Mikromanipulatoren dieser Art sind zur Ausführung von Be- wegungen bei Rastertunnelmikroskopen (RTM) oder Raster- kraftmikroskopen (RKM) bekannt. Hier ist ein Höchstmaß an Präzision für die Bewegung des jeweils zu untersuchenden Objekts relativ zu einer Abtastnadel (Tunnelspitze) am Mikromanipulator gefordert.

In der DE 36 10 540 C2 ist ein Mikromanipulator beschrie- ben, bei dem zur Abstützung des zu untersuchenden Objekts mehrere Bewegungselemente aus piezoelektrischem Material auf einer Grundplatte befestigt sind. Die Bewegungsele- mente sind derart ausgebildet, daß sie Mikrobewegungen eines auf den Bewegungselementen aufliegenden Objektes oder Objekthaltes bewirken können, z. B. Translations-und Rotationsbewegungen sowie ein Kippen des Objekts. Der be- schriebene Mikromanipulator ist auf Mikrobewegungen des Objekts eingerichtet, wobei in der zu bearbeitenden Addi- tion von Mikrobewegungen auch Makrobewegungen möglich sind. Senkrecht zur Objektebene sind Bewegungen nur inso- weit ausführbar, als es die durch Anlegen elektrischer Spannung erreichbare Verformung des piezoelektrischen Ma- terials zuläßt.

In der DE 38 22 504 ist eine Weiterentwicklung des vorbe- schriebenen Mikromanipulators offenbart. Sie besteht dar- in, daß die Bewegungselemente auf einem gegen die Kraft einer Feder gegenüber der Grundplatte bewegbaren Teil- stück angeordnet sind, wobei über die Feder eine Makrobe- wegung in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter senkrecht zur Objektebene unter Beibehaltung ihrer grund- sätzlich waagerechten Ausrichtung bewirkbar ist. Eine gleiche Wirkung kann mit der Ausbildung eines Mikromani- pulators gemäß der DE 38 44 659 A1 erzielt werden.

In Figur 6 dieses Dokuments ist zudem eine Ausführungs- form offenbart, bei der der Mikromanipulator in umgekehr- ter Anordnung als Läufer ausgebildet ist, der über die piezoelektrischen Bewegungselemente auf einem Objekt steht. Der Läufer läßt sich als Ganzes translatorisch oder rotatorisch in einer waagerechten Ebene oder in ei- ner dazu um kleine Winkel verkippten Ebene bewegen. Mit Hilfe eines solchen Mikromanipulators lassen sich auch größere Objekte zerstörungslos analysieren.

In der DE 38 44 821 C2 ist eine Mikromanipulator offen- bart, bei dem die Bewegungselemente mit Endstücken für die Anlage versehen sind, die in axial verlaufenden Buch- sen so gelagert sind, daß Reibkräfte zwischen einander angrenzenden Oberflächen an Endstück und Buchse eine Be- wegung der Auflage in der Buchse verhindern. Die Reib- kräfte sind so bemessen, daß sie einerseits zur Unter- stützung des Objekts oder des Objekthalters ausreichend sind und andererseits durch Anlegen von Spannungsfunktio- nen an das piezoelektrische Material ein Gleiten der End- stücke in der Buchse in axialer Richtung erreichbar ist.

Dabei werden durch piezoelektrisches Verformen die Haft- reibungskräfte zwischen Endstück und Buchse aufgehoben und die Relativbewegung durch Massenträgheit erzeugt. In dieser Ausbildung sind die Bewegungselemente senkrecht zur Bearbeitungs-oder Analyseebene für die Mikrobewegung und die Makrobewegung des Objekts bzw. Objekthalters aus- nutzbar. Allerdings bleiben die Makrobewegungen auf einen Bruchteil der Länge der Bewegungselemente beschränkt.

Ein grundsätzliches Problem bei der Anwendung von Raster- sondenmikroskopen (Rastertunnel-und Rasterkraftmikrosko- pe) besteht in der Tatsache, daß zur Untersuchung eines bestimmten Oberflächenortes auf einem Werkstück eine Pro- be herausgetrennt werden muß, die die zu untersuchende Fläche enthält. Die Probe wird dann in die Mikroskopvor- richtung eingebracht. Das Heraustrennen kann nur in Aus- nahmefällen vermieden werden, etwa wenn das Werkstück selbst sehr klein ist oder in besonders zur Untersuchung in der Mikroskopvorrichtung geeigneter Form vorliegt. In vielen Fällen verhindert jedoch die Notwendigkeit der Probennahme die mikroskopische Untersuchung, beispiels- weise wenn das Werkstück aus sachlichen oder aus Kosten- gründen nicht beschädigt werden darf oder von seiner Geo- metrie nicht zur Einbringung in die Mikroskopvorrichtung geeignet ist, wie beispielsweise ein Motorblock, Brücken- träger etc.

Bislang sind keine Rastersondenmikroskope bzw. Mikromani- pulatoren bekannt, die für Untersuchung von beliebigen Orten an großen unbeweglichen Werkstücken geeignet sind.

Dies beruht auf einem oder mehreren der folgenden Gründe : (i) Das Rastersondenmikroskop ist ohne besondere Schwingungsdämpfung aufgrund zu großer Empfind- lichkeit gegenüber Lärm und Vibrationen nicht funktionstüchtig.

(ii) Das Rastersondenmikroskop erfordert zur Annäherung von Sonde und Probe und zur Untersuchung der Probe eine bestimmte Probenorientierung.

(iii) Das Rastersondenmikroskop erlaubt konstruktiv nicht die Annäherung einer Sonde an einen beliebi- gen Probenort auf einem Werkstück in der für Ra- stersondenmikroskope nötigen Genauigkeit und gro- ßen Nähe.

So sind für die Rastersondenmikroskope der oben beschrie- benen Art alle drei genannten Gründe zutreffend.

Insbesondere die unter (i) genannte Empfindlichkeit von Rastersondenmikroskopen gegenüber Lärm und Vibrationen ist ein grundlegendes Problem für den Einsatz aller Ra- stersondenmikroskope. So ist etwa der Betrieb von tempe- raturvariablen Rastersondenmikroskopen der oben beschrie- benen Art (vgl. Bott et a.,"Design Principles of a va- riable temperature scanning tunneling microscope", Rev.

Sci. Instrumen. 66 (8), August 1995, S. 4135 bis 4139) durch Kochen des Kühlmittels in besonderem Maße durch Vi- brationen beeinträchtigt.

Hinzu kommt, daß die Auflagekraft des Objektes bzw. des Objekthalters mit Probe auf dem Mikroskop oder des Läu- fers auf dem Objekt bzw. dem Objekthalter nur durch das Eigengewicht bewirkt wird. Die Auflagekraft ist nur ge- ring und führt an den Anlagepunkten bei Anwesenheit von Umgebungslärm oder Vibrationen zu Relativbewegungen zwi- schen Mikromanipulator und Objekt bzw. Objekthalter (vgl.

Behler et al,"Method to characterize the vibrational re- sponse of a beetle type scanning tunneling microscope", Rev. Sci. Instrum. 68 (1), Januar 1997, S. 124 bis 128).

Zur Lösung dieses Problems werden in dem Dokument ver- schiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, beispielsweise die Reduzierung der Einwirkungsmöglichkeit des Umgebungslärms durch bessere Schwingungsisolierung oder die Änderung der Ausbildung des Mikromanipulators durch Vergrößerung der Auflagekraft, z. B. durch Gewichtsvergrößerung oder durch Verwendung einer magnetischen oder elektrostatischen Ver- klammerung von Mikroskop und Objekt. Wie dies im einzel- nen aussehen könnte, ist dem Dokument nicht zu entnehmen.

