使用组织的3-d存储结构的高容量监视器晶体交换器的制造方法

使用组织的3-d存储结构的高容量监视器晶体交换器的制造方法
【专利摘要】公开了使用组织的3-D存储结构的高容量监视器晶体交换器。一种用于在处理室中的沉积过程期间对沉积到基板上的材料进行监视和检测的装置包括：存储结构，其具有在分别第一和第二端之间延伸的主轴以及在第一和第二端之间的、围绕该主轴延伸的外侧表面。多个监视器晶体在沿所述外侧表面的间隔的位置处由该存储结构支撑，并且在其中，驱动机构使该存储结构相对于主轴旋转和轴向推进，从而使得至少一个监视器晶体相对于至少一个测量位置推进或后退。可以使用电刷接触或其它机构来对推进到测量位置的保持的晶体进行电连接，以便使用谐振电路来激励该晶体。
【专利说明】使用组织的3-D存储结构的高容量监视器晶体交换器

【技术领域】
[0001]本申请总地涉及对材料诸如通过气相或化学沉积在基板上的沉积进行监视和控制的领域。更具体地说，本申请涉及高容量石英晶体沉积传感器，在其中，压电晶体的谐振频率受到监视，并且在其中，谐振频率的变化与沉积材料厚度的变化相对应。甚至更具体地说，本申请涉及这样的结构，该结构使能可以相对于处理室移动的三维框架中的多个监视器晶体的高容量保持，从而允许对更多监视器晶体中的一个进行索引，继而允许维持监视和控制功能。

【背景技术】
[0002]石英晶体传感器已被广泛用于监视真空沉积过程和准确地控制材料的沉积量以及向诸如用于半导体、光学或显示处理的基板的表面上沉积的速率。在这些传感器中，可以从石英、钛酸钡或其它合适的材料制造的又一个压电晶体连接成谐振电路，从而使得可以监视一个晶体的固有谐振频率，该晶体相对于处理室的内部被放置。固有谐振主要取决于晶体的总质量和几何结构，其中，谐振频率下降与在真空沉积过程期间被涂敷到晶体上的材料的量有关。然而，随着所沉积的材料积累，复合谐振的锐度减小，并最终达到晶体不足以准确地或有效地监视该过程的点。在该点处，必须更换压电晶体。
[0003]已经开发出了多种多晶传感器头，包括由美国专利N0.5，025，664描述的那些，用于多晶石英振荡器沉积监视器中，并且在其中，多个晶体的可以围绕旋转圆盘传送带旋转。已经开发出了其它的版本，诸如，例如在美国专利N0.4，362，125和3，383，238中描述的。然而，前面的设计中的每一个的典型特征都是二维结构特征，其随着晶体数量的增加而向外增加传感器头的总尺寸。


【发明内容】

[0004]根据一个方面，提供了一种用于对处理室中沉积的材料的变化进行检测和监视的高容量压电晶体沉积传感器，所述传感器包括:
三维存储结构，其具有在分别第一和第二端之间延伸的主轴以及在所述第一和第二端之间的、围绕所述主轴延伸的外侧表面；
多个压电晶体，其在沿所述外侧表面的间隔的位置处由所述存储结构支撑；以及驱动机构，其用于使所述存储结构相对于主轴旋转和轴向推进或后退，从而使得至少一个压电晶体可以相对于至少测量位置推进；以及用于电激励至少一个推进的晶体并且由于在所述晶体上累积材料而使能检测的机构。
[0005]根据另一个方面，提供了一种用于晶体沉积传感器的三维存储结构，所述三维存储结构包括:
具有在第一端和第二相对的端之间延伸的主轴的载体，该载体还具有在该第一和第二端之间限定的、并且围绕该主轴延伸的外侧表面；以及被置于沿载体的横向外表面的间隔开的轴向位置处的多个保持腔，每一个保持腔被设计尺寸用于保持压电监视器晶体。
[0006]根据又一个版本，提供了一种对晶体沉积监视器中使用的晶体进行交换的方法，所述方法包括下列步骤:
将成间隔关系的多个压电晶体沉积到三维存储结构的外表面上；
使该存储结构轴向和旋转推进或后退，以便相对于至少一个测量位置对至少一个压电晶体建立索引；
电激励已推进的压电晶体；
检测施加于基板的材料的质量的变化；
使该存储结构沿三维存储结构的主轴轴向和旋转推进或后退，以便将至少一个其它监视器晶体建立索引到至少一个传感器孔中。
[0007]本文中描述的存储结构可以用于特定材料向基板上的可施加工艺的生长率过程控制和相关联厚度确定，其中，材料通过若干方法中的一种方法从材料源传输到基板。按照工艺所要求的，传输可以通过可以基本上是真空的介质或任何稀薄的或加压的介质。
[0008]前面的示例可以包括真空蒸镀，其涉及从材料的热源通过真空向基板的材料传输。还存在各种各样的派射方法，其中，介于源和基板之间的气体的电离原子用于向目标材料大力撞击，并且所得的被侵蚀的材料碎片通过气体混合物到达基板，并且随后粘附在基板上。其它不太常用的材料传输方法包括:目标的激光诱导烧蚀、等离子电离和电弧沉积。所有这些方法共同包括以下步骤:材料从源(或目标)通过真空或其它工艺介质的传输，以及最终向基板或者向用作替代基板的监视器晶体上的撞击和在其上的聚集。
[0009]因此，描述了使用移动的三维监视器晶体存储单元或存储结构的高容量晶体交换机构。所有存储的监视器晶体具有单独固定的位置，并且在预先确定的布置中被排列在诸如柱体或其它多边形的复杂形状的表面上。应该对监视器晶体位置的特定阵列的选择进行设计，以便促进监视器晶体相对于至少一个测量位置的高效移动。在优选的版本中，三维存储结构是使监视器晶体以螺旋连续的形式保持在弯曲表面上的柱体。至少可以一次一个地将单独监视器晶体置于对接收沉积材料流有用的位置，其中，晶体可以直接保持或者保持在促进存储结构的加载和卸载的单独监视器晶体封装内。在一个版本中，在监视器晶体向工作位置顺序移动期间的存储结构表面上的点的运动在本质上是螺旋的，并且其中，三维存储结构的移动引起监视器晶体的变化。该移动在本质上可以是任意的具有足够复杂的运动，从而引起包括一个或多个步进电机或其它合适的致动器的机构，其中驱动机构导致围绕存储结构的主轴的旋转和轴向移动二者。
