DE19522934A1 - Kugelumlaufspindel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, die sich insbesondere zur Verwendung in Ätzvorrichtungen in Halbleiter­ fertigungseinrichtungen, in Maschinen und Instrumenten für die Raumfahrttechnik u.ä. eignet.

Eine Kugelumlaufspindel besteht aus einer Anzahl von Kugeln, die in einer spiralförmigen, von einer Spindel und einer Kugelmutter gebildeten Kugelzirkulationsbahn laufen, wobei die Kraftüber­ tragung zwischen der Spindel und der Kugelmutter durch diese Kugeln erfolgt. Da die Kugeln eine Rollbewegung ausführen und gleichzeitig als Folge von Rotationskräften und Axialkräften eine Gleitbewegung ausführen, tritt im Kontaktbereich zwischen den Kugeln und der Kugelzirkulationsbahn gleichzeitig Rollrei­ bung und Gleitreibung auf. Wenn die Kugeln miteinander kollidie­ ren, kehrt sich ihre jeweilige Drehrichtung um, so daß die rela­ tive Gleitgeschwindigkeit zwischen den Kugeln doppelt so groß wie der entsprechende Wert für eine einzige Kugel wird, wodurch eine hohe Friktion entsteht. Deshalb ist bei Kugelumlaufspindeln die Schmierung von höchster Wichtigkeit, und die Qualität der Schmierung hat einen großen Einfluß auf deren Haltbarkeit.

Andererseits werden beispielsweise beim Ätzvorgang und beim Beschichten von Halbleitern durch das CVD-Verfahren (Schicht­ abscheidung aus der Gasphase) reaktive Gase wie Silangase, Flu­ orgase und Chloridgase verwendet, so daß eine in der Verarbei­ tungseinheit integrierte Kugelumlaufspindel gelegentlich mit solchen korrodierenden reaktiven Gasen in Berührung kommt. Bei­ spielsweise in der Ätzvorrichtung werden Kugelumlaufspindeln selten in der Behandlungskammer verwendet, sondern hauptsächlich in der Waferkassettenkammer, in der keine Möglichkeit für einen direkten Kontakt mit den reaktiven Gasen besteht. Während des Transports der Wafer zwischen den Kammern fließen die reaktiven Gase jedoch manchmal in die Kassettenkammer und kommen dort mit den Kugelumlaufspindeln in Kontakt. Eine Kugelumlaufspindel, die in einer solchen korrosiven Umgebung eingesetzt wird, muß demzu­ folge auch korrosionsbeständig sein.

Darüberhinaus werden bei Halbleiterfertigungseinrichtungen Vaku­ umvorrichtungen hauptsächlich auf der Basis einer In-line Anord­ nung verwendet, und eine Transportvorrichtung für den Transport der zu bearbeitenden Teile zwischen den einzelnen Vakuumappa­ raten bewegt sich abwechselnd zwischen Atmosphären- und Vakuum­ umgebungen. Deshalb muß eine in einer solchen Transporteinrich­ tung eingebaute Kugelumlaufspindel auch Eigenschaften aufweisen, die ihren Betrieb sowohl an der Luft als auch im Vakuum ermögli­ chen.

Außerdem erfordert eine Kugelumlaufspindel, die in Maschinen und Instrumenten für die Raumfahrttechnik verwendet wird, ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß zur Schmierung von in einem Vakuum eingesetzten Kugelumlaufspindeln oft Festschmier­ stoffe verwendet werden, einschließlich laminarer Materialien wie Molybdändisulfid, Weichmetallen wie Gold, Silber und Blei, und hochmolekularer Materialien wie PTFE und Polyimid, wobei solche Schmierstoffe in der Form einer Beschichtung verwendet werden.

Von diesen Schmierstoffen werden die laminaren Materialien und die Weichmetalle leicht durch reaktive Gase angegriffen und sind daher nicht zur Verwendung in der obengenannten korrosiven Umge­ bung geeignet. Außerdem können Silber, das sehr verschleißanfäl­ lig ist bzw. sich an der Luft verschlechtert, und Molybdändi­ sulfid, das sich durch die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit schnell verschlechtert, nicht sowohl an der Luft als auch im Vakuum verwendet werden. Im Gegensatz dazu neigt die chemisch stabile Substanz PTFE weniger dazu, von reaktiven Gasen angegriffen zu werden, und sie ist bezüglich ihrer Haltbarkeit sowohl im Vakuum als auch an der Luft überlegen.

