Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objektes in einem Vakuum, umfassend eine Basis, einen Endeffektor mit Substrathalter, einen über einen Schlitten mit dem Endeffek-tor gekoppelten Linearantrieb, einen an der Basis angreifenden Vertikal- oder Hubantrieb sowie eine Magnetlagerung für den Schlitten gemäß Ober-begriff des Anspruches 1.

Beispielsweise bei der Bearbeitung von Substraten zur Fertigung von Halbleiterbauelementen kommen großflächige Substrate zum Einsatz, die diversen Oberflächenbehandlungsprozeduren unterzogen werden müssen.

Beispielsweise muss hier eine Beschichtung vorgenommen werden, es sind Belichtungs- und Ätzschritte oder Diffusionsprozesse erforderlich.

Ein Großteil der Oberflächenbehandlungsprozesse sind unter Reinraumbedingungen oder unter Vakuum durchzuführen.

Aus Substraten für moderne Halbleiterbauelemente sind Strukturen bis in den Nanometerbereich auszubilden, was eine äußerst präzise Zuführung und Positionierung dieser Substrate erfordert.

Weiterhin stellt die notwendige Partikelfreiheit der Substratumgebung hohe Anforderungen an entsprechend notwendige Manipulatoren.

Aus diesem Grunde ist eine berührungsfreie Lagerung des Substrates und die Ausbildung eines entsprechenden Halte-, Bewegungs- oder Verfahrantriebes notwendig. Bekannt sind hier Luftlager für hochreine Fertigungsumgebungen, wobei diese durch Luftströmungen in der Nähe des Substrates ein Problem für auszuführende Behandlungsschritte darstellen.

Bekannt sind auch magnetische Halte- oder Positioniervorrichtungen mit einer Basis und einem Objekt tragenden Träger.

Zur berührungslosen Lagerung des Trägers an der Basis sind in vielen Fällen mehrere Magnetlager mit jeweils einem Abstandsensor und einem Regelkreis vorgesehen, die den Träger in einem vorgegebenen Abstand zur Basis in einem Schwebezustand halten.

Ebenfalls bekannte Lösungen für eine berührungslose Lagerung eines ent-lang einer stationären Basis zu bewegenden Trägers zur Aufnahme eines Substrates können mehrere in einer Transportrichtung voneinander beab-standete einzelne bzw. diskrete Magnetlager aufweisen.

Für die Bewegung des Trägers entlang einer Reihe von Magnetlagern ist es notwendig, dass in der Folge der Transportbewegung des Trägers die statio-när an der Basis angeordneten Magnetlager je nach momentaner Position des Trägers mit dem Träger mechanisch wechselwirken.

Für die berührungslose Lagerung und für den berührungslosen Transport eines Trägers entlang einer von der Basis vorgegebenen Verfahrstrecke sind auch seitliche oder transversale Führungsmittel vorzusehen. Diese können mittels entsprechend konfigurierter Magnetlager realisiert sein.

Für den berührungslosen Transport und für eine dementsprechende Bewe-gung des Trägers entlang der Basis sind als Antrieb Linearmotoren oder Linearaktoren bekannt.

Ein solcher Linearantrieb ist Gegenstand der DE 10 2010 045 437 Al. Der Linearantrieb besteht aus einem Gehäuse mit einer Endplatte und einer Stirnplatte und einem im Inneren des Gehäuses beweglich angeordneten und mit einer Kolbenstange geführten Kolben. Die mit dem Gehäuse fest ver-bundene Endplatte weist eine zentrale Führung für ein erstes Medium auf, welches in das Innere des Gehäuses hineinreicht. Die Endplatte oder das Gehäuse weisen ein Mittel zur Abführung für das erste fluide Medium und Mittel zur Zu- und Abführung für ein zweites fluides Medium auf.

Die EP 2 346 148 Al offenbart einen Linearantrieb für einen Dreh-Hub-Motor. Ein derartiger Antrieb umfasst ein Wicklungssystem mit mehreren gewickelten Spulen, die koaxial zueinander und in axialer Richtung aufeinan-der folgend angeordnet sind. In axialer Richtung relativ zum Wicklungssys-tem ist ein bewegliches Magnetsystem mit mehreren axial aufeinander fol-genden Permanentmagneten ausgebildet. Das Wicklungssystem wird von einem geregelten Umrichter gespeist.

