DE102015015765A1

DE102015015765A1 - Elektrostatische Haltevorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb, und Ladungs-Transferschaltung

Info

Publication number: DE102015015765A1
Application number: DE102015015765.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Preuss; Gunnar HEINZE; Michael Fall; Alexander Stein
Original assignee: Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH and Co
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-12-05
Also published as: DE102015015765B4; US10256130B2; US20170162414A1

Abstract

Eine elektrostatische Haltevorrichtung (100) zur Halterung eines Bauteils (1) durch elektrostatische Haltekräfte umfasst einen Clamp-Träger (10), der eine Elektrodeneinrichtung (11) aufweist und für eine Aufnahme des Bauteils (1) konfiguriert ist, eine Spannungsquelleneinrichtung (20) zur Bereitstellung eines Quellen-Ladestroms für eine Aufladung des Clamp-Trägers (10), eine Quellen-Schalteinrichtung (30), die für eine schaltbare Verbindung der Spannungsquelleneinrichtung (20) mit der Elektrodeneinrichtung (11) angeordnet ist, und mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B), die eine Speicherkapazität (41, 41A, 41B) aufweist und zur Aufnahme eines Clamp-Entladestroms und Zwischenspeicherung von elektrischen Ladungen vom Clamp-Träger (10) in der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) und zur Bereitstellung eines Speicher-Ladestroms für die Aufladung des Clamp-Trägers (10) eingerichtet ist. Ferner werden ein Verfahren zum Betrieb der Haltevorrichtung (100) und eine Transferschaltung (200) zur Übertragung von Ladungen von einer Arbeitskapazität (201) in eine Speicherkapazität (202) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Haltevorrichtung, die zur Halterung eines Bauteils, wie zum Beispiel eines Halbleiterwafers, durch elektrostatische Haltekräfte eingerichtet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der elektrostatischen Haltevorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Transferschaltung, die zur Übertragung von elektrischen Ladungen von einer Arbeitskapazität, wie zum Beispiel einem Clamp-Träger einer elektrostatischen Haltevorrichtung, in eine Speicherkapazität eingerichtet ist, und ein Verfahren zum Betrieb der Transferschaltung. Anwendungen der Erfindung sind insbesondere bei der Herstellung von elektrostatischen Haltevorrichtungen und bei deren Betrieb gegeben.
Haltevorrichtungen zur elektrostatischen Halterung von Bauteilen, die auch als elektrostatische Haltevorrichtungen, elektrostatische Klemmvorrichtungen, elektrostatische Clamps, elektrostatische Chucks oder ESC's bezeichnet werden, sind allgemein bekannt. Eine wichtige Anwendung elektrostatischer Haltevorrichtungen besteht bei der Halterung von Halbleiterwafern, insbesondere Siliziumwafern, in der lithographischen Halbleiterprozessierung, zum Beispiel in der Chip-Produktion. Als besondere Vorteile werden die einfache Schaltbarkeit elektrostatischer Haltekräfte, eine hohe Positioniergenauigkeit und eine zuverlässige Fixierung der Bauteile im Vakuum ausgenutzt.
Eine elektrostatische Haltevorrichtung weist einen Clamp-Träger mit mindestens einer freien Oberfläche zur Aufnahme des Bauteils und eine in den Clamp-Träger integrierte Elektrodeneinrichtung auf. Die elektrostatischen Haltekräfte werden erzeugt, indem die Elektrodeneinrichtung mit einer Hochspannung beaufschlagt und der Clamp-Träger entsprechend elektrisch geladen wird. Der geladene Clamp-Träger wirkt auf das Bauteil anziehend, so dass dieses auf der freien Oberfläche des Clamp-Trägers anhaftet und mit diesem gehaltert und/oder bewegt werden kann. Zur Freigabe des Bauteils wird der Clamp-Träger entladen und optional umgeladen, d. h. mit umgekehrter Polarität geladen (so genanntes ”Declampen”).
Herkömmliche elektrostatische Haltevorrichtungen haben sich im praktischen Gebrauch aus den folgenden Gründen als nachteilig erwiesen. Bisher erfolgt die Entladung des Clamp-Trägers durch eine Verbindung der Elektrodeneinrichtung mit Massepotential (Erdung). Die im geladenen Clamp-Träger gespeicherte Energie ist zwar aufgrund des geringen Kapazitätswertes des Clamp-Trägers im Bereich von wenigen nF relativ gering. Werden jedoch an einer Anlage zur Halbleiterprozessierung alle Entladungs-Vorgänge an allen Haltevorrichtungen summiert, kann sich durch die Entladung ein erheblicher Energieverlust ergeben.
Des Weiteren erfordern das Declampen und/oder ein nachfolgender Arbeitsgang der Haltevorrichtung ein erneutes Laden des Clamp-Trägers. Um die Dauer des Lade-Vorgangs zu minimieren, erfolgt das Laden bisher mit einer möglichst hohen Stromstärke. Um die Beaufschlagung der Elektrodeneinrichtung mit der Hochspannung und einer ausreichend hohen Stromstärke zu gewährleisten, werden Spannungsquellen mit einer Leistung von zum Beispiel 5 W benötigt. Derartige Spannungsquellen werden aufgrund ihrer Größe und Masse außerhalb der für die Halbleiterprozessierung vorgesehenen Vakuumkammer angeordnet und mit der Elektrodeneinrichtung im Clamp-Träger über elektrische Leitungen verbunden. Die Leitungsverbindungen erfordern jedoch wegen der Verwendung von Hochspannung besondere Maßnahmen zur zuverlässigen elektrischen Isolation und zur Vermeidung unerwünschter Überschläge beim Betrieb im Hochvakuum. Des Weiteren beschränken die Leitungen die Beweglichkeit des Clamp-Trägers.
Eine Lösung der genannten Probleme konnte bisher nicht gefunden werden, da die Verwendung von niedriger dimensionierten Spannungsquellen den Übergang zu geringeren Stromstärken beim Laden des Clamp-Trägers erfordern und damit lange Ladezeiten und eine übermäßige Verzögerung der Halbleiter-Prozessierung ergeben würde.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte elektrostatische Haltevorrichtung bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher elektrostatischer Haltevorrichtungen vermieden werden. Die elektrostatische Haltevorrichtung soll sich insbesondere durch einen verringerten Energieverbrauch, geringere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Spannungsquelle, geringere Anforderungen an das Vakuum beim Betrieb der Haltevorrichtung und/oder eine vergrößerte Flexibilität bei der Einstellung und Bewegung der Haltevorrichtung auszeichnen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrostatischen Haltevorrichtung bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Das Verfahren soll insbesondere Lade-Vorgänge mit einem verminderten Ladestrom, eine verminderte Dauer des Ladevorgangs und/oder die Verwendung einer Spannungsquelle mit einer verminderten Leistung ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch eine elektrostatische Haltevorrichtung, ein Verfahren zu deren Betrieb und/oder eine Transferschaltung zur Übertragung elektrischer Ladungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch eine elektrostatische Haltevorrichtung gelöst, die zur Halterung eines Bauteils durch elektrostatische Haltekräfte eingerichtet ist und einen Clamp-Träger mit einer Elektrodeneinrichtung, eine Spannungsquelleneinrichtung und eine Quellen-Schalteinrichtung zur schaltbaren Verbindung der Spannungsquelleneinrichtung mit der Elektrodeneinrichtung umfasst. Die Elektrodeneinrichtung ist für eine elektrische Aufladung des Clamp-Trägers bei Beaufschlagung mit einer Hochspannung und einem Quellen-Ladestrom konfiguriert, die von der Spannungsquelleneinrichtung geliefert werden. Zur Bereitstellung der Hochspannung enthält die Spannungsquelleneinrichtung einen induktiv oder kapazitiv arbeitenden Gleichspannungswandler. Der Clamp-Träger stellt eine Arbeitskapazität dar, mit der im geladenen Zustand die elektrostatischen Haltekräfte erzeugt werden. Gemäß der Erfindung ist die elektrostatische Haltevorrichtung mit mindestens einer Ladungsspeichereinrichtung ausgestattet, die mindestens eine Speicherkapazität aufweist. Die mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung ist zur Aufnahme eines Clamp-Entladestroms und Zwischenspeicherung von elektrischen Ladungen vom Clamp-Träger in der Speicherkapazität und zur Bereitstellung eines Speicher-Ladestroms für die Aufladung des Clamp-Trägers eingerichtet. Abweichend von herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtungen wird der Clamp-Entladestrom nicht vollständig zu einem Massekontakt abgeleitet, sondern von der Speicherkapazität aufgenommen.
