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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Raster-Sondenmikroskop (RSM) ist ein vergleichsweise hochauflösendes
Rastermikroskop mit einem nachgewiesenen Auflösungsvermögen von
Bruchteilen eines Nanometers, was mehr als tausendmal besser als
die optische Beugungsgrenze ist.
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Viele
bekannte RSM enthalten einen mikromechanischen Hebel mit einer scharfen
Spitze (Sonde) an dessen Ende, um die Oberfläche einer
Probe abzutasten. Der Hebel besteht üblicherweise aus Silicium
oder Siliciumnitrid, und der Radius oder die Krümmung der
Spitze liegt im Nanometerbereich. Wenn die Spitze in die Nähe
einer Probenoberfläche gebracht wird, führen die
zwischen der Spitze und der Probe wirkenden Kräfte zu einer
Ablenkung des Hebels. Mittels der auf dem Hebel angebrachten Sondenspitze
werden eine oder eine Vielfalt von Kräften gemessen. Dazu
zählen mechanische sowie elektrostatische und magnetostatische
Kräfte, um nur einige zu nennen.
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Üblicherweise
wird die Ablenkung der auf dem Hebel angebrachten Sondenspitze unter
Verwendung eines Laserstrahls gemessen, der von der Oberseite des
Hebels auf einen Lagedetektor reflektiert wird. Ferner werden Verfahren
wie die optische Interferometrie und das Piezowiderstandsverfahren angewendet.
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Wenn
die Abtastung bei einer konstanten Höhe der Spitze erfolgt, ändern
sich die Kräfte zwischen Spitze und Probe in Abhängigkeit
von der Probentopographie, was zur Beschädigung der Spitze oder
der Probe oder zu ungenauen Messungen der Oberflächengestalt
führen kann. Aus diesem Grunde wird bei vielen RSM ein
Rückkopplungsmechanismus verwendet, um die Ablenkung des
Hebels so einzustellen, dass die Kraft zwischen der Spitze und der
Probe konstant bleibt. Zum Beispiel kann eine „Dreifußanordnung"
aus drei piezoelektrischen Kristallen verwendet werden, wobei je
einer für die x-, y- bzw. z-Richtung dient. Dadurch entfallen
einige der bei einem Röhrenscanner zu beobachtenden Deformationseffekte.
Das gewonnene Abbild der Fläche s = f(x, y) zeigt die Oberflächenstruktur
der Probe.
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Unabhängig
von der Ausführungsart ist die Sondenspitze nach Verwendung
abgenutzt und muss ersetzt oder neu zugerichtet werden, um die Genauigkeit
des RSM zu gewährleisten. Das Ersetzen der Sondenspitze
kann sich aufgrund der relativ geringen Größe
der Spitze und der fehlenden Möglichkeit des Zugangs zur
Spitze im RSM als ziemlich schwieriger Prozess erweisen. Wie oben
bereits erwähnt, wird zum Anstrahlen der Sondenspitze ein Lichtstrahl
verwendet, der auf einen Lagedetektor reflektiert wird. Wenn in
bekannten RSM eine Sondenspitze ersetzt wird, ist diese oft nicht
richtig zum Lichtstrahl justiert, was einen mühevollen,
arbeitsintensiven Eingriff erfordert, um Spitze und Lichtstrahl
aufeinander auszurichten. Die Schwierigkeit der Justierung wird
bei bekannten RSM noch dadurch verschärft, dass der Eingriff
in situ erfolgt. Aus diesem Grunde ist das Ersetzen der Sondenspitzen
in vielen bekannten RSM mit gravierenden Nachteilen verbunden.
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Deshalb
besteht ein Bedarf an einer Sondenspitzen-Baugruppe, welche zumindest
die oben erörterten Mängel von bekannten RSM beseitigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Bei
einer repräsentativen Ausführungsform beinhaltet
eine Sondenbaugruppe für ein Raster-Sondenmikroskop (RSM)
ein Steckmodul. Das Steckmodul weist auf: eine Ausrichtungs-Bezugsanordnung
(alignment fiducial), die mit einer entsprechenden Ausrichtungs-Bezugsanordnung
eines Trägers in Eingriff gebracht wird; eine aus einem
Hebel ragende Sondenspitze; ein Translationsstellglied zum Verschieben
des Sondenspitze in einer Richtung; und ein im Träger angebrachtes
Führungsglied, das mit einem komplementären Führungsglied
im Steckmodul in Eingriff gebracht wird.
