使用組織的3-d存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的高容量監(jiān)視器晶體交換器的制造方法
【專利摘要】公開了使用組織的3-D存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的高容量監(jiān)視器晶體交換器。一種用于在處理室中的沉積過程期間對(duì)沉積到基板上的材料進(jìn)行監(jiān)視和檢測(cè)的裝置包括：存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其具有在分別第一和第二端之間延伸的主軸以及在第一和第二端之間的、圍繞該主軸延伸的外側(cè)表面。多個(gè)監(jiān)視器晶體在沿所述外側(cè)表面的間隔的位置處由該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)支撐，并且在其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)和軸向推進(jìn)，從而使得至少一個(gè)監(jiān)視器晶體相對(duì)于至少一個(gè)測(cè)量位置推進(jìn)或后退?？梢允褂秒娝⒔佑|或其它機(jī)構(gòu)來對(duì)推進(jìn)到測(cè)量位置的保持的晶體進(jìn)行電連接，以便使用諧振電路來激勵(lì)該晶體。
【專利說明】使用組織的3-D存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的高容量監(jiān)視器晶體交換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)總地涉及對(duì)材料諸如通過氣相或化學(xué)沉積在基板上的沉積進(jìn)行監(jiān)視和控制的領(lǐng)域。更具體地說，本申請(qǐng)涉及高容量石英晶體沉積傳感器，在其中，壓電晶體的諧振頻率受到監(jiān)視，并且在其中，諧振頻率的變化與沉積材料厚度的變化相對(duì)應(yīng)。甚至更具體地說，本申請(qǐng)涉及這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使能可以相對(duì)于處理室移動(dòng)的三維框架中的多個(gè)監(jiān)視器晶體的高容量保持，從而允許對(duì)更多監(jiān)視器晶體中的一個(gè)進(jìn)行索引，繼而允許維持監(jiān)視和控制功能。

【背景技術(shù)】
[0002]石英晶體傳感器已被廣泛用于監(jiān)視真空沉積過程和準(zhǔn)確地控制材料的沉積量以及向諸如用于半導(dǎo)體、光學(xué)或顯示處理的基板的表面上沉積的速率。在這些傳感器中，可以從石英、鈦酸鋇或其它合適的材料制造的又一個(gè)壓電晶體連接成諧振電路，從而使得可以監(jiān)視一個(gè)晶體的固有諧振頻率，該晶體相對(duì)于處理室的內(nèi)部被放置。固有諧振主要取決于晶體的總質(zhì)量和幾何結(jié)構(gòu)，其中，諧振頻率下降與在真空沉積過程期間被涂敷到晶體上的材料的量有關(guān)。然而，隨著所沉積的材料積累，復(fù)合諧振的銳度減小，并最終達(dá)到晶體不足以準(zhǔn)確地或有效地監(jiān)視該過程的點(diǎn)。在該點(diǎn)處，必須更換壓電晶體。
[0003]已經(jīng)開發(fā)出了多種多晶傳感器頭，包括由美國專利N0.5，025，664描述的那些，用于多晶石英振蕩器沉積監(jiān)視器中，并且在其中，多個(gè)晶體的可以圍繞旋轉(zhuǎn)圓盤傳送帶旋轉(zhuǎn)。已經(jīng)開發(fā)出了其它的版本，諸如，例如在美國專利N0.4，362，125和3，383，238中描述的。然而，前面的設(shè)計(jì)中的每一個(gè)的典型特征都是二維結(jié)構(gòu)特征，其隨著晶體數(shù)量的增加而向外增加傳感器頭的總尺寸。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)一個(gè)方面，提供了一種用于對(duì)處理室中沉積的材料的變化進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)視的高容量壓電晶體沉積傳感器，所述傳感器包括:
三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其具有在分別第一和第二端之間延伸的主軸以及在所述第一和第二端之間的、圍繞所述主軸延伸的外側(cè)表面；
多個(gè)壓電晶體，其在沿所述外側(cè)表面的間隔的位置處由所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)支撐；以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其用于使所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)和軸向推進(jìn)或后退，從而使得至少一個(gè)壓電晶體可以相對(duì)于至少測(cè)量位置推進(jìn)；以及用于電激勵(lì)至少一個(gè)推進(jìn)的晶體并且由于在所述晶體上累積材料而使能檢測(cè)的機(jī)構(gòu)。
[0005]根據(jù)另一個(gè)方面，提供了一種用于晶體沉積傳感器的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，所述三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括:
具有在第一端和第二相對(duì)的端之間延伸的主軸的載體，該載體還具有在該第一和第二端之間限定的、并且圍繞該主軸延伸的外側(cè)表面；以及被置于沿載體的橫向外表面的間隔開的軸向位置處的多個(gè)保持腔，每一個(gè)保持腔被設(shè)計(jì)尺寸用于保持壓電監(jiān)視器晶體。
[0006]根據(jù)又一個(gè)版本，提供了一種對(duì)晶體沉積監(jiān)視器中使用的晶體進(jìn)行交換的方法，所述方法包括下列步驟:
將成間隔關(guān)系的多個(gè)壓電晶體沉積到三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的外表面上；
使該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)軸向和旋轉(zhuǎn)推進(jìn)或后退，以便相對(duì)于至少一個(gè)測(cè)量位置對(duì)至少一個(gè)壓電晶體建立索引；
電激勵(lì)已推進(jìn)的壓電晶體；
檢測(cè)施加于基板的材料的質(zhì)量的變化；
使該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)沿三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主軸軸向和旋轉(zhuǎn)推進(jìn)或后退，以便將至少一個(gè)其它監(jiān)視器晶體建立索引到至少一個(gè)傳感器孔中。
[0007]本文中描述的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可以用于特定材料向基板上的可施加工藝的生長率過程控制和相關(guān)聯(lián)厚度確定，其中，材料通過若干方法中的一種方法從材料源傳輸?shù)交?。按照工藝所要求的，傳輸可以通過可以基本上是真空的介質(zhì)或任何稀薄的或加壓的介質(zhì)。
[0008]前面的示例可以包括真空蒸鍍，其涉及從材料的熱源通過真空向基板的材料傳輸。還存在各種各樣的派射方法，其中，介于源和基板之間的氣體的電離原子用于向目標(biāo)材料大力撞擊，并且所得的被侵蝕的材料碎片通過氣體混合物到達(dá)基板，并且隨后粘附在基板上。其它不太常用的材料傳輸方法包括:目標(biāo)的激光誘導(dǎo)燒蝕、等離子電離和電弧沉積。所有這些方法共同包括以下步驟:材料從源(或目標(biāo))通過真空或其它工藝介質(zhì)的傳輸，以及最終向基板或者向用作替代基板的監(jiān)視器晶體上的撞擊和在其上的聚集。
[0009]因此，描述了使用移動(dòng)的三維監(jiān)視器晶體存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的高容量晶體交換機(jī)構(gòu)。所有存儲(chǔ)的監(jiān)視器晶體具有單獨(dú)固定的位置，并且在預(yù)先確定的布置中被排列在諸如柱體或其它多邊形的復(fù)雜形狀的表面上。應(yīng)該對(duì)監(jiān)視器晶體位置的特定陣列的選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便促進(jìn)監(jiān)視器晶體相對(duì)于至少一個(gè)測(cè)量位置的高效移動(dòng)。在優(yōu)選的版本中，三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是使監(jiān)視器晶體以螺旋連續(xù)的形式保持在彎曲表面上的柱體。至少可以一次一個(gè)地將單獨(dú)監(jiān)視器晶體置于對(duì)接收沉積材料流有用的位置，其中，晶體可以直接保持或者保持在促進(jìn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的加載和卸載的單獨(dú)監(jiān)視器晶體封裝內(nèi)。在一個(gè)版本中，在監(jiān)視器晶體向工作位置順序移動(dòng)期間的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)表面上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在本質(zhì)上是螺旋的，并且其中，三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)引起監(jiān)視器晶體的變化。該移動(dòng)在本質(zhì)上可以是任意的具有足夠復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，從而引起包括一個(gè)或多個(gè)步進(jìn)電機(jī)或其它合適的致動(dòng)器的機(jī)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致圍繞存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主軸的旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)二者。
[0010]本文中描述的裝置提供的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于:可以在低體積封裝中達(dá)到高數(shù)量的監(jiān)視器晶體存儲(chǔ)容量，并且與常規(guī)公知的使用二維晶體存儲(chǔ)的傳感器頭相對(duì)的，在其中可以保持更多數(shù)量的晶體。
[0011]另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于:能夠測(cè)試循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以便在關(guān)閉真空系統(tǒng)之前驗(yàn)證所有壓電晶體的可接受的電操作以及它們隨后在沉積期間的使用。
[0012]再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于:本文中描述的裝置實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)方法，其促進(jìn)和便利了不同容量版本的開發(fā)，以滿足具有足夠的備用容量以滿足所期望的維護(hù)間隔的多種多樣工藝所需的壓電晶體的數(shù)量。
[0013]根據(jù)一個(gè)版本，可以提供核心機(jī)構(gòu)用于與晶體進(jìn)行電接觸以及執(zhí)行壓電晶體向測(cè)量位置的組織的流動(dòng)。該核心測(cè)量和傳輸部件將容易地與用于對(duì)晶體交換過程供電的各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行接口連接?？筛街尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括在真空和非真空中的驅(qū)動(dòng)電源。
[0014]系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以包括基于流體的機(jī)構(gòu)，其用于提取(或增加)至總體交換器機(jī)構(gòu)的熱量，以便穩(wěn)定保持的晶體的溫度。前面的機(jī)構(gòu)將提取所吸收的輻射熱量、來自沉積源的冷凝熱量、來自工藝加熱的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或其它輔助源的損失。
[0015]監(jiān)視器晶體還可以保持用于測(cè)量其它系統(tǒng)參數(shù)，諸如溫度。
[0016]有利地，包括本設(shè)計(jì)的裝置不依賴于任何特定的監(jiān)視器晶體的尺寸或形狀。從而，可以提供具有較小面積的晶體直到晶體的振動(dòng)被限制在中心區(qū)域并且與接觸點(diǎn)(即，邊緣)隔離的程度，并且其中，晶面是不平坦的，例如，近似是球形表面。
[0017]因?yàn)榭梢允褂幂^小的晶體，所以針對(duì)相同數(shù)量的監(jiān)視器晶體可以提供較低體積的交換器。
[0018]此外，另一個(gè)有利的特征是在限定的結(jié)構(gòu)之內(nèi)容易地更換監(jiān)視器晶體的能力。
[0019]根據(jù)下面的【具體實(shí)施方式】，這些和其它特征與優(yōu)點(diǎn)將是容易清楚的，應(yīng)該結(jié)合附圖來閱讀該【具體實(shí)施方式】。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)第一實(shí)施例制造的包括示例性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和溫度控制機(jī)構(gòu)的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的透視圖；
圖2是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于圖1的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的晶體支撐器組件的截面視圖；
圖3是如與電刷接觸組件接合的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
圖4A和4B描繪了電刷接觸組件的部分；
圖5是描繪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的示例性接合的側(cè)視圖；
圖6描繪了可以安裝到例如圖5中所示的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的前板；
圖7是結(jié)合圖1的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的存儲(chǔ)室(storage vault)的頂部等距視圖；
圖8(a)和8(b)描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例的圖7的存儲(chǔ)室和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的局部截面端視圖，其使用用于在存儲(chǔ)室中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的滾珠軸承組件和彈性彈簧作用元件；以及圖9是用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的示例性溫度控制機(jī)構(gòu)的局部截面和局部分解的前透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面的描述涉及晶體沉積監(jiān)視器中使用的三(3)維晶體頭存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及用于使用該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)方法，在該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)需要對(duì)更多個(gè)監(jiān)視器晶體進(jìn)行保持、建立索引、重建索引和替換。在貫穿下面的描述中，諸如“頂”，“底”，“上”，“下”，“側(cè)”，“遠(yuǎn)端”和“近端”的某些術(shù)語經(jīng)常用來提供關(guān)于附圖的合適的參考框架。但是，這些術(shù)語不應(yīng)狹義地按照本發(fā)明和根據(jù)權(quán)利要求書進(jìn)行解釋。
[0022]所使用的附圖意在提供關(guān)于示例性實(shí)施例的工作和設(shè)計(jì)的足夠的細(xì)節(jié)。然而，附圖不一定是按特定的比例繪制的。
[0023]如本文中所使用的，術(shù)語“一”、“一個(gè)”和“該”是可以同等地指代一個(gè)或一個(gè)以上的冠詞。
[0024]如本文中所使用的，術(shù)語“包括(comprise)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”涉及開放式的過渡術(shù)語。
[0025]如本文中所使用的，除非另外特別指示，否則術(shù)語“包括(includes)”^包含”和“包括(including)”意在與上面所指出的開放式的過渡術(shù)語“包括(comprise)”^包括(comprises)” 和“包括(comprising)” 是同義的。
[0026]圖1中示出了三(3)維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20，該三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20包括:第一端22、第二端24和限定在該結(jié)構(gòu)20的第一和第二端22、24之間的外側(cè)表面28。根據(jù)該實(shí)施例，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20基本上為柱形配置，并且由彎曲的橫向外表面28限定。然而，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20可以可替代地采取其它多邊形形狀(例如，五邊形、六邊形等)。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20設(shè)置有在外側(cè)表面28各處等距離隔開的多個(gè)保持腔32。如本文中進(jìn)一步討論的，優(yōu)選地，保持腔32沿結(jié)構(gòu)20的第一和第二端22、24之間的基本螺旋的路徑布置，其中，每一個(gè)保持腔32被設(shè)計(jì)尺寸并且被配置用于接收晶體監(jiān)視器封裝40，圖2，如本文中所討論的。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20是中空的，從而使得每一個(gè)保持腔32 (圖2)基本延伸通過外側(cè)表面28的厚度，其中較小的對(duì)齊的開口 33延伸到存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的中空內(nèi)部，從而分別產(chǎn)生外部和內(nèi)部開口。
[0027]參照?qǐng)D2，根據(jù)示例性實(shí)施例的晶體監(jiān)視器封裝40包括:監(jiān)視器晶體44、支撐器組件48、以及位于支撐器組件48中的絕緣護(hù)圈52。根據(jù)該實(shí)施例，支撐器組件48優(yōu)選用諸如不銹鋼的金屬或其它合適的導(dǎo)電材料制造，并且由柱形形狀的構(gòu)件限定，該柱形形狀的構(gòu)件具有形成監(jiān)視器晶體44的平臺(tái)的平坦底部支撐部分56以及垂直布置的側(cè)壁60。
[0028]由支撐器組件48使用和單獨(dú)保持的監(jiān)視器晶體44是壓電晶體，諸如Hurd的美國專利N0.5，117，192中描述的，該專利的完整內(nèi)容通過引用并入本文。簡要地說，每一個(gè)監(jiān)視器晶體44被配置為:當(dāng)被電激勵(lì)時(shí)進(jìn)行諧振，并且其中，晶體44的諧振頻率隨著材料向晶體44上的沉積而下降，該材料的沉積用作經(jīng)由材料孔63直接暴露于處理室的替代基板。根據(jù)示例性實(shí)施例并且如圖2 (b)中所示，在支撐器組件48的支撐部分56和柱形側(cè)壁60之間形成小的周邊槽口 59。該槽口 59確保監(jiān)視器晶體44可以平鋪在支撐部分56上，而不用采取過度措施來使內(nèi)角是方形以免使監(jiān)視器晶體44懸掛在支撐部分56上。支撐部分56包括延伸的環(huán)狀凸緣58，該環(huán)狀凸緣58接合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的橫向外表面28并且用作組裝的支撐器封裝40的機(jī)械擋塊。
[0029]保持的絕緣護(hù)圈52可以采取各種設(shè)計(jì)，但是該組件的關(guān)鍵特征是:a)確保在將監(jiān)視器封裝40安裝到組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20中的過程期間，監(jiān)視器晶體44不允許掉落到支撐器組件48之外；以及b)提供足夠的開放區(qū)域以允許諸如接觸彈簧71的接觸機(jī)構(gòu)，接觸彈簧71被配置為穿過中空的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的內(nèi)部并與監(jiān)視器晶體44進(jìn)行電接觸。根據(jù)示例性實(shí)施例，保持絕緣體52是具有一對(duì)開口端的分開柱形構(gòu)件，其尺寸被設(shè)計(jì)為配合在支撐器組件40的內(nèi)部中，并且其接合支撐部分56的柱形側(cè)壁60。保持絕緣體52的外直徑的尺寸被設(shè)計(jì)以便被緊密壓縮接觸地放置在支撐器組件48內(nèi)，其中，該外直徑比監(jiān)視器晶體44和保持腔32的直徑稍大。此外，保持絕緣體52具有接合支撐器組件48的柱形側(cè)壁60的頂部的延伸的凸緣68。當(dāng)組裝時(shí)，監(jiān)視器晶體44被布置于支撐器組件48的支撐部分56和保持絕緣體52的底部之間，在其之間是緊密或具有間隙的，并且在其中，支撐部分56由材料孔67進(jìn)一步限定，通常，材料孔67比處理室的傳感器孔63稍小大約1-2 mm，從而使得當(dāng)被安裝在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20中時(shí)，監(jiān)視器晶體44的面暴露于傳感器孔63。
[0030]可以提供諸如孔洞(未示出)的至少一個(gè)特征，其允許當(dāng)監(jiān)視器晶體44需要更換并且在封裝40已經(jīng)從存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20移除之后，容易地抓住絕緣護(hù)圈52來進(jìn)行移除。該額外的特征可以可替代地是延伸的凸緣68，其具有如下額外的益處:不允許絕緣護(hù)圈52落入支撐監(jiān)視器晶體44的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的保持腔32中以及接觸晶體44或者使絕緣護(hù)圈52的移除進(jìn)一步復(fù)雜化。為此，提取特征還可以可替代地包括任何這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將與工具(未示出)或手指協(xié)作以允許從支撐器組件48容易地提取監(jiān)視器晶體44。
[0031]監(jiān)視器晶體44的操作需要其成為如在之前并入本文的Hurd的美國專利N0.5，117，192中討論的有源或優(yōu)選地?zé)o源振蕩電系統(tǒng)的部件。為此，需要維持對(duì)監(jiān)視器晶體44的前表面和后表面二者的電接觸。因此，在激勵(lì)監(jiān)視器晶體44的常規(guī)裝置中，以下是必要的:支撐器組件48由導(dǎo)電材料制成以便確保與前部或沉積面的低電阻接觸，或者提供單獨(dú)的電接觸裝置。也有可能以被稱為平行驅(qū)動(dòng)(未示出)的方式來對(duì)監(jiān)視器晶體44進(jìn)行電激勵(lì)，這需要僅對(duì)一個(gè)主表面的電接入，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。雖然在執(zhí)行中，平行激勵(lì)具有一些優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)于沉積監(jiān)視和控制目的的性能一般沒有優(yōu)勢(shì)，并且通常導(dǎo)致降低的涂層壽命。
[0032]在本文中應(yīng)該指出的是:石英或其它壓電晶體作為質(zhì)量感測(cè)/測(cè)量工具的靈敏度不依賴于其直徑。也就是說，基本質(zhì)量靈敏度由相對(duì)于基本晶格軸的板切的角度和未涂敷的晶體單元的諧振頻率設(shè)置。在合理的限制之內(nèi)，有可能選擇被設(shè)計(jì)尺寸以方便使用的監(jiān)視器晶體44，或者選擇在安裝期間或甚至更重要的在制造過程中所使用的成形操作期間實(shí)際用于處理的尺寸。對(duì)于對(duì)監(jiān)視器晶體封裝40適當(dāng)成形，在不劇烈改變?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)思或制造工具的情況下，將壓電晶體44的直徑從通常部署的直徑(例如，12-14 mm)降低到小于大約8mm是非?？尚械?。
[0033]如前面所討論的并且出于沉積測(cè)量和控制的目的，具有大量可用的壓電晶體44以確保在涂敷工具維護(hù)期間可以通過在不斷增加的更長間隔上涂敷的不斷增加的大量基板來維持速率控制和準(zhǔn)確的厚度終止通常是重要的。此外，幾乎從來沒有這樣的情況:在可以專門用于提供大量準(zhǔn)備好要被使用的壓電晶體的涂敷工具中有大的未使用的體積。因此，存在這樣的情形，在該情形中，可用空間受限并且額外費(fèi)用(premium)歸因于能夠在沒有對(duì)真空殼內(nèi)的受限空間進(jìn)行相稱使用情況下提供高容量的任何設(shè)備。因此，以下是合理且有利的:使與測(cè)量相關(guān)聯(lián)的任何體積最小化，并且使可以被置于使用該裝置的順序服務(wù)中的可能的監(jiān)視器晶體44的數(shù)量最大化。雖然對(duì)于本文中描述的交換設(shè)備的工作來說并不是必要的，但具有高效地使用空間的設(shè)計(jì)是有價(jià)值的，并且在設(shè)計(jì)時(shí)使用盡實(shí)際利用可能小的監(jiān)視器晶體有助于此。監(jiān)視器晶體尺寸的下降累積到整個(gè)設(shè)計(jì)的尺寸下降中，該整個(gè)設(shè)計(jì)包括支撐器封裝40和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20。監(jiān)視器晶體尺寸的下降降低了支撐器的尺寸，這降低了組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺寸。較小的監(jiān)視器晶體可以在組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中更近地排列在一起，因此，對(duì)于相同數(shù)量的晶體來說，組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)需要較少的行進(jìn)距離。通過較小的監(jiān)視器晶體的使用，累積了所使用的體積的實(shí)質(zhì)性節(jié)省。
[0034]如本文中所討論的并且參照?qǐng)D2，監(jiān)視器晶體封裝40插入形成在組織的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20中的許多可能的特殊形狀的保持腔32之一中。有必要將支撐器封裝40的位置維持在保持腔32中，以確保持續(xù)的電接觸和支撐器封裝的合適物理位置，這二者均相對(duì)于三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20上的其單獨(dú)腔32以及在與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的所有其它類似腔32的固定關(guān)系中。為此，支撐器保持彈簧65僅僅是對(duì)于該目的有用的許多可能的保持設(shè)備之一，其在本文中被示為線的形狀，被示為向內(nèi)引向帶有凹形接合表面的保持絕緣體52。將容易清楚的是，可以提供用于提供支撐器的保持的其它裝置，包括彈簧和由彈性材料形成的其它合適的結(jié)構(gòu)，或者提供足夠的壓縮范圍以接合晶體支撐器48的支撐部分56并且將其物理連接到組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的保持腔32的設(shè)計(jì)。絕緣體73是兩片式的絕緣結(jié)構(gòu)，其為支撐器保持彈簧65，以及通過絕緣體73中對(duì)齊的開口從保持腔32的后端33接合的接觸螺釘75，提供位置穩(wěn)定性和電隔離二者。伸縮接觸彈簧71布置在絕緣體73的底部與保持的監(jiān)視器晶體44之間。伸縮彈簧71通過以螺紋固定在接觸螺釘75的柄部上的螺母74和分裂鎖緊墊圈76保持，后者使用相應(yīng)的墊圈78被保持于絕緣體73的頂部。當(dāng)組裝時(shí)，接觸螺釘75的頭部朝向存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的中空內(nèi)部向內(nèi)徑向突出。
