DE1926135B2

DE1926135B2 - Ausrichtvorrichtung zur positionierung einer probe

Info

Publication number: DE1926135B2
Application number: DE19691926135
Authority: DE
Inventors: Bernard Epinay sur Seine Noe Pierre Palaiseau Riwan Richard Massy Viel Georges Orsay Auguin, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-05-31
Filing date: 1969-05-22
Publication date: 1971-12-16
Also published as: GB1203925A; DE1926135A1; FR1579003A; BE732574A; CH507783A; US3600967A; LU58614A1; ES367827A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Ausrichtvorrichtung zur Positionierung einer Probe mit einem Probenträgerblock, der um eine erste Achse drehbar ist, die durch eine Gabel getragen ist, die an einer zweiten, zur ersten senkrechten Achse angelenkt und durch eine-. Drehhalter getragen ist, der um eine dritte, zur ersten und zweiten senkrechte Achse drehbar ist.

Es sind bereits Ausrichtvorrichtungen zur Positionierung einer Probe, insbesondere relativ zur Richtung eines Strahls von einer Elektronenbeugungseinrichlung, bekannt, die mechanische Einrichtungen zur Ausrichtung eines Probenträgers mit Organen zu dessen Heizung oder Kühlung vereinigen. Diese Ausrichtvorrichtungen, in denen keine magnetischen oder elektromagnetischen Einrichtungen vorhanden sein dürfen, um nicht die Bahn des Elektronenstrahls zu stören, si; j jedoch nicht sehr genau und erlauben vor allem eine Ausrichtung der Probe nur mit einer begrenzten Anzahl (im allgemeinen höchstens vier) Freiheitsgrade.

So ist auch eine Ausrichtvorrichtung der eingangs cenannten Art bekanntseworden (vgl. Zeitschrift für Physik. Bd. 156, 1959,^S. 163 bis 178), bei der der Probenträgerblock von einer Kardanaufhängung gehaltert ist, die nicht nur die Anzahl der Freiheitsgrade auf drei, sondern auch den Bewegungsspielraum für den Probenträger begrenzt, nämlich auf ein Maximum von ±15° beim Kompensieren der Deklination und ±5° bei Jer Inklination. Die Kardanaufhängung dieser bekannten Ausrichtvorrichtung erfordert auch ein aurwem.iges Kugelglied, das auf einer das Gelenk tragenden Nutringmanschette ruht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Ausrichtvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß durch mechanische Einrichtungen allein sechs Freiheitsgrade mit bemerkenswerter Präzision und großem Verstellbereich erreicht werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einheit von DilTerentialzahnrädern, die unabhängig voneinander die Bewegungen des Probenträgerblocks um die drei Achsen steuern, durch einen Satz von drei Stangen, die an ihren Enden Spiralschnecken haben, die auf die DifTerentialzahnräder eine Bewegung von drei Zahnrädern übertragen, die an drei Wellen befestigt find, die gleichachsig durch eine Haltcbuchse getragen und durch Steuerräder antreibbar sind, durch tin Zylindergehäuse mit zwei Abschnitten, die gleichachsig zu der Haltcbuchse gelagert sind, und durch tine Einrichtung zur Verschiebung der Haltcbuchse relativ zum Gehäuse in Richtung ihrer gemeinsamen Achse und in einer zu dieser Achse senkrechten Richtung sowie /ur Drehung um diese Achse.

Auf diese Weise wird für den Probentnk'.erh'ock tine Ausrichtung mit sechs Frcihcitsrrnden erhalten, die voneinander unabhängig sind, wobei diese sechs Freiheitsgrade einerseits drei Hauptrichtungen um die drei ersten Achsen und andererseits drei Ncbenrichtungcn entsprechen, die durch die Lage der Haltcbuchse relativ zu ihrem Gehäuse bestimmt sind, das ortsfest ist und als gemeinsame Bczugscinrichtung für die ganze Ausrichtvorrichtung dient.

Da die erfindiingsgemäßc Ausrichtvorrichtung an Stelle einer Kardanaufhängung wie bei der obenerwähnten bekannten Ausrichtvorrichtung eine Einrichtung mit Schneckentrieben vorsieht, beträgt für den Probenträgerblock vorteilhafteiweise die maximale Deklination ±80° und die maximale Inklination ±15°, was ein Mehrfaches der entsprechenden Werte für die bekannte Ausrichtvorrichtung bedeutet.

Die Erfindung s,oll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der ein Ausführun^sbeispiel der Ausrichtvorrichtung abgebildet ist. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, der Vorrichtung,

ίο Fig. 2 eine Seitenansicht des Probenträgerblocks und der Einheit der steuernden Differentialzalinräder,

F i g. 3 eine Seitenansicht des gleichen Probenträgerblocks,

Fig. 4 eine axiale Schnittansicht dpr Haltemuffe und ihres Gehäuses und

F i g. 5 eine Teilansicht in kleinerem Maßstab von Fig. 4.
In der Figurenbeschreibung sollen in einem ersten Teil Einzelheiten der Ausführung des Probenträgerblocks und der ihm zugeordneten Einrichtung zur Ausrichtung einer Probe um drei senkrecht im Raum stehende Achsen und danach in einem zweiten Teil die Einrichtung beschrieben werden, die die Ver-Schiebung der Anordnung des Probenträgerblocks mit drei zusätzlichen Freiheitsgraden erlaubt, die durch die Richtungen von zwei senkrechten Achsen und eine Drehung um eine dieser Achsen bestimmt sind.

Aus Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß eine Probe 1 in Form eines kleinen Quaders auf einem Zylinder-

- b!ock oder Probenträgerblock 2 montiert ist, dessen . Achse X-X' mit der eines Kegelzahnrades 3 zusammenfällt. Dieses ist von einer Gabel 4 getragen, die an einer zweiten Achse Y-Y' angelenkt ist, die senkrecht zur ersten Acüse verlauft und durch zwei Zapfen 5 und 6 gebildet ist. Auf dem Zapfen 5 sind an beiden Seiten des entsprechenden Endes der Gabel 4, aber unabhängig von ihr, ein Kegelzahnrad 7, das mit dem Kegelzahnrad 3 kämmt, und ein Stirnzahnrad 8 mit Schrägverzahnung befestigt, das drehfest mit dem Zahnrad 7 verbunden ist. Andererseits ist auf dem Zapfen 6 ein zweites St,' «.zahnrad 9 mit Schrägverzahnung befestigt, das am anderen Ende der Gabel 4 gesichert ist. Die beiden Zapfen 5 und 6 sind auf zwei Armen 10 und 11 angeordnet, die in einem Drehhaltcr 12, der um eine Achse O-O' drehbar ist. vorgesehen sind, die senkrecht zu den beiden Achsen X-X' und Y-Y' verläuft. Drr Halter 12 hat eine innere Aussparung 13, die den freien Durchtritt der Elektronen des Elektronenstrahls von einer Elcktronenbeugungscinrichtiing (nicht abgebildet) erlaubt und relativ zu dessen Richtung die Probe I durch die erläuterte Vorrichtung ausrichtet.

An seinem unteren Abschnitt hat der Halter 12 einen ebenen Flansch 14, der an seiner Außenfläche eine Verzahnung IS trägt. Außerdem sind zwischen dem Flansch 14 und dem Oberteil des Halters 12 frei drehbar zwei Zahnräder montiert, die an ihrer

ßo Außenfläche Verzahnungen 16 und 17 aufweisen. Das Stirnrad 8 ist mit der Verzahnung 17 über zwei Zwischcnzahnräder 42 und 44 gekuppelt, die von einer Achse 43 getragen sind, die im Halter 12 montiert ist. Ebenso ist das Zahnrad 9 mit der Verzahnung 16 durch zwei Zahnrader 45 und 47 gekuppelt, die von einer Achse 46 getragen sind, die parallel zur Achse 43 verläuft und ebenfalls im Halter 12 gelagert ist (vgl. Fig. 3).

Die drei Verzahnungen 15, 16 und 17 (vgl. F i g. 2) kämmen mit den Verzahnungen von drei Zahnrädern 18, 19 bzw. 20, die auf einer Achse 21 parallel zur Achse O-O' frei drehbar montiert sind, die selbst durch ein Gehäuse 22 getragen ist, das durch eine geeignete Befestigungseinrichtung am Halter 12 starr befestigt ist. Die drei Zahnräder 18, 19 und 20 kämmen ihrerseits mit Spiralschnecken, wie 26, am Ende von drei Stangen 23, 24 bzw. 25, wobei nur zwei Spiralschnecken, nämlich für die Stangen 23 und 25, in Fig. 1 und 2 abgebildet sind, während die dritte Schnecke sich an der anderen Seite der Anordnung befindet, die durch die drei Zahnräder 18, 19 und 20 gebildet ist. Die drei Stangen 23, 24 und 25 erstrecken sich mit einer Verlängerung entgegengesetzt zu diesen Zahnrädern durch das Ende 27 einer Haltebuchse 28 mit einer Achse Z-Z' parallel zur Achse X-X'. Im Innern der Haltebuchse 28 sind gleichachsig zur Achse Z-Z' drei Wellen 29, 30 und 31 gelagert, die an ihrem Ende drei Zahnräder 32, 33 bzw. 34 tragen. Letztere kämmen mit Spirallchnecken, wie 35, die am entsprechenden Ende der gleichen Stangen 23, 24 und 25 entgegengesetzt zu den Schnecken 26 vorgesehen sind. Ähnlich wie bei diesen sind nur zwei Schnecken 35 in Fig. 1 und 4 abgebildet, nämlich die den Stangen 23 und 25 zugeordneten. An den Wellen 29, 30 und 31 ist jeweils ein Steuerrad 36, 37 bzw. 38 befestigt (vgl. Fig. 4). Das Steuerrad 36 ist einstückig mit der »Vellc 29 ausgebildet, während die beiden anderen Steuerräder 37 und 38 mit ihren Wellen 30 bzw. 31 ein- oder ausjzekuppeit sind, und zwar über eine Kupplung, die eine Kugel 39 und eine Feder 40 aufweist, wobei das Kuppeln eines Steuerrades mit der zugehörigen Welle dadurch vorgenommen wird, daß auf das Steuerrad eine Kraft in Richtung der Achse Z.-7J nusgcrbt wird, so daß die Kugel 39 ihren Sitz vtriäßt und wobei das Zusammendrücken der Feder 40 das Sichern dieses Steuerrades auf einem Zwischenring 41 erlaubt, der an der entsprechenden Welle befestigt ist.

Die Ausrichtung der Probe 1 um die drei Achsen X-X' Y-Y' und O-O' oder rlic Hauptausrichtung soll nun unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen Teile der Vorrichtung erläutert werden. Diese Ausrichtung wird durch drei unabhängige Bewegungen vonjcnommeii, die jeweils einer Drehung um irgendeine dieser Achsen entsprechen.

1. Unbegrenzte Drehung um die Achse X-X'

Diese erste Bewegung entspricht direkt der Drehung des Zahnrades 3. das am Probcnträgcrblock 2 befestigt is;, urn di^sc Achse. Diese Drehung wird über Jas Kegelrad 7 vorccnommcn, das frei drehbar auf dem Zapfen 5 gelauert ist, indem es durch das Zahnrad 8 angetrieben wird. Letzteres wird durch das Zwischenzahnrad 42 gedreht, das auf der Achse 43 montiert ist. die ihrerseits durch das Zahnrad 44 gedreht wird, das mit der Veizahnung 17 kämmt. Die Drehung der Verzahnung 17 wird durch das DifTercntialzahnrad 20 erreicht, das durch die Schnecke 26 am Ende der Stange 25 gedreht wird. Diese wird über ihre Schnecke 35 am anderen Ende durch das Zahnrad 34 gedreht, das an der Welle 31 befestigt ist. Die Drehbewegung wird letztlich auf diese Welle durch das Steuerrad 38 übertragen, das geeignet mit dieser gekuppelt wird.

2. Bewegung zur Ausrichtung der Einfallsebene der

Probe in Richtung der Achse O-O'

Die Einfallsausrichtung wird vorgenommen, indem

um einen begrenzten Schwenkwinkel die Gabel 4 um die Achse Y-Y' verschwenkt wird, die durch die Zapfen 5 und 6 gebildet ist. Dieses Verschwenken wird durch Drehung des Zahnrades 9 vorgenommen, das an der Gabel befestigt ist, und diese Drehung

ίο wird durch das Zwischenzahnrad 45 an einem Ende der Achse 46 gesteuert, an deren anderem Ende das Zahnrad 47 getragen ist, das mit der Verzahnung 16 kämmt. Diese kämmt ihrerseits mit dem Differentialzahnrad 19, das durch die Schnecke an einem Ende der Stange 24 angetrieben wird. Diese wird durch das Zahnrad 33 und die Welle 30 angetriebeil, die ihrerseits durch das Steuerrad 37 angetrieben wird, das vorher eingekuppelt ν ^rde. Anschläge (nicht abgebildet) z. B. am Zahnrad 9 begrenzen den auf diese Weise erhaltenen Schwenkwinkel so, daß der richtige Winkel etwa ± 15° um die Mittelstellung beträgt.

3. Drehung des Probenträgerblocks um die Achse O-O' senkrecht zu den Achsen X-X' und Y-Y'

Diese Bewegung wird vorgenommen, indem in die Verzahnung 15 am unteren Abschnitt des Drehhalters 12 das Zahnrad 18 eingreift, das durch die Schnecke 26 an einem Ende der Stange 23 angetrieben wird. Diese wird durch ihre Schnecke 35 angetrieben, die mit dem Zahnrad 32 an einem Ende der Welle 39 kämmt, die unmittelbar über das Steuerrad 36 gedreht wird. Für diese Bewegung des Probenträgerblocks ist ein Schwenkwinkel von ± 80° vorgesehen, jedoch nicht zwingend vorgeschrieben.

Die so für die Probe erhaltenen drei Bewegungen sind vollkommen voneinander unabhängig, insbesondere wegen des Kuppeins durch mindestens zwei Steuerräder, so daß jede falsche Bedienung und vor allem jede Verknüpfung der Bewegungen untereinander vermieden werden. Die Einfallsebene der Probe kann in bezug auf den Elektronenstrahl eingestellt werden, indem die geeignete Ausrichtung vorgenommen wird, ohne daß diese Einstellung der Einfallsebene durch eine gleichzeitige oder spätere Drehung des Probenträgerblocks um eine der beiden anderen Achsen beeinträchtigt wird. Außerdem kann vorteilhafterweise die Welle 29, die das Zahnrad 32 trägt, das die Drehung um die Achse O-O' relativ zur Haltcbuchse 28 steuert, durch eine Feststellschraube

i) 48 (vgl. Fig. 4) festgestellt werden, die diese Welle und die Haltcbuchse verbindet.

Außer den bereits genannten Einrichtungen verfügt die Vorrichtung gemäß der Erfindung über zusätzliche Einrichtungen, durch die den bereits erlialtcnen dre^; Frcihcitspraden drei zusätzliche Freiheitsgrade überlagert werden können.

4. Seitliche Verschiebung der Haltebuchse

Zu diesem Zweck ist die Haltebuchse 28 im Tnncrn eines Gehäuses 49 montiert, das aus einem ersten Abschnitt i>ß besteht, der insbesondere an der Wand der Beobachtungskammer der Beugungseinrichtung mit einer Dichtung in Form eines Dichtringcs 51 in einem Bund 52 anliegen kann und aus einem zweiten Abschnitt S3 besteht, der mit der Haltcbuchse 28 verbunden ist und relativ zum ersten Abschnitt eine kleine Verschiebung in Richtung einer Achse W-W" erfahren kann, die senkrecht zur Achse Z-Z' und

parallel zur Achse Y-Y' verläuft. Zu diesem Zsveck sind die beiden Abschnitte 50 und 53 entlang einer Quernut 60 ineinandergepaßt, die parallel zur Achse W-W verläuft und vorzugsweise Schwalbenschwanzprofil hat. Ein Faltenbalg 54 gewährleistet eine standige Abdichtung zwischen den beiden Abschnitten in allen ihren Lagen. Die Verschiebung des einen Abschnitts relativ zum anderen wird über eine Schraube 55 vorgenommen, die an einem ihrer Enden ein Steuerrad 56 trägt, wobei diese Schraube eine Mutter 57 trägt, die am ortsfesten Abschnitt 50 des Gehäuses 49 befestigt ist. Unter diesen Bedingungen überträgt sie über einen Winkel 58, der an einem Stück 59 befestigt ist, das mit der Haltebuchse 28 verbunden ist, eine seitliche Schwenkbewegung, so daß die beiden Abschnitte 50 und 53 gegeneinander in der Schwalbenschwanznut 60 gleiten. Während dieser Verschiebung bleibt der Abschnitt 50 ortsfest, so daß der Abschnitt 53 die Haltebuchse 28 und damit alle von dieser gehalterten Teile mitnimmt, insbesondere den Drehhalter 12 des Probenträgerblocks 2.

5. Axiale Verschiebung der Haltebuchse

Ein anderer Freiheitsgrad besteht in einer mög- »5 liehen Verschiebung der Haltebuchse 28 innen im Gehäuse 49 in Richtung der Achse Z-Z', die durch die gemeinsame Achse der Wellen 29, 30 und 31 und der Haltebuchse 28 parallel zur Achse X-X' gebildet wird. Zu diesem Zweck ist die Haltebuchse 28 mit e^;ner Überwurfmutter 61 versehen, die Steuerhandgriffe 62 aufweist und auf einen Gewindeabschnitt 63 auf der Außenfläche der Haltebuchse aufgeschraubt ist. Ein Kugellager 64 gewährleistet eine freie Drehung der Überwurfmutter, während ihre Translationsbewegung durch einen Ring 65 verhindert wird, der auf einer Verlängerung des Abschnitts 53 montiert ist. Die Drehung der Überwurfmutter wird daher in eine Translationsbewegung entlang der Achse Z-Z' umgesetzt, wobei die Abdichtung zwischen der Außenfläche der Haltebuchse und einem Flansch 68, der zum Abschnitt 53 des Gehäuses 49 gehört, durch Dichtringe 67 aufrechterhalten wird.

6. Drehung der Haltebuchse um die Achse Z-Z' ^4S

Diese Drehung der Haltebuchse 28 wird durch eine Steuerscheibe 69 erreicht, deren Achse 70 (vgl. F i g. 5) eine Schnecke 71 trägt, die mit einer Verzahnung (nicht abgebildet) an der Außenfläche der Haltebuchse 28 kämmt. Die Steuerung der Steuerscheibe 69 durch einen Handgriff 72 bestimmt auch die Drehung der Haltebuchse 28 auf ihr und aller davon gehalterten Elemente. Es ist ersichtlich, daß das Gewinde der Schnecke 71 notwendigerweise so ausgerichtet ist, daß es parallel zur Richtung der Achse Z-Z' verläuft, damit die durch Betätigung der Überwurfmutter 61 vorgenommene Verschiebung entlang der Richtung dieser Achse erfolgen kann.

