenplatte 34 in Kontakt miteinander und daher ist immer eine Tragstruktur in vertikaler Richtung (Z-Achsenrichtung) ausgebildet. Weiterhin sind, wie in 6 dargestellt, in der Bodenplatte 34 des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 Luftlöcher (Durchlässe) 34a und Düsen 34b ausgebildet, um zu bewirken, dass Druckluft oder Luft mit Normaldruck strömt und in Richtung auf den Oberflächentisch 11 ausgestoßen wird. Das bedeutet, dass die Bodenplatte 34 einen Luftausstoßmechanismus aufweist, der Luft durch die Düsen 34b ausstößt, die in seiner unteren Oberfläche ausgebildet sind. Die Düsen 34b sind in erforderlicher Anzahl und an den erforderlichen Stellen in der unteren Oberfläche ausgebildet, damit der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 horizontal, durch die Luft gut ausbalanciert schwebt. Wenn sich der Träger für die X-Achsenrichtung und der Träger für die Y-Achsenrichtung in X-Achsenrichtung bzw. Y-Achsenrichtung bewegen, hebt der Luftausstoßmechanismus den gesamten Träger für die Z-Achsenrichtung 30 an und bewegt ihn zusammen mit jenen Trägern mittels des Luftausstoßmechanismus, um stetig auf dem Oberflächentisch 11 zu gleiten. Der Luftausstoßmechanismus funktioniert so, dass er die Luft nur dann synchron ausstößt, wenn die Bewegungen in Richtung der X-Achse und der Y-Achse ausgeführt werden. Daher wird bei der vorliegenden, vorher angeführten Struktur die Steifigkeit des Trägers für die Z-Achsenrichtung 30 durch den Keilkombinationsmechanismus und die Steifigkeit jedes Rahmens in den Trägern für die Z-Achsenrichtung bestimmt.
In der vorher angeführten Ausführung ist die Anzahl der Scheibenfedern 36, die als Verbindungsteil zum Verbinden des Z-Achsenrahmens 35 mit dem sich auf dem Träger für die Y-Achsenrichtung 20 bewegenden Fahrrahmen 31 verwendet werden, nicht auf vier beschränkt. Als Verbindungsteil können anstatt der Scheibenfeder 36 andere Elemente verwendet werden, die in Merkmalen und Funktion im Wesentlichen mit denen der Scheibenfeder identisch sind. Weiterhin ist der in dem Träger für die Z-Achsenrichtung 30 verwendete Hebe- und Absenkmechanismus nicht auf den Keilkombinationsmechanismus 37 beschränkt.
Als Nächstes wird die zweite Ausführung der Trägerbewegungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 8 und 9 erläutert. 8 entspricht 2 und 9 ist eine Draufsicht. In 8 und 9 sind Komponenten, die im Wesentlichen mit denen identisch sind, die in der vorhergehenden ersten Ausführung erläutert wurden, mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
Die Trägerbewegungseinheit der vorliegenden Ausführung ist ebenfalls auf dem Oberflächentisch 11 angeordnet. Das spezielle Merkmal der vorliegenden Ausführung ist, dass ein Y-Achsenrahmen 51 des Trägers für die Y-Achsenrichtung 20 ebenfalls gleitfähig auf dem Oberflächentisch 11 angeordnet ist. Ein X-Achsenrahmen 52 des Trägers für die X-Achsenrichtung 10 weist eine nahezu quadratische Form auf und ist feststehend auf dem Oberflächentisch 11 befestigt. Der Y-Achsenrahmen 20 ist innerhalb des Innenraums des X-Achsenrahmens 52 angeordnet und der Y-Achsenrahmen 51 davon weist eine nahezu rechteckige Form auf und ist so angeordnet, dass er auf der Basis der Führung durch den X-Achsenrahmen in X-Achsenrichtung verschiebbar ist. Eine Bezugszahl 53 bezeichnet ein Gleitteil, dass zwischen dem X-Achsenrahmen 52 und dem Y-Achsenrahmen 51 angeordnet ist. Der Y-Achsenrahmen 51 ist mit dem X-Achsenrahmen 52 verbunden, indem veranlasst wird, dass ein Verbindungsteil 54, das feststehend an dem Y-Achsenrahmen 51 befestigt ist, mit dem X-Achsenrichtung-Antriebsabschnitt 19, der auf dem X-Achsenrahmen 52 angeordnet ist, eingreift. Als Verbindungsteil 54 kann die in der ersten Ausführung erläuterte Scheibenfeder verwendet werden.
