Brevet FR2751576A1 — publié le 19980130

DESCRIPTIF TECHNIQUE La présente invention concerne les robots manipulateurs sous ultravide. D'une façon plus précise. elle se rapporte à ceux qui sont utilisés pour la fabrication de couches uniformes nécessitant un déplacement du substrat par rapport à la source de pulvérisation. Dans les systèmes connus de ce genre, on utilise généralement des soufflets métalliques pour assurer l'étanchéité entre l'enceinte à ultravide et celle contiguë où sont situés les mécanismes du robot. On peut ainsi communiquer au substrat des déplacements suivant 3 axes. Des systèmes de ce type ont été développés notamment pour la fabrication de miroirs multicouches de hautes performances. Dans ce cas, pour satisfaire à la nécessaire symétrie de révolution du miroir autour de son axe, on entraîne celui-ci en rotation permanente pendant la durée du dépôt des couches optiques. Dans ces conditions, compte tenu de ce qu'un soufflet ne permet que de réaliser des translations circulaires et non des rotations, on dispose sur le soufflet un axe supplémentaire en rotation avec une étanchéité réalisée au moyen d'un joint à ferrofluide. Ces systèmes ont toutefois le défaut de ne pouvoir être utilisables pour réaliser des déplacements de très grande amplitude tels que ceux requis pour la fabrication de grands miroirs (de diamètre 600 mm par exemple), utilisés pour des applications scientifiques. Le dispositif suivant l'invention permet de surmonter cette difficulté puisqu'il n'a aucune limitation quant à sa taille. On pourrait, par exemple, réaliser avec l'invention, des miroirs de plusieurs mètres de diamètre. L'invention concerne un dispositif de manipulation sous vide ayant au moins deux axes et comportant un premier bras (1) mobile en rotation autour d'un palier fixe (2), un deuxième bras (3) mobile en rotation autour d'un palier (4) solidaire du bras (1), des moyens (17) permettant d'entraîner en rotation le bras (1) ainsi que des moyens (8), (9) (19) permettant d'entraîner en rotation le bras (3) par rapport au bras (1), e des moyens (14), (15), (16) permettant d'assurer l'étanchéité entre le vide et le mécanisme de commande. Suivant une autre caractéristique, le système comporte un axe supplémentaire (5). fixé sur le bras (3) à l'extrémité opposée à son articulation avec le bras (1) ainsi que des moyens convenables (6). (7) (10), (1 I). (18) pour entraîner ledit axe (5) en rotation par rapport au référentiel du bras (3). Suivant une autre caractéristique, les moyens permettant d'assurer l'étanchéité vis à vis du vide sont constitués par I'association de bras creux (I) et (3) étanches, à I'intérieur desquels sont placés les mécanismes de commande (6), (7), (8), (9), (10), (Il) ainsi que des joints tournants placés sur chaque articulation ou sur chaque axe tournant, utilisant un fluide de type "ferrofluide" convenable pour assurer l'étanchéité au vide. Suivant une autre caractéristique, les mécanismes permettant d'actionner les axes du robot sont des trains d'engrenages (6), (7), (8), (9), (10), (11) entraînés en rotation par des servomoteurs convenables attaquant les engrenages (17), (18), (19). Suivant une autre caractéristique les mécanismes de commande du bras (3) ainsi que de l'axe (5) sont constitués par des servomoteurs avec réducteurs, embarqués dans les bras (1) et (3) et attaquant directement l'axe du robot en bout d'arbre ; les commandes électriques et les repérages de position par codeur étant assurés par des passages électriques tournant. Suivant une autre caractéristique l'appareil est utilisé pour la réalisation de miroirs multicouches de grand diamètre. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 représente schématiquement en perspective la disposition des deux bras (1) et (3). - La figure 2 représente le même mécanisme projeté sur un plan perpendiculaire à l'axe A. Elle permet de comprendre comment le palier (5) décrit le plan ainsi que le système de coordonnées polaire T, 0, qui lui est associé. - La figure 3 représente une réalisation utilisant des actionneurs (20) et (21) embarqués. - La figure 4 représente l'un des actionneurs (20) ou (21). - La figure 5 représente une réalisation de l'invention dans laquelle tous les moteurs contrôlant les 3 axes du robot sont commandés par des motoréducteurs-codeurs fixes. Ceux-ci, non représentés sur la figure, attaquent les engrenages (17), (18) et (19). Dans cette version, les bras étanches (1) et (3) ne contiennent que des engrenages. En se reportant aux figures 1 et 2, on peut facilement comprendre le fonctionnement du robot. Les bras (1) et (3) ayant la meme longueur I, il en résulte que lorsque l'angle a2 formé entre eux est égal à zéro, I'axe du palier (5) coïncide avec l'axe A autour duquel tourne le bras (1) ; sa rotation étant repérée par l'angle a. Dès que a2 est différent de zéro, I'axe de (5) s'éloigne de A d'une distance T telle que On peut par ailleurs exprimer l'angle 0, nécessaire pour le repérage du centre de (5): ft = al + - Cc2 (2) Lc repérage des angles ul et a2 est immédiat dans le cas d'un mécanisme où les actionneurs sont embarqués comme c'est le cas dans le mode de réalisation décrit sur la figure 3. Dans ce cas il n'en est pas de même pour ce qui concerne le troisième axe (5) dont l'angle de rotation OC3 est directement imposé par l'électronique. Ainsi, pour exprimer l'angle de rotation du porte échantillon (13), exprimé dans un repère absolu, on devra écrire: # = &alpha;3+# (3) En d'autres termes quand les actionneurs du robot de la figure 3 tournent des angles al, a2 Cc3, la position du porte échantillon (13) est décrite par