Es kann eine einzige Ladungsspeichereinrichtung mit einer einzigen Speicherkapazität oder mehreren Speicherkapazitäten vorgesehen sein, was Vorteile für die Kompaktheit der Schaltung hat. Alternativ können zwei Ladungsspeichereinrichtungen vorgesehen sein, die zur Aufnahme des Clamp-Entladestroms mit verschiedenen Stromrichtungen bzw. zur Zwischenspeicherung von Ladungen vom Clamp-Träger mit verschiedenen Polarisierungsrichtungen angeordnet sind, was Vorteile für die Effizienz der Zwischenspeicherung von Ladungen hat. Ferner können mehr als zwei Ladungsspeichereinrichtungen vorgesehen sein, um Ladungen in verschiedenen Betriebsphasen der elektrostatischen Haltevorrichtung zu speichern. Vorzugsweise enthält jede Ladungsspeichereinrichtung zur Zwischenspeicherung von elektrischen Ladungen vom Clamp-Träger mindestens einen Speicherkondensator.
Vorteilhafterweise bietet die mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung eine Reihe von Vorteilen, mit denen die Beschränkungen der herkömmlichen Techniken vermieden oder sogar vollständig ausgeschlossen werden. Erstens geht der Clamp-Entladestrom nicht vollständig verloren. Der Clamp-Entladestrom kann, abgesehen von Ohm'schen Verlusten, vollständig von der mindestens einen Speicherkapazität aufgenommen werden. Der Energieverbrauch der elektrostatischen Haltevorrichtung wird vermindert. Zweitens wird durch die Bereitstellung des Speicher-Ladestroms die Spannungsquelleneinrichtung entlastet. Dies ermöglicht, die Spannungsquelleneinrichtung mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Techniken verringerten Ausgangsleistung zu konfigurieren. Die Spannungsquelleneinrichtung kann mit einer kompakten Bauform bereitgestellt werden, so dass Beschränkungen herkömmlicher Haltevorrichtungen in Bezug auf die Anordnung und den Betrieb der Spannungsquelleneinrichtung vermieden werden.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrostatischen Haltevorrichtung, die zur Halterung eines Bauteils durch elektrostatische Haltekräfte eingerichtet ist und einen Clamp-Träger aufweist, gelöst, wobei der Clamp-Träger mit einer ersten Polarisierungsrichtung geladen und in einem Clamp-Zustand zur Halterung und/oder Bewegung des Bauteils verwendet wird und wobei anschließend der Clamp-Träger unter Verwendung von mindestens einer Ladungsspeichereinrichtung mit einer Speicherkapazität entladen und mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarisierungsrichtung erneut geladen wird, um das Bauteil in einem Declamp-Zustand freizugeben. Vorteilhafterweise werden durch die Zwischenspeicherung elektrischer Ladungen in der mindestens einen Ladungsspeichereinrichtung ein Energieverlust vermindert und die Einstellung des Declamp- oder eines weiteren Clamp-Zustands beschleunigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung jeweils mit einer Transfer-Schalteinrichtung ausgestattet. Die Transfer-Schalteinrichtung ist für die schaltbare Verbindung der Elektrodeneinrichtung mit der Speicherkapazität so konfiguriert, dass in einem EIN-Zustand der Transfer-Schalteinrichtung der Clamp-Entladestrom von der Elektrodeneinrichtung zu der Speicherkapazität fließen kann und in einem AUS-Zustand die Elektrodeneinrichtung von der Speicherkapazität elektrisch getrennt ist. Des Weiteren ist die elektrostatische Haltevorrichtung mit einer Wechsel-Schalteinrichtung für schaltbare Verbindungen der Elektrodeneinrichtung mit der Speicherkapazität ausgestattet. Die Wechsel-Schalteinrichtung ist zusätzlich zur mindestens einen Transfer-Schalteinrichtung für eine schaltbare Verbindung der Elektrodeneinrichtung mit der Speicherkapazität derart angeordnet, dass der Speicher-Ladestrom von der Speicherkapazität mit einstellbarer Stromrichtung zur Elektrodeneinrichtung fließen kann. Die Wechsel-Schalteinrichtung ist vorzugsweise so konfiguriert, dass der Speicher-Ladestrom von der Speicherkapazität zur Elektrodeneinrichtung in einem ersten EIN-Zustand mit einer ersten Stromrichtung und in einem zweiten EIN-Zustand mit einer zweiten, entgegengesetzten Stromrichtung fließt. Optional kann die Wechsel-Schalteinrichtung auch einen AUS-Zustand aufweisen, in dem die Elektrodeneinrichtung und die Speicherkapazität voneinander elektrisch getrennt sind.
Vorzugsweise sind die Transfer-Schalteinrichtung(en) und die Wechsel-Schalteinrichtung so konfiguriert, dass der Clamp-Träger in einem geladenen Zustand mit einer ersten Polarisierungsrichtung einer Entladung und einer nachfolgenden erneuten Aufladung in einen geladenen Zustand mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarisierungsrichtung unterzogen werden kann. Hierzu ist die Wechsel-Schalteinrichtung zur Verbindung der Speicherkapazität mit der Elektrodeneinrichtung mit einstellbarer Polarität bzw. Stromrichtung des Speicher-Ladestroms angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Wechsel-Schalteinrichtung zusätzlich für eine schaltbare Verbindung der Spannungsquelleneinrichtung mit der Elektrodeneinrichtung angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist die Wechsel-Schalteinrichtung in diesem Fall so konfiguriert ist, dass gleichzeitig mit der Zufuhr des Speicher-Ladestroms auch der Quellen-Ladestrom mit wählbarer Stromrichtung von der Spannungsquelleneinrichtung zur Elektrodeneinrichtung fließen kann. Vorteilhafterweise erhält damit die Wechsel-Schalteinrichtung eine Doppelfunktion, was sich günstig auf die Kompaktheit der elektrischen Bauteile der elektrostatischen Haltevorrichtung auswirkt.
Vorteilhafterweise sind verschiedene Konfigurationen der mindestens einen Ladungsspeichereinrichtung verfügbar, die in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen der elektrostatischen Haltevorrichtung und insbesondere in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Ausgangsleistung der Spannungsquelleneinrichtung gewählt werden können.
Gemäß einer ersten Variante (erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung) ist die Elektrodeneinrichtung unmittelbar über die Transfer-Schalteinrichtung und die Wechsel-Schalteinrichtung mit der Speicherkapazität verbunden. Zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Speicherkapazität wirken lediglich die inneren Widerstände der Transfer-Schalteinrichtung und der Wechsel-Schalteinrichtung auf den Clamp-Entladestroms bzw. den Speicher-Ladestrom aus. Zur Entladung fließt der Clamp-Entladestrom von der Elektrodeneinrichtung über die Transfer-Schalteinrichtung und die Wechsel-Schalteinrichtung zu der Speicherkapazität. Zur erneuten Ladung des Clamp-Trägers mit entgegengesetzter Polarisierung (Umladung) fließt der Speicher-Ladestrom von der Speicherkapazität über die Wechsel-Schalteinrichtung und die Transfer-Schalteinrichtung zu der Elektrodeneinrichtung. Die Wechsel-Schalteinrichtung ist als Wechselschalter gebildet, so dass der Clamp-Entladestrom und der Speicher-Ladestrom in Bezug auf die Elektrodeneinrichtung mit gleichen Stromrichtungen fließen, wodurch beim Umladen eine Umkehrung der Polarisierung des Clamp-Trägers erreicht wird.
Vorzugsweise weist die Speicherkapazität bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gesamtkapazität auf, die gleich der 3-fachen Kapazität des Clamp-Trägers ist. Vorteilhafterweise kann in diesem Fall die von der Speicherkapazität zwischengespeicherte elektrische Energie maximiert werden.
Besonders bevorzugt umfasst die Speicherkapazität bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen einzigen Speicherkondensator, wodurch der Aufbau der Ladungsspeichereinrichtung vorteilhafterweise vereinfacht wird.
Gemäß einer zweiten Variante (zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung) sind zwei Ladungsspeichereinrichtungen jeweils mit einer Transfer-Schalteinrichtung und einer Speicherkapazität vorgesehen. Die Ladungsspeichereinrichtungen sind jeweils zur Aufnahme des Clamp-Entladestroms von entgegengesetzt geladenen Seiten der Kapazität des Clamp-Trägers angeordnet. Jede der Ladungsspeichereinrichtungen enthält eine Transferschaltung jeweils mit einer Speicherinduktivität und einer Takt-Schalteinrichtung. Die Elektrodeneinrichtung ist über jeweils eine der Transfer-Schalteinrichtungen und jeweils eine der Transferschaltungen mit einer der Speicherkapazitäten verbunden, so dass der Clamp-Entladestrom über die Transferschaltungen zu den Speicherkapazitäten fließen kann. Die Takt-Schalteinrichtungen sind für eine abwechselnde Ladung der Speicherinduktivitäten aus der Elektrodeneinrichtung und Entladung der Speicherinduktivitäten in die Speicherkapazitäten angeordnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass die Ausbeute bei der Verschiebung von Ladungen von der Elektrodeneinrichtung in die Ladungsspeichereinrichtung im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erheblich erhöht werden kann. Abgesehen von Ohm'schen Verlusten kann die elektrische Ladung von der Elektrodeneinrichtung durch das schrittweise Laden und Entladen der Speicherinduktivitäten vollständig in die Speicherkapazitäten übernommen werden. Vorteilhafterweise wird damit die Spannungsquelleneinrichtung erheblich entlastet. Die Ausgangsleistung der Spannungsquelleneinrichtung muss beim Betrieb der elektrostatischen Haltevorrichtung lediglich zum Ausgleich der Ohm'schen Verluste in der Ladungsspeichereinrichtung dimensioniert werden.
Eine Transferschaltung, die zur Übertragung von Ladungen von einer Arbeitskapazität, insbesondere der Kapazität des Clamp-Trägers, in eine Speicherkapazität, insbesondere in eine Speicherkapazität der Ladungsspeichereinrichtung, eingerichtet ist, und/oder ein Verfahren zum Betrieb der Transferschaltung stellen gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt weitere Lösungen der oben genannten Aufgabe dar. Die Transferschaltung zeichnet sich allgemein durch einen Transferschalter, eine Speicherinduktivität, einen Taktschalter, ein Halbleiterventil und eine Taktsteuerschaltung aus, wobei die Arbeitskapazität, der Transferschalter, die Speicherinduktivität, das Halbleiterventil und die Speicherkapazität in Reihe geschaltet sind und der Taktschalter zu dem Halbleiterventil und der Speicherkapazität parallel geschaltet ist. Die Taktsteuerschaltung ist zum abwechselnden EIN- und AUS-Schalten des Taktschalters derart angeordnet, dass in einer ersten Schaltphase (EIN) Ladungen von der Arbeitskapazität in die Speicherinduktivität und in einer zweiten Schaltphase (AUS) Ladungen von der Speicherinduktivität in die Speicherkapazität übertragen werden. Bevorzugt sind die Transfer- und Taktschalter und das Halbleiterventil Halbleiter-Bauelemente, insbesondere Transistoren bzw. eine Halbleiterdiode.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Spannungsquelleneinrichtung sowohl elektrisch als auch geometrisch kleiner als bei herkömmlichen Techniken zu dimensionieren. Vorteilhafterweise ermöglicht dies, die Spannungsquelleneinrichtung und die Quellen-Schalteinrichtung mit dem Clamp-Träger fest zu verbinden. Vorteilhafterweise kann die Hochspannung zum Laden des Clamp-Trägers auf diesem erzeugt werden, während die Versorgung der Spannungsquelleneinrichtung mit einer ebenfalls auf dem Clamp-Träger angeordneten Akkumulatoreinrichtung oder über Versorgungsleitungen auf niedrigem Potential erfolgt. Vorteilhafterweise werden damit das Risiko von Überschlägen in der Vakuumkammer und die Anforderungen an das Vakuum in der Vakuumkammer vermindert.
Alternativ können die mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung und die Wechsel-Schalteinrichtung mit dem Clamp-Träger fest verbunden und mit diesem beweglich sein. Besonders bevorzugt sind sowohl die Spannungsquelleneinrichtung und die Quellen-Schalteinrichtung als auch die mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung und die Wechsel-Schalteinrichtung mit dem Clamp-Träger fest verbunden, insbesondere in den Aufbau des Clamp-Trägers integriert. Die genannten Komponenten können beim Betrieb der Haltevorrichtung mit dem Clamp-Träger bewegt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrostatischen Haltevorrichtung;
2: ein Schaltbild der elektrostatischen Haltevorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3: eine Illustration des ersten Ausführungsbeispiels anhand eines Gefäßmodells;
4: eine Kurvendarstellung von elektrischen Parametern der Ladungsspeichereinrichtung gemäß 2;
5: ein Flussdiagramm zur Darstellung der Schrittfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6: ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Transferschaltung;
7: eine Illustration der Transferschaltung gemäß 6 anhand eines Gefäßmodells; und
8: ein Schaltbild der elektrostatischen Haltevorrichtung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit zwei Transferschaltungen gemäß 6.
Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die elektrische Konfiguration einer elektrostatischen Haltevorrichtung beschrieben. Einzelheiten der elektrostatischen Haltevorrichtung, insbesondere des mechanischen und geometrischen Aufbaus des Clamp-Trägers und der Einbettung der Elektrodeneinrichtung in den Clamp-Träger, und von deren Betrieb, insbesondere bei der Aufnahme, Bewegung und Ablage von Bauteilen, insbesondere Halbleiterwafern, werden nicht beschrieben, da diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Clamp-Träger kann insbesondere ein- oder zweiseitig ebene Aufnahmeflächen aufweisen, die jeweils zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen sind.
Die elektrische Konfiguration der elektrostatischen Haltevorrichtung wird unter Bezug auf zwei beispielhafte Schaltbilder in den 2 und 8 beschrieben, die jeweils das erste und das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung illustrieren. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht auf die beispielhaft gezeigten Schaltungen beschränkt, sondern mit abweichend realisierten Schaltungen möglich ist, die zum Entladen/Zwischenspeichern von Ladungen aus dem Clamp-Träger und zum Umladen des Clamp-Trägers ausgelegt sind.
1 zeigt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine erfindungsgemäße elektrostatische Haltevorrichtung 100 in einer Anlage zur Halbleiterprozessierung mit einer Vakuumkammer 110 und einer Prozessierungsstation 120, zum Beispiel zur Belichtung oder Strukturierung eines Halbleiterwafers 1. Die elektrostatische Haltevorrichtung 100 umfasst einen Clamp-Träger 10 mit einer integrierten Elektrodeneinrichtung 11. Der Clamp-Träger 10 ist beispielsweise aufgebaut, wie es von herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtungen bekannt ist, und zur Aufnahme des Halbleiterwafers 1 eingerichtet. Eine Spannungsquelleneinrichtung 20 mit einer Quellen-Schalteinrichtung 30 und mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung 40 mit den Transfer- und Wechsel-Schalteinrichtungen 50, 60 sind mit dem Clamp-Träger 10 fest verbunden. Der Clamp-Träger 10 ist mit einem Haltearm 12 und einer Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) in Bezug auf die Prozessierungsstation 120 einstellbar und beweglich oder zu einer weiteren Prozessierungsstation verfahrbar.
Die Spannungsquelleneinrichtung 20 ist über Verbindungsleitungen (nicht dargestellt) mit einer äußeren Stromversorgung verbunden. Die Verbindungsleitungen sind mit dem Haltearm 12 gekoppelt. Die Stromversorgung der Spannungsquelleneinrichtung 20 befindet sich auf einem Niederspannungspotential, zum Beispiel im Bereich von 1,2 V bis 48 V. Die Hochspannung an der Elektrodeneinrichtung 11 wird mit einem Gleichspannungswandler (nicht dargestellt) der Spannungsquelleneinrichtung 20 erzeugt. Alternativ kann die Spannungsquelleneinrichtung 20 anstelle der Verbindung mit einer äußeren Stromversorgung mit einer Akkumulatoreinrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet sein.
2 zeigt ein Schaltbild der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Clamp-Träger 10 und die Elektrodeneinrichtung 11 gemäß 1 werden durch die Clampkapazität 13 (C_cl) dargestellt. Die Spannungsquelleneinrichtung 20 umfasst eine Gleichspannungsquelle 21, deren innerer Widerstand mit dem Bezugszeichen 22 dargestellt ist, mit einem Gleichspannungswandler (nicht dargestellt). Der Gleichspannungswandler ist ein Standardbauteil, mit dem eine Eingangsspannung auf Niederspannungsniveau auf die gewünschte Hochspannung konvertiert wird. Die Spannungsquelleneinrichtung 20 ist über die Quellen-Schalteinrichtung 30, umfassend einen Hauptschalter 31 und zwei Quellen-Wechselschalter 32, 33, mit der Clampkapazität 13 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 21 mit dem inneren Widerstand 22, der Hauptschalter 31, der erste Quellen-Wechselschalter 32, die Clampkapazität 13 und der zweite Quellen-Wechselschalter 33 sind in Reihe geschaltet. In Abhängigkeit von der Stellung der Schalteinrichtung 30, insbesondere der Quellen-Wechselschal-ter 32, 33 ist die Polarisierungsrichtung der Clampkapazität 13 einstellbar. Die ersten und zweiten Quellen-Wechselschal-ter 32, 33 sind so gesteuert, dass eine Seite der Clampkapazität 13 entweder mit dem positiven oder dem negativen Pol und die andere Seite der Clampkapazität 13 entsprechend entweder mit dem negativen oder dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 21 verbunden ist.
Des Weiteren ist die Clampkapazität 13 mit der Ladungsspeichereinrichtung 40 verbunden, welche die Speicherkapazität 41 (C_s), die Transfer-Schalteinrichtung 50 mit einem einzelnen Transferschalter 51, dessen innerer Widerstand mit dem Bezugszeichen 52 dargestellt ist, und die Wechsel-Schalteinrichtung 60 mit den Transfer-Wechselschaltern 61, 62 umfasst. Die Ladungsspeichereinrichtung 40 bildet eine Reihenschaltung der Clampkapazität 41 mit dem Transferschalter 51, dem ersten Transfer-Wechselschalter 61, der Speicherkapazität 41 und dem zweiten Transfer-Wechselschalter 62. Die Transfer-Wechselschalter 61, 62 werden so angesteuert, dass die erste Seite der Speicherkapazität 41 (wie dargestellt) entweder mit der ersten Seite der Clampkapazität 13 oder mit der zweiten Seite der Clampkapazität 13 verbunden ist.
Bei einer Clampkapazität 13 von z. B. 3 nF und einer Clampspannung von z. B. 3 kV betragen der innere Widerstand 52 z. B. 10 Ω und die Speicherkapazität 41 z. B. 10 nF. Die Gleichspannungsquelle 21 ist für eine Ausgangsspannung von z. B. 3 kV ausgelegt, während der innere Widerstand 22 z. B. 10 Ω beträgt.
Zusätzlich zeigt 2 einen Entladeschalter 91, der für ein Entladen der Clampkapazität 13 und optional auch der Speicherkapazität 41 angeordnet ist. Wenn der Hauptschalter 31 geöffnet, der Transferschalter 51 geschlossen und der Entladeschalter 91 geschlossen ist, erfolgt eine Verbindung beider Kapazitäten 13, 41 mit dem Massepotential (Erdung). Das Entladen kann zum Beispiel für die Schaffung eines definierten Ausgangszustands beim Betrieb der elektrostatischen Haltevorrichtung oder bei dessen Beendigung von Vorteil sein.
Die Funktionsweise der Ladungsspeichereinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2 wird in 3 mit einem Gefäßmodell illustriert, wobei anstelle der Clamp- und Speicherkapazitäten 13 und 41 jeweils mit einer Flüssigkeit gefüllte Gefäße dargestellt sind, die über ein Ventil verbunden sind. Die Funktion des Ventils wird durch den Transferschalter 51 und die Transfer-Wechselschalter 61, 62 erfüllt.
Vor der Übertragung von Ladungen ist gemäß 3A das Gefäß gefüllt, das der Clampkapazität 13 entspricht, wobei die Füllhöhe im Gefäß der Spannung an der Clampkapazität 13, die Gefäßbreite dem Kapazitätswert der Clampkapazität 13, die Querschnittsfläche der gespeicherten Ladung und das Gefäßvolumen der gespeicherten elektrischen Energie entsprechen. Wird das Ventil zwischen beiden Gefäßen geöffnet, so ergibt sich das in 3B gezeigte Bild. Im Falle gleicher Kapazitätswerte der Clamp- und Speicherkapazitäten 13, 41 fließt die Hälfte der ursprünglich auf der Clampkapazität 13 vorhandenen Ladung auf die Speicherkapazität 41 ab. Gleichzeitig werden von der Speicherkapazität 41 nur 25% der elektrischen Energie aufgenommen. Die übrige Energie wird in Ladungs-Verschiebearbeit umgesetzt.
Wenn gemäß 2 die in der Speicherkapazität 41 gespeicherten Ladungen zum Umladen der Clampkapazität 13 verwendet werden sollen, erfolgt zunächst ein Entladen der Clampkapazität 13 mit dem Entladeschalter 91. Anschließend werden die Wechsel-Schalteinrichtung 60 durch Betätigen der Transfer-Wechselschalter 61, 62 umgepolt und der Transfer-Schalter 51 der Schalteinrichtung 50 geschlossen. Gemäß dem Gefäßmodell in 3 fließen die zwischengespeicherten Ladungen nun zurück zur Clampkapazität 13.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird bei der Zwischenspeicherung in der Speicherkapazität 41 nur ein Teil der Ladungen vom Clamp-Träger 10 übernommen, wie in 3 dargestellt ist. Die auf dem Clamp-Träger 10 verbleibenden Ladungen werden vor dem Umladen (Declampen) mittels einer Erdung des Clamp-Trägers 10 über den Entladeschalter 91 abgeleitet. Obwohl damit ein Energieverlust verbunden ist, liefert das erste Ausführungsbeispiel dennoch eine Entlastung der Spannungsquelleneinrichtung.
4 zeigt die Abhängigkeit der Spannung U₄₁ der Speicherkapazität 41 und der Spannung U₁₃ der Clampkapazität 13 vom Quotienten n der Kapazitätswerte der Speicherkapazität 13 und der Clampkapazität 41 (n = C_s/C_c). Der Erfinder hat festgestellt, dass die maximale Effizienz der Rückübertragung der Ladung für n = 3 erzielt wird. Wenn die Speicherkapazität 41 gleich dem 3-fachen Wert der Clampkapazität 13 ist, wird die Spannungsquelleneinrichtung 20 beim Nachladen der Clampkapazität 13 mit der Anordnung gemäß 3 bei einem nachfolgenden Lade-Vorgang maximal entlastet.
Das Verfahren zum Betrieb der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 (ESC) gemäß 2 wird im Folgenden unter Bezug auf 5 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird die elektrostatische Haltevorrichtung 100 elektrisch geladen. Der Hauptschalter 31 wird EIN-geschaltet und die Quellen-Wechselschalter 32, 33 werden so eingestellt, dass die Elektrodeneinrichtung 11 des Clamp-Trägers 10 von der Gleichspannungsquelle 21 mit einer Hochspannung beaufschlagt wird, ein Ladestrom zu der Elektrodeneinrichtung 11 fließt und die Clampkapazität 13 geladen wird.
Die geladene Clampkapazität 13 ist dann im Clamp-Zustand, in dem die Aufnahme und Handhabung eines Bauteils erfolgt (ESC-Arbeitsgang, Schritt S2). Im Clamp-Zustand ist der Hauptschalter 31 AUS-geschaltet. Nach Beendigung der Prozessierung des Bauteils soll dieses z. B. abgelegt oder an eine benachbarte Prozessierungsstation übergeben werden. Zu diesem Zweck erfolgen anschließend ein Entladen (Schritt S3) und ein Umladen (Declampvorgang, Schritt S4) des Clamp-Trägers 10.
Schritt S3 umfasst das erfindungsgemäße Entladen der Clampkapazität 13, wobei der Transferschalter 51 EIN-geschaltet ist und die Transfer-Wechselschalter 62, 63 so eingestellt werden, dass ein Clamp-Entladestrom mit einer bestimmten Stromrichtung zu der Speicherkapazität 41 fließt, die Clampkapazität 13 entladen wird und elektrische Ladungen von der Clampkapazität 13 in der Speicherkapazität 41 zwischengespeichert werden. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Clampkapazität 13 durch die Verbindung mit der Speicherkapazität 41 nicht vollständig entladen (siehe 3). Aus diesem Grund wird Schritt S3 mit einer Restentladung der Clampkapazität 13 abgeschlossen, wobei der Transfer-Schalter 51 AUS-geschaltet ist und der Entlade-Schalter 91 kurzzeitig EIN-geschaltet ist.
Bei Schritt S4 erfolgt ein Umladen des Clamp-Trägers 10 mit einer in Bezug auf den vorherigen Clampzustand entgegengesetzten Polarisierungsrichtung. Der Transfer-Schalter 51 wird EIN-geschaltet, wobei Ladungen von der Speicherkapazität 41 zu dem Clamp-Träger 10 fließen. Die Transfer-Wechselschalter 61, 62 und die Quellen-Wechselschalter 32, 33 werden so eingestellt, dass sich an der Clampkapazität 13 die entgegengesetzte Polarisierungsrichtung ergibt und das Bauteil von der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 freigegeben wird.
Schließlich folgt bei Schritt S5 eine Prüfung, ob ein weiterer ESC-Arbeitsgang vorgesehen ist. Wenn z. B. ein weiteres Bauteil aufgenommen werden soll, folgen erneut ein vollständiges Laden des Clamp-Trägers 10 (Schritt S1) und die beschriebene weitere Schrittfolge. Da der Clamp-Träger 10 von Schritt S4 noch teilweise geladen ist, erfordert Schritt S1 lediglich ein Nachladen. Wenn kein weiteres Bauteil aufgenommen werden soll, wird das Verfahren beendet.
Eine nahezu vollständige Übertragung der Ladungen vom Clamp-Träger und damit eine verbesserte Energieeinsparung wird mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrostatischen Haltevorrichtung erzielt. Dabei erfolgt die Übertragung von Ladungen von dem Clamp-Träger zu der Speicherkapazität mittels einer Transferschaltung, die einen unabhängigen Gegenstand der Erfindung darstellt und im Folgenden unter Bezug auf die 6 und 7 erläutert wird.
Gemäß 6 umfasst die Transferschaltung 200 allgemein eine Arbeitskapazität 201 und eine Speicherkapazität 202, die zur Speicherung von Ladungen aus der Arbeitskapazität 201 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Transferschaltung 200 einen Transferschalter 203, eine Speicherinduktivität 204, einen Taktschalter 205, ein Halbleiterventil 206 und eine Taktsteuerschaltung 207. Des Weiteren zeigt 6 mit Widerstandssymbolen die inneren Widerstände jeweils der Arbeitskapazität 201, der Speicherinduktivität 204, des Halbleiterventils 206, des zweiten Taktschalters 205 und der Speicherkapazität 202. Im Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung gemäß 8 entspricht die Arbeitskapazität 201 der Clampkapazität 13, die Speicherkapazität 202 einer der Speicherkapazitäten 41A, 41B, der Transferschalter 203 einem der Transferschalter 51A, 51B der Transfer-Schalteinrichtungen 50A, 50B, die Speicherinduktivität 204 einer der Speicherinduktivität 43A, 43B, der zweite Taktschalter 205 einem der Taktschalter 71A, 71B der Wechsel-Schalteinrichtung 70A, 70B, das Halbleiterventil 206 einer der Halbleiterdioden 44A, 44B und die Taktsteuerschaltung 207 der Steuereinrichtung 80.
Die Arbeitskapazität 201, der Transferschalter 203, die Speicherinduktivität 204, das Halbleiterventil 206 und die Speicherkapazität 202 sind in Reihe geschaltet. Der Taktschalter 205 ist parallel zu dem Halbleiterventil 206 und der Speicherkapazität 202 geschaltet. Die Transfer- und Taktschalter 203, 205 werden durch Schalttransistoren, zum Beispiel vom Typ IXTH02N450HV gebildet, die durch Puls-förmige Taktsignale (Treibersignale) der Taktsteuerschaltung 207 EIN- oder AUS-geschaltet werden können. Bei der Anwendung in der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 gemäß 9 weist die Speicherinduktivität 204 einen Induktivitätswert von z. B. 1 mH auf.
Das Umspeichern von elektrischen Ladungen von der Arbeitskapazität 201 zu der Speicherkapazität 202 erfolgt durch einen schrittweisen Transfer von Ladungen in einem ersten Teilschritt von der Arbeitskapazität 201 in die Speicherinduktivität 204 und in einem zweiten Teilschritt von der Speicherinduktivität 204 in die Speicherkapazität 202. Die Teilschritte werden im Folgenden unter Bezug auf das Gefäßmodell in 7 erläutert. Im Gefäßmodell stellen die großen Gefäße die Arbeitskapazität 201 und die Speicherkapazität 202 dar, während das kleine Gefäß das Speichervermögen der Speicherinduktivität 204 repräsentiert. Das untere Ventil entspricht den Transfer- und Taktschaltern 203, 205, während das obere Ventil das Halbleiterventil 206 repräsentiert.
7A zeigt die Ausgangssituation vor dem Ladungstransfer, wobei sich alle Ladungen in der Arbeitskapazität 201 befinden.
In einem ersten Teilschritt gemäß 7B erfolgt ein Füllen des kleinen Gefäßes aus dem ersten Gefäß, was einem Transfer eines Teils der Ladungen aus der Arbeitskapazität 201 in die Speicherinduktivität 204 entspricht. Hierzu wird das mit dem ersten Gefäß verbundene untere Ventil geöffnet (EIN-Schalten der Transfer- und Taktschalter 203, 205). Von der Arbeitskapazität 201 fließt ein Strom in die Speicherinduktivität 204, bis diese magnetisch gesättigt ist. Dabei baut sich ein Magnetfeld auf, in dem die elektrische Energie der transferierten Teilladung gespeichert ist.
Anschließend wird gemäß 7C das kleine Gefäß vom ersten Gefäß getrennt und in einen energetisch angehobenen Zustand überführt. Die Speicherinduktivität 204 wird von der Arbeitskapazität 201 getrennt (AUS-Schalten der Transfer- und Taktschalter 203, 205). Die Überführung in den energetisch angehobenen Zustand erfolgt unter Ausnutzung der Gegeninduktion. Die Gegeninduktionsspannung ist derart hoch, dass das Halbleiterventil 206 in Durchlassöffnung öffnet. Im Gefäßmodell wird in einem zweiten Teilschritt das obere Ventil geöffnet, das mit dem zweiten Gefäß verbunden ist. Folglich fließen die Ladungen von der Speicherinduktivität 204 über das Halbleiterventil 206 in die Speicherkapazität 202 ab.
Schließlich folgt nach dem Abbau der Ladungen in der Speicherinduktivität 204 gemäß 7D ein Umschalten des oberen Ventils in den geschlossenen Zustand (Halbleiterventil 206 in Sperrrichtung) und die Überführung der Speicherinduktivität 204 zurück in den energetisch niedrigen Zustand (7A). Nachfolgend kann eine weitere Teilladung von der Speicherinduktivität 204 übernommen und in die Speicherkapazität 202 übertragen werden.
Aufgrund der Sperrfunktion des Halbleiterventils 206 ist ein Rückfließen von Ladungen von der Speicherkapazität 202 in die Arbeitskapazität 201 ausgeschlossen, so dass schrittweise alle Ladungen von der Arbeitskapazität 201 in die Speicherkapazität 202 übertragen werden. Verluste werden lediglich durch die inneren Widerstände der einzelnen Bauteile verursacht. Da der Betrieb der Transferschaltung 200 in der elektrostatischen Haltevorrichtung jedoch bei Hochspannung erfolgt und relativ geringe Ströme fließen, sind auch die Ohm'schen Verluste in der Transferschaltung relativ gering. Eine Abschätzung einer realen Anwendung der Transferschaltung 200 hat ergeben, dass mindestens 80% der elektrischen Energie aus der Arbeitskapazität 201 in der Speicherkapazität 202 speicherbar sind. Zum Entladen der Arbeitskapazität 201 und Aufladen der Arbeitskapazität 202 werden zum Beispiel 200 Schalttakte jeweils mit einer Mikrosekunden-Dauer benötigt, so dass ein vollständiges Zwischenspeichern vorteilhafterweise nur eine Dauer von wenigen Millisekunden hat.
Die bevorzugte Anwendung der Transferschaltung gemäß 6 ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 gegeben, deren Schaltbild in 8 gezeigt ist. Der Clamp-Träger 10 der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 wird durch die Clampkapazität 13 (C_c) und deren inneren Widerstand R₁₃ dargestellt. Mit der Clampkapazität 13 sind zwei Ladungstransfereinrichtungen 40A, 40B jeweils mit einer Transferschaltung und einer Speicherkapazität 41A, 41B analog zu 6 verbunden, die in Bezug auf die Clampkapazität 13 symmetrisch für entgegengesetzte Stromrichtungen und Polaritäten konfiguriert sind.
Die elektrostatische Haltevorrichtung 100 weist gemäß 8 eine Spannungsquelleneinrichtung 20 mit zwei Gleichspannungsquellen 23, 24 jeweils mit einem Gleichspannungswandler (nicht dargestellt) auf. Die Spannungsquelleneinrichtung 20 ist über Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 der Wechsel-Schalteinrichtung 60 mit der Clampkapazität 13 verbunden. Die Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 dienen der Wahl der Stromrichtung des Quellen-Ladestroms von den Gleichspannungsquellen 23, 24 und des Speicher-Ladestroms von den Speicherkapazitäten 41A, 41B und der Polarisierungsrichtung der Clampkapazität 13. Die Gleichspannungsquellen 23, 24 sind in Bezug auf die Clampkapazität 13 entgegengesetzt gepolt, so dass je nach Stellung der Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 die erste oder die zweite Seite der Clampkapazität 13 positiv oder negativ geladen werden kann. Des Weiteren ist jede der Gleichspannungsquellen 23, 24 jeweils mit einem Quellenschalter 34, 35 der Quellen-Schalteinrichtung 30 verbunden, mit denen die Gleichspannungsquellen 23, 24 EIN- oder AUS-geschaltet werden können.
Die Ladungsspeichereinrichtungen 40A, 40B weisen jeweils eine Transfer-Schalteinrichtung 50A, 50B mit einem Transferschalter 51A, 51B, eine Speicherinduktivität 43A, 43B, eine Takt-Schalteinrichtung 70A, 70B jeweils mit einem Taktschalter 71A, 71B, zwei Halbleiterventile 44A, 44B und die Speicherkapazitäten 41A (C_n), 41B (C_p) auf. Des Weiteren sind die Speicherinduktivität 43A der ersten Ladungsspeichereinrichtung 40A über ein Halbleiterventil 45B mit der Speicherkapazität 41B der zweiten Ladungsspeichereinrichtung 40B und die Speicherinduktivität 43B der zweiten Ladungsspeichereinrichtung 40B über ein Halbleiterventil 45A mit der Speicherkapazität 41A der ersten Ladungsspeichereinrichtung 40A verbunden.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Betrieb der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 (ESC) gemäß 8 unter Bezug auf deren Betriebszustände und das Verfahren gemäß 5 beschrieben.
Zum Laden der Clampkapazität 13 werden die Quellenschalter 35, 36 Gleichspannungsquellen 23, 24 EIN-geschaltet und die Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 der Wechsel-Schalteinrichtung 60 so geschaltet, dass an der Clampkapazität 13 die gewünschte Polarisierungsrichtung realisiert wird (Schritt S1 in 5). Die Menge der in die Clampkapazität 13 eingebrachten Ladung wird durch die Steuerung der Ladezeit und des Integrals über den Ladestrom in die Clampkapazität 13 eingestellt. Gleichzeitig werden zur Bestimmung der elektrischen Energie in der Clampkapazität 13 (ESC-Energie) die Spannung an der Clampkapazität 13 und deren aktueller Kapazitätswert gemessen. Aus den ermittelten Größen der Ladungsmenge und Energie können die Dauer und die Taktzeit für die Steuerung des nachfolgenden Umladens auf die Speicherkapazitäten 41A, 41B berechnet werden.
Anschließend erfolgt die Verwendung der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 zur Handhabung eines Bauteils. Die elektrostatische Haltevorrichtung 100 ist im Clamp-Zustand und ein ESC-Arbeitsgang wird ausgeführt (Schritt S2 in 5). In diesem Zustand sind die Quellenschalter 35, 36 der Gleichspannungsquellen 23, 24 AUS-geschaltet. Des Weiteren sind die Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 und die Transferschalter 51A, 51B AUS-geschaltet. Der ESC-Arbeitsgang umfasst zum Beispiel eine Halterung und/oder eine Bewegung des Bauteils 1 an einer Prozessierungsstation (siehe 1).
Anschließend erfolgt ein Entladen der Clampkapazität 13 in die Speicherkapazitäten 41A, 41B der Ladungstransfereinrichtungen 40A, 40B (Schritt S3 in 5). Die Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 und die Quellenschalter 35, 36 werden geöffnet und die Transferschalter 51A, 51B werden geschlossen, um die Ladungsspeichereinrichtungen 40A, 40B mit der Clampkapazität 13 zu verbinden. Anschließend werden die Taktschalter 71A, 71B und die Transferschalter 51A, 51B mit Steuertakten von der Steuereinrichtung 80 angesteuert, bis die Ladungen aus der Clampkapazität 13 über die Speicherinduktivitäten 43A, 43B schrittweise mit dem in den 6 und 7 gezeigten Transferverfahren in die Speicherkapazitäten 41A, 41B überführt worden sind. Um zu vermeiden, dass die Speicherinduktivitäten 43A, 43B in die Sättigung geraten, wird der Strom an den Widerständen 46A, 46B als Maß für die Sättigung gemessen.
Die Steuereinrichtung 80 (Taktgenerator) ist so eingestellt, dass nur Schalttakte mit einer Dauer geringer als 5%, z. B. 1%, der Taktperiode erzeugt werden. Die geringe Dauer der Schalttakte wird bevorzugt, da die Speicherinduktivitäten 43A, 43B nur eine begrenzte Energieaufnahmefähigkeit haben. Damit die Speicherinduktivitäten 43A, 43B bei der Aufnahme von Energie (7B) nicht in die magnetische Sättigung geraten (”Überlaufen” im Gefäßmodell), werden die Transferschalter 51A, 51B kurz geöffnet und nur relativ kleine, den Speicherinduktivitäten angemessene Energiepakete in mehreren schmalen Taktzyklen übertragen.
Je Taktzyklus werden die Speicherkapazitäten 41A, 41B über das Halbleiterventil 44B geladen, wenn die Clampkapazität 13 auf der positiven Seite der Ladungsspeichereinrichtung 40B positive Ladung besitzt, über das Halbleiterventil 44A geladen, wenn die Clampkapazität 13 auf der negativen Seite der Ladungsspeichereinrichtung 40A negative Ladung besitzt, über das Halbleiterventil 45B geladen, wenn die Clampkapazität 13 auf der negativen Seite der Ladungsspeichereinrichtung 40A positive Ladung besitzt, und über das Halbleiterventil 45A geladen, wenn die Clampkapazität 13 auf der positiven Seite der Ladungsspeichereinrichtung 40A negative Ladung besitzt. Durch die symmetrische Anordnung der Transferschaltungen wird die Clampkapazität 13 geleert und die enthaltende Ladung mit hoher Effizienz in mehreren Taktzyklen in die Speicherkapazitäten 41A, 41B übertragen. Dabei kann die zurückgewonnene Energie durch die Messung der Spannung an den Speicherkapazitäten 41A, 41B gemessen werden.
Die gemessene Energie dient als Vorab-Information für die Bestimmung der Dauer und Taktzeit der Steuerung der Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 für das nachfolgende Declampen der Clampkapazität 13. Zum Umladen der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 (ESC im Declamp-Zustand, Schritt S4 in 5) werden die Transferschalter 51A, 51B und die Taktschalter 71A, 71B dauerhaft geöffnet. Die Wechselschalter 61, 62, 63 und 64 werden so eingestellt, dass die Clampkapazität 13 entgegengesetzt zur vorherigen Polaritätsrichtung geladen wird. Wenn die Vorab-Information über die gespeicherte elektrische Energie ergibt, dass nicht genügend Energie für ein Declampen der Clampkapazität 13 vorhanden ist, können zusätzlich die Quellenschalter 35, 36 EIN-geschaltet werden, um die Clampkapazität 13 nachzuladen.
Die Menge der gespeicherten Ladung für das Declampen wird durch die Messung der Ladezeit und die Integration des Ladestroms erfasst. Des Weiteren wird durch die Messung der Spannung an der Clampkapazität 13 und von deren aktuellem Kapazitätswert die eingebrachte elektrische Declamp-Energie bestimmt. Diese Größen dienen der Ermittlung der Zeitdauer und der Taktzeit für die nachfolgende erneute Rückgewinnung der Energie aus dem Declamp-Zustand. Das Entladen der Clampkapazität 13 aus dem Declamp-Zustand erfolgt in gleicher Weise wie das Entladen aus dem Clamp-Zustand.
Anschließend erfolgt die Prüfung, ob ein weiterer ESC-Arbeitsgang gewünscht wird (Schritt S5 in 5). Dementsprechend wird das Verfahren mit dem erneuten Laden der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 (Schritt S1 in 5) fortgesetzt oder beendet.