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Bei
einer anderen repräsentativen Ausführungsform
beinhaltet ein Steckmodul für ein Raster-Sondenmikroskop
(RSM) eine Sondenspitze, die aus einem Hebel herausragt. Das Steckmodul
beinhaltet ebenfalls ein Translationsstellglied zum Verschieben
der Sondenspitze in einer Richtung. Außerdem beinhaltet
das Steckmodul eine Ausrichtungs-Bezugsanordnung zum kinematischen
Montieren der Sondenspitze am RSM. Das Steckmodul beinhaltet auch
ein komplementäres Führungsglied zum Aufnehmen
eines Führungsgliedes am RSM.
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Bei
einer weiteren repräsentativen Ausführungsform
weist das Verfahren zum Ersetzen einer Sondenspitze auf: das Ergreifen
eines Steckmoduls, welches die Sondenspitze enthält; das
Zusammenführen eines Führungsgliedes des Steckmoduls
mit einem komplementären Führungsglied eines Raster-Sondenmikroskops
(RSM); und das Zusammenführen eine Ausrichtungs-Bezugsanordnung
am Steckmodul mit Ausrichtungs-Bezugsanordnungen des RSM, um das
Steckmodul kinematisch zu montieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegenden Lehren lassen sich am besten aus der folgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren verstehen. Die
Merkmale sind nicht unbedingt maßstabsgerecht dargestellt.
Wo dies von Vorteil ist, bezeichnen gleiche Bezugsnummern gleiche
Merkmale.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines RSM gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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2A ist
eine perspektivische Ansicht einer Sondenbaugruppe gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform.
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2B ist
eine perspektivische Ansicht eines Steckmoduls gemäß der
repräsentativen Ausführungsform.
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2C ist
eine Seitenansicht des Steckmoduls von 2B.
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2D ist
eine perspektivische Ansicht eines Trägers gemäß der
repräsentativen Ausführungsform.
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3A ist
eine perspektivische Ansicht, welche das Zusammenstecken von Steckmodul
und Halterung gemäß der repräsentativen
Ausführungsform zeigt.
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3B ist
eine perspektivische Ansicht des Steckmoduls, dessen elektrische
Kontakte auf die elektrischen Kontakte der Sondenbaugruppe gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform aufgesteckt werden.
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4 ist
eine Seitenansicht, welche die Schritte beim Zusammenstecken von
Steckmodul und Träger gemäß einer repräsentativen
Ausführungsform zeigt.
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VERWENDETE BEGRIFFE
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Die
hier verwendeten Begriffe „ein" oder „eine" bedeuten „ein"
oder „mehrere".
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Unter „kinematischem
Montieren" ist hier das Montieren eines Objekts in Bezug auf ein
anderes Objekt zu verstehen, um eine reproduzierbare Positionierung
der Objekte zueinander zu erreichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung werden lediglich zur Erläuterung,
nicht aber zur Einschränkung, repräsentative Ausführungsformen
zur Darstellung spezieller Details dargelegt, um die vorliegenden
Lehren voll verständlich zu machen. Beschreibungen bekannter
Geräte, Werkstoffe und Herstellungsverfahren können
weggelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
deutlicher hervortreten zu lassen. Ungeachtet dessen können
solche Geräte, Werkstoffe und Verfahren, die dem Fachmann
vertraut sind, gemäß den repräsentativen
Ausführungsformen verwendet werden.
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Die
repräsentativen Ausführungsformen werden in Verbindung
mit RSM-Anwendungen beschrieben. Dies dient jedoch lediglich zur
Veranschaulichung, und es können weitere Anwendungen in
Betracht gezogen werden. Insbesondere können die vorliegenden
Lehren in solchen Fällen angewendet werden, bei denen die
genaue Ausrichtung einer Komponente erforderlich ist, die sich in
situ nur schwierig justieren lässt.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines RSM 100 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform. Bei den repräsentativen
Ausführungsformen wird die Sondenbaugruppe im Allgemeinen
für die Verwendung in RSM beschrieben. Dem Fachmann ist
jedoch klar, dass die vorliegenden Lehren auf verschiedene RSM-Typen
angewendet werden können. Zum Beispiel können
die vorliegenden Lehren auf Rasterkraftmikroskope (atomic force
microscope, AFM, oder auch scanning force microscope, SFM) angewendet
werden. Das RSM 100 weist viele elektrische und mechanische
Komponenten auf, deren Erörterung über die vorliegenden
Lehren hinausgeht. Das RSM 100 beinhaltet eine Sondenbaugruppe 101,
deren Komponenten in Verbindung mit den hier dargestellten repräsentativen
Ausführungsformen beschrieben werden. Eine Probe 102 wird
in der dargestellten Weise zur Messung und Prüfung durch
das RSM 100 gehaltert.
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2A zeigt
eine genauere Darstellung der perspektivischen Ansicht der Sondenbaugruppe 101. Die
Sondenbaugruppe beinhaltet einen Träger 201 und
ein am Träger 201 angebrachtes Steckmodul 202.
Der Träger 201 ist im Allgemeinen am RSM 100 befestigt,
während das Steckmodul 202 durch seine Verbindung
mit dem Träger 201 abnehmbar am RSM 100 angebracht
ist. Wie im Folgenden näher beschrieben wird, dient ein
Riegel 203 zum Lösen eines Verriegelungsmechanismus,
der das Steckmodul in einer bestimmten Position für die
Raster-Sondenmikroskopie haltert.
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Das
Steckmodul 202 weist ein Substrat 204 mit einem
Translationsstellglied 205 auf, das aus dem Substrat 204 gebildet
oder oberhalb des Substrats 204 angebracht ist. Generell
wird das Translationsstellglied 205 so beschrieben, als
sei es oberhalb des Substrats 205 angebracht. Bei einer
repräsentativen Ausführungsform kann das Translationsstellglied 205 einen
Hebel 206 anheben und absenken, oberhalb dessen eine Sondenspitze 207 angebracht ist.
Die elektrischen Anschlüsse für verschiedene Aufgaben
wie beispielsweise die Stromversorgung und die Steuerung für
das Translationsstellglied 205 werden durch einen flexiblen
Leiterbahnenstreifen 208 oder eine ähnliche Verbindung
gewährleistet. Im Folgenden wird beschrieben, dass der
flexible Leiterbahnstreifen 208 mit Kontakten des RSM verbunden ist.
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2B ist
eine perspektivische Ansicht des Steckmoduls 202 und zeigt
eine Oberfläche 210. Die Oberfläche 210 beinhaltet
Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211, 212, 213,
die im Winkelabstand von ungefähr 120° angeordnet
sind. Die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211, 212, 213 sind
zur Veranschaulichung als Aussparungen oder Nuten dargestellt, welche
Ausrichtungs-Bezugsanordnungen des (in 2B nicht
gezeigten) Trägers 201 aufnehmen. Im Folgenden
wird ausführlich beschrieben, dass die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213 gemeinsam
mit den Ausrichtungs-Bezugsanordnungen des Trägers das
kinematische Montieren des Steckmoduls 202 und des Trägers 201 unterstützen und
dadurch für die genaue Anordnung der (in 2B nicht
gezeigten) Sondenspitze 207 auf der Sondenbaugruppe 101 sorgen.
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Außer
den Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213 sind
oberhalb auf der Oberfläche 210 Passglieder 214, 215 angeordnet.
Die Passglieder 214, 215 dienen dazu, die komplementären
Passgliedern des Trägers 201 aufzunehmen. Diese
Passglieder sorgen auf vorteilhafte Weise für die Anordnung des
Steckmoduls auf einer Ebene, die parallel zur Oberfläche 210 liegt,
um die richtige Stelle des Steckmoduls für das kinematische
Ausrichten sicherzustellen. Im Folgenden wird ausführlich
beschrieben, dass die Passglieder 214, 215 ordnungsgemäß mit
entsprechenden komplementären Passgliedern der Halterung
zusammengesteckt werden müssen, bevor das Steckmodul durch
Betätigung des mittels des Riegels 203 betätigten
Verriegelungsmechanismus befestigt werden kann.
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Der
flexible Leiterbahnstreifen 208 beinhaltet eine Vielzahl
von Kontakten 216, die oberhalb auf einer Oberfläche
angebracht sind, die parallel zur Oberfläche 210 verläuft.