Durch die Erfindung wird also eine Vorrichtung zur Ausrichtung einer Probe angegeben, so daß diese sinem Elektronenstrahl von einer Beugungseinrichtung in jeder zur Durchführung der Untersuchung lotwendigen Lage ausgesetzt werden kann. Insbesondere erlaubt diese Vorrichtung die Verwendung von Jünnen Schichten als Proben, für die der Elekronenstrahl senkrecht zu ihrer Ebene verläuft und lie Schichten durchdringt, ebenso wie von massiven Proben, deren Oberfläche praktisch parallel zum Strahl verläuft. Die Genauigkeit der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sehr groß sein, sie ist allein durch die Genauigkeit beschränkt, die bei der Bearbeitung der verwendeten Zahnräder und Verzahnungen erreicht werden kann. Außerdem werden die Zahnräder in vorteilhafter Weise mit einem Spielverringerungssystem montiert, das eine große Steuergenauigkeit für die verschiedenen Bewegungen gewährleistet.

Schließlich sind andere Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung in folgenden Merkmalen zu sehen, die auch bei gleichzeitiger Verwendung die oben angegebene Ausrichtung entsprechend den Freiheitsgraden der sechs Bewegungen nicht beeinträchtigen: So kann die Probe in einem Gefäß mit höherem Vakuum untergebracht sein, wobei die Abdichtung des Probenträgerblocks mit seinen Stelleinrichtungen, insbesondere durch die Dichtringe 51 und 67. gewährleistet ist. Außerdem kann die Temperatur der Probe auf -100 bis +1000~ C durch ein Heiz- oder Kühlsystem (nicht abgebildet) gebracht werden, das sich im Gefäß befindet und unabhängig sowie ohne Ausbau und Luftabgabe arbeiten kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Ausrichtvorrichtung zur Positionierung einer Probe mit einem Probenträgzrblock, der um eine erste Achse drehbar ist, die durch eine Gabel getragen ist, die an einer zweiten, zur ersten senkrechten Achse angelenkt und durch einen Drehhalter getragen ist, der um eine dritte, zur ersten und zweiten senkrechte Achse drehbar ist, gekennzeichnet durch eine Einheit von Differentialzahnrädern (18 bis 20), die unabhängig voneinander die Bewegungen des Probenträgerbiocks um die drei Achsen (X-X', Y-Y' O-O') steuern, durch einen Satz von drei Stangen (23 bis 25), die an ihren Enden Spiralschnecken (26) haben, die auf die Differentialzahnräder eine Bewegung von drei Zahnrädern (32 bis 34) übertragen, die an drei Wellen (29 bis 31) befestigt sind, die gleichachsig durch eine Haltebuchse (28) getragen und durch Steuerräder (36 bis 38) antreibbar sind, durch ein Zylindergehäuse (49) mit zwei Abschnitten (50, 53), die gleichachsig zu der Haltebuchse gelagert sind, und durch eine «inrichtung (56, 55, 57, 62, 61. 63; 72, 69. 71) zur Verschiebung der Haltebuchse relativ zum Gehäuse in Richtung ihrer gemeinsamen Achse (Z-Z') und in einer zu dieser Achse senkrechten Richtung (W-W) sowie zur Drehung um diese Achse.

2. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (50, 53) des Zylindergehäuses (49) entlang einer Schwalbenschwanznut (60) ineinandergepaßt sind, die senkrecht zur Achse (Z-Z') der Haltebuchse (28) verläuft, und daß die beiden Abschnitte mit einer Schraube (63) bzw. einer Mutter (61) zur Steuerung ihrer Relativbewegung verbunden sind.

3. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialzahnräder (18 bis 20) in drei parallelen Verzahnungen (15 bis 17) auf dem Drehhalter (12) eingreifen.

4. Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltebuchse (28)

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η Gewindeabschnitt (63) hat, der mit einer rwurfmutter (61) im Eingriff ist, die keine islationsbewegung relativ zum Zylinderuse (49) ausführen kann und deren Drehung Verschiebung der Buchse in Richtung ihrer ie (Z-Z') bewirkt.
Ausrichtvorrichtung nach Anspruch 1, da-

durch gekennzeichnet, daß das Zylii (49) mit einer Steuerscheibe (69) ν die eine Spiralschnecke (71) steuert, Verzahnung an der Außenseite der 1 (28) eingreift, und daß das Schnee parallel zur Achse (Z-Z') der Haltel läuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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