[0035]根據(jù)示例性實(shí)施例，在本文中提供了電刷接觸系統(tǒng)用于創(chuàng)建與保持的監(jiān)視器晶體44的必要的電接觸。電刷接觸系統(tǒng)的必要特征是:其應(yīng)該在相對(duì)于推進(jìn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的兩(2)個(gè)完全相反的擦抹方向上容易且可靠地工作。如圖4A所描繪的，示例性電刷接觸80最初是具有尺寸被設(shè)計(jì)用于接收小螺釘86的兩個(gè)或更多個(gè)孔洞84的扁平金屬片。在該版本中，必要的是:電刷接觸80是導(dǎo)電的，并且足夠柔性以便可彎曲，如圖4B中所示。可替代地，電刷接觸可以由一系列導(dǎo)電性刷毛、形成的擦抹彈簧或其它形式的移動(dòng)接觸來限定。當(dāng)電刷接觸80跨接觸螺釘75的頭部擦抹時(shí)，電刷接觸80的扭曲需要存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20旋轉(zhuǎn)期間的足夠的力來提供該變形。如果電刷接觸80是非常剛性和不易彎曲的，那么需要相稱大的力來匹配電刷接觸80。如果所需的力過大，那么驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20所需的機(jī)構(gòu)必須非常強(qiáng)大，并且磨損和顯著粒子產(chǎn)生的可能性增加。如果扭曲電刷所需的力很低，那么可能導(dǎo)致低于理想電接觸。扭曲所需的這個(gè)力可以通過下列各項(xiàng)的選擇來控制:為電刷80的制造所選擇的材料的厚度和寬度，以及當(dāng)電刷接觸基本上以柱形的形式圍繞絕緣接觸柱88的端部被纏繞時(shí)接觸所采取的直徑，該直徑由一對(duì)或多對(duì)孔洞84之間的分離來控制。參照?qǐng)D3，接觸柱88被固定地布置，并且縱向地從固定的安裝板90延伸，安裝板90朝向三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的第一端22延伸。在該實(shí)施例中，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的前端是開放的，從而容納延伸的電刷接觸80和接觸柱88。因此，電刷接觸被固定，并導(dǎo)致與和保持腔32相關(guān)聯(lián)的接觸螺釘75的突出的頭部相接觸，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)使接觸螺釘75相對(duì)于測(cè)量位置推進(jìn)，諸如圖2中所示。必要的是:電刷接觸在配置方面足夠窄，以便與和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的單個(gè)保持腔32相關(guān)聯(lián)的接觸螺釘75相接觸，從而使得僅有一個(gè)監(jiān)視器晶體44經(jīng)由諧振電路被激勵(lì)。
[0036]在一些情況下，可能希望在電刷接觸80的至少一個(gè)主面上放置涂層，以便降低接觸電阻、改善磨損或兩者。該平坦結(jié)構(gòu)在螺釘孔洞84之間具有足夠的長度，從而當(dāng)其圍繞絕緣接觸柱88纏繞使得來自原始平坦的電刷接觸結(jié)構(gòu)的每一個(gè)端的一個(gè)孔洞被螺釘緊固件86捕獲時(shí)，其被約束并形成柱體，該柱體在直徑上稍大于絕緣接觸柱90并在該緊固點(diǎn)處相切。雖然一個(gè)螺釘緊固件86將在許多情況下工作，但2個(gè)或更多個(gè)螺釘緊固件的使用提供了來自相對(duì)于電刷接觸柱88的電刷接觸80的扭轉(zhuǎn)的約束。此結(jié)構(gòu)具有以下屬性:當(dāng)移動(dòng)的接觸螺釘75允許跨電刷接觸80從兩個(gè)允許的相對(duì)方向進(jìn)行擦抹時(shí)，在機(jī)械變形的阻力方面近似為各向同性的。出于從晶體10建立電連接的目的，最終通向沉積控制器(未示出)的導(dǎo)線89 (圖3)通常將附著到螺釘緊固件36中的一個(gè)或多個(gè)。有效的電接觸路徑順序通過接觸螺釘75、伸縮接觸彈簧71、監(jiān)視器晶體44的一個(gè)面、監(jiān)視器晶體44的相反的第二個(gè)面(現(xiàn)在的地面?zhèn)?、支撐器組件48的支撐部分56、支撐器保持彈簧65、包括它的主調(diào)整板140以及電刷接觸80的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20，并最終通過電連接器110，電連接器110連接到能夠激勵(lì)晶體44并使其進(jìn)入諧振的電源。導(dǎo)線89通過緊固件86與電刷接觸80保持緊密的物理和電接觸。固定的接觸螺釘75的使用幫助確保支撐器封裝40沒有被驅(qū)策到其意圖在的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的保持腔32中的位置之外，接觸螺釘75不會(huì)從電刷接觸80向支撐器封裝40傳遞任何所產(chǎn)生的接觸力。
[0037]在本文中描述的優(yōu)選的實(shí)施例中，監(jiān)視器晶體44的布置被構(gòu)造成用監(jiān)視器晶體封裝40以及以螺旋的樣式排列在面朝外的外表面28上的相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器晶體44填充的柱體。如本文中所限定的，節(jié)距被限定為:當(dāng)沿著存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的柱體的360度旋轉(zhuǎn)的螺旋樣式繞其主軸推進(jìn)時(shí)會(huì)遇到的監(jiān)視器晶體40的數(shù)量。以這種方式，螺旋組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20通常由節(jié)距中的監(jiān)視器晶體44的數(shù)量和節(jié)距的數(shù)量來限定。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的總?cè)萘勘幌薅?節(jié)距的數(shù)量與單獨(dú)節(jié)距中監(jiān)視器晶體44的數(shù)量的乘積。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的總尺寸不僅由其針對(duì)監(jiān)視器晶體44的容量制約，還由單獨(dú)監(jiān)視器晶體44及它們的相關(guān)聯(lián)的封裝的尺寸制約。然而，監(jiān)視器晶體44不必封閉在封裝40中。也就是說，直接地，監(jiān)視器晶體44可以直接被置于合適的結(jié)構(gòu)20中，但是會(huì)造成在監(jiān)視器晶體44的更換期間裝載和卸載監(jiān)視器晶體44稍微更困難的代價(jià)。
[0038]本質(zhì)上不是柱形的組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)當(dāng)然是可能的，但是將結(jié)合這些本質(zhì)上不是柱形的結(jié)構(gòu)使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可能需要高得多的復(fù)雜度來為對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)所支撐的所有可能的監(jiān)視器晶體44向預(yù)先確定的工作位置(鄰近傳感器孔63)建立索引所需的非簡單和非重復(fù)性的機(jī)制負(fù)責(zé)。示例性存儲(chǔ)容量和布置是可能的，諸如:
a->3個(gè)節(jié)距，每個(gè)節(jié)距有15個(gè)監(jiān)視器晶體44，容量為45個(gè)監(jiān)視器晶體b->3又1/3個(gè)節(jié)距，每個(gè)節(jié)距有15個(gè)監(jiān)視器晶體44，容量為50個(gè)監(jiān)視器晶體c->2個(gè)節(jié)距，每個(gè)節(jié)距有15個(gè)監(jiān)視器晶體44，容量為30個(gè)監(jiān)視器晶體d->l個(gè)節(jié)距，每個(gè)節(jié)距有20個(gè)監(jiān)視器晶體，容量為20個(gè)監(jiān)視器晶體。這些布置是示例性的，并因此可以容易地設(shè)想出各種其它布置。
