Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der mikroskopisch genauen Messung von Oberflächen, und insbesondere auf die Raster sondenmikro skopie (Scanning Probe Microscopy - "SPM") und im Besonderen die Atomkraftmikro skopie ("AFM"), die in der Literatur auch als Scanning Force Microscopy ("SFM") bezeichnet wird.

Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur mikroskopisch präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Raumachsen für die obigen Technologien. Eine solche Vorrichtung wird üblicherweise als "Scanner" bezeichnet. Bei den genannten Anwendungen ist es notwendig, eine relative Positionierung und Führung zwischen einer Probe bzw. einem Werkstück und einem Messoder Manipulationselement zu bewirken. Hierfür sind mechanische Scanner aus der Patentliteratur, akademischen Publikationen und Produkten am Markt bekannt.

Aus den Dokumenten US 5,861,549 und US 6,310,342 sind Tastköpfe (Scanner) für SPM und AFM bekannt, die zumindest eine Flexurstufe zum Scannen von Proben oder Werkstücken in x, y und/oder z Richtung aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst der Scanner getrennte Flexurstufen zum Scannen in x-, y- und z-Richtung. Dabei trägt eine in x- und y-Richtung translational verlagerbare xy-Stufe das Mess- oder Manipulationselement, das in z-Richtung bewegbar ist. Der Aufbau des Scanners umfasst eine feststehende Außenbasis, an die mittels Biegeelementen eine x-Achsen Stufe gekoppelt ist. An die x- Achsen Stufe ist mittels Biegeelementen eine y-Achsen Stufe gekoppelt. Die Translation der x-Achsen Stufe und der y-Achsen Stufe wird von Aktuatoren bewirkt, die vorzugsweise als Piezoelemente ausgebildet sind.

Da ein großer Teil der Anwendungen für die genannten Scanner auf mikroskopischer Größenordnung stattfindet, ist die Integration von Scannern für SPM und insbesondere AFM in optische Mikroskopiesysteme wünschenswert. Dazu ist es jedoch vorteilhaft, die Größe der Scanner so weit wie möglich zu reduzieren, denn so kann eine flexible Integration von Scannern für nicht-optische Mess- und Manipulationsverfahren in existierende Mikroskop- Aufbauten erreicht werden. Je kleiner die Scanner ausgeführt werden können, desto größer ist die Zahl der realisierbaren Anwendungen. Es ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Raumachsen bereitzustellen, die in ein Rasterelektronenmikroskop ("SEM") integriert werden kann. Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass trotz Verkleinerung des Scanners dessen mechanische Eigenschaften nicht verschlechtert werden. Insbesondere darf die Miniaturisierung des Scanners nicht zulasten von dessen Steifigkeit gehen, da sonst die Genauigkeit der Messergebnisse massiv beeinträchtigt würde.

Aber auch die Linearität der Biegeelemente hängt vom Verhältnis der Länge des Biegeelements zu dessen maximaler Verbiegung ab. Die maximale Verbiegung steht wiederum im Zusammenhang mit dem maximalen Scanbereich.

Die in den oben erwähnten Dokumenten US 5,861,549 und US 6,310,342 offenbarten Scanner sind zur Miniaturisierung nicht geeignet, da sie zur Erzielung ausreichender Steifigkeit massive Wandstärken der einzelnen Stufen benötigen. Durch diese massiven Wandstärken ist die Größe der Bauform dieser Scanner nach unten limitiert, das verhältnismäßig hohe Gewicht wiederum beschränkt die mögliche Verfahrgeschwindigkeit der Scanner.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur mikroskopisch präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Raumachsen bereitzustellen, die die oben angeführten Nachteile des Standes der Technik überwindet oder zumindest beträchtlich lindert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung dargelegt.

Der erfindungsgemäße Scanner bietet die folgenden Vorteile:

- Er weist kleine Außenabmessungen und ein geringes Gewicht auf, ist trotz der geringen Außenabmessungen und des geringen Gewichts hochgenau, linear und schnell.

- Er ist in optische Mikroskope und Untersuchungssysteme, wie Rasterelektronenmikroskope (engl. "Scanning Electron Microscope", "SEM"), Röntgenphotoelektronen Spektroskopie (engl. "X-Ray Photelectron Spectroscopy", "XPS"), Ionenfeinstrahl (engl. "Focused Ion Beam", FIB"), oder kombinierte Systeme, wie beispielsweise Dual-Beam ("DB") Systeme, worunter die Integration von SEM und FIB in einem Gerät verstanden wird, sowie in Vakuum- Beschichtungskammern integrierbar.

- Mit seiner Hilfe sind uneingeschränkt große Proben (z.B. Zahnräder, Turbinenschaufeln) auch an schwer zugänglichen Stellen untersuchbar.

- Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Mess- oder Manipulationselemente an ihm montierbar, wie z.B. Sensoren, die als Cantilever, insbesondere SPM- oder AFM- Cantilever, ausgeführt sein können, wobei die Mess- oder Manipulationselemente exponiert an einer Extremität des Scanners anordenbar sind.

- Die Verfahrwege in den unterschiedlichen Achsen werden hochgenau eingehalten und es besteht nur eine äußerst geringe Wechselwirkung zwischen den Bewegungen in verschiedenen Achsen.

- Es besteht eine konstruktive (bauliche) weitgehende Unabhängigkeit des in der XY- Ebene verfahrbaren Teils des Scanners von dem in z-Richtung verlagerbaren Mess- und/oder Manipulationselement.

- Die Verfahrbarkeit des Scanners ist genau wiederholbar, die Scanlinearität ist hoch, die Verfahrwege sind groß und der Scanner weist nur eine sehr geringe Tendenz zu Taumeln bzw. Winkelfehler bei der Bewegung auf.

- Die Eigenfrequenz (erste Resonanzfrequenz) des Scanners ist sehr hoch und ermöglicht dadurch hohe Scanfrequenzen.

- Die Gesamtsteifigkeit der Vorrichtung und kurze mechanische Wege zwischen dem Befestigungsort des Scanners (Referenzpunkt) und dem Sensor (z.B. als Cantilever ausgebildet) resultieren in Unempfindlichkeit gegen Beschleunigungen und Vibrationen, die von außen auf den Scanner einwirken.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur mikroskopisch präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Raumachsen, umfassend eine äußere Basis mit Seitenwänden, die einen Basisinnenraum definieren, und eine innerhalb des Basisinnenraums angeordnete, relativ zur äußeren Basis in einer Ebene verfahrbare, Seitenwände aufweisende xy-Stufe mit einer Montageeinrichtung für zumindest ein Mess- oder Manipulationselement, wobei die xy-Stufe mit Biegeelementen an die äußere Basis gekoppelt ist, und mit Aktuatoren, die dazu ausgebildet sind, die xy- Stufe relativ zur äußeren Basis zu verlagern, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Basis mit zumindest einem Versteifungselement versehen ist, das starr mit den Seitenwänden der äußeren Basis verbunden ist, und/oder dass die xy-Stufe mit zumindest einem Versteifungselement versehen ist, das starr mit den Seitenwänden der xy-Stufe verbunden ist. Die xy-Stufe kann hierbei kinematisch parallel angeordnet sein, wodurch eine einfache und kompakte Bauweise ermöglicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die xy-Stufe in eine mittels zumindest einem der Aktuatoren in einer ersten Raumachse verfahrbare y-Stufe und in eine mittels zumindest einem der Aktuatoren in einer zur ersten Raumachse orthogonalen zweiten Raumachse verfahrbare x-Stufe zusammengesetzt, wobei die y-Stufe Seitenwände aufweist, die einen Innenraum definieren und die x-Stufe innerhalb des Innenraums der y-Stufe angeordnet ist, wobei die y-Stufe mit Biegeelementen an die äußere Basis gekoppelt ist, wobei die x-Stufe mit Biegeelementen an die y-Stufe gekoppelt ist, wobei die Montageeinrichtung für zumindest ein Mess- oder Manipulationselement an der x-Stufe ausgebildet ist, und wobei die y-Stufe mit zumindest einem Versteifungselement versehen ist, das starr mit den Seitenwänden der y-Stufe verbunden ist, wobei optional auch die x- Stufe mit zumindest einem Versteifungselement versehen ist. Die xy-Stufe ist hierbei kinematisch seriell angeordnet, wodurch eine Entkopplung der beiden Bewegungsrichtungen entlang der ersten und zweiten Raumachse ermöglicht wird.

Vorteilhaft sind die Versteifungselemente im Wesentlichen an der Oberseite und/oder Unterseite der ihnen zugeordneten Seitenwände angeordnet.

Die Versteifungselemente können erfindungsgemäß, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, Elemente von zwei Versteifungsprinzipien verfolgen, besitzen oder vereinen: Einerseits schließen sie eine (in der XY-Ebene) offene Struktur, was die Steifigkeit - bei vergleichbaren Parametern Gewicht und Größe - stark erhöht. Anderseits ermöglichen sie eine Becher- oder Schachtelstruktur, was - bei vergleichbaren Parametern Gewicht und Größe - die Verwindungssteifigkeit und die allgemeine Steifigkeit erhöht.

