DE4091603C1 - Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen Bewegung in eine Vakuumkammer - Google Patents
Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen Bewegung in eine VakuumkammerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen Bewegung
in eine Vakuumkammer mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Merkmalen.
Solche Vorrichtungen dienen
Vakuumbehandlung von Werkstücken und insbesondere
zum mechanischen Scannen oder Verschieben einer
Vielzahl von Werkstücken in zwei Dimensionen relativ zu einem
Ionenstrahl, so daß die Ionen gleichmäßig über die
Werkstückoberflächen verteilt werden. Die Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen Bewegung in eine Vakuumkammer ist im
wesentlichen zur Ionenimplantation bei Halbleiterplättchen
bestimmt, es ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsbereich
beschränkt.
Die Ionenimplantation hat sich zu einer kommerziell
anerkannten Standardmethode zur Einführung von die Leitfähigkeit
ändernden Verunreinigungen in Halbleiterplättchen entwickelt. Die
gewünschte Verunreinigungssubstanz wird in einer Ionenquelle
ionisiert, die Ionen werden zur Bildung eines Ionenstrahls
vorgegebener Energie beschleunigt und der Ionenstrahl wird auf die
Oberfläche des Halbleiterplättchens gerichtet. Die energiereichen
Ionen dringen in das Halbleiterinnere ein und werden in das
Kristallgitter des Halbleitermaterials eingelagert, um eine Region
gewünschter Leitfähigkeit zu bilden.
Bei kommerziellen Ionenimplantations-Vorrichtungen sind
für eine effektive Betriebsweise mehrere Faktoren entscheidend.
Ein wichtiger Faktor ist der Durchsatz an Halbleiterplättchen pro
Zeiteinheit. Die Transferzeit für die Plättchen, die
Implantationszeit und die Totzeit tragen alle zur
Gesamtbehandlungszeit bei. Zur Reduktion der Implantationszeit
werden ständig Anstrengungen unternommen, den auf das
Halbleiterplättchen aufgebrachten Ionenstrahlstrom zu erhöhen,
ohne das Plättchen über eine vorgegebene maximale Temperatur zu
erhitzen. Andere entscheidende Faktoren bei der Ionenimplantation
betreffen die Genauigkeit der Dosis und die Gleichmäßigkeit der
Dosis über die Oberfläche des Halbleiterplättchens, da durch
Ionenimplantation hergestellte Halbleitergeräte kontrollierbare
und wiederholbare Betriebsmerkmale besitzen müssen. Außerdem ist
es außerordentlich wichtig, Verunreinigungen zu minimieren, da
Halbleitergeräte mit Mikrominiaturisierungseigenschaften auf
solche Verunreinigungen außerordentlich schadensanfällig
reagieren.
Vorrichtungen zur Ionenimplantation lassen sich generell
in zwei Hauptkategorien einteilen: kontinuierlich und partienweise
("batch"). Bei kontinuierlichen Systemen werden die
Halbleiterplättchen nacheinander behandelt. Da sich das
Halbleiterplättchen während der Implantation kontinuierlich im
Ionenstrahl befindet, ist der maximale Ionenstrahlstrom begrenzt.
In Batch-Systemen werden typischerweise mehrere
Halbleiterplättchen an Befestigungsstellen in einer ringförmigen
Region nahe der Peripherie einer Scheibe befestigt. Die Scheibe
fängt den Ionenstrahl in einem schmalen Bereich der ringförmigen
Region auf, so daß die Halbleiterplättchen bei Rotation der
Scheibe sukzessive den Ionenstrahl aufnehmen. Da jedes einzelne
Halbleiterplättchen nur für einen Bruchteil der Rotationszeit der
Scheibe den Ionenstrahl aufnimmt, ist die jedem Plättchen
zugeführte durchschnittliche Energie relativ gering. Folglich
können bei Batch-Systemen wesentlich höhere Ionenstrahlströme
verwendet werden als bei kontinuierlichen Systemen. Da der
Querschnitt des Ionenstrahls typischerweise kleiner ist als die
Oberfläche des Halbleiterplättchens, muß für eine gleichmäßige
Verteilung der Ionen auf der Oberfläche des Plättchens entweder
eine zusätzliche Bewegung der rotierenden Scheibe oder des Strahls
vorgesehen sein.
Als Stand der Technik wird in der US-PS 4 276 477 eine
Vorrichtung zur Implantation von Ionen im Batch-Betrieb
beschrieben, bei der der Ionenstrahl in einer Richtung magnetisch
abgelenkt wird und die Rotation der Scheibe für eine Bewegung in
einer zweiten Richtung sorgt. Ein Nachteil dieser magnetischen
Strahlablenkung liegt darin, daß die benötigten Ablenkungsmagnete
groß und schwer sind.
Bei einem zweiten Verfahren zur Ionenimplantation im
Batch-Betrieb wird ein stationärer Ionenstrahl verwendet und das
Halbleiterplättchen in zwei Dimensionen mechanisch bewegt. Ein
zweidimensionales mechanisches Scanning im Vakuum ist jedoch
schwierig, da der Antriebsmechanismus aus Funktionsgründen und zur
Vermeidung von Verunreinigungen durch bewegende mechanische Teile
bevorzugt außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist. Ein
zweidimensionales mechanisches Scanning-System zur
Ionenimplantation wird in der US-PS 3 983 402 beschrieben. Bei dem
beschriebenen System werden ein Paar Bälge zur Übertragung einer
Hin- und Herbewegung in die Vakuumkammer verwendet. Aus der
US-PS 4 229 655 ist ein anderes, zum Stand der Technik gehörendes
System bekannt, bei dem eine rotierende Scheibe und eine
eine gegenüber einer festen Platte verschiebbare Platte zwischen denen Dichtungen angeordnet sind, verwendet wird,
um eine Hin- und Herbewegung der rotierenden Scheibe relativ zu
dem Ionenstrahl zu erzeugen.
In der EP 0 178 803 A2 wird
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben.
Bei dieser Vorrichtung wird eine zweidimensionale
Bewegung erreicht, bei der eine rotierende Scheibe auf einem sich
hin- und herbewegenden Scan-Arm in einem Bogen innerhalb der
Vakuumkammer bewegt wird.
Eine Komplikation bei der Ionenimplantation im Batch-Betrieb
besteht darin, daß Vorkehrungen getroffen werden müssen,
um die Halbleiterplättchen vor der Implantation auf die Scheibe
aufzubringen und sie nach erfolgter Implantation wieder zu
entfernen. Nach der EP 0 178 803 A2 muß
hierfür die Vakuumkammer, in der sich die Scheibe befindet,
entlüftet und jedes Halbleiterplättchen einzeln entnommen werden.
Dies hat eine erhebliche Verschmutzungsgefahr der Oberflächen zur
Folge.
Daher ist es wünschenswert den Austausch der
Halbleiterplättchen vorzugsweise automatisch in einer Art
vorzunehmen, die die Möglichkeit der Verunreinigung auf ein
Minimum reduziert. Eine mögliche Beladungstechnik für die
Halbleiterplättchen besteht darin, die Scheibe aus einer mehr oder
weniger vertikalen Orientierung während der Implantation in eine
horizontale Orientierung zum Be- und Entladen der
Halbleiterplättchen umzuklappen oder umzuschwenken. Diese Technik
wird in dem Varian-Modell 160-10 verwendet und ist in der
der US-PS 3 983 402 und in der der
US-PS 4 229 655 beschrieben.