[0039]再次參照?qǐng)D1，本文中描述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)120具有必要要求以提供組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的位置穩(wěn)定性，以及將至少一個(gè)保持的監(jiān)視器晶體44置于預(yù)先確定的相對(duì)于處理室的傳感器孔63的位置的通用裝置。在示例性實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)120將使用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)以及相應(yīng)的軸向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)輸入運(yùn)動(dòng)，有方法地且順序地使組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20所持有的單獨(dú)監(jiān)視器晶體封裝40推進(jìn)到所期望的與傳感器孔63的關(guān)系中。雖然對(duì)于本發(fā)明來說不是必要的，但使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)這種類型的機(jī)構(gòu)通常是方便的，并且通過整圈或360度旋轉(zhuǎn)來從測(cè)量位置推進(jìn)或后退到下一測(cè)量位置甚至是更方便的。根據(jù)一個(gè)示例性版本，組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的所需要的旋轉(zhuǎn)是360度加360度的一部分，該部分等于同一個(gè)節(jié)距上的相鄰監(jiān)視器晶體位置之間的角位移。例如，如果組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20在單個(gè)節(jié)距上具有15個(gè)單獨(dú)的監(jiān)視位置，那么該組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的所需要的旋轉(zhuǎn)是整圈的16/15?？偟膩碚f，對(duì)于每節(jié)距具有η個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)來說，所需要的旋轉(zhuǎn)是整圈的(η+1)/η?？梢允褂镁哂袕尿?qū)動(dòng)軸到輸出軸的總體比率簡單地等于相同的比率(η+1)/η的齒輪系來實(shí)現(xiàn)對(duì)該所需要的運(yùn)動(dòng)的簡化。即使選擇了諸如步進(jìn)電機(jī)的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)方案用于自動(dòng)操作，這也具有內(nèi)在價(jià)值。典型的2極步進(jìn)電機(jī)在完整的360度旋轉(zhuǎn)中具有200個(gè)自然位置或步，或每步1.8度。對(duì)于每節(jié)距10個(gè)監(jiān)視器晶體的情況來說，當(dāng)由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為每個(gè)位置是20步或36度隔開時(shí)，針對(duì)每個(gè)監(jiān)視器晶體有理想的位置。在每節(jié)距12個(gè)晶體的情況下，監(jiān)視器晶體中的一些實(shí)際上將沒有位于理想位置，偏差最多將近一度。這種失配準(zhǔn)可能導(dǎo)致由監(jiān)視器晶體上的沉積撞擊來自于該錯(cuò)位的變化而引起的小的但有時(shí)是重大的錯(cuò)誤。總的來說，如果沿節(jié)距的監(jiān)視器晶體之間的角位移不是1.8度間隔的整數(shù)數(shù)量，那么常用的2極步進(jìn)電機(jī)的使用將引起上述類型的錯(cuò)誤。實(shí)際上，使2極電機(jī)微步進(jìn)的實(shí)施可以基本上消除該問題，但是這后一種解決方案將需要使用能夠在相位之間改變施加的電流的更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，這種更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)將很有可能必須保持被激勵(lì)以保持這些位置，并因此結(jié)果是較大的功耗和發(fā)熱量。典型的2極步進(jìn)電機(jī)在不被施加電流的情況下具有足夠的保持力以維持根據(jù)本示例性實(shí)施例描述的1.8度間隔處的位置，并因此操作更涼得多。
[0040]在本設(shè)計(jì)的優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)監(jiān)視器晶體進(jìn)行交換的一種方法是:通過組合的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)來同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)和推進(jìn)組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20，或者，如果旋轉(zhuǎn)是反向的，那么則是沿著存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主柱形軸后退，這樣用于對(duì)至少一個(gè)監(jiān)視器晶體44進(jìn)行測(cè)試的目的或更換。該運(yùn)動(dòng)可以是通過旋轉(zhuǎn)具有與節(jié)距中的監(jiān)視器晶體44的數(shù)量除以監(jiān)視器晶體44的相鄰節(jié)距之間的位移相等的螺距的推進(jìn)螺釘134直接產(chǎn)生的。在該推進(jìn)方案中，為了使用單個(gè)節(jié)距上的所有晶體44，需要螺旋組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20比當(dāng)該節(jié)距上的所有監(jiān)視器晶體是順序使用時(shí)該節(jié)距上的監(jiān)視器晶體44的數(shù)量多旋轉(zhuǎn)一圈。
[0041]在該示例性實(shí)施例中，如之前所描述的，需要大于360度的旋轉(zhuǎn)。與相鄰監(jiān)視器晶體44之間的部分轉(zhuǎn)動(dòng)相比，優(yōu)選地選擇該旋轉(zhuǎn)以便避免陡的螺距，陡的螺距具有固有的較高的摩擦以及具有更大的在高真空環(huán)境中焊牢的趨勢(shì)，尤其是存在升高的溫度的情況下。在所描述的監(jiān)視器晶體推進(jìn)的方法中，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的運(yùn)動(dòng)可以不局限于在固定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處的簡單旋轉(zhuǎn)。因?yàn)橥七M(jìn)螺釘134的同時(shí)線性位移，必須提供一種允許該位移而不會(huì)造成角度位置的損失或失真的方法。實(shí)現(xiàn)此的一種簡單的方法是:提供具有跨端面的足夠的寬度的一個(gè)或多個(gè)齒輪端面，以允許一個(gè)齒輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)并沿齒面滑動(dòng)，從而彌補(bǔ)與強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生的位移。該滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)雖然在高速或高負(fù)載齒輪系中是不希望的，但其在低速低負(fù)載應(yīng)用中是可接受的。由齒輪相對(duì)于彼此滑動(dòng)而引起的問題還可以通過向包括在運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)部件中的至少一個(gè)齒輪添加諸如氮離子注入、氮化鈦或類金剛石碳的硬質(zhì)或耐磨涂層來進(jìn)一步減輕。
[0042]針對(duì)該應(yīng)用選擇的齒輪系將具有本質(zhì)上如圖1中描繪的特征。推進(jìn)螺釘134穿過主結(jié)構(gòu)板140，其中它與在板中形成的陰螺紋或與插入替代的主結(jié)構(gòu)板140’中的可更換的帶螺紋的部件143的那些陰螺紋直接配合，如圖5中所示。使用諸如氮化鈦或類似材料的耐磨增強(qiáng)/減小摩擦的涂層來涂敷推進(jìn)螺釘134的螺紋或配合的陰螺紋可以是有利的。推進(jìn)螺釘134以剛性的但可容易移除和可更換的方式連接到組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20。推進(jìn)螺釘134的另一端附著到行走齒輪144。根據(jù)本示例性實(shí)施例的行走齒輪144的重要屬性是:其具有數(shù)量為組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的單個(gè)節(jié)距中的監(jiān)視器晶體44的數(shù)量的整數(shù)倍的鋸齒。對(duì)于該齒輪和本文中使用的其它齒輪來說，平面而非螺旋的齒輪設(shè)計(jì)是優(yōu)選的，以使得當(dāng)齒輪接觸點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)期間進(jìn)行交換時(shí)配合齒輪端面之間的接觸最小化。這改進(jìn)了齒輪在推進(jìn)螺釘134旋轉(zhuǎn)期間根據(jù)需要橫向滑動(dòng)的趨勢(shì)。在所有旋轉(zhuǎn)部件中保持最小的摩擦但在配合齒輪之間提供足夠的嚙合以使鋸齒之間的松動(dòng)(即“齒隙”)最小化是重要的。對(duì)嚙合的這種控制是通過使用高公差齒輪和維持齒輪軸之間的合適和受控的放置來進(jìn)行的。在一些情況下，具有對(duì)相對(duì)齒輪放置進(jìn)行細(xì)調(diào)以進(jìn)一步降低齒隙的可調(diào)裝置，或者使用消隙式齒輪用于行走和/或驅(qū)動(dòng)齒輪可能是有用的。
