WO2007134660A1 - Herstellung eines mikrogreifers mittels eines materialabscheideverfahrens - Google Patents

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WO2007134660A1
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sacrificial layer
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micro
gripping
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Christian Grosse
Frank Altmann
Michél SIMON
Hilmar Hoffmeister
Detlef Riemer
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Carl Zeiss NTS GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Carl Zeiss NTS GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • B25J7/00—Micromanipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
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    • B81C99/002—Apparatus for assembling MEMS, e.g. micromanipulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/20—Means for supporting or positioning the object or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support

Definitions

  • the invention relates to a micro-gripper for receiving and holding micrometer or submicrometer-scale objects and to a method for producing the same.
  • micro grippers are used in numerous fields today.
  • micro-grippers are used in micro- and nanotechnology for manipulation and assembly or for joining micro-objects.
  • Further fields of application for microgrippers can be found in physics, biology, chemistry and medicine, micro-grippers being used, for example, in the analysis and examination of samples for picking up, gripping and holding the samples.
  • the micro-grippers are usually made of a base body which is connected to two or more movable and / or elastic gripping elements, which serve for receiving and holding an object.
  • an actuator provided on the micro-gripper is usually provided, which moves the counteracting gripping elements.
  • micro-grippers partially acting on the object gripping forces can be adjusted or regulated by appropriate control of the actuator.
  • micro grippers without actuators are known in which the recording and holding of an object is not active but passive taking advantage of elastic material properties.
  • Micro-grippers of this type have at least two opposite, from each other spaced gripping elements between which an object is clamped. By trapping an object between the gripping elements they are elastically deformed and thus generate the elastic holding forces retroactively on the object.
  • micro gripper on the versions with only two gripping elements.
  • the publication DE 195 23 229 A1 discloses an embodiment of a micro gripper for microassembly, which consists of a base body, a piezotranslator attached to the base body as a linear actuator, and a microstructure body connected to the base body and the piezotranslator.
  • the microstructure body are two oppositely acting, opposing gripping elements and a mechanical lever translation with bending joints, for increasing the transmission of a linear movement of the piezotranslator on the gripping elements, structurally combined in one component.
  • the elastic bending elements deform and thus initiate a targeted movement apart or towards one another of the gripping elements.
  • the microstructure body is produced from a (100) silicon wafer polished on both sides with a thickness of 240 ⁇ m by means of the known structuring processes, lithography and anisotropic etching. Subsequently, the microstructure body is fixed on the base body, a silicon substrate, by means of adhesive in such a way that only selected small contact surfaces are glued between the microstructure body and the base body, wherein the bending elements and the gripping elements are axially displaceable along the contact surfaces.
  • the production of the microstructure body made of silicon, especially its good microstructure and no plastic deformation of silicon is particularly emphasized.
  • piezoelectric for example.
  • Piezoresistive to convert the gripping force into an electrical signal and thereby the gripping force to the to adjust the object to be gripped.
  • microgripper applications in the context of material analysis of micrometer or submicron-scale samples, in particular any contamination of the sample by the microgripper, for example by a transfer of material from one preceding sample to the next sample, must be prevented. Therefore, for example, for gripping and holding samples in the context of investigation, in particular with electron microscopes, such as transmission electron Microscopes (TEM) or Scanning Electron Microscopes (SEM), using new microgrippers for each sample. Since microgrippers are intended for single-use use only, they should be inexpensive to mass-produce. Nevertheless, they must meet all requirements to ensure reliable gripping and holding in such applications. However, the above-described microgrippers are not or not optimally suited for this purpose.
  • TEM transmission electron Microscopes
  • SEM Scanning Electron Microscopes
  • micro-gripper which is particularly suitable for use in gripping and holding a sample in the context of investigations with TEM.
  • the micro-gripper described therein consists of a rod-shaped or cylindrical elongated body which has one or more receiving slots on three sides at one end such that a sample can be clamped in the receiving slot.
  • the receiving and holding of the sample is based, as described above, on the elastic deformation of the material surrounding the receiving slot and the restoring force thereby caused on the clamped sample.
  • the starting material is a piece of straight tungsten wire with a wire diameter of 50 microns.
  • an end region of the tungsten wire is first of all processed by means of electropolishing or an etching process such that the tungsten wire tapers in this end region towards the wire end to a diameter of a few micrometers.
  • a receiving slot open towards the end of the tapered region is worked out from the now conically tapered end region of the tungsten wire by means of an ion beam impinging perpendicularly to the longitudinal axis of the tungsten wire.
  • a second receiving slot rotated by 90 degrees thereto can be worked out. This creates in the rejuvenated End region of the tungsten wire at least two or four gripping elements between which an object is clamped.
  • the receiving slot has an embodiment according to a width of 2 microns and a depth of 30 microns.
  • a disadvantage of the micro gripper disclosed in US 2002/0166976 A1 is that it is not technically possible by the stated production method to produce the surfaces delimiting the receiving slot, i. the internal clamping surfaces on the gripping elements to produce exactly parallel to each other. Rather, the application of the ion beam for producing a receiving slot, the receiving slot on the side facing the ion beam wider than on the side facing away from the ion beam. The thus generated, the slot delimiting clamping surfaces are therefore not aligned parallel to each other. This ultimately leads to an uneven distribution of clamping forces on the object to be held and involves the risk that the clamped between the clamping surfaces objects can move relative to the micro gripper. Furthermore, the method described is only limited, or not for mass production, as for each micro-gripper individually precise fixation and positioning of the tungsten wire is required before the processing can be done with the ion beam, which makes the manufacturing process tedious and expensive.
  • micro-gripper should in particular be inexpensive to produce as a mass-produced, in the idle state at the gripping elements parallel aligned, opposing clamping surfaces and are suitable for receiving, transporting and holding samples of material in their investigation in a TEM or SEM.
  • Claim 1 specifies a method for producing a micro-gripper comprising a base body and a gripping body integrally connected to the base body, which projects beyond the base body and a receiving slot at a free end portion such that for gripping and holding a micrometer or submicrometer -skaliges object is clamped in the receiving slot.
  • the method is characterized essentially by the fact that the base body and the gripping body are produced by means of a material deposition method to form at least a common first and a common second material layer, and that the material layers are formed substantially flat and interconnected.
  • the claim 13 specifies a micro gripper according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the base body and the gripping body are formed as a unitary flat body, which is bounded by two substantially flat, parallel to each other and overlapping flat body surfaces.
  • An essential idea of the invention lies in the production of a micro gripper according to the preamble of claim 1, by means of a material deposition method with formation of at least two newly formed and interconnected material layers. Methods of depositing material are well known to those skilled in the art. For the production of a micro gripper according to the invention, methods from thin-film technology are particularly suitable, by means of which materials can be applied to a substrate in thin layers, with layer thicknesses of less than 1 .mu.m.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • LPCVD low-pressure CVD
  • DE plasma-enhanced CVD
  • the layers deposited therewith can be subsequently patterned by masking or lithography processes with subsequent material removal by application of wet chemical etching, reactive ion etching (RIE), sputter etching, ion beam etching or plasma etching.
  • RIE reactive ion etching
  • sputter etching ion beam etching or plasma etching.
  • the structuring of a layer to be applied can also be achieved by a targeted local material deposition. Furthermore, by depositing a so-called sacrificial layer between two material layers and later removing the sacrificial layers, for example by wet etching, an almost arbitrary three-dimensional structuring of the material layers applied to the substrate can be achieved.
  • a so-called sacrificial layer between two material layers and later removing the sacrificial layers, for example by wet etching, an almost arbitrary three-dimensional structuring of the material layers applied to the substrate can be achieved.
  • wet etching an almost arbitrary three-dimensional structuring of the material layers applied to the substrate can be achieved.
  • the production method for the micro-gripper in a simple case consists of the following method steps.
  • a planar substrate surface is provided.
  • a silicon substrate is preferably suitable because of its good surface planarity.
  • a second process step is on the Substrate surface applied a first sacrificial layer.
  • the first material layer is applied to the first sacrificial layer.
  • the major part of the first material layer is not covered by the second sacrificial layer.
  • the second sacrificial layer corresponds to their order on one local area in their outer dimensions of the receiving slot to be produced on the gripping body, so that after removal of the second sacrificial layer in this area, the receiving slot is exposed.
  • the second material layer is applied to the second sacrificial layer and the regions of the first material layer not covered by the second sacrificial layer.
  • the first and second material layers with the exception of one local area, are directly connected to one another.
  • the first and second sacrificial layers are removed. The removal of the second sacrificial layer forms the receiving slot, the removal of the first sacrificial layer dissolves the now finished micro-gripper from the substrate.
  • wet-chemical etching processes are suitable for removing the sacrificial layers.
  • a micro-gripper according to claim 13 is obtained, which is characterized in that the base body and the gripping body of the micro gripper are formed as a uniform flat body, which consists of two substantially planar, mutually parallel and overlapping flat body surfaces, is limited. In this case, the outer free surfaces of the first and second material layers correspond to the flat body surfaces.
  • the receiving slot on the gripping body has on the inside preferably two mutually parallel, spaced-apart and overlapping clamping surfaces.
  • the clamping surfaces preferably have a spacing of 10 nm to 10 .mu.m, in particular from 50 nm to 1 .mu.m from each other.
  • the lateral dimensioning of the flat body surfaces, and thus the lateral shapes of the base body, of the gripping body and ultimately also of the clamping surfaces in the receiving slot, is effected by a corresponding structuring of the layers formed in the context of the material separation method described.
  • the desired structuring of a layer can be effected by a locally, ie laterally correspondingly limited, deposition of the layer or by a corresponding lateral structuring of an already deposited layer.
  • Corresponding structuring methods are known to the person skilled in the art.
  • Such a structuring of the layers makes it possible, in particular, to specify the lateral dimensioning of the micro gripper to be produced almost arbitrarily and thus to adapt the shape of the base body, the gripping body and the clamping surfaces to the desired requirements.
  • microgrippers are preferably produced whose flat body surfaces in each case completely overlap.
  • the method according to the invention preferably produces microgrippers which are dimensioned and designed such that they can receive and hold samples which are to be examined, for example, by means of a TEM or SEM, and that they can be inserted directly into a commercially available sample holder of a TEM or SEM can be inserted.
  • micro-grippers are particularly suitable in which the flat body surfaces correspond to a circular sector with a center angle .alpha.
  • the gripping body is projecting at a circle sector tip the circle sector or whose flat body surfaces correspond to a circle segment with a center angle a ⁇ 180 degrees and the gripping body on the circle segment chord, in particular in the middle of the circle segment chord, the circle segment is arranged projecting, and the circle segment or the circular sector has a circle radius, which is adapted to a radius of a sample holder of a microscope, in particular a SEM or TEM.
  • the sample holder radius is typically 1.5mm.
  • the flat body surfaces may correspond to a polygon, wherein the gripping body is arranged projecting a peripheral edge of the polygon, or have any other shapes.
  • the structuring of the first and second material layers determines the shape and relative position of the clamping surfaces on the receiving slot.
  • the clamping surfaces correspond to a polygon, in particular a rectangle or square and overlap each other completely.
  • clamping surfaces which taper in the direction of the opening of the receiving slot are also suitable for particular applications.
  • the following materials can be used for the sacrificial layers: plastic, metal or, in particular, silicon oxide.
  • the following materials can be used for the material layers: plastics, ceramics, metal, semimetal or in particular polysilicon.
  • the use of the specified materials for the sacrificial layers or the material layers is not arbitrary.
  • the person skilled in the corresponding material combinations, which are known for described Materialabscheide- and sacrificial layer technology known.
  • the pairing of sacrificial layers of silicon oxide and material layers of polysilicon has proven particularly suitable.
  • the first and the second material layer may also consist of different materials and thus impart special mechanical, electrical, magnetic or chemical properties to the microgripper according to the invention due to the different material properties of the first and the second material layer.
  • micro-grippers are particularly suitable for picking up, transporting and holding material samples as part of their investigation in a TEM or SEM.
  • FIG. 5 shows the removal of a TEM sample from a substrate (prior art)
  • Fig. 8 micro gripper with semicircular designed basic body.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a micro-gripper 8, which is produced according to the invention and designed as a flat body.
  • the flat body 8 consists of a The flat body 8 can be in a base body area with the associated flat body surface portion 7 and a Greif redesign- area with the gripping elements 1 and 2, between which the receiving slot 6 is located , organize.
  • a continuous gap 6a running transversely to the gripping elements 1, 2 is provided in the connection region between the base body and gripping body. This serves to improve the initiation of forces, which are created by an elastic deformation of the gripping elements 1, 2, in the material layers 3 and 4.
  • micro gripper 8 On the right side of the illustrated micro gripper 8 thin webs 5 are provided for mounting the micro gripper on the substrate 9.
  • the background to this is that during the etching process, in which the sacrificial layers are removed, there is a risk that the micro-gripper 8 can loose uncontrolled from the substrate 9 and can be lost. This is prevented by the thin webs 5, via which the micro-gripper remains connected to the substrate after the etching of the sacrificial layers, as will be explained in more detail below.
  • the flat body surface 7 serves as an adapter surface, for example for receiving the micro gripper in a handling system (transport manipulator), or for insertion into the receiving unit of an analysis device (SEM, TEM). In the present case, it has the shape of a polygon. However, the flat body surface can be optimally dimensioned in the context of the manufacturing process according to the given requirements.
  • Figures 2a and 2b show the operation of the micro-gripper 8. Shown are the gripper body region of the micro-gripper 8 with the gripping elements 1, 2 and between the gripping elements 1, 2 receiving slot 6, and a material sample 10, on which a slope 11 is provided.
  • the microgripper 8 with the gripping elements 1, 2 is brought from above onto the bevel 11 of the material sample 10.
  • the bevel 11 serves an optimal frictional connection between the gripping elements 1, 2 and the material sample 10. Basically, such a slope but not required.
  • Figure 2b shows that the gripping elements 1, 2 are pushed over the slope 11 of the material sample and thereby spread.
  • FIGS. 3a and 3b the microgripper from FIG. 1 is shown in the production phase after the sacrificial layers have been removed.
  • FIG. 3 a initially shows a plan view of the microgripper 8.
  • the microgripper 8 is connected via the webs 5 to a holding region 20. Since the holding region 20 is firmly connected to the substrate 9 (not shown) even after the sacrificial layers have been removed, the micro gripper 8 completely detached from the substrate 9 is still held by the holding region 20 via the webs 5. Unintentional release or loss of the micro-gripper 8 after removing the sacrificial layers can thus be prevented. To detach the micro gripper only the webs 5 are to be cut.
  • FIG. 3b shows a section through the layer structure along the section line A-A '. It can clearly be seen that the substrate 9 is still firmly connected to the holding region 20 even after the removal of the sacrificial layers.
  • the micro-gripper 8 consists of the first material layer 3 and the second material layer 4, which are connected to each other. The removed sacrificial layers have exposed the receiving slot 6 and the gap 6a. The micro-gripper 8 is connected to the holding region 20 via the webs 5, which are formed from the first material layer.
  • FIGS. 4a-4g explain the method for producing the micro gripper shown in FIGS. 3a and 3b on the basis of the stepwise layer structure in a cross-sectional view along the section line AA 'of FIG. 3a.
  • FIG. 4 a In a first method step, an intermediate layer 12 a and 12 b is applied to a planar substrate 9 made of silicon. This intermediate layer 12a is made of silicon nitride and serves as an electrical insulator, the intermediate layer 12b is made of polysilicon and serves as a starting layer. A first sacrificial layer 13 of silicon oxide is now deposited on this intermediate layer 12. The first sacrificial layer 13 is then masked. This is done by applying a photoresist layer or similar masking. The working out of the masking form can take place, for example, by exposure with an electron beam or with UV light.
  • FIG. 4b After the masking has been completed, the first sacrificial layer 13 is removed at the exposed locations by means of reactive ion etching (RIE).
  • FIG. 4b shows that the sacrificial layer 13 is removed at least in the region on which the later holding region 20 is to be produced.
  • RIE reactive ion etching
  • FIG. 4c The first material layer 3 made of polysilicon is subsequently deposited on the first sacrificial layer 13.
  • the first material layer 3 is also masked in the desired form as described above and etched by RIE, for example.
  • FIG. 4 d A second sacrificial layer 14 is applied to the first material layer 3. This is also provided with a mask and etched in the desired shape.
  • the second sacrificial layer 14 remaining on the first material layer 3 corresponds in its geometrical shapes 14a, 14b and 14c to the receiving slot 6, the gap 6a and the interruption of the second material layer 4 on the web 5 (see FIG. 4e). If a larger cross-section of the web 5 is desired, it is also possible to dispense with the mold 14c.
  • FIG. 4e The second material layer 4 made of polysilicon is deposited on the second sacrificial layer 14, masked and etched accordingly. As can be seen in FIG.
