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Dokumentenidentifikation DE3610540C2 30.03.1989
Titel Mikromanipulator zur Mikrobewegung von Objekten
Anmelder Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich, DE
Erfinder Besocke, Karl-Heinz, 5170 Jülich, DE
DE-Anmeldedatum 27.03.1986
DE-Aktenzeichen 3610540
Offenlegungstag 01.10.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.03.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1989
IPC-Hauptklasse B25J 7/00
IPC-Nebenklasse G12B 1/00   G01N 1/28   G02B 21/26   H01J 37/20   
Zusammenfassung Zur Mikrobewegung von Objekten, insbesondere zur Bewegung mikroskopisch zu untersuchender Objekte, sind Mikromanipulatoren geeignet, bei denen zur Objektmanipulation piezoelektrische Bewegungselemente verwendet werden, die durch Anlegen elektrischer Spannung verformbar sind. Eine präzise Steuerung der Bewegungsabläufe wird durch Ausbildung zumindest eines Teils der Bewegungselemente als Hohlzylinder aus piezoelektrischem Material erreicht (Fig. 2 und 2a, Bezugszeichen 9). Die Hohlzylinder weisen auf einer ihrer Zylinderwände einen geschlossenen elektrisch leitfähigen Belag (10), auf ihrer anderen Zylinderwand mehrere, gegeneinander elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige Teilbeläge (11, 12, 13, 14) auf. Die Teilbeläge erstrecken sich auf der Zylinderwand bevorzugt in Richtung der Zylinderachse (16). Auf einer ihrer Stirnseiten sind die Bewegungselemente mit einer Objektauflage (5) versehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikromanipulator zur Mikrobewegung von Objekten, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist. Der Mikromanipulator dient insbesondere zur Bewegung und Manipulation von Objekten, die mikroskopisch zu untersuchen sind.

Mechanisch hochpräzise Bewegungsabläufe sind in zunehmendem Maße in der modernen Mikrotechnik erforderlich. Es werden dazu vor allem piezoelektrische Elemente eingesetzt, deren reproduzierbare Längenänderung bei Anlegen einer vorgegebenen elektrischen Spannung ausgenutzt wird.

Mikromanipulatoren dieser Art sind aus der US-PS 32 33 749 sowie aus DE-AS 27 33 924 bekannt. Der in der US-PS 32 33 749 beschriebene Mikromanipulator dient zur Bewegung von Bearbeitungseinrichtungen, die hochpräzise Bewegungen erfordern, wie es bei Bearbeitung unter Verwendung eines Elektronenstrahls oder eines Lichtstrahls beispielsweise für Graphierungen oder Veränderungen von Mikrostrukturen erforderlich ist oder bei Meßeinrichtungen im Mikrobereich. Beim Mikromanipulator nach DE-AS 27 33 924 werden piezoelektrische Hohlzylinder zur Bewegung einer Platte in einer Ebene eingesetzt.

Sehr präzise Mikrobewegungen von Objekten sind beispielsweise beim Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM) von G. Binnig und H. Rohrer notwendig, vgl. Helvetia Phys. Acta 55, 1982, S. 726. Das RTM erfordert ein Höchstmaß an Präzision und Stabilität für die Bewegung des jeweils zu untersuchenden Objektes. Sowohl für das Abrastern des Objektes als auch für die Objektmanipulation sind Präzisionsbewegungen im Nanometerbereich für das Erzielen gewünschter Ergebnisse Voraussetzung, wobei die Bewegungen zuverlässig, reproduzierbar und rasch durchgeführt und gesteuert werden müssen.

