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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Proben, mit einer Beobachtungseinrichtung zum Beobachten einer Probe, einer Probenhalterung zur Aufnahme der zu bearbeitenden Probe und einer Werkzeughalterung.
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Derartige Vorrichtungen werden für die Vorbereitung von Proben insbesondere für die Herstellung von Mikrotomschnitten hergestellt. Hierfür werden beispielsweise zu untersuchende Gewebeproben in Kunstharz eingegossen und diese Proben mittels Fräser in Form von Pyramidenstümpfen bearbeitet. Diese zugetrimmten Proben werden danach in einem Mikrotom geschnitten, wodurch Gewebeschnitte mit einer Dicke im Mikrometer- oder Nanometerbereich erhalten werden, die danach untersucht werden können.
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Die Anmelderin hat ein für derartige Aufgaben geeignetes, bereits auf dem Markt befindliches Gerät entwickelt. Zusätzlich weist es eine Beobachtungseinrichtung auf, mit welcher auch während der Bearbeitung die Probe beobachtet werden kann.
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Diese Geräte sind jedoch nicht für Proben aus härterem Material geeignet. So können zum Beispiel Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid und ähnliches nicht gefräst werden; es sind hierfür andere Werkzeuge, insbesondere Sägen notwendig.
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Eine automatische Sägevorrichtung ist beispielsweise in der
US 5,456,147 offenbart, wobei die zu bearbeitende Probe auf einem bewegbaren Arm angebracht ist und über eine Zwangsführung mit der sich um ihre Achse drehenden, aber ansonst starr in dem Gehäuse der Vorrichtung befestigten Sägescheibe in Kontakt gebracht wird.
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Nachteilig an derartigen Systemen ist, dass die Probe während der Bearbeitung bewegt wird und daher eine Beobachtung der Probe während der Bearbeitung nicht möglich ist. Des Weiteren kann die Zwangsführung zum Beispiel einen zu hohen Vorschub einprägen, die unerwünschte Zugkräfte bewirken, was die Qualität des Schnittes beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zu einer Zerstörung der Probe führen können. Es sind daher zum Schutz der Probe und/oder Sägescheibe aufwendige Überwachungseinrichtungen, die die Druckbelastungen auf Säge und Probenarm messen, notwendig.
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Aus der
DE 1 919 940 A ist eine Trennmaschine mit einem schwenkbaren Tragarm und einer daran angeordneten Trennscheibe bekannt. Über einen motorischen Antrieb ist die Trennscheibe parallel zum Maschinengestell bewegbar ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2004 001 475 A1 ist eine Ultramikrotom zum Bearbeiten von Proben bekannt. Bei dieser Einrichtung ist ein in X- und Y-Richtung bewegbarer Messerhalter zur Aufnahme eines Trimmessers und eines Diamantmesser vorgesehen. Durch Schwenken des Messerhalters lassen sich Trimmesser und Diamantmesser in die gleiche Arbeitsposition bringen. In X- und Y-Richtung sind dem Messerhalter motorische Antriebe zugeordnet. Eine Begrenzung der auftretenden Kräfte während des Schneid- bzw. Trimmvorganges ist nicht vorgesehen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die diese Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Werkzeughalterung ist entlang einer Richtung normal zu ihrer Längsachse mittels eines Schwenkarms verschwenkbar und um ihre Längsachse drehbar und es ist ein Antrieb für einen wählbaren Ablauf der Verschwenkung des Schwenkarms vorgesehen. Als Längsachse der Werkzeughalterung wird in dieser Offenbarung jene Achse verstanden, um die das Werkzeug, das in der Werkzeughalterung eingesetzt ist, verdrehbar ist. Durch die Verschwenkbarkeit der Werkzeughalterung kann die Probe unbewegt in der Probenhalterung verbleiben, und das Werkzeug wird in Relation zur Probe bewegt. Aufgrund der ruhenden Positionierung der Probe kann diese, im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, auch während der Bearbeitung durch die Beobachtungsvorrichtung, beispielsweise ein Stereomikroskop betrachtet werden. Die Verschwenkbarkeit der Werkzeughalterung definiert den Vorschub des in der Werkzeughalterung eingesetzten Werkzeugs, beispielsweise einer Säge. Die Drehbarkeit der Werkzeughalterung um ihre Längsachse ist erforderlich für den Antrieb der in der Werkzeughalterung eingesetzten Werkzeuge.
