DE4114427C2 - Probentransfermechanismus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Probentransfer­ mechanismus zum Einschleusen von Proben in eine Vakuumkammer, bestehend aus einem fest mit der in die Vakuumkammer von außen einbringbaren Transferstange verbundenen Transportdorn, einem mit dem Transportdorn verbindbaren, mit der Probe in die Kammer einzuschleusenden und mit elektrischen Kontakten versehenen Probenhalter sowie mit einem mit den elektrischen Gegenkontakten versehenen, zur Aufnahme des Probenhalters vorgesehenen und im Innern der Kammer fest angebrachten Support, bei dem der Transportdorn und Probenhalter einerseits sowie Probenhalter und Support andererseits über Bajonettverschlüsse mit entgegengesetztem Richtungssinn miteinander verbindbar sind.

Ein derartiger, aus J. Vac. Sci. Technol. A, Band 9, 1991, Nr. 2, Seiten 345-349 bekannter Probentransfermechanismus ist überall dort einsetzbar, wo zwei Teile mit elektrischen Kontakten, hier der Probenhalter und der Support, lösbar verbunden werden sollen. So kann der Probentransfermechanismus dazu dienen, einen Wafer oder Stücke eines Wafers in eine Ultrahochvakuumkammer (UHV-Kammer) einzuschleusen, die zur Erforschung, Analyse und Produktion von Halbleiterbauelementen und deren Materialien betrieben werden. Der Transportdorn ist hierzu fest mit der Transferstange, die den Probenhalter von der Schleusenkammer in die UHV-Kammer transportiert, verbunden. Die elektrischen Kontakte des Probenhalters ermöglichen es, den Wafer zu heizen, dessen Temperatur zu messen oder andere elektrische Verbindungen aufzunehmen. Der Support befindet sich an einer Befestigung (z. B. Manipulator) im Innern der UHV-Kammer. Er nimmt den Probenhalter auf, nachdem dieser von der Transferstange gelöst wurde.

In der Praxis treten jedoch Schwierigkeiten in der Handhabung des Probentransfermechanismus auf. Diese rühren daher, daß im UHV eine exakte Positionierung der Teile nicht möglich ist und eine Fehlpositionierung aufgrund des Einsatzes einer Transferstange nicht ertastet werden kann. So kommt es beispielsweise dann, wenn der Support an einer biegsamen Stange befestigt ist und bei der Übergabe des Probenhalters von der Transferstange zum Support Längskräfte ausgeübt werden, zu Schwierigkeiten, die einzelnen Teile ineinander zu zentrieren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Probentransfermechanismus der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, der leicht handhabbar ist und beim Schließen der elektronischen Kontakte auftretende Schwierigkeiten vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrischen Kontakte und die Gegenkontakte als am Probenhalter/Support befindlcihe Kontaktlippen und am Support/Probenhalter befindliche Gegenstücke derart ausgebildet sind, daß sie allein durch Einsatz radialer Kräfte beim Verdrehen des Probenhalters gegen den Support und Schließen des Bajonettverschlusses schließen und bei gegenläufiger Drehung beim Öffnen des Bajonettverschlusses öffnen.

Die Übergabe des Probenhalters auf den Support und umgekehrt das Ablösen des Probenhalters vom Support und dessen Übernahme vom Transportdorn erfolgt allein durch radiale Kräfte und somit kräftefrei in axialer Richtung, wodurch sich eine leichte Handhabung des Probentransfermechanismus auch dann ergibt, wenn der Support an langen dünnen Manipulatorstangen befestigt ist.

Die Verriegelungsrichtungen der beiden Bajonettver­ schlüsse sind so gewählt, das Probenhalter und Transportdorn sich verriegeln, wenn der Probenhalter vom Support gelöst wird und sich entriegeln, wenn der Probenhalter mit dem Support verbunden wird.

