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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Präparation
einer Probe für
elektronenmikroskopische Untersuchungen, insbesondere mit einem Transmissionselektronenmikroskop
(TEM), sowie dabei verwendete Probenträger.
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Mit
fortschreitender Miniaturisierung in der Mikro- und Nanotechnologie
und insbesondere in der Halbleitertechnik wird die Transmissionselektronenmikroskopie
(TEM) innerer Grenzflächen an
ionengedünnten
Querschliffen immer bedeutender. Dabei ist eine gezielte Präparation
einer ausgewählten
Objektstelle, also einer an einer Probenstelle des Substrates befindlichen
Probe erforderlich. So sind beispielsweise bei zukünftigen
MOS Bauelementen Proben bei Gatelängen von 10 nm bis 100 nm und
Dicken des Gateoxids von wenigen Atomlagen zielgenau für die hochauflösende TEM
zu präparieren.
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Auch
in vielen Bereichen der Werkstoffwissenschaften wird zunehmend eine
Zielpräparation auf
bestimmte Mikrobereiche, z.B. Phasenübergänge, Strukturdefekte, Wärmeeinflusszonen,
Rissspitzen, Grenzflächen
etc. gefordert. Im Bereich der Grenzfläche zwischen Werkstoffen und
biologischem Gewebe, wie sie bspw. bei Implantaten auftreten, gibt es
bisher ebenfalls keine geeigneten Methoden zur zielgenauen Präparation
von Proben für
eine nachfolgende TEM.
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Um
Proben für
solche elektronenmikroskopischen Untersuchungen, insbesondere für Untersuchungen
mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), zu präparieren,
ist es erforderlich, sie von ihrem Substrat zu trennen und mechanisch
zu fixieren.
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Es
ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Probe hierzu mit Hilfe
eines hochenergetischen, fokussierten Ionenstrahls (Focused Ion
Beam, FIB) durch physikalisches Ätzen
oder chemisch unterstütztes
physikalisches Ätzen
von dem Substrat zu trennen. Die Probe wird danach mit Hilfe einer
Sonde entweder unter einem Lichtmikroskop oder noch in der FIB-Vorrichtung
aus dem Substrat entnommen und dann mit Hilfe dieser Sonde an einem
Probenträger
befestigt; siehe bspw.
US
6,538,254 B1 .
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Die
US 2003/0089860 A1 beschreibt bspw. ein Verfahren, bei dem die Probe
mit FIB von einem Halbleitersubstrat abgetrennt wird, wobei die
Stelle, an der die Probe entnommen werden soll, mit Hilfe eines
Rasterelektronenmikroskops (REM) abgebildet wird. Die Entnahme der
abgetrennten Probe erfolgt mit Hilfe eines elektrostatisch wirkenden
Manipulators.
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Die
US 2002/0121614 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Probe in
der FIB-Vorrichtung zunächst
vollständig
von dem Substrat abgetrennt wird, bevor es an der Sonde fixiert
wird. Die Sonde kann dabei durch Ionenstrahl-induzierte Ablagerung
(IBID) oder Elektronenstrahl-induzierte Ablagerung (EBID) von Material
aus einem sogenannten Precursor, durch Kleber oder elektrostatisch
mit der Probe verbunden werden. Die Probe wird dann bspw. an einen Probenträger übergeben
und dort durch Materialablagerung befestigt.
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Auch
die WO 02/095378 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Probe mit
Hilfe von FIB sowohl abgebildet als auch vom Substrat abgetrennt
wird. Vor dem Abtrennen wird durch IBID eine Sonde an der Probenstelle
befestigt. Mit Hilfe eines Mikromanipulators wird die Sonde mit
der abgetrennten Probe dann von dem Substrat entfernt und die Probe
auf ein TEM-Trägernetz
gelegt und dort mit IBID fixiert. Danach wird die Sonde mit Hilfe
des Ionenstrahles von der Probe abgetrennt.
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Aus
der
DE 42 26 694 ist
ein vergleichbares Verfahren bekannt, bei dem die Probenstelle über Sekundärelektronenemission
in einem Rasterionenmikroskop (RIM) abgebildet wird. Die abgetrennte Probe
wird durch IBID an der Sonde befestigt und kann dann unter einem
REM betrachtet und mit einem abgeschwächten Ionenstrahl weiter bearbeitet werden,
um die Probe für
die TEM nachzudünnen. Die
Sonde weist einen dünnen
und kleinen Sondenkopfabschnitt, an dem die Probe befestigt ist,
und einen dicken Halteabschnitt aus, an dem sie an einem Mikromanipulator
befestigt ist. Die Spitze hat einen Durchmesser von weniger als
10 μm und
der als Platte ausgebildete Halteabschnitt eine Dicke von mehr als
50 μm.
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Overwijk
et al., "Novel scheme
for the preparation of transmission electron microscopy specimens
with a focused ion beam",
J.Vac.Sci.Technol. B 11(6), 1993, Seiten 2021-2024 offenbaren ein
Verfahren, bei dem die Probe ebenfalls in einer FIB-Vorrichtung abgebildet
und präpariert
wird. Um die Oberfläche
der Probe beim Abtrennen der Probe durch FIB zu schützen, wird
die Probe über
IBID mit einer Wolframschicht versehen, die auch als Maske beim
Abtrennen dient. Nach dem Abtrennen der Probe von dem Substrat wird
das Substrat mit der Probe, die in einer durch FIB in dem Substrat
erzeugten Vertiefung enthalten ist, aus der Vakuumkammer entnommen und
unter ein Lichtmikroskop gelegt. Dort wird die abgetrennte Probe
dann durch Haftwirkung von einer Nadel erfasst und durch vorsichtige
Manipulation auf einem TEM-Träger
abgelegt.
