DE102018001683B4

DE102018001683B4 - In-situ-Testvorrichtung und Verfahren für Substrate

Info

Publication number: DE102018001683B4
Application number: DE102018001683.9A
Authority: DE
Inventors: Farhad Ghaleh; Konrad Weiss
Original assignee: Kammrath & Weiss GmbH
Current assignee: Kammrath & Weiss GmbH
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: DE102018001683A1

Abstract

In-Situ-Testeinheit (1) zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, insb. zum Einbau und/oder zum funktionalen Zusammenwirken mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung (200), insbesondere in einem Elektronenmikroskop sowie einer digitalen Auswerte- und Steuereinheit (20), wobei die In-Situ-Testeinheit (1) Folgendes umfasst: mindestens eine Tragstruktur (10), welche mechanisch mit einer Trag- und Positioniereinheit (210) der Erfassungsvorrichtung (200) verbindbar ist, vier auf der Tragstruktur (10) in einer Ebene und im 90°-Winkel zueinander angeordnete Halte- und Antriebseinheiten (3), die jeweils mindestens Folgendes umfassen:• einen elektrischen Antriebsmotor (4), insb einen Servomotor,• eine Kraftmesseinheit (5),• ein motorseitiges Vorschub- und Verbindungselement (15) zur Kraftmesseinheit (5),• eine Einspanneinheit (6) für ein zu testendes Substrat (100), wobei jeweils eine Kraftmesseinheit (5) und eine Einspanneinheit (6) verbindbar und gemeinsam durch mindestens einen Antriebsmotor (4) linear verfahrbar sind, so dass mittels des ersten Paares von zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten (3) Linearbewegungen entlang einer ersten Kraftachse (KA1) und mittels des anderen Paares der zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten (3) Linearbewegungen entlang einer zweiten Kraftachse (KA2) veranlasst werden können, wobei die beiden Kraftachsen (KA1, KA2) senkrecht zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einspanneinheit (6) ein Basiselement (7) und ein Wechselelement (8) aufweist, wobei an dem Wechselelement (8) eine ein- oder mehrteilige Klemmeinrichtung (9) zum Fixieren eines Substrates (100) vorgesehen ist, und wobei das Wechselelement (8) lösbar an dem Basiselement (7) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der vier Halte- und Antriebseinheiten (3) mindestens ein ein- oder mehrteiliges Führungselement (12) aufweisen und für jede Halte- und Antriebseinheit (3) mindestens eine ortsfeste Linearführung (11) auf der Tragstruktur (10) vorgesehen ist, wobei mindestens ein Führungselement (12) und die jeweilige Linearführung (11) derart zusammenwirken, dass die Halte- und Antriebseinheit (3) hierdurch schlittenartig verschiebbar gelagert ist, wobei die Linearführung (11) einer Halte- und Antriebseinheit (3) quer zu deren jeweiliger Kraftachse (KA1, KA2) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine In-Situ-Testeinheit zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, insbesondere zum Einbau in ein Rasterelektronenmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und weiterhin ein In-Situ-Testverfahren nach Oberbegriff des Anspruchs 14.
Aus der WO 2018/ 006 504 A1 ist eine In-situ-Testvorrichtung für biaxialen Materialtest bekannt, bei der mit einem Servoantrieb jeweils zwei sich gegenüber angeordnete Zugeinheiten angetrieben werden können. Weiterhin ist aus der CN 206 479 407 U eine In-Situ-Testeinrichtung bekannt, bei der mit vier Servomotoren ein Material biaxial unter Zug und Wechsellast untersucht werden kann.
Aus der DE 10 2007 005 671 A1 ist ein Verfahren zur Materialprüfung bekannt. Aus der DE 10 2011 088 420 A1 ist eine Prüfvorrichtung zum Durchführen einer Werkstoffprüfung bekannt. Aus der CN 102 901 667 A sind eine Zugprüfvorrichtung und ein Prüfverfahren bekannt.
Nachteilig an den vorbekannten Systemen sind die sehr langen Umbau und Wartungszeiten, im Falle von veränderten Rahmenbedingungen für einzelne Tests bei veränderten Testmaterialien (Substraten).
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine In-Situ-Testeinheit zur biaxialen, statischen und/dynamischen Testung von Substraten nach Anspruch 1 vorgeschlagen, sowie wie ein zugehöriges In-Situ-Testverfahren nach Anspruch 14.
