DE102004002199B4 - Dreiachs-Linearbewegungseinheit und Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe hiermit - Google Patents

Dreiachs-Linearbewegungseinheit und Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe hiermit Download PDF

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Abstract

Dreiachs-Linearbewegungseinheit mit:
– einer Bodenplatte (40) mit einer bestimmten Fläche und Dicke,
– einer X-Achseneinheit (10), die in einem Referenzbereich (RR) der Bodenplatte (40) befestigt ist, um einen ersten X-Bereich (RX1), der von dem Referenzbereich (RR) in Richtung der X-Achse angeordnet ist, in Richtung der X-Achse zu bewegen,
– wobei die X-Achseneinheit (10) ein piezoelektrisches Element (13) aufweist, an dem beiderseits jeweils ein X-Verstärkungsteil (12-1, 12-2) vorgesehen ist,
– wobei die X-Verstärkungsteile (12-1, 12-2) dafür eingerichtet sind, eine Längenänderung in Richtung der Y-Achse des piezoelektrischen Elementes (13) zu verstärken und den ersten X-Bereich (RX1) entsprechend der verstärkten Längenänderung in Richtung der X-Achse zu verschieben, und
– wobei die Verstärkungsteile (12-1, 12-2) zur Verringerung des Gewichtes der X-Achseneinheit (10) jeweils mit einem Loch (18-1, 18-2) ausgebildet sind,
– einer Y-Achseneinheit (20), die innerhalb des ersten X-Bereichs (RX1) angeordnet ist und in einem zweiten X-Bereich (RX2)...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit oder Dreiachs-Linearbewegungsbühne zum Durchführen einer geradlinigen Bewegung in drei Achsen, mit Einheiten oder Bühnen für die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse, um die Probe unabhängig und präzise in Richtung der X-Achse, der Y-Achse oder der Z-Achse rechtwinkliger Koordinaten zu bewegen. Die Dreiachs-Linearbewegungseinheit kann insbesondere als Tisch oder Bühne ausgebildet sein. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Dreiachs-Linearbewegungseinheit in einer Vorrichtung zum Untersuchen, insbesondere Vermessen, einer Probe.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Gewöhnlich verwendet eine Einheit, die dazu verwendet wird, eine bestimmte Probe in einem Rastermikroskop in Richtung der X-Achse, Y-Achse oder Z-Achse auf der Basis von rechtwinkligen Koordinaten zu scannen, ein piezoelektrisches Element, wie beispielsweise eine Piezoröhre.
  • 1 ist eine Strukturansicht zum Erläutern des Funktionsprinzips einer Einheit, die unter Verwendung einer Piezoröhre ausgeführt ist.
  • Die Piezoröhre ist ein piezoelektrisches Element, das in Abhängigkeit von der Größe des außenseitig erfahrenen Drucks negative und positive elektrische Ladung erzeugt. Hingegen wird im Fall einer angelegten Spannung ihre Länge in Abhängigkeit von der Größe der Spannung vergrößert oder verkleinert. Wie in 1 gezeigt ist, wird, wenn die Spannung von der elektrischen Stromquelle an den beiden Enden der Piezoröhre 100 angelegt wird, die Länge der Piezoröhre 100 von L0, d.h. der Länge vor dem Anlegen der Spannung, um ΔL erhöht und wird zu L0 + ΔL. Gleichzeitig wird der Durchmesser in derjenigen radialen Richtung, die senkrecht zu ihrer longitudinalen Richtung steht, von D0, d.h. dem Durchmesser vor dem Anlegen der Spannung, um – ΔD verringert und wird zu D0 – ΔD. Somit kann eine Probe, die an der Piezoröhre in einer Einheit gehalten ist, an der die oben genannte zylindrische Piezoröhre 100 angebracht ist, exakt in deren longitudinale und radiale Richtung entsprechend der Bewegung der Piezoröhre 100 verschoben werden.
  • Da jedoch bei der Einheit, an der die Piezoröhre angebracht ist, die Bewegung in der radialen Richtung der X-Achse und der Y-Achse und die Bewegung in der longitudinalen Richtung der Z-Achse der Piezoröhre, welche die Probe hält, gegenseitig voneinander abhängen, wird die Probe dann, wenn ein Benutzer die Piezoröhre beeinflusst, um die Probe in die gewünschte Richtung der X-Achse oder der Y-Achse zu verschieben, gleichzeitig unerwünschterweise in die Richtung der Z-Achse verschoben. Somit muss die Verschiebung, die aufgrund der Verschiebung in der unerwünschten Richtung der Z-Achse erzeugt wird, kompensiert werden.
  • Da allerdings eine Korrelation zwischen der von der Piezoröhre erzeugten Verschiebung und der Richtung der Verschiebung hiervon häufig unklar ist, wird, sogar wenn die Prozedur zum Kompensieren der Verschiebung einer beliebigen Richtung angewandt wird, möglicherweise ein weiterer Fehler während der Kompensationsprozedur in den Kompensationswert eingeführt. Es besteht somit ein Problem dahingehend, dass die bekannte Einheit, die die Form und Eigenart des piezoelektrischen Elements ausnutzt, die Probe häufig nicht präzise verschieben kann.
  • Um das Problem der bekannten Einheit zu lösen, wurde eine Linearbewegungseinheit zum Bewegen der Probe unter Verwendung der Verschiebung des piezoelektrischen Elementes in einer Richtung (der Verschiebung aufgrund der geradlinigen Bewegung) entwickelt.
  • 2 ist eine Strukturansicht einer bekannten Linearbewegungseinheit mit einem flexiblen Mechanismus vom Hebel-Typ. Der in 2 gezeigte Mechanismus weist einen Hebel 90 mit einer vorher bestimmten Länge auf, sowie eine flexible Drehbefestigung 91, die ein Rotationszentrum des Hebels 90 ist und deren eines Ende befestigt ist, und eine Halterung 94, die zum Haltern der bestimmten Probe am anderen Ende, der Befestigungsseite für die flexible Drehbefestigung 91 gegenüber, angebracht ist.
  • Gemäß dem Mechanismus wird beispielsweise dann, wenn eine Kraft 93 einer bestimmten Größe an einem Punkt P1 neben dem Rotationszentrum O des Hebels 90 so aufgebracht wird, dass der Hebel 90 mit der Rotationsverschiebung T1 bewegt wird, ein Punkt P2 des Hebels, an dem die Halterung 94 angebracht ist, mit der Rotationsverschiebung T2 gedreht. Hierbei ist die Rotationsverschiebung T2 des Punkts P2 zur Rotationsverschiebung T1 des Punkts P1 proportional zum Verhältnis des Abstandes des Rotationszentrums O vom Punkt P2 zum Abstand des Rotationszentrums O vom Punkt P1 {T2 = (T1)(P2)/(P1)}.
  • Allerdings wird, obwohl das piezoelektrische Element mit einem Bereich von mehreren μm bis zu mehreren Zehn μm seinen Verschiebungsbereich durch den Hebel 90 vergrößert oder verstärkt, die Probe, die am Ende des Hebels platziert ist, nicht in einer vollständig geradlinigen Richtung verschoben, da die Verschiebung des Endes des Hebels 90 in der Umfangsrichtung erzeugt wird.
  • Zwischenzeitlich wurde, um das Problem der Einheit mit dem oben genannten Mechanismus zu lösen, eine Doppelfedereinheit entwickelt, die eine Doppellinearfeder aufweist, die am Hebel angebracht ist. Allerdings verschiebt die Doppellinearfedereinheit die am Hebel angeordnete Probe ebenfalls nicht in geradliniger Richtung.
  • Die US 5,861,549 offenbart eine durch Mikromechanikbearbeitung hergestellte Scanbühne zur Verwendung in einem Rasterkraftmikroskop. Die Scanbühne weist eine Bühne für eine Bewegung in der X-Achse und eine weitere eine Bühne für eine Bewegung in der Y-Achse auf. Zum Betätigen dieser Bühnen sind stirnseitig an den Bühnen plattenförmige Piezowandler vorgesehen, deren Krümmung sich spannungsabhängig ändert.
  • Die DE 199 49 044 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Feinpositionierung eines Bauteils mit einer Doppelparallelfeder-Anordnung.
  • Aus der JP 09-068657 A ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine Bewegung eines elektromechanischen Wandlers verstärkbar ist. Die Vorrichtung weist zwei V-artige Elemente auf, die beiderseits des Wandlers angeordnet sind.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit anzugeben, welche eine bestimmte Probe halten und welche die Probe unabhängig und präzise in geradliniger Richtung verschieben kann.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit anzugeben, um eine bestimmte Probe zu halten, mit Einheiten für die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse, die flexible Mechanismen aufweisen, um die Probe unabhängig bzw. präzise in geradliniger Richtung zu verschieben.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit anzugeben, um eine bestimmte Probe zu halten, mit Einheiten für die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse, die eine komplexe Drehbefestigung und/oder einen symmetrischen Verstärker aufweisen, um die Probe unabhängig und präzise in geradliniger Richtung zu verschieben.
  • Um die zuvor genannten Aufgaben zu lösen, weist eine erfindungsgemäße Dreiachs-Linearbewegungseinheit unter anderem auf: eine Bodenplatte mit einer vorher bestimmten Oberfläche und Dicke; eine X-Achseneinheit, die in einem Referenzbereich der Bodenplatte befestigt ist, um einen ersten X-Bereich, der von der Referenz in Richtung der X-Achse angeordnet ist, in Richtung der X-Achse zu bewegen; eine Y-Achseneinheit, die innerhalb des ersten X-Bereichs angeordnet ist und in einem zweiten X-Bereich innerhalb des ersten X-Bereichs befestigt ist, um einen ersten Y-Bereich, der vom zweiten X-Bereich in Richtung der Y-Achse angeordnet ist, in Richtung der Y-Achse zu bewegen; und eine Z-Achseneinheit, die in einem zweiten Y-Bereich innerhalb des ersten Y-Bereichs befestigt ist und die eine vorher bestimmte Probe hält, um die Probe in Richtung der Z-Achse zu bewegen. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse bezeichnen Achsen von rechtwinkligen Koordinaten. Die X-, Y- und/oder Z-Bereiche können insbesondere als Flächen oder Oberflächen ausgebildet sein.
  • Ferner kann vorgesehen sein: Eine Vorrichtung zum Untersuchen und/oder Vermessen einer Probe unter Verwendung einer Dreiachs-Linearbewegungseinheit, wobei die Vorrichtung eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit aufweist, die eine vorher bestimmte Probe hält und die die Probe unabhängig, präzise und exakt in Richtung der X-Achse, der Y-Achse oder der Z-Achse verschiebt, sowie ein Rastermikroskop, insbesondere ein Rasterkraftmikroskop, das die Dreiachs-Linearbewegungseinheit aufweist, um den Ort der Probe unter Verwendung eines Lasers zu messen und um die Probe zu scannen. Die X-Achse, die Y-Achse bzw. die Z-Achse bezeichnen Achsen rechtwinkeliger Koordinaten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • Die oben bezeichneten sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erkennbar, in denen:
  • 1 eine Strukturansicht der bekannten Dreiachs-Einheit mit einer Piezoröhre ist;
  • 2 eine Strukturansicht der bekannten Linearbewegungseinheit mit einem flexiblen Mechanismus vom Hebel-Typ ist;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit ist;
  • 4A eine Strukturansicht zur Erläuterung einer X-Achseneinheit in 3 ist;
  • 4B eine Strukturansicht zur Erläuterung einer Y-Achseneinheit in 3 ist;
  • 4C eine Strukturansicht zur Erläuterung einer Z-Achseneinheit in 3 ist;
  • 5 eine perspektivische Ansicht einer Mittelstange einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit ist;
  • 6A und 6B Strukturansichten zur Erläuterung eines Verstärkungsprinzips einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit sind;
  • 7 eine Strukturansicht zum Erläutern einer Betriebsweise einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit ist; und
  • 8 eine perspektivische Teilansicht eines Rastermikroskops ist, das eine erfindungsgemäße Dreiachs-Linearbewegungseinheit aufweist.
  • DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit.
  • Unter Bezugnahme auf 3 weist die Dreiachs-Linearbewegungseinheit eine Bodenplatte 40 mit einer vorher bestimmten Oberfläche und Dicke auf, sowie eine X-Achseneinheit 10, die in einem Referenzbereich RR der Bodenplatte 40 befestigt ist, um einen ersten X-Bereich RX1, der vom Referenzbereich RR in Richtung der X-Achse angeordnet ist, in Richtung der X-Achse zu bewegen, eine Y-Achseneinheit 20, die innerhalb des ersten X-Bereichs RX1 angeordnet ist und in einem zweiten X-Bereich RX2 innerhalb des ersten X-Bereichs RX1 befestigt ist, um einen ersten Y-Bereich RY1, der von dem zweiten X-Bereich RX2 in Richtung der Y-Achse angeordnet ist, in Richtung der Y-Achse zu bewegen, und eine Z-Achseneinheit 30, die in einem zweiten Y-Bereich RY2 innerhalb des ersten Y-Bereichs RY1 befestigt ist und eine bestimmte Probe hält, um die Probe in Richtung der Z-Achse zu bewegen. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse bezeichnen Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems.
  • Hier bezeichnen der erste X-Bereich RX1 und der zweite X-Bereich RX2 Bereiche, die einzig in die X-Richtung bewegt werden. Der erste Y-Bereich RY1 und der zweite Y-Bereich RY2 sind hingegen Bereiche innerhalb des ersten X-Bereichs RX1. Obwohl der erste Y-Bereich RY1 und der zweite Y-Bereich RY2 durch die Y-Achseneinheit 20 einzig in Richtung der Y-Achse bewegt werden, werden der erste Y-Bereich RY1 und der zweite Y-Bereich RY2 schlussendlich bezüglich der Bodenplatte 40 in Richtung der Y-Achse und der X-Achse bewegt.
  • Unter Bezugnahme auf die 4A bis 4C werden unten stehend die jeweiligen Einheiten beschrieben.
  • Die 4A ist eine Strukturansicht zur Erläuterung der X-Achseneinheit 10 aus 3. Die X-Achseneinheit 10 weist ein piezoelektrisches Element 13 mit einer vorher bestimmten Länge auf, wobei die Länge in Richtung der Y-Achse entsprechend einer Eingangsspannung geändert wird, sowie ein erstes X-Antriebsteil 11-1 und ein zweites X-Antriebsteil 11-2, die beiderseits in einer longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elementes 13 mit diesem verbunden sind, um das zweite X-Ende 16-2 innerhalb des ersten X-Bereiches 11-1 oder RX1 bezüglich einem ersten X-Ende 16-1 innerhalb des Referenzbereichs RR, insbesondere mittig zum piezoelektrischen Element 13, entsprechend einem Antrieb des piezoelektrischen Elementes 13 in Richtung der X-Achse zu bewegen.
  • Die Struktur des ersten X-Antriebsteils 11-1 ist zur Struktur des zweiten X-Antriebsteils 11-2 symmetrisch bezüglich der X-Achse ausgebildet. Insbesondere weisen das erste X-Antriebsteil 11-1 und das zweite X-Antriebsteil 11-2, die beiderseits einer longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 13 mit diesem verbunden sind, ein erstes X-Verstärkungsteil 12-1 und ein zweites X-Verstärkungsteil 12-2 auf, die eine Verschiebung verstärken, die entsprechend einer Betätigung des piezoelektrischen Elements 13 erzeugt wird, und die ein drittes X-Ende 16-3 und ein viertes X-Ende 16-4, die in der dem ersten X-Ende 16-1 gegenüberliegenden Seite ausgebildet sind, durch die verstärkte Verschiebung in Richtung der X-Achse verschieben. Weiterhin weisen das erste X-Antriebsteil 11-1 und das zweite X-Antriebsteil 11-2 insbesondere ein erstes X-Linien-Bewegungsteil 13-1 und ein zweites X-Linien-Bewegungsteil 13-2 auf, die durch die Schlitze 19-1B bzw. 19-1C mit dem dritten X-Ende 16-3 bzw. dem vierten X-Ende 16-4 verbunden sind und die parallel in Richtung der X-Achse durch die verstärkte Verschiebung verschoben werden. Hierbei verbindet ein Schlitz 19-1A das andere Ende, das demjenigen Ende des ersten X-Linien-Bewegungsteils 13-1 gegenüberliegt, das mit dem dritten X-Ende 16-3 verbunden ist, mit dem anderen Ende, das demjenigen Ende des zweiten X-Linien-Bewegungsteils 13-2 gegenüberliegt, das mit dem vierten X-Ende 16-4 verbunden ist.
  • Hier bilden das erste X-Linien-Bewegungsteil 13-1 und das zweite X-Linien-Bewegungsteil 13-2, die Schlitze 19-1A, 19-1B, 19-1C und das zweite X-Ende 16-2 einen dritten X-Bereich 17 mit einer vorher bestimmten Fläche, die von diesen umgeben wird. Das zweite X-Ende 16-2 gibt einen Punkt an, der im Abstand D1 vom ersten X-Ende 16-1 zwischen dem dritten X-Ende 16-3 und dem vierten X-Ende 16-4 in positiver Richtung der X-Achse bezüglich dem ersten X-Ende 16-1 angeordnet ist.
  • Die beiden Enden des piezoelektrischen Elements 13 sind an einem ersten Drückteil 14-1 des ersten X-Verstärkungsteils 12-1 bzw. einem zweiten Drückteil 14-2 des zweiten X-Verstärkungsteils 12-2 angeordnet.
  • Das erste X-Verstärkungsteil 12-1 weist ein erstes Drückteil 14-1 auf, um die Verschiebung des piezoelektrischen Elementes 13 aufzunehmen, sowie eine Zwischenstange 15-1, die in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 13 auf die beiden Seiten des ersten Drückteils 14-1 im Zentrum des ersten Drückteils 14-1 zu und/oder die in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 13 auf beiden Seiten des ersten Drückteils 14-1 symmetrisch zur Y-Achse im Zentrum des ersten Drückteils 14-1 ausgebildet ist. Wie in 5 gezeigt ist, weist die Zwischenstange 15-1 ein Stützteil 15-1A auf, das mit einer vorher bestimmten Breite ausgebildet ist, sowie ein verengtes Teil 15-1B an beiden Enden und/oder Seiten des Stützteils 15-1A mit einer Dicke, die im Vergleich schma ler als die Breite des Stützteils ist, und zwar durch eine halbkreisartige Rille 15-1C mit einem vorher bestimmten Radius.
  • Im ersten X-Verstärkungsteil 12-1 sind die Enden (Rillen) der Zwischenstange 15-1, die dem Drückteil 14-1 um die longitudinale Richtung des piezoelektrischen Elementes gegenüberliegen, miteinander durch einen Schlitz verbunden. Darüber hinaus kann ein Loch 18-1 einer vorher bestimmten Größe in der vom Schlitz, dem Drückteil 14-1 und der Zwischenstange 15-1 umgebenen Fläche angeordnet werden, um das Gewicht des ersten X-Verstärkungsteils 12-1 zu reduzieren.
  • An der Zwischenstange 15-1 ist eine Rille ausgebildet, um der Zwischenstange 15-1 elastische Eigenschaften zu verleihen. Das verengte Teil 17 oder 15-1B der Zwischenstange 15-1 wird das Rotationszentrum hiervon, wenn das Stützteil 15-1A gedreht wird.
  • Da das zweite X-Verstärkungsteil 12-2 dieselbe Struktur wie das erste X-Verstärkungsteil 12-1 aufweist und sie symmetrisch zur X-Achse angeordnet sind, wird von einer weiteren Beschreibung abgesehen.
  • Das erste X-Linien-Bewegungsteil 13-1 weist eine erste X-Doppelfeder 13-1B auf, die mit dem dritten X-Ende 16-3 durch den Schlitz 19-1B verbunden ist, sowie eine zweite X-Doppelfeder 13-1A, die mit der ersten X-Doppelfeder 13-1B durch Schlitze 19-1D und 19-1E verbunden ist, welche eine vorher bestimmte Länge aufweisen und in Parallelrichtung zur X-Achse ausgebildet sind. Die zweite X-Doppelfeder 13-1A ist durch den Schlitz 19-1A mit dem Ende 13-2A des zweiten X-Linien-Bewegungsteils 13-2 verbunden, welches dieselbe Struktur aufweist wie das erste X-Linien-Bewegungsteil 13-1.
  • Die erste und die zweite X-Doppelfeder 13-1B, 13-1A haben dieselbe Struktur. Beispielsweise hat die zweite X-Doppelfeder 13-1A zwei Zwischenstangen, die doppelt angeordnet sind. Die jeweilige Zwischenstange weist ein Stützteil 13-1C vorher bestimmter Breite auf, das mit derselben Form wie bei der in 5 gezeigten Zwischenstange ausgebildet ist, sowie ein verengtes Teil 13-1D an beiden Enden des Stützteiles, wobei das verengte Teil 13-1D durch eine halbkreisartige Rille 13-1E eine Dicke aufweist, die vergleichsweise schmaler als die Breite des Stützteils ist.
  • Da das zweite X-Linien-Bewegungsteil 13-2 dieselbe Struktur wie das erste X-Linien-Bewegungsteil 13-1 aufweist und diese symmetrisch zur X-Achse angeordnet sind, wird von einer weiteren Beschreibung abgesehen.
  • Die 4B ist eine Strukturansicht zur Erläuterung der Y-Achseneinheit 20 in 3. Die Y-Achseneinheit 20 hat eine ähnliche Struktur wie die X-Achseneinheit 10 und ist im dritten X-Bereich 17 innerhalb des ersten X-Bereichs RX1 ausgebildet.
  • Die Y-Achseneinheit 20 weist ein piezoelektrisches Element 23 mit einer vorher bestimmten Länge auf, die in Richtung der X-Achse entsprechend einer Eingangsspannung geändert wird, sowie ein erstes Y-Antriebsteil 21-1 und ein zweites Y-Antriebsteil 21-2, die mit beiden Enden in einer longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 23 verbunden sind und die am ersten Y-Ende 25 des zweiten X-Bereichs RX2 befestigt sind, um das zweite Y-Ende 26, das dem ersten Y-Ende 25 in Richtung der Y-Achse gegenüberliegt, mittels des piezoelektrischen Elements 23 zu bewegen. Obwohl hier die Orte des zweiten X-Bereichs RX2 und des dritten Bereichs 17 ähnlich sind, werden diese, wie in den 3 und 4A gezeigt, klar definiert.
  • Das erste Y-Antriebsteil 21-1 und das zweite Y-Antriebsteil 21-2 haben dieselbe Struktur und sind symmetrisch zur Y-Achse angeordnet. Insbesondere weisen das erste und das zweite Y-Antriebsteil 21-1, 21-2 erste und zweite Y-Verstärkungsteile 22-1, 22-2 auf, die mit beiden Enden einer longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elementes 23 verbunden sind, um eine Verschiebung zu verstärken, die entsprechend dem Antrieb des piezoelektrischen Elementes 23 erzeugt wird, und um das zweite Y-Ende 26 durch die verstärkte Verschiebung in Richtung der Y-Achse zu bewegen. Die ersten und zweiten Y-Antriebsteile 21-1, 21-2 weisen ferner erste und zweite Y-Linien-Bewegungsteile 23-1, 23-2 auf, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Y-Verstärkungsteil 22-1, 22-2 durch einen ersten bzw. einen zweiten Schlitz 27-1, 27-2 verbunden sind, welche einen Teil des ersten Y-Endes 25 durchqueren, und die parallel in Richtung der Y-Achse durch verstärkte Verschiebung verschoben werden. Hier verbindet der Schlitz 27-3 die anderen Enden, die denjenigen Enden des ersten und des zweiten Y-Linien-Bewegungsteiles 23-1, 23-2 gegenüberliegen, die mit dem ersten und mit dem zweiten Verstärkungsteil 22-1, 22-2 verbunden sind.