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Die
insoweit beschriebenen Verfahren haben jedoch alle den Nachteil,
dass die Probe durch die hohe Ionenenergie von üblicherweise 30 keV geschädigt (Armorphisierung)
oder verunreinigt (Ionenimplantation) wird. Sie ist dann für eine Untersuchung mittels
TEM nur noch bedingt geeignet.
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Die
Schädigung
erfolgt aber nicht nur beim Abtrennen der Probe vom Substrat mittels
FIB sondern auch schon beim Aufsuchen der Probenstelle, also bei
der Abbildung des die Probenstelle enthaltenden Ausschnittes des
Substrates im Ionenrastermikroskop. Bei geringeren Ionenenergien
wird die Probenschädigung
zwar verringert, allerdings ist bei geringer Ionenenergie die Auflösung bei
der Abbildung stark reduziert, so dass ein gezieltes Auffinden einer
gewünschten
Probenstelle nicht mehr möglich ist.
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Ein
weiteres Problem stellt die mechanische Handhabung der präparierten
Probe dar. Nach der Präparation
müssen
die winzigen, äußerst fragilen Proben
nämlich
auf ein TEM-Trägernetz
manipuliert werden, was häufig
zu einem Verlust der aufwendig präparierten und teuren Proben
führt.
Häufig
ergibt sich auch ein schlechter thermischer und elektrischer Kontakt
zwischen Probe und Trägernetz,
was zu Abbildungsartefakten durch Aufladung und Aufheizung der Probe
führt.
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Aus
der Veröffentlichung
von Matsui und Mori: "New
selective deposition technology by electron beam induced surface
reaction" in J.Vac.Sci.Technol B4(1),
1986, Seiten 299-304 ist es noch allgemein bekannt, auf einem Substrat
in einer Vakuumkammer mit Hilfe eines Elektronenstrahles (EBID)
eine Wolframschicht abzulagern, wozu ein Precursor, hier bspw. WF6, über
eine Gasdüse
in die Vakuumkammer eingeleitet wird.
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Die
Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Präparation einer Probe für elektronenmikroskopische
Untersuchungen, insbesondere für
Untersuchungen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM),
mit den Schritten:
- a) ein die zu präparierende
Probe an einer Probenstelle enthaltendes Substrat wird in einer
Vakuumkammer bereitgestellt,
- b) auf eine Oberfläche
der Probenstelle wird eine Schutzschicht aufgebracht,
- c) die unter der Schutzschicht befindliche Probe wird durch
einen Ionenstrahl von dem Substrat abgetrennt, wobei die Schutzschicht
als Maske dient, und
- d) die abgetrennte Probe wird in der Vakuumkammer von dem Substrat
entfernt.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der
US 6,188,068 B1 bekannt. Bei dem bekannten
Verfahren wird die Probe mit FIB freigeschnitten und dann entweder
mit einem TEM-Probenträger
verbunden und über
diesen von dem Substrat entfernt, oder über eine Sonde entnommen, an
der die Probe auf geeignete Weise gehalten wird. Die Probe wird
dann auf einem TEM-Probenhalter abgelegt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass gerade die
Kombination von Schutzschicht und Handling noch in der Vakuumkammer
viele Probleme vermeidet, die im Stand der Technik vorherrschen.
Durch die Schutzschicht wird die Gefahr einer Schädigung der
Probe beim Abtrennen vom Substrat deutlich verringert, während das Handling
noch in der Vakuumkammer mechanische Schädigungen vermeidet. In der
Vakuumkammer ist es jetzt möglich,
die abgetrennte Probe mit großer
Sicherheit und Reproduzierbarkeit bspw. durch Adhäsion aufzunehmen.
Der im Stand der Technik häufig
zu beobachtende Verlust der Probe beim Handling wird so vermieden.
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Auch
Overwijk et al. beschreiben zwar eine Manipulation der Probe unter
Ausnutzung der Haftwirkung an einer Nadelspitze, dies erfolgt jedoch
unter einem Lichtmikroskop, also nicht im Vakuum. Die Erfinder der
vorliegenden Anmeldung haben nun erkannt, dass die Haftwirkung im
Vakuum besser kontrolliert werden kann und reproduzierbarer ist
als unter atmosphärischen
Bedingungen. Dies liegt nach Erkenntnis der Erfinder an der unter
atmosphärischen
Bedingungen wechselnden Luftfeuchtigkeit. Je nach Grad der Luftfeuchtigkeit
haftet die Probe nämlich
besser oder schlechter an der Nadel. Im Vakuum kann der für die Haftung
erforderliche Feuchtefilm jetzt gezielt ohne Abhängigkeit von äußeren Einflüssen bereitgestellt
werden.