Die Aufgabe wird durch eine In-Situ-Testeinheit zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material gelöst, die insb. zum Einbau und/oder zum funktionalen Zusammenwirken mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung geeignet ist. Hier sind vorrangig die bekannten Elektronenmikroskope (SEM, FE-SEM, REM) zu nennen, sowie die jeweils eigene oder die zugehörigen Auswerte- und Steuereinheiten. Die In-Situ-Testeinheit umfasst mindestens eine Tragstruktur, die in der Regel als massive metallische Scheibe oder Platte ausgeführt ist und welche mechanisch mit einer Trag- und Positioniereinheit der jeweiligen Erfassungsvorrichtung gekoppelt oder verbunden werden kann. Auf dieser Tragstruktur sind in einer Ebene und im 90°-Winkel zueinander vier Halte- und Antriebseinheiten angeordnet.
Diese umfassen jeweils mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, insbesondere einen Servomotor, eine Kraftmesseinheit oder -dose, ein motorseitiges Vorschub- und Verbindungselement, welches zwischen dem Antriebsmotor bzw. einem geeigneten Getriebe und der Kraftmesseinheit angeordnet ist sowie eine Einspanneinheit für ein zu testendes Material oder Substrat.
Dabei sind jeweils eine Kraftmesseinheit und eine Einspanneinheit paarweise verbindbar und gemeinsam durch mindestens einen Antriebsmotor linear verfahrbar, so dass mittels des ersten Paares von zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten Linearbewegungen entlang einer ersten Kraftachse und mittels des anderen Paares von zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten Linearbewegungen entlang einer zweiten Kraftachse veranlasst werden können, wobei die beiden Kraftachsen im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Dabei ist wesentlich, dass die Einspanneinheit als Hauptelemente ein Basiselement und ein Wechselelement aufweist, wobei an dem Wechselelement wiederum eine ein- oder mehrteilige Klemmeinrichtung zum Fixieren des Testmaterials oder Substrates vorgesehen ist, und wobei das Wechselelement leicht lösbar an dem Basiselement befestigt ist und die gesamte Klemmeinrichtung trägt und/oder umfasst. Das Basiselement ist weiterhin dadurch bestimmt, dass es keinen Teil der Klemmeinrichtung darstellt oder umfasst.
Dies hat den großen Vorteil, dass ohne großen Arbeitsaufwand, abhängig von dem jeweiligen Substrat (Testmaterial), die passende Klemmeinrichtung vorgesehen werden kann, wie nachstehend zu den Figuren noch im Detail beschrieben wird. Dabei ist bei einer Ausführungsvariante das Wechselelement an dem Basiselement form- und kraftschlüssig gehalten und gelagert, was beispielsweise dadurch erfolgt, dass die form- und kraftschlüssige Lagerung zwischen Wechsel- und Basiselement in der Form einer Schwalbenschwanzlagerung ausgeführt ist, welche insbesondere vertikal zur Testebene ausgerichtet ist.
Die Testebene wird insgesamt dadurch in ihrer Ausrichtung bestimmt, dass diese die Ebene ist, in welcher die Kraftachsen quer zueinander liegen. Weiterhin gilt als Testrichtung eine Richtung, die in achsiale Richtung einer der Kraftachsen weist. Wird vorliegend von vorne und hinten gesprochen, dann ist Ausrichtung zum Zentrum gemeint, dies ist die Öffnung in der Tragstruktur, durch welche vertikal im eingebauten Zustand die Strahlachse des Strahlemitters verläuft. Bezogen auf die einzelne Halte- und Antriebseinheit ist die Seite mit dem Einspannelement vorne, die hiervon abgewandte Seite ist hinten.
Bei einer verbesserten Ausführungsform sind quer ausgerichtete ein- oder mehrteilige Linearführungen für die Halte- und Antriebseinheit vorgesehen. Dazu weisen mindestens zwei der vier Halte- und Antriebseinheiten mindestens ein ein- oder mehrteiliges Führungselement auf, wozu jeweils mindestens eine ortsfeste Linearführung auf der Tragstruktur vorgesehen ist. Das Führungselement und die jeweilige Linearführung wirken dabei derart zusammen, dass die Halte- und Antriebseinheit schlittenartig verschiebbar gelagert ist. Die Linearführungen einer Halte- und Antriebseinheit sind dabei quer zur jeweiligen Kraftachse bzw. der Testrichtung ausgerichtet.