  • Hierbei formen die Schlitze 27-1, 27-2, 27-3 und das erste und das zweite Y-Linien-Bewegungsteil 23-1, 23-2 einen vorher bestimmten, dritten Y-Bereich 28, der von diesen umgeben wird. Das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil 22-1, 22-2 sind symmetrisch zur Y-Achse innerhalb des ersten und/oder dritten Y-Bereichs 28 angeordnet. Der dritte Y-Bereich 28 ist innerhalb des ersten Y-Bereichs RY1 angeordnet.
  • Das zweite Y-Ende 26 gibt insbesondere die Position an, um die Länge in Richtung der Y-Achse von den Endpunkten des ersten und zweiten Y-Verstärkungsteiles in Richtung der Y-Achse bezüglich des ersten Y-Endes 25 vergrößert ist. Das erste Y-Verstärkungsteil 22-1 und das zweite Y-Verstärkungsteil 22-2 haben dieselbe Struktur und sie sind symmetrisch zur Y-Achse ausgebildet.
  • Ebenso wie die Strukturen des ersten und des zweiten X-Verstärkungsteils 12-1, 12-2 weisen das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil 22-1, 22-2 jeweils ein erstes und ein zweites Drückteil 24-1, 24-2 auf, welche die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 23 aufnehmen, sowie eine Zwischenstange, die in beiden Seiten des ersten und des zweiten Drückteils 14-1, 14-2 symmetrisch zur X-Achse im Zentrum des jeweiligen ersten und zweiten Drückteils 14-1, 14-2 angeordnet ist.
  • Hierbei ist die Zwischenstange 24, wie in 5 gezeigt, mit einem Stützteil mit einer vorher bestimmten Breite ausgebildet, sowie mit einem verengten Teil mit einer Dicke, die vergleichsweise enger ist als die Breite des Stützteils, und zwar durch eine halbkreisartige Rille mit einem vorher bestimmten Radius an beiden Enden des Stützteils. Die Zwischenstange 24 hat dieselbe Funktion und Betriebsweise wie die Zwischenstange 15-1A der X-Achseneinheit.
  • Das erste und das zweite Y-Achsen-Bewegungsteil 23-1, 23-2 haben dieselbe Struktur und dasselbe Betriebsprinzip wie das erste und das zweite X-Linien-Bewegungsteil 13-1, 13-2 und sie sind symmetrisch zur Y-Achse ausgebildet.
  • Die 4C ist eine Strukturansicht zur Erläuterung einer Z-Achseneinheit in 3. Die Z-Achseneinheit weist ein Bodenteil 34 mit einer vorher bestimmten Fläche und Dicke auf, welches innerhalb des zweiten Y-Bereichs RY2 der Y-Achseneinheit 20 befestigt ist, sowie ein Z-Linien-Antriebsteil 31, das sich in Richtung der Z-Achse bewegt und insbesondere integral mit der Bodenplatte 34 von der Oberfläche der Bodenplatte 34 in vertikaler Richtung, welches die Richtung der Z-Achse ist, ausgebildet ist, und ein piezoelektrisches Element 33, das im Raum 31-1' vorher bestimmter Größe für eine Längenverringerung oder Längenzunahme montiert ist. Der Raum 31-1' ist im Z-Achsen-Antriebsteil 31 in einem Bereich ausgebildet, an den das Bodenteil 34 und das Z-Linien-Antriebsteil 31 angrenzen.
  • Hierbei ist das piezoelektrische Element 33 innerhalb des Raums 31-1' durch Schraube-Mutter-Verbindungsmittel 34-1, die im Bodenteil 34 gebildet sind, befestigt, um im Zentrum des Z-Linien-Antriebsteils 31 betätigt zu werden.
  • Das Z-Linien-Antriebsteil 31 weist ein erstes und ein zweites Z-Achsen-Bewegungsteil 31-1, 31-2 auf, die das erste Z-Ende 36, das bezüglich dem Bodenteil 34 in Richtung der Z-Achse angeordnet ist, entsprechend der Betätigung des piezoelektrischen Elementes 33 in Richtung der Z-Achse bewegen, sowie ein Halteraufnahmeteil 32 zum Halten eines Probenhalters, der nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, neben dem ersten Z-Ende 36.
  • Das erste und das zweite Z-Achsen-Bewegungsteil 31-1, 31-2 haben dieselbe Struktur und dieselbe Betriebsweise wie das erste und das zweite X-Linien-Bewegungsteil 13-1, 13-2 oder das erste und das zweite Y-Linien-Bewegungsteil 23-1, 23-2 und sie sind symmetrisch zur Z-Achse angeordnet. Insbesondere weisen die jeweiligen ersten und zweiten Z-Achsen-Bewegungsteile 31-1, 31-2 erste bis vierte Doppelfedern 31-1A, 31-1B, 31-2A, 31-2B sowie Schlitze auf, die jede von ihnen verbinden. Insbesondere sind die erste und die dritte Z-Doppelfeder 31-1A, 31-2A durch den Schlitz 35 verbunden.
  • Da das Bodenteil 34 der Z-Achseneinheit 30 eine Kraft, die durch das piezoelektrische Element erzeugt wird, breit verteilt, insbesondere im zweiten Y-Bereich RY2, kann insbesondere im Fall, dass seine Fläche größer als der zweite Y-Bereich RY2 ist, ein in den Zeichnungen nicht dargestellter Abstandshalter mit einer vorher bestimmten Dicke zwischen dem zweiten Y-Bereich RY2 und dem Bodenteil 34 montiert werden. Somit verhindert der Abstandshalter, dass das Bodenteil 34, das vom zweiten Y-Bereich RY2 separiert ist, stirnseitig beispielsweise mit dem ersten und dem zweiten Y-Verstärkungsteil der Y-Achseneinheit in Kontakt steht.
  • Das Verstärkungsprinzip der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit und ihr Betriebsverfahren werden nachstehend beschrieben.
  • Die 6A und 6B sind Strukturansichten von Modellen zur Erläuterung eines Verstärkungsprinzips einer erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit. Beispielsweise sind Modelle für das erste und das zweite Verstärkungsteil 12-1, 12-2 der Einheit 10 vorgesehen. Insbesondere ist die 6A eine Strukturansicht des Modells für die X-Achseneinheit, bei dem sich der Verstärkungszustand im Normalzustand befindet, und 6B ist eine Strukturansicht des Modells für die X-Achseneinheit, bei dem die Länge des piezoelektrischen Elementes des Verstärkungsteils vergrößert ist.
  • Bezug nehmend auf die 6A und 6B entspricht das piezoelektrische Element 13 einem piezoelektrischen Modellelement 13g, das erste und das zweite Drückteil 14-1, 14-2 einem ersten und einem zweiten Modelldrückteil 14-1g, 14-2g, das erste und das zweite X-Ende 16-1, 16-2 einem ersten und einem zweiten X-Modellende 16-1g, 16-2g und die Zwischenstange 15-1A entspricht einer Modellzwischenstange 15-1Ag.
  • Wenn die oben genannten Elemente als Modellelemente in den Modellen definiert werden, sind ein Abstand 51 zwischen dem ersten Drückteil 14-1g und dem piezoelektrischen Modellelement 13g, ein Abstand 52 zwischen dem piezoelektrischen Modellelement 13g und dem zweiten X-Modellende 16-2g, und ein Abstand 53 zwischen dem ersten Drückteil 14-1g und dem zweiten X-Modellende 16-2g durch die Längen der Basislinie, der Höhe bzw. der Hypotenuse eines Dreiecks 50 definiert.
