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Die vorliegende Endung bezieht sich
auf einen Ausleger und ein Verfahren zur Herstellung desselben,
und insbesondere auf einen Ausleger und ein Verfahren zur Herstellung
desselben, die für
einen Abtasttyps eines Fühlermikroskops
geeignet sind, das durch das AFM (Atomkraftmikroskop) repräsentiert
wird, und bei dem ein Fühler,
der sich der Oberfläche
einer abzutastenden Probe nähert,
an einer freien Kante des Auslegers vorgesehen ist. Ein Balkenabschnitt
des Auslegers wird durch die zwischen dem Fühler und der Oberfläche der
Probe erzeugte Kraft ausgelenkt. Wenn die Oberfläche einer in einer Flüssigkeit
plazierten Probe zu beobachten ist, bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf die Beobachtung der Oberfläche der Probe mit einem optischen Hebelreflexionsabschnitt
des Auslegers, der über
der Flüssigkeit
gehalten wird.
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Ein Ausleger mit einem Fühler, der
an einer freien Kante eines Balkenabschnitts derselben vorgesehen
ist und in einer Auslegerform unterstützt ist, wurde als ein Abtasttühler in
einem Abtasttyp des Atomkraftmikroskops (AFM) verwendet. Wenn bei dem
Ausleger mit der obenbeschriebenen Konfiguration eine Oberfläche einer
Probe mit dem Fühler
abgetastet wird, wird eine Anziehungskraft oder Abstoßungskraft
entsprechend einer Zwischenatomkraft zwischen der Probenoberfläche und
dem Fühler
erzeugt. Somit kann die Form der Probenoberfläche gemessen werden, indem
die Zwischenatomkraft als eine Auslenkungsrate des Auslegers erfaßt wird.
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Ein herkömmlicher Typ von Ausleger für ein AFM
ist z. B. offenbart in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
Nr. Hei 5-196458. Ein herkömmlicher
Ausleger mit einer insgesamt linearen Form ist dort in 5A gezeigt. Der Ausleger
weist eine freie Kante 30b auf, an der ein Fühler 1 ausgebildet
ist, sowie eine feste Kante 30c, die am Hauptkörper eines
Mikroskops befestigt ist. Die freie Kante ist mit der festen Kante über den
Balkenabschnitt 30a des Auslegers verbunden. Wenn der lineare
Ausleger 30 wie oben beschrieben für einen Abtastfühler verwendet
wird, kann dann, wenn der Ausleger in einer solchen Stellung angeordnet
ist, daß der
Balkenabschnitt 30a parallel zur Oberfläche einer Probe liegt, der
Balkenabschnitt 30a die Oberfläche der Probe berühren, wenn
die Probe eine stark wellige Oberfläche aufweist, wodurch der Fühler 1 nicht
genau der Oberfläche
der Probe folgen kann. Aus diesem Grund ist der herkömmliche
Ausleger 30 am Hauptkörper
des Mikroskops in einem Winkel angebracht, wie in 5B gezeigt ist. Das heißt, der
Ausleger ist in Richtung zur Oberfläche der Probe geneigt, so daß der Fühler 1 der
Oberfläche
derselben genau folgen kann, ohne daß der Balkenabschnitt 30a die
Probe 20 berührt,
selbst wenn die Probe eine sehr wellige Oberfläche aufweist.
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Wenn eine in einer Flüssigkeit
plazierte Probe mit dem herkömmlichen
Typ von AFM zu messen ist, muß der
gesamte Ausleger in der Flüssigkeit
versenkt werden. Ein optischer Hebel mit einem Hebelabschnitt, der
eine Reflexionsoberfläche
bereitstellt, ist in der Flüssigkeit
positioniert. Dies macht es schwierig, die Position des Lasers einzustellen,
wobei die Reflexionsposition sich aufgrund der Brechung, der Absorption
oder der Änderung
der Flüssigkeitsoberfläche ändern kann,
so daß die
Reflexionsintensität
schwächer
wird und keine genaue Messung durchgeführt werden kann.
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Wenn der Ausleger 30 in
einem Winkel in Richtung zur Oberfläche einer Probe angebracht
ist, nähert
sich der Fühler 1 der
Oberfläche
der Probe in einem Winkel. 6 ist
eine simulierte Ansicht, die die Zwischenatomkraft zeigt, wenn der
Fühler 1 sich der
Probenoberfläche
in einem Winkel nähert.
Es ist klar, daß die
Zwischenatomkraft nicht gleichmäßig auf
den Fühler 1 ausgeübt wird,
wenn dieser sich in der in 6 gezeigten
Position befindet. Aus diesem Grund kann eine Auslenkungsrate des
Auslegers 30 nicht genau einen Abstand zwischen dem Fühler 1 und
der Probe 20 repräsentieren,
so daß die
Empfindlichkeit reduziert ist und die Meßfehler groß werden.
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Das US-Patent Nr. 5367165 offenbart
einen Ausleger mit einem Fühler
am distalen Ende. Eine Achse des Fühlers ist in einem vorgegebenen
Winkel bezüglich
einer Normalen, die sich ausgehend von der Oberfläche des
Auslegers erstreckt, geneigt. Dieser Winkel ist so eingestellt,
daß die
Achse des Fühlers
senkrecht zu einer Probenoberfläche
ist, wenn der Ausleger auf einem Atomkraftmikroskop montiert ist.
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Das US-Patent Nr. 5336369 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Auslegerstiftes für ein Atomkraftmikroskop.
Auf einer Oberfläche
eines Substrats wird ein Stiftfilm ausgebildet, woraufhin auf dem
Stiftfilm ein Resistfilm ausgebildet wird. Der Stiftfilm wird mit
Isotopenätzung
geätzt,
um eine Spitze auf einer der Hauptoberflächen auszubilden. Der Resistfilm
und das Substrat werden anschließend entfernt.
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Wenn die zu messende Probe sich in
einer Flüssigkeit
befindet, ist der gesamte Ausleger in der Flüssigkeit versenkt. Laserlicht
zum Erfassen eines optischen Hebels wird von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert
oder von der Flüssigkeit
absorbiert. Ferner sinkt die Reflexionsintensität des Lasers oder die Reflexionsposition
wird verschoben, was es unmöglich macht,
eine korrekte oder hochempfindliche Erfassung durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung wurde im
Hinblick auf die Beseitigung der Probleme bezüglich der herkömmlichen
Technik gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Ausleger und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu schaffen,
bei denen selbst dann, wenn ein an einer freien Kante ausgebildeter
Fühler
sich vertikal einer Oberfläche einer
hiermit abzutastenden Probe nähert,
der Fühler der
Oberfläche
derselben genau folgen kann, wobei der Hauptkörper des Auslegers die Oberfläche nicht berührt, und
wobei eine genaue Beobachtung einer Probe in einer Flüssigkeit
durchgeführt
werden kann, da die Laserreflexionsoberfläche des Auslegers nicht in
der Flüssigkeit
versinkt.
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Um die obenbeschriebenen Aufgaben
zu lösen,
können
gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Merkmale in einem Ausleger vorgesehen sein,
der einen Fühler
aufweist, der an einer freien Kante eines Balkenabschnitts vorgesehen
ist, der in einer Auslegerform unterstützt ist, sowie in einem Verfahren
zur Herstellung desselben:
- (1) Ein Ausleger,
der den Fühler
eines Abtastfühlermikroskops
trägt,
ist versehen mit einem freien Endabschnitt, der den Fühler trägt, einem
festen Endabschnitt, der verwendet wird, um den Ausleger mit dem
Mikroskop zu verbinden, und einen Balkenabschnitt, der den freien
Endabschnitt und den festen Endabschnitt verbindet. Der Balkenabschnitt
ist so geneigt, daß die
freien und festen Endabschnitte parallel, jedoch nicht koplanar
miteinander sind. Ein Randabschnitt umgibt den Ausleger lateral
und weist einen konkaven Abschnitt in seiner Mitte auf, wobei eine Öffnung im
Boden und im geneigten Abschnitt des konkaven Abschnitts angeordnet
ist. Die Öffnung
weist eine der Form des freien Endabschnitts und des Balkenabschnitts
entsprechende Form auf, so daß der
freie Endabschnitt und der Balkenabschnitt des Auslegers parallel
und koplanar zum Boden bzw. zum geneigten Abschnitt des konkaven
Abschnitts sind und vom konkaven Abschnitt durch einen Spalt getrennt
sind.