Es hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, wenn unter Last ein oder mehrere Halte- und Antriebseinheiten abhängig vom Verformungsverhalten des Substrates eine seitliche Ausgleichsbewegung vollziehen können und so das Verwinden oder Verbiegen des Substrates über eine möglichst große Laststrecke oder Testdauer vermeiden. Dabei kann der zu untersuchende Bereich des Substrates durch geeignete Ansteuerung der Trag- und Positioniereinheit der Erfassungseinheit im gewünschten Focus gehalten werden. Hierzu kann eine Kamera vorgesehen sein, die die Lage und Lageveränderungen des Substrates erfasst und diese Daten zur Steuerung insbesondere der Trag- und Positioniereinheit verwendet.
Idealerweise weisen alle Halte- und Antriebseinheiten jeweils mindestens ein ein- oder mehrteiliges Führungselement auf und sind analog gelagert und geführt, wie vorstehend beschrieben wurde.
Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn im Bereich mindestens eines Führungselementes und der jeweiligen Linearführung eine Wegerfassungseinheit (Linear-Encoder) angeordnet ist, der einen Weggeber und eine Wegnehmer umfasst (Incrementalgeber/-nehmer).
Allgemein kann eine querverschiebbare Halte- und Antriebseinheit passiv geführt sein, das heißt, unter Testbedingungen (Zug- oder Druckkräfte in Testrichtung) kommt es aufgrund eines nicht idealen Substratverhaltens oder Systemverhaltens zu einer Querkraft zur Testrichtung. In diesem Fall verfährt eine der Halte- und Antriebseinheit automatisch, bis der Querkraftanteil durch die Lageveränderung wieder zu Null verringert oder kompensiert wurde. Weiterhin erleichtert die Verschiebbarkeit in Querrichtung die Einrichtung eines Test, weil auf die Geometrie des Substrates systemseitig reagiert werden kann.
Natürlich kann die Querverschiebung alternativ auch durch einen motorischen Querantrieb erfolgen, der die Halte- und Antriebseinheit umfasst und/oder mit der diese wirkmäßig verbunden ist. Dabei ist die jeweilige Halte- und Antriebseinheit unabhängig von den anderen Halte- und Antriebseinheiten auf der jeweilige Linearführung quer zu ihrer Kraftachse bzw. der Testrichtung gesteuert verschiebbar.
Generell ist der Antriebsmotor idealerweise ein Servomotor, mittels welchem eine erste Welle zur Rotation um die Antriebsachse anregbar ist. Um den Bauraum sehr klein zu halten, sind der Servomotor und seine Welle quer zur zugehörigen Kraftachse ausgerichtet. Weiterhin kann eine Kopplung mit einer Getriebeeinheit vorgesehen sein, die wiederum mit dem Vorschub- und Verbindungselement wirkmäßig verbunden ist und dieses entweder zur Rotation um eine zur Kraftachse (Testrichtung9) parallelen oder deckungsgleichen Rotationsachse antreibt und/oder dieses parallel zur Kraftachse verschieben kann.
Hierzu kann das Getriebe eine Kraftübertragung mittels eines Riemens oder Zahnriemes umfassen, mittels welchem die Drehbewegung der Welle des Antriebsmotors (Servomotor) auf eine parallele Getriebewelle, insbesondere eine Spindelwelle, übertragen wird. Idealerweise ist die Getriebewelle relativ zur Testebene oberhalb oder unterhalb der Welle des Servomotor angeordnet.
Idealerweise ist der Antriebsmotor austauschbar und auch in 180° gespiegelter Ausrichtung mit dem Getriebe verbindbar, was mit einem einfachen Umbau realisiert werden kann. Somit können sehr leicht Antriebsmotoren mit unterschiedlichen Leistungsparametern zum Einsatz gebracht werden und/oder auf besondere bauliche Gegebenheiten der Erfassungseinrichtung oder deren Testkammer (Vakuumkammer) reagiert werden.
Bei einer verbesserten Ausführungsform der vorgenannten Varianten können alle Bewegungen der Antriebsmotoren und/oder der Querantriebe unabhängig voneinander gesteuert werden.