Die bisher bekannten Stellelemente für RTM's verwenden eine Kombination von drei piezoelektrischen Stellgliedern für die Rasterung (ein Dreibein mit je einem Stellglied in den drei Koordinatenrichtungen x, y, z) und weitere Stellglieder für die Objektmanipulation, die entweder piezoelektrisch, elektromagnetisch oder mechanisch arbeiten, G. Binnig und H. Rohrer, "Das Raster-Tunnelmikroskop", Spektrum der Wissenschaft, 1985, S. 62/68; J. Moreland et al, "Elektromagnetic Squeezer for Compressing Squeezable Electron Tunnel Junctions", Rev. Sci, Instrum. 53, 1984, S. 399. Diese in ihrem Aufbau komplexen Stellelemente sind störanfällig, Vibration und Temperaturdrift lassen sich kaum vermeiden. Eine Drehbewegung der Objekte ist nicht möglich. Kritisch sind auch die hohen elektrischen Spannungen, die für den Betrieb der als Dreibein angeordneten Piezokeramiken notwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikromanipulator zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine präzise Steuerung der Objektbewegung gestattet, wobei auch ein Kippen und Drehen des Objekts ermöglicht werden soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Mikromanipulator der eingangs genannten Art durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Danach sind zur Lagerung des Objekts zumindest zu einem Teil hohlzylinderartige Bewegungselemente aus piezoelektrischem Material vorgesehen, die das Objekt abstützen. Die Bewegungselemente weisen an einer ihrer Stirnseiten ein Auflager für das Objekt auf. Die Stützpunkte der Bewegungselemente werden durch Anlegen elektrischer Spannungsverläufe am Bewegungselement, die eine Verformung des piezoelektrischen Materials verursachen, in ihrer Lage jeweils derart verändert, daß sich das von den Bewegungselementen gestützte Objekt in gewünschter Richtung innerhalb der durch Auflage des Objekts auf den Trägern vorgegebenen Ebene bewegt. Diese Bewegung kann rein translatorisch sein, das Objekt kann von den Bewegungselementen aber auch um eine Achse gedreht oder gekippt werden. Hierzu ist jedes der drei piezoelektrischen Bewegungselemente gesondert ansteuerbar.

Wegen ihres hohlzylindrischen Aufbaus weisen die Bewegungselemente eine hohe mechanische Steifigkeit auf. Die Bewegungselemente sind auf einer ihrer Zylinderwände mit einem geschlossenen elektrisch leitfähigen Belag und auf ihrer anderen Zylinderwand mit mehreren, gegeneinander elektrisch isolierten, elektrisch leitfähigen Teilbelägen versehen. Es wird so durch Anlegen einer Spannung zwischen den Belägen auf beiden Zylinderwänden eine Verkürzung oder Dehnung des Bewegungselementes erreicht. Zum Verbiegen des Bewegungselementes ist eine Spannung zwischen dem geschlossenen Belag und einem Teilbelag anzulegen.

Man kann somit durch Überlagerungen der angelegten Spannungen alle für die Bewegung des Objektes erforderlichen Lageveränderungen ausführen, wobei die hierfür notwendigen elektrischen Spannungen wegen der mit verhältnismäßig geringer Wandstärke ausführbaren Bewegungselemente entsprechend klein gehalten werden können.

Die gegeneinander isolierten Teilbeläge erstrecken sich in Richtung der Zylinderachse, so daß beim Anlegen von Spannungen an den Belägen neben einer Verlängerung oder Verkürzung des Bewegungselementes in axialer Richtung (Z-Richtung) ein Verbiegen senkrecht zur Zylinderachse, also in X- bzw. Y-Richtung erzielt wird. Die Bewegungselemente lassen sich durch Überlagerung der Spannungen in X-, Y- und Z-Richtung sehr exakt steuern.

Aus herstellungstechnischen Gründen sind die gegeneinander isolierten, elektrisch leitenden Teilbeläge bevorzugt auf der äußeren Zylinderwand eines Bewegungselementes angeordnet, Patentanspruch 2. Eine Justierung der Bewegungselemente läßt sich durch Anlegen einer Gleichspannung erreichen, die von der für den Betrieb erforderlichen Wechselspannung überlagert wird, Patentanspruch 3.