Ferner ist der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 innerhalb des Innenraums des Y-Achsenrahmens 51 angeordnet. Der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 weist einen Z-Achsenrahmen 55 in Rechteckform und die Bodenplatte 34 an einer tieferen Position auf und ist so auf dem Oberflächentisch 11 angeordnet, dass er auf der Basis der Führung durch den Y-Achsenrahmen in Y-Achsenrichtung verschiebbar ist. Eine Bezugszahl 56 bezeichnet ein Gleitteil, das zwischen dem Z-Achsenrahmen 55 und dem Y-Achsenrahmen 51 angeordnet ist. Der Z-Achsenrahmen 55 ist mit dem Y-Achsenrahmen 51 verbunden, indem veranlasst wird, dass ein Verbindungsteil 57, das feststehend an dem Z-Achsenrahmen 55 befestigt ist, mit dem Y-Achsenrichtung-Antriebsabschnitt 24, der auf dem Y-Achsenrahmen 51 angeordnet ist, eingreift. Ferner weist der Träger für die Z-Achsenrichtung 30 den vorher angeführten Keilkombinationsmechanismus 37, den Antriebsabschnitt, wie etwa den Motor 41, und den Probenhalter 13 in dem Innenraum des Z-Achsenrahmens 55 auf. Als Verbindungsteil 57 kann ebenfalls die in der ersten Ausführung erläuterte Scheibenfeder verwendet werden.
Die Trägerbewegungseinheit der zweiten Ausführung weist die gleichen technischen Effekte auf, die in der ersten Ausführung erläutert sind. Ferner kann gemäß der Trägerbewegungseinheit der zweiten Ausführung die Höhe der Trägerbewegungseinheit verringert werden, weil die Rahmen 51, 52 und 53 in den Trägern für die X-Achsenrichtung, Y-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung 10, 20 und 30 so ausgestaltet sind, dass eine verschachtelte Kastenstruktur erzeugt wird und daher ihre Höhe nahezu gleich ist und ferner kann die Gesamtausgestaltung der Trägerbewegungseinheit vereinfacht werden kann, weil der Schienenmechanismus zwischen den Trägern für die X-Achsen- und die Y-Achsenrichtung, der in der ersten Ausführung erläutert wurde, nicht erforderlich ist.
Gemäß den vorher angeführten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist die Gesamtsteifigkeit der Trägerbewegungseinheit, da sie nur durch die Steifigkeit des Trägers für die vertikale Richtung (Träger für die Z-Achsenrichtung) bestimmt wird, sehr hoch. Ferner kann, weil der Hebe- und Absenkmechanismus, der in dem Träger für die vertikale Richtung vorgesehen ist, eine durch den Keilkombinationsmechanismus gebildete Schrägflächen-Kontaktstruktur verwendet, eine hohe Steifigkeit der Trägerbewegungseinheit erreicht werden. Ferner kann, weil die Gesamthöhe der Trägerbewegungseinheit nur durch die Höhe des Trägers für die vertikale Richtung bestimmt wird, die Gesamthöhe verringert und dadurch die Höhe des Halterahmens für die Sondenspitze herabgesetzt und die Steifigkeit des Rahmens erhöht werden.

Claims

Trägereinheit, die zum Bewegen einer Probe verwendet wird und die auf einer Gleitoberfläche eines Oberflächentisches (11) befestigt ist, mit: einem Probenhalter (13), an dem die Probe befestigt ist, einem ersten Träger (30) zum Bewegen des Probenhalters (13) in eine Richtung senkrecht zu der Gleitoberfläche, wobei der erste Träger gleitfähig an der Gleitoberfläche angeordnet ist, einem zweiten Träger (10, 20) zum Bewegen des ersten Trägers (30) in Richtungen parallel zu der Gleitoberfläche, wobei der zweite Träger an der Gleitoberfläche angeordnet ist, und Verbindungsteilen (36) zum Verbinden des ersten Trägers (30) mit dem zweiten Träger (10, 20), wobei die Verbindungsteile eine hohe Steifigkeit in Richtung parallel zu der Gleitoberfläche und eine niedrige Steifigkeit in den Richtungen senkrecht zu der Gleitoberfläche haben.
Trägereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (30) einen Keilkombinationsmechanismus (37) aufweist, der als Hebe- und Absenkmechanismus arbeitet.
Trägereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennezeichnet, dass der Keilkombinationsmechanismus (37) ein oberes Keilteil (37b), auf dem der Probenhalter (13) angeordnet ist, und ein unteres Keilteil (37a) aufweist, das durch einen Antriebsabschnitt (41) in der Richtung parallel zu der Gleitoberfläche beweglich ist, und wobei das obere und das untere Keilteil so angeordnet sind, dass ihre geneigten Flächen einander zugewandt sind.
Trägereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (10, 20) einen Träger (10) für eine erste Achsenrichtung und einen Träger (20) für eine zweite Achsenrichtung aufweist und dass der Träger für die erste Achsenrichtung an der Gleitoberfläche befestigt ist und der Träger für die zweite Richtung auf dem Träger für die erste Achsenrichtung so angeordnet ist, dass er durch einen Schienenführungsmechanismus (17, 22) beweglich ist, und eine Fahrrahmen (31) aufweist, der durch einen anderen Schienenführungsmechanismus (23, 33) beweglich ist.
Trägereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der, erste Träger (30) mittels der Verbindungsteile (36) mit dem Fahrrahmen (31) verbunden ist.
Trägereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (10, 20) einen Träger (10) für eine erste Achsenrichtung und einen Träger (20) für eine zweite Achsenrichtung aufweist und dass der Träger für die erste Achsenrichtung an der Gleitoberfläche befestigt ist und dass weiter der Träger für die zweite Richtung in einem Innenraum des Trägers für die erste Achsenrichtung angeordnet ist, um so auf der Gleitoberfläche gleitfähig zu sein.
Trägereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (30) in einem Innenraum des Trägers (20) für die zweite Achsenrichtung so angeordnet ist, dass er auf der Gleitoberfläche beweglich ist.
Trägereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenplatte (34) des ersten Trägers (30) einen Luftauströmmechanismus (34a, 34b) aufweist, der Luft durch Düsen (34b), die an einer unteren Oberfläche der Bodenplatte (34) gebildet sind, ausströmen lässt.
Rastersondenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass es versehen ist mit: einen Detektionsabschnitt (15, 16), der durch einen Trägerrahmen (14) gehalten ist und eine Sondenspitze (16) aufweist, die auf eine Probe gerichtet ist, und einer Trägereinheit (12) mit einem Probenhalter (13), an dem die Probe zum Bewegen der Probe befestigt ist, um so die Relativpositionbeziehung zwischen der Sondenspitze und der Probe zu verändern, wobei die Trägereinheit auf einer Gleitoberfläche eines Oberflächentisches (11) befestigt ist, und die Trägereinheit weiterhin versehen ist mit: einem ersten Träger (30) zum Bewegen des Probenhalters (13) in eine Richtung senkrecht zu der Gleitoberfläche, wobei der erste Träger gleitfähig an der Gleitoberfläche angeordnet ist, einem zweiten Träger (10, 20) zum Bewegen des ersten Trägers (30) in Richtungen parallel zu der Gleitoberfläche, wobei der zweite Träger auf der Gleitoberfläche angeordnet ist, und Verbindungsteilen (36) zum Verbinden des ersten Trägers (30) mit dem zweiten Träger (10, 20), wobei die Verbindungsteile eine hohe Steifigkeit in Richtung parallel zu der Gleitoberfläche und eine niedrige Steifigkeit in den Richtungen senkrecht zu der Gleitoberfläche haben.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (30) einen Teilkombinationsmechanismus (37) aufweist, der als Hebe- und Absenkmechanismus arbeitet.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilkombinationsmechanismus (37) ein oberes Keilteil (37b), auf dem der Probenhalter (13) angeordnet ist, und ein unteres Keilteil (37a) aufweist, das durch einen Antriebsabschnitt (41) in der Richtung parallel zu der Gleitoberfläche beweglich ist, und wobei das obere und das untere Keilteil so angeordnet sind, dass ihre geneigten Flächen einander zugewandt sind.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (10, 20) einen Träger (10) für eine erste Achsenrichtung und einen Träger (20) für eine zweite Achsenrichtung aufweist und dass der Träger für die erste Achsenrichtung an der Gleitoberfläche befestigt ist und der Träger für die zweite Richtung auf dem Träger für die erste Achsenrichtung so angeordnet ist, dass er durch einen Schienenführungsmechanismus (17, 22) beweglich ist, und eine Fahrrahmen (31) aufweist, der durch an den anderen Schienenführungsmechanismus (23, 33) beweglich ist.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (30) mittels der Verbindungsteile (36) mit dem Fahrrahmen (31) verbunden ist.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (10, 20) einen Träger (10) für eine erste Achsenrichtung und einen Träger (20) für eine zweite Achsenrichtung aufweist und dass der Trä ger für die erste Achsenrichtung an der Gleitoberfläche befestigt ist und dass weiter der Träger für die zweite Richtung in einem Innenraum des Trägers für die erste Achsenrichtung angeordnet ist, um so auf der Gleitoberfläche gleitfähig zu sein.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (30) in einem Innenraum des Trägers (20) für die zweite Achsenrichtung so angeordnet ist, dass er auf der Gleitoberfläche beweglich ist.
Rasterprobenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenplatte (34) des ersten Trägers (30) einen Luftauströmmechanismus (34a, 34b) aufweist, der Luft durch Düsen (34b), die an einer unteren Oberfläche der Bodenplatte (34) gebildet sind, ausströmen lässt.