WO2008128532A2 - Nanorobotik-modul, automatisierung und wechsel - Google Patents

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    • H01J2237/28—Scanning microscopes

Definitions

  • Nanorobotics module automation and change
  • the invention relates to a nanorobotics module with a drive device and a method for its use, in particular for measuring surface properties, and a system with a vacuum chamber in which a nanorobotics module is arranged.
  • the invention further relates to an exchangeable adapter and a method, in particular for changing nanorobotics modules.
  • nanorobotics modules are understood as actuators with positioning resolution in the nanometer range and strokes up to the mm or cm range, such as linear drives, positioning tables, grippers, for example with movable jaws, or rotary drives, turntables,
  • Various sensors can also be part of this nanorobotics.
  • These nanorobotics modules usually include so-called “end effectors.” These are objects that are moved by these nanorobotics modules, such as tools such as tips, blades, or grippers - or sensors for measuring solution of parameters. End effectors can also be combinations of tools and sensors.
  • Surveying units are usually used to measure spatial surface properties such as contours, topographies, roughness and various coordinates of objects.
  • the measuring units such as profilometers or coordinate measuring machines can usually determine at least part of these parameters.
  • the restriction to one part may, for example, also apply to the reduction to only two or one dimension.
  • the measurement can be carried out in a touching or non-contact manner and contain different sensor principles in the form of different probes for surface measurement.
  • Scanning probe microscopes also have measuring units, but are not suitable for the quantitative measurement of larger sample areas due to their limited image area.
  • Nanorobotics modules can have numerous other measuring or manipulation units - such as linear drives, positioning tables, grippers, for example with movable jaws, or rotary drives, rotary tables, swivel modules with positioning resolution as well as multi-axis drives or manipulators and the combination of such modules for systems with many degrees of freedom of movement.
  • measuring or manipulation units such as linear drives, positioning tables, grippers, for example with movable jaws, or rotary drives, rotary tables, swivel modules with positioning resolution as well as multi-axis drives or manipulators and the combination of such modules for systems with many degrees of freedom of movement.
  • Nanorobotics modules can also have various sensors which are integrated in actuator modules, are moved by actuators or are simply such a component of nanorobotics modules.
  • nanorobotics modules usually have so-called end effectors. These are objects that are moved by the nanorobotics modules. Such objects can be, for example, tools such as tips, blades or grippers - or they are sensors for measuring characteristics. End effectors can also be combinations of tools and sensors.
  • Nanorobotics modules usually require at least one cable for power supply per drive plus a common return line. Usually, however, far more cable connections are needed, especially if sensors are included. Force-measuring cantilevers, for example, already require four cables, and high-resolution position sensors require more than ten cables.
  • Vacuum chambers can be made up of single or multiple Locks and / or valves interconnected cells exist, which can be operated under vacuum of any degree (low-vacuum, high-vacuum, ultra-high vacuum) or under protective gas of any gas type, including clean room-like filtered air.
  • the equipment of these vacuum chambers with various components and devices as well as the control leads to application-oriented systems such as vapor deposition chambers, sputtering chambers, laser ablation chambers, scanning electron and / or scanning ion microscopes, transmission electron microscopes, wafer handling systems in vacuum or inert gas, Reinstraumsy stemen in vacuum, Inert gas or filtered air.
  • nanorobotic modules are usually permanently installed in a vacuum chamber and the sometimes extensive cable sets from these modules are used to carry the chamber through laid. Disadvantage of this solution is that work to be carried out by the operator on nanorobotics module such as the replacement or maintenance of an end effector are associated with very high costs.
  • the nanorobotics modules are usually difficult to access in relatively small vacuum chambers filled with highly sensitive equipment, and the handling space is extremely limited. In addition, the limited insight into such chambers is additionally hampered by the installed equipment. Space for microscopes to capture details is therefore usually not available. Any wrong hand movement can still damage expensive equipment. The precise adjustment of sometimes very small and extremely sensitive end effectors on the nanorobotics modules is hardly possible under such difficult conditions.
  • the cable sets to the nanorobotics modules can be extended so far that the modules can be suspended from their cables and taken out of the vacuum chamber. All operations must then take place in the open space just before the chamber is opened, a place that hardly provides adequate working conditions with the support of equipment such as lamps, a table, clamps for fixing, microscopes, tools and so on.
  • the excessively long cable set must be relocated somewhere in the vacuum chamber without risking to tangle objects such as moving sample stages. Reports from users of such a solution show that it often comes to damage these too long cable sets. This can lead to severe localized functional disorders as a result.
  • a particular advantage here is when a nanorobotics module has a measuring unit with a measuring probe with a resolution in the nanometer range and a measuring range in the centimeter range, in particular for measuring surface properties. This has the advantage that large surfaces can be measured, while at the same time enabling high resolution at individual points of the object.
  • the nanorobotics module has a manipulation unit with an end effector. If the nanorobotics module simultaneously has an end effector, for example a tool such as a tip, a blade, a gripper, an erosion probe, an abrasive or the like, this end effector can be automatically approximated to an object via the functionality of the measuring unit. without the position of this object being known relative to the end effector to stop at an extremely short distance or in contact with the object, depending on the probe. So the position of this end effector is relative to the ob- ject and the end effector can perform its function, such as editing the object or walking along it.
  • an end effector for example a tool such as a tip, a blade, a gripper, an erosion probe, an abrasive or the like
  • the end effector is a sensor, such as a force sensor or a sensor that can measure other signals such as current, light, magnetic field, temperature or material properties such as hardness or the like, so this sensor as a tool can automatically with the help the drive device can be approximated to an object. This facilitates and shortens the approach of end effectors.
  • the probe can be sensitive in several spatial directions. This not only makes it possible to feel a surface in one spatial direction, but in several.
  • the measuring unit can be movable along several dimensions. This allows the measurement of height differences such as steps or the determination of thicknesses by differential measurement, the creation of profiles along project surfaces, the acquisition of three-dimensional surface profiles, the measurement of inner and outer object contours and the determination of object dimensions such as distances, angles, diameters, intersections and various coordinates and the measurement of object roughness along the above paths and surfaces.
  • the drive device has piezoelectric or comparable drives. These allow a precision of movement in the nanometer range.
  • a drive can be used which, in addition to the limited fine positioning range, has a type of step-mode bridging over long distances.
  • Typical variants are piezoelectrically or comparably driven inertia drives, traveling wave drives, pulse wave drives, so-called crawler or clawing runners according to the inchworm principle. These drives are small and have a high motion resolution.
  • the drive device has position sensors, as these make it possible to position absolutely and assign their probe data to absolute locations.
  • the position sensors can have a resolution in the nanometer range. [31] It is particularly advantageous if the drive device is designed to be thermally compensated in order to reduce thermal drift in directions which are not visible to the position sensors.
  • the nanorobotics module has a volume smaller than 50 ⁇ 50 ⁇ 50 cm 3 . By such a reduction, a greater vibration insensitivity is achieved. If the dimensions are further reduced, the vibration sensitivity is further reduced.
  • a measuring unit is suitable for operation in a vacuum. This opens up completely new possibilities in quality control, research, development and production.
  • the 3D measurement can be meaningful at far smaller object areas than in air, since in air, the poor resolution of light microscopes is a limitation.
  • the SD measurement can be performed on sample sites that have been specifically identified in the SEM by means of the SEM.
  • An example of this is a foreign body identified by X-ray examination or EDX in a basic matrix. A light microscope would not be able to identify such foreign bodies.
  • 3D measurements can be performed on sample structures that are produced in the vapor deposition chamber by coating.
  • the 3D measurement thus offers a novel control of the vapor deposition process.
  • the nanorobotics module can have several probes for measurement or processing. This also makes it possible to measure and process in several spatial directions.
  • the nanorobotics modules and their end-effectors in particular a probe, can have a storage device for status information about their size, condition, stroke, state, design, electrical or mechanical parameters. This facilitates the setting of various parameters when installing or changing nanorobotics modules.
  • Another concept of the invention comprises a system with a vacuum chamber in which a nanorobotics module is arranged, wherein the vacuum chamber has a free internal volume with an edge length of less than 60 cm, preferably less than 30 cm. Reducing a gauging unit through the use of a nanorobotics module of this size reduces vibration gating, with simultaneous confinement of the chamber to that size results in a vacuum being able to be generated more quickly.
  • a system with a vacuum chamber, in which a nanorobotics module is arranged, whereby the nanorobotics module is mounted on a chamber flange is attached is covered by the spirit. If the nanorobotics module is mounted on the inside of a chamber flange and if the current feedthroughs necessary for operating the nanorobotics module are also preferably integrated in this flange, then the wiring harness from these current feedthroughs to the nanorobotics module becomes very short and the entire unit is involved Flange and with Nanorobotics module can be easily removed by loosening the flange screws from the chamber.
  • both the vacuum chamber and the nanorobotics module can each have a control and the connection of the control can take place via an interface.
  • the presence of such an interface allows the merging of information from both entities.
  • a common interface makes it possible to connect the control of the two systems.
  • the nanorobotics controller queries information about components or system states of the chamber system.
  • Nanorobotics control alters components or system states of the chamber system.
  • the chamber system controller queries information about components or system states of nanorobotics.
  • the chamber system control alters components or system states of nanorobotics.
  • Nanorobotics controller can interrogate the positions of moving components of the chamber system and therefore knows where obstacles are.
  • the nanorobotics controller can move the sample stage of the chamber system to drive samples on the stage into the nanorobotic module's workspace.
  • These sensor-actuator controls can be combined as desired, thereby increasing the potential of the common system.
  • one of the two system controls (nanorobotics or chamber system) has automation software, it can also take over the automation of the other system as well as the automation of all controllable sensors and actuators of both systems. This enables the automation of an entire system, even if it consists of two individual systems, which mostly come from different manufacturers.
  • Automation also allows the free programming of process flows using the nanorobotics sensors available for automation and preferably absolutely positioning nanorobotics actuators, also in combination with the use of software variables, formula calculations, loops, case distinctions and simultaneous processes ,
  • the response of the interface allows to synchronize both the conditions of the chamber system and the conditions on the nanorobotics module in a single process.
  • the chamber system always contains sensors and often also actuators, which are necessary to fulfill the functionality of this chamber system.
  • Nanorobotics modules also have a large number of sensors and actuators as well as end-effectors. Combining this data and coordinating the assignment of the different modules thus leads to great flexibility in the application.
  • the nanorobotics or their end-effectors may contain state information about their size, condition, stroke, condition, design, electrical or mechanical parameters, they may be automatically evaluated, archived, and stored. special for handling measuring or automation processes can be used.
  • a further aspect of the invention relates to a method for using a nanorobotics module according to the invention, wherein the contact between measuring probe and sample is interrupted during a measurement.
  • This allows the use of probes that also have lateral resolution up to single nanometers.
  • Such probes are either non-contact probes that work extremely close to the surface to be measured, or touching "tactile probes" that come into contact with the specimen to be measured, leaving those probes at the end near the specimen as small as the desired lateral one Resolution at this point.
  • the diameter of the probe determines the lateral spatial resolution of the measurement.
  • a measurement resolution of 10 nm thus requires a probe tip diameter of the same order of magnitude. This makes it clear that lateral high-resolution probes are usually extremely sensitive.
  • any damping system that decouples the drives from the probe and sample will cause measurement results to falsify, for example, by creep or damping, thermal expansion of the damping, or vibration to a slower undefined motion.