Bevorzugte Einsatzbereiche für den erfindungsgemäßen Mikromanipulator sind Mikroskope einschließlich Licht- und Elektromikroskope, insbesondere Rasterelektronenmikroskope. Der Mikromanipulator dient dabei als Objektträger für die mikroskopisch zu untersuchenden Objekte. Auch für die Analyse und Bearbeitung von Objekten in der Mikrotechnologie, beispielsweise bei der Hochintegration elektronischer Strukturen ist der Mikromanipulator für die Objektmanipulation geeignet. Ist das Objekt für seine Manipulation bereits beweglich gelagert, beispielsweise um eine Achse rotierbar gelagert, genügt es für eine Mikrobewegung des Objetes, also im Beispiel für die Mikrorotation, am Objekt ein einziges der angegebenen piezoelektrischen Bewegungselemente kraftschlüssig derart eingreifen zu lassen, daß die gewünschte Bewegung des Objekts erfolgt.

Besonders vorteilhaft wird der Mikromanipulator als Objektträger für ein Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM) eingesetzt. Für diesen Anwendungsfall sind die Bewegungselemente mit einer Abtastnadel bzw. mit einem Rasterelement, auf dem die Abtastnadel befestigt ist, starr verbunden, Patentanspruch 4. Eine derartige Verbindung von Objektträger und Abtastnadel bzw. Rasterelement als eine geschlossene kompakte Baueinheit führt zu einer hohen mechanischen Stabilität und Temperaturempfindlichkeit bei der Raster-Tunnel-Mikroskopie. Nach Patentanspruch 5 ist das Rasterelement in gleicher Weise wie ein Bewegungselement ausgebildet. Es besteht somit insbesondere aus hohlzylindrischem piezoelektrischen Material, das auf seiner inneren und äußeren Zylinderwand mit elektrisch leitenden Belägen bzw. Teilbelägen versehen ist. Diese analoge Ausbildung von Rasterelement und Bewegungselementen führt beim Einsatz des Mikromanipulators bei einem RTM zu weitgehender Vibrationsfreiheit und zur Kompensation der Temperaturdrift. Der gleiche Aufbau von Bewegungselementen und Rasterelement ermöglicht es auch, die für die RTM-Anwendung notwendige Rasterbewegung statt mit dem Rasterelement mit den Bewegungselementen auszuführen. Zur Temperaturmessung des Objekts ist zumindest eines der Bewegungselemente mit einem Thermofühler ausgestattet, Patentanspruch 6.

Die Erfindung und weitere Erfindungsmerkmale werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen

Fig. 1 Mikromanipulator als Objektträger und Rasterelement bei einem Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM);

Fig. 2 Bewegungselement in perspektivischer Darstellung und im Querschnitt (Fig. 2a);

Fig. 3 Bewegungsabläufe der Bewegungselemente bei einer Objektmanipulation:

mit dem Objekt abhebendem Bewegungselement (Fig. 3a), mit rutschender Bewegung des Bewegungselementes auf der Objektoberfläche (Fig. 3b);

Fig. 4 Transporteinrichtung zur Mikrobewegung von Objekten über eine größere Distanz;

Fig. 5 Rasterelement in perspektivischer Darstellung und im Querschnitt (Fig. 5a);

Fig. 6 Bewegungselemente mit Thermofühler und Potentialzuführung sowie Rasterelement im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt einen aus drei Bewegungselementen 1, 2, 3 bestehenden Mikromanipulator für ein Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM) mit einem hier zentral zwischen dem Bewegungselementen 1, 2, 3 angeordnetem Rasterelement 4 zur Messung des Tunnelstroms. Die Bewegungselemente 1, 2, 3 sind im Ausführungsbeispiel in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Alle Bewegungselemente 1, 2, 3 und das Rastelement 4 weisen den gleichen Aufbau auf. Für die Ausbildung der Elemente wurden im Ausführungsbeispiel zylinderförmige Teile aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Piezokeramik, verwendet, wobei die Bewegungselemente stirnseitig mit einer Auflage 5 für ein mit dem RTM zu untersuchendes Objekt 6 und das Rasterelement 4 mit einer Abtastnadel 7 (Tunnelspitze) versehen sind.

Die Bewegungselemente 1, 2, 3 und das Rasterelement 4 sind im Ausführungsbeispiel an einer gemeinsamen Grundplatte 8 befestigt. An jedes der Elemente sind variierbare Spannungen bzw. Spannungsverläufe anlegbar, die eine Verkürzung oder Verlängerung oder ein Verbiegen des keramischen Materials bewirken.

Das Objet 6 ruht auf den im Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildeten Auflagen 5 der Bewegungselemente 1, 2, 3. Duch diese Dreipunktunterstützung des Objektes 6 ist eine stabile Auflage für das Objekt gewährleistet. Ist dies allein durch Schwerkraftwirkung nicht zu erreichen, kann das Objekt auch mittels Federkraft auf die Auflagen 5 der Bewegungselemente aufgedrückt werden.

Der Aufbau eines Bewegungselmentes 1, 2 oder 3 wird anhand von Fig. 2 erläutert. Fig. 2 zeigt das Bewegungselement 1 mit aufgesetzter Auflage 5 in perspektivischer Darstellung. Ein Querschnitt des Bewegungselementes ist in Fig. 2a wiedergegeben. Für die Ausbildung des Bewegungselementes wurde ein Rohr 9 aus piezoelektrischem Material verwendet. Im Ausführungsbeispiel weist das piezokeramische Rohr einen Außendurchmesser von 2 mm und einen Innendurchmesser von 1 mm auf. Auf seiner inneren Zylinderwand ist das piezokeramische Rohr 9 mit einem geschlossenen, elektrisch leitfähigen Belag 10 als Innenelektrode versehen. Die äußere Zylinderwand des Bewegungselementes trägt vier elektrisch leitfähige Teilbeläge 11 bis 14, die als Streifenelektroden mittels Isolationen 15 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Teilbeläge 11 bis 14 sind auf der äußeren Zylinderwand parallel zur Achse 16 des Bewegungselementes verlegt, die Isolationen 15 verlaufen in Achsrichtung. Im Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Material radial polarisiert, wie es in Fig. 2a durch Pfeile 17 markiert ist.

Am inneren Belag 10 und an den Teilbelägen 11 bis 14 sind elektrische Leitungen 18 bis 22 angeschlossen, über die am Bewegungselement Spannungen bzw. Spannungsverläufe anlegbar sind. Die erforderlichen Spannungen für die Bewegungen des Bewegungselementes in X-, Y-, Z- Richtung werden von einem regelbaren Spannungsgeber 23 erzeugt.

Werden alle Teilbeläge 11 bis 14 auf gleiches elektrisches Potential gebracht und wird zwischen diesen und dem inneren Belag 10 eine Spannungsdifferenz angelegt, so deformiert sich das Bewegungselement in Achsrichtung, d. h. es verlängert oder verkürzt sich in Z-Richtung, je nach Polarität der angelegten Spannung. Wird jedoch zwischen einzelnen Teilbelägen und innerem Belag 10 des piezoelektrischen Rohres 9 eine Spannung angelegt, so verbiegt sich das freie Ende des Bewegungselementes mit der Auflage 5 senkrecht zu seiner Achse 16 in X- oder Y-Richtung. Die Verbiegung wird verstärkt, wenn Spannungen entgegengerichteter Polarität zwischen den auf der äußeren Zylinderwand gegenüberliegenden Teilbelägen angelegt werden, also beispielsweise zwischen den Teilbelägen 11 und 13 oder 12 und 14, wobei der innere Belag 10 auf Potential Null liegt.

