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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken, insbesondere bei der Oberflächenbearbeitung von Linsen, Halbleitern und dergleichen unter Vakuum oder Atmosphäre mittels Ionenstrahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.
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Derartige Werkstückhalterungen sind ein wesentlicher Bestandteil von Ionenstrahlbearbeitungsanlagen, kurz IBF-Anlagen. Die Genauigkeit der Positionierung der Werkstücke wird im Hinblick auf die Bearbeitung mit immer kleineren Strahlquerschnitten der Ionenstrahlung zunehmend wichtiger.
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Die bislang eingesetzten Anlagen weisen eine Werkstückhalterung auf, welche aus zwei in horizontaler Richtung gegeneinander verschiebbaren Spannbacken bestehen, die durch einen Links/Rechts-Spindelantrieb und einen vakuumdicht gekapselten elektrischen Antrieb zusammengefahren werden können und dabei einen Werkstückträger, der die Form einer runden Scheibe aufweist, für die Bearbeitung von einem Transportwagen anheben und formschlüssig fassen. Auf dem Werkstückträger ist das zu bearbeitende Werkstück in geeigneter Weise fixiert. Die Außenkanten des scheibenförmigen Werkstückträgers sind flach angefasst, wobei die Spannbacken als dieser Kontur des Werkstückträgers angepassten Formstücke ausgeführt sind.
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Zusätzlich sind die Spannbacken mit je einem Zentrierbolzen versehen, der in entsprechende Bohrungen des Werkstückträgers eingreift und dadurch die Winkelposition des Werkstückträgers festlegt.
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Die bekannte Vorrichtung nutzt das Prinzip der schiefen Ebene aus, um den Werkstückträger anzuheben. Um gegen die auftretende Reibung einen vollständigen Formschluss herzustellen, muss eine ausreichende Schließkraft der Spannbacken realisiert werden. Zusätzliche Kräfte auf den Werkstückträger entstehen durch die Toleranzen im Formschluss selbst. In der Praxis führen diese Kräfte bei den Werkstückträgern zu einer Verformung des Werkstückes, was das Bearbeitungsergebnis nachteilig beeinflusst.
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Aus
DE 103 28 347 A1 ist eine Substratlade- und Substratendladevorrichtung zum automatischen Laden und Entladen von Substraten in einer Vakuumumgebung, bspw. dem Arbeitsbereich einer Elektronenstrahl-Lithografiemaschine bekannt, bei der ein Substrat mittels Druckfedern und Blattfedern zwischen einem Substratstütztisch und Armen klemmend eingespannt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine kräftefreie und genaue Halterung und Positionierung des zu bearbeitenden Werkstückes erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die wenigstens eine Halterung (3) als Auflageträger (3) für den Werkstückträger (4) ausgebildet ist und dass eine Positioniereinrichtung (19) zum Positionieren bzw. Einstellen einer Winkelposition des Werkstückträgers (4) vorgesehen ist, wobei die wenigstens eine Positioniereinrichtung (19) wenigstens ein Positionierelement (10) aufweist, das in Bearbeitungsposition des Werkstückträgers (4) in eine zugeordnete Aufnahme (11) am Werkstückträger (4) eingreift.
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Dadurch, dass die wenigstens eine Werkstückträgerhalterung als Auflageträger für den Werkstückträger ausgebildet ist, ist die einzige Kraft, die auf das zu bearbeitende Werkstück beziehungsweise den Werkstückträger wirkt, die Schwerkraft. Da keine Spannbacken vorhanden sind, ergibt sich eine spannungsfreie Werkstücklagerung. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden also keine Kräfte in die Werkstückhalterung eingebracht.
