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Dokumentenidentifikation DE10112221A1 27.09.2001
Titel Vakuumlagerstruktur und Verfahren zum Abstützen eines beweglichen Elements
Anmelder Applied Materials, Inc., Santa Clara, Calif., US
Erfinder Ryding, Geoffrey, Manchester, Ma., US;
Smick, Theodore H., Essex, Ma., US;
Farley, Marvin, Ipswich, Ma., US;
Sakase, Takao, Rowley, Ma., US
Vertreter Kahler, Käck & Fiener, 86899 Landsberg
DE-Anmeldedatum 14.03.2001
DE-Aktenzeichen 10112221
Offenlegungstag 27.09.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.09.2001
IPC-Hauptklasse F16C 32/06
IPC-Nebenklasse F16J 15/40   
Zusammenfassung Eine Vakuumlagerstruktur umfaßt eine Kombination eines planaren Gaslagers mit einer Dichtung für ein differentiell gepumptes Vakuum. Die Oberflächen der Lagerfläche und der Vakuumdichtung bestehen aus einem porösen Material, das in einen ersten äußeren Bereich (120), durch den Lagergas sickern kann, um eine Abstützung vorzusehen, und einen inneren, zweiten Bereich (121), der die Vakuumdichtung vorsieht, aufgeteilt ist. Eine Austrittsnut (97) trennt die zwei Bereiche, so daß Lagergas in die Atmosphäre strömen kann. Die resultierende Struktur kann mit einer niedrigeren Flughöhe arbeiten, um die Belastung auf die Vakuumdichtung zu verringern. Die Struktur ist für Bewegungsdurchführungen in Vakuumprozesse, wie z. B. Ionenimplantation, besonders nützlich.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Vakuumlagerstrukturen und Verfahren zum Abstützen von beweglichen Elementen, insbesondere in Öffnungen, die in Wänden von Vakuumkammern vorgesehen sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung auf dem Gebiet von Ionenimplantationsanlagen angewendet.

Es besteht häufig ein Bedarf, bewegliche Elemente innerhalb einer Vakuumkammer zu montieren, insbesondere wenn die Bewegung von außerhalb der Vakuumkammer übertragen werden muß. Elektrisch gespeiste Stellglieder, wie z. B. elektrische Motoren, arbeiten in einem Vakuum nicht gut, und somit sind diese normalerweise außerhalb einer Vakuumkammer installiert und eine gewisse Vakuumdichtungsanordnung ist vorgesehen, die ermöglicht, daß die erforderliche Bewegung des Elements innerhalb der Vakuumkammer von außen übertragen wird. Ebenso soll normalerweise eine hydraulische oder andere Fluiddruckbetätigung innerhalb einer Vakuumkammer vermieden werden.

Drehvakuumdichtungen sind gut bekannt, beispielsweise ferromagnetische Fluiddichtungen. Dichtungen, die eine geradlinige Bewegung aufnehmen, sind gewöhnlich problematischer, und Lösungen des Standes der Technik umfassen biegsame Dichtungen vom Faltenbalgtyp.

Vakuumdichtungen, die eine geradlinige Bewegung aufnehmen, wurden unter Verwendung einer Kombination eines Luftlagers und einer Dichtung für ein differentiell gepumptes Vakuum, die sich zwischen dem Luftlager und dem Inneren der Vakuumkammer befindet, vorgeschlagen. Ein früherer Vorschlag für eine solche Anordnung ist in WO 82/02235 (Fox) enthalten. Eine Anordnung dieser Art zur Verwendung in einer Ionenimplantationsanlage ist in US-5898179 (Smick et al.) offenbart. Dieses US-Patent beschreibt auch die Verwendung der Luftlager-Dichtungs-Kombination in einer Drehanordnung mit relativ großem Radius.

Es besteht offensichtlich ein Konflikt zwischen den Anforderungen eines Gas- oder Luftlagers und dem Bedarf, einen Gasaustritt in die Vakuumkammer zu verhindern.

Die im obigen US-Patent von Smick et al. offenbarte Anordnung kann gut arbeiten, aber es besteht dennoch eine Anforderung, die Belastung auf das differentielle Pumpen zu verringern und einen minimalen Gasaustritt durch die einem differentiellen Pumpen unterliegenden Abdichtung in die Vakuumkammer sicherzustellen.

Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistung der vorstehend genannten Vakuumlagerstrukturen unter Verwendung einer Kombination eines Gaslagers und einer für ein differentiell gepumptes Vakuum vorgesehenen Dichtung für eine Bewegungsdurchführung in Vakuumkammern zu verbessern.

In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vakuumlagerstruktur bereit, umfassend: eine Vakuumkammer mit einer Wand mit einer Öffnung, ein bewegliches Element, das so angeordnet ist, daß es sich durch die Öffnung erstreckt, wobei eines der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine erste daran vorgesehene Lagerfläche aufweist, und das andere der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine zweite daran vorgesehene Lagerfläche aufweist, wobei sich die erste und die zweite Lagerfläche quer zur Wirkungslinie des Außendrucks erstrecken, der auf das bewegliche Element wirkt, um die Oberflächen zueinander zu drücken, wobei die erste und die zweite Lagerfläche eine vorbestimmte Bewegung des beweglichen Elements relativ zur Kammerwand ermöglichen, wobei die erste Lagerfläche durch ein poröses, gasdurchlässiges Material vorgesehen ist, das der zweiten Lagerfläche zugewandt ist, wobei das poröse Material einen ersten Bereich, der für eine Gasströmung durch die Dicke des Materials porös ist, und einen zweiten, inneren Bereich zwischen dem ersten Bereich und dem Inneren der Vakuumkammer aufweist, mindestens ein Gaszufuhrplenum bzw. einen Gaszufuhrkanal unterhalb des ersten Bereichs für eine Zufuhr von Lagergas unter Druck, um durch den porösen ersten Bereich zu sickern, um einen Lagerdruck auf die zweite Lagerfläche entgegengesetzt zur Wirkung des Außendrucks aufzubringen, eine Austrittsnut bzw. -aussparung durch das poröse Material hindurch, die zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten, inneren Bereich desselben angeordnet ist, und ein Austrittsplenum bzw. einen Austrittskanal, das bzw. der mit der Austrittsnut verbunden ist, um zu ermöglichen, daß Lagergas zwischen den Lagerflächen entweicht.

