DE69838327T2

DE69838327T2 - Magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem mit mindestens zwei Freiheitsgraden

Info

Publication number: DE69838327T2
Application number: DE69838327T
Authority: DE
Inventors: Walter HÄBERLE; Mark I. Lutwyche; Peter Vettiger
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: US6369400B2; EP0998016A1; US20010045530A1; JP2000152596A; DE69838327D1; EP0998016B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem mit mindestens zwei Freiheitsgraden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnetische Stellglieder finden in einer breiten Palette von Bereichen Anwendung. Sie sind wirtschaftlich, verlässlich, einfach anzutreiben und bieten gute Energie-zu-Gewicht- und Energie-zu-Volumen-Verhältnisse. Sie können in einer großen Vielfalt von Anwendungen, die von einer großen Eisenbahn bis zur kleinsten Uhr reicht, gefunden werden. Die meisten magnetischen Stellglieder – selbst die allerkleinsten – werden jedoch immer noch mit gewickelten Spulen anstatt in einem Verarbeitungsprozess mit bestimmten Losgrößen hergestellt.
Festplatten-Laufwerke enthalten magnetische Stellglieder zum Positionieren der Lese-/Schreibköpfe. Diese Stellglieder sind üblicherweise kompakt und flach, aber sie können nur eine eindimensionale Drehbewegung erzeugen. Dies schränkt ihre Verwendung auf bestimmte Anwendungen ein. Für Speichersysteme, in denen eine Oberfläche eines Speichermediums in x- und y-Richtung abgetastet werden soll, wird eine andere Bauart benötigt.
In der PCT-Patentanmeldung WO 96/07074 , veröffentlicht am 7. März 1996, derzeit übertragen an den vorliegenden Antragsteller, wird eine genaue Positionierungs-Vorrichtung mit atomarer Auflösung beschrieben. Die genaue Positionierungs-Vorrichtung umfasst grundlegend magnetische Stellglieder und – in der bevorzugten Ausführungsform – mechanische Mittel zum Dämpfen oder Verzögern der Bewegung der magnetischen Stellglieder. Das Antriebssystem der magnetischen Stellgliedern ist ähnlich einer Schwingspule. Die genaue Positionierungs-Vorrichtung gemäß WO 96/07074 wird daher als „Schwingspulen-Stellglied" bezeichnet. Sie kann im Gebiet der Rastersonden-Mikroskopie, wie z.B. der Rastertunnel-Mikroskopie (STM) oder Rasterkraft-Mikroskopie (AFM), und/oder im Gebiet der Datenspeicherung verwendet werden, in dem die genaue Positionierung magnetischer, optischer, elektrischer oder mechanischer Schreib- und Abtastvorrichtungen entscheidend ist.
In der Schrift „Microfabrication and parallel Operation of 5x5 2D AFM cantilever arrays for data storage and imaging" von M. Lutwyche u.a., Proc. IEEE International Workshop an MICRO ELECTROMECHANICAL SYSTEMS (MEMS' 98), Heidelberg (Deutschland), 25.-29. Januar 1998, wird ein genaues Positionierungssystem mit 5 Freiheitsgraden vorgestellt. Eine 2D-AFM-Messnadel-Anordnung wird in x- und y-Richtung abgetastet – d.h. parallel zu einer Oberfläche der Anordnung – wobei Schwingspulen-Stellglieder mit Reichweiten von 30 μm bzw. 15 μm verwendet werden. Drei zusätzliche Schwingspulen-Stellglieder, ebenso mit 30 μm Reichweite, werden in einer dreieckigen Anordnung zum Bewegen und Ausrichten der Probe in z-Richtung verwendet – d.h. senkrecht zu einer Oberfläche der Anordnung. Der Hauptvorteil des genauen Positionierungssystems sind sein Volumen und Gewicht.
Die Patentschrift EP 763 881 B1 beschreibt ein System gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Für Datenspeicher-Anwendungen sowie in anderen Anwendungen, z.B. Abtasteinrichtungen mit einem Lichtstrahl oder optische Fokussier- und Ausrichtungssysteme, wird ein Abtastungs- oder Positionierungssystem benötigt, das klein, flach, leicht und stoßfest ist und sich durch schnelle Reaktion, geringen Stromverbrauch und eine große Bewegungsreichweite auszeichnet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile bekannter Abtastungs- oder Positionierungssysteme zu überwinden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abtastungs- oder Positionierungssystem, das mit gewöhnlichen Verarbeitungstechniken mit bestimmten Losgrößen hergestellt werden kann, und ein Herstellungsverfahren für ein solchen Abtastungs- oder Positionierungssystems bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dies wird durch das Abtastungs- oder Positionierungssystem und den Herstellungsprozess gelöst, wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird. Hier wird ein magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem mit mindestens zwei Freiheitsgraden beschrieben, welches umfasst: einen mit mindestens einem Magneten ausgestatteten Stützunterbau, eine bewegliche Plattform, die einen Wafer umfasst, wobei die bewegliche Plattform mit mindestens zwei elektrischen Spulen ausgestattet ist, Stützelemente, die für eine elastische Verbindung zwischen der beweglichen Plattform und dem Stützunterbau sorgen, wobei der Magnet und die elektrischen Spulen so angeordnet sind, dass relative Verschiebungs- und/oder Drehbewegungen der beweglichen Plattform und des Stützunterbaus erzeugt werden, wenn durch die elektrischen Spulen ein Strom geschickt wird, und wobei die elektrischen Spulen flach in der beweglichen Plattform angeordnet sind, wodurch sie mit der beweglichen Plattform eine Anordnung bilden, deren Verhältnis ihrer Gesamtlänge zu ihrer Gesamtdicke größer als 4 zu 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Spulen einen fest eingebauten Bestandteil der beweglichen Plattform darstellen und durch sich durch den Wafer hindurch erstrecken.