[0010]本文中描述的装置提供的一个优点在于:可以在低体积封装中达到高数量的监视器晶体存储容量，并且与常规公知的使用二维晶体存储的传感器头相对的，在其中可以保持更多数量的晶体。
[0011]另一个优点在于:能够测试循环存储结构，以便在关闭真空系统之前验证所有压电晶体的可接受的电操作以及它们随后在沉积期间的使用。
[0012]再一个优点在于:本文中描述的装置实现了模块化设计方法，其促进和便利了不同容量版本的开发，以满足具有足够的备用容量以满足所期望的维护间隔的多种多样工艺所需的压电晶体的数量。
[0013]根据一个版本，可以提供核心机构用于与晶体进行电接触以及执行压电晶体向测量位置的组织的流动。该核心测量和传输部件将容易地与用于对晶体交换过程供电的各个驱动机构进行接口连接。可附着的驱动机构可以包括在真空和非真空中的驱动电源。
[0014]系统设计可以包括基于流体的机构，其用于提取(或增加)至总体交换器机构的热量，以便稳定保持的晶体的温度。前面的机构将提取所吸收的辐射热量、来自沉积源的冷凝热量、来自工艺加热的驱动电机或其它辅助源的损失。
[0015]监视器晶体还可以保持用于测量其它系统参数，诸如温度。
[0016]有利地，包括本设计的装置不依赖于任何特定的监视器晶体的尺寸或形状。从而，可以提供具有较小面积的晶体直到晶体的振动被限制在中心区域并且与接触点(即，边缘)隔离的程度，并且其中，晶面是不平坦的，例如，近似是球形表面。
[0017]因为可以使用较小的晶体，所以针对相同数量的监视器晶体可以提供较低体积的交换器。
[0018]此外，另一个有利的特征是在限定的结构之内容易地更换监视器晶体的能力。
[0019]根据下面的【具体实施方式】，这些和其它特征与优点将是容易清楚的，应该结合附图来阅读该【具体实施方式】。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是根据第一实施例制造的包括示例性驱动机构和温度控制机构的三维存储结构的透视图；
图2是根据示例性实施例的用于图1的三维存储结构中的晶体支撑器组件的截面视图；
图3是如与电刷接触组件接合的三维存储结构的侧视图；
图4A和4B描绘了电刷接触组件的部分；
图5是描绘驱动机构和三维存储结构之间的示例性接合的侧视图；
图6描绘了可以安装到例如图5中所示的存储结构的三维存储结构的前板；
图7是结合图1的三维存储结构和驱动机构使用的存储室(storage vault)的顶部等距视图；
图8(a)和8(b)描绘了根据示例性实施例的图7的存储室和存储结构的局部截面端视图，其使用用于在存储室中的存储结构稳定化的滚珠轴承组件和弹性弹簧作用元件；以及图9是用于存储结构的示例性温度控制机构的局部截面和局部分解的前透视图。

【具体实施方式】
[0021]下面的描述涉及晶体沉积监视器中使用的三(3)维晶体头存储结构以及用于使用该存储结构的相关方法，在该存储结构中，可以根据需要对更多个监视器晶体进行保持、建立索引、重建索引和替换。在贯穿下面的描述中，诸如“顶”，“底”，“上”，“下”，“侧”，“远端”和“近端”的某些术语经常用来提供关于附图的合适的参考框架。但是，这些术语不应狭义地按照本发明和根据权利要求书进行解释。
[0022]所使用的附图意在提供关于示例性实施例的工作和设计的足够的细节。然而，附图不一定是按特定的比例绘制的。
[0023]如本文中所使用的，术语“一”、“一个”和“该”是可以同等地指代一个或一个以上的冠词。
[0024]如本文中所使用的，术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”涉及开放式的过渡术语。
[0025]如本文中所使用的，除非另外特别指示，否则术语“包括(includes)”^包含”和“包括(including)”意在与上面所指出的开放式的过渡术语“包括(comprise)”^包括(comprises)” 和“包括(comprising)” 是同义的。
[0026]图1中示出了三(3)维存储结构20，该三维存储结构20包括:第一端22、第二端24和限定在该结构20的第一和第二端22、24之间的外侧表面28。根据该实施例，存储结构20基本上为柱形配置，并且由弯曲的横向外表面28限定。然而，存储结构20可以可替代地采取其它多边形形状(例如，五边形、六边形等)。存储结构20设置有在外侧表面28各处等距离隔开的多个保持腔32。如本文中进一步讨论的，优选地，保持腔32沿结构20的第一和第二端22、24之间的基本螺旋的路径布置，其中，每一个保持腔32被设计尺寸并且被配置用于接收晶体监视器封装40，图2，如本文中所讨论的。存储结构20是中空的，从而使得每一个保持腔32 (图2)基本延伸通过外侧表面28的厚度，其中较小的对齐的开口 33延伸到存储结构20的中空内部，从而分别产生外部和内部开口。
[0027]参照图2，根据示例性实施例的晶体监视器封装40包括:监视器晶体44、支撑器组件48、以及位于支撑器组件48中的绝缘护圈52。根据该实施例，支撑器组件48优选用诸如不锈钢的金属或其它合适的导电材料制造，并且由柱形形状的构件限定，该柱形形状的构件具有形成监视器晶体44的平台的平坦底部支撑部分56以及垂直布置的侧壁60。
[0028]由支撑器组件48使用和单独保持的监视器晶体44是压电晶体，诸如Hurd的美国专利N0.5，117，192中描述的，该专利的完整内容通过引用并入本文。简要地说，每一个监视器晶体44被配置为:当被电激励时进行谐振，并且其中，晶体44的谐振频率随着材料向晶体44上的沉积而下降，该材料的沉积用作经由材料孔63直接暴露于处理室的替代基板。根据示例性实施例并且如图2 (b)中所示，在支撑器组件48的支撑部分56和柱形侧壁60之间形成小的周边槽口 59。该槽口 59确保监视器晶体44可以平铺在支撑部分56上，而不用采取过度措施来使内角是方形以免使监视器晶体44悬挂在支撑部分56上。支撑部分56包括延伸的环状凸缘58，该环状凸缘58接合存储结构20的横向外表面28并且用作组装的支撑器封装40的机械挡块。