Da die Ioneneindringtiefe eine Funktion des
Auftreffwinkels (Implantionswinkels) ist, ist es außerdem
wünschenswert den Auftreffwinkel des Ionenstrahls auf der
Oberfläche des Halbleiterplättchens während der Ionenimplantation
zu kontrollieren. Die Variation der Eindringtiefe mit dem
Auftreffwinkel, allgemein als "Kanaleffekt" bekannt, hängt von der
Orientierung der Kristallachse des Halbleiterplättchens relativ zu
dem Ionenstrahl ab. Der Kanaleffekt hängt jedoch nicht nur von dem
Auftreffwinkel ab, sondern auch von der Kristallstruktur des
Halbleiterplättchens. Zur Kontrolle des Kanaleffekts wird
üblicherweise ein vorgegebener Einfallswinkel für eine vorgegebene
Kristallstruktur und Kristallorientierung verwendet. Systeme zur
Ionenimplantation müssen daher eine Möglichkeit zur Variation des
Einfallswinkels besitzen.
In der EP 0 178 803 A2 wird
dies durch kegelförmige Kühlblecheinsätze bewerkstelligt, die
unter jedem Halbleiterplättchen angeordnet sind. Um den
Einfallswinkel ändern zu können ist es nach der EP 0 178 803 A2
notwendig, die Vakuumkammer auf Atmosphärendruck zu entlüften, und
die Kühlblecheinsätze an jeder der Positionen eines jeden
Halbleiterplättchens auszutauschen und dann die Kammer wieder auf
Hochvakuum auszupumpen. Dies ist zum einen eine sehr
arbeitsaufwendige Technik, zum anderen besteht die Gefahr, daß
verschiedene Halbleiterplättchen auf der Scheibe verschiedene
Implantationswinkel aufweisen.
Ein weiteres Problem der EP 0 178 803 A2 stellt die
Halterung der Plättchen und das Be- und Entladen der Scheibe dar.
Nach dem Stand der Technik wird sowohl eine peripherische als auch
eine zentrifugale Einspannung der Halbleiterplättchen während der
Ionenimplantation verwendet. Ein peripherisches Einspannen mit
einem Einspannring ist normalerweise ausreichend, aber ein
ringförmiger Teil des Halbleiterplättchens in der Nähe seines
äußeren Randes wird durch den Einspannring beschattet, so daß
dieser Teil des Plättchens nutzlos ist. Beim zentrifugalen
Einspannen steht zwar die gesamte Oberfläche des
Halbleiterplättchens für die Behandlung zur Verfügung, die Scheibe
muß jedoch so ausgelegt sein, daß ausreichende zentrifugale Kräfte
zum Einspannen und zur Kühlung des Halbleiterplättchens auf das
Plättchen übertragen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde,
für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der Antriebseinrichtung
zur Ereugung der hin- und hergehenden Bewegung
der Scan-Arm-Einrichtung außerhalb der Vakuumkammer
angeordnet ist, eine Dichteinrichtung zur
Abdichtung der Scan-Arm-Einrichtung in Bezug
auf den Vakuummantel anzugeben, mit der eine große Zahl von
Bewegungszahlen der Scan-Arm-Einrichtung möglich ist.
Die Lösung der Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch
den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine, teilweise weggebrochen, Draufsicht eines
Systems zur Ionenimplantation, bei der sich die
Scheibe zum Be- und Entladen der
Halbleiterplättchen in horizontaler Position
befindet,
Fig. 2 eine Vorderansicht des
Ionenimplantationssystems nach Fig. 1,
entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, bei dem sich
die Scheibe in Implantationsposition befindet,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Scanning-Apparatur
mit geöffneter Scheibenzugangsklappe,
Fig. 4 einen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 4-4 in Fig. 2,
Fig. 5 einen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 5-5 in Fig. 4, der die Scan-Antriebseinrichtung und die
Schwenkantriebseinrichtung zeigt,
Fig. 6 einen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 6-6 in Fig. 4, der die
Zugangsklappeneinrichtung und die Einstellung
des Auftreffwinkels zeigt,
Fig. 7 einen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 7-7 in Fig. 5, der die Scan-Antriebseinrichtung
zeigt,
Fig. 8 einen teilweisen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 8-8 in Fig. 6, der die
Einstellung des Einfallswinkels zeigt,
Fig. 9 einen teilweisen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 9-9 in Fig. 8, der die
Einstellung des Einfallswinkels zeigt,
Fig. 10 einen Querschnitt der Scanning-Apparatur
entlang Linie 10-10 in Fig. 4, der in
durchgezogenen Linien die Scheibe in
Implantationsposition und in Phantomdarstellung
die Scheibe in Be-/Entladeposition
zeigt,
Fig. 11 einen Querschnitt der
Scheibenantriebseinrichtung entlang der Linie
11-11 in Fig. 10,
Fig. 12 einen Querschnitt der
Scheibenantriebseinrichtung entlang der Linie
12-12 in Fig. 11,
Fig. 13 eine schematische Darstellung der Scanning-Apparatur
zur Illustration der Funktionsweise
des Scan-Arms,
Fig. 14 eine schematische Darstellung zur Illustration
der Beziehung zwischen den Bewegungsachsen der
Scanning-Apparatur,
Fig. 15 eine schematische Darstellung der Durchbiegung
des Balgs,
Fig. 16 eine Vorderansicht einer
Ausführungsform des Balgs,
Fig. 17 einen Querschnitt des Balgs
entlang Linie 17-17 in Fig. 16,
Fig. 18 einen Querschnitt des Balgs
entlang Linie 18-18 in Fig. 16 und
Fig. 19 einen teilweisen Querschnitt des
Balgs entlang der Linie 19-19 in Fig. 18, die den
mittleren Flansch zeigt.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte
Ionenimplantationssystem weist eine Ausgangsbaugruppe 10 und
eine Zielbaugruppe 12 auf. Die Ausgangsbaugruppe 10 umfaßt
eine Ionenquelle 14 zur Ionisierung des Ausgangsmaterials und
zur Bildung eines Ionenstrahls 20, ein Massenspektrometer 16
zum Abtrennen unerwünschter Teilchen aus dem Ionenstrahl 20
und einen Beschleuniger 17 zur Beschleunigung des Ionenstrahls
20 auf Energien im Bereich zwischen 2 keV und 200 keV. Die
Ionenquelle 14 vermag Ionenstrahlströme bis zu 30 mA zu
erzeugen. Der in die Zielbaugruppe 12 gerichtete Ionenstrahl
20 verläuft entlang einer vorgegebenen Achse.
Die Zielbaugruppe 12 umfaßt eine Hochvakuumkammer
30. Die Vakuumkammer 30 wird durch ein Vakuumpumpensystem 34
auf Hochvakuum gehalten. Die Zielbaugruppe 12 umfaßt die
Scanning-Vorrichtung 36 zur Translation oder
zum Scannen von Werkstücken, üblicherweise
Halbleiterplättchen, in zwei Dimensionen relativ zu dem
Ionenstrahl 20. Die Zielbaugruppe 12 umfaßt ebenfalls ein
Transfersystem 38 für die Halbleiterplättchen zum Beladen der
Scanning-Vorrichtung 36 mit den Halbleiterplättchen 39 vor der
Ionenimplantation und zum Entfernen der Plättchen aus der
Scanning-Apparatur 36 nach der Ionenimplantation. Die den
Ionenstrahl 20 von der Ionenquelle 14 zu den
Halbleiterplättchen 39 umgebende Region wird während des
Betriebs auf Hochvakuum gehalten.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der
Scanning-Vorrichtung 36. Die Scanning-Vorrichtung 36 umfaßt
eine Scheibe 40, die in einer ringförmigen Region in der Nähe
ihrer äußeren Peripherie eine Vielzahl von Befestigungsstellen
42 für Halbleiterplättchen aufweist. Die Scheibe 40 ist auf
einer Scheibenantriebseinrichtung 50 befestigt. Die Scheibe 40
und die Scheibenantriebseinrichtung 50 werden durch eine Scan-Arm-Einrichtung
44 abgestützt, die an einer Zugangstür 46
befestigt ist. Die Zugangstür 46 ist auf einem Paar Schienen
48 gelagert, die sich in einer Richtung senkrecht zum
Ionenstrahl 20 unter der Vakuumkammer 30 erstrecken. Die
Zugangstür 46, die Scheibe 40, die Scheibenantriebseinrichtung
50 und die Scan-Arm-Einrichtung 44 können für einen Zugang zu
diesen Elementen auf den Schienen 48 herausgefahren werden.
