DE4106846C1 - High vacuum tight drive for MBE appts. - comprising mounting head for substrate carrier pivotable between deposition position and charging position - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hochvakuumdichte Antriebs­ vorrichtung zum Antrieb eines in einer Bedampfungs­ kammer, insbesondere einer Molekularstrahl-Epitaxie- Anlage, im Hochvakuum angeordneten Aufnahmekopfes für ein während einer kontinuierlichen Drehbewegung zu bedampfendes Substrat, der zwischen einer Bedampfungs­ stellung und Beschickungsstellung verschwenkbar ist, mit einer für die Verschwenkbewegung am Aufnahmekopf befestigten und mit einem Schwenkantrieb verbundenen Hohlwelle sowie mit einer sich durch die Hohlwelle erstreckenden und mit einem Drehantrieb verbundenen Welle zum Antrieb eines im Aufnahmekopf angeordneten Winkelgetriebes für die Substratdrehbewegung und mit einem an die Bedampfungskammer hochvakuumdicht be­ festigten, von der Hohlwelle durchquerten Gehäuse.

Eine derartige Antriebsvorrichtung ist aus dem Daten­ blatt SH2-R Series Substrate Heating & Rotation Stage der Firma Leisk Engineering Limited, Burgess Hill, England bekannt und wird bei der Herstellung von Halb­ leiterbauelementen verwendet, um unterschiedlich zusam­ mengesetzte Schichten auf ein Trägermaterial oder Substrat aufzutragen. Eine bewährte Methode für einen solchen Arbeitsprozeß ist die Molekularstrahl-Epitaxie in speziellen Ultrahochvakuumanlagen, die auch kurz als Molekularstrahl-Epitaxie-Anlagen bezeichnet werden. Bei einem Beschichtungsverfahren werden die Ausgangs­ materialien aus mehreren Verdampferquellen auf ein geheiztes Substrat aufgedampft, das in der Molekular­ strahl-Epitaxie-Anlage auf einem Aufnahmekopf gehalten wird, der zwischen einer Beschickungsstellung und einer Bedampfungsstellung um etwa 180 Grad hin- und her­ schwenkbar ist. Während der Bedampfungsphase wird das Substrat kontinuierlich gedreht, um eine möglichst gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.

Der Aufnahmekopf ist an der Antriebsvorrichtung be­ festigt, die ihrerseits am Gehäuse der Molekularstrahl- Epitaxie-Anlage angeflanscht ist. Die Verbindung ist ultrahochvakuumdicht und muß wegen der Ausheizbarkeit der Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage für Temperaturen von über 200 Grad Celsius ausgelegt sein. Da herkömm­ liche Schmiermittel wegen des Ausgasens im Vakuum nicht verwendet werden dürfen, ergeben sich bezüglich der Mechanik einer solchen Antriebsvorrichtung besondere Probleme. Bei der bekannten Antriebsvorrichtung sind am Gehäuse ein Schwenkantrieb und ein Drehantrieb ange­ flanscht, wobei der Drehantrieb mit der Welle gekoppelt ist und mit der Längsachse des Gehäuses der Antriebs­ vorrichtung fluchtet. Der Schwenkantrieb ist bei der bekannten Vorrichtung seitlich angeflanscht und über ein Winkelgetriebe mit der Hohlwelle gekoppelt, die am Aufnahmekopf starr befestigt ist und über die der Aufnahmekopf zwischen der Beschickungsstellung und der Bedampfungsstellung verschwenkt wird.