Eine weitere Verbessung besteht darin, dass eine Kraftmesseinheit lösbar und austauschbar an dem motorseitigen Vorschub- und Verbindungselement und/oder dessen Kopfstück befestigt ist. Analog zu dem o.g. Wechselelement hat es sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kraftmesseinheit sehr leicht und unabhängig von dem Grundaufbau der Halte- und Antriebseinheit vom Bediener entnommen bzw. gewechselt werden kann, um sehr leicht die spezifische Kraftmesseinheit abhängig vom jeweiligen Substrat und den gewünschten Testumfeld/-bedingungen einsetzen zu können.
Eine Verbesserung kann weiterhin vorgesehen werden, wenn mindestens einseitig ein oder mehrere feststehende Führungselemente vorgesehen sind, an welchen die Einspanneinrichtung und/oder die Kraftmesseinheit parallel zur Kraftachse geführt und gelagert ist. Zum Austausch der Kraftmesseinheit kann das Führungselement vorteilhafterweise leicht austauschbar an geeigneten, feststehenden Trägerelementen gelagert sein.
Regelmäßig ist es sinnvoll, wenn in Wirkverbindung mit der Einspanneinrichtung insbesondere dessen Basiselement und/oder dem Vorschub- und Verbindungselement mindestens ein Wegmeßnehmer (Linear-Encoder) vorgesehen ist, zur Erfassung der Bewegung entlang der jeweiligen Kraftachse (KA1) (Testrichtung)
Gegenstand ist auch ein In-Situ-Testverfahren zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung, insb. einer Mikrokopiereinrichtung, wie beispielsweise einem Elektronenstrahl- oder Rasterelektronenmikroskop (SEM, REM) sowie einer zugehörigen Auswerte- und Steuereinheit wobei die Testung insb. unter Vakuum erfolgt. Dabei wird ein Testmaterial oder Substrat mittels einer In-Situ-Testeinheit nach einem der vorgenannten Ausführungsvaianten gehalten, belastet und getestet, die im Inneren der Erfassungseinrichtung angeordnet ist.
Eine verbesserte Ausführungsvariante sieht vor, dass eine weitere optische Erfassungseinheit vorhanden ist, die mit der Auswerte- und Steuereineheit zum Datenaustausch verbunden ist und welche einen Geometriebereich des Substrates erfasst. Dabei erfolgt die Steuerung mit Hilfe mindestens eines der Antriebsmotoren und/oder mindestens einem der Querantriebe und/oder einer Trag- und Positioniereinheit der Erfassungseinrichtung, an der die Tragstruktur für die Halte- und Antriebseinheit befestigt ist unter Auswertung der Daten der Erfassungseinheit.
Aufgrund der Modularisierung und vollständigen, unabhängigen Steuerbarkeit einer jeden Halte- und Antriebseinheit, wie für eine der o.g. Varianten genannt, können bei einem Testverfahren

- alle vier Halte- und Antriebseinheiten synchron bewegt werden,
- nur eine Einheit wird bewegt, während alle anderen synchron gehalten werden,
- jeweils zwei Achsen werden synchron gesteuert (paarweise Steuerung der Halte- und Antriebseinheiten) oder
- jede Halte- und Antriebseinheit wird separat gesteuert.

Erfindungsgemäß wurde somit eine maximale Flexibilität für mögliche Testdurchführungen erlangt, die zudem noch besonders leicht zu warten und auszutauschen ist
Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert, dabei zeigt

1 sehr schematisch die Erfassungseinrichtung (Rasterelektronenmikroskop) mit der im Inneren angeordneten In-Situ-Testeinheit,
2 perspektivisch eine In-Situ-Testeinheit mit vier Halte- und Antriebseinheiten,
3 die gleiche In-Situ-Testeinheit wie 2 als Draufsicht,
4a perspektivisch eine Halte- und Antriebseinheit im zusammengebauten Zustand von vorne,
4b die Halte- und Antriebseinheit aus 4a von hinten,
5 perspektivisch die Halte- und Antriebseinheit aus 4a, 4b mit gelöstem Wechselelement und
6 in einer Explosionsdarstellung die Entnahme der Kraftmesseinheit an der Halte- und Antriebseinheit.