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Ein
weitere Vorteil bei dem neuen Verfahren liegt darin, dass die Schutzschicht
als Maske verwendet werden kann, so dass nicht fokussierte, also hochenergetische
Ionenstrahlen, sondern niederenergetische Ionenstrahlen nach Art
einer Ionenbrause zum Abtrennen verwendet werden können, die
eine geringere Ortsauflösung
haben als die hochenergetischen Ionen beim FIB. Die erforderliche
Ortsauflösung
für das
Abtrennen der Probe wird hier durch die Maske der Schutzschicht
erreicht, die bspw. mit einem Elektronenstrahl geschrieben werden
kann, der eine noch höhere
Ortsauflösung
hat als der FIB. Auch durch diese Elektronenstrahlabscheidung der Schutzschicht
werden schon viele der oben genannten Nachteile vermieden. Bei der
Ablagerung der Schutzschicht wird die Oberfläche der Probe nämlich durch
die erfindungsgemäß verwendbaren
Elektronen nicht so geschädigt, wie
dies durch die im Stand der Technik hierfür verwendeten hochenergetischen Ionenstrahlen
erfolgt.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, das erwähnte Verfahren
derart weiterzubilden, dass eine sichere und einfache Manipulation
der Proben möglich
wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei dem bekannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Probe in Schritt
(c) oder (d) mit einem von einem Manipulator bewegten TEM-Probenträger verbunden wird,
der als Halteende ein TEM-Trägernetz
oder eine Kupfer-Halbscheibe
und eine daran befestigte oder damit einstückig ausgebildete Nadel aufweist, an
der eine dünne
Spitze ausgebildet ist, wobei der Probenträger zur Präparation und gleichzeitigen
mechanischen Fixierung der Probe dient.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen
gelöst.
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Weil
ein Probenträger
verwendet wird, der an der Probe verbleibt, wird die Gefahr von
Beschädigungen
der präparierten
Probe bei der nachfolgenden Manipulation deutlich verringert. Ein
umständliches
und riskantes Entfernen der Probe von der Sonde und nachträgliches
Befestigen an dem Probenträger
entfällt.
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Vorzugsweise
wird dabei der Probenträger an
seinem dickeren Halteende von dem Manipulator ergriffen und in Schritt
c) oder d) mit seiner dünnen Spitze
an der Probe befestigt, wobei weiter vorzugsweise in Schritt c)
oder d) der Probenträger,
vor zugsweise seine dünne
Spitze, durch Elektronenstrahlabscheidung oder durch einen Klebertropfen
an der Probe befestigt wird.
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Diese
Maßnahme
ist unter Handhabungsgesichtspunkten von Vorteil, der Probenträger stellt
sozusagen die Verbindung zwischen der Nanowelt an seiner Spitze
und der Mikrowelt an seinem Halteende her, wo er von einem üblichen
Mikromanipulator ergriffen und bewegt werden kann.
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Die
Geometrie des dabei verwendeten Probenträgers hat den Vorteil, dass
sie eine konstruktiv leicht herstellbare Verbindung zwischen Nano-
und Mikrowelt darstellt.
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Vor
diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung auch einen
TEM-Probenträger
mit einem vorzugsweise halbkreisförmigen TEM-Trägernetz
als Halteende für
einen Manipulator und einer an dem TEM-Trägernetz befestigten oder damit
einstöckig
ausgebildeten Nadel, die mit ihrer dünnen Spitze an einer Probe
für elektronenmikroskopische
Untersuchungen, insbesondere mit einem Transmissionselektronenmikroskop
(TEM), befestigbar ist, wobei das TEM-Trägernetz vorzugsweise einen
Radius von ca. 500 μm
bis ca. 2 mm und die Nadel eine Länge im Bereich des Radius des
TEM-Trägernetzes
aufweist, wobei die Nadel im Bereich ihrer dünnen Spitze einen Durchmesser
von ca. 100 nm bis ca. 10 μm
aufweist.
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Die
US 6,066,265 beschreibt
ein Verfahren, mit dem prinzipiell auch der neue TEM-Probenträger hergestellt
werden kann. Dazu wird ein dreilagiger Wafer mit einer dickeren
unteren und einer dünneren oberen
Silizium-Schicht bereitgestellt, wobei zwischen den beiden Silizium-Schichten
eine Schicht aus Siliziumoxid als Ätzstopschicht angeordnet ist. Auf
beide Silizium-Schichten wird eine Ätzmaske aufgebracht. Die obere Ätzmaske
entspricht der Draufsicht auf Trägernetz
plus Nadel von oben, die untere Ätzmaske
nur der Draufsicht auf das Trägernetz
von unten.
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Dann
wird zunächst
das die Ätzmaske
umgebende Silizium weggeätzt.
Es entstehen so das Halteende, dessen Dicke durch alle drei Schichten
bestimmt ist, und die einstückig
damit verbundene Nadel, deren Dicke durch die obere, dünnere Silizium-Schicht
und zunächst
auch noch die Schicht aus Siliziumoxid bestimmt ist. Das Siliziumoxid
wird dann in einem weiteren Arbeitsgang von der Unterseite der Nadel
entfernt.
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Allgemein
ist es bevorzugt, wenn in Schritt b) die Schutzschicht mit Hilfe
eines vorzugsweise fokussierten Teilchenstrahles, insbesondere eines
fokussierten Elektronenstrahls (EBID), Ionenstrahls oder Photonenstrahls
auf der Oberfläche
abgeschieden wird.
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Außer mit
EBID kann die Schutzschicht auch mit einem Ionenstrahl oder einem
Photonenstrahl abgeschieden werden, wobei die Energien jeweils so gewählt werden,
dass eine Schädigung
der Probe vermieden oder stark minimiert wird.