Besonders vorteilhaft sind die Versteifungselemente mit den ihnen zugeordneten Seitenwänden an mehreren Punkten oder an linienförmigen Abschnitten oder an flächigen Abschnitten verbunden, optional unter Zwischenanordnung von Abstandshaltern. Diese können an jeder Stelle als Teil der Seitenwände, allgemein als Teil der xy-Stufe, als Teil der Versteifungen, oder als separate Teile ausgeführt sein. Hierdurch wird die Verfahrbarkeit der xy-Stufe gewährleistet.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Versteifungselemente sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite im Wesentlichen symmetrisch angeordnet. Diese symmetrische Anordnung ist eine Spiegelsymmetrie zu einer Symmetrieebene, die vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur XY-Ebene, einer XZ-Ebene oder einer YZ- Ebene ist. Folgende Elemente können in dieser Spiegelsymmetrie angeordnet sein:

- Versteifungselement der x- Stufe

- Versteifungselement der y Stufe

- Versteifungselement der x/y Stufe

- Biegeelemente der x- Stufe

- Biegeelemente der y-Stufe

- Biegeelemente der x/y-Stufe

Vorzugsweise besitzt zumindest eine Scannerstufe (Biegeelemente und Versteifungen), besonders vorzugsweise der gesamte x/y Scanner, eine in Einbaulage im Wesentlichen horizontale Symmetrieebene, wobei die Oberseite im Wesentlichem dem Spiegelbild der Unterseite entspricht. Hierdurch heben sich die Antriebs-, Feder-, Trägheits- und alle weiteren Kräfte und Momente gegenseitig weitgehend auf, was die Bewegungen außerhalb der XY-Ebene minimiert.

Eine günstige Ausführung der Erfindung beinhaltet einen im Wesentlichen plattenförmigen Aufbau der Biegeelemente und/oder der einzelnen Versteifungselemente oder der gesamten Basis.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eines der Versteifungselemente als Platte ausgebildet. Die Einbauten des erfindungsgemäßen Scanners sind somit vollkommen geschützt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der Versteifungselemente als Steg ausgebildet, wobei bevorzugt mehrere Stege zu einem Fachwerk kombiniert sind. Hierdurch wird der erfindungsgemäße Scanner leicht und steif.

Sind die Versteifungselemente fest, beispielsweise form- oder kraftschlüssig, mit den ihnen zugeordneten Seitenwänden verbindbar, insbesondere schraubbar, ausgebildet, ist vorteilhaft eine Zugänglichkeit der Einbauten für Reparatur und Wartung gewährleistet.

Vorteilhaft sind die Seitenwände der äußeren Basis höher als die Gesamtbauhöhe der xy- Stufe. Hierdurch ist eine freie Bewegbarkeit der Einbauten im Basisinnenraum garantiert. In einer kinematisch seriellen Ausgestaltung sind die Seitenwände der y-Stufe höher als die Gesamtbauhöhe der x-Stufe. Hierdurch ist eine freie Bewegbarkeit der Einbauten im Innenraum garantiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die äußere Basis an einer Seite eine Ausnehmung auf, die als Öffnung in der an dieser Seite befindlichen Seitenwand der äußeren Basis oder in Form von Weglassen eines Teils dieser Seitenwand oder der gesamten Seitenwand ausgebildet ist, wobei optional die xy-Stufe an dieser Seite ebenfalls eine Ausnehmung aufweist, die als Öffnung in der Seitenwand der xy-Stufe oder in Form von Weglassen eines Teils dieser Seitenwand oder der gesamten Seitenwand ausgebildet ist. Hierdurch sind die Vorteile erhalten, dass eine Gewichtsreduktion erreicht wird, das Messoder Manipulationselement an dieser Seite nach außen geführt werden kann, und alternativ diese Seite für ein Biegeelement verwendet werden kann.

Durch diese Öffnung wird die Stabilität der äußeren Basis und/ oder der xy-Stufe gegebenenfalls beeinträchtigt. Deshalb werden in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung diese Strukturen wieder geschlossen, insbesondere durch eine Weiterführung der Versteifungselemente oberhalb und/oder unterhalb dieser Strukturen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Summe aller Hohlräume, also Räume ohne „Strukturmaterial", innerhalb der Vorrichtung zumindest 30% des Gesamtvolumens der Vorrichtung. Hierdurch ist durch das geringe Gewicht die erste Resonanzfrequenz hoch und die Vorrichtung kann sehr schnell betrieben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Hohlräume zumindest teilweise mit weichem, dämpfenden Material ausgefüllt, beispielsweise mit NBR, Viton, Silikongummi, Schaumstoff oder Aerogel. Hiermit kann unter anderem die Resonanzanfälligkeit des Scanners verringert werden.

