JPH0425392A - 同軸型真空用多重回転軸機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は真空中で２軸以上の多重回転軸を同じ軸上で回
転させることが可能な同軸型真空用多重回転軸機構に関
するものである。

（従来の技術） 半導体技術の発達に伴い、半導体プロセスのドライ化お
よび真空化が進んでいる。これに伴い、真空中で試料を
高精度に回転、並進させることへの要求が高まっている
。また分析の分野でも半導体材料のより高度な解析の一
例として、分析を材料作製の現場で行うその場分析（ｉ
ｎ　５ｉｔｕ分析）が求められている。さらにこの動き
は真空中で２軸以上の回転、直線運動を必要とする方向
へ進んでいる。これに対し真空中での高精度な直線運動
については、ベローシールと高精度なマイクロヘッドを
組み合わせた直線導入やピエゾ素子を利用し、数μｍ以
下の分解能を持つ直線導入等が開発されている。一方、
真空中での回転機構については、現状ではまだ十分開発
が進んでいるとは言えない。真空中での回転を可能にす
る回転導入の例としては、磁気シールを用いた回転導入
やベローシールによる、すりこぎ運動を利用した回転導
入が主に使われている。しかしこれらの回転導入は、そ
の機械的精度は十分とは言えず、現状では主に試料の位
置決め程度の用途にのみ使用されている。

また大気中での回転運動を真空中へ導入するためには、
差動排気を利用した回転導入軸の開発も進められている
。この方法は大気中の回転運動が損失なしに真空中へ伝
達されるので、原理的には高精度な回転運動が可能であ
る。しかし、この差動排気利用の回転導入軸についても
、現状では１軸の回転運動のみが可能であり、これを多
軸の回転へ拡張することは、従来のメカニズムでは困難
である。

第３図に磁力を利用した磁気結合型回転導入軸の断面を
示す。ここで１は大気中での回転機構、２および３は真
空中の回転軸を保持するためのベアリング、４は大気側
の回転機構に取り付けられた駆動用磁石、５は真空側の
回転機構に取り付けられた駆動用磁石、６は真空側の回
転機構を示す。

このメカニズムにおいて真空中の回転機構６を回転させ
るためには、まず、大気中の回転機構１を回転させる。

すると大気用の回転機構１が回転するとともに磁石４も
回転する。このとき磁石４と磁石５の間に結合力が働く
ので、真空中の磁石５もあわせて回転する。この結果、
磁石５の取り付けられた真空中の回転機構６も回転する
ことが可能となる。このように大気中の回転運動を真空
中の回転運動に結びつけることができる。この回転導入
軸では、回転軸を連結することにより、容易に多軸の回
転を可能とすることができるという利点がある。しかし
この場合、大気側の運動と真空側の運動は、磁石５と磁
石６の結合により伝達されるので、大気側の回転に必ず
しも真空側の軸の回転が追従しない。このためこのよう
な方法で試料を回転しても回転精度を得ることができず
、真空中での高精度な回転運動には適していない。

一方、真空中へ回転運動を導入する別の方法として一般
に良く用いられている例としてベローシールを用いる方
法がある。第４図にこの方法により作製されたベローシ
ール利用型回転導入軸の例を示す。ここで７は大気側の
回転軸、８は大気側の回転軸７を保持するためのベアリ
ング、９は大気側の回転機構、１０は大気側回転用治具
、１１は大気側回転用治具１０と真空側回転治具Ｉ２を
接続するためのベアリング付きカップラ、１２は真空側
回転用治具、１３は真空と大気を隔離するための蛇腹形
をしたベローシール、１４は真空側回転軸１５を保持す
るためのベアリング、１５は真空側回転軸、１６は真空
側回転機構である。

このメカニズムでは大気中の回転運動を以下のようなメ
カニズムで真空側へ伝達する。まず大気側の回転軸７を
回転さるせと、これに結合した大気側回転用治具１０が
回転する。すると、いわゆる、すりこぎの原理で真空側
回転用治具１２が移動し、真空側回転軸１５が回転する
。このとき大気側回転用治具１０と真空側回転用治具１
２の間にねじれが生じるが、これはカップラ１１により
キャンセルされる。このようにこの方法は、大気側回転
用治具１０と真空側回転用治具をカップラ１１により結
合させ、大気中の回転運動を間接的に真空中に伝える。

このため、真空の回転軸１５の精度は、カップラ１１の
ベアリングの“ガタ”によって制限されてしまう。

このため、この方式を用いた回転運動の真空中への導入
は、せいぜい真空中の試料のおおざっばな位置決めなど
、精度が高くなくてもよい状況にしか用いることができ
ない。