[0029]保持的绝缘护圈52可以采取各种设计，但是该组件的关键特征是:a)确保在将监视器封装40安装到组织的存储结构20中的过程期间，监视器晶体44不允许掉落到支撑器组件48之外；以及b)提供足够的开放区域以允许诸如接触弹簧71的接触机构，接触弹簧71被配置为穿过中空的存储结构20的内部并与监视器晶体44进行电接触。根据示例性实施例，保持绝缘体52是具有一对开口端的分开柱形构件，其尺寸被设计为配合在支撑器组件40的内部中，并且其接合支撑部分56的柱形侧壁60。保持绝缘体52的外直径的尺寸被设计以便被紧密压缩接触地放置在支撑器组件48内，其中，该外直径比监视器晶体44和保持腔32的直径稍大。此外，保持绝缘体52具有接合支撑器组件48的柱形侧壁60的顶部的延伸的凸缘68。当组装时，监视器晶体44被布置于支撑器组件48的支撑部分56和保持绝缘体52的底部之间，在其之间是紧密或具有间隙的，并且在其中，支撑部分56由材料孔67进一步限定，通常，材料孔67比处理室的传感器孔63稍小大约1-2 mm，从而使得当被安装在存储结构20中时，监视器晶体44的面暴露于传感器孔63。
[0030]可以提供诸如孔洞(未示出)的至少一个特征，其允许当监视器晶体44需要更换并且在封装40已经从存储结构20移除之后，容易地抓住绝缘护圈52来进行移除。该额外的特征可以可替代地是延伸的凸缘68，其具有如下额外的益处:不允许绝缘护圈52落入支撑监视器晶体44的存储结构20的保持腔32中以及接触晶体44或者使绝缘护圈52的移除进一步复杂化。为此，提取特征还可以可替代地包括任何这样的结构，该结构将与工具(未示出)或手指协作以允许从支撑器组件48容易地提取监视器晶体44。
[0031]监视器晶体44的操作需要其成为如在之前并入本文的Hurd的美国专利N0.5，117，192中讨论的有源或优选地无源振荡电系统的部件。为此，需要维持对监视器晶体44的前表面和后表面二者的电接触。因此，在激励监视器晶体44的常规装置中，以下是必要的:支撑器组件48由导电材料制成以便确保与前部或沉积面的低电阻接触，或者提供单独的电接触装置。也有可能以被称为平行驱动(未示出)的方式来对监视器晶体44进行电激励，这需要仅对一个主表面的电接入，如在Parallel Field Excitat1n of ThicknessModes of Quartz Plates., R.Bechmann, 14th Annual Symposium on FrequencyControl, (1960)和 Design and Testing of a Lateral Field Excited Rate Monitorfor Use in Thin Film Deposit1n Systems.，Kristopher Sqambatoj Thesis for MBA,University of Maine (2008)中所描述的。虽然在执行中，平行激励具有一些优点，但其对于沉积监视和控制目的的性能一般没有优势，并且通常导致降低的涂层寿命。
[0032]在本文中应该指出的是:石英或其它压电晶体作为质量感测/测量工具的灵敏度不依赖于其直径。也就是说，基本质量灵敏度由相对于基本晶格轴的板切的角度和未涂敷的晶体单元的谐振频率设置。在合理的限制之内，有可能选择被设计尺寸以方便使用的监视器晶体44，或者选择在安装期间或甚至更重要的在制造过程中所使用的成形操作期间实际用于处理的尺寸。对于对监视器晶体封装40适当成形，在不剧烈改变设计构思或制造工具的情况下，将压电晶体44的直径从通常部署的直径(例如，12-14 mm)降低到小于大约8mm是非常可行的。
[0033]如前面所讨论的并且出于沉积测量和控制的目的，具有大量可用的压电晶体44以确保在涂敷工具维护期间可以通过在不断增加的更长间隔上涂敷的不断增加的大量基板来维持速率控制和准确的厚度终止通常是重要的。此外，几乎从来没有这样的情况:在可以专门用于提供大量准备好要被使用的压电晶体的涂敷工具中有大的未使用的体积。因此，存在这样的情形，在该情形中，可用空间受限并且额外费用(premium)归因于能够在没有对真空壳内的受限空间进行相称使用情况下提供高容量的任何设备。因此，以下是合理且有利的:使与测量相关联的任何体积最小化，并且使可以被置于使用该装置的顺序服务中的可能的监视器晶体44的数量最大化。虽然对于本文中描述的交换设备的工作来说并不是必要的，但具有高效地使用空间的设计是有价值的，并且在设计时使用尽实际利用可能小的监视器晶体有助于此。监视器晶体尺寸的下降累积到整个设计的尺寸下降中，该整个设计包括支撑器封装40和存储结构20。监视器晶体尺寸的下降降低了支撑器的尺寸，这降低了组织的存储结构的尺寸。较小的监视器晶体可以在组织的存储结构中更近地排列在一起，因此，对于相同数量的晶体来说，组织的存储结构需要较少的行进距离。通过较小的监视器晶体的使用，累积了所使用的体积的实质性节省。