Weisen vorteilhafterweise die Seitenwände der äußeren Basis an zumindest der Hälfte ihrer Gesamtlänge ein Verhältnis der Höhe der Wand zur Dicke von zumindest 1: 1, bevorzugt zumindest 3: 1, besonders bevorzugt zumindest 5: 1, auf und/oder weisen die Seitenwände der xy-Stufe an zumindest der Hälfte ihrer Gesamtlänge ein Verhältnis der Höhe der Wand zur Dicke von zumindest 1: 1, bevorzugt zumindest 2: 1 auf, können das Gewicht und die Abmessungen weiter reduziert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an der Montageeinrichtung eine Halterung für das zumindest eine Mess- oder Manipulationselement ausgebildet. Die Halterung weist vorteilhaft eine Aufnahmevorrichtung auf, an der mittels einer Verbindung das zumindest eine Mess- oder Manipulationselement, insbesondere ein SPM Cantilever, beispielsweise ein AFM Cantilever zur Detektion und Ausgabe von mindestens einer Messgröße, beispielsweise Verbiegung, Temperatur, elektrisches Potential, Magnetfeldstärke, etc., anbringbar ist.

Vorteilhaft weist diese Aufnahmevorrichtung zerstörungsfrei lösbare Anschlüsse zur Übertragung elektrischer Signale vom und/ oder zum Mess- oder Manipulationselement auf. Das Mess- oder Manipulationselement kann so einfach und schnell mechanisch und elektrisch mit der Halterung verbunden werden.

Vorteilhaft weist die Halterung weiters einen auslenkbaren Abschnitt, vorzugsweise in Form einer Ausnehmung, und einen Aktuator auf, der den auslenkbaren Abschnitt auslenkt und damit ein freies Ende der Halterung in eine Bewegung in einer Ebene versetzt, die orthogonal auf die Ebene steht, in der die xy-Stufe verlagerbar ist. Vorzugsweise weist die Halterung hierzu zumindest ein Gelenk, besonders vorzugsweise vier Gelenke, auf.

Vorteilhaft bildet in Einbaulage der erfindungsgemäßen Vorrichtung das freie Ende der Aufnahmevorrichtung einen zumindest örtlichen Extrempunkt innerhalb der XY-Ebene und/ oder der XZ-Ebene. Das freie Ende der Aufnahmevorrichtung kann in Einbaulage der Vorrichtung innerhalb der XZ-Ebene den tiefsten Punkt bilden. Wird folglich ein Cantilever an der Aufnahmevorrichtung angebracht, bildet die Spitze dieses Cantilever den örtlichen Extrempunkt. Durch diese Anordnung der Aufnahmevorrichtung an dem örtlichen Extrempunkt, beziehungsweise des daran angebrachten Cantilevers, wird, erstens, die Sichtbarkeit des Cantilevers von oben (z.B. im Elektronenstrahl) garantiert und, zweitens, die Möglichkeit erhalten, sehr große Proben abzubilden, insbesondere wenn diese flach oder konvex sind.

Vorteilhaft ist eine erste Signalverarbeitungsstufe und/oder Signalverstärkerstufe für das elektrische Signal vom Mess- oder Manipulationselements im Bereich der Vorrichtung angeordnet. Hierdurch kann das Messsignal verbessert werden, beispielsweise durch Reduktion oder Beseitigung elektrischer Störsignale.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Halterung an ihrem freien Ende, insbesondere im Bereich der Aufnahmevorrichtung, beispielsweise zwischen der Halterung und dem Mess- oder Manipulationselement, einen Schwingungserzeuger auf, wobei zwischen dem Schwingungserzeuger und dem SPM Cantilever eine mechanische Verbindung zur Schwingungsübertragung besteht. Hierdurch kann das Mess- oder Manipulationselement vorteilhaft unabhängig von der Halterung, gegebenenfalls zusätzlich zur Bewegung der Halterung, in Schwingung gesetzt werden.

Besonders vorteilhaft weist die Halterung weiters eine Einsteileinrichtung für eine Ruheposition des freien Endes der Halterung auf, wodurch eine einfache Einstellbarkeit und Anpassbarkeit an jeweiligen Anwendungszweck ermöglicht wird.

Alternativ kann die Durchführung für das Messelement beziehungsweise das Manipulationselement auch auf der Oberseite und/oder der Unterseite der äußeren Basis und/ oder der xy-Stufe angeordnet sein, beispielsweise durch eine Öffnung/ Ausnehmung/ Weglassung im betreffenden Bereich in der Versteifungsstruktur.

Die Aktuatoren der Erfindung sind vorteilhafterweise als Piezoelemente, Schwing spulen, thermische Aktuatoren, wie Bimetallelemente oder Elemente zur thermischen Gefügeumwandlung, elektrostatische Antriebe oder Stellmotoren ausgebildet.