また従来の技術の一例として第５図に示すように、差動
排気により大気中の回転運動を、直接、真空中へ導入す
る回転導入機構がある。ここで４８は回転導入機構の固
定フランジ、４９は回転フランジアセンブリ、５０は回
転導入機構の回転フランジアセンブリ４９と固定フラン
ジ４８の間を支えるテフロン製の上側ベアリング、５１
は回転導入機構の回転フランジと固定フランジを支える
下側ベアリング、５２はシール５９を固定するためのア
ルミニウム製リング、５３は上側ヘアリング５０を上か
ら固定するための固定リング、５４は下側リング５１を
支えるためのスペーサ、５５は上側ヘアリング５０を下
側から固定するための固定リング、５６は回転量を推定
するための回転目盛り付きリング、５７は現在の回転位
置を知るためのインデックスリング、５８は固定リング
５５を固定するためのサークリップ、５９は真空を保持
するためのシールである。また６０はシ−ル間の真空を
排気するための差動排気口である。

この差動排気を利用した回転導入機構においては、回転
フランジアセンブリ４９は上側ベアリング５０および下
側ベアリング５１にのみ支持されているので、大気中で
自由に回転することができる。またこのときの回転量は
目盛り付きリング５６およびインデックスリング５７よ
り知ることができる。ここで大気側の回転フランジアセ
ンブリ４９が回転するときには当然真空を保つ必要があ
る。このため、この回転導入機構では基本的にテフロン
製シール５９により、大気と真空を切り離す構造を採用
している。

このように、この回転導入機構を用いることにより、大
気中の回転を真空中へ直接導入することは可能となるが
、この回転導入機構には以下のような問題点がある。す
なわち、回転の支持にテフロン製ベアリングを用いるの
で、軸に負担のかがるような回転運動を真空中で行うこ
とができず、真空中へ導入できるものは、軽い重量のも
のに限られる。またこの機構では、回転運動を行うもの
は、回転フランジアセンブリに取り付けるので、基本的
に回転軸は１軸しか導入することができない。このため
、二つのものを同じ軸の上で回転させたい場合には、こ
の回転導入機構を使用することはできない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、従来の回転導入機構では回転精度が十分でな
い、２軸以上の多軸の回転軸を作製することは困難であ
るという問題を解決して、真空中でも大気中と同様に２
軸以上の多軸の回転を可能とする同軸型真空用多重回転
軸機構を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、差動排気を使用することにより真空中へ回転
軸を直接接続し、回転軸の駆動精度をあげるとともに回
転軸を多重にし、一つの回転軸上に複数の回転運動を導
入する。

すなわち本発明の同軸型多重回転軸機構は、真空槽を排
気する排気装置、および一端が真空槽に、他端が大気側
に接続された回転軸、および２枚以上のシール材および
排気系からなり、シール間の空間を排気することにより
真空槽の真空を保つことが可能な差動排気機構を備えた
回転軸を有する真空用回転軸機構において、差動排気機
構を設けた回転軸を多重にし、外側の回転軸の内側に差
動排気機構を設けることにより、多軸の回転軸のシール
間の排気を行うとともに、回転軸相互間および外壁をベ
アリングにより保持する。

従来の技術とは、差動排気を利用した回転軸を同軸にし
た点、および回転軸を相互に支えるベアリングで固定し
た点が異なっている。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は本発明を利用して作製した２重回転軸の断面図
である。ここで１７は真空槽、１８は真空槽の隔壁、１
９は試料支持台、２０は試料、２１は軟Ｘ線検出器、２
２は検出器支持具および増幅用アンプ、２３は検出器を
回転軸に取り付けるためのベース、２４は回転機構と真
空槽を接続するための蛇腹形をしたベローシール、２５
および２８は２重回転軸の外側の軸４４と真空隔離用隔
壁４５との間に設置された回転に伴うふれを防止するた
めの回転用ヘアリング、２６は真空槽と大気を隔離する
２重シールのうち真空槽側に設置されたシール、２７は
真空槽と大気を隔離する２重シールのうち大気側に設置
されたシール、２９は回転軸機構全体を支えるベース３
０とギア付き回転軸ベース３１との間に設置された回転
用ベアリング、３０は回転軸機構全体を支えるベース、
３１は２重回転軸のうち外側の回転軸４４を支えるギア
付き回転軸ベース、３２は２重回転軸のうち外側の回転
軸用ベースおよび内側の回転軸用ベースの間に設置され
た回転用ベアリング、３３は２重回転軸のうち内側の回
転軸４７を支えるギア付き回転軸ベースである。

