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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Bewegen, insbesondere zum translatorischen Bewegen sowie zum Ausrichten, insbesondere zum Drehen eines Substrats, typischerweise in einer zweidimensionalen Bewegungsebene. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine als magnetische Wafer Stage ausgestaltete Positioniervorrichtung, die insbesondere für ein hochpräzises Bewegen von besonders großflächigen Substraten ausgebildet ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum translatorischen Bewegen und/oder Ausrichten eines Substrats mittels einer entsprechenden Positioniervorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ansteuerung einer derartigen Positioniervorrichtung.
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Hintergrund
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Für die Bearbeitung von Substraten zur Fertigung von Halbleiterbauelementen, so etwa für Displayanwendungen, sind vergleichsweise großflächige Substrate diversen Oberflächenbehandlungsprozessen zu unterziehen. Beispielsweise sind die Oberflächen derartiger Substrate mechanisch oder chemisch zu behandeln, um zum Beispiel Beschichtungen oder Oberflächenstrukturen auf dem betreffenden Substrat zu bilden. Etliche Oberflächenbehandlungsprozesse sind hierbei unter Reinraumbedingungen oder sogar im Vakuum durchzuführen, insbesondere, wenn Oberflächenbehandlungsschritte, wie zum Beispiel Sputtern, physikalische Dampfabscheidung oder chemische Dampfabscheidung, ggf. auch plasmaunterstützt, durchzuführen sind.
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Da auf den Substraten mitunter Strukturen im Mikro- oder sogar Nanometerbereich auszubilden sind ist eine äußerst präzise Positionierung jener Substrate sowohl in der Substratebene, als auch senkrecht hierzu erforderlich.
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Die Anforderungen hinsichtlich Partikelfreiheit der Substratumgebung macht die Implementierung einer berührungsfreien Lagerung des Substrats sowie eines entsprechenden Bewegungs- oder Verfahrantriebs erforderlich. Luftlager sind für hochreine Fertigungsumgebungen jedoch nur bedingt geeignet, da hierdurch ungewollten Luftströmungen in der Nähe des Substrats entstehen können, die unter Umständen der Einhaltung geforderter Genauigkeiten bei der Substratbehandlung zuwiderlaufen können.
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Es existieren ferner sogenannte magnetische Wafer Stages oder magnetische Positioniervorrichtungen, wobei typischerweise an einem, entlang einer Basis verschiebbaren Träger, mehrere Elektromagneten angeordnet sind, die mittels eines Positionssensors und eines Regelkreises den Träger in einem vorgegebenen Abstand zur Basis schweben lassen können.
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Eine gattungsgemäße Wafer Stage ist zum Beispiel aus der
US 7 868 488 B2 bekannt. Diese in zwei Bewegungsrichtungen agierende Positioniervorrichtung weist eine Basis sowie zwei Y-Verschiebeeinheiten auf, welche symmetrisch an den oberen Endabschnitten der Basis befestigt sind. An den Y-Verschiebeeinheiten sind jeweils Antriebsmotoren verschiebbar angeordnet, die mittels eines X-Verschiebeglieds miteinander verbunden sind, wobei an jenem X-Verschiebeglied ein Tisch zur Aufnahme eines Wafers angeordnet ist.
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Derartige Positioniervorrichtungen haben sich für Substrate mit Kantenlängen im Bereich einiger Zentimeter oder Dezimeter recht gut bewährt. Für das Handling vergleichsweise großer Substrate, die Dimensionen von mehr als 50 cm Kantenlänge oder sogar Kantenlängen im Meterbereich aufweisen können und die womöglich mittels der Positioniervorrichtung sogar unterschiedlichen Bearbeitungsstationen zugeführt werden sollen, stoßen gängige magnetlagerbasierte Positioniervorrichtungen rasch an die Grenze des derzeit technisch Machbaren.
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Die Implementierung von im Schwingungsbetrieb arbeitenden Magnetlagern, als auch die Einhaltung geforderter Positioniergenauigkeiten typischerweise im Bereiche einiger weniger Mikrometer, etwa über einen vergleichsweise großen, im Bereich von Metern liegenden Verfahrweg, macht den Einsatz von hochfesten Werkstoffen sowie massiven Bauteilen erforderlich. Zum einen können durch vergleichsweise massereiche Bauteile, die aufgrund der Magnetlager entstehenden Resonanzphänomene unterdrückt bzw. in einen für die Anwendung irrelevanten Frequenzbereich verschoben werden.
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Soll jedoch ein Substrat etwa über eine Verfahrstrecke von mehreren Metern mit einer Genauigkeit in von einigen wenigen Mikrometern in Z-Richtung, das heißt in Richtung senkrecht zur Substratebene bzw. senkrecht zur Bewegungsebene oder zur Verfahrstrecke der Positioniervorrichtung, bewegt werden, erfordert dies eine hochpräzise Fertigung sowohl einer Basis als auch eines schwebend an der Basis gelagerten Trägers einer Positioniervorrichtung.
