Nichtmagnetisch, vakuumkompatibel und hochpräzise

Antriebe und Positionierung für Elektronenmikroskope

Da bei Elektronenmikroskopen die Wellenlänge des Lichts als Begrenzungsfaktor keine Rolle spielt, lassen sich sogar die Abstände einzelner Atome erkennen. Transmissions-Elektronenmikroskope (TEM) erreichen Auflösungen bis 0,1 nm; bei Rasterelektronenmikroskopen (SEM, Scanning Electron Microscope) liegt die Auflösung im Bereich von 1 nm. Bild: Dr. Reiner Ramlau, MPI für Chemische Physik fester Stoffe

Die Elektronenmikroskopie ermöglicht Untersuchungen mit extrem hoher lateraler Auflösung bis in den Bereich unter einem Nanometer. Dies stellt allerdings auch sehr große Anforderungen an die abbildenden Elemente. Ebenso exakt müssen natürlich auch die Proben positioniert werden, um aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten. Antriebe und Positioniersysteme übernehmen damit bei der Elektronenmikroskopie wichtige Aufgaben.

Überall dort, wo optische Untersuchungsmethoden bei strukturellen Untersuchungen nicht mehr ausreichen und eine geeignete Probenpräparation möglich ist, setzt man hochauflösende elektronenmikroskopische Verfahren ein. Aufgrund der sehr hohen Auflösung lassen sich mit ihrer Hilfe sogar die Abstände einzelner Atome erkennen. Transmissions-Elektronenmikroskope (TEM) erreichen Auflösungen bis 0,1 nm; bei Rasterelektronenmikroskopen (SEM, Scanning Electron Microscope) liegt die Auflösung im Bereich von 1 nm, und damit deutlich besser als bei optischen Verfahren. Bei konfokaler Lichtmikroskopie sind üblicherweise Werte zwischen etwa 200 bis 300 nm erreichbar, bei optischen Super Resolution Verfahren werden mit kommerziellen Systemen bis zu 20 nm erzielt.

Typische Anwendungen für die Elektronenmikroskopie sind heute breit gestreut; sie finden sich über den Forschungsbereich hinaus auch zunehmend im industriellen Umfeld, zum Beispiel bei Oberflächen- und Strukturprüfungen sowohl in der Halbleitertechnologie und der Materialforschung als auch im Lifescience-Bereich. In Kombination mit einem Ionenstrahl sind sogar dreidimensionale Untersuchungen möglich; der Ionenstrahl trägt dazu einzelne Schichten der Probe ab. Bei kleinsten Strukturen auf Halbleitern lassen sich so bereits Schichtdicken über die Zahl der übereinander liegenden Atomlagen bestimmen. Im Lifescience-Bereich werden feinste Zellstrukturen sichtbar, wozu die Proben z.B. auch mit speziellen Gefrierverfahren präpariert werden können.

Stabile Positionierung und große Wiederholgenauigkeit

Prinzipieller Aufbau eines Raster-Elektronenmikroskops (SEM). Bild: Physik Instrumente (PI)

Prinzipieller Aufbau eines Raster-Elektronenmikroskops (SEM).

Dabei haben die unterschiedlichen Applikationen mindestens eine Gemeinsamkeit: Die zunehmend automatisierten Prüfvorgänge erfordern flexible und zuverlässige Antriebslösungen, die im Vakuum arbeiten müssen und idealerweise schmiermittelfrei und nicht magnetisch sind. Bei TEM gilt es, die Probe extrem stabil zu halten. Probenmanipulationen im Nanometerbereich sind obligatorisch; schließlich misst das Sichtfeld lediglich 150 nm.

Bei SEM ist die Auflösung direkt abhängig von der Probenposition. Wenn bei dem Scan die Probe bewegt wird, sind außer der Auflösung auch die Wiederholgenauigkeit und die Stabilität der Positoniertische entscheidend für die Qualität der Aufnahmen. Nur wenn ein Driften der Probe nach Erreichen der Zielposition zuverlässig vermieden wird, können Verzerrungen der Aufnahmen vermieden werden. Damit der Anwender bei direkter Beobachtung des EM Bildes „On the Fly“ bestimmte Stellen auf der Probenoberfläche gezielt und mit hoher Präzision „ruckelfrei“ anfahren lassen, müssen die Positioniertische höchsten Anforderungen an den Gleichlauf bei Geschwindigkeiten von wenigen nm/s genügen. Hierfür sind Piezoschreitantriebe besonders geeignet.