Die Verwendung eines porösen Materials für Gaslageranordnungen ist an sich nicht neu. Ein Artikel mit dem Titel "Air bearings take off", veröffentlicht in FT Design, April 1999, beschreibt die Verwendung eines porösen Graphitmaterials für Luftlager in einer Anzahl von Anwendungen. Ein wichtiges Merkmal dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, daß das poröse Material, das eine der Lagerflächen bedeckt, in einen ersten Bereich und einen inneren, zweiten Bereich unterteilt ist. Lagergas wird von einem Plenum unterhalb des ersten Bereichs zum ersten Bereich geliefert, um das Traggas für das Lager vorzusehen, und eine Austrittsnut ist durch das poröse Material hindurch zwischen dem ersten Bereich und dem inneren, zweiten Bereich vorgesehen, so daß Lagergas, das von den Lagerflächen in Richtung des Inneren entweicht, in die Atmosphäre ausgelassen werden kann. Der innere, zweite Bereich des porösen Materials kann dann verwendet werden, um die Vakuumdichtungsanordnung bereitzustellen.

Dieser Entwurf ist besonders, obwohl nicht ausschließlich auf Vakuumlager in relativ großem Maßstab anwendbar, wie sie beispielsweise im vorstehend genannten US-Patent von Smick et al. verwendet werden können. Bei solchen Anordnungen ist es sehr wichtig, daß die Lagerflächen selbst und auch die inneren Vakuumdichtungsoberflächen streng eben und gewöhnlich koplanar maschinell bearbeitet sind. Indem sowohl der erste Bereich der Oberfläche, der die Gaslagerabstützung vorsieht, als auch der innere, zweite Bereich der Oberfläche, der den Vakuumdichtungsbereich vorsieht, aus demselben porösen Material hergestellt werden, können diese gleichzeitig mit einem sehr hohen Grad gegenseitiger Ebenheit maschinell bearbeitet werden.

Zumindest eine durchgehende Nut bzw. Aussparung zum differentiellen Pumpen ist vorzugsweise durch den zweiten Bereich des porösen Materials zwischen der Austrittsnut und dem Inneren der Vakuumkammer vorgesehen. Stege der ersten Lagerfläche sind somit im zweiten Bereich des porösen Materials auf jeder Seite der Nut zum differentiellen Pumpen vorgesehen. Ein Plenum bzw. Kanal zum differentiellen Pumpen ist ebenfalls vorgesehen, welches bzw. welcher mit der Nut zum differentiellen Pumpen zur Verbindung mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.

Zumindest der erste Bereich des porösen Materials kann eine der zweiten Lagerfläche zugewandte Oberfläche aufweisen, die imprägniert ist, um an der Oberfläche eine im wesentlichen gleichmäßige Porosität vorzusehen, welche geringer ist als die Porosität des porösen Materials. Mit "geringere Porosität" ist gemeint, daß der Widerstand für die Gasströmung höher ist.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vakuumlagerstruktur bereit, umfassend eine Vakuumkammer mit einer Wand mit einer Öffnung, ein bewegliches Element, das so angeordnet ist, daß es sich durch die Öffnung erstreckt, ein Lager zwischen der Vakuumkammerwand und dem beweglichen Element, das eine vorbestimmte Bewegung zwischen diesen ermöglicht, eine erste und eine zweite beabstandete gegenüberliegende Dichtungsfläche an der Vakuumkammerwand und dem beweglichen Element, eine durchgehende Nut zum differentiellen Pumpen in der ersten Dichtungsfläche, jeweilige Stege der ersten Dichtungsfläche auf jeder Seite der Nut zum differentiellen Pumpen, ein Plenum zum differentiellen Pumpen, das sich unterhalb der Nut zum differentiellen Pumpen erstreckt und eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite der Nut zum differentiellen Pumpen, so daß zumindest eine Kante der Nut zum differentiellen Pumpen über dem darunterliegenden Plenum zum differentiellen Pumpen freitragend ist, und Überbrückungselemente, die das Plenum zum differentiellen Pumpen unter der Nut zum differentiellen Pumpen überqueren, um die zumindest eine freitragende Kante der Nut zum differentiellen Pumpen abzustützen.

Diese Konstruktion ist besonders nützlich, wenn die erste Lagerfläche, die die Nut zum differentiellen Pumpen enthält, aus einer Schicht aus porösem Material, das über einem festen Substrat liegt, ausgebildet ist. Es ist für Anordnungen zum differentiellen Pumpen im allgemeinen wichtig, daß die Stege auf beiden Seiten einer Pumpnut in der Richtung zum Inneren der Vakuumkammer hin so weitläufig wie möglich sind. Somit sollten die Nuten zum differentiellen Pumpen selbst relativ schmal sein. Um eine gute Gasleitfähigkeit von der Nut zum differentiellen Pumpen zur Vakuumpumpe sicherzustellen, sollte jedoch das mit der Nut zum differentiellen Pumpen verbundene Plenum selbst so groß wie möglich sein. Diese Konstruktion führt dazu, daß sich mindestens eine Kante der Nut zum differentiellen Pumpen in freitragender Weise über das darunterliegende Plenum erstreckt.