  • the second material layer 4 on the web 5 is interrupted by the structuring of the second material layer 4. This is the case when a too high aspect ratio is expected, ie the height of the web is greater than the width of the web. With a desired larger cross-section of the web 5, the mold 14 c is dispensed with and the second material layer is applied directly to the web. In this case, however, the width of the web should not be less than the height of the two layers.
  • FIG. 4f For stabilization, a second material layer 4 is applied to the second material layer 4
  • Metal layer 15 deposited.
  • the metal layer 15 is also structured accordingly.
  • This deposited metal layer 15 can also serve as a starting layer for further electrodepositions.
  • other materials for example plastics or semimetals, can also be used for this purpose.
  • FIG. 4 g The last method step for producing the microgripper 8 consists of removing the first and second sacrificial layers 13, 14 by an etching solution.
  • the selection for removing the sacrificial layers 13, 14 depends on the material from which the sacrificial layer 13, 14 is made.
  • the micro-grippers 8 produced by the method according to FIGS. 4a-g can be used for picking up and holding objects in the micrometer and submicrometer range.
  • a special application of the micro gripper is the inclusion of electron-transparent samples for their subsequent examination in a TEM or SEM. Such samples are prepared by means of the technique known as the so-called Focused Ion Beam technique (FIB technique) from a material to be examined.
  • FIB technique Focused Ion Beam technique
  • the conventional method of picking up such a TEM sample 40 shown in FIG. 5 uses a needle 41 which is attached to the TEM sample 40 by means of material deposition.
  • the microgripper 8 produced according to the invention makes it possible to record an electron-transparent sample 40 produced by means of FIB technology with the gripper elements 1, 2 in a FIB preparation system according to FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 6 shows the microgripper 8 and the TEM sample 40 clamped between the gripping elements 1, 2.
  • the TEM sample 40 can be taken directly into the TEM and is immediately available for examination with the electron beam 53 in the correct position.
  • the main advantage of this approach is that the complicated previously used so-called lift-out process is replaced by the single gripping of the TEM sample 40 by the micro gripper. After picking up the TEM sample 40, it can be examined together with the micro gripper in the TEM. If necessary, after the TEM sample has been picked up by the microgripper, post-processing of the TEM sample in the FIB preparation unit is possible.
  • the TEM sample 40 is dimensioned by means of the FIB technique so that at the later contact surface to the micro-gripper 8, the sample thickness required for holding is achieved.
  • the remaining area of the TEM sample is prepared for the electron transparency necessary for the TEM examination.
  • FIGS. 7a and 7b show a further advantageous embodiment of the micro-gripper 8 according to the invention.
  • the micro-gripper 8 is used in conjunction with a half-ring 70 having an inner radius and an outer radius.
  • the microgripper 8 has a flat base body in the form of a circular sector, wherein the gripping body with the TEM sample 40 at the circular sector tip is arranged projecting the sector of the circle.
  • the radius of the Circle sector of the base body shape is larger than the inner radius of the half ring 70.
  • the outer radius of the half ring 70 and the radius of the circular sector of the base body is the same.
  • the micro-gripper 8 is picked up by means of a device, for example a vacuum pipette, and fastened on the half-ring 70 by means of an adhesive, as shown.
  • This half-ring 70 can consist of different materials which are used in the TEM analysis.
  • the gripping elements 1, 2 project over the half ring, so that this arrangement is suitable for picking up TEM samples 40 from a substrate.
  • FIG. 7b shows, in a detailed enlargement, the picking up of such a TEM sample 40 from a suitably prepared substrate.
  • differently shaped micro-grippers can also be fastened on the half-ring 70.
  • the outer shape of the base body therefore does not necessarily have to be similar to a circular cutout.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the microgripper 8 according to the invention, in which the base body is formed with a semicircular flat body surface 7.
  • the radius R of this semicircle is dimensioned such that a subsequent direct transfer of the microgripper 8 into the sample holder of the TEM can take place.
  • the microgripper 8 is first held by a receiving device 31 and thus the recording of the TEM sample 40 is performed. This arrangement allows the direct adoption of the micro gripper 8 in the sample holder of the TEM, without any additional adaptation to a semi-circular ring is made.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrogreifers (8), der einen Basiskörper sowie einen mit dem Basiskörper einstückig verbundenen Greif körper umfasst, der den Basiskörper überragt und an einem freien Endbereich einen Aufnahmeschlitz (6) derart vorsieht, dass zum Greifen und Halten ein Mikrometer- oder Submikrometer-skaliges Objekt in den Aufnahmeschlitz klemmbar ist, sowie ein gattungsgemäßer Mikrogreif er. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Basiskörper und der Greif körper mittels eines Materialabscheideverfahrens unter Ausbildung wenigstens einer gemeinsamen ersten und einer gemeinsamen zweiten Materialschicht (3,4) hergestellt werden, und dass die Materialschichten im Wesentlichen eben ausgebildet und miteinander unter Durchführung der folgenden Verfahrensschritte verbunden werden: Bereitstellen einer ebenen Substratoberfläche, Aufbringen einer ersten.Opferschicht (13) auf die Substratoberfläche, Aufbringen der ersten Materialschicht (3) auf die erste Opferschicht (13), Aufbringen einer zweiten Opferschicht (14) auf die erste Materialschicht (3), zumindest auf einen lokalen Bereich der ersten Materialschicht, Aufbringen der zweiten Materialschicht (4) auf der ersten Materialschicht (3) sowie der zweiten Opferschicht (14), Entfernen der zweiten Opferschicht (14) zur Ausbildung des Aufnahmeschlitzes und Entfernen der ersten Opferschicht (13) zur Ablösung des hergestellten Mikrogreifers von der Substratoberfläche.

Description

HERSTELLUNG EINES MIKROGREIFERS MITTELS EINES MATERIALABSCHEIDEVERFAHRENS
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrogreifer zum Aufnehmen und Halten von Mikrometer- oder Submikrometer-skaligen Objekten sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Stand der Technik
Im Rahmen der Mikrosystemtechnik finden Mikrogreifer heute in zahlreichen Gebieten Verwendung. So werden Mikrogreifer bspw. in der Mikro- und Nanotechnik zur Manipulation und Montage oder zum Fügen von Kleinstobjekten eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete für Mikrogreifer finden sich in der Physik, der Biologie, der Chemie und der Medizin, wobei Mikrogreifer bspw. im Rahmen der Analyse und Untersuchung von Proben zum Aufnehmen, Greifen und Halten der Proben eingesetzt werden.
Die Mikrogreifer bestehen in der Regel aus einem Basiskörper, der mit zwei oder mehreren bewegbaren und/oder elastischen Greifelementen verbunden ist, die zum Aufnehmen und Halten eines Objektes dienen. Zur aktiven Betätigung der Greifelemente ist zumeist ein am Mikrogreifer vorhandener Aktor vorgesehen, der die gegeneinander wirkenden Greifelemente bewegt. Bei derartigen Mikrogreifern können teilweise die auf das Objekt einwirkenden Greifkräfte durch entsprechende Ansteuerung des Aktors eingestellt oder geregelt werden. Auch sind Mikrogreifer ohne Aktoren bekannt, bei denen das Aufnehmen und Halten eines Objektes nicht aktiv sondern passiv unter Ausnutzung elastischer Materialeigenschaften erfolgt. Mikrogreifer dieser Art weisen mindestens zwei gegenüberliegende, voneinander beabstandete Greifelemente auf, zwischen denen ein Objekt klemmbar ist. Durch das Einklemmen eines Objekts zwischen den Greifelementen werden diese elastisch verformt und erzeugen so die auf das Objekt rückwirkenden elastischen Haltekräfte.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich für die folgenden Ausführungen der Begriff Mikrogreifer auf die Versionen mit nur zwei Greifelementen beschränkt.
So wird in der Druckschrift DE 195 23 229 A1 eine Ausführungsform eines Mikrogreifers für die Mikromontage offenbart, welcher aus einem Basiskörper, einem auf dem Basiskörper befestigten Piezotranslator als Linearaktor sowie einem mit dem Basiskörper und dem Piezotranslator verbundenen Mikrostrukturkörper besteht. In dem Mikrostrukturkörper sind zwei gegeneinander wirkende, sich gegenüberliegende Greifelemente sowie eine mechanische Hebelübersetzung mit Biegegelenken, zur vergrößernden Übertragung einer Linearbewegung des Piezotranslators auf die Greifelemente, konstruktiv in einem Bauteil vereint. Bei einer Längenänderung des Piezotranslators verformen sich die elastischen Biegeelemente und leiten so ein gezieltes Auseinander- oder Zueinanderbewegen der Greifelemente ein.