Infolge der außeraxialen Anordnung des Schwenkantriebs über ein Winkelgetriebe ergibt sich ein hoher Platz­ bedarf sowie ein Getriebespiel im Winkelgetriebe, durch das die Präzision der Schwenkbewegung beim Andocken und Abnehmen eines Substrates am Aufnahmekopf leidet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen platzsparenden Aufbau sowie durch eine präzise Steuerbarkeit der Verschwenkbewegung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schwenkantrieb über eine UHV-Drehdurchführung mit der Längsachse der Hohlwelle fluchtend angeordnet ist, die einen dünnwandigen hülsenartigen Abschnitt aus einem Magnetfelder durchlassenden Material aufweist, in dem an dem vom Aufnahmekopf wegweisenden Ende der Welle ein Magnetläufer angeordnet ist, und daß außerhalb des von der Hohlwelle durchquerten Gehäuses ein mit dem Drehantrieb verbundener Magnetrotor angeordnet ist, durch den zusammen mit dem Magnetläufer eine durch das Gehäuse und den hülsenartigen Abschnitt der Hohlwelle wirksame Kupplung gebildet ist.

Dadurch, daß der Schwenkantrieb ohne Zwischenschalten eines Winkelgetriebes mit der Hohlwelle verbunden ist, werden Getriebespiele von Zahnrädern und Schnecken­ getrieben eines Winkelgetriebes vermieden, so daß beim Handbetrieb eine hohe Feinfühligkeit erreicht wird. Der Drehantrieb erfolgt über eine ebenfalls zur Längsachse des Gehäuses fluchtend angeordnete Magnetkupplung, die von außen durch das Gehäuse und den hülsenartigen Abschnitt der Hohlwelle eine Verbindung zur Welle für den Drehantrieb schafft, an den nicht die Anforderungen bezüglich der Reproduzierbarkeit und Spielfreiheit gestellt werden, wie an den Schwenkantrieb.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der An­ triebsvorrichtung im Bereich der Mag­ netkupplung und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Magnetkupp­ lung entlang der Linie III-III in einer Draufsicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Antriebsvorrichtung ist eine Ultra-Hochvakuum-Zweifachdurchführung mit integrierter Magnetkupplung 1. Sie umfaßt eine Schwenk- und Dreh­ durchführung zum Antrieb eines Aufnahmekopfes 2, der in einer Bedampfungskammer 3 einer Molekularstrahl-Epi­ taxie-Ultra-Hochvakuumanlage (MBE-Anlage) angeordnet ist. Die Wand 4 der Bedampfungskammer 3 verfügt über eine Öffnung 5 mit einem Kammerflanschstutzen 6 zur Einführung und Befestigung der Antriebsvorrichtung.

Der Aufnahmekopf 2 verfügt über eine Bajonetthülse 7 in der ein Substratträger S eingerenkt werden kann. Auf dem Substratträger S ist ein Substrat 9 befestigt, das mit Hilfe des Aufnahmekopfes 2 um die Längsachse 10 des Aufnahmekopfes in der durch den Pfeil 11 veranschau­ lichten Weise gedreht werden kann. Außerdem gestattet der Aufnahmekopf 2 ein Heizen des Substrates 9 sowie eine Verschwenkbewegung um die Längsachse 12 der An­ triebsvorrichtung in der durch den Doppelpfeil 13 veranschaulichten Weise, um das Substrat aus der in Fig. 1 links dargestellten Bedampfungsstellung in die in Fig. 1 rechts dargestellte Beschickungsstellung zu verschwenken. In der Beschickungsstellung des Aufnahme­ kopfes 2 kann in Richtung des Pfeiles 14 der Substrat­ träger 8 durch eine nicht dargestellte Öffnung in der Wand 4 in die Bedampfungskammer 3 eingeführt und mit der Bajonetthülse 7 verrenkt werden. Durch Verschwenken des Aufnahmekopfes 2 um die Längsachse 12 wird das Substrat 9 in die Bedampfungsstellung gebracht, so daß es während eines kontinuierlichen Drehens von durch die Pfeile 55 veranschaulichten Verdampferquellen für diverse Ausgangsmaterialien beaufschlagt werden kann.