  • dampings cause vacuum problems by outgassing of electrical components or, for example, by spontaneous evaporation of trapped air. An integration of a vibration damping would thus destroy the nanometer precision and would be vacuum technically problematic. The resulting vibrations would also lead to a destruction of the probe usually.
  • the distance between the probe and the sample can be increased by a defined distance before a rough approach step is performed by less than this defined distance and the renewed one Reducing the distance between sample and probe takes place.
  • an approach can be made over many centimeters, without the probe overflowing and ramming into the sample.
  • the probe also contains an additional end effector with additional functionality, this end effector can be automatically approximated to an object using this approximation method, which replaces the otherwise very time-consuming manual procedure which is risky for the end effector.
  • the position value can be stored on the approach line. This later allows a representation of the individual surface points. [71] The position value can still be modulated with the sensor value. This allows a further clarification of the measurement.
  • the distance between probe and sample can be increased by a defined amount and in a third step, the probe can be moved laterally to the sample by a defined distance. This prevents penetration of the probe into the sample even with large variations of the sample surface. In addition, a measurement of larger sample surface areas is possible.
  • the method according to the invention enables a considerably more effective zoom method: only as many points in the space are approached and measured as are necessary for the representation of the currently interesting field. For example, for the first coarse image of a coin, 100 points in the X direction and 20 to 50 scans in the Y direction, which are measured quickly, are sufficient.
  • the scanning method can be used to measure directly in contact with the sample.
  • the method according to the invention and the raster method can be combined. This makes it possible to increase the speed and the resolution in comparison to the pure screen method as well as to the method according to the method according to the invention.
  • a computer can control the individual steps one after the other. This allows automation as well as the collection of more data points in a controlled period of time.
  • the measurement can follow surface contours and surfaces can be scanned through series of measurements.
  • Suitable probes can be used to measure surface contours, inner contours of cavities, undercuts, outer contours, extreme lines, deep trenches or sharp cutting edges with nanometer precision in up to three dimensions. [85] It is advantageous if the determined measurement data provide sufficient roughness. Accordingly, contours and dimensions of objects according to various standard definitions with nanometer precision in up to three dimensions can be determined from the measured data.
  • a further aspect of the invention relates to an exchangeable adapter, in particular for exchanging nanorobotics modules according to the invention, characterized in that it comprises an electrical plug-in system with a plug and a socket and a mechanical fastening unit with a mechanical guide and a carriage.
  • an opposite arrangement of the modules of the electrical plug-in system and the mechanical fastening unit makes sense.
  • the socket of the electrical plug-in system can have a connection with the guide of the mechanical fastening unit and the plug can connect to the carriage of the mechanical fastening unit.
  • a connection of the socket with the carriage and the plug with the guide is conceivable. This attachment allows pre-adjustment of the two units.
  • plug and socket or at least one of them is in each case floating on the parts of the mechanical fasteners. are stored supply unit. These can then move relatively force-free and can safely avoid the shear forces occurring during mating. Of course it is also sufficient if only the straightener or the bush is floating.
  • the parts of the electrical plug-in system can have a fixation with the parts of the mechanical fastening unit.
  • the plug and its counterpart are mechanically fixed once in the ideal position, without any lateral forces occurring again. Since the basic adjustment must be done only once, the effort can be considerably higher.
  • a variant of the power fixation of this optimal position is the use of vacuum-compatible adhesive.
  • This adhesive must be mechanically stable so that it will not be blown away when operating the AC adapter.
  • One solution to this problem is the creation of gaps filled with glue: one side of the splice fixes the plug or its counterpart, the other side closes with a solid block that is not movable.
  • One or more of these irreversible Ren splices hold plug or counterpart in their ideal position and can withstand high setting forces at the same time.
  • the plug and socket may have at least one plug contact. In complex measuring or end-effector systems, however, several plug-in contacts will usually be necessary.
  • the mechanical fastening unit has a fixation for carriage and guide.
  • a simple insertion of the carriage in the guide is possible and connected to the fixation can be done.
  • This makes it possible to quickly and simply insert the nanorobotics module with just one hand and, if necessary, let go, for example, to grasp it with the hand and then fix the nanorobotics module.
  • a particularly simple manufacturing process provides that the mechanical fixation is made of metal. Ceramics manufacture may also be advantageous in the light of vacuum use.
  • Another concept of the invention also includes a method for changing nanorobotics modules, characterized in that a nanorobotics module is first mechanically fixed and electrically connected.
  • a further aspect of the invention comprises a method with an exchangeable adapter, in particular for changing nanorobotics modules, wherein a measuring unit is mechanically fixed and electrically connected.
  • the method makes it possible, for example, to mechanically fix a nanorobotics module at a reproducible position and at the same time to produce an electrical plug-in contact. By combining both steps, it is possible to fix the nanorobotics module simultaneously vibration-free at a precisely predefined position, without destroying a relative movement and the associated high shear forces plug and socket or at least make tight and increase the wear.
  • the plug connected to the measuring unit is prefixed to the carriage mechanism in an upstream step and the socket connected to the cable strand is prefixed to the cable string on a guide mechanism in an upstream step.
  • This prefixing for example via a very loosely fixed screwed connection, has the advantage that the plug-in units thus remain movable relative to one another.
  • the slide can be inserted into the guide in such a way that the nanorobotics module securely holds its own position. This allows, for example, a grip on installation.
  • the carriage can be further pushed into the guide and thus the plug and socket are electrically connected.
  • the mechanical plug-in system is connected to the mechanical fixation vibration-free at a precisely predefined position.
  • the electrical plug-in modules can still move relatively force-free and thus avoid the shear forces occurring safely.
  • Plug and socket are now pressed together again to make the electrical connection completely and safely. Subsequently, the electrical connector and the socket are mechanically fixed once in this ideal position, without that again shear forces occur.
  • One way of fixing the plug-in system components with the components of the mechanical fastening unit is the connection by gluing at a position determined by a basic adjustment. If the adapter is to be used in vacuum, the use of vacuum-compatible adhesive is advantageous. This adhesive must be mechanically stabilized so that it will not be blown away when the adapter is operated.
  • the final fixation of the nanorobotics module takes place at a reproducible position. This makes direct use of the nanorobotics module in this position possible.
  • a further aspect of the invention comprises a system with an exchangeable adapter and with an additional base part of this interchangeable adapter with guide and socket, with a measuring unit, at least one wiring harness, at least one electronics and a vacuum chamber, wherein attached to the rail with plug and electrically connected measuring unit can be connected to both base parts.
  • a nanorobotics unit can be used both in structures in vacuum chambers and in structures outside of the vacuum.
  • the nanorobotics module can be easily reconnected between vacuum chamber application and air application, preferably without having to be removed harnesses from the vacuum chamber.
  • the extension of the AC adapter principle also on the end effector facilitates in particular the change of end effectors, which selectably require a number of electrical leads.
  • These end effectors may consist of the actual sensor or actuator, which is in each case pre-mounted on a standardized adapter.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a nanorobotics module in a vacuum chamber of a scanning electron microscope or
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a nanorobotics module in a vacuum chamber of a vapor deposition chamber for coating materials
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a nanorobotics module in a vacuum chamber of an analysis chamber
  • FIG. 4 shows a schematic structure of a nanorobotics module in a vacuum chamber of a clean-room chamber, which can be operated under vacuum, protective gas or as a miniature clean room with filtered air,
  • FIG. 5 schematically shows a construction of several nanorobotics modules in a chamber system with manual control
  • FIG. 6 schematically shows a construction of a nanorobotics module with automated control
  • FIG. 7 schematically shows a construction of a combination of a chamber system and a nanorobotics module via an interface
  • FIG. 8 schematically shows a structure of a combination of both systems via an interface and the automation of the overall system
  • FIG. 9 schematically shows a construction of an exchangeable adapter
  • FIG. 10 shows the individual steps of the functional principle of the woodpecker method for surface measurement along a line
  • FIG. 11 schematically shows the functional principle of the woodpecker method along several lines
  • FIG. 12 schematically shows the functional principle of the woodpecker method applied to an arbitrarily shaped inner contour.
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment of a nanorobotics module.
  • a nanorobotics module 2, 12, 22, 32 and in each case a sample stage 5, 15, 25, 35 are arranged in a vacuum chamber having different functions 3, 13, 23, 33.
  • Figures 1 to 4 show modifications of this basic structure.
  • divergent se analyzers 27, 28, 29 are located in the chamber.
  • nanorobotics module shown in Figure 4 in a vacuum chamber of a clean room which can be operated under vacuum, inert gas or miniature clean room with filtered air, is on the sample table 35, for example, a wafer 38 to be measured.
  • the system depicted in FIG. 5 consists of a chamber system 41 with various nanorobotics modules 42, 46, which can have both actuators and sensors, two controllers of the nanorobotics modules 43, 47, two interfaces between controllers and manual control 44 , 48 and a hand control 45, such as a joystick, game port, keypad, keyboard, graphical user interface, or voice control.
  • various nanorobotics modules 42, 46 which can have both actuators and sensors, two controllers of the nanorobotics modules 43, 47, two interfaces between controllers and manual control 44 , 48 and a hand control 45, such as a joystick, game port, keypad, keyboard, graphical user interface, or voice control.
  • Figure 6 shows how the manual control by an automation A, for example in the form of computer programs, PLC control, microcontroller or embedded systems, i. hardware-integrated computer controls.
  • FIG. 7 shows the connection of the chamber system 61 with the manual control 66 of the chamber system and the nanorobotics module 62 with the manual control 65 of the nanorobotics module via an interface 67 between the chamber system controller 66 and the nanorobotics controller 65.
  • This interface 67 allows data to be communicated between the different controllers 65, 66.
  • FIG. 8 shows the various possibilities of incorporating automation as either a component of the two individual systems, as part of the chamber controller A1 or as part of the control of the nanorobotics module A2, or as an independent component at the common interface A3.
  • the automation is realized by a software package of the nanorobotics module 72, ie by module A2 in FIG. 5.
  • This automation has access to the functional units of the nanorobotics 72 in a manner similar to the manual control the chamber system interface 77, and through it, can utilize the functionality of the chamber system 71 in a manner similar to manual control of the chamber system.
  • a user-friendly variant of this system is the integration of the chamber controller 76 functional modules into the user interface of the manual nanorobotics controller 75.
  • the sum of all functionalities of the entire system appears in the user interface of the manual nanorobotics controller 75 programmable control of all the functional modules integrated in the manual nanorobotics control 75, corresponds to the homogenous automation of the entire system.
  • a particularly advantageous embodiment of this automation is a type of recorder that also writes commands to the manual control and later automatically reproduces them. Does such an au- automation software even the basic functions of all program languages such as grouping of commands to functions, creation of loops and case distinctions and the use of variables and formulas, this automation A2 of the overall system can solve arbitrarily complex tasks of the overall system.
  • the interchangeable adapter shown in FIG. 9 consists of a nanobotrobic module 81, a mechanical fastening unit 82 consisting of a guide 83 and a rail 84, a plug 85 on the rail 84 and a socket 86 as a counterpart to the electrical plug 85 with cable set 87 is fastened on the guide 83.
  • the only loosely fastened plug 85 slides when inserting the rail 84 in the guide 83.