- (2) Ein Verfahren umfaßt
die Schritte: Bereitstellen eines Substrats mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen und
einer Longitudinalrichtung; Ausbilden zweier Masken auf dem Substrat
longitudinal getrennt voneinander und auf den jeweiligen gegenüberliegenden
Oberflächen; Ätzen der
gegenüberliegenden
Oberflächen,
um jeweilige Endabschnitte eines Auslegers dort auszubilden, wo die
jeweiligen Masken das Substrat schützen, und einen Balkenabschnitt
dort auszubilden, wo das Substrat durch keine der Masken geschützt ist, wobei
der Balkenabschnitt im wesentlichen bezüglich der Longitudinalrichtung
geneigt ist; anisotropes Ätzen
der Oberfläche
des Substrats, um einen Randabschnitt auszubilden, der den Ausleger lateral
umgibt und einen konkaven Abschnitt in seiner Mitte aufweist, wobei
der konkave Abschnitt eine Öffnung
im Boden und im geneigten Abschnitt mit einer Form aufweist, die
der Form des freien Endabschnitts und des Balkenabschnitts entspricht,
so daß der
Boden und der geneigte Abschnitt des konkaven Abschnitts parallel und
koplanar mit dem freien Endabschnitt bzw. dem Balkenabschnitt sind;
Einstellen eines Spalts zwischen dem freien Endabschnitt und dem
Balkenabschnitt des Auslegers und dem Boden und dem geneigten Abschnit
des konkaven Abschnitts des Randabschnitts auf eine Breite im Bereich von
1 μm bis
100 μm;
Unterschnittätzen
einer Maske auf einem der Endabschnitte, um somit den Fühler auszubilden,
der vom Ausleger getragen wird.
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Mit dem Ausleger, der die obenbeschriebene Konfiguration
(1) aufweist, kann selbst dann, wenn der Fühler sich
einer Oberfläche
einer Probe vertikal genähert
hat, ein Kontakt zwischen dem Hauptkörper des Auslegers und der
Oberfläche
der Probe vermieden werden, was dem Fühler erlaubt, der Oberfläche der
Probe genau zu folgen. Mit dem Verfahren zur Herstellung des Auslegers
gemäß der obenbeschriebenen
Konfiguration (2) kann ein nichtlinearer Ausleger mit einem
(mehreren) Biegeabschnitten) lediglich durch chemische Ätzschritte
ausgebildet werden, ohne komplizierte Polierschritte zu benötigen, die
im mechanischen Verarbeitungsverfahren erforderlich sind.
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Da der gesamte Ausleger nicht in
einer Flüssigkeit
versenkt werden muß,
wenn eine Probe in der Flüssigkeit
beobachtet werden soll, kann eine genaue Beobachtung einer Probe
in einer Flüssigkeit durchgeführt werden,
da keine Dämpfung
des Laserlichts zur Erfassung einer Position aufgrund einer Reflexion
auf der Oberfläche
der Flüssigkeit
oder einer Absorption hierdurch auftritt, und da keine Verschiebung
des Laserlichts um mehr als die Verschiebung aufgrund der Wechselwirkung
zwischen dem Fühler und
der Probe aufgrund ihrer unregelmäßigen Reflexion auftritt.
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Im folgenden werden lediglich beispielhaft Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben,
in welchen:
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1 eine
Seitenansicht eines Auslegers als ein für das Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel
ist;
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2 eine
simulierte Ansicht ist, die Auswirkungen einer Zwischenatomkraft
zeigt, wenn ein Fühler
sich der Oberfläche
der Probe vertikal nähert, als
ein für
das Verständnis
der Erfindung nützliches Beispiel;
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3A–3C Ansichten (Teil 1) sind,
die ein Verfahren zur Herstellung eines nichtlinearen Auslegers
als ein für
das Verständnis
der Erfindung nützliches
Beispiel zeigen;
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4A–4C Ansichten (Teil 2) sind,
die ein Verfahren zur Herstellung eines nichtlinearen Auslegers
als ein für
das Verständnis
der Erfindung nützliches
Beispiel zeigen;
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5A–5B Ansichten sind, die eine
Struktur des linearen Auslegers auf der Grundlage der herkömmlichen
Technik und deren Verwendung zeigen;
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6 eine
Ansicht zur Erläuterung
der Probleme des linearen Auslegers auf der Grundlage der herkömmlichen
Technik ist; und
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7A–7B eine Seitenansicht und
eine Draufsicht eines Auslegers für die Beobachtung einer Probe
in einer Flüssigkeit
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind.
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1 ist
eine Seitenansicht eines Auslegers als ein für das Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel,
wobei in den anderen Figuren dieselben Bezugszeichen den Abschnitten
zugeordnet sind, die denjenigen in 1 entsprechen
oder mit diesen identisch sind.
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Ein Ausleger 10 wird konstruiert,
indem ein Siliciumsubstrat einem Ätzen unterworfen wird, und weist
drei Abschnitte mit Biegeabschnitten 51 und 52 als
jeweilige Grenzen zwischen diesen auf. Die drei Abschnitte sind:
ein Unterstützungsabschnitt 10b auf der
Seite einer freien Kante, ein Balkenabschnitt 10a und ein
Unterstützungsabschnitt 10c auf
der Seite einer festen Kante. Ein Fühler 1 ist im Unterstützungsabschnitt 10b der
freien Kantenseite ausgebildet, wobei der Unterstützungsabschnitt 10c der
festen Kantenseite an einem Hauptkörper eines Mikroskops befestigt
ist. Der Winkel zwischen dem Unterstützungsabschnitt 10b der
freien Kantenseite und dem Balkenabschnitt 10a beträgt etwa
55,7° am
Biegeabschnitt 51. Der Winkel zwischen dem Balkenabschnitt 10a und
dem Unterstützungsabschnitt 10c der
festen Kantenseite beträgt
etwa 124,3° am
Biegeabschnitt 52. Der Unterstützungsabschnitt 10b der freien
Kantenseite und der Unterstützungsabschnitt 10c der
festen Kantenseite liegen nicht in der gleichen Ebene, sind jedoch
zueinander parallel. Die <100>-Ebene ist auf jeder
Oberfläche
der Unterstützungsabschnitte
freigelegt. Die <111>-Ebene ist auf der
Oberfläche
des Balkenabschnitts 10a freigelegt. Mit dem obenbeschriebenen
nichtlinearen Ausleger kann der Fühler 1 sich einer
Oberfläche
einer Probe vertikal nähern,
ohne daß der
Balkenabschnitt 10a die Oberfläche der Probe berührt, selbst
wenn die Probe eine vergleichsweise starkwellige Oberfläche aufweist. 2 ist eine simulierte Ansicht,
die die Wirkungen von Zwischenatomkräften zeigt, wenn der Fühler 1 sich
der Oberfläche
der Probe vertikal nähert.
Die Zwischenatomkraft wird gleichmäßig auf den Fühler 1 in
der in der Figur gezeigten Stellung ausgeübt, so daß die Auslenkungsrate des Auslegers 30 genau
den Abstand zwischen dem Fühler 1 und
der Probe 20 repräsentieren
kann.
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Die 3A–3C und die 4A–4B sind Querschnittsansichten,
die jeweils ein Verfahren zur Herstellung des nichtlinearen Auslegers
mit zwei Biegeabschnitten wie oben beschrieben zeigen. Die gleichen
Bezugszeichen sind Abschnitten zugewiesen, die denjenigen in den
vorangehenden Figuren entsprechen oder mit diesen identisch sind.
Zuerst werden Masken 61, 62, wie z. B. ein Oxidfilm,
an einer Kante der oberen Oberfläche
eines Siliciumsubstrats 3 sowie an der gegenüberliegenden
Kante des Bodens oder der Rückseitenfläche des
Substrats ausgebildet. Die Masken werden auf den jeweiligen <100>-Ebenen des Substrats
ausgebildet. (Siehe 3a).
Die Masken 61, 62 sind mit einem spezifizierten
Abstand d angeordnet, der in Horizontalrichtung dazwischen vorgesehen
ist, so daß Vorsprünge von
den Maskenabschnitten einander nicht überlagern. Der Abstand oder
Spalt d in diesem Fall wird entsprechend der Kristallstruktur des
Materials des Substrats (in dieser Ausführungsform Silicium), der Dicke
des Substrats und der Dicke des Balkenabschnitts 30a oder
dergleichen festgelegt.
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Als nächstes wird die obere Oberfläche des Siliciumsubstrats 3 einem
anisotropen Naßätzen bis zu
einer spezifizierten Tiefe unter Verwendung der Maske 61 unterworfen,
um das Ätzen
an der jeweiligen Kante zu verhindern. (Siehe 3B). Als ein Lösungsmittel zum Ätzen können eine
wäßrige Lösung mit
40 Gew.-% an Kaliumhydroxid (KOH) bei einer Temperatur im Bereich
von 60°C
bis 80°C
und eine wäßrige Lösung mit
20 Gew.-% an Tetramethylammonium-Hydroxid (TMAH) bei einer Temperatur
im Bereich von 80°C
bis 90°C
oder dergleichen verwendet werden. Mit diesen Typen von Lösungsmittel
für das Ätzen wird
die <100>-Ebene dem Ätzen viel schneller
ausgesetzt als die <111>-Ebene. Somit wird
die Maske 61 in der Praxis durch das Ätzen nicht beeinträchtigt.
Dementsprechend wird dieses anisotrope Ätzen in der Praxis an der <111>-Ebene mit dem Kantenabschnitt
der Maske 61 als Referenz gestoppt. Die <111>-Ebene wird in einem
Spaltbereich freigelegt, der dem Balkenabschnitt 30a bildet.
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Wenn eine hintere Oberfläche des
Siliciumsubstrats ebenfalls einem anisotropen Naßätzen in der gleichen Weise,
wie es für
die obere Oberfläche verwendet
wird, unterworfen wird, wird die <111>-Ebene mit dem Kantenabschnitt
der Maske 62 als Referenz im Spaltbereich freigelegt (siehe 3C). Wenn ein Siliciumsubstrat 3 wie
in dieser Ausführungsform
verwendet wird, wird ein Winkel von etwa 55,7° (etwa 124,3°) zwischen der <100>-Ebene und der <111>-Ebene erzeugt.
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Als nächstes wird eine Maske 63 auf
der Oberfläche
des Unterstützungsabschnitts 10b der freien
Kantenseite ausgebildet (siehe 4A).
Ein Fühler 1 wird
durch Unterschneiden des Siliciums unter der Maske 63 mittels
Trockenätzen
entsprechend der Höhe
eines Fühlers 1 ausgebildet
(siehe 4B). Schließlich wird
die Maske 63 entfernt und der Ausleger 10 ist
fertig.
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Mit dieser Ausführungsform der Erfindung kann
ein nichtlinearer Ausleger mit Biegeabschnitten mittels Naß-Typ- und/oder
Trocken-Typ-Ätzschritten ausgebildet
werden, ohne komplizierte Polierschritte zu benötigen, die in mechanischen
Verarbeitungsverfahren erforderlich sind.
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Die 7A und 7B zeigen einen Ausleger gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der eine für die Beobachtung einer Probe
in einer Flüssigkeit
effektive Form aufweist.
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Die Beobachtung einer Oberfläche einer Probe
in einer Flüssigkeit
kann durchgeführt
werden, indem nur der Fühler 1 in
der Flüssigkeit
versenkt wird, wie in 7A gezeigt
ist, während
die Durchdringung von Wasser aufgrund der Oberflächenspannung vermieden wird,
indem ein Randabschnitt des Auslegers, wie in 1 gezeigt, mit einer konkaven Form vorgesehen
wird und ein Spalt 54 zwischen dem Ausleger und dem Randabschnitt
desselben so klein gemacht wird, daß er etwa gleich 1 bis 100 μm beträgt.
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Es ist zu beachten, daß die Beschreibung der
obigen Ausführungsform
annimmt, daß ein
Ausleger ausgebildet wird, indem ein Siliciumsubstrat einem Ätzen unterworfen
wird, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht nur auf das Siliciumsubstrat beschränkt ist.
Der gleiche Typ von Ausleger kann auch durch Ätzen eines Kristalls oder eines
Galliumarsenid-Substrats hergestellt werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung können die im
folgenden beschriebenen Wirkungen erzielt werden:
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Zwischen der freie Kante mit einem daran vorgesehenen Fühler und
einer festen Kante sind Biegeabschnitte vorgesehen. Ein Biegeabschnitt ist
mit einem spezifizierten Winkel in Richtung zu einer Oberfläche einer
Probe in einem Zustand geneigt, indem der Fühler sich vertikal der Oberfläche der
Probe nähert.
Selbst wenn somit der Fühler
sich der Oberfläche
vertikal genähert
hat, kann ein Kontakt zwischen dem Hauptkörper des Auslegers und der
Oberfläche
der Probe vermieden werden. Dies erlaubt dem Fühler, der Oberfläche der
Probe genau zu folgen.
- (2) Ein nichtlinearer Ausleger mit Biegeabschnitten kann durch
lediglich Naß-Typ- und/oder Trocken-Typ-Ätzschritte
ausgebildet werden, ohne das komplizierte Polierschritte nötig sind,
die im mechanischen Verarbeitungsverfahren erforderlich sind.
- (3) Ein Objekt in einer Flüssigkeit
kann beobachtet werden, indem einfach nur der Fühler in der Flüssigkeit
versenkt wird, wobei der Ausleger insgesamt über der Flüssigkeit gehalten wird.
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Die vorangehende Beschreibung ist
lediglich beispielhaft, wobei für
Fachleute offensichtlich ist, daß Modifikationen vorgenommen
werden können, ohne
vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.