Piezobasierte Antriebslösungen bieten gute Voraussetzungen

Piezo-Stellantriebe eignen sich als kompakte Antriebslösung, um Blenden für die Justage des Elektronenstrahls zu verstellen oder andere Komponenten nachzuführen. Auch beim Proben-Präparieren sind Piezomotoren und Piezoaktoren als Positionierer geeignet. Bild: Physik Instrumente (PI)

Piezo-Stellantriebe eignen sich als kompakte Antriebslösung, um Blenden für die Justage des Elektronenstrahls zu verstellen oder andere Komponenten nachzuführen. Auch beim Proben-Präparieren sind Piezomotoren und Piezoaktoren als Positionierer geeignet.

Für all diese Anforderungen der Elektronenmikroskopie liefern piezobasierte Antriebslösungen gute Voraussetzungen. Physik Instrumente (PI) beispielsweise biete eine große Auswahl an Antrieben, Aktoren und Mehrachspositioniersystemen, die schmiermittelfrei und vakuumkompatibel sind. Die eigenentwickelten piezobasierten Antriebskonzepte erzeugen keine Magnetfelder und werden von diesen auch nicht beeinflusst. Damit können ganz (auch die Führung) oder teilweise (außer der Führung) nichtmagnetische Stellsysteme aufgebaut werden.

Einfache Aktoren oder Stellantriebe beispielsweise lassen sich für Zustellaufgaben am Elektronenstrahl integrieren, wo sie zur Korrektur der Strahlführung oder zur Justage von Blenden dienen. Für die Positionierung der Probe – sei es zur Präparierung vor der Untersuchung, für schnelle Scans oder zur präzisen Ausrichtung im Strahlengang – sind Linear- oder Rotationsversteller geeignet, die auch leicht zu mehrachsigen Lösungen kombiniert werden können. Eine rotatorische Positionierung der Probe ist häufig in der Probenpräparation für SEM erforderlich.

Kompakter Rotationstisch mit Ultraschall-Piezomotoren. Bild: Physik Instrumente (PI)

Kompakter Rotationstisch mit Ultraschall-Piezomotoren.

Mit kompakten Drehtischen kann die Probe z. B. in Dual-Beam-Anlagen schnell vom Elektronenstrahlgang zur Ionenstrahl-Analyse und -Bearbeitung transportiert werden. Auch zum Aufbau mehrachsiger Probenscans in der SEM können die Drehtische genutzt werden, oder zur Verstellung der Winkel bei kristallografischen Untersuchungen (Electron Backscatter Diffraction, EBSP). Lineartische mit piezobasierten Antrieben eignen sich besonders für Probenscans. In Kombination mit einem direkt messenden hochauflösenden Encoder ermöglichen sie eine sehr präzise und wiederholbare Positionierung.

Stabiles Halten der Position und hohe Zuverlässigkeit

Miniaturversteller mit Piezomotoren und direkter Positionsmessung. Bild: Physik Instrumente (PI)

Miniaturversteller mit Piezomotoren und direkter Positionsmessung.

Allen Piezomotortechnologien gemeinsam ist das stabile, driftfreie Halten der Position im Ruhezustand ohne weitere Stromzufuhr. Dadurch gibt es keine Wärmeentwicklung, was gerade in Vakuumumgebung von Vorteil ist. Piezomotoren sind dadurch geeignet für die präzise und stabile Positionierung selbst über lange Stillstandszeiten. Gleichzeitig sind die Antriebe besonders zuverlässig, denn sie arbeiten als Direktantriebe ohne zusätzliche mechanische Übersetzungskomponenten, wie z.B. Getriebe. Mechanische Beschränkungen wie Spiel sind dadurch ausgeschlossen und der Antrieb ist wartungsfrei.

