-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines Substrates, sowie eine Substrataufnahmevorrichtung, welche dieses Verfahren durchführt.
-
Um Substrate während ihrer Bearbeitung zu Halten und sie von einer Verarbeitungsanlage zu einer anderen zu transportieren, werden Greif- und Haltevorrichtungen benötigt, die schnell und effizient, aber gleichzeitig schonend arbeiten. Insbesondere in der Solarzellenherstellung werden Druckluft- und Vakuumgreifsysteme eingesetzt. Letztere erzeugen zwischen dem Substrat und einer Haltefläche des Greifsystems ein Vakuum, so dass das Substrat gegen die Haltefläche gepresst wird. Demgegenüber beruhen Druckluft betriebene Greif- und Haltevorrichtungen auf den sogenannten Venturi-Effekt. In diesem Fall wird aufgrund einer Gasströmung zwischen dem Substrat und der Haltefläche ein Unterdruck erzeugt, welcher ebenfalls zu einer Fixierung des Substrates an der Haltefläche führt.
-
Derartige Druckluft oder Vakuum nutzende Systeme haben oft den Nachteil, dass sich die Substrate aufgrund einer ungleichmäßigen Kraftübertragung verbiegen. Diese Verbiegungen können nicht nur zu ungleichmäßigen und unvorhersehbaren Bearbeitungsergebnissen führt, sondern sie erhöhen zugleich die Wahrscheinlichkeit, dass die Substrate beschädigt werden, insbesondere wenn diese sehr dünn sind. Die Verwendung von Vakuumsystemen birgt bei Splitterbildung am Substrat zudem die Gefahr, dass Substratbruchstücke eingesaugt werden und das Vakuumsystem in Mitleidenschaft ziehen.
-
Eine Alternative zu solchen Druckluft- oder Vakuumhaltesystemen bilden Haltevorrichtungen, welche elektrostatische Kräfte nutzen, um das Substrat an die Haltefläche zu pressen. Derartige elektrostatische Chucks werden beispielsweise in
US 2010 / 0 178 139 A1 ,
US 2010 / 0 277 850 A1 und
US 2004 / 0 016 405 A1 offenbart. Sie weisen an ihren Halteoberflächen metallische Elektroden auf, an denen eine konstante Spannung angelegt wird. Aufgrund der angelegten Spannung werden in dem Substrat elektrische Ladungen verschoben und die Substratoberfläche dadurch polarisiert. Hierdurch werden zwischen der Substratoberfläche und der Halteoberfläche elektrostatische Haltekräfte erzeugt. In
US 2010 / 0 277 850 A1 weist der Chuck sogar mehrere Halteregionen auf, in denen jeweils die Haltespannung und damit die elektrostatische Haltekraft unterschiedlich eingestellt werden kann, um das Substrat möglichst eben zu halten und Verbiegungen oder mechanische Spannungen zu vermeiden. In
US 2010 / 0 178 139 A1 weist der Chuck Auflagebeläge auf, die Verbiegungen des Substrats durch Bewegungseinschränkung limitieren sollen, damit das Substrat nicht in Kontakt mit den Elektroden kommt, zudem kann während der Substratablage die zum Halten des Substrats eingestellte Spannung verringert werden.
-
Aus der
US 2009 / 0 273 879 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, die zur elektrostatischen Anziehung eines Glassubstrats ausgelegt sind. Zur elektrischen Anziehung werden Größe, Schwerkraft, elektrischer Widerstand und Temperatur des Glassubstrats genutzt, um eine Anziehungs-, Halte und Loslasszeit bzw. eine Anziehungs-, Halte und Loslassspannung zu bestimmen.