Die Kontakte 216 werden während des kinematischen
Montageprozesses auf entsprechende Kontakte des RSM ausgerichtet
und durch Betätigung des Verriegelungsmechanismus miteinander
verbunden. Von Vorteil ist, dass die elektrischen Verbindungen zwischen
dem Steckmodul 202 und dem RSM 100 durch die von
den repräsentativen Ausführungsformen ermöglichte
kinematische Montage passiv und genau hergestellt werden.
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2C ist
eine Seitenansicht des Steckmoduls
202.
2C veranschaulicht
noch deutlicher die Positionierung des Translationsstellgliedes
205,
des Hebels
206 und somit der Sondenspitze
207.
Wie bekannt, können die Sondenspitze
207 und der
Hebel
206 unter Verwendung bekannter Halbleiterbearbeitungsverfahren
monolithisch aus ein und demselben Substrat gebildet und am Translationsstellglied
206 befestigt
werden. Alternativ können das Translationsstellglied
205,
der Hebel
206 und die Sondenspitze
207 monolithisch
aus ein und demselben Substrat gebildet werden. Das Translationsstellglied
205 sorgt auf
vorteilhafte Weise für die Bewegung der Sondenspitze
207 in
der gezeigten z-Richtung, um eine im Wesentlichen konstante Ablenkung
des Hebels (Abstand zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche)
beizubehalten. Bei einer repräsentativen Ausführungsform
kann es sich bei dem Translationsstellglied
205 um einen
Nanostepper handeln, wie er in der an denselben Anmelder abgetretenen
US-Patentschrift 5 986 381 vom
16. November 1999 mit dem Titel „Electrostatic Actuator
with Spatially Alternating Voltage Patterns" von S. Hoen et al.
beschrieben wurde. Die Beschreibung dieser Patentschrift ist hierin
insbesondere durch Bezugnahme aufgenommen.
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Die
Bewegung des Translationsstellgliedes 205 kann in der Größenordnung
von ungefähr ±10,0 μm liegen. Ein (nicht
gezeigtes) anderes Stellglied oder eine Stelleinrichtung kann bereitgestellt
werden, um während der Messungen bei Bedarf eine Resonanz
in der Sondenspitze 207 zu induzieren. Als solche Stellglieder
dienen oft piezoelektrische Stellglieder, die dem Fachmann bekannt
sind. Alternativ kann diese Schwingungsfunktion durch das Eingeben
eines Stellsignals in das Translationsstellglied 205 bereitgestellt
werden.
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Durch
den flexiblen Leiterbahnstreifen 208 können elektrische
Verbindungen zwischen dem RSM 100 und dem Translationsstellglied 205 bereitgestellt
werden. Außer den Steuersignalen vom RSM 100 zum
Translationsstellglied 205 kann der flexible Leiterbahnstreifen 208 auch
Rückkopplungssignale von einem (nicht gezeigten) Sensor
neben dem Translationsstellglied 205 zum RSM 100 liefern.
Dieser Sensor überwacht die tatsächliche Bewegung des
Translationsstellgliedes 205. Durch die Rückkopplung
entsteht ein geschlossener Regelkreis, der das Translationsstellglied 205 und
somit die Sondenspitze 207 steuert. Insofern kann die Steuerung
in Echtzeit erfolgen, was gegenüber den bekannten Überwachungssystemen
mit offenem Regelkreis einen bedeutenden Vorteil darstellt.
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Oben
wurde beschrieben, dass das Translationsstellglied 205 am
Steckmodul 202 angebracht ist. Dies bewirkt deutliche Funktionsvorteile
und eine leichtere Wartung. Die Funktion des Translationsstellgliedes 205 besteht
darin, den Hebel 206 und die Sondenspitze 207 zu
verschieben und kann hierfür die Schwingungsfunktion liefern.
Von Vorteil ist, dass das Translationsstellglied 205 außer
dem Hebel 206 und der Sondenspitze 207 keine weiteren
Komponenten zu bewegen braucht, sodass diese Bewegung vergleichsweise
schnell erfolgt und die Reaktionszeit kurz ist. Im Gegensatz hierzu
bewegen die Stellglieder in bekannten RSM die gesamte Sondenbaugruppe,
um die Ablenkung des Hebels beizubehalten. Somit müssen
Stellglieder mit einer im Wesentlichen gleichen Wirkkraft eine sehr
viel größere Masse bewegen. Es ist klar, dass
dies zu einer langsameren Bewegung und einer längeren Reaktionszeit
führt.
