DE3307572A1

DE3307572A1 - Probendrehvorrichtung

Info

Publication number: DE3307572A1
Application number: DE19833307572
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ibaraki Koike; Mitsuo Katsuta Komatsu; Shunroku Mito Taya
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE3307572C2; US4599516A; JPS58153535A

Description

Hitachi Ltd. * 3. März 1983

5-1, Marunouchi 1-chome A 4467

Chiyoda-ku,
Tokyo, Japan

Beschreibung

Probendrehvorrichtung

Die Erfindung betrifft Probendrehvorrichtungen, insbesondere zur Verwendung in einer Ionenimplantationsvorrichtung.

In den letzten Jahren ist gefordert worden, den Durchsatz von Ionenimplantationsvorrichtungen zu erhöhen, indem die Größe des Ionenstroms so viel wie möglich erhöht und die zur Durchführung eines Implantationsvorganges erforderliche Zeit reduziert wird. Eine Erhöhung der Ionenmenge um das Zehnfache würde den Heizwert der Ionen, dem die Proben oder Plättchen ausgesetzt sind, um das Zehnfache erhöhen, wodurch ein abrupter Temperaturanstieg verursacht würde.

Um einen Temperaturanstieg zu vermeiden, ist es bisher üblich gewesen, eine Vielzahl von Plättchen im peripheren Teil einer Drehplatte in einer Ionenimplantationskammer an-

zuordnen und die Drehplatte mit einer Drehzahl von ungefähr 250 Umdrehungen pro Minute zu drehen, um die Vielzahl von Plättchen aufeinanderfolgend zu einer Ionenimplantationsposition zu führen, um hierdurch in wiederholender Art und Weise Ionenimplantationsoperationen auszuführen. Durch diese Anordnung werden die Plättchen der Ionenbestrahlung in Form von Impulsen ausgesetzt, wobei eine Drehung der Drehplatte als eine Periode dient, so daß die Plättchen während·der Zeitabschnitte, die außerhalb der Zeitabschnitte der Impulse

liegen, auf natürliche Weise gekühlt werden können.

Eine solche natürliche Kühlung reicht jedoch nicht aus, um eine zufriedenstellende Kühlung der Plättchen zu erzielen. Daher wird derzeit der zentrale Teil der Drehplatte mit Wasser gekühlt, wodurch die Plättchen durch die Drehplatte gekühlt werden. Um die durch das Kühlen der Plättchen erzielten Effekte zu erhöhen, wäre eine Verbesserung in der Wärmeübertragungsfähigkeit der Drehplatte erforderlich, was seinerseits eine Erhöhung der Dicke der Drehplatte erfordern würde. Hierdurch würde die Drehplatte schwerer werden und die einem Motor zum Antrieb der Drehplatte auferlegte Last würde ansteigen, wodrrch es nicht nur notwendig werden würde, eine komplizierte Vorrichtung für die wirksame Steuerung der Drehung der Drehplatte zu verwenden, sondern auch eine Unausgewuchtetheit der.Drehplatte während der Drehung und die Erzeugung großen Lärms verursacht würde.

Es sind Vorschläge gemacht worden, um Wasser von dem zentralen Teil der Drehplatte in die Nähe der in dem peripheren Teil der Drehplatte angeordneten Plättchen zu führen,, um so die Plättchen direkt so stark wie möglich mit Wasser zu kühlen. Eine Ionenimplantationskammer wird jedoch im allgemeinen auf einem Vakuum von ungefähr 10 bis 10 Torr gehalten und die Kanäle, durch welche das Wasser in die Drehplatte strömt, müssen auf einem Druck gehalten werden, der durch die Summe des atmosphärischen Druckes und des Wasserdruckes, mit welchem das Wasser zur Strömung veranlaßt wird, gegeben ist, so daß die Drehplatte eine Dicke haben müßte, die ausreichend groß ist, um der großen Druckdifferenz zwischen dem Druck in den Wasserkanälen und dem inneren Druck der Ionenimplantationskammer zu widerstehen. Demzufolge würde das Gewicht der Drehplatte in einem Ausmaße ansteigen, derart, daß der Mechanismus zur Steuerung " der Drehung der Drehplatte unverhältnismäßig groß werden würde und die Drehplatte unausgewuchtet während der Drehung werden würde, wodurch ein großer Lärm erzeugt wird. ·

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die oben genannten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zu vermeiden und eine Probendrehvorrichtung zu schaffen, mit welcher die Proben wirksam gekühlt werden können und welche trotz einer zufriedenstellenden Kühlung der Proben die Verwendung von Einrichtungen großer Abmessungen zum Drehen der Proben vermeidet.