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Typischerweise ist der verschiebbar an der Basis gelagerte Träger ausschließlich über zwei an gegenüberliegenden Enden des Trägers vorgesehenen Lagern an der Basis gelagert, wie dies auch zum Beispiel in der
US 7 868 488 B2 gezeigt ist. Werden jedoch aufgrund der geforderten Länge einer Verfahrstrecke Trägerdimensionen im Bereich eines oder mehrerer Meter gefordert, so kann ein derartiger Träger bei ausschließlich endseitiger Lagerung kaum noch durchbiegungsfrei gefertigt werden.
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Bereits ein massiver Doppel-T-Stahlträger würde aufgrund seiner Eigenlast bei einer Länge von 2 bis 4 Metern eine Durchbiegung in Z-Richtung aufweisen, die die geforderte Positioniergenauigkeit in Z-Richtung bereits überschreitet. Zudem hat der Einsatz vergleichsweise groß dimensionierter und daher massereicher Träger neben immensen Produktions- und Montagekosten auch den Nachteil, dass diese in der Praxis kaum handzuhaben sind. Es müssen immense Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte zur Bewegung derartiger massereicher Träger vorgesehen werden. Auch wird die Geschwindigkeit, mit welcher derartige massereiche Träger überhaupt noch zu bewegen sind, mit zunehmender Masse stets kleiner.
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Es ist daher Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Positioniereinrichtung zum translatorischen Bewegen und/oder Ausrichten eines Substrats bereitzustellen, die einerseits vergleichsweise große Verfahrwege und somit ein problemloses Handhabung dementsprechend groß dimensionierter Substrate ermöglicht. Hierbei soll die Positioniervorrichtung trotz der geforderten Größe eine besonders hohe Positioniergenauigkeit insbesondere auch ohne Verwendung besonders massereicher Komponenten bereitstellen können. Zudem soll die Positioniervorrichtung besonders leicht und einfach, somit kostengünstig herstellbar und montierbar sein. Ferner soll die Positioniervorrichtung eine einfache und intuitive Wartung sowie Demontage einzelner Komponenten ermöglichen.
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Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen
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Diese Aufgabe wird mit einer Positioniervorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ferner mit einem Verfahren zum translatorischen Bewegen und/oder Ausrichten eines Substrats mittels jener Positioniervorrichtung gemäß Patentanspruch 10 sowie mit einem Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind hierbei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Die insoweit vorgesehene Positioniervorrichtung ist zum translatorischen Bewegen und/oder zum Ausrichten eines Substrats vorgesehen und dementsprechend ausgebildet. Die Positioniervorrichtung weist hierfür eine sich in einer Bewegungsebene (x, y) erstreckende Basis auf. Die Basis weist hierbei parallel zueinander ausgerichtete, längserstreckte und eine erste Verschieberichtung vorgebende Lagerschienen auf. Zur Positioniervorrichtung gehört ferner ein Träger, welcher mittels ansteuerbarer Magnetlager berührungslos entlang der ersten Verschieberichtung verschiebbar an der Basis, insbesondere verschiebbar entlang deren Lagerschienen gelagert ist. Der Träger stützt sich hierbei mittels der Magnetlager an zumindest drei Lagerschienen der Basis ab.
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Mit anderen Worten ist der Träger zumindest dreifach an der Basis abgestützt oder an der Basis gelagert. Die zumindest drei Lagerschienen der Basis sind hierbei in einer Richtung (y) senkrecht zur ersten Verschieberichtung (x) voneinander beabstandet angeordnet. Die erste Verschieberichtung (x) ist hierbei insbesondere durch die Längserstreckung der parallel zueinander ausgerichteten Lagerschienen der Basis vorgegeben und fällt mit dieser dementsprechend zusammen.
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Durch die dreifache Lagerung des Trägers an der Basis in einer Richtung senkrecht zu der von den Lagerschienen vorgegebenen ersten Verschieberichtung ist eigentlich eine überbestimmte Lagerung des Trägers an der Basis verwirklicht. Bei Verwendung herkömmlicher Lager, wie zum Beispiel von Rollenlagern oder Gleitlagern würde eine derartige Überbestimmung bei Bewegungen des Trägers relativ zur Basis womöglich zum Verkanten des Trägers gegenüber der Basis führen. Durch den Einsatz von ansteuerbaren, das heißt justierbaren Magnetlagern kann eine derartige Überbestimmung jedoch problemlos realisiert werden.
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Durch Vorsehen zumindest dreier Lagerschienen senkrecht zur ersten Verschieberichtung kann der Abstand von Stützstellen, über welche der Träger sozusagen frei tragend ausgestaltet ist, deutlich verkürzt werden. Durch die mehrfache Abstützung mittels der zumindest drei Lagerschienen der Basis kann somit einer geometrischen Verformung, etwa einer Durchbiegung des Trägers effektiv entgegengewirkt werden. Es kann sich hierbei insbesondere als vorteilhaft erweisen, wenn die Lagerschienen in Richtung senkrecht zur ersten Verschieberichtung in etwa äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei die außenliegenden Lagerschienen gegenüberliegende Endabschnitte des Trägers stützen und dazwischen befindliche Lagerschienen dementsprechende Zwischen- oder mittlere Abschnitte des Trägers stützen.