T, O et donnés par les équations (1), (2) et (3). Les bras (1) et (3) sont étanches de telle façon que les actionneurs ou les divers mécanismes de commande des axes sont placés à la pression atmosphérique ce qui permet d'utiliser des composants conventionnels, par exemple graissés. Les sorties d'arbres sont rendues étanches par des joints à vide tournant. On pourra utiliser, par exemple, des joints à lèvres ou mieux des joints à ferrofluide dont l'usage est très répandu dans les techniques du vide. En se reportant à la figure 4, on peut voir un actionneur à axe creux permettant d'assurer la commande électrique de l'actionneur de rang supérieur et aussi, éventuellement le passage de fluides de refroidissement. Un ensemble actionneur comporte un coupleur électrique rotatif (23), un codeur (24), un moteur électrique (25), un réducteur (26) et un ensemble palier et joint (ferrofluide par exemple) (27). La réalisation de l'invention représentée sur la figure 5 est, là encore, donnée à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif. Elle permet de placer les actionneurs complètement à l'extérieur de l'enceinte à vide dont la paroi (12) est représentée partiellement. On n'a pas fait figurer sur ce dessin les moteurs électriques, réducteurs de vitesse et codeur qui actionnent chaque axe pour la clarté de la figure et en raison du fait qu'il s'agit de composants maintenant très connus et très répandus. Seuls les engrenages (17), (18) et (19) qu'ils attaquent sont représentés. Le bras étanche (I) est actionné en rotation par l'engrenage (17), lui imprimant l'angle de rotation Ct I. L'étanchéité de rotation est assurée par le joint (14) supporté par le palier (2). Il comporte à l'intérieur les engrenages (8) et (9) qui transmettent la rotation du bras (3) ainsi que les engrenages (10) et (11) qui transmettent la rotation du porte échantillon (13). Lc bras (3) est actionné par l'engrenage (19) via les engrenages (8) et (9) qui peuvent avoir le même nombre de dents. Ainsi une rotation a2 imposée par (19) le bras (3) tournera par rapport au bras ( I ) d'un angle CC'2 tel que Cc'2 = &alpha;2 - &alpha;1 L'étanchéité de l'arbre supportant le bras (3) est assurée par le joint (15). Il est par ailleurs lié mécaniquement au bras (1) par le palier (4). Le porte substrat (13) ou encore porte échantillon est lié mécaniquement au bras (2) par le palier (5) et l'étanchéité de l'arbre le supportant est assurée par le joint (16). Sa mise en rotation est effectuée par l'engrenage (18) via les deux trains d'engrenages à nombre de dents identiques (10) et (il) ainsi que (6) et (7). La rotation a3 imposée par (18) est directement transmise à (13) de sorte que #=&alpha;3 Ainsi dans cette deuxième version de l'invention, les coordonnées du porte échantillon (13) sont données, en fonction des angles de rotation Cc1, &alpha;2 et Cc3 imprimés par les moteurs électriques, par les relations suivantes s = a + 7t - + c'i (5) 2 e = &alpha;3 (6) En général le problème se pose à l'inverse : il faut calculer les angles al, a2 et a3 permettant de positionner le porte échantillon (13) aux coordonnées T, 9 et O souhaités. On utilisera pour cela les relations suivantes a = e - /2 + arc sin T/2 1 &alpha;2=#-#/2+3 arc sin #/2 1 &alpha;3 = # L'invention peut être utilisée dans tous les cas où il est nécessaire d'effectuer une manipulation sous vide et tout particulièrement dans le cas de la réalisation de couches minces sur des substrats de grandes dimensions. REVENDICATIONS 1. Dispositif de manipulation sous vide ayant au moins deux axes, caractérisé en ce qu'il comporte . un premier bras (1) mobile en rotation autour d'un palier fixe (2), un deuxième bras (3) mobile en rotation autour d'un palier (4) solidaire du bras (1) des moyens (17) permettant d'entraîner en rotation le bras (1) ainsi que des moyens (8), (9), (19) permettant d'entraîner en rotation le bras (3) par rapport au bras (1), e des moyens (14), (15), (16) permettant d'assurer l'étanchéité entre le vide et les mécanismes de commande. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un axe supplémentaire (5), fixé sur le bras (3), à l'extrémité opposée à son articulation avec le bras (1) ainsi que des moyens convenables (6), (7), (10), 11), (18) pour entraîner le dit axe (5) en rotation par rapport au référentiel du bras (3). 3. Dispositif suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens permettant d'assurer l'étanchéité vis à vis du vide sont constitués par l'association de bras creux (1) et (3), étanches, à l'intérieur desquels sont placés les mécanismes de commande (6), (7), (8), (9), (10), (11) ainsi que des j oints tournants placés sur chaque articulation ou sur chaque axe tournant, utilisant un fluide de type "ferrofluide" convenable pour assurer l'étanchéité au vide. 4. Dispositif suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les mécanismes permettant d'actionner les axes du robot sont des trains d'engrenages (6), (7), (8), (9), (10), (11) entraînés en rotation par des servomoteurs convenables attaquant les engrenages (17), (18), (19). 5. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les mécanismes de commande du bras (3) ainsi que de l'axe (5) sont constitués par des servomoteurs avec réducteurs, embarqués dans les bras (1) et (3) et attaquant directement l'axe du robot en bout d'arbre ; les commandes électriques et les repérages de position par codeur étant assurées par des passages électriques tournants. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de I à 5. caractérisé en ce que l'appareil est utilisé pour la réalisation de miroirs multicouches de grand diamètre.