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Die
Erfindung betrifft eine Rastersonden-Antriebseinheit, die lithografisch
aus einem Substrat hergestellt ist, zum Bewegen einer Sonde eines
Rastersondenmikroskops.
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Als
MEMS (micro electro mechanical system) realisierte Rastersonden-Antriebseinheiten
sind bekannt und werden lithographisch, beispielsweise aus einem
Halbleiter-Einkristall hergestellt. Die Rastersonden-Antriebseinheit
besitzt dabei eine Sonde in Form einer feinen Tastspitze, mit der
die zu untersuchende Probe abgerastert werden kann. Diese Sonde
in Form der Tastspitze ist ebenfalls lithographisch hergestellt
und befindet sich am Ende einer Antriebseinheit, die in der Regel
als länglicher
Schaft ausgebildet ist. Der längliche
Schaft wird mit einem Antrieb entlang seiner Längsrichtung hin- und herbewegt,
so dass ein Abstand zwischen der Tastspitze und dem zu untersuchenden
Objekt oszilliert und so die Probe abgerastert werden kann.
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Nachteilig
an bekannten Rastersonden-Antriebseinheiten ist, dass die Messgenauigkeit
durch den Verschleiß der
Tastspitze mit der Zeit abnimmt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rastersonden-Antriebseinheit
vorzuschlagen, die eine verlängerte
Bestzeit bei hoher Genauigkeit erlaubt.
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Aus
der
US 2002/0061662
A1 ist die Herstellung und die Anwendung eines Nano-Manipulators aufgrund
von selbstinduziertem Wachstum bekannt. Zwar lassen sich so besonders
feine Spitzen herstellen, diese verschleißen jedoch relativ schnell.
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Aus
der
DE 10 2007
032 866 A1 ist ein Resonanzverfahren zum Bestimmen einer
Federkonstanten von Rastersondenmikroskopauslegern bekannt. Auch
bei einem mittels des Verfahrens vermessenen Rastersondenmikroskopausleger
besteht das Problem des Verschleißes, so dass er in regelmäßigen Abständen ausgetauscht
werden muss, was aufwendig ist.
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Aus
der
US 2008/0295585
A1 ist eine Sonde bekannt, die als MEMS ausgebildet ist.
Auch hier stellt sich das Problem, dass verschlissene Sonden nur
schwer ausgetauscht werden können.
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Aus
dem Aufsatz „A
microelectromechanical force actuator for nano-tensile testing system” von S. Gao
und K. Herrmann, MEMS, MOEMS, and Micromachining III, Proc. Of SPIE
Vol. 6993, 69930H, (2008) ist ein MEMS-Nano-Kraft-Aktuator bekannt. Auch
bei diesem Aktuator stellt sich das Problem, dass eine verschlissene
Sonde nur schlecht auszutauschen ist.
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Aus
dem Aufsatz „A
nanoscanning platform for bio-engineering: an in-plane probe with
switchable stiffness” von
Mueller-Falcke et al, Nanotechnology 17 (2006), Seite S69 bis S76)
ist ein Rastersondenmikroskop mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Spitzen
bekannt. Das Rasterkraftmikroskop ist in der Lage, seine Steifigkeit
in Abhängigkeit
von den Oberflächeneigenschaften
des zu vermessenden Objekts einzustellen. Nachteilig ist auch hier
der große
Aufwand beim Austauschen einer verschlissenen Sonde.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch eine Rastersonden-Antriebseinheit, die lithographisch
aus einem Substrat hergestellt ist, zum Bewegen einer Sonde, insbesondere
einer Tastspitze, eines Rastersondenmikroskops, die eine Sondenhalter-Befestigung zum Befestigen
eines Sondenhalters mit der Sonde, einen Sondenhalter-Aktor zum Bewegen des Sondenhalters
und einen Befestigungs-Aktor, der in eine Lösestellung, in der der Sondenhalter
ausgetauscht werden kann, bringbar ist, umfasst.