Die DE 10 2016 121 674 Al setzt sich mit dem Problem auseinander, dass bei innerhalb von Prozesskammern verlaufenden Leitungen unter Vakuum Ausgasungen auftreten können. Hierdurch kommt es zu einer Fremdmaterialkontamination und/oder zu einer Partikelkontamination des Vakuums und somit zu einer Verschlechterung der Vakuumqualität, was sich auf Bearbeitungsergebnisse eines entsprechenden Bauteiles auswirken kann. Zur Vermeidung von Problemen der geschilderten Art ist dort vorgeschlagen, eine erste Transaktion-Permanentmagneteinrichtung, die an einem Rahmen ange-bracht ist mit einer Rotation-Permanentmagneteinrichtung, die an einem Drehgestell vorgesehen ist, zu kombinieren. Weiterhin sind Längsführungs-mittel vorhanden.

Eine gattungsbildende Vorrichtung zum Halten, Positionieren und Bewegen ei nes Objektes mittels Magnetlager und Linearmotor ist in der DE 10 2015 004 582 Al geschildert. Der dortige Antrieb besteht aus einem Linearmotor mit zumindestens einem Stator und einem Läufer, die an einer dortigen Basis und an einem Träger angeordnet sind. Der Linearmotor zum Bewegen des Trägers entlang der Basis erzeugt nicht nur eine Verschiebekraft in Bewegungsrichtung oder Transportrichtung, sondern zusätzlich auch noch eine Gegenkraft, welche eine dort vorhandene Magnetlage entgegenwirkt. Das Magnetlager ist als vertikales Magnetlager zur Gewichtskompensation und zum schwebenden berührungslosen Halten des Trägers ausgestaltet, sodass eine verbesserte Querstabilisierung für den Träger erreichbar ist. Den bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass dort nach wie vor Berüh-rungs- und Kontaktpunkte von beweglichen Verbindungslagern und Maschinenelementen oder entsprechenden Gelenken vorhanden sind. Damit führen sämtliche Vakuum berührende Oberflächen zu einer nicht zu vermeidenden Partikelbelastung sowie zu Ausgasungseffekten.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objektes in einem Prozessvakuum anzugeben, welche auf der Vakuumseite eine Partikelgeneration vermeidet bzw. minimiert.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Vorrichtung in der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Es wird demnach von einer Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objektes, z.B. eines Halbleitersubstrates in einem Prozess-vakuum ausgegangen.

Die Vorrichtung umfasst eine Basis, einen Endeffektor mit Substrathalter und einen über einen Schlitten mit dem Endeffektor gekoppelten Linearantrieb.

Weiterhin ist an der Basis ein dort angreifender Vertikal- oder Hubantrieb vorhanden. Darüber hinaus wird eine Magnetlagerung für den vorerwähnten Schlitten eingesetzt.

Erfindungsgemäß ist der Linearantrieb als ein mit einem Fluid, insbesondere einem Gas beaufschlagbarer, ansonsten geschlossener Zylinder mit einem im Zylinder beweglich angeordneten, doppeltwirkenden Kolben ausgebildet.

Der Kolben ist mit einer Magnetanordnung versehen.

Weiterhin weist der Schlitten einen mit dem Zylinder, mindestens absatzwei-se, außen umgreifenden magnetischen Ring auf, welcher den Zylinder berüh-rungslos umgibt. Der Schlitten ist gegenüber der Basis berührungslos translatorisch bewegbar und gegen rotatorische Verkippung gesichert ebenfalls magnetisch geführt.

Ausgestaltend steht die Basis mit Linearantrieb und Endeffektor mit einem Hub- Antrieb in Verbindung. Hierfür ist eine mit der Basis verbundene Welle mit Lagerung vorgesehen.

Die Welle ist mittels magnetischer Rotationskupplung um ihre Achse drehbar und bezogen auf den Dreh- oder Verschwenkwinkel feststellbar.

Die vorerwähnte Welle ist bevorzugt als Hohlwelle ausgeführt. Über entsprechende Kanäle in der Welle ist eine Zu- und Abführung des Fluides zur Bewegung des Kolbens im Zylinder des Linearantriebes realisierbar.

Mindestens die Basis mit Endeffektor und Substrathalter, Linearantrieb und Magnetführung befinden sich im Prozessvakuum, wobei eine Partikelgenerie-rung unter einer Oberflächenreinheitsklasse von 10.000, eine akkumulierte molekulare Kontamination von schweren Kohlenwasserstoffen von kleiner 10 pg/cm2 sowie eine Ausgasrate von kleiner 2E-9 mbar ■ I / (s ■ cm2) eingehal-ten ist.

Der Schlitten und der magnetische Ring können monolithisch oder einstückig ausgebildet werden. Zusätzlich ist gegen rotatorische Verkippung eine linea-re Magnetzwangsführung vorhanden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist am, dem Substrathalter gegenüberliegenden Ende, ein Ausgleichsgewichtskörper angeordnet.

Der Hub-Antrieb befindet sich auf der dem Prozessvakuum abgewandten, atmosphärischen Seite.