Das Funktionsprinzip und die grundlegende Anordnung der Spulenwindungen und der Permanentmagnete sind in 2 und 3 gezeigt. In 2 befinden sich die Windungen in dem vertikalen Feld von Permanentmagneten, wobei sich eine Hälfte der elektrischen Spule über einem Nordpol und die andere Hälfte über einem Südpol befindet. Wenn ein Strom durch die elektrische Spule geschickt wird, wird eine Kraft erzeugt, die die elektrische Spule nach links bewegt (Richtung von Stromfluss und Magnetfeld wie in der Zeichnung angegeben).
In 3 werden die Windungen im Horizontal- oder Randfeld der Permanentmagnete angeordnet, wobei sich eine Hälfte der elektrischen Spule zwischen den Polen und die andere Hälfte neben einem der Pole befindet. Wenn ein Strom durch die elektrische Spule geschickt wird, wird eine Kraft erzeugt, die die elektrische Spule aufwärts bewegt (in z-Richtung; Richtung von Stromfluss und Magnetfeld wie in der Zeichnung angegeben). Das Verwenden von zwei elektrischen Spulen, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der beweglichen Plattform befinden, erlaubt es, eine Neigung um eine horizontale Achse (x- oder y-Neigung) zu erzeugen. Die Auf- und Abbewegung sowie die x- und y-Neigung haben nur eine begrenzte Bewegungsreichweite. Aber dennoch sind sie für viele Anwendungen sehr wichtig.
Die flache Anordnung der beweglichen Plattform und der elektrischen Spulen eröffnet neue Möglichkeiten für die Konstruktion und Herstellung der beweglichen Teile. Besonders die Leichtbau-Konstruktion wird verbessert, die eine für schnelle Reaktion und geringen Stromverbrauch gewünschte Eigenschaft ist. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen wird verringert. Die Resonanzfrequenz ist in der Größenordnung von 100 Hz bis 1 kHz für eine Bewegungsreichweite zwischen 100 μm und 1 mm.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des Abtastungs- oder Positionierungssystems mit mindestens zwei Freiheitsgraden ist seine relativ große Bewegungsreichweite in horizontaler Richtung.
ANMERKUNG: Ein piezoelektrisches Stellglied hat eine Bewegungsreichweite von etwa 10 μm oder weniger.
Das Kombinieren der flachen Anordnung der beweglichen Plattform und der elektrischen Spulen mit einem flachen Stützunterbau und flachen (Permanent-)Magneten ergibt ein Abtastungs- oder Positionierungssystem, welches kompakt, leicht und flach sein kann und ein gutes Energie-zu-Volumen und Energie-zu-Gewicht-Verhältnis hat. Das Abtastungs- oder Positionierungssystem kann in einer großen Vielfalt von Anwendungen einschließlich derzeitiger und zukünftiger Datenspeicher- und Bildgebungssystemen verwendet werden. Die Außenmaße eines solchen Speichersystems könnten für das gesamte System etwa 20 mm × 20 mm × 4 mm sein.
ANMERKUNG: Die kleinste Version des bekannten Schwingspulen-Abtasters hat Außenmaße von etwa 30 mm × 30 mm × 30 mm.
In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Modifikationen und Verbesserungen des Abtastungs- oder Positionierungssystems enthalten:
Die Energienutzung des Abtastungs- oder Positionierungssystems kann durch das Anbringen eines Bauelements verbessert werden, das ein ferromagnetisches Material auf der den Permanentmagneten gegenüberliegenden Seite enthält, z.B. durch das Abdecken des Systems mit einer magnetischen Stahlblech, das den Magnetkreis auf der Oberseite schließt. Dies verringert den magnetischen Widerstand und macht das Magnetfeld gleichförmiger. Das Abdeckblech kann eine Öffnung aufweisen, durch die die bewegliche Plattform zugänglich ist.
Eine gute Flachheit wird erreicht, wenn die Spulen spiralförmig sind, d.h., wenn die Spulenwindungen alle in einer einzigen Ebene liegen.
Die Herstellung wird deutlich vereinfacht, wenn die bewegliche Plattform und die Stützelemente als ein Teil gefertigt werden. In diesem Fall ist es möglich, dasselbe Substrat und/oder dieselbe Prozessabfolge für die Herstellung zu verwenden. Auf dieselbe Weise können die bewegliche Plattform und die Stützelemente mit einem Stützrahmen verbunden werden, an dem die Stützelemente angebracht sind. Das Verwenden desselben Substrates erlaubt das Anwenden von Techniken der Verarbeitung mit bestimmten Losgrößen oder Massenproduktion.
Die Verarbeitung mit bestimmten Losgrößen kann auch angewendet werden, wenn die elektrischen Spulen ein fest eingebauter Bestandteil der beweglichen Plattform sind. Die bewegliche Plattform, die elektrischen Spulen und die elektrischen Leiter, die zum Anschluss der Spulen erforderlich sind, können in der gleichen Prozessabfolge hergestellt werden. Natürlich ist es auch möglich, die Herstellung der beweglichen Plattform und der elektrischen Spulen mit der Herstellung der Stützelemente und des Stützrahmens zu kombinieren. Neben wirtschaftlichen Vorzügen hat die Verarbeitung mit bestimmten Losgrößen auch den Vorteil, dass die resultierenden Komponenten möglichst flach sind.
Geeignete Substrate sind beispielsweise oxidierte Silicium-Wafer oder flache Schichten bestehend aus SiN_x, einem keramischen Material oder einem Metall.
Das beste Energie-zu-Gewicht- und Energie-zu-Volumen-Verhältnis kann erreicht werden, wenn die elektrischen Spulen den Hauptteil der beweglichen Plattform darstellen. Eine solche bewegliche Plattform kann mit dem in den Ansprüchen und im Abschnitt der ausführlichen Beschreibung beschriebenen Prozess hergestellt werden.
Es sind bis zu 6 Freiheitsgrade möglich, wenn die bewegliche Plattform mit zusätzlichen Spulen und der Stützunterbau mit zusätzlichen Permanentmagneten ausgestattet ist.
Die Stützelemente können die Form langer schmaler Balken haben. Dies hat mehrere Vorteile, besonders wenn die Balken zusammen mit der beweglichen Plattform aus demselben Substrat und/oder mit derselben Prozessabfolge erzeugt werden. Lange schmale Balken tragen dazu bei, die Steifigkeit der Plattform-Aufhängung zu verringern und die Ermüdungsdauer der Balken zu erhöhen. In einer Modifikation sind die langen schmalen Balken in mindestens zwei Abschnitte unterteilt, wobei benachbarte Abschnitte einen rechten Winkel bilden. Durch das Führen der Balken um die bewegliche Plattform herum wird eine größere Länge und die freie Deformation der Balken in mehr als eine Richtung erlaubt.
Die Leistungsfähigkeit des Systems könnte durch das Verwenden einer magnetischen Flüssigkeit zum Schließen eines Teils des Luftspaltes zwischen den Permanentmagneten und den elektrischen Spulen verbessert werden. Dies erlaubt ein besseres Kühlen der elektrischen Spulen.
Das Abtastungs- oder Positionierungssystem kann vorteilhaft in Datenspeichersystemen verwendet werden. Ein solches System kann ein Speichermedium mit magnetischen Speicherelementen in nm-Größe umfassen, einen oder mehrere magnetische Lese-/Schreibköpfe, die sich z.B. auf einer Rasterkraft-Mikroskop(AFM-)Messnadel befinden, und das Abtastungs- oder Positionierungssystem, das zum Annähern, Ausrichten und Abtasten des Speichermediums mit den magnetischen Lese-/Schreibköpfen verwendet wird.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft in Annäherungssystemen verwendet werden. Solch ein System umfasst eine ebene Einheit, z.B. ein flaches Substrat, das strukturiert werden soll, und eine zweite Einheit, z.B. eine AFM-Messnadel oder eine Anordnung von AFM-Messnadeln mit jeweils einer oder mehreren Öffnungen. Während des Strukturierens dienen die Messnadeln als Schattenmasken, wie es in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung 9 811 828 3.5, eingereicht am 28. September 1998, derzeit übertragen an den vorliegenden Anmelder, beschrieben ist. Das Annäherungssystem umfasst ferner das Abtastungs- oder Positionierungssystem, mindestens drei Steuereinheiten für die z-Bewegung und die x- und y-Drehung und mindestens drei Sensoren zum Erkennen der Biegung der Messnadeln an drei verschiedenen Stellen. Das Ausgangssignal der Sensoren wird den Steuereinheiten zugeführt. Das Annäherungssystem kann zum Annähern des Substrats mit der Messnadel-Anordnung verwendet werden, sodass die Oberflächen des Substrats und die Messnadel-Anordnung im Wesentlichen parallel sind, und um die Messnadel-Anordnung bei konstanter Höhe bzgl. dem Substrat zu halten.
Das Abtastungs- oder Positionierungssystem kann auch vorteilhaft in Rastersonden-Systemen wie z.B. AFM- oder STM-Systemen und Anwendungen verwendet werden. Wegen der großen Bewegungsreichweite erlaubt es sowohl grobes als auch genaues Positionieren.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden ausführlich mit Bezug auf die folgenden schematischen Zeichnungen beschrieben. Alle Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weder in den wahren Abmessungen dargestellt, noch sind die Verhältnisse zwischen den Abmessungen in einem realistischen Maßstab gezeigt.
1a und 1b zeigen eine Aufsicht und einen Querschnitt eines Abtastungs- oder Positionierungssystems mit zwei Freiheitsgraden (Bewegung in x- und y-Richtung).
2 und 3 veranschaulichen das Funktionsprinzip und die grundlegende Anordnung der Spulenwindungen und Permanentmagnete für die Bewegung in x- und y-Richtung (2) und in z-Richtung (3).
