DE112016000914T5 - Vorrichtung und Verfahren zum elektrostatischen Halten von Substraten an einem sich bewegenden Träger - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum elektrostatischen Halten von Substraten an einem sich bewegenden Träger Download PDF

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James Gerard Fagan
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Abstract

Eine elektrostatische Haltevorrichtung beinhaltet ein bewegbares Glied, das für eine Bewegung bezüglich einer axialen Achse angeordnet ist, mindestens eine elektrostatische Halterung, die mit dem bewegbaren Glied gekoppelt ist, und ein stationäres Glied. Mindestens eine sich bewegende isolierte Elektrode ist mit dem bewegbaren Glied gekoppelt und mindestens eine stationäre isolierte Elektrode ist mit dem stationären Glied in einer axialen Position, die der mindestens einen sich bewegenden isolierten Elektrode entspricht, gekoppelt. Ein Schleifringkontakt koppelt elektrische Energie von der mindestens einen stationären isolierten Elektrode zu der mindestens einen sich bewegenden isolierten Elektrode.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Prioritätsvorteil unter 35 U.S.C. § 119 der vorläufigen US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 62/120477, eingereicht am 25. Februar 2015, auf deren Inhalt aufgebaut wird und der hier durch Bezug in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren des Auftragens von Beschichtungen auf Substrate und insbesondere ein Verfahren des Haltens von Substraten an einem sich bewegenden Träger.
  • HINTERGRUND
  • Beschichtungen werden häufig auf Oberflächen von Glas- oder Keramiksubstraten aufgetragen, um die Oberflächen kratzfest zu machen, oder aus anderen Gründen. Beispiele für Verfahren, die zum Auftragen derartiger Beschichtungen verwendet werden, sind physikalische Gasphasenabscheidung und chemische Gasphasenabscheidung. Bei einer beispielhaften Beschichtungskonfiguration werden Substrate an einer externen Oberfläche einer sich drehenden Trommel befestigt, die vertikal in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Sputterquellen sind um die sich drehende Trommel herum angeordnet. Während des Beschichtungsprozesses wird die Trommel um eine vertikale Achse herum gedreht. Die Sputterquellen scheiden Atome eines Beschichtungsmaterials auf die Substrate ab, wenn sich die Trommel dreht. Einer der wichtigen Gesichtspunkte bei dieser Konfiguration besteht darin, wie die Substrate an der sich drehenden Trommel befestigt werden und wie die Substrate während der Filmabscheidung an der sich drehenden Trommel gesichert bleiben.
  • Ein einfaches Verfahren zum Befestigen von Substraten an einer sich drehenden Trommel kann darin bestehen, die Substrate an der Trommel festzukleben oder zu bonden. Beim Festkleben werden die Substrate geringfügig von der Befestigungsfläche der Trommel um einen Betrag, der gleich der Dicke des Klebebands ist, abstehen, was Partikeln ermöglicht, sich an der Rückseite der Substrate, wo die Klebebänder aufgetragen werden, anzuhäufen, was zu einer unerwünschten oder nicht gleichmäßigen Beschichtung an der Rückseite führen kann. Im Fall des Bondens werden zusätzliche Prozessschritte benötigt, um die Substrate von der Trommel zu lösen, sowie jegliche Kleberückstände von den Substraten zu entfernen, alles, ohne die Substrate zu beschädigen. Falls gewünscht wird, beide Seiten der Substrate zu beschichten, müssten alle diese zusätzlichen Prozessschritte zwischen dem Beschichten beider Seiten ausgeführt werden.
  • Ein anderes Verfahren, das zum Befestigen von Substraten auf einer sich drehenden Trommel verwendet werden kann, beinhaltet die Verwendung von Klemmen, die die Ränder der Substrate greifen. In diesem Fall werden die Bereiche der Substrate, die durch die Klemmen gegriffen werden, nicht das Beschichtungsmaterial empfangen, was zu einer nicht gleichmäßigen Beschichtung der Substrate führt. Außerdem können die Klemmen Bereiche der Substrate von den Beschichtungsatomen abschirmen, wenn sich die Trommel dreht, was zu einer zusätzlichen nicht gleichmäßigen Beschichtung der Substrate führt.