Besonders vorteilhaft sind die Aktuatoren so angeordnet, dass sie teilweise aus der äußeren Basis hinausragen, wobei optional die Aktuatoren zumindest teilweise in einem Gehäuse angeordnet sind. Dies ermöglicht eine kleine Baugröße der äußeren Basis und der xy-Stufe, wobei das Gehäuse die Aktuatoren schützt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Biegeelemente einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch eine hohe Verwindungssteifigkeit und eine hohe Steifigkeit in alle, außer der für Bewegung vorgesehenen, Richtungen ermöglicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an den Versteifungselementen Positionssensoren oder als Positionssensoren agierende Wegstrecken- beziehungsweise Ausdehnungssensoren und /oder Winkelsensoren, oder Kombinationen von Ausdehnungsund Winkelsensoren, angeordnet, wodurch eine Positionserfassung und gegebenenfalls eine Regelung ermöglicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an den Versteifungselementen Anlegepunkte für Vorspannelemente angeordnet oder sind diese in Teilbereichen selbst als Vorspannelemente ausgeführt, wobei die Vorspannelemente dazu ausgebildet sind, zumindest einen der Aktuatoren in eine definierte Position, beziehungsweise in einen definierten (Kraft / Weg-) Arbeitspunkt, vorzuspannen.

Besonders vorteilhaft findet die erfindungsgemäße Vorrichtung Verwendung als Teil eines Rastersondenmikroskops, insbesondere eines Atornkraftmikroskops, welches Raster sondenmikroskop in einem Host-System, insbesondere einem Rasterelektronenmikroskop, einem Röntgenphotoelektronenspektroskop, einem Ionenfeinstrahlsystem, oder einem kombinierten System (Dual-Beam-System), aufgenommen ist.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in nicht einschränkender Weise anhand von, in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausgestaltungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von oben eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von oben einen X-Y-Schnitt der Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht von oben einen X-Z-Schnitt der Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 4 zeigt schematisch einen X-Y-Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kinematisch parallelen xy-Stufe.

Figur 5 zeigt schematisch einen X-Y-Schnitt einer Vorrichtung gemäß einer zweiten

Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 6 zeigt schematisch in einer perspektivischen Ansicht von oben eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 7 zeigt schematisch einen X-Z-Schnitt einer Vorrichtung gemäß einer weiteren

Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 8 zeigt schematisch einen X-Z-Schnitt einer Vorrichtung gemäß einer weiteren

Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 9 zeigt schematisch in einer Ansicht normal auf die X-Z-Ebene eine

erfindungsgemäße, als Z-Stufe ausgeführte Halterung 2 für ein Mess- oder

Manipulationselement.

Im Folgenden wird auf die Figuren 1 - 4 Bezug genommen. Diese zeigen eine Vorrichtung 1 zur mikroskopisch präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in zwei Raumachsen, welche Raumachsen in den vorliegenden Figuren entlang einer X-Achse 3 und einer Y-Achse 4 zeigen und weiters als solche bezeichnet werden. Die X-Achse 3 und die Y-Achse 4 stehen zueinander orthogonal und spannen im dreidimensionalen Raum eine XY-Ebene 34 auf. Die Raumachsen können alternativ beliebig bezeichnet sein, in einem beliebigen Winkel zueinander stehen und im dreidimensionalen Raum beliebig zueinander ausgerichtet sein.

Die Vorrichtung 1 weist eine äußere Basis 5 mit Seitenwänden 6 auf, die einen Basisinnenraum 7 definieren. Innerhalb des Basisinnenraums 7 ist eine xy-Stufe 8 mit Seitenwänden 9 angeordnet, die relativ zur äußeren Basis 5 in der XY-Ebene 34 verfahrbar ist. Die äußere Basis 5 weist an einer Seite 25 eine Ausnehmung 26 auf, die in Form von Weglassen einer Seitenwand 6 beziehungsweise einer Seitenwand 9 der Basis 5 beziehungsweise der xy-Stufe 8 ausgebildet ist. Alternativ kann auch nur ein Teil der Seitenwände 6 und 9 weggelassen sein, beziehungsweise kennt ein Fachmann des artverwandten Gebiets mögliche weitere Alternativen. An dieser Seite 25 wird eine Halterung 2 für das Mess- oder Manipulationselement nach außen geführt, wobei die Halterung 2, die ein Gelenk 37 aufweist, an einer Montageeinrichtung 11 angebracht wird. Alternativ kann die xy-Stufe 8 mehrere Montageeinrichtungen 11 aufweisen. Alternativ kann die Montageeinrichtung 11 für das Anbringen mehrerer Halterungen 2 ausgebildet sein.

Die Summe aller Hohlräume innerhalb der Vorrichtung 1 weisen mehr als 30% des Gesamtvolumens der Vorrichtung 1 auf, und die Seitenwände 6 der äußeren Basis 5 weisen an zumindest der Hälfte ihrer Gesamtlänge ein Verhältnis der Höhe der Wand zur Dicke der Wand von mehr als 2: 1 auf, und die Seitenwände 9 der xy-Stufe 8 weisen an zumindest der Hälfte ihrer Gesamtlänge ein Verhältnis der Höhe der Wand zur Dicke der Wand von mehr als 2: 1 auf.