-
US 2008 / 0 153 182 A1 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung eines thermales Prozesses unter Verwendung einer Platte eines Lithographie-Werkzeugs, die mehrere Heizzonen aufweist. Ein erstes Stellsignal für eine erste Elektrode, die einer ersten Heizzone zugeordnet ist und in elektrischer Verbindung mit einer Prozessoberfläche des Halbleitersubstrats ist, wird bereitgestellt, das Halbleitersubstrat wird in Richtung der ersten Elektrode bewegt, und ein Antwortsignal der ersten Elektrode wird empfangen und verarbeitet, um einen Kapazitätswert zu bestimmen, der einer ersten Lücke zwischen der ersten Elektrode und einem ersten Abschnitt des Halbleitersubstrats zugeordnet ist. Anhand des bestimmten Kapazitätswerts wird ein Messsignal erzeugt, das teilweise als Basis für eine Steuerspannung und ein zweites Stellsignal dienen kann. Das zweite Stellsignal ist geeignet, eine elektrische Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode und dem Halbleitersubstrat zu erzeugen.
-
Herkömmliche elektrostatische Halter haben jedoch den Nachteil, dass sie sich nur für das Festhalten von Substraten eignen. Auch die vorangehend genannten bekannten elektrostatischen Chucks müssen zunächst mit dem Substrat beladen werden, was in der Regel mittels eines Roboterarmes erfolgt, welcher das Substrat aufnimmt und auf dem Chuck ablegt. Anschließend wird die konstante Spannung eingeschaltet und das Substrat mit konstanter Kraft an den Chuck gepresst. Der Roboterarm verwendet zum Greifen des Substrates wiederum eines der einleitend erläuterten Greif- und Haltemechanismen.
-
Wollte man das Substrat mittels eines elektrostatischen Halters greifen und anheben, so müsste entweder der Halter mit eingeschalteter Spannung an das Substrat herangeführt werden, was aufgrund der hohen elektrostatischen Anziehungskraft zur Beschädigung des Substrates führen könnte. Oder der Halter müsste mit dem Substrat in Berührung kommen, während es auf einer Unterlage angeordnet ist. Auch hierbei kann das Substrat beschädigt werden, indem es zwischen der Unterlage und dem Halter zerdrückt wird.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine schonende und sichere Substrataufnahme zum das Halten und Transportieren von Substraten bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Substrataufnahmeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Substrataufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Die Erfindung beruht auf den Gedanken, das Prinzip elektrostatischer Halter beziehungsweise elektrostatischer Chucks auch beim Greifen und Anheben eines Substrates einzusetzen. Hierzu wird der elektrostatische Halter nicht bereits vor dem Einschalten der elektrischen Spannung direkt mit dem Substrat in Berührung gebracht, sondern zunächst nur an das Substrat herangeführt. Wenn der Halter ausreichend nahe an das Substrat herangeführt ist, beispielsweise in einer Entfernung von einigen Millimetern oder näher, wird die elektrische Spannung an den elektrostatischen Halter angelegt, das bedeutet an Elektroden des elektrostatischen Halters. Die angelegte Spannung weist zunächst einen ersten Spannungswert auf, welcher hoch genug sein muss, um eine genügend hohe Anziehungskraft auf das Substrat auszuüben und diesen in Richtung des elektrostatischen Halters zu beschleunigen.
-
Damit das Substrat nicht mit hoher Geschwindigkeit gegen den Halter prallt, wird die an den elektrostatischen Halter angelegte Spannung zu einem späteren Zeitpunkt auf einen zweiten Spannungswert gesetzt, welcher niedriger ist, als der erste Spannungswert, vorzugsweise um mindestens 20%, 30% oder 40% niedriger. Die Zeitspanne zwischen dem Anlegen der ersten Spannung und dem Anlegen der zweiten Spannung beträgt vorzugsweise einige Mikrosekunden bis etwa 10 µs, 15 µs oder 20 µs. Das Ändern der angelegten Spannung wird durch eine Steuerungsvorrichtung gesteuert. Der geringere zweite Spannungswert sollte so gewählt werden, dass die Beschleunigung des Substrates in Richtung des Halters abnimmt, so dass die Berührung zwischen Substrat und Halter schonend und mit möglichst geringer Aufprallenergie erfolgt. Die angelegte Spannung kann dann beibehalten oder auf einen noch geringeren Spannungswert vermindert werden. Anschließend kann der Halter mitsamt dem Substrat mittels einer Transportvorrichtung bewegt werden.