  • the only loosely attached plug 85 slides into the likewise only loosely attached socket 86, which are then subsequently completely mechanically fixed. Only in a next step is then the fixation of the rail 84 in the guide 83 by means of the mechanical fastening unit 88th
  • Figure 10 shows the individual steps of the functional principle for surface measurement along a line.
  • step 1 an approach is made without overshooting until the probe recognizes the sample in step 2. Now the position value of the approaching axis is stored. Subsequently, a retreat to a freely definable piece, preferably also in controlled mode without overshooting with movement aborted on contact. These steps of this process can be repeated. Whether probe 1 approaches sample 2 in this process or sample 2 of the probe or both makes no difference in principle.
  • the measuring method can also be applied to any shape of the inner contour.
  • the arrows show the movement of the measuring tip. Analogous to FIG. 8, many scans are performed side by side, so here too a 3D data set of inner and outer contours can be created.
  • FIG. 1 An embodiment of a nanorobotics module is shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nanorobotik-Modul mit einer Vermessungseinrichtung für die Vermessung von räumlichen Oberflächeneigenschaften mit einem Messbereich im Zentimeterbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich, das in einer Vakuumkammer, beispielsweise der Vakuumkammer eines Mikroskops angeordnet werden kann. Neben dieser Integration des Nanorobotik-Moduls in eine Vakuumkammer betrifft die Erfindung weiterhin die Automatisierung des Moduls im Kammersystem, insbesondere die Verbindung der Steuerung von Nanorobotik-System und Kammersystem durch die Schaffung einer Schnittstelle zwischen beiden Systemen. Schließlich betrifft die Erfindung einen mechatronischen Wechseladapter zur flexiblen Festigung von Nanorobotik-Modulen innerhalb einer Vakuumkammer, insbesondere betrifft die Erfindung einen Wechseladapter, der ein Nanorobotik-Modul vorzugsweise in einem Arbeitsgang elektrisch verbindet und mechanisch hochpräzise geführt spielfrei befestigt.

Description

Nanorobotik-Modul, Automatisierung und Wechsel
[01] Die Erfindung betrifft ein Nanorobotik-Modul mit einer Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zu seiner Verwendung, insbesondere zur Vermessung von Oberflächeneigenschaften, sowie ein System mit einer Vakuumkammer in der ein Nanorobotik-Modul angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter einen Wechseladapter und ein Verfahren insbesondere zum Wechseln von Nanorobotik-Modulen.
[02] Nanorobotik-Module versteht man in der Regel als Aktoren mit Po- sitionierauflösung im Nanometerbereich und Hüben bis in den mm- oder cm- Bereich, wie zum Beispiel Linearantriebe, Positioniertische, Greifer beispielsweise mit beweglichen Backen, oder Drehantriebe, Drehtische,
Schwenkmodule mit Positionierauflösung bis zum Nanograd-Bereich und
Bewegungen im Bereich vieler Grad, sowie mehrachsige Antriebe bzw. Manipulatoren und die Kombination aus solchen Modulen zu Systemen mit vielen Freiheitsgraden der Bewegung.
[03] Zu dieser Nanorobotik können auch diverse Sensoren gehören. Zu diesen Nanorobotik-Modulen gehören zumeist sogenannten „Endeffektoren". Dies sind Objekte, die von diesen Nanorobotik-Modulen bewegt werden. Solche Objekte können beispielsweise Werkzeuge wie Spitzen, Schneiden oder Greifer sein - oder es handelt sich um Sensoren zur Mes- sung von Kenngrößen. Endeffektoren können auch Kombinationen von Werkzeugen und Sensoren sein..
[04] Vermessungseinheiten dienen normalerweise dazu, räumliche Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise Konturen, Topographien, Rauhei- ten sowie diverse Koordinaten von Objekten zu vermessen. Die Vermessungseinheiten wie beispielsweise Profilometer oder Koordinatenmessma- schinen können in der Regel zumindest einen Teil dieser Parameter bestimmen.
[05] Die Beschränkung auf einen Teil kann beispielsweise auch die Re- duzierung auf nur zwei oder eine Dimension betreffen. Die Messung kann berührend oder berührungsfrei durchgeführt werden und verschiedene Sensorprinzipien in Form von unterschiedlichen Sonden zur Oberflächenvermessung enthalten.
[06] Auch Rastersondenmikroskope weisen Vermessungseinheiten auf, sind aber aufgrund ihres beschränkten Bildbereiches nicht zur quantitativen Vermessung größerer Probenbereiche geeignet.
[07] Herkömmliche Vermessungseinheiten benötigen zum Erreichen sinnvoller Präzision hohe Massen zur Schwingungsisolation, beispielsweise in Form von Granitplatten. Typische Gewichte solcher Systeme liegen zwischen 50 und 2000 kg. Es handelt sich also um sehr große Systeme, die in der Regel an Luft und auf großen massiven Granittischen installiert sind. [08] Die Vermessungseinheiten sind aufgrund ihrer Größe sowie aufgrund der verwendeten Materialien nicht vakuumtauglich. Weder ist in einer Vakuumskammer Platz für Schwingungsisolation oder die großen Massen vorhanden, noch ist sichergestellt, dass die verwendeten Stoffe nicht ausgasen.
[09] Auch ein- bis drei- oder mehrachsige Manipulatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese sind allerdings in der Regel Bewegungseinheiten. Sie verfügen zwar über eine bis zu Sub-Nanometer- Auflösung der Bewegung, allerdings haben sie weder Führungsgenauigkeit, Wieder- holgenauigkeit oder gar absolute Positioniergenauigkeit, noch sind sie frei von Fehlern, wie Nicken, Gieren, Neigen, Kriechen, Welligkeit oder thermische Drift auf der Nanometerskala.
[10] Aufgrund dieser Nachteile sind die bekannten Manipulationseinheiten nicht für Vermessungseinheiten geeignet. Denn soll ein solcher Antrieb als Element einer Vermessungseinheit verwendet werden, so ist seine Bewegung mit Sub-Nanometer-Auflösung nur eine notwendige Bedingung aber keineswegs eine hinreichende. Für die normalen Applikationen reicht allerdings die hohe Auflösung als einziges Merkmal. Der Stand der Technik von Vermessungseinheiten an Luft zeigt daher, dass auch dort solche Antriebe üblicherweise nicht verwendet werden.
[11] Nanorobotik-Module können zahlreiche weitere Mess- oder Manipulationseinheiten aufweisen - wie z.B. Linearantriebe, Positioniertische, Greifer, beispielsweise mit beweglichen Backen, oder Drehantriebe, Dreh- tische, Schwenkmodule mit Positionierauflösung sowie mehrachsige Antriebe beziehungsweise Manipulatoren und die Kombination aus solchen Modulen für Systeme mit vielen Freiheitsgraden der Bewegung.
[12] Einige dieser Aktoren können mit Wegmesseinheiten ausgestattet sein, so dass sie auch absolut positionieren können. Nanorobotik-Module können auch diverse Sensoren aufweisen, welche in Aktormodulen integriert sind, von Aktoren bewegt werden oder einfach so ein Bestandteil von Nanorobotik-Modulen sind.
[13] Zudem weisen Nanorobotik-Module zumeist so genannte Endeffek- toren auf. Dies sind Objekte, die von den Nanorobotik-Modulen bewegt werden. Solche Objekte können beispielsweise Werkzeuge wie Spitzen, Schneiden oder Greifer sein - oder es handelt sich um Sensoren zur Messung von Kenngrößen. Endeffektoren können auch Kombinationen von Werkzeugen und Sensoren sein.
[14] Nanorobotik-Module benötigen in der Regel mindestens ein Kabel zur Stromversorgung pro Antrieb plus eine gemeinsame Rückleitung. Meist werden jedoch weit mehr Kabelverbindungen benötigt, insbesondere wenn Sensoren enthalten sind. Kraftmessende Cantilever benötigen beispielsweise bereits vier Leitungen und hochauflösende Positionssensoren benötigen mehr als zehn Leitungen.
[15] Auch Vakuumkammern sind aus dem Stand der Technik zahlreich bekannt. Vakuumkammern können aus einzelnen oder mehreren durch Schleusen und/oder Ventile miteinander verbundenen Zellen bestehen, welche jeweils unter Vakuum jeglichen Grades (Niedrig- Vakuum, Hoch- Vakuum, Ultrahoch- Vakuum) oder unter Schutzgas beliebiger Gasart, also auch reinraumartig gefilterter Luft betrieben werden können. Die Ausstat- tung dieser Vakuumkammern mit diversen Komponenten und Geräten sowie die Steuerung führt zu applikationsorientierten Systemen wie beispielsweise Aufdampfkammern, Sputterkammern, Laserablationskammern, Rasterelektronen- und/oder Rasterionenmikroskopen, Transmissionselektronenmikroskopen, Wafer-Handling-Systemen in Vakuum oder Schutzgas, Reinstraumsy stemen in Vakuum, Schutzgas oder gefilterter Luft.
[16] Die Integration von herkömmlichen Vermessungseinheiten in solche Kammersysteme ist quasi unmöglich, da sie für den Einbau in eine Vakuumkammer zu groß sind. Herkömmliche Systeme zum Verhindern von Schwingungseinkopplungen durch die Verwendung massiver oder vo- luminöser Materialien sind im Kammerinneren nicht möglich. Sollen hingegen Nanorobotik-Module in solche Kammern integriert werden, so ist die Bedienung des Nanorobotik-Moduls in der Kammer schwierig, da Kammersysteme nur begrenzte Einsicht ermöglichen und die manuelle Bedienung relativ langsam ist. Auch ist die Gefahr, feine Messspitzen beim Annähern oder Messen zu beschädigen, sehr groß.
[17] Aufgrund der schweren Zugänglichkeit werden Nanorobotik- Module meist einmal in einer Vakuumkammer fest installiert und die teils umfangreichen Kabelsets von diesen Modulen zur Kammerdurchführung verlegt. Nachteil dieser Lösung ist, dass vom Bedienpersonal durchzuführende Arbeiten am Nanorobotik-Modul wie beispielsweise der Austausch oder die Wartung eines Endeffektors mit sehr hohem Aufwand verbunden sind.
[18] Die Nanorobotik-Module sind in meist relativ kleinen, mit hochempfindlichem Equipment gefüllten Vakuumkammern schwer zugänglich und der Handhabungsraum ist äußerst begrenzt. Außerdem ist die begrenzte Einsicht in solche Kammern zusätzlich durch das installierte Equipment behindert. Platz für Mikroskope zur Erfassung von Details ist daher meist nicht vorhanden. Jede falsche Handbewegung kann weiterhin teure Geräte beschädigen. Das präzise Justieren von teils sehr kleinen und extrem empfindlichen Endeffektoren an den Nanorobotik-Modulen ist unter so erschwerten Bedingungen kaum möglich.
[19] Für dieses Problem sind aus dem Stand der Technik zwei Lösungs- ansätze bekannt. Zum einen können die Kabelsätze zu den Nanorobotik- Modulen soweit verlängert werden, dass die Module an ihren Kabeln hängend aus der Vakuumkammer herausgenommen werden können. Alle Operationen müssen dann im Freiraum direkt vor der Kammeröffnung stattfinden, ein Ort, der kaum angemessene Arbeitsbedingungen mit Unterstüt- zung von Geräten wie Lampen, einem Tisch, Klemmen zur Fixierung, Mikroskopen, Werkzeugen und so weiter bietet. Außerdem muss nach Ab- schluss der Arbeiten das viel zu lange Kabelset wieder irgendwo in der Vakuumkammer verlegt werden, ohne dass es Gefahr läuft, sich in beweg- liehen Objekten wie beispielsweise fahrenden Probebühnen zu verheddern. Erfahrungsberichte von Anwendern einer solchen Lösung zeigen, dass es oft zur Beschädigung dieser zu langen Kabelsets kommt. Dies kann in der Folge zu schwer lokalisierbaren Funktionsstörungen führen.