Die xy-Stufe 8 ist über Biegeelemente 12, die im vorliegenden Beispiel als plattenförmiges Federelement ausgeführt sind, und Aktuatoren 13, die dazu ausgebildet sind die xy-Stufe 8 relativ zur äußeren Basis 5 zu verlagern, an die äußere Basis 5 gekoppelt. Die Biegeelemente 12 können einen vieleckigen, beispielsweise quadratischen oder rechteckigen, runden, elliptischen oder jeden weiteren beliebigen Querschnitt haben. Die Biegeelemente 12 können paarweise mäanderförmig oder linear, und im wesentlichen symmetrisch ausgeführt sein und weisen vier Aufhängungspunkte 24 auf, mit denen die xy-Stufe 8 an der äußeren Basis 5 befestigt ist. Die Biegeelemente 12 können entweder über ihre gesamte Länge oder nur in Abschnitten nachgiebig sein. Die Biegeelemente 12 sind nicht vorgespannt, können alternativ aber in eine Ruheposition vorgespannt sein. Die Aktuatoren 13 sind als Piezoaktuatoren, beispielsweise Piezorohre oder Piezozylinder, die in zylinderförmige Ausnehmungen 14 eingebracht sind, ausgebildet. Alternativ können die Aktuatoren 13 als piezogetriebene Hebelstrukturen, Schwingspulen, thermische Aktuatoren, wie Bimetallelemente oder Elemente zur Gefügeumwandlung, elektrostatische Antriebe oder Stellmotoren ausgebildet sein. Die Aktuatoren 13 bewegen die xy-Stufe 8 direkt. Alternativ können die Aktuatoren 13 die xy-Stufe 8 auch indirekt über Hebel, Gelenke oder Ähnliches steuern. Ein Fachmann des artverwandten Gebiets kennt mögliche Alternativen.

Ein Aktuator 13 ragt teilweise aus der äußeren Basis 5 heraus, wobei dieser zumindest teilweise in einem Gehäuse 27 mit der zylinderförmigen Ausnehmung 14 angeordnet ist. Dies ermöglicht eine kleine Baugröße der äußeren Basis 5 und der xy-Stufe 8, wobei das Gehäuse 27 den Aktuator 13 schützt. Alternativ können die Aktuatoren 13 auch vollständig innerhalb der äußeren Basis 5 angeordnet sein.

Figur 5 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Dabei ist die xy-Stufe 8 aus einer mittels einem der Aktuatoren 13 entlang der Y-Achse 4 verfahrbaren y-Stufe 20 und aus einer mittels einem der Aktuatoren 13 entlang der X-Achse 3 verfahrbaren x-Stufe 21 zusammengesetzt. Hierdurch wird eine weitgehende Entkopplung der beiden Bewegungsrichtungen entlang der X-Achse 3 und der Y-Achse 4 ermöglicht. Dabei weist die y-Stufe 20 Seitenwände 22 auf, die einen Innenraum 23 definieren und ist die x-Stufe 21 innerhalb des Innenraums 23 der y-Stufe 20 angeordnet. Die y-Stufe 20 ist über Biegeelemente 12 an die äußere Basis 5 gekoppelt. Die x-Stufe 21 ist über Biegeelemente 12 an die y-Stufe 20 gekoppelt. Die x-Stufe 21 weist die Montageeinrichtung 11 für die Halterung 2 für das Mess- oder Manipulationselement auf. Alternativ kann die x- Stufe 21 mehrere Montageeinrichtungen 11 aufweisen.

Die Biegeelemente 12 sind paarweise mäanderförmig und im wesentlichen symmetrisch ausgeführt und weisen vier Aufhängungspunkte 24 bzw. Festkörpergelenke auf, mit denen die y-Stufe 20 an der äußeren Basis 5 beziehungsweise die x-Stufe 21 an der y-Stufe 20 befestigt ist.

In den beiden oben beschriebenen Ausgestaltungen sind die äußere Basis 5 und die xy-Stufe 8 an ihren Oberseiten 15 und Unterseiten 16 mit Versteifungselementen 17 versehen. Die Oberseiten 15 und Unterseiten 16 sind parallel zur XY-Ebene 34 und befinden sich entlang einer lotrecht ausgerichteten Z- Achse 19 oberhalb beziehungsweise unterhalb der Seitenwände 6 und 9.

In der vorliegenden ersten Ausgestaltung der Erfindung bildet das Versteifungselement 17 an der Oberseite 15 der äußeren Basis 5 einen Deckel der äußeren Basis 5 und das Versteifungselement 17 an der Oberseite 15 der xy-Stufe 8 einen Deckel der xy-Stufe 8; das Versteifungselement 17 an der Unterseite 16 der äußeren Basis 5 bildet einen Boden der äußeren Basis 5 und das Versteifungselement 17 an der Unterseite 16 der xy-Stufe 8 bildet einen Boden der xy-Stufe 8. Die Versteifungselemente 17 sind dabei als U-förmige Platten ausgebildet, die kraftschlüssig mit der äußeren Basis 5 verschraubbar sind. Die Versteifungselemente 17 sind an linienförmigen Abschnitten 18 starr mit den ihnen zugeordneten Seitenwänden 6 der äußeren Basis 5, mit den Seitenwänden 9 der xy-Stufe 8, beziehungsweise gegebenenfalls mit den Seitenwänden 22 der y-Stufe 20 verbunden. Die Versteifungselemente 17 der äußeren Basis 5 liegen oberhalb beziehungsweise unterhalb der Versteifungselemente 17 der xy-Stufe 8, und die Schenkel der U-förmigen Platten bilden an den linienförmigen Abschnitten 18 Abstandshalter 28, wodurch die Verfahrbarkeit der xy- Stufe 8 gewährleistet wird.

