SUCCESS STORY – Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern-- Birgit Schulze --Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern
Dünnste Schichten in der Vakuumkammer aufbringen

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern-- Birgit Schulze --Hexapoden
Hexapoden erlauben individuelle Positionierungen in allensechs Achsen. Ihr parallelkinematischer Aufbau ist wesentlich
kompakter und steifer als bei seriell gestapelten
Mehrachsensystemen.
Außerdemgibt
eskeineAufsummierung von Führungsfehlern und Verkippungeneinzelner Achsen. Der per Softwarebefehl frei definierbare
Drehpunkt (Pivot-Punkt) bleibt zudem unabhängig von derBewegung erhalten.
Für präzise Positionieraufgaben sind Hexapoden deshalb oft
das Mittel der Wahl. Sie decken in unterschiedlichen
Bauformen verschiedenste Anwendungsbereiche ab undentsprechend ausgelegt sind sogar Einsätze im Hochvakuum
für die „Sechsfüßler“ kein Problem.
Hexapoden sind sehr vielseitig (Abb. 1), da sie je nachAusführung Lasten von einigen Kilogramm bis zu einigen
Hundert Kilogramm oder sogar mehrere Tonnen in beliebiger
Raumorientierung, also unabhängig von der MontageRichtung, mit hoher Präzision positionieren. Weil nur eineeinzige Plattform bewegt wird, die in der Regel auch nocheine große Apertur hat, ist die bewegte Masse derparallelkinematischen Sechsfüßler wesentlich geringer als beiseriellen, gestapelten Mehrachssystemen.

Abb. 1

Hexapoden sind sehr vielseitig, da sie je nach Ausführung Lasten
von einigen Kilogramm bis zu einigen Hundert Kilogramm odersogar mehrere Tonnen in beliebiger Raumorientierung, alsounabhängig von der Montage-Richtung, mit hoher Präzision
positionieren (Bild: PI)

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Daraus resultieren ein wesentlich schnelleres Ansprechen undeine deutlich höhere Dynamik. Außerdem müssen keine Kabel
bewegt werden, was durch zusätzliche Kräfte und Momente
die Genauigkeit vermindern würde. Kein Wunder also, dassHexapodensichheuteinvielen
BranchenAnwendungsbereiche erschlossen haben, angefangen vom
Maschinenbau und der Werkzeugbearbeitung bis hin zu
Halbleiterfertigung, Astronomie, Biotechnologie, Life Sciencesoder Materialforschung.

Passende Lösungen fürunterschiedlichste
AufgabenstellungenPhysik Instrumente bietet ein breites Programm
unterschiedlicher Hexapoden an, die nahezu alle denkbaren
Einsatzbereiche abdecken. Die Hexapoden basieren auf
elektromechanischen Antrieben und sind damit viel genauer
als die hydraulischen Hexapoden, die man von Flug- oder
Fahrsimulatoren
kennt.
SiewerdenjenachAnwendungsanforderungenvonhochpräzisen
Antriebsspindeln und exakt ansteuerbaren DC-Motoren oderdirekt von Linearmotoren, z. B. auf Basis vonpiezokeramischen Aktoren, angetrieben. Die passenden
Digitalcontroller(Abb.
2)
undumfangreicheSoftwareunterstützung erleichtern es dem Anwender, diejeweilige Positionieraufgabe komfortabel umzusetzen.

Abb. 2

Leistungsfähiger
Digitalcontroller
Softwarearchitektur (Bild: PI)

mit

offener

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SUCCESS STORY – Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern-- Birgit Schulze --Ein Beispiel für einen besonders kompakten Hexapoden, dersich z. B. auch in Hochvakuumanwendungen bewährt hat, ist
der H-811 (Abb. 3). Bei einem Durchmesser von nur 130 mm
und einer Höhe von 115 mm bietet er Stellwege bis zu 35 mm
in der xy-Ebene und bis zu 13 mm in z-Richtung.

Abb. 3

Der kompakte Hexapod ist in einer Version
Vakuumumgebung bis 10-6 hPa erhältlich (Bild: PI)Dazu
wird
hochenergetischesundkurzwelliges(UV-)Licht eingesetzt, um das Ausgangsmaterial, einsogenanntes Feststofftarget, in die Gasphase undanschließend als Schicht auf das Substrat zu bringen.
Für den direkten Einsatz an einer solchen Beamline hat
SURFACE jetzt ein neues All-in-one-System entwickelt, das vor
allem durch sein kompaktes Design überzeugt (Abb. 4) undsich bereits in einem ersten Projekt bewährt hat, daswissenschaftlichen und kommerziellen Nutzern die
Möglichkeit zur Weiterentwicklung innovativer Technologienbietet.

fürInsbesondere die großen Kippwinkel von bis zu 20° um die xund y-Achse und bis zu 40° um die Senkrechte machen den
Hexapoden sehr vielseitig. Dabei kann er Lasten bis zu 5 kg
positionieren und Geschwindigkeiten bis zu 10 mm/serreichen. Die Positionsauflösung des Einzelbeins liegt bei
40 nm und die Positionen werden mit Genauigkeiten unter
1 µm wiederholbar angefahren.