Für alle Systeme stehen die entsprechenden Ansteuerelektroniken und Controller zur Verfügung, die sich mit ihren analogen oder digitalen Schnittstellen und der umfangreichen Softwareunterstützung nahtlos in bestehende Systeme einfügen. Da auch im Bereich der Elektronenmikroskopie die Anforderungen an die jeweils eingesetzten Antrieb- und Positionierlösungen beträchtlich variieren können, stehen unterschiedliche piezobasierte Motoretechnologien zur Verfügung.

Für jede Anforderung die passende Motortechnologie

Funktionsprinzip des PiezoWalk Antriebs am Beispiel der NEXLINE Technologie: Klemm- und Vorschubbewegung sind auf getrennt angesteuerte Längs- und Scheraktoren verteilt. NEXACT Antriebe setzen den Bewegungszyklus mit Biegeaktoren um. Bild: Physik Instrumente (PI)

Funktionsprinzip PiezoWalk am Beispiel NEXLINE: Klemm- und Vorschubbewegung sind auf getrennte Längs- und Scheraktoren verteilt. NEXACT Antriebe setzen die Bewegung mit Biegeaktoren um.

Ultraschall-Piezomotoren sind schnell und für Positionieraufgaben im Sub-Mikrometer-Bereich geeignet. Bild: Physik Instrumente

Ultraschall-Piezomotoren sind schnell und für Positionieraufgaben im Sub-Mikrometer-Bereich geeignet.

In PiezoWalk Schreitantrieben beispielsweise wirken Piezoaktoren paarweise als Klemm- und Vorschubelemente auf einen bewegten Läufer. Zyklisch angesteuert ergibt sich so eine schreitende Bewegung der Aktoren auf dem Läufer; dieser wird vor oder zurück bewegt. NEXACT Schreitantriebe bieten Nanometer-Auflösung bei Geschwindigkeiten bis 10 mm/s, während NEXLINE Antriebe für hohe Kraftentwicklung ausgelegt sind.

 

Das PIShift Antriebsprinzip basiert auf einem einzelnen piezoelektrischen Aktor. Der Aktor dehnt sich langsam aus und nimmt einen Läufer mit. Die schnelle Kontraktion des Aktors kann der Läufer aufgrund seiner Trägheit nicht nachvollziehen und verharrt auf seiner Position. Bild: Physik Instrumente (PI)

PIShift basiert auf einem einzelnen Piezo-Aktor. Dieser dehnt sich langsam aus und nimmt den Läufer mit. Die schnelle Kontraktion des Aktors kann der trägere Läufer nicht nachvollziehen und hält die Position.

Für hohe Vorschubgeschwindigkeiten und Positionieraufgaben im Submikrometer-Bereich eignen sich Ultraschall-Piezomotoren. Der piezokeramische Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt. Die Deformation des Aktors führt zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer. Die hohen Frequenzen sorgen für hohe Geschwindigkeiten von mehreren 100 mm/s.

Ebenfalls für den Einsatz an und in Elektronenmikroskopen interessant sind PIShift Antriebe. Sie basieren auf einem einzigen Piezoaktor und nutzen den Stick-Slip-Effekt (Trägheitseffekt). Das Piezoelement erzeugt dabei einen zyklischen Wechsel von Haft- und Gleitreibung zwischen Aktor und einem bewegten Läufer. Mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 20 kHz wird dadurch ein kontinuierlicher Vorschub des Läufers mit Geschwindigkeiten von über 10 mm/s und nanometergenaue Positionierung erreicht. Nicht zuletzt auch durch diese unterschiedlichen Motortechnologien bieten piezobasierte Antriebs- und Positionierlösungen für alle Anforderungen der Elektronenmikroskopie gute Voraussetzungen.

Über Physik Instrumente
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen international vertreten. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik. Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Titelbild: Dr. Reiner Ramlau, MPI für Chemische Physik fester Stoffe

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Dipl.-Physiker Gernot Hamann

Business Development Manager für Mikroskopie bei Physik Instrumente (PI)

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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