Werden dabei die piezoelektrischen Bewegungselemente be- lastet, werden die vorgenannten Probleme nicht gelöst.

Die interne Resonanzfrequenz der Bewegungselemente nimmt nämlich durch Belastung stark ab und führt dadurch wie- derum zu einer erhöhten Empfindlichkeit des Rastersonden- mikroskops gegenüber Umgebungslärm und Vibrationen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mi- kromanipulator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß seine Empfindlichkeit gegen Umgebungslärm oder Vibra- tionen wesentlich herabgesetzt ist und er zudem auch an beliebigen Stellen eines größeren Objektes ohne dessen Zerkleinerung verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Endstücke magnetisch oder magnetisierbar sind. Mit solchermaßen ausgebildeten Endstücken läßt sich die Auf- lagekraftkraft wesentlich vergrößern. Soweit die Endstük- ke magnetisch sind, reicht es hierfür aus, daß das zu un- tersuchende Objekt-oder der Objekthalter-aus einem magnetisierbaren Material besteht oder eine magnetisier- bare Beschichtung aufweist. Sind die Endstücke lediglich magnetisierbar ausgebildet, ist es für die Erhöhung der Auflagekraft erforderlich, daß das Objekt selbst-oder der Objekthalter-magnetisch ist. Der Vorteil des erfin- dungsgemäß ausgebildeten Mikromanipulators besteht darin, daß das piezoelektrische Material der Bewegungs-elemente durch die Erhöhung der Auflagekraft nicht belastet wird, da die Auflagekrafterhöhung allein zwischen den Endstük- ken der Bewegungselemente und dem Objekt bzw. Objekthal- ter bewirkt wird. Hierdurch kommt es auch nicht zu einer Herabsetzung der Eigenresonanz der Bewegungselemente.

Vielmehr steigt die Eigenresonanz aufgrund der Verbindung mit dem Werkstück. Dies ermöglicht es, den Mikromanipula- tor unter normalen Umgebungsbedingungen ohne äußere Schwingungsdämpfung einzusetzen und trotzdem eine hohe Auflösung von besser als 1 nm auf einem beliebigen Objekt zu erzielen. Die Erfindung stellt damit insbesondere eine Verbesserung für alle Mikromanipulatoren dar, die in be- sonderem Maße Vibrationen oder Umgebungslärm ausgesetzt sind oder bei denen eine Isolierung von solchen störenden Einflüssen nicht möglich ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Mikromanipulators besteht darin, daß aufgrund der großen Haftkräfte zwischen Mikromanipulator und Objekt-bzw.

Objekthalter-die Funktion des Mikromanipulators in je- der beliebigen Orientierung gewährleistet ist und nicht mehr durch eine im wesentlichen waagerechte Orientierung der von den Endstücken aufgespannten Ebene (und damit des Objekts) eingeschränkt ist. Dies ermöglicht es insbeson- dere, den Mikromanipulator an beliebig orientierten Stel- len eines größeren Objekts ohne dessen Zerkleinerung zu betreiben. Ebenfalls ermöglicht es diese Eigenschaft, Ob- jekte über makroskopische, konstruktiv nicht beschränkte Entfernungen in beliebige Richtungen zu transportieren.

Soweit die Endstücke magnetisch ausgebildet sind, ist in Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Endstücke wenigstens teilweise aus magnetischem Material bestehen.