Durch die Scheibenantriebseinrichtung 50 wird die
Scheibe 40 zur Rotation um eine durch ihr Zentrum verlaufende
Rotationsachse A veranlaßt. Die Scheibe 40, die
Scheibenantriebseinrichtung 50 und die Scan-Arm-Einrichtung 44
werden durch die Scan-Antriebseinrichtung 52 zum Hin- und
Herbewegen oder Scannen entlang eines Bogens 53 um eine Scan-Achse
B veranlaßt. Die Rotation von Scheibe 40 um eine Achse A
und das Scannen der Scan-Arm-Einrichtung 44 um Achse B erzeugt
eine zusammengesetzte zweidimensionale Bewegung relativ zu dem
Ionenstrahl 20, so daß die Oberfläche jedes der auf der
Scheibe 40 befestigten Halbleiterplättchen eine gleichmäßige
Ionendosis erhält. Die Scheibe 40 ist zudem zwischen einer
näherungsweise vertikalen Ionenimplantationsposition
(dargestellt in Fig. 10 mit ausgezogenen Linien) und einer
näherungsweise horizontalen Be-/Entladeposition (dargestellt
in Fig. 10 als Phantombild) bewegbar. Die Scheibe 40 und die
Scheibenantriebseinrichtung 50 können über eine
Scheibenantriebseinrichtung 54 um die Schwenkachse C zwischen
der Implantationsposition und der Be-/Entladeposition
geschwenkt werden. Die Scheibe 40, die
Scheibenantriebseinrichtung 50, die Scan-Arm-Einrichtung 44
und die Scan-Antriebseinrichtung 52 können zudem auch manuell
um die Achse C bewegt werden, um wie nachstehend beschrieben,
den Einfallswinkel zu ändern.
Die in den Fig. 3, 4 und 6 dargestellte
Zugangstür 46 umfaßt eine Scheibenzugangstür 60, deren
innere Oberfläche 60a vakuumdicht gegen eine Öffnung in der
Vakuumkammer 30 abgedichtet ist. Zur Abdichtung der Tür 60
gegen die Vakuumkammer 30 wird ein elastischer Ring 61
verwendet. Zur Verstärkung und Stabilisierung der
Zugangstür 60 ist zwischen der Außenseite der Zugangstür
60 und den Schienen 48 eine Türauflage 62 gekoppelt. Die
Zugangstür 46 umfaßt ferner vertikale Justierungsschrauben
63 zur Anpassung der vertikalen Position der Tür 60 auf den
Schienen 48, horizontale Justierungsschrauben 65 zur Anpassung
der horizontalen Position der Tür 60 auf den Schienen 48 und
einer Rotationseinstellung 67 für die Tür 60.
Wie im folgenden beschrieben, werden die Scheibe 40,
die Scheibenantriebseinrichtung 50, die Scan-Arm-Einrichtung
44 und die Scan-Antriebseinrichtung 52 durch die Zugangstür
60 abgestützt. Die Zugangstür 60 umfaßt ferner eine Öffnung
64 zum Durchtreten der Scan-Arm-Einrichtung 44. Das der
Scheibe zugewandte innere Ende der Scan-Arm-Einrichtung 44
befindet sich innerhalb der Vakuumkammer 30, während das
äußere Antriebsende außerhalb der Vakuumkammer 30 angeordnet
ist. Ein Scan-Träger 66 ist so auf der Außenseite der
Zugangstür 60 befestigt, daß er, wie im folgenden
beschrieben, eine Rotation der Scan-Vorrichtung 36 um Achse C
gestattet.
Wie oben beschrieben, befinden sich die
Befestigungsstellen für die Halbleiterplättchen 42 in einer
ringförmigen Region in der Nähe der Peripherie von Scheibe 40,
so wie dies in den Fig. 3, 10 und 12 dargestellt ist. Jede
Befestigungsstelle 43 für Halbleiterplättchen besteht aus
einer ebenen Oberfläche 42a, auf der ein Halbleiterplättchen
befestigt ist und die als Kühlblech für die von dem
Ionenstrahl 20 auf das Plättchen übertragene Energie wirkt.
Die Befestigungsflächen 42a für die Halbleiterplättchen sind
jeweils relativ zur Scheibenebene 40 um einen vorgegebenen
Winkel 41, der typischerweise bei etwa 7° liegt, geneigt. Beim
Rotieren der Scheibe 40 um die senkrecht zur Scheibenebene
liegende Achse A werden daher die Halbleiterplättchen durch
Zentrifugalkräfte gegen ihre jeweiligen Befestigungsflächen
42a gepreßt. Jede Befestigungsfläche 42 wird vorzugsweise mit
Wasser gekühlt, das durch die Scan-Arm-Einrichtung 44 und die
Scheibenantriebseinrichtung 50 zirkuliert.
Die Scheibe 40 ist an ihrer Nabe mit der
Scheibenantriebseinrichtung 50 verbunden. Wie in den Fig. 11
und 12 dargestellt ist, umfaßt die Scheibenantriebseinrichtung
50 ein vakuumdicht abgedichtetes Scheibenantriebsgehäuse 70,
so daß das Innere hiervon auf Atmosphärendruck gehalten werden
kann. Das Scheibenantriebsgehäuse 70 enthält eine drehbare
Vakuumdurchführung 72, z. B. vom magnetischen Fluid-Typ,
welche eine Drehbewegung und Kühlwasser vom Inneren des
Scheibenantriebsgehäuses 70 in die Vakuumkammer 30 überträgt.
Die Nabe der Scheibe 40 ist in der Vakuumkammer 30 mit einer
Welle 73 der drehbaren Vakuumdurchführung 72 in die
Vakuumkammer 30 gekoppelt. Ein Scheibenantriebsmotor 74 ist
innerhalb des Scheibenantriebsgehäuses 70 direkt mit der Welle
73 der drehbaren Vakuumdurchführung 72 verbunden. Bei dem
Scheibenantriebsmotor 74 kann es sich um einen
Wechselstromdrehmomentringmotor handeln. Mit der Welle 73 sind
ferner eine Detektoreinheit 76 zur Kontrolle der
Winkelstellung der Scheibe 40 und eine Drehverbindung 78 zum
Ankoppeln von Kühlwasserkanälen an die Befestigungsflächen 42
für die Halbleiterplättchen verbunden. Die Kühldurchgänge
durch die Scheibe 40 sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Die Scan-Arm-Einrichtung 44 umfaßt einen hohlen
abgedichteten Raum, der das Innere des
Scheibenantriebsgehäuses 70 mit der umgebenden Atmosphäre
verbindet. Schläuche 77 für Kühlwasser und elektrische Kabel
79 für die Zuführung elektrischer Energie zu dem
Scheibenantriebsmotor 74 und Anschlußbahnen zu der
Detektoreinheit 76 verlaufen durch die Scan-Arm-Einrichtung
44. Durch die Abdichtung des Inneren des
Scheibenantriebsgehäuses 70 werden Verunreinigungen, welche
durch den Scheibenantriebsmotor 74 und die anderen beweglichen
Teile der Scheibenantriebseinrichtung 50 erzeugt werden, davon
abgehalten, in die Vakuumkammer 30 einzudringen und die
Halbleiterplättchen, die implantiert werden, zu verunreinigen.
Von dem Scheibenantriebsgehäuse 70 führt ein Rohr 82 zu einem
wassergekühlten Überlaufbecher 80. Der Überlaufbecher 80 ist
angebracht, um Teile des Ionenstrahls 20, die den Rand der
Scheiben 40 umgehen, aufzunehmen.