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2D ist
eine perspektivische Ansicht eines Trägers 201 gemäß der
repräsentativen Ausführungsform, welche Einzelheiten
veranschaulicht, die für das kinematische Montieren des
Steckmoduls 202 daran von Vorteil sind. Der Träger 201 beinhaltet Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 217, 218 und 219,
die zur Veranschaulichung als kugelförmige oder ähnliche
Vorsprünge dargestellt sind. Die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 218, 217 und 219 greifen
in die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211, 212 bzw. 213 ein;
und die komplementären Passglieder 220 und 221 greifen
in die Passgliedern 214 bzw. 215 auf dem Steckmodul 202 ein.
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Der
Träger 201 beinhaltet auch ein Führungsglied 222,
das in der vorliegenden anschaulichen Ausführungsform im
Wesentlichen von zylindrischer Form ist. Im Folgenden wird ausführlich
beschrieben, dass das Steckmodul 202 während des
kinematischen Montierens manuell in y-Richtung (des gezeigten Koordinatensystems)
verschoben und das Führungsglied 222 in ein (in 2C nicht gezeigten) komplementäres
Führungsglied auf dem Steckmodul 202 eingreift.
Im Verlauf der Bewegung in y-Richtung sorgen die Führungsglieder
für eine im Wesentlichen lineare Bewegung des Steckmoduls 202,
bis dieses an ein Ende 223 des Trägers anstößt.
An diesem Punkt sind die entsprechenden Ausrichtungs-Bezugsanordnungen
des Trägers und des Steckmoduls im Wesentlichen aufeinander
ausgerichtet. Außerdem sind dann die Passglieder 220 und 221 mit
den komplementären Passgliedern auf dem Steckmodul 202 im
Eingriff. An einem Ende 224' wird ein Verriegelungsmechanismus 224 in
-z-Richtung gedrückt, der das Führungsglied 222 in
dieselbe Richtung schiebt. Dann kann der Riegel 203 betätigt
werden, und das Steckmodul 202 ist kinematisch montiert
und abnehmbar am Träger 201 angebracht. Es ist
klar, dass das Steckmodul 202 nach dem kinematischen Montieren
und der Verriegelung in seinen sechs Freiheitsgraden (d. h. in den
Richtungen der drei kartesischen Koordinaten und den drei Winkelrichtungen) eingeschränkt
ist.
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Die
Lage der Ausrichtungs-Bezugsanordnungen und der Passglieder des
Trägers 201 und des Steckmoduls 202 in
Bezug auf die Lage des Hebels 206 und der Sondenspitze 207 berücksichtigt auf
vorteilhafte Weise die Ausdehnung und Schrumpfung durch Temperaturänderungen.
Wenn der Träger 201 und das Steckmodul 202 im
Eingriff sind, befindet sich insbesondere die Sondenspitze 207 an
einer Position im Wesentlichen direkt unterhalb eines Mittelpunkts
der drei Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211, 212, 213/218, 217, 219.
Die durch Temperaturänderungen bewirkte Ausdehnung und
Schrumpfung erfolgt im Wesentlichen symmetrisch zu diesem Mittelpunkt,
und die Lage dieses Mittelpunkts bleibt somit im Wesentlichen unverändert.
Insofern bleibt die Lage der Sondenspitze 207 in der x-y-Ebene
von der Ausdehnung/Schrumpfung aufgrund von Temperatureffekten im
Wesentlichen unbeeinflusst.
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Bei
den bis hierher beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen
weisen sowohl der Träger 201 als auch das Steckmodul 202 jeweils
eine Vielzahl von Ausrichtungs-Bezugsanordnungen auf. Bei anderen
repräsentativen Ausführungsformen können
sowohl der Träger 201 als auch das Steckmodul 202 jeweils
nur eine einzige Ausrichtungs-Bezugsanordnung aufweisen, um das
kinematische Montieren in mindestens drei Freiheitsgraden (z. B.
in sechs Freiheitsgraden) zu bewirken. Zum Beispiel können
die drei Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213 durch
eine einzige Ausrichtungs-Bezugsanordnung (als Aussparung oder Vertiefung)
in Form eines dreiflügligen Propellers ersetzt werden; und
als komplementäre Ausrichtungs-Bezugsanordnung des Trägers 201 kann
ein Vorsprung in Form eines dreiflügligen Propellers dienen,
bei denen jeder „Flügel" um 120° versetzt
ist. Es wird darauf hingewiesen, dass dies nur zur Veranschaulichung
dient und andere einzelne Ausrichtungs-Bezugsanordnungen möglich
sind.