In der 1 ist die Erfassungseinrichtung 200 ein Rasterelektronenmikroskop (REM, SEM), das sehr schematisch als gestrichelte Linie skizziert ist. In der Erfassungseinrichtung 200 ist eine Vakuumkammer 205 angeordnet, in der eine Trag- und Positioniereinheit 210 angeordnet ist, die eine an oder auf ihr befestigte In-Situ-Testeinheit vorliegend in die drei Richtungen X, Y und Z verfahren kann.
Von den vier Halte- und Antriebseinheiten 3, die auf der Tragstruktur 10 der In-Situ-Testeinheit 1 befestigt sind, sind vorliegend nur zwei dargestellt. Von der Erfassungseinrichtung 200 ist lediglich der Strahlungsemitter 215 in der 1 dargestellt, alle sonstigen Bauteile, Sensoren, Empfänger etc. sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht abgebildet. Alle Antriebe und Komponenten der In-Situ-Testeinheit 1 und der Erfassungseinrichtung 200 sind über Datenleitungen mit einer oder mehreren Auswerte- und Steuereinheiten 20 verbunden, was über die strichpunktierten Linien angedeutet ist. Weiterhin ist ein Computer 21 in das Datennetz eingebunden. Die Datenleitung kann dabei kabelgebunden oder kabellos erfolgen und die Auswerte- und Steuereinheit 20 und der Computer 21 können auch eine einzige Einheit darstellen.
Die Halte- und Antriebseinheiten 3 sind im Wesentlichen identisch ausgebildet und haben als Hauptkomponenten jeweils einen Antriebsmotor 4, eine Einspanneinrichtung 6 zum Halten des Substrates 100 und ein Vorschub- und Verbindungselement 15, welches hier beispielsweise mit der Rückseite der Kraftmesseinheit 5 mechanisch verbunden ist und über die gesamte Einspanneinrichtung 6 linear verschoben werden kann. Dabei könnte die Verbindung mit der Kraftmesseinheit 15 auch in geeigneter Weise anders ausgeführt sein, bspw. mit deren Boden. Das Substrat 100 spannt dabei den sehr flachen Testraum auf, der hier nur näherungsweise als Testebene 150 benannt werden soll.
Wie in 2 zu erkennen ist, weist das plattenartige Tragelement 7 eine zentrale Öffnung 2 oder Fenster auf oberhalb welchem das Substrat 100 gehalten und belastet wird. Aus Gründen der Kompaktheit sind die vier Halte- und Antriebseinheiten 3 derart angeordnet, dass der Antriebsmotor 4, der hier ein Servomotor ist, quer zur Kraftrichtung 30.1 ausgerichtet und auf der Höhe der Tragstruktur 10 angeordnet ist, also idealerweise unterhalb der Testebene 150 und/oder des Getriebes 14 liegt.
Mittels eines Zahnriemens 19 und eines Getriebes 14 erfolgt die Kraftübertragung, indem die Drehbewegung der Welle 13 auf eine parallele Getriebewelle 18, insbesondere eine Spindelwelle, übertragen wird. Diese Getriebewelle 18 ist relativ zur Testebene 150 oberhalb der Welle 13 des Antriebsmotors 4 angeordnet.
In der 3 sind die Kraftrichtungen 30.1 in X-Richtung und die Kraftrichtung 30.2 in Y-Richtung als Pfeile eingezeichnet. Die Kraftrichtungen 30.1, 30.2 werden hierin auch als Kraftachse KA1 in X-Richtung und Kraftachse KA2 in Y-Richtung bezeichnet und sind als strichpunktierte Linien dargestellt. Die Hauptbewegungsrichtung einer Halte- und Antriebseinheit 3 entspricht dabei der zugehörigen Kraftrichtungen 30.1, 30.2. Weiterhin sind je zwei Linearführungen 11 für eine Halte- und Antriebseinheit zu erkennen, die quer zur jeweiligen Kraftachse KA1, KA2 einer Halte- und Antriebseinheit ausgerichtet und über Schrauben mit dem Basiselement verbunden sind. Hierauf kann die Halte- und Antriebseinheit 3 schlittenartig quer zur eigenen Kraftrichtungen 30.1, 30.2 verschoben werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Querbewegung einer Halte- und Antriebseinheit 3 nicht mittels eines motorischen Antriebs vollzogen, sondern kann manuell beim Einrichten eines Tests vorgenommen werden oder erfolgt unter Lastbetrieb der Halte- und Antriebseinheit 3, wenn keine idealen, orthogonalen Kraftverhältnisse vorliegen und insbesondere das Substrat 100 ein unsymmetrisches Verformungsverhalten zeigt. Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist an mindestens zwei der vier Halte- und Antriebseinheiten ein motorischer Antrieb für die Querbewegung 40 vorgesehen.
