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Die Erfindung betrifft eine Vakuumdurchführung zum Einbau in einer Kammerwand, die eine Vakuumseite und eine Außenseite aufweist, und mit einer Welle, die rotatorisch antreibbar ist und gegenüber der Kammerwand axial verschiebbar angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung mit einem evakuierbaren Beschichtungsraum, in dem ein Substratträger zur Aufnahme eines zu beschichtenden Substrats vorgesehen ist, mit einer Elektrode und mit einer Gegenelektrode, sowie mit einer Gaszuführung zur Zuführung eines Prozessgases, und mit einer Mehrzahl von Vakuumdurchführungen mittels derer Rollen derart an den Enden von zugeordneten Wellen aufgenommen sind, dass die Rollen durch Drehung der Wellen in einer Eingriffsposition zur Bewegung des Substratträgers antreibbar sind und dass die Rollen in eine Freigabeposition axial verschiebbar sind, um den Substratträger freizugeben.
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Derartige Vakuumbeschichtungsvorrichtungen sind grundsätzlich bekannt. Sie werden für zahlreiche Beschichtungsaufgaben verwendet. Es kann sich beispielsweise um ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) oder ein PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) handeln. Bei letzterem wird zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine HF-Spannung angelegt, wodurch ein Plasma erzeugt wird. Solche Verfahren werden beispielsweise bei der Herstellung von Solarzellen eingesetzt, etwa um eine Nitridbeschichtung zur Passivierung der Oberfläche von Solarzellen aufzubringen.
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Zum Be- und Entladen solcher Vakuumbeschichtungsvorrichtungen werden die Substratträger mittels der Rollen horizontal bewegt, während die Rollen zur Bewegung der Substratträger in Vertikalrichtung axial eingezogen werden müssen.
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Die Verwendung herkömmlicher Vakuumdurchführungen führte bei solchen Anlagen dazu, dass die betreffenden Dichtungen häufig ausgetauscht werden mussten.
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Vakuumdurchführungen gemäß der eingangs genannten Art sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt. Bei den bekannten Vakuumdurchführungen wird die Welle in der Regel mittels einer Wellendichtung gegenüber einer Lagerbuchse abgedichtet, wobei diese Dichtung gleichzeitig auch bei Axialverschiebung eine Abdichtung gewährleisten muss.
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Wegen der zusätzlichen Dichtfunktion, die die Wellendichtung auch bei Axialverschiebung der Welle gewährleisten muss, unterliegen die Dichtungen bei einer solchen Vakuumdurchführung einem hohen Verschleiß.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vakuumdurchführung anzugeben, die eine sichere Abdichtung gegenüber der Vakuumseite gewährleistet und bei der Verschleißerscheinungen reduziert sind.
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Gleichfalls soll eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der vorstehend genannten Art derart verbessert werden, dass die beschriebene Wartungsproblematik vermieden bzw. reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vakuumdurchführung zum Einbau in einer Kammerwand gelöst, die eine Vakuumseite und eine Außenseite aufweist, mit einer Welle, die rotatorisch antreibbar ist, und die gegenüber der Kammerwand axial verschiebbar angeordnet ist, mit einer ersten Lagerbuchse zum Einbau in der Kammerwand und mit mindestens einer Dichtung zur statischen Abdichtung der ersten Lagerbuchse gegenüber der Kammerwand, wobei an der ersten Lagerbuchse ein gasdichtes axiales Dehnungselement mit einem ersten Ende aufgenommen und gegenüber der ersten Lagerbuchse abgedichtet ist, wobei ein zweites Ende des axialen Dehnungselementes mit einer zweiten Lagerbuchse verbunden und gegenüber dieser abgedichtet ist, die zumindest teilweise koaxial in der ersten Lagerbuchse aufgenommen und mittels des axialen Dehnungselementes relativ zur ersten Lagerbuchse axial verschiebbar ist, wobei die Welle innerhalb der zweiten Lagerbuchse drehbar gelagert ist und gegenüber dieser durch eine Wellendichtung abgedichtet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Erfindungsgemäß werden die Dichtfunktionen für eine rotatorische Bewegung und für eine Axialbewegung vollständig entkoppelt, indem zwischen der ersten und der zweiten Lagerbuchse statische Dichtungen verwendet werden, die eine Abdichtung bei einer axialen Verschiebbarkeit gewährleisten, während für die Abdichtung der Welle gegenüber der zweiten Lagerbuchse eine übliche Wellendichtung verwendet werden kann, die keine Axialbewegung gegenüber der zweiten Lagerbuchse ausführt.
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Insgesamt kann so eine zuverlässige, wartungsarme Abdichtung der Vakuumseite gegenüber der Außenseite erreicht werden, wobei dennoch eine Axialverschiebung der Welle in Kombination mit einem rotatorischen Antrieb der Welle ermöglicht ist. Bei der Außenseite handelt es sich hierbei vorzugsweise um die Atmosphärenseite. In Einzelfällen könnte die Außenseite jedoch auch auf einem anderen Druckniveau liegen.
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Hinsichtlich der Vakuumbeschichtungsvorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass bei einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung gemäß der vorstehend genannten Art für die Rollen erfindungsgemäße Vakuumdurchführungen verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Vakuumdurchführung ist die zweite Lagerbuchse auf der Vakuumseite gegenüber der ersten Lagerbuchse berührungslos unter Ausbildung eines koaxialen Spaltes aufgenommen.
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Dies hat den Vorteil, dass die zweite Lagerbuchse ohne Verschleiß gegenüber der ersten Lagerbuchse axial bewegt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das axiale Dehnungselement einen Faltenbalg, vorzugsweise einen Metallbalg.
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Mittels eines Faltenbalges, der vollständig nach außen abgedichtet ist, kann eine axiale Verschiebbarkeit bei gleichzeitiger Abdichtung gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das axiale Dehnungselement auf der Außenseite mit einem Axialantrieb für eine Axialbewegung der zweiten Lagerbuchse relativ zur ersten Lagerbuchse gekoppelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Welle auf der Außenseite mit einem Drehantrieb gekoppelt.
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Diese Merkmale erlauben es, die Komponenten für einen Axialantrieb bzw. einen Drehantrieb außerhalb der Vakuumseite anzuordnen. So kann auf Komponenten innerhalb der Vakuumseite, die sich nachteilig auf den Prozess auswirken könnten und/oder erhöhtem Verschluß ausgesetzt sein können, verzichtet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung trägt ein vakuumseitiges Ende der Welle eine Rolle, insbesondere eine zylindrische Rolle.
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Auf diese Weise kann durch einen rotatorischen Antrieb der Welle unmittelbar ein Antrieb einer darauf liegenden ebenen Komponente, wie etwa eines Substratträgers, erreicht werden.
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In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung ist die Welle innerhalb der zweiten Lagerbuchse mittels Wälzlagern drehbar gelagert, wobei die Wälzlager mittels der Wellendichtung vakuumseitig gegenüber der zweiten Lagerbuchse abgedichtet sind.
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Dies ermöglicht eine reibungsarme Lagerung und gleichzeitig, dass die Wälzlager außerhalb der Vakuumseite angeordnet sind.
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In zusätzlicher Weiterbildung der Vakuumbeschichtungsvorrichtung ist innerhalb des Beschichtungsraums ein oberer Bereich und ein unterer Bereich vorgesehen, die jeweils zur Aufnahme eines Substratträgers ausgebildet sind, wobei eine Hubeinrichtung vorgesehen ist, die eine Bewegung eines Substratträgers zwischen dem oberen und dem unteren Bereich erlaubt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des oberen und des unteren Bereichs jeweils eine Mehrzahl von Vakuumdurchführungen mit Rollen an den Enden der betreffenden Wellen vorgesehen, die jeweils zur Aufnahme eines Substratträgers ausgebildet sind, wobei die Hubeinrichtung in der Freigabeposition der betreffenden Rollen eine Vertikalbewegung eines Substratträgers erlaubt, während in der Eingriffsposition der betreffenden Rollen eine Horizontalbewegung eines Substratträgers ermöglicht ist.
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Durch diese Merkmale ist eine einfache und zuverlässige Bewegung des Substratträgers sowohl in Horizontalrichtung zum Be- bzw. Entladen als auch in Vertikalrichtung zum Umsetzen eines Substratträgers zwischen einer Position, in der eine Beschichtung erfolgt, und einer Position zum nachfolgenden Entladen ermöglicht.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung, in der Rollen mit erfindungsgemäßen Vakuumdurchführungen verwendet werden und
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2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vakuumdurchführung.
