DE69005689T2

DE69005689T2 - Mechanische Objektplatte, insbesondere für ein Tunneleffektmikroskop.

Info

Publication number: DE69005689T2
Application number: DE69005689T
Authority: DE
Inventors: Mark Armstrong Mccord
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2010-04-24
Also published as: JP2591844B2; US4925139A; EP0394914B1; DE69005689D1; EP0394914A1; JPH02297004A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Grobbewegungen eines Objekttisches, insbesondere für ein Rastertunneleffektmikroskop, und spezieller auf eine Anordnung, in der der Objekttisch für das Rastertunneleffektmikroskop durch axial starre Drahtfedern fest mit einem Trägeraufbau verbunden ist.
Objekttische für Rastertunneleffektmikroskope sind im allgemeinen eingerichtet, um eine Probe unter der Mikroskopspitze zu lokalisieren. Da die Toleranzen für das genaue Lokalisieren von Proben extrem klein sind, ist die Position des Objekttisches im allgemeinen sowohl in feinen als auch in groben Inkrementen einstellbar. Feineinstellungen werden verwendet, um die Probe bezüglich der Mikroskopspitze genau zu positionieren, so daß sich der abzutastende Bereich der Probe in einem vorausbestimmten Abstand zur Spitze und direkt unter der Spitze befindet. Der Grobeinstellungsmechanismus ist dazu konzipiert, auf die Probe zugreifen zu können. Sobald die Probe auf dem STM-Objekttisch liegt, bewegt der Grobeinstellungsmechanismus den Objekttisch in eine Position, an der zur genauen Positionierung der Probe unter der Spitze die Feineinstellung eingesetzt werden kann. Die Feineinstellung wird gewöhnlich durch Einstellen der Nadelposition bewerkstelligt.
Frühere Objekttischkonstruktion für Rastertunneleffektmikroskope vertrauten auf piezoelektrische oder magnetische Schrittvorrichtungen zur Grobeinstellung. Der Artikel "An Electromagnetic Microscopic Positioning Device for the Scanning Tunneling Microscope" von Corb et al., J. Appl. Phys. 58 (11), Dezember 1985, beschreibt ein Gerät zur magnetischen Grobpositionierung. Konstruktionen, die auf piezoelektrische oder magnetische Schrittvorrichtungen vertrauen und dabei gleichzeitig die notwendige mechanische Festigkeit zur Verfügung stellen, bieten nur beschränkte Bewegung in lediglich einer oder zwei Richtungen. Andere Grobeinstellungskonstruktionen, die auf mechanischer Bewegung beruhen, verwenden Blattfedern, Gleitvorrichtungen oder eine Kombination aus Blattfeder und Gleitvorrichtung. Obwohl beide Anordnungen die notwendige mechanische Festigkeit bieten, weisen sie doch Beschränkungen auf. Sie bieten lediglich beschränkte Bewegung, sind unverläßlich, empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen (z. B. Staub), und ihre Bewegungen sind im allgemeinen nicht reproduzierbar.
Bei einigen Konstruktionen nach dem Stand der Technik, zum Beispiel dem in der russischen Patentschrift 682751 beschriebenen Gerät, wird die Positionseinstellung mittel Schraubenmechanismen bewerkstelligt, um den Trägeraufbau zu bewegen. Konstruktionen dieser Art sind empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen. Beispielsweise verursacht Staub leicht nichtlineare und nichtreproduzierbare Bewegungen. Ebenso haben Gleitvorrichtungen leicht Probleme mit dem Totgang, da die Reibung der Gleitpunkte leicht verhindert, daß sich das Objekttischteil frei bewegt.
Die US-Patentschrift 4 635 887 beschreibt einen alternativen Einstellmechanismus für Objekttische. In dieser Patentschrift sind Einstellschrauben so angebracht, daß sie sich mit einer Reihe von Zwischenträger-Aufbauten bewegen, um einem externen Objekttisch dreidimensionale Bewegung zu verliehen. Die Stützwände für die elastischen Federn sind schwimmend aufgehängt. Die Endposition des Objekttisches ist mit dem Hauptobjekttisch (Rahmen) über einen langen mechanischen Weg einschließlich einer Reihen) über einen langen mechanischen Weg einschließlich einer Reihe von Biegeteilen verbunden. Diese Anordnung ist unvorteilhaft, da sie die Unempfindlichkeit gegen Schwingungen, die Positioniergenauigkeit und die thermische Stabilität verringert.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 252 174 beschreibt einen gewindebackenförmigen Ansatz für eine Grobeinstellvorrichtung, die zwei Blöcke - der eine stationär, der andere bezüglich des stationären Blocks verdrehbar - enthält. Die Blöcke sind auf einer Seite durch ein federartiges Metallblech verbunden. Der verdrehbare Block, und mit ihm die Probe, kann durch Drehen einer Schraube bewegt werden.
Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 15, Nr. 12, Mai 1973, wird in "Frictionless X, Y, Z and Theta Micropositioning Table" von Aronstein und Holmstrom ein Mikropostioniertisch beschrieben, der piezoelektrische Träger verwendet, die in einer ersten Richtung biegsam sind, während sie in Stützrichtung, die 90 Grad senkrecht zur biegsamen Richtung steht, starr sind. Diese Träger werden zum Bau eines beweglichen Objekttisches verwendet. Der bei dieser Anordnung erzielbare Grobeinstellungsbereich ist eingeschränkt, da sie piezoelektrisch angetrieben wird. Aufgrund der Bauweise ist sie zusätzlich gegen Schwingungen empfindlich. Schließlich haben die getrennten Biegestützen keinen Bezug zu einem festen Rahmen.
In "An STM for Biological Applications: BIOSCOPE" von B. Michel und G. Travaglini, vorgestellt auf der Third International Conference on Scanning Tunneling Microscopy, Oxford, Großbritannien, 4.-8. Juli 1988, wird mittels eines Gleittisches, der drei präzionsbearbeitete und polierte Saphirplatten benötigt, eine dreidimensionale Grobbewegung erreicht. Zur X-, Y- und Z-Bewegung verschieben Mikrometerschrauben diagonal eingekerbte Blöcke mit saphirzwischenstücken. Die Gleitbewegung macht diese Vorrichtung wiederum gegenüber Umgebungsbedingungen emfindluch.
Seit der Erfindung des Rastertunneleffektmikroskops (STM) durch Binnig und Rohrer (siehe "Scanning Tunneling Microscopy", IBM J. Res. Develop., Bd. 30, S. 355-369, 1986) ist die Grobeinstellung der Probe ein ungelöstes Problem geblieben. Die großen Abmessungen der herkömmlichen X-Y-Z-Objekttische und die drei benötigten Freiheitsgrade führen zu konstruktionseigenen thermischen und mechanischen Instabilitäten. Daher müssen Messungen Schwingungen und thermischen Drift kompensieren. Ein Nachteil der Grobeinstellungssysteme, die auf zwei Richtungen (X- und Y-Richtung) beschränkt sind, besteht im schlechten Zugriff der Spitze auf die Probe. Wenn die Positionierung mittels piezoelektrischer Elemente durchgeführt wird, sind Richtung und Größe der Bewegungen zudem nicht vorhersagbar. Da die meisten Grobeinstellungssysteme von Hand bedient werden, können sie schließlich nicht durch Datenerfassungssoftware gesteuert werden.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Positioniersystemen besteht darin, daß sich nicht alle Bewegungen direkt auf einen festen Trägeraufbau beziehen. Die Einstellmechanismen sollten sich in allen drei Richtungen direkt auf einen festen Trägeraufbau beziehen, um die für STM-Anwendungen erforderliche Genauigkeit zu erzielen.
Ein weiteres Problem hängt mit der Anpassung der STM-Technologie auf biologische Anwendungen zusammen; bis jetzt befaßten sich ddie meisten STM-Anwendungen mit kleinen, sich wiederholenden Strukturen, die innerhalb des Bereichs eines piezoelektrischen Feinpositionieres aufgefunden werden können. Bei diesen Anwendungen war ein unverläßliches Grobeinstellungssystem kein großer Nachteil. Bei biologischen Anwendungen, wo die Strukturen viel weniger dicht oder sogar nur einmal vorhanden sind, ist die Chance, ein bestimmtes Merkmal innerhalb des Bereiches des piezoelektrischen Feineinstellers zu finden, sehr gering.
Daraus wird ersichtlich, daß ein verbesserter Grobeinstellungsmechanismus eine verläßliche Vorrichtung zur Bewegung des Objekttisches in verhältnismäßig großen Schritten enthielte. Dieser Mechanismus enthielte ferner Mittel zur genauen und reproduzierbaren Bewegung des Objekttisches in einen vorausbestimmten Abstand zur STM-Spitze, wobei der vorausbestimmte Abstand genügend klein ist, so daß der Feineinstellungsmechanismus arbeiten kann. Dieser Mechanismus enthielte ferner Mittel, um den Objekttisch mit einer starren Grundplatte zu verbinden, um die Übertragung und Verstärkung von Schwingungen zu vermindern. Zusätzlich enthielte diese Vorrichtung Mittel zur Anpassung der Grobeinstellung an ein mechanisches Einstellmittel mit einem Minimum an Verbindungsvorrichtungen. Schließlich enthielte diese Vorrichtung keine Gleitmittel.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die für die Grobeinstellung eines Objekttisches, insbesondere für ein Rastertunneleffektmikroskop, geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grobeinstellungsmechanismus zur Verfügung zu stellen, der die auf den Objekttisch übertragenen Schwingungen vermindert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grobeinstellungsmechanismus vur Verfügung zu stellen, der axial starre Federn enthält, die den Objekttisch halten und die Bewgung eines Schraubenmechanismus auf den Objekttisch übertragen.
Diese Aufgaben werden grundlegend durch die im unabhängigen Hauptanspruce gegebene Lösung gelöst.
Weitere spezielle vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die vorliegende Erfindung gestattet eine sehr genaue mechanische X-, Y- und Z-Bewegung der Probe in einem Rastertunneleffektmikroskop, wobei gleichzeitig die Unempfindlichkeit des Instruments gegen äußere Schwingungen beibehalten wird. Zusätzlich bietet die vorliegende Erfindung einen verhältnismäßig großen Bewegungsbereich in drei Richtungen.