Weiterhin sind in der 3 zwei Strom- und Widerstandsmesseinheiten 50 erkennbar, die ebenfalls mit der Auswerte- und Steuereinheit 20 verbunden sind.
In der 4a und 4b sind die freigestellten Halte- und Antriebseinheiten 3 gezeigt. Die Klemmeinrichtung 9 ist plattenartig ausgebildet und mittels Schrauben an dem Wechselelement 8 befestigt. Das Wechselelement 8 selbst ist an dem Basiselement 7 form- und kraftschlüssig gelagert, indem das Wechselelement 8 und das Basiselement jeweils die beiden komplementären Formen einer Schwalbenschwanzführung aufweisen, wie auch in der 5 in demontierter Situation dargestellt. Weiterhin sind diese mit einer Schraube gesichert. Die Führung ist derart ausgerichtet, dass das Wechselelement nach dem Lösen der Befestigungsmittel nach oben herausgeschoben und getauscht werden kann, ohne dass das Basiselement 7 oder ein sonstiges Element der Halte- und Antriebseinheit 3 gelöst oder demontiert werden muss.
Jede Halte- und Antriebseinheit 3 weist für jede Bewegungsrichtung einen Linear-Encoder zur Erfassung der Wegstrecke auf, wobei die beiden Datenleitung 41, 42 der Linear-Encoder in 4a erkennbar sind.
Mittels der Arretierung 45, die an der Halte- und Antriebseinheit 3 gelagert und vertikal verschiebbar ist, kann die Querbewegung verhindert werden, indem die Arretierung 45 in eine nicht dargestellte Aussparung in der Tragstruktur 10 eingeführt wird.
Wie weiter oben ausgeführt, treibt das in der Umlenkeinheit gelagerte Vorschub- und Verbindungselement 15 die Kraftmesseinheit 5 und die hieran befestigte Einspanneinrichtung 6 an. Hierzu weist das Vorschub- und Verbindungselement 15 ein Kopfstück 16 auf, in dem es gelagert ist und das mit der Rückseite der Kraftmesseinheit 5 verbunden ist. Die Kraftmesseinheit 5 und/oder das Kopfstück 16 sind in seitlichen Führungsstäben 17 gleitend gelagert und gegen Verdrehung gesichert, wobei die Führungsstäbe 17 entnehmbar am Grundträger 23 der Halte- und Antriebseinheit 3 gehalten und mit je einer Schraube 26 fixiert sind.
Unter dem angehobenen Wechselelement 7, das aus der Schwalbenschwanzführung 22 vertikal nach oben herausgeschoben wurde, ist der Linear-Encoder 43 sichtbar (5).
In den 6 ist der Ausbau der Kraftmesseinheit 5 dargestellt. In der dargestellten Aufbausituation ist der Führungsstab 17 (5) vom Grundträger 23 gelöst und ausgebaut, wozu die Schraube 26 (5) gelöst wurde. Weiterhin wurden die vier frontalen Schrauben 24 gelöst und die Kraftmesseinheit 5 von dem Kopfstück 16 gelöst und entnommen. Die beiden Linear-Encoder 43, 44 sind aufgrund der Entnahme der Kraftmesseinheit 5 und des Basiselements 7 sichtbar. Die beiden vertikal geführten Schrauben 25 dienen zur Befestigung und Mitnahme des Läuferteils des Linear-Encoders 43.
An der 6 wird deutlich, wie einfach und ohne Eingriff in die sonstige Baueinheit auch die Kraftmesseinheit 5 entnommen und ausgetauscht werden kann.
Vorliegend sind die Halte- und Antriebseinheiten 3 bis auf die Strom- und Widerstandsmesseinheit 50, welche nur an zwei der vier Einheiten angeordnet sind baugleich. Daher wurde aus Gründen der Lesbarkeit verzichtet, Bezugszeichen an allen identischen Bauteilen und Elementen vorzusehen.