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Beim Sägen von Proben aus hartem Material, insbesondere bei Proben aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Härten, ist ein gleichmäßiger, kontrollierter Vorschub des Sägeblattes von besonders hoher Bedeutung. Dazu ist der Schwenkarm mit einem entlang einer Führung verschiebbarem Gewicht beaufschlagt, wobei die Gewichtskraft die Verschwenkung des Schwenkarms bewirkt, wodurch der Vorschub des Werkzeuges definiert wird.
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Bei gewichtsgeführten Systemen, wie beispielsweise der ISOMET 1000 Precisioning Sectioning Saw von Buehler Ltd., (vgl. Druckschrift „ISO Met 1000”, „Precision Sectioning Saw”, Buehler Ltd. USA, 25M0405, FN00912 Rev. 2, Druckdatum 2005) tritt bei sehr geringen Vorschüben (< 0,05 mm/s) häufig aufgrund des geringen Auflagegewichts und der durch verschiedene Materialien bedingten unterschiedlichen Reibung zwischen Sägeblatt und Probe ein Stillstand des Sägeblattes auf.
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Der Schwenkarm ist über ein Führungselement mit einem Antrieb verbunden, dessen Antriebsbewegung die Verschwenkung des Schwenkarms bewirkt.
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Bei Proben mit rundem Querschnitt ändert sich die Reibungsfläche von Sägeblatt und Probe mit dem Sägefortschritt und/oder der Sägewiderstand aufgrund verschiedener Härten der unterschiedlichen Materialien innerhalb der Probe. Ebenso verursachen die unterschiedlichen Materialeigenschaften bei höheren Gewichtsauflagen unregelmäßige Schnittgeschwindigkeiten, die wiederum die Oberflächenqualität des Schnittes beeinträchtigen. Bei der Zwangsführung treten häufig Probleme bei zu hohem Vorschub oder stumpfer Säge auf, die im schlimmsten Fall zum Bruch des Sägeblattes und/oder der Probe führen. Daher sind Gewichtsauflage und Zwangsführung derart kombiniert, dass der Schwenkarm mit einem Gewicht beaufschlagt und über ein Führungselement mit einem Antrieb verbunden ist, wobei das Führungselement einen Gelenkarm aufweist, der den Schwenkarm mit einem Hebel verbindet, der mit dem entlang einer Führung verschiebbarem Gewicht beaufschlagt ist.
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Das Führungselement ist über ein Getriebe, das zur Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung geeignet, mit dem Antrieb verbunden. Als Getriebe wird vorzugsweise eine Kurvenscheibe eingesetzt, die mit dem Gewicht in lösbarem Kontakt steht. Die Kurvenscheibe wandelt hierbei die Rotationsbewegung des Antriebs in eine Translationsbewegung des Hebels um. Ebenso kann als Getriebe beispielsweise eine Spindel eingesetzt werden. Bleibt der Hebel in der von dem Antrieb vorgegebenen Bewegung des Antriebs zurück, z. B.: weil der Vorschub des Werkzeuges aufgrund von Reibungskräften zwischen Säge und Probe gegebenenfalls bis zum Stillstand der Säge abgebremst wird, so löst sich die Verbindung zwischen Führungselement und Antrieb. Es wirkt nun lediglich das Gewicht auf den Schwenkarm bzw. auf die Probe und keine der von der Zwangsführung bewirkten Zugkräfte können Probe und/oder Sägeblatt beeinträchtigen.
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Der Kontakt zwischen Kurvenscheibe und Gewicht ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung über ein Kugellager realisiert. Das Kugellager ist aufgrund der geringen auftretenden Reibungskräfte in Hinblick auf die Kurvenscheibe besonders für diesen Einsatz geeignet.
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Der Antrieb ist zweckmäßigerweise ein Schrittmotor, der in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung den Vorschub, d. h. die Verschwenkung der Werkzeughalterung in Schritten im Mikrometerbereich antreibt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur für den Einsatz von Sägen, sondern auch für Schleif- oder Polierscheiben und Fräser geeignet. Beim Fräsen von Proben, beispielsweise aus Metall oder Kunststoff, ist ein Vorschub in einer Richtung parallel zur Längsachse der Werkzeughalterung notwendig. Daher ist der Schwenkarm entlang der Längsachse der Werkzeughalterung bewegbar.