Alternativ dazu können die Endstücke auch wenigstens teilweise aus magnetisierbarem Material bestehen und ih- nen jeweils ein Magnet zugeordnet sein, der das Endstück magnetisiert. Als Magnete kommen Permanentmagnete oder Elektromagnete in Frage.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mikromanipulator einen Objekthalter aufweist, der an den Endstücken anliegt und magnetisch oder magneti- sierbar ausgebildet ist. Dabei kann der Objekthalter auch am Objekt angebracht oder Teil desselben sein. Ein sol- cher Objekthalter kommt in Frage, wenn sehr kleine Werk- stücke untersucht werden sollen. Wenn die Endstücke ma- gnetisch sind, reicht es aus, wenn der Objekthalter aus einem magnetisierbaren Material besteht. Sind die End- stücke lediglich magnetisierbar, sollte der Objekthalter selbst magnetisch sein, damit die Auflagekräfte zwischen Endstücken und Objekthalter vergrößert werden. Dabei kann die magnetische Eigenschaft des Objekthalters mittels Permanentmagneten oder Elektromagneten bewirkt werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausfüh- rungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen : Figur 1 einen Vertikalschnitt durch ein Bewegungsele- ment eines erfindungsgemäßen Mikromanipula- tors ; Figur 2 einen Mikromanipulator für flache Objekte ; Figur 3 einen Längsschnitt durch ein Bewegungselement des Mikromanipulators gemäß Figur 2 ; Figur 4 einen Mikromanipulator als Läufer an einem Objekt in der Ansicht und Figur 5 ein Raster-Tunnel-Mikroskop mit einem Objekt.

Der in Figur 1 teilweise dargestellte Mikromanipulator 1 weist eine Grundplatte 2 auf, von der ein Bewegungsele- ment 3 senkrecht nach oben hochsteht. Neben diesem Bewe- gungselement 3 sind zwei weitere, hier nicht dargestellte und parallel ausgerichtete Bewegungselemente sowie ein ebenfalls parallel ausgerichtetes und zentral zu den Be- wegungselementen 3 angeordnetes Rasterelement vorgesehen, so daß der Mikromanipulator in seiner grundsätzlichen Ausbildung den Mikromanipulatoren entspricht, wie sie sich aus den Figuren 1 der DE 36 10 540 C2, DE 38 22 504 C2 und DE 38 44 659 A1 ergibt.

Das Bewegungselement 3 weist ein Röhrchen 4 aus piezo- elektrischem Material auf, dessen unteres Ende in die Grundplatte 2 eingelassen ist. Im Bereich des oberen En- des ist ein scheibenförmiger Magnet 5 eingesetzt, der in Richtung der Längsachse des Röhrchens 4 magnetisiert ist.

Auf die Oberseite des Magnetes 5 ist ein halbkugelförmi- ges Endstücke 6 aus einem magnetisierbaren Material auf- geklebt. Dieses Endstücke 6 liegt an der Unterseite eines zu untersuchenden Objektes 7 an, das ebenfalls aus einem magnetisierbaren Material besteht oder zumindest an sei- ner Unterseite mit einer Beschichtung aus einem solchen Material versehen ist. Aufgrund der Magnetisierung des Endstückes 6 durch den Magnet 5 wird die Auflagekraft des Objektes 7 auf das Endstück 6 um bis zu zwei Größenord- nungen vergrößert. Da die übrigen Bewegungselemente iden- tisch ausgebildet sind, gilt dies auch für diese Bewe- gungselemente.

Das Röhrchen 4 ist mit geeigneten Elektroden versehen, so daß eine Relativbewegung zwischen dem Röhrchen 4 und dem Magnet 5 durch Anwendung der sich aus der DE 38 44 821 C2 ergebenden Lehre bewirkt werden kann, um Mikrobewegungen gegenüber dem Objekt 7 zu bewirken.

Der in Figur 2 dargestellte Mikromanipulator 8 hat eine senkrecht ausgerichtete Grundplatte 9, von der insgesamt acht Bewegungselemente-beispielhaft mit 10 bezeichnet- waagerecht vorstehen.

Wie Figur 3 erkennen läßt, weist auch hier das Bewegungs- element 10 ein Röhrchen 11 aus piezoelektrischem Material auf. In das freie Ende des Röhrchens 11 ist ein Endstück 12 mit halbkugelförmiger Spitze eingesetzt, das als Ma- gnet ausgebildet ist.