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Vorteilhaft
an der erfindungsgemäßen Rastersonden-Antriebseinheit
ist, dass die Sonde, beispielsweise die Tastspitze, ausgetauscht
werden kann, wenn sie verschlissen ist. Es hat sich nämlich gezeigt,
dass Tastspitzen, wie sie in Rasterkraftmikroskopen verwendet werden,
relativ schnell verschleißen
und daher die Messgenauigkeit sinkt. Bei bekannten Rastersonden-Antriebseinheiten
muss bei verschlissener Tastspitze eine komplett neue Antriebseinheit
verwendet werden, um das Messen fortzusetzen. Bei der erfindungsgemäßen Rastersonden-Antriebseinheit
muss hingegen lediglich der Sondenhalter ausgetauscht werden. Wenn
es sich um eine Rasterkraftmikroskop-Antriebseinheit handelt, kann also die
Tastspitze mitsamt dem Cantilever einfach ausgetauscht werden.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass dadurch, dass der Sondenhalter nicht gemeinsam mit
der Rastersonden-Antriebseinheit hergestellt werden muss. Wenn der
Sondenhalter beispielsweise ein Cantilever mit einer Tastspitze
ist, so kann die Tastspitze aus einem besonders harten Material
gefertigt werden, was den Verschleiß reduziert.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Sondenhalter
insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die eine Sonde und eine
Stützstruktur
zum Halten der Sonde umfasst. Beispielsweise handelt es sich bei
dem Sondenhalter um einen Cantilever mit einer Tastspitze. Es ist
aber auch möglich,
dass der Sondenhalter eine mikroskopische Spule, eine mikroskopische
Elektrode oder eine sonstige Sonde umfasst, die ein Abrastern einer
Probe erlaubt.
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Unter
der Sondenhalter-Befestigung wird insbesondere jede Vorrichtung
verstanden, die zum lösbaren
Befestigen des Sondenhalters am Sondenhalter-Aktor ausgebildet ist.
Es handelt sich hierbei in der Regel um eine kraftschlüssige Befestigung,
insbesondere um eine Klemmung.
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Unter
dem Sondenhalter-Aktor wird insbesondere jeder Aktor verstanden,
der ausgebildet ist, um den Sondenhalter zu bewegen. Beispielsweise handelt
es sich bei dem Sondenhalter-Aktor um einen länglichen Schaft, der mit einem
Mikromotor, beispielsweise einem elektrostatischen Kammantrieb,
in Oszillation entlang seiner Längsachse
versetzbar ist. Diese Oszillation überträgt sich auf den Sondenhalter und über die
Interaktion der Sonde des Sondenhalters mit der Probe können Aussagen über Eigenschaften
der Probe gemacht werden. Insbesondere kann der Sondenhalter-Aktor
gleichzeitig als Sensor ausgebildet sein, der das Ausmaß einer
Wechselwirkung zwischen der Probe und der Sonde erfasst.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
der Sondenhalter-Aktor mindestens einen elektrostatischen Arbeits-Kammantrieb
zum Oszillieren und Bewegen des Sondenhalter-Aktors und eine Arbeits-Feder
auf, die angeordnet ist, um einer vom Arbeits-Kammantrieb ausgeübten Kraft entgegen zu wirken.
Vorteilhaft hieran ist, dass lediglich ein in eine Richtung wirkender
Arbeits-Kammantrieb vorgesehen sein muss, der eine Arbeitskraft
erzeugt. Die Arbeits-Feder sorgt dann für die der Arbeitskraft entgegen
wirkende Rückstellkraft,
so dass durch Anlegen einer oszillierenden Spannung eine oszillierende
Bewegung des Sondenhalter-Aktors ermöglicht wird.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Befestigungs-Aktor einen elektrostatischen
Befestigungs-Kammantrieb. Das ermöglicht es, allein durch Anlegen
einer elektrischen Spannung an den Befestigungs-Kammantrieb den
Befestigungs-Aktor in seine Lösestellung
zu bringen, so dass der Sondenhalter einfach ausgetauscht werden
kann. Denkbar ist auch, dass der Befestigungs-Aktor im spannungsfreien
Zustand in der Lösestellung
ist.
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Besonders
bevorzugt umfasst der Befestigungs-Aktor eine Befestigungs-Feder,
die eine Befestigungs-Federkonstante hat, die kleiner ist als eine Arbeits-Federkonstante
der Arbeitsfeder. Wird die Befestigungs-Feder beispielsweise mit
dem Befestigungs-Kammantrieb
mit einer Kraft beaufschlagt, so führt dies in der Regel zu einer
Verformung sowohl der Arbeits-Feder als auch der Befestigungs-Feder. Weil
die Befestigungs-Federkonstante kleiner ist als die Arbeits-Federkonstante,
verformt sich die Befestigungs-Feder stärker und der Befestigungs-Aktor kommt
in seine Lösestellung.