Die Herstellung des Mikrostrukturkörpers erfolgt aus einem beidseitig polierten (100)- Siliziumwafer mit einer Dicke von 240 μm mittels den bekannten Strukturierungsprozessen, Lithographie und anisotropes Ätzen. Anschließend wird der Mikrostrukturkörper auf dem Basiskörper, einem Siliziumsubstrat, mittels Kleber derart befestigt, dass nur ausgewählte kleine Berührungsflächen zwischen dem Mikrostrukturkörper und dem Basiskörper geklebt werden, wobei die Biegeelemente sowie die Greifelemente entlang der Berührungsflächen axial verschiebbar sind. Als wesentlicher Vorteil des beschriebenen Mikrogreifers wird die Herstellung des Mikrostrukturkörpers aus Silizium, speziell dessen gute Mikrostrukturierbarkeit sowie keine plastische Verformung von Silizium besonders hervorgehoben. Zudem besteht die Möglichkeit an den Greifelementen, insbesondere an deren jeweiligen Greifflächen piezoelektrische, bspw. piezoresistive, Schichten anzubringen, um die Greifkraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln und dadurch die Greifkraft an das zu greifende Objekt anzupassen. Weitere Ausführungsformen von Mikrogreifern, die als Aktoren Piezosysteme verwenden, sind bspw. den Druckschriften DE 196 48 165 A1 sowie DE 101 14 551 C1 zu entnehmen.
Neben Piezosystemen werden zur Bewegung der Greifelemente auch andere Elemente oder Prinzipien verwendet. So ist der Druckschrift DE 197 15 083 A1 ein Mikrogreifer zu entnehmen, bei dem ebene Spulen oder Dauermagnete eines elektrodynamischen Antriebes in einen nachgiebigen Greifmechanismus integriert sind. Das Schließen der Greifelemente wird durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes bewirkt. Die Druckschriften US 2004/0004364 A1 , US 2002 /0061662 A1 und US 5,149,673 A beschreiben hingegen Mikrogreifer, deren Greifelemente unter Nutzung elektrostatischer Anziehungs- oder Abstoßungskräfte bewegt werden können. Aus der Druckschrift US 2005/0029827 A1 geht schließlich ein Nanogreifer hervor, bei dem die Greifelemente unter Ausnutzung elektrothermischer Materialeigenschaften bewegt werden können. Dabei stehen die Greifelemente über einen Gelenkmechanismus mit Elementen in Verbindung, die sich infolge eines Stromdurchflusses erwärmen, dabei ausdehnen und über den Gelenkmechanismus eine Bewegung der Greifelemente hervorrufen.
Die bisher erwähnten Greifer haben alle den Nachteil, dass zum Greifen und Halten von Objekten die Zuführung elektrischer oder magnetischer Energie an den Aktor erforderlich ist. Wird diese unterbrochen oder gestört, so kommt es zu einem Versagen des Greifers, d.h. das Objekt kann sich ungewollt vom Mikrogreifer trennen. Außerdem ist die notwendige elektrische Adaptierung des Mikrogreifers in den erforderlichen Dimensionen im Mikrometerbereich aufwendig und kostenintensiv.
Für Anwendungen von Mikrogreifern im Rahmen der Materialanalyse von Mikrometer- oder Submikometer-skaligen Proben ist insbesondere jegliche Kontamination der Probe durch den Mikrogreifer, bspw. durch einen Materialübertrag von einer vorhergehenden Probe zur nächsten Probe, zu verhindern. Daher werden bspw. zum Greifen und Halten von Proben im Rahmen von Untersuchung insbesondere mit Elektronenmikroskopen, wie Transmissions-Elektronen- Mikroskopen (TEM) oder Scanning Electron Microscopes (SEM), für jede Probe neue Mikrogreifer verwendet. Da Mikrogreifer für derartige Zwecke nur zur einmaligen Nutzung bestimmt sind, sollten sie kostengünstig als Massenware produzierbar sein. Dennoch müssen sie alle Anforderungen erfüllen, um ein zuverlässiges Greifen und Halten bei solchen Anwendungen zu gewährleisten. Die vorstehend beschriebenen Mikrogreifer sind aus den genannten Gründen hierfür jedoch nicht oder nicht optimal geeignet.
Neben den vorstehend beschriebenen Mikrogreifern mit Aktoren wird in der Druckschrift US 2002/0166976 A1 ein Mikrogreifer beschrieben, der insbesondere auch für eine Verwendung zum Greifen und Halten einer Probe im Rahmen von Untersuchungen mit TEM geeignet ist. Der darin beschriebene Mikrogreifer besteht aus einem stab- oder zylinderförmigen länglichen Körper, der an einem Ende eine oder mehrere dreiseitig offene Aufnahmeschlitze derart aufweist, dass eine Probe in den Aufnahmeschlitz klemmbar ist. Das Aufnehmen und Halten der Probe basiert, wie vorstehend beschrieben, auf der elastischen Deformation des den Aufnahmeschlitz umgebenden Materials und der dadurch hervorgerufenen, auf die eingeklemmte Probe wirkenden Rückstellkraft.
Zur Herstellung des Mikrogreifers kann dem zitierten Dokument folgendes Verfahren entnommen werden. Als Ausgangsmaterial dient ein Stück geradliniger Wolframdraht mit einem Drahtdurchmesser von 50 μm. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Endbereich des Wolframdrahtes zunächst mittels Elektropolieren oder einem Ätzverfahren derart bearbeitet, dass sich der Wolframdraht in diesem Endbereich zum Drahtende hin bis auf einen Durchmesser von einigen Mikrometern verjüngt. In einem zweiten Arbeitsschritt wird aus dem sich nunmehr konisch verjüngenden Endbereich des Wolframdrahtes mittels eines senkrecht zur Längsachse des Wolframdrahtes auftreffenden lonenstrahls, ein zum Ende des verjüngten Bereichs hin dreiseitig offener Aufnahmeschlitz ausgearbeitet. In einem dritten Verfahrensschritt kann durch eine weitere Anwendung des lonenstrahls zusätzlich zu dem ersten Aufnahmeschlitz bspw. ein dazu um 90 Grad gedrehter zweiter Aufnahmeschlitz ausgearbeitet werden. Dadurch entstehen im verjüngten Endbereich des Wolframdrahtes mindestens zwei oder vier Greifelemente zwischen die ein Objekt klemmbar ist. Der Aufnahmeschlitz hat einem Ausführungsbeispiel zufolge eine Breite von 2 μm und eine Tiefe von 30 μm.
Nachteilig an dem in US 2002/0166976 A1 offenbarten Mikrogreifer ist, dass es durch das angegebene Herstellungsverfahren technisch nicht möglich ist, die den Aufnahmeschlitz begrenzenden Flächen, d.h. die innen liegenden Klemmflächen an den Greifelementen, exakt parallel zueinander herzustellen. Vielmehr wird durch die Anwendung des lonenstrahls zur Herstellung eines Aufnahmeschlitzes, der Aufnahmeschlitz an der dem lonenstrahl zugewandten Seite breiter als auf der dem lonenstrahl abgewandten Seite. Die somit erzeugten, den Schlitz begrenzenden Klemmflächen sind daher nicht parallel zueinander ausgerichtet. Dies führt letztlich zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Klemmkräften auf das zu haltende Objekt und birgt die Gefahr, dass sich die zwischen die Klemmflächen geklemmten Objekte relativ zum Mikrogreifer verschieben können. Weiterhin eignet sich das beschriebene Verfahren nur bedingt , bzw. nicht zur Massenproduktion, da für jeden Mikrogreifer einzeln eine exakte Fixierung und Positionierung des Wolframdrahtes erforderlich ist, bevor die Bearbeitung mit dem lonenstrahl erfolgen kann, was das Herstellungsverfahren langwierig und teuer macht.