Die Z- Achse 19 kann alternativ beliebig im dreidimensionalen Raum ausgerichtet sein, wobei ein Fachmann des artverwandten Gebiets die Begriffe "Oberseiten" 15 und "Unterseiten" 16 beziehungsweise "oberhalb" und "unterhalb" entsprechend zuzuordnen weiß.

Alternativ können die Versteifungselemente 17 an mehreren Punkten oder an flächigen Abschnitten mit den ihnen zugeordneten Seitenwänden 6 und 9 verbunden sein. Alternativ können die Versteifungselemente 17 mit der äußeren Basis 5 und/oder mit der xy-Stufe 8 vernietet, verklebt, verlötet, verschweißt, oder aufgeschrumpft sein, beziehungsweise kennt ein Fachmann des artverwandten Gebiets mögliche weitere Alternativen.

Alternativ können die Seitenwände 6 der äußeren Basis 5 höher sein als die Gesamtbauhöhe der xy-Stufe 8, wodurch eine freie Bewegbarkeit der Einbauten im Basisinnenraum 7 garantiert ist. Gleichsam können die Seitenwände der y-Stufe 20 höher sein als die Gesamtbauhöhe der x-Stufe 21, wodurch eine freie Bewegbarkeit der Einbauten im Innenraum 23 garantiert ist. Alternativ können die Versteifungselemente 17 auch als Stege ausgebildet sein, wobei bevorzugt mehrere Stege zu einem Fachwerk kombiniert sind. Beispielhafte und/oder alternative konstruktive Ausführungen der Versteifungselemente 17 und zugehöriger Befestigungen an den ihnen zugeordneten Seitenwänden 6 der äußeren Basis 5, Seitenwänden 9 der xy-Stufe 8 und gegebenenfalls Seitenwänden 22 der y-Stufe 20 sind in den Figuren 6 - 8 schematisch dargestellt. Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem äußeren plattenförmigen Versteifungselement 17, das über Abstandshalter 28, die als einzelne Teile ausgebildet sind, oberhalb der äußeren Basis 5 angebracht ist, und einem weiteren inneren plattenförmigen Versteifungselement 17, das oberhalb der xy-Stufe 8 (nicht sichtbar) angebracht ist. Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ähnlich der Vorrichtung 1 gemäß Figur 6, wobei das innere Versteifungselement 17 oberhalb des äußeren Versteifungselements 17 liegt. Beide Versteifungselemente 17 sind über Abstandshalter 28 an der äußeren Basis 5 beziehungsweise der xy-Stufe 8 (nicht sichtbar) angebracht, wobei die Abstandshalter 28 des inneren Versteifungselements 17 durch das äußere Versteifungselement 17 geführt sind. In Figur 8 liegt das innere Versteifungselement 17 unterhalb des äußeren Versteifungselements 17 und beide Versteifungselemente 17 sind über Abstandshalter 28 an der äußeren Basis 5 beziehungsweise der xy-Stufe 8 (nicht sichtbar) angebracht.

Weiters können an den Versteifungselementen 17 Anlegepunkte 35 für Positionssensoren angeordnet sein, wodurch eine indirekte Positionsauswertung und Regelung der Halterung 2 und damit des Mess- und Manipulationselements ermöglicht wird, weil durch die Veränderung der Position und/ oder Rotation der Versteifungselemente 17 zueinander auf die Veränderung der Position und/ oder Rotation der Halterung 2 geschlossen werden kann. Mit dem Begriff„Positionsauswertung" ist hierbei folglich die Translation und/oder Rotation der Teile oder Teilbereiche, insbesondere der Anlegepunkte 35 der Versteifungselemente 17, zueinander gemeint.

Weiters können an den Versteifungselementen 17 Vorspannelemente 36 ausgebildet sein, die entweder als integrierter Teilbereich der Versteifungselemente 17 oder als separate Teile ausgebildet sind. Die Vorspannelemente 36 sind dazu ausgebildet, zumindest einen der Aktuatoren 13 in eine definierte Position vorzuspannen.