Das Scheibenantriebsgehäuse 70 besteht auf einem
ersten Hohlteil 70a, der zur Scheibenrotationsachse A koaxial
ist und einem zweiten Hohlteil 70b, der sich ausgehend vom
Hohlteil 70a erstreckt und koaxial zur Schwenkachse C ist. Wie
in den Fig. 4 und 7 dargestellt ist, besteht die Scan-Arm-Einrichtung
44 aus einem Scan-Arm 86, der gegen den zweiten
Hohlteil 70b abgedichtet ist und diesen abstützt und aus
einem Scan-Arm-Gehäuse 88. Der Scan-Arm 86 ist mit Kugellagern
90, 92 so in dem Scan-Arm-Gehäuse 88 eingebaut, daß der Scan-Arm
86 um die Achse C relativ zum Scan-Arm-Gehäuse 88 rotieren
kann. Der Scan-Arm 86 und das Scan-Arm-Gehäuse 88 erstrecken
sich durch eine Öffnung 64 in der Scheibenzugangstür 60. Die
Öffnung 64 ist durch ein Balg 102 abgedichtet, der an einem
Ende mit dem Scan-Arm-Gehäuse 88 und an dem anderen Ende mit
dem Scan-Träger 66 verbunden ist. Der Balg 102 erlaubt eine
Bewegung der Scan-Arm-Baugruppe 44 relativ zur Zugangstür 60,
während das Hochvakuum in der Kammer 30 aufrechterhalten wird.
Das Scan-Arm-Gehäuse 88 ist an dem Ende außerhalb der
Vakuumkammer 30 mit der Scan-Antriebsanordnung 72 verbunden.
Die Scan-Antriebsanordnung 52, wie die Fig. 4, 5 und
7 zeigen, umfaßt ein Scan-Antriebsgehäuse 104 mit einem
unteren Teil, der mit dem Scan-Arm-Gehäuse 88 verbunden ist.
Das Scan-Antriebsgehäuse 104 erstreckt sich von dem Scan-Arm-Gehäuse
88 nach oben und macht eine Einrichtung verfügbar zur
Montage einer Kugelbolzenanordnung 106 im Abstand zum Scan-Arm-Gehäuse
88. Die Kugelbolzenanordnung 106 ist mit einer
Achse D montiert, die parallel zu und im Abstand von der
Schwenkachse C verläuft. Das Scan-Antriebsgehäuse 104 umfaßt
weiter ein Paar ausgefluchteter V-Blöcke 108, die angeordnet
sind für ein Ankoppeln an eine Scan-Welle 110, die an dem
Scan-Träger 66 durch Kugellager 112 (siehe Fig. 6) montiert
ist, um eine Drehung um die Scan-Achse B zu gestatten. Die
Scan-Arm-Baugruppe 44 und die Scan-Antriebsbaugruppe 52 drehen
sich um die Achse B auf der Scan-Welle 110 durch Betätigung
der Kugelbolzenanordnung 106 wie nachfolgend beschrieben wird.
Die Kugelbolzenanordnung 106 umfaßt eine Mutter 114,
die in einer Hülse 116 montiert ist. Ein Kugelbolzen bzw. eine
Kugelspindel 118 erstreckt sich durch die Mutter 114. Die
Mutter 114 und die Hülse 116 sind durch Lager 120, 122, die
eine Drehung um die Mutter 114 um die Achse D erlauben an dem
Scan-Antriebsgehäuse 104 montiert. Eine Riemenscheibe 124 ist
an der Hülse 116 und eine Riemenscheibe 126 an der Welle des
Scan-Motors 128 befestigt. Der Scan-Motor 128 ist an dem
Antriebsgehäuse 104 montiert und die Riemenscheiben 124 und
126 sind mit einem Synchronisierungsriemen 130 verbunden. Wenn
der Scan-Motor 128 betrieben wird, werden die Riemenscheibe
124, die Hülse 116 und die Mutter 114 in Drehung versetzt.
Ein Ende der Kugelspindel 118 drückt gegen eine
Rolle 132, die durch einen Stift 130 drehbar an dem Scan-Träger
66 montiert ist. Die Kugelspindel 118 ist auch durch
einen Anti-Rotationsbolzen 134 an den Scan-Träger 66
gekoppelt. Eine an dem Anti-Rotationsstift 134 befestigte
Rolle 135 ist in einem länglichen engen Schlitz 136 im Scan-Träger
66 bewegbar. Die Rolle 132 erlaubt eine geringe
Bewegung der Kugelschraube 118 quer zur Achse D, wenn der
Scan-Motor 128 in Betrieb ist. Wie die Fig. 7 und 8 zeigen,
sind Stifte 137 an der Kugelspindel 118 befestigt. Die Stifte
137, die in länglichen Schlitzen 138 bewegbar sind, arbeiten
während des normalen Betriebs nicht. Wenn die Scheibe 40 zur
Wartung oder zum Austausch entfernt wird, halten die Stifte
137 die Scan-Antriebsanordnung 52 in Stellung und hindern sie
aufgrund der Gewichtsveränderung an einer Drehung um die Achse
B.
Das Gewicht der Scheibenantriebsbaugruppe 50 und der
Scheibe 40 bewirkt, daß die Scan-Arm-Baugruppe 44 nach unten
um die Achse B verschwenkt und die Kugelschraube 118 in
Berührung mit der Rolle 132 bringt. Das hat zum Ergebnis, daß
die Kugelschraube 118 in einer im wesentlichen stationären
axialen Lage verbleibt, wenn der Scan-Motor 128 in Betrieb
ist. Wird der Scan-Motor 128 eingeschaltet, rotiert die Mutter
114 auf der stationären Kugelspindel 118 und bewegt sich längs
der Achse D, wodurch bewirkt wird, daß sich die Scan-Arm-Baugruppe
44, die Scheibe 40, die Scheibenantriebsbaugruppe 50
sowie die Scan-Antriebsbaugruppe 52 auf der Scan-Welle 110
drehen.
Die Drehung der Scan-Arm-Baugruppe 44 um die Scan-Welle
110 beträgt typischerweise ±12° für große Plättchen und
ist geringer für kleine Plättchen. Ein an der Tür 60
montierter Anschlag 139 (Fig. 7) begrenzt die Aufwärtsbewegung
der Scan-Arm-Baugruppe 44. Um eine gleichmäßige Verteilung der
Ionenstrahlen 20 über die Plättchenfläche zu erreichen, wird
die Scan-Geschwindigkeit so gesteuert, daß dR/dt proportional
zu 1/R ist, wobei R der Abstand von der Scheibenachse A zum
Strahl 20 in einer Richtung rechtwinklig zur Scheibenachse A
ist.
Abtastschalter 141 (Fig. 6) tasten die Drehlage der
Scan-Arm-Baugruppe 44 um die Achse B, die obere und untere
Begrenzung des Scan und auch die horizontale Lage der Scan-Arm-Baugruppe
44 ab, in der die Scheibe 40 verschwenkt wird
zwischen der Implantationsstellung und der Be-/Entladungsstellung.
Die Drehantriebsbaugruppe 54 ist in dem Scan-Antriebsgehäuse
104 benachbart zum äußeren Ende des Scan-Armes
86 montiert, wie in den Fig. 5 und 7 zu sehen ist. Eine Dreh-Vakuumdichtung
140, die typischerweise aus O-Ringen mit einer
Öldichtung dazwischen bestehen, erlaubt eine Drehbewegung des
Scan-Armes 86 um die Achse C, die in die Vakuumkammer 30 zu
übertragen ist, während sichergestellt wird, daß das
Hochvakuum aufrechterhalten bleibt. Ein Schneckengetriebe 142
ist nahe dem äußeren Ende des Scan-Arms 86 befestigt. Eine
Getriebeschnecke 144 kommt mit einem Getrieberad 172 in
Eingriff und ist durch einen Geschwindigkeitsreduzierer 146
mit der Welle eines Drehantriebsmotors 148 verbunden, der auf
dem Scan-Antriebsgehäuse 104 montiert ist.
Die Drehantriebsbaugruppe 54 wird während der
Beladung und Entladung der Plättchen benutzt, um die Scheibe
von der annähernd vertikalen Implantationsposition in die
annähernd horizontale Be-/Entladungsstellung zu verschwenken.