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Durch die zumindest drei oder sogar mehr Lagerschienen kann ferner das Resonanzverhalten der Basis verbessert werden. Durch die Verwendung mehrerer Lagerschienen, die etwa untereinander auch starr verbunden sein können, kann eine Eigensteifigkeit und somit ihr Resonanzverhalten in vorteilhafter Weise verbessert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist auch der Träger zumindest drei längserstreckte, parallel zueinander und entlang der Lagerschienen der Basis ausgerichtete Lagerabschnitte auf, an denen zumindest jeweils ein Magnetlager angeordnet ist. Mittels des zumindest einen Magnetlagers können die jeweiligen Lagerschienen bezüglich ihrer Z-Position, das heißt senkrecht zur Bewegungsebene (x, y) bzw. senkrecht zur ersten Verschieberichtung (x) unterschiedlich positioniert werden, sodass der Träger durch geeignete Ansteuerung der Magnetlager entweder absolut oder relativ zu den Lagerschienen in etwa, bevorzugt besonders präzise und hochgenau zur horizontal, d. h. zur oder parallel zur Bewegungsebene ausgerichtet werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind an den Lagerabschnitten des Trägers jeweils zumindest zwei oder mehr in Verschieberichtung voneinander beabstandete Magnetlager angeordnet. Auch jene Magnetlager können insbesondere äquidistant an den Lagerabschnitten des Trägers, somit äquidistant in Verschieberichtung (x) angeordnet sein. Ist jeder der zumindest drei Lagerabschnitte mit einer Anzahl von in Verschieberichtung voneinander beabstandeten Magnetlagern versehen, so ergibt sich insgesamt betrachtet, ein zweidimensionales Array von Magnetlagern über der Fläche des Trägers.
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Durch geeignete Ansteuerung der Magnetlager, bzw. des Magnetlagerarrays kann der Träger somit exakt horizontal zur Basis oder absolut horizontal ausgerichtet und dementsprechend entlang der Lagerschienen der Basis bewegt werden.
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Für die Bewegung des Trägers relativ zur Basis ist typischerweise ein berührungsloser Antrieb vorgesehen, welcher zum Beispiel einen Magnetantrieb am Träger vorsieht, der mit einer ortsfesten Magnetleiste, welche sich in etwa parallel zu den Lagerschienen erstreckt, zusammenwirken kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Magnetlager separat und unabhängig voneinander zur zumindest lokalen Veränderung eines Abstands zwischen der Basis und dem Träger in einer Z-Richtung senkrecht zur Bewegungsebene (x, y) ausgebildet, oder bzw. sie sind dementsprechend ansteuerbar. Durch die separate und unabhängige Beaufschlagung der Magnetlager mit entsprechenden Soll-Werten, kann der Träger gegenüber der Basis ausgerichtet werden, indem zum Beispiel an einem an einem Ende eines Lagerabschnitts angeordneten Magnetlagers ein größerer oder geringerer Abstand zur Basis als an einem gegenüberliegenden Ende des betreffenden Lagerabschnitts eingestellt werden.
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Dadurch dass der Träger sowohl in Verschieberichtung (x), als auch in der Richtung (y) senkrecht hierzu, insbesondere über die gesamte Bewegungsebene (x, y) mittels mehreren, ansteuerbaren oder regelbaren Magnetlagern an der Basis gelagert ist, kann der Träger lokal, d. h. im Bereich einzelner Magnetlager variabel angehoben oder abgesenkt, d. h. Z-Richtung verschoben werden. Insoweit können etwaige geometrische Unebenheiten von Träger und/oder Basis durch adaptive Regelung der Magnetlager effektiv kompensiert und ausgeglichen werden.
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So ist es insbesondere möglich, eine den gegebenen Präzisionsanforderung nicht genügende Planarität des Trägers oder seiner Lagerschienen in der Bewegungsebene durch gezielte bzw. adaptive Ansteuerung einzelner Magnetlager auszugleichen. Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, den Träger trotz einer vergleichsweise toleranzbehafteten und ungenauen Ausgestaltung der Basis innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen bezüglich eines absoluten Koordinatensystems relativ zur Basis auszurichten bzw. den Träger dementsprechend relativ zur Basis translatorisch zu bewegen oder zu verschieben.
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Durch eine adaptive Ansteuerung oder Regelung einzelner über der Fläche des Trägers verteilt vorgesehener Magnetlager können somit die geometrischen Toleranzgrenzen für die Basis und die dort vorgesehenen Lagerschienen in vorteilhafter Weise herabgesetzt werden. Herstellungs- und Montagekosten können auf diese Art und Weise ebenso wie das Gewicht der Basis und/oder des Trägers verringert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Positioniervorrichtung ferner eine Messeinrichtung auf, die zur Bestimmung einer Z-Position des Trägers entlang der Verschieberichtung (x) ausgebildet ist. Mittels der Messeinrichtung, die bevorzugt berührungslos ausgebildet ist, können etwaige Höhenabweichungen der Basis als auch des Trägers von geforderten Soll-Werten bestimmt werden. Weist der Träger beispielsweise eine der geforderten geometrischen Toleranz nicht mehr entsprechende und demgemäß oberhalb der Toleranzgrenze liegende Oberflächenkontur auf, so können mittels der Messeinrichtung derartige Abweichungen entlang der Verschieberichtung bzw. für jede Verschiebeposition des Trägers ermittelt und demgemäß zur Ansteuerung bzw. Beaufschlagung der jeweils infrage kommenden Magnetlager verwendet werden.