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In 1 ist eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
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Die Vakuumbeschichtungsvorrichtung 10 weist einen Beschichtungsraum 12 auf, der von einem Boden 16, Wänden 18 und einem Deckel 14 luftdicht umschlossen ist. Der Beschichtungsraum 12 weist eine obere Ebene 38 und darunter eine untere Ebene 40 auf. Sowohl in der oberen Ebene 38 als auch in der unteren Ebene 40 kann ein Substratträger 28 aufgenommen sein. Der Substratträger 28 kann über eine zugeordnete Tür 48 in der Wand 18 mittels einer Handlingeinrichtung 52 in die obere Ebene 38 ein- bzw. ausgefahren werden. Zur Aufnahme in der oberen Ebene dienen hierbei zugeordnete Rollen 36, die mittels Vakuumdurchführungen von außerhalb des Beschichtungsraums 12 betätigbar sind und die durch axiales Bewegen in der Wand 18 versenkt werden können.
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Auch in der unteren Ebene sind Transportrollen 46 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Substratträgers 28 dienen, der wiederum bei geöffneter Tür 50 mittels einer zugeordneten Handlingeinrichtung 54 in die untere Ebene 40 des Beschichtungsraums 12 ein- bzw. ausgefahren werden kann.
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Ein im Beschichtungsraum 12 befindlicher Substratträger 28 liegt bei in die Wand 18 eingezogenen Transportrollen 36 auf einer Platte 32 auf, die vorzugsweise aus Graphit besteht und die mit Hilfe einer Hubeinrichtung 42 in Vertikalrichtung bewegt werden kann. Die Hubeinrichtung 42 umfasst einen Hubantrieb 64, wobei es sich beispielsweise um einen Elektrozylinder handeln kann, mit Hilfe dessen ein Kolben in Vertikalrichtung gesteuert verfahrbar ist.
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Die aus Graphit bestehende Platte 32 ist beheizbar, wozu an ihrer Unterseite eine Mehrzahl von Heizelementen 34, z. B. Widerstandsheizelementen, vorgesehen sind, die über die gesamte Unterfläche der Platte 32 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Gemäß 1 ist auf dem Substratträger 28 ein ebenes Substrat 30 aufgenommen, das in der Beschichtungsvorrichtung 10 beschichtet werden kann. Die Platte 32 ist als Gegenelektrode geschaltet.
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Oberhalb des Substrates 30 ist eine zugeordnete flächige Elektrode 24 in einem Abstand d vom Substratträger 28 angeordnet. Die Elektrode 24 ist von einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen 26 durchsetzt, die sich rasterartig verteilt über die gesamte Fläche der Elektrode 24 erstrecken. Die Gasaustrittsöffnungen 26 dienen zur Zuführung von Prozessgas für einen Vakuumbeschichtungsvorgang, das über eine angeschlossene Gaszufuhr 22 von außerhalb der Beschichtungskammer 12 zugeführt werden kann.
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Zwischen der Platte 32 und der Elektrode 24 wird eine Spannung angelegt (nicht dargestellt), wobei es sich um eine HF-Spannung handeln kann, wenn im Beschichtungsraum ein PECVD-Verfahren unter Vakuum ausgeführt werden soll.
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Während eines Beschichtungsprozesses tritt das Prozessgas, wie durch die Pfeile 74 angedeutet, gleichmäßig nach unten in Richtung auf das Substrat 30 aus. Um ein seitliches Entweichen des Prozessgases zu vermeiden und um einen gleichmäßigen Zutritt des Prozessgases auf die Substratoberfläche zu gewährleisten, ist ein Strömungsleitelement 70 vorgesehen. Es handelt sich hierbei um einen umfangsmäßig geschlossenen Rahmen, der an der Unterseite der Elektrode 24 befestigt ist und der sich nach unten bis kurz oberhalb des Substratträgers 28 erstreckt.