また３４は２重回転軸のうち内側の回転軸ベースと回転
機構支持ベースの間に設置された回転用ヘアリング、３
５は回転機構全体を支えるベースの底部、３６は２重回
転軸のうち外側の軸の回転用ギアヘッド、３７は２声回
転軸のうち外側の軸の回転用モータ、３８は２重回転軸
のうち内側の軸の回転用ギアヘッド、３９は２重回転軸
のうち内側の軸の回転用モータ、４０は真空槽と大気を
隔離する２重シールのうち大気側に設置されたシール、
４１および４２は２重回転軸の外側の軸４４と内側の軸
４７の間に設置された回転に伴うぶれを防止するための
回転用ベアリング、４３は真空槽と大気を隔離する２重
シールのうち大気側に設置されたシール、４４は２重回
転軸のうちの外側の回転軸、４５は２重回転軸の支持お
よび２重回転軸の内側の真空と大気を分離する真空隔壁
、４６は２重回転軸のシールで隔離された比較的真空度
の悪い部分を排気するための排気系、４７は２重回転軸
の内側の回転軸である。

この発明において２重回転軸の各軸の回転は以下によう
に実現される。まず真空中へ大気中の回転運動を直接導
入するために、シール材２６，２７．４０゜４３および
差動排気用排気系４６が組み込まれた。この部分の役目
は、大気と真空を直接分離することにある。すなわち通
常のシール材を１枚使用しただけでは真空槽１７の真空
度は、せいぜい１Ｏ−６Ｔｏｒｒ程度の真空しかならず
、また真空中へ回転運動を導入した場合は、シール材の
隙間から大気が侵入するので、真空度はさらに悪化する
と考えられる。

ここでシール材を２６．２７および４０．４３のように
２枚使用し、シールで囲まれた部分を、排気系４６で排
気することにより、シール材で囲まれた部分の真空は、
１Ｏ−ｈＴｏｒｒ程度となるが、真空槽１７への影響は
、１０−’ＴｏｒｒＸ１０−’Ｔｏｒｒ＝１０−”Ｔｏ
ｒｒ程度となり、真空槽１７への大気の侵入を防止する
ことができる。

次に回転軸４４および回転軸４７を真空中で回転させる
ためには、軸のぶれに伴うシール材２６，２７．４０゜
４３の変形を防止する必要がある。このため、本発明で
はベアリング２５．２８．４１．４２を軸の固定に使用
し、回転軸４４．４７のぶれを防止した。

さらに回転軸４４．４７を正確に回転するためには、回
転軸４４．４７およびベース３０、回転機構全体を支え
るベースの底部３５および真空隔壁４５からなる回転機
構全体の回転軸を一致させる必要がある。このため、本
発明ではベアリング２９，３２．３４を、回転軸ベース
３１．３３およびベース３０、ベースの底部３５の間に
設置した。また回転軸ベース３１および３３の円周にギ
アを設け、このギアをギアヘッド３６．３８および回転
用モータ３７，３９の組合せで駆動することにより、回
転軸４４．４７を駆動した。この結果、回転軸４７の先
端に取り付けた試料２０、試料支持台１９および回転軸
４４の先端に取り付けた軟Ｘ線検出器２１、増幅用アン
プ２２、検出器を回転軸に取り付けるためのベース２３
を、独立に駆動することが可能となった。また、さらに
この実施例においては、２重の回転軸を相互にベアリン
グで強固に支えているので、軟Ｘ線検出器２１や試料２
０が多少重くても、十分に“ガタ”なく支えることが可
能となる。

以上述べたような工夫をすることにより、本発明におい
て２重の回転軸を真空中で回転し、回転軸の先端に装着
した試料および検出器を独立に回転させることが可能と
なった。

第２図は本発明の他の実施例として真空用同軸型３軸回
転軸の構造を示す断面図である。なおこの実施例では３
軸の回転軸を示しているが、これを多軸の回転軸に拡張
することは容易である。

第２図において、６１は１本の中心となる回転軸および
２本の同軸型回転軸を示し、６２は外壁を示し、３本の
回転軸を回転ステージに固定するためのもの（サポート
）である。６３は真空槽と大気を分離するための隔壁、
６４は３軸回転ステージ、６５゜６６はＯリング、６７
．６８はベアリングである。

この発明においては各回転軸の回転は、以下のように実
現される。まず回転軸の下部に取り付けられた３軸回転
ステージ６４の一番内側の回転部分を回転することによ
り、回転軸の一番内側の中心の回転軸の回転が可能とな
る。このとき大気の真空槽への侵入は、中心の回転軸お
よびその外側の同軸型回転軸の間に設けられた０リング
６５．６６のシールにより防止される。また回転軸自体
は中心の回転軸および外側の同軸型回転軸の間に設けら
れた各組のベアリング６７．６８により保持される。