Insgesamt ist nach dem analogen Aufbu insbesondere einer der vorgenannten Ausführungsbeispiele auch eine In-Situ-Testeinheit umfasst, bei der statt der vier Halte- und Antriebseinheiten 3, drei, fünf oder mehr Halte- und Antriebseinheiten 3 vorgesehen sind. Dabei sind deren Kraftachsen und Verfahrrichtungen (Testrichtung) in einem solchen Fall nicht im 90°-Winkel zueinander angeordnet, sondern stehen in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander, abhängig von der jeweiligen Anzahl der Halte- und Antriebseinheiten.
Bezugszeichenliste

1: In-Situ-Testeinheit
2: Öffnung
3: Halte- und Antriebseinheit
4: Antriebsmotor (elektrisch)
5: KME Kraftmesseinheit
6: Einspanneinrichtung
7: Basiselement
8: Wechselelement
9: Klemmeinrichtung
10: Tragstruktur
11: Linearführung
12: Führungselement
13: Welle
14: Getriebe
15: Vorschub- und Verbindungselement
16: Kopfstück
17: Führungsstab
18: Getriebewelle
19: Zahnriemen
20: Auswerte- und Steuereinheit
21: Computer
22: Schwalbenschwanzführung
23: Grundträger
24: Schrauben
25: Schrauben
30.1: Kraftrichtung
30.2: Kraftrichtung
40: Querbewegung
41: Datenleitung
42: Datenleitung
43: Linear-Encoder
44: Linear-Encoder
45: Arretierung
50: Strom- und Widerstandsmesseinheit
100: Substrat
150: Testebene (Definition)
200: Erfassungseinrichtung
205: Vakuumkammer
210: Trag- und Positioniereinheit
215: Strahlenemitter
216: Strahlachse
220: Kamera

Claims

In-Situ-Testeinheit (1) zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, insb. zum Einbau und/oder zum funktionalen Zusammenwirken mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung (200), insbesondere in einem Elektronenmikroskop sowie einer digitalen Auswerte- und Steuereinheit (20), wobei die In-Situ-Testeinheit (1) Folgendes umfasst: mindestens eine Tragstruktur (10), welche mechanisch mit einer Trag- und Positioniereinheit (210) der Erfassungsvorrichtung (200) verbindbar ist, vier auf der Tragstruktur (10) in einer Ebene und im 90°-Winkel zueinander angeordnete Halte- und Antriebseinheiten (3), die jeweils mindestens Folgendes umfassen: • einen elektrischen Antriebsmotor (4), insb einen Servomotor, • eine Kraftmesseinheit (5), • ein motorseitiges Vorschub- und Verbindungselement (15) zur Kraftmesseinheit (5), • eine Einspanneinheit (6) für ein zu testendes Substrat (100), wobei jeweils eine Kraftmesseinheit (5) und eine Einspanneinheit (6) verbindbar und gemeinsam durch mindestens einen Antriebsmotor (4) linear verfahrbar sind, so dass mittels des ersten Paares von zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten (3) Linearbewegungen entlang einer ersten Kraftachse (KA1) und mittels des anderen Paares der zwei sich gegenüberstehenden Halte- und Antriebseinheiten (3) Linearbewegungen entlang einer zweiten Kraftachse (KA2) veranlasst werden können, wobei die beiden Kraftachsen (KA1, KA2) senkrecht zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einspanneinheit (6) ein Basiselement (7) und ein Wechselelement (8) aufweist, wobei an dem Wechselelement (8) eine ein- oder mehrteilige Klemmeinrichtung (9) zum Fixieren eines Substrates (100) vorgesehen ist, und wobei das Wechselelement (8) lösbar an dem Basiselement (7) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der vier Halte- und Antriebseinheiten (3) mindestens ein ein- oder mehrteiliges Führungselement (12) aufweisen und für jede Halte- und Antriebseinheit (3) mindestens eine ortsfeste Linearführung (11) auf der Tragstruktur (10) vorgesehen ist, wobei mindestens ein Führungselement (12) und die jeweilige Linearführung (11) derart zusammenwirken, dass die Halte- und Antriebseinheit (3) hierdurch schlittenartig verschiebbar gelagert ist, wobei die Linearführung (11) einer Halte- und Antriebseinheit (3) quer zu deren jeweiliger Kraftachse (KA1, KA2) ausgerichtet ist.