Aus der DE 195 22 004 ist ein Herstellungsverfahren von teilbeweglichen Mikrostrukturen auf der Basis einer trockenchemisch geätzten Opferschicht zu entnehmen, wobei die zumeist aus Polyimid bestehende Opferschicht unmittelbar auf einer Substratschicht aufgebracht wird, auf der, vollständig durch die Opferschicht beabstandet zur Substratschicht, eine im weiteren teilbewegliche mikrostrukturierte Materialschicht, bspw. in weiterer Ausbildung als Cantilever mit oder ohne zusätzlicher Spitze aufgebracht wird. Zu Zwecken der Teilbewegungsfähigkeit wird die zwischen der Cantileverschicht und dem Substrat befindliche Opferschicht lediglich teilweise im Wege eines trockenchemischen Ätzverfahrens entfernt, so dass ein Rest an Opferschicht als eine Art Abstandshalter bestehen bleibt. Darstellung der Erfindung
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrogreifers sowie einen Mikrogreifer anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden. Der Mikrogreifer soll insbesondere als Massenware kostengünstig herstellbar sein, im Ruhezustand an den Greifelementen parallel zueinander ausgerichtete, sich gegenüberliegende Klemmflächen aufweisen und sich für das Aufnehmen, Transportieren und Halten von Materialproben im Rahmen von deren Untersuchung in einem TEM oder SEM eignen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in Anspruch 1 sowie in Anspruch 13 angegeben. Dabei gibt der Anspruch 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrogreifers an, der einen Basiskörper sowie einen mit dem Basiskörper einstückig verbundenen Greifkörper umfasst, der den Basiskörper überragt und an einem freien Endbereich einen Aufnahmeschlitz derart vorsieht, dass zum Greifen und Halten ein Mikrometer- oder Submikrometer-skaliges Objekt in den Aufnahmeschlitz klemmbar ist. Das Verfahren zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass der Basiskörper und der Greifkörper mittels eines Materialabscheideverfahrens unter Ausbildung wenigstens einer gemeinsamen ersten und einer gemeinsamen zweiten Materialschicht hergestellt werden, und dass die Materialschichten im wesentlichen eben ausgebildet und miteinander verbunden werden. Der Anspruch 13 gibt einen Mikrogreifer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 an, der sich dadurch auszeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper als ein einheitlicher Flachkörper ausgebildet sind, der von zwei im wesentlichen ebenen, parallel zueinander orientierten und sich überlappenden Flachkörperoberflächen begrenzt ist.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt in der Herstellung eines Mikrogreifers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , mittels eines Materialabscheideverfahrens unter Ausbildung zumindest zweier eben ausgebildeter und miteinander verbundener Materialschichten. Verfahren zur Abscheidung von Material sind dem Fachmann vielfältig bekannt. Für die erfindungsgemäße Herstellung eines Mikrogreifers eignen sich in besonderer Weise Verfahren aus der Dünnschichttechnologie, durch die Materialien in dünnen Schichten, mit Schichtdicken bis unter 1 μm, auf ein Substrat aufgebracht werden können. Für das Abscheiden der Schichten auf das Substrat kommen dabei insbesondere Physical Vapour Deposition-Verfahren (PVD), d.h. Aufdampfen oder Sputtern, Chemical Vapor Deposition-Verfahren (CVD) und davon abgeleitete Verfahren, wie Low Pressure CVD (LPCVD) oder Plasma Enhanced CVD (PECVD), oder galvanische Verfahren in Betracht. Die damit abgeschiedenen Schichten lassen sich durch Maskierungs- oder Lithografie-Verfahren mit anschließendem Materialabtrag durch Anwendung von naßchemischem Ätzen, reaktivem lonenätzen (RIE), Sputterätzen, lonenstrahlätzen oder Plasmaätzen nachträglich strukturieren. Alternativ zu der nachträglichen Strukturierung einer bereits aufgetragenen Schicht, kann die Strukturierung einer aufzutragenden Schicht auch durch eine gezielte lokale Materialabscheidung erreicht werden. Weiterhin kann durch Abscheiden einer so genannten Opferschicht zwischen zwei Materialschichten und der späteren Entfernung der Opferschichten, bspw. durch Nassätzverfahren, eine nahezu beliebige dreidimensionale Strukturierung der auf das Substrat aufgebrachten Materialschichten erreicht werden. Der Fachmann ist mit diesen Techniken und deren Anwendung vertraut.
Bei Verwendung eines im Rahmen der Dünnschichttechnologie beschriebenen oder bekannten Verfahrens zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Mikrogreifers, besteht das Herstellungsverfahren für den Mikrogreifer in einem einfachen Fall aus folgenden Verfahrensschritten.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine ebene Substratoberfläche bereitgestellt. Hierfür eignet sich bevorzugt ein Siliziumsubstrat wegen dessen guter Oberflächenplanarität. In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf die Substratoberfläche eine erste Opferschicht aufgebracht. Im dritten Verfahrensschritt wird die erste Materialschicht auf die erste Opferschicht aufgebracht. Im vierten Verfahrensschritt erfolgt das Aufbringen (und gegebenenfalls das Strukturieren) der zweiten Opferschicht auf die erste Materialschicht, zumindest auf einen lokalen Bereich der ersten Materialschicht. Üblicherweise wird der überwiegende Teil der ersten Materialschicht nicht von der zweiten Opferschicht bedeckt. Die zweite Opferschicht entspricht nach ihrem Auftrag auf den einen lokalen Bereich in ihren äußeren Abmessungen dem herzustellenden Aufnahmeschlitz am Greifkörper, so dass nach einem Entfernen der zweiten Opferschicht in diesem Bereich der Aufnahmeschlitz freigelegt wird. Im fünften Verfahrensschritt wird auf die zweite Opferschicht und die von der zweiten Opferschicht nicht bedeckten Bereiche der ersten Materialschicht, die zweite Materialschicht aufgebracht. Im einfachsten Fall sind die erste und die zweite Materialschicht mit Ausnahme des einen lokalen Bereichs direkt miteinander verbunden. Im sechsten Verfahrensschritt werden die erste und zweite Opferschicht entfernt. Das Entfernen der zweiten Opferschicht bildet den Aufnahmeschlitz aus, das Entfernen der ersten Opferschicht löst den nunmehr fertig hergestellten Mikrogreifer vom Substrat. Zum Entfernen der Opferschichten eignen sich insbesondere nasschemische Ätzverfahren.
Als Ergebnis der Verfahrensschritte 1 - 6 erhält man einen Mikrogreifer gemäß Anspruch 13, der sich dadurch auszeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper des Mikrogreifers als ein einheitlicher Flachkörper ausgebildet sind, der von zwei im wesentlichen ebenen, parallel zueinander orientierten und sich überlappenden Flachkörperoberflächen, begrenzt ist. Dabei entsprechen die außen liegenden freien Oberflächen der ersten und zweiten Materialschichten den Flachkörperoberflächen.
Der Aufnahmeschlitz am Greifkörper weist innenliegend vorzugsweise zwei zueinander parallel angeordnete, voneinander beabstandete und sich überlappende Klemmflächen auf. Die Klemmflächen weisen dabei vorzugsweise einen Abstand von 10 nm bis 10 μm, insbesondere von 50 nm bis 1 μm voneinander auf. Die laterale Dimensionierung der Flachkörperoberflächen, und damit die lateralen Formen des Basiskörpers, des Greifkörpers sowie letztlich auch der Klemmflächen im Aufnahmeschlitz, erfolgt durch eine entsprechende Strukturierung der im Rahmen des beschriebenen Materialabscheideverfahrens entstehenden Schichten. Wie vorstehend beschrieben, kann die gewünschte Strukturierung einer Schicht durch eine lokal, d.h. lateral entsprechend begrenzte Abscheidung der Schicht oder durch eine entsprechende laterale Strukturierung einer bereits abgeschiedenen Schicht erfolgen. Entsprechende Strukturierungsverfahren sind dem Fachmann bekannt. Durch eine solche Strukturierung der Schichten ist es insbesondere möglich, die laterale Dimensionierung des herzustellenden Mikrogreifers nahezu beliebig vorzugeben und so die Form des Basiskörpers, des Greifkörpers sowie der Klemmflächen den gewünschten Anforderungen anzupassen.
Durch eine entsprechende Strukturierung der Schichten während des Herstellungsverfahrens werden vorzugsweise Mikrogreifer hergestellt, deren Flachkörperoberflächen sich jeweils vollständig überlappen. Weiterhin werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Mikrogreifer hergestellt, die derart dimensioniert und ausgelegt sind, dass sie Proben, die bspw. mittels eines TEMs oder SEMs untersucht werden sollen, aufnehmen und halten können, und dass sie direkt in einen kommerziell verfügbare Probenhalterung eines TEM oder SEM eingelegt werden können. Für derartige TEM-/SEM-Anwendungen eignen sich insbesondere Mikrogreifer bei denen die Flachkörperoberflächen einem Kreissektor mit einem Mittelpunktswinkel α <180 Grad entsprechen und der Greifkörper an einer Kreissektorspitze den Kreissektor überragend angeordnet ist oder deren Flachkörperoberflächen einem Kreissegment mit einem Mittelpunktswinkel a <180 Grad entsprechen und der Greifkörper an der Kreissegmentsehne, insbesondere in der Mitte der Kreissegmentsehne, das Kreissegment überstehend angeordnet ist, und das Kreissegment oder der Kreissektor einen Kreisradius aufweist, der an einen Radius einer Probenhalterung eines Mikroskops, insbesondere eines SEM oder TEM, angepasst ist. Bei SEM oder TEM beträgt der Radius der Probenhalterung typischerweise 1 ,5 mm. Darüber hinaus können die Flachkörperoberflächen einem Vieleck entsprechen, wobei der Greifkörper einen Umfangsrand des Vielecks überragend angeordnet ist, oder beliebige weitere Formen aufweisen.