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3A ist
eine perspektivische Ansicht, welche das Eingreifen Steckmoduls 202 in
den Träger 201 gemäß der repräsentativen
Ausführungsform zeigt. Viele der in Verbindung mit den
repräsentativen Ausführungsformen von 1 bis 2D beschriebenen
Einzelheiten des Steckmoduls 202 und des Trägers 201 sind
auch den nun beschriebenen Ausführungsformen gemeinsam.
Solche Einzelheiten werden aber nicht beschrieben, um die Beschreibung der
vorliegenden repräsentativen Ausführungsformen
besser zu verdeutlichen.
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Der
Träger 201 ist in der gezeigten Weise mit einem
Sondenkopf 301. verbunden. Das Steckmodul 202 wird
an einem optionalen Handgriff 302 angefasst und manuell
entlang der Linie 303 verschoben. Das Führungsglied 222 wird
in ein komplementäres Führungsglied 304 an
der Rückfläche 305 des Steckmoduls 202 eingeführt
und führt das Steckmodul 202 entlang der Linie 303 (in
y-Richtung), bis die Rückfläche 305 an
die Rückfläche 223 des (in 3A nicht gezeigten)
Trägers anstößt. Sobald die Rückflächen 305 und 223 aneinander
stoßen, sind die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213 und 218 bis 219 bzw.
die Passglieder 214, 215 und 220, 221 im Wesentlichen
aufeinander ausgerichtet. Dann wird das Ende 224' des Verriegelungsmechanismus 224 in
-z-Richtung gedrückt, was eine Drehung 306 des Verriegelungsmechanismus 224 bewirkt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ragt der Verriegelungsmechanismus 224 über
den Außenteil der Halterung 201 hinaus und beinhaltet
gemäß der Darstellung zwei Enden 224' und
zwei Riegel 203. Der Verriegelungsmechanismus mit den beiden
Enden 224', der über den Außenteil der
Halterung 201 hinausragt, stellt lediglich eine Alternative
zu den oben beschriebenen Ausführungsformen dar.
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Das
Führungsglied 222 wird mit dem Verriegelungsmechanismus 224 verbunden
und bewegt sich durch dessen Drehung 306 in -z-Richtung. Durch
die Bewegung des Führungsgliedes 222 wird das
Steckmodul 202 gezwungen, sich in engen Kontakt mit dem
Träger zu begeben. Alsdann wird der Riegel 203 gedreht
(307), wodurch der Verriegelungsmechanismus 204 einrastet
und das Steckmodul 202 in einer im Wesentlichen festen
Position verriegelt wird.
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Insbesondere
die Passglieder 214, 215 und 220, 221 bieten
ein Maß an Sicherheit, dass das Steckmodul wirklich kinematisch
ausgerichtet wird. Insbesondere wenn die Passglieder nicht ordnungsgemäß im
Eingriff sind, wodurch angezeigt wird, dass das Steckmodul 202 nicht
ordnungsgemäß ausgerichtet ist, kann der Verriegelungsmechanismus 224 nicht
weit genug gedrückt werden, damit der Riegel 203 einrastet.
Dies zeigt ganz deutlich, dass das Steckmodul 202 und damit
der Hebel nicht ordnungsgemäß ausgerichtet wurde
und eine Nachbesserung erforderlich ist.
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Im
Wesentlichen zeitgleich mit dem kinematischen Montieren werden die
Verbindungen zwischen den Kontakten 209 des RSM und den
Kontakten 216 des flexiblen Leiterbahnstreifens 208 hergestellt.
Die Einzelheiten zu dieser Verbindung sind in 3B genauer
dargestellt. Es ist klar, dass diese gewissermaßen automatische
elektrische Verbindung eine deutliche Verbesserung bezüglich
Zeit- und Arbeitsaufwand gegenüber vielen bekannten RSM
darstellt, bei denen die Verbindungen manuell hergestellt werden
müssen. Außerdem werden die Kontakte 209, 216 fast
während des gesamten kinematischen Montageprozesses in
einem Abstand vom Führungsglied 222 gehalten.