Dies wird bei einer Probendrehvorrichtung gemäß der Erfindung erreicht durch eine Kühlquelle, Einrichtungen zum Drehen einer Vielzahl von um die Kühlguelle herum angeordneten Proben um die Kühlguelle und Einrichtungen zum Übertragen von Wärme von der Vielzahl der Proben zu der Kühlquelle durch Verdampfung einer Arbeitsflüssigkeit und Kondensation des durch die Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit erzeugten Dampfes, wodurch die Proben gekühlt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten d§r yqrjiegenden Erfindung ergeben sich au§ der nachf-olgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 eine vertikale Schnittansicht der Probendrehvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig.2 eine Draufsicht von unten des Drehplattenteils der Probendrehvorrichtung gemäß Fig.1,

Fig.3 eine vertikale Schnittansicht des in den Fig.1 und 2 gezeigten Wärmerohres,

Fig.4 eine Draufsicht von unten einer abgewandelten Ausführungsform des Drehplattenteils der Probendrehvorrichtung gemäß Fig.1,

Fig.5 eine vertikale Schnittansicht einer anderen Aus-

de§ greh-pl^^enteilg (§§r Probendreh-

vorrichtung gemäß Fig.1, und

Pig.6 eine Draufsicht von oben der Ausführungsform des Drehplattenteils gemäß Fig.5. '■■;-.' ■ ■. - . ■ "^: ·

In den Fig.1 und 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher eine Ionenstrahlinjektionsöffnung 1 in einer Ionenimplantationskammer 2 ausgebildet ist, welche unter einem

-5 -6
Vakuum von ungefähr 10 bis 10 Torr gehalten wird und. ^:

in welcher eine Drehplatte 3 montiert ist« An dem äußeren peripheren Teil der Drehplatte 3 ist eine Vielzahl von Probentragbauteilen 4 montiert, die jeweils eine Probe oder ein Plättchen tragen, das durch eine nicht gezeigte Blattfeder in enger Berührung mit dem Tragbauteil gehalten wird. Im zentralen Teil der Drehplatte 3 ist eine Kühlquelle 7 angeordnet, mit welcher eine hohle Antriebswelle 9 in Verbindung gehalten wird. In der hohlen Antriebswelle 9, welche durch ein Lager 10, das auf der Kammer 2 montiert ist, und durch ein Lager 12, das auf einem Wasserkühlkopf 11 montiert ist, drehbar gelagert ist, ist ein einen Wasserkanal bestimmender Hohlschaft 25 eingeführt, der an einem Ende mit einer Teilungswand 15 verbunden ist, welche den Wasserkühlkopf 11 in eine Kühlwassereinlaßöffnung 13 und

^° eine Kühlwasserauslaßöffnung 14 teilt,.derart, daß der den Wasserkanal bestimmende Hohlschaft 25 in Verbindung mit der Einlaßöffnung 13 gehalten wird. Der den Wasserkanal bestimmende Hohlschaft 25 erstreckt sich in die Kühlquelle 7 und weist an dem anderen Ende eine einen Wasser-

^:

kanal bestimmende Teilungsplatte 16 auf. '

An der hohlen Antriebswelle 9 ist ein Zahnrad 17 befestigt, das in kämmendem Eingriff mit einem Zahnrad 19 steht, welches direkt mit einem Motor 18 verbunden ist.

Wärmerohre 20, die sich radial von der Kühlqueile 7 aus erstrecken, verbinden die Plättchen 5 mit der Kühlquelle 7. Insbesondere ist jedes Wärmerohr 20 an einem Ende fest mit

der Kühlquelle 7 verbunden, derart, daß das Ende einer Kühlflüssigkeit in einem Kanal der Kühlquelle 7 ausgesetzt ist. Am anderen Ende ist jedes Wärmerohr starr in dem zu-

. geordneten Probentragbauteil 4 eingebettet. 5

Wie in Fig.3 gezeigt ist, weist jedes Wärmerohr 20 einen dichten Behälter 22 auf, der eine darin dicht eingeschlossene Arbeitsflüssigkeit' (in dieser Ausführungsform Wasser) und einen Docht 2 3 enthält, der an der Innenwandfläche

■!•Ρ des dichten Behälters befestigt ist und aus porösem Material besteht. In diesem Falle können die Wärmerohre 20 als eine einzige Wärmeübertragungseinrichtung angesehen werden und das Innere eines jeden dichten Behälters des Wärmerohres 20 kann als ein dichter hohler Teil angesehen werden, der sich von der Kühlquelle 7 zu jeder der Vielzahl von Plättchen 5 erstreckt.