Der allein auf axialen Kräften beruhende Probentransfer resultiert sowohl aus der Verwendung von Bajonettverschlüssen, als auch daraus, daß vom "male-female"-Prinzip herkömmlicher, elektrischer Steckverbindungen abgewichen worden ist. Die elektrische Verbindung erfolgt beim Verdrehen des Probenhalters gegen den Support dadurch, daß die beispielsweise im Probenhalter befindlichen Kontaktlippen auf entsprechende Gegenstücke im Support rutschen. Die Kontaktkraft wird dabei zweckmäßigerweise durch Federwirkung der Kontaktlippen in radialer Richtung aufgewendet.

Die elektrischen Kontakte und Kontaktlippen können aus dem den Anforderungen entsprechenden Material gefertigt und nachträglich ausgetauscht werden. So ist es z. B. möglich, die Kontakthalter auch mit Thermoelementkontakten zu bestücken.

Auch die Kontaktzahl kann den geometrischen Abmessungen des Probenhalters und den elektrischen Anforderungen angepaßt werden. Eine Erhöhung der Kontaktzahl beeinflußt wegen der radial wirkenden Kontaktkräfte den Verbindungsmechanismus zwischen Probenhalter und Support nicht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Proben­ transfermechanismus sind die auf der Längsachse des Bajonettverschlusses in­ einandergreifenden Teile von Transportdorn und Pro­ benhalter kegelförmig bzw. hohlkegelförmig ausgebil­ det. Durch entsprechend gewählte Abmessungen des Verschlusses ist die Verbindung schwimmend, so daß Fehljustierungen von Support und Probenhalter beim Zusammenfügen dieser Teile durch das Spiel der Ver­ bindung zwischen Probenhalter und Transportdorn aus­ geglichen werden. Es handelt sich somit bei dieser Verbindung in dem Sinne um eine offene Verbindung, als daß Probenhalter und Transportdorn sich gegen­ seitig nicht verklemmen können. Die Verriegelung von Probenhalter und Transportdorn durch eine rotieren­ de Sperrklinke ist dabei so gewählt, das sie leicht­ gängig bei der Rotation erfolgt, mit der der Proben­ halter von Support gelöst wird, und schwergängig in der umgekehrten Richtung. Dadurch ist sicherge­ stellt, daß sich der Probenhalter während des Trans­ portes nicht vom Transportdorn löst.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Probentransfermechanismus weist der Bajonettver­ schluß von Probenhalter und Support federnde Bajo­ nettlippen auf, die radial um zur Mittelachse der­ art versetzte Längsachsen des Probenhalters zen­ triert sind, daß der äußere Radius der Bajonett­ lippen, an dem die Gegenstücke beim Verschließen des Bajonettverschlusses anliegen, abhängig vom Dreh­ winkel zunimmt. Außerdem sind die Enden der Bajonett­ lippen als Endanschläge ausgebildet. Durch diese Formgebung der Bajonettlippen und deren Federung sind zur Festlegung der Endposition weder separate Endanschläge noch separate Federungselemente zur Verspannung der Teile gegeneinander nötig. Dies ist im Hinblick auf die UHV-Kompaktbilität wichtig.

Die Verbindung von Support und Probenhalter erfolgt durch eine Drehung der beiden Teile um 60° gegen­ einander. Die Zentrierung in radialer und axialer Richtung ist durch die Formgebung des Bajonetts ge­ währleistet. Da der Mittelpunkt M_B der Bajonettlip­ pen versetzt zum Mittelpunkt M_P des Probenhalters angeordnet ist, nimmt der Radius der Bajonettlippen abhängig vom Drehwinkel zu. Dadurch erfolgt die Ver­ bindung von Support und Probenhalter auf den ersten 40° der Rotation auch in radialer Richtung kraftlos. Die eigentliche feste Verbindung und und die Zen­ trierung werden durch die letzten 20° erreicht, wenn der Radius der Bajonettlippe den Nennradius des Ge­ genstücks am Support erreicht.

Sowohl die Verbindung zwischen Transportdorn und dem Probenhalter als auch die Verbindung zwischen dem Probenhalter und dem Support sind damit selbst­ zentrierend. Die Zentrierung wird durch die Form der Teile, die ineinandergreifen, erzwungen. Ein Verklemmen der Teile durch ungenügende Positionie­ rung ist ausgeschlossen.