Ebenso wird durch die Strukturierung der ersten und zweiten Materialschicht, die Form und relative Lage der Klemmflächen am Aufnahmeschlitz bestimmt. Vorzugsweise entsprechen die Klemmflächen einem Vieleck, insbesondere einem Rechteck oder Quadrat und überlappen sich jeweils vollständig. Für besondere Anwendungen eignen sich insbesondere auch Klemmflächen, die sich in Richtung der Öffnung des Aufnahmeschlitzes verjüngen. Je nach gewünschter Anwendung sind beliebige weitere Klemmflächenformen, durch eine entsprechende Strukturierung der ersten und zweiten Materialschicht, ebenfalls möglich.
Für das bisher beschriebene Herstellungsverfahren sollen nun einige weitere vorteilhafte Ausprägungen angegeben werden. So können für die Opferschichten folgende Materialien verwendet werden: Kunststoff, Metall oder insbesondere Siliziumoxid. Für die Materialschichten können folgende Materialien verwendet werden: Kunststoffe, Keramik, Metall, Halbmetall oder insbesondere Polysilizium. Die Verwendung der angegebenen Materialen für die Opferschichten oder die Materialschichten ist jedoch nicht beliebig. Dem Fachmann sind entsprechende Materialkombinationen, die sich für beschriebene Materialabscheide- und Opferschichttechnologie eigenen, bekannt. Als besonders geeignet hat sich die Paarung von Opferschichten aus Siliziumoxid und Materialschichten aus Polysilizium erwiesen.
Die erste und die zweite Materialschicht können aber auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen und somit aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften der ersten und der zweiten Materialschicht dem erfindungsgemäßen Mikrogreifer besondere mechanische, elektrische, magnetische oder chemische Eigenschaften verleihen. Weiterhin kann es aus verfahrenstechnischen Gründen vorteilhaft sein, vor dem Aufbringen der ersten Opferschicht auf der Substratoberfläche eine oder mehrere Zwischenschichten auf der Substratoberfläche aufzubringen. Zur Stabilisierung und zum Schutz besteht zudem die Möglichkeit auf die zweite Materialschicht eine oder mehrere Stabilisierungs- oder Schutzschichten aufzubringen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von Mikrogreifern auf einem oder mehreren Flächensubstraten möglich. Dadurch lassen sich nicht nur Fertigungskosten reduzieren, sondern auch Lösungen realisieren, die bei einer hohen Fertigungsgenauigkeit eine nahezu beliebige und leicht zu ändernder Formgebung der flach ausgebildeten Mikrogreifer ermöglichen. Die erfindungsgemäßen Mikrogreifer eignen sich insbesondere für das Aufnehmen, Transportieren und Halten von Materialproben im Rahmen von deren Untersuchung in einem TEM oder SEM.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Beispiel eines Mikrogreifers,
Fig. 2a, b Aufnehmen eines Objekts mit dem Mikrogreifer,
Fig. 3a, b Schichtaufbau eines Mikrogreifers,
Fig. 4a-g Verfahrensschritte zur Herstellung eines Mikrogreifers,
Fig. 5 Herauslösen einer TEM-Probe aus einem Substrat (Stand der Technik),
Fig. 6 Mikrogreifer mit TEM-Probe,
Fig. 7a, b Mikrogreifer mit kreissektorförmig gestaltetem Basiskörper und
Fig. 8 Mikrogreifer mit halbkreisförmig gestaltetem Basiskörper.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten und als Flachkörper ausgebildeten Mikrogreifers 8. Der Flachkörper 8 besteht aus einer ersten Materialschicht 3 und einer zweiten, mit der ersten Materialschicht 3 verbundenen Materialschicht 4. Der Flachkörper 8 lässt sich in einen Basiskörper- Bereich mit dem zugehörigen Flachkörperoberflächenteil 7 sowie einen Greifkörper- Bereich mit den Greifelementen 1 und 2, zwischen denen sich der Aufnahmeschlitz 6 befindet, einteilen. Weiterhin ist bei dem abgebildeten Mikrogreifer 8 eine quer zu den Greifelementen 1 , 2 verlaufende durchgehende Lücke 6a im Verbindungsbereich zwischen Basiskörper und Greifkörper vorgesehen. Diese dient einer verbesserten Einleitung von Kräften, die durch eine elastische Verformung der Greifelemente 1 , 2 entstehen, in die Materialschichten 3 und 4. An der rechten Seite der abgebildeten Mikrogreifers 8 sind dünne Stege 5 zur Befestigung des Mikrogreifers auf dem Substrat 9 vorgesehen. Der Hintergrund hierfür ist, dass während des Ätzprozesses, bei dem die Opferschichten entfernt werden, die Gefahr besteht, dass sich der Mikrogreifer 8 unkontrolliert vom Substrat 9 lösen kann und verloren gehen kann. Dies wird durch die dünnen Stege 5 verhindert, über die der Mikrogreifer nach dem Ätzen der Opferschichten noch mit dem Substrat verbunden bleibt, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Flachkörperoberfläche 7 dient als Adapterfläche, bspw. zum Aufnehmen des Mikrogreifers in ein Handhabungssystem (Transportmanipulator), oder zum Einlegen in die Aufnahmeeinheit eines Analysegerätes (SEM, TEM). Im vorliegenden Fall hat sie die Form eines Vielecks. Die Flachkörperoberfläche kann dabei jedoch im Rahmen des Herstellungsverfahrens entsprechend den gegebenen Anforderungen optimal dimensioniert werden.
Die Figuren 2a und 2b zeigen die Funktionsweise des Mikrogreifers 8. Dargestellt sind der Greifkörperbereich des Mikrogreifers 8 mit den Greifelementen 1 , 2 und dem zwischen den Greifelementen 1 , 2 liegenden Aufnahmeschlitz 6, sowie eine Materialprobe 10, an der eine Schräge 11 vorgesehen ist. Zum Aufnehmen der Materialprobe 10 mit dem Mikrogreifer 8, wird gemäß Figur 2a der Mikrogreifer 8 mit den Greifelementen 1 ,2 von oben an die Schräge 11 der Materialprobe 10 herangeführt. Die Schräge 11 dient einem optimalen Kraftschluss zwischen den Greifelementen 1 , 2 und der Materialprobe 10. Grundsätzlich ist eine solche Schräge jedoch nicht erforderlich. Figur 2b zeigt, dass die Greifelemente 1 , 2 über die Schräge 11 der Materialprobe geschoben und dadurch gespreizt werden. Durch die Spreizung wird eine elastische Verformung der Greifelement 1 , 2 hervorgerufen, die rückwirkend auf die Schräge eine Haltekraft erzeugt. Aufgrund dieser Haltekraft und der zwischen den Klemmflächen der Greifelemente 1 , 2 und der Schräge 11 wirkenden Reibungskräfte wird ein Halten der Materialprobe erreicht.
In den Figuren 3a und 3b wird der Mikrogreifer aus Figur 1 in der Herstellungsphase gezeigt, nachdem die Opferschichten entfernt wurden. Figur 3a zeigt zunächst eine Aufsicht auf den Mikrogreifer 8. Der Mikrogreifer 8 ist dabei über die Stege 5 mit einem Haltebereich 20 verbunden. Da der Haltebereich 20 auch nach dem Entfernen der Opferschichten fest mit dem Substrat 9 (nicht dargestellt) verbunden ist, wird der vom Substrat 9 vollständig gelöste Mikrogreifer 8 noch über die Stege 5 vom Haltebereich 20 gehalten. Ein unbeabsichtigtes Lösen oder Verlorengehen des Mikrogreifers 8 nach dem Entfernen der Opferschichten kann somit verhindert werden. Zum Herauslösen des Mikrogreifer sind lediglich die Stege 5 zu durchtrennen. Die Anzahl, die Anordnung und der Querschnitt (Breite und Höhe) der Stege 5 richtet sich im Wesentlichen nach der Haltekraft, die von den Stegen aufgenommen werden soll. Die Figur 3b zeigt einen Schnitt durch den Schichtenaufbau entlang der Schnittlinie A-A'. Deutlich zu erkennen ist, dass das Substrat 9 auch nach dem Entfernen der Opferschichten noch fest mit dem Haltebereich 20 verbunden ist. Der Mikrogreifer 8 besteht aus der ersten Materialschicht 3 und der zweiten Materialschicht 4, die miteinander verbunden sind. Die entfernten Opferschichten haben den Aufnahmeschlitz 6 und die Lücke 6a freigelegt. Der Mikrogreifer 8 ist über die Stege 5, die aus der ersten Materialschicht gebildet sind, mit dem Haltebereich 20 verbunden.