An den Bewegungselementen 10 liegt ein plattenförmiges Objekt 13 an, das aus einem magnetisierbaren Material oder mit einer magnetisierbaren Beschichtung oder Führung versehen ist. Mit Hilfe der Bewegungselemente 10 läßt sich das Objekt 13 durch Mikrobewegungen in beliebiger Raumrichtung, insbesondere auch in der Senkrechten, transportieren. Sofern FeNeB-Magnete mit einem Durchmes- ser von 2 mm und einer Länge von 1,5 mm verwendet werden, können pro Auflagepunkt Haftkräfte von ca. 0,5 N erzielt werden. Die gesamte Haftkraft FH ergibt sich durch Addi- tion der Haftkräfte der einzelnen Auflagepunkte. Die ma- ximal senkrecht transportierbare Last mit einem Gewicht FG kann ohne weiteres durch das Armonton'sche Gesetz ab- geschätzt werden und beträgt für eine Haftreibungszahl M. typischerweise FG % : z p,, F,,, d. h. einige Zehntel der Größe der summierten Haftkräfte.

In Figur 4 ist ein weiterer Mikromanipulator 14 als Läu- fer dargestellt. Er weist drei Bewegungselemente 15,16, 17 auf, die im Dreieck angeordnet sind und senkrecht von einer Grundplatte 18 hochstehen. Die Bewegungselemente 15,16,17 sind identisch mit den Bewegungselementen 10 bei dem Mikromanipulator 8 gemäß den Figuren 2 und 3 und weisen deshalb jeweils ein Röhrchen 19,20,21 auf, in deren freie Enden jeweils Endstücke 22,23,24 eingesetzt sind, die als Magnete ausgebildet sind.

Der Mikromanipulator 14 liegt an der Unterseite eines Ob- jektes 25 aus magnetisierbarem Material an. Die über die Endstücke 22,23,24 ausgeübten Haftkräfte sind größer als das Gewicht des Mikromanipulators 14. Er kann deshalb in jeder beliebigen Raumrichtung über das Objekt 25 hin- wegbewegt werden. Dabei muß das Objekt 25 nicht notwendi- gerweise eben sein. Es ist ausreichend, wenn die lokalen Krümmungsradien des Objektes 25 mindestens von der Grö- ßenordnung des Abstandes der Bewegungselemente 15,16,17 sind. Ein solcher Mikromanipulator 14 kann sich sogar in Rohren bewegen.

In Figur 5 ist ein Rastertunnelmikroskop 26 dargestellt, das für beliebige Probenorte auf großen unbeweglichen und zur Probennahme ungeeigneten Objekten eingesetzt werden kann. Das Rastertunnelmikroskop 26 weist ein Gehäuse 28 auf, das aus einem Zylinderabschnitt 29 aus transparentem Material und einer einseitig abschließenden Steckerplatte 30 besteht. Objektseitig wird das Gehäuse 28 durch einen Rampenring 31 abgeschlossen, der mit dem Zylinderab- schnitt 29 über ein Gewinde 32 bis zu einem Anschlag 33 verschraubt ist. Der Rampenring 31 ist beispielsweise durch Verkleben, durch Adhäsion oder durch Verschraubung mit einem Objekt 34 verbunden.

In dem Gehäuse 28 befindet sich ein Mikromanipulator 35 vom Läufertyp, dessen Grundplatte 36 zunächst mittels Verriegelungsschrauben 37,38,39 an dem Zylinderab- schnitt 29 gehaltert ist, indem die Verriegelungsschrau- ben 37,38,39 den Zylinderabschnitt 29 durchsetzen und in Verriegelungslöcher 40,41,42 in der Grundplatte 36 einfassen.