[0043]為了適應(yīng)使螺旋組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20推進(jìn)所必需的線性運(yùn)動(dòng)，必須提供具有適應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的足夠長度的單個(gè)齒輪來驅(qū)動(dòng)行走齒輪144。這在本描述中將被稱為中間驅(qū)動(dòng)齒輪148。原則上，中間驅(qū)動(dòng)齒輪148可以用任何實(shí)際數(shù)量的鋸齒來形成,這些鋸齒被設(shè)計(jì)為與行走齒輪144適當(dāng)嚙合并且足夠長以維持嚙合，并因此維持對(duì)于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20上的要訪問的全部數(shù)量的監(jiān)視器晶體44來說必要的適當(dāng)相位關(guān)系。為方便起見，中間驅(qū)動(dòng)齒輪148應(yīng)該具有多個(gè)鋸齒，使得該齒輪148的單個(gè)360度的旋轉(zhuǎn)將把行走齒輪144和所附著的組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20推進(jìn)到下一個(gè)監(jiān)視器晶體44的位置。中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的鋸齒與行走齒輪144的鋸齒的比最優(yōu)為(n+l)/n，這是超過當(dāng)在組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的單個(gè)節(jié)距上均勻隔開的晶體44的數(shù)量為η時(shí)，行走齒輪144需要推進(jìn)或后退到組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20上的下一個(gè)監(jiān)視器晶體44的位置的單圈的部分。
[0044]使監(jiān)視器晶體推進(jìn)或后退的功率可以直接施加于中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的軸延伸部152或者通過與其永久哨合的另一個(gè)齒輪(未不出)來施加。在任何一種情況下，中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的一個(gè)完整的360度的轉(zhuǎn)動(dòng)將把下一個(gè)可用監(jiān)視器晶體44方便地移到測(cè)量位置中。如之前所闡述的，晶體交換由完整的旋轉(zhuǎn)引起只是出于方便起見；部分圈或多圈將具有等同的功能，但只是不太方便。在一些情況下，可能希望降低鋸齒的數(shù)量來顯著降低中間行走齒輪148的慣性。在這種情況下，如果該齒輪148是被直接驅(qū)動(dòng)的，那么選擇是整數(shù)部分的比率是有用的。
[0045]可替代地，去除中間齒輪并使用驅(qū)動(dòng)齒輪來直接驅(qū)動(dòng)行走齒輪148也是合理的，該驅(qū)動(dòng)齒輪具有以下額外屬性:具有足夠?qū)挼凝X輪端面以便在維持恒定的鋸齒接合的同時(shí)覆蓋行走齒輪的橫向運(yùn)動(dòng)。
[0046]例如并且仍然參照?qǐng)D1，可以以接合中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的延伸軸152，或者可替代地與附著到步進(jìn)電機(jī)156并直接接合中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的鋸齒的驅(qū)動(dòng)齒輪160相接合的方式來安裝步進(jìn)電機(jī)156。利用簡單的驅(qū)動(dòng)齒輪的優(yōu)點(diǎn)是:它允許步進(jìn)電機(jī)156緊密安裝到主結(jié)構(gòu)板140上，并且施加于結(jié)構(gòu)板140的任何溫度控制的益處適用于直接通過傳導(dǎo)去除電機(jī)的廢熱。眾所周知:因?yàn)樵谡婵罩胁豢赡苡袑?duì)流散熱，并且當(dāng)受到用于構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)的正常的絕緣材料的最大功能溫度的限制時(shí)，輻射傳遞是非常低效的，因此為了避免由于電機(jī)繞組的過熱導(dǎo)致的絕緣失效，設(shè)計(jì)良好的導(dǎo)熱路徑是優(yōu)選的。
[0047]驅(qū)動(dòng)齒輪160應(yīng)該具有與中間驅(qū)動(dòng)齒輪相等或是其整數(shù)倍的多個(gè)鋸齒，再次指出，這僅是為了便于保持監(jiān)視器晶體44的位置推進(jìn)簡單。使用具有比中間驅(qū)動(dòng)齒輪148更少的鋸齒的驅(qū)動(dòng)齒輪160也是可能的。例如，如果比率使得驅(qū)動(dòng)齒輪160的兩個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)要引起中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的單個(gè)且完整的360度旋轉(zhuǎn)，那么，可以使用相對(duì)容易且簡單的規(guī)則來遞增或遞減到下一個(gè)監(jiān)視器晶體44，并且可以實(shí)現(xiàn)任何驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的降低的力矩要求的益處。最終，只有驅(qū)動(dòng)齒輪160與行走齒輪144的比率對(duì)于維持比率來說是必要的。當(dāng)然，很容易設(shè)想這樣一種情況:在其中，齒輪比率可以進(jìn)一步增加，從而使得可能需要3個(gè)或4個(gè)或者甚至更多個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)齒輪160的旋轉(zhuǎn)來推進(jìn)中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的一個(gè)旋轉(zhuǎn)，并且甚至進(jìn)一步降低了該位置推進(jìn)動(dòng)作的力矩要求。還有可能糾正步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)間隔的失配，根據(jù)本示例性實(shí)施例，該旋轉(zhuǎn)步進(jìn)間隔是1.8度，并且需要通過驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)齒輪比率的明智選擇的其它邏輯間隔。例如，如果總共15個(gè)監(jiān)視器晶體44排列在單個(gè)螺旋節(jié)距上，那么連續(xù)監(jiān)視器晶體位置之間的角間距是24度。該間距或者需要24度旋轉(zhuǎn)，這不是
1.8度的偶數(shù)倍(實(shí)際上是13.33個(gè)步進(jìn))，如果使用了推進(jìn)螺釘42的步進(jìn)節(jié)距，或者如果使用了需要超過完整轉(zhuǎn)動(dòng)(360 + 24 = 384度)的優(yōu)選的方法，那么需要213.333個(gè)步進(jìn)來將下一個(gè)監(jiān)視器晶體恰當(dāng)?shù)胤胖玫较鄬?duì)于傳感器孔63的合適的地方。很清楚，推進(jìn)螺釘134的直接驅(qū)動(dòng)可以導(dǎo)致使用正確的齒輪比率選擇避免了的一些復(fù)雜度。
[0048]可替代地，以需要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力在不是中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的軸的一般方向的方向上接近的某種方式為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20供電可能變得必要或更方便。在添加了有助于冠狀齒輪和中間驅(qū)動(dòng)齒輪148的適當(dāng)嚙合、包含對(duì)齊的支承表面的剛性支架的情況下，可以簡單地適應(yīng)使用直接與中間驅(qū)動(dòng)齒輪148嚙合的冠狀齒輪(未示出)從而使得這兩個(gè)齒輪之間的嚙合是在兩個(gè)點(diǎn)處或者甚至在一個(gè)點(diǎn)處。還容易添加將適應(yīng)驅(qū)動(dòng)錐齒輪和附著到中間驅(qū)動(dòng)齒輪的軸延伸部152的從動(dòng)錐齒輪之間的適當(dāng)嚙合的支架。雖然，假定錐齒輪的旋轉(zhuǎn)軸在驅(qū)動(dòng)齒輪和從動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之間偏移90度是正常的，但有可能并且易于建立被設(shè)計(jì)為以其它角度嚙合以便適應(yīng)大范圍的可能的輸入供電情況的錐齒輪或等徑錐齒輪。
[0049]順便地說，應(yīng)該指出的是:雖然所有之前的討論涉及具有用于對(duì)監(jiān)視器晶體建立索引的至少一個(gè)限定的螺旋路徑的限定的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，但對(duì)于本文中所討論的三維設(shè)計(jì)，其它路徑配置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是容易想到的。例如，可以使用如之前根據(jù)圖2描述的支撐器組件來沿著存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20的外側(cè)表面28上的圓形的圓周路徑來保持多個(gè)監(jiān)視器晶體(例如，25-30個(gè))。在該后一種配置中，因?yàn)閷⒉恍枰凶啐X輪，所以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有所簡化。
