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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport und/oder Greifen von Halbleiterwafer-Solarzellen oder von Vorprodukten von Halbleiterwafer-Solarzellen. Diese Solarzellen und deren Vorprodukte werden im Folgenden einheitlich als Wafer bezeichnet.
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Ausgangsprodukt für die Herstellung kristalliner Solarzellen sind Halbleiter-Wafer. Hierbei handelt es sich um flache Scheiben eines Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium. Die Grundfläche der Wafer kann beispielsweise quadratisch, quadratisch mit abgeschrägten Ecken (pseudosquare) oder rund ausgebildet sein. Derzeit liegt ihr Durchmesser bzw. ihre Kantenlängen üblicherweise zwischen 50 und 210 mm, ihre Dicke zwischen 100 und 300 µm.
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Während des Produktionsprozesses einer Wafer-Solarzelle wird das Halbleitermaterial in seinen festkörperphysikalischen Eigenschaften beispielsweise durch Diffusion beeinflusst und/oder auf dem Wafer eine Vielzahl von Schichten abgeschieden, welche dann zur Solarzellenstruktur gehören. Diese Schichten weisen im Verhältnis zum Dicke der Wafer eine deutlich geringere Stärke auf.
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Während des Herstellungsprozesses ist es oftmals nötig, die einzelnen Wafer zu greifen bzw. zu transportieren. Der Wafer ist aufgrund seines Materialverhaltens sowie seiner dünnen, aber großflächigen Form sehr bruchanfällig, besonders auf Biegebelastungen. Daher müssen zu seinem Greifen und zu seinem Transport besondere Systeme verwendet werden, die den Wafer möglichst wenig beanspruchen. In einem Spannungsverhältnis dazu steht die Notwendigkeit, die Greif- und Transportschritte möglichst schnell auszuführen, um bei einer In-Line-Produktion eine kurze Taktzeit und damit eine wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten.
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Eine bekannte Möglichkeit, Wafer prozesssicher zu greifen und zu transportieren, sind Systeme mit Vakuumsaugern. Hier werden die Wafer an wenigen diskreten Saugpunkten gehalten und dadurch lokal beansprucht. Nachteilig an diesen Systemen ist darüber hinaus, dass sie beispielsweise durch Staub oder Splitter gebrochener Wafer anfällig auf Verstopfung reagieren. Das Verstopfen einzelner oder mehrerer Sauger führt dazu, dass die Sauger nicht gleichmäßig auf der Waferoberfläche aufliegen und dass so ein beschädigungsfreies Greifen und ein beschädigungsfreier Transport nicht mehr möglich sind. Daher sind diese Systeme vergleichsweise wartungsintensiv.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit sind Greif- und Transportsysteme, welche nach dem Bernoulli Prinzip arbeiten. Diese weisen an der Unterseite einer Waferfixiereinrichtung einen kleinen Hohlraum auf. An der dem zu greifenden Gegenstand gegenüber liegenden Oberseite des Hohlraums wird derart Luft eingeblasen, so dass die Luft an den Außenwänden des Hohlraums hinausströmt. Die ausströmende Luft reißt dabei auch Moleküle aus dem Luftpolster im Hohlraum mit sich, wodurch darin im Verhältnis zum Umgebungsraum ein Unterdruck entsteht. Mit diesem Unterdruckbereich kann beispielsweise ein Wafer angehoben und beispielsweise auch berührungslos schwebend bewegt werden.
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Nachteilig an diesen Bernoulli-Systemen ist wiederum die Tatsache, dass sie angesichts der zerbrechlichen Wafer nur bis zu einer bestimmten Größe ausgeführt werden können. Würden die Systeme einfach maßstäblich vergrößert, so wird auch der Hohlraum an der Unterseite des Greifers immer größer. Da bei größeren Systemen räumliche Unterschiede des Unterdruckniveaus immer größer werden, kommt es zwangsläufig zu einer zu starken Biegebelastungen des Wafers.
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Dadurch ist es nicht möglich, größere Wafer ohne die Gefahr einer Beschädigung anzuheben und zu bewegen. Greift man sie mit einem kleineren System nur mittig, so können beim Transport durch den Luftwiderstand entstehende Schwingungen und Biegebelastungen allein im Bereich der frei schwebenden Waferkanten, insbesondere der Ecken, zu einem Bruch des Wafers führen.
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Dieser technische Nachteil kann auch nicht dadurch umgangen werden, dass mehrere Unterdruckbereiche nebeneinander platziert werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
DE102008023907A1 beschrieben. Die dort beschriebene Waferfixiereinrichtung zeigt eine Mehrzahl benachbart angeordneter Unterdruckbereiche, die jeweils einen Gaseinstromkanal und eine Gasabstromstruktur in Form eines Gasabstromkanales aufweisen. Wie bereits beschreiben ist die Waferfixiereinrichtung mit den Gaseinstromkanälen und den Gasabstromkanälen derart ausgebildet, dass die Unterdruckbereiche nach dem Bernoulli-Prinzip eine Haltekraft für einen Halbleiterwafer bereit stellen, wobei die Waferfixiereinrichtung benachbart zu den Unterdruckbereichen eine Mehrzahl flächiger Wafer-Auflagebereiche aufweist, die derart an der Waferfixiereinrichtung angeordnet sind, dass die Wafer-Auflagebereiche in einer gemeinsamen Waferebene liegen.
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Nachteilig hierbei ist, dass sich die ausblasenden Luftströme der einzelnen Unterdruckbereiche untereinander beeinflussen. Das Gesamtsystem der Luftströmungen ist dadurch nicht stabil, so dass zu starke lokale Schwankungen der Haltekraft entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung aufzuzeigen, welche die Nachteile der bekannten Systeme umgeht und einen sicheren Transport, insbesondere ein sicheres und schonendes Greifen, von Wafern in Form von Wafer-Solarzellen sowie ihren Vorprodukten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine der Gasabstromstrukturen einen Ausstromabschnitt aufweist, der sich ausgehend von den Unterdruckbereichen betrachtet von der Waferebene weg erstreckt und/oder dass die Gasabstromstrukturen mindestens zweier benachbarter Unterdruckbereiche strömungsmechanisch gekoppelt sind.
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Das Merkmal der ersten Vorrichtungsvariante betreffend das „weg Erstrecken“ für den Ausstromabschnitt umfasst insbesondere die Ausgestaltungen, dass sich der Ausstromabschnitt der Gasabstromstruktur als eine beispielsweise geradlinige oder geschwungene kanalartige Struktur in einem Winkel größer als 10 Grad, bevorzugt größer als 40 Grad und besonders bevorzugt größer als 80 Grad von der Waferebene weg erstreckt. Als Spezialfall umfasst dies die Ausgestaltung, dass sich der Ausstromabschnitt senkrecht von der Waferebene weg erstreckt. Diese Geometrie der Gasabstromstruktur ist grundlegend anders als im Stand der Technik. Dort weist die Gasabstromstruktur üblicherweise einen Ausstromabschnitt auf, der sich parallel zur Waferebene und bis zum Rand der Vorrichtung erstreckt. Die vorliegend beanspruchte Geometrie ermöglicht, für sich einzeln ansteuerbare Bernoulli-Unterdruckbereiche auf definierten Abschnitten der gesamten Greifoberfläche der Vorrichtung zu positionieren. Die Gasabstromstrukturen der einzelnen Unterdruckbereiche behindern sich daher nicht gegenseitig hinsichtlich ihrer Lage auf der Greifoberfläche. Dadurch ergibt sich ein höherer Freiheitsgrad hinsichtlich der räumlichen Gestaltung der Unterdruckbereiche auf der Greifoberfläche, ohne dass sich die abströmenden Gasflüsse strömungstechnisch gegenseitig derart beeinflussen, dass die gewünschten Haltekräfte der Unterdruckbereiche zu sehr schwanken.
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Die alternativ oder kumulativ zur vorangehend erläuterten ersten Vorrichtungsvariante realisierbare zweite Vorrichtungsvariante sieht vor, dass die Gasabstromstrukturen mindestens zweier benachbarter Unterdruckbereiche strömungsmechanisch gekoppelt sind. Das heißt zumindest ein Teil des abströmenden Gases eines Unterdruckbereiches erster Ordnung fließt in einen benachbarten Unterdruckbereich zweiter Ordnung ein. Dabei weist der Unterdruckbereich zweiter Ordnung entweder zusätzlich einen eigenen Gaseinstromkanal auf und/oder die Gasabstromstruktur des Unterdruckbereichs erster Ordnung geht in den Gaseinstromkanal des Unterdruckbereichs zweiter Ordnung über.
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Die zweite Vorrichtungsvariante nutzt das abströmende Gas eines Unterdruckbereiches als zuströmendes Gas für benachbart angeordnete Unterdruckbereiche höherer Ordnung. Auf diese Weise muss in die benachbart angeordneten Unterdruckbereiche höherer Ordnung entweder kein zusätzlicher Gasfluss oder zumindest signifikant weniger zusätzlicher Gasfluss über eigene Gaseinstromkanäle zugeführt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der zweiten Vorrichtungsvariante sieht vor, dass die Gasabstromstrukturen mindestens zweier benachbarter Unterdruckbereiche parallel zur Waferebene orientiert ineinander übergehen. Die Gaszufuhr über die Gaseinstromkanäle erfolgt üblicherweise quer zur Waferebene.
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Eine besonders einfache Ausführungsform der zweiten Vorrichtungsvariante sieht vor, dass die Gasabstromstrukturen aller benachbarter Unterdruckbereiche parallel zur Waferebene orientiert ineinander übergehen.
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Bevorzugt weisen beide Varianten der Vorrichtung in der Aufsicht auf die Waferebene betrachtet einen an der Waferfixiereinrichtung im Bereich der Mitte der Waferfixiereinrichtung angeordneten zentralen Unterdruckbereich auf, der durch mindestens einen Wafer-Auflagebereich erster Ordnung umgeben ist. Das Merkmal „umgeben“ meint nicht nur einen lückenlos umschließenden Verlauf des Auflagebereichs um den zentralen Unterdruckbereich sondern auch einen solchen mit Unterbrechungen entlang des Umfangs des Auflagebereichs.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beider Varianten sind der oder die Wafer-Auflagebereiche erster Ordnung durch mindestens einen Wafer-Auflagebereich zweiter Ordnung umschlossen, wobei zwischen dem oder den Wafer-Auflagebereichen erster Ordnung und dem oder den Wafer-Auflagebereichen zweiter Ordnung mindestens ein Unterdruckbereich zweiter Ordnung ausgebildet ist. Der Abstand zwischen den Auflagebereichen ist dabei derart dimensioniert, dass die erforderliche Haltekraft keine solche Verformung des Wafers im Unterdruckbereich verursacht, dass es zu einer mechanischen Schädigung des Wafers kommt.
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Um Wafer mit Kantenlängen bzw. Durchmessern größer als 10 cm ohne die Gefahr einer Schädigung durch die Haltekraft fixieren zu können ist es von Vorteil, dass der oder die Wafer-Auflagebereiche zweiter Ordnung durch mindestens einen Wafer-Auflagebereich dritter Ordnung umschlossen ist, wobei zwischen dem oder den Wafer-Auflagebereichen zweiter Ordnung und dem oder den Wafer-Auflagebereichen dritter Ordnung mindestens ein Unterdruckbereich dritter Ordnung ausgebildet ist.
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Bevorzugt erstrecken sich eine Mehrzahl von Gasabstromstrukturen benachbarter Unterdruckbereiche parallel zur Waferebene ineinander übergehend, wobei die Wafer-Auflagebereiche auf die Waferebene betrachtet eine blendenartige Struktur ausbilden. Die Öffnungen der blendenartigen Struktur stellen Drucköffnungen zu den verschiedenen Unterdruckbereichen dar.
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Für die Konstruktion der Vorrichtung ist es von Vorteil, dass die Wafer-Auflagebereiche derart ausgebildet sind, dass diese die Umlenkung zumindest eines Anteils des Gasstroms aus den Gaseinstromkanälen in die Gasabstromstrukturen verwirklichen
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Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass ein den Ausstromabschnitt begrenzendes Ausstrom-Bauelement an seinem einen Ende einen Wafer-Auflagebereich ausbildet. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der erforderlichen Bauelemente reduzieren.
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Durch die blendenartige Struktur ist es von Vorteil, dass zwischen dem Gaseinstromkanal und einem benachbarten Ausstromabschnitt einer Gasabstromstruktur eine Mehrzahl an Wafer-Auflagebereichen und eine Mehrzahl an Drucköffnungen angeordnet ist. Die Anzahl und Dimensionierung der Auflagebereiche und Drucköffnungen trägt wiederrum der mechanischen Empfindlichkeit bei den erforderlichen Anpressdruckverhältnissen Rechnung.
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Bevorzugt sind in der Aufsicht auf die Waferebene betrachtet die Wafer-Auflagebereiche und/oder die Unterdruckbereiche in einer kreisförmigen, elliptischen oder pseudo-quadratischen Geometrie ausgebildet. Die Geometrie richtet sich üblicherweise nach der Geometrie der zu fixierenden Wafer.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer-Auflagebereiche ausgehend vom Bereich der Mitte der Waferebene nach außen hin betrachtet eine Ausdehnung im Bereich von 5 bis 30 mm, bevorzugt von 15 bis 25 mm, besonders bevorzugt von 20 mm aufweisen und/oder die Drucköffnungen vom Bereich der Mitte der Waferebene nach außen hin betrachtet eine Ausdehnung im Bereich von 5 bis 30 mm, bevorzugt von 8 bis 20 mm, besonders bevorzugt von 10 mm aufweisen.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung werden im Zusammenhang mit der Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine Aufsicht auf die Waferebene E auf der Unterseite eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;
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2: eine Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß 1 entlang der strichpunktierten Linie II-II;
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3: eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ähnlich zur Ansicht gemäß 2 und
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4: eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ähnlich zur Ansicht gemäß 2.
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1 zeigt eine Aufsicht auf die Unterseite einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum Transport- und/oder Greifen von Halbleiterwafern. Von der Vorrichtung ist die radialsymmetrisch aufgebaute Waferfixiereinrichtung 1 gezeigt. Um einen kreisförmigen zentralen Wafer-Auflagebereich 3 ist konzentrisch, durch einen kreisringförmigen zentralen Unterdruckbereich 2 beabstandet ein kreisringförmiger Wafer-Auflagenbereich erster Ordnung 30 angeordnet. Dieser Wafer-Auflagenbereich erster Ordnung 30 ist von einem konzentrisch angeordneten, kreisringförmigen Unterdruckbereich erster Ordnung 20 umschlossen. Diesen umgibt ein konzentrisch angeordneter, kreisringförmiger Wafer-Auflagenbereich zweiter Ordnung 300, der wiederum konzentrisch von einem kreisringförmigen Unterdruckbereich zweiter Ordnung 200 umschlossen ist. Außen endet der Aufbau der Vorrichtung mit einem konzentrisch angeordneten, kreisringförmigen Wafer-Auflagebereich dritter Ordnung 3000. Die kreis- und kreisringförmigen Wafer-Auflagebereiche 3, 30, 300, 3000 spannen gemeinsam einer Waferebene E auf. Ziel ist es, dass ein Halbleiterwafer, der durch die Unterdruckbereiche 2, 20, 200 an die Vorrichtung angesaugt wird, nur eine minimale mechanische Verbiegung erfährt. Dazu ist es zum einen erforderlich, dass die Wafer-Auflagebereiche 3, 30, 300, 3000 mit einer Genauigkeit von deutlich weniger als 100 µm die Waferebene E beschreiben. Weiterhin müssen die Abstände der radialen Breiten der Unterdruckbereiche umso kleiner gewählt werden, je dünner der anzusaugende Halbleiterwafer ist. Ansonsten kommt es durch zwischen benachbarten Wafer-Auflagebereichen zu einer zu großen Durchbiegung des Halbleiterwafers, die im Extremfall zu einem Bruch führen kann.
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Das in 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist radialsymmetrisch aufgebaut und hat somit den Vorteil als Drehteil mit der erforderlichen Präzision einfach herstellbar zu sein. Es ist jedoch eine Vielzahl weiterer Geometrien für die Ausbildung und Anordnung der Unterdruckbereiche und der Wafer-Auflagenbereiche denkbar. Diese können beispielsweise auch elliptisch, quadratisch oder pseudo-quadratisch angeordnet sein.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß 1 entlang der strichpunktierten Linie II-II.
