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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen
Untersuchen einer Messprobe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen
Untersuchen, ein Messsystem sowie ein Messsondensystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Rastersondenmikroskopie (SPM – „Scanning
Probe Microscopy")
ist eine Mess- und Analysetechnik, bei der eine Messsonde über eine Probe
eines zu untersuchenden Messmediums gerastert wird und bei der über eine
abstandsabhängige Wechselwirkung
zwischen der Messsonde und der Probe eine Topographie der Probe
ermittelt wird. Es können
aber auch Materialkonstanten oder andere Probeninformationen gewonnen
werden. Die prominentesten Vertreter dieser Technik sind das Rasterkraftmikroskop
(AFM – „Atomic
Force Microscope") und
das Rastertunnelmikroskop (STM – „Scanning Tunneling
Microscope"). Weitere
Vertreter dieser Technologie sind insbesondere das Rasternahfeldmikroskop
(SNOM – „Scanning
Near Field Microscope") und
das Rasterphotonenmikroskop (SPhM – „Scanning Photone Force Microscope"). Eine der Rastersondenmikroskopie
zugeordnete Untersuchungsmethode ist auch das Aufnehmen einer Kraftabstandskurve,
bei der die Messsonde zu Messzwecken im wesentlichen nur entlang
einer vertikalen Richtung relativ zur untersuchten Probe verlagert
wird.
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Zum
Messen der abstandsabhängigen Wechselwirkung
zwischen Messsonde und Probe wird bei der Abstandsspektroskopie
die Messsonde relativ zur Oberfläche
der Probe verlagert, beispielsweise in einer zur Probenoberfläche vertikalen
Richtung, und die Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe wird
gemessen. Alternativ kann auch die Probe bewegt werden. Es kann
auch eine Relativbewegung zwischen Messsonde und Probe vorgesehen
sein, bei der sowohl die Messsonde als auch die Probe bewegt werden.
Bei der Rastersondenmikroskopie wird diese Abstandsspektroskopie
zum Messen der Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe beispielsweise
dazu genutzt, Kräfte
zwischen Molekülen
zu messen, indem ein Molekül
an die Messsonde bindet und ein weiteres Molekül an die Probe. Es kann dann
die Wechselwirkung zwischen den beiden gebundenen Molekülen gemessen
werden. Es können aber
auch intramolekulare Kräfte
gemessen werden, indem beispielsweise die Messsonde auf die Probe
abgesenkt und hierbei auf eine Bindung gewartet wird. Danach kann
die Messsonde wieder von der Probe entfernt werden, wobei hierbei auf
die Messsonde wirkende Kräfte
aufgezeichnet werden. Darüber
hinaus sind weitere Messungen möglich,
bei denen eine Wechselwirkung gemessen wird, die mit einem zugeordneten
Abstand zu zwei oder mehreren Orten korreliert.
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Als
Messsonde wird bei der Rasterkraftmikroskopie üblicherweise ein Bauteil verwendet,
welches auch als Cantilever bezeichnet wird. Mit diesem können Kräfte gemessen
werden, indem die Verbiegung der Messsonde erfasst wird. Zur Minimierung des
Wechselwirkungsvolumens und damit zur Verbesserung der lateralen
Auflösung
ist in den meisten Fällen
eine Messspitze am freien Ende des Cantilevers angebracht. Ohne
Einschränkung
der Allgemeinheit wird in den nachfolgenden Erläuterungen auf einen Cantilever
Bezug genommen. Die Ausführungen
gelten entsprechend für
andere Formen von Messsonden in der Sondenmikroskopie. Die Cantilever
sind in der Regel an einer Basis befestigt, insbesondere um eine
sinnvolle Handhabung zu gewährleisten.
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Es
ist bekannt, für
die Abstandsspektroskopie als Messsonden sowohl unbehandelte als
auch vorbehandelte Cantilever zu verwenden. Im Fall eines unbehandelten
Cantilevers ist eine Bindung der Probe bei der Messung unspezifisch.
Beispielsweise geht es hierbei darum, Moleküle mittels Bindung an den Cantilever
aus ihrem Umgebungsmedium zu ziehen, um die Wechselwirkung der Moleküle mit dem Umgebungsmedium
zu messen. Hierbei können aber
auch die Moleküle
genauer charakterisiert werden, an denen gezogen wird. So zeigen
zum Beispiel DNA-Moleküle
eine spezifische Spektroskopiekurve aufgrund einer internen Konformationsumwandlung.
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Mit
einem vorbehandelten Cantilever können insbesondere spezifische
Bindungen untersucht werden. Ein solche Untersuchung kann vorteilhaft
sein, wenn das Ausbilden von ungewünschten Bindungen, die danach
unter Umständen
kaum noch voneinander getrennt werden können, bei der Messung verhindert
werden soll. So ist es gängige
Praxis, ein oder mehrere Moleküle
an die als Cantilever ausgeführte Messsonde
zu binden, welche dann mit dem oder den gebundenen Molekülen) ein
Rezeptor-Ligand-System bildet. Es ist auch bekannt, ganze Zellen
an eine als Cantilever gebildete Messsonde zu binden und dieses
System in Wechsel wirkung mit einer Probe, beispielsweise einem Biomaterial,
oder mit anderen Zellen zu bringen. In diesem Fall kann es zum Beispiel
günstig
sein, einen Cantilever ohne Spitze zu verwenden. Vorbehandlungen
von Messsonden, insbesondere von Cantilever, sind in verschiedenen
Ausführungsformen
bekannt, beispielsweise in Form des Hydrophobisierens der Messsonde.
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Bekannte
Möglichkeiten
zur Vorbehandlung des Cantilevers führen allgemein zu einer Beschichtung
der Messsonde, zumindest in Teilbereichen. So beschichtet eine an
dem Cantilever angebrachte Zelle einen Teilbereich der Oberfläche des
Cantilevers. Es kann hierbei vorgesehen sein, den Cantilever im Rahmen
der Vorbehandlung zunächst
mit einer Beschichtung zu versehen, insbesondere einer haftvermittelnden
Beschichtung, auf der dann eine zu messende Substanz aufgebracht
wird. Allgemein wird im folgenden das im Rahmen der Vorbehandlung
auf die Messsonde, insbesondere den Cantilever, aufgebrachte Material
als Sondensubstanz bezeichnet, sei es ein einzelnes Material oder
eine Kombination von mehreren Materialien, die beispielsweise eine
haftvermittelnde Basis und eine hierauf angeordnete und zu untersuchende
Substanz umfasst. Eine im Rahmen der Vorbehandlung aufgebrachte
und von der Sondensubstanz umfasste (Basis-)Beschichtung wird auch
als Sondenbeschichtung bezeichnet.
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Wird
ein vorbehandelter Cantilever bei der Abstandsspektroskopie verwendet,
so ergeben sich in der Praxis mehrere Handhabungsprobleme. Aufgrund
jedes mechanischen Kontaktes mit der Probe wird die auf der Messsonde
aufgebrachte Sondensubstanz üblicherweise
belastet, so dass nach einem oder mehreren Einzelexperimenten eine
Alterung der Sondensubstanz auftritt. Der Begriff „Alterung" wird in der vorliegenden
Anmeldung ganz allgemein für eine
Veränderung
eines gewünschten
Zustandes der Sondensubstanz verwendet, welcher zu Beginn der abstandsspektroskopischen
Messungen zum Zwecke der Messung herbeigeführt wurde. Eine Alterung kann
aber nicht nur aufgrund der Ausführung
von Messungen stattfinden, sondern auch ohne eine solche Messung,
beispielsweise dadurch, dass bei einer als Zelle ausgebildeten Sondensubstanz
vor oder auch während
der Messung keine für
die Zelle eingestellten physiologischen Bedingungen gegeben sind.
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Die
Alterung der Sondensubstanz kann dazu führen, dass bei der Durchführung der
abstandsspektroskopischen Messung immer weniger spezifische Bindungen
stattfinden, wodurch die Anzahl der Einzelexperimente wesentlich
erhöht
werden muss. Bei einer weniger spezifisch ausgeführten Einzelmessung muss sehr
darauf geachtet werden, dass die Messsonde in jedem Experiment die
Sondensubstanz noch in der geforderten Art und Weise aufweist. So
wäre es
beispielsweise für
eine als hydrophobe Beschichtung ausgeführte Sondensubstanz möglich, dass
sich diese langsam in eine hydrophile umwandelt, wodurch die Messergebnisse
stark verfälscht würden. Bei
der Ausführung
der Sondensubstanz als Zellenbeschichtung, wobei häufig nur
eine Zelle auf den Cantilever passt, kann es dazu kommen, dass die
Zelle abstirbt und sich bereits vor Durchführung des Messexperimentes
sehr stark verändert,
so dass die eigentliche Messung nicht mehr durchgeführt werden
kann. Auch hier kann es zu falschen Messergebnissen kommen, wenn
dieser Vorgang unbemerkt vonstatten geht. Bei einem unbehandelten Cantilever
kann es dazu kommen, dass durch den Kontakt mit der Probe ein Adsorbat
gebildet wird, so dass selbst unspezifische Bindungen nicht mehr möglich sind.
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Neben
den oben angesprochenen Messungen sind auch andere Messungen von
der Schädigung
betroffen, zum Beispiel bildgebende Verfahren, insbesondere von
einer Schädigung
der wechselwirkungsrelevanten Sondenspitze. Wird beispielsweise eine
Oberflächentopographie
bestimmt, so wird diese insbesondere von der Spitzengeometrie der Messsonde
beeinflusst. Als weiteres wichtiges Beispiel sei die Lithography
genannt, bei der zum Beispiel mit einer Spitze eine Struktur in
eine Probe gekratzt wird und diese zur Kontrolle anschließend noch einmal
abgebildet werden soll. Da die Spitze aber durch den Kratzprozess
geschädigt
ist, kann keine gute qualitative Abbildung mehr erhalten werden.
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Ist
eine die Messung störende
oder sogar verhindernde Alterung oder auch eine sonstige nicht gewünschte Schädigung der
Messsonde eingetreten, sei sie vorbehandelt oder unbehandelt, so
wird die Messsonde üblicherweise
ausgewechselt. Dieses Wechseln der Messsonde kostet Zeit, denn dies ist
in der Regel manuell auszuführen.
Ist die Messsonde beispielsweise ein Cantilever, so ist dieser an einer
Basis befestigt, die auch dazu dient, dass der Cantilever ohne Zerstörung positioniert
werden kann. Diese Basis ist in der Regel in eine Messsondenaufnahme
integriert, die in dem Rastersondenmikroskop gehalten wird. Zu den
verschiedenen Implementierungen hierfür gehören zum Beispiel eine Halterung mit
einer Feder oder eine Halterung mittels Vakuum. Diese Halterung
muss beim Wechseln der Messsonde nun gelöst werden, um eine neue Messsonde
einbauen zu können.
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Ein
weiterer Nachteil des Sondenwechsels besteht darin, dass eine Kontamination
der Messumgebung, zum Beispiel des Fluids oder auch der Probe selbst,
mit jedem Wechsel wahrscheinlicher wird.
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Weiterhin
besteht ein Nachteil darin, dass eine Probenstelle nach einem Wechsel
der Basis nicht mehr ohne weiteres wieder zu finden ist. Hier existiert
eine Lösung
beispielsweise derart, dass die Messsondenbasis strukturiert ist,
und diese Struktur im genauen Längeabstand
zur Messsondenspitze positioniert ist. Ist nun eine entsprechende
Messsondenaufnahme im Rastersondenmikroskop vorhanden, so ist ein
Wiederfinden der Struktur mit der Messsondenspitze ermöglicht.
Dieses Vorgehen ist jedoch mit erheblichem Aufwand sowohl auf der
Seite der Messsondenherstellung als auch der Geräteausstattung verbunden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
einer Messprobe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
einer Messprobe, ein Messsystem sowie ein Messsondensystem zu schaffen,
welche das Ausführen
von rastersondenmikroskopischen Untersuchungen auf vereinfachte
Art und Weise und mit vermindertem Zeitaufwand ermöglichen,
wobei insbesondere das aufwändige
Wechseln einer Messsonde weniger häufig notwendig sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
einer Messprobe nach dem unabhängigen
Anspruch 1, ein Messsystem nach dem unabhängigen Anspruch 13 sowie ein
Messsondensystem nach dem unabhängigen
Anspruch 21 gelöst.
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Die
Erfindung umfasst den Gedanken, bei einem Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
einer Messprobe, insbesondere zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen,
eine erste und eine zweite rastersondenmikroskopische Messung an
der Messprobe mit einem Messsondensystem auszuführen, bei dem eine Messsonde
und eine andere Messsonde an einer gemeinsamen Messsondenaufnahme
gebildet sind. Während
der ersten Messung werden relativ zu der Messprobe die Messsonde
in einer ersten Messstellung und die andere Messsonde in einer anderen
Nicht-Messstellung gehalten und die Messprobe mit der Messsonde rastersondenmikroskopisch
untersucht. Nachdem die erste Messung ausgeführt wurde, werden mittels Verlagern
relativ zur Messprobe die Messsonde aus der Messstellung in eine
Nicht-Messstellung und die andere Messsonde aus der anderen Nicht-Messstellung
in eine andere Messstellung gebracht. Die Messstellung und die andere
Messstellung können, soweit
es die Stellungen jeweils charakterisierende Positionsparameter
betrifft, wenigstens teilweise übereinstimmen.
Beispielsweise können
die Messstellung der Messsonde bei der ersten Messung und die andere
Messstellung der anderen Messsonde bei der zweiten Messung relativ
zu Elementen der Messanlage gleich sein. Auf diese Weise können unterschiedliche
Abschnitte der Messprobe untersucht werden, wenn sich die Messstellung
und die andere Messstellung hinsichtlich ihrer relativen Positionierung
zur Messprobe unterscheiden. Wird hingegen die Messprobe in ihrer
relativen Position zur Messanlage festgehalten, erfolgt in diesem
Fall eine wiederholte Untersuchung eines bestimmten Abschnitts der Messprobe.
Die Messstellung und die andere Messstellung können sich hinsichtlich der
charakterisierenden Positionsparameter aber auch vollständig unterscheiden.
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Während der
zweiten Messung werden dann relativ zur Messprobe die Messsonde
in der Nicht-Messstellung und die andere Messsonde in der anderen
Messstellung gehalten und die Messprobe mit der anderen Messsonde
rastersondenmikroskopisch untersucht. Auf diese Weise ist das Ausführen der
rastersondenmikroskopischen Messung, welche eine erste Messphase
und eine zweite Messphase umfasst ausgeführt, ermöglicht ohne dass ein Messsondenwechsel
stattfinden muss. Vielmehr werden die Messsonde und die andere Messsonde,
die beide an der gemeinsamen Messsondenaufnahme angeordnet sind,
je nach momentaner Messphase in die zugeordnete Messstellung oder
die zugeordnete Nicht-Messstellung gebracht. Auf diese Weise können rastersondenmikroskopische
Untersuchungen, insbesondere mittels eines Rastersondenmikroskops,
mit vermindertem Zeitaufwand und bequemer für den Benutzer ausgeführt werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Messsystem zum rastersondenmikroskopischen
Untersuchen einer Messprobe, welches für das zuvor beschriebene Verfahren
der rastersondenmikroskopischen Untersuchung nutzbar ist. Darüber hinaus
ist ein Messsondensystem vorgesehen, welches bei dem Messsystem
und bei dem Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
der Messprobe einsetzbar ist und insofern hierfür in besonderer Weise ausgestaltet
ist.
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Eine
zugeordnete Messstellung einer Messsonde ist dadurch charakterisiert,
dass in dieser Position eine der rastersondenmikroskopischen Untersuchung
dienende Wechselwirkung zwischen Messsonde und zu untersuchender
Messprobe stattfinden kann. Demgegenüber ist in einer zugeordneten Nicht-Messstellung
eine die rastersondenmikroskopische Messung bedienende Wechselwirkung
zwischen Messsonde und zu untersuchender Probe nicht gegeben. Letzteres
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Abstand zwischen Messsonde,
insbesondere einem messaktiven Messsondenabschnitt und der zu untersuchenden
Messprobe so groß gewählt wird,
dass eine messtechnisch relevante Wechselwirkung nicht stattfindet. Eine
Nicht-Messstellung kann aber auch dadurch entstehen, dass der messaktive
Messsondenabschnitt auf die Messprobe gedrückt wird, nämlich in einer Art und Weise,
die jeglichen messtechnischen Beitrag zur rastersondenmikroskopischen
Untersuchung verhindert und unterdrückt. Zum Beispiel kann der
messaktive Messsondenabschnitt, nachdem er für eine zuvor ausgeführte Messung
genutzt wurde, einfach auf einem Oberflächenabschnitt der Messprobe
entlang kratzend bewegt werden.
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Die
Verlagerung zwischen zugeordneter Messstellung und zugeordneter
Nicht-Messstellung der Messsonde beruht in der Regel auf einer Relativbewegung
zwischen Messsonde und Messprobe, insbesondere einem zu untersuchenden
Oberflächenabschnitt
der Messprobe. Eine solche Relativbewegung kann sowohl mittels Verlagern
der Messprobe als auch mittels Verlagern der Messsonde(n) erreicht
werden. Auch eine Kombination dieser beiden Relativbewegungen kann
vorgesehen sein.