Nach dem Austausch der Plättchen wird die Scheibe 40 in die
Implantationsstellung zurückverschwenkt. Um die Plättchen der
Scheibe 40 zuzuführen oder zu entnehmen, wird der Scan-Motor
128 mit der Scan-Arm-Baugruppe gestoppt, wobei die Scan-Arm-Anordnung
44 horizontal ist. Der Drehantriebsmotor 148 wird
dann eingeschaltet und bewirkt die Drehung der Schnecke 144
und des Schneckenzahnrades 142. Der Scan-Arm 86 und die
Scheibenantriebsbaugruppe 50 drehen sich dabei um die Achse C
und bewirken, daß die Scheibe 40 in die Be-/Entladungsstellung
verschwenkt (dargestellt in Fig. 10 in Phantomdarstellung). In
der Be-/Entladungsstellung ist jeweils gerade eine
Plättchenmontagestelle 42 benachbart zum
Plättchenüberführungssystem 38 angeordnet, welches die
Plättchen 39 von dieser Stelle belädt oder entlädt. Die
Plättchen 39 werden dann zwischen den Kassetten 150 (Fig. 1
und 10) und der Plättchenmontierungsstelle 42 durch einen
angelenkten Arm 152 bewegt. Nachdem der Plättchenaustausch an
einer Plättchenmontagestelle 42 abgeschlossen ist, bewegt der
Scheibenantriebsmotor 44 die Scheibe 40 zu der nächsten
Plättchenmontagestelle 42 weiter und der
Plättchenaustauschvorgang wird wiederholt.
Nachdem die Plättchen auf jeder
Montierungsstelle 42 ausgetauscht worden sind, wird der
Drehantriebsmotor 148 in die entgegengesetzte Richtung
betätigt, und die Scheibe 40 wird um die Achse C in die
Implantierungsstellung verschwenkt. Während des Betriebs des
Drehantriebsmotors 128 bleibt das Scan-Arm-Gehäuse 88
stationär und der Scan-Arm 86 dreht sich in den Kugellagern 90
und 92.
Wie oben bemerkt wurde, ist es wünschenswert, daß
die Ionenimplantierungseinrichtung die Möglichkeit hat, den
Implantierungswinkel und den Einfallswinkel des Ionenstrahls
auf das Plättchen zu verändern. Typischerweise ist der
Implantierungswinkelbereich vom senkrechten Einfallswinkel bis zu
10° entfernt.
Der Implantierungswinkel kann durch eine einfache Einstellung
geändert werden, die außerhalb der Vakuumkammer 30 ohne
Öffnung oder Belüftung der Vakuumkammer 30 von außen erfolgt.
Bevor die Implantierungswinkeleinstellung betrachtet wird, ist
es sinnvoll, die Beziehung zwischen der Scheibenrotationsachse
A, der Scan-Achse B und der Achse des Ionenstrahls 20 zu
betrachten.
Es ist erwünscht, während des Scannens bzw. des
Abtastens, den Punkt des Einfalls des
Ionenstrahls 20 auf der Plättchenoberfläche längs der
Ionenstrahlachse festzuhalten, um eine gleichförmige Dosis
sicherzustellen. Dieser Zustand wird erreicht, indem die Scan-Achse
B senkrecht zu der Ebene der Plättchenmontierungsstelle
42 gehalten wird, die den Ionenstrahl abfängt. In einer
bevorzugten Ausführungsform sind die
Plättchenmontierungsstellen 42 mit einem Winkel von 7° relativ
zur Ebene der Scheibe 40 ausgerichtet und die Scan-Achse B ist
mit einem Winkel von 7° relativ zur Scheibendrehachse A
ausgerichtet, wie Fig. 14 zeigt. In den Fig. 1 bis 13 ist der
Winkel zwischen der A-Achse und der B-Achse zur Klarheit
weggelassen. Die Beziehung zwischen den Achsen A und B bleibt
fest, wenn der Implantierungswinkel verändert wird. Aus der
Fig. 14 kann ersehen werden, daß sich, wenn sich die Scheibe 14 um
die B-Achse bewegt, diese Montagestelle 42, die den
Ionenstrahl 20 auffängt, in ihrer eigenen Ebene quer bewegt.
Der Winkel zwischen A- und B-Achse wird durch eine
einstellbare Anschlageinrichtung 160 (Fig. 5) erzeugt, die auf
dem Scan-Arm 86 und dem Scan-Antriebsgehäuse 104 montiert ist.
Die einstellbare Anschlagbaugruppe 162 umfaßt einen
Anschlaghebel 161, der radial in einer vorbestimmten
Winkelstellung auf dem Scan-Arm 86 montiert ist und einen
einstellbaren Anschlag 164, der auf dem Scan-Antriebsgehäuse
104 montiert ist. Wenn sich der Scan-Arm 86 um die Achse C
dreht, berühren sich der Anschlaghebel 162 und der Anschlag
164, sobald die Scheibe 40 die Implantierungsstellung erreicht
hat. Der Anschlag 164 ist eine axial einstellbare Schraube,
die es erlaubt, den Winkel zwischen den Achsen A und B genau
einzustellen, so daß die Scan-Achse B rechtwinklig zur Ebene
des Plättchens ist, das den Ionenstrahl 20 auffängt. Der
Drehantriebsmotor 148 ist vorzugsweise ein Wechselstrom-Servomotor,
der eine Drehmomentabtastung verfügbar macht. Wenn
sich der Anschlaghebel 162 in Kontakt mit dem Anschlag 164
bewegt, steigt das durch den Motor 148 zugeführte Drehmoment
an. Das erhöhte Drehmoment wird abgetastet und der Motor
abgeschaltet; mit dem Ergebnis, daß, wenn die Scheibe 40 in
ihre Implantierungsstellung zurückkehrt, der gewünschte Winkel
zwischen der Scheibendrehachse A und der Scan-Achse B erzeugt
wird, unabhängig von der Implantierungswinkeleinstellung wie
nachfolgend beschrieben werden soll.
Wie in den Fig. 4 und 10 dargestellt ist, wird die
Be-/Entladeposition der Scheibe 40 durch eine Stoppeinrichtung
170 festgelegt, die an dem Scheibenantriebsgehäuse 70 und an
der Zugangstür 60 befestigt ist. Einn Stopphebel 172 ist mit
einer radialen Orientierung auf dem zweiten Teil 70b des
Scheibenantriebsgehäuses 70 befestigt. Ein Anschlag 174 ist an
der Zugangstür 60 befestigt. Der Stopphebel 172 und der
Anschlag 174 sind so angeordnet, daß sie einander berühren,
wenn die Scheibe 40 um Achse C in eine Position rotiert, in
der die an der Spitze der Scheibe 40 befindliche
Befestigungsstelle 42 für ein Halbleiterplättchen horizontal
ist und auf das Transfersystem für die Plättchen ausgerichtet
ist. Durch die Stoppvorrichtung 170 wird unabhängig von der
Einstellung des Implantationswinkels eine feste Beziehung
zwischen der Scheibe 40 und dem Transfersystem 38 für die
Halbleiterplättchen hergestellt. Bei Änderung des
Implantationswinkels ist daher keine Justierung des
Transfersystems für die Halbleiterplättchen erforderlich. Ein
Stopphebel 166 (Fig. 5) ist so auf dem Gehäuse 104 befestigt,
daß er den Stopphebel 162 in einer zweiten Winkellage berührt,
die der Be-/Entladeposition entspricht. Durch den Stopphebel
166 wird der Motor 148 ausgeschaltet, sobald die Scheibe 40
nahezu die Be-/Eentladeposition erreicht hat.
Der Implantationswinkel wird geändert, indem
faktisch die gesamte Scanning-Vorrichtung 36 um die Achse C
gedreht wird. Der Scan-Träger 66 ist durch eine Vielzahl von
unter Federvorspannung stehenden Haltern 180 an der Zugangstür
60 befestigt (Fig. 6 und 8). Wenn der Implantationswinkel
geändert werden soll, werden die unter Federvorspannung
stehenden Halter gelöst und der Scan-Träger 66 durch Bedienung
einer Schraubeneinstelleinrichtung 182 um Achse C gedreht. Die
unter Federvorspannung stehenden Halter 180 bewegen sich in
langgestreckten bogenförmigen Nuten 183. Das Scan-Gestell 66
führt die Scan-Antriebseinrichtung 52, die Scan-Arm-Einrichtung
44, die Scheibenantriebseinrichtung 50 und die
Scheibe 40 mit sich, so daß der Winkel der Befestigungsstelle
42 für die Plättchen relativ zu dem Ionenstrahl 20 verändert
wird. Der genaue Implantationswinkel wird durch Einteilungen
184 auf einem Befestigungsarm 185 bestimmt, der an der
Zugangstür 60 und an dem Scan-Gestell 66 befestigt ist. Wenn
der gewünschte Implantationswinkel erreicht ist, werden die
unter Federvorspannung stehenden Halter 180 wieder
nachgespannt. Der Implantationswinkel wird somit festgelegt,
ohne daß die Vakuumkammer geöffnet und belüftet werden muß,
und ohne daß die gewünschte Beziehung zwischen
Scheibenrotationsachse A und Scan-Achse B verändert wird. Ein
an dem Scan-Gestell 66 befestigter Neigungsmesser 187 (Fig. 7)
liefert an den Computer des Ionenimplantationssystems ein dem
Implantationswinkel entsprechendes Signal.
Die Einstelleinrichtung 182 ist in Fig. 9
dargestellt. Ein Bolzen 186 mit flachen Seiten ist auf dem
Befestigungsarm 185 angeordnet. Eine an einer Seite des
Bolzens 186 anstoßende Einstellschraube 188 ist durch einen
ersten Teil 66a des Scan-Gestells 66 gedreht. Eine an die
gegenüberliegende Seite des Bolzens 166 anstoßende
Einstellschraube 190 ist durch einen zweiten Teil 66b des
Scan-Gestells 66 gedreht. Wenn die unter Federvorspannung
stehenden Halter 180 gelöst sind, wird der Implantationswinkel
durch Zurückziehen einer der Einstellschrauben 188 oder 190
und Anziehen der anderen Einstellschraube eingestellt, so daß
das Scan-Gestell 66 zur Drehung um die Achse C veranlaßt wird.
Der Implantationswinkel kann von den Einteilungen 184
abgelesen werden. Wenn der gewünschte Implantationswinkel
erreicht ist, werden beide Einstellschrauben 188, 190 gegen
den Bolzen 186 und die Kontermuttern 192 werden gegen das
Scan-Gestell 66 angezogen, um die Einstellschrauben 188 und
190 in der richtigen Stellung zu halten. Dann werden die unter
Federvorspannung stehenden Halter 180 angezogen. Durch die
Einstellung des Implantationswinkels ohne Öffnung oder
Belüftung der Vakuumkammer 30 wird im Vergleich zu
herkömmlichen Einstellungsmethoden eine erhebliche
Zeitersparnis erreicht.
Die Übertragung mechanischer Bewegung zwischen
Regionen unterschiedlichen Drucks wie z. B. zwischen der
äußeren Umgebung und der Vakuumkammer stellt eine
konventionelle Anwendung eines Balgs dar. Bei normalem
Gebrauch werden die Faltungen eines gewöhnlichen zylindrischen
Balgs gleichmäßig bzgl. einer zentralen Achse
zusammengedrückt. Bei solch einem Gebrauch wird die
Druckdifferenz zwischen dem Balginneren und dem Balgäußeren
gleichmäßig über die Oberfläche verteilt, wenn der Balg
zusammengedrückt wird, so daß der Balg durch die Druckdifferenz
nicht deformiert wird.
Der Balg 102 dichtet das Scan-Arm-Gehäuse 88 so
gegen das Scan-Gestell 66 ab, daß eine Bewegung der Scan-Arm-Vorrichtung
44 und der Scheibe 40 relativ zu der Vakuumkammer
30 ermöglicht wird. Der Balg 102 stellt ein kritisches Element
des Systems dar. Die Scan-Arm-Einrichtung 44 und die Scheibe
40 bewegt sich entlang einer bogenförmigen Kurve um die Scan-Achse
B, so daß der Balg 102 asymmetrisch zusammengedrückt
wird. Da die Vakuumkammer 30 während der Ionenimplantation auf
Hochvakuum gehalten wird, ist der Balg 102 einer großen
Druckdifferenz zwischen seinen inneren und äußeren Oberflächen
ausgesetzt. Der Rotationsbereich der Scan-Arm-Einrichtung 44
um die Scan-Achse 110 liegt für große Halbleiterplättchen bei
etwa ±12°. Die Scan-Rate liegt bei etwa 10 Zyklen pro Minute.
Die Scheibe 40 wird bogenförmig hin- und herbewegt. Während
des Scannens wird der Balg 102 stetig zusammengedrückt,
wodurch die Faltungen des Balgs beansprucht werden, so daß
nach intensivem Gebrauch die Möglichkeit einer Leckbildung
besteht. Selbst ein geringfügiges Leck im Balg führt zu einem
Verlust des Vakuums im Inneren der Vakuumkammer 30. In diesem
Fall muß die Ionenimplantation unverzüglich beendet und der
Balg ersetzt werden. Die Ersetzung des Balgs 102 stellt eine
teuere und zeitaufwendige Reparatur dar, deren Häufigkeit auf
ein absolutes Minimum reduziert werden muß. Zudem ist Totzeit
in einer Halbleiterproduktionseinrichtung sehr unerwünscht.
In den Fig. 15 bis 19 ist eine
Balgeinrichtung mit einer größeren Lebensdauer dargestellt.
Fig. 15 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm zum
Verständnis des Betriebs der Balgeinrichtung und
der Kräfte die während des symmetrischen Zusammendrückens auf
den Balg einwirken. Ein stationärer Flansch 202 ist gegen das
Scan-Gestell 66 und ein beweglicher Flansch 204 an dem Scan-Arm-Gehäuse
88 abgedichtet. Ein flexibler Balg 200 ist an
gegenüberliegenden Enden gegen die Flansche 202 und 204
abgedichtet. Wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung 44 in
horizontaler Position befindet, wird der Balg 200 gleichmäßig
zusammengedrückt und die Flansche 202 und 204 sind im
wesentlichen parallel zueinander. In horizontaler Position
stellt die zentrale Achse 210 des Balgs 200 eine gerade Linie
mit einem Mittelpunkt 212 dar. Die Druckdifferenz ist
gleichmäßig über die Oberfläche des Balgs verteilt.
Wenn die Scheibe 40 durch Drehung der Scan-Arm-Einrichtung
44 im Uhrzeigersinn um die Scan-Achse B nach oben
bewegt wird, wird der Balg 200 asymmetrisch verformt. Die
Position des beweglichen Flansches 204 ist als Phantombild
204′ angedeutet. Der Mittelpunkt der Achse 210 bewegt sich zum
Punkt 212′. In dieser Position wird das Unterteil des Balgs
200 stärker als das Oberteil zusammengedrückt. Das Oberteil
des Balgs 200 besitzt somit eine größere Obefläche als das
Unterteil, so daß das Oberteil aufgrund des Atmosphärendruckes
einer größeren Kraft als das Unterteil ausgesetzt ist. Die
resultierende Kraft ist nach unten auf den zentralen Teil des
Balgs 200 gerichtet. Die nach unten gerichtete Kraft
verursacht bezogen auf seine Achse eine seitliche Deformation
des Balgs nach unten, wenn die Scheibe 40 und die Scan-Arm-Einrichtung
44 aus ihrer horizontalen Position nach unten
bewegt werden, wird der Balg 200 so zusammengedrückt, daß der
Flansch 204 in die als Phantombild dargestellte Position 204″
bewegt wird. Der Mittelpunkt der Achse 210 rückt zum Punkt
212 ″. In dieser Position wird das Oberteil des Balgs 200
stärker zusammengedrückt als das Unterteil. Hierdurch besitzt
das Unterteil des Balgs 200 eine größere Oberfläche als das
Oberteil, so daß der Atmosphärendruck eine nach oben
gerichtete resultierende Kraft auf den Balg 200 ausübt. Der
Balg neigt daher am einen Ende des Hubs zu einer seitlichen
Verformung nach oben und am anderen Ende des Hubs zu einer
seitlichen Verformung nach unten. Die auch als Krümmung
("squirm") bekannte seitliche Verformung verlagert die Punkte
212′ und 212″ aus ihrer in Fig. 15 dargestellten
Ausgangsposition, wenn die im folgenden dargestellte
Balgeinrichtung nicht verwendet wird. Das Ergebnis
der durch den Atmosphärendruck erzeugten lateralen Deformation
besteht darin, daß ohne die nachfolgend beschriebene Balgeinrichtung die
Auslenkung der Faltungen in der Nähe der Flansche verstärkt
wird, wodurch gelegentlich frühzeitige Defekte auftreten.
Es ist eine Führungseinrichtung zur
Führung des Balgmittelteils vorgesehen, wenn die Scan-Arm-Einrichtung
44 und die Scheibe 40 um die Scan-Achse B gedreht
werden. Die Aufgabe dieser Führungseinrichtung besteht darin,
die durch den Atmosphärendruck erzeugte laterale Deformation
des Balgs im wesentlichen zu unterdrücken. Die
Führungseinrichtung stellt sicher, daß sich der Mittelpunkt
der Balgachse 210 während des Scannens im wesentlichen
zwischen den Punkten 212′ und 212″ bewegt.
Die Vorrichtung zur Führung des Balgs 200 ist in den
Fig. 16 bis 19 dargestellt. Der Balg 200 ist an seinem einen
Ende durch den Flansch 202 gegen das Scan-Gestell 66 und an
seinem anderen Ende durch den Flansch 204 gegen das Scan-Arm-Gehäuse
88 abgedichtet. Das die Vakuumkammer 30 umfassende
Scan-Gestell 66 ist Teil der stationären Vorrichtung, während
das Scan-Arm-Gehäuse 88 Teil der beweglichen Vorrichtung ist,
die sich um die Scan-Achse B dreht und die Scheibe 40, die
Scan-Arm-Einrichtung 44 und die Scan-Antriebseinrichtung 52
umfaßt. (Obwohl die Zugangstür 46 auf Schienen 48
bewegbar ist, ist sie während des Betriebs des Systems
stationär.)
Ein herkömmlicher kreisförmiger Mittelflansch 220
ist am Mittelpunkt des Balgs 200 befestigt. Der Mittelflansch
220 ist mit Schrauben 221 an einem Ring 219
befestigt, der gegen die Faltungen des Balgs 200 abgedichtet
ist (siehe Fig. 18 und 19). Ein erster Schwenkarm 222 ist
durch Schwenkbolzen 224 schwenkbar mit einer Tragleiste 226
gekoppelt. Die Tragleiste 226 ist fest mit dem Scan-Gestell 66
verbunden. Ein zweiter Schwenkarm 232 ist durch einen
Schwenkbolzen 234 schwenkbar mit einer Tragleiste 236
gekoppelt. Die Tragleiste 236 ist fest mit dem Scan-Gestell 66
verbunden. Die Tragleisten 226 und 236 positionieren die
jeweiligen Schwenkarme 222 und 232 an gegenüberliegenden Enden
der Scan-Achse 110. Die Schwenkbolzen 224 und 234 gestatten
eine Schwenkbewegung der jeweiligen Arme 222 und 232 um eine
Achse 238, die parallel zur Scan-Achse B verläuft. Eine Rolle
240 ist auf einem Abstandshalter 242 auf dem V-Block 108
befestigt. Eine Rolle 244 ist auf einem Abstandshalter 246 auf
dem V-Block 108 befestigt. Der Schwenkarm 222 ist mit einem U-förmigen
Absatz 248 versehen, der mit der Rolle 240 in
Wechselwirkung tritt.
Der Schwenkarm 232 ist mit einem U-förmigen Absatz
250 versehen, der mit der Rolle 244 in Wechselwirkung tritt.
Ein Verbindungsarm 256 verbindet den Schwenkarm 222 und eine
Auskragung 220a auf einer Seite des Mittelflansches 220
schwenkbar. Ein Verbindungsarm 258 verbindet den Schwenkarm 232 und eine Auskragung 220b auf der gegenüberliegenden Seite des
Mittelflansches 220 schwenkbar. Der Schwenkarm 222 und der
Verbindungsarm 256 sind durch einen Schwenkbolzen 260
verbunden, der Verbindungsarm 256 und der Mittelflansch 220
sind durch einen Gelenkbolzen 262 verbunden. Der
Verbindungsarm 258 und der Schwenkarm 232 sind durch einen
Schwenkbolzen 264 verbunden. Der Verbindungsarm 258 und der
Mittelflansch 220 sind durch einen Schwenkbolzen 266
verbunden.
Während des Betriebs schwenken die Schwenkarme 222
bzw. 232 um die Bolzen 224 bzw. 234, wenn die Scheibe 40 und
die Scan-Arm-Vorrichtung 44 sich um die Scan-Achse B bewegen.
Die Befestigungsarme 226 und 236 verbleiben während des
Betriebs in stationärer Position. Der V-Block 108 bewegt sich
um die Scan-Achse B, so daß sich die Rollen 240 und 244 auf
einem Bogen mit der Scan-Achse als Zentrum bewegen. Da die
Absätze 248 bzw. 250 auf den Schwenkarmen mit den jeweiligen
Rollen 240 und 244 in Wechselwirkung treten, werden die
Schwenkarme 222 bzw. 232 durch die Rollen 240 bzw. 244 auf
einem Bogen um die Schwenkbolzen 224 bzw. 234 bewegt. Die
Bewegung der Schwenkachse 222 und 232 wird durch die
Verbindungsarme 256 und 258 auf den Mittelflansch 220
übertragen. Die Bewegung des Mittelflansches 220 ist daher
durch die Schwenkarme 222 und 232 und die Verbindungsarme 256
und 258 festgelegt.
Die Länge und die Lage der Schwenkarme 222, 232 und
der Verbindungsarme 256, 258 werden so gewählt, daß der Balg
200 durch den Atmosphärendruck nicht seitlich verformt wird.
In der hier gezeigten und beschriebenen Konfiguration ist die
aus dem Atmosphärendruck resultierende Kraft entlang einer
durch die Scan-Achse B verlaufenden Linie gerichtet. Bezug
nehmend auf Fig. 15, veranlaßt die Führungseinrichtung den
Mittelpunkt der Balgachse sich auf einer zwischen den Punkten
212′ und 212″ verlaufenden Kurve zu bewegen. Vorzugsweise
bleiben die Verbindungsarme 256 und 258 während der Bewegung
auf die Scan-Achse B gerichtet, so daß die durch die
Führungseinrichtung auf den Balg ausgeübten Kräfte entlang
durch die Scan-Achse verlaufenden Linien gerichtet sind und
durch die Führungseinrichtung keine zusätzlichen deformierenden
Kräfte auf den Balg 200 ausgeübt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Balg
mit einem Durchmesser von 24,9 cm, eine Länge von 16,7 cm
(in neutraler Position) und 78 Faltungen verwendet.