Durch Überlagern der vorgenannten Spannungen läßt sich das Bewegungselement somit derartig verformen, daß die Auflage 5 jede für eine gewünschte Lageveränderung des Objekts erforderliche Bewegung ausführt, wobei die hierfür notwendigen Betriebsspannungen wegen der Abmessungen und dünnwandigen Ausführung des Bewegungselementes relativ klein sind.

Die Bewegungselemente 1, 2, 3 und das Rasterelement 4 sind in ihrem Niveau zueinander in der Grundplatte 8 so justiert, daß die Abtastnadel 7 des Rasterelementes bei Auflegen des Objektes 6 auf die Auflagen 5 der Bewegungselemente einen hinreichend geringen Abstand von der zu untersuchenden Objektoberfläche aufweist. Eine Feldeinstellung des Abstandes zwischen Abtastnadel und Objektoberfläche wird dann durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an Bewegungselementen und/oder am Rasterelement vorgenommen. Die Anordnung von Bewegungselementen und Rasterelement auf derselben Grundplatte und die für die Bewegungselemente und das Rasterelement gewählte identische Ausbildung aus gleichem piezokeramischen Material und mit gleicher Abmessung führen für Bewegungselemente und Rasterelement zu gleichem thermischen Ausdehnungsverhalten, so daß zwischen Objektoberfläche und Rasterelement die Temperaturausdehnung kompensiert wird.

Um eine Verschiebung oder Drehung des Objektes zu erreichen, zeigt Fig. 3 schematisch zwei mögliche Bewegungsabläufe für die Bewegunselemente:

Fig. 3a zeigt einen Bewegungsablauf, bei dem zum Transport eines Objektes von einem Punkte A bis zu einem Punkte B die Auflage 5 eines Bewegungselementes in vier aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten wie folgt bewegt wird:

  • a) Durch synchrones und einheitliches Verlängern aller drei Bewegungselemente 1, 2, 3 wird das Objekt im ersten Schritt a zunächst in Z-Richtung aus der Arbeitsposition der Abtastnadel 7 abgehoben.
  • b) Im zweiten Schritt b werden die Bewegungselemente in Z-Richtung rasch abgesenkt, dabei in der X-Y-Ebene bewegt und wieder angehoben, so daß sich als Bewegungslinie etwa eine Halbkreisbahn ergibt. Dieser zweite Schritt b wird in seinem Ablauf so gesteuert, daß die Geschwindigkeit des Absenkens der Auflage 5 in Z-Richtung größer ist als eine Bewegung des Objektes in gleicher Richtung unter Einwirkung der Schwerkraft. Die Auflagen 5 der Bewegungselemente lösen sich bei diesem zweiten Arbeitsschritt im Punkt A vom Objekt, das aufgrund seiner Trägheit praktisch in seiner Position verharrt, und unterstützen es am Ende des Arbeitsschrittes im Punkt B erneut.
  • c) Als dritter Schritt c folgt dann eine langsame Bewegung der Auflage 5 in der X-Y-Ebene, wobei das Objekt auf den drei Bewegungselementen ruhen bleibt und in Richtung der Bewegung der Bewegungselemente um eine Strecke transportiert wird, die dem Abstand zwischen den Punkten A und B entspricht.
  • d) Um wieder in die Arbeitsposition für die Abtastnadel 7 zu gelangen, bedarf es als vierten Arbeitsschritt d noch einer Absenkung des Objektes in Z-Richtung. Am Ende dieses Arbeitsschrittes befinden sich die Bewegungselemente wieder in ihrer Ausgangsposition und das Objekt ist um die Strecke zwischen den Punkten A und B verschoben werden.


Die Arbeitsschritte b und c lassen sich beliebig wiederholen, so lange, bis das Objekt die für die RTM-Untersuchung gewünschte Arbeitsstellung erreicht hat. Anschließend erfolgt dann Arbeitsschritt d zum Heranführen des Objektes an die Abtastnadel 7.

