DE19737548A1 - Tiltable, rotatable and tempering substrate holder for ion irradiation etching - Google Patents
Tiltable, rotatable and tempering substrate holder for ion irradiation etchingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Winkelverstellen, Rotieren und Thermostatieren von Substraten in Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbearbeitungseinrichtungen unter Reaktivgasbedingungen.The invention relates to a device for adjusting the angle, rotating and thermostatting of substrates in high vacuum and ultra high vacuum processing facilities under Reactive gas conditions.
Bestimmte Bearbeitungstechniken in Ultrahochvakuumbearbeitungsanlagen erfordern von den Substratstationen nicht nur eine hohe Beweglichkeit, meist sogar um mehrere Achsen, sondern verlangen obendrein eine Thermostatierung, d. h. Heizung oder Kühlung der zu bearbeitenden Substrate. Bei den bekannten Lösungen erfolgt die Darstellung der Bewegung jeder einzelnen Achse immer in der Kombination Antriebsglied - Getriebe - Substratstation. Erfolgt die Realisierung der Bewegung extern, so ist zu ihrer Einleitung in die Bearbeitungseinheit eine Durchführung ebenso zwingend erforderlich wie für die Führung der temperierenden Medien. Jede Durchführung hat eine ihrer konstruktiven Ausführung entsprechende Leckrate. Mit steigendem Ausrüstungsgrad wächst also auch die Leckrate der Gesamtanordnung ebenso wie die Defektgeneration aufgrund Abriebes in den Getrieben, besonders aber bei Prozessen, bei denen Substrate aus Gründen eines möglichst homogenen Abtrages oder homogener Beschichtung kontinuierlich rotiert werden. Eine Möglichkeit diese Rotationsbewegung durchführungsfrei in eine Vakuumkammer einzubringen wird in Patent DE 41 06 846 C1 dargestellt. Allerdings wird auch hier durch Lager, Wellen und Getriebe ein hohe Anzahl von Defekten produziert. Ebenfall von Nachteil ist, daß Schwenkpunkt und Substratmittelpunkt nicht übereinstimmen. Beim Versuch einer winkelabhängigen Probenbearbeitung kommt es so zu einer Lageveränderung zwischen Strahler- und Substratmitte.Certain processing techniques in ultra high vacuum processing plants require from the Substrate stations not only have high mobility, usually even around several axes, but also require thermostatting, d. H. Heating or cooling the to be processed Substrates. In the known solutions, the movement of each individual is shown Axis always in the combination drive link - gearbox - substrate station. Does that happen Realization of the movement externally is one for its introduction into the processing unit Execution just as mandatory as for the control of the tempering media. Each bushing has a leak rate that corresponds to its design. With As the level of equipment increases, so does the leakage rate of the overall arrangement as well the defect generation due to abrasion in the gears, but especially in processes those substrates for reasons of a homogenous removal or more homogeneous Coating can be rotated continuously. One way this rotational movement To be introduced without a lead into a vacuum chamber is described in patent DE 41 06 846 C1 shown. However, here too, bearings, shafts and gears produce a large number of Defects produced. Another disadvantage is that the pivot point and the center of the substrate do not match. This is what happens when an angle-dependent sample processing is attempted to a change in position between the center of the lamp and the substrate.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Substrathalterung, -bewegung und -thermo statierung zu schaffen bei der die Hauptbewegung des Substrates, die Rotation, intern in der Substratstation erzeugt wird und durchführungsfrei, d. h. ohne den Einsatz einer Vakuumdrehdurchführung, aus der gleichzeitig der Thermostatierung dienenden vakuumdichten Anordnung ausgekoppelt werden kann.The object of the invention is a device for substrate mounting, movement and thermal to create statations in which the main movement of the substrate, the rotation, internally is generated in the substrate station and free of implementation, d. H. without the use of a Vacuum rotary feedthrough, from the one used for thermostatting vacuum-tight arrangement can be uncoupled.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rotationsbewegung durch elektromotorischen oder hydromechanischen Antrieb in der Substratstation selbst erzeugt und nicht über Drehdurchführungen in die Vakuumkammer eingebracht wird.The object is achieved in that the rotational movement by generated electromotive or hydromechanical drive in the substrate station itself and is not introduced into the vacuum chamber via rotary unions.