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Ebenso ist aufgrund der Auflage für den Werkzeugträger keine aufwendige Bearbeitung der Außenkanten des Werkstückträgers erforderlich. Da die Antriebseinrichtung von dem Rezipienten entkoppelt ist, können keine Schwingungen von der Antriebseinrichtung auf das Substrat übertragen werden, was eine hochpräzise Bearbeitung erlaubt. Dadurch, dass der Antrieb für die Betätigung der Werkstückträgerhalterung außerhalb der Bearbeitungskammer angeordnet werden kann, ist der vakuumtechnische Aufwand im Falle der Vakuumbearbeitung erheblich reduziert. Auch ist die Prozesssicherheit der Vorrichtung bei Energieausfall sichergestellt, da die federelastischen Mittel den Werkstückträger bzw. die Werkstückträgerhalterung stets in Position halten.
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Um den Werkstückträger vom Transportwagen abzuheben, werden die Auflageträger, die sich unter dem Werkstückträger befinden, durch federelastische Mittel nach oben gegen feste Anschlagmittel bewegt. Dadurch wird eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Lage des Werkstückträgers erreicht.
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Die Werkstückhalterung realisiert vorteilhafterweise eine eindeutig bestimmte 3-Punkt-Auflage des Werkstückträgers.
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Die Auflageträger selbst sind vorteilhafterweise mit Stellelementen versehen, um die Lage des Werkstückträgers in der Vorrichtung justieren zu können.
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In einer ersten besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das federelastische Mittel als Feder ausgebildet ist, welche sich an der bezüglich der Vakuumkammer ortsfest angeordneten Abstützeinrichtung abstützt.
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Es gibt Bearbeitungsfälle, bei denen der gemeinsame Schwerpunkt von Werkstückträger und Werkstück außerhalb der Mitte des Werkstückträgers liegt. Um unabhängig davon eine sichere Auflage des Werkstückträgers zu gewährleisten, wird wenigstens ein an der Abstützeinrichtung angeordneter federelastischer Niederhalter für den Werkstückträger eingeführt.
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Durch diese Art der Halterung entfällt die aufwendige Bearbeitung der Außenkanten des Werkstückträgers. Die Ausführung des Werkstückträgers als runde Scheibe ist nicht mehr notwendig.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit Erfolg, insbesondere für alle Applikationen einsetzbar, bei welchen eine spannungsfreie Werkstücklagerung erforderlich ist.
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In die gleiche Richtung zielt die erfindungsgemäße Maßnahme, die Höhenverstellung der wenigstens einen Werkstückträgerhalterung in Anlagestellung des Werkstückträgers an dem wenigsten einen Widerlager durch Anschlagmittel zu begrenzen.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass drei über den Umfang des vorzugsweise scheibenförmig ausgebildeten Werkstückträgers verteilt angeordnete Auflageträger mit jeweils zugeordneten Auflagen für den Werkstückträger vorgesehen sind. Besonders günstig ist es dabei, die Auflagen als vorzugsweise höhenverstellbare Pendelauflagen auszubilden, wodurch eine justierbare Trägerauflage erreicht ist.
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Zur Festlegung der Position, insbesondere der Winkelposition, des Werkstückträgers ist nach der Erfindung eine Positioniereinrichtung vorgesehen, wobei die Positioniereinrichtung wenigstens ein Positionierelement aufweist, das in Bearbeitungsposition des Werkstückes in eine zugeordnete Aufnahme am Werkstückträger vorzugsweise formschlüssig eingreift. Hierdurch ist mit einfachen mechanischen Mitteln eine effektive Trägerpositionierung erreicht.
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Entsprechend der Aufhängung des wenigstens einen Werkstückträgerhalters kann das wenigstens eine Positionierelement höhenverstellbar an der Abstützeinrichtung geführt und vorzugsweise gemeinsam mit der wenigstens einen Werkstückträgerhalterung verfahrbar sein, wodurch der konstruktive Aufwand, insbesondere im Hinblick auf das auf den Bewegungsablauf der Werkstückträgerhalterung abgestimmte In- und Außer-Eingriffbringen des Positionierelementes in die Aufnahme des Werkstückträgers, minimiert ist.