[20] Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, bereits bekannte Nano- robotik-Module zu verbessern, insbesondere um eine Vermessungseinheit in einer Vakuumkammer zu ermöglichen.
[21] Besonders von Vorteil ist hierbei, wenn ein Nanorobotik-Modul insbesondere zur Vermessung von Oberflächeneigenschaften, eine Vermes- sungseinheit mit einer Messsonde mit einer Auflösung im Nanometerbe- reich und einen Messbereich im Zentimeterbereich aufweist. Dies hat den Vorteil, dass große Oberflächen vermessen werden können, wobei gleichzeitig eine hohe Auflösung an einzelnen Stellen des Objekts ermöglicht wird.
[22] Vorteilhafter Weise weist das Nanorobotik-Modul eine Manipulationseinheit mit einem Endeffektor auf. Wenn das Nanorobotik-Modul gleichzeitig einen Endeffektor aufweist, also beispielsweise ein Werkzeug wie eine Spitze, eine Schneide, einen Greifer, eine Erodiersonde, ein Schleifmittel oder ähnliches, so kann dieser Endeffektor über die Funktio- nalität der Vermessungseinheit automatisch an ein Objekt angenähert werden, ohne dass die Position dieses Objekts relativ zum Endeffektor bekannt ist, um je nach Sonde in extrem geringem Abstand oder in Berührung am Objekt zu stoppen. So ist die Position dieses Endeffektors relativ zum Ob- jekt bekannt und der Endeffektor kann seine Funktion ausüben, also beispielsweise das Objekt bearbeiten oder sich daran entlang hangeln.
[23] Wenn der Endeffektor ein Sensor ist, also beispielsweise ein Kraftsensor oder ein Sensor, der andere Signale wie Strom, Licht, Magnetfeld, Temperatur oder beispielsweise Materialeigenschaften wie Härte oder ähnliches vermessen kann, so kann dieser Sensor ebenso wie ein Werkzeug automatisch mit Hilfe der Antriebsvorrichtung an ein Objekt angenähert werden. Dies erleichtert und verkürzt die Annäherung von Endeffektoren.
[24] Hierbei kann die Messsonde in mehreren Raumrichtungen sensitiv sein. Dies ermöglicht nicht nur, in einer Raumrichtung eine Oberfläche zu ertasten, sondern in mehreren.
[25] Weiterhin kann die Vermessungseinheit entlang mehrer Dimensionen beweglich sein. Dies ermöglicht das Messen von Höhenunterschieden wie Stufen oder die Ermittlung von Dicken per Differenzmessung, das Erstellen von Profilen entlang von Projektoberflächen, die Erfassung dreidimensionaler Oberflächenprofile, die Vermessung innerer und äußerer Objektkonturen sowie die Ermittlung von Objektdimensionen wie beispielsweise Abstände, Winkel, Durchmesser, Schnittpunkte und diverse Koordinaten und die Vermessung von Objektrauheiten entlang obiger Bahnen und Flächen. [26] Vorteilhaft ist, wenn die Antriebsvorrichtung piezoelektrische oder vergleichbare Antriebe aufweist. Diese ermöglichen eine Präzision der Bewegung im Nanometerbereich.
[27] Da diese in der Regel nur über einen maximalen Hub von einigen hundert Mikrometern verfügen, ist für eine Vermessung auf der Millimeter- bis Zentimeterskala ein weiteres Antriebselement vorteilhaft.
[28] Dies kann ein klassischer Motorantrieb sein, welcher allerdings in der Regel zu einer großen Bauform bei geringer Präzision führt. Es kann insbesondere ein Antrieb verwendet werden, welcher neben dem begrenz- ten Feinpositionierbereich über eine Art Schrittmodusüberbrückung großer Strecken verfügt. Typische Varianten sind piezoelektrisch oder vergleichbar getriebene Trägheitsantriebe, Wanderwellenantriebe, Pulswellenantriebe, so genannte Krabbler- oder klammernde Läufer nach dem Inchworm- Prinzip. Diese Antriebe sind klein und verfügen über eine hohe Bewe- gungsauflösung.
[29] Vorteilhafterweise weist die Antriebsvorrichtung Positionssensoren auf, da diese es ermöglichen, absolut zu positionieren und ihre Sondendaten absoluten Orten zuordnen.
[30] Um eine genügend große Positionsgenauigkeit zu erreichen, können die Positionssensoren eine Auflösung im Nanometerbereich aufweisen. [31] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Antriebsvorrichtung thermisch kompensiert aufgebaut ist, um thermische Drift in für die Positionssensoren nicht sichtbare Richtungen zu reduzieren.
[32] Durch eine kleine Baugröße von wenigen Zentimetern, durch die Verwendung extrem genauer Führungen, optimierter Materialien, Hebel, Kippmomente und Verbindungselementewerden die Achsfehler, die für die Positionssensoren nicht sichtbar sind, wie Nicken, Gieren, Neigen, Kriechen, thermische Drift oder Welligkeit ausreichend stark reduziert. Dies ist insbesondere für die Kombination mehrerer Antriebe oder für die Messung mit mehreren Sonden im gleichen Koordinatensystem hilfreich. Eine Bindung der Messung entlang einer präzisen Fahrachse wie bei klassischen Profilometern entfällt damit.
[33] Von Vorteil ist weiterhin, wenn das Nanorobotik-Modul ein Volumen kleiner 50 x 50 x 50 cm3 aufweist. Durch eine solche Verkleinerung wird eine größere Schwingungsunempfindlichkeit erreicht. Werden die Abmessungen weiter verringert, reduziert sich auch die Schwingungsempfindlichkeit weiter.
[34] Insbesondere ist von Vorteil, wenn eine Vermessungseinheit zum Betrieb im Vakuum geeignet ist. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten in Qualitätskontrolle, Forschung, Entwicklung und Produktion.
[35] Beispielsweise können in einer Vakuumkammer, die als Rasterelektronenmikroskop (REM) ausgestattet ist, mit Hilfe der Vermessungseinheit zur Messung von Oberflächeneigenschaften , 3D- Vermessungen an Proben durchgeführt werden, die mit den Mitteln des REMs untersucht oder bearbeitet werden. Die Kombination beider Techniken bietet eine enorme Bereicherung in der Probencharakterisierung: Die 3D-Vermessung erwei- tert die Messeigenschaften des REMs und die hohe Abbildungsauflösung des REMs ermöglicht das Abbilden des Bereichs der Probe auf dem Probentisch, in dem die 3D- Vermessung stattfinden soll.
[36] Damit kann die 3D-Vermessung an weit kleineren Objektbereichen sinnvoll stattfinden als an Luft, da an Luft die schlechte Auflösung von Lichtmikroskopen eine Begrenzung darstellt. Außerdem kann die SD- Vermessung von Probenstellen erfolgen, die im REM mit den Mitteln des REMs speziell identifiziert wurden. Ein Beispiel hierfür ist ein mittels Röntgenuntersuchung oder EDX identifizierter Fremdkörper in einer Grundmatrix. Ein Lichtmikroskop wäre nicht in der Lage, solche Fremd- körper zu identifizieren.
[37] In Vakuumkammern, die als Rasterionenmikroskop (FIB) ausgestattet sind, können, mit Hilfe der Vermessungseinheit zur Messung von Oberflächeneigenschaften 3D- Vermessungen an Proben durchgeführt werden, die mit den Mitteln der FIB bearbeitet und untersucht werden. Die Kombi- nation beider Techniken bietet eine enorme Bereicherung in der Probencharakterisierung: Die 3D-Vermessung ermöglicht es, die mit Hilfe der FIB auf oder an einer Probe erzeugten Strukturen in der gleichen Vakuum- kammer in allen 3 Dimensionen zu vermessen. Die 3D-Vermessung bietet damit eine neuartige Kontrollmöglichkeit des FIB Prozesses.
[38] Auf dem Markt existieren zudem Vakuumkammern, die die beiden Funktionalitäten des Rasterelektronenmikroskops (REM) und Rasterio- nenmikroskops (FIB) in einem Gerät kombinieren. Die Installation einer 3D-Vermessung in einem solchen Kombigerät würde alle Vorteile der SD- Vermessung beider Einzelgeräte kombinieren und in den Anwendungen vervielfachen.
[39] In Vakuumkammern, die als Aufdampfkammern zur Beschichtung von Proben ausgestattet sind, können 3D- Vermessungen an Probenstrukturen durchgeführt werden, die in der Aufdampfkammer durch Beschichtung erzeugt werden. Die 3D-Vermessung bietet damit eine neuartige Kontrollmöglichkeit des Aufdampfprozesses.
[40] In Vakuumkammern, die als Reinstraumkammern ausgestattet sind und unter Vakuumbedingungen oder unter Schutzgasen betrieben werden können, findet die Handhabung, Vermessung und Verarbeitung von hochempfindlichen Gütern statt. Dies sind beispielsweise Wafer oder andere Komponenten der Halbleiterfertigung bis hin zu komplexen Geräten wie ganzen Festplatten, welche in diesen Vakuumkammern gefertigt werden. Die Integration der 3D-Vermessungen bietet für all diese Applikationen ein weiteres wichtiges Prüfmittel, welches bisher in solcher Umgebung nicht zur Verfügung stand. [41] Weiter von Vorteil ist, wenn das Nanorobotik-Modul mehrere Antriebe aufweist. Dies ermöglicht sowohl eine Messung als auch eine Bearbeitung in mehreren Raumrichtungen.
[42] Das Nanorobotik-Modul kann mehrere Sonden zur Messung oder Bearbeitung aufweisen. Auch dadurch wird eine Messung und Bearbeitung in mehreren Raumrichtungen möglich.
[43] Die Nanorobotik-Module und von ihnen bewegte Endeffektoren insbesondere eine Sonde können eine Speichereinrichtung für Zustandsinformationen über ihre Größe, Beschaffenheit, Hub, Zustand, Ausführung, e- lektrische oder mechanische Parameter aufweisen. Dies erleichtert das einstellen diverser Parameter, beim Einbau oder Wechsel von Nanorobotik- Modulen.
[44] Ein weiterer Gedanke der Erfindung umfasst ein System mit einer Vakuumkammer, in der ein Nanorobotik-Modul angeordnet ist, wobei die Vakuumkammer ein freies Innenvolumen mit einer Kantenlänge kleiner 60 cm, vorzugsweise kleiner 30 cm aufweist. Eine Verkleinerung einer Vermessungseinheit durch die Verwendung von einem Nanorobotik-Modul in dieser Größe verringert die Schwingungseinkopplung, wobei eine gleichzeitige Beschränkung der Kammer auf diese Größe dazu führt, dass sich ein Vakuum schneller erzeugen lässt.