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Typischerweise weist die Positioniervorrichtung ferner eine Steuerung auf, die dazu ausgebildet ist, die Magnetlager in Abhängigkeit der mittels der Messeinrichtung ermittelten Z-Position des Trägers anzusteuern. Hierbei kann zum einen eine Art Kalibrierung bei Inbetriebnahme der Positioniervorrichtung vorgesehen werden. Sofern man davon ausgeht, dass der Träger reproduzierbar gegenüber der Basis verschiebbar ist, kann es ausreichend sein, den Höhenverlauf bzw. das Höhenprofil der Basis bzw. ihrer Lagerschienen entlang der ersten Verschieberichtung einmalig zu bestimmen und jene ermittelten Daten in einem Speicher zu hinterlegen.
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So kann für jede denkbare Position des Trägers an der Basis bezüglich der ersten Verschieberichtung für jedes oder zumindest für einige Magnetlager ein Offset-Signal oder ein entsprechender Kalibrierwert im Zuge einer Kalibrierung ermittelt werden, welcher im Betrieb der Positioniervorrichtung zur trägerpositionsbezogenen Ansteuerung und zur Höhenkorrektur der Magnetlager verwendet werden kann.
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Anstelle oder ergänzend zu einer Kalibrierung ist natürlich auch denkbar, dass die Messeinrichtung die Z-Position des Trägers auch im Betrieb der Positioniervorrichtung überwacht. Sollte der Träger einmal eine außerhalb des Toleranzmaßes von einem Soll-Wert abweichende Z-Position einnehmen wollen, so kann mittels der Messeinrichtung eine dementsprechende Abweichung vom Soll-Wert quantitativ oder qualitativ erfasst, der Steuerung zugeführt und durch lokale Regelung des Abstandes zwischen Basis und Träger mittels zumindest oder mittels mehreren Magnetlagern adaptiv zur Einhaltung eines geforderten Toleranzmaßes verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weisen die Lagerschiene der Basis dem Träger zugewandt, jeweils einen im Querschnitt L-förmigen Profilabschnitt auf, wobei jene L-förmigen Profilabschnitte der zumindest drei Lagerschienen zueinander parallel ausgerichtet sind. Typischerweise erstreckt sich jener L-förmig in Y-Richtung erstreckende Profilabschnitt am oberen, dem Träger zugewandten Ende der Lagerschienen. Der flanschartig oder L-förmig von der Lagerschiene abragende Profilabschnitt ist insbesondere dazu ausgebildet mit dem am Träger, insbesondere an den Lagerabschnitten des Trägers angeordneten Magnetlagern derart zusammenzuwirken, dass der Träger innerhalb eines vorgegebenen Spaltmaßes schwebend zur und entlang der Basis verschiebbar ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind auch die Lagerabschnitte des Trägers im Querschnitt L-förmig ausgebildet. Insbesondere ragen die Lagerabschnitte des Trägers nach unten, der Basis zugewandt, sodass sie den L-förmig abragenden Profilabschnitt der Lagerschienen, korrespondierend umgreifen. Die an den Lagerabschnitten des Trägers angeordneten Magnetlager wirken insbesondere mit der nach unten, das heißt zu einem Boden ausgerichteten Seite des seitlich abragenden L-förmigen Profilabschnitts der Lagerschienen zusammen.
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Indem die zumindest drei Lagerabschnitte des Trägers als auch die Lagerschienen der Basis korrespondierend L-förmig zueinander ausgerichtet und angeordnet sind, kann eine besonders einfache Montage und Demontage des Trägers an der Basis erfolgen. In einem Montagezustand gelangen die sich in Y-Richtung erstreckenden Schenkel der Lagerabschnitte und der Lagerschienen, bezogen auf die Z-Richtung in Überdeckung.
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Eine Verschiebung des Trägers in Richtung der L-förmigen Schenkels bringt jene Schenkel in Z-Richtung betrachtet, quasi außer Eingriff, sodass der Träger durch eine vergleichsweise geringe seitliche Verschiebung gegenüber der Basis mechanisch von der Basis gelöst und dementsprechend nach oben abgehoben werden kann.