Die Bajonetthülse 7 des Aufnahmekopfes 2 ist über ein Winkelgetriebe 15 mit einer Welle 16 verbunden, die es gestattet, die Bajonetthülse 7 und das Substrat 9 während der Bedampfungsphase kontinuierlich zu drehen. Die Schwenkbewegung zur Verschwenkung des Substrates 9 zwischen der Beschickungsstellung und der Verdampfungs­ stellung erfolgt über eine Hohlwelle 17, die am Aufnah­ mekopf 2 befestigt ist und die Welle 16 in der in Fig. 1 dargestellten Weise umgibt.

Die Hohlwelle 17 ist im Gehäuse 18 der Antriebsvorrich­ tung mit Hilfe von Rillenkugellagern 19, 20 gelagert. Das Gehäuse 18 verfügt über einen Flanschstutzen 21 und einen sich daran anschließenden Rohrstutzen 22 aus nicht magnetisierbarem Edelstahl. Am in Fig. 1 oberen Ende verfügt der Rohrstutzen 22 über einen Flansch 23 zur Befestigung einer UHV-Drehdurchführung 25 mit Flansch 24, die handbetrieben als Schwenkantrieb für den Aufnahmekopf 2 dient und fluchtend zur Längsachse 12 der Antriebsvorrichtung angeordnet ist.

Die Antriebswelle 26 der UHV-Drehdurchführung 25 ist über eine mechanische Kupplung 27 zum Ausgleichen von Fluchtungsfehlern mit einer Flanschscheibe 28 drehfest verbunden, die in Fig. 2 gegenüber Fig. 1 vergrößert dargestellt ist.

Die Flanschscheibe 28 ist mit Bundsegmenten 29, die in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt sind, verschraubt. Die Bundsegmente 29 sind Teil eines Bundes 30 mit stern­ förmig angeordneten Aussparungen 31.

Der Bund 30 ist am in den Fig. 1 und 2 oben darge­ stellten Ende einer Hülse 32 angeordnet, die einen Außendurchmesser hat, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 18 im Bereich des Rohr­ stutzens 22 ist, um geringe radiale Abmessungen zu erreichen. Die Hülse 32 ist Teil der Hohlwelle 17 be­ festigt, die zur Übertragung der Schwenkbewegung dient und die Rillenkugellager 33, 34 zur Lagerung der Welle 10 enthält.

Die Welle 10 ist an ihrem in Fig. 1 und 2 oben dar­ gestellten Ende mit einem Magnetläufer 35 drehfest verbunden, der Teil der Magnetkupplung 1 ist und bei einer Drehung über das Winkelgetriebe 15 eine Substrat­ drehbewegung bewirkt.

Der Magnetläufer 35 verfügt über einen im wesentlichen zylindrischen Kern 30, der in Fig. 3 in Draufsicht zu erkennen ist. Auf der Mantelfläche des Kerns 30 sind sternförmig sechs Permanentmagnete 37 angeordnet. Um hohe magnetische Koppelkräfte zu erhalten, werden vorzugsweise Magnete verwendet, die auf der Basis seltener Erden hergestellt sind.

Den Permanentmagneten 37 sind Permanentmagnete 38 zugeordnet, die am Innenmantel eines Magnetrotors 39 befestigt sind. Bei einer Drehung des Magnetrotors 39 wird der Magnetläufer 35 infolge der den Rohrstutzen 22 und die Hülse 32 durchquerenden magnetischen Kräfte mitgedreht. Der Magnetrotor 39 ist über Rillenkugel­ lager 40 am Flanschstutzen 21 drehbar befestigt. Als Drehantrieb für das Substrat 9 und den Magnetrotor 39 dient ein Elektromotor 41, der beispielsweise über einen Bandantrieb 42 mit dem Magnetrotor 39 gekoppelt und mit Hilfe eines Winkelblechs 43 am Flansch 23 befestigt ist.