Von der dem Objekt 34 zugewandten Seite der Grundplatte 36 stehen Bewegungselemente 43,44,45 hoch, die an ihren freien Enden mit magnetischen Endstücken 46,47,48 ver- sehen sind. Sie sind genauso ausgebildet wie die Bewe- gungselemente 10,15,16,17 bei den Mikromanipulatoren 8,14 gemäß den Figuren 2 bis 4. Von der Mitte der Grund- platte 36 ragt eine Tunnelmikroskopspitze 49 in Richtung auf das Objekt 34, die dessen Analyse dient.

Die Anbringung des Rastertunnelmikroskops 26 geschieht in der Weise, daß zunächst der Rampenring 31 an dem Objekt 34 angebracht wird. Dann wird das Gehäuse 28 auf den Ram- penring 31 bis zum Anschlag 33 aufgeschraubt, wobei der Mikromanipulator 35 zunächst noch über die Verriegelungs- schrauben 37,38,39 fixiert ist. Nach Entfernen der Ver- riegelungsschrauben 37,38,39 bewirken die magnetischen Endstücke 46,47,48 eine Bewegung des Mikromanipulators 35 bis zur Anlage der Endstücke 46,47,48 am Rampenring 31. Durch Aufprägen geeignet gewählter elektrischer Im- pulse auf das piezoelektrische Material der Bewegungsele- mente 43,44,45 wird eine Rotation des Mikromanipulators 35 gegen den Uhrzeigersinn bewirkt, die aufgrund der Formgebung der Rampen des Rampenrings 31 zu einer Annähe- rung der Tunnelmikroskopspitze 49 an das Objekt 34 führt, bis sie in dem für die Messung notwendigen Bereich liegt.

Durch ebenfalls geeignet gewählte elektrische Impulse an die Bewegungselemente 43,44,45 kann auch eine Transla- tion des Mikromanipulators 35 bewirkt werden und damit der gewünschte Ort des Objektes 34 in die Nähe der Tun- nelmikroskopspitze 49 und damit in das Bildfeld des Ra- stertunnelmikroskops 26 gebracht werden. Dessen Funktion hängt dabei nicht von seiner Orientierung ab, die durch die Orientierung des zu untersuchenden Ortes des Objekts 34 aufgeprägt wird.

Die Transparenz des Zylinderabschnitts 29 ermöglicht es, den zu untersuchenden Ort des Objektes 34 zunächst mit- tels optischer Mikroskopie zu wählen und anschließend kontrolliert durch die Bewegung des Mikromanipulators 35 in den Bildbereich des Rastertunnelmikroskops 26 zu brin- gen. Die für die Betätigung der Bewegungselemente 43,44, 45 benötigte elektrische Energie wird über dünne Drähte- beispielhaft mit 50 bezeichnet-zu der Steckerplatte 30 geführt. Das Meßsignal wird zunächst durch eine metalli- sche Schirmröhre 51 in einen integrierten Vorverstärker 52 geführt, bevor es ebenfalls auf die Steckerplatte 30 gegeben wird. Von der Steckerplatte 30 aus kann das Ra- stertunnelmikroskop 26 mit den notwendigen Meßelektronik verbunden werden. Das Rastertunnelmikroskop 26 besitzt im beschriebenen Beispiel eine Länge von ca. 12 cm und ein Durchmesser von ca. 4 cm.

Statt des Rampenrings 31 kann die Annäherung an den Un- tersuchungsort des Objektes 34 auch durch einen Träg- heitsantrieb geschehen, wie er in der DE 38 44 821 C2 of- fenbart ist. In diesem Fall reicht ein glatter Ring ohne Rampen aus. Ferner kann die gezeigte Anordnung durch Aus- tausch der Tunnelmikroskopspitze 48 gegen einen Nadelsen- sor entsprechend der DE 195 13 529 A1 auch als Raster- kraftmikroskop benutzt werden und ist damit auch zur Un- tersuchung von elektrisch nicht leitenden Werkstücken ge- eignet.