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Die Erfindung betrifft einen Substrathalter für eine Vorrichtung zur Substratbehandlung, wobei eine Wärmeübertragung zwischen einem Heiz- oder Kühlkörper und einem Substrat, beispielsweise einem scheiben-, platten-, band- oder folienförmigen Werkstück, stattfindet, insbesondere bei Substratbehandlungsprozessen unter subatmosphärischem Druck, beispielsweise Beschichtungs- oder Ätzprozessen.
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Der Wärmeübergang zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Festkörpern unter subatmosphärischem Druck (technisches Vakuum), von denen der eine als Wärmequelle und der andere als Wärmesenke fungiert, soll erhöht werden. Dies betrifft beispielsweise die Kühl- oder Heizwirkung auf ein Metallband, welches berührend über einen Kühl- oder Heizkörper geführt wird, scheiben- oder plattenförmige Substrate, die wärmeleitenden Kontakt zu einem Kühl- oder Heizkörper haben usw.
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Es ist bekannt, dass der Wärmeaustausch zwischen Körpern im technischen Vakuum, bedingt durch die darin eingeschränkte oder fehlende Wärmekonvektion, hauptsächlich oder ausschließlich über Wärmestrahlung oder Kontaktwärmeleitung erfolgen muss.
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Bei der Hochrate-Vakuumbeschichtung von Substraten wie beispielsweise Metallbändern ist die prozessbedingt notwendige Kühlung oder Erwärmung des Substrats (üblicher Temperaturbereich ca. 50–300°C) allein durch Strahlungswärmeaustausch unzureichend und kann mittels Kontaktwärmeleitung erheblich verbessert werden.
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Es ist auch bekannt, dass der Wärmeübergang zwischen zwei im technischen Vakuum in Kontakt stehenden Festkörpern durch die limitierte Anzahl mikroskopischer Kontaktpunkte begrenzt ist. Gründe für die geringe Anzahl an Kontaktstellen sind Gestaltabweichungen verschiedener Ordnungen zwischen den beiden Körpern, die beispielsweise Formabweichungen, Ausrichtungsabweichungen, Welligkeiten und Rauheiten umfassen.
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Die Substratheizung oder -kühlung im Vakuum kann durch ein Koppelgas, welches zwischen der geheizten oder gekühlten Substratauflage und dem Substrat eingelassen wird, entscheidend verbessert werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Koppelgases ist vom Druck abhängig, wenn der Abstand zwischen Substrat und geheizter oder gekühlter Substratauflage in der Größenordnung der (druckabhängigen) freien Weglänge des Koppelgases liegt.
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Ansonsten ist die Kühlwirkung linear abhängig vom Abstand zwischen Substratauflage und Substrat sowie von der Temperaturdifferenz.
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Es gilt also, den Abstand so gering wie möglich zu halten und den Druck mindestens so hoch zu wählen, dass die mittlere freie Weglänge kleiner ist als der Abstand.
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Ebene Substrate können einfach auf einer ebenen Substratauflage aufliegen. Das Koppelgas wird durch die Substratauflage zwischen Substratauflage und Substrat eingelassen. Das Substrat muss eventuell beschwert werden, wenn der nötige Druck sonst das Substrat anheben würde. Die Beschwerung erfolgt z. B. durch einen Ring (bei rundem Substrat) damit die Substratoberfläche zur Beschichtung freigehalten werden kann.
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Bei Beschwerung können sich dünne Substrate durch den Gasdruck des Koppelgases krümmen. Damit vergrößert sich der Abstand zwischen Substratauflage und Substrat, so dass die Heiz- oder Kühlwirkung nahezu aussetzt. Wenn beispielsweise der Abstand bei aufliegendem Substrat 0,05 mm beträgt und bei gekrümmtem Substrat 1 mm, dann hat sich die Kühlwirkung um den Faktor 20 verschlechtert.
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EP 1 306 463 A1 offenbart einen Speicherplattenträger für die Aufnahme einer scheibenförmigen Speicherplatte mit einer zentralen Plattenöffnung, welche einer Oberflächenbehandlung in einer Vakuumanlage zu unterziehen ist, mit einer Plattenauflage, die eine Auflagefläche für die Platte bildet, mit einer peripher die Platte gegen den Träger klemmbaren Außenmaske und einer klemmbaren im Bereich der Plattenöffnung angeordneten Zentralmaske, bei der die Auflagefläche ringförmig um die Zentrumsachse konvex geformt ausgebildet ist. Wenn die Substratauflage für Substrate verschiedener Dicken geeignet sein muss (und damit verschiedene Krümmungsradien erforderlich wären) funktioniert diese Lösung jedoch nicht.
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Aus
EP 1 674 591 A1 ist weiterhin bekannt, eine erhöhte Wärmeleitung zum Zwecke des Kühlens durch eine große Anzahl von metallischen Borsten, die zwischen Substrat und Kühlwalze angeordnet sind, auszubilden. Die spitzen Borsten schädigen allerdings das Substrat, insbesondere für den Fall, wenn das Band über einen feststehenden Kühlkörper mit Borsten geführt wird. Die Borsten verlaufen in oberflächennahen Bereichen, die mit dem Substrat in Berührung kommen, größtenteils annähernd senkrecht zur Oberfläche, so dass einzelne Borsten eine relativ große Flächenpressung auf dem Substrat erzeugen. Gleichzeitig ist die Berührungsfläche zwischen den Enden der Borsten und dem Substrat sehr klein, so dass nur geringe Wärmemengen übertragen werden können. In diesem Fall kommt es auch zu einem reibungsbedingten Verschleiß der Bürste, der die Lebensdauer der Bürste verkürzt und zusätzliche Kosten verursacht. Die Borsten weisen nur eine geringe Einfederung auf, die für den Ausgleich der Gestaltabweichung nur unzureichend ist. Des Weiteren ist die Herstellung dieser Bürsten nach den bisher bekannten Herstellungsverfahren aufwändig, teuer und langwierig.
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In
DE 10 2010 040 077 A1 wird ein Substratbehandlungsverfahren vorgeschlagen, bei dem Material auf ein Substrat aufgetragen oder/und Material von einem Substrat abgetragen wird und gleichzeitig oder/und zu einem anderen Zeitpunkt eine Wärmeübertragung zwischen einem Heiz- oder Kühlkörper und dem Substrat stattfindet, wobei die Wärme zwischen dem Heiz- oder Kühlkörper und dem Substrat durch ein wärmeleitfähiges Textilmaterial geleitet wird. Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Substratbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, die mindestens eine Substratbehandlungseinrichtung zum Auf- oder Abtragen von Material sowie einen Heiz- oder Kühlkörper zur Wärmeübertragung vom oder auf das Substrat umfasst, wobei auf der Oberfläche des Heiz- oder Kühlkörpers ein wärmeleitfähiges Textilmaterial angeordnet ist.
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Aus
JP H09-78 235 A ist ein Substratbehandlungsverfahren bekannt, bei dem Material auf ein Substrat aufgetragen wird und gleichzeitig eine Wärmeübertragung zwischen einem Heizer und dem Substrat stattfindet, wobei die Wärme zwischen dem Substrat und dem Heizer durch eine Anordnung von senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordneten und beweglichen, federnd gelagerten Stiften geleitet wird.
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Nachfolgend werden alternative Lösungsansätze beschrieben, die eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen zwei Festkörpern, insbesondere im technischen Vakuum, ermöglichen.
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Dazu wird ein Substrathalter für eine Substratbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, der einen Heiz- oder Kühlkörper zur Wärmeübertragung vom oder auf das Substrat sowie eine Substrataufnahme mit einer Aufnahmefläche für das Substrat umfasst, wobei am Heiz- oder Kühlkörper Stifte senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet und federnd beweglich so gelagert sind, dass ihre oberen Enden Punkte einer formveränderlichen Auflagefläche bilden.
