Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Strömen auf be- wegte Maschinenteile Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertra- gung von elektrischen Strömen auf bewegte Maschinenteile nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 Die Patentschrift US 4,308,126 zeigt eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung rotierender Werkstücke in einer Vakuumkammer über ein Drucklager, wobei die Laufringe und die rollenden Elemente einen elektrischen Widerstand von we- niger als 6 Mikro Ohm-cm und eine Oberflächenhärte von min- destens 190 Brinell und einen Schmelzpunkt von mindestens 2000 oC haben müssen. Durch diese Anforderungen ist die Aus- wahl geeigneter Materialien stark eingeschränkt, beispiels- weise auf Wolfram und Molybdän. Diese Anforderungen sind aber durch die Doppelfunktion dieser Vorrichtung, nämlich als Drucklager und als elektrische Übertragungsvorrichtung bedingt. Durch die mechanische Belastung der rollenden Zy- linderelemente entsteht Abrieb, der zur Verschmutzung der Prozesskammer führen kann und daher vermieden werden muss.

Zudem ist diese Art der Übertragung für Hochfrequenzströme weniger gut geeignet.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 18 18 144 ist eine bewegliche Verbindung zur Überleitung elektrischen Stromes bekannt, bei der die Stromübertragung durch Wälzkörper wie

Kegelrollen, Zylinderrollen und Kugeln erfolgt. Bei hohen Stromstärken entstehen jedoch erhebliche Kontaktprobleme aufgrund der linien- bzw. punktförmigen Berührung. Die Folge davon sind Verschleiss und elektrische Abbrände.

Von Elektromotoren ist beispielsweise aus der deutschen Pa- tentschrift DE 38 42 223 bekannt, dass die elektrische Kon- taktierung rotierender Teile durch federnd gelagerte soge- nannte Bürsten erfolgt. Dieser Schleifkontakt ist aber ins- besondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten einem erheblichen Abrieb unterworfen. Diese Art der Kontaktierung ist daher in Prozesskammern ungeeignet. Sie würde zu einer starken Ver- schmutzung der Prozesskammer führen.

Die Übertragung von elektrischen Strömen auf bewegte Teile, wie z.B. auf bewegte Substratträger, auf Targets und Elek- troden in Prozesskammern ist in Vakuumumgebung besonders problematisch. Wegen dem Abrieb an gleitenden Teilen können die empfindlichen und hochreinen Vakuumverfahren verunrei- nigt werden, was in der Regel völlig unannehmbar ist. Ein weiteres Problem besteht im Vakuum darin, dass Schleifkon- takte bei der Übertragung von hohen Gleichstrom-, Wechsel- strom- und Hochfrequenzspannungen im Bereich von einigen 100 Volt bis einige kVolt Lichtbogen- bzw. Glimmentladungen zün- den können, welche die Anordnung zusätzlich verschmutzen oder gar zerstören können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Stromübertragungssystem zwischen bewegten Teilen geschaffen werden, das eine gute Kontaktierung neben Gleichstrom auch für Wechselstrom, insbesondere aber für Hochfrequenzströme ermöglicht und damit einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. Zusätzlich soll durch eine geringe mechanische Be- lastung der Kontaktierungselemente die Abnützung und damit die Partikelbildung so gering wie möglich gehalten werden.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen An- sprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen dar.

Gemäss der Erfindung besteht das Übertragungselement aus ei- nem federnden Ring oder einer federnden Scheibe aus elek- trisch leitendem Material wie beispielsweise einer federnden Kontakthülse, einer ringförmig geschlossenen Spiralfeder, einer Scheibe oder einem flachen Ring aus federndem Materi- al.

Dieses Übertragungselement ist so dimensioniert, dass sein Aussendurchmesser im ursprünglichen Zustand grösser ist als der Abstand der beiden relativ zueinander bewegten Maschi- nenteile. Daher wird es zwischen den bewegten Teilen ela- stisch deformiert. Dadurch kann es die Form eines leicht ab- geplatteten Kreises oder aber einer raupenförmigen Band-

schlaufe annehmen. In der elastisch deformierten Zone be- rührt das Übertragungselement die beiden Maschinenteile nicht nur punktuell, sondern sicher in vielen Punkten über einen grösseren Flächenbereich und gewährleistet damit einen ausserordentlich guten elektrischen Kontakt zwischen den be- wegten Maschinenteilen.