[0034]如本文中所讨论的并且参照图2，监视器晶体封装40插入形成在组织的三维存储结构20中的许多可能的特殊形状的保持腔32之一中。有必要将支撑器封装40的位置维持在保持腔32中，以确保持续的电接触和支撑器封装的合适物理位置，这二者均相对于三维存储结构20上的其单独腔32以及在与存储结构20的所有其它类似腔32的固定关系中。为此，支撑器保持弹簧65仅仅是对于该目的有用的许多可能的保持设备之一，其在本文中被示为线的形状，被示为向内引向带有凹形接合表面的保持绝缘体52。将容易清楚的是，可以提供用于提供支撑器的保持的其它装置，包括弹簧和由弹性材料形成的其它合适的结构，或者提供足够的压缩范围以接合晶体支撑器48的支撑部分56并且将其物理连接到组织的存储结构20的保持腔32的设计。绝缘体73是两片式的绝缘结构，其为支撑器保持弹簧65，以及通过绝缘体73中对齐的开口从保持腔32的后端33接合的接触螺钉75，提供位置稳定性和电隔离二者。伸缩接触弹簧71布置在绝缘体73的底部与保持的监视器晶体44之间。伸缩弹簧71通过以螺纹固定在接触螺钉75的柄部上的螺母74和分裂锁紧垫圈76保持，后者使用相应的垫圈78被保持于绝缘体73的顶部。当组装时，接触螺钉75的头部朝向存储结构20的中空内部向内径向突出。
[0035]根据示例性实施例，在本文中提供了电刷接触系统用于创建与保持的监视器晶体44的必要的电接触。电刷接触系统的必要特征是:其应该在相对于推进的存储结构20的两(2)个完全相反的擦抹方向上容易且可靠地工作。如图4A所描绘的，示例性电刷接触80最初是具有尺寸被设计用于接收小螺钉86的两个或更多个孔洞84的扁平金属片。在该版本中，必要的是:电刷接触80是导电的，并且足够柔性以便可弯曲，如图4B中所示。可替代地，电刷接触可以由一系列导电性刷毛、形成的擦抹弹簧或其它形式的移动接触来限定。当电刷接触80跨接触螺钉75的头部擦抹时，电刷接触80的扭曲需要存储结构20旋转期间的足够的力来提供该变形。如果电刷接触80是非常刚性和不易弯曲的，那么需要相称大的力来匹配电刷接触80。如果所需的力过大，那么驱动存储结构20所需的机构必须非常强大，并且磨损和显著粒子产生的可能性增加。如果扭曲电刷所需的力很低，那么可能导致低于理想电接触。扭曲所需的这个力可以通过下列各项的选择来控制:为电刷80的制造所选择的材料的厚度和宽度，以及当电刷接触基本上以柱形的形式围绕绝缘接触柱88的端部被缠绕时接触所采取的直径，该直径由一对或多对孔洞84之间的分离来控制。参照图3，接触柱88被固定地布置，并且纵向地从固定的安装板90延伸，安装板90朝向三维存储结构20的第一端22延伸。在该实施例中，存储结构20的前端是开放的，从而容纳延伸的电刷接触80和接触柱88。因此，电刷接触被固定，并导致与和保持腔32相关联的接触螺钉75的突出的头部相接触，驱动机构已经使接触螺钉75相对于测量位置推进，诸如图2中所示。必要的是:电刷接触在配置方面足够窄，以便与和存储结构20的单个保持腔32相关联的接触螺钉75相接触，从而使得仅有一个监视器晶体44经由谐振电路被激励。
[0036]在一些情况下，可能希望在电刷接触80的至少一个主面上放置涂层，以便降低接触电阻、改善磨损或两者。该平坦结构在螺钉孔洞84之间具有足够的长度，从而当其围绕绝缘接触柱88缠绕使得来自原始平坦的电刷接触结构的每一个端的一个孔洞被螺钉紧固件86捕获时，其被约束并形成柱体，该柱体在直径上稍大于绝缘接触柱90并在该紧固点处相切。虽然一个螺钉紧固件86将在许多情况下工作，但2个或更多个螺钉紧固件的使用提供了来自相对于电刷接触柱88的电刷接触80的扭转的约束。此结构具有以下属性:当移动的接触螺钉75允许跨电刷接触80从两个允许的相对方向进行擦抹时，在机械变形的阻力方面近似为各向同性的。出于从晶体10建立电连接的目的，最终通向沉积控制器(未示出)的导线89 (图3)通常将附着到螺钉紧固件36中的一个或多个。有效的电接触路径顺序通过接触螺钉75、伸缩接触弹簧71、监视器晶体44的一个面、监视器晶体44的相反的第二个面(现在的地面侧)、支撑器组件48的支撑部分56、支撑器保持弹簧65、包括它的主调整板140以及电刷接触80的存储结构20，并最终通过电连接器110，电连接器110连接到能够激励晶体44并使其进入谐振的电源。导线89通过紧固件86与电刷接触80保持紧密的物理和电接触。固定的接触螺钉75的使用帮助确保支撑器封装40没有被驱策到其意图在的存储结构20的保持腔32中的位置之外，接触螺钉75不会从电刷接触80向支撑器封装40传递任何所产生的接触力。
[0037]在本文中描述的优选的实施例中，监视器晶体44的布置被构造成用监视器晶体封装40以及以螺旋的样式排列在面朝外的外表面28上的相关联的监视器晶体44填充的柱体。如本文中所限定的，节距被限定为:当沿着存储结构20的柱体的360度旋转的螺旋样式绕其主轴推进时会遇到的监视器晶体40的数量。以这种方式，螺旋组织的存储结构20通常由节距中的监视器晶体44的数量和节距的数量来限定。存储结构20的总容量被限定为:节距的数量与单独节距中监视器晶体44的数量的乘积。存储结构20的总尺寸不仅由其针对监视器晶体44的容量制约，还由单独监视器晶体44及它们的相关联的封装的尺寸制约。然而，监视器晶体44不必封闭在封装40中。也就是说，直接地，监视器晶体44可以直接被置于合适的结构20中，但是会造成在监视器晶体44的更换期间装载和卸载监视器晶体44稍微更困难的代价。
[0038]本质上不是柱形的组织的存储结构当然是可能的，但是将结合这些本质上不是柱形的结构使用的驱动机构可能需要高得多的复杂度来为对存储结构所支撑的所有可能的监视器晶体44向预先确定的工作位置(邻近传感器孔63)建立索引所需的非简单和非重复性的机制负责。示例性存储容量和布置是可能的，诸如:
a->3个节距，每个节距有15个监视器晶体44，容量为45个监视器晶体b->3又1/3个节距，每个节距有15个监视器晶体44，容量为50个监视器晶体c->2个节距，每个节距有15个监视器晶体44，容量为30个监视器晶体d->l个节距，每个节距有20个监视器晶体，容量为20个监视器晶体。这些布置是示例性的，并因此可以容易地设想出各种其它布置。