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Zwischen dem unteren Ende des Strömungsleitelementes bzw. Rahmens 70 und dem Substratträger 28 verbleibt ein Spalt s, der vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis 20 mm, insbesondere 2 bis 5 mm, liegt und der vorzugsweise mit Hilfe der Hubeinrichtung 42 in Abhängigkeit von mindestens einem Prozessparameter variierbar ist. Die Hubeinrichtung 42 wird hierzu über eine zentrale Steuerung 60 gesteuert, wie über eine Steuerleitung 66 angedeutet ist. Rein schematisch ist in der Beschichtungskammer 12 ein Sensor 62 dargestellt, der über eine Leitung 68 mit der zentralen Steuerung 60 gekoppelt ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um einen Temperatursensor, um einen Drucksensor, einen Sensor zur Erfassung eines bestimmten Gaspartialdrucks usw. handeln. Es versteht sich, dass der Sensor 28 lediglich rein schematisch angedeutet ist und als beliebiger Sensor ausgeführt sein kann bzw. dass eine Reihe von verschiedenen Sensoren vorgesehen sein kann, die mit der Steuerung 60 in Verbindung stehen. Jedenfalls kann mit Hilfe der Steuerung 60 der Abstand d zwischen Substratträger 28 und Elektrode 24 bzw. der Spalt s zwischen dem unteren Ende des Strömungsleitelementes bzw. Rahmens 70 und dem Substratträger 28 in Abhängigkeit von einem der Prozessparameter eingestellt werden, um eine optimierte Prozessführung zu gewährleisten.
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Die Beschichtungskammer 12 kann mit Hilfe einer Vakuumpumpe 20 evakuiert werden. Die Vakuumpumpe 20 weist eine Vielzahl von Ansaugöffnungen 21 auf, die vorzugsweise im Bodenbereich des Beschichtungsraums 12 gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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Durch das Strömungsleitelement bzw. den Rahmen 70 wird ein sehr gleichmäßiger Zutritt der über die Elektrode 24 zugeführten Prozessgase zur Oberfläche des Substrates 30 gewährleistet.
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Die Graphitplatte 32, die als Gegenelektrode geschaltet ist, dient zu einer Homogenisierung des elektrischen Feldes, da die Graphitplatte 32 leichter zu kontaktieren ist als der Substratträger. Außerdem ist Graphit ein sehr guter Wärmeleiter, der eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Fläche gewährleistet. Es ergibt sich somit eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Graphitplatte 32 und damit auch über den Substratträger 28 und letztlich das Substrat 30, was zu einem entsprechend homogenen Beschichtungsergebnis führt.
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Durch die Aufteilung des Beschichtungsraums 12 in eine obere Ebene 38 und eine untere Ebene 40 kann in Kombination mit zugeordneten Handlingeinrichtungen und zugeordneten Lade- und Verteileinrichtungen ein besonders schneller Durchsatz gewährleistet werden.
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Wenn ein Beschichtungsprozess im oberen Bereich 38 des Beschichtungsraums 12 beendet ist, so kann der Substratträger 28 mit dem darauf liegenden Substrat 30 mittels der Hubeinrichtung 42 in die untere Ebene 40 verfahren werden. Es kann dann bei geöffneten Türen 48 bzw. 50 mittels der Handlingeinrichtung 52 ein neuer Substratträger mit einem zu beschichtenden Substrat eingefahren werden, wie durch den Pfeil 56 angedeutet ist. Gleichzeitig kann der Substratträger 28 mit dem darauf befindlichen, fertig beschichteten Substrat 30 aus der unteren Ebene 40 bei geöffneter Tür 50 über die Handlingeinrichtung 54 ausgefahren werden, wie durch den Pfeil 58 angedeutet ist.
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Es versteht sich, dass anstelle zweier getrennter Türen 48, 50 gemäß 1 auch eine gemeinsam durchgehende Tür bzw. Schleuse vorgesehen sein kann.
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Anhand von 2 wird im Folgenden der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vakuumdurchführung 100 näher beschrieben, die für den Drehantrieb und die axiale Verschiebung der Rollen verwendet wird.
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Die Vakuumdurchführung 100 ist zum Einbau in einer Kammerwand 18 vorgesehen, wobei diese mit einer Dichtung 110 abgedichtet wird. Auf diese Weise wird eine Vakuumseite 102, die etwa innerhalb des Beschichtungsraums 12 liegen kann, und eine Außenseite 104 definiert, die im vorliegenden Fall die Atmosphärenseite ist.