[45] Auch ein System mit einer Vakuumkammer, in der ein Nanorobotik- Modul angeordnet ist, wobei das Nanorobotik-Modul an einem Kammer- flansch angebracht ist, ist vom Erfindungsgedanken erfasst. Erfolgt die Montage des Nanorobotik-Moduls auf der Innenseite eines Kammerflansches und werden vorzugsweise die zum Betrieb des Nanorobotik-Moduls notwendigen Stromdurchführungen ebenfalls in diesem Flansch integriert, so wird der Kabelbaum von diesen Stromdurchführungen zum Nanorobo- tik-Modul sehr kurz und die gesamte Einheit mit Flansch und mit Nanoro- botik-Modul kann einfach durch Lösen der Flanschschrauben aus der Kammer entfernt werden.
[46] Vorteilhaft ist weiter, wenn das System einen Rechner aufweist, der die einzelnen Schritte einer Messung ansteuert. Dies ermöglicht eine Automatisierung des gesamten Messablaufs und bringt damit eine deutliche Zeitersparnis.
[47] Dabei können sowohl die Vakuumkammer als auch das Nanorobo- tik-Modul jeweils eine Steuerung aufweisen und die Verbindung der Steu- erung kann über eine Schnittstelle erfolgen. Das Vorhandensein einer solchen Schnittstelle ermöglicht das Zusammenführen der Informationen von beiden Einheiten. Eine gemeinsame Schnittstelle ermöglicht es, die Steuerung der beiden Systeme zu verbinden. Über diese Schnittstelle können folgende Funktionalitäten einzeln oder in Kombination erfüllt werden:
1. Die Nanorobotik-Steuerung fragt Informationen zu Komponenten oder Systemzuständen des Kammersystems ab. 2. Die Nanorobotik-Steuerung verändert Komponenten oder Systemzustände des Kammersystems.
3. Die Kammersystem-Steuerung fragt Informationen zu Komponenten oder Systemzuständen der Nanorobotik ab.
4. Die Kammersystemsteuerung verändert Komponenten oder Systemzustände der Nanorobotik.
[48] Die Realisierung eines solchen vereinten Systems bietet zahlreiche Vorteile. Diese sollen im Folgenden exemplarisch verdeutlicht werden:
[49] Fragt ein System die Zustände der Komponenten des anderen Sys- tems ab, so kann es aus diesen Informationen Schlüsse für das eigene Handeln ziehen. So kann die Nanorobotik-Steuerung beispielsweise die Positionen von beweglichen Komponenten des Kammersystems abfragen und weiß daher, wo sich Hindernisse befinden.
[50] Steuert ein System Aktoren des anderen Systems, so kann die Funk- tionalität des eigenen Systems erweitert werden. So kann die Nanorobotik- Steuerung beispielsweise die Probenbühne des Kammersystems bewegen, um auf der Bühne liegende Proben in den Arbeitsbereich der Nanorobotik- Module zu fahren. Diese Sensor-Aktor-Steuerungen können beliebig kombiniert werden und potenzieren damit die Möglichkeiten des gemeinsamen Systems. [51] Wenn eine der beiden Systemsteuerungen (Nanorobotik oder Kammersystem) über eine Automatisierungssoftware verfügt, kann diese auch die Automatisierung des anderen Systems, sowie die Automatisierung aller steuerbaren Sensoren und Aktoren beider Systeme übernehmen. Dies er- möglicht die Automatisierung eines Gesamtsystems, auch wenn dieses aus zwei Einzelsystemen besteht, die zumeist von verschiedenen Herstellern kommen.
[52] Wenn eine unabhängige Automatisierungssoftware mit der Schnittstelle zwischen Kammersystem-Steuerung und Nanorobotik-Steuerung verbunden wird, kann diese die Automatisierung aller steuerbaren Sensoren und Aktoren beider Systeme übernehmen. Dies ermöglicht ebenfalls die Automatisierung des Gesamtsystems. Es spielt also prinzipiell keine Rolle, ob die Automatisierung Bestandteil der Steuerung eines der beiden Einzelsysteme ist oder als eigenständiges Paket über die gemeinsame Schnittstelle agiert.
[53] Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Schnittstelle von einer Automatisierung angesprochen wird. Dabei kann die Automatisierung über Computerprogramme, SPS-Steuerungen, Microcontroller oder Embedded Systems - d. h. in Hardware eingegliederte Computersteuerungen - erfolgen.
[54] Vorteilhafterweise wird die Automatisierung von oft benötigten Abläufen wie das Anfahren von Referenzpunkten, das Fahren in Parkpositionen, das Fahren in Arbeitspunkte sowie das Finden von bestimmten Punk- ten durch eine automatische Wechselwirkung zwischen Kammer- und Sensordaten erreicht.
[55] Eine Automatisierung erlaubt weiterhin das freie Programmieren von Prozessabläufen unter Verwendung der zur Automatisierung zur Ver- fügung stehenden Nanorobotik-Sensoren und vorzugsweise absolut positionierenden Nanorobotik-Aktoren auch in Kombination mit der Verwendung von Softwarevariablen, Formelberechnungen, Schleifen, Fallunterscheidungen und simultan ablaufenden Prozessen.
[56] Das Ansprechen der Schnittstelle erlaubt in einem einzigen Prozess sowohl die Gegebenheiten des Kammersystems als auch die Gegebenheiten am Nanorobotik-Modul zu synchronisieren.
[57] Im Kammersystem befinden sich prinzipiell immer Sensoren und oftmals auch Aktoren, die zur Erfüllung der Funktionalität dieses Kammersystems erforderlich sind. Auch Nanorobotik-Module verfügen über eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren sowie über Endeffektoren. Ein Zusammenfassen dieser Daten und eine Koordination der Belegung der unterschiedlichen Module führt somit zu großer Flexibilität in der Anwendung.
[58] Insbesondere wenn die Nanorobotik-Komponenten oder von ihnen bewegte Endeffektoren Zustandsinformationen über ihre Größe, Beschaf- fenheit, Hub, Zustand, Ausführung, elektrische oder mechanische Parameter enthalten, können diese automatisch ausgewertet, archiviert und insbe- sondere für Handhabungs- Meß- oder Automatisierungsprozesse verwendet werden können.
[59] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung eines erfindungsgemäßen Nanorobotik-Moduls, wobei während einer Messung der Kontakt zwischen Messsonde und Probe unterbrochen wird. Dies ermöglicht die Verwendung von Sonden, die auch lateral eine Auflösung bis zu einzelnen Nanometern haben. Solche Sonden sind entweder berührungslose Sonden, die extrem nahe an der zu vermessenden Oberfläche arbeiten, oder berührende „taktile Sonden", die in Kontakt mit der zu vermessenden Probe treten. Dabei müssen diese Sonden am Ende nahe der Probe so klein sein wie die gewünschte laterale Auflösung an dieser Stelle.
[60] Vorausgesetzt die Sonde und/oder die Probe wird mit genügender Auflösung positioniert, so bestimmt der Durchmesser der Sonde die latera- Ie Ortsauflösung der Messung. Eine Messauflösung von 10 nm erfordert also einen Spitzendurchmesser der Sonde in der gleichen Größenordnung. Das macht deutlich, dass lateral hochauflösende Sonden in der Regel extrem empfindlich sind.
[61] Daher verhinderten bisher zwei Gründe den Einsatz solch empfindli- eher Sonden:
[62] Erstens: Alle Antriebe erzeugen prinzipbedingt Vibrationen während des Betriebs über Strecken, die größer sind als ihr vibrationsfreier Feinpo- sitionierbetrieb. Diese Vibrationen erzeugen Relativbewegungen zwischen Sonde und zu vermessender Probe, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung der Sonde führen oder die Probe ungewollt modifizieren.
[63] Jegliche Dämpfungssysteme, die die Antriebe von Sonde und Probe abkoppeln, verursachen eine Verfälschung der Messergebnisse beispielsweise durch Kriechen oder Dämpfung, thermische Ausdehnung der Dämpfung oder ein Verschleifen der Vibration in eine langsamere Undefinierte Bewegung. Außerdem verursachen Dämpfungen Vakuumprobleme durch das Ausgasen elektrischer Komponenten oder beispielsweise durch spon- tanes Verdampfen eingeschlossener Luft. Eine Integration einer Vibrationsdämpfung würde also die Nanometerpräzision zerstören und wäre vakuumtechnisch problematisch. Die so entstehenden Schwingungen würden zudem in der Regel zu einer Zerstörung der Messsonde führen.
[64] Zweitens: Bereits der reibende Verschleiß während eines im profi- lometerartigen Betrieb üblichen dauerhaften Kontakts zwischen Sonde und Probe zerstört die lateral hoch auflösenden Sonden.
[65] Eine Messung, die nicht im dauerhaften Kontakt zwischen Messsonde und Probe erfolgt, ermöglicht daher ein Umgehen dieser beiden soeben genannten Probleme und die Verwendung der lateral hochauflösenden Sonden. [66] Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des Verfahrens zunächst der Abstand zwischen Messsonde und Probe bis zum Kontakt verringert und dann angehalten.
[67] Dies verhindert ein Eindringen der Messsonde in die Probe und eine damit verbundene Zerstörung der Messsonde selbst sowie eine ungewollte Manipulation der Probenoberfläche.
[68] Wenn der Kontakt von Messsonde und Probe über den gesamten Feinpositionierbereich der Antriebsvorrichtung nicht erreicht wird, kann der Abstand zwischen Sonde und Probe um einen definierten Abstand ver- größert werden, bevor ein grober Annäherungsschritt um weniger als diesen definierten Abstand erfolgt und die erneute Verringerung des Abstands von Probe und Sonde erfolgt. So kann eine Annäherung über viele Zentimeter erfolgen, ohne dass die Sonde überschießt und in die Probe rammt.
[69] Enthält die Sonde gleichzeitig einen Endeffektor mit weiterer Funk- tionalität, so kann dieser Endeffektor mit dieser Annäherungsmethode automatisch an ein Objekt angenähert werden, was den sonst üblichen sehr zeitaufwändigen und für den Endeffektor riskanten manuellen Vorgang ersetzt.
[70] Dabei kann der Positionswert auf der Annäherungslinie gespeichert werden. Dies ermöglicht später eine Darstellung der einzelnen Oberflächenpunkte. [71] Der Positionswert kann weiterhin mit dem Sensorwert moduliert werden. Dies ermöglicht eine weitere Präzisierung der Messung.
[72] In einem nachgeordneten Schritt kann der Abstand von Messsonde und Probe um einen definierten Betrag vergrößert werden und in einem dritten Schritt die Messsonde um eine definierte Strecke seitlich zur Probe bewegt werden. Dadurch wird auch bei großen Variationen der Probenoberfläche ein Eindringen der Messsonde in die Probe verhindert. Zudem wird eine Vermessung größerer Probenoberflächenbereiche möglich.
[73] Die genannten Schritte können wiederholt durchgeführt werden. Da- durch wird eine Vermessung großer Bereiche ermöglicht.
[74] Wenn die Sonde nicht in ihrer dafür vorgesehenen Art zur Messung der Oberflächenkontur ausgewertet wird sondern nur einen Impuls gibt sobald sie einen vordefinierten Signalwert erreicht, so handelt es sich nur noch um die Übermittlung einer Trigger-Information, welche beliebig schnell ausgeführt werden kann.
[75] Wird die Weite für den Rückzug von der Probe durch einen adaptiven Algorithmus beispielsweise kontinuierlich an die Probenstrukturgrößen angepasst, so beschleunigt dies die Messung weiter. Wenn weiter auch die klassische Zoom-Funktion für die Messungen entsprechend realisiert wird, ist die räumliche Vermessung von Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise 2D- und 3D-Konturen, Topographien, Rauheiten sowie diversen Koordinatenmessungen an Objekten in verkürzter Messzeit möglich. [76] Messgeräte, die 3D-Datensätze mit vielen Messpunkten sammeln, scannen den gesamten Messbereich in der dem Messgerät eigenen Auflösung ab und sammeln alle Datenpunkte. In diesen Datensatz kann man später per Software zoomen und sich nach Belieben kleine Ausschnitte anse- hen. Diese Meßmethode würde bei einem Oberflächenmessgerät mit 10 nm Auflösung über einen Messbereich von beispielsweise 50 mm x 50 mm, also 50 Millionen nm x 50 Millionen nm, zumindest Wochen bis Monate dauern.
[77] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine erheblich effekti- vere Zoom-Methode: es werden immer nur so viele Punkte im Raum angefahren und vermessen wie für die Darstellung des gerade interessanten Feldes nötig sind. Zur ersten groben Abbildung einer Münze reichen beispielsweise 100 Punkte in X-Richtung und 20 bis 50 Scans in Y-Richtung, welche schnell gemessen sind.
[78] In diesem groben Übersichtsbild kann nun ein kleiner interessanter Ausschnitt gewählt werden, in dem eine neue Messung mit ähnlich wenigen Datenpunkten ähnlich schnell durchgeführt wird. Anstelle vom Software-Zoom in einem immens überdimensionierten Datenfeld wird jeweils nur der interessante Bereich vermessen. Die Messzeit hängt im Wesentli- chen nicht von dem Messbereich ab sondern von der Anzahl der zu messenden Punkte. Dies ist ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu klassisch rasternden Geräten, deren Messzeit hauptsächlich von der Messstrecke abhängt. [79] Die Messsonde kann auch bis zum Kontakt seitlich zur Probe bewegt werden. Wird so die Bewegung durch den Kontakt der Messsonde zur Probe gestoppt, wird auch bei der seitlichen Bewegung ein Eindringen der Messsonde in die Probe verhindert.
[80] In einem nachgelagerten Schritt kann mit der Rastermethode im direkten Kontakt mit der Probe gemessen werden. Dadurch lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Rastermethode kombinieren. Dies ermöglicht eine Steigerung der Geschwindigkeit und der Auflösung im Vergleich zur reinen Rastermethode sowie zur Methode gemäß dem erfin- dungsgemäßen Verfahren.
[81] Ein Rechner kann die einzelnen Schritte nacheinander ansteuern. Dies ermöglicht eine Automatisierung sowie das Sammeln von mehr Datenpunkten in einem geregelten Zeitraum.
[82] Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Messung entlang beliebiger Raumrichtungen erfolgt, wodurch die Messung nicht auf die Achsrichtung der Antriebe beschränkt ist.
[83] Die Messung kann Oberflächenkonturen folgen und durch Reihen von Messungen können Oberflächen abgerastert werden.
[84] Mit geeigneten Sonden können Oberflächenkonturen, Innenkonturen von Hohlräumen, Unterschneidungen, Außenkonturen, Extremallinien, tiefe Gräben oder scharfe Schneiden mit Nanometerpräzision in bis zu drei Dimensionen vermessen werden. [85] Vorteilhaft ist, wenn die ermittelten Messdaten ausreichen Rauheiten zu ermitteln. Demnach können aus den Messdaten Konturen und Dimensionen von Objekten nach diversen Normdefinitionen mit Nanometerpräzi- sion in bis zu drei Dimensionen ermittelt werden.
[86] Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft einen Wechseladapter, insbesondere zum Wechseln von erfindungsgemäßen Nanorobotik- Modulen, dadurch gekennzeichnet, dass er ein elektrisches Stecksystem mit einem Stecker und einer Buchse und eine mechanische Befestigungseinheit mit einer mechanischen Führung und einen Schlitten aufweist. Selbstverständlich ist auch eine entgegen gesetzte Anordnung der Module des elektrischen Stecksystems und der mechanischen Befestigungseinheit sinnvoll.
[87] Die Verwendung eines solchen Wechseladapters ermöglicht es, das Nanorobotik-Modul aus der Messeinrichtung zu entfernen. Dies ist insbe- sondere im Betrieb in Vakuumkammern von Vorteil, da so eine Entfernung aus der Kammer ohne einen durch ein Kabelset eingeschränkten Bewegungsraum ermöglicht ist.
[88] Gleichzeitig zur mechanisch lösbaren Befestigung in der Kammer wird hier ein zusätzliches elektrisches Stecksystem mit vielen Steckkon- takten vorgesehen. Eine Kombination der beiden Stecksysteme ist notwendig, da der elektrische Steckvorgang mit der Anzahl der Kabeladern mit zusätzlichem Risiko behaftet ist. Je größer der Stecker ist, der am Ende eines Kabelbaums hängt, desto gefährdeter ist das gesamte Nanorobotik- Modul, da mit der Anzahl der Pole eines elektrischen Steckers auch die Kraft für den Ein- und Aussteckvorgang üblicherweise zunimmt. Das Ausstecken dieses Steckers kann diverse Zerstörungen an dem Nanorobo- tik-Modul sowie an dem Kammerequipment beim Einbau in eine Vakuum- kammer zur Folge haben.
[89] Dabei sind auch an die mechanische Verbindung bestimmte Anforderungen zu stellen. Beim fixierten Zustand darf keinerlei mechanisches Spiel Vibrationen in das Nanorobotik-Modul einkoppeln. Bei massiver Befestigung liegen die Vibrationen im Schnitt bei Werten kleiner 10 nm, was eine Voraussetzung für die Nanometer-Präzision des Nanorobotik-Moduls ist. Auch sollte die Positionierung nach Aus- und Einbau möglichst exakt am gleichen Ort enden, damit die Position des am Nanorobotik-Modul befestigten Endeffektors an gleicher Stelle bleibt. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht im Gegensatz zu simplen Fixierungen wie beispielsweise nur mit Schrauben und Gewinden ein exakt reproduzierbares Positionieren.
[90] Dabei kann die Buchse des elektrischen Stecksystems eine Verbindung mit der Führung der mechanischen Befestigungseinheit und der Stecker eine Verbindung mit dem Schlitten der mechanischen Befestigungseinheit aufweisen. Auch eine Verbindung der Buchse mit dem Schlitten und des Steckers mit der Führung ist denkbar. Diese Befestigung ermöglicht eine Vorjustierung der beiden Einheiten.
[91] Vorteilhaft ist es, wenn Stecker und Buchse oder zumindest einer von beiden jeweils schwimmend auf den Teilen der mechanischen Befesti- gungseinheit gelagert sind. Diese lassen sich dann relativ kraftfrei bewegen und können den beim Zusammenstecken auftretenden Scherkräften gefahrlos ausweichen. Selbstverständlich ist es auch ausreichen wenn nur der Strecker oder die Buchse schwimmend gelagert ist.
[92] Von Vorteil ist hier insbesondere, wenn die schwimmende Lagerung so wenig Spiel hat, dass Stecker und Buchse sich noch sicher selbst zentrieren können aber gleichzeitig so viel Spiel haben, dass beim mechanischen Fixieren keine oder nur geringe Scherkräfte auf die elektrische Steckverbindung ausgeübt werden.
[93] Dabei können die Teile des elektrischen Stecksystems eine Fixierung mit den Teilen der mechanischen Befestigungseinheit aufweisen. Dadurch werden der Stecker und sein Gegenstück einmalig mechanisch in der Idealposition fixiert, ohne dass dabei erneut Querkräfte auftreten. Da die Grundjustage nur einmal erfolgen muss, kann der Aufwand dafür erheblich höher sein.
[94] Eine Variante der Kraftfeinfixierung dieser Optimalposition ist die Verwendung von vakuumtauglichem Kleber. Dieser Kleber muss mechanisch so stabil sein, dass er nicht beim Betrieb des Wechseladapters weggesprengt wird. Eine Lösung dafür ist die Erzeugung von Spalten, die mit Kleber gefüllt werden: Eine Seite der Klebestelle fixiert den Stecker beziehungsweise sein Gegenstück, die andere Seite schließt mit einem massiven Block ab, der nicht beweglich ist. Eine oder mehrere dieser unverrückba- ren Klebestellen halten Stecker beziehungsweise Gegenstück in ihrer Idealposition und können gleichzeitig hohen Einstellkräften standhalten.
[95] Der Stecker und die Buchse können mindestens einen Steckkontakt aufweisen. Bei komplexen Mess- oder Endeffektor-Systemen werden al- lerdings in der Regel mehrere Steckkontakte notwendig sein.
[96] Vorteilhafterweise weist die mechanische Befestigungseinheit eine Fixierung für Schlitten und Führung auf. Dadurch wird ein einfaches Einschieben des Schlittens in die Führung möglich und daran angeschlossen kann die Fixierung erfolgen. Damit ist es möglich, das Nanorobotik-Modul mit nur einer Hand schnell und einfach einzustecken und wenn nötig loszulassen, um beispielsweise mit der Hand umzugreifen und das Nanorobotik-Modul anschließend zu fixieren.
[97] Dabei ist für die Führung eine Präzision von mehr als 300 μm, vorzugsweise im Bereich weniger μm vorteilhaft. Dadurch wird eine positi- onsgenaue Lokalisierung des Nanorobotik-Moduls möglich. Ebenfalls der genauen Positionierung kann dienlich sein, wenn die Führung Spiel und Vibrationen von weniger als 1 μm, vorzugsweise von unter 100 nm aufweist.
[98] Ein besonders einfaches Herstellungsverfahren sieht vor, dass die mechanische Fixierung aus Metall ist. Auch eine Herstellung aus Keramik kann im Lichte der Verwendung im Vakuum vorteilhaft sein. [99] Ein weiterer Gedanke der Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Wechseln von Nanorobotik-Modulen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nanorobotik-Modul zunächst mechanisch fixiert und elektrisch verbunden wird.
[100] Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren mit einem Wechseladapter, insbesondere zum Wechseln von Nanorobotik-Modulen wobei eine Vermessungseinheit mechanisch fixiert und elektrisch verbunden wird.
[101] Das Verfahren ermöglicht es beispielsweise, ein Nanorobotik-Modul an einer reproduzierbaren Position mechanisch zu fixieren und gleichzeitig einen elektrischen Steckkontakt herzustellen. Durch die Kombination beider Schritte ist es möglich, das Nanorobotik-Modul gleichzeitig vibrationsfrei an genau vordefinierter Position zu fixieren, ohne dass eine Relativbewegung und die damit verbundenen hohen Scherkräfte Stecker und Buchse zerstören oder zumindest schwergängig zu machen und den Verschleiß erhöhen.
[102] Vorteilhaft ist hierbei, wenn der mit der Vermessungseinheit verbundene Stecker in einem vorgelagerten Schritt an der Schlittenmechanik vorfixiert wird und die mit dem Kabelstrang verbundene Buchse in einem vorgelagerten Schritt mit dem Kabelstrang auf einer Führungsmechanik vorfixiert wird. [103] Diese Vorfixierung, beispielsweise über eine nur sehr locker fixierte Verschraubung, hat den Vorteil, dass die Steckeinheiten damit zueinander beweglich bleiben.