[0039]再次参照图1，本文中描述的驱动机构120具有必要要求以提供组织的存储结构20的位置稳定性，以及将至少一个保持的监视器晶体44置于预先确定的相对于处理室的传感器孔63的位置的通用装置。在示例性实施例中，驱动机构120将使用产生旋转以及相应的轴向运动的旋转输入运动，有方法地且顺序地使组织的存储结构20所持有的单独监视器晶体封装40推进到所期望的与传感器孔63的关系中。虽然对于本发明来说不是必要的，但使用电机驱动这种类型的机构通常是方便的，并且通过整圈或360度旋转来从测量位置推进或后退到下一测量位置甚至是更方便的。根据一个示例性版本，组织的存储结构20的所需要的旋转是360度加360度的一部分，该部分等于同一个节距上的相邻监视器晶体位置之间的角位移。例如，如果组织的存储结构20在单个节距上具有15个单独的监视位置，那么该组织的存储结构的所需要的旋转是整圈的16/15。总的来说，对于每节距具有η个晶体的结构来说，所需要的旋转是整圈的(η+1)/η。可以使用具有从驱动轴到输出轴的总体比率简单地等于相同的比率(η+1)/η的齿轮系来实现对该所需要的运动的简化。即使选择了诸如步进电机的复杂驱动方案用于自动操作，这也具有内在价值。典型的2极步进电机在完整的360度旋转中具有200个自然位置或步，或每步1.8度。对于每节距10个监视器晶体的情况来说，当由步进电机直接驱动为每个位置是20步或36度隔开时，针对每个监视器晶体有理想的位置。在每节距12个晶体的情况下，监视器晶体中的一些实际上将没有位于理想位置，偏差最多将近一度。这种失配准可能导致由监视器晶体上的沉积撞击来自于该错位的变化而引起的小的但有时是重大的错误。总的来说，如果沿节距的监视器晶体之间的角位移不是1.8度间隔的整数数量，那么常用的2极步进电机的使用将引起上述类型的错误。实际上，使2极电机微步进的实施可以基本上消除该问题，但是这后一种解决方案将需要使用能够在相位之间改变施加的电流的更复杂的驱动机构。此外，这种更复杂的驱动系统的电机将很有可能必须保持被激励以保持这些位置，并因此结果是较大的功耗和发热量。典型的2极步进电机在不被施加电流的情况下具有足够的保持力以维持根据本示例性实施例描述的1.8度间隔处的位置，并因此操作更凉得多。
[0040]在本设计的优选实施例中对监视器晶体进行交换的一种方法是:通过组合的旋转和推进来同时转动和推进组织的存储结构20，或者，如果旋转是反向的，那么则是沿着存储结构的主柱形轴后退，这样用于对至少一个监视器晶体44进行测试的目的或更换。该运动可以是通过旋转具有与节距中的监视器晶体44的数量除以监视器晶体44的相邻节距之间的位移相等的螺距的推进螺钉134直接产生的。在该推进方案中，为了使用单个节距上的所有晶体44，需要螺旋组织的存储结构20比当该节距上的所有监视器晶体是顺序使用时该节距上的监视器晶体44的数量多旋转一圈。
[0041]在该示例性实施例中，如之前所描述的，需要大于360度的旋转。与相邻监视器晶体44之间的部分转动相比，优选地选择该旋转以便避免陡的螺距，陡的螺距具有固有的较高的摩擦以及具有更大的在高真空环境中焊牢的趋势，尤其是存在升高的温度的情况下。在所描述的监视器晶体推进的方法中，由驱动机构提供的运动可以不局限于在固定驱动点处的简单旋转。因为推进螺钉134的同时线性位移，必须提供一种允许该位移而不会造成角度位置的损失或失真的方法。实现此的一种简单的方法是:提供具有跨端面的足够的宽度的一个或多个齿轮端面，以允许一个齿轮同时旋转并沿齿面滑动，从而弥补与强制旋转同时发生的位移。该滑动运动虽然在高速或高负载齿轮系中是不希望的，但其在低速低负载应用中是可接受的。由齿轮相对于彼此滑动而引起的问题还可以通过向包括在运动的滑动部件中的至少一个齿轮添加诸如氮离子注入、氮化钛或类金刚石碳的硬质或耐磨涂层来进一步减轻。
[0042]针对该应用选择的齿轮系将具有本质上如图1中描绘的特征。推进螺钉134穿过主结构板140，其中它与在板中形成的阴螺纹或与插入替代的主结构板140’中的可更换的带螺纹的部件143的那些阴螺纹直接配合，如图5中所示。使用诸如氮化钛或类似材料的耐磨增强/减小摩擦的涂层来涂敷推进螺钉134的螺纹或配合的阴螺纹可以是有利的。推进螺钉134以刚性的但可容易移除和可更换的方式连接到组织的存储结构20。推进螺钉134的另一端附着到行走齿轮144。根据本示例性实施例的行走齿轮144的重要属性是:其具有数量为组织的存储结构20的单个节距中的监视器晶体44的数量的整数倍的锯齿。对于该齿轮和本文中使用的其它齿轮来说，平面而非螺旋的齿轮设计是优选的，以使得当齿轮接触点在旋转期间进行交换时配合齿轮端面之间的接触最小化。这改进了齿轮在推进螺钉134旋转期间根据需要横向滑动的趋势。在所有旋转部件中保持最小的摩擦但在配合齿轮之间提供足够的啮合以使锯齿之间的松动(即“齿隙”)最小化是重要的。对啮合的这种控制是通过使用高公差齿轮和维持齿轮轴之间的合适和受控的放置来进行的。在一些情况下，具有对相对齿轮放置进行细调以进一步降低齿隙的可调装置，或者使用消隙式齿轮用于行走和/或驱动齿轮可能是有用的。
[0043]为了适应使螺旋组织的存储结构20推进所必需的线性运动，必须提供具有适应该运动的足够长度的单个齿轮来驱动行走齿轮144。这在本描述中将被称为中间驱动齿轮148。原则上，中间驱动齿轮148可以用任何实际数量的锯齿来形成,这些锯齿被设计为与行走齿轮144适当啮合并且足够长以维持啮合，并因此维持对于存储结构20上的要访问的全部数量的监视器晶体44来说必要的适当相位关系。为方便起见，中间驱动齿轮148应该具有多个锯齿，使得该齿轮148的单个360度的旋转将把行走齿轮144和所附着的组织的存储结构20推进到下一个监视器晶体44的位置。中间驱动齿轮148的锯齿与行走齿轮144的锯齿的比最优为(n+l)/n，这是超过当在组织的存储结构20的单个节距上均匀隔开的晶体44的数量为η时，行走齿轮144需要推进或后退到组织的存储结构20上的下一个监视器晶体44的位置的单圈的部分。