  • Nun wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 6A und 6B das Verfahren zum Erzeugen der Verschiebung des zweiten X-Endes 16-2 durch Betätigung des ersten und des zweiten Verstärkungsteils 12-1, 12-2 im Falle, dass die Länge des piezoelektrischen Elementes 13 durch dessen Betätigung vergrößert wird, beschrieben.
  • Da die Länge der Zwischenstange 15-1A konstant ist und das erste X-Ende 16-1 an der Bodenplatte 40 befestigt ist, wird das Modell in 6A im Fall, dass die Länge des piezoelektrischen Elements 13 vergrößert wird, zum Modell 6B geändert. Insbesondere wird das Dreieck 50 mit den drei Linien 51, 52, 53 in 6A in das transformierte Dreieck 50-1 mit den drei Linien 51-1, 52-1, 53-1 in 6B umgewandelt. Da die Länge der Zwischenstange 15-1A hier konstant ist, wird die Länge der Hypotenuse, die der Länge der Zwischenstange 15-1A entspricht, nicht geändert, wohingegen die Höhe 52 zur verminderten Höhe 52-1 und die Grundlinie 51 zur verlängerten Grundlinie 51-1 geändert werden. Somit wird das zweite X-Ende 16-2g um Δx aus der Originalposition vermindert, wenn die Länge des piezoelektrischen Elementes 13 vergrößert wird.
  • Die 7 ist eine Strukturansicht zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit.
  • Bezug nehmend auf 7 entspricht die Bodenplatte 40 einer Modellbodenplatte 40g, die X-Achseneinheit 10 einer X-Achsen-Modelleinheit 10g, die Y-Achseneinheit 20 einer Y-Achsen-Modelleinheit 20g, die Z-Achseneinheit 30 einer Z-Achsen-Modelleinheit 30g und das Z-Achsen-Bewegungsteil 31 einem Z-Achsen-Modellbewegungsteil 31g. Ferner entsprechen das erste und das zweite X-Verstärkungsteil 11-1, 11-2 einem ersten und einem zweiten X-Modellverstärkungsteil 11-1g, 11-2g und das erste und das zweite Y-Modellverstärkungsteil 21-1, 21-2 einem ersten und einem zweiten Y-Modellverstärkungsteil 21-1g, 21-2g.
  • Hier ist, wie in 7 gezeigt, die Y-Achseneinheit 20, die in dem ersten X-Bereich RX1 (im wesentlichen der dritte X-Bereich 17) ausgebildet ist, im ersten X-Modellbereich RX1g angeordnet. Darüber hinaus ist die Z-Achseneinheit 30 im zweiten Y-Modellbereich RY2g angeordnet, und dies sogar dann, wenn die Fläche der Bodenplatte der Z-Achseneinheit 30 größer als diejenige des zweiten Y-Bereichs RY2 ist, da der Abstandhalter verhindert, dass die Z-Achseneinheit 30 einen Bereich außerhalb des zweiten Y-Bereiches RY2 stirnseitig kontaktiert.
  • Somit wird entsprechend dem Betrieb des piezoelektrischen Elementes 13 der erste X-Modellbereich RX1g der X-Achsen-Modell einheit 10g lediglich in Richtung der X-Achse bezüglich dem ersten X-Modellende 16-1g verschoben, das an der Modellbodenplatte 40g befestigt ist. Die Y-Achsen-Modelleinheit 20g, die innerhalb dem ersten X-Modellbereich RX1g angeordnet ist, wird dann auch einzig in Richtung der X-Achse verschoben.
  • Wird hingegen das piezoelektrische Element 23 in der Y-Achsen-Modelleinheit 20g betätigt, die innerhalb des ersten X-Modellbereichs RX1g angeordnet ist, so wird der zweite Y-Modellbereich RY2g der Y-Achsen-Modelleinheit 20g lediglich in Richtung der Y-Achse verschoben. Dann wird die Y-Achsen-Modelleinheit 20g, die innerhalb des zweiten Y-Modellbereichs RY2g angeordnet ist, lediglich in Richtung der Y-Achse verschoben. Da insbesondere die Modellbodenplatte 34g der Z-Achseneinheit Sog lediglich an dem zweiten Y-Modellbereich RY2g befestigt ist, wird das Z-Linien-Modellbewegungsteil 31g, das an der Modellbodenplatte 34g montiert ist, in Richtung der Z-Achse verschoben.
  • Daher wird der Probenhalter, der die Probe trägt, durch die X-Achsen-Modelleinheit 10g lediglich in Richtung der X-Achse verschoben und durch die Y-Achsen-Modelleinheit 20g lediglich in Richtung der Y-Achse. Darüber hinaus wird der Probenhalter, der die Probe trägt, durch das Z-Linien-Modellbewegungsteil 31g lediglich in Richtung der Z-Achse verschoben.
  • 8 ist eine perspektivische Teilansicht einer Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe, die eine erfindungsgemäße Dreiachs-Linearbewegungseinheit aufweist. Die Vorrichtung zum Untersuchen einer Probe weist eine Dreiachs-Linearbewegungseinheit 100 auf, welche die Probe hält, sowie ein Rastermikroskop, das die Probe untersucht.
  • Hier weist die Dreiachs-Linearbewegungseinheit 100 ferner einen Probenhalter 60 auf, der in einem Halteraufnahmeteil 32 eines Z-Linien-Bewegungsteils angeordnet ist, ein Probenbefestigungsteil 61, auf dem die Probe 62 platziert ist und das am Ende des Probenhalters 60 befestigt ist, und einen Spiegel 63, der parallel zum Probenhalter und in geneigtem Zustand unter dem Probenbefestigungsteil 61 angeordnet ist.
  • Das Rastermikroskop 70 weist eine Spitze 71 zum Scannen der Probe 62 und eine Befestigungsbasis 72 auf, an der die Spitze 71 befestigt ist.
  • Daher kann die Probe durch Betätigung der Dreiachs-Linearbewegungseinheit mit der Spitze 71, die oberhalb der Probe 62 angeordnet ist, präzise gescannt werden. Dabei wird die Bewegung der Probe durch Analyse eines Laserstrahls detektiert, der auf den Spiegel 63 projiziert wird und der von dem Spiegel 63 reflektiert wird.
  • Nun wird nachstehend insbesondere die Betriebsweise der jeweiligen Elemente der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit im Detail beschrieben.
  • Bezug nehmend auf die 4A drückt die X-Achseneinheit 10 die Drückteile 14-1, 14-2 auf beide Seiten zu, wenn das piezoelektrische Element 13 expandiert wird, und dann werden das erste und das zweite X-Verstärkungsteil 12-1, 12-2 in der Richtung senkrecht zur Längenvergrößerungsrichtung des piezoelektrischen Elementes 13 zusammengezogen, wobei sich ein Abstand zwischen den Drückteilen 14-1, 14-2 vergrößert (siehe 6A und 6B). wenn das erste und das zweite X-Verstärkungsteil 12-1, 12-2 zusammengezogen werden, werden das zweite X-Ende 16-2 und der X-Bereich 17 neben den Teilen 12-1, 12-2 geradlinig auf das erste X-Ende 16-1 zu verschoben.
  • Wird hingegen das piezoelektrische Element 13 zusammengezogen, werden das erste und das zweite Verstärkungsteil 12-1, 12-2 aufgeweitet und dann werden das zweite X-Ende 16-2 und der X-Bereich 17 neben den Teilen 12-1, 12-2 geradlinig in Richtung zunehmenden Abstandes vom ersten X-Ende 16-1 verschoben.
  • Somit wird der X-Bereich 17 entsprechend dem Zusammenziehen und Verlängern des piezoelektrischen Elements 13 geradlinig in Richtung der X-Achse verschoben.