In-Situ-Testeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle vier Halte- und Antriebseinheiten (3) jeweils mindestens ein ein- oder mehrteiliges Führungselement (12) aufweisen und auf mindestens einer Linearführung (11) schlittenartig gelagert sind, welche quer zur jeweiligen Kraftachse (KA1, KA2) ausgerichtet ist.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich mindestens eines Führungselementes (12) und der jeweiligen Linearführung (11) eine Wegerfassungseinheit angeordnet ist, insbesondere eine Wegerfassungseinheit aus einem Weggeber und einem Wegnehmer.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Antriebseinheit (3) einen motorischen Querantrieb umfasst und/oder mit diesem wirkmäßig verbunden ist, mittels welchem die jeweilige Halte- und Antriebseinheit (3) unabhängig von den anderen Halte- und Antriebseinheiten (3) auf der jeweiligen Linearführung (11) quer zu ihrer Kraftachse (KA1, KA2) gesteuert verschiebbar ist.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselelement (8) an dem Basiselement (7) gehalten und gelagert ist, insbesondere form- und kraftschlüssig.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung zwischen Wechselelement (8) und Basiselement (7) in der Form einer Schwalbenschwanzlagerung ausgeführt ist, deren Vorschubrichtung insbesondere vertikal zur Testebene steht.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (4) ein Servomotor ist, mittels welchem eine erste Welle (13) zur Rotation um eine Antriebsachse anregbar ist, die quer zur Kraftachse (KA1, KA2) der Halte- und Antriebseinheit (3) liegt, hiermit gekoppelt ein Getriebe (14) vorgesehen ist, die mit dem Vorschub- und Verbindungselement (15) wirkmäßig verbunden ist und dieses - zur Rotation um eine zur Kraftachse (KA1, KA2) parallelen Rotationsachse antreiben und/oder - parallel zur Kraftachse (KA1, KA2) verschieben kann.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (14) eine Kraftübertragung mittels eines Zahnriemens (19) umfasst, mittels welchem die Drehbewegung der Welle (13) auf eine parallele Getriebewelle (18), insbesondere eine Spindelwelle, übertragen wird, und wobei die Getriebewelle (18) relativ zur Testebene (150) oberhalb oder unterhalb der Welle (13) des Servomotors angeordnet ist.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bewegungen der Antriebsmotoren (4) und/oder der Querantriebe unabhängig voneinander gesteuert werden können.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinheit (5) lösbar und austauschbar an dem motorseitigen Vorschub- und Verbindungselement (15) und/oder dessen Kopfstück (16) befestigt ist.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspanneinrichtung (6) und/oder das Vorschub- und Verbindungselement (15) einen Wegmeßnehmer aufweist, zur Erfassung der Bewegung entlang der jeweiligen Kraftachse (KA1).
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einseitige ein oder mehrere Führungselemente (17) vorgesehen sind, an welchen die Einspanneinrichtung (6) und/oder die Kraftmesseinheit (5) parallel zur Kraftachse (KA1) geführt und gelagert ist.
In-Situ-Testeinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt der vier Halte- und Antriebseinheiten (3) drei, fünf oder mehr Halte- und Antriebseinheiten (3) vorgesehen sind, deren Kraftachsen und Verfahrrichtung nicht im 90°-Winkel zueinander angeordnet sind, sondern in gleichmäßigen Winkelabständen abhängig von der Anzahl der Halte- und Antriebseinheiten (3).
In-Situ-Testverfahren zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung (200), insb. einer Mikrokopiereinrichtung, insb. einem Elektronenstrahl- oder Rasterelektronenmikroskop, wobei die Testung insb. unter Vakuum erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (100) mittels einer In-Situ-Testeinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche gehalten und testet wird, die im Inneren der Erfassungseinrichtung (200) angeordnet ist.
In-Situ-Testverfahren nach Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere optische Erfassungseinheit (220) vorhanden ist, die mit der Auswerte- und Steuereinheit (20) zum Datenaustausch verbunden ist und einen Geometriebereich des Substrates (100) erfasst, und wobei die Steuerung mindestens eines der Antriebsmotoren (4) und/oder mindestens einem der Querantriebe und/oder einer Trag- und Positioniereinheit (210) der Erfassungseinrichtung (200), an der die Tragstruktur (10) für die Halte- und Antriebseinheit (3) befestigt ist, unter Auswertung der Daten der weiteren optischen Erfassungseinheit (220) erfolgt.