Der Support ist so gestaltet, daß er an jeder vor­ handenen Manipulatorstange befestigt werden kann. Er umfaßt keine beweglichen Teile, so daß er war­ tungsfrei arbeitet.

Der Probenhalter ist vom mechanischen Aufwand her das komplexeste Teil. Alle konstruktiven Details, die nötig sind, um die Selbstjustierung der Bajonett­ verschlüsse zu realisieren, sowie die Kontaktlippen der elektrischen Kontakte befinden sich zweckmäßi­ gerweise am Probenhalter. Da der Probenhalter das zu transferierende Bauteil ist, lassen sich Wartungs­ arbeiten somit problemlos durchführen.

Der Support hat eine mit dem Probenhalter identi­ sche Anordnung elektrischer Kontakte, so daß die Kontaktierung automatisch bei der Übergabe des Pro­ benhalters von der Transferstange zum Support er­ folgt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Probentransfermechanismus gemäß der Erfindung sche­ matisch dargestellt und wird im folgenden näher er­ läutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Pro­ benmechanismus, bestehend aus - in der Zeichnung getrennt dar­ gestellten - Transportdorn, Pro­ benhalter und Support,

Fig. 2 eine Vorderansicht auf das Bajonetteil des Supports (aus der Sicht des Probenhalters),

Fig. 3 eine Vorderansicht auf das Bajonetteil am Probenhalter der Verbindung Support/Probenhalter (aus der Sicht des Supports),

Fig. 4 die Kontakthalter von Support und Probenhalter in Zustand der Verbindung,

Fig. 5 eine Vorderansicht (aus der Sicht des Transportdorns) auf das Bajo­ netteil des Probenhalters der Probenhalter/Transportdorn-Verbindung (ohne Verriegelungsmechanismus) sowie Schnitt durch das Bajonett,

Fig. 6 den Sperring mit Rasthebel in Drauf­ sicht auf den Probenhalter (aus der Sicht des Transportdorns) und im Schnitt.

Der Probentransfermechanismus besteht im wesentli­ chen aus Support 1, Probenhalter 2 und Transport­ dorn 3. Der Support 1 selbst ist an einer Manipula­ torachse 4 befestigt. Am Support 1 befindet sich - in der Zeichnung getrennt dargestellt - der Kontakt­ halter 5 mit den Kontakten 6, über Distanzstücke 7 am Support angebracht. Kontakthalter 8 mit den Kon­ taktlippen 9 ist am Probenhalter 2 befestigt.

Das Bajonett der Verbindung Support/Probenhalter besteht aus Bajonetteil 10 am Support und Bajo­ netteil 11 am Probenhalter.

Am Probenhalter 2 befindet sich - dem Transport­ dorn 3 zugewandt - ein Sperring 12 mit Rasthebel 13. Das Bajonett der Verbindung Probenhalter/Trans­ portdorn besteht aus Bajonetteil 14, einem Hohlke­ gel mit Aussparungen 15 und Bajonetteil 16, einem Kegel mit den Stiften 17.

Transportdorn 3 ist mit einer in der Zeichnung nicht wiedergegebenen Transferstange verbunden.

In Fig. 1 ist außerdem angegeben, aus welcher Sicht die in den Fig. 2 und 3 sowie 5 und 6 wiederge­ gebene Bauteile gesehen sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Ansichten und (siehe Fig. 1) der Bauteile 10 und 11 der Verbin­ dung Support/Probenhalter. Hieraus wird deutlich, daß durch eine Drehung des Probenhalters 2 gegen den Uhrzeigersinn der Bajonettverschluß geschlossen wird. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Bajonett­ lippen 11 jeweils um längs der Mittelachse M_P ver­ setzte Achsen M_B zentriert. Die in der Darstellung angegebene Achse M_B ist die der oberen Bajonettlip­ pe zugeordnete Achse. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß beim Schließen des Bajonettverschlus­ ses zunächst kein Kraftaufwand erforderlich ist. Erst bei weiterem Drehen ist eine geringe Kraft ge­ gen die Federwirkung der Bajonettlippen einzusetzten. Die Drehung des Probenhalters erfolgt beim Schließen des Bajonetts so lange, bis die Endanschläge der Bajonottlippen anschlagen.