4 zeigt ein Abtastungs- oder Positionierungssystem, das mit einem magnetischen Stahlblech bedeckt ist.
5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit 5 Freiheitsgraden.
6a bis 6i veranschaulichen einen Herstellungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer beweglichen Plattform mit integrierten elektrischen Spulen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um eine Ausführungsform der Erfindung zu verstehen, wird ein in den 1a und 1b gezeigtes Abtastungs- oder Positionierungssystem mit zwei Freiheitsgraden (Bewegung in x- und y-Richtung) hier im Folgenden beschrieben. Die Aufsicht und der Querschnitt sind in den 1a und 1b gezeigt. Das Abtastungs- oder Positionierungssystem umfasst einen Stützunterbau 6, der mit sechs vorzugsweise gleich großen Permanentmagneten 7.1 und 7.2 ausgestattet ist, die ein statisches Magnetfeld erzeugen. Es wird angemerkt, dass jede andere Magnetart, z.B. Elektromagnete, stattdessen verwendet werden kann. Die vier äußeren Magnete 7.1 haben alle dieselbe Polarisierung (Nordpole), während die beiden inneren Magnete 7.1 eine entgegengesetzte Polarisierung (Südpole) aufweisen, was in 1b gezeigt ist. Der Stützunterbau 6 wird vorzugsweise aus magnetischem Stahl hergestellt, wodurch der magnetische Kreis zwischen den Nord- und Südpolen auf der Unterseite geschlossen wird. Das Magnetfeld auf der Oberseite ist schematisch in 1b durch die Magnetfeldlinien 8 dargestellt. In dem vorliegenden System betragen die Außenmaße des Stützunterbaus 6 etwa 20 mm × 20 mm und die Dicke etwa 3 mm. Die Permanentmagnete 7.1 und 7.2 ragen nicht über den Stützunterbau hinaus, sodass die aus dem Stützunterbau 6 und den Permanentmagneten 7.1 und 7.2 bestehende Anordnung im Wesentlichen flach ist. Im Wesentlichen flach bedeutet, dass das Verhältnis R aus der Gesamtlänge und der Gesamtdicke größer als 4:1 (d.h. R > 4) und typischerweise etwa 10:1 (R = 10) oder noch größer ist.
Das Abtastungs- oder Positionierungssystem umfasst ferner eine bewegliche Plattform 1, die mit vier elektrischen spiralförmigen Spulen 2 ausgestattet ist, einen Stützrahmen 5 und vier Stützelemente 4, die für eine elastische Verbindung zwischen der beweglichen Plattform 1 und dem Stützrahmen 5 sorgen. Die aus der beweglichen Plattform 1 und den elektrischen Spulen 2 bestehende Anordnung ist ebenso im Wesentlichen flach, d.h., das Verhältnis R ist größer als 4:1 (R > 4) und beträgt typischerweise etwa 15:1 (R = 15). Alle unbenutzten Flächen auf der beweglichen Plattform 1 werden ausgespart, um die Masse möglichst gering zu halten. Die Verbindungen der elektrischen Spulen 2 mit der externen Stromversorgungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 1a und 1b nicht gezeigt. Die Verbindungen könnten z.B. mittels Einzelverdrahtung oder mit einer zweiten Metallisierungsschicht ausgeführt werden, um das innere Ende der elektrischen Spulen 2 und die elektrischen Spulen 2 mittels elektrischer Leiter, die sich über die Stützelemente 4 erstrecken, mit externen Anschlusspunkten zu verbinden.
Die elektrischen Spulen 2 sind im vertikalen Feld der Permanentmagnete 7.1 und 7.2 gelegen, wobei die Südpole 7.2 für alle elektrischen Spulen 2 identisch sind. Die Permanentmagnete 7.1 und 7.2 und die bewegliche Plattform 1 sind durch einen Spalt getrennt, sodass sie sich nicht berühren. Im Betrieb erzeugt ein durch eine der Spulen 2 fließender Strom eine Kraft in x- oder y-Richtung, d.h. parallel zu einer Oberfläche der beweglichen Plattform 1. Eine Verschiebungsbewegung wird erzeugt, wenn der Vektor des Stromflusses in gegenüberliegenden elektrischen Spulen gleich ist, und ein zusätzlicher Drehimpuls und eine Drehbewegung um die z-Achse werden erzeugt, wenn der Vektor des Stromflusses in gegenüberliegenden Spulen nicht gleich ist (d.h. verschieden in Richtung oder Größe). Um zweckmäßige Verschiebungsbewegungen zu erreichen, muss die von einer einzelnen stromführenden Spule oder einer Gruppe von Spulen erzeugte Kraft mit der Reaktionskraft der Plattform-Aufhängung fluchten. Dies wird am besten durch eine symmetrische Anordnung der elektrischen Spulen 2 und der Stützelemente 4 erreicht. In dem Abtastungs- oder Positionierungssystem wird jeweils ein Spulenpaar für die x- und y-Bewegung verwendet, und die Anordnung der elektrischen Spulen 2 ist achsensymmetrisch, wobei sie eine vierfache Symmetrie aufweist. Alle vier Stützbalken haben dieselbe Form und dieselbe Federkonstante. Die Befestigung der beweglichen Plattform 1 und des Stützrahmens 5 ist üblicherweise auch symmetrisch und befindet sich vorzugsweise in der Mitte oder in den Ecken der Plattform und des Rahmenumfangs.
Die bewegliche Plattform 1 mit den elektrischen Spulen 2, der Stützrahmen 5 und die Stützelemente 4 werden in derselben Prozessabfolge mittels Verarbeitungstechniken mit bestimmten Losgrößen hergestellt. Folgender Herstellungsprozess könnte verwendet werden: Ausgehend von einem größeren Substrat wie z.B. einem oxidierten Silicium-Wafer, werden die elektrischen Spulen 2 z.B. durch das Abscheiden einer Saatschicht hergestellt, gefolgt von einer Lithographie und einem Ätzschritt. Die elektrischen Leiter werden dann durch eine galvanische Beschichtung aufgebaut. Die bewegliche Plattform 1, der Stützrahmen 5 und die Stützelemente 4 werden in einer zweiten Lithographie und einem Ätzschritt hergestellt.
Die so erzeugte bewegliche Plattform 1 mit den elektrischen Spulen 2, der Stützrahmen 5 und die Stützelemente 4 haben eine Gesamtdicke von etwa 0,8 mm und bilden eine im Wesentlichen flache Anordnung, die ein Verhältnis R von etwa 27 hat. Die Außenmaße des gesamten Abtastungs- oder Positionierungssystems sind typischerweise etwa 20 mm × 20 mm × 4 mm.
In der elementarsten Ausführungsform (in keiner Figur dargestellt) umfasst das Abtastungs- oder Positionierungssystem mit zwei Freiheitsgraden (z.B. Bewegung in x- und y-Richtung) den Stützunterbau 6, ausgestattet mit nur einem (Permanent-)Magnet 7.1 oder 7.2, wobei sich entweder der Nord- oder der Südpol oben befindet. Der Stützunterbau 6 wird vorzugsweise aus magnetischem Stahl hergestellt, wodurch der Magnetkreis auf der Unterseite geschlossen wird. Das System umfasst ferner die bewegliche Plattform 1, ausgestattet mit nur zwei elektrischen Spulen, den Stützrahmen 5 und vier Stützelemente 4, die für eine elastische Verbindung zwischen der beweglichen Plattform 1 und dem Stützrahmen 5 sorgen. Die elektrischen Spulen 2 werden teilweise, z.B. mit einer Hälfte, im vertikalen Feld des (Permanent-)Magneten 7.1 oder 7.2 angeordnet, wobei eine Spule in Längsrichtung und eine entlang der Breite des Permanentmagneten 7.1 oder 7.2 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 7.1 oder 7.2 und die bewegliche Plattform 1 werden durch einen Spalt getrennt, sodass sie keinen Kontakt haben. Im Betrieb erzeugt ein durch eine der elektrischen Spulen 2 fließender Strom eine Kraft in x- oder y-Richtung, d.h. parallel zu einer Oberfläche der beweglichen Plattform 1.
Um eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung noch besser zu verstehen, wird auf 4 Bezug genommen, die ein mit einem magnetischen Stahlblech 42 bedecktes Abtastungs- oder Positionierungssystem zeigt. Die Öffnung 41 in der Mitte des magnetischen Stahlblechs 42 ist optional und hängt von der Anwendung ab. Die bewegliche Plattform 1 ist mit vier elektrischen Spulen 2 ausgestattet, von denen zwei in dem Querschnitt in 4 gezeigt sind. Das Abtastungs- oder Positionierungssystem umfasst ferner einen Stützunterbau 6, der mit vier Paaren von Permanentmagneten 7.1 und 7.2 ausgestattet ist, von denen zwei Paare in dem Querschnitt aus 4 gezeigt sind. Die Permanentmagnete 7.1 und 7.2 und die elektrischen Spulen 2 befinden sich außerhalb der Öffnung 41, um vollen Nutzen aus dem magnetischen Stahlblech 42 zu ziehen. Im Betrieb erzeugt ein durch eine der elektrischen Spulen 2 fließender Strom eine Kraft in x- oder y-Richtung, d.h. parallel zu einer Oberfläche der beweglichen Plattform 1. Wegen des magnetischen Stahlblechs 42 an der Oberseite wird der magnetische Widerstand verringert, während die magnetische Induktion und der Energie-Wirkungsgrad erhöht werden. Zusätzlich ist das Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten 7.1 und 7.2 und dem magnetischen Stahlblech 42 gleichförmiger, als das offene Feld des in den 1a und 1b gezeigten Systems. Eine typische Anwendung sind Speichersysteme. Solch ein System kann ein Speichermedium 44, das sich auf der beweglichen Plattform 1 befindet, und einen Lese-/Schreibkopf 45 umfassen, der sich auf dem Stützunterbau 6 befindet. In einer anderen, in 4 nicht gezeigten Anwendung könnte eine AFM-Messnadel an der beweglichen Plattform 1 befestigt sein. Die Messnadel könnte auch zum Abtasten einer Oberfläche einer externen Einheit verwendet werden. In diesem Fall wird die Öffnung 41 in dem magnetischen Stahlblech 42 benötigt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt. Dabei handelt es sich um ein ebenes Abtastungs- oder Positionierungssystem mit 5 Freiheitsgraden. Das Abtastungs- oder Positionierungssystem umfasst eine bewegliche Plattform 1, die mit 9 elektrischen Spulen 2 ausgestattet ist, einen Stützrahmen 5 und vier Stützelemente 4, die für eine elastische Verbindung zwischen der beweglichen Plattform 1 und dem Stützrahmen 5 sorgen. Die Außenmaße des Stützrahmens 5 sind etwa 20 mm × 20 mm. Die neun elektrischen Spulen 2 haben folgende Aufgaben: Zwei sind für die x-Bewegung, zwei für die y-Bewegung und eine für die z-Bewegung und jeweils zwei für die x- und y-Drehung. Mit einer zusätzlichen Spule wäre auch eine z-Drehung möglich. Die Anordnung der elektrischen Spulen 2 ist im oberen Teil von 5 dargestellt. Die Stützelemente 4 haben die Form langen schmaler Balken, d.h., das Verhältnis ihrer Länge zu ihrer Breite ist größer als 10 und typischerweise etwa 40, und jeder Balken ist in zwei Abschnitte unterteilt, die einen rechten Winkel bilden. Alternativ könnten die Stützelemente 4 beispielsweise relativ große Elemente umfassen, die aus Elastomer-Material bestehen. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die langen schmalen Balken hauptsächlich aus zwei Kupferleitern, die sich in geringer Entfernung parallel erstrecken. Die Kupferleiter werden zur Stromzuführung für die elektrischen Spulen 2 verwendet. Drei der Leiter werden als Masse verwendet, sodass jeweils einer für die x-, y- und z-Bewegung und die beiden Drehungen verbleibt. Die Länge der Stützelemente wird so festgelegt, dass ein Strom von 0,5 A eine Bewegung von etwa 1 mm in x- und y-Richtung und etwa 100 μm in z-Richtung bewirkt. Dies ergibt eine Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 100 Hz. Ein Strom von 0,5 A hat eine Temperaturerhöhung in der Größenordnung von 2 °C zur Folge. Das Abtastungs- oder Positionierungssystem umfasst ferner sechs Permanentmagnete 7.1 und 7.2, die in einer Ebene unter der beweglichen Plattform 1 angeordnet sind, wobei die Pole von mehreren Spulen gemeinsam benutzt werden. Die Permanentmagnete 7.1 und 7.2 werden von der beweglichen Plattform 1 durch einen Spalt getrennt, sodass sie keinen Kontakt miteinander haben. Die Anordnung der Permanentmagnete 7.1 und 7.2 ist im unteren Teil von 5 gezeigt. Die Permanentmagnete 7.1 und 7.2 befinden sich auf einem Stützunterbau, der zur besseren Übersichtlichkeit nicht in 5 gezeigt ist. Im Betrieb erzeugt ein durch die elektrischen Spulen 2 fließender Strom eine Kraft, die die bewegliche Plattform 1 in x-, y- oder z-Richtung bewegt oder sie etwas um die x- oder y-Achse dreht. Die elektrischen Spulen 2 sind in die bewegliche Plattform 1 integriert und werden in derselben Prozessabfolge wie die Stützelemente 4 und der Stützrahmen 5 hergestellt, wobei ein im nächsten Abschnitt beschriebener Verarbeitungsprozess mit bestimmten Losgrößen verwendet wird.
Ein Verarbeitungsprozess mit bestimmten Losgrößen zum Herstellen einer beweglichen Plattform 1 mit integrierten elektrischen Spulen 2 wird beschrieben. Die Stützelemente 4 und ein Stützrahmen 5 können auch in derselben Prozessabfolge hergestellt werden. Der Prozess ist in den 6a bis 6i veranschaulicht. Der Prozess beginnt mit einem größeren Substrat 61, z.B. einem etwa 500 μm dicken oxidierten Silicium-Wafer mit etwa 1 μm thermischem Oxid auf beiden Seiten.

– Zuerst werden tiefe Gräben 64 festgelegt, die die Form der zu bildenden elektrischen Spulen 2 haben. 6a zeigt den Silicium-Wafer 61 mit den tiefen Gräben 64. Die tiefen Gräben 64 könnten folgendermaßen erzeugt werden: Der Wafer 61 wird mit einem Lack beschichtet, der mittels einer Maske strukturiert wird, die die seitliche Form der elektrischen Spulen 2 und der Verbindungen vorgibt. Entlang der Windungen und Verbindungen verbleiben in einem Abstand von jeweils 1 mm schmale, etwa 10 μm breite Brücken 63. Zuerst wird das Oxid 62 entweder durch einen Nass- oder Trockenprozess geätzt. Ein anisotropes Ätzen der tiefen Graben wird dann etwa 380 μm tief in den Wafer 61 hinein ausgeführt. Darauf folgt ein isotropes 5 μm tiefes Ätzen, das das Oxid 62 hinterschneidet und die Brücken 63 freigibt.
– Der Wafer wird dann neu oxidiert, sodass die tiefen Graben 64 eine isolierende Oxidschicht 65 aufweisen.
– Dann wird eine Keimschicht 68 wie in 6b und 6c gezeigt abgeschieden: Eine Schicht aus Titan – für die Adhäsion – und eine etwa 1 μm dicke Kupferschicht werden auf der Vorderseite abgeschieden. Die Hinterschneidung des Oxids 62 bewirkt, dass das Metall 66 auf der Unterseite der tiefen Graben 64 nicht die Oberseite berührt. Wenn 20 μm Kupfer auf die Oberseite galvanisiert werden, wird auf diese Weise die Unterseite nicht beschichtet. Das Kupfer auf der Unterseite der tiefen Gräben 64 kann ohne ein nassen Ätzen weggeätzt werden.
– 6d zeigt den Wafer 61 nach dem öffnen der tiefen Graben 64 von der Rückseite. Dies kann folgendermaßen durchgeführt werden: Das Oxid 62 wird von der Rückseite des Wafers 61 entfernt, und das Silizium auf der Rückseite wird in Tetramethyl-Ammonium-Hydroxid (TMAH) nass geätzt, bis der Grund der tiefen Gräben 64 erreicht ist. Auf der Rückseite bleibt das Oxid 70 auf dem Grund der tiefen Gräben 64 zurück. Während des rückseitigen Ätzens wird der Wafer 61 durch die Brücken 69, die durch ihre 20μm-Kupferschicht relativ starr sind, unversehrt erhalten.
– In 6e wurden die tiefen Gräben 64 mit einem leitfähigen Material gefüllt. Dies könnte wie folgt durchgeführt werden: Das Oxid 70 auf dem Grund der tiefen Gräben 64 kann entweder durch beispielsweise Trockenätzen, Nassätzen oder einfach durch mechanische Mittel entfernt werden, z.B. durch das Bürsten mit einem kleinen Pinsel. Der Wafer 61 wird nun mit der Rückseite nach oben in eine Galvanisiereinrichtung eingebaut, und Kupfer wird zum Füllen der Gräben 64 galvanisch abgeschieden, wobei das vorderseitige Kupfer (68, 69) als eine Keimschicht verwendet wird.
– Als Nächstes wird eine zweite Metallisierung 77 wie in 6f bis 6h gezeigt aufgebracht. Die zweite Metallisierung 77 könnte wie folgt erzeugt werden: Das Kupfer 71 auf der Vorderseite wird abgeätzt, bis keine Kurzschlüsse zwischen den Windungen der Spule(n) vorhanden sind. Dann wird eine neue Kupfer-Kontaktschicht 73 auf die Rückseite aufgedampft. Ein Fotolack 75 mit guten Isolationseigenschaften, z.B. ein Epoxid, PMA oder PMMA, wir dann auf die Vorderseite aufgeschleudert und strukturiert. Dieser Fotolack 75 hat zwei Funktionen: Zuerst legt er die endgültige Freigabestruktur der beweglichen Plattform 1 und der zusätzlichen Teile wie die Stützelemente 4 oder der Stützrahmen 5 fest. Die zweite Funktion besteht darin, als eine dielektrische Isolierung zwischen den Windungen und den Verbindungen in den tiefen Gräben 64 und der zweiten Metallisierung 77 zu wirken, die die verschiedenen elektrischen Spulen 2 miteinander verbinden. Verbindungslöcher werden dann in den Fotolack 75 zum Anschließen der elektrischen Spulen 2 ausgeführt. Eine Keimschicht aus Titan und Kupfer wird dann abgeschieden und durch Nassätzen strukturiert, um die zweite Metallisierungs-Verdrahtung festzulegen. Die Keimschicht wird dann mit Kupfer etwa 15 μm dick galvanisch abgeschieden, um die zweite Metallisierung 77 zu bilden. Die 1μm-Kontaktschicht 73 auf der Rückseite wird dann durch nassen Ätzen weggeätzt.
– Der letzte Schritt ist in 6i gezeigt: Die bewegliche Plattform 1 wird vom Substrat 61 gelöst, indem die Substratflächen um die bewegliche Plattform herum entfernt werden. Dies kann z.B. mit einem tiefen reaktiven Ionenätzen durchgeführt werden, wobei der isolierende Fotolack 75 und das Kupfer als eine Ätzmaske verwendet werden. Die Stützelemente 4 und der Stützrahmen 5 können in demselben Schritt vom Substrat 61 gelöst werden.

Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Prozessschritte nicht in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen.
Zu typischen Anwendungen des beschriebenen Abtastungs- oder Positionierungssystems zählen

– Rastersonden-Systeme wie z.B. Rasterkraft-Mikroskopie(AFM) oder Rastertunnel-Mikroskopie-(STM) Systeme und ihre Anwendungen,
– Datenspeichersysteme,
– Lichtstrahlen-Abtaster
– integrierte optische Ausrichtungssysteme,
– Fokussiersysteme,
– genaues Positionieren in der Robotertechnik,
– Verbraucherprodukte wie Videokameras.