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Bei
der Messsonde und der der anderen Messsonde, die an der gemeinsamen
Messsondenaufnahme gebildet sind, kann es sich in einer bevorzugten
Ausführungsform
um so genannte Cantilever handeln, die für eine rastersondenmikroskopische Untersuchung
der Messprobe geeignet sind. Nicht nur in dieser Ausgestaltung kann
für die
Messsonden, die ihrerseits an der gemeinsamen Messsondenaufnahme
gelagert sind, zwischen dem messaktiven Messsondenabschnitt, mit
welchem bei der Messung eine Wechselwirkung zur Probe stattfindet, und
einem zugeordnetem Messsondenbalken unterschieden werden, welcher
den messaktiven Messsondenabschnitt trägt und seinerseits an die Messsondenaufnahme
koppelt. In einer möglichen
Ausführungsform
weist der messaktive Messsondenabschnitt eine Messspitze oder Messsondenspitze
auf.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verlagern
relativ zur Messprobe zumindest teilweise mittels einer gemeinsamen
Bewegung der Messsonde und der anderen Messsonde durchgeführt wird,
die wahlweise ein Verlagern der Messsondenaufnahme umfasst. Da die
Messsonde und die andere Messsonde an der gemeinsamen Messsondenaufnahme
gebildet sind, ist mit Hilfe einer Bewegung der gemeinsamen Messsondenaufnahme
grundsätzlich
eine gemeinsame Bewegung der Messsonde und der anderen Messsonde
ermöglicht,
beispielsweise indem die Messsondenaufnahme verlagert wird. Das
gemeinsame Bewegen der Messsonde und der anderen Messsonde ist bei
dieser Bauform jedoch nicht zwingend, da die Messsondenaufnahme
beispielsweise aus mehreren Elementen gebildet sein kann, die sowohl
getrennt als auch gemeinsam verlagert werden können, wodurch auch hieran jeweils
gebildete Messsonden getrennt oder gemeinsam verlagerbar sind. Beispielsweise
können einzelne
blockartige Elemente der gemeinsamen Messsondenaufnahme zur jeweiligen
Aufnahme einer oder mehrerer Messsonden dienen. Die blockartigen
Elemente können
an ein jeweils zugeordnetes Stellelement gekoppelt sein. Die gemeinsame
Bewegung der Messsonde und der anderen Messsonde kann beliebige
Bewegungsarten umfassen, beispielsweise ein Schwenken, ein Verkippen
oder ein Verschieben oder Kombinationen hiervon.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verlagern relativ zur
Messprobe zumindest teilweise mittels einer getrennten Bewegung
der Messsonde und der anderen Messsonde durchgeführt wird, bei der wenigstens
die Messsonde oder wenigstens die andere Messsonde bewegt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass wenigstens die Messsonde oder wenigstens
die andere Messsonde bewegt wird, indem ein zugeordneter Messsondenbalken
verlagert wird, wahlweise mittels einer Eigenverformung. Neben einer
Verlagerung der Messsonde und/oder der anderen Messsonde mit Hilfe
einer Verlagerung der Messsondenaufnahme können alternativ oder ergänzend wenigstens
die Messsonde oder wenigstens die andere Messsonde mittels Verlagerung
eines zugehörigen
Messsondenbalkens erreicht werden, welcher seinerseits einen messaktiven
Messsondenabschnitt trägt,
welcher manchmal verkürzt
auch als Messsonde bezeichnet wird. Ist der Messsondenbalken zum
Beispiel mit einem Bimetall ausgestattet, kann der messaktive Messsondenabschnitt
mittels Eigenverformung des Messsondenbalkens verlagert werden.
Eine solche Verlagerung ist dann auch rever sibel. Die Verlagerung
betrifft in diesem Fall den Positionswechsel zwischen Messstellung
und Nicht-Messstellung.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das Verlagern des
zugeordneten Messsondenbalkens eine Schwenkbewegung des Messsondenbalkens
umfasst, mit der eine Winkelstellung des zugeordneten Messsondenbalkens
verändert
wird. Mittels Schwenken des Messsondenbalkens wird der hieran gebildete
messaktive Messsondenabschnitt wieder zwischen Nicht-Messstellung und
Messstellung verlagert. Die Schwenkbewegung des Messsondenbalkens
kann auch zumindest teilweise dadurch verursacht sein, dass die
gemeinsame Messsondenaufnahme oder ein Teilelement hiervon gezielt
bewegt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Verlagern relativ zur Messprobe für die Messsonde und/oder die
andere Messsonde eine einen vertikalen Abstand zu einem Untersuchungsabschnitt
der Messprobe verändernden
Höhenverstellung
umfasst. Dieses stellt eine mit wenig Aufwand realisierbare Möglichkeit
zur Relativverlagerung dar, die ihrerseits insbesondere dem Verlagern
zwischen Nicht-Messstellung und Messstellung dient. Hierbei kann
die Relativbewegung sowohl mittels Verlagern der Messprobe als auch
alternativ oder ergänzend
mittels Verlagern der Messsonde erfolgen. Beide Relativbewegungen
führen
zu einer geänderten
Höheneinstellung
der Messsonde und/oder der anderen Messsonde über den Untersuchungsabschnitt
der Messprobe.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Höhenverstellung
als Relativbewegung entlang einer zu dem Untersuchungsabschnitt der
Messprobe aufrecht stehenden Verlagerungsrichtung ausgeführt wird.
Hierdurch ist eine Platz sparende Höhenverstellung ermöglicht,
da die Verlagerungseinrichtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des
Untersuchungsabschnitts gebildet ist. Im Unterschied hierzu ist
eine Höhenverstellung grundsätzlich auch
mittels einer Verlagerung entlang einer Verlagerungsrichtung möglich, die
mit der Oberfläche
des Untersuchungsabschnitts einen Winkel von weniger als 90° einnimmt,
so dass die Höhenverstellung
auch eine seitliche Relativbewegung umfasst.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum Verlagern
relativ zur Messprobe die Messsondenaufnahme bewegt wird.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in der ersten Messung und
der zweiten Messung sich wenigstens teilweise überlappende Untersuchungsabschnitte
an der Messprobe rastersondenmikroskopisch untersucht werden. Im
Rahmen der rastersondenmikroskopischen Untersuchung kann es vorgesehen
sein, sich nicht nur teilweise überlappende
Untersuchungsabschnitte mit verschiedenen Messsonden nacheinander
mehrfach zu analysieren. Insbesondere bei einer solchen Messverfahrensgestaltung
werden mehrere Messsonden nacheinander in die im wesentlichen gleiche
Messstellung gebracht. Die Messstellungen der verschiedenen Messsonden
sind in diesem Fall durch eine im wesentlichen gleiche Relativposition
zu dem gleichen zu untersuchenden Abschnitt der Messprobe charakterisiert.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Verlagerungsbewegung
ausgewählt
aus der folgenden Gruppe von Verlagerungsbewegungen zumindest eine
Grobverlagerung oder zumindest eine Feinverlagerung, welche sich
bezüglich
der mit der jeweiligen Verlagerung erreichbaren Positioniergenauigkeit
unterscheiden, umfasst: Verlagern der Messsonde zwischen der Messstellung
und der Nicht-Messstellung und Verlagern der anderen Messsonde zwischen
der anderen Messstellung und der anderen Nicht-Messstellung.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Messsonde beim
Verlagern zwischen der Messstellung und der Nicht-Messstellung sowie
die andere Messsode beim Verlagern zwischen der anderen Messstellung
und der anderen Nicht-Messstellung in einem zugeordneten Messvolumen
verbleiben.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Messsonde beim Verlagern aus der Messstellung in
die Nicht-Messstellung oberhalb eines Bereiches der Messprobe angeordnet
wird, welcher zuvor bereits rastersondenmikroskopisch untersucht
wurde. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Messsonde in der
Nicht-Messstellung keinen noch zu untersuchenden Abschnitte der
Messprobe beschädigen
kann, da sie in der Nicht-Messstellung
in Bereichen der Messprobe positioniert ist, die bereits untersucht
wurden. Eine solche Verfahrensgestaltung kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass die Messprobe entlang eines Untersuchungsweges
nach und nach mit mehreren Messsonden rastersondenmikroskopisch untersucht
wird, wobei die Abschnitte entlang des Untersuchungsweges hintereinander
in einer beibehaltenen Vorschubrichtung untersucht werden. Diese Untersuchungsart
ermöglicht
es zum Beispiel auch, dass eine Messsonde nach ihrer Nutzung für die rastersondenmikroskopische
Untersuchung einfach in eine Nicht-Messstellung gebracht wird, in
welcher die Messsonde auf der Oberfläche der Messprobe entlang kratzt,
wobei dieser Oberflächenkontakt
ja nur in Bereichen stattfindet, die schon untersucht wurden.
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Nachfolgend
werden zu dem Messsystem zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen
der Messprobe bevorzugte Ausgestaltungen erläutert.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein messaktiver
Messsondenabschnitt an der Messsonde und ein messaktiver Messsondenabschnitt
an der anderen Messsonde gleichmäßig beabstandet
von einer schräg
verlaufenden Kante der gemeinsamen Messsondenaufnahme angeordnet
sind. Der messaktive Messsondenabschnitt der Messsonde und der messaktive
Abschnitt der anderen Messsonde können hierbei in einer sich
quer erstreckenden Reihenanordnung angeordnet sein, so dass die
messaktiven Messsondenabschnitte Stück für Stück nach vorne oder nach hinten
versetzt angeordnet sind. Die schräg verlaufende Kante ist bevorzugt
schräg
zu einer Seitenkante der gemeinsamen Messsondenaufnahme gebildet,
die ihrerseits im wesentlichen parallel zur Längserstreckung der Messsonden
verläuft.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei dem Messsondensystem
die Messsonde und die andere Messsonde auf einer schrägen, an
der gemeinsamen Messsondenaufnahme gebildeten Fläche gelagert sind, die wahlweise mittels
eines prismenförmigen
Bauteils an der Messsondenaufnahme gebildet ist. Die schräge, an der gemeinsamen
Messsondenaufnahme gebildete Fläche
ist geneigt zu der von der x- und y-Verstellrichtung aufgespannten
Ebene der Messsonden bei der rastersondenmikroskopischen Untersuchung.
Wenn der messaktive Messsondenabschnitt der Messsonde und der messaktive
Messsondenabschnitt der anderen Messsonde dann zusätzlich noch
in unterschiedlichem Abstand von der gemeinsamen Messsondenaufnahme
angeordnet sind, ist das Verlagern zwischen zugeordneter Nicht-Messstellung
und zugeordneter Messstellung einfach mittels einer Höhenverstellung
ermöglicht.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei dem Messsondensystem
die Messsonde und die andere Messsonde jeweils mit einem verbiegbaren
Messsondenbalken gebildet sind. Die Verbiegung ist vorzugsweise
reversibel.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass bei dem Messsondensystem die Messsonde
und die andere Messsonde hinsichtlich wenigstens einer Messsondeneigenschaft
ausgewählt
aus der folgenden Gruppe von Messsondeneigenschaften im wesentlichen übereinstimmend
gebildet sind: Federkonstante, aufgebrachte Sondensubstanz, Sondenbeschichtung
und Resonanzfrequenz. Neben der im wesentlichen übereinstimmenden Ausbildung
der Messsonde und der anderen Messsonde kann auch vorgesehen sein,
die Messsonden individuell bezüglich
der genannten Parameter so auszugestalten, dass keine zwei Messsonden
wirklich identisch sind. Die individuelle Ausführung der Parameter für die Messsonden
ermöglicht
es, an der gemeinsamen Messsondenaufnahme unterschiedliche Messsonden
zu platzieren, die dann ohne Messsondenwechsel für verschiedene Messaufgaben
im Rahmen der rastersondenmikroskopischen Untersuchung genutzt werden
können.