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Die Vorrichtung lässt sich Bearbeiten von Proben verwenden, die anschließend mit einem Mikrotom oder einem Ultramikrotom weiter bearbeitet bzw. geschnitten werden.
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Eine weitere vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung liegt im Scheiden oder Anschneiden von Proben für eine nachfolgende Probenuntersuchung mit einem Mikroskop. Dieses kann beispielsweise als Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop oder Atomic Force Mikroskop ausgebildet sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren näher erläutert. Darin zeigen
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1 eine Ansicht der Vorrichtung schräg von hinten rechts oben,
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2 eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1,
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3 eine Ansicht der Vorrichtung der 1 von vorne links oben,
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4 eine vergrößerte Detailansicht der Vorrichtung der 1 im Bereich der Spannvorrichtung und der Probenaufnahme mit einem Fräser,
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5 eine der 3 entsprechenden Ansicht mit einer Sägetrennscheibe
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6 eine der 3 entsprechenden Ansicht mit einer Polierscheibe
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7 eine der 4 entsprechenden Ansicht mit einer Vorrichtung zum Schmieren während des Sägevorgangs und
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8 und 9 je eine Ansicht der Vorrichtung gemäß 2 mit abgenommenem Gehäuse mit unterschiedlichen Stellungen der Kurvenscheibe.
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In 1 ist eine erste Ansicht der Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Beobachtungseinrichtung 2 auf, beispielsweise ein Stereomikroskop, das zur Betrachtung eines zu bearbeitenden Präparates, im Folgenden ”Probe” genannt dient. Gegebenenfalls kann eine Messeinrichtung in der Beobachtungseinrichtung vorgesehen sein, die ein Vermessen der Probe ermöglicht. So ist zum Beispiel in einer bevorzugten Variante der Erfindung ein Messokular in dem Stereomikroskops eingesetzt, mit dem die Probe selbst, aber auch der Bearbeitungsfortschritt genau vermessen werden können. Als Beobachtungseinrichtung 2 können auch andere Systeme, wie beispielsweise Videokameras und ähnliches zum Einsatz kommen.
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Die Vorrichtung 1 ist mit einer Probehalterung 3 ausgestattet, in die die zu bearbeitende Probe eingesetzt wird. Bei der Probe handelt es sich vorzugsweise um Material mit hoher Härte, beispielsweise Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid usw. Die Vorrichtung ist aber ebenso geeignet, biologisches Material, das günstigerweise in ein Kunstharz eingebettet wurde, zu bearbeiten.
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Die im Wesentlichen konisch-längliche Probenhalterung 3 besitzt ein Mittel zum Verdrehen der Probe um die Längsachse L der Probenhalterung 3. Mittels eines Drehknopfes 4 kann die Probe derart gedreht werden, dass alle Bereiche der Probe durch das Stereomikroskop 2 betrachtet und/oder Kanten der Probe bearbeitet werden können.
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Das Werkzeug 5, beispielsweise ein Fräser, wird in eine Werkzeughalterung, vorzugsweise in eine Spannvorrichtung 6 eingesetzt. Die Spannvorrichtung 6 wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung mittels einer Spindel angetrieben. Die Drehzahl der Spindel ist beispielsweise über einen Bereich von 300 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute einstellbar. Der für die Bearbeitung der Probe geeignete Drehzahlbereich ist abhängig von der Art des Probenmaterials, insbesondere von seiner Härte. So sind für gewöhnlich Drehzahlen von etwa 20.000 U/min für das Fräsen erforderlich, während beim Sägen oder Polieren Drehzahlen von 300–500 U/min häufig nicht überschritten werden sollen, um eine Beschädigung der Probe zu vermeiden und die gewünschte Oberflächenqualität zu erzielen.
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Um die Probe während der Bearbeitung kühlen oder schmieren zu können, ist ein System vorgesehen, wobei über einen ersten Zulauf 7 ein Kühl- oder Schmiermittel (aus einem Vorratsbehälter, nicht dargestellt) einer Pumpe 8 zugeführt und über einen zweiten Zulauf 9 von der Pumpe 8 zu der Probe gefördert wird. Des Weiteren ist bevorzugterweise eine Absaugung 10 im Bereich des Werkzeuges bzw. Probe vorgesehen, um das während der Bearbeitung abgetragene Material sowie Kühl- oder Schmiermittel von der Probenoberfläche und dem Werkzeug 5 zu entfernen.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Probenhalterung 3 um eine Schwenkachse S verschwenkbar. Diese Verschwenkbarkeit der Probenhalterung 3 erlaubt es, die Probe in eine Vermessungs-, in eine Bearbeitungsposition oder in eine Kontrollposition zu bringen. In 1 ist die Bearbeitungsposition dargestellt. Hierbei liegen die Längsachsen der Probenhalterung 3 und der Spannvorrichtung 6 im Wesentlichen parallel zueinander.
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In 2 sind die drei für gewöhnlich gewählten Positionen der Probenhalterung 3 dargestellt. Die in 1 dargestellte Bearbeitungsposition A ist in dieser Darstellung strichpunktiert dargestellt. In einer Vermessungsposition B, die sich etwa 20° oberhalb der Bearbeitungsposition A befindet, ist mit geeigneten Messvorrichtungen in der Beobachtungseinrichtung 2 ein genaues Vermessen beispielsweise der Probenkanten möglich. Soll beispielsweise in einer Probe eine Phasengrenze zur Defektanalyse herauspräpariert werden, so wird zum Beispiel zunächst ein kleiner Bereich der Probe abgefräst und danach durch Schwenken der Probe in die Vermessungsposition B beispielsweise mittels Messeinrichtung im Okular des Mikroskops 2 der erforderliche Materialabtrag bestimmt. Anschließend wird die Probe durch Schwenken wieder in die Bearbeitungsposition A gebracht und die Probe in der so festgestellten Weise bearbeitet. Auch während des Bearbeitens ist eine Beobachtung der Probe durch das Mikroskop 2 möglich, ohne jedoch genaue Vermessungen durchführen zu können.
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In einer dritten Position, der Kontrollposition C ist die Probenhalterung 3 etwa 45° von der Bearbeitungsposition A abwärts geschwenkt. Hier befindet sich die Probenoberfläche genau im Strahlengang des Stereomikroskops 2. In dieser Position C wird beispielsweise überprüft, ob die Oberflächenqualität der bearbeiteten Probe ausreichend ist. Ebenso ist eine Analyse der Probenobelfläche mittels geeigneten Detektoren, beispielsweise Infrarot- oder Fluoreszenzdetektoren denkbar. Voraussetzung hierfür sind geeignete Anregungsquellen in der Beobachtungseinrichtung 2.
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Aufgrund dieser Beobachtungsmöglichkeit ist der Fortschritt der Probenbearbeitung jederzeit während der Bearbeitung überprüfbar, ohne dass die Bearbeitung unterbrochen und die Probe aus der Probenhalterung 3 entnommen werden muss.
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In 3 ist eine Vorderansicht der Vorrichtung 1 dargestellt; von dieser Seite aus kann der Benutzer die Probe durch des Stereomikroskop 2 betrachten und über ein Eingabefeld 11, das beispielsweise als Tastenfeld mit Anzeige oder Touchscreen ausgeführt ist, sämtliche Parameter für die Bearbeitung der Probe, wie beispielsweise die Drehzahl des Werkzeugs 5 festlegen. Der Vorschub des Werkzeugs 5 wird in der dargestellten Ausführung der Erfindung über einen Drehknopf 12 eingestellt. In einer anderen Variante der Erfindung wird der Vorschub ebenfalls über das Eingabefeld 11 festgelegt.
