DE102009048170B3

DE102009048170B3 - Probenaufnahmevorrichtung für Probenmaterialien in Ultrahochvakuumkammern

Info

Publication number: DE102009048170B3
Application number: DE200910048170
Authority: DE
Inventors: Ralph DÖHRMANN
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-03
Also published as: WO2011038938A1; US8871066B2; EP2483918A1; US20120267244A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Probenaufnahmevorrichtung für Probenmaterialien in Ultrahochvakuumkammern mit einem wechselbaren Probenhalter (4), der einen scheibenförmigen Probenauflagekörper und einen davon abstehenden Fortsatz hat, einem Halterungsteil (1) mit einer Zentrieröffnung, die zur zentrierten Aufnahme des Fortsatzes des Probenhalters (4) geformt ist und in eine durch das Halterungsteil hindurchgehende Durchgangsöffnung (8) übergeht, einem Zugstab (3), der von der der Zentrieröffnung gegenüberliegenden Seite in die Durchgangsöffnung (8) eingeführt ist und mit seinem eingeführten Ende wenigstens zwei Spannkörper (3b) in der Weise beweglich hält, dass sie eine Bewegung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung (8) ausführen können, einer relativ zu dem Halterungsteil (1) feststehenden Führungskurve (7), um die Spannkörper (3b) bei Bewegung des Zugstabes in Richtung der Längsachse der Durchgangsöffnung (8) so zu führen, dass die Spannkörper (3b) in einer ersten Stellung des Zugstabes (3) in Eingriff hinter radialen Eingriffsvorsprüngen an den Fortsatz (4a) angedrückt werden, so dass der Zugstab (3) auf den Probenhalter (4) eine in Richtung in die Zentrieröffnung hinein gerichtete Zugkraft ausüben kann, und dass die Spannkörper (3b) in einer zweiten Stellung des Zugstabes (3), in der dieser weiter in die Durchgangsöffnung hineingeschoben ist, in Richtung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung so weit verschoben sind, dass die radialen Eingriffsvorsprünge sie ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Probenaufnahmevorrichtung für Probenmaterialien in Ultrahochvakuumkammern, insbesondere für Sputter-Beschichtungsanlagen.
Für derartige Anwendungen wurden bisher Probenhalter verwendet, die einen scheibenförmigen Probenauflagekörper mit planarer oberer Probenauflagefläche aufweisen. Diese Scheiben oder Platten wurden dann in eine Ausnehmung eines Halterungsteils eingelegt, um eine positionsgenaue Platzierung des Probenhalters zu gewährleisten. Die Andruckkraft wird bei dieser Probenaufnahme von oben auf den Probenhalter eingeleitet. Nach erfolgter Beschichtung muss der Probenhalter dann entnommen werden, wozu der evakuierte Zustand der Ultrahochvakuumkammer aufgehoben werden muss, und danach ein weiterer Probenhalter in das Halterungsteil eingesetzt werden, wonach die Kammer erneut evakuiert werden muss, bevor der nächste Sputter-Vorgang folgen kann. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, in einer Ultrahochvakuumkammer eine Mehrzahl von Probenhaltern auf einem Drehtisch anzuordnen, wobei es durch einen Roboterarm möglich ist, jeden Probenhalter von dem Drehtisch abzunehmen und durch einen neuen Probenhalter zu ersetzen, der aus einer angeschlossenen Vorratskammer herangeführt wird.