Insbesondere kann hierdurch auch auf sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften
unterscheidende Abschnitte der Messprobe reagiert werden. Aber auch
das identische Ausprägen zumindest
eines der Parameter, zum Beispiel der Federkonstante, kombiniert
mit der abweichenden Ausprägung
bezüglich
anderer Parameter kann vorgesehen sein. Wenn hier von einer im wesentlichen
gegebenen Identität
von Eigenschaften der Messsonden die Rede ist, so sind Fertigungstoleranzen
zu beachten, die beim Herstellen von Messsonden, zum Beispiel von
Cantilevern auftreten. Eine Gleichheit der Parameter ist üblicherweise
innerhalb der Fertigungstoleranzen gegeben.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Messsonde und
die andere Messsonde mittels der Messsondenverlagerungseinrichtung
höhenverstellbar
angeordnet sind, wahlweise entlang einer zu einem Untersuchungsabschnitt
der Messprobe aufrecht stehenden Verlagerungsrichtung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Messsonde und die andere Messsonde mittels einer
gemeinsamen Bewegung verlagerbar gebildet sind.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Messsonde und
die andere Messsonde mittels einer getrennten Bewegung verlagerbar
gebildet sind.
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Das
Messsondensystem für
ein Rastersondenmikroskop kann bevorzugt gemäß den im Zusammenhang mit dem
Messsystem erläuterten
Ausgestaltungen des dort vorgesehenen Systems von Messsonden weitergebildet
werden. Das Messsondensystem kann konfiguriert sein, dass die Messsonden
mittels passiver Bewegung oder aktiver Bewegung zwischen Messstellung
und zugeordneter Nicht-Messstellung verlagerbar sind. Letzteres
wird beispielsweise dadurch implementiert, dass die Messsonden relativ
zur gemeinsamen Messsondenaufnahme verlagert werden, während bei
der Passivverlagerung in einer Ausgestaltung die Messsondenaufnahme
bewegt wird, um die Verlagerung zwischen den Stellungen der Messsonden
zu erreichen. Insbesondere sind die Weiterbildungsvarianten bevorzugt,
welche mittels Höhenverstellung
ein Verlagern zwischen Messstellung und Nicht-Messstellung, wobei
dieses selbstverständlich
eine Verlagerung in beide Richtungen umfasst, erlauben.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren einer Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
Anordnung mit einer Messsondenaufnahme, an welcher mehrere Messsonden
gemeinsam gebildet sind;
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2 eine
Anordnung mit einer Messsondenaufnahme, an welcher mehrere Messsonden
angeordnet sind, sowie einer Messsondenverlagerungseinrichtung,
an die die gemeinsame Messsondenaufnahme koppelt;
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3 mehrere
Darstellungen, zur Erläuterung
des Verlagerns von gemeinsam an einer Messsondenaufnahme gebildeten
Messsonden zwischen Messstellung und Nicht-Messstellung;
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4 ein
Ablaufdiagramm und
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5 eine
weitere Anordnung mit einer Messsondenaufnahme und mehreren hieran
gebildeten Messsonden.
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1 zeigt
eine Anordnung mit einer Messsondenaufnahme 1, die verkürzt auch
als Basis bezeichnet wird, an welcher mehrere Messsonden oder Sonden 10,
..., 15 angeordnet sind, die in der dargestellten Ausführungsform
als so genannte Cantilever ausgeführt sind. Die Messsondenaufnahme 1 weist zur
Vereinfachung der Darstellung im wesentlichen eine Qua derform auf.
Dieses ist jedoch nur beispielhaft, da die Messsondenaufnahme 1 grundsätzlich beliebige
Formen annehmen kann, beispielsweise auch eine Pyramidenform. Die
mehreren Messsonden 10, ..., 15 erstrecken sich
von einer vorderen Unterkante 2 der Messsondenaufnahme 1.
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Bei
der Durchführung
einer Messung wird eine infolge einer Wechselwirkung mit der zu
untersuchenden Messprobe ausgelöste
Verbiegung der Messsonden 10, ..., 15 gemessen,
indem diese beispielsweise optisch abgetastet wird. Hierzu wird
beispielsweise Laserlicht verwendet, welches auf einen Detektor
(nicht dargestellt) geleitet wird. Eine solche optische Abtastung
ist wie andere Methoden zur Erfassung der Wechselwirkung der Messsonden 10,
..., 15 mit der Messprobe in verschiedenen Ausführungen
bekannt und können
wahlweise je nach Anwendung im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung eingesetzt werden.
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Eine
Hilfslinie 20 zeigt einen (hypothetischen) Verlauf einer
vorderen Unterkante der Messsonden 10, ..., 15,
die parallel zu einer hinteren Unterkante 3 verläuft. Nicht
alle der Messsonden 10, ..., 15 enden frontseitig
an einer Hilfslinie 21, die parallel zur Hilfslinie 20 verläuft. Vielmehr
betrifft dieses nur eine der Messsonden 10, ..., 15,
nämlich
die Messsonde 10. Die übrigen
Messsonden sind Stück
für Stück zurück versetzt.
Der Abstand zwischen benachbarten Messsonden ist beispielhaft mit
Hilfe der weiteren Hilfslinie 22 angezeigt.