Ein gegenüber dem vorbeschriebenen Verfahren vereinfachter Bewegungsablauf für die Bewegungselemente ist in Fig. 3b wiedergegeben. Die Bewegungselemente werden danach in nur zwei Arbeitsschritten gesteuert:

  • a) Als erster Schritt a erfolgt eine schnelle Bewegung der Auflage 5 auf der Objektoberfläche vom Punkt A nach Punkt B. Bei dieser Bewegung der Bewegungselemente bleibt das Objekt aufgrund seiner Massenträgheit wieder in nahezu unveränderter Position.
  • b) Beim zweiten Schritt b wird das Bewegungselement in seine Ausgangsposition zurückgeholt, wobei das Objekt bei langsamer Bewegung des Bewegungselementes um die zwischen den Punkten A und B liegende Strecke transportiert wird.


Jeder der in Fig. 3a und 3b wiedergegebene Bewegungsablauf kann einzeln oder bei einer an den Bewegungselementen angelegten Spannungsimpulsfolge in Schritten, die sich kontinuierlich wiederholen, fortlaufend durchgeführt werden. Schrittweise und Schrittfrequenz der Auflagen der Bewegungselemente lassen sich in weiten Grenzen durch entsprechende Wahl von Spannungsamplitude und Impulsfrequenz variieren. Mit den piezoelektrischen Bewegungselementen lassen sich Schritte mit einer Schrittweite von bis zu <10 nm ausführen.

Die mit den Bewegungselementen ausführbaren Bewegungsabläufe sind auf die in Fig. 3a und 3b wiedergegebenen Bewegungen nicht beschränkt. Vielmehr läßt sich die Bewegung der Bewegungselemente dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend anpassen. Beispielsweise sind neben den vorbeschriebenen Bewegungsabläufen auch ellipsenförmige Bewegungen der Auflagen oder ein Hochwerfen des Objekts mit schnellem Ortswechsel der Auflagen möglich. Die Steuerung der Bewegungsabläufe erfolgt dabei unter Berücksichtigung der Massenträgheit des Objekts.

Mit dem beschriebenen Mikromanipulator ist auch eine Drehung der Objekte um eine Achse senkrecht zur Auflagenebene möglich. Das Drehen der Objekte erfolgt durch entsprechende vektorielle Addition der Spannungen in X- und Y-Richtung für jedes einzelne Bewegungselement. Darüber hinaus lassen sich die Objekte auch kippen. Hierzu sind die einzelnen Bewegungselemente unterschiedlich zu strecken oder zu verkürzen. Der Mikromanipulator erlaubt somit neben translatorischen Bewegungen auch ein Drehen und Kippen der Objekte.

Mit den Bewegungselementen der angegebenen Art können Objekte aber auch über weitere Entfernung mit hoher Präzision transportiert werden. Einen Transporttisch 24 mit mehreren benachbart zueinander angeordneten Bewegungselementen 25 zeigt Fig. 4. Die Bewegungselemente weisen untereinander einen solchen Aufwand auf, daß das zu bewegende Objekt in jeder Position zumindest von drei Bewegungselementen gestützt ist und in beliebiger Weise uf dem Transporttisch 24 verschoben werden kann.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Rasterelement 4 der in Fig. 1 gezeigten Bewegungseinrichtung für ein RTM. Das Rasterelement ist in gleicher Weise wie ein Bewegungselement ausgebildet. Es weist ein Rohr 26 aus demselben, radial polarisiertem piezoelektrischen Material auf wie das Rohr 9 und ist auf seiner inneren Zylinderwand mit einem geschlossenen, elektrisch leitfähigen Belag 27 als Innenelektrode und auf seiner äußeren Zylinderwand mit elektrisch leitfähigen Teilbelägen 28-31 versehen, zwischen denen in axialer Richtung jeweils eine Isolationsschicht 32 verläuft. Im Gegensatz zu einem Bewegungselement ist jedoch statt einer Auflage 5 beim Rasterelement 4 die Abtastnadel 7 eingesetzt.