Wenn die Struktur ausgebildet wird, muß die erste Lagerfläche mit einer sehr hohen Toleranz eben maschinell bearbeitet werden. Der Vorgang des Schleifens oder der maschinellen Bearbeitung auf der Oberfläche würde gewöhnlich eine kleine Abbiegung der freitragenden Kante oder Kanten der Nut zum differentiellen Pumpen verursachen, wenn diese nicht abgestützt sind. Wenn die Belastung auf der ersten Lagerfläche durch den Vorgang des Schleifens oder der maschinellen Bearbeitung einmal beseitigt ist, erholen sich die freitragenden Kanten, mit dem Ergebnis, daß ein geringfügiger Materialüberschuß an den Kanten über der Ebene der streng ebenen Oberfläche der ersten Lagerfläche vorliegt.

Durch Vorsehen der vorstehend beschriebenen Überbrückungsstruktur werden die Kanten der Lagerfläche während des Schleifvorgangs abgestützt, um diese Wirkung sehr stark zu verringern.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zum Abstützen eines beweglichen Elements in einer Öffnung, die in einer Wand einer Vakuumkammer vorgesehen ist, wobei eines der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine erste Lagerfläche aufweist und das andere eine zweite Lagerfläche aufweist, und sich die erste und die zweite Fläche quer zur Wirkungslinie des Außendrucks erstrecken, der auf das bewegliche Element wirkt, um die erste und die zweite Fläche zueinander zu drücken und eine vorbestimmte Bewegung des beweglichen Elements relativ zur Kammerwand zu ermöglichen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines porösen, gasdurchlässigen Materials als erste Fläche, die der zweiten Fläche zugewandt ist, wobei das poröse Material einen ersten, äußeren Bereich, der für eine Gasströmung durch die Dicke des Materials porös ist, und einen zweiten, inneren Bereich aufweist, Aufbringen von Gas unter Druck über ein Gaszufuhrplenum auf den ersten Bereich, um zu ermöglichen, daß Gas unter Druck durch den ersten Bereich sickert, um einen Lagerdruck auf die zweite Fläche entgegengesetzt zur Wirkung des Außendrucks aufzubringen, und Auslassen von Gas an die Atmosphäre über einen Austrittskanal zwischen dem äußeren und dem inneren Bereich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ionenimplantationsanlage mit einer Prozeßkammer, die im Vertikalschnitt gezeigt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1, welche nur die Vakuumdichtung zwischen dem Rotor von Fig. 1 und der Vakuumkammerwand darstellt;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht, die die Anordnung des Gaslagers und der Vakuumdichtung zwischen dem Rotor und einem Stator, der an der Kammerwand befestigt ist, darstellt;

Fig. 4 eine Ansicht der Oberfläche des Stators von Fig. 3, wobei die Schicht des porösen Materials entfernt ist, welche die Plena zum differentiellen Pumpen zeigt; und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Plenums zum differentiellen Pumpen entlang der Linie C-C von Fig. 4, welche die Substratbrücken darstellt, die unter den freitragenden Kanten der porösen Schicht liegen.

Nimmt man zuerst auf Fig. 1 Bezug, so ist dort eine schematische Seitenansicht einer Ionenimplantationsanlage dargestellt. Die Ionenimplantationsanlage umfaßt eine Ionenquelle 10, die zum Erzeugen eines Ionenstrahls 15 angeordnet ist. Der Ionenstrahl 15 wird in einen Massenanalysator 20 gelenkt, wo Ionen mit einem gewünschten Masse/Ladungs-Verhältnis elektromagnetisch ausgewählt werden. Solche Verfahren sind Fachleuten gut bekannt und werden nicht weiter im Detail beschrieben. Es sollte beachtet werden, daß der Bequemlichkeit halber der Massenanalysator 20 in Fig. 1 so dargestellt wurde, daß er den Ionenstrahl von der Quelle 10 in der Ebene des Papiers krümmt, welche im Zusammenhang mit anderen Teilen der dargestellten Ionenimplantationsanlage eine vertikale Ebene ist. In der Praxis ist der Analysator 20 gewöhnlich so angeordnet, daß er diesen Ionenstrahl in einer horizontalen Ebene krümmt.

Der aus dem Massenanalysator 20 austretende Ionenstrahl 15 kann in Abhängigkeit von der Art der zu implantierenden Ionen und der gewünschten Implantationstiefe einer elektrostatischen Beschleunigung oder Abbremsung der Ionen unterzogen werden.

Stromabwärts des Massenanalysators befindet sich eine Prozeß- oder Vakuumkammer 40, die einen zu implantierenden Wafer enthält. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wafer ein einzelner Wafer mit einem Durchmesser von beispielsweise 200 mm oder 300 mm.

Der Ionenstrahl, der aus dem Massenanalysator 20 austritt, weist im allgemeinen eine Strahlbreite und -höhe auf, die im wesentlichen kleiner ist als der Durchmesser des zu implantierenden Wafers. Der Ionenstrahl kann in einer ersten Ebene (senkrecht zum Papier in Fig. 1) elektrostatisch oder elektromagnetisch abgetastet werden. Der Wafer wird in einer zweiten Richtung senkrecht zur Richtung der Abtastung des Ionenstrahls mechanisch abgetastet. Zum mechanischen Abtasten des Wafers wird der Wafer auf einem Substrathalter befestigt. Dieser besteht aus einer Platte, auf der der Wafer befestigt ist, innerhalb der Prozeßkammer 40 und einem langgestreckten Arm, der mit der Platte verbunden ist.