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Andererseits
ist es bevorzugt, wenn in Schritt b) die Schutzschicht als mechanische
Abdeckung auf die Oberfläche
aufgebracht wird, wobei vorzugsweise als mechanische Abdeckung ein
Nanoröhrchen oder
feiner Nanodraht auf die Oberfläche
aufgebracht wird.
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Dies
ist eine Alternative zu einer über
einen Teilchenstrahl abgelagerten Schutzschicht. Die mechanische
Abdeckung erfüllt
denselben Zweck und weist wie der Elektronenstrahl den Vorteil auf,
dass die Probe nicht geschädigt
wird. Die Abmaße
der mechanischen Schutzschicht liegen wie die der abgeschiedenen
Schutzschicht im nm-Bereich.
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In
einer weiteren Ausführung
ist es bevorzugt, wenn die Schutzschicht durch Aufsprühen oder Aufdampfen
auf die Oberfläche
aufgebracht wird, vorzugsweise mit Hilfe einer Schattenmaske auf
die Oberfläche
aufgesprüht
wird.
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Dies
ist eine weitere Alternative zu einer über einen Teilchenstrahl abgelagerten
Schutzschicht. Die aufgesprühte
oder aufgedampfte Schutzschicht erfüllt denselben Zweck und weist
wie der Elektronenstrahl den Vorteil auf, dass die Probe nicht geschädigt wird.
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Allgemein
ist es dabei bevorzugt, wenn in Schritt b) eine Schutzschicht aus
einem schlecht ionenätzbaren
Material auf die Oberfläche
aufgebracht wird.
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Hier
liegt der Vorteil darin, dass die Schutzschicht bei dem nachfolgenden
Abtrennen der Probe von dem Substrat, was mittels eines Ionenstrahles erfolgt,
einen hinreichenden Schutz für
die abgedeckte Probe liefert. Als Material für die Abdeckung kommt insbesondere
Wolfram, das sich in anderem Zusammenhang schon als Schutzschichtmaterial
bewährt
hat, aber auch Platin, Kohlenstoffverbindungen, oder allgemein metallorganische
Verbindungen in Frage.
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Es
ist weiter bevorzugt, wenn im Schritt a) das Substrat in ein Rasterelektronenmikroskop (REM)
eingelegt und ein die Probenstelle enthaltender Ausschnitt des Substrates
mit dem REM abgebildet wird.
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Hier
ergeben sich besondere Vorteile, weil auch die Abbildung der Probe
durch REM und nicht durch FIB erfolgt, so dass nicht schon bei der
Lokalisierung der zu präparierenden
Probe eine Schädigung
erfolgt.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn im Schritt c) die Probe durch einen breiten
Ionenstrahl (selected area ion beam: SAIB) von dem Substrat abgetrennt wird,
wobei vorzugsweise ein niederenergetischer Ionenstrahl verwendet
wird, dessen Ionenenergie kleiner als 10 keV, vorzugsweise kleiner
als 5 keV ist.
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Hier
ist von Vorteil, dass die Gefahr einer Schädigung der Probe weiter verringert
wird, denn der breite und niederenergetische Ionenstrahl vermag
nicht durch die Schutzschicht hindurch die Probe ernsthaft zu schädigen. Auch
eine Schädigung durch
seitlich auf die Probe treffende, also an der Schutzschicht vorbeigeleitete
Ionen ist jetzt nur von geringer Bedeutung, da durch die niederenergetischen
Ionen Strahlenschäden
minimiert werden.
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Dabei
ist es bevorzugt, wenn im Schritt c) die Probe zunächst teilweise
von dem Substrat abgetrennt, dann der Probenträger mit der Probe verbunden,
und dann die Probe vollständig
von dem Substrat abgetrennt wird, wobei das vollständige Abtrennen
durch den Ionenstrahl oder durch mechanisches Ausbrechen der Probe
erfolgt.
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Hier
ist von Vorteil, dass die Befestigung des Probenträgers an
der Probe zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die Probe noch über das
Substrat mechanisch fixiert ist. Eine Schädigung der Probe durch Verkippen
oder Verkanten beim Befestigen des Probenträgers wird dadurch vermieden.
Ferner kann der Probenträger
an einer genau festzulegenden Stelle an der Probe befestigt werden;
die Probe kann beim Befestigen nämlich
nicht "verrutschen", da sie noch fixiert
ist.
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Bei
dem neuen Verfahren ist es dann bevorzugt, wenn in Schritt d) die
von dem Substrat entfernte Probe zusammen mit dem Probenträger in einen TEM-Probenstab
eingelegt wird, an dem der Probenträger danach befestigt wird.
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Hier
ist von Vorteil, dass an der Probe selbst nach der Befestigung an
dem TEM-Probenträger nicht
weiter manipuliert werden muss, die weiteren Transport- und Befestigungsmaßnahmen
erfolgen über
den TEM-Probenträger.
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Es
sei noch erwähnt,
dass mit dem neuen Verfahren Proben präpariert werden können, die
eine Dicke von ca. 5 bis ca. 200 nm und eine Länge von ca. 1 bis ca. 200 μm aufweisen.
Die Höhe
beträgt
dabei ca. 100 nm bis ca. 100 μm.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung
sowie aus den beigefügten
Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Substrat in einer Seitenansicht mit gestrichelt dargestellter Probe
sowie einem die Probenstelle abdeckenden Nanodraht und einem angedeuteten
SAIB;
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2 ein
Substrat in einer Draufsicht mit einer Schattenmaske, die eine Probenstelle
freigibt;
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3 in
schematischer Ansicht ein Substrat, bei dem auf die Oberfläche der
Probenstelle eine Schutzschicht aufgebracht wird;
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4 ein
Substrat in einer schematischen Ansicht, bei dem die Probe mit einem
Ionenstrahl von dem Substrat abgetrennt wird;
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5 eine
Darstellung wie 4, wobei die Probe zumindest
umfänglich
von dem Substrat abgetrennt ist;
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6 eine
Darstellung wie 5, wobei die Probe an der Spitze
einer Nadel befestigt wird;
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7 eine
Darstellung wie 6, wobei die an der Nadel befestigte
Probe von dem Substrat abgehoben wird;
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8 in
schematischer Darstellung ein Rasterelektronenmikroskop, in dem
ein Substrat angeordnet ist, von dem eine Probe präpariert
und analysiert werden soll;
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9 in
Seitenansicht und Draufsicht einen TEM-Probenträger mit TEM-Trägernetz
und Nadel, wie er bei den Verfahrensschritten aus den 6 und 7 verwendet
werden kann;
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10 eine
Draufsicht auf den TEM-Probenträger
aus 9, mit an der Spitze der Nadel befestigter Probe;
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11 den
TEM-Probenträger
aus 10, der an dem TEM-Trägernetz
von Zangenelementen eines Greifers ergriffen wird;
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12 einen
TEM-Probenstab, in den der TEM-Probenträger aus 10 eingelegt
ist;
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13 in
geschnittener, schematischer Seitendarstellung eine gezogene Glaskapillare
mit hydrophiler Fläche,
an der die Probe aus 5 befestigt ist;
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14 eine
gezogene Glaskapillare wie in 13, wobei
die hydrophile Fläche
jedoch als eine über
die Spitze der Glaskapillare vorstehende Nano-Backe ausgebildet
ist;
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15 einen
in dem Rasterelektronenmikroskop aus 8 verwendbaren
Greifer mit zwei mikromechanischen Zangenelementen, an denen jeweils
eine Nano-Backe befestigt ist;
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16 eine
Draufsicht auf die Spitze eines Zangenelementes aus 15,
wobei die hydrophile Nano-Backe einen Schlitz aufweist, über dem
die Probe zu liegen kommt; und
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17 einen
an die Nano-Backe aus 16 angepassten Sockel, auf dem
die Probe abgelegt wird.
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In 1 ist
mit 10 ein Substrat bezeichnet, aus dem an einer Probenstelle 11 eine
Probe 12 herauspräpariert
werden soll, die in 1 gestrichelt dargestellt ist.
Die Probe 12 soll für
Untersuchungen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) präpariert
werden, wozu es erforderlich ist, sie zunächst von dem Substrat 10 zu
trennen und danach mechanisch zu fixieren.
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Die
Probe weist eine Dicke 14 von 5 bis 200 nm sowie eine Höhe 15 von
100 nm bis 100 μm
auf.
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Auf
einer Oberfläche 16 von
Substrat 10 und damit auch Probenstelle 11 ist
eine mechanische Abdeckung 17 in Form eines Nanodrahtes 18 aufgebracht,
der eine Schutzschicht für
die unter der Oberfläche 16 an
der Probenstelle 11 herauszupräparierende Probe 12 darstellt.
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Wie
es weiter unten noch beschrieben wird, kann die Probe 12 jetzt
mit einem bei 19 angedeuteten breiten Ionenstrahl von dem
Substrat 10 abgetrennt werden. Der Ionenstrahl 19 trägt jetzt
nämlich allseits
von der durch den Nanodraht 18 geschützten Probe 12 Material
von dem Substrat ab, wobei die Probe 12 unter der so gebildeten
Schutzschicht „stehen
bleibt".
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Alternativ
zu einer mechanischen Abdeckung 17 kann auf die Probenstelle 11 auch
eine Schutzschicht 21 aufgesprüht werden, wie dies jetzt an
Hand von 2 beschrieben wird. Zu diesem Zweck
ist im Bereich der Probenstelle 11 auf dem Substrat 10 eine
Schattenmaske 22 aufgebracht, die den Bereich um die Pro benstelle 11 herum
abdeckt, aber ein Fenster 23 enthält, das an die Dicke und Länge der
Probe 12 angepasst ist. Die Probe erhält so eine bei 24 angedeutete
Länge von
1 bis 200 μm.
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Auf
die Probenstelle 11 wird jetzt durch einen bei 25 angedeuteten
Sprühstrahl
die Schutzschicht 21 aufgebracht, die aus einem schlecht
ionenätzbaren
Material besteht. Nach dem Entfernen der Schattenmaske 22 kann
die Probe 12 dann mit einem breiten Ionenstrahl 19 von
dem Substrat 10 so abgetrennt werden, wie dies in 1 angedeutet
ist.
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Die
Schutzschicht 21 kann alternativ zu dem im Zusammenhang
mit 2 beschriebenen Aufsprühen auch mit Hilfe eines fokussierten
Teilchenstrahls auf der Oberfläche 16 abgeschieden
werden, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist.
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Zur
Erzeugung der Schutzschicht 21 wird Material aus einem
sogenannten Precursor durch einen fokussierten Elektronenstrahl 27 auf
der Oberfläche 16 abgeschieden.