  • Ähnlich wie beim Betrieb der X-Achseneinheit werden bei der in 4B gezeigten Y-Achseneinheit 20 das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil 22-1, 22-2 zusammengezogen, wenn das piezoelektrische Element 23 verlängert wird, und dann werden das zweite Y-Ende 26 und der zweite Y-Bereich RY2 neben dem Ende 26 geradlinig parallel zur Y-Achse in Richtung auf das erste Y-Ende 25 zu verschoben. Wird hingegen das piezoelektrische Element 23 zusammengezogen, werden das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil 22-1, 22-2 aufgeweitet und dann werden das zweite Y-Ende 26 und der zweite Y-Bereich RY2 neben dem Ende 26 geradlinig parallel zur Y-Achse in Richtung zunehmenden Abstandes vom ersten Y-Ende 25 verschoben.
  • Somit wird der zweite Y-Bereich RY2 entsprechend dem Zusammenziehen und der Verlängerung des piezoelektrischen Elements 23 geradlinig in Richtung der Y-Achse verschoben.
  • Da die in 4C gezeigte Z-Achseneinheit 30 am zweiten Y-Bereich RY2 der Y-Achseneinheit 20 befestigt ist, wird die Einheit 30 entsprechend der Betätigung der X-Achseneinheit 10 und der Y-Achseneinheit 20 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse verschoben. Andererseits wird das Z-Linien-Bewegungsteil 31 der Z-Achseneinheit 30 entsprechend dem Zusammenziehen und dem Verlängern des piezoelektrischen Elements 23 von der Seite des Bodenteils 34 in Richtung der Z-Achse verlängert bzw. zusammengezogen oder umgekehrt. Daher wird das Halteraufnahmeteil 32 entsprechend dem Zusammenziehen und dem Erweitern des Z-Linien-Bewegungsteils 31 ebenfalls geradlinig in Richtung der Z-Achse verschoben.
  • Da entsprechend die X-Achseneinheit 10, die Y-Achseneinheit 20 und die Z-Achseneinheit 30 unabhängig ohne gegenseitige Beeinflussung bewegt werden, können sie auch ihren Verschiebebereich exakt und präzise in Richtung ihrer Achsen verschieben.
  • Die doppelten, komplexen Federn, die in der Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sind, sind als zwei Zwischenstangen und vier verengte Teile ausgeführt. Daher ist das gesamte Elastizitätsmodul der Doppelfedern klein. Somit kann selbst mit einer kleinen Antriebskraft eine ausreichend große Verschiebung erzeugt werden.
  • Ferner ist eine Vielzahl verengter Teile, die in Serie verbunden sind, parallel und in mehrfachen Reihen angeordnet, um eine ausschließlich geradlinige Bewegung zu erzeugen. Obwohl die verengten Teile, die eine Linie in Serie bilden, eine Verschiebung aufgrund ihrer elastischen Transformation in der seriellen Richtung erzeugen können, haben insbesondere die Doppelfedern lediglich einen Freiheitsgrad zur Bewegung in einer Richtung, da die Verschiebung in der Richtung senkrecht zur seriellen Richtung schwierig zu erzeugen ist.
  • Da gemäß der obigen Ausführungsform der Erfindung das Drückteil und die Zwischenstange des Verstärkungsteils symmetrisch um die jeweiligen Achsen angeordnet sind, sorgen weitere Strukturelemente, die mit den Verstärkungsteilen verbunden sind, für eine exakt geradlinige Bewegung, wenn das Verstärkungsteil betätigt wird.
  • Wenn die Einheit nahe einer Resonanzfrequenz hiervon oder darüber betrieben wird, kann die Einheit aufgrund einer Resonanz unter Umständen beschädigt werden und kann unter Umständen schwierig zu kontrollieren sein. Wenn die Resonanzfrequenz der Einheit niedrig ist, sollte eine Geschwindigkeit zum Antreiben der Einheit nicht allzu hoch werden. Somit sollte die Resonanzfrequenz der Einheit vorzugsweise hoch sein, damit die Einheit schnell angetrieben werden kann.
  • Im Allgemeinen wird eine Resonanzfrequenz eines vorher bestimmten Systems aus der folgenden Gleichung erhalten: ω = (k/m)1/2, wobei ω = Resonanzfrequenz, k = Elastizitätsmodul und m = Masse ist.
  • Somit sollte die Masse klein sein, um die Resonanzfrequenz der erfindungsgemäßen Einheit zu erhöhen. Um dies zu verwirklichen, wird das Gewicht der X-Achseneinheit verringert, indem Löcher 18-1, 18-2 mit einer vorher bestimmten Größe in dem ersten und dem zweiten X-Verstärkungsteil 12-1, 12-2 ausgebildet werden. Gleichzeitig werden die Zwischenstangen 15-1A, 15-1B derart als Trapezoide ausgebildet, dass ihre Masse konstant gehalten wird. Somit wird bei der erfindungsgemäßen Einheit das Elastizitätsmodul größer und somit wird die Resonanzfrequenz ebenfalls größer.
  • Da bei einem vorbekannten Rastermikroskop die Spitze eine Probe über der Probe scannt, fallen die Positionen zum Scannen der Probe durch die Spitze und die Position zum Messen der Probe durch einen Detektor insbesondere nicht zusammen und somit erzeugt das vorbekannte Rastermikroskop einen Abbeschen Messfehler.
  • Allerdings ist bei der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit der Detektor des Rastermikroskops unterhalb des Probenbefestigungsteils angeordnet, welches die Probe festhält und die Spitze scannt die Probe über der Probe. Da die Messposition der Probe durch den Detektor und die Scannposition durch die Spitze somit zusammenfallen, wird die Probe mit der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit durch das Rastermikroskop exakt und präzise ohne dem Abbeschen Messfehler vermessen.
  • Da gemäß der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit die X-Achseneinheit 10 und die Y-Achseneinheit 20 dafür ausgelegt sind, sich in einer koplanaren Fläche zu bewegen, sind ein Angriffspunkt für eine Kraft und ein Schwerpunkt für die jeweiligen Einheiten in der koplanaren Fläche angeordnet und somit wird kein Moment erzeugt und die erzeugten Vibrationen sind relativ gering. Somit wird die Probe mit der erfindungsgemäßen Dreiachs-Linearbewegungseinheit exakt und präzise geradlinig bewegt.
  • Da ferner die X-Achseineinheit 10, die lediglich in Richtung der X-Achse bewegt wird, die Bewegung in Richtung der Y-Achse der Y-Achseneinheit 20 nicht beeinflusst, werden die Bewegungen der Einheiten 10, 20 unabhängig und ohne eine Korrelation erreicht. Da z.B. die Bewegung der X-Achseneinheit keinen Fehler der Y-Achsenbewegung durch die Y-Achseneinheit aufweist, wird die Probe exakt lediglich in die Richtung der X-Achse bewegt. Dies gilt auch für den umgekehrten Fall.
  • Obwohl gemäß der obigen Ausführungsform der Erfindung die Z-Achseneinheit nicht derart ausgestaltet ist, dass sie ein Verstärkungsteil aufweist, kann jedoch ein Verstärkungsteil in der Z-Achseneinheit montiert werden, wenn für das System eine große Verschiebung in Richtung der Z-Achse erforderlich ist.
  • Obwohl die obige Ausführungsform der Erfindung ferner derart ausgeführt ist, dass sie Verstärkungsteile in der X-Achseneinheit und der Y-Achseneinheit aufweist, können diese ohne Verstärkungsteil ausgeführt werden.
  • Obwohl gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Verstärkungsteil zum Verstärken der Bewegung der Einheit verwendet wird, ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt, und das jeweilige Verstärkungsteil könnte in der Struktur derart geändert werden, dass es die Verschiebung verringert, insbesondere indem das Verstärkungsteil um 90° gedreht angeordnet wird.
  • Obwohl gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Innere des Verstärkungsteils als eine Rahmenstruktur mit einem Freiraum zum Erhöhen der Resonanzfrequenz ausgestaltet ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und es kann auch eine Struktur vorgesehen werden, bei der ein vorher bestimmter Teil des dritten X-Bereichs 17 der X-Achseneinheit und des zweiten Y-Bereichs RY2 der Y-Achseneinheit, außer der Verstärkungsstruktur, entfernt wird.
  • Obwohl gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine flexible, komplexe Drehbefestigungsstruktur, insbesondere Scharnierstruktur, auf einer Seite der Einheit verwendet wird, kann eine flexible Struktur, wie beispielsweise eine Blattfeder, zur Erzeugung der vollständig geradlinigen Bewegung vorgesehen sein.
  • Obwohl gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Zwischenstange in Form einer geraden Linie oder eines Trapezoids vorgesehen ist, kann eine dreieckige Form oder eine Rautenform oder eine Rhombusform vorgesehen werden, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen.
  • Obwohl in Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Beispiel beschrieben wird, bei dem die Dreiachs-Linearbewegungseinheit an einem Rastermikroskop vorgesehen ist, kann die erfindungsgemäße Einheit auch für andere Einrichtungen verwendet werden, die ein sehr präzises Antreiben erforderlich machen, wie beispielsweise Halbleitereinrichtungen.
  • Gemäß einer Dreiachs-Linearbewegungseinheit und einer Messeinrichtung, welche diese verwendet, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ergibt sich aus dem Vorstehenden, dass sich die Bewegungen der Einheiten nicht gegenseitig beeinflussen, da die X-Achseneinheit und die Y-Achseneinheit unabhängig voneinander verschoben werden, und dass die Probe exakt geradlinig bewegt wird, da der Freiheitsgrad der jeweiligen Einheit durch die flexible, komplexe, insbesondere mehrteilige Scharnierstruktur, die in der Einheit ausgebildet ist, auf lediglich eine Richtung begrenzt ist.
  • Da ferner das Verstärkungsteil der Erfindung eine symmetrische Verstärkungsstruktur verwendet, um den Bewegungsbereich des piezoelektrischen Elementes zu verstärken, ist dieser vergrößert und gleichzeitig wird die Bewegung exakt in der senkrechten Richtung gehalten.
  • Da ferner das Drückteil des Antriebsteils in der jeweiligen Einheit eine Rahmenstruktur aufweist und da die Struktur der Zwischenstange die Form eines Trapezoids aufweist, ist die Resonanzfrequenz der Einheit höher und somit ist die Antriebsgeschwindigkeit der Einheit höher.
  • Da gemäß dem Atommikroskop, das die erfindungsgemäße Dreiachs-Linearbewegungseinheit aufweist, der Detektor die Position der Probe unter dem Probenbefestigungsteil misst, fallen die Scanposition der Spitze und die Messposition des Detektors zusammen und somit wird die Probe präzise und exakt und ohne einen Abbeschen Messfehler vermessen.
  • Erfindungsgemäß können die verschiedenen Bereiche der Linearbewegungsheit insbesondere als Flächen, die Zwischenstangen als Stäbe oder Stäbchen und die Stützteile als Pfostenteile ausgebildet sein.
  • Das Atommikroskop kann insbesondere ein Rastermikroskop oder Rastersondenmikroskop, vorzugsweise ein Rasterkraftmikroskop und/oder ein Rastertunnelmikroskop sein.

Claims (14)

  1. Dreiachs-Linearbewegungseinheit mit: – einer Bodenplatte (40) mit einer bestimmten Fläche und Dicke, – einer X-Achseneinheit (10), die in einem Referenzbereich (RR) der Bodenplatte (40) befestigt ist, um einen ersten X-Bereich (RX1), der von dem Referenzbereich (RR) in Richtung der X-Achse angeordnet ist, in Richtung der X-Achse zu bewegen, – wobei die X-Achseneinheit (10) ein piezoelektrisches Element (13) aufweist, an dem beiderseits jeweils ein X-Verstärkungsteil (12-1, 12-2) vorgesehen ist, – wobei die X-Verstärkungsteile (12-1, 12-2) dafür eingerichtet sind, eine Längenänderung in Richtung der Y-Achse des piezoelektrischen Elementes (13) zu verstärken und den ersten X-Bereich (RX1) entsprechend der verstärkten Längenänderung in Richtung der X-Achse zu verschieben, und – wobei die Verstärkungsteile (12-1, 12-2) zur Verringerung des Gewichtes der X-Achseneinheit (10) jeweils mit einem Loch (18-1, 18-2) ausgebildet sind, – einer Y-Achseneinheit (20), die innerhalb des ersten X-Bereichs (RX1) angeordnet ist und in einem zweiten X-Bereich (RX2) innerhalb des ersten X-Bereichs (RX1) befestigt ist, um einen ersten Y-Bereich (RY1), der vom zweiten X-Bereich (RX2) in Richtung der Y-Achse angeordnet ist, in Richtung der Y-Achse zu bewegen, und – einer Z-Achseneinheit (30), die in einem zweiten Y-Bereich (RY2) innerhalb des ersten Y-Bereichs (RY1) be festigt ist und eine bestimmte Probe hält, um die Probe in Richtung der Z-Achse zu bewegen, wobei – die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse Achsen rechtwinkliger Koordinaten angeben.
  2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste X-Verstärkungsteil (12-1) Bestandteil eines ersten X-Antriebsteils (11-1) der X-Achseneinheit (10) ist und dass das zweite X-Verstärkungsteil (12-2) Bestandteil eines zweiten X-Antriebsteils (11-2) der X-Achseneinheit (10) ist, wobei die X-Antriebsteile (11-1; 11-2) jeweils mit einem der beiden Enden des piezoelektrischen Elements (13) in Y-Richtung verbunden sind und dafür eingerichtet sind, bei Betätigung des piezoelektrischen Elements (13) ein zweites X-Ende (16-2), das innerhalb des ersten X-Bereichs (RX1) angeordnet ist, von einem ersten X-Ende (16-1), das innerhalb des Referenzbereichs (RR) angeordnet ist, in Richtung der X-Achse zu bewegen.
  3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite X-Verstärkungsteil (12-1, 12-2) der X-Antriebsteile (11-1, 11-2) dafür eingerichtet sind, ein drittes beziehungsweise ein viertes X-Ende (16-3, 16-4), die auf einer gegenüberliegenden Seite zum ersten X-Ende (16-1) ausgebildet sind, durch die verstärkte Längenänderung in Richtung der X-Achse bewegen, dass das erste und das zweite X-Antriebsteil (11-1, 11-2) ein erstes beziehungsweise ein zweites X-Linien-Bewegungsteil (13-1, 13-2) aufweisen, die durch die verstärkte Längenänderung parallel in Richtung der X-Achse verschoben werden, dass das erste und das zweite X-Antriebsteil (11-1, 11-2) einen ersten beziehungsweise einen zweiten Schlitz (19-1B, 19-1C) aufweisen, welche das dritte beziehungsweise das vierte Ende (16-3, 16-4) mit dem ersten beziehungs weise dem zweiten X-Linien-Bewegungsteil (13-1, 13-2) verbinden, und dass ein dritter Schlitz (19-1A) vorgesehen ist, welcher das andere Ende des ersten X-Linien-Bewegungsteils (13-1), das demjenigen Ende des ersten X-Linien-Bewegungsteils (13-1) gegenüberliegt, welches mit dem dritten X-Ende (16-3) verbunden ist, mit dem anderen Ende des zweiten X-Linien-Bewegungsteils (13-2) verbindet, das demjenigen Ende des zweiten X-Linien-Bewegungsteils (13-2) gegenüberliegt, welches mit dem vierten X-Ende (16-4) verbunden ist.
  4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite X-Verstärkungsteil (12-1, 12-2) ein erstes beziehungsweise ein zweites Drückteil (14-1, 14-2) aufweisen, welche die Längenänderung des piezoelektrischen Elements (13) aufnehmen, und dass das erste und das zweite X-Verstärkungsteil (12-1, 12-2) zudem jeweils eine Zwischenstange (15-1) aufweist, die in Längsrichtung des piezoelektrischen Elementes (13) verläuft und am jeweiligen Drückteil (14-1, 14-2) angeordnet ist.