[0044]使监视器晶体推进或后退的功率可以直接施加于中间驱动齿轮148的轴延伸部152或者通过与其永久哨合的另一个齿轮(未不出)来施加。在任何一种情况下，中间驱动齿轮148的一个完整的360度的转动将把下一个可用监视器晶体44方便地移到测量位置中。如之前所阐述的，晶体交换由完整的旋转引起只是出于方便起见；部分圈或多圈将具有等同的功能，但只是不太方便。在一些情况下，可能希望降低锯齿的数量来显著降低中间行走齿轮148的惯性。在这种情况下，如果该齿轮148是被直接驱动的，那么选择是整数部分的比率是有用的。
[0045]可替代地，去除中间齿轮并使用驱动齿轮来直接驱动行走齿轮148也是合理的，该驱动齿轮具有以下额外属性:具有足够宽的齿轮端面以便在维持恒定的锯齿接合的同时覆盖行走齿轮的横向运动。
[0046]例如并且仍然参照图1，可以以接合中间驱动齿轮148的延伸轴152，或者可替代地与附着到步进电机156并直接接合中间驱动齿轮148的锯齿的驱动齿轮160相接合的方式来安装步进电机156。利用简单的驱动齿轮的优点是:它允许步进电机156紧密安装到主结构板140上，并且施加于结构板140的任何温度控制的益处适用于直接通过传导去除电机的废热。众所周知:因为在真空中不可能有对流散热，并且当受到用于构建步进电机的正常的绝缘材料的最大功能温度的限制时，辐射传递是非常低效的，因此为了避免由于电机绕组的过热导致的绝缘失效，设计良好的导热路径是优选的。
[0047]驱动齿轮160应该具有与中间驱动齿轮相等或是其整数倍的多个锯齿，再次指出，这仅是为了便于保持监视器晶体44的位置推进简单。使用具有比中间驱动齿轮148更少的锯齿的驱动齿轮160也是可能的。例如，如果比率使得驱动齿轮160的两个完整的旋转要引起中间驱动齿轮148的单个且完整的360度旋转，那么，可以使用相对容易且简单的规则来递增或递减到下一个监视器晶体44，并且可以实现任何驱动机构的降低的力矩要求的益处。最终，只有驱动齿轮160与行走齿轮144的比率对于维持比率来说是必要的。当然，很容易设想这样一种情况:在其中，齿轮比率可以进一步增加，从而使得可能需要3个或4个或者甚至更多个完整的驱动齿轮160的旋转来推进中间驱动齿轮148的一个旋转，并且甚至进一步降低了该位置推进动作的力矩要求。还有可能纠正步进电机的旋转步进间隔的失配，根据本示例性实施例，该旋转步进间隔是1.8度，并且需要通过驱动和从动齿轮比率的明智选择的其它逻辑间隔。例如，如果总共15个监视器晶体44排列在单个螺旋节距上，那么连续监视器晶体位置之间的角间距是24度。该间距或者需要24度旋转，这不是
1.8度的偶数倍(实际上是13.33个步进)，如果使用了推进螺钉42的步进节距，或者如果使用了需要超过完整转动(360 + 24 = 384度)的优选的方法，那么需要213.333个步进来将下一个监视器晶体恰当地放置到相对于传感器孔63的合适的地方。很清楚，推进螺钉134的直接驱动可以导致使用正确的齿轮比率选择避免了的一些复杂度。
[0048]可替代地，以需要驱动动力在不是中间驱动齿轮148的轴的一般方向的方向上接近的某种方式为存储结构20供电可能变得必要或更方便。在添加了有助于冠状齿轮和中间驱动齿轮148的适当啮合、包含对齐的支承表面的刚性支架的情况下，可以简单地适应使用直接与中间驱动齿轮148啮合的冠状齿轮(未示出)从而使得这两个齿轮之间的啮合是在两个点处或者甚至在一个点处。还容易添加将适应驱动锥齿轮和附着到中间驱动齿轮的轴延伸部152的从动锥齿轮之间的适当啮合的支架。虽然，假定锥齿轮的旋转轴在驱动齿轮和从动旋转轴之间偏移90度是正常的，但有可能并且易于建立被设计为以其它角度啮合以便适应大范围的可能的输入供电情况的锥齿轮或等径锥齿轮。
[0049]顺便地说，应该指出的是:虽然所有之前的讨论涉及具有用于对监视器晶体建立索引的至少一个限定的螺旋路径的限定的存储结构，但对于本文中所讨论的三维设计，其它路径配置和驱动机构是容易想到的。例如，可以使用如之前根据图2描述的支撑器组件来沿着存储结构20的外侧表面28上的圆形的圆周路径来保持多个监视器晶体(例如，25-30个)。在该后一种配置中，因为将不需要行走齿轮，所以驱动机构有所简化。
[0050]在所描述的实施例中，存储结构20在被从附着到推进螺钉134的从动端移除的方向的总体长度上可以增长。由于高容量交换器的存储结构20可以导致许多节距，因此置于向推进螺钉的附着上的作用力(leverage)可能是很大的。因此，提供支撑该端远离该附着并从而降低附着点上的重量引起的力矩的装置可以是有用的。根据一个实施例并且如图1、7和8(a)及8(b)中所示的，三个或更多个由滚珠轴承组件186组成的滚轴可以附着到螺旋组织的存储结构20，并且在其中，可以提供一个或多个弹簧加载杠杆189 (图8(a))以便保持存储结构20在存储室90内居中设置。可替代地并且如图8(b)中所描绘的，弹簧187可以链接到在滚珠轴承组件186中的两个处提供的支撑件188。在每一个描绘的示例中，相对于存储结构20来说，诸如根据图5、6描绘的端部盖板25是不需要的。如所示出的，存储室190由可移动的上部191和固定的下部193限定，其中，弹簧加载杠杆189或弹簧加载支撑件188维持存储结构20在部分191和193之间并且还相对于传感器孔63居中设置。使滚珠轴承组件186以与推进螺钉134的螺距(图3)相同的角度稍微倾斜以使摩擦最小化并促使滚动是有帮助的。