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Dabei bietet es sich an, dass auch das wenigstens eine Positionierelement gegen die Kraft eines sich an der Abstützeinrichtung abstützenden federelastischen Mittels durch die Antriebseinrichtung in eine Endstellung zum Auf- beziehungsweise Entnehmen des Werkstückträgers verfahrbar ist.
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Um den angehobenen Werkstückträger zu positionieren, wird das wenigstens ein Positionierelement durch federelastische Mittel nach oben bewegt und greift in wenigstens eine zugeordnete Aufnahme am Werkstückträger vorzugsweise formschlüssig ein. Hierdurch ist mit einfachen mechanischen Mitteln eine definierte, eindeutig bestimmte Trägerpositionierung erreicht.
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Wie die Auflageträger werden die Positionierelemente bevorzugt in Führungen an der Abstützeinrichtung geführt.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung greifen die Positionierelemente erst nach dem Anheben des Werkstückträgers in die zugeordnete Aufnahme am Werkstückträger ein. Auch ist der notwendige Hub der Positionierelemente im vorliegenden Fall größer als derjenige der Auflageträger.
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Um das zu bearbeitende Werkstück in Bearbeitungsposition zu bringen, wird der Antrieb bzw. sein Stellglied angehoben, so dass die federelastischen Mittel die Auflagen und damit den Werkstückträger anheben. Nach Erreichen der den Werkstückträgerhalterungen zugeordneten Anschlagmittel bleiben die Auflagen stehen. Dabei werden durch die Aufwärtsbewegung des Werkstückträgers die angefederten Widerlager beziehungsweise Niederhalterelemente leicht gespannt, die dann den Kräften, die beim Einfahren der Positionierelemente in die Aufnahmen des Werkstückträgers entstehen, entgegenwirken und eine sichere Auflage für den Werkstückträger gewährleisten. Sodann werden durch die zweiten federelastischen Mittel die Positionierelemente weiter verfahren, bis sie in die entsprechenden Bohrungen am Werkstückträger gelangen und der den Positionierelementen zugeordnete Anschlag erreicht wird.
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Vakuumtechnisch besonders günstig ist es, wenn die Antriebseinrichtung mit einem höhenverstellbaren Stellglied auf die wenigstens eine Werkstückträgerhalterung und/oder die Positioniereinrichtung einwirkt, so dass der Antrieb für das Stellglied außerhalb der Vakuumkammer angeordnet werden kann.
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Konstruktionstechnisch besonders günstig ist es, wenn sowohl die Werkstückträgerhalterungen als auch die Positioniereinrichtung bzw. -elemente jeweils an Traversen aufgehängt sind, auf welche die Antriebseinrichtung beziehungsweise das Stellglied einwirkt.
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Die Traversen können übereinander angeordnet sein, so dass das Stellglied des Antriebes auf beide Traversen einwirkt. Durch die Anordnung von zwei Traversen übereinander können mit einem einzelnen Antrieb unterschiedliche Bewegungen bzw. Hübe der verschiedenen Bestandteile der Halteeinrichtung verwirklicht werden.
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Um den Werkstückträger in seine Bearbeitungsposition zu bringen, wird der Antrieb derart betätigt, dass die federelastischen Mittel die Traversen der Auflageträger und der Positionierelemente anheben. Die Hübe sind dabei so eingestellt, dass zunächst die Auflagen in Anlagestellung mit dem Werkstückträger gelangen und diesen anheben. Nach Erreichen der Anschlagmittel bleiben die Auflageträger und damit die untere Traverse stehen, während die obere Traverse weiter nach oben bewegt wird. Die Positionierelemente greifen dann in die entsprechende Aufnahme am Werkstückträger ein. Nach Erreichen der entsprechenden Anschlagmittel bleibt die obere Traverse stehen, während sich der Antrieb bzw. sein Stellglied weiter nach oben bewegt, um den Kontakt zu den Traversen zu lösen. Dadurch wird die Werkstückhalterung von dem Rezipienten, auf dem sich der Antrieb befindet, entkoppelt, sodass keine Schwingungen vom Rezipient auf das Substrat übertragen werden, was eine hochpräzise Bearbeitung erlaubt.
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Zur weiteren Verbesserung der Prozesssicherheit kommt das wenigstens eine Positionierelement in der Endstellung zur Auf- beziehungsweise Entnahme des Werkstückträgers unterhalb der Auflage des wenigstens Werkstückträgerhalters zu liegen.
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Die Bearbeitung von Werkstücken in einer IBF-Anlage wird regelmäßig mit einer Ionenquelle durchgeführt. Vorschub- und Zustellbewegungen der Inonenquelle werden in vorteilhafter Weise durch ein Mehrachsensystem ausgeführt, auf dem die Ionenquelle befestigt ist.
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Weiterhin ist an der Verstelleinrichtung eine Kamera vorgesehen, welche das von der Ionenquelle zu bearbeitende Gebiet erfasst. Mittels der Kamera ist eine exakte Positionierung der Ionenquelle möglich.
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Für eine besondere Ausführungsform der Erfindung wird die Kamera auf dem Achssystem ummittelbar neben der Ionenquelle installiert.
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Zur Erleichterung der Positionierung ist an dem Werkstückträger bevorzugt wenigstens eine Positionsmarke angeordnet, mittels der über die Kamera eine optische Positionsbestimmung durchführbar ist. Positionsmarken lassen sich mit Kameras gut erfassen und erlauben eine exaktere Positionierung der Ionenquelle.
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Die Kamera ist dabei vakuumtauglich ausgebildet oder in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Steuerungseinheit zur Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder und zur Positionierung der Ionenquelle vorgesehen. Die Steuerungseinheit erkennt die auf dem von der Kamera aufgenommenen Werkstückträger angeordneten Positionsmarken und kann in Kenntnis der relativen Anordnung von Positionsmarke zu Werkstück und von Ionenquelle zu Kamera eine einfache Positionsbestimmung automatisiert vornehmen. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Steuerungseinheit kalibrierbar ist. Damit ist es möglich, fertigungsbedingte Toleranzen durch einen Kalibriervorgang zu eliminieren und die Positionsgenauigkeit weiter zu erhöhen.
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Ein weiterer unabhängiger Gedanke der Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer Halteeinrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Erfindungsgedanken.
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand vorliegender Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Stellung zur Auf- beziehungsweise Entnahme des Werkstückes beziehungsweise des Werkstückträgers von einem Transportwagen,
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2 die Vorrichtung gemäß 1, nach Anheben des Werkstückträgers und
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3 die Vorrichtung gemäß 1 und 2 in Bearbeitungsposition für das Werkstück.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung dient als Ionenstrahl-Bearbeitungsanlage bspw. für optische Linsen.
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Die Vorrichtung weist einen evakuierbaren Rezipienten 1 auf, innerhalb welcher bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel drei verfahrbare Auflageträger 3 für einen mit dem zu bearbeitenden Werkstück versehenen Werkstückträger 4 vorgesehen sind. Dabei bilden die Auflageträger 3 Auflagen 9 für den Werkstückträger 4, welche vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des scheibenförmigen Werkstückträgers 4 verteilt angeordnet sind. Die Auflageträger 3 sind über Führungen 15 an einer innerhalb des Rezipienten ortsfest angeordneten Abstützeinrichtung 5 geführt und über eine Traverse 17 miteinander verbunden. Durch Federn 6 werden die Werkstückträgerhalterungen 3 gegen Anschläge 8 nach oben bewegt. Die Auflagen 9 sind als höhenverstellbare Pendelauflagen ausgeführt, um eine zusätzliche Justierung der Werkstückträger 4 zu ermöglichen.
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Weiterhin sind bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel zwei in Führungen 16 geführte und über eine Traverse 18 miteinander verbundene Positioniereinrichtungen 19 mit Positionierelementen 10 in Form von Bolzen vorgesehen, die ebenfalls mittels Federkraft 12 nach oben gegen zugeordnete Anschläge 8 bewegt werden.