Hier wird ein STM mit einem verbesserten Grobeinstellungssystem und einer großen Abtastfläche vorgestellt. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, auf einer großen Probe innerhalb einer kurzen Zeitspanne interessierende Flächen zu finden.
Die vorliegende Erfindung ist ein verbesserter Mechanismus für die Grobeinstellung des Objekttisches eines Rastertunneleffektmikroskops. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Objekttisch durch Kräfte bewegt, die durch starre Drahtfedern übertragen werden, die auf Blattfederaufbauten angebracht sind, die die Bewegung von fest angebrachten Mikrometereinstellvorrichtungen übertragen. Es ist vorgesehen, daß der Grobeinstellungsmechanismus der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu gegenwärtig für STM-Anwendungen vorhandenen Einstellungsmechanismen eine verbesserte Leistung bietet.
Genauer gesagt, ist die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Einstellen eines Objektplattenträgeraufbaus wie eines STM- Objekttisches, die einen ersten Satz von zum Beispiel vier axial starren Stützgliedern - beispielsweise Drahtfedern - enthält, die mit einer Seite des Objekttisches verbunden sind. Die Stützglieder sind senkrecht zur Fläche der Objektplatte fest angebracht. Die Enden der Stützglieder gegenüber dem Objekttischglied sind fest mit einer ersten Federanordnung, zum Beispiel einer Blattfeder, verbunden. Die erste Eederanordnung ist fest auf bzw. parallel zu einer ersten Wand des Trägeraufbaus angebracht. Eine zweite Wand des Trägeraufbaus ist senkrecht zur ersten Wand und parallel zum ersten Satz von Stützgliedern angebracht. Die zweite Wand trägt eine zweite Feder, zum Beispiel eine Blattfeder, die durch einen zweiten Satz starrer Stützglieder mit einer Seite des Objekttischglieds verbunden ist. Eine dritte Wand des Trägeraufbaus ist senkrecht sowohl zur ersten als auch zur zweiten Seite und parallel zum ersten Satz von Stützgliedern angebracht. Die dritte Wand trägt eine dritte Feder, zum Beispiel eine Blattfeder, die durch einen dritten Satz von Stützgliedern mit einer Seite des Objekttischglieds verbunden ist, die senkrecht zu der mit dem zweiten Satz von Stützgliedern verbundenen Seite steht. Mit jeder der drei Wände sind Schraubenmechanismen, zum Beispiel Mikrometerschrauben, so verbunden, daß eine Einstellung eines Schraubenmechanismus in den Blattfedern eine Bewegung bewirkt, die durch die starren Stützglieder auf den Objekttisch übertragen wird.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein zusätzlicher Satz von Stützgliedern mit der Seite des Objekttischteils verbunden, die der Seite gegenüberliegt, mit der der erste Satz von Stützgliedern verbunden ist. Die nicht mit dem Objekttischglied verbundenen Enden des vierten Satzes von Stützgliedern sind mit einer Feder, zum Beispiel einer Blattfeder, verbunden, die auf bzw. parallel zu einer vierten Wand des Trägeraufbaus angebracht ist, wobei sich die vierte Wand des Trägeraufbaus parallel und gegenüber der ersten Wand und senkrecht zur zweiten und dritten Wand befindet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind vierte, fünfte bzw. sechste Sätze von Mikrometerschrauben in Wänden des Trägeraufbaus angebracht, die der ersten, zweiten bzw. dritten Wand gegenüberstehen. Die vierten, fünften bzw. sechsten Mkrometerschrauben sind mit vierten, fünften bzw. sechsten Blattfedern verbunden, die auf vierten, fünften bzw. sechsten Wänden angebracht sind. Die vierten, fünften bzw. sechsten Blattfedern, die die vierten, fünften bzw. sechsten axial starren Stützglieder berühren, sind mit dem Objekttisch auf einer Seite verbunden, die gegenüber den ersten, zweiten bzw. dritten axial starren Stützgliedern liegt. Somit wirkt beispielsweise der Bewegung in einer ersten Richtung durch Einstellen der ersten Mikrometerschraube die Kombination aus vierter Mikrometerschraube, vierter Blattfeder und viertem axial starren Glied entgegen. Der Bewegung in der zweiten und dritten Richtung wirken analog der jeweils gegenüberliegende Satz aus Mikrometerschraube, Blattfeder und axial starrem Träger entgegen.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung gemäß der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind, ausführlicher beschrieben, wobei von den Zeichnungen:
Fig. 1 eine Schnittansicht längs A-A in Fig. 2 durch ein Ausführungsbeispiel eines Trägeraufbaus und eines Grobeinstellungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 entlang B-B zeigt;
Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Trägeraufbaus und eines Grobeinstellungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 4 eine Schnittperspektive des Trägeraufbaus und des Grobeinstellungsmechanismus der Fig. 1 und 2 zeigt.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung von Grobbewegungen des STM-Objekttisches selbst, Feinjustierungen der STM-Spitze werden zum Beispiel durch einen piezoelektrischen Antrieb bewerkstelligt, wie er in Fig. 1C auf Seite 38 des Artikels von Binnig et al. mit dem Titel "Scanning Tunneling Microscopy", Physica, Elsevier Science Publishers, B.V. (127B), 1984, abgebildet ist und der hiermit durch das Zitat eingeschlossen ist. Alternativ können bekannte piezoelektrische Röhrenkonstruktionen verwendet werden, um die STM-Spitze zu positionieren.
Fig. 1 zeigt eine Aufschnittszeichnung des mechanischen Objekttisches gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, einschließlich der Rastertunneleffektmikroskopnadel 72 und der piezoelektrischen Röhre 73. Der Probentisch 13 ist durch erste Drahtfedern 10 mit einer Blattfeder 40 verbunden, die durch die erste Mikrometerschraube 44 in Z-Richtung bewegt wird. Man wird erkennen, daß die Mikrometerschraube 44 durch eine beliebige lineare Positioniervorrichtung geeignet ersetzt werden kann, die für Bewegung in eine Richtung parallel zu den axial starren Stützgliedern sorgt, zum Beispiel hydraulische Kolben oder piezoelektrische Kristalle. Die Drahtfedern 10 umfassen vorzugsweise vier gerade Drähte, die in axialer Richtung starr, in seitlicher Richtung dagegen biegsam sind. Für diesen Zweck ist jedoch ein beliebiges Stützglied geeignet, das längs einer Hauptachse starr und senkrecht zur Hauptachse biegsam ist, zum Beispiel ein Glied mit einem kreisförmigen oder sogar ovalen Querschnitt. Die Mikrometerschraube 44 ist durch die Hauptwand 46 des Trägerrahmens 48 geführt. Zur Steuerung der Bewegung des Objekttisches in X-Richtung kann eine zweite Mikrometerschraube 52 der ersten Seitenwand 68 zugefügt werden. Die zweite Mikrometerschraube 52 liegt auf der zweiten Blattfeder 60 auf, die mit dem Probentisch 13 durch zweite Drahtfedern 64 verbunden ist. Es ist festzuhalten, daß die zweite Mikrometerschraube 52 ebenso leicht der zweiten Wand 56 zugefügt werden kann, ohne die Funktionweise des Trägeraufbaus zu verändern.
Fig. 2 zeigt eine zweite Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1, der die dritte Seitenwand 76 zeigt. Die dritte Seitenwand 76 enthält die dritte Mikrometerschraube 80 und die dritte Blattfeder 84. Die dritte Mikrometerschraube 80 bewegt den Probentisch 13 durch Druck auf die dritte Blattfeder 84, die durch Drahtfedern 88 am Probentisch befestigt ist, in Y-Richtung. Die Drahtfedern 64 und 88 umfassen vorzugsweise zwei Drähte, die in axialer Richtung starr und in seitlicher Richtung biegsam sind. Es kann jedoch ein beliebiges Glied wie diejenigen, die bei der Diskussion der Drahtfedern 10 beschrieben worden sind, verwendet werden.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine vierte Blattfeder 140 und vierte Drahtfedern 110 enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt die vierte Blattfeder 140 gegen die Bewegung des Objekttisches 13 in Z- Richtung und dämpft dadurch die Bewegung durch die erste Mikrometerschraube und verbessert die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Bewegung des Objekttisches.
Wenn die Vorrichtung symrnetrischer wird, ist zu erwarten, daß sie linearer und unempfindlicher gegen Schwingungen und thermischen Drift wird. Der Fachmann wird daher leicht erkennen, daß ein alternatives, nicht abgebildetes Ausführungsbeispiel einander entgegenwirkende Mikrometerschrauben, Blattfedern und axial starre Stützglieder für jede der Bewegungsrichtungen X, Y und Z enthalten könnte. Die einander entgegenwirkenden Mikrometerschrauben wären gegenüber den in Fig. 1-3 gezeigten Mikrometerschraubren angebracht. Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele, die ebenfalls nicht abgebildet sind, könnten einander entgegenwirkende Kombinationen von Mikrometerschrauben, Blattfedern und axial starren Stützgliedern für eine oder zwei der Richtungen X, Y und Z enthalten. Beispielsweise könnte die Mikrometerschraube 144 auf oder parallel zur Wand 146 in Fig. 3 angebracht werden.
Die Bewegung einer in der Wand 146 angebrachten Mikrometerschraube würde über die Feder 140 auf vierte Drahtfedern 110 übertragen werden und würde dann den Objekttisch 13 in eine Richtung bewegen, die entgegen der Richtung liegt, in die die Mikrometerschraube 44 den Objekttisch 13 bewegt. Somit würde diese zusätzliche Kombination aus Mikrometerschraube, Blattfeder und Drahtfeder der Bewegung des Objekttisches entgegenwirken, die durch die Mikrometerschraube 44, Blattfeder 40 und axial starren Stützen 10 verursacht wird. Es ist offensichtlich, daß diese Anordnung dann am besten arbeitet, wenn einander entgegenwirkende Mikrometerschrauben synchronisiert sind, damit gewährleistet ist, daß sie sich zusammen bewegen. Wenngleich diese Veränderungen Verbesserungen darstellen mögen, verlassen sie nicht den