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Mit anderen Worten verlaufen die Längsachsen der Stifte senkrecht zur Oberfläche des Substrats, die Stifte sind senkrecht zur Oberfläche des Substrats, d. h. parallel zu ihren eigenen Längsachsen beweglich und sie sind federnd gelagert, so dass sie an das Substrat gedrückt werden, gleichzeitig jedoch durch ein möglicherweise verformtes oder aus anderen Gründen unebenes Substrat unterschiedlich stark bewegt werden. Dadurch bilden die dem Substrat zugewandten Enden der Stifte Auflagepunkte, die durch ihre individuell unterschiedlichen Positionen stets das Substrat berühren und so eine bestmögliche Wärmeleitung vom oder zum Substrat gewährleisten.
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Die Angleichung an die möglicherweise verformte Oberfläche des Substrates wird durch die federbelastete Lagerung der Stifte erreicht. Die Zahl der Stifte sollte daher, bezogen auf die Fläche, möglichst hoch sein. Bei Verwendung zylindrischer Stifte mit 2 mm Durchmesser können beispielsweise 16 Stifte je cm2 Fläche vorgesehen sein.
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Die federnde Lagerung der Stifte ist dadurch verwirklicht, dass die Stifte mit ihren unteren Enden auf einer Membran abgestützt sind, die einen Druckraum nach oben begrenzt, in den eine Gasleitung zum Zu- oder Abführen eines Koppelgases mündet und der nach unten durch den Heiz- oder Kühlkörper begrenzt ist.
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Die Membran kann dabei aus einer Kunststofffolie, beispielsweise aus Viton, gefertigt sein. Der aktiv geheizte oder gekühlte Heiz- oder Kühlkörper heizt oder kühlt das in den Druckraum eingelassene Koppelgas (wegen der geringen Gasmenge und Wärmekapazität des Koppelgases in geringem Maße) sowie vor allem den in einer Ausgestaltung vorgesehenen Stifteträger, der mit dem Heiz- oder Kühlkörper thermisch gekoppelt (z. B. mechanisch verbunden) ist. Unter einem Koppelgas soll dabei ein beliebiges Gas verstanden werden, das der thermischen Kopplung zwischen zwei Festkörpern dient, die mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Das Koppelgas wird dabei so bemessen, dass der im Druckraum herrschende Druck größer ist als der von außen auf der Membran lastende Druck. Dadurch bildet die Membran das Federelement, durch das alle Stifte federnd am Heiz- oder Kühlkörper gelagert sind. Gleichzeitig wird durch das Koppelgas eine geringe Wärmeübertragung zwischen der Membran und dem Heiz- oder Kühlkörper bewirkt. Der Wärmefluss zur Kühlung eines Substrats erfolgt größtenteils vom Substrat zu den Stiften und dann über den gemäß einer Ausgestaltung vorgesehenen Stifteträger, der mit dem Kühlkörper in gutem thermischem Kontakt stehen sollte, zum Kühlkörper.
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Die durch die oberen Enden der Stifte gebildete Aufnahmefläche kann beispielsweise zur direkten Aufnahme der Substrate dienen, d. h. das Substrat wird auf die Stifte aufgelegt und verschiebt die Stifte entsprechend seiner eigenen Oberflächengestalt individuell unterschiedlich und gegen die Kraft der federnden Lagerung so, dass das Ende jedes Stiftes in engem und damit gut wärmeleitendem Kontakt steht. Es versteht sich, dass die Stifte aus diesem Grund vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigt sein sollten.
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Wie nachfolgend im Zusammenhang mit einer Ausgestaltung beschrieben wird, kann die durch die oberen Enden der Stifte gebildete Aufnahmefläche jedoch auch zur lediglich indirekten Aufnahme des Substrats dienen, d. h. ein weiteres Element, beispielsweise eine Zusatzmembran, befindet sich zwischen den Enden der Stifte und dem Substrat.
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Die Stifte können dabei innerhalb eines umschlossenen Bereichs dicht an dicht gepackt sein, so dass sie sich durch das direkte Aneinanderliegen gegenseitig in ihrer Bewegung entlang ihrer Längsachsen führen, wobei die Umschließung lediglich dazu dient, dass die Anordnung von Stiften nicht auseinanderfällt. Weisen die Stifte in diesem Fall einen polygonförmigen, beispielsweise viereckigen oder sechseckigen Querschnitt auf, so kann die Berührungsfläche aller Stifte mit dem Substrat die maximal mögliche Größe annehmen, weil zwischen den Stiften, abgesehen von einem für die Bewegung der Stifte erforderlichen Spiel, keinerlei Zwischenraum verbleibt.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann hingegen vorgesehen sein, dass die Stifte in Durchgangsbohrungen eines Stifteträgers gehalten sind. Dabei soll unter einer Durchgangsbohrung nicht nur eine Bohrung im engeren Sinne, d. h. mit kreisrundem Querschnitt verstanden werden, sondern jede Art von durch einen beispielsweise plattenförmigen Stifteträger geführten Kanälen, die geeignet sind, einen Stift so aufzunehmen, dass er in diesem Kanal bei einer Bewegung entlang seiner Längsachse geführt wird. Hat der Stift einen polygonförmigen, beispielsweise viereckigen oder sechseckigen Querschnitt, so bietet es sich an, die Durchgangsbohrung ebenfalls sechseckig zu gestalten. Natürlich kann ein im Querschnitt polygonförmiger Stift auch in einer kreisrunden Bohrung verschiebbar geführt sein und umgekehrt; es bietet sich jedoch an, die Querschnitte von Stiften und Durchgangsbohrungen und Stiften geometrisch ähnlich zu gestalten, um auch die Wärmeübertragung zwischen Stiften und Stifteträger möglichst effektiv zu gestalten.
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Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Stifteträger wärmeleitend mit dem Heiz- oder Kühlkörper verbunden ist. Neben dem direkten Wärmeaustausch zwischen den Stiften und dem Heiz- oder Kühlkörper, der an den unteren Enden der Stifte stattfindet, erfolgt dann zusätzlich ein Wärmeaustausch zwischen den Stiften und dem Heiz- oder Kühlkörper über die Flanken der Stifte und den Stifteträger, so dass die übertragbare Wärmemenge zunimmt.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Heiz- oder Kühlkörper aktiv kühlbar ist, beispielsweise durch darin angeordnete Kühlmittelkanäle, thermoelektrische Wandler wie Peltierelemente, Wärmerohre (heat pipes) oder dergleichen. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn der Stifteträger nur passiv heizbar oder kühlbar ist, und die Wärmeübertragung zwischen Stifteträger und Heiz- oder Kühlkörper dadurch bewirkt wird, dass der Stifteträger wärmeleitend mit dem Heiz- oder Kühlkörper verbunden ist. Es versteht sich, dass in diesem Fall auch der Stifteträger vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigt sein sollte. Alternativ kann der Stifteträger selbstverständlich auch fester Bestandteil des Heiz- oder Kühlkörpers und dadurch aktiv heizbar oder kühlbar sein. Auch in diesem Fall sollte der Heiz- oder Kühlkörper mitsamt dem Stifteträger vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigt sein.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der unter der Membran befindliche Druckraum mit dem über der Membran befindlichen Raum, in dem die Stifte angeordnet sind, durch einen Überströmkanal verbunden ist. Hierdurch werden die Stifte ebenfalls vom Koppelgas umströmt. Liegt das Substrat direkt auf den Stiften auf, so verbessert sich dadurch die thermische Kopplung zwischen Stiften und Substrat. Sind die Stifte in einem Stifteträger gelagert, so verbessert sich dadurch die thermische Kopplung zwischen Stiften und Stifteträger.
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An dem Stifteträger oder, sofern die Stifte ohne Stifteträger innerhalb einer Umgrenzung angeordnet sind, an dieser Umgrenzung, kann ein Dichtelement angeordnet sein, auf welches das Substrat aufgelegt wird, um das Entweichen von Koppelgas in den Prozessraum oberhalb des Substrats zu verhindern. Das Substrat kann beispielsweise mittels einer Klemmeinrichtung auf den Stifteträger oder die Umgrenzung und damit, sofern vorhanden, auf das Dichtelement gedrückt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass oberhalb der oberen Enden der Stifte eine Zusatzmembran angeordnet ist. Diese Zusatzmembran kann beispielsweise am Rand des Stifteträgers oder an einer Umgrenzung der Anordnung von Stiften befestigt sein. Die Zusatzmembran schmiegt sich an die Unterseite des Substrats und kann die Wärmeübertragung zwischen dem Substrat und den Stiften verbessern, insbesondere wenn sie sehr dünn ist oder/und aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in den Raum oberhalb der Membran, in dem die Stifte angeordnet sind, eine Gasleitung zum Zu- oder Abführen eines Koppelgases mündet. Wird das Koppelgas in den Druckraum unterhalb der Membran eingelassen und durch eine Überströmleitung in den oberhalb der Membran befindlichen Raum geleitet, so kann es über diese Gasleitung abgeleitet werden.
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Damit die Membran als federnde Lagerung der Stifte wirken kann, muss zwischen den beiden Räumen oberhalb und unterhalb der Membran eine gewisse Druckdifferenz herrschen. Diese ist durch sachgerechte Dimensionierung der Querschnitte der beiden Gasleitungen sowie des Überströmkanals einstellbar. Dabei kann in einer oder beiden Gasleitungen, die im Druckraum und in dem oberhalb der Membran befindlichen Raum münden, beispielsweise eine Düse oder eine als Düse wirkende Verengung der jeweiligen Gasleitung angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stifte in mindestens einem Abschnitt einen vergrößerten Querschnitt aufweisen. Diese Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Stifte in einem Stifteträger gelagert sind. In diesem Fall werden die Flanken der Stifte durch das die Durchgangsbohrungen des Stifteträgers umgebende Material geführt. Dadurch ist zwar die bewegliche Lagerung der Stifte einfacher zu realisieren als bei einer dichten Packung der Stifte ohne Stifteträger, allerdings ist es auch unvermeidlich, die Stifte mit einem gewissen seitlichen Abstand zueinander anzuordnen. Werden nun die oberen Abschnitte der Stifte, die den Stifteträger überragen, dicker ausgeführt als die im Stifteträger geführten Schäfte der Stifte, so ist es möglich, beide Vorteile gleichzeitig zu erreichen: Die Stifte werden einerseits durch das die Durchgangsbohrungen umschließende Material des Stifteträgers sicher geführt, andererseits bilden die verdickten oberen Enden der Stifte eine annähernd geschlossene Fläche, die für die Wärmeübertragung zwischen Substrat und Stiften zur Verfügung steht. Zumindest die verdickten Abschnitte der Stifte können dabei polygonförmig, beispielsweise viereckig oder sechseckig ausgeführt sein, so dass sich ihre oberen Enden wabenartig zu einer (abgesehen vom notwendigen Spiel) geschlossenen Fläche ergänzen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Substrathalters anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt 1 einen Querschnitt durch den Substrathalter.
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Der dargestellte Substrathalter für eine Substratbehandlungsvorrichtung, insbesondere zur Halterung dünner, scheibenförmiger Substrate 1, umfasst einen Heiz- oder Kühlkörper 2 zur Wärmeübertragung vom oder auf das Substrat 1 sowie eine Substrataufnahme mit einer Aufnahmefläche für das Substrat 1.
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Am Heiz- oder Kühlkörper 2 sind in Durchgangsbohrungen 41 eines Stifteträgers 4 eine Vielzahl von Stiften 3 senkrecht zur Oberfläche des Substrats 1 und damit parallel zueinander angeordnet. Der Stifteträger 4 ist aus Metall gefertigt und wärmeleitend mit dem Heiz- oder Kühlkörper 2 verbunden.
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Die Stifte 3 sind mit ihren unteren Enden auf einer Membran 5 abgestützt, die zwischen Stifteträger 4 und Heiz- oder Kühlkörper 2 eingeklemmt und dadurch befestigt ist. Die Membran 5 stellt die obere Begrenzung eines Druckraums 22 dar, der nach unten durch den Heiz- oder Kühlkörper 2 begrenzt ist.
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In den Druckraum 22 mündet eine Gasleitung 21 zum Zu- oder Abführen eines Koppelgases. Dieses Koppelgas realisiert die thermische Kopplung zwischen dem Heiz- oder Kühlkörper 2 und der Membran 5 und folglich mit den auf der Membran 5 abgestützten Stiften 3, die an ihren entgegengesetzten Enden das Substrat 1 wärmeleitend berühren.
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Das in den Druckraum 22 eingelassene Koppelgas bildet ein elastisches Polster unter der Membran 5, welches bewirkt, dass die Stifte 3 durch die Membran 5 federnd gelagert sind, d. h. die Membran 5 bildet ein Federelement. Durch dieses Federelement bilden die oberen Enden der Stifte 3 Punkte einer formveränderlichen Auflagefläche für ein verformtes oder aus anderen Gründen unebenes Substrat 1.
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Der unter der Membran 5 befindliche Druckraum 22 ist durch einen Überströmkanal 23 mit dem über der Membran 5 befindlichen Raum, in dem die Stifte 3 angeordnet sind, verbunden.
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Aus dem mit der Membran 5 verschlossenen Druckraum 22 strömt das Koppelgas über den Überströmkanal 23, der im Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von ca. 0,5 mm aufweist, um eine Druckdifferenz von ca. 10 mbar zu erzeugen, zum Stifteträger 4, d. h. in den oberhalb der Membran 5 befindlichen Raum, in dem die Stifte 3 angeordnet sind. Von hier fließt das Koppelgas durch die Durchgangsbohrungen 41 des Stifteträgers 4 weiter bis unter das Substrat 1.
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Das Koppelgas sorgt somit oberhalb der Membran 5 für die thermische Kopplung zwischen der Membran 5 und den Stiften 3 sowie zwischen den Stiften 3 und den Durchgangsbohrungen 41 und zwischen den Stiften 3 und dem Substrat 1.
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Durch die im Raum oberhalb der Membran 5, d. h. unter dem Substrat 1 mündende Gasleitung 42 erfolgt ein definierter Abfluss des Koppelgases. Dazu ist in der Gasleitung 42 eine Düse angeordnet. Das Substrat 1 liegt mit seinem Rand auf einem Dichtelement 6, das am Rand des Stifteträgers 4 angeordnet ist, so dass kein Koppelgas in den Prozessraum oberhalb des Substrats 1 gelangen kann.
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Der Einfachheit halber kann die Gasleitung 42 wegen der geringen Gasmengen auch in den Prozessraum münden. Das Dichtelement 6 soll in diesem Fall vor allem sicherstellen, dass genügend Druck und damit Wärmeleitung zwischen Stiften 3 und Stifteträger 4 sowie Stiften 3 und Substrat 1 aufrecht erhalten wird.
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Der Wärmefluss erfolgt über Gasankopplung vom Substrat 1 zu den Stiften 3, die im Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von ca. 2 mm, entsprechend 3,14 mm2 Stirnfläche haben. Ebenfalls über Gasankopplung erfolgt eine Wärmeübertragung von den Stiften 3 zum Stifteträger 4. Wenn die Stifte 3 z. B. 0,05 mm Luft im Stifteträger 4 haben, ist der Abstand relativ klein, während die Fläche relativ groß ist. Bei 5 mm dickem Stifteträger 4 ergibt sich eine Fläche je Stift 3 von ca. 30 mm2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Heiz- oder Kühlkörper
- 21
- Gasleitung
- 22
- Druckraum
- 23
- Überströmkanal
- 3
- Stift
- 4
- Stifteträger
- 41
- Durchgangsbohrung
- 42
- Gasleitung
- 5
- Membran
- 6
- Dichtelement