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Um ein selbsttätiges Lösen von Träger und Basis im Normalbetrieb der Positioniervorrichtung zu vermeiden, kann zum Beispiel am Träger ein abnehmbares oder konfigurierbares Fixierelement vorgesehen sein, welches eine dem L-förmigen Schenkel abgewandte Außenseite zumindest einer Lagerschiene übergreift und somit eine Relativbewegung von Träger und Basis quer zur Ausrichtung der Lagerschienen verhindert. Zu Wartungs- oder Montagezwecken kann ein derartiges Fixierelement entweder entsprechend konfiguriert oder demontiert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Träger selbst zumindest zwei parallel zueinander ausgerichtete, längserstreckte und eine zweite Verschieberichtung (y) vorgebende Trägerschienen auf. An diesen Trägerschienen ist ferner ein Tisch mittels weiteren ansteuerbaren Magnetlagern berührungslos entlang der zweiten Verschieberichtung (y) verschiebbar gelagert. Zwischen dem Träger und dem gegenüber dem Träger verschiebbaren Tisch kann eine vergleichbare Lagerung wie zwischen dem Träger und der Basis vorgesehen und dementsprechend implementiert sein.
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Das Vorsehen von zumindest drei Trägerschienen ist in Anbetracht der Dimension des Tisches zwar nicht unbedingt erforderlich, kann aber gleichermaßen, wie zuvor im Zusammenhang mit der Träger-Basis-Lagerung beschrieben, gleichermaßen implementiert sein. Indem am Träger selbst ein Tisch entlang einer zweiten Verschieberichtung verschiebbar gelagert ist, kann der Tisch durch geeignete Verschiebung relativ zum Träger als auch durch eine entsprechende Verschiebung des Trägers relativ zur Basis jedwede Position in der Bewegungsebene (x, y) einnehmen.
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Der Tisch kann ferner mit einem Drehteller versehen sein, sodass ein am Drehteller gehaltenes Substrat nicht nur zu beliebigen Punkten der Bewegungsebene verfahren, sondern auch beliebig in der Bewegungsebene ausgerichtet bzw. gedreht werden kann.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum translatorischen Bewegen und/oder Ausrichten eines Substrats mittels einer zuvor beschriebenen Positioniervorrichtung. In einem ersten Verfahrensschritt wird hierbei die Z-Position eines Trägers zu einer von einer Basis der Positioniervorrichtung vorgegebenen Bewegungsebene entlang einer ersten Verschieberichtung des Trägers ermittelt. Hierbei kann insbesondere zu jeder Position des Trägers in Verschieberichtung (x) eine konkrete Z-Position ermittelt werden.
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Die ermittelte Z-Position ist dabei ein Maß für die geometrische Abweichung der Position des Trägers von einem geforderten Soll-Wert. Nach Ermitteln der Z-Position des Trägers über die von den Lagerschienen der Basis vorgegebene Verfahrstrecke entlang der ersten Verschieberichtung (x) ist in einem weiteren Schritt, nämlich bei Inbetriebnahme der Positioniervorrichtung das Ansteuern der einzelnen Magnetlager vorgesehen, mittels welchen der Träger berührungslos entlang der ersten Verschieberichtung verschiebbar an der Basis gelagert ist.
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Die Magnetlager werden dabei in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Z-Positionen des Trägers angesteuert, sodass etwaige Positionstoleranzen in Z-Richtung kompensiert und dementsprechend ausgeglichen werden können. Auf diese Art und Weise können die Magnetlager in Abhängigkeit der jeweiligen Position des Trägers unterschiedlich beaufschlagt werden, um abhängig von einer konkreten Verschiebeposition (x) eine kalibrierte bzw. den geometrischen Gegebenheiten angepasste Z-Position sowie hiermit einhergehend, einen dementsprechenden Spaltabstand zwischen Träger und Basis einstellen zu können.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden geometrische Abweichungen oder Toleranzen der Basis und/oder auch des Trägers hinsichtlich ihrer Position oder Ausdehnung in Z-Richtung von einer vorgegebenen Soll-Geometrie mittels einer mit einer Messeinrichtung gekoppelten Steuerung durch adaptive Ansteuerung der betreffenden Magnetlager kompensiert. Hierbei können nicht nur generisch vorhandene Bauteiltoleranzen der Basis, sondern auch lastabhängige Durchbiegungen der Basis, die mit der jeweiligen Position des Lagers variieren können, gleichermaßen kompensiert und ausgeglichen werden.
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Eine adaptive Ansteuerung der Magnetlager kann sozusagen on-the-fly während des Betriebs der Positioniervorrichtung erfolgen. Hierbei kann die Z-Position des Trägers zum Beispiel mittels der zuvor genannten Messeinrichtung überwacht werden. Bei Abweichungen oberhalb einer geforderten Toleranzgrenze können betreffende Magnetlager dementsprechend entgegenwirkend angesteuert werden.
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Nach einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist hierbei aber auch denkbar, dass die geometrische Form der Basis bezüglich ihrer Ausdehnung in Z-Richtung im Zuge einer Kalibrierung erfasst und abgespeichert wird. Hierbei kann nicht nur die Form der Basis, sondern auch die durch die jeweilige Position des Trägers an der Basis eintretende Formänderung der Basis im Zuge der Kalibrierung erfasst und dementsprechend abgespeichert werden. Sobald der Träger eine zuvor abgespeicherte X-Position anfährt, können die betreffenden Magnetlager mit im Zuge der Kalibrierung erfassten Offsets oder Kalibriersignale beaufschlagt werden, sodass der Träger letztlich innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen bezüglich seiner Z-Position gehalten sowie verschoben werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Z-Position des Trägers berührungslos mittels zumindest eines in etwa parallel zu den Lagerschienen des Trägers ausgerichteten Laserstrahls und mit einem am Träger angeordneten Detektor ermittelt. Im Extremfall ist hierbei sogar denkbar, dass die Lagerschienen abweichend von einer Horizontalen ausgerichtet sind. Mit dem eine geometrische Referenz bildenden Laserstrahl können derartige geometrische Abweichungen der Lagerschienen mittels der positionsabhängigen Steuerung der Magnetlager jedoch weitgehend oder vollständig kompensiert werden.