[0051]晶体交换器机构的成功操作可以通过沉积材料的屏蔽件的正确和明智的设计来辅助。屏蔽件最低限度地应该提供以下功能:i)该屏蔽件应该易于更换和随后在使用之间清洁；ii)该屏蔽件应该防止材料大量进入存储体并过早地涂敷尚未被使用的监视器晶体44 ；iii)由于屏蔽件是该结构最容易清洁和更换的部件，因此其本身应该限定传感器孔63。采用这种方式，屏蔽件容易更换，并且在许多不同的监视器晶体44的使用期间，将来自开口上的材料的缓慢增长的监视器晶体44的涂敷直径从沉积材料的组合累积降低的可能性将在直径足够地降低到不再足以覆盖监视器晶体44的整个振动区域的尺寸之前被中断并纠正。监视器晶体44将不提供质量的准确测量，除非其整个振动区域都被涂敷。如果通过从累积的沉积材料的尺寸降低，传感器孔63将涂敷面积降低到该临界振动尺寸以下，那么监视器晶体44将在此后提供始终小于到达并停留在其表面上的真实质量的测量。iv)屏蔽件还必须为多个在使用中的监视器晶体确保一致的空间位置。没有相对于材料源和基板二者的该定位位置一致性，工装系数将会有不同的比率，从而由于该可控属性的变化而降低该过程的潜在的准确性和再现性，所述工装系数是撞击并停留在监视器晶体44上的材料与撞击并停留在感兴趣的基板上的材料的几何比率。由于(由材料孔67限定的)晶体的活动区域与传感器孔63之间的失配准，也有可能没有完全涂敷监视器晶体44的活动区域并且导致在上面的要求iii)中讨论的类型的错误。配准失败的另一个问题——尤其是如果振动区域的一部分没有被沉积材料覆盖——是声波将具有不希望的不连续性，并且将导致不佳的谐振属性，从而导致低Q和相应的高噪声以及振动的过早停止和测量失败。
[0052]当监视器晶体44或监视器晶体封装40的更换可以在干净和方便的位置上完成时是最方便的。在大的真空涂敷设备中甚至到达晶体交换器通常也是不方便的。容易地移除沉积屏蔽件以及可能移除存储室的一部分以便能够访问并快速地分离组织的存储结构20来从该拥挤且受限的区域移除的能力是重要的。如图7中所示，所描述的存储结构20从推进螺钉134的分离可以通过易于使用的磁性材料192或止动装置(detent)的使用来辅助，但隐含的是需要所选择的无论何种机构的刚性和位置的唯一性。
[0053]从监视器晶体44通过其它结构元件的高效热传递也是有利的，从而为使测量精度最大化提供稳定的温度环境。相对于其它材料种类来说，由于金属的更高的导电性和导热性，因此使用金属支撑器组件48是优选的。如果环境温度被限制在范围之内，则增强了诸如单晶石英的AT切割的典型的石英压电晶体——甚至针对室温左右的频率稳定性进行了优化的石英压电晶体——的频率稳定性并且测量稳定的程度更高。为此，使温度变化最小化，并且增加来自或去往温度受控区域的热量流动(如随后所讨论的)对于任何高容量晶体交换器(诸如本文中所描述的)的实际操作都具有积极的影响。
[0054]参照图1，向主结构板140添加了示例性热交换通道196的细节。该热交换通道196优选是连续、气密的，并避免与是主结构板的一部分或附着到主结构板的任何安装孔洞、附着螺钉或轴通道相交。例如，通过钻取两(2)个不到达远侧的大致平行的孔洞来形成该通道。这些孔洞由与前两个钻取的孔洞大致垂直或横截的第三个钻取的孔洞连接，截断并然后穿过前两个所描述的孔洞中的一个孔洞，并且其中，该钻取在穿过与第二个所描述的孔洞的截留(interc印t1n)之后停止，并且在完成到达远侧之前终止。所有所描述的钻取的孔洞包含在主结构板140中，并且在所有点处存在足够的材料以确保不会有通向主结构板140的外表面的通道。然后，容易通过下列机械技术中的任意一种对第三个孔洞的起点进行气密密封:硬钎焊、软钎焊，或优选地放置与在钻取中去除的相同金属类型的短塞，然后将其融化并使其气密，同时确保所完成的通道196基本上无碎片和堵塞物。以这种方式，形成了与主结构板140整合的流体冷却循环，其不显著削弱板的结构强度，并且没有额外的热接口，并且非常接近来自流过所形成的通道196的流体的热量的最优传递。
[0055]用于对冷却通道196的第三个钻取的孔洞的入口点进行密封的融化工艺中的优选工艺将是屏蔽的惰性气体工艺，诸如GTAW (钨极氩弧焊)或等离子气体焊接。在冷却通道的描述中，只给出流体可以通过任意一个开口引入并且通过另一个开口流出，流动的方向并不重要。所提供的流体可以是水、油或与构建材料相容的任何其它热交换器流体。可以将流体控制在小的温度范围内，或允许其在几摄氏度上变化，如将在工厂中找到的普通冷却流体源中通常会遇到的。再一次指出，向监视器晶体44提供的温度稳定性的程度将与冷却流体的输入温度范围的变化有关。所描述的冷却循环是优选的，因为其具有足够的热交换区域，并且入口和出口方便地定向在同一方向，以便于连接到流体源和返回。可替代地，冷却通道196可以是具有布置在主结构板140的不同侧上的入口和出口的单通道。根据另一个可选的版本，可以提供冷却循环和主结构板140之间的外部或内部机械连接。
[0056]参照图9并且可替代地或与前面的内容结合，也可以延伸水冷却，从而包括存储室190的固定部分193。将使用上面描述的特征中的许多特征来开发水冷却延伸，但是如之前所讨论的，将要求不钻取第三个横向通道。作为该通道的替代，可以在主结构板140中钻取两个相交的通道198来截断“U”形通道197，“U”形通道197是通过之前描述的方法形成的并延伸到存储室190的固定部分193中。可以使用O型环199或类似的密封构件以常规的方式来对结构板140中的通道198和存储室192的固定部分193中的U形通道197之间的后一种相交进行密封。
[0057]除了向主结构板140和步进电机提供冷却之外，还通过将存储室190的至少一部分紧密地附着到结构板140来获得许多冷却。这将在冷凝和源辐射的热量可以撞击组织的存储结构20并且在其中累积之前迅速将其去除，因为组织的存储结构20是可移动的，因此不容易提供强的热传导来进行温度控制。同样地，可以从将运动装置的结构框架附着到如主结构板140提供的冷却来获得类似的益处。
