Freiräume für komplexe Mikroskop-Steuerung

Von unserem Redaktionsmitglied Werner Möller

Die Potsdamer Triple-O Microscopy GmbH bietet mit ihrem neuen Rasterkraftmikroskop Nanolyser 300 erstmalig ein Gerät an, das sich nicht nur für wissenschaftliche Forschungszwecke, sondern auch für die industrielle Anwendung eignet. Die Einsätze reichen von der Fehleranalyse von 300-mm-Wafern in der Halbleiterherstellung bis hin zur quantitativen Untersuchung von magnetischen Speichermedien. Hier unterstützt der Nanolyser die Entwicklung, den Musterbau sowie die Qualitätskontrolle.

Die komplexe elektronische Steuerung der empfindlichen Messmethodik erforderte die Gehäusetechnik eines Spezialisten, der in der Pentair Enclosures Group Europe gefunden wurde. Mit seinem umfangreichen Integrationsservice ist der Electronic-Packaging-Spezialist in der Lage, Kunden durch den gesamten Lebenszyklus eines Schrank- oder Gehäuseprojekts zu betreuen – von der Spezifikation und Konstruktion über Einkauf, Prototypenfertigung, Tests und Prüfungen bis zur eigentlichen Produktfertigung. Dabei integriert der Gehäuseprofi mit Sitz in Straubenhardt alle notwendigen Grundbausteine des Electronic Packaging wie Backplanes, Klimatechnik, Stromversorgungen, EMV-Maßnahmen und Verkabelung, aufbauend auf den Mechanik- und Elektronikkomponenten der Marken Schroff und Hoffman. Kunden erhalten somit eine Art Plug&Play-Produkt für ihre 19″-Technik.

Die Vorteile dieses Angebots sind vielseitig. Nutzer des Integrationsservices müssen nicht mehr alle Einzelkomponenten für ihre Anlagen separat zum Teil bei verschiedenen Herstellern einkaufen oder ergänzend eigene spezifische Produkte entwickeln und die Bausteine zu einem System zusammensetzen. Diese Vorgehensweise ist zeitaufwendig, teuer und gleichzeitig problembehaftet. So stehen nicht nur Kompatibilitätsprobleme in der Installations- und Testphase auf der Tagesordnung. Oft mangelt es auch an Kapazitäten für das professionelle Projektieren und Fertigen. Schwierigkeiten treten gerade bei kleineren Projekten bei kostengünstiger Beschaffung und Lagerhaltung auf.

„Wir möchten unsere Ressourcen so gut wie möglich nutzen“, erklärt Volker Dworak, Leiter Entwicklung und Produktion bei Triple-O, „und haben beschlossen, die Gehäusetechnik mit ihren Facetten auszulagern, um uns auf die Mikroskopie zu konzentrieren. Dazu stellen wir höchste Ansprüche an die Signalqualität und damit an die Mess-, Steuer- und Regeltechnik des Systems“, unterstreicht Dworak die Präzision der Mikroskopie.

Mit diesen Anforderungen ist Triple-O an Pentair Enclosures herangetreten. Gemeinsam haben beide Partner eine Gehäuselösung entwickelt, die auf die Wünsche des Kunden zugeschnitten und keine teure Sonderanfertigung ist. „Wer Entwicklungsprozesse kennt, kann sich leicht vorstellen, wie unsere Steuerungselektronik zu Projektbeginn aussah“, sagt Jörn Selbeck, Sales Representative bei Triple-O. „Im Folgenden haben wir uns für den bewährten 19″-Industriestandard entschieden. Das bringt für uns den Vorteil, dass wir kundenspezifische Steuerungen einfach durch Art und Anzahl der eingesteckten Boards konfigurieren können, der Rest bleibt immer gleich.“

Als kritisch hatte es sich erwiesen, dass ein Kunststoffgehäuse keine ausreichende Stabilität bot. Zwei an der rückseitigen Abdeckung montierte Treiber für die Schrittmotoren des x-y-Tisches wiegen jeweils 12 kg und belasten das Gesamtsystem in hohem Maße. Daher wurde zunächst ein stabiles Schrankgestell aus der Schroff-Standardproduktpalette ausgewählt. Die 19″-Kleinschränke Minirack gibt es in einer Höhe von 6HE bis 34HE und bestehen aus zwei Aluminium-Druckgussrahmen und vier Aluminium-Vertikalholmen. Diese Struktur erlaubt insgesamt eine statische Traglast von 200 kg. Ein besonders verstärktes Scharnier sichert selbst bei 24 kg Belastung an der Rücktür im geöffneten Zustand eine ausreichende Stabilität. Anwender können die 19-„-Baugruppenträger immer einfach von vorne einschieben und rausziehen, die Träger müssen nicht etwa von oben in den Schrank eingelassen werden. Front- und Rücktüren gewährleisten den Angaben zufolge den sicheren Verschluss der Einbauten und erlauben gleichzeitig einen einfachen Zugriff für den Fall, dass Erweiterungen wie neue Messkarten nachträglich hinzugefügt werden sollen.

Auch das Entwärmungskonzept wurde optimiert. In das Dach eingebaute Axiallüfter ziehen die Umgebungsluft durch ein perforiertes Bodenblech und eine Filtermatte in den Schrank und durch die Baugruppenträger nach oben. Dort wird die warme Luft über ein angehobenes Lüfterdach an der Oberseite nach außen abgeführt.

Im Rahmen des Projekts liefert Pentair Enclosures nicht nur Schrank, Baugruppenträger, Backplanes, Netzgeräte, Stromschienen und Lüfter, sondern integrierte die verschiedenen Komponenten auch in den Schrank und nahm die komplette Verkabelung vor. Darüber hinaus bauten die Experten weitere Elemente wie Signalboards oder Schrittmotorentreiber für die Rücktür ein.

Die Rasterkraftmikroskopie wurde vor etwa 15 Jahren entdeckt und stellt heute in wissenschaftlichen Kreisen eine etablierte Technik dar. Prinzipiell fährt eine etwa 10 µm lange Nadel mit einemRadius von rund 10 nm an der Spitze über die zu testende Oberfläche. Damit kann das Rasterkraftmikroskop Strukturen im Nanometer-Bereich auflösen. Auf den Kopf der Nadel wird dabei ein Laserstrahl fokussiert, mit dessen Hilfe sich die Verbiegung des Federbalkens messen lässt. Diese Auslenkung wird dann zum Erzeugen eines dreidimensionalen Abbildes der Oberfläche genutzt, dessen Höhenauflösung bei 0,01 nm liegt. Die Probe selbst wird mittels eines x-y-Scanners abgefahren, bei dem piezoelektrische Kristalle für eine genaue Bewegung sorgen. Entscheidend ist die ex-akte Einstellung der Kraft, mit der die Nadel auf die Probe drückt und diese abfährt. Der auftretende Anpressdruck ist extrem und erreicht Werte von 10000 t/m2 (Annahme: 1 nN Anpressdruck auf eine Fläche von 10 nm2).