Der langgestreckte Arm erstreckt sich durch die Wand der Prozeßkammer in einer zur Abtastebene des Ionenstrahls im allgemeinen parallelen Richtung. Der Arm verläuft durch einen Schlitz (nicht dargestellt) in einer Rotorplatte 50, die benachbart zu einer Seitenwand der Prozeßkammer 40 montiert ist. Das Ende 60 des Abtastarms ist innerhalb eines Abtastelements 70 montiert. Um ein mechanisches Abtasten des Abtastarms (und folglich des auf der Platte befestigten Wafers) relativ zum abgetasteten Ionenstrahl zu bewirken, ist das Abtastelement 70 in hin- und hergehender Weise in der durch die Pfeile X in Fig. 1 gezeigten Richtung beweglich. Um dieses Abtasten zu erleichtern, ist die Unterfläche des Abtastelements 70 von der oberen Oberfläche der Rotorplatte 50 durch ein Polster aus Druckluft, die als Luftlager wirkt, beabstandet.

Das Abtastelement 70 in Fig. 1 ist in einer vertikalen Position gezeigt, so daß die Oberfläche des Wafers zur Ebene des abgetasteten oder aufgefächerten momentanen Ionenstrahls senkrecht ist. Es kann jedoch erwünscht sein, Ionen vom Ionenstrahl in den Wafer in einem Winkel zu implantieren. Aus diesem Grund ist die Rotorplatte 50 um eine Achse, die durch ihr Zentrum hindurch festgelegt ist, relativ zur ortsfesten Wand der Prozeßkammer 40 drehbar. Mit anderen Worten, die Rotorplatte 50 kann sich in der Richtung der in Fig. 1 gezeigten Pfeile R drehen.

Wie bei dem Abtastelement 70 wird die Bewegung der Rotorplatte 50 relativ zur Wand der Prozeßkammer mit einem Luftlager zwischen einer Oberfläche der Rotorplatte 50 und einer Oberfläche eines Stators 90 (in Fig. 2 dargestellt), der auf einem Flansch 100 montiert ist (Fig. 2), welcher sich radial von einer Wand der Prozeßkammer 40 erstreckt, erleichtert. Die radiale Bewegung der Rotorplatte ist durch eine Reihe von Führungsrädern 80, die um den Umfang der Rotorplatte 50 angeordnet sind, eingeschränkt. Eine ungewollte axiale Bewegung der Rotorplatte wird bei der Verwendung durch die Druckdifferenz zwischen den zwei Flächen der Rotorplatte verhindert. Insbesondere wird das Innere der Prozeßkammer ausgepumpt und eine große Kraft infolge des Atmosphärendrucks wirkt folglich zum Halten der Rotorplatte am Stator.

Die vorstehend beschriebene mechanische Abtastanordnung ist im allgemeinen ähnlich derjenigen, die in der vorstehend erwähnten WO 99/13488 beschrieben ist, deren Inhalt in seiner Gesamtheit hiermit durch den Hinweis aufgenommen wird.

Mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Prozeßkammer 40 von Fig. 1 gezeigt. Zur Einfachheit der Darstellung sind das Abtastelement 70 und der Abtastarm weggelassen.

Die Wand der Prozeßkammer 40 weist eine im allgemeinen kreisförmige Öffnung (durch die Bezugsziffer 85 in Fig. 2 angegeben) in sich auf. Ein ringförmiger Flansch 100 erstreckt sich um die Kante der kreisförmigen Öffnung 85. Der ringförmige Stator 90, dessen Zweck nachstehend beschrieben wird und der eine Öffnung 95 aufweist, die durch eine Wand 93 festgelegt ist, ist am Flansch 100 befestigt, wobei der Stator 90 und die Öffnung 95 mit der Achse B-B der kreisförmigen Öffnung 85 im wesentlichen koaxial sind. Die Befestigung des Stators 90 am Flansch 100 kann durch das spezielle Montageverfahren erreicht werden, das in der gleichzeitig anhängigen USSN 09/293954 beschrieben ist, die dem Anmelder hiervon erteilt wurde und deren Inhalt durch den Hinweis aufgenommen wird. Wieder der Einfachheit halber ist dies in den Fig. 2 oder 3 nicht dargestellt, wobei eine Vakuumdichtung zwischen dem Flansch 100 und dem Stator 90 durch eine O-Ring-Dichtung 101 gekennzeichnet ist.

In Fig. 2 ist die Rotorplatte 50 direkt an dem ringförmigen Stator 90 anliegend dargestellt. Wie gezeigt, weist der ringförmige Stator 90 einen radial äußeren Bereich 120, der einen Gaslagerbereich vorsieht, und einen radial inneren Bereich 121, der eine Dichtung für differentiell gepumptes Vakuum vorsieht, auf.

Obwohl in Fig. 2 die untere Fläche der Rotorplatte 50 direkt am ringförmigen Stator 90 anliegend dargestellt ist, kann in einer praktischen Anordnung, wie z. B. in Fig. 3 dargestellt, die Rotorplatte 50 eine Auflageplatte 51 umfassen, die ebenfalls durch das spezielle Montageverfahren, das in der vorstehend genannten gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung mit der Seriennr. 09/293954 beschrieben ist, an einem ringförmigen Rotorelement 52 montiert ist. Wieder ist dies der Einfachheit halber in Fig. 3 nicht dargestellt und die Vakuumdichtung zwischen der Auflageplatte 51 und dem Rotorelement 52 ist durch eine O-Ring-Dichtung 53 dargestellt. Bedeutenderweise ist die spezielle Montage zwischen der Auflageplatte 51 und dem ringförmigen Element 52 gestaltet, um sicherzustellen, daß die Kraft infolge des Atmosphärendrucks auf das ringförmige Rotorelement 52 im wesentlichen über dem Luftlagerbereich 120 gerichtet ist. Die spezielle Montageanordnung ist auch gestaltet, um das ringförmige Rotorelement 52 von jeglicher Torsionsbelastung von der Auflageplatte 51 wieder infolge des Atmosphärendrucks mechanisch abzukoppeln.