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Oberhalb des zentralen Wafer-Auflagebereichs 3 befindet sich der Gaseinstromkanal 10 des zentralen Unterdruckbereichs 2. Dieser Unterdruckbereich 2 weist zwei Drucköffnungen 5 auf, die jeweils vom zentralen Wafer-Auflagenbereich 3 und den umgebenen Wafer-Auflagenbereichen erster Ordnung 30 eingefasst sind. Die Unterdruckbereiche erster Ordnung 20 und zweiter Ordnung 200 sind jeweils mittels L-förmiger Ausstrom-Bauelemente 4 realisiert. Der kurze Schenkel der L-Form bildet dabei mit seiner nach unten gerichteten Oberfläche den Wafer-Auflagebereich erster Ordnung 30, zweiter Ordnung 300 und dritter Ordnung 3000. Gleichzeitig dient der lange Schenkel der L-Form als eine Begrenzung des Gaseinstromkanals 10 für jeden der Unterdruckbereiche höherer Ordnung 20, 200. Die Innenseite des L-förmigen Schenkels des Ausstrom-Bauelementes 4 lenkt jeweils den durch den Gaseinstromkanal 10 einfallenden Gasstrom um. Das radial nach außen benachbart angeordnete nächste L-förmige Ausstrom-Bauelement 4 bildet mit einem langen Schenkel jeweils die Begrenzung für den kanalförmigen Ausstromabschnitt 110, der sich in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Waferebene E erstreckt. Es wäre ebenso denkbar, dass sich der Ausstromabschnitt 110 in einem stumpfen Winkel bezüglich der Waferebene E erstreckt. Dadurch, dass der Ausstromabschnitt 110 von der Waferebene E weg verläuft, ist es möglich, voneinander unabhängig ansteuerbare Unterdruckbereiche 2, 20, 200 in Bezug zur Waferebene E anzuordnen. Dadurch lässt sich eine Vielzahl von Geometrien realisieren, die ein optimiertes Fixieren der mechanisch äußerst fragilen Halbleiterwafer erlaubt.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ähnlich zur Ansicht gemäß 2 in einer nicht maßstabsgetreuen Schnittdarstellung. Funktional gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen. Anders als bei der in 2 gezeigten Variante ist den Unterdruckbereichen 2, 20 jeweils eine Mehrzahl von Wafer-Auflagebereichen 3, 30 zugeordnet.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ähnlich zur Ansicht gemäß 2 in einer nicht maßstabsgetreuen Schnittdarstellung. Funktional gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine zweite Variante der Vorrichtung. Der zentrale Unterdruckbereich 2 weist eine Gasabstromstruktur 11 auf, die im Wesentlichen parallel zu der durch die Wafer-Auflagebereiche 3, 30 aufgespannten Waferebene E verläuft. Der durch den Gaseinstromkanal 10 des zentralen Unterdruckbereichs 2 zugeführte Gasstrom wird zwischen den Wafer-Auflagebereichen 3, 30 und den Ausstrom-Bauelementen 4 parallel zur Waferebene E nach außen hin abgeleitet. In radialer Richtung wird der abgeleitete Gasstrom durch eine Gaszufuhr aus den Gaseinstromkanälen 10 der Unterdruckbereiche höherer Ordnung 2, 20 verstärkt. Anders als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gehen hier die verschiedenen Unterdruckbereiche 2, 20 ineinander über und sind nicht strukturell klar voneinander separiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Waferfixiereinrichtung
- 2
- zentraler Unterdruckbereich
- 20
- Unterdruckbereich erster Ordnung
- 200
- Unterdruckbereich zweiter Ordnung
- 10
- Gaseinstromkanal
- 11
- Gasabstromstruktur
- 110
- Ausstromabschnitt
- 3
- zentraler Waferauflagebereich
- 30
- Wafer-Auflagebereich erster Ordnung
- 300
- Wafer-Auflagebereich zweiter Ordnung
- 3000
- Wafer-Auflagebereich dritter Ordnung
- 4
- Ausstrom-Bauelement
- 5
- Drucköffnungen
- E
- Waferebene
- W
- Halbleiterwafer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008023907 A1 [0009]
