Vákuumkamrás ellipszométer mechanikai rendszerének fejlesztése II.

Bogár István Direct-Line Kft., Optometal Kft.
Dr. Fried Miklós MTA MFA
Dr. Horváth Zoltán György MTA MFA
Juhász György MTA MFA
Major Csaba MTA MFA

A jelen cikkben ismertetett munka célkitűzése egy képalkotó spektroellipszométer mechanikai rendszerének kifejlesztése volt, amely összeépül a PhotoVoltaic Innovation and Commercialization Center at University of Toledo (Ohio, USA) által megépítendő vákuumkamrával. Az eszköz egyes részei a vákuumkamrába kerülnek.

A teljes berendezés részegységei:
• Vázszerkezet Motoros mintatartó és mozgató X/Y asztal
• Megvilágító egység
• Léptető motoros polarizátor
• Léptető motoros analizátor
• Detektor egység
• Számítógépes mérés vezérlő és mérésadat gyűjtő-feldolgozó egység
• Mérésvezérlő és méréskiértékelő program
Az Optometal Kft. feladata a berendezés mechanikájának megtervezése, gyártása és összeszerelése volt. A munka azzal kezdődött, hogy az MTA MFA szakembereitől megkaptuk a sugármenetet és az optikai elemek katalógusadatait, valamint a befoglalásukkal, pozicionálásukkal szemben támasztott követelményeket.

Sugármenet:

1. ábra: Sugármenet-1

2. ábra: Sugármenet-2

3. ábra: Sugármenet-3

A sugármenet térbeli, ezért három részletben ábrázoltuk. A Megvilágító egység részei: a Forrás és a Gömbtükör, a Detektor egység részei: a Hengertükör, Pinhole (tűlyuk), Gömbi lencse, Optikai rács, Hengerlencse, Detektor (CCD kamera). A mérendő mintát a Motoros mintatartó és mozgató X/Y asztalon vákuummal rögzítjük. A Léptető motoros polarizátor a Forrás és a Gömbtükör közötti részen, a Léptető motoros analizátor pedig a Minta és a Hengertükör közti szakaszon helyezkedik el. A polarizátor és az analizátor egy közös mozgórészre kerül. Az egész optika merev pozícióját a Vázszerkezet biztosítja.

A mechanikai konstrukciót Pro/Engineer Wildfire3 CAD rendszerrel készítettük el. A kidolgozáskor az alábbi elvet követtük:
• Elkészítettük a sugármenet és az optikai elemek parametrikus CAD modelljét.
• Definiáltuk a részegységek részösszeállításainak CAD modelljeit.
• Definiáltuk a fő összeállítás CAD modelljét.
• A sugármenetet beszereltük a fő összeállításba.
• A részösszeállításokba beszereltük az optikai elemek CAD modelljeit.
• A részösszeállításokat beszereltük a fő összeállításba.
• Kialakítottuk a részösszeállítások konstrukciós elképzeléseinek vázlatait.
• Kidolgoztuk a részösszeállítások és azok alkatrészeinek CAD modelljeit. A referenciákat úgy vettük fel, hogy a modellek minél flexibilisebbek legyenek, a későbbi esetleges változtatások érdekében.
• Kidolgoztuk a vázszerkezetet. Ennek során korrigáltuk a részösszeállításokat és azok alkatrészeit, ahol az szükséges volt.
• Elkészítettük az alkatrészek műhelyrajzait, a részösszeállítási és fő összeállítási rajzokat, összeállítottuk a darabjegyzéket.

A CAD modell:

4. ábra: A fő összeállítás CAD modellje

5. ábra: A polarizátor-analizátor egység CAD modellje

A részegységek pontos pozícióját a vázszerkezeten illesztőcsapok biztosítják. A vázszerkezeten felfekvő felületeket alakítottunk ki, ezeket és az ezekben elhelyezett illesztőfuratokat a hegesztés utáni feszültségmentesítő hőkezelést követően marógépen készítettük el.

A gyártás és a mechanika összeszerelése a Direct-Line, Optometal Kft-ben folyt. Az optika beszerelése az MTA MFA-ban történt meg.

Néhány felvétel a mechanikáról:

6. ábra: A teljes mechanika

7. ábra: Polarizátor-analizátor egység

8. ábra: Az optikai rendszer részlete

9. ábra: A váz részlete

Az ellipszométer 8. ábrán látható részét a vákuumkamra oldalára szerelik fel. A pontos pozíciót a vázon kiképezett illesztőfuratok biztosítják.

10. ábra: A felszerelendő optomechanika

Jelölések:
• 1, 2, 3: a készülék pozicionálását biztosító illesztőcsapok helye
• 4: mérendő minta
• 5: gömbtükör a tartójával
• 6, 7: vákuumkamra ablakok
A Motoros mintatartó és mozgató X/Y asztal a mérendő mintával és a Gömbtükör a tartójával a vákuumkamrába kerül. A Gömbtükör pozicionálását forgó vákuum-átvezetőkkel biztosítják.

11. ábra: Gömbtükör egység a forgó átvezetőkkel

Az ellipszométer mechanikai rendszerének kifejlesztésekor alkalmazott konstrukciós elv eredményeként egy olyan parametrikus CAD modell jött létre, amely gyors és rugalmas módosítást tett lehetővé, amennyiben a fejlesztés során megkívánt változások ezt szükségessé tették. A virtuális modell elősegítette azt, hogy még a gyártás előtt meggyőződhessünk a kezelhetőségről, hozzáférhetőségről. A modell segítségével a gyártás, szerelés minimális számú hibával valósult meg. Ezen kívül megvalósult a toledoi és a magyarországi konstruktőrök közötti együttműködés is, ugyanis az ellipszométer CAD modellje még a gyártás előtt közvetlenül beépíthető volt a vákuumkamra modelljébe.