Für eine solche Anwendung ist es darüber hinaus anzustreben, dass die Probenhalter mit einer vorgegebenen Kraft gegen eine Auflagefläche eines Halterungsteils angezogen werden, um eine reproduzierbare Heizung und Kühlung des Probenhalters durch Heizung oder Kühlung des Halterungsteils zu ermöglichen. Weiterhin dürfen keine Komponenten der Spannvorrichtung über die Oberfläche der Proben herausragen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Probenhaltevorrichtung anzugeben, die einen zugeführten Probenhalter an einem Halterungsteil automatisierbar einspannen kann und die für den automatisierten Einsatz in einer Ultrahochvakuumkammer geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient die Probenhaltevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Probenhaltevorrichtung hat einen in einem Halterungsteil einspannbaren, auswechselbaren Probenhalter. Der Probenhalter umfasst einen scheibenförmigen Probenauflagekörper mit planarer oberer Probenauflagefläche, auf die Probenmaterialien befestigt werden, welche dann, zum Beispiel durch Sputtern in einer Sputter-Beschichtungsanlage beschichtet werden. Der Probenhalter hat ferner einen von der der Probenauflagefläche gegenüberliegenden Seite des Probenauflagekörpers abstehenden Fortsatz. Mit diesem Fortsatz ist der Probenhalter in eine Zentrieröffnung des Halterungsteils einfügbar. Das Halterungsteil hat in seinem Inneren eine an die Zentrieröffnung anschließende Durchgangsöffnung. In diese Durchgangsöffnung ist von der der Zentrieröffnung gegenüberliegenden Seite des Halterungsteils ein Zugstab einführbar. Der Zugstab trägt an seinem einzuführenden Ende wenigstens zwei Spannkörper, die in der Weise beweglich relativ zu dem Zugstab gehalten sind, dass sie eine Bewegung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung und des Zugstabes ausführen können. In dem Halterungsteil ist eine relativ zu diesem feststehende Führungskurve vorgesehen, um die Spannkörper bei Bewegung des Zugstabes in Richtung der Längsachse der Durchgangsöffnung zu führen. Dabei ist die Führungskurve so geformt, dass die Spannkörper in einer ersten Stellung in Längsrichtung der Durchgangsöffnung in Eingriff hinter radiale Eingriffsvorsprünge an den Fortsatz angedrückt werden. Durch diesen Eingriff der Spannkörper hinter den radialen Eingriffsvorsprüngen an dem Fortsatz, d. h. auf der von dem Zugstab abgewandten Seite der Eingriffsvorsprünge, ist ein kraft- und formschlüssiger Eingriff der Spannkörper an dem Fortsatz des Probenhalters gegeben, so dass der Zugstab durch Ziehen nach unten auf den Probenhalter eine in Richtung in die Zentrieröffnung hinein gerichtete Zugkraft auf den Probenhalter ausüben kann und damit den Probenhalter mit einer vorgegebenen Zugkraft an das Halterungsteil anziehen kann. Die Führungskurve ist weiter so geformt, dass die Spannkörper bei Bewegung in eine zweite Stellung in Längsrichtung der Durchgangsöffnung, wobei die zweite Stellung näher an der Zentrieröffnung als die erste Stellung liegt, in Richtung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung so weit verschoben werden, dass sie außerhalb des Durchgangswegs der radialen Eingriffsvorsprünge liegen, so dass die radialen Eingriffsvorsprünge die Spannkörper passieren können, wenn der Fortsatz des Probenhalters aus der Durchgangsöffnung und aus der Zentrieröffnung heraus gezogen wird.
Dieser Aufbau ermöglicht es zum Beispiel, dass ein neu eingesetzter Probenhalter durch eine einzige lineare Bewegung des Zugstabes, nämlich eine Verschiebung nach unten, für eine Einspannung des Probenhalters an dem Halterungsteil sorgt. Gerade bei Anwendungen im Ultrahochvakuum muss die Anzahl der Teile und die Komplexität ihrer Bewegung minimal sein, was im vorliegenden Fall erfüllt ist, da nur ein einziges Teil eine lineare Bewegung durchführen muss. Ferner kann durch Ausübung einer steuerbaren Zugkraft über eine Federeinrichtung, die auf den Zugstab einwirkt, die Zugkraft auf den Probenhalter und damit die Kraft vorgegeben werden, mit der dieser an das Halterungsteil angezogen wird. Die dem Fortsatz umgebende Fläche des Probenauflagekörpers liegt dann flächig an einer Oberfläche des Halterungsteils an. Das Halterungsteil kann mit einem temperierten Teil in Verbindung stehen, wodurch eine reproduzierbare Temperierung des Probenhalters möglich ist, da der mechanische Kontakt bei vorgegebener Kontaktfläche und bei vorgegebenem Andruck aneinander reproduzierbar hergestellt werden kann und damit reproduzierbare Wärmeaustauschbedingungen erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind an dem Zugstab zwei längliche Halteelemente angebracht, die an ihren von dem Zugstab entfernten Ende jeweils einen Spannzylinder als Spannkörper tragen. Die Halteelemente sind dabei so ausgebildet dass sie sich quer zu ihrer Längserstreckung elastisch biegen können, wodurch die Beweglichkeit der Spannkörper bei Führung an der Führungskurve ermöglicht wird. Die Halteelemente können zum Beispiel in Form von länglichen Drähten ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Führungskurve so ausgebildet, dass die Führungskurve die Spannzylinder in deren erster Stellung an einen hinterschnittenen Bereich des Fortsatzes des Probenhalters andrückt, so dass der Zugstab kraftschlüssig mit dem Probenhalter verbunden ist. Von dieser Position weitet sich die Führungskurve nach oben hin auf und hat eine Kurvenkomponente, die die Spannzylinder bei Bewegung durch die Durchgangsöffnung auf die Zentrieröffnung zu von der Längsachse der Durchgangsöffnung weg nach außen bewegt. Bei Bewegung der Spannzylinder in eine zweite Stellung sind diese dann soweit radial nach außen verschoben, dass die Eingriffsvorsprünge an dem Fortsatz des Probenhalters sie passieren können, wenn der Probenhalter aus der Durchgangsöffnung und Zentrieröffnung herausgezogen wird.
Alternativ können die Spannkörper auch durch drei oder mehrere Kugeln gebildet werden, die an länglichen Halteelementen von dem Zugstab getragen werden. Dabei sollten die Spannkörper so angeordnet sein, dass in der Einspannstellung in Andruck an den Fortsatz des Probenhalters sich ihre Kräfte auf den Fortsatz aufheben. Dies wird im Falle von zwei Spannkörpern zum Beispiel erfüllt, wenn diese genau gegenüberliegend angeordnet sind und die Führungskurve entsprechend symmetrisch geformt ist, so dass die beiden Spannkörper genau entgegengesetzt einwirken. Bei mehr als zwei Spannkörpern müssten diese entlang eines Kreises verteilt so angeordnet sein, dass die von ihnen auf den Fortsatz ausgeübte Gesamtkraft Null ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Einspannen des Probenhalters nicht zu einer Nettokraft auf den Fortsatz quer zu dessen Längsrichtung führt, was zu einer Verlagerung des Probenhalters in der Zentrieröffnung insgesamt führen könnte.
Die Bewegung der Spannkörper von der den Probenhalter einspannenden Stellung in eine denselben zur Entnahme freigebenden muss keine radial von der Längsachse nach außen gerichtete Bewegung sein. Grundsätzlich sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen die Spannkörper hinter einem radialen nach innen gerichteten Vorsprung in einem Hohlkörper des Fortsatzes angreifen, wobei die den Probenhalter verriegelnde Stellung der Spannkörper dann radial gegenüber der Längsachse weiter außen als die den Probenhalter freigebende Stellung der Spannkörper liegt, in der die Spannkörper die Vorsprünge passieren lassen können, d. h. die Vorsprünge liegen innerhalb einer unteren Öffnung des Hohlkörpers, wenn dieser an ihnen vorbei nach oben gezogen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische schematische Ansicht der Ausführungsform ist; und
2 und 3 Querschnittsdarstellungen der Ausführungsform in einer den Probenhalter verriegelnden Stellung (3) und einer den Probenhalter freigebenden Stellung (2) zeigen.
Die Figuren zeigen ein fixiertes Halterungsteil 1, das oben mit einer Zentrieröffnung versehen ist. Die Zentrieröffnung geht weiter unten in eine Durchgangsöffnung 8 über. In die Zentrieröffnung ist ein Probenhalter 4 mit seinem Fortsatz 4a einführbar bzw. daraus entnehmbar.
Ein Zugstab 3 reicht teilweise in die Zentrieröffnung und die Durchgangsöffnung 8 hinein. Der Zugstab 3 trägt an seinem oberen Ende zwei Spannkörper 3b, die in diesem Ausführungsbeispiel stiftförmig oder zylindrisch geformt sind. Die Spannkörper 3b werden von elastischen Halteelementen, z. B. dünnen Metalldrähten, über dem oberen Ende des Zugstabes 3 gehalten. Es können für jeden Spannkörper 3b zwei Metalldrähte als Träger verwendet werden, die an einem Ende jeweils mit einem Ende des Spannkörperstifts und mit dem gegenüberliegenden Ende mit dem Zugstab verbunden sind. Durch diese Anbringung sind die Spannkörper 3b durch elastische Verformung der Halteelemente seitlich beweglich in Bezug auf die Längsachse von Zugstab und Zentrieröffnung.
Um eine gezielte seitliche Bewegung der Spannkörper 3b in Reaktion auf eine Bewegung des Zugstabs 3 in Längsrichtung zu bewirken, sind in der Zentrieröffnung Führungskurven 7 ausgebildet. Diese Führungskurven 7 sind so geformt, dass eine Linearbewegung des Zugstabs 3 in Längsrichtung von Durchgangsöffnung 8 und Zentrieröffnung mit einer zu der genannten Linearbewegung senkrechten seitlichen Bewegungskomponente der Spannkörper 3b einhergeht. Die Zwangsführung der Spannkörper 3b ist dabei dergestalt, dass sie in einer ersten Stellung des Zugstabs 3 in Andruck an den Fortsatz 4a des Probenhalters 4 hinter radialen Vorsprüngen daran angedrückt werden, so dass mittels des Zugstabs 3 über die Spannkörper 3b eine Zugkraft auf den Fortsatz 4a und damit den Probenhalter 4 ausgeübt werden kann, die in die Zentrieröffnung hinein gerichtet ist. Diese Stellung ist in 3 dargestellt, in der die Spannkörper 3b in Eingriff hinter dem radialen Vorsprung am Ende des Fortsatzes 4a an diesen angedrückt werden. In dieser Stellung ist der Probenhalter 4 an dem Halterungsteil 1 eingespannt und wird mit einer vorgegebenen Kraft gegen das Halterungsteil 1 gezogen.
Um den Probenhalter aus dem Halterungsteil 1 entnehmen zu können, wird der Zugstab 3 linear, in diesem Fall vertikal nach oben bewegt, wodurch die Spannkörper 3b ebenfalls nach oben bewegt werden. Die Führungskurve 7 ist dabei so geformt, dass die lineare Aufwärtsbewegung der Spannkörper 3b mit einer dazu senkrechten Bewegungskomponente radial nach außen verbunden ist, so dass die Spannkörper 3b schließlich soweit nach außen verschoben sind, dass die radialen Vorsprünge am Fortsatz 4a des Probenhalters die Spannkörper 3b passieren können, wenn der Probenhalter 4 mit seinem Fortsatz 4a aus der Zentrieröffnung nach oben herausgezogen wird. Diese Stellung ist in 2 dargestellt. In dieser Stellung kann ein Probenhalter 4 z. B. durch einen Roboterarm entnommen werden, wonach ein neuer Probenhalter 4 herangeführt und in die Zentrieröffnung des Halterungsteils 1 eingesetzt werden kann. Danach folgt die umgekehrte Bewegung des Zugstabes 3 linear nach unten in die in 3 dargestellte Stellung, wonach der neue Probenhalter 4 in dem Halterungsteil 1 eingespannt ist und mit vorgegebener Kraft daran angedrückt wird.
Zur Einstellung der Andruckkaft des Probenhalters 4 an dem Halterungsteil 1 in der eingespannten Stellung ist der Zugstab 3 am unteren Ende mit einer Einstellmutter 5 versehen. Das untere Ende des Zugstabs 3 ist von einem Hohlraum einer Betätigungsstange 2 aufgenommen, in deren oberes Ende der Zugstab 3 eingeführt ist. Zwischen der Öffnung in dem Zugstab 2, durch die der Zugstab 3 in diese eintritt, liegt eine Feder 5 an der die Öffnung umgebenen Wandfläche einerseits und an der Einstellmutter 6 des Zugstabes andererseits an. Bei festgelegter Endposition, in die die Betätigungsstange 2 durch einen Antrieb (nicht gezeigt) gebracht wird (3) läßt sich so durch Vorgabe der Stellung der Einstellmutter 2 die Zugkraft einstellen, die auf den Probenhalter 4 ausgeübt wird.

Claims

Probenaufnahmevorrichtung für Probenmaterialien in Ultrahochvakuumkammern mit einem wechselbaren Probenhalter (4), der einen scheibenförmigen Probenauflagekörper mit planarer oberer Probenauflagefläche und einen von der der Probenauflagefläche gegenüberliegenden Seite des Probenauflagekörpers abstehenden Fortsatz (4a) hat, einem Halterungsteil (1) mit einer Zentrieröffnung, die zur zentrierten Aufnahme des Fortsatzes (4a) des Probenhalters (4) geformt ist und in eine durch das Halterungsteil hindurchgehende Durchgangsöffnung (8) übergeht, einem Zugstab (3), der von der der Zentrieröffnung gegenüberliegenden Seite in die Durchgangsöffnung (8) eingeführt ist und mit seinem eingeführten Ende wenigstens zwei Spannkörper (3b) in der Weise beweglich hält, dass sie eine Bewegung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung (8) ausführen können, einer relativ zu dem Halterungsteil (1) feststehenden Führungskurve (7), um die Spannkörper (3b) bei Bewegung des Zugstabes in Richtung der Längsachse der Durchgangsöffnung (8) zu führen, wobei die Führungskurve (7) so geformt ist, dass die Spannkörper (3b) in einer ersten Stellung des Zugstabes (3) in Längsrichtung der Durchgangsöffnung in Eingriff hinter radialen Eingriffsvorsprüngen an den Fortsatz (4a) angedrückt werden, so dass der Zugstab (3) auf den Probenhalter (4) eine in Richtung in die Zentrieröffnung hinein gerichtete Zugkraft ausüben kann, und dass die Spannkörper (3b) in einer zweiten Stellung des Zugstabes (3), in der dieser weiter in die Durchgangsöffnung hinein geschoben ist, in Richtung quer zur Längsachse der Durchgangsöffnung so weit verschoben sind, dass die radialen Eingriffsvorsprünge sie passieren können, wenn der Fortsatz (4a) des Probenhalters (4) aus der Durchgangsöffnung und der Zentrieröffnung heraus gezogen wird.
Probenaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, bei der an dem Zugstab (3) an seinem in die Zentrieröffnung weisenden Ende mindestens zwei längliche Halteelemente angebracht sind, die über das Ende hinaus vorstehen und an ihrem abgewandten Ende jeweils einem Spannzylinder als Spannkörper (3b) tragen, wobei die Halteelemente elastisch biegbar sind.
Probenaufnahmevorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes Halteelement durch einen oder mehrere Metalldrähte oder durch dünne Federplättchen gebildet wird.
Probenaufnahmevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Zugstab (3) an seinem von der Zentrieröffnung entfernten Ende mit einer Betätigungsstange (2) verbunden ist, wobei in der Verbindung eine Feder angeordnet ist, die den Zugstab (3) in eine auf die Betätigungsstange zu weisende Richtung vorspannt, um einen ringförmigen Anschlag an dem Zugstab (3) in Anlage an die Endfläche der Betätigungsstange (2) zu ziehen, wobei die Vorspannung der Feder (5) mittels einer Einstellschraube (6) einstellbar ist.