Nach Betätigung des Motors 18 wird die hohle Antriebswelle 9 durch die Zahnräder 19 und 17 gedreht, um die Drehplatte

und damit die von den Probentragbautexlen 4 getragenen Plättchen 5 um eine Drehachse der Drehplatte 3 z.B. mit einer Drehzahl von 250 Umdrehungen pro Minute zu drehen. Die Plättchen 5 werden daher wiederholt der Strahlung von

Ionenstrahlen ausgesetzt mit einer Frequenz, die gleich 25

der Anzahl von Drehungen der Drehplatte ist, wodurch eine Implantation von Ionen in jedes Plättchen 5 bewirkt wird.

- In der Zwischenzeit wird Kühlwasser, welches die Kühlflüssigkeit im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, durch

die Einlaßöffnung 13 des Kühlkopfes 11 über den den Wasserkanal bestimmenden Hohlschaft 25 zu der Kühlquelle 7 geführt, von welcher das Kühlwasser durch einen Wasserkanal, der zwischen der Innenwandoberfläche der hohlen Antriebswelle 9 und der Außenwandoberfläche des den Kanal bestim-

menden Hohlschaftes 25 bestimmt wird, zu der Auslaßöffnung 14 strömt, über welche es nach außen freigegeben wird.

In den Wärmerohren 20 bewegt sich die Arbeitsflüssigkeit 21 aufgrund der Zentrifugalkräfte und der Kapillarwirkung des Dochtes 23 zu den Probentragbauteilen 4 und die so zu den Teilen 4 bewegte Arbeitsflüssigkeit 21 verdampft durch Aufnahme von Wärme von den Bauteilen 4 und den Plättchen Der so erzeugte Dampf strömt aufgrund der Dampfdruckdifferenz schnell zu der Kühlquelle 7 und kondensiert dort. Zu diesem Zeitpunkt wird die von der Arbeitsflüssigkeit 21 bei ihrer Verdampfung absorbierte Wärme oder die latente Verdampfungswärme an die Kühlquelle 7 abgegeben. Das durch die Kondensation des Dampfes gebildete Kondensat wird durch die Zentrifugalkräfte und die Kapillarwirkung des Dochtes 23 zu seinem Ausgangsort zurückgeführt, um hiernach den

gleichen Vorgang zu wiederholen.
15

In den Wärmerohren 20 findet die übertragung von Wärme in Form der latenten Verdampfungswärme statt in einem Prozeß des Verdampfens der flüssigen Phase, des Bewegens der durch die Verdampfung erzeugten Dampfphase, des Kondensierens der ^^u bewegten Dampfphase und des Rückführens der durch die Kondensation erzeugten flüssigen Phase, so daß die Plättchen 5 durch die latente Verdampfungswärme gekühlt werden. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmerohre 20 ist zehnmal so groß wie diejenige von Kupfer und ermöglicht eine Kühlung der

Plättchen 5 in einer zufriedenstellenden Weise.

Wenn die Arbeitsflüssigkeit 21 Wasser ist und die Temperatur des Wassers im Einsatz unter 80° C ist, liegt der Wasserdampfdruck unterhalb der Hälfte des Atmosphärendruk-

kes (unterhalb 380 Torr).

Wenn die Karraerohre 20 _ni_cht verwendet würden und die Wasserkanäle der Kühlquelle 7 in die Nähe der Plättchen 5 ausgedehnt würden, würden die Wasserkanäle auf einem Druck ge-35

halten werden, welcher die Summe des Atmosphärendruckes und des Wasserdruckes darstellt, unter dem das Wasser durch die Kanäle gedrückt wird.

Daher kann der innere Druck der Wärmerohre 20 erheblich kleiner sein als derjenige, der· in dem Falle herrscht, in welchem die Kanäle der Kühlquelle 7 in die Nähe der Plättchen 5 verlängert werden. Demzufolge ergibt die Verwendung von Wärmerohren 20 keine Gewichtserhöhung der Drehteile der Vorrichtung im Hinblick auf die Tatsache, daß die Wärmerohre sehr einfach im Aufbau sind und eine sehr große Wärmeleitfähigkeit, wie oben beschrieben, aufweisen.

in Fig.4 ist eine Modifikation des in Fig.2 gezeigten Drehplattenteils gezeigt. Die in Fig.4 gezeigte Drehplatte unterscheidet sich von der in Fig.2 gezeigten dadurch, daß andere Teile als der zentrale Teil und der periphere Teil der Drehplatte" 3 ausgeschnitten sind. Bei dieser Ausführungs-

¹^ form übernehmen die Wärmerohre 20 die Funktion der Halterung der Plättchen 5 in Bezug zu der Kühlquelje 7 und die Funktion der Wärmeübertragung zwischen der Kühlquelle 7 und den Plättchen. 5. Diese Auf uhr ungs form führt zu einer größeren

Gewichtsreduzierung der sich drehenden Teile. 20

Die bei dieser Ausführungsform verwendeten Wärmerohre 20 weisen, wie beschrieben,eine Bauart auf, die im allgemeinen als Dochte verwendende Kapillarbauart bezeichnet wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese besondere Art von Wärmerohren beschränkt. Es können auch Wärmerohre der Siphonbauart ohne die Verwendung von Dochten benutzt werden. Wenn Wärmerohre der letzteren Bauart verwendet werden, wird die Bewegung der flüssigen Phase nur durch die Zentrifugalkräfte bewirkt.

Die Wärmerohre 20 können an inneren Flächen der Enden, die mit den Tragbauteilen 4 für die Plättchen 5 verbunden sind, Rippen aufweisen, um den Berührungsbereich mit der Arbeitsflüssigkeit 21 so viel wie möglich zu erhöhen.

In den Fig.5 und 6 ist eine andere Ausführungsform des Drehplattenteils dargestellt.Bei dieserAusfuhrungsform sind die Wärmerohre 20, deren Ariiahi glgieh. d@r- Aniahl vgn. Plättchen

5 ist und die als Einrichtungen zum übertragen von Wärme zwischen der Kühlquelle 7 und den Plättchen 5 benutzt werden, durch einenabgedichteten Behälter 22'/ersetzt, der eine dar'£n dicht eingeschlossene Arbeitsflüssigkeit 21' enthält. Der abgedichtete Behälter 22'.kann als Drehbau^ teil angesehen werden. Daher kann ein Raum oder ein Hohlraum, bestimmt in dem Drehbauteil, als dem dichten Behäl— -

• ter 22' entsprechend angesehen werden. Der dichte Behälter" 22' weist eine Ringplattenform in Form einer Scheibe auf, an deren innerem Ende die Kühlquelle 7 starr befestigt ist und deren äußeres Ende durch nicht gezeigte Blattfedern mit der Vielzahl von Plättchen 5 in Berührung gehalten wird. Die Wärmeübertragung erfolgt in dem dichten Behälter auf dem gleichen Prinzip wie in den Wärmerohren 20. Der dichte Behälter 22*mit der darin dicht eingeschlossenen Arbeitsflüssigkeit 21'■ kanlflpis Wärmescheibe 20 ' be*ichnet weiden, da er mehr eine Scheibenform als eine Rohrform aufweist. Wenn die Wärme.scheibe 20' verwendet wird, muß nur eine einzige Wärmescheibe eingesetzt werden im Vergleich *® zu einer «Vielzahl von Wärmerohren, die bei dem Einsatz^ von Wärmerohren verwendet werden muß.

ι ■ . -

Die in Fig.5 und 6 gezeigte Ausfuhrungsform führt zu einer größeren Gewichtsreduzierung der sich drehendenTeile der Vorrichtung im Hinblick auf die eine verwendete Wärmescheibe 20" .

Claims

Patentansprüche

/ 1/i Probendrehvorrichtung, gekennzeichnet

ύ \

eine Kühlquelle (7),

Einrichtungen zum Drehen einer Vielzahl von um die Kühlqueile'herum angeordneten Proben (5) um die Kühlquelle, und

Einrichtungen (20) zum übertragen von Wärme von der Vielzahl der Proben zu der Kühlquelle durch Verdampfung einer Arbeitsflüssigkeit und Kondensation des durch die Verdampfung erzeugten Dampfes, wodurch die Proben gekühlt werden.
2. Probendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtungen eine Vielzahl von dichten hohlen Teilen (20) aufweisen, die sich jeweils von der Kühlquelle (7) zu einer der Proben (5) erstrecken, und daß jeder dichte hohle Teil eine darin dicht eingeschlossene Arbeitsflüssigkeit (21) enthält.

20
3. Probendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtungen eine Vielzahl von Wärmerohren (20) aufweisen, die sich jeweils von der Kühlquelle (7) zu einer der Proben (5) erstrecken, und daß jedes Wärmerohr eine darin dicht eiRfesghlesseBeArbeitgfiü.gsigjieit (21) enthält.

ASSUNG: "LG MÜNCHEN I UND II; * * 7ÜSÄT7I ΙΓΗ ο> η μΓΙμπ .--μ
4. Probendrehvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3/ dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlquelle einen Kanal für eine durch diesen strömende Kühlflüssigkeit aufweist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche eine Strömung der Kühlflüssigkeit durch den Kanal bewirken.
5. Probendrehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (20) mit der Kühlquelle (7) derart verbunden sind, daß jedes Wärmerohr der Kühlflüssigkeit in dem Kanal der Kühlquelle ausgesetzt ist.
6. Probendrehvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

Einrichtungen (4) zum Unterstützen einer Vielzahl von Proben (5) um die Kühlquelle (7) herum und

Einrichtungen zum Drehen dieser Unterstützungseinrichtungen mit der Vielzahl von Proben um die Kühlquelle.
7. Probendrehvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungseinrichtungen (4) die Vielzahl von Proben (5) derart tragen, daß die Proben im wesentlichen auf dem Umfang eines imaginären Krei-• ses um die Kühlquelle (7) herum angeordnet sind, und daß die Wärmeübertragungseinrichtungen eine Vielzahl von Wärmerohren (20) aufweisen, die sich jeweils zu einer der Proben erstrecken und die dicht darin eingeschlossene Arbeitsflüssigkeit (21) enthalten.
^⁰8. Probendrehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (20) mit der Kühlquelle (7) derart verbunden sind, daß jedes Wärmerohr der Kühlflüssigkeit in dem Kanal der Kühlquelle ausgesetzt ist.
9. Probendrehvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (21) und die Kühlflüssigkeit aus Wasser bestehen.
10. Probendrehvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Kühlquelle (7),

ein Drehbauteil (3), in dessen peripherem Teil eine § Vielzahl von Proben (5) angeordnet sind und das thermisch mit der Kühlquelle verbunden ist,

Einrichtungen zum Drehen des Drehbauteils um die Kühlquelle,

wobei das Drehbauteil einen abgedichteten Raum aufweist, ■

der eine Arbeitsflüssigkeit enthält und derart geformt ist, daß die darin enthaltene Arbeitsflüssigkeit sich innerhalb des abgedichteten Raumes frei in einer Drehrichtung des Drehbauteils bewegen kann zum Übertragen

von Wärme von der Vielzahl von Proben zu der Kühlquelle 15

während der Drehung des Drehbauteils durch Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit und durch Kondensation des durch die Verdampfung erzeugten Dampfes, wodurch die Proben gekühlt werden.
11. Probendrehvorrichtung, gekennzeichnet durch

eine Kühlquelle (7),

ein Drehbauteil (3), in dessen peripherem Teil eine Vielzahl von Proben angeordnet sind und das thermisch

und starr mit der Kühlquelle verbunden ist,

Einrichtungen zum Drehen des Drehbauteils um die Kühlquelle derart, daß die Kühlquelle auch gemeinsam mit dem Drehbauteil um eine Drehachse dieses 3Q Teils gedreht wird,

wobei das Drehbauteil einen abgedichteten Raum aufweist, der eine darin dicht eingeschlossene Arbeitsflüssigkeit enthält und derart geformt ist, daß die darin enthaltene Arbeitsflüssigkeit sich innerhalb des abgedichteten Raumes frei bewegen kann zum übertragen von Wärme von der Vielzahl von Proben zu der Kühlquelle während der Drehung des Drehbauteils durch Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit und durch Kondensation des durch die Ver-

1 dampfung erzeugten Dampfes, wodurch die .Proben gekühlt werden.