Die Magnetkupplung 1 läßt sich dank der Aussparungen 31 leicht montieren. Die Antriebsvorrichtung zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion, eine präzise Hand­ habung sowie eine kompakte Bauweise aus. Infolge der Magnetkupplung 1, die es gestattet, auf ein Winkel­ getriebe zu verzichten, ergibt sich eine höhere Zuver­ lässigkeit und eine verlängerte Lebensdauer der An­ triebsvorrichtung.

Claims (10)

1. Hochvakuumdichte Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines in einer Bedampfungskammer, insbesondere einer Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage, im Hochvakuum angeord­ neten Aufnahmekopfes für ein während einer kontinuier­ lichen Drehbewegung zu bedampfendes Substrat, der zwischen einer Bedampfungsstellung und Beschickungs­ stellung verschwenkbar ist, mit einer für die Ver­ schwenkbewegung am Aufnahmekopf befestigten und mit einem Schwenkantrieb verbundenen Hohlwelle sowie mit einer sich durch die Hohlwelle erstreckenden und mit einem Drehantrieb verbundenen Welle zum Antrieb eines im Aufnahmekopf angeordneten Winkelgetriebes für die Substratdrehbewegung und mit einem an die Be­ dampfungskammer hochvakuumdicht befestigten, von der Hohlwelle durchquerten Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkantrieb über eine UHV-Drehdurchführung (25) mit der Längsachse (12) der Hohlwelle (17) fluchtend angeordnet ist, die einen dünnwandigen hülsenartigen Abschnitt (32) aus einem Magnetfelder durchlassenden Material aufweist, in dem an dem vom Aufnahmekopf (2) wegweisenden Ende der Welle (16) ein Magnetläufer (35) angeordnet ist, und daß außerhalb des von der Hohlwelle (17) durchquerten Gehäuses (18, 22) ein mit dem Drehantrieb (41) verbun­ dener Magnetrotor (39) angeordnet ist, durch den zusam­ men mit dem Magnetläufer (35) eine durch das Gehäuse (18, 22) und den hülsenartigen Abschnitt (32) der Hohlwelle (17) wirksame Kupplung (1) gebildet ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenartige Abschnitt (32) der Hohlwelle (17) über eine Fluchtungsfehler ausgleichende mechanische Kupplung (27) mit einer für den Schwenk­ antrieb verwendeten UHV-Drehdurchführung (25) verbunden ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Magnetrotor (39) auf einem am Gehäuse (18) angeordneten Flanschstutzen (21) drehbar gelagert ist.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetrotor (39) mit einem als Drehantrieb verwendeten Elektromotor (41) verbunden ist.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenartige Abschnitt der Hohlwelle (17) aus einer Edelstahlhülse (32) mit einem gegenüber der übrigen Hohlwelle (17) vergrößerten Durchmesser besteht.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Magnetläufer (35) tragende Welle (16) in der Nähe des Magnetläufers (35) und in der Nähe des Aufnahmekopfes (2) in Rillenkugellagern (33, 34) gelagert ist.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (17) durch zwei im Abstand voneinander im Gehäuse (18) angeordnete Rillen­ kugellager (19, 20) gelagert ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetläufer (35) einen zylin­ drischen Kern (36) mit mehreren den Kernmantel radial überragenden und sich axial erstreckenden Magneten (37) aufweist.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetrotor (39) eine der Zahl der Magnete (37) des Magnetläufers (35) entsprechende Zahl von sich in axialer Richtung erstreckenden Mag­ neten (38) aufweist, die sich radial bis in die Nähe der Oberfläche des Gehäuses (18, 22) erstrecken.

10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der hülsenartige Abschnitt (32) einen Bund (30) zum Anflanschen der mechanischen Kupplung (27) aufweist, der entsprechend der Anordnung der Magnete (37) des Magnetläufers (35) mit Ausspa­ rungen (31) versehen ist, zwischen denen sich Bundseg­ mente (29) zum Befestigen einer Flanschscheibe (28) für die mechanische Kupplung (27) befinden.