Eine Substratstation, die es gestattet Substrate zu haltern, unter verschiedenen Winkeln zu positionieren, rotieren zu lassen und zu thermostatieren stellt für viele im Ultrahochvakuum ablaufenden Prozesse ein ideales Arbeitsmittel dar.A substrate station that allows substrates to be held at different angles positioning, rotating and thermostatting for many places in an ultra-high vacuum processes are an ideal tool.
Durch die Möglichkeit der Kippung der Station kann das Substrat aus einer definierten, handlingsicheren Beladestellung in eine winkelabhängige Bearbeitungsposition gebracht werden. Eine Palettierung der Substrate vor der Schleusung gestattet das Handling unter verschiedenen Winkeln und verlangt keine Vorzugsrichtung der Substratstation. Durch die Rotation des Substrates wird bei Beschichtungs- oder Abtragprozessen eine weitgehende Homogenisierung der Strahleinwirkung erreicht.Due to the possibility of tilting the station, the substrate can be made from a defined the safe loading position is brought into an angle-dependent processing position become. Palletizing the substrates before the lock allows handling under different angles and does not require a preferred direction of the substrate station. Through the Rotation of the substrate becomes extensive in coating or removal processes Homogenization of the radiation effect achieved.
Die eingebrachten Strahlleistungen können aufgrund der Thermostatierbarkeit der Anordnung mit Hilfe eines Kühlmittels wirksam abgeführt werden.The beam power introduced can be due to the thermostability of the arrangement can be effectively removed with the help of a coolant.
Ein Betriebsregime bei höheren Temperaturen ist durch die Erwärmung des umgewälzten Temperiermediums ebenfalls möglich. An operating regime at higher temperatures is due to the heating of the circulated Temperature control medium also possible.
Zur Verbesserung des Temperaturüberganges zwischen rotierender Substratpalette und stationärem Kühlkörper muß der Zwischenraum zwischen beiden Elementen minimiert werden und mit einem Vermittlergas beaufschlagt werden. Eine Beschreibung einer Vorrichtung zum Kühlen bzw. Aufheizen ebener Substrate ist unter DD 274 515 erfolgt.To improve the temperature transition between rotating substrate pallet and stationary heat sink, the space between the two elements must be minimized and be supplied with an intermediary gas. A description of an apparatus for Cooling or heating of flat substrates was done under DD 274 515.
Mit dem Einsatz eines vakuumtüchtigen elektromotorischen oder hydromechanischen Antriebes entfällt hoher mechanischer Aufwand für den Rotationsantrieb und werden Gesamt leckrate und die Generation von Defekten positiv beeinflußt.With the use of a vacuum-capable electromotive or hydromechanical Drive eliminates high mechanical effort for the rotary drive and become total leak rate and the generation of defects positively influenced.
Der hydromechanische Antrieb wird vom umgewälzten Temperiermedium angetrieben und kommt demzufolge ohne Hilfsenergie aus.The hydromechanical drive is driven by the circulating temperature control medium therefore does not require auxiliary energy.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are in following described in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1: einen Überblick über die zu beschreibende Substratstation; und Figure 1 is an overview of the substrate to be described station;. and
Fig. 2: eine Übersicht über den Substrathalter mit elektromotorischem Antrieb der Rotation; FIG. 2 shows an overview of the substrate holder with an electric motor drive of the rotation;
Fig. 3: vereinfachte Substratstation nach Änderung der Anlagenkonzeption. Fig. 3: simplified substrate station after changing the system design.
Die Substratstation ist auf einem Grundflansch DN 250 CF (1) aufgebaut in den 2 Rohrflansche DN 40 CF (2) und 1 Rohrflansch DN 16 CF (3) eingeschweißt sind. Einer der DN 40 CF-Flansche nimmt eine wellschlauchgedichtete Drehdurchführung auf, die ausgerüstet mit Schrittmotor und Encoder der Realisierung der Kippbewegung zur Winkelpositionierung dient.The substrate station is built on a base flange DN 250 CF ( 1 ) into which 2 pipe flanges DN 40 CF ( 2 ) and 1 pipe flange DN 16 CF ( 3 ) are welded. One of the DN 40 CF flanges accommodates a rotary feedthrough sealed with corrugated tubing, which is equipped with a stepper motor and encoder to realize the tilting movement for angular positioning.
Die zweite Durchführung enthält drei Wellschläuche, von denen zwei der Zu- und Ableitung des Temperiermediums, der dritte der Zuleitung des Vermittlergases dient.The second bushing contains three corrugated hoses, two of which are the inlet and outlet of the temperature control medium, the third serves to supply the intermediary gas.
Über einen in den Flansch DN 16 CF eingeschweißten Wellbalg werden dem Substrathalter die Leitungen des elektromotorischen Antriebes zugeführt. Auf der vakuumzugewandten Seite des Grundflansches befindet sich die Tragkonstruktion (4) für die Substratstation. An den Trägern ist auch das Getriebe für die Kippbewegung (5) befestigt. Zwei als Segmente (6) ausgebildete Wälzschubführungen tragen einen Wagen (7), in dem der Substrathalter (8) so befestigt ist, daß er um seinen Mittelpunkt geschwenkt werden kann. Ein Zahnsegment gleicher Größe (9) übernimmt die Umsetzung der Bewegung der Drehdurchführung und des Getriebes in eine definierte Winkelposition. Durch die Verwendung eines selbsthemmenden Getriebes und Spielfreimachung der Führungsanordnung ist die Winkelpositionierung von hoher Reproduzierbarkeit.The cables of the electromotive drive are fed to the substrate holder via a corrugated bellows welded into the DN 16 CF flange. The supporting structure ( 4 ) for the substrate station is located on the side of the base flange facing the vacuum. The gear for the tilting movement ( 5 ) is also attached to the supports. Two roller slide guides designed as segments ( 6 ) carry a carriage ( 7 ) in which the substrate holder ( 8 ) is fastened in such a way that it can be pivoted about its center. A toothed segment of the same size ( 9 ) takes over the implementation of the movement of the rotating union and the gear in a defined angular position. Through the use of a self-locking gear and clearance of the guide arrangement, the angular positioning is of high reproducibility.
Der Substrathalter Fig. 2 (8) ist mit seinem Stator (10) im Wagen (7) befestigt und realisiert Rotation und Thermostatierung. Der Stator (10) hat in seiner Mittelsäule vier Bohrungen. Zwei Bohrungen (11) dienen der Zu- und Ableitung des temperierenden Mediums durch Wellschläuche zum externen Thermostaten. Über Bohrung (12) wird das Vermittlergas, in den meisten Fällen Helium, der Rückseite der Palette (13) zugeführt. Ein ausreichender Wärmetransport ist nur gewährleistet, wenn der Abstand zwischen rotierender Palette (13) und Stator (10) kleiner als 50 Mikrometer ist. Durch die vierte, nicht in Fig. 2 dargestellte Bohrung, werden die Spulen (14) angesteuert. Auf der Polschuhplatte (15) sind zwei Spulengruppen (14) angeordnet und je Gruppe elektrisch parallel geschaltet. Versetzt man die eine Gruppe zur Teilung der anderen um 18 Grad und steuert mittels Impulsgeber die Gruppen wechselweise an, wird die vielpolige Magnetkupplung (16) entsprechend der Impulsfrequenz langsam oder schneller rotierend bewegt.The substrate holder Fig. 2 ( 8 ) is fixed with its stator ( 10 ) in the carriage ( 7 ) and realizes rotation and thermostatting. The stator ( 10 ) has four holes in its center column. Two holes ( 11 ) are used to feed and discharge the temperature-control medium through corrugated hoses to the external thermostat. The intermediary gas, in most cases helium, is supplied to the rear of the pallet ( 13 ) via bore ( 12 ). Adequate heat transfer is only guaranteed if the distance between the rotating pallet ( 13 ) and stator ( 10 ) is less than 50 micrometers. The coils ( 14 ) are driven through the fourth bore, not shown in FIG. 2. Two coil groups ( 14 ) are arranged on the pole shoe plate ( 15 ) and electrically connected in parallel for each group. If you move one group to divide the other by 18 degrees and control the groups alternately using a pulse generator, the multi-pole magnetic coupling ( 16 ) is rotated slowly or faster depending on the pulse frequency.