Bezugnehmend auf Fig. 15 sind die Schwenkarme 222 und 232 in
der bevorzugten Ausführungsform so dimensioniert, daß die
Entfernung zwischen der Schwenkachse 238 und dem Schwenkbolzen
260 3,233 cm und die Entfernung zwischen dem Schwenkbolzen
260 und der Rolle 240 3,81 cm beträgt. Die
Verbindungsarme 256 und 258 sind in der bevorzugten
Ausführungsform so dimensioniert, daß die Entfernung zwischen
den Schwenkbolzen 260 und 262 17,8 cm beträgt. Der
Mittelflansch ist vorzugsweise in der Mitte des Balgs 200
angeordnet. In einem Lebensdauertest überlebte die oben
beschriebene Balgeinrichtung 3×10⁶ Operationszyklen während
Bälge ohne die beschriebene Führungseinrichtung bereits
nach 3×10⁵ Operationszyklen versagten.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen
Bewegung in eine Vakuumkammer (30),
mit einer feststehenden Baugruppe, die einen Vakuummantel aufweist, der eine Vakuumkammer (30) bildet,
mit einer bewegbaren Baugruppe, die eine Scan-Arm-Einrichtung (44) aufweist, die sich durch den Vakuummantel erstreckt und für eine Bewegung um eine Scan-Achse (B) befestigt ist,
mit einer Antriebseinrichtung (52) zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) längs einer bogenförmig gestalteten Bahn,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Balgeinrichtung (200) zur Abdichtung der Scan-Arm-Einrichtung (44) in Bezug auf den Vakuummantel vorgesehen ist, die eine Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) ermöglicht, und die einer asymmetrischen Ablenkung und einer Druckdifferenz zwischen ihrer Innen- und Außenfläche während der Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) ausgesetzt ist, und daß eine Führungseinrichtung zum Führen eines Zwischenteils (220) der Balgeinrichtung (200) vorgesehen ist, die, wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) bewegt, die Balgeinrichtung (200) längs einer Bahn führt, der in Abwesenheit der Druckdifferenz zwischen der Innen- und Außenfläche der Balgeinrichtung (200) gefolgt werden würde.
mit einer feststehenden Baugruppe, die einen Vakuummantel aufweist, der eine Vakuumkammer (30) bildet,
mit einer bewegbaren Baugruppe, die eine Scan-Arm-Einrichtung (44) aufweist, die sich durch den Vakuummantel erstreckt und für eine Bewegung um eine Scan-Achse (B) befestigt ist,
mit einer Antriebseinrichtung (52) zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) längs einer bogenförmig gestalteten Bahn,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Balgeinrichtung (200) zur Abdichtung der Scan-Arm-Einrichtung (44) in Bezug auf den Vakuummantel vorgesehen ist, die eine Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) ermöglicht, und die einer asymmetrischen Ablenkung und einer Druckdifferenz zwischen ihrer Innen- und Außenfläche während der Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) ausgesetzt ist, und daß eine Führungseinrichtung zum Führen eines Zwischenteils (220) der Balgeinrichtung (200) vorgesehen ist, die, wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) bewegt, die Balgeinrichtung (200) längs einer Bahn führt, der in Abwesenheit der Druckdifferenz zwischen der Innen- und Außenfläche der Balgeinrichtung (200) gefolgt werden würde.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Scan-Arm-Einrichtung
(44) innerhalb der Vakuumkammer eine Werkstückmontierungseinrichtung
(40) trägt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung eine
Einrichtung zur dreh- bzw. schwenkbaren Kopplung des
Zwischenteils (220) der Balgeinrichtung (200) mit der feststehenden
Baugruppe und mit der bewegbaren Baugruppe umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Balgeinrichtung (200) einen
stationären Flansch (202) aufweist, der gegen die feststehende
Baugruppe (66) abgedichtet ist, daß ein bewegbarer Flansch
(204) an der bewegbaren Baugruppe (88) angebracht und gegenüber
der bewegbaren Baugruppe (88) abgedichtet ist, daß die flexible
Balgeinrichtung (200) gegen den stationären Flansch (202) und
gegen den bewegbaren Flansch (204) abgedichtet ist, und daß sich
ein Teil der Scan-Arm-Einrichtung (44) durch die flexible
Balgeinrichtung (200) zu der Vakuumkammer (30) erstreckt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung einen
Zwischenflansch (220) aufweist, der an dem Zwischenteil der
flexiblen Balgeinrichtung (200) angebracht ist, daß ein
Balgschwenkarm (222, 232) schwenkbar zwischen der feststehenden
Baugruppe (66) und der bewegbaren Baugruppe (88) so gekoppelt
ist, daß der Balgschwenkarm (222, 232) um eine Schwenkarmachse
verschwenkt, wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die
Scan-Achse (B) bewegt, und daß ein Verbindungsarm (256, 258)
zwischen dem Zwischenflansch (220) und dem Balgschwenkarm (222,
232) so gekoppelt ist, daß der Verbindungsarm (256, 258) zu der
Scan-Achse ausgerichtet bleibt, während der Bewegung der Scan-Arm-Einrichtung
(44) um die Scan-Achse (B).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Führung des
Zwischenflansches (220) einen ersten Balgschwenkarm (222) umfaßt,
der drehbar zwischen der feststehenden Baugruppe (66) und der
bewegbaren Baugruppe (88) gekoppelt ist,
einen zweiten Balgschwenkarm (232), der drehbar zwischen der feststehenden Baugruppe (66) und der bewegbaren Baugruppe (88) gekoppelt ist,
einen ersten Verbindungsarm (256) der drehbar zwischen dem ersten Balgschwenkarm (222) und einer ersten Seite des Zwischenflansches (220) gekoppelt ist, und
einen zweiten Verbindungsarm (258), der drehbar zwischen dem zweiten Balgschwenkarm (232) und einer zweiten Seite des Zwischenflansches (220) gekoppelt ist, wobei der erste (222) und der zweite Schwenkarm (232) sich um eine gemeinsame Schwenkarmachse (238) verschwenken, wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) bewegt.
einen zweiten Balgschwenkarm (232), der drehbar zwischen der feststehenden Baugruppe (66) und der bewegbaren Baugruppe (88) gekoppelt ist,
einen ersten Verbindungsarm (256) der drehbar zwischen dem ersten Balgschwenkarm (222) und einer ersten Seite des Zwischenflansches (220) gekoppelt ist, und
einen zweiten Verbindungsarm (258), der drehbar zwischen dem zweiten Balgschwenkarm (232) und einer zweiten Seite des Zwischenflansches (220) gekoppelt ist, wobei der erste (222) und der zweite Schwenkarm (232) sich um eine gemeinsame Schwenkarmachse (238) verschwenken, wenn sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B) bewegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste (256) und der zweite (258)
Verbindungsarm zur Scan-Achse (B) ausgerichtet verbleiben,
während sich die Scan-Arm-Einrichtung (44) um die Scan-Achse (B)
bewegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenflansch (220) aus einem
Ring besteht, der gegen die flexible
Balgeinrichtung (200) in deren Mitte abgedichtet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkarmachse (238) parallel zu
und im Abstand von der Scan-Achse (B) verläuft.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste (222) und der zweite (232)
Balgschwenkarm mit der feststehenden Baugruppe (66) durch Drehbolzen
(224, 234) auf der Schwenkarmachse (238) verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Führen des
Zwischenflansches (220) weiter eine erste Rolle (240) und eine
zweite Rolle (244) umfaßt, die auf der bewegbaren Baugruppe (88)
montiert sind, und daß der erste (222) und der zweite (232)
Balgschwenkarm Ausnehmungen (248, 250) zum in Eingriffkommen mit der
ersten (240) bzw. zweiten Rolle (244) aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste (256) und der zweite (258)
Verbindungsarm mit dem ersten (222) bzw. zweiten Balgschwenkarm
(232) zwischen den Drehbolzen (224, 234) und den Ausnehmungen
(248, 250) gekoppelt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer eine Einrichtung
(30) zur Erzeugung eines Ionenstrahls (20) für eine
Ionenstrahlbehandlung von Werkstücken (39) auf der
Werkstückmontierungseinrichtung (40) angeordnet ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4091603C1 true DE4091603C1 (de) | 1995-05-04 |
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