Die Figuren 4a - 4g erläutern das Verfahren zur Herstellung des in den Figuren 3a und 3b gezeigten Mikrogreifers anhand des schrittweisen Schichtaufbaus in einer Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie A-A' von Figur 3a. Figur 4a In einem ersten Verfahrensschritt wird auf ein ebenes Substrat 9 aus Silizium eine Zwischenschicht 12a und 12b aufgebracht. Diese Zwischenschicht 12a besteht aus Siliziumnitrid und dient als elektrischer Isolator, die Zwischenschicht 12b besteht aus Polysilizium und dient als Startschicht. Auf diese Zwischenschicht 12 wird nun eine erste Opferschicht 13 aus Siliziumoxid abgeschieden. Die erste Opferschicht 13 wird anschließend maskiert. Dies erfolgt durch Aufbringen einer Photoresist-Schicht oder einer ähnliche Maskierung. Das Herausarbeiten der Maskierungsform kann bspw. durch Belichten mit einem Elektronenstrahl oder mit UV-Licht erfolgen.
Figur 4b Nachdem die Maskierung fertig gestellt wurde, wird die erste Opferschicht 13 an den freiliegenden Stellen mittels reaktivem lonenätzen (RIE) entfernt. Figur 4b zeigt, dass die Opferschicht 13 zumindest in dem Bereich entfernt wird, auf dem der spätere Haltebereich 20 hergestellt werden soll.
Figur 4c Auf die erste Opferschicht 13 wird nachfolgend die erste Materialschicht 3 aus Polysilizium abgeschieden. Die erste Materialschicht 3 wird ebenfalls, wie oben beschrieben, mit einer Maskierung in der gewünschten Form versehen und zum Beispiel durch RIE geätzt.
Figur 4d Auf die erste Materialschicht 3 wird eine zweite Opferschicht 14 aufgebracht. Diese wird ebenfalls mit einer Maskierung versehen und in der gewünschten Form geätzt. Dabei entspricht die auf der ersten Materialschicht 3 verbleibende zweite Opferschicht 14 in ihren geometrischen Formen 14a, 14b, und 14c, dem Aufnahmeschlitz 6, der Lücke 6a sowie der Unterbrechung der zweiten Materialschicht 4 am Steg 5 (vgl. Figur 4e). Ist ein größerer Querschnitt des Steges 5 gewünscht kann auch auf die Form 14c verzichtet werden. Figur 4e Auf die zweite Opferschicht 14 wird die zweite Materialschicht 4 aus Polysilizium abgeschieden, maskiert und entsprechend geätzt. Wie in Figur 4e erkennbar ist, wird die zweite Materialschicht 4 am Steg 5 durch das Strukturieren der zweiten Materialschicht 4 unterbrochen. Dies ist der Fall, wenn ein zu großes Aspektverhältnis erwartet wird, d.h. die Höhe des Steges größer wird als die Breite des Steges. Bei einem gewünschten größeren Querschnitt des Steges 5 wird auf die Form 14 c verzichtet und die zweite Materialschicht direkt auf den Steg aufgebracht. In diesem Fall sollte die Breite des Steges jedoch nicht geringer als die Höhe der beiden Schichten sein.
Figur 4f Zur Stabilisierung wird auf die zweite Materialschicht 4 eine
Metallschicht 15 abgeschieden. Die Metallschicht 15 wird ebenfalls entsprechend strukturiert. Diese abgeschiedene Metallschicht 15 kann auch als Startschicht für weitere galvanische Abscheidungen dienen. Anstelle einer Metallschicht 15 können hierfür auch andere Materialien, bspw. Kunststoffe oder Halbmetalle, genutzt werden.
Figur 4 g Der letzte Verfahrensschritt zur Herstellung des Mikrogreifers 8 besteht im Entfernen der ersten und zweiten Opferschicht 13, 14 durch eine Ätzlösung. Die Auswahl zum Entfernen der Opferschichten 13, 14 richtet sich natürlich nach dem Material aus dem die Opferschicht 13, 14 besteht.
Die nach dem Verfahren gemäß Figuren 4a-g hergestellten Mikrogreifer 8 können zum Aufnehmen und Halten von Objekten im Mikrometer- und Submikrometer- Bereich eingesetzt werden. Eine spezielle Anwendung des Mikrogreifers ist die Aufnahme von elektronentransparenten Proben für deren anschließende Untersuchung in einem TEM oder SEM. Derartige Proben werden mittels der dem Fachmann bekannten, so genannten Focused Ion Beam -Technik (FIB-Technik) aus einem zu untersuchenden Material herauspräpariert. Die in Figur 5 dargestellte herkömmliche Methode zum Aufnehmen einer derartiger TEM-Probe 40 benutzt eine Nadel 41 , die mittels Materialabscheidung an der TEM- Probe 40 befestigt wird. Die erfindungsgemäß hergestellte Mikrogreifer 8 ermöglicht hingegen, eine mittels FIB-Technik hergestellte elektronentransparente Probe 40 mit den Greifelementen 1 , 2 in einer FIB-Präparationsanlage entsprechend den Figuren 2a und 2b aufzunehmen.
Die Figur 6 zeigt den Mikrogreifer 8 und die zwischen die Greifelemente 1 , 2 geklemmte TEM-Probe 40. Die TEM-Probe 40 kann direkt in das TEM übernommen werden und steht sofort zur Untersuchung mit dem Elektronenstrahl 53 lagerichtig zur Verfügung. Der wesentliche Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass der komplizierte bisher verwendete so genannten Lift-Out-Prozess durch das einmalige Greifen der TEM-Probe 40 durch den Mikrogreifer ersetzt wird. Nach dem Aufnehmen der TEM-Probe 40 kann diese samt Mikrogreifer im TEM untersucht werden. Falls erforderlich, ist nach dem Aufnehmen der TEM-Probe durch den Mikrogreifer eine Nachbearbeitung der TEM-Probe in der FIB-Präparationsanlage möglich.
Da die Breite des Aufnahmeschlitzes 6 des Mikrogreifers 8 nur innerhalb eines bestimmten Bereichs variiert werden kann, wird die TEM-Probe 40 mittels der FIB- Technik so dimensioniert, dass an der späteren Kontaktfläche zum Mikrogreifer 8, die zum Halten erforderliche Probendicke erreicht wird. Der übrige Bereich der TEM- Probe wird auf die für die TEM-Untersuchung notwendige Elektronentransparenz präpariert.
Die Figuren 7a und 7b zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrogreifers 8. In diesem Beispiel wird der Mikrogreifer 8 in Verbindung mit einem Halbring 70, der einen Innenradius und einen Außenradius aufweist, verwendet. Der Mikrogreifer 8 besitzt einen flächigen Basiskörper in Form eines Kreissektors, wobei der Greifkörper mit der TEM-Probe 40 an der Kreissektorspitze den Kreissektor überragend angeordnet ist. Der Radius des Kreissektors der Basiskörperform ist größer als der Innenradius des Halbringes 70. Idealerweise ist der Außenradius des Halbrings 70 und der Radius des Kreissektors des Basiskörpers gleich. Der Mikrogreifer 8 wird mit Hilfe einer Vorrichtung, bspw. einer Vakuumpipette, aufgenommen und wie dargestellt mittels eines Adhäsivs auf dem Halbring 70 befestigt. Dieser Halbring 70 kann dabei aus unterschiedlichen Materialien, welche in der TEM-Analyse eingesetzt werden, bestehen. Die Greifelemente 1 , 2 stehen dabei über den Halbring über, so dass diese Anordnung zum Aufnehmen von TEM-Proben 40 aus einem Substrat geeignet ist. Figur 7b zeigt in einer Detailvergrößerung das Aufnehmen einer solchen TEM-Probe 40 aus einem entsprechend vorbereiteten Substrat. Auf dem Halbring 70 können natürlich auch anders geformte Mikrogreifer befestigt werden. Die äußere Form des Basiskörpers muss daher nicht zwangsweise einem Kreisausschnitt ähnlich sein.
Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrogreifers 8, bei der der Basiskörper mit einer halbkreisförmigen Flachkörperoberfläche 7 ausgebildet ist. Der Radius R dieses Halbkreises ist so bemessen, dass eine anschließende direkte Übernahme des Mikrogreifers 8 in die Probenhalterung des TEM erfolgen kann. Der Mikrogreifer 8 wird zunächst von einer Aufnahmevorrichtung 31 gehalten und damit die Aufnahme der TEM-Probe 40 durchgeführt. Diese Anordnung ermöglicht die direkte Übernahme des Mikrogreifers 8 in die Probenhalterung des TEM, ohne dass eine zusätzliche Adaption an einen halbkreisförmigen Ring vorzunehmen ist. Werden statt der Halbkreisform des Basiskörpers Kreissektoren mit Mittelpunktswinkeln < 180 Grad verwendet, gestaltet sich die Halterung der Mikrogreifer in der Probenhalterung des TE-Mikroskops schwierig, da der Mikrogreifer lateral verrutschen kann und somit nicht richtig von der Klemmmutter des Probenträgers gefasst wird.
Bezugszeichenliste
, 2 Greifelemente Erste Materialschicht Zweite Materialschicht Steg , 6a Aufnahmeschlitz, Lücke Flachkörperoberfläche im Bereich des Basiskörpers Mikrogreifer, Flachkörper Substrat 0 Materialprobe 1 Schräge 2 Zwischenschicht 3 Erste Opferschicht , 14a-c Zweite Opferschicht 5 Metallschicht, Stabilisierungsschicht 0 Haltebereich 1 Aufnahmevorrichtung 0 TEM-Probe 3 Elektronenstrahl 0 Halbring

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Mikrogreifers (8), der einen Basiskörper sowie einen mit dem Basiskörper einstückig verbundenen Greifkörper umfasst, der den Basiskörper überragt und an einem freien Endbereich einen Aufnahmeschlitz (6) derart vorsieht, dass zum Greifen und Halten ein Mikrometer- oder Submikrometer- skaliges Objekt in den Aufnahmeschlitz (6) klemmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper mittels eines Materialabscheideverfahrens unter Ausbildung wenigstens einer gemeinsamen ersten und einer gemeinsamen zweiten Materialschicht (3, 4) hergestellt werden, und dass die Materialschichten (3, 4) im wesentlichen eben ausgebildet und miteinander unter Durchführung der folgenden Verfahrensschritte verbunden werden: Bereitstellen einer ebenen Substratoberfläche, Aufbringen einer ersten Opferschicht (13) auf die Substratoberfläche, Aufbringen der ersten Materialschicht (3) auf die erste Opferschicht (13), Aufbringen einer zweiten Opferschicht (14) auf die erste Materialschicht (3), zumindest auf einen lokalen Bereich der ersten Materialschicht (3), Aufbringen der zweiten Materialschicht (4) auf der ersten Materialschicht (3) sowie der zweiten Opferschicht (14), Entfernen der zweiten Opferschicht (14) zur Ausbildung des Aufnahmeschlitzes und
Entfernen der ersten Opferschicht (13) zur Ablösung des hergestellten Mikrogreifers von der Substratoberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der ersten Opferschicht (13) in wenigstens einem lokal begrenzten Flächenbereich auf der Substratoberfläche erfolgt , und/oder dass nach dem Aufbringen der ersten Opferschicht (13) auf der Substratoberfläche eine Strukturierung der ersten Opferschicht (13) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der ersten Materialschicht (3) auf der ersten Opferschicht (13) in wenigstens einem lokal begrenzten Flächenbereich auf der ersten Opferschicht (13) erfolgt, und/ oder dass nach dem Aufbringen der ersten Materialschicht (3) auf der ersten Opferschicht (13) eine Strukturierung der ersten Materialschicht (3) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der zweiten Opferschicht (14) auf der ersten Materialschicht (3) eine Strukturierung der zweiten Opferschicht (14) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der zweiten Materialschicht (4) auf der zweiten Opferschicht (14) sowie der ersten Materialschicht (3) in wenigstens einem lokal begrenzten Flächenbereich auf der zweiten Opferschicht (14) sowie der ersten Materialschicht (3) erfolgt und/oder dass nach dem Aufbringen der zweiten Materialschicht (4) auf der zweiten Opferschicht (14) sowie der ersten Materialschicht (3) eine Strukturierung der zweiten Materialschicht (4) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten Opferschicht (13) auf der Substratoberfläche eine oder mehrere Zwischenschichten (12) auf der Substratoberfläche aufgebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Materialschicht (4) eine oder mehrere Stabilisierungsschichten (15) aufgebracht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Opferschichten (13, 14) Kunststoff, Keramik, Metall oder insbesondere Siliziumoxid, verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Materialschichten (3, 4) Kunststoff, Keramik, Metall, Halbmetall oder insbesondere Polysilizium verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren der Opferschichten (13, 14) und/oder der ersten und/oder zweiten Materialschicht (3, 4) durch Maskieren der jeweiligen Schichten und chemisches Ätzen, reaktives lonenätzen (RIE), Sputterätzen, lonenstrahlätzen, oder Plasmaätzen erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialabscheideverfahren CVD-, LPCVD, PECVD, PVD- oder galvanische Abscheide-Verfahren verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Materialschicht (13, 14) aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
13. Mikrogreifer, der einen Basiskörper sowie einen mit dem Basiskörper einstückig verbundenen Greifkörper umfasst, der den Basiskörper überragt und an einem freien Endbereich einen Aufnahmeschlitz (6) derart vorsieht, dass zum Greifen und Halten ein Mikrometer- oder Submikrometer-skaliges Objekt in den Aufnahmeschlitz (6) klemmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper als ein einheitlicher Flachkörper (8) ausgebildet sind, der von zwei im wesentlichen ebenen, parallel zueinander orientierten und sich überlappenden Flachkörperoberflächen begrenzt ist und der im Wege eines Materialabscheideverfahrens herstellbar ist, bei dem wenigstens eine erste und eine zweite Materialschicht (3, 4) zumindest bereichsweise direkt miteinander verbindbar sind.
14. Mikrogreifer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flachkörperoberflächen vollständig überlappen.
15. Mikrogreifer nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Flachkörperoberflächen einem Kreissektor mit einem Mittelpunktswinkel a <180 Grad entsprechen und der Greifkörper an einer Kreissektorspitze den Kreissektor überragend angeordnet ist.
16. Mikrogreifer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachkörperoberflächen einem Kreissegment mit einem Mittelpunktswinkel a <180 Grad entsprechen und der Greifkörper an der Kreissegmentsehne, insbesondere in der Mitte der Kreissegmentsehne, das Kreissegment überstehend angeordnet ist.
17. Mikrogreifer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachkörperoberflächen einem Vieleck entsprechen und der Greifkörper einen Umfangsrand des Vielecks überragend angeordnet ist.
18. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreissegment oder der Kreissektor einen Kreisradius aufweist, der an einen Radius einer Probenhalterung eines Mikroskops, insbesondere eines SE- oder TE-Mikroskops, angepasst ist.
19. Mikrogreifer nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Kreisradius 1 ,5 mm beträgt.
20. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeschlitz (6) innenliegend zwei zueinander parallel angeordnete, voneinander beabstandete und sich überlappende Klemmflächen aufweist.
21. Mikrogreifer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmflächen einen Abstand von 10 nm bis 10 μm, insbesondere von 50 nm bis 1 μm, aufweisen.
22. Mikrogreifer nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmflächen als Vieleck, insbesondere als Rechteck oder Quadrat, ausgebildet sind.
23. Mikrogreifer nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmflächen eine sich in Richtung der Öffnung des Aufnahmeschlitzes hin verjüngende Form aufweisen.
24. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Klemmflächen jeweils vollständig überlappen.
25. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper einheitlich aus einem der nachfolgenden Materialien bestehen: Kunststoff, Keramik, Metall, Halbmetall, oder insbesondere aus Polysilizium.
26. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und der Greifkörper einheitlich Materialschichten aus unterschiedlichen Materialien aufweisen.
27. Verwendung des Mikrogreifers nach einem der Ansprüche 13 bis 26 zum Aufnehmen, Transportieren und Halten von Materialproben im Rahmen von deren Untersuchung in einem TE-Mikroskop.
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