Wenn im nächsten Schritt das Verriegelungsbauteil 224 gedrückt
wird, führt die Bewegung des Steckmoduls 202 in
-z-Richtung zu einer Bewegung des Steckmoduls entlang der Richtung 308,
und die Kontakte 216 des flexiblen Leiterbahnstreifens 208 werden
mit den Kontakten 209 verbunden. Von Vorteil ist, dass
während des Einschiebens des Steckmoduls 202 ein
Abstand zwischen den Kontakten 209, 216 eingehalten
wird und somit die Beschädigung der Kontakte und des flexiblen
Schaltkreises im Wesentlichen vermieden wird. Wenn nach dem Lösen
des Riegels 203 das Steckmodul zum Auswechseln/neu Zurichten
entnommen wird, trennt außerdem das Führungsglied 222 die Kontakte 209, 216 (wieder
in der Richtung 308) voneinander und behält den
Abstand bei, sodass die Kontakte nicht beschädigt werden
können.
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4 ist
eine Seitenansicht, welche die Schritte beim Zusammenstecken des
Steckmoduls 202 und des Trägers 201 gemäß einer
repräsentativen Ausführungsform zeigt. Viele der
in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsformen
von 1 bis 3 beschriebenen
Einzelheiten des Steckmoduls 202 und des Trägers 201 sind
den nun beschriebenen Ausführungsformen gemeinsam. Solche
Einzelheiten werden nicht wiederholt, um die Beschreibung der vorliegenden
repräsentativen Ausführungsformen besser zu verdeutlichen.
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Im
ersten Schritt beinhaltet das Steckmodul 202 eine Abdeckung 401,
die über einem wesentlichen Teil des Steckmoduls angebracht
ist. Besonders wichtig ist, dass die Abdeckung 401 über
dem Hebel 206 und der Sondenspitze 207 angebracht
ist und einen Schutz bietet. Insbesondere bei bestimmten repräsentativen
Ausführungsformen ragen der Hebel 206 und die
Sondenspitze 207 über alle anderen Komponenten
der Sondenbaugruppe hinaus. Von Vorteil ist, dass hierdurch das
Abtasten größerer Oberflächenbereiche
von Proben besser möglich ist, als dies bei vielen bekannten
RSM der Fall ist, die auf einen geschützten Hohlraum beschränkt
sind. Dabei muss die abzutastende Probe klein genug sein, um in den
Hohlraum zu passen. Wenn der Hebel 206 und die Sondenspitze 207 hervorstehen,
können sie natürlich leicht beschädigt
werden. Die Abdeckung 401 sorgt für den notwendigen
Schutz des Hebels 206 und der Sondenspitze 207 während
des Anbringens und des Entnehmens des Steckmoduls.
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Während
dieses ersten Schrittes steht das Steckmodul 202 nicht
in Kontakt mit dem Träger 201, der in der gezeigten
Weise mit dem Sondenkopf 301 verbunden ist. Der Verriegelungsmechanismus 224 befindet
sich in einem unverriegelten Zustand, während ein Federbauteil 402 in
der gezeigten Stellung unbelastet ist. Das Steckmodul 202 wird
manuell entlang Richtung 403 verschoben, bis es in Schritt 2 durch
das Einführen des Führungsgliedes 222 in
das komplementäre Führungsglied 304 gemäß der
obigen ausführlichen Beschreibung erst einmal im Träger 201 sitzt.
In Schritt 2 ist zu sehen, dass die Kontakte 209 durch das
Einwirken der Führungsglieder 222, 304 von
den Kontakten 216 getrennt sind. Wie oben bereits erwähnt,
verhindert dieser Abstand die Beschädigung der Kontakte.
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Die
Bewegung entlang der Richtung 403 wird fortgesetzt, bis
es zum Kontakt zwischen den Oberflächen 223, 305 des
Trägers 201 und dem Steckmodul 202 kommt
und die Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213/217 bis 219 sowie
die Passglieder 214, 215/220, 221 aufeinander
ausgerichtet sind. Diese Anwendung einer Kraft auf den Verriegelungsmechanismus
in -z-Richtung bewirkt die Schwenkung 306 und bringt die
Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213/217 bis 219 sowie
die Passglieder 214, 215/220, 221 in
der oben beschriebenen Weise in Eingriff. Außerdem bewirkt
die angewendete Kraft das passgenaue Verbinden der Kontakte 209 mit
den Kontakten 216.