一方、同軸型回転軸を回転するためには、３軸回転軸の
中間または外側の回転軸を回転すればよい。

このとき大気の真空槽への侵入は中心にある回転軸と同
様に同軸型回転軸の間または回転軸と外壁との間に設置
された数組のＯリング６５．６６のシールにより防止さ
れる。また同軸型自体のぶれは回転軸相互または回転軸
と外壁との間に設置された数組のベアリング６７．６８
により防止される。

以上のように、本発明では、真空保持用０リングシール
および回転軸保持用ベアリングを回転軸相互で支えるこ
とにより、容易に同軸型多軸回転軸を作製することがで
きる。

以上述べたような工夫をすることにより、本発明を用い
て真空中で３軸または３軸以上の同軸の独立した回転運
動が可能となる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の真空用多重回転装置は、
真空中で二つ以上の回転軸の同軸の回転が可能であり、
このような回転軸を利用することにより、例えば真空中
でのＸ線回折、電子線回折、電子線散乱、イオン散乱、
イオン注入の実験等を高精度に行うことができ、このよ
うな分析を利用した半導体材料のプロセス技術の進歩に
利すること大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、 第２図は本発明の他の実施例の断面図、第３図は従来装
置である磁気結合型回転導入軸の断面図、 第４図はベローシール利用型回転導入軸の断面図、 第５図は差動排気利用回転導入軸の断面図である。 １・・・大気側の回転機構 ２．３・・・真空側回転機構支持用ベアリング４・・・
大気側の回転機構に取り付けられた駆動用磁石 ５・・・真空側の回転機構に取り付けられた駆動用磁石 ６・・・真空側の回転機構 ７・・・大気側の回転軸 ８・・・大気側の回転軸を保持するためのベアリング９
・・・大気側の回転機構 １０・・・大気側の回転用治具 １１・・・ベアリング付きカップラ １２・・・真空側の回転用治具 １３・・・ベローズシール １４・・・真空側の回転軸を保持するためのベアリング
１５・・・真空側の回転軸　　１６・・・真空側の回転
機構１７・・・真空槽　　　　　　１８・・・真空槽の
隔壁１９・・・試料支持台　　　　２ｏ・・・試料２１
・・・軟Ｘ線検出器 ２２・・・検出器支持具および増幅用アンプ２３・・・
検出器を回転軸に取り付けるためのベース２４・・・ベ
ローシール ２５．２８・・・回転用ベアリング ２６・・・真空槽側に設置されたシール２７・・・大気
側に設置されたシール ２９・・・回転用ベアリング ３０・・・回転軸機構全体を支えるベース３１・・・回
転軸４４を支えるギア付き回転軸ベース３２・・・回転
用ベアリング ３３・・・回転軸４７を支えるギア付き回転軸ベース３
４・・・回転用ベアリング ３５・・・回転機構全体を支えるベースの底部３６・・
・２重回転軸のうち外側の軸の回転用ギアヘッド ３７・・・２重回転軸のうち外側の軸の回転用モータ３
８・・・２重回転軸のうち内側の軸の回転用ギアヘッド ３９・・・２重回転軸のうち内側の軸の回転用モータ４
０．４３・・・大気側に設置されたシール４１．４２・
・・回転用ベアリング ４４・・・２重回転軸のうちの外側の回転軸４５・・・
２重回転軸の内側の真空と大気を分離する真空隔壁 ４６・・・排気系 ４７・・・２重回転軸の内側の回転軸 ４８・・・回転導入機構の固定フランジ４９・・・回転
フランジアセンブリ ５０・・・上側ベアリング　　５１・・・下側ベアリン
ク５２・・・アルミニウム製リング ５３・・・固定リング　　　　５４・・・スペーサ５５
・・・固定リング ５６・・・回転目盛り付きリング ５７・・・インデックスリング ５８・・・サークリップ　　　５９・・・シール６０・
・・差動排気口　　　　６１・・・回転軸６２・・・外
壁　　　　　　　６３・・・隔壁６４・・・３軸回転ス
テージ　６５．６６・・・Ｏリング６７．６８・・・ベ
アリング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、真空槽を排気する排気装置、および一端が真空槽に
   、他端が大気側に接続された回転軸、および２枚以上の
   シール材および排気系からなり、シール間の空間を排気
   することにより真空槽の真空を保つことが可能な差動排
   気機構を備えた回転軸を有する真空用回転軸機構におい
   て、差動排気機構を設けた回転軸を多重にし、外側の回
   転軸の内側に差動排気機構を設けることにより、多軸の
   回転軸のシール間の排気を行うとともに、回転軸相互間
   および外壁をベアリングにより保持することを特徴とす
   る同軸型真空用多重回転軸機構。