Gültigkeitsbereich der in der vorliegenden Anmeldung beanspruchten Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 1 und 2 abgebildeten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 1-3 kann jede der Blattfedern vorzugsweise ein Blechstreifen sein, der an den abgebildeten Stellen gebogen ist. Die Biegungen in der Blattfeder 40 sind so konstruiert, daß sichergestellt wird, daß der Mittelteil der Blattfeder 40 parallel zur Hauptwand 46 bleibt, wenn die Z-Mikrometerschraube nach innen und außen bewegt wird. Als Alternative könnte die Mitte der Blattfeder 40 mittels einer starren Metallplatte oder eines anderen Versteifungsmittels verstärkt werden, um das Biegen zu verhindern. Die Enden der Blattfeder 40 sind fest mit der ersten und zweiten Wand 56 und 68 verbunden (als Alternative können die Enden der Blattfeder 40 an der Hauptwand 46 angebracht sein).
Die Drahtfedern 10 sind Drähte, die den Objekttisch 13 in einem festen Abstand vom Mittelteil der Blattfeder 40 halten. Diese Drähte können sich in X- und Y-Richtung biegen. Die Drahtfedern 64 halten den Objekttisch 13 in einem festen Abstand vom dem Teil der zweiten Blattfeder 60, der über der Mikrometerschraube 52 liegt. Die Drahtfedern 88 halten den Objekttisch 19 in einem festen Abstand von dem Teil der Blattfeder 84, der über der Mikrometerschraube 80 liegt.
Es ist offensichtlich, daß die Blattfedern der vorliegenden Erfindung so konstruiert sind, daß sie Rückstellkräfte bieten und die axial starren Stützglieder fest an der Mikrometerschraube halten. Zur Bewerkstelligung dieser Aufgabe läge daher jede geeignete Anordnung zur Kraftübertragung im Bereich der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise könnte die Blattfeder durch Mittel ersetzt werden, die die axial starren Stützglieder drehbar an der Mikrometerschraube so befestigen, daß die axial starren Stützglieder sich bezüglich des Objekttisches nicht drehen, wenn die Mikrometerschraube gedreht wird.
So lange die Bewegungen des Objekttisches klein gegenüber der Länge der axial starren Stützglieder sind (was beim STM normalerweise der Fall ist), sind die X-, Y- und Z-Bewegungen im wesentlichen linear und orthogonal. Bei größeren Entfernungen bewegt sich der Objekttisch in einem Bogen, dessen Radius der Läge der axial starren Stützglieder entspricht. Wenn sich der Objekttisch in X- oder Y-Richtung bewegt, bewegt er sich auch leicht in Z-Richtung; die Bewegung ist ungefähr ein Kreisbogen. Selbst bei größeren Bewegungen bleibt der Objekttisch jedoch senkrecht zur STM-Spitze, da die axial starren Stützglieder 10 eine konstante Länge besitzen. Somit bleibt der Objekttisch selbst bei großen Bewegungen senkrecht zur STM-Spitze.
Ein einzigartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Objekttisch durch gerade Drahtfedern, die in Bewegungsrichtung starr, in zwei andere Richtungen jedoch biegsam sind, mit X-, Y- und Z-Mikrometerstellschrauben verbunden ist. Durch Verwendung biegsamer Teile ist die Objektplatte außerdem sehr klein, leicht und mechanisch stabil. Dies reduziert Relativschwingungen zwischen dem Rastertunneleffektmikroskop und dem Objekttisch auf das Sub-Ångström-Niveau, was es erlaubt, qualitativ hochwertige Rasterbilder zu erhalten. Zur Reduzierung der absoluten Schwingungen wird die Grundplatte, auf der der Objekttisch und das STM für gewöhnlich angebracht sind, durch einen sorgfältig durchdachten Satz von Federn oder Gummischwingungshalterungen gelagert. Zur Reduzierung von Relativschwingungen müssen sowohl das STM als auch der Objekttisch fest mit der Grundplatte verbunden sein, was die vorliegende Erfindung gestattet.
In einem Ausführungsbeispiel war das STM so konstruiert, daß der Objekttisch einen 2,54-cm(1-Inch)-Wafer halten kann. Die andere Hauptkonstruktionsaufgabe bestand darin, daß die Bewegung in Z- Richtung bei einer Bewegung von 1 mm in X- oder Y-Richtung kleiner als 3 Mikrometer sein soll, was im Bereich des STM liegt. Um diese Aufgaben zu erreichen, hat sich herausgestellt, daß die Drahtfedern mindestens 3,81 cm (1,5 Inch) lang sein sollten. In diesem Ausführungsbeispiel wurden 4,44 cm (1,75 Inch) lange Drahtfedern verwendet. Durchmesser und Dicke der Federn wurden so groß wie möglich gewählt, umdie Festigkeit der Konstruktion zu maximieren und gleichzeitig die zur Bewegung des Objekttisches erforderlichen Kräfte in den Grenzen kleiner Schrittmotoren zu halten. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Blattfedern aus 0,030 cm (0,012 Inch) dickem rostfreiem Stahlblech, die Hauptdrahtfedern aus 0,78 cm (0,031 Inch) starkem Stahlfederdraht und die Drahtfedern, die die X- und Y-Schrauben verbinden, aus 0,02 cm (0,009 Inch) starkem Stahlfederdraht.
Zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung möge deren Funktionsweise bei einem bekannten STM beschrieben werden. Eine geeignete STM-Anordnung wird von B. Michel und G. Travaglini in "An STM for Biological Applications: BIOSCOPE", Third International Conference on Scanning Tunneling Microscopy, Oxford, Großbritannien, 4.-8. Juli 1988, beschrieben und ist hiermit durch das Zitat eingeschlossen. Drei Schrittmotoren werden eingesetzt, um den Objekttisch 13 durch Drehung der Mikrometerschrauben 44, 52 und 80 in X, Y- und Z-Richtung zu bewegen. Die Bewegung der Motorachsen wird für gewöhnlich untersetzt, um die Mikrometerschrauben 44, 52 und 80 anzutreiben. Die Mikrometerspindeln werden durch Schrittmotoren mittels Achsen und Getrieben angetrieben. Die Bewegung der Schrittmotoren kann bedämpft werden, so daß eine quasi-konstante Bewegung des Grobeinstellungssystems erreicht wird.
Bei der vorliegenden Erfindung wird durch eine festen und symmetrische Konstruktion hohe Stabilität gegenüber thermischem Drift und Schwingungen erreicht. Während der hochauflösenden Abtastung können die Antriebe von den Mikrometerschrauben entkoppelt werden, was die Umgehung des Dämpfungsgerüsts (vier Metallplatten mit dazwischenliegenden Vitonstäben) unter dem Hauptkörper vermeidet.
Fig. 2 des zuvor zitierten Artikels "An STM for Biological Applications: BIOSCOPE" zeigt ein Scheme für die Realisierung der Datenerfassung und der Schrittmotor-Steuerelektronik, das für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Die Schrittmotoren werden von der CPU über eine digitale I/O- Schnittstelle und Schrittmotor-Steuerschaltungen gesteuert. Unter Verwendung dieser Anordnung können Bewegungen in drei Achsrichtungen mit benutzerdefinierbaren Geschwindigkeiten und Schrittgrößen durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung kann als wesentliche Verbesserung betrachtet werden, da sie den Aufbau vereinfacht und die Festigkeit und Stabilität des Objekttisches erhöht, was zu schwächeren Schwingungen und größer thermischer Stabilität führt. Diese Verbesserungen werden dadurch erreicht, daß die mechanische Weglänge von einer massiven Grundplatte zum Objekttisch verringert wird. Außerdem sind die Schraubenmechanismen alle direkt mit der starren Grundplatte verbunden. Da sich die Schraubenmechanismen nicht mit dem Objekttisch bewegen, können Antriebsmechanismen wie Motoren ohne komplizierte Getriebeanordnungen angeschlossen werden. Die Festigkeit und Stabilität werden verbessert, weil die Position des Objekttisches statt über ein paar Zwischenstufen direkt auf die starre Grundplatte bezogen wird. Die axial starren Stützglieder verbessern auch die Verläßlichkeit, weil sie gleitende Teile ersetzen, sowie die Reproduzierbarkeit, weil sie bewegte Teile ersetzen. Daher bietet die vorliegende Erfindung ein verbessertes Grobeinstellungssystem und eine große Abtastfläche (d. h. die Fläche einer Probe, die durch das STM bequem abgetastet werden kann).
Die vorliegende Erfindung kann bei einer Anzahl von Situationen einschließlich als Objekttisch für verwandte Mikroskoptechniken einschließlich der Kraftmikroskopie eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist ein verbesserter Mechanismus für die Grobeinstellung eines Objekttisches, insbesondere für ein Rastertunneleffektmikroskop. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Objekttisch (13) durch Kräfte bewegt, die über starre Drahtfedern (10, 64, 88) übertragen werden, welche auf Blattfederaufbauten (40, 60, 84) angebracht sind, die die Bewegung von fest angebrachten Mikrometer-Einstellvorrichtungen (44, 52, 80) übertragen. Es ist beabsichtigt, daß der Grobeinstellungsmechanismus der vorliegenden Erfindung gegenüber gegenwärtig für STM- Anwendungen verfügbaren Grobeinstellungsmechanismen eine verbesserte Leistung bietet.
Die vorliegende Erfindung ersetzt diskrete Blattfedersätze für die X- und Y-Bewegung durch einen einzigen Satz aus vier Drahtfedern. Das vereinfacht die Konstruktion und erhöht die Festigkeit und Stabilität durch Reduzierung der mechanischen Weglänge von der massiven Grundplatte zu dem X-Y-Z-Objekttisch (13). Die Schraubenmechanismen (44, 52, 80) sind alle direkt mit der starren Grundplatte verbunden.
Dies wird durch zusätzliche Drahtfeder-Paare ermöglicht, die die X- und Y-Schrauben mit dem Objekttisch verbinden. Die folgenden Vorteile werden erstens erreicht, weil Antriebsmechanismen wie Motoren und Getriebe einfach angeschlossen werden können, da sich die Schraubenmechanismen nicht mit dem Objekttisch bewegen, und zweitens werden Festigkeit und Stabilität nochmals erhöht, weil die Position des Objekttisches (13) statt über Zwischenstützaufbauten über alle drei Schrauben direkt auf die Grundplatte bezogen wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Einstellen der Position eines Objekttisches (13) in eine erste Richtung, die folgendes umfaßt:

einen Mikroskop-Objekttisch (13);

einen starren Trägeraufbau;

einen axial starren Träger (10) mit erstem und zweitem Ende, der mit dem ersten Ende an dem Objekttisch (13) befestigt ist und den Objekttisch (13) unterstützt;

ein erstes Federmittel (40) mit erstem und zweitem Ende;

wobei das zweite Ende des axialen Trägers fest mit dem Federmittel (40) verbunden ist;

wobei das erste Ende des Federmittels fest mit dem starren Trägeraufbau verbunden ist;

einen ersten Schraubenmechanismus (44), der an dem starren Trägeraufbau beweglich angebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Vielzahl axial starrer Träger an dem Objekttisch angebracht sind;

das zweite Ende des ersten Federmittels fest mit dem starren Trägeraufbau verbunden ist;

und der erste Schraubenmechanismus das erste Federmittel berührt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei:

die Vielzahl axial starrer Träger zumindest vier Träger (10) enthält;

die Vielzahl axial starrer Träger den Objekttisch (13) wenigstens an den Ecken einer Seite des Objekttisches unterstützt;

das erste Federmittel (40) eine Blattfeder umfaßt, die einen Mittelteil und zwei Endteile enthält; und

der erste Schraubenmechanismus (44) in einer Ebene parallel zu den axial starren Trägern beweglich ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei:

die ersten axial starren Stützglieder (10) am Mittelteil des ersten Federmittels (40) angebracht sind; und

das erste Federmittel (40) an zwei Stellen außerhalb des Mittelteils gebogen ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Anspruch 1 bis 3, die weiter Mittel zum Einstellen des Objekttisches in eine zweite Richtung enthält, wobei die erste und zweite Richtung zueinander orthogonal sind, wobei diese Mittel folgendes umfassen:

eine erste (46) und zweite (68) zueinander orthogonale Wand des Trägeraufbaus, wobei der erste Schraubenmechanismus (44) beweglich an der ersten wand (46) des Trägeraufbaus angebracht ist und die erste Wand (46) des Trägeraufbaus in einer Ebene parallel zu dem Mittelteil liegt;

zweite Federmittel (60) mit erstem und zweitem Ende, wobei das zweite Ende des zweiten Federmittels (60) mit der zweiten Wand (68) des Trägeraufbaus verbunden ist;

einen zweiten Schraubenmechanismus (52), der das zweite Federmittel (60) zwischen dem ersten und zweiten Ende berührt und beweglich an der zweiten Wand (68) des Trägeraufbaus angebracht ist;

eine zweite Vielzahl axial starrer Träger (64) mit erstem und zweitem Ende, wobei das erste Ende der axial starren Träger mit dem ersten Ende des zweiten Federmittels (60) verbunden ist; und

eine zweite Seite des Objekttisches (13) orthogonal zur ersten Seite des Objekttisches, wobei das zweite Ende der axial starren Stützglieder mit der zweiten Seite des Objekttisches verbunden ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei:

das zweite Federmittel (60) eine Blattfeder (60) enthält;

die zweite Vielzahl axial starrer Träger (64) mindestens zwei axial starre Träger (64) enthält; und

die axial starren Träger (64) Drahtfedern (64) enthalten, die einen Umfangsquerschnitt und eine Achse besitzen, die parallel zu der zweiten Richtung verläuft.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 6, weiter enthaltend Mittel zum Einstellen des Objekttisches in eine dritte Richtung, wobei die erste, zweite und dritte Richtung zueinander orthogonal sind, wobei das Mittel folgendes umfaßt:

eine dritte Wand (76) des Trägeraufbaus orthogonal zu der ersten (46) und zweiten (68) Wand;

dritte Federmittel (84) mit erstem und zweitem Ende, wobei das zweite Ende des dritten Federmittels (84) an der dritten Wand (76) des Trägeraufbaus angebracht ist;

einen dritten Schraubenmechanismus (80), der das dritte Federmittel (84) zwischen dem ersten und zweiten Ende berührt und beweglich an der dritten Wand (76) des Trägeraufbaus angebracht ist;

eine dritte Vielzahl axial starrer Träger (88) mit erstem und zweitem Ende, wobei das erste Ende der dritten axial starren Träger mit dem ersten Ende des dritten Federmittels (84) verbunden ist; und

eine dritte Seite des Objekttisches orthogonal zur ersten und zweiten Seite des Objekttisches, wobei das zweite Ende der dritten axial starren Stützglieder mit der dritten Seite des Objekttisches verbunden ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, wobei:

das zweite (60) und dritte (84) Federmittel Blattfedern enthält;

die zweite (64) und dritte (88) Vielzahl axial starrer Träger mindestens zwei axial starre Träger enthält; und die axial starren Träger Drahtfedern (64, 88) enthalten, die einen Umfangsquerschnitt und eine Achse besitzen, die parallel zu der dritten Richtung verlaufen.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 6 und 7, die weiter folgendes enthält:

einen vierten Satz Stützglieder (110) mit erstem und zweiten Ende, die mit einer zweiten Seite des Objekttischglieds (13) gegenüber der Seite, mit der der erste Satz Stützglieder verbunden ist, verbunden sind;

einer vierten Wand (146) des Trägeraufbaus parallel und gegenüberliegend zu der ersten Wand (46) und senkrecht zu der zweiten (68) und dritten (76) Wand, und

eine vierte Federanordnung (140), die an der vierten Wand (146) des Trägeraufbaus angebracht ist und die zweiten Enden des vierten Satzes Stützglieder (110) berührt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei:

die Stützglieder (110) feste Drahtfedern (110) enthalten;

der Schraubenmechanismus (44, 52, 80), der als Kraftübertragungsmittel verwendet wird, Mikrometerschrauben enthält; und

die Federglieder (140) Blattfedern enthalten.

10 Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Federmittel (40) an zwei Stellen gebogen ist, um zu gewährleisten, daß ein Mittelteil des Federmittels (40) im wesentlichen parallel zu einer Wand (46) des Halters gehalten wird, der den Schraubenmechanismus (44) enthält.