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Durch außerhalb die der Vakuumkammer 1 befindliche Antriebseinrichtung 2, welche bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel als Linearantrieb ausgebildet ist, wird über ein als gedichteter Stößel ausgebildetes Stellglied 14 eine Kraft auf die beiden übereinander angeordneten Traversen 17, 18 ausgeübt und die Auflagen 9 sowie die Positionierelemente 10 gegen die Kraft der Federn 6 bzw. 12 nach unten bewegt. Die Positionierelemente 10 liegen dann in ihrer Endlage tiefer als die Auflagen 9 der Werkstückträgerhalterungen 3, wie dies insbesondere aus 1 ersichtlich ist.
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Um nun das zu bearbeitende Werkstück in die Bearbeitungsposition zu bringen, wird das Stellglied 14 nach oben bewegt, so dass die Federn 6 die Auflageträger 3 beziehungsweise die Auflagen 9 und damit den Werkstückträger 4 anheben können. Nach Erreichen des Anschlages bzw. der Anschläge 8 bleiben die Auflagen 9 stehen. Durch die Aufwärtsbewegung werden angefederte Niederhalter 7 an der Abstützeinrichtung 5 leicht gespannt, die dann den Kräften, die beim Einfahren der Positionierelemente 10 entstehen, entgegenwirken und eine sichere Auflage für den Werkstückträger 5 gewährleisten, wie dies aus 2 ersichtlich ist.
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Die Positionierelemente 10 werden dann weiter nach oben bewegt und fahren in entsprechende Positionierbohrungen 11 im Werkstückträger 4 ein, bis der Anschlag 13 erreicht wird.
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Sodann wird das Stellglied 14 beziehungsweise der Stößel der Antriebseinrichtung 2 vollständig abgehoben, so dass der gezeigte Linearantrieb und die Werkstückhalterung 3 vollständig voneinander getrennt sind, wie dies 3 zeigt.
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Zur genauen Positionierung einer Ionenquelle 20 in Bezug auf die zu bearbeitenden Werkstücke ist eine Kamera 21 vorgesehen, die an der Ionenquelle 20 befestigt ist. Die Ionenquelle 20 ist über eine Verstelleinrichtung 22 verfahrbar im Bodenbereich des Rezipienten 1 angeordnet. Auf dem Werkstückträger 4 ist wenigstens eine Positionsmarke 23 angeordnet, die von der Kamera 21 aufgenommen wird.
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Die wenigstens eine Positionsmarke 23 steht in einer festen räumlichen Zuordnung zu den zu bearbeitenden Werkstücken. Ebenso steht die Kamera 21 in einer festen räumlichen Zuordnung zu der Ionenquelle 20. Beide Zuordnungen können bei der Herstellung der Vorrichtung exakt auf das jeweilige Gerät kalibriert werden.
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Mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinheit wird das von der Kamera 21 erfasste Bild ausgewertet und die Position der Ionenquelle relativ zu den zu bearbeitenden Werkstücken bestimmt. Auf diese Weise kann eine einfache und exakte Ausrichtung der Ionenquelle relativ zu den Werkstücken erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rezipient, Gehäuse
- 2
- Antriebseinrichtung
- 3
- Auflageträger
- 4
- Werkstückträger
- 5
- Abstützeinrichtung
- 6
- Federelastische Mittel
- 7
- Niederhalter
- 8
- Anschlagmittel
- 9
- Auflage
- 10
- Positionierelement
- 11
- Aufnahme
- 12
- Federelastisches Mittel
- 13
- Anschlag
- 14
- Stellglied
- 15
- Führung
- 16
- Führung
- 17
- Traverse
- 18
- Traverse
- 19
- Positioniereinrichtung
- 20
- Ionenquelle
- 21
- Kamera
- 22
- Verstelleinrichtung
- 23
- Positionsmarken