Wie am besten in Fig. 3 gezeigt, weist der ringförmige Stator 90 eine erste Lagerfläche auf, die im allgemeinen bei 91 gezeigt ist und die einer zweiten Lagerfläche 54 des ringförmigen Elements 52 des Rotors 50 zugewandt ist. Die Oberflächen 91 und 52 sind jeweils planar, zueinander parallel und zur Richtung der Wirkung des Atmosphärendrucks auf den Rotor 50 senkrecht, welcher gewöhnlich die zwei Oberflächen zusammendrückt. Die Lagerfläche 91 des Stators 90 ist durch eine Schicht 92 aus porösem Graphitmaterial vorgesehen, das an die Oberfläche des darunterliegenden Substratmaterials (typischerweise rostfreier Stahl) des ringförmigen Stators 90 geklebt ist. Der radial äußere Teil 120 der porösen Schicht 92 liegt über einer Anzahl von konzentrischen ringförmigen Nuten 94, die in dem ringförmigen Stator 90 ausgebildet sind. Jede der Nuten 94 ist durch Leitungen, die in Fig. 3 bei 96 schematisch dargestellt sind, mit einer Quelle für Druckgas verbunden. Druckgas, das entlang der Leitungen 96 zur Unterseite der porösen Schicht 120 geliefert wird, sickert durch die Schicht, um eine Gastragschicht zwischen der ersten und der zweiten Lagerfläche auszubilden, die gewöhnlich den Rotor 50 von der Lagerfläche des Stators 90 weghält und die der Kraft des Atmosphärendrucks standhält.

In der Darstellung von Fig. 3 ist die Lagerfläche des ringförmigen Elements 52 des Rotors 50 um einen Abstand d von der durch die poröse Schicht vorgesehenen Oberfläche entfernt gehalten dargestellt. In der Darstellung ist die Größe des Abstands d sehr stark übertrieben.

Radial innerhalb des Gaslagerbereichs 120 ist der Dichtungsbereich 121 für ein differentiell gepumptes Vakuum ebenfalls durch eine Schicht aus dem porösen Material über dem darunterliegenden Metall des ringförmigen Stators 90 ausgebildet. Bedeutenderweise ist die durch das poröse Material sowohl im Gaslagerbereich 120 als auch im Dichtungsbereich 121 für ein differentiell gepumptes Vakuum vorgesehene Lagerfläche streng planar, so daß der Abstand d (Flughöhe genannt) des ringförmigen Elements 52 des Rotors 50 vom ringförmigen Stator 90 sowohl über dem Lagerbereich 120 selbst als auch über dem Vakuumdichtungsbereich 121 gleich ist.

Zwischen dem Lagerflächenbereich 120 und dem inneren Vakuumdichtungsbereich 121 ist eine Nut 97 durch die poröse Schicht hindurch ausgebildet, welche mit einem Plenum 98 im ringförmigen Stator 90 in Verbindung steht, welches wiederum über eine Leitung, die schematisch bei 99 dargestellt ist, mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Somit kann Hochdruckgas, das radial nach innen zwischen den Lagerflächen im Bereich 120 entweicht, über die Nut 97 in die Atmosphäre entweichen. Die Nut 97 erstreckt sich durchgehend um den ringförmigen Stator 90, so daß der Gasdruck an der äußersten Kante des Vakuumdichtungsbereichs 121 im wesentlichen atmosphärisch ist.

Radial innerhalb der Entlüftungsnut 97 ist die poröse Schicht 122 mit einer oder mehreren Nuten 102 zum differentiellen Pumpen durchbohrt, die mit darunterliegenden Plena 103 zum differentiellen Pumpen in Verbindung stehen. In Fig. 3 sind nur zwei Nuten 102 zum differentiellen Pumpen und zugehörige Plena 103 dargestellt (im Vergleich zu drei Stufen, die in Fig. 2 gezeigt sind). Die Anzahl der differentiellen Stufen für die Dichtung für ein differentiell gepumptes Vakuum hängt von der Wirksamkeit der Dichtungsanordnung und insbesondere der Wirksamkeit der an den Plena 103 angebrachten Vakuumpumpen; von der Breite der Stege auf der Oberfläche der porösen Schicht 122 zwischen der Entlüftungsnut 97, den jeweiligen Nuten 102 zum differentiellen Pumpen und dem Inneren der Vakuumkammer; und am bedeutendsten von der Flughöhe d zwischen den Lagerflächen ab.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die poröse Schicht 122 aus porösem Graphit. In dem äußeren Gaslagerbereich 120 ist die poröse Schicht 122 vorzugsweise über der freiliegenden Lagerfläche imprägniert, um an der Oberfläche einen gesteuerten Grad an Porosität vorzusehen, die im allgemeinen geringer ist als die Porosität des Massegraphitmaterials durch die Dicke der Schicht 122 hindurch. Die Imprägnierung der Lagerfläche ist bei 123 dargestellt.

Es ist bekannt, eine gesteuerte Porosität an der Oberfläche von Gaslagern mit porösen Medien vorzusehen, um die Stabilität des Lagers über einen Bereich von Belastungen zu verbessern. Dies ergibt sich, da es schwierig ist, poröse Medien, insbesondere Graphit, mit gleichmäßiger Porosität durch die Masse des Materials auszubilden. Ein höherer Grad an Gleichmäßigkeit der effektiven Porosität kann jedoch durch Imprägnieren einer Oberfläche der porösen Schicht wie beschrieben bereitgestellt werden. Die Imprägnierung der Oberfläche der Luftlagerkomponenten aus porösem Graphit zur Verbesserung der Stabilität ist in "Porous Graphite Air Bearing Components as Applied to Machine Tools" von W. H. Rasnick et al., 1974, Society of Manufacturing Engineers Technical Report, erörtert.

Der innere Bereich 121 der Lagerfläche aus porösem Graphit ist über allen freiliegenden Oberflächen der Graphitschicht imprägniert, um den Graphit im wesentlichen gasundurchlässig zu machen.

Beim Konstruieren der kombinierten Anordnung des Gaslagers und der Dichtung für ein differentiell gepumptes Vakuum, wie z. B. in den Fig. 2 und 3 dargestellt, wird die erste Lagerfläche, die durch die poröse Graphitschicht 122 ausgebildet wird, maschinell bearbeitet, nachdem der poröse Graphit durch Klebstoff an der darunterliegenden Oberfläche des ringförmigen Stators 90 befestigt wurde. Die gesamte freiliegende Oberfläche der Graphitschicht 122 sowohl über dem äußeren Gaslagerbereich als auch dem inneren Vakuumdichtungsbereich wird zusammen maschinell bearbeitet, um sicherzustellen, daß die verschiedenen Teile der Graphitoberfläche streng eben und koplanar sind. Ebenso wird auch die zugewandte Oberfläche des ringförmigen Elements 52 des Rotors so maschinell bearbeitet, daß sie streng planar ist.

Die Fig. 4 und 5 stellen eine bevorzugte Formation der Plena 103 im ringförmigen Stator 90 dar. Der Schnitt durch die in Fig. 3 dargestellten Plena ist entlang der Linie B-B von Fig. 4 ausgeführt. In Fig. 4 ist die Linie der Plena 103 und auch der Nuten 102 zum differentiellen Pumpen schematisch durch die Bögen 105 dargestellt. Fig. 4 stellt die Oberfläche des ringförmigen Stators 90 dar, wobei die Graphitschicht entfernt ist. Anstatt daß die Plena 103 einen durchgehenden Graben um die freiliegende darunterliegende Oberfläche des ringförmigen Stators 90 bilden, umfassen die Plena aufeinanderfolgende kreisförmige Öffnungen 106 durch die Oberfläche hindurch, wobei diese Öffnungen 106 mit einem durchgehenden Kanal 107, der das Plenum 103 bildet, in Verbindung stehen. Die Bereiche zwischen den aufeinanderfolgenden kreisförmigen Öffnungen 106 bilden Brücken 108, die den durchgehenden Kanal 107überqueren. Dies ist in Fig. 5 am besten dargestellt, welche ein Querschnitt entlang der Linie C-C von Fig. 4 ist. Hier ist zu sehen, daß sich die Brücken 108 direkt quer über den durchgehenden Kanal 107 erstrecken, der das entsprechende Plenum 103 bildet, und dadurch eine Abstützung für die Kanten 124 der Schicht 122 aus porösem Material vorsehen, welche über dem Plenum 103 in dem Bereich der kreisförmigen Öffnungen 106 freitragend sind, wie in Fig. 3 dargestellt.

Die Vorteile dieser Konstruktion der Plena 103 sind zweifach. Erstens ist es wichtig, daß die Plena 103 so groß wie möglich sind, um die Gasleitfähigkeit zu den Vakuumquellen, die für das differentielle Pumpen einer Vakuumdichtung verwendet werden, zu maximieren. Folglich ist es erwünscht, wenn sich die Plena 103 durch einen wesentlichen Anteil der Dicke des ringförmigen Stators 90 erstrecken (tatsächlich einen größeren Anteil als in dem schematischen Diagramm von Fig. 3 dargestellt wurde). Folglich kann die Dicke des Materials des ringförmigen Stators 90 zwischen den Böden 109 der Plena 103 und der unteren Oberfläche 110 des ringförmigen Stators 90 unzureichend sein, um dem ringförmigen Stator eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen, insbesondere um die Lagerfläche 91 während des Schleifens der Oberfläche abzustützen. Durch Konstruieren der Plena 103 wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt steigern die Brücken 108 deutlich die Festigkeit und Steifigkeit des ringförmigen Stators 90.

Zweitens sehen die Brücken 108 eine Abstützung für die freitragenden Kanten 124 der porösen Schicht 122 vor, wieder um der Abbiegung dieser freitragenden Kanten während der maschinellen Bearbeitung der Lagerfläche 91 standzuhalten. Bei Abwesenheit der Stützbrücken 108 würden die überhängenden Kanten 102 der porösen Schicht 122 während des Schleifens in die Plena 103 abgebogen werden.

Bei Beendung des Schleifens, würden sich die Kanten erholen, was Teile der Lagerfläche 91 darstellt, die geringfügig über der Höhe des Rests der Oberfläche erhaben sind.

Obwohl die vorstehend beschriebene Konstruktion der Plena zum differentiellen Pumpen für Strukturen, die eine Schicht aus porösem Material als Lagerfläche verwenden, besonders nützlich ist, sollte beachtet werden, daß dieselbe Konstruktion auch nützlich sein kann, wenn die Lagerfläche eine Schicht aus Bronze oder einem anderen bekannten Lagermaterial ist. Ferner kann eine ähnliche Konstruktion verwendet werden, wenn der ringförmige Stator oder eine andere Lagerkomponente als einzelnes einheitliches Stück ausgebildet ist, das selbst die Lagerfläche vorsieht. Dann ist die Form wie im Querschnitt in den Fig. 3 und 5 dargestellt, aber die Schicht 122 ist nicht als zusätzliche Schicht, die auf die darunterliegende Oberfläche des Substratmaterials aufgebracht ist, ausgebildet; statt dessen ist sie einteilig aus dem Substratmaterial ausgebildet, wobei sie die Nuten 102 zum differentiellen Pumpen, die Plena 103 und die Brücken 108 vorsieht, die entgegengesetzte Seiten der Plena 103 unter den Nuten 102 miteinander verbinden.

Es sollte auch zu erkennen sein, daß die Konstruktion der Plena 103, die in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt ist, bei Dichtungen für ein differentiell gepumptes Vakuum verwendet werden kann, die separat sowie in Kombination mit einer Gaslageranordnung verwendet werden, wie speziell in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Plenumkonstruktion kann auch für Dichtungsanordnungen für ein differentiell gepumptes Vakuum verwendet werden, die in Kombination mit anderen Formen eines Gaslagers verwendet werden, wie z. B. jene, die vielmehr Düsen und/oder Nuten in der Lagerfläche als eine Schicht aus porösen Medien verwenden.

Bei dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die poröse Schicht 122 aus porösem Graphit. Andere mögliche poröse Materialien für die Schicht 122 sind Aluminiumoxid, Sinterbronze oder Titancarbid, das mit Graphit beschichtet ist. Poröser Graphit ist jedoch angesichts der Oberflächenlagereigenschaften des Materials besonders nützlich.

Ein Vorteil der Verwendung von Gaslageranordnungen mit porösen Medien, insbesondere porösem Graphit, besteht darin, daß die Steifigkeit des Lagers mit Verringerungen der Flughöhe d weiter zunimmt. Dies hat spezielle Vorteile, wenn das Gaslager in einer Bewegungsdurchführungsanordnung in eine Vakuumkammer verwendet wird. Wie vorher erwähnt, hängt die Wirksamkeit der differentiell gepumpten Vakuumdichtung, die vom Bereich 121 der Lagerfläche (Fig. 3) bereitgestellt wird, stark von der Flughöhe d des Lagers ab. Mit einem Gaslager mit porösem Graphit kann die Flughöhe auf zwischen 3 und 7 Mikrometer oder weniger eingestellt werden. Folglich kann das Entweichen von Lagergas in das Innere der Vakuumkammer in dem Umfang sehr stark verringert werden, daß die Wirkung vernachlässigbar ist. Ferner sollte es möglich sein, die Anzahl von aufeinanderfolgenden Stufen der Dichtung für ein differentiell gepumptes Vakuum zu verringern, wodurch die Kosten und Komplexität vermindert werden.

Bedeutenderweise hat es sich als möglich erwiesen, die Kombination des Gaslagers und der differentiell gepumpten Vakuumdichtung mit einer Flughöhe d, die sich Null nähert, zu betreiben. Um dies zu erreichen, wird die Durchflußrate von Lagergas durch die Zuführung 96 auf eine minimale Rate eingestellt, bei der die Reibung im Lager gerade Null ist. Bei einer solchen Einstellung ist das Lagergas, das aus der porösen Oberfläche der Graphitschicht 122 sickert, gerade ausreichend zum Verringern des Kontaktdrucks zwischen den zwei Lagerflächen 54 und 91 auf im wesentlichen Null, aber ohne Erzeugen irgendeiner signifikanten Abhebung (d ≈ 0). Bei einer solchen Einstellung kann die differentiell gepumpte Vakuumdichtung im Bereich 121 mit minimaler Leitung von Gas über die Stege 124 optimal arbeiten.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Kombination des Gaslagers und der differentiell gepumpten Vakuumdichtung in bezug auf das Lager und die Dichtung zwischen dem Rotor 50 und dem Stator 90 des Waferabtastmechanismus in einer Ionenimplantationsanlage der in WO 99/13488 beschriebenen Art offenbart. Es sollte zuerst beachtet werden, daß dieselbe Form von kombiniertem Gaslager und differentiell gepumpter Vakuumdichtung auch für das Lager und die Dichtung zwischen dem Element 70 zur linearen Abtastung und dem Rotor 50 verwendet werden kann. Ferner kann die beschriebene Anordnung aus Lager und Dichtung auch in anderen Anwendungen, wo es erforderlich ist, eine Bewegungsdurchführung in eine Vakuumkammer bereitzustellen, sowohl in Verbindung mit Ionenimplantationsanlagen als auch einer anderen Vakuumanlage verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vakuumlagerstruktur, umfassend:

    eine Vakuumkammer mit einer Wand mit einer Öffnung,

    ein bewegliches Element, das so angeordnet ist, daß es sich durch die Öffnung erstreckt,

    wobei eines der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine erste daran vorgesehene Lagerfläche aufweist,

    wobei das andere der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine zweite daran vorgesehene Lagerfläche aufweist,

    wobei sich die erste und die zweite Lagerfläche quer zur Wirkungslinie des Außendrucks erstrecken, der auf das bewegliche Element wirkt, um die Oberflächen zueinander zu drücken,

    wobei die erste und die zweite Lagerfläche eine vorbestimmte Bewegung des beweglichen Elements relativ zur Kammerwand ermöglichen,

    wobei die erste Lagerfläche durch ein poröses, gasdurchlässiges Material vorgesehen ist, das der zweiten Lagerfläche zugewandt ist,

    wobei das poröse Material einen ersten Bereich, der für eine Gasströmung durch die Dicke des Materials porös ist, und einen zweiten, inneren Bereich zwischen dem ersten Bereich und dem Inneren der Vakuumkammer aufweist,

    mindestens ein Gaszufuhrplenum unterhalb des ersten Bereichs für eine Zufuhr von Lagergas unter Druck, um durch den porösen ersten Bereich zu sickern, um einen Lagerdruck auf die zweite Lagerfläche entgegengesetzt zur Wirkung des Außendrucks aufzubringen,

    eine Austrittsnut durch das poröse Material hindurch, die zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten, inneren Bereich desselben angeordnet ist, und