Der Kontakt kann auch dadurch verbessert werden, dass eine Mehrzahl von Übertragungselementen eingesetzt werden. Dabei kann es sich als nützlich erweisen, zwischen den leitenden Übertragungselementen isolierende Bauteile vorzusehen, um zu verhindern, dass sich die einzelnen Übertragungselemente ge- genseitig berühren. Durch geeignete Massnahmen müssen diese Isolationskörper so geführt werden, dass auch sie keiner Gleitreibung ausgesetzt sind.

Die Übertragungselemente sind zwar in ständiger Berührung mit den beiden gegeneinander bewegten Maschinenteilen, aber an keinem der beiden Maschinenteile befestigt, sodass sie mit ihrer Aussenfläche auf den Maschinenteilen abrollen kön- nen. Die Vermeidung eines Schleifkontaktes ist Voraussetzung für eine partikelarme Stromübertragung. Gleichzeitig hat der flächige Kontakt des Übertragungselementes mit den Maschi- nenteilen zur Folge, dass als eigentlicher elektrischer Lei- ter zwischen den beiden Maschinenteilen nur die kurzen frei- en Endstücke eines beispielsweise raupenförmig elastisch de- formierten Übertragungselementes wirken. Das ist insbeson-

dere bei der Übertragung von hochfrequenten Wechsel strömen vorteilhaft.

Die relative Bewegung der beiden Maschinenteile kann konti- nuierlich in einer Richtung oder als Pendelbewegung hin und her erfolgen. Die Erfindung lässt sich aber ebenso gut bei im wesentlichen koaxial angeordneten Teilen zur Stromüber- tragung bei Rotationsbewegungen oder Schwenkbewegungen um die Rotationsachse verwenden.

Die Übertragungselemente sollen vorteilhafterweise zumindest auf einem der beiden Maschinenteile durch passend dimensio- nierte Nuten geführt werden. Dabei ist auch der Freiwinkel der Nut zu beachten. Die Führung des Übertragungselementes soll nämlich möglichst reibungsarm und damit unter Vermei- dung von Partikelbildung erfolgen.

Die Übertragungselemente können in ihrer Drehachse parallel oder senkrecht zur Rotationsachse von koaxial angeordneten Maschinenteilen montiert sein.

Koaxial angeordnete Maschinenelemente können als innere und äussere Hohlzylinder oder Ringe ausgebildet sein, mit dazwi- schen liegenden Übertragungselementen. In diesem Fall ist es auch möglich, diese Hohlzylinder oder Ringe durch axial an- geordnete Unterbrüche in Segmente zu unterteilen, sodass be- stimmte Bereiche des einen Ringes zeitlich verschoben mit

bestimmten Bereichen des andern Ringes in elektrischem Kon- takt stehen. So ist es beispielsweise möglich, elektrische Potentiale an verschiedenen rotierenden Elektroden zu mes- sen.

Die Vorrichtung kann zur Speisung von beweglich angeordneten Substratträgern, Targets, Elektroden etc. in Vakuumprozess- kammern verwendet werden, so beispielsweise zur Biasversor- gung von Werkstückträgern und/oder Werkstücken oder zur Ein- kopplung der Sputterpotentiale an Sputterkathoden sowie an Magnetrontargets. Sie eignet sich aber auch dazu, elektri- sche Potentiale von bewegten Elektroden, Abschirmungselemen- ten und Beschichtungsmasken auf stationäre Messeinrichtungen zu übertragen.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen in schemati- schen Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Eine lineare Anordnung von relativ zueinander bewegten Plat- ten mit abgeplatteten ringförmigen Übertragungselementen am Beispiel eines bewegten planaren Magnetrons.

Fig.2 Eine koaxiale Anordnung von relativ zueinander bewegten Ma- schinenteilen mit raupenförmig deformierten Übertragungsele- menten am Beispiel einer zylindrischen Beschichtungsanlage.

Fig.3 Kreisringförmige und raupenförmige Ausführungsformen von Übertragungselementen.

Fig. 4 Aus führungs formen von Übertragungselementen im Querschnitt mit entsprechender Ausführung der Führungsnut a) federnde ringförmige Metallhülse b) zu einen Ring geschlossene Spiralfeder c) flache, federnde Scheibe oder Ring mit leichter sattel- förmiger Verformung.

d) zu einem Ring geschlossener Hochfrequenzfederstreifen mit V-förmigem Querschnitt.

Fig.5 Übertragungselemente mit ihrer Drehachse senkrecht zur Dreh- achse der gegeneinander rotierenden Maschinenteile.

Fig. 6 Potentialmessung an verschiedenen rotierenden Elektroden In Fig. 1 ist eine lineare Anordnung mit abgeplatteten kreisförmigen Übertragungselementen dargestellt. Zwei von- einander elektrisch isolierte und gegeneinander beweglich gelagerte Platten werden durch mindestens ein im wesentli-

chen kreisförmiges Übertragungselement elektrisch miteinan- der verbunden. Die obere Platte kann beispielsweise, wie in Fig.la gezeigt, ein planares Magnetron 1 sein, welches an einen Generator 2 angeschlossen ist und periodisch hin und her bewegt wird. Mit dieser Anordnung kann ein Substrat 4 beschichtet werden, das grösser ist als das Magnetron selbst. Das Übertragungselement 3 ist dauernd in rollendem Kontakt mit oberen Fläche 7 der Grundplatte 5 und der rück- seitigen Kontaktfläche 6 des planaren Magnetrons. Die Lage- rung und der Antrieb (beides nicht gezeigt) des Magnetrons sind unabhängig vom Übertragungselement 3 so dimensioniert, dass der Abstand zwischen den beiden zu kontaktierenden Flä- chen, nämlich der Oberfläche 6 der Grundplatte 5 und der Rückseite 6 des Magnetrons 1 etwas kleiner sind als der Aussendurchmesser des Übertragungselementes 3. Dadurch wird das Übertragungselement etwas zusammengedrückt und nimmt die Form eines an den Berührungsflächen abgeplat- teten Kreises an. Das hat den Vorteil, dass der mechanische und elektrische Kontakt nicht nur linienförmig, sondern flä- chenhaft erfolgt, was für die Übertragung der elektrischen Leistung günstig ist.

Ein weiterer Vorteil der in Fig.la gezeigten Anordnung liegt darin, dass die Dimension der Grundplatte in Bewegungsrich- tung der bewegten Platte bedeutend kleiner sein kann als die ganze von der Magnetronbewegung überstrichene Breite. Im dargestellten Fall ist Breite der Grundplatte nur etwa 15 %

grösser als die Magnetronbreite C, wobei das Magnetron durch die Pendelbewegung einen dreimal so grossen Bereich 3 x überstreicht. Das Magnetron 1 ist einmal in der rechten End- stellung und ein zweites Mal gestrichelt in der linken End- stellung 1' gezeigt. In der entsprechenden linken Endstel- lung ist auch das Übertragungselement 3' gestrichelt einge- zeichnet.

Eine weitere Anwendung für die elektrische Übertragung ge- mäss der Erfindung bei einer lineare Bewegung ist in Fig.lb dargestellt. Ein planares Magnetron 1 ist von oben gezeigt.

Es ist auf Schienen 8 beweglich gelagert (Lagerung nicht ge- zeigt) und wird periodisch hin und her bewegt. Eine Seiten- fläche 9 dient der Übertragung elektrischer Leistung und ist in ständigem Kontakt mit dem rollenden elektrischen Übertra- gungselement 3, welches zwischen der festen Grundplatte 5 und der Seitenfläche 9 des planaren Magnetrons so angeordnet ist, dass es leicht zusammengedrückt wird und die Form eines an zwei Stellen abgeplatteten Kreises annimmt. Die mit der Grundplatte elektrisch verbundene Stromquelle kann als Hoch- frequenz- oder Gleichstromquelle ausgebildet sein.