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Die
vorderen Unterkanten der mehreren Messsonden 10, ..., 15 müssen grundsätzlich nicht auf
einer Geraden liegen. Vielmehr kann auch vorgesehen sein, dass für benachbarte
Messsonden jeweils ein Versatz gebildet ist, so dass sich eine Art Stufenanordnung
ergibt, die ihrerseits parallel zur hinteren Unterkante 3 ausgeführt sein
kann.
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2 zeigt
eine Anordnung, bei der mehrere Messsonden 10, 11, 12 an
der gemeinsamen Messsondenaufnahme 1 gebildet sind, die
ihrerseits auf einer Unterseite 4 an einem Aufnahmeteil 40 gehalten wird,
nämlich
mittels eines Federelementes 41. Alternativ oder ergänzend kann
die Befestigung in anderen Ausgestaltungen mittels Vakuum und/oder
einer Haftverbindung, insbesondere Kleben, erfolgen. Auf diese Weise
werden die mehreren Messsonden 10, 11, 12 oberhalb
einer Messprobe oder Probe 50 gehalten, die rastersondenmikroskopisch
zu untersuchen ist. Die Ausführung
des Aufnahmebauteils 40 und der hieran mittels flächiger Auflage
gelagerte Messsondenaufnahme 1 ist beispielhaft. Andere Ausführungsformen
können
vorgesehen sein, beispielsweise mittels Vorsprüngen und Vertiefungen auf den
zur Auflage kommenden Oberflächen.
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Zwischen
der Messprobe 50, nämlich
deren Oberfläche,
und einer Fläche
auf einer Oberseite 5 der Messsondenaufnahme 1 ist
ein Winkel 100 gebildet, welcher typischerweise in einem
Bereich zwischen etwa 5° und
etwa 15° liegt.
Auf diese Weise wird beim Ausführen
der Messung, in welcher die Messsonden 10, 11, 12 beziehungsweise
deren messaktive Messsondenabschnitte in die Nähe der Messprobe 50 gebracht
werden, ein unbeabsichtigter Kontakt zwischen dem Federelement 41 und
der Messprobe vermieden. Beim rastersondenmikroskopischen Untersuchen
der Messprobe 50 erfolgt eine Relativbewegung zwischen
Messprobe 50 und Messsondenaufnahme 1. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die Relativbewegung zumindest teilweise mit Hilfe eines als
Piezoelement ausgeführten
Stellelementes 45 ausgeführt. Mit Hilfe des Stellelementes 45 wird
die Messsondenaufnahme 1 in der Höhe verstellt, so dass zunächst die
Messsonde 10, anschließend
die Messsonde 11 und danach die Messsonde 12 in
eine Messstellung gebracht werden, in welcher die rastersondenmikroskopische Untersuchung,
insbesondere die rastersondenmikroskopische Untersuchung, an der
Messprobe 50 ausgeführt
wird. Wenn die Messsonde 10 in der Messstellung ist, befinden
sich die Messsonden 11 und 12 noch in einer Nicht-Messstellung.
Ein weiteres Absenken der Messsondenaufnahme 1 führt dann
dazu, dass zunächst
die Messsonde 10 aus der Messstellung in eine zugeordnete
Nicht-Messstellung gebracht wird, in welcher die Messsonde 10 jegliche Messaktivität überwindend
auf die Messprobe 50 gedrückt wird und auf dieser kratzend
entlang geführt wird.
Es ist dann die Messsonde 11 in der zugeordneten Messstellung,
um eine rastersondenmikroskopische Untersuchung auszuführen. Im
weiteren wird dann schließlich
die Messsonde 12 in die Messstellung gebracht, wodurch
auch die Messsonde 11 in eine zugeordnete Nicht-Messstellung
gebracht wird, nämlich
kratzend auf der Messprobe aufliegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich also für
die Messsonde 11 die Nicht-Messstellung während der
rastersondenmikroskopischen Untersuchung mit der Messsonde 10 von
der der Messsonde 11 zugeordneten Nicht-Messstellung bei
der rastersondenmikroskopischen Untersuchung mittels der Messsonde 12.
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3 zeigt
mehrere Darstellungen mit weiteren Details zu dem vorangehend beschriebenen Verfahren
des rastersondenmikroskopischen Untersuchens mittels der mehreren
Messsonden 10, 11, 12 nach 2.
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Gemäß der Darstellung
a kommt zunächst die
Messsonde 10, nämlich
deren messaktiver Messsondenabschnitt, mit der Messprobe 50 in
Kontakt. In dieser Stellung weist die Messsonde 11, also
deren messaktiver Messsondenabschnitt, noch einen Abstand zu der
Messprobe 50 auf, welcher mittels der Hilfslinie 51 dargestellt
ist. Bei weiterer Annäherung der
Messsondenaufnahme 1 an die Messprobe 50 gelangt
dann gemäß Darstellung
b die Messsonde 11 näher
in dem Bereich der Messprobe 50, was gleichzeitig zum Verbiegen
eines Messsondenbalkens 10a der Messsonde 10 führt. In
gleicher Weise verhält
es sich bei einer noch weiteren Annäherung der Messsondenaufnahme 1 zur
Messprobe 50 mit den Messsonden 11 und 12 gemäß den Darstellungen
c und d.
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Die
Anordnung mit Messsondenaufnahme 1 und den hieran gemeinsam
gebildeten Messsonden 10, 11, 12 ist
so beschaffen, dass der vertikale Abstand zwischen den messaktiven
Messsondenabschnitten und der Messprobe 50, welcher mit
Hilfe des Stellelementes 45 eingestellt wird, so bemessen ist,
dass auch ein für
die rastersondenmikroskopische Untersuchung notwendige Hub vollzogen
werden kann, ohne eine in den jeweiligen Messphasen nicht genutzte
Messsonde zu beschädigen,
sie also insbesondere nicht in Kontakt mit der Messprobe 50 zu
bringen.
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Bei
der Bestimmung des notwendigen Hubs sind auch Fertigungstoleranzen
der Messsonden, eventuelle Abweichungen bei Sondenbeschichtungen
sowie die Topographie der Messprobe zu berücksichtigen. Die Ermittlung
des Abstandes zwischen den Messsonden 10, 11, 12,
nämlich
deren messaktiven Messsondenabschnitten, und der Hubbewegung sind über einfache
geometrische Beziehungen unter Berücksichtigung der Sondenparameter
ohne weiteres möglich.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung
eines Verfahrens für
die Durchführung
einer rastersondenmikroskopischen Untersuchung.
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Zunächst wird
in einem Schritt 60 die Messsonde über eine interessierende Probenstelle
positioniert. In einem Schritt 61 erfolgt dann eine Annäherung der
Messsonde an die Messprobe. Danach wird die rastersondenmikroskopische
Untersuchung in einem Schritt 62 ausgeführt. Hierbei kann es sich beispielsweise
um das Messen einer Kraft-Abstands-Kurve handeln. Es können aber
auch mehrere Kurven gleichzeitig aufgenommen werden, um so eine
statistische Aussage zu treffen. Nach der rastersondenmikroskopischen
Untersuchung wird eine Auswertung der erfassten Daten vorgenommen,
was auch automatisiert sein kann, mit dem Ziel, zu prüfen, ob
die erfassten Daten vertrauenswürdig
sind (Schritt 70). Wird eine Vertrauenswürdigkeit
festgestellt, kann in einem Schritt 71 die Frage gestellt
werden, ob für
die laufende Untersuchung ausreichend Daten erfasst wurden. Wird
diese Frage mit ja beantwortet, kann die experimentelle Untersuchung
gemäß Schritt 63 beendet
werden.
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Für den Fall,
dass die Daten nicht vertrauenswürdig
sind, stellt sich die Frage im Schritt 72, was die Ursache
hierfür
ist. Als Ursachen können
die Messsondenwechselwirkung oder auch die Messsonde selbst genannt
werden. Wird eine solche Ursache durch den Benutzer oder wahlweise
auch automatisch festgestellt, so wird gemäß Schritt 64 ein Wechsel
der genutzten Messsonde durchgeführt,
der im gewählten
Ausführungsbeispiel
lediglich erfordert, die rastersondenmikroskopische Untersuchung
nun mit der nächsten
Messsonde auszuführen.
Das Untersuchungsverfahren wird fortgeführt.
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Gegebenenfalls
kann vorgesehen sein, die neue Messsonde zu behandeln, beispielsweise
indem eine neue Zelle auf die Messsonde gemäß Schritt 65 präpariert
wird. Dieses erfolgt vorzugsweise ohne Wechsel der Messsondenaufnahme.
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Sollte
die Ursache im Schritt 72 nicht gefunden werden, muss eine
individuelle Fehleranalyse gemäß Schritt 66 ausgeführt werden,
was wahlweise auch automatisch erfolgen kann. So kann es zum Beispiel
vorkommen, dass die Präparation
einer Sondenbeschichtung fehlerhaft ist.
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Von
Schritt 66 ausgehend kann die rastersondenmikroskopische
Untersuchung an beliebiger Stelle wieder fortgesetzt werden. Falls
bei der Prüfung
nach Schritt 71 festgestellt wird, dass noch nicht ausreichend
Daten erfasst wurden, muss die rastersondenmikroskopische Untersuchung
zur Sammlung weiterer Daten fortgeführt werden, was zunächst mit der
zur Zeit genutzten Messsonde durchgeführt werden kann.
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Gemäß Schritt 73 kann
die Frage gestellt werden, ob weitere Experimente im Bereich desselben
Untersuchungsabschnitts der Messprobe durchgeführt werden sollen. Hiervon
ausgehend kann gemäß Schritt 62 (positive
Antwort) oder gemäß Schritt 60 (negative
Antwort) fortgefahren werden.
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5 zeigt
eine weitere Anordnung mit einer Messsondenaufnahme, an welcher
mehrere Messsonden gemeinsam angeordnet sind.
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Mehrere
Messsonden 80, ..., 85, die jeweils als ein Cantilever
ausgeführt
sein können,
sind nicht direkt an der Messsondenaufnahme 1 befestigt,
sondern jeweils über
einen zugeordneten Aktor 90, ..., 95 hieran gekoppelt.
Mit Hilfe der Aktoren 90, ..., 95 sind die Messsonden 80,
..., 85 insbesondere hinsichtlich ihrer Winkelstellung
und somit eines Abstandes zur Messprobe einstellbar. Bei den Aktoren 90,
..., 95 handelt es sich beispielsweise um ein Piezomaterial. Mittels
Beaufschlagen mit einer zugehörigen
Steuerspannung erfolgt dann die Winkel-/Höhenverstellung.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Messsonden
so ausgerichtet, dass sie an einer Hilfslinie 110 enden.
Bei einer Höhenverstellung
der Messsondenaufnahme 1 würden sie so alle gleichzeitig
die Messprobe berühren.
Mit Hilfe der Aktoren 90, ..., 95 ist aber nun
eine individuelle Einstellung der Messsonden 80, ..., 85 möglich, was beispielhaft
in der Darstellung b in 5 gezeigt ist, in welcher die
Messsonden 81, ..., 85 im Vergleich zur Messsonde 80 angehoben
sind, was mittels der Aktoren 91, ..., 95 realisiert
wird. Die angehobenen Messsonden 81, ..., 85 enden
an einer Hilfslinie 111. Auf diese Weise können die
Messsonden 80, ..., 85 einzeln oder in Gruppen
nacheinander oder gleichzeitig in die zugeordnete Messstellung und
die zugeordnete Nicht-Messstellung gebracht werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.