Fig. 4 zeigt die Kontakthalter 5 und 8 mit geschlos­ senen Kontakten 6 und 9. Diese sind so geformt, daß sie bei der Drehung des Probenhalters schließen oder öffnen (siehe auch Fig. 1).

Fig. 5 zeigt das Bajonetteil am Probenhalter der Verbindung Probenhalter/Transportdorn. In Verbin­ dung mit der Darstellung in Fig. 1 geht die kegeli­ ge bzw. hohlkegelige Ausführung dieses Bajonettver­ schlusses hervor. Die Dimensionen sind so gewählt, daß die beiden ineinander zu fügenden Teile hin­ reichend Spiel haben, so daß sie nicht verklemmen. Beim Schließen dieses Bajonettverschlusses, bei dem der Transportdorn im Uhrzeigersinn gedreht wird, greifen die Stifte 17 in die Aussparungen 15.

In Fig. 6 ist der Verriegelungsmechanismus für den Bajonettverschluß Probenhalter/Transportdorn darge­ stellt. Er besteht aus Sperring 12 und zugehörigem, unter Federwirkung stehendem Rasthebel 13. Sperring 12, der auch im Schnitt A/A wiedergegeben ist, wird über das Bajonetteil 14 unter Beachtung der in der Zeichnung wiedergegebenen flachen Aussparungen ge­ schoben und ist danach frei drehbar. Bei Aufnahme der Verbindung Probenhalter/Transportdorn werden die Stifte 17 in die länglichen Ausparungen im Sperring geführt und nehmen diesen bei der Drehung des Transportdorns mit, bis die Nut im Sperring in den Rasthebel, der bei der Drehung zunächst (leicht­ gängig) angehoben wird, einrastet. Zur Verdeutli­ chung dieses Teils des Sperrings ist dieser teil­ weise auf der rechten Seite von Fig. 6 in Rückan­ sicht wiedergegeben. Daraus geht auch hervor, daß das Öffnen des Bajonettverschlusses im Verhältnis zum Schließen schwergängig erfolgt.

Claims (4)

1. Probentransfermechanismus zum Einschleusen von Proben in eine Vakuumkammer, bestehend aus einem fest mit der in die Vakuumkammer von außen einbringbaren Transferstange verbundenen Transportdorn, einem mit dem Transportdorn verbindbaren, mit der Probe in die Kammer einzuschleusenden und mit elektrischen Kontakten versehenen Probenhalter sowie mit einem mit den elektrischen Gegenkontakten versehenen, zur Aufnahme des Probenhalters vorgesehenen und im Innern der Kammer fest angebrachten Support, bei dem der Transportdorn und Probenhalter einerseits sowie Probenhalter und Support andererseits über Bajonettverschlüsse mit entgegengesetztem Richtungssinn miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte und die Gegenkontakte als am Probenhalter (2)/Support (1) befindliche Kontaktlippen (9) und am Support (1)/Probenhalter (2) befindliche Gegenstücke (6) derart ausgebildet sind, daß sie allein durch Einsatz radialer Kräfte beim Verdrehen des Probenhalters (2) gegen den Support (1) und Schließen des Bajonettverschlusses schließen und bei gegenläufiger Drehung beim Öffnen des Bajonettverschlusses öffnen.

2. Probentransfermechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Längsachse des Bajonettverschlusses ineinandergreifenden Teile von Transportdorn (3) und Probenhalter (2) kegel­ förmig bzw. hohlkegelförmig ausgebildet sind.

3. Probentransfermechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bajonettverschluß von Probenhalter (2) und Support federnde Bajonettlippen (11) aufweist, die radial um zur Mittelachse derart versetzte Längs­ achsen des Probenhalters (2) zentriert sind, daß der äußere Radius der Bajonettlippen (11), an dem die Gegenstücke des Bajonettverschlusses beim Ver­ schließen anliegen, abhängig vom Drehwinkel zunimmt.

4. Probentransfermechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Bajonettlippen (11) als Endanschläge ausgebildet sind.