[0050]在所描述的實(shí)施例中，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20在被從附著到推進(jìn)螺釘134的從動(dòng)端移除的方向的總體長度上可以增長。由于高容量交換器的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20可以導(dǎo)致許多節(jié)距，因此置于向推進(jìn)螺釘?shù)母街系淖饔昧?leverage)可能是很大的。因此，提供支撐該端遠(yuǎn)離該附著并從而降低附著點(diǎn)上的重量引起的力矩的裝置可以是有用的。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例并且如圖1、7和8(a)及8(b)中所示的，三個(gè)或更多個(gè)由滾珠軸承組件186組成的滾軸可以附著到螺旋組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20，并且在其中，可以提供一個(gè)或多個(gè)彈簧加載杠桿189 (圖8(a))以便保持存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20在存儲(chǔ)室90內(nèi)居中設(shè)置。可替代地并且如圖8(b)中所描繪的，彈簧187可以鏈接到在滾珠軸承組件186中的兩個(gè)處提供的支撐件188。在每一個(gè)描繪的示例中，相對(duì)于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20來說，諸如根據(jù)圖5、6描繪的端部蓋板25是不需要的。如所示出的，存儲(chǔ)室190由可移動(dòng)的上部191和固定的下部193限定，其中，彈簧加載杠桿189或彈簧加載支撐件188維持存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20在部分191和193之間并且還相對(duì)于傳感器孔63居中設(shè)置。使?jié)L珠軸承組件186以與推進(jìn)螺釘134的螺距(圖3)相同的角度稍微傾斜以使摩擦最小化并促使?jié)L動(dòng)是有幫助的。
[0051]晶體交換器機(jī)構(gòu)的成功操作可以通過沉積材料的屏蔽件的正確和明智的設(shè)計(jì)來輔助。屏蔽件最低限度地應(yīng)該提供以下功能:i)該屏蔽件應(yīng)該易于更換和隨后在使用之間清潔；ii)該屏蔽件應(yīng)該防止材料大量進(jìn)入存儲(chǔ)體并過早地涂敷尚未被使用的監(jiān)視器晶體44 ；iii)由于屏蔽件是該結(jié)構(gòu)最容易清潔和更換的部件，因此其本身應(yīng)該限定傳感器孔63。采用這種方式，屏蔽件容易更換，并且在許多不同的監(jiān)視器晶體44的使用期間，將來自開口上的材料的緩慢增長的監(jiān)視器晶體44的涂敷直徑從沉積材料的組合累積降低的可能性將在直徑足夠地降低到不再足以覆蓋監(jiān)視器晶體44的整個(gè)振動(dòng)區(qū)域的尺寸之前被中斷并糾正。監(jiān)視器晶體44將不提供質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量，除非其整個(gè)振動(dòng)區(qū)域都被涂敷。如果通過從累積的沉積材料的尺寸降低，傳感器孔63將涂敷面積降低到該臨界振動(dòng)尺寸以下，那么監(jiān)視器晶體44將在此后提供始終小于到達(dá)并停留在其表面上的真實(shí)質(zhì)量的測(cè)量。iv)屏蔽件還必須為多個(gè)在使用中的監(jiān)視器晶體確保一致的空間位置。沒有相對(duì)于材料源和基板二者的該定位位置一致性，工裝系數(shù)將會(huì)有不同的比率，從而由于該可控屬性的變化而降低該過程的潛在的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性，所述工裝系數(shù)是撞擊并停留在監(jiān)視器晶體44上的材料與撞擊并停留在感興趣的基板上的材料的幾何比率。由于(由材料孔67限定的)晶體的活動(dòng)區(qū)域與傳感器孔63之間的失配準(zhǔn)，也有可能沒有完全涂敷監(jiān)視器晶體44的活動(dòng)區(qū)域并且導(dǎo)致在上面的要求iii)中討論的類型的錯(cuò)誤。配準(zhǔn)失敗的另一個(gè)問題——尤其是如果振動(dòng)區(qū)域的一部分沒有被沉積材料覆蓋——是聲波將具有不希望的不連續(xù)性，并且將導(dǎo)致不佳的諧振屬性，從而導(dǎo)致低Q和相應(yīng)的高噪聲以及振動(dòng)的過早停止和測(cè)量失敗。
[0052]當(dāng)監(jiān)視器晶體44或監(jiān)視器晶體封裝40的更換可以在干凈和方便的位置上完成時(shí)是最方便的。在大的真空涂敷設(shè)備中甚至到達(dá)晶體交換器通常也是不方便的。容易地移除沉積屏蔽件以及可能移除存儲(chǔ)室的一部分以便能夠訪問并快速地分離組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20來從該擁擠且受限的區(qū)域移除的能力是重要的。如圖7中所示，所描述的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20從推進(jìn)螺釘134的分離可以通過易于使用的磁性材料192或止動(dòng)裝置(detent)的使用來輔助，但隱含的是需要所選擇的無論何種機(jī)構(gòu)的剛性和位置的唯一性。
[0053]從監(jiān)視器晶體44通過其它結(jié)構(gòu)元件的高效熱傳遞也是有利的，從而為使測(cè)量精度最大化提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。相對(duì)于其它材料種類來說，由于金屬的更高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此使用金屬支撐器組件48是優(yōu)選的。如果環(huán)境溫度被限制在范圍之內(nèi)，則增強(qiáng)了諸如單晶石英的AT切割的典型的石英壓電晶體——甚至針對(duì)室溫左右的頻率穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化的石英壓電晶體——的頻率穩(wěn)定性并且測(cè)量穩(wěn)定的程度更高。為此，使溫度變化最小化，并且增加來自或去往溫度受控區(qū)域的熱量流動(dòng)(如隨后所討論的)對(duì)于任何高容量晶體交換器(諸如本文中所描述的)的實(shí)際操作都具有積極的影響。
[0054]參照?qǐng)D1，向主結(jié)構(gòu)板140添加了示例性熱交換通道196的細(xì)節(jié)。該熱交換通道196優(yōu)選是連續(xù)、氣密的，并避免與是主結(jié)構(gòu)板的一部分或附著到主結(jié)構(gòu)板的任何安裝孔洞、附著螺釘或軸通道相交。例如，通過鉆取兩(2)個(gè)不到達(dá)遠(yuǎn)側(cè)的大致平行的孔洞來形成該通道。這些孔洞由與前兩個(gè)鉆取的孔洞大致垂直或橫截的第三個(gè)鉆取的孔洞連接，截?cái)嗖⑷缓蟠┻^前兩個(gè)所描述的孔洞中的一個(gè)孔洞，并且其中，該鉆取在穿過與第二個(gè)所描述的孔洞的截留(interc印t1n)之后停止，并且在完成到達(dá)遠(yuǎn)側(cè)之前終止。所有所描述的鉆取的孔洞包含在主結(jié)構(gòu)板140中，并且在所有點(diǎn)處存在足夠的材料以確保不會(huì)有通向主結(jié)構(gòu)板140的外表面的通道。然后，容易通過下列機(jī)械技術(shù)中的任意一種對(duì)第三個(gè)孔洞的起點(diǎn)進(jìn)行氣密密封:硬釬焊、軟釬焊，或優(yōu)選地放置與在鉆取中去除的相同金屬類型的短塞，然后將其融化并使其氣密，同時(shí)確保所完成的通道196基本上無碎片和堵塞物。以這種方式，形成了與主結(jié)構(gòu)板140整合的流體冷卻循環(huán)，其不顯著削弱板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且沒有額外的熱接口，并且非常接近來自流過所形成的通道196的流體的熱量的最優(yōu)傳遞。
[0055]用于對(duì)冷卻通道196的第三個(gè)鉆取的孔洞的入口點(diǎn)進(jìn)行密封的融化工藝中的優(yōu)選工藝將是屏蔽的惰性氣體工藝，諸如GTAW (鎢極氬弧焊)或等離子氣體焊接。在冷卻通道的描述中，只給出流體可以通過任意一個(gè)開口引入并且通過另一個(gè)開口流出，流動(dòng)的方向并不重要。所提供的流體可以是水、油或與構(gòu)建材料相容的任何其它熱交換器流體?？梢詫⒘黧w控制在小的溫度范圍內(nèi)，或允許其在幾攝氏度上變化，如將在工廠中找到的普通冷卻流體源中通常會(huì)遇到的。再一次指出，向監(jiān)視器晶體44提供的溫度穩(wěn)定性的程度將與冷卻流體的輸入溫度范圍的變化有關(guān)。所描述的冷卻循環(huán)是優(yōu)選的，因?yàn)槠渚哂凶銐虻臒峤粨Q區(qū)域，并且入口和出口方便地定向在同一方向，以便于連接到流體源和返回?？商娲?，冷卻通道196可以是具有布置在主結(jié)構(gòu)板140的不同側(cè)上的入口和出口的單通道。根據(jù)另一個(gè)可選的版本，可以提供冷卻循環(huán)和主結(jié)構(gòu)板140之間的外部或內(nèi)部機(jī)械連接。
[0056]參照?qǐng)D9并且可替代地或與前面的內(nèi)容結(jié)合，也可以延伸水冷卻，從而包括存儲(chǔ)室190的固定部分193。將使用上面描述的特征中的許多特征來開發(fā)水冷卻延伸，但是如之前所討論的，將要求不鉆取第三個(gè)橫向通道。作為該通道的替代，可以在主結(jié)構(gòu)板140中鉆取兩個(gè)相交的通道198來截?cái)唷癠”形通道197，“U”形通道197是通過之前描述的方法形成的并延伸到存儲(chǔ)室190的固定部分193中?？梢允褂肙型環(huán)199或類似的密封構(gòu)件以常規(guī)的方式來對(duì)結(jié)構(gòu)板140中的通道198和存儲(chǔ)室192的固定部分193中的U形通道197之間的后一種相交進(jìn)行密封。