-
Bei den Substraten handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterwafer, insbesondere um Solarzellen-Wafer. Mittels des hier erläuterten Substrataufnahmeverfahrens können auch Wafer mit sehr geringer Substratdicke, beispielsweise geringer als 200 µm, 150 µm, 100 µm oder 80 µm, mit geringer Bruchgefahr aufgenommen und transportiert werden. Da insbesondere im Photovoltaikbereich die Substratdicke stetig vermindert wird, um Kosten zu senken, werden hier schonende Aufnahme- und Halteverfahren immer mehr an Bedeutung gewinnen. Mittels des elektrostatischen Halters kann das Substrat zudem bei Bearbeitungsverfahren sicher gehalten werden, bei denen eine Kraft auf das Substrat ausgeübt wird, beispielsweise bei Druckprozessen.
-
In einfachen Ausführungsformen umfasst der elektrostatische Halter zwei Elektroden, also ein Elektrodenpaar, an denen die Spannung angelegt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass ein multipolarer elektrostatischer Halter an das Substrat herangeführt wird, der zwei, drei oder mehr Elektrodenpaare aufweist. Jedes Elektrodenpaar kann hierbei einen Haltebereich definieren, an dem eine Haltekraft mittels geeigneter Wahl der hieran angelegten Spannung individuell einstellbar ist.
-
In der einfachsten Implementierung des Verfahrens kann die am Halter angelegte Spannung im Wesentlichen Sprungartig vom ersten auf den zweiten Spannungswert abgesenkt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist dagegen vorgesehen, dass die an dem elektrostatischen Halter angelegte Spannung von dem ersten Spannungswert über einen oder mehrere Zwischenspannungswerte auf den zweiten Spannungswert vermindert wird.
-
Zweckmäßigerweise kann sogar vorgesehen sein, dass die an dem elektrostatischen Halter angelegte Spannung von dem ersten Spannungswert kontinuierlich auf den zweiten Spannungswert vermindert wird. Hierdurch kann eine graduelle Verminderung der Beschleunigung des Substrates in Richtung des Halters erzielt werden, so dass das Substrat möglichst sanft an dem Halter zur Anlage kommt.
-
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass ein Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat ermittelt wird. Hierzu weist die Substrataufnahmevorrichtung zweckmäßigerweise eine Abstandsbestimmungsvorrichtung zum Ermitteln eines Abstands zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat auf.
-
Der Abstand kann beispielsweise mittels einer optischen Abstandsmessung ermittelt werden. Vorteilhafterweise kann jedoch vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat anhand einer Kapazitätsbestimmung ermittelt wird. Dies kann mittels eines oder mehrerer zusätzlicher Elektroden erfolgen, welche zum Zwecke der kapazitiven Abstandsermittlung am Halter angeordnet sind. Ohne eine zusätzliche Modifikation lässt sich die Kapazitätsbestimmung allerdings auch mittels der Elektroden des elektrostatischen Halters durchführen, an denen die elektrische Haltespannung angelegt wird. In Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat ändert sich nämlich auch die durch diese Elektroden gebildete Kapazität.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die an dem elektrostatischen Halter angelegte Spannung in Abhängigkeit von dem ermittelten Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat gesteuert wird. Insbesondere kann das Vermindern der an dem elektrostatischen Halter angelegten Spannung von dem ersten Spannungswert auf den zweiten Spannungswert getriggert werden, wenn der ermittelte Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat einen Mindestabstand unterschreitet.