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Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ist schließlich ein Computerprogrammprodukt zur Ansteuerung einer zuvor beschriebenen Positioniervorrichtung vorgesehen. Das Computerprogrammprodukt, welches typischerweise in der Steuerung implementiert ist und dessen Programmmittel von einem Prozessor der Steuerung umsetzbar sind, weist Programmmittel zum Ermitteln zumindest einer Z-Position eines Trägers senkrecht zu einer von der Basis der Positioniervorrichtung vorgegebenen Bewegungsebene entlang einer ersten Verschieberichtung des Trägers auf. Jene Programmmittel sind daher zur Verarbeitung der von der Messeinrichtung generierten Signale ausgebildet.
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Ferner weist das Computerprogrammprodukt Programmmittel zum Ansteuern von Magnetlagern auf, mittels welchen der Träger berührungslos entlang der ersten Verschieberichtung verschiebbar an der Basis gelagert ist. Die Programmmittel sind hierbei dazu ausgebildet, die Magnetlager in Abhängigkeit der ermittelten Z-Position des Trägers in Bezug auf die jeweilige Verschiebeposition des Trägers anzusteuern, um den Träger innerhalb geforderter Toleranzgrenzen bezüglich der Z-Position zu halten.
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Es sei an dieser Stelle ferner angemerkt, dass das beschriebene Verfahren und das Computerprogrammprodukt zum bestimmungsgemäßen Betrieb der zuvor beschriebenen Positioniervorrichtung ausgebildet sind. Insoweit gelten sämtliche, in Bezug auf die Positioniervorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile auch gleichermaßen für das Verfahren und das Computerprogrammprodukt als auch umgekehrt.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Positioniervorrichtung,
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2 einen Querschnitt durch die Positioniervorrichtung gemäß 1,
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3 eine schematische Seitenansicht der Positioniervorrichtung mit zwei unterschiedlichen Positionen des Trägers ohne adaptive Ansteuerung der Magnetlager,
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4 eine der 3 entsprechende Darstellung, jedoch mit adaptiver Ansteuerung der Magnetlager,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Positioniervorrichtung, wobei am Träger ein entlang einer zweiten Verschieberichtung beweglicher Tisch angeordnet ist und
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6 ein schematisches und stark vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens zum translatorischen Bewegen eines Substrats mittels der Positioniervorrichtung gemäß der 1 bis 5.
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Detaillierte Beschreibung
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In der perspektivischen Darstellung gemäß 1 ist eine Positioniervorrichtung 10 gezeigt, welche eine Basis 12 mit einem Basisrahmen 14 aufweist. Die Basis 12 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel ferner drei parallel zueinander ausgerichtete, längserstreckte bzw. geradlinig ausgebildete und eine erste Verschieberichtung (x) vorgebende Lagerschienen 16, 18, 20 auf. Die Längsenden jener Lagerschienen 16, 18, 20 sind hierbei über Querriegel 15a, 15b strukturell miteinander verbunden, sodass die Basis 12 eine vergleichsweise stabile sowie verwindungssteife Struktur aufweist. Insbesondere bilden die Lagerschienen 16, 18, 20 und die hiermit querverbundenen Riegel 15a, 15b den Basisrahmen 14.
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Die Lagerschienen 16, 18, 20 sind in der vom Basisrahmen 14 aufgespannten Bewegungsebene (x, y) angeordnet. In einer in der Bewegungsebene (x, y) liegenden Richtung (y) senkrecht zur durch die Längserstreckung der Lagerschienen 16, 18, 20 vorgegebenen ersten Verschieberichtung (x) sind die Lagerschienen 16, 18, 20 beabstandet zueinander angeordnet. Jede der Lagerschienen 16, 18, 20 bildet hierbei ein Auflager bzw. eine Stützfunktionen für einen bezüglich der ersten Verschieberichtung (x) beweglich an der Basis 12 gelagerten Träger 30.
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Der Träger 30 stützt sich, bezogen auf die Y-Richtung, das heißt senkrecht zur ersten Verschieberichtung (x) an zumindest drei Stellen an der Basis 12, nämlich an den beiden äußeren Lagerschienen 16, 20 sowie an einer mittleren Lagerschiene 18 ab. Eigentlich ist eine derartige Lagerung des Trägers 30 an der Basis 12 überbestimmt. Durch Verwendung von Magnetlagern 40, 42, 44 zur berührungslosen Lagerung des Trägers 30 an der Basis 12 kann eine derartige Überbestimmung jedoch durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Magnetlager 40, 42, 44 weitgehend kompensiert werden. Die diversen Magnetlager 40, 42, 44, welche vorliegend am Träger 30 angeordnet sind, sind in 1 lediglich angedeutet. Zumindest zwei jener Magnetlager 40, 42 werden im Querschnitt der 2 explizit gezeigt.
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Für die Lagerung des Trägers 30 an der Basis 12 sind ineinandergreifende oder übergreifende Profilabschnitte 17, 19, 21, sowohl an den Lagerschienen 16, 18, 20 als auch am Träger 30 vorgesehen. So weisen die Lagerschienen 16, 18, 20 jeweils an ihren oberen, dem Träger 30 zugewandten Endabschnitten im Querschnitt L-förmige Profilabschnitte 17, 19, 21 auf, die gleichzeitig ein Auflager für den Träger 30 bilden.
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Horizontal beabstandet von jenen Profilabschnitten 17, 19, 21 sind am Träger 30 hierzu korrespondierend, nach unten ragende, im Querschnitt L-förmig ausgebildete Lagerabschnitte 32, 34, 36 ausgebildet. Die sich jeweils in Horizontalrichtung, das heißt in der X-Y-Ebene erstreckenden Schenkel der Profilabschnitte 17, 19, 21 bzw. der Lagerabschnitte 32, 34, 36 sind in Z-Richtung, das heißt senkrecht zur Bewegungsebene (x, y) überdeckend aber voneinander beabstandet angeordnet.
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Zwischen den genannten Schenkeln der Profilabschnitte 17, 19, 21 und den Lagerabschnitten 32, 34, 36 sind, wie in 2 im Querschnitt gezeigt, die Magnetlager 40, 42, 44 angeordnet. Durch eine entsprechende Beaufschlagung der Magnetlager 40, 42, 44 kann eine nach oben, in Z-Richtung wirkende Kraft auf die Lagerabschnitte 32, 34, 36 ausgeübt werden, der zufolge der Träger 30 berührungsfrei von der Basis 12 abheben und über dieser berührungslos schweben kann.
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Für eine Bewegung entlang der ersten Verschieberichtung (x) ist an der Basis 12, so etwa entlang der mittleren Lagerschiene 18 eine Antriebsschiene 48 vorgesehen, die mit einem magnetischen Antrieb 46 des Trägers 30 zur Bewegung desselben entlang der ersten Verschieberichtung (x) zusammenwirken kann.
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Aufgrund der senkrecht zur ersten Verschieberichtung (x) mehrfachen Abstützung oder Lagerung des Trägers 30 an der Basis 12, kann die freitragende Länge des Trägers in Y-Richtung effektiv verkürzt werden. Auf diese Art und Weise kann etwaigen Durchbiegungen des Trägers 30 effektiv entgegengewirkt werden.
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Die durch die mehrfache Abstützung überbestimmte Lagerung kann durch eine adaptive Ansteuerung der einzelnen Magnetlager 40, 42, 44 effektiv kompensiert werden. Wie in den 3 und 4 dargestellt, ist insbesondere vorgesehen, dass an jedem der längserstreckten Lagerabschnitte 32, 34, 36 des Trägers 30 mehrere, entlang der ersten Verschieberichtung (x) voneinander beabstandete Magnetlager 40a, 40b, 40c angeordnet sind. Wie ferner in 3 dargestellt, weist die betreffende Lagerschiene 16 dem Träger 30 zugewandt, eine gewisse konvexe Krümmung oder entsprechende geometrische Abweichungen von einer absolut geradlinigen Ausgestaltung auf.
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Ein geradliniger Verlauf ist hierbei durch eine mit Bezugsziffer 51 angezogenen Laserstrahl einer Messeinrichtung 55 angedeutet. Während der Träger 30 in einer annähernd mittigen Position entlang der Lagerschiene 16 nahezu horizontal und dementsprechend korrekt ausgerichtet ist, erfährt er jedoch durch eine Verschiebung zum rechten Ende der Lagerschiene 16, wie er dort mit 30' angezeigt ist, eine mitunter deutliche Abweichung von einer durch den Laserstrahl 51 vorgegebenen Soll-Position.
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Die in 3 schematisch dargestellte Messeinrichtung 55 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen zur Erzeugung eines Laserstrahls 51 ausgebildeten Laser 50 auf, wobei der Laserstrahl 51 in etwa parallel zur Lagerschiene 16 ausgerichtet ist und insoweit eine Soll-Position des Trägers 30 bezüglich der Z-Richtung markiert und vorgibt. Am Träger 30 ist ferner ein ortsauslösender Sensor 52 angeordnet, der etwaige Höhenabweichungen des Trägers 30 gegenüber dem Laserstrahl 51 bei einer Verschiebung des Trägers 30 relativ zur Lagerschiene 16 registriert.
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Ein vom Sensor 52 erzeugbares Sensor- oder Steuersignal wird hierbei an eine Steuerung 54 übermittelt, die ihrerseits die einzelnen Magnetlager 40a, 40b, 40c des betreffenden Lagerabschnitts 32 adaptiv ansteuern kann. Das Resultat einer derartigen Ansteuerung ist hierbei in 4 zu sehen. Durch Bestimmen einer Soll-Wert-Abweichung des Trägers 30 bezüglich der Z-Richtung können die einzelnen Magnetlager 40a, 40b, 40c des Lagerabschnitts 32 des Trägers 30 als auch entsprechende weitere Magnetlager der übrigen Lagerabschnitte 34, 36 zur Kompensation der geometrischen Abweichungen der Basis 12 beaufschlagt werden. Wie anhand der Position des in 4 nach rechts verschobenen Trägers 30' erkennbar wurde dessen rechter Rand mittels des betreffenden Magnetlager, etwa mit dem Magnetlager 40a gegenüber der ursprünglichen Position des Trägers 30 angehoben.
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Beispielsweise kann das Magnetlager 40a einen deutlich größeren Abstand d zwischen Träger 30' und Basis 12 als das hiervon in der ersten Verschieberichtung (x) beabstandete Magnetlager 40c einstellen. Im Endeffekt kann mittels der positionsabhängigen adaptiven Ansteuerung der Magnetlager der Träger 30 stets innerhalb geforderter Toleranzgrenzen bezüglich der Z-Richtung gehalten werden und dementsprechend relativ zur Basis 12 bewegt werden.
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In der Ausgestaltung gemäß 5 ist eine Weiterbildung der Positioniervorrichtung 10 gezeigt, bei welcher der Träger 30 mit zwei, bezüglich der ersten Verschieberichtung (x) voneinander beabstandeten Trägerschiene 60, 62 versehen ist, die sich in Y-Richtung, das heißt senkrecht zur ersten Verschieberichtung (x), demgemäß entlang einer zweiten Verschieberichtung (y), erstrecken. Zwischen den Trägerschienen 60, 62 ist ein Tisch 70 in Y-Richtung mittels zumindest zwei lediglich angedeuteten Magnetlagern 72, 74 berührungsfrei verschiebbar. An dem Tisch 70 kann ferner ein Drehteller 76 vorgesehen sein, welcher ein am Drehteller 76 angeordnetes, vorliegend aber nicht explizit gezeigtes Substrat in der Bewegungsebene (x, y) auch drehen bzw. ausrichten kann.
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Die adaptive Ansteuerung der Magnetlager 40, 42, 44 des Trägers 30 ist gleichermaßen auf die Magnetlager 72, 74, des Tischs 70 übertragbar.
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In 6 ist schließlich in stark vereinfachter Darstellung der Ablauf eines Verfahrens zum translatorischen Bewegen und/oder Ausrichten eines Substrats mittels der Positioniervorrichtung 10 dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird zunächst ein Z-Position des Trägers 30 zu der von der Basis 12 vorgegebenen Bewegungsebene (x, y) ermittelt. Jene Position kann relativ zur Basis als auch relativ zu einer etwa von einem Laserstrahl 51 vorgegebenen Referenz erfolgen. In Abhängigkeit der ermittelten Z-Position kann in einem nachfolgenden Schritt 102 zumindest eines der Magnetlager 40, 42, 44 zur Kompensation etwaiger geometrischer Abweichungen in Z-Richtung des Trägers angesteuert werden. Hiernach kann das Verfahren wieder zum Schritt 100 zurückkehren und eine entsprechende Regelung für einen gegenüber dem ersten Verfahrensdurchgang in X-Richtung verschobenen Träger durchführen.
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In Abwandlung hiervon ist natürlich auch denkbar, dass sämtliche vom Träger 30 entlang der Lagerschienen 16, 18, 20 anfahrbaren Positionen sukzessive angefahren und in den jeweiligen Positionen eine Abweichung des Trägers 30 bezüglich seiner Z-Position gegenüber einer Referenz 51 ermittelt wird. Ein derartiger Datensatz kann alsdann in einem Speicher der Steuerung 54 hinterlegt und bei erneutem Anfahren betreffender Positionen des Trägers zur toleranzkompensierenden Ansteuerung der einzelnen Magnetlager 40, 42, 44 ausgelesen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Positioniervorrichtung
- 12
- Basis
- 14
- Basisrahmen
- 15a
- Riegel
- 15b
- Riegel
- 16
- Lagerschiene
- 17
- Profilabschnitt
- 18
- Lagerschiene
- 19
- Profilabschnitt
- 20
- Lagerschiene
- 21
- Profilabschnitt
- 30
- Träger
- 32
- Lagerabschnitt
- 34
- Lagerabschnitt
- 36
- Lagerabschnitt
- 40
- Magnetlager
- 40a
- Magnetlager
- 40b
- Magnetlager
- 40c
- Magnetlager
- 42
- Magnetlager
- 44
- Magnetlager
- 46
- Magnetischer Antrieb
- 48
- Antriebsschiene
- 50
- Laser
- 51
- Laserstrahl
- 52
- Sensor
- 54
- Steuerung
- 55
- Messeinrichtung
- 60
- Trägerschiene
- 62
- Trägerschiene
- 70
- Tisch
- 72
- Magnetlager
- 74
- Magnetlager
- 76
- Drehteller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7868488 B2 [0006, 0010]