[104] In einem ersten Schritt können kann der Schlitten in die Führung in einer Weise eingeschoben wird, dass das Nanorobotik-Modul sicher von selber seine Position hält. Dies ermöglicht beispielsweise ein Umgreifen beim Einbau.
[105] In einem zweiten Schritt kann der Schlitten weiter in die Führung geschoben werden und damit Stecker und Buchse elektrisch verbunden werden. Dabei wird zuerst das mechanische Stecksystem vibrationsfrei an genau vordefinierter Position mit der mechanischen Fixierung verbunden. Die elektrischen Steckmodule lassen sich noch relativ kraftfrei bewegen und können damit den dabei auftretenden Scherkräften gefahrlos ausweichen.
[106] Nun werden Stecker und Buchse noch einmal aneinander gedrückt, um auch die elektrische Verbindung vollständig und sicher herzustellen. Anschließend werden der elektrische Stecker und die Buchse einmalig mechanisch in dieser Idealposition fixiert, ohne dass dabei erneut Scherkräfte auftreten.
[107] Eine Möglichkeit der Fixierung der Stecksystemkomponenten mit den Komponenten der mechanischen Befestigungseinheit ist die Verbindung durch Kleben an einer durch eine Grundjustage ermittelten Position. Soll der Adapter in Vakuum verwendet werden, ist die Verwendung von vakuumtauglichem Kleber vorteilhaft. Dieser Kleber muss mechanisch so stabilisiert sein, dass er nicht beim Betrieb des Wechseladapters weggesprengt wird.
[108] Eine Lösung dafür ist die Erzeugung von Spalten, die mit dem Kleber gefüllt werden. Eine Seite der Klebestelle fixiert den Stecker beziehungsweise die Buchse, die andere Seite schließt mit einem massiven Block ab, der nicht beweglich ist. Eine oder mehrere dieser unverrückbaren Klebestellen halten den Stecker beziehungsweise die Buchse in ihrer Idealposition und können trotzdem auch hohen Einsteckkräften stand halten. Denkbar ist auch eine Fixierung mittels einfachen Klebepunkten. Diese Fixierung ist nur provisorischer Natur und soll nur ausreichen, damit eine Kraft aus mindestfeste mechanische Fixierung von Stecker beziehungsweise Buchse diese nicht beim Fixieren aus der Idealposition be- wegt. So kann eine mechanisch stabile Fixierung erreicht werden, auch wenn die Klebestellen den Einsteckkräften nicht auf die Dauer standhalten könnten. Diese provisorische Klebefixierung könnte prinzipiell auch durch mechanisches Klemmen oder beispielsweise magnetisch erfolgen, wenn es gelingt solche Fixierungen ohne Verrutschen der Komponenten auszufüh- ren.
[109] in einem dritten Schritt der Stecker und der Schlitten sowie die Buchse und die Führung in einem nachgelagerten Schritt endgültig mecha- nisch fixiert werden. Dadurch wird das Nanorobotik-Modul positionsgenau und schwingungsfrei fixiert.
[110] Vorteilhafterweise erfolgt die endgültige Fixierung des Nanorobo- tik-Moduls an einer reproduzierbaren Position. Dadurch wird der direkte Einsatz des Nanorobotik-Moduls in dieser Position möglich.
[111] Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die endgültige Fixierung des Nanorobotik-Moduls weitestgehend schwingungsfrei erfolgt. Dadurch werden Messungen im Nanometerbereich möglich.
[112] Auch eine endgültige Fixierung des Nanorobotik-Moduls in stabiler Weise verringert die Einkopplung von Schwingungen und erhöht die Messgenauigkeit.
[113] Ein weiterer Gedanke der Erfindung umfasst ein System mit einem Wechseladapter und mit einem zusätzlichen Basisteil dieses Wechseladapters mit Führung und Buchse, mit einer Vermessungseinheit, mindestens einem Kabelbaum, mindestens einer Elektronik und einer Vakuumkammer, wobei die auf der Schiene mit Stecker befestigte und elektrisch verbundene Vermessungseinheit mit beiden Basisteilen verbindbar ist.
[114] Dadurch kann eine Nanorobotik-Einheit sowohl in Aufbauten in Vakuumkammern, als auch in Aufbauten außerhalb des Vakuums verwen- det werden. Das Nanorobotik-Modul kann zwischen Vakuumkammeranwendung und Luftanwendung einfach umgesteckt werden, vorzugsweise ohne dass dabei Kabelbäume aus der Vakuumkammer entfernt werden müssen.
[115] Vorteilhaft ist dabei der flexible Einsatz des zumeist teuren Nanoro- botik-Moduls in zwei verschiedenen Umgebungen: Innerhalb der Vaku- umkammer und gleichzeitig beispielsweise an Luft in einer Rahmenkonstruktion, die ebenfalls den ortsfesten Teil des Wechseladapters und einen fest verlegten Kabelbaum bietet. Damit können alle für die Vakuumkammern entwickelten beschriebenen Vorteile und Meßmethoden der SD- Vermessungseinheit auch an Luft verwendet werden. Wenn die beiden Ka- beibäume von Vakuumkammer und Luftaufbau auch noch zur gleichen Elektronik führen und dort nach Bedarf umgesteckt werden, ergibt sich ein doppelt nutzbares System zum Preis von einem plus Kabelbaum und ortsfestem Teil des Wechseladapters. Dies ermöglicht einen sehr kostensparenden Aufbau, da diese Komponenten den geringsten Kostenteil darstel- len.
[116] Die Erweiterung des Wechseladapterprinzips auch auf den Endeffektor erleichtert insbesondere den Wechsel von Endeffektoren, die wählbar eine Reihe von elektrischen Zuführungen benötigen. Dabei können diese Endeffektoren aus dem eigentlichen Sensor oder Aktor bestehen, der je- weils auf einem standardisierten Adapter vormontiert ist.
[117] Der Adapter geht in den beweglichen Teil des Wechseladapters über oder stellt bereits den beweglichen Teil des Wechseladapters dar. [118] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigen
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Nanorobotik-Moduls in einer Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops bzw.
Rasterionenmikroskops,
Figur 2 einen schematischen Aufbau eines Nanorobotik-Moduls in einer Vakuumkammer einer Aufdampfkammer zur Beschich- tung von Materialien,
Figur 3 einen schematischen Aufbau eines Nanorobotik-Moduls in einer Vakuumkammer einer Analysenkammer,
Figur 4 einen schematischen Aufbau eines Nanorobotik-Moduls in einer Vakuumkammer einer Reinstraumkammer, die unter Vakuum, Schutzgas oder als Miniatur-Reinraum mit gefilterter Luft betrieben werden kann,
Figur 5 schematisch einen Aufbau mehrerer Nanorobotik-Module in einem Kammersystem mit Handsteuerung,
Figur 6 schematisch einen Aufbau eines Nanorobotik-Moduls mit automatisierter Steuerung, Figur 7 schematisch einen Aufbau einer Kombination eines Kammersystems und eines Nanorobotik-Moduls über eine Schnittstelle,
Figur 8 schematisch einen Aufbau einer Kombination beider Systeme über eine Schnittstelle und die Automatisierung des Gesamtsystems,
Figur 9 schematisch einen Aufbau eines Wechseladapters,
Figur 10 die einzelnen Schritte des Funktionsprinzips der Spechtmethode zur Oberflächenvermessung entlang einer Linie,
Figur 11 schematisch das Funktionsprinzip der Spechtmethode entlang mehrerer Linien und
Figur 12 schematisch das Funktionsprinzip der Spechtmethode angewendet auf eine beliebig geformte Innenkontur.
Figur 13 ein Ausführungsbeispiel eines Nanorobotik-Moduls.
[119] Wie in Figuren 1 bis 4 dargestellt ist ein Nanorobotik-Modul 2, 12, 22, 32 sowie jeweils ein Probentisch 5, 15, 25, 35 in einer Vakuumkammer unterschiedlicher Funktion 3, 13, 23, 33 angeordnet. Die Figuren 1 bis 4 zeigen Abwandlungen dieses Grundaufbaus. Es kann je nach Anwendung ein Rasterelektronenmikroskop beziehungsweise ein Rasterionen- mikroskop 4 oder eine Vorrichtung zum Bedampfen von Materialien 16 Verwendung finden. Zusätzlich zu diesen Bestandteilen können sich diver- se Analysegeräte 27, 28, 29 in der Kammer befinden. Bei einer in Figur 4 dargestellten Verwendung des Nanorobotik-Moduls in einer Vakuumkammer einer Reinstraumkammer, die unter Vakuum, Schutzgas oder als Miniatur-Reinraum mit gefilterter Luft betrieben werden kann, liegt auf dem Probentisch 35 beispielsweise ein zu vermessender Wafer 38.
[120] Das in Figur 5 abgebildete System besteht aus einem Kammersystem 41 mit verschiedenen Nanorobotik-Modulen 42, 46 die sowohl Aktoren als auch Sensoren aufweisen können, zwei Controllern der Nanorobotik- Module 43, 47, zwei Schnittstellen zwischen Controllern und Handsteue- rung 44, 48 und einer Handsteuerung 45, beispielsweise einem Joystick, Gameport, Keypad, Tastatur, graphischer Benutzerschnittstelle oder Sprachsteuerung .
[121] Figur 6 zeigt wie die Handsteuerung durch eine Automatisierung A, beispielsweise in Form von Computerprogrammen, SPS-Steuerung, Mik- rocontroller oder Embedded Systems, d.h. in Hardware eingegliederte Computersteuerungen, ersetzt werden kann.
[122] Figur 7 zeigt die Verbindung des Kammersystem 61 mit der manuellen Steuerung 66 des Kammersystems und des Nanorobotik-Moduls 62 mit der manuellen Steuerung 65 des Nanorobotik-Moduls über eine Schnitt- stelle 67 zwischen Kammersystemsteuerung 66 und Nanorobotik- Steuerung 65. Diese Schnittstelle 67 ermöglicht es Daten zwischen den unterschiedlichen Steuerungen 65, 66 zu vermitteln. [123] Die Figur 8 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten eines Einbaus einer Automatisierung als entweder eines Bestandteils der beiden Einzelsysteme, als Bestandteil der Kammersteuerung Al oder als Bestandteil der Steuerung des Nanorobotik-Moduls A2, oder als eigenständigen Bestand- teil an der gemeinsamen Schnittstelle A3.
[124] Gemäß eines Ausführungsbeispiels wird die Automatisierung durch ein Softwarepaket des Nanorobotik-Moduls 72 realisiert, also durch Modul A2 in Figur 5. Diese Automatisierung hat in ähnlicher Weise wie die manuelle Steuerung Zugriff auf die Funktionseinheiten der Nanorobotik 72. Außerdem hat sie Zugriff auf die Schnittstelle 77 des Kammersystems und kann über diese die Funktionalität des Kammersystems 71 in ähnlicher Weise nutzen wie eine manuelle Steuerung des Kammersystems.
[125] Eine benutzerfreundliche Variante dieses Systems ist die Integration der Funktionsmodule der Kammersteuerung 76 in die Benutzeroberfläche der manuellen Nanorobotik-Steuerung 75. Damit erscheint die Summe aller Funktionalitäten des Gesamtsystems in der Benutzeroberfläche der manuellen Nanorobotik-Steuerung 75. Eine Automatisierung A2, die eine programmierbare Steuerung aller so in die manuelle Nanorobotik- Steuerung 75 integrierter Funktionsmodule erlaubt, entspricht der homo- genen Automatisierung des Gesamtsystems.