In einer konkreten Anwendung werden die Kapazitätswerte C_41A, C_41B der Speicherkapazitäten 41A, 41B und die Induktivitätswerte L_43A, L_43B der Speicherinduktivitäten 43A, 43B z. B. wie folgt gewählt: C_41A = C_41B = 1/2C₁₃ = 3 nF; und L_43A = L_43B = 1 mH
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Elektrostatische Haltevorrichtung (100), die zur Halterung eines Bauteils (1) durch elektrostatische Haltekräfte eingerichtet ist, umfassend: – einen Clamp-Träger (10), der eine Elektrodeneinrichtung (11) aufweist und für eine Aufnahme des Bauteils (1) konfiguriert ist, – eine Spannungsquelleneinrichtung (20), die zur Bereitstellung eines Quellen-Ladestroms für eine Aufladung des Clamp-Trägers (10) eingerichtet ist, und – eine Quellen-Schalteinrichtung (30), die für eine schaltbare Verbindung der Spannungsquelleneinrichtung (20) mit der Elektrodeneinrichtung (11) angeordnet ist, gekennzeichnet durch – mindestens eine Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B), die eine Speicherkapazität (41, 41A, 41B) aufweist und zur Aufnahme eines Clamp-Entladestroms und Zwischenspeicherung von elektrischen Ladungen vom Clamp-Träger (10) in der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) und zur Bereitstellung eines Speicher-Ladestroms für die Aufladung des Clamp-Trägers (10) eingerichtet ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der – jede Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B) eine Transfer-Schalteinrichtung (50, 50A, 50B) für eine schaltbare Verbindung der Elektrodeneinrichtung (11) mit der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) derart aufweist, dass der Clamp-Entladestrom von der Elektrodeneinrichtung (11) zu der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) fließen kann, und – eine Wechsel-Schalteinrichtung (60) für eine schaltbare Verbindung der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) mit der Elektrodeneinrichtung (11) derart vorgesehen ist, dass der Speicher-Ladestrom von der Speicherkapazität (41, 41A, 41B) mit einstellbarer Stromrichtung zur Elektrodeneinrichtung (11) fließen kann.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der – die Wechsel-Schalteinrichtung (60) des Weiteren für eine schaltbare Verbindung der Spannungsquelleneinrichtung (20) mit der Elektrodeneinrichtung (11) derart angeordnet ist, dass der Quellen-Ladestrom mit einstellbarer Stromrichtung von der Spannungsquelleneinrichtung (20) zur Elektrodeneinrichtung (11) fließen kann.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der – die Elektrodeneinrichtung (11) unmittelbar über die Transfer-Schalteinrichtung (50) und die Wechsel-Schalteinrichtung (60) mit der Speicherkapazität (41) verbunden ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der – die Speicherkapazität (41) eine Gesamtkapazität hat, die gleich dem 3-fachen Kapazitätswert des Clamp-Trägers (10) ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der – die Speicherkapazität (41) einen einzigen Speicherkondensator umfasst.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der – zwei Ladungsspeichereinrichtungen (40A, 40B) jeweils mit einer Transfer-Schalteinrichtung (50A, 50B) und einer Speicherkapazität (41A, 41B) vorgesehen sind, – die Ladungsspeichereinrichtungen (40A, 40B) jeweils eine Transferschaltung mit einer Speicherinduktivität (43A, 43B) und einer Takt-Schalteinrichtung (70A, 70B) enthalten, – die Elektrodeneinrichtung (11) über jeweils eine der Transfer-Schalteinrichtungen (50A, 50B) und der Transferschaltungen mit einer der Speicherkapazitäten (41A, 41B) verbunden ist, so dass der Clamp-Entladestrom über die Transferschaltungen zu den Speicherkapazitäten (41A, 41B) fließen kann, und – die Takt-Schalteinrichtungen (70A, 70B) für eine Ladung jeder der Speicherinduktivitäten (43A, 43B) aus der Elektrodeneinrichtung (11) und Entladung jeder der Speicherinduktivitäten (43A, 43B) in die Speicherkapazitäten (41A, 41B) angeordnet sind.
Elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – der Clamp-Träger (10) mit der Spannungsquelleneinrichtung (20) und der Quellen-Schalteinrichtung (30) und/oder mit der mindestens einen Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B) und den Transfer- und Wechsel-Schalteinrichtungen (50, 60) fest verbunden und mit diesen beweglich ist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrostatischen Haltevorrichtung (100) mit einem Clamp-Träger (10), der zur Halterung eines Bauteils (1) durch elektrostatische Haltekräfte eingerichtet ist, umfassend die Schritte: – Laden des Clamp-Trägers (10) mit einer ersten Polarisierungsrichtung, – Aufnahme des Bauteils (1) an dem Clamp-Träger (10), – Halterung und/oder Bewegung des Bauteil (1) mit dem Clamp-Träger (10), – Entladen des Clamp-Trägers (10) mit mindestens einer Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B), und – Laden des Clamp-Trägers (10) mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarisierungsrichtung, wobei Ladungen von der mindestens einen Ladungsspeichereinrichtung (40, 40A, 40B) zu dem Clamp-Träger (10) fließen und das Bauteil (1) von der elektrostatischen Haltevorrichtung (100) freigegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem – das Entladen des Clamp-Trägers (10) ein Umladen von Ladungen des Clamp-Trägers (10) über einen Vorwiderstand (42) in eine Speicherkapazität (41) der Ladungsspeichereinrichtung (40) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem – die Speicherkapazität der Ladungsspeichereinrichtung (40) eine Gesamtkapazität hat, die gleich dem 3-fachen Kapazitätswert des Clamp-Trägers (10) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem – das Entladen des Clamp-Trägers (10) ein schrittweises Umladen von Ladungen des Clamp-Trägers (10) in eine Speicherinduktivität (204, 43A, 43B) einer Transferschaltung und von der Speicherinduktivität (204, 43A, 43B) in eine Speicherkapazität (41A, 41B) der Ladungsspeichereinrichtung (40A, 40B) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die elektrostatische Haltevorrichtung (100) die Merkmale von mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Transferschaltung (200), die zur Übertragung von Ladungen von einer Arbeitskapazität (201) in eine Speicherkapazität (202) eingerichtet ist, umfassend einen Transferschalter (203), eine Speicherinduktivität (204), einen Taktschalter (205), ein Halbleiterventil (206) und eine Taktsteuerschaltung (207), wobei – die Arbeitskapazität (201), der Transferschalter (203), die Speicherinduktivität (204), das Halbleiterventil (206) und die Speicherkapazität (202) in Reihe geschaltet sind, – der Taktschalter (205) zu dem Halbleiterventil (206) und der Speicherkapazität (202) parallel geschaltet ist, und – die Taktsteuerschaltung (207) zum Schalten des Taktschalters (205) derart angeordnet ist, dass in einer ersten Schaltphase Ladungen von der Arbeitskapazität (201) in die Speicherinduktivität (204) und einer zweiten Schaltphase Ladungen von der Speicherinduktivität (204) in die Speicherkapazität (202) übertragen werden.
Transferschaltung (200) gemäß Anspruch 14, bei der – der Transferschalter (203) und der Taktschalter (205) Transistoren umfassen, und – das Halbleiterventil (206) eine Halbleiterdiode umfasst.