Claims

Magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem mit mindestens zwei Freiheitsgraden, das Folgendes umfasst: einen Stützunterbau (6), der mit mindestens einem Magneten (7.1 oder 7.2) ausgestattet ist, eine bewegliche Plattform (1), die einen Wafer (61) umfasst, wobei die bewegliche Plattform (1) mit mindestens zwei elektrischen Spulen (2) ausgestattet ist, Stützelemente (4), die eine elastische Verbindung zwischen der beweglichen Plattform (1) und dem Stützunterbau (6) bereitstellen, wobei der Magnet (7.1 oder 7.2) und die elektrischen Spulen (2) so angeordnet sind, dass relative Verschiebungs- oder Drehbewegungen der beweglichen Plattform (1) und des Stützunterbaus (6) erzeugt werden, wenn ein Strom durch die elektrischen Spulen (2) fließt, und wobei die elektrischen Spulen flach in der beweglichen Plattform (1) angeordnet sind, wodurch sie mit der beweglichen Plattform (1) eine Anordnung bilden, deren Verhältnis ihrer Gesamtlänge zu ihrer Gesamtdicke größer als 4 zu 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Spulen (2) einen integralen Bestandteil der beweglichen Plattform (1) darstellen und durch den Wafer (61) hindurch führen.
System nach Anspruch 1, worin der Stützunterbau (6) und der Magnet (7.1 oder 7.2) flach und so angeordnet sind, dass eine Anordnung gebildet wird, deren Verhältnis ihrer Gesamtlänge zu ihrer Gesamtdicke größer als 4 zu 1 ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, welches von einem Blech (42) bedeckt ist, das ein magnetisches Material zum Schließen des Magnetkreises auf der Oberseite umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die elektrischen Spulen (2) flache Spulen sind, die an der beweglichen Plattform (1) angebracht sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die elektrischen Spulen (2) spiralförmig sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die bewegliche Plattform (1) mit zusätzlichen Spulen und der Stützunterbau (6) mit zusätzlichen Magneten ausgestattet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Stützelemente (4) oder ein elektrisch leitender Teil der Stützelemente (4) zum Zuführen des Stromes zu den elektrischen Spulen (2) verwendet werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zum Herstellen der Stützelemente (4) und der beweglichen Plattform (1) dasselbe Substrat und/oder dieselbe Prozessabfolge wie für die bewegliche Plattform (1) und/oder die elektrischen Spulen (2) verwendet wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Stützelemente (4) und ein Stützrahmen (5), mit dem die Stützelemente (4) verbunden sind, aus demselben Substrat oder mit derselben Prozessabfolge hergestellt wurden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stützelemente (4) lange Balken sind.
System nach Anspruch 10, worin die langen Balken in mindestens zwei Abschnitte unterteilt sind, wobei benachbarte Abschnitte einen Winkel bilden, vorzugsweise einen rechten Winkel.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin die bewegliche Plattform (1) ein aus Si, SiN_x, einem keramischen Material oder einem Metall hergestelltes Substrat umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die bewegliche Plattform (1) und mindestens zwei elektrische Spulen (2) durch einen ebenen und/oder Dünnschicht- und/oder Dickschichtprozess und/oder galvanischen Prozess hergestellt wurden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin der Spalt zwischen dem Magneten (7.1 oder 7.2) und der beweglichen Plattform (1) und/oder den elektrischen Spulen (2) mit einer magnetischen Flüssigkeit gefüllt ist.
System nach Anspruch 1 oder 6, welches mindestens 3 Freiheitsgrade hat, wobei das System wenigstens 3 Steuereinheiten umfasst und verwendet werden kann, um zwei im Wesentlichen ebene Einheiten auszurichten und/oder so in Kontakt zu bringen, dass die Oberflächen dieser Einheiten im Wesentlichen parallel gehalten werden.
Speichersystem, welches ein Speichermedium (44), eine Schreib- und/oder Abtasteinheit (45) und ein magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem gemäß Anspruch 1 oder 8 zum Annähern des Speichermedium (44) und der Schreib- und/oder Abtasteinheit (45) relativ zueinander und zum Abtasten des Speichermediums (44) umfasst.
Ausrichtungssystem, welches ein magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem gemäß Anspruch 1 oder 6 umfasst.
Annäherungssystem, welches ein magnetisches Abtastungs- oder Positionierungssystem gemäß Anspruch 6 oder 15 umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer beweglichen Plattform (1) mit integrierten elektrischen Spulen (2), welches folgende Schritte umfasst: Herstellen tiefer Gräben (64) in einem flachen Substrat (61), die die Form der zu bildenden elektrischen Spulen (2) haben, Aufwachsen oder Abscheiden einer Isolierschicht (65) auf den Seitenwänden der tiefen Gräben (64), falls das Substrat (61) leitfähig ist, Öffnen der tiefen Gräben (64) von der Rückseite, Füllen der tiefen Gräben (64) mit einem elektrisch leitfähigen Material, Bereitstellen einer zweiten Metallisierungsschicht (77).
Verfahren nach Anspruch 19, worin in einem zusätzlichen Schritt die Substratflächen um die bewegliche Plattform (1) herum entfernt werden, um die bewegliche Plattform (1) von dem Substrat 61 zu lösen.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Prozessschritte und das flache Substrat (61) auch zum Herstellen eines Stützrahmens (5) und/oder von Stützelementen (4) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die tiefen Gräben (64) mit einem leitfähigen Material durch galvanisches Beschichten gefüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei enge Brücken in einer Opferschicht (66, 68), vorzugsweise eine zum Füllen der tiefen Graben 64 durch galvanisches Beschichten verwendbare leitfähige Keimschicht, verwendet werden, um die bewegliche Plattform (1) während dem rückseitigen Ätzen und Füllen der tiefen Gräben (64) zusammenzuhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei das Substrat (61) ein Silicium-Wafer ist.