Weil der Elektronenstrahl 27 fein fokussiert ist, lässt sich
die Probenstelle 11 trotz ihrer geringen Abmaße doch
präzise
mit einer Schutzschicht 21 aus dem schlecht ionenätzbaren Material
versehen. Diese elektronenstrahlinduzierte Ablagerung (EBID) von
Material ist prinzipiell bekannt, sie wird bspw. in der eingangs
erwähnten
Veröffentlichung
von Matsui und Mori beschrieben. Als Material für die Schutzschicht 21 kommt
insbesondere Wolfram, aber auch Platin, Kohlenstoffverbindungen
oder allgemein metallorganische Verbindungen in Frage.
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Alternativ
zu einem fokussierten Elektronenstrahl 27 kann die Schutzschicht 21 auch
mit einem Ionenstrahl oder mit einem Photonenstrahl abgeschieden
werden, wobei die Energien jeweils so gewählt werden, dass eine Schädigung der
Probe 12 vermieden oder zumindest stark minimiert wird.
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Da
die Schutzschicht 21 aus einem schlecht ionenätzbaren
Material besteht, bietet sie bei dem nachfolgenden Abtrennen der
Probe 12 von dem Substrat 10 einen hinreichenden
Schutz für
die so abgedeckte Probe, die jetzt mit Hilfe des breiten Ionenstrahls 19 von
dem Substrat 10 abgetrennt wird, wie dies in 4 schematisch
dargestellt ist. Der breite Ionenstrahl 19, der auch als
Selected Area Ion Beam (SAIB) bezeichnet wird, weist eine Ionenenergie
auf, die vorzugsweise kleiner als 5 keV ist. Auf diese Weise wird
die Gefahr einer Schädigung
der Probe 12 weiter verringert, der breite und damit niederenergetische
Ionenstrahl vermag nicht durch die Schutzschicht 21 hindurch
die Probe 12 zu schädigen.
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Um
die Probe 12 herum entsteht in dem Substrat 10 ein
bspw. kreisförmiger
Bereich 28 von abgetragenem Material, so dass die Probe 12 wie
eine Art Lamelle in dem Bereich 28 steht und nur noch an
ihrer Unterseite mit dem Substrat 10 verbunden ist, wie dies
in 5 angedeutet ist.
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Die
Probe 12 wird dann mit einer Spitze 29 eines Probenträgers oder
Transporthalters verbunden, wie dies in 6 angedeutet
ist. Die Verbindung der Probe 12 mit der Spitze 29 kann
durch EHID, mit Hilfe eines Klebers oder über Oberflächenspannung erfolgen, wie
dies weiter unten noch geschildert wird.
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Die
Probe 12 wird dann mit Hilfe der Spitze 29 aus
dem Bereich 28 herausgehoben (lift out), wie dies in 7 angedeutet
ist.
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Das
insoweit im Zusammenhang mit den 1 bis 7 beschriebene
Präparieren
der Probe 12 erfolgt unter Vakuum in einem Rasterelektronenmikroskop
(REM) 31, wie es in 8 in schematischer
Seitenansicht dargestellt ist.
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Das
REM umfasst eine Vakuumkammer 32, die über eine bei 33 angedeutete
Tür von
außen
zugänglich
ist, so dass das Substrat 10 in der Vakuumkammer 32 positioniert
werden kann.
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In
die Vakuumkammer 32 ragt zum einen eine bei 34 angedeutete
Elektronenquelle mit entsprechender Optik hinein, die sowohl zur
Abbildung der Probenstelle als auch für die Ablagerung der Schutzschicht
mittels EBID eingesetzt wird. Ferner ragt in die Vakuumkammer 32 eine
Ionenquelle 35 hinein, mit der der breite Ionenstrahl 19 erzeugt
wird, über
den die Probe von dem Substrat abgetrennt wird. Ferner ist noch
eine Precursor-Kammer 36 vorgesehen, die mit ihrer Gasdüse 37 in
die Vakuumkammer 32 hineinragt, wo sie den Precursor abgibt, aus
dem das Material für
die Schutzschicht sowie ggf. zum Verbinden der Probe mit der Spitze
eines Probenträgers
oder Transporthalters abgeschieden wird.
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Schließlich ist
noch ein Manipulator 38 vorgesehen, der einen Greifer 39 trägt, der
von dem Manipulator 38 im Bereich des Substrates 10 so
verfahren werden kann, dass er die Probe 12 unmittelbar erfassen
kann, oder aber einen Probenträger
oder Transporthalter ergreifen kann, der an der Probe befestigt
ist.
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Sämtliche
Schritte zur Präparation
der Probe können
in der Vakuumkammer 32 durchgeführt werden. Zunächst erfolgt
die Lokalisierung der zu präparierenden
Probe mit Hilfe einer Abbildung durch die Elektronenstrahlquelle 34,
was ohne Schädigung
der Probe möglich
ist. Dann wird die Schutzschicht 21 auf dem Substrat 10 abgeschieden,
was mit Hilfe der Elektronenstrahlquelle 34 sowie des Precursors
erfolgt. Auch hierbei wird die Probe nicht geschädigt.
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Schließlich wird
die Probe mit Hilfe des breiten Ionenstrahls 19 von dem
Substrat 10 abgetrennt, wobei die Probe einerseits durch
die Schutzschicht 21 vor Schädigungen geschützt wird,
andererseits aber bereits durch den breiten, also niederenergetischen
Ionenstrahl 19 die Gefahr der Schädigung der Probe stark reduziert
wird. Auch eine Schädigung durch
seitlich auf die Probe auftreffende, also an der Schutzschicht 21 vorbeigeleitete
Ionen ist damit nur von geringer Bedeutung.
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Die
Probe kann dabei entweder zunächst vollständig von
dem Substrat 10 entfernt werden, bevor sie an der aus 6 bekannten
Spitze 29 befestigt wird oder unmittelbar mit Hilfe des
Greifers 39 erfasst wird. Andererseits ist es auch möglich, die
Probe an ihrer Unterseite noch mit dem Substrat 10 in Verbindung
zu lassen und zunächst
die Spitze 29 an der Probe zu befestigen bzw. sie mit dem
Greifer 29 zu ergreifen. In einem nächsten Verfahrensschritt wird
die Probe dann endgültig
von dem Substrat 10 abgetrennt, was entweder wieder mit
Hilfe des Ionenstrahls 19 oder aber durch mechanisches
Ausbrechen der Probe erfolgen kann.
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Die
Probe kann in dem REM 31 also vollständig von dem Substrat 10 abgetrennt
werden, ohne dass eine Schädigung
der Probe durch hochenergetische Ionen zu befürchten ist. Darüber hinaus
kann die Probe noch in der Vakuumkammer 32 mechanisch bspw.
an einem TEM-Probenträger
fixiert werden, der dann in einen üblichen TEM-Probenstab eingelegt
und dort befestigt wird. Auf diese Weise sind nur geringe Transportwege
und Fixierungs- und Lösevorgänge erforderlich,
so dass auch eine mechanische Schädigung der Probe weitgehend
vermieden wird.
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In 9 ist
oben in einer Seitenansicht und unten in einer Draufsicht ein TEM-Probenträger 41 gezeigt,
der sowohl zur Präparation
als auch zur mechanischen Fixierung der Probe eingesetzt wird. Die Probe
kann so an dem TEM-Probenträger 41 verbleiben,
was die Gefahr von Beschädigungen
der präparierten
Probe bei den nachfolgenden Manipulation deutlich verringert.
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Der
TEM-Probenträger 41 weist
ein dickes Halteende 42 auf, das ein halbkreisförmiges TEM-Trägernetz 43 ist,
an dem einstückig
eine Nadel 44 ausgebildet ist, die in die aus 6 und 7 bekannte
Spitze 29 ausläuft.
Das TEM-Trägernetz 43 weist
einen Radius 45 auf, der im Bereich von ca. 500 μm bis ca.
2 mm liegt. Vorzugsweise ist der Radius 45 an den Standarddurchmesser
von Aufnahmen in TEM-Probenstäben
angepasst, der bei 2,3 oder 3,0 mm liegt. Die Nadel 45 weist
eine Länge 46 auf,
die im Bereich der Abmaße
des Radius 45 liegt.
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Bei 47 ist
eine Dicke des TEM-Trägernetzes 43 angedeutet,
die im Bereich von 10 μm
bis 650 μm liegt,
vorzugsweise entspricht sie einer Standard-Waferdicke von 635 μm.
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Die
Nadel 44 weist an ihrer Spitze einen Durchmesser 48 auf,
der im Bereich von 100 nm bis 10 μm
liegt.
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Ein
Verfahren, mit dem prinzipiell der TEM-Probenträger
41 aus
9 hergestellt
werden kann, ist aus der eingangs erwähnten
US 6,066,265 bekannt.
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In 10 ist
der TEM-Probenträger 41 aus 9 gezeigt,
wobei an der Nadel 44 jetzt eine Probe 12 befestigt
ist. Diese Befestigung der Probe 12 an der Nadel 44 kann
durch EBID oder durch. einen Klebertropfen erfolgen.
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Der
TEM-Probenträger 41 wird
jetzt an dem TEM-Trägernetz 43 von
dem aus 8 bekannten Greifer 39 ergriffen,
was in 11 dargestellt ist.
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Der
von dem Manipulator 38 aus 8 bewegte
Greifer 39 legt den TEM-Probenträger 41 jetzt in einen
in einem TEM-Probenstab 49 vorgesehenen Aufnahmeraum 51 ein,
wo der TEM-Probenträger 41 an
seinem TEM-Trägernetz
mechanisch fixiert wird. Dies kann durch eine gefederte Klappe oder
durch einen Gewindering erfolgen, wie dies an sich bekannt ist.
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In
der Abfolge der 7 bis 12 ist
der Übergang
von der durch die Probe 12 repräsentierten Nanowelt und der
Mikrowelt, wie sie durch das TEM-Trägernetz 43 verkörpert ist,
dargestellt. Über den
Greifer 39 und den TEM-Probenstab 49 erfolgt dann
der Übergang
zur Makrowelt.
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Der
TEM-Probenträger 41 stellt
damit das wichtige Verbindungsglied zwischen der Nanowelt und der
Makrowelt dar, wobei die Probe 12 nur einmal an der Nadel 44 befestigt
werden muss, alle weiteren Schritte erfolgen ohne nochmalige unmittelbare Manipulation
an der Probe 12.