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Über ein Stellrad 13 wird die Probenhalterung 3 geschwenkt, um die Probe, wie bereits oben erwähnt, in die Vermessungsposition B oder in die primäre Bearbeitungsposition A zu bringen (2). Die primäre Bearbeitungsposition A ist jene Position, in der für gewöhnlich die Probe bearbeitet wird und bei der die Längsachse der Probenhalterung 3 und die Längsachse der Spannvorrichtung 6 parallel zueinander ausgerichtet sind. Ebenso kann die Probenhalterung 3 in eine Position gebracht werden, die zwischen der Kontrollposition B und der primären Bearbeitungsposition A liegt. In diesem Fall ist die Längsachse der Probenhalterung 3 zu der Längsachse der Spannvorrichtung 6 geneigt. Somit ist es möglich, die Kanten der Probe unter einem Winkel zu bearbeiten, der jenem des Neigungswinkels, den die Längsachsen von Probenhalterung 3 und Spannvorrichtung 6 einschließen, entspricht.
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Eine vergrößerte Ansicht des Bearbeitungsbereichs 14 der Vorrichtung 1 ist in 4 gezeigt. Eine Probe 15 ist auf der mittels Drehknopf 4 verdrehbaren Probenhalterung 3 angebracht. Im dargestellten Fall ist ein Fräser 16 in der Spanneinrichtung 6 eingespannt. Um eine Verunreinigung der Umgebung und der Vorrichtung 1 während der Bearbeitung der Probe zu vermeiden, befindet sich der Bearbeitungsbereich 14 in einem zumindest teilweise transparenten Gehäuse 17, das eine Absaugöffnung 10 aufweist, über die das während der Bearbeitung der Probe 15 abgetragene Material entfernt wird. Dadurch wird auch die Verunreinigung der Optik des Stereomikroskops 2 vermieden und eine Beobachtung der Probe 15 während der Bearbeitung ermöglicht.
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5 zeigt ebenfalls den Bearbeitungsbereich 14, wobei der Fräser 16 aus 4 durch eine Sägescheibe 18 ersetzt ist. Diese Sägescheibe ist beispielsweise eine Diamantsäge, wodurch ein Sägen von besonders harten Materialien wie Halbleitermaterialien möglich ist.
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In 6 ist anstatt der Sägescheibe 18 aus 5 eine Schleif- oder Polierscheibe 19 in der Spannvorrichtung der Spannvorrichtung 6 eingesetzt.
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Da beim Bearbeiten der Probe, insbesondere bei höheren Drehzahlen der Spindel höhere Temperaturen entstehen, die die Probenoberfläche beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall die Probe zerstören können, ist bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ein System für die Zufuhr von Kühl- und/oder Schmiermittel vorgesehen. 7 zeigt wiederum den Bearbeitungsbereich 14, wobei die Säge 18 in der Spannvorrichtung 6 befestigt ist. Ein Dosierrohr 20, das mit dem Zulauf 9 der Pumpe 8 aus 1 in Verbindung steht, führt das Kühl- oder Schmiermittel zu, wobei es direkt auf die Probe 15 aufgebracht wird.
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Ebenso kann ein derartiges Zufuhrsystem beim Fräsen oder Polieren benötigt werden; so werden beim Polieren der Probenoberfläche zumeist Poliermittel eingesetzt, die ebenfalls über das Dosierrohr 20 auf die Probenoberfläche aufgebracht werden.