[0058]可替代地，还有可能通过例如在电路中使用电阻器和RTD的有源温度控制来进一步控制交换器装置的温度，有源温度控制在根据要求增加热量以维持交换器的温度稍高于所遇到的冷却流体的最高温度。还有可能提供珀尔帖(Peltier)热交换器或类似的装置，以便将交换器的温度控制在所提供的最高和最低冷却水温度之间的任何温度，或者控制在更低或更高但在所述珀尔帖热交换器的容量的容量之内的温度以移走热量。
[0059]图1-9的部件列表
20三维(组织的)存储结构 22第一端 24第二端
25前端板，存储结构(可选)
28外侧表面 32保持腔 33开口，后端 40监视器晶体封装 44监视器晶体48支撑器组件52绝缘护圈
56支撑部分，支撑器组件60侧壁，支撑器组件63传感器孔65支撑器保持弹簧67材料孔68延伸凸缘71接触弹簧73绝缘体(2片)
74螺母75接触螺钉76锁紧垫圈，分裂的78垫圈80电刷接触84孔洞-电刷接触86螺钉紧固件88电刷接触柱89导线90板
110电连接器
120驱动机构
134推进螺钉
140主结构板
142可更换带螺纹部件
144行走齿轮
148中间驱动齿轮
152中间驱动齿轮轴延伸部
156步进电机
160驱动齿轮
186滚珠轴承组件
187弹簧
188支撑件
189弹簧加载杠杆
190存储室
191可移动部分(存储室)192磁性材料193固定部分，存储室196热交换或冷却通道 197 U形通道 198相交通道 199 O型环。
[0060]将容易清楚的是，在本文中讨论的发明方面中以及根据下面的权利要求书的其它修改和变型是可能的。例如，相对于传感器孔给出/建立索引的至少一个所保持的晶体可以用于测量其它系统参数，诸如使用晶体的温度，从而具有与遇到的温度变化相关的大的并且接近线性的频率变化的属性。为此，可以使用诸如AC切割晶体的晶体以便执行该功倉泛。
【权利要求】
1.一种用于晶体沉积监视器或晶体微量天平中的装置，所述装置包括: 存储结构，其具有在分别第一和第二端之间延伸的主轴以及在所述第一和第二端之间的、围绕所述主轴延伸的外侧表面； 多个监视器晶体，其在沿所述外侧表面的间隔的位置处由所述存储结构支撑； 驱动机构，其用于使所述存储结构相对于所述主轴旋转和轴向推进或后退，从而使得至少一个监视器晶体相对于至少一个测量位置推进或后退；以及 用于对已经推进到了所述至少一个测量位置中的晶体进行电激励的机构。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述存储结构包括:被设计尺寸用于保持在所述外侧表面上的所述间隔的位置处的所述多个监视器晶体的多个腔。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括多个支撑器组件，每个所述支撑器组件被配置为支撑监视器晶体并且被设计尺寸以适合所述存储结构的相应腔。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多个腔沿着沿所述外侧表面的螺旋或圆周路径中的至少一个被布置。
5.根据权利要求1所述的装置，包括用于和缓所述存储结构的温度的至少一个机构。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述存储结构是柱形或多边形配置中的一种。
7.根据权利要求3 所述的装置，其中，用于对所述晶体进行电激励的所述机构包括:用于相对于所述至少一个测量位置接合被布置在所述存储结构中的晶体的电刷接触。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，每个所述保持腔包括被布置为与保持的监视器晶体进行导电性接触的接触构件，其中，当所述晶体被推进到所述至少一个测量位置时，使所述电刷接触接合所述接触构件。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述支撑器组件包括:用于稳定所述监视器晶体在所述存储结构中的位置的至少一个装置。
10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述支撑器组件是可选择性地从所述存储结构移除的，以允许至少一个监视器晶体的更换。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述支撑器组件包括:用于使得能够从所述存储结构的腔释放所述支撑器组件的至少一个特征。
12.根据权利要求1所述的装置，至少包括被布置在所述存储结构中被配置为在激励时监视温度的晶体。
13.一种对用于监视处理室中的材料沉积的晶体进行交换的方法，所述方法包括下列步骤: 以在三维存储结构上布置的腔中的螺旋或圆形路径中的一个将多个监视器晶体成间隔关系布置到所述存储结构的外表面上； 使至少一个监视器晶体至少相对于至少一个测量位置推进； 对所述至少一个监视器晶体进行电激励； 检测施加于所述处理室中的基板的材料的质量的变化； 使支撑结构沿所述三维存储结构的主轴轴向和旋转地推进，以便将至少一个其它监视器晶体建立索引到所述至少一个测量位置中。
14.根据权利要求13所述的方法，包括:在所述监视步骤期间对支撑结构的温度进行和缓的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括:提供保持在所述存储结构上用于监视温度的至少一个监视器晶体的步骤。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电激励步骤包括:使所述存储结构相对于电刷接触推进的步骤。
【文档编号】G01B7/06GK104048590SQ201410097015
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】C.A.小果戈尔 申请人:英飞康公司