    ein Austrittsplenum, das mit der Austrittsnut verbunden ist, um zu ermöglichen, daß Lagergas zwischen den Lagerflächen entweicht.
  2. 2. Struktur nach Anspruch 1, wobei die erste Lagerfläche durch eine Schicht aus einem porösen Graphitmaterial vorgesehen ist.
  3. 3. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste Lagerfläche an der Vakuumkammerwand vorgesehen ist.
  4. 4. Struktur nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die erste Lagerfläche und die zweite Lagerfläche beide im wesentlichen planar sind.
  5. 5. Struktur nach einem vorangehenden Anspruch, mit mindestens einer durchgehenden Nut zum differentiellen Pumpen durch den zweiten Bereich des porösen Materials, zwischen der Austrittsnut und dem Inneren der Vakuumkammer, wobei der zweite Bereich des porösen Materials auf jeder Seite der Nut zum differentiellen Pumpen Stege der ersten Lagerfläche vorsieht, die der zweiten Lagerfläche zugewandt sind, und einem jeweiligen Plenum zum differentiellen Pumpen, das mit der Nut zum differentiellen Pumpen zur Verbindung mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.
  6. 6. Struktur nach Anspruch 5, mit einem Substratkörper und einer Schicht aus dem porösen Material auf dem Körper, um die erste Lagerfläche auszubilden, wobei das Plenum zum differentiellen Pumpen in dem Substratkörper so ausgebildet ist, daß es sich unter der Nut zum differentiellen Pumpen erstreckt und eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite der Nut zum differentiellen Pumpen, so daß die Schicht aus dem porösen Material zumindest entlang einer Kante der Nut zum differentiellen Pumpen über dem darunterliegenden Plenum zum differentiellen Pumpen freitragend ist, wobei der Substratkörper Überbrückungselemente aufweist, die das Plenum zum differentiellen Pumpen überqueren, um die mindestens eine freitragende Kante der Nut zum differentiellen Pumpen abzustützen.
  7. 7. Struktur nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Bereich des porösen Materials koplanare Oberflächen aufweisen, die die erste Lagerfläche bilden.
  8. 8. Struktur nach einem vorangehenden Anspruch, wobei zumindest der erste Bereich des porösen Materials eine der zweiten Lagerfläche zugewandte Oberfläche aufweist, die imprägniert ist, um an der Oberfläche eine im wesentlichen gleichmäßige Porosität vorzusehen, welche geringer ist als die Porosität des porösen Materials.
  9. 9. Vakuumlagerstruktur, umfassend:

    eine Vakuumkammer mit einer Wand mit einer Öffnung,

    ein bewegliches Element, das so angeordnet ist, daß es sich durch die Öffnung erstreckt,

    ein Lager zwischen der Vakuumkammerwand und dem beweglichen Element, das eine vorbestimmte Bewegung zwischen diesen ermöglicht, eine erste und eine zweite beabstandete gegenüberliegende Dichtungsfläche an der Vakuumkammerwand und dem beweglichen Element, eine durchgehende Nut zum differentiellen Pumpen in der ersten Dichtungsfläche, jeweilige Stege der ersten Dichtungsfläche auf jeder Seite der Nut zum differentiellen Pumpen, ein Plenum zum differentiellen Pumpen, das sich unterhalb der Nut zum differentiellen Pumpen erstreckt und eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite der Nut zum differentiellen Pumpen, so daß zumindest eine Kante der Nut zum differentiellen Pumpen über dem darunterliegenden Plenum zum differentiellen Pumpen freitragend ist, und Überbrückungselemente, die das Plenum zum differentiellen Pumpen unter der Nut zum differentiellen Pumpen überqueren, um die zumindest eine freitragende Kante der Nut zum differentiellen Pumpen abzustützen.
  10. 10. Vakuumlagerstruktur nach Anspruch 9, wobei die Nut zum differentiellen Pumpen, das Plenum zum differentiellen Pumpen und die Brückenelemente in einem einheitlichen Materialkörper ausgebildet sind.
  11. 11. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Quelle für ein Lagergas, die mit dem zumindest einen Gaszufuhrplenum verbunden ist, und einem Durchflußregler für die Zufuhr, der dazu ausgelegt ist, eine Gasströmung durch den porösen ersten Bereich auf einer minimalen Geschwindigkeit zu halten, bei der die Reibung zwischen den Lagerflächen im wesentlichen Null ist.
  12. 12. Verfahren zum Abstützen eines beweglichen Elements in einer Öffnung, die in einer Wand einer Vakuumkammer vorgesehen ist, wobei eines der Vakuumkammerwand und des beweglichen Elements eine erste Lagerfläche aufweist und das andere eine zweite Lagerfläche aufweist, und sich die erste und die zweite Fläche quer zur Wirkungslinie des Außendrucks erstrecken, der auf das bewegliche Element wirkt, um die erste und die zweite Fläche zueinander zu drücken und eine vorbestimmte Bewegung des beweglichen Elements relativ zur Kammerwand zu ermöglichen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

    Vorsehen eines porösen, gasdurchlässigen Materials als erste Fläche, die der zweiten Fläche zugewandt ist, wobei das poröse Material einen ersten, äußeren Bereich, der für eine Gasströmung durch die Dicke des Materials porös ist, und einen zweiten, inneren Bereich aufweist,

    Aufbringen von Gas unter Druck über ein Gaszufuhrplenum auf den ersten Bereich, um zu ermöglichen, daß Gas unter Druck durch den ersten Bereich sickert, um einen Lagerdruck auf die zweite Fläche entgegengesetzt zur Wirkung des Außendrucks aufzubringen, und

    Auslassen von Gas an die Atmosphäre über einen Austrittskanal zwischen dem äußeren und dem inneren Bereich.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste, äußere und der zweite, innere Bereich des porösen Materials gemeinsam maschinell bearbeitet werden, um die erste Lagerfläche mit dem ersten und dem zweiten Bereich koplanar auszubilden.






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