Fig. 5 zeigt schematisch auch die elektrischen Anschlüsse für das Rasterelement 4. Der im Betriebsfall von der Abtastnadel 7 abgegriffene Tunnelstrom wird über eine an der Abtastnadel 7 angeschlossene elektrische Leitung 33 abgeführt und in einem Verstärker 34 verstärkt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers wird zur Bewegung des Rasterelmentes in Z-Richtung (Achsrichtung) benutzt.

Für die Steuerung der Abtastnadel in der X- Y-Ebene dienen zwei Rampengeneratoren 35, 36, deren Spannungen der Ausgangsspannung des Verstärkers, die wie angegeben Regelspannung für die Z-Richtung ist, überlagert werden. Die Pole der Rampengeneratoren führen zu den Teilbelägen auf der äußeren Zylinderwand des Rastelementes. Im Ausführungsbeispiel ist der Rampengenerator 35 über Anschlüsse 37, 38 mit den Teilbelägen 28 und 30, der Rampengenerator 36 über Anschlüsse 39, 40 mit den Teilbelägen 29, 31 des Rasterelementes verbunden. Der innere geschlossene Belag 27, die Innenelektrode, ist im Ausführungsbeispiel auf Erdpotential gelegt. Auf diese Weise kann die Innenelektrode zugleich als Abschirmung für die elektrische Leitung 33 dienen, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 in vorteilhafter Weise im inneren des hohlzylindrisch ausgebildeten Rasterelementes 4 geführt wird. Fig. 6 zeigt die im Inneren des Rasterelementes verlaufende elektrische Leitung 33 in einem Längschnitt durch das Rasterelement 4. Die Aufzeichnung der lokalen Veränderung des Tunnelstromes für die Raster-Tunnel-Mikroskopie erfolgt in der bei RTM's üblichen, bekannten Weise.

Die Temperatur der Objektoberfläche läßt sich über einen Thermofühler 41 messen, der in einem der Bewegungselemente, im Ausführungsbeispiel im Bewegungselement 3 (siehe Fig. 6), verlegt ist. Im Ausführungsbeispiel ist als Temperaturfühler ein Thermoelement vorgesehen, das in die Auflage 5 eingesetzt ist. In Fig. 6 ist auch ein Bewegungselement gezeigt, im Ausführungsbeispiel das Bewgungselement 2, in dessen Hohlraum eine Potentialzuführung 42 verlegt ist. Die Potentialzuführung 42 ist mit der Auflage 5 des Bewegungselementes so verbunden, daß das Objekt bei Berührung mit dem Bewegungselement 2 auf das für die RTM-Untersuchung erforderliche elektrische Potential gelegt wird.

Der im Ausführungsbeispiel beschriebene Mikromanipulator ist nicht nur für die Objektbewegung beim RTM einsetzbar. Er kann selbstverständlich darüber hinaus zur Objektmanipulation bei jeder Art von Mikrobewegung, sowohl bei mikroskopischen Untersuchungen als auch bei der Bearbeitung von Objekten in der Mikrotechnik verwendet werden. Wird er beispielsweise bei der Mikrolithographie eingesetzt, so ist lediglich statt einer Abtastnadel ein der Bearbeitung entsprechendes Element als Bearbeitungswerkzeug einzusetzen. Dieses Bearbeitungswerkzeug kann beispielsweise aus einer scharfen Spitze (z. B. Diamantspitze) bestehen, die bei entsprechender piezoelektrischer Aktivierung des Mikromanipulators über die zu bearbeitende Objektoberfläche geführt werden kann und auf ihrem Wege Löcher und Strukturen auf dieser Oberfläche gräbt. Die Bewegungselemente werden zweckmäßigerweise computergesteuert. Die Operationen lassen sich somit mit hoher Geschwindigkeit und Präzision durchführen.