Der Stator (10) wird nach erfolgter Montage vakuumdicht verschlossen, die Magnetkupplung (16) in den Rotor (17) appliziert. Der im Wagen (7) der Substratstation fixierte Stator (10) trägt die Lagerung des Rotors (17), die gegen die Belastung mit Ätzgas mittels Lippendichtungen geschützt wird. Die Kippeinrichtung wurde so konzipiert, daß eine Substratkippung von 0. . .90° realisierbar ist, als 0°-Stellung ist dabei die Beschickungsstellung definiert. Diese muß nicht gleichzeitig der Horizontalen entsprechen. In dieser Stellung ist auch der Aushebemechanismus (18) gedrückt und die Niederhalter (19) angehoben, so daß die Substratpalette (13) gehandelt werden kann. Durch die Benutzung des Bereiches 0. . .5° für die Lösung oder Fixierung des Haltemechanismus ist in diesem Bereich eine Substratrotation nicht möglich.After assembly, the stator ( 10 ) is closed in a vacuum-tight manner, and the magnetic coupling ( 16 ) is applied in the rotor ( 17 ). The stator ( 10 ) fixed in the carriage ( 7 ) of the substrate station supports the bearing of the rotor ( 17 ), which is protected against the exposure to etching gas by means of lip seals. The tilting device was designed so that a substrate tilting of 0.. .90 ° is feasible, the loading position is defined as the 0 ° position. This does not have to correspond to the horizontal at the same time. In this position the lifting mechanism ( 18 ) is also pressed and the hold-down device ( 19 ) is raised so that the substrate pallet ( 13 ) can be handled. By using area 0.. .5 ° for loosening or fixing the holding mechanism, substrate rotation is not possible in this area.
Bei Einsatz eines hydromechanischen Antriebes, eine Entscheidung darüber muß unter Beachtung von Druck, Durchfluß und Viskosität des Temperiermediums getroffen werden, werden Polschuhplatte und Spurensätze nicht benötigt. An ihrer Stelle wird ein Flügelradan trieb mit einem Ritzel (hier nicht dargestellt), das einen zweiten Magnetring über eine Innenverzahnung antreibt, eingesetzt. Nach erfolgter Montage wird auch diese Anordnung vakuumdicht verschlossen. Eine Drehzahländerung kann mit einer Durchflußänderung im geschlossenen Kreislauf erreicht werden. When using a hydromechanical drive, a decision must be made under Consideration of pressure, flow and viscosity of the temperature control medium, pole shoe plate and trace sets are not required. In their place is an impeller driven with a pinion (not shown here) that a second magnetic ring over a Drives internal teeth, used. After assembly, this arrangement is also made sealed vacuum-tight. A change in speed can with a change in flow in closed cycle can be achieved.
Wird bei der Anlagenkonzeption darauf geachtet, daß Ionenquellenflansch und Basisflansch für die Substratstation zueinander um 90° versetzt werden, ist eine besonders effektive Lösung für die Substratstation möglich, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei liegen der Drehpunkt der Anordnung und die Substratoberkante in einer Ebene, so daß trotz Änderung des Strahleinfallswinkels stets die Substratmitte getroffen wird. Der Einsatz eines direktgetriebenen Schwenkarmes macht den Verzicht auf das Getriebe für die Kippbewegung (5), Segmente (6) und den Wagen (7) wie auch das Zahnsegment (9) möglich.If the system design takes care that the ion source flange and base flange for the substrate station are offset by 90 ° to one another, a particularly effective solution for the substrate station is possible, as shown in FIG. 3. The fulcrum of the arrangement and the top edge of the substrate lie in one plane, so that despite changing the beam incidence angle the center of the substrate is always hit. The use of a directly driven swivel arm makes it possible to dispense with the gear for the tilting movement ( 5 ), segments ( 6 ) and the carriage ( 7 ) as well as the toothed segment ( 9 ).
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