Der magnetische Ring kann als Ringzylinder mit mehreren magnetischen Abschnitten ausgebildet werden.

Der Kolben ist gegenüber dem Zylinderinneren bzw. Zylinderinnenwandung mittels in Ringnuten befindlichen elastischen Elementen abgedichtet. Insbesondere durch die kolbenstangenlose Zylinderausbildung nebst Kolben, welcher Fluid beaufschlagt wird und dem erwähnten Magnetschlitten ist eine unerwünschte Partikelgenerierung auf ein Mindestmaß reduziert. Durch den Magnetschlitten ist die gewünschte translatorische Verschiebung des Substrathalters möglich, wobei eine rotatorische Verkippung durch eine zusätzli-che lineare Magnetzwangsführung vermieden wird.

Im Vergleich zum Stand der Technik liegt einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung darin, einen, mit einem Fluid angetriebenen doppeltwirkenden Kolben in einem allseitig geschlossenen und mittels des Fluides beaufschlagten Zylinder zu bewegen, wobei dessen Bewegung über eine magnetische Kraftkopplung auf einen, den Zylinder äußerlich berührungslos umgebenden Ring zum Zweck des Erzeugens der linearen Bewegung übertra-gen wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Figur 1 eine seitliche Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrich-tung mit Substrathalter bzw. Endeffektor, den pneumatischen Zylin-der nebst Kolben und Magnet sowie erkennbarer magnetischer Füh-rung und der Hubvorrichtung zum Erzeugen einer vertikalen Bewe-gung;

Figur 2 eine perspektivische Darstellung (Teil weggeschnitten) der erfindungsgemäßen Vorrichtung analog Figur 1 mit Details im Hinblick auf die magnetische Führung des Linearantriebes und der magnetischen Rotationskupplung (rechter Bildteil gemäß Figur 2) und

Figur 3 eine Schnittdarstellung durch den Zylinder und Kolben des Linearantriebes mit den Elementen der magnetischen Führung.

Die Vorrichtung zum Halten, Positionieren und/oder Bewegen eines Objektes z.B. eines Substrates, in einem Prozessvakuum geht von einer Basis 4 aus, die in ihrem Inneren mittels der magnetischen Führung 40 aufweist. Ein Endeffektor 10 mit einem Substrathalter 1 an einem seiner Enden ist translatorisch und rotatorisch bewegbar und in der Basis 4 geführt.

An dem Objektträger oder Substrathalter 1 gegenüberliegenden Ende ist ein Gegengewichtskörper 5 vorhanden.

Der eigentliche Linearantrieb umfasst einen pneumatischen Zylinder 2 inner-halb der Basis 4 mit magnetischer Führung 40.

Der pneumatische Zylinder 2 weist in seinem Inneren einen doppelt wirken-den, beweglichen Kolben 3 auf, welcher Magneten 30 im Kolben 3 umfasst.

Wie insbesondere in der Figur 3 ersichtlich, ist außenseitig des Zylinders 2 ein Schlitten, ausgebildet als Magnetschlitten 11 vorhanden.

Der Schlitten ist mit dem Endeffektor und damit mit dem Substrathalter 1 gekoppelt.

Über die Wechselwirkung der Magneten 30 im Kolben mit den Magneten des Schlittens 11 wird die Bewegung des Kolbens 3 auf den Schlitten 11 berührungslos übertragen.

Die weitere Führung und die Sicherung gegen ein rotatorisches Verkippen wird über die Magnetanordnung 40 an der Basis und 41 im Bereich des Schlittens erreicht.

Zum Erzeugen einer vertikalen Bewegung der Basis mitsamt des Linearan-triebes ist eine Hubvorrichtung 6 vorhanden, die sich außerhalb des Pro-zessvakuums auf der atmosphärischen Seite befindet.

Ein Teil einer Vakuumkammer ist mit dem Bezugszeichen 9 angedeutet.

Die Verbindung zwischen Linearantrieb und Hubvorrichtung 6 erfolgt über eine Welle 12. Die Welle 12 ist, wie aus den Figuren 1 und 2 sowie der Detaildarstellung gemäß Figur 2 als Hohlwelle ausgebildet und besitzt Kanäle zur Zu- und Abführung des Fluides zur Bewegung des Kolbens über einen Gasein- bzw. Gasauslass.

Eine Rotationskupplung (siehe Figur 2/Detaildarstellung) ermöglicht eine Drehung bzw. ein Verschwenken gemäß der diesbezüglichen Pfeildarstellung in Figur 2.

Ein Balg 7, welcher in seiner Länge veränderbar ist, umschließt die Welle 12 außenseitig.

Endseitig ist die Welle geführt und es ist eine Abdichtung 13 ausgebildet.