Da mit der beschriebenen Einrichtung beliebig große Objekte in der Mikrotechnologie über große Distanzen transportiert werden können und dann mehrere Bewegungselemente mit Bearbeitungswerkzeugen gleichzeitig parallel eingesetzt und betrieben werden können, kann somit eine große Fläche (z. B. ein Halbleiterwaver großer Dimension) gleichzeitig mit Mikrostrukturen versehen werden.

In der Hochintegrations-Technologie zur Herstellung elektronischer Schaltkreise ist man mit den bisher üblichen Methoden (Photoresistverfahren, Laser-, Elektronen- und Ionenätzen) an einer Grenze in der lateralen Auflösung von ca. 1000 Å angelangt. Für noch kleinere Strukturen, wie sie für die moderne Mikrochip-Herstellung nötig wären, fehlt es an geeigneten Verfahren.

Ein Mikromanipulator der beschriebenen Art ist in der Lage, auch Strukturen mit lateralen Auflösungen im Å-Bereich zu erzeugen. Im einfachsten Fall kann der Aufbau einer solchen Anordnung - wie oben bereits beschrieben - ähnlich wie beim RTM erfolgen. Das zu bearbeitende Objekt ruht wieder auf mindestens 3 Trägerelementen.

Als weiteres Bearbeitungswerkzeug, das an ein Bewegungselement montiert werden kann, eignet sich auch eine Feldemissionsspitze. Mit ihr können durch Elektronenemission oder Ionenemission oder auch nur aufgrund hoher elektrischer Felder Oberflächenatome eines Objektes lokal aktiviert werden. Dieser Vorgang wird z. B. zum lokalen Cracken von Kohlenwasserstoff- Verbindungen angewandt, was zu einer chemischen Umwandlung des "bearbeitenden" Moleküls führt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für den beschriebenen Mikromanipulator im Zusammenwirken mit einem Bearbeitungselement ist der Einsatz in der Mikrobiologie. Organische Molekülketten, Viren oder Bakterien lassen sich nicht nur analysieren, sondern es läßt sich auch durch Anwendung von lokalen Feldern an gezielten Punkten eine Trennung oder Modifikation der Molekülketten herbeiführen. Diese Möglichkeit einer gezielten Operation im Molekülbereich eröffnet völlig neue Möglichkeiten auch auf dem Gebiet der Gentechnologie.


Anspruch[de]
  1. 1. Mikromanipulator zur Mikrobewegung von Objekten in X-, Y- und Z-Richtung, insbesondere zur Bewegung von mikroskopisch zu untersuchenden Objekten, wobei das Objekt auf mindestens 3 piezoelektrischen Bewegungselementen gelagert ist, die durch Anlegen elektrischer Spannungen verformbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der das Objekt abstützenden Bewegungselemente (1, 2, 3) hohlzylinderartig ausgebildet ist und auf einer Zylinderwand einen geschlossenen, elektrisch leitfähigen Belag (10) und auf der anderen Zylinderwand zur Bewegung in X-, Y-, Z-Richtung mehrere, gegeneinander elektrisch isolierte, elektrisch leitfähige Teilbeläge (11 bis 14) aufweist, die sich auf der Zylinderwand in Richtung Zylinderachse (16) erstrecken, und daß die Bewegungselemente (1, 2, 3) auf einer ihrer Stirnseiten eine Auflage (5) für das Objekt (6) tragen.
  2. 2. Mikromanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander isolierten Teilbeläge (11 bis 14) auf der äußeren Zylinderwand angeordnet sind.
  3. 3. Mikromanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Betrieb erforderlichen Wechselspannung eine Gleichspannung überlagerbar ist.
  4. 4. Mikromanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungselemente (1, 2, 3) mit einem Rasterelement (4), das eine Abtastnadel (7) trägt, starr verbunden sind.
  5. 5. Mikromanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterelement (4) in gleicher Weise wie ein Bewegungselement (1, 2, 3) ausgebildet ist.
  6. 6. Mikromanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Bewegungselemente (3) mit einem Thermofühler (41) zur Messung der Temperatur des Objektes (6) ausgestattet ist.






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