Alternativ kann auch nur jeweils ein Versteifungselement 17 an den Oberseiten 15 oder an den Unterseiten 16 der äußeren Basis 5 und der xy-Stufe 8 vorgesehen sein. Alternativ kann auch ein Versteifungselement 17 an der Oberseite 15 der äußeren Basis 5 und ein Versteifungselement 17 an der Unterseite 16 der xy-Stufe 8 oder ein Versteifungselement 17 an der Oberseite 15 der xy-Stufe 8 und ein Versteifungselement 17 an der Unterseite 16 der äußeren Basis 5 vorgesehen sein. Figur 9 zeigt in einer schematischen Darstellung die Halterung 2 mit vier Gelenken 37 für das Mess- oder Manipulationselement. Die Montageeinrichtung 11 ist vorzugsweise als Schwalbenschwanzverbindungselement ausgebildet. Hierdurch können verschiedene Halterungen 2 je nach Einsatzzweck angebracht werden, wobei eine stabile, einfache und verlässliche Verbindung garantiert ist.

Die Halterung 2 weist einen auslenkbaren Abschnitt 29 mit einer Ausnehmung 30 auf, und einen Aktuator 31, der den auslenkbaren Abschnitt 29 auslenkt und damit ein freies Ende 32 der Halterung 2 über die vier Gelenke 37 in eine Bewegung in einer Ebene, welche in der vorliegenden Ausgestaltung die XZ-Ebene 33 ist, versetzt, die orthogonal auf die Ebene steht, in der die xy-Stufe 8 verlagerbar ist, welche in der vorliegenden Ausgestaltung die XY-Ebene 34 ist. Die Halterung 2 ist hierdurch als Z-Stufe ausgeführt.

Die Halterung 2 weist eine Aufnahmevorrichtung 39 auf, an der mittels einer Verbindung zumindest ein Mess- oder Manipulationselement, insbesondere ein SPM Cantilever, beispielsweise ein AFM Cantilever, anbringbar ist. Die Aufnahmevorrichtung 39 weist zerstörungsfrei lösbare Anschlüsse 38 zur Übertragung elektrischer Signale vom und/ oder zum Mess- oder Manipulationselement auf. Beispielsweise kann die Aufnahmevorrichtung 39 eine Ausführung gemäß oder ähnlich einem (Steck-)Sockel für ein elektronisches Bauelement aufweisen.

Weiters weist die Halterung 2 an ihrem freien Ende 32 im Bereich der Aufnahmevorrichtung 39 einen Schwingungserzeuger 40, beispielsweise ein Piezoelement auf, wobei zwischen dem Schwingungserzeuger 40 und dem Mess- oder Manipulationselement eine mechanische Verbindung zur Schwingungsübertragung herstellbar ist.

Die Halterung 2 kann weiters eine Einsteileinrichtung für eine Ruheposition des freien Endes 32 der Halterung 2 aufweisen, wodurch eine einfache Einstellbarkeit und Anpassbarkeit an jeweiligen Anwendungszweck ermöglicht wird.

Die äußere Basis 5, die xy-Stufe 8 beziehungsweise die y-Stufe 20 und die x-Stufe 21 sowie die Biegeelemente 12 können einteilig, beispielsweise mittels 3D-Druck oder mittels Materialabtrag durch Fräsen und/oder Funkenerosion, oder aus beliebig vielen Einzelteilen hergestellt sein. Das Material, beziehungsweise das „Strukturmaterial", aus dem diese Bauteile bestehen oder gefertigt sind, kann beliebig sein, vorteilhaft jedoch aus Edelstahl, Stahl, Aluminium, Titan sowie Legierungen dieser Metalle, Hochleistungskunststoff, Faserverstärkter Kunststoff, wie beispielsweise Glasfaserverstärker oder Kohlefaserverstärkter Kunststoff, Hochleistungskeramik oder Keramik.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann Verwendung finden als Teil, insbesondere als XY-Scanner oder als XYZ-Scanner eines Rastersondenmikroskops, insbesondere eines Atornkraftmikroskops, welches Raster sondenmikroskop in einem Host-System, insbesondere einem Rasterelektronenmikroskop, einem Röntgenphotoelektronenspektroskop, einem Ionenfeinstrahlsystem, oder einem kombiniertem System, beispielsweise einem Dual-Beam- Sy stem, aufgenommen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann weiters Verwendung finden als Teil, insbesondere als XY-Scanner oder als XYZ-Scanner, eines Profilometers, welches in einem Host-System, insbesondere einem Rasterelektronenmikroskop, einem Röntgenphotoelektronen Spektroskop, einem Ionenfeinstrahlsystem, oder einem Dual-Beam- System, aufgenommen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann weiters Verwendung finden zur mikroskopisch präzisen Positionierung und Führung eines Mess- oder Manipulationselements in mindestens zwei Raumachsen für kompakte mechatronische Positioniereinheiten, beispielsweise als Teil eines Lithographie-Systems oder eines optischen Systems, beispielsweise eines Laser- Systems.