  5. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstange (15-1) ein Stützteil (15-A) aufweist, das mit einer bestimmten Breite ausgebildet ist, sowie ein verengtes Teil (15-1B) an beiden Enden des Stützteils (15-1A), das eine Breite aufweist, die verglichen mit der Breite des Stützteils durch eine halbkreisförmige Rille (15-1C) mit einem bestimmten Radius verringert ist.
  6. Einheit nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite X-Linien-Bewegungsteil (13-1, 13-2) eine erste beziehungsweise eine zweite X-Doppelfeder (13-1B, 13-2B) aufweist, die durch den ersten beziehungsweise den zweiten Schlitz (19-1B, 19-1C) mit dem dritten beziehungsweise dem vierten X-Ende (16-3, 16-4) verbunden sind, und dass das erste und das zweite X-Linien-Bewegungsteil (13-1, 13-2) eine dritte beziehungsweise eine vierte X-Doppelfeder (13-1A, 13-2A) aufweist, die mit der ersten beziehungsweise der zweiten X-Doppelfeder (13-1B, 13-2B) jeweils durch zwei Schlitze (19-1D, 19-1E) verbunden ist, wobei die Schlitze (19-1D, 19-1E) eine bestimmte Länge aufweisen und parallel zur X-Achse angeordnet sind, wobei die Enden der dritten und der vierten X-Doppelfeder (13-1A, 13-2A) miteinander durch den dritten Schlitz (19-1A) verbunden sind.
  7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, die zweite, die dritte und die vierte X-Doppelfeder (13-1B, 13-2B, 13-1A, 13-2A) jeweils zwei Zwischenstangen aufweist, wobei die Zwischenstangen jeweils ein Stützteil (13-1C) mit einer bestimmten Breite aufweisen sowie ein verengtes Teil (13-1D) an beiden Enden des Stützteils (13-1C) mit einer Breite, die verglichen mit der Breite des Stützteils (13-1C) durch eine halbkreisförmige Rille (13-1E) mit einem bestimmten Radius verringert ist.
  8. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Y-Achseneinheit (20) ein piezoelektrisches Element (23) mit einer bestimmten Länge aufweist, dessen Länge in Richtung der X-Achse entsprechend einer Eingangsspannung veränderbar ist, sowie ein erstes Y-Antriebsteil (21-1) und ein zweites Y-Antriebsteil (21-2), die jeweils mit einem der beiden Enden des piezoelektrischen Elements (23) in X-Richtung verbunden sind und die an einem ersten Y-Ende (25) des zweiten X-Bereichs (RX2) befestigt sind, um ein zweites Y-Ende (26), das dem ersten Y-Ende (25) gegenüberliegt, durch Betätigung des pie zoelektrischen Elements (23) in Richtung der Y-Achse zu bewegen.
  9. Einheit nach Anspruch 1, 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Achseneinheit (30) ein Bodenteil (34) mit einer bestimmten Fläche und Dicke aufweist, welches innerhalb des zweiten Y-Bereichs (RY2) der Y-Achseneinheit (20) befestigt ist, dass die Z-Achseneinheit (30) ein Z-Linien-Antriebsteil (31) aufweist, welches in Richtung der Z-Achse bewegbar ist und in vertikaler Richtung, das heißt in Richtung der Z-Achse, von der Oberfläche der Bodenplatte (34) vorsteht, und dass die Z-Achseneinheit (30) ein piezoelektrisches Element (33) aufweist, dessen Länge in Richtung der Z-Achse veränderbar ist, wobei das piezoelektrische Element (33) in einem Raum (31-1') mit einer bestimmten Größe angeordnet ist, der in dem Z-Linien-Antriebsteil (31) ausgebildet ist und vom Bodenteil (34) und dem Z-Linien-Antriebsteil (31) begrenzt wird.
  10. Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Z-Linien-Antriebsteil (31) ein erstes und ein zweites Z-Achsen-Bewegungsteil (31-1, 31-2) aufweist, um ein erstes Z-Ende (36), das vom Bodenteil (34) in Richtung der Z-Achse beabstandet angeordnet ist, in Richtung der Z-Achse bei Betrieb des piezoelektrischen Elementes (33) zu bewegen, wobei das erste und das zweite Z-Achsen-Bewegungsteil (31-1, 31-2) eine erste und eine zweite Doppelfeder (31-1A, 31-1B) beziehungsweise eine dritte und eine vierte Doppelfeder (31-2A, 31-2B) aufweisen, wobei die Enden der ersten und der dritten Z-Doppelfedern (31-1A, 31-2A) durch einen vierten Schlitz (35) verbunden sind.
  11. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Y-Antriebsteil (21-1, 21-2) ein erstes beziehungsweise ein zweites Y-Verstärkungsteil (22-1, 22-2) aufweist, die jeweils mit einem der beiden Enden des piezoelektrischen Elements (23) in X-Richtung verbunden sind und die dafür eingerichtet sind, eine Längenänderung zu verstärken, die bei Betrieb des piezoelektrischen Elements (23) erzeugt wird, und das zweite Y-Ende (26) durch die verstärkte Längenänderung in Richtung der Y-Achse zu bewegen, und dass das erste und das zweite Y-Antriebsteil (21-1, 21-2) ein erstes beziehungsweise ein zweites Y-Linien-Bewegungsteil (23-1, 23-2) aufweist, wobei die Y-Linien-Bewegungsteile (23-1, 23-2) mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Y-Verstärkungsteil (22-1, 22-2) durch einen ersten beziehungsweise einen zweiten Schlitz (27-1, 27-2) verbunden sind, welche einen Teil des ersten Y-Endes (25) durchqueren, und wobei das erste und das zweite Y-Linien-Bewegungsteil (23-1, 23-2) parallel in Richtung der Y-Achse durch die verstärkte Längenänderung verschoben werden, wobei die anderen Enden, die denjenigen Enden des ersten und des zweiten Y-Linien-Bewegungsteils (23-1, 23-2) gegenüberliegen, die mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Verstärkungsteil (22-1, 22-2) verbunden sind, miteinander durch einen dritten Schlitz (27-3) verbunden sind.
  12. Einheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil (22-1, 22-2) ein erstes beziehungsweise ein zweites Drückteil (24-1, 24-2) aufweisen, welche die Längenänderung des piezoelektrischen Elements (23) aufnehmen, und dass das erste und das zweite Y-Verstärkungsteil (22-1, 22-2) zudem jeweils eine Zwischenstange (24) aufweisen, wobei die Zwischenstange (24) ein Stützteil mit einer bestimmten Breite aufweist, sowie ein verengtes Teil an beiden Enden des Stützteils, welches eine Breite aufweist, die verglichen mit der Breite des Stützteils durch eine halbkreisförmige Rille mit einem bestimmten Radius verringert ist.
  13. Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Y-Linien-Bewegungsteil (23-1, 23-2) eine erste beziehungsweise eine zweite Y-Doppelfeder aufweisen, die mit dem ersten Y-Ende (25) durch den ersten beziehungsweise den zweiten Schlitz (27-1, 27-2) verbunden sind, und dass das erste und das zweite Y-Linien-Bewegungsteil (23-1, 23-2) ferner eine dritte beziehungsweise eine vierte Y-Doppelfeder aufweisen, die mit der ersten beziehungsweise der zweiten Y-Doppelfeder jeweils durch zwei Schlitze verbunden sind, welche eine bestimmte Länge aufweisen und welche parallel zur Y-Achse ausgebildet sind, wobei die Enden der dritten und der vierten Y-Doppelfeder miteinander durch den dritten Schlitz (27-3) verbunden sind.
  14. Verwendung einer Dreiachs-Linearbewegungseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Rasterkraftmikroskop zum Scannen einer Probe.
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