Wenn sich jedoch beim pTFE-Schmierfilm ein Ablösen und erneutes Ablagern wiederholt, variiert die Dicke des Films, so daß reak­ tive Gase in den Bereich des dünneren Films eindiffundieren und das Trägermaterial angreifen können, oder die abnehmende Film­ dicke kann die Schmierleistung beeinträchtigen. Deshalb erwies sich das einfache Auftragen eines PTFE-Films auf die Oberfläche einer Kugelumlaufspindel, wo Rollreibung und Gleitreibung auf­ treten, manchmal als ungenügend, um die gewünschte Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kugelumlaufspindel zu schaffen, die ein hohes Maß an Halt­ barkeit aufweist und für die Verwendung in einer korrosiven Umgebung, an der Luft und in einem Vakuum gleichermaßen geeignet ist.

Eine erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel, welche auch für Vaku­ umvorrichtungen geeignet ist, besteht aus einer Spindel mit einer spiralförmigen inneren Laufnut, die in deren äußerer Um­ fangsfläche ausgebildet ist, aus einer Kugelmutter, in deren innerer Umfangsfläche eine spiralförmige äußere Laufnut ausge­ bildet ist, sowie aus einer Vielzahl von Kugeln, die in einem spiralförmigen Raum angeordnet sind, welcher durch die innere und äußere Laufnut begrenzt wird, und aus Zirkulationselementen, die eine durchgehende Kugelzirkulationsbahn begrenzen, welche mit dem spiralförmigen Raum verbunden ist, wobei ein Teil der Kugeln als keine Last tragende und der andere Teil der Kugeln als lasttragende Kugeln ausgebildet sind, wobei die nichttragen­ den Kugeln aus einem hochmolekularen Material vom Typ PTFE mit Selbstschmiereigenschaften bestehen, und wobei zumindest die Oberflächen der lasttragenden Kugeln und/oder die Oberflächen der Zirkulationselemente, die die Kugelzirkulationsbahn bilden, einen Schmierfilm aus kristallinem PTFE aufweisen.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die lasttra­ genden Kugeln aus einem keramischen Material bestehen.

Schmierfilme aus kristallinem PTFE erfüllen in dem Kontaktbe­ reich zwischen den tragenden Kugeln und der Kugelzirkulations­ bahn eine gute Schmierfunktion und schützen gleichzeitig die Oberfläche des Trägermaterials vor reaktiven Gasen. Außerdem weisen PTFE-Schmierfilme sowohl an der Luft als auch in einem Vakuum ein hohes Maß an Haltbarkeit auf. Darüberhinaus kann, selbst wenn die Schmierfilme durch Verschleiß zum Teil entfernt werden, mit der Ablagerung von schmierendem Abrieb aus PTFE gerechnet werden, das von den aus hochmolekularem PTFE-Material bestehenden nichttragenden Kugeln geliefert wird; hierdurch wird über lange Zeit eine gute Schmierung und Korrosionsbeständigkeit erhalten.

Die Herstellung der lasttragenden Kugeln aus einem keramischen Material trägt noch mehr zur Korrosionsbeständigkeit bei. Außer­ dem führt, selbst wenn die Schmierfilme zum Teil wegfallen, der Keramik-Metall-Kontakt zwischen den tragenden Kugeln, der Spindel und der Kugelmutter nicht zu einer Adhäsion, so daß nur ein geringes Risiko besteht, daß irgendwann keine Drehung mehr möglich ist.

Deshalb schafft die vorliegende Erfindung eine Kugelumlaufspin­ del, die hohe Haltbarkeit aufweist und die in einer korrosiven Umgebung, an der Luft und in einem Vakuum eingesetzt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung (Fig. a) und einen Querschnitt (Fig. b) einer Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen die Kugeln umge­ benden Bereich;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen die Kugeln umge­ benden Bereich gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch einen die Kugeln umge­ benden Bereich gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch einen die Kugeln umge­ benden Bereich gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Eine in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform zeigt die vorliegen­ de Erfindung am Beispiel einer Kugelumlaufspindel mit Spurplat­ te. Diese Kugelumlaufspindel besteht aus einer Spindel 1 mit einer spiralförmigen inneren Laufnut 1a, die in deren äußerer Umfangsfläche ausgebildet ist, aus einer Kugelmutter 2 mit einer spiralförmigen äußeren Laufnut 2a, die in deren innerer Um­ fangsfläche ausgebildet ist, aus einer Anzahl von Kugeln 3, die in einem spiralförmigen Raum angeordnet sind, welcher von der inneren und von der äußeren Laufnut 1a, 2a begrenzt wird, sowie aus einem Deflektor 5 und einer Spurplatte 6, die als Elemente zur Bildung einer durchgehenden Kugelzirkulationsbahn dienen, welche mit dem spiralförmigen Raum verbunden ist. Die Kugeln 3, die sich zwischen der Spindel 1 und der Kugelmutter 2 befinden, zirkulieren, da sie durch den auf der inneren Umfangsfläche der Kugelmutter 2 vorgesehenen Deflektor 5 in eine Zirkulationsnut 6a bewegt werden, die in der an der Kugelmutter 2 befestigten Spurplatte 6 ausgebildet ist, worauf die Kugeln 3 zu dem zwi­ schen der Spindel 1 und der Kugelmutter 2 gebildeten Raum zu­ rückkehren.

Wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, sind die Mehrzahl der Kugeln 3, beispielsweise zwei Drittel davon, lasttragende Kugeln 31, die eine Spindellast tragen; die anderen Kugeln, also ein Drittel, sind nichttragende Kugeln 32, wobei die lasttragenden und die nichttragenden Kugeln 31 und 32 in einem Verhältnis von z. B. 2 : 1 angeordnet sein können. Die lasttragenden Kugeln 31 bestehen aus Metall, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, während die nichttragenden Kugeln 32 aus einem hochmolekularen Material vom Typ PTFE (beispielsweise ein Material, bei dem PTFE einer Polyimidbasis zugesetzt wurde) bestehen. Die Oberflächen der tragenden Kugeln 31 weisen Schmierfilme 31a aus kristallinem PTFE auf. Der hier verwendete Begriff "Schmierfilme aus kristal­ linem PTFE" bezieht sich auf Schmierfilme, deren kristalline Struktur (Molekularstruktur) im Gegensatz zu beispielsweise mittels Sputtertechnik aufgebrachten Filmen nicht (in einzelne Atome) geteilt ist. Derartige Schmierfilme werden beispielsweise durch Besprühen eines Gegenstandes mit einer Behandlungslösung aus PTFE-Pulver in einem organischen Lösungsmittel gebildet, oder durch Eintauchen des Gegenstands in die Behandlungslösung.

Die oben beschriebenen Schmierfilme 31a entwickeln die vorteil­ haften Schmierfunktionen von PTFE und erhöhen damit die Halt­ barkeit der Kugelumlaufspindel. Außerdem lagert sich, falls die Schmierfilme 31a aufgrund von Verschleiß zum Teil wegfallen, abgeriebener PTFE-Staub auf den Schmierfilmen ab, um ihren Ver­ lust auszugleichen. Dieser Staub wird erzeugt, wenn die Ober­ flächen der nichttragenden Kugeln 32 abgerieben werden durch ihren Kontakt mit den Oberflächen der Elemente, die die Kugel­ zirkulationsbahn bilden, d. h. mit der inneren Laufnut 1a der Spindel 1, der äußeren Laufnut 2a der Kugelmutter 2, der inneren Umfangsfläche des Deflektors 5, der Oberfläche der Zirkulations­ nut 6a der Spurplatte 6 und mit benachbarten tragenden Kugeln; auf diese Art und Weise wird über lange Zeit eine ausreichende Schmierung gewährleistet.

Wenn diese Kugelumlaufspindel in einer korrosiven Umgebung ver­ wendet wird, können Schmierfilme aus kristallinem PTFE nicht nur auf die lasttragenden Kugeln 31, sondern auch auf die innere Laufnut 1a der Spindel 1 und die äußere Laufnut 2a der Kugel­ mutter 2, und nötigenfalls auch auf die innere Umfangsfläche des Deflektors 5 und die Oberflächen der Zirkulationsnut 6a der Spurplatte 6 aufgetragen werden. Abgesehen davon, daß diese Schmierfilme zur Schmierung beitragen, schützen sie auch die Oberfläche der Kugelzirkulationsbahn vor der korrosiven Atmo­ sphäre und schaffen so eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Da­ rüberhinaus bleibt durch die Versorgung mit schmierendem PTFE- Abrieb durch die nichttragenden Kugeln 32 diese hohe Korrosions­ beständigkeit für eine lange Zeit erhalten. Dies führt, vergli­ chen mit dem Fall, in dem diese Elemente aus einem korrosions­ beständigen Material hergestellt werden, zu erheblicher Kosten­ einsparung.

Bei dieser Ausführungsform haben die nichttragenden Kugeln 32 einen etwas kleineren Durchmesser als die lasttragenden Kugeln 31. Dies soll dazu dienen, die Abgabe von schmierendem PTFE- Abrieb in optimaler Menge zu gewährleisten, d. h., der schmieren­ de PTFE-Abrieb, der von den nichttragenden Kugeln abgegeben wird, darf nur in solchen Mengen vorhanden sein, wie es für eine gute Schmierung nötig ist, während eine zu große Menge an schmierendem Abrieb zu Stauberzeugung führen würde. Diese Anord­ nung verringert Reibungskräfte zwischen den nichttragenden Ku­ geln 32 und der Oberfläche der Kugelzirkulationsbahn und verhin­ dert so die Produktion von zu großen Mengen an schmierendem Abrieb, wodurch wiederum die Menge an Staub verringert wird, der von der Kugelumlaufspindel abgegeben wird, d. h., eine niedrige Stauberzeugungsrate wird erzielt. Dies ist besonders vorteil­ haft, wenn die Kugelumlaufspindel in einer höchst sauberen Umge­ bung, wie z. B. in Halbleiterfertigungseinrichtungen, verwendet wird. Darüberhinaus wird auch die Torsion reduziert.

Wenn auf die Schmierung mehr Wert gelegt wird als auf eine nied­ rige Stauberzeugungsrate, sollte, wie in Fig. 3 dargestellt, vorzugsweise der Durchmesser der nichttragenden Kugeln 32 genau­ so groß oder etwas größer sein als der der lasttragenden Kugeln 31. Zunehmende Reibungskraft zwischen den nichttragenden Kugeln 32 und der Oberfläche der Kugelzirkulationsbahn erhöht die Menge an schmierendem PTFE-Abrieb, die von den nichttragenden Kugeln 32 abgegeben wird, wodurch der Verlust von Schmierfilmen wirksa­ mer ausgeglichen werden kann.

Bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind auf den Oberflächen der nichttragenden Kugeln 32 Schmierfilme 32a aus kristallinem PTFE ausgebildet. Die vorherige Bildung von PTFE-Schmierfilmen 32a auf den Oberflächen der nichttragenden Kugeln 32 gewährlei­ stet eine gleichmäßigere Produktion und Ablagerung von schmie­ rendem PTFE-Abrieb, was für den anfänglichen Betriebszeitraum vorteilhaft ist.

Bei einer in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform bestehen die lasttragenden Kugeln 31 aus einem keramischen Material. Die Korrosionsbeständigkeit wird hier noch weiter verbessert. Da­ rüberhinaus verhindert selbst bei direktem Kontakt zwischen den lasttragenden Kugeln 31, der Spindel 1 und der Kugelmutter 2 aufgrund einer Abnutzung der Schmierfilme 31a und der verringer­ ten Menge an schmierendem Abrieb der Keramik-Metall-Kontakt die Gefahr, daß aufgrund von Adhäsion irgendwann keine Drehung mehr möglich ist, d. h., die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wird weiter verbessert.

Zusätzlich sei erwähnt, daß die lasttragenden Kugeln 31 und die nichttragenden Kugeln 32 vorzugsweise etwa im Verhältnis 2 : 1 vorliegen, jedoch ist das Verhältnis nicht auf diese Zahlen beschränkt; es kann entsprechend auf die Einsatzbedingungen etc.

abgestimmt werden. Die obengenannten Ausführungsformen beziehen sich auf Fälle, in denen die vorliegende Erfindung auf Kugel­ umlaufspindeln mit Spurplatte gerichtet ist. Sie können jedoch mit den gleichen Funktionen und Wirkungen ebenso für Kugelum­ laufspindeln mit Rückführrohr oder für Kugelumlaufspindeln mit einem Zirkulationselement verwendet werden.

Claims (2)

1. Kugelumlaufspindel, insbesondere für eine Vakuumvorrichtung, bestehend aus einer Spindel (1) mit einer spiralförmigen inneren Laufnut (1a), die in deren äußerer Umfangsfläche ausgebildet ist, aus einer Kugelmutter (2), in deren innerer Umfangsfläche eine spiralförmige äußere Laufnut (2a) ausge­ bildet ist, sowie aus einer Anzahl von Kugeln (3), die in einem spiralförmigen Raum angeordnet sind, welcher durch die innere und die äußere Laufnut (1a, 2a) der Spindel- und der Kugelmutteroberflächen begrenzt wird, und aus Zirkulations­ elementen, die eine durchgehende Kugelzirkulationsbahn be­ grenzen, welche mit dem spiralförmigen Raum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kugeln (3) als nichttragende, unbelastete Kugeln (32) und ein anderer Teil der Kugeln als lasttragende Kugeln (31) ausgebildet sind, daß die nichttragenden Kugeln (32) aus einem hochmolekularen Material vom Typ PTFE bestehen und daß zumindest die Oberflä­ chen der lasttragenden Kugeln (31) und/oder die Oberflächen der Zirkulationselemente, die die Kugelzirkulationsbahn bil­ den, einen Schmierfilm aus kristallinem PTFE aufweisen.

2. Kugelumlaufspindel für einen Vakuumapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lasttragenden Kugeln (31) aus keramischem Material bestehen.