Entwicklung funktionellerDünnschichtmaterialien
Eine interessante Anwendung hat dieser kompakte Hexapod
in einem PLD-System (Pulsed Laser Deposition System) fürden Einsatz an einer Synchroton Beamline gefunden.
Beisolchen
Teilchenbeschleunigern
lassensich
Röntgenbeugung und Reflexionen der Synchrotonstrahlung
nutzen, um unter Hochvakuumbedingungen im Rahmen
moderner Materialforschung die strukturellen Eigenschaften
dünner Filme zu untersuchen.

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Der in diesem PLD-System integrierte Transfermechanismus
ermöglicht die Installation auf einem Goniometer im
Synchrotronstrahl innerhalb weniger Minuten. Dadurch kanndas ganze System verschoben werden, ohne dass sich die
Probenposition verändert. PLD-Wachstumsprozesse können
somit Ex-situ optimiert werden, und das Synchroton wird nurwährend der eigentlichen In-situ-Analyse belegt.

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SUCCESS STORY – Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern-- Birgit Schulze --„Weitere Besonderheiten unseres Beamline-PLD-Systems sinddie Laserheizung, die die Substrate bis auf 1200 °C erwärmen
kann, sowie die einfache Bestückung,“ ergänzt Wolfgang Stein(Abb. 5), geschäftsführender Inhaber bei SURFACE.

Abb. 5

Dipl.-Ing. Wolfgang Stein, Geschäftsführer von SURFACE(Bild: SURFACE)„Außerdem lässt sich die Vakuumkammer des Systems – z. B.
für Wartungsarbeiten – öffnen, ohne die Ausrichtung derProbe zum Goniometer zu verändern. Eine weitereBesonderheit ist der Probenmanipulator, der durch seineschmale Bauweise auch bei niedrigen Substrathöhen den
Röntgenstrahlen einen weiten Winkelbereich ermöglicht.“

Hexapod im Probenmanipulator
Der Probenmanipulator (Abb. 6) hält die 10 x 10 mm² großen
Substrate. „Der Hexapod, der von PI für den Einsatz im
Hochvakuum ausgelegt wurde, übernimmt dann die
Positionierung der Probe in Relation zu den einfallenden
Röntgenstrahlen“, erläutert Wolfgang Stein.

Abb. 6

Der Probenmanipulator ermöglicht durch seine schmale
Bauweiseauchbei
niedrigenSubstrathöhen
den
Röntgenstrahlen einen weiten Winkelbereich (Bild: SURFACE)

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Die Probe kann so um +/-5° mit einer Auflösung von 0,001°um die x- und y-Achse geschwenkt werden. Zum Ausgleich
unterschiedlicher Substratdicken lässt sie sich zudem inRichtung der z-Achse, also senkrecht zur Probenoberfläche,um bis zu 3 mm verschieben.
„Bewegungen von +/-6 mm in x- und y-Richtung ermöglichen
Scans an verschiedenen Stellen der Probenoberfläche“, soStein weiter. Der Hexapod ist auf einem Drehtisch montiert,
der im Bedarfsfall weitere Positionieraufgaben übernehmenkann, z. B. um sogenannte RHEED Messungen (Reflection
high-energy electron diffraction) während desWachstumsprozesses durchzuführen oder den Probenhalterin Richtung Schleusenkammer zu orientieren, wenn einProbenwechsel vorbereitet wird.
Für die entsprechende Kommandierung des Hexapodsystems
kommuniziert der Hexapodcontroller mit der übergeordnetenSteuerung des PLD-Systems. Die Positionen werden in
kartesischen Koordinaten vorgegeben; alle Transformationen auf
die Einzelantriebe übernimmt der Controller.

„Per Softwarebefehl ist die Festlegung eines beliebigen
Punktes im Raum als Rotationszentrum möglich. Dieser frei
definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig von der Bewegung
erhalten, die Bewegung der Hexapodplattform lässt sich sopräzise auf die jeweilige Aufgabenstellung abstimmen“, soStein abschließend.

Autorin

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

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SUCCESS STORY – Hexapoden bewähren sich in Teilchenbeschleunigern-- Birgit Schulze --Über SURFACE
SURFACE in Hückelhoven, ansässig im Dreieck KölnDüsseldorf-Aachen, ist einer der führenden Hersteller vonPulsed Laser Depositionssystemen. Diese Dünnschichttechnik
hat sich heute vor allem in der Grundlagenforschung einen
festen Platz erobert, da sie sehr flexibel und hochpräzise dieAbscheidung komplexer Materialien ermöglicht.
Seit 1996 ist die Firma auch im Bereich der Nanometrologie
tätig und betreibt seit 1998 mit dem SURFACE NanoLab ein
hochmodernes,vollausgestattetes
Labor
mit
Nanoindentation- und SPM-Tools, das als Dienstleister eine
Vielzahl von Methoden zur quantitativen Charakterisierung
von unterschiedlichsten Oberflächeneigenschaften anbietet.
Für diesen Bereich ist SURFACE auch Hersteller Dioden-Laserbasierter Probenheizsysteme für die Elektronenmikroskopie.

Über PIIn den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus
dem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zuerfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Hausentwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersystememit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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