-
Hierbei ist es jedoch nicht unbedingt notwendig, dass der Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat fortdauernd gemessen wird. Stattdessen kann beispielsweise das Unterschreiten des Mindestabstandes mittels einer Lichtschranke ermittelt werden. Auch ist es bei der Abstandsermittlung nicht notwendig, dass der Abstand in einer Bestimmten Maßeinheit berechnet wird. Es reicht vielmehr, wenn eine den Abstand bestimmende Größe zur Steuerung der angelegten Spannung herangezogen wird, beispielsweise ein bei der Kapazitätsbestimmung ermittelter Kapazitätswert oder eine bei einer optischen Abstandsmessung gemessene Lichtstärke.
-
Anstelle einer von dem Abstand zwischen dem elektrostatischen Halter und dem Substrat abhängigen Steuerung der angelegten Spannung, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die an dem elektrostatischen Halter angelegte Spannung von dem ersten Spannungswert nach einer vorbestimmten Zeitspanne auf den zweiten Spannungswert vermindert wird. Auch eine solche Spannungsänderung kann im Wesentlichen sprunghaft, gegebenenfalls über Zwischenspannungswerte, oder kontinuierlich erfolgen. Insbesondere bei einer schlagartigen Änderung, wenn also idealisiert nur zwei Spannungswerte existieren, bedeutet die Spannungsänderung nach einer vorbestimmten Zeitspanne, dass die Zeitspanne ab dem Zeitpunkt des Anlegens des ersten Spannungswertes beginnt. Geeignete Parameter, beispielsweise eine geeignete Zeitspanne oder ein geeigneter kontinuierlicher Spannungsverlauf, für eine solche nicht vom Substrat-Halter-Abstand bestimmte Spannungssteuerung können anhand von Kalibrierungsversuchen für unterschiedliche Substrate zuvor ermittelt und gespeichert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Substrat in Richtung des elektrostatischen Halters entgegen der Schwerkraft beschleunigt wird. Anders ausgedrückt, befindet sich der elektrostatische Halter oberhalb des Substrates und das Substrat muss beim Aufnahmeverfahren eine Höhendifferenz zum Halter überwinden. Anschließend kann das Substrat mittels des Halters senkrecht oder parallel zur Schwerkraft weiter transportiert werden. Zur Beschleunigung entgegen der Schwerkraft muss der erste Spannungswert ausreichend hoch sein, damit die sich ausbildende elektrostatische Anziehungskraft die Schwerkraft des Substrates übersteigt.
-
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Substrat am elektrostatischen Halter mittels einer hieran angelegten Haltespannung gehalten wird. Diese Haltespannung kann hierbei gleich dem zweiten Spannungswert, oder höher oder niedriger sein.
-
Nachdem das Substrat mittels des elektrostatischen Halters aufgenommen wurde, kann es von diesem für den Lauf einer Behandlung, beispielsweise einer Oberflächenbearbeitung, gehalten werden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Verfahrens ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass das am elektrostatischen Halter gehaltene Substrat zu einem Ablageort transportiert, mittels Vermindern der am elektrostatischen Halter angelegten elektrischen Spannung vom elektrostatischen Halter gelöst und am Ablageort abgelegt wird.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
- 1a, b, c unterschiedliche Stadien beim Aufnehmen eines Substrates mittels eines elektrostatischen Halters; und
- 2 einen möglichen Spannungsverlauf für die am elektrostatischen Halter beim Aufnehmen des Substrates angelegte Spannung.
-
Anhand der 1a, 1b und 1c wird die Aufnahme eines Substrates 2 mittels eines elektrostatischen Halters 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht. 1a, 1b und 1c zeigen hierbei jeweils eine schematische Querschnittansicht der Anordnung des Substrates 2 in Bezug auf den Halter 1 in unterschiedlichen Aufnahmezuständen. Bei dem Substrat 2 handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiterwafer für die Solarzellenherstellung.