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Die Vakuumdurchführung 100 weist eine erste Lagerbuchse 108 oder Lagerhülse auf, die mittels der Dichtung 110 in einer Öffnung der Kammerwand 18 eingebaut ist. Zur Außenseite 104 hin schließt sich an die erste Lagerbuchse 108 ein axiales Dehnungselement 112 an, das mittels zweier Dichtungen 116 und 118 abgedichtet ist. Das axiale Dehnungselement 112 umfasst einen Faltenbalg 114 in Form eines Metallbalges. Dieser erlaubt eine Axialbewegung bei gleichzeitiger Abdichtung nach außen. Am äußeren Ende des axialen Dehnungselementes 112 schließt sich unter Zwischenlage eines Zwischenrings 122 eine zweite Lagerbuchse 120 oder Lagerhülse an, die an einem Bund 121 mittels einer Dichtung 124 gegenüber dem Zwischenring 122 abgedichtet ist, der wiederum über eine weitere Dichtung 118 gegenüber dem äußeren Ende des axialen Dehnungselementes 112 abgedichtet ist. Sämtliche der Dichtungen 110, 116, 118, 124 sind als statische Dichtungen ausgeführt.
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In der zweiten Lagerbuchse 120 ist eine Welle 106 mittels zweier Wälzlager 138, 140 drehbar gelagert. Auf der Vakuumseite 102 ist die Welle 106 mittels einer Mehrzahl von Wellendichtungen 132 abgedichtet. Gegenüber den Wellendichtungen 132 sind beide Wälzlager 138, 140 nach außen versetzt, so dass außerhalb der Vakuumseite 102 auf der Außenseite 104 liegen. Am vakuumseitigen Ende 134 der Welle 106 ist eine zylindrische Rolle 136 angeformt. Au der Außenseite 104 ist die Welle 106 mit einem Drehantrieb 128 gekoppelt. Die zweite Lagerbuchse 120 ist auf der Außenseite 104 mit einem Axialantrieb 126, z. B. in Form eines Pneumatikzylinders oder eines elektrischen Stelltriebes, gekoppelt und somit gemeinsam mit der darin aufgenommenen Welle 106 in Axialrichtung verstellt werden.
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Insgesamt wird auf diese Weise ein Drehantrieb der Rolle 136 in Kombination mit einer axialen Verstellmöglichkeit erreicht. Dabei ist eine sichere Abdichtung durch die vollständige Entkopplung von rotatorischem Antrieb und axialem Antrieb mit getrennten Dichtungen gewährleistet. Die Abdichtung der der axialen Verstellmöglichkeit über die relativ zur ersten Lagerbuchse 108 axial verschiebbare zweite Lagerbuchse 120 erfolgt über rein statische Dichtungen 110, 116, 118, 124, während die Abdichtung der Welle 106 gegenüber der zweiten Lagerbuchse 120 über die Wellendichtung 132 erfolgt, die keine Axialverschiebung ermöglichen muss. Insgesamt wird auf diese Weise eine wartungsarme Abdichtung der Vakuumseite 102 gegenüber der Außenseite 104 gewährleistet. Da die Antriebe 126, 128 und die Wälzlager 138, 140 auf der Außenseite 104 angeordnet sind, ergeben sich keine Probleme auf der Vakuumseite 102 durch Schmierstoffe und anderweitige Verunreinigungen.
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Die Rollen auf der oberen Ebene 38 gemäß 1, die beispielhaft mit 36 dargestellt sind, sind jeweils durch Rollen 136 mit Vakuumdurchführungen 100 gemäß 2 realisiert.
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Soll eine Substrataufnahme 28 beim Be- bzw. Entladen in Horizontalrichtung verfahren werden, so werden hierzu die betreffenden Rollen 36 mittels ihrer zugeordneten Drehantriebe angetrieben, um etwa einen Substratträger 28 mit einem zu beschichtenden Substrat 30 in die obere Ebene 38 einzufahren. Gleichzeitig werden auch die Rollen 46 der unteren Ebene 40, die keinen Axialhub benötigen, angetrieben, um einen Substratträger 28 mit einem fertig beschichtenden Substrat 30 aus der unteren Ebene 40 auszufahren. Danach werden die Rollen 36 nach außen gefahren, indem die zugeordneten Wellen 106 nach außen verschoben werden, so dass die Substratträger 28 von den Rollen 36 freigegeben sind und mittels der Hubeinrichtung 42 zwischen der oberen und unteren Ebene 38, 40 bewegt werden können.