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Soll beispielsweise in einem Halbleiter eine Phasengrenze zur Feststellung von Defekten untersucht werden, wird zunächst die Probe 15 in die Probenhalterung 3 eingesetzt. Mittels Drehknopf 4 wird die Probe 15 in der Probenhalterung 3 in die für die Bearbeitung vorgesehen Position gebracht. Nach dem Einsetzen beispielsweise der Säge 18, wird die Probe zunächst mit Hilfe des verschwenkbaren Probenhalters 3 in die Vermessungsposition B, die eine Beobachtung der Probenkante ermöglicht, gebracht. Nun kann mittels des Beobachtungssystems 2, beispielsweise der Messeinrichtung in dem Stereomikroskop der notwendige Materialabtrag bestimmt werden, um die gesuchte Phasengrenze herauspräparieren zu können. Danach wird die Probenhalterung 3 in die Bearbeitungsposition A geschwenkt und mit der Bearbeitung, zum Beispielen Sägen kann begonnen werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist, dass die Probe 15 sowohl zum Vermessen, beispielsweise zur Ermittlung der notwendigen Bearbeitungstiefe, als auch beim Auswechseln der Bearbeitungswerkzeuge, wie Fräser 16, Säge 18 oder Polierscheibe 19 in der Probenhalterung 3 verbleibt. Dadurch bleibt die Probe 15 unverändert in ihrer Position in Bezug auf die Probenhalterung 3, und reproduzierbare Ergebnisse beim Bearbeiten der Probe 15 sind gewährleistet. Im Gegensatz dazu hat ein Entfernen der Probe 15 – zum Beispiel zum Vermessen in einer separaten Beobachtungseinrichtung – und nachfolgendem Wiedereinsetzen der Probe 15 in die Probenhalterung 3 häufig eine Abweichung hinsichtlich der ursprünglichen Position der Probe 15 in der Probenhalterung 3 zur Folge, wodurch mit erhöhtem Aufwand eine neuerliche Adjustlerung der Probe 15 in der Probenhalterung 3 durchgeführt werden muss. Insbesondere beim Arbeiten im Mikrometerbereich, wie im vorliegenden Beispiel, kann eine Verschiebung der Probenposition dazu führen, dass zuviel Material abgetragen und somit die gesuchte Phasengrenze bei der Präparation verfehlt wird. Die Ergebnisse in der Bearbeitung fallen daher aufgrund der Positionsabweichung nach dem Entnehmen und neuerlichen Einsetzen der Probe 15 in die Probenhalterung 3 nicht zufrieden stellend aus. Dasselbe Problem tritt auf, wenn bei dem Auswechseln der Werkzeuge ebenfalls die Probe 15 aus der Probenhalterung 3 entfernt werden muss.
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Durch die Erfindung ist ein Entnahmen der Probe überflüssig und eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sind gewährleistet.
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Beim Sägen der Probe 15 wird ein Großteil des die Phasengrenze verdeckenden Materials entfernt. Hierbei wird die Spannvorrichtung 6 in einer Richtung normal zu der Drehachse des Werkzeughalters 6 gemäß dem festgelegten Vorschub bewegt und die Säge 18 auf diese Weise durch die Probe 15 geführt. Je nach Materialbeschaffenheit der Probe 15 wird über die Pumpe 8 und dem Dosierrohr 20 Kühlmittel an die Probenoberfläche im Bereich des Sägeschnittes gebracht, um eine Überhitzung der Probe 15 und/oder der Säge 18 zu vermeiden. Während des Sägevorgangs kann die Probe 15 jederzeit durch das Stereomikroskop 2 beobachtet werden. Das bei dem Sägen anfallende Material wird, gegebenenfalls gemeinsam mit dem Kühl- oder Schmiermittel, kontinuierlich abgesaugt, um eine Verunreinigung des Bearbeitungsraums 14 und insbesondere der Probe 15 zu reduzieren.
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Vor dem Auswechseln des Werkzeuges kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die Probe 15 zunächst in die Kontrollposition C verschwenkt und die Oberfläche der Probe 15 überprüft werden. Ist keine Überprüfung der Probe 15 notwendig, verbleibt die Probenhalterung 3 in der Bearbeitungsposition A. Danach wird das Werkzeug – hier die Säge 18 – aus der Spannvorrichtung 6 genommen und durch die Polierscheibe 19 ersetzt Hierbei wird die bereits abgetragene Probentiefe von einer Steuereinheit der Vorrichtung 1 gespeichert. Zum Wechseln des Werkzeugs 5 wird die Spindel 21 meist in der Längsachse verschoben, weil Werkzeuge 5 für gewöhnlich eine unterschiedliche Geometrie aufweisen. Danach wird die Polierscheibe 19 vorsichtig bis zur Berührung an die Probe 15 in der Längsachse L' verschoben und anschließend die weitere Bearbeitung gestartet. Mithilfe dieses Werkzeuges wird die zuvor gesägte Oberfläche der Probe 15 poliert. Der beim Polieren notwendige Vorschub wird ebenfalls von der Steuereinheit zum bereits während des Sägens abgetragenen, in der Steuereinheit gespeicherten Wert dazugezählt. Somit ist nach Abschluss des Bearbeitens der Probe 15 der Gesamtabtrag der Probe 15 auslesbar. Die derart präparierte Probe 15 kann nun beispielsweise auf Defekte hin untersucht werden.
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8 und 9 zeigen eine Vorderansicht der Vorrichtung 1 mit entferntern Gehäuse. Die Drehbewegung der Spannvorrichtung 6 wird über eine Spindel 21 realisiert. Die Spindel 21 steht mit einem Schwenkarm 22 in Verbindung, wobei der Schwenkarm 22 eine Schwenkbewegung (durch Pfeile dargestellt) in einer normal zu der Drehachse der Spindel 21 verlaufenden Richtung ausführt.
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Beim Sägen von Proben aus hartem Material, insbesondere bei Proben aus verschiedenem Materialien mit unterschiedlichen Härten ist ein gleichmäßiger, kontrollierter Vorschub des Sägeblattes von besonders hoher Bedeutung. Zweckmäßiger Weise werden zur Einstellung des Vorschubs Gewichte aufgelegt; dies allein ergibt allerdings keinen gleichmäßigen Vorschub, weil beispielsweise sich die Reibungsfläche von Sägeblatt und Probe mit dem Sägefortschritt bei Proben mit rundem Querschnitt oder sich der Sägewiderstand aufgrund verschiedener Härten der unterschiedlichen Materialien innerhalb der Probe ändert. Bei sehr geringen Vorschüben (< 0,05 mm/s) tritt häufig aufgrund des geringen Auflagegewichts und der durch verschiedene Materialien bedingten unterschiedlichen Reibung zwischen Sägeblatt und Probe ein Stillstand des Sägeblattes auf. Ebenso verursachen die unterschiedlichen Materialeigenschaften bei höheren Gewichtsauflagen unregelmäßige Schnittgeschwindigkeiten, die wiederum die Oberflächenqualität des Schnittes beeinträchtigen. Des Weiteren ist die Einstellung unterschiedlicher Schnittgeschwindigkeiten nur durch die Auflage unterschiedlicher Gewichte zu realisieren. Eine andere Möglichkeit zur Einstellung des Vorschubs bzw. der Schnittgeschwindigkeit ist der Einsatz einer Zwangsführung. Auch hier treten häufig Probleme bei zu hohem Vorschub oder stumpfer Säge auf, die im schlimmsten Fall zum Bruch des Sägeblattes und/oder der Probe führen.
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In der gezeigten Vorrichtung ist zur Einstellung einer gleichmäßigen Schnittgeschwindigkeit der Säge 18 eine Kombination von Zwangsführung und Gewichtsauflage realisiert. Der Schwenkarm 22 – und damit das Werkzeug in der Spannvorrichtung 6 – ist über einen Hebel 23 in einer Richtung normal zu der Längsachse L' der Spindel 21 bewegbar. Diese Schwenkbewegung des Schwenkarms 22 definiert die Schnittgeschwindigkeit der Säge 18 und wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung über einen Schrittmotor gesteuert, wobei der Vorschub insbesondere im Mikrometerbereich einstellbar ist.
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Der Antrieb, beispielsweise der Schrittmotor, ist über eine Kurvenscheibe 24 mit dem Hebel 23 verbunden. Der Schwenkarm 22 wiederum steht mit dem Hebel 23 über eine Gelenksstange 25 in Verbindung (Zwangsführung des Schwenkarmes 22). Der Hebel 23 ist zusätzlich mit einem Gewicht 26 beaufschlagt, wobei das Gewicht 26 auf einer mit dem Hebel 23 in Verbindung stehenden Führung 27 ruht. Je nach Lage des Gewichts 26 verändert sich die Krafteinwirkung des Gewichts 26 auf den Hebel 23 und damit auf den Schwenkarm 22. Die Gewichtseinwirkung ist am größten, wenn das Gewicht 26 durch Bewegen eines Schiebers 28 auf das äußere Ende der Führung 27 positioniert wird.
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Die Kurvenscheibe 24 steht über einen Zapfen oder, wie in der gezeigten Ausführung, über ein Kugellager 29 mit dem Gewicht 26 in Kontakt. Ein Kugellager 29 ist aufgrund geringerer Reibungskräfte besonders geeignet. Die mit dem Schrittmotor verbundene Kurvenscheibe 24 dreht sich in der gezeigten Ausführung der Vorrichtung 1 im Uhrzeigersinn. Die Drehung der Kurvenscheibe 24 bewirkt aufgrund des sich verringernden Radius der Kurvenscheibe 24 ein Absenken des Gewichtes 26 und damit des Hebels 23 in der von dem Antrieb vorgegebenen Geschwindigkeit. Dadurch bewegt sich der Schwenkarm 22 in der 8 nach rechts. Hat die Kurvenscheibe 24 eine beinahe vollständige Umdrehung um ihre eigene Achse vollführt, gelangt das Kugellager 29 in eine Einbuchtung 30 der Kurvenscheibe 24; damit ist der Endpunkt der Bewegung erreicht und die Probe 15 ist durchgesägt. Der Schwenkarm 22 wird daraufhin wieder in seine Ausgangsposition (in 8 nach links) verschwenkt.
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Bleibt die Sägescheibe 18 beispielsweise in der Probe stecken, so kann sich der Schwenkarm 22 nicht weiter bewegen und konsequenterweise verbleibt der Hebel 23 in der gegenwärtigen Position. Die Kurvenscheibe 24 dreht sich weiter und verliert aufgrund ihres sich verringernden Radius den Kontakt zu dem Gewicht 26. Dadurch wird die Zwangsführung des Schwenkarmes 22 unterbrochen und lediglich das Gewicht 26, mit dem der Schwenkarm 22 beaufschlagt ist, wirkt auf die Probe 15. Auf diese Weise wird eine Zerstörung der Probe 15 und/oder des Sägeblattes 18 durch Zugkräfte aufgrund einer Zwangsführung vermieden. Nach Erreichen des Endpunktes der Kurvenscheibe 24 wird der Schwenkarm 22 wieder in seine Ausgangsposition verschwenkt und damit die stecken gebliebene Säge 18 aus der Probe 15 herausgezogen.
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In einer anderen Variante der Erfindung wird der Endpunkt nicht durch das Erreichen jener Position der Kurvenscheibe 24, in der das Kugellager 29 in die Einbuchtung 30 einfährt, bestimmt, sondern durch die Vorgabe einer Anzahl von Schritten des als Antrieb fungierenden Schrittmotors. Die Anzahl der Schritte kann beispielsweise über das Eingabefeld 11 eingegeben werden.
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Ist die Kurvenscheibe 24 nicht in Kontakt mit dem Gewicht 26, wie in 9 gezeigt, so ist der Schwenkarm 22 ohne Gewichtseinwirkung und ist nicht mit dem Antrieb der Kurvenscheibe 24 verbunden. Er verbleibt daher in der (manuell) vorgegebene Position. Das Werkzeug 5 dreht sich aufgrund der Bewegung der Spindel 21 ohne Vorschub. Diese gewichtslose Einstellung des Schwenkarmes 22 wird gewählt, wenn die Vorrichtung 1 zum Bearbeiten einer Probe 15 mit dem Fräser 16 oder der Schleif- oder Polierscheibe 19 eingesetzt wird.
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Beim Bearbeiten der Probe 15 mit dem Fräser 16 oder beim Schleifen und Polieren ist häufig ein Vorschub des Werkzeugs 5 in Richtung parallel zu der Längsachse L' der Werkzeughalterung 6 erwünscht. Diese Bewegung wird durch eine Spindel (nicht gezeigt) in einem Antrieb 31 erzeugt, die direkt oder indirekt über eine Achse 32 auf den Schwenkarm 22 wirkt. So hat beispielsweise diese Vorschubspindel eine Steigung von 0,5 mm und wird von einem Schrittmotor mit 400 Schritten/Umdrehung angetrieben.
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In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Zwangsführung des Schwenkarmes 22 über eine Linearführung realisiert, die mittels Gewicht auf ein Element gezogen wird, das mit einer kontrollierten Geschwindigkeit verfahrbar ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die die Spannvorrichtung 6 aufweisende Spindel 21 entlang einer Geraden geführt wird und nicht, wie vorhin gezeigt, entlang eines Ausschnittes einer Kreisbahn. Außerdem kann die Kurvenscheibe 24 beispielsweise durch eine weitere Spindel ersetzt werden, deren Ende als Auflage für den Schwenkarm 22 dient.