[0057]除了向主結(jié)構(gòu)板140和步進(jìn)電機(jī)提供冷卻之外，還通過將存儲(chǔ)室190的至少一部分緊密地附著到結(jié)構(gòu)板140來獲得許多冷卻。這將在冷凝和源輻射的熱量可以撞擊組織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20并且在其中累積之前迅速將其去除，因?yàn)榻M織的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)20是可移動(dòng)的，因此不容易提供強(qiáng)的熱傳導(dǎo)來進(jìn)行溫度控制。同樣地，可以從將運(yùn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)框架附著到如主結(jié)構(gòu)板140提供的冷卻來獲得類似的益處。
[0058]可替代地，還有可能通過例如在電路中使用電阻器和RTD的有源溫度控制來進(jìn)一步控制交換器裝置的溫度，有源溫度控制在根據(jù)要求增加熱量以維持交換器的溫度稍高于所遇到的冷卻流體的最高溫度。還有可能提供珀?duì)柼?Peltier)熱交換器或類似的裝置，以便將交換器的溫度控制在所提供的最高和最低冷卻水溫度之間的任何溫度，或者控制在更低或更高但在所述珀?duì)柼麩峤粨Q器的容量的容量之內(nèi)的溫度以移走熱量。
[0059]圖1-9的部件列表
20三維(組織的)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 22第一端 24第二端
25前端板，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(可選)
28外側(cè)表面 32保持腔 33開口，后端 40監(jiān)視器晶體封裝 44監(jiān)視器晶體48支撐器組件52絕緣護(hù)圈
56支撐部分，支撐器組件60側(cè)壁，支撐器組件63傳感器孔65支撐器保持彈簧67材料孔68延伸凸緣71接觸彈簧73絕緣體(2片)
74螺母75接觸螺釘76鎖緊墊圈，分裂的78墊圈80電刷接觸84孔洞-電刷接觸86螺釘緊固件88電刷接觸柱89導(dǎo)線90板
110電連接器
120驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
134推進(jìn)螺釘
140主結(jié)構(gòu)板
142可更換帶螺紋部件
144行走齒輪
148中間驅(qū)動(dòng)齒輪
152中間驅(qū)動(dòng)齒輪軸延伸部
156步進(jìn)電機(jī)
160驅(qū)動(dòng)齒輪
186滾珠軸承組件
187彈簧
188支撐件
189彈簧加載杠桿
190存儲(chǔ)室
191可移動(dòng)部分(存儲(chǔ)室)192磁性材料193固定部分，存儲(chǔ)室196熱交換或冷卻通道 197 U形通道 198相交通道 199 O型環(huán)。
[0060]將容易清楚的是，在本文中討論的發(fā)明方面中以及根據(jù)下面的權(quán)利要求書的其它修改和變型是可能的。例如，相對(duì)于傳感器孔給出/建立索引的至少一個(gè)所保持的晶體可以用于測(cè)量其它系統(tǒng)參數(shù)，諸如使用晶體的溫度，從而具有與遇到的溫度變化相關(guān)的大的并且接近線性的頻率變化的屬性。為此，可以使用諸如AC切割晶體的晶體以便執(zhí)行該功倉泛。
【權(quán)利要求】
1.一種用于晶體沉積監(jiān)視器或晶體微量天平中的裝置，所述裝置包括: 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其具有在分別第一和第二端之間延伸的主軸以及在所述第一和第二端之間的、圍繞所述主軸延伸的外側(cè)表面； 多個(gè)監(jiān)視器晶體，其在沿所述外側(cè)表面的間隔的位置處由所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)支撐； 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其用于使所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述主軸旋轉(zhuǎn)和軸向推進(jìn)或后退，從而使得至少一個(gè)監(jiān)視器晶體相對(duì)于至少一個(gè)測(cè)量位置推進(jìn)或后退；以及 用于對(duì)已經(jīng)推進(jìn)到了所述至少一個(gè)測(cè)量位置中的晶體進(jìn)行電激勵(lì)的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括:被設(shè)計(jì)尺寸用于保持在所述外側(cè)表面上的所述間隔的位置處的所述多個(gè)監(jiān)視器晶體的多個(gè)腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，還包括多個(gè)支撐器組件，每個(gè)所述支撐器組件被配置為支撐監(jiān)視器晶體并且被設(shè)計(jì)尺寸以適合所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述多個(gè)腔沿著沿所述外側(cè)表面的螺旋或圓周路徑中的至少一個(gè)被布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括用于和緩所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的溫度的至少一個(gè)機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是柱形或多邊形配置中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求3 所述的裝置，其中，用于對(duì)所述晶體進(jìn)行電激勵(lì)的所述機(jī)構(gòu)包括:用于相對(duì)于所述至少一個(gè)測(cè)量位置接合被布置在所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的晶體的電刷接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，每個(gè)所述保持腔包括被布置為與保持的監(jiān)視器晶體進(jìn)行導(dǎo)電性接觸的接觸構(gòu)件，其中，當(dāng)所述晶體被推進(jìn)到所述至少一個(gè)測(cè)量位置時(shí)，使所述電刷接觸接合所述接觸構(gòu)件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述支撐器組件包括:用于穩(wěn)定所述監(jiān)視器晶體在所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的位置的至少一個(gè)裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述支撐器組件是可選擇性地從所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)移除的，以允許至少一個(gè)監(jiān)視器晶體的更換。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述支撐器組件包括:用于使得能夠從所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的腔釋放所述支撐器組件的至少一個(gè)特征。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，至少包括被布置在所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中被配置為在激勵(lì)時(shí)監(jiān)視溫度的晶體。
13.一種對(duì)用于監(jiān)視處理室中的材料沉積的晶體進(jìn)行交換的方法，所述方法包括下列步驟: 以在三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上布置的腔中的螺旋或圓形路徑中的一個(gè)將多個(gè)監(jiān)視器晶體成間隔關(guān)系布置到所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的外表面上； 使至少一個(gè)監(jiān)視器晶體至少相對(duì)于至少一個(gè)測(cè)量位置推進(jìn)； 對(duì)所述至少一個(gè)監(jiān)視器晶體進(jìn)行電激勵(lì)； 檢測(cè)施加于所述處理室中的基板的材料的質(zhì)量的變化； 使支撐結(jié)構(gòu)沿所述三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主軸軸向和旋轉(zhuǎn)地推進(jìn)，以便將至少一個(gè)其它監(jiān)視器晶體建立索引到所述至少一個(gè)測(cè)量位置中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括:在所述監(jiān)視步驟期間對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行和緩的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括:提供保持在所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上用于監(jiān)視溫度的至少一個(gè)監(jiān)視器晶體的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述電激勵(lì)步驟包括:使所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相對(duì)于電刷接觸推進(jìn)的步驟。
【文檔編號(hào)】G01B7/06GK104048590SQ201410097015
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】C.A.小果戈?duì)? 申請(qǐng)人:英飛康公司