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Besonders
günstig
ist es, wenn sowohl die Arbeits-Feder als auch die Befestigungs-Feder an einem Schaft
des Sondenhalter-Aktors angreift. Beispielsweise handelt es sich
bei den Federn um dünne,
federnde Balken, die im Wesentlichen senkrecht zum Schaft verlaufen.
Hierunter ist zu verstehen, dass es möglich, nicht aber notwendig
ist, dass die Balken exakt senkrecht zum Schaft verlaufen. Abweichungen
von beispielsweise 10° sind
tolerierbar. Der Schaft ist länglich
und hat in der Regel eine zylinderförmige oder quaderförmige Gestalt.
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Um
mit dem Sondenhalter-Aktor hohe Beschleunigungen sowohl in Hin-
als auch in Rückrichtung
zu erreichen, weist der Sondenhalter-Aktor vorzugsweise einen Haupt-Aktor zum Bewegen
des Sondenhalters und einen Start-Aktor auf, der ausgebildet ist,
um den Haupt-Aktor so zu bewegen, dass der Arbeits-Kammantrieb aus
einer Position, in der Elektroden des Arbeits-Kammantriebs nicht
ineinander greifen, in eine Position, in der die Elektroden des Arbeits-Kammantriebs
ineinander greifen, gebracht wird. Der Arbeits-Kammantrieb oszilliert
bei Betrieb der Rastersonden-Antriebseinheit um eine Nulllage, der
von einer Ruhelage beabstandet ist. Die Ruhelage nimmt der Arbeits-Kammantrieb ein,
wenn keine Spannung auf dem Kammantrieb liegt.
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Bevorzugt
ist die Befestigungs-Feder ausgebildet, um eine Spannkraft von mindestens
einem Mikronewton auf den Sondenhalter auszuüben.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Rastersondeneinheit
mit einer Rastersonden-Antriebseinheit
und einem Sondenhalter, ist der Sondenhalter bevorzugt ein Cantilever
mit einer Tastspitze.
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Gemäß einem
unabhängigen
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wird die Aufgabe gelöst durch
ein Array aus Rastersonden-Antriebseinheiten, die lithographisch
auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt sind und jeweils einen
Aktor umfassen, der entweder ein Befestigungs-Aktor wie oben beschrieben
oder ein Aktor ist, der selbst eine Sonde umfasst. Besonders günstig ist
es, wenn dieses Array aus Rastersonden-Antriebseinheiten aus eingangs beschriebenen
Rastersonden-Antriebseinheiten aufgebaut ist.
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Besonders
vorteilhaft werden die geschilderten Rastersonden-Antriebseinheiten
in einem Rastersondenmikroskop, insbesondere einem Rasterkraftmikroskop
verwendet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rastersonden-Antriebseinheit.
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1 zeigt
eine Rastersonden-Antriebseinheit 10, die lithographisch
auf einem Substrat 12 hergestellt ist. Die Rastersonden-Antriebseinheit 10 umfasst
eine Sondenhalter-Befestigung 14 zum
Befestigen eines Sondenhalters 16, der eine Sonde in Form einer
Tastspitze 18 und einen Cantilever 20 umfasst.
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Die
Sondenhalter-Befestigung 14 ist so angeordnet, dass sie
den Sondenhalter 16 an einem Sondenhalter-Aktor 22 festklemmt.
Der Sondenhalter-Aktor 22 ist ausgebildet, um sich oszillierend
entlang einer Langsachse L zu bewegen und dadurch die Sonde 18 in
Form der Tastspitze ebenfalls in eine oszillierende Bewegung zu
versetzen.
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Der
Sondenhalter-Aktor 22 weist einen elektrostatischen Arbeits-Kammantrieb 24 auf,
der seinerseits erste Elektroden 26.1, 26.2, ...
und zweite Elektroden 28.1, ... besitzt. In der in 1 gezeigten Ruhestellung
sind die ersten Elektroden 26 und die zweiten Elektroden 28 um
einen Abstand d voneinander getrennt.
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Die
ersten Elektroden 26 sind über einen Arm mit einem Schaft 30 des
Sondenhalter-Aktors 22 verbunden,
wohingegen die zweiten Elektroden 28 fest mit dem Substrat 12 verbunden
sind. Durch Anlegen einer Spannung zwischen die ersten Elektroden 26 und
die zweiten Elektroden 28 kann der Schaft 30 entlang
der Längsachse
L bewegt werden. Der Schaft 30 und der Arbeits-Kammantrieb 24 sind Bestandteile
eines Haupt-Aktors 31.
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Da
in der in 1 gezeigten Ruhestellung des
Haupt-Aktors 31 die ersten Elektroden 26 und die zweiten
Elektroden 28 nicht ineinander greifen, sind zwei Start-Aktoren 32.1, 32.2 vorgesehen,
die ihrerseits elektrostatische Start-Kammantriebe 34.1, 34.2 umfassen.
In der in 1 gezeigten Ruhestellung sind
die Start-Aktoren 32 von dem Sondenhalter-Aktor 22 beabstandet.
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Werden
die Start-Aktoren 32 mit einer Spannung beaufschlagt, so
bewegen sich Abtriebsteile 36.1, 36.2 auf den
Arm des Sondenhalter-Aktors 22 zu und drücken damit
die ersten Elektroden 26 auf die zweiten Elektroden 28 zu,
so dass der Arbeits-Kammantrieb 24 effektiv
arbeiten kann. Sobald die ersten Elektroden 26 und die
zweiten Elektroden 28 ineinander greifen, werden die Start-Aktoren 32.1, 32.2 spannungsfrei
geschaltet und kommen während des
Betriebs nicht mehr in Kontakt mit dem Haupt-Aktor 31.
Die beschriebenen Start-Aktoren stellen einen unabhängigen Gegenstand
der vorliegenden Patentanmeldung dar.
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In
Arbeitsstellung ist eine Arbeits-Feder 38, die aus zwei
Teil-Federn 38.1 und 38.2 besteht, die gemeinsam
eine Arbeits-Federkonstante K38 haben, gebogen
und übt
eine Rückstellkraft
aus, die derjenigen Kraft entgegenwirkt, die vom Arbeits-Kammantrieb 24 auf
den Schaft 30 ausgeübt
wird.
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Die
Rastersonden-Antriebseinheit 10 umfasst zudem einen ersten
Befestigungs-Aktor 40.1 und einen zweiten Befestigungs-Aktor 40.2,
die beidseits des Schafts 22 angeordnet sind und den Sondenhalter-Aktor 22 im
Betriebszustand nicht berühren.
Die Befestigungs-Aktoren 40.1, 40.2 umfassen jeweils
einen elektrostatischen Befestigungs-Kammantrieb 42.1., 42.2 und
jeweils eine Rückstellfeder 44.1, 44.2.
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Werden
die Befestigungs-Kammantriebe 42.1, 42.2 mit einer
Spannung beaufschlagt, so drücken
Abtriebsteile 46.1, 46.2 auf eine Befestigungs-Feder 48.
Diese verformt sich daraufhin und ein Befestigungskopf 50 der
Befestigungs-Feder 48 gibt eine Klemmverbindung zwischen
dem Sondenhalter 16 einerseits und dem Schaft 30 andererseits frei.
Dadurch kann der Sondenhalter 16 entnommen und ausgetauscht
werden.
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Die
Befestigungs-Feder 48 ist ausgebildet, um eine Spannkraft
von mehr als einem Mikronewton auf den Sondenhalter 16 auszubilden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rastersonden-Antriebseinheit
- 12
- Substrat
- 14
- Sondenhalter-Befestigung
- 16
- Sondenhalter
- 18
- Sonde-Tastspitze
- 20
- Cantilever
- 22
- Sondenhalter-Aktor
- 24
- Arbeits-Kammantrieb
- 26
- Elektrode
- 28
- Elektrode
- 30
- Schaft
- 31
- Haupt-Aktor
- 32
- Start-Aktor
- 34
- Start-Kammantrieb
- 36
- Abtriebsteil
- 38
- Arbeits-Feder
- 40
- Befestigungs-Aktor
- 42
- Befestigungs-Kammantrieb
- 44
- Rückstellfeder
- 46
- Abtriebsteil
- 48
- Befestigungs-Feder
- 50
- Befestigungskopf
- K
- Federkonstante
- L
- Längsachse
- D
- Abstand