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Alternativ
zu der insoweit beschriebenen Befestigung der Probe 12 an
einem Probenträger
kann die Probe 12 auch durch Adhäsion an eine hydrophile Fläche eines
von dem Manipulator 38 aus 8 bewegten
Transporthalters 53 erfasst werden. Als Transporthalter 53 kann
bspw. eine gezogene Glaskapillare verwendet werden, wie sie als
Patch-Pipette 54 aus der Patch-Clamp-Technik bekannt ist. Eine derartige
Patch-Pipette 54 ist in den 13 und 14 im
Bereich ihrer Spitze 55 in stark vergrößerter, schematischer Seitenansicht
gezeigt. In an sich bekannter Weise besteht die Patch-Pipette 54 aus
einem an seiner Spitze 55 offenen Röhrchen 56, wobei an
der Spitze 55 eine hydrophile Fläche 57 ausgebildet
oder befestigt ist. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 13 ist
die hydrophile Fläche 57 Teil
der Patch-Pipette 54, während
die hydrophile Fläche 57 bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 14 an
einer Nano-Backe 58 ausgebildet ist, die durch EBID bzw. IBID
an der Patch-Pipette 54 befestigt ist.
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Die
Probe 12 haftet durch Adhäsion an der hydrophilen Fläche 57,
so dass sie nicht Beanspruchungen ausgesetzt sind, die bei dem Befestigen
an Probenträgern
auftreten können.
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Um
für einen
sicheren Halt der Probe 12 an der hydrophilen Fläche 57 zu
sorgen, wird durch das Röhrchen 57 ein
feuchtes Gas 59 geleitet. Da das Ergreifen der Probe 12 mit
Hilfe der Patch-Pipette 54 noch in der Vakuumkammer 32 aus 8 erfolgt, kann
durch das feuchte Gas 59 reproduzierbar ein Feuchtefilm
gebildet werden, der für
einen sicheren Halt der Probe 12 an der hydrophilen Fläche 57 sorgt.
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Um
die Probe 12 reproduzierbar und ohne mechanische Belastungen
von der hydrophilen Fläche 57 wieder
entfernen zu können,
wird ein trockenes Gas 60 durch das Röhrchen 56 geleitet,
was in 14 gezeigt ist. Durch dieses
trockene Gas 60 wird der Feuchtefilm von der hydrophilen
Fläche 57 abgetrocknet,
so dass sich die Probe 12 wieder von der hydrophilen Fläche 57 löst, so dass
die Probe definiert abgelegt werden kann.
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Als
Transporthalter 53 kann auch der aus 8 bekannte
Greifer 39 verwendet werden, der in einer schematischen
Draufsicht in 15 gezeigt ist.
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Der
Greifer 39 ist ein mikromechanischer Greifer, der an einer
Platine 61 ausgebildet ist, auf der zwei elektrostatische
Aktoren 62 vorgesehen sind, über die zwei mikromechanische
Zangenelemente 63 nach Art einer Zange geöffnet und
geschlossen werden können.
Ein derartiger Mikrogreifer wird bspw. von der eingangs erwähnten Firma Nascatec,
Kassel, produziert.
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Die
Zangenelemente 63 weisen an ihrer Spitze 64 jeweils
eine Nano-Backe 65 bzw. 66 auf. Die Nano-Backen 65 und 66 können entweder über Nacharbeiten
der Spitzen 64 mit FIB hergestellt werden, wobei die Nano-Backen 65, 66 andererseits
mit Hilfe von EBID bzw. IBID an die Spitzen 64 angekoppelt
werden können.
Die Nano-Backe 65 ist mit der hydrophilen Fläche 57 versehen,
während
die Nano-Backe 66 eine hydrophobe Fläche 67 aufweist. Auf
diese Weise ist es möglich,
die Probe 12 zunächst
mit Hilfe der hydrophilen Fläche 57 der
Nano-Backe 65 aufzunehmen und die Probe danach mit Hilfe
der hydrophoben Fläche 67 der
Nano-Backe 66 einzuklemmen. So bleibt die Probe 12 beim
Transport innerhalb der Vakuumkammer sicher gehalten.
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Zum
Ablegen der Probe wird dann zunächst der
Greifer 39 geöffnet,
wobei die Probe reproduzierbar an der hydrophilen Fläche 57 „kleben" bleibt. Durch Einleiten
eines trockenen Gases kann die Probe dann definiert abgelegt werden.
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In 16 ist
eine Draufsicht auf die Spitze 64 des Zangenelementes 63 aus 15 gezeigt.
An der Spitze 64 sind zwei Nano-Backen 65 so befestigt, dass
sie zwischen sich einen Schlitz 68 aufweisen, über dem
die Probe 12 zu liegen kommt. Auf diese Weise kann die
Probe 12 definiert und beschädigungsfrei auf einem in 17 gezeigten
Sockel 69 abgelegt werden, wobei die beiden Nano-Backen 65 dabei
in zwei Vertiefungen 71 hineinfahren, so dass die Probe 12 auf
einem zwischen den beiden Vertiefungen 71 ausgebildeten
Steg 72 sowie ggf. auf seitlichen Stegen 73 zu
liegen kommt. Auf diese Weise ist eine definierte Ablage der Probe 12 auf
dem Sockel 69 möglich.
Wenn das Ablösen
der Probe 12 von den hydrophilen Flächen 57 dabei noch
durch ein umspülendes
trockenes Gas unterstützt
wird, besteht auch beim Ablegen der Probe 12 keine Beschädigungsgefahr.