In Fig.2 wird die elektrische Übertragung zwischen zwei ge- geneinander beweglichen koaxial angeordneten Zylinderflächen gezeigt. Als Beispiel dient in die elektrische Versorgung eines rotierenden Substratratträgers. Ein innerer festste- hender Zylinder 25 ist in seinem oberen Bereich mit einer

Stromquelle 22 über einen Leiter 28 elektrisch verbunden.

Der äussere Zylinder 21 ist drehbar gelagert (Lagerung nicht gezeigt), sodass er um seine Achse rotieren kann. Der An- trieb erfolgt über das seitlich angeordnete, schematisch ge- zeichnete Antriebselement 24. Zur Übertragung der elektri- schen Leistung auf den oberen Teil des äusseren Zylinders dient ein raupenförmiges, federndes Übertragungselement 23.

Dieses steht in dauerndem rollendem Kontakt sowohl mit dem obersten Teil der äusseren Zylinderfläche 26 des inneren Zy- linders als auch mit der inneren Zylinderfläche 27 des äu- sseren rotierenden Zylinders 21. Das raupenförmige Übertra- gungselement 23 hat im Vergleich zu den in Fig.1 gezeigten, lediglich abgeplatteten Kreisringen besonders grosse Kon- taktflächen, sodass auch grosse Leistungen ohne Verluste oder Messsignale ohne Rauschen einwandfrei übertragen werden können. Der innere Hohlzylinder kann auch als voller Zylin- der ausgebildet sein, mit entsprechend isoliert geführter Zuleitung 28.

In Fig.2a ist ein einziges raupenförmiges Übertragungsele- ment gezeigt. Fig. 2b weist auf die Möglichkeit hin, mehrere solcher Elemente einzusetzen.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise die Kon- taktierung von zylindrischen Zerstäubungstargets oder beweg- ten Elektroden oder Blenden. Der Anschluss kann zu einer Stromversorgung oder zu einem elektrischen Messgerät führen.

In Fig.3 sind die grundsätzlichen Ausführungsformen der Übertragungselemente am Beipiel einer konzentrischen Anord- nung dargestellt. Zwei konzentrisch angeordnete Hohlzylinder 31 und 32, von denen der innere 31 auch als voller Zylinder ausgebildet sein kann und die so gelagert sind (Lager nicht gezeigt), dass sie relativ zueinander um die gemeinsame Ach- se rotieren können, werden durch die Übertragungselemente 33 elektrisch miteinander verbunden. Die Rotationsbewegung des einen Zylinders gegenüber dem andern bewirkt eine rollende Bewegung der Übertragungselemente innerhalb des Ringspaltes, der durch die beiden konzentrischen Zylinder gebildet wird.

Die Übertragungselemente bewegen sich in gleicher Richtung und im gleichen Drehsinn wie der äussere Zylinderring oder Hohlzylinder. Man kann dabei je nach der Dimension von Ringspalt und Übertragungselemente zwei Grenzfälle unter- scheiden: a) Der radiale Abstand der beiden Zylinder ist nur wenig kleiner als der Aussendurchmesser des Übertragungselementes in seiner ursprünglichen Form. Dadurch weicht die Gestalt der Übertragungselemente im Betrieb nur knapp von der ur- sprünglichen kreisförmigen Gestalt ab. Sie werden im Bereich des Kontaktes mit der äusseren Zylindermantelfläche des in- neren Ringes 31 bzw. der inneren Zylindermantelfläche des äusseren Ringes 32 leicht abgeplattet (Fig.3a), behalten im wesentlichen aber ihre kreisförmige Gestalt bei. Will man

grosse Ströme übertragen, bzw. den Übergangswiderstand klein halten, so muss man mehrere solcher im wesentlichen kreis- förmige Übertragungselemente einsetzen.