[126] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Automatisierung ist eine Art Rekorder, der Befehlsabläufe der manuellen Steuerung mitschreibt und diese später automatisiert wiedergibt. Enthält eine solche Au- tomatisierungssoftware auch noch die Grundfunktionen aller Programmsprachen wie Gruppierung von Befehlen zu Funktionen, Erstellung von Schleifen und Fallunterscheidungen sowie die Nutzung von Variablen und Formeln, so kann diese Automatisierung A2 des Gesamtsystems beliebig komplexe Aufgabenstellungen des Gesamtsystems lösen.
[127] Der in Figur 9 abgebildete Wechseladapter besteht aus einem Nano- robotik-Modul 81, einer mechanischen Befestigungseinheit 82, bestehend aus Führung 83 und Schiene 84, wobei ein Stecker 85 auf der Schiene 84 und eine Buchse 86 als Gegenstück zum elektrischen Stecker 85 mit Ka- belset 87 auf der Führung 83 befestigt ist. Der nur lose befestigte Stecker 85 schiebt sich beim Einführen der Schiene 84 in die Führung 83. Dabei schiebt sich der nur lose befestigte Stecker 85 in die ebenfalls nur lose befestigte Buchse 86, die jeweils anschließend mechanisch vollständig fixiert werden. Erst in einem nächsten Schritt erfolgt dann die Fixierung der Schiene 84 in der Führung 83 mit Hilfe der mechanischen Befestigungseinheit 88.
[128] Figur 10 zeigt die einzelnen Schritte des Funktionsprinzips zur O- berflächenvermessung entlang einer Linie. In Schritt 1 erfolgt eine Annäherung ohne Überschießen bis in Schritt 2 die Sonde die Probe erkennt. Jetzt wird der Positionswert der annähernden Achse gespeichert. Anschließend erfolgt ein Rückzug um ein frei definierbares Stück, vorzugsweise ebenfalls im geregelten Modus ohne Überschießen mit Bewegungsabbruch bei Kontakt. Diese Schritte dieses Vorgangs können wiederholt werden. Ob die Sonde 1 sich bei diesem Vorgang der Probe 2 nähert oder die Probe 2 der Sonde oder beides macht prinzipiell keinen Unterschied.
[129] Erfolgt wie in Figur 11 dargestellt die Oberflächenvermessung entlang vieler Linien durch die wiederholte Anwendung der Schritte zur An- näherung und Messung, so entsteht ein 3D-Datensatz der Oberflächentopographie.
[130] Wie in Figur 12 dargestellt kann die Messmethode auch auf eine beliebige Form der Innenkontur angewendet werden. Hierbei zeigen die Pfeile die Bewegung der Messspitze. Analog zu Figur 8 werden viele Scans nebeneinander durchgeführt, so kann auch hier ein 3D-Datensatz von Innen- und Außenkonturen erstellt werden.
[131] Ein Ausführungsbeispiel eines Nanorobotik-Moduls ist in Figur 13 gezeigt.

Claims

Patentansprüche:
1. Nanorobotik-Modul, insbesondere zur Vermessung von Oberflächeneigenschaften, mit einer Antriebsvorrichtung, dadurch gekenn- zeichnet, dass es eine Vermessungseinheit mit einer Messsonde mit einer Auflösung im Nanometerbereich und einen Messbereich im Zentimeterbereich aufweist.
2. Nanorobotik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde in mehreren Raumrichtungen sensitiv ist.
3. Nanorobotik-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermessungseinheit entlang mehrerer Dimensionen beweglich ist.
4. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung piezoelektrisch oder vergleichbar getriebene Antriebe aufweist.
5. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung Positionssensoren aufweist.
6. Nanorobotik-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoren eine Auflösung im Nanometerbereich aufweisen.
7. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung thermisch kompensiert aufgebaut ist.
8. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Achsfehler der Antriebsvorrichtung auf den Nanometerbereich reduziert sind.
9. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanorobotik-Modul ein Volumen kleiner 50 x 50 x 50 cm3 aufweist.
10. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betrieb im Vakuum geeignet ist.
11. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Antriebe aufweist.
12. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Sonden aufweist.
13. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanorobotik-Modul einem Endeffektor, mit eigenen Sensor- und/oder Aktoreigenschaften aufweist und durch die Sonde an eine Probe angenähert werden kann.
14. Nanorobotik-Modul nach einem der vorhergehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanorobotik-Komponenten insbesondere von ihnen bewegte Endeffektoren oder Sonden eine Speichereinrichtung für Zustandsinformationen insbesondere über ihre Größe, Beschaffenheit, Hub, Zustand, Ausführung, elektrische oder mechanische Parameter aufweisen.
15. System mit einer Vakuumkammer in der ein Nanorobotik-Modul insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer ein freies Innenvo- lumen mit einer Kantenlänge kleiner 60 cm, vorzugsweise kleiner 30 cm aufweist.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanorobotik-Modul an einem Kammerflansch, an der Kammerdecke, Kammerwand oder einer Probenbühne befestigt ist.
17. System nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Rechner oder Controller aufweist, der die einzelnen Schritte einer Messung ansteuert.
18. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer und das Nanorobotik-Modul jeweils eine Steuerung aufweisen und die Verbindung der Steuerungen eine
Schnittstelle aufweist.
19. System nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle von einer Automatisierung angesprochen wird.
20. Verfahren zur Verwendung eines Nanorobotik-Moduls insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Messung der berührende oder berührungsfreie Kontakt zwischen Messsonde und Probe unterbrochen wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Messsonde und Probe bis zum berührenden oder berührungsfreien Kontakt verringert wird und dann anhält.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Kontakt von Messsonde und Probe über den gesamten Feinpositionierbereich der Antriebsvorrichtung nicht erreicht wird, der Abstand zwischen Sonde und Probe um einen definierten Abstand vergrößert wird bevor ein grober Annäherungsschritt um weniger als diesen definierten Abstand erfolgt und die erneute Verringerung des Abstandes von Sonde und Probe erfolgt.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionswert auf der Annäherungslinie gespeichert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionswert mit dem Sensorwert moduliert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachgeordneten Schritt der Abstand von Messsonde und Probe um einen definierten Betrag vergrößert wird und in einem dritten Schritt die Messsonde um eine definierte Stre- cke seitlich zur Probe bewegt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte eins bis vier gemäß der Ansprüche 19 bis 23 wiederholt durchgeführt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Messsonde bis zum berührenden oder berührungsfreien Kontakt seitlich zur Probe bewegt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachgelagerten Schritt mit der Rastermethode im geregelten Kontakt mit der Probe gemessen wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner oder Controller die einzelnen Schritte ansteuert.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung entlang beliebiger Raumrichtungen er- folgen kann,.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung Oberflächenkonturen folgt und durch Reihen von Messungen Oberflächen abgerastert werden.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekenn- zeichnet, dass die ermittelten Messdaten ausreichen Rauheiten zu ermitteln.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Zustandseinformationen über die Nanorobotik- Komponenten oder von ihnen bewegte Endeffektoren insbesondere Sonden ausgelesen werden, welche automatisch ausgewertet, archiviert und insbesondere für Handhabungs- Meß- oder Automatisierungsprozesse verwendet werden.
34. Wechseladapter insbesondere zum Wechseln von Nanorobotik- Modulen insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ein elektrisches Stecksystem mit einem Stecker und einer Buchse und eine mechanische Befestigungseinheit mit einer mechanischen Führung und einem Schlitten aufweist.
35. Wechseladapter nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse des elektrischen Stecksystems eine Verbindung mit der Führung der mechanischen Befestigungseinheit und der Stecker eine
Verbindung mit dem Schlitten der mechanischen Befestigungseinheit aufweisen.
36. Wechseladapter nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker und die Buchse jeweils schwimmend auf den Teilen der mechanischen Befestigungseinheit gelagert sind.
37. Wechseladapter nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmende Lagerung so wenig Spiel hat, dass Stecker und
Buchse sich noch sicher selbst zentrieren können, aber gleichzeitig so viel Spiel hat, dass beim mechanischen Fixieren keine oder nur geringe Scherkräfte auf die elektrische Steckverbindung ausgeübt werden.
38. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des elektrischen Stecksystems eine Fixierung mit den Teilen der mechanischen Befestigungseinheit aufweisen.
39. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 38, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Stecker und die Buchse mindestens einen
Steckkontakt aufweisen.
40. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Befestigungseinheit eine Fixierung für Schlitten und Führung aufweist.
41. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung eine Präzision von mehr als 300 Mikrometer, vorzugsweise im Bereich weniger Mikrometer aufweist.
42. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung Spiel und Vibrationen von weniger als einem Mikrometer, vorzugsweise im Bereich unter 100 Nanome- ter aufweist.
43. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Befestigungseinrichtung aus Metall hergestellt ist.
44. Wechseladapter nach einem der Ansprüche 34 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Befestigungseinrichtung aus Keramik hergestellt ist.
45. Verfahren mit einem Wechseladapter insbesondere nach einem der Ansprüche 34 bis 44 insbesondere zum Wechseln von Nanorobotik- Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vermessungseinheit mechanisch fixiert und e- lektrisch verbunden wird.
46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Vermessungseinheit verbundene Stecker in einem vorgelagerten Schritt mit dem Schlitten mechanisch vorfixiert wird und die mit dem Kabelstrang verbundene Buchse in einem vorgelagerten Schritt mit dem Kabelstrang auf einer Führung mechanisch vorfixiert wird.
47. Verfahren nach Anspruch 45 oder 46, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Schlitten in die Führung in einer Weise eingeschoben wird, dass das Nanorobotik-Modul sicher von selber seine Position hält.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt der Schlitten weiter in die Führung geschoben wird und damit Stecker und Buchse elektrisch verbunden werden.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 48, dadurch gekenn- zeichnet, dass in einem dritten Schritt der Stecker und der Schlitten sowie die Buchse und die Führung in einem nachgelagerten Schritt endgültig mechanisch fixiert werden.
50. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Fixierung des Nanorobotik-Moduls an einer reproduzierbaren Position erfolgt.
51. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Fixierung des Nanorobotik-Moduls weitestgehend schwingungsfrei erfolgt.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 51, dadurch gekenn- zeichnet, dass die endgültige Fixierung des Nanorobotik-Moduls stabil erfolgt.
53. System mit einem Wechseladapter insbesondere nach einem der Ansprüche 34 bis 44 und mit einem zusätzlichen Basisteil dieser Wech- selvoπichtung mit Führung und Buchse, mit einem Nanorobotik- Modul insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mindestens einem Kabelbaum, mindestens einer Elektronik und einer Vakuumkammer, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Schlitten mit Stecker befestigte und elektrisch verbundene Nanorobotik-Modul mit beiden Basisteilen verbindbar ist.
54. System mit einem Wechseladapter insbesondere nach einem der An- Sprüche 34 bis 44, mit einem Nanorobotik-Modul mit einem Endef- fector insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mindestens einem Kabelbaum, einer Elektronik und einer Vakuumkammer, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechseladapter zwischen dem Nanorobotik-Modul und dem Endeffector angeordnet ist.
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