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Mit
dem ordnungsgemäßen Einsetzen ist das kinematische
Montieren erfolgt, worauf im dritten Schritt (Schritt ,3')
durch ein (nicht gezeigtes) Federbauteil eine Kraft 404 auf
den Riegel 403 ausgeübt wird und der Riegel in
der gezeigten Weise durch die Schwenkung 306 einrastet.
Damit ist der Prozess der Befestigung einer Sondenspitze an einem
RSM gemäß einer repräsentativen Ausführungsform
abgeschlossen. Im letzten Schritt (Schritt ,4') wird die
Abdeckung abgenommen, und der Hebel 206 und die Sondenspitze 207 werden
freigelegt.
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Die
bis hierher beschriebenen Ausführungsformen haben sich
vor allem auf das Anbringen/Auswechseln einer Sondenspitze an einem
RSM konzentriert. Der umgekehrte Prozess, das Abnehmen der Sondenspitze
vom RSM, wird natürlich durch Umkehren des Anbringungsprozesses
durchgeführt. Insbesondere kann durch Ausführen
der Schritte 4 bis 1 in 4 das Steckmodul 202 vom
Träger 201 abgenommen und durch Ausführen
der Schritte 1 bis 4 ein anderes Steckmodul mit
einer neuen oder neu zugerichteten Sondenspitze angebracht werden.
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Oben
wurde bereits erwähnt, dass das Auswechseln von Sondenspitzen
in situ arbeitsaufwändig ist und die Handhabung einer sehr
kleinen Komponente, der Sondenspitze, in einem begrenzten Bereich
des RSM erfordert. Gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung wird das verhältnismäßig große Steckmodul 202 manuell
oder möglicherweise mit einem Roboter oder ähnlichen
automatisierten Einrichtungen bewegt. Dadurch wird das Entnehmen
der abgenutzten Sondenspitze im Vergleich zu bekannten Verfahren
wesentlich erleichtert.
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Nach
dem Entnehmen eines Steckmoduls kann darauf eine neue Spitze angebracht
und so das verwendete Steckmodul neu zugerichtet werden. Im Gegensatz
zu vielen bekannten Verfahren zum Ersetzen der Spitze ist das Anbringen
der neuen Sondenspitze relativ problemlos und wird auf einem Arbeitstisch
durchgeführt, wo der Zugang zur Sondenspitze leicht möglich
ist.
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Außerdem
erfolgt die Erstausrichtung der Sondenspitze im Wesentlichen passiv.
Insbesondere wird die Lage der Ausrichtungs-Bezugsanordnungen 211 bis 213 und
der Passglieder 214, 215 genau festgelegt. Die
Genauigkeit kann durch Präzisionsguss (z. B. Spritzguss)
erreicht werden, wenn das Steckmodul 202 aus Kunststoff
hergestellt wird. Alternativ können in Abhängigkeit
vom Material andere bekannte Fertigungsverfahren eingesetzt werden,
um die Lage der Ausrichtungs-Bezugsanordnungen und der Passglieder
mit der erforderlichen Genauigkeit festzulegen. Durch das genaue
Anbringen der Ausrichtungs-Bezugsanordnungen in Verbindung mit der genauen
Dimensionierung des Steckmoduls 202 ist die Lage des Hebels 206 und
der Sondenspitze 207 im Allgemeinen vergleichsweise genau
definiert.
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In
Bezug auf diese Beschreibung wird angemerkt, dass die verschiedenen
Sondenbaugruppen, Steckmodule und Verfahren zum Anbringen einer Sondenspitze
an einem RSM unter Beachtung der vorliegenden Lehren in verschiedenen
Strukturen eingesetzt werden können. Ferner dienen die
verschiedenen beschriebenen Komponenten, Werkstoffe, Strukturen
und Parameter lediglich zur Veranschaulichung und als Beispiel und
sind keineswegs als Einschränkung zu verstehen. Ein Fachmann
kann die in dieser Beschreibung offengelegten Lehren realisieren,
indem er seine eigenen Anwendungen bestimmt und die zur Realisierung
dieser Anwendungen erforderlichen Komponenten, Werkstoffe, Strukturen
und Ausrüstungen auswählt, ohne vom Geltungsbereich
der angehängten Ansprüche abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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