b) Eine andere Ausführungsform ist in Fig.3b zu sehen. Hier ist der Spalt bedeutend kleiner als der Aussendurchmesser des ringförmigen Übertragungslementes in seiner ursprüngli- chen Form. Dadurch werden die ursprünglich kreisförmigen Übertragungselemente im Einsatz sehr stark deformiert und nehmen eine raupenförmige Gestalt an. In vielen Fällen ge- nügt ein einziges Übertragungselement zur Schaffung eines genügend geringen Übergangswiderstandes. Es können Werte er- reicht werden von besser als 100 mQ (Gleichstrom).

In Fig.4a-4c sind verschiedene Ausführungsformen von Über- tragungselementen mit den zugehörigen Führungsnuten am Bei- spiel von koxialen Anordnungen dargestellt: Fig.4a zeigt einen hülsenförmigen federnden Ring 43 , dessen ursprünglicher Durchmesser etwas grösser ist als der Abstand 44 zwischen den Führungsnuten im inneren Ring 42 und im äu- sseren Ring 46. Der Freiwinkel 45 wird so gross gewählt, dass einerseits die einwandfreie Führung des Ringes 43 ge- währleistet ist, andrerseits eine möglichst geringe Reibung zwischen dem Ring und den Nuten auftritt. Die beiden Ringe 42 und 46 rotieren relativ zueinander um die Hauptrotati- onsachse 41. Die Übertragungselemente 43 sind so angeordnet,

dass ihre Drehachse 47 parallel zur Hauptrotationsachse 41 verläuft.

In Fig.4b wird als Übertragungselement 43 eine ringförmig geschlossene Spiralfeder gezeigt; in Fig.4c ist es eine fe- dernde Scheibe und in Fig.4d besteht das Übertragungselement 43 aus einem zu einem Ring geschlossenen Hochfrequenzfeder- streifen mit V-förmigem Querschnitt und mäanderförmig mit- einander verbundenen Gliedern. Den Formen der Übertragungse- lemente entsprechend sind die Führungsnuten angepasst.

In Fig.5 sind die Übertragungselemente 53 mit ihrer Drehach- se 57 senkrecht zur Hauptrotationsachse 51 einer koaxialen Anordnung dargestellt. In Fig.5a besteht das Übertragungse- lement aus einer ringförmig geschlossenen Spiralfeder, in Fig.5b ist es eine federnde flache Scheibe.

Fig.6 zeigt eine Momentaufnahme einer Anordnung von sechs rotierenden Substratträgern a-f, die sich innerhalb einer Prozesskammer an einer Prozessstation 70 in welcher eine elektrischen Entladung (Aussenwand der Prozesskammer und Entladung nicht gezeigt) stattfindet, vorbei bewegen. Jeder der sechs Substratträger ist mit dem korrespondierenden Seg- ment des mitdrehenden Aussenringes 66 über die Leiter 68 elektrisch verbunden. Die elektrische Messung erfolgt über das Messinstrument 69. Während der Aussenring 66 entspre- chend der Zahl der Substratträger in sechs Segmente unter-

teilt ist, weist der Innenring 62 lediglich zwei Segmente auf, nämlich ein kleines, das sich im Winkelbereich der Pro- zessstation 70 befindet und ein grösseres, welches im we- sentlichen den restlichen Drehwinkelbereich umfasst. Das kleine Segment des feststehenden Innenringes ist mit dem Messinstrument 69 verbunden, während das grössere Segment geerdet ist.

Immer, wenn sich einer der Substratträger a-f vor dieser Prozessstation befindet, wird eine elektrische Messung durchgeführt. Im gezeigten Fall betrifft das den Substrat- träger a. Dieser ist mittels der rollenden Übertragungsele- mente 63 über das entsprechende kleine Segment des fest ste- henden Innenringes 62 mit dem Messinstrument 69 verbunden.

Die übrigen Substratträger sind über die entsprechenden Übertragungselemente mit dem grösseren Segment des Innenrin- ges elektrisch verbunden und damit auf Erdpotential.