-
Wie in der 1a dargestellt, weist der elektrostatische Halter 1 in diesem Fall zwei Elektroden 11 auf, zwischen denen eine elektrische Spannung angelegt wird. Die Elektroden 11 sind von einer elektrischen Isolation 12 bedeckt, um einen Kurzschluss bei Berührung mit dem Substrat 2 zu vermeiden. In der 1a ist der elektrostatische Halter 1 ausreichend nah an das Substrat 2 herangeführt, sodass das Substrat 2 aufgrund der angelegten Spannung beginnt, in Richtung des Halters 1 beschleunigt zu werden. Die Abstände zwischen Substrat 2 und Halter 1 in den 1a und 1b sind nicht maßstabsgerächt dargestellt, denn im Vergleich zu den Abmessungen des Halters 1 und des Substrates 2 ist der Abstand zwischen dem Halter 1 und dem Substrat 2 bei dem eine Beschleunigung des Substrates 2 entgegen der Schwerkraft erfolgt, viel geringer.
-
Aufgrund der Beschleunigung verringert sich der Abstand zwischen dem Halter 1 und dem Substrat 2, was in der 1b dargestellt ist. An diesem Punkt sollte die an den Elektroden 11 angelegte Spannung bereits vermindert werden, um die Beschleunigung des Substrates 2 in Richtung des Halters 1 zu vermindern, bis das Substrat 2 schließlich, wie in der 1c dargestellt, mit dem elektrostatischen Halter 1 in Berührung kommt. Genauer gesagt: Mit der Isolation 12 des Halters 1. Ab diesem Zeitpunkt wird das Substrat 2 durch den elektrostatischen Halter 1 festgehalten, bis die angelegte Spannung so weit gesenkt wird, dass die aufgrund der angelegten Spannung ausgeübte Haltekraft die Schwerkraft nicht mehr ausgleichen kann.
-
Ein bevorzugter zeitlicher Verlauf der angelegten Spannung u ist in der 2 dargestellt. Nachdem der elektrostatische Halter 1 nah genug an das Substrat 2 herangeführt ist, wird die angelegte Spannung u auf den ersten Spannungswert u1 hochgefahren. Hierdurch entsteht eine elektrostatische Kraft, welche das Substrat 2 in Richtung des Halters 1 beschleunigt. Anschließend wird die Spannung u auf einen niedrigeren Zwischenspannungswert uz geregelt, um die Beschleunigung des Substrates 2 zu vermindern. Wenn das Substrat 2 den Halter 1 erreicht hat, wird die Spannung auf einen noch niedrigeren zweiten Spannungswert u2 vermindert.
-
Die in der 2 eingezeichneten Spannungswerte u1, uz, und u2 entsprechen somit den angelegten Spannungswerten in den Positionen, welche in den 1a, 1b beziehungsweise 1c dargestellt sind. Der zeitliche Abstand zwischen den mit Punkten gekennzeichneten Kurvenpositionen entlang der horizontalen Zeitachse in 2 liegt vorzugsweise im Bereich von wenigen Mikrosekunden bis etwa 10 µs.
-
Die in der 2 dargestellte oder eine andere Spannungskurve kann in einer Steuerungsvorrichtung der den elektrostatischen Halter 1 umfassenden Substrataufnahmevorrichtung eingespeichert sein, um während des Substrataufnahmeverfahrens abgerufen zu werden. Beispielsweise können auch mehrere solcher Spannungskurven jeweils für unterschiedliche Substrate eingespeichert sein. Alternativ kann die angelegte Spannung jedoch auch in Abhängigkeit eines Parameters gesteuert werden, der sich mit dem Abstand zwischen dem Substrat 1 und dem elektrostatischen Halter 1 verändert und fortlaufend ermittelt wird. Möglich ist auch eine Ausführungsform, bei der die letztgenannte aktive, das heißt abstandsabhängige Steuerung zur Kalibrierungszwecken eingesetzt wird und hierbei eine auf diese Weise ermittelte Spannungskurve gemessen und gespeichert wird, um bei späteren Aufnahmeverfahren darauf zurückgreifen zu können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- elektrostatischer Halter
- 11
- Elektrode
- 12
- Isolation
- 2
- Substrat
- u
- angelegte Spannung
- u1
- erster Spannungswert
- u2
- zweiter Spannungswert
- uz
- Zwischenspannungswert