  • Ein anderes üblicherweise verwendetes Verfahren zum Festhalten von Substraten ist Vakuumhalten. Beim Vakuumhalten liefern kleine Löcher in der Halterung hinter dem Substrat ein Mittel zum Anlegen eines Vakuums zwischen dem Substrat und der Halterung und der auf das Substrat ausgeübte Atmosphärendruck liefert die Haltekraft. Dünnfilmabscheideprozesse werden jedoch häufig in einem Hochvakuum (~10–5 Torr) ausgeführt, um zu verhindern, dass ungewollte Molekularspezies oder Partikel unter der Beschichtung gefangen werden. Das Vakuumhalten ist im Hochvakuumplasma nicht effektiv, da der nach unten auf das Substrat ausgeübte Druckunterschied nicht vorhanden ist.
  • In der Halbleiterherstellungsindustrie wird elektrostatisches Halten üblicherweise zum Festhalten von Wafern während Lithographieprozessen verwendet.
  • Eine elektrostatische Halterung beinhaltet typischerweise eine Elektrode, die in einer Aluminiumoxid-Keramikscheibe eingekapselt ist. Wenn ein Substrat, ein Halbleiter oder ein Dielektrikum, mit dem Aluminiumoxid in Kontakt gebracht wird, induziert die Ladung an der eingekapselten Elektrode eine Ladungspolarisation im Substrat, das dann elektrostatisch zur Elektrode angezogen ist und durch diese Ladung fixiert wird. Ein Freigeben wird durch ein Abschalten der Leistung zur Elektrode erreicht, was die induzierte Polarisation entfernt. Um eine permanente Polarisation im Substrat zu verhindern, wird die Polarität an den Elektroden häufig umgeschaltet und die Leistung zu den Elektroden wird gepulst.
  • Das elektrostatische Halten leidet nicht unter den zuvor besprochenen Schwierigkeiten der anderen Halteverfahren. Das elektrostatische Halten steht jedoch vor einer anderen Art an Herausforderung für den Beschichtungsprozess mit der sich drehenden Trommel, d. h., wie das Halten und die elektrische Verbindung mit den Halteelektroden beibehalten wird, wenn sich die Trommel schnell dreht. Ähnliche Herausforderungen können in horizontalen und vertikalen Inline-Beschichtungssystemen angetroffen werden, wo die Substrate an einem Träger, der sich horizontal oder vertikal bewegt, befestigt werden müssen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten eines dielektrischen Substrats an einem sich bewegenden Träger mittels einer elektrostatischen Kraft sind offenbart. Bei einer Ausführungsform werden eine oder mehrere elektrostatische Halterungen an einem bewegbaren Glied befestigt, das ein drehbares Trommelglied oder ein Laufschlitten sein kann, und die elektrostatischen Halterungen sind unter Verwendung eines elektrischen Dynamikkopplers, der ein elektrischer Drehkoppler oder ein elektrischer Gleitkoppler sein kann, mit einer Leistungsversorgung verbunden. Bei einer Ausführungsform verwendet der elektrische Koppler sich bewegende und stationäre isolierte Elektroden und einen Schleifringkontakt zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen den isolierten Elektroden. Der elektrische Dynamikkoppler behält eine Hochspannung zur elektrostatischen Halterung bei, selbst wenn sich die elektrostatische Halterung schnell bewegt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Das Folgende ist eine Beschreibung der Figuren in den begleitenden Zeichnungen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und bestimmte Merkmale und bestimmte Ansichten der Figuren können im Maßstab übertrieben oder in einer schematischen Darstellung im Interesse von Klarheit und Übersichtlichkeit dargestellt sein.
  • 1 stellt eine elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar.
  • 2A stellt ein monopolares Coulomb-Halten dar.
  • 2B stellt ein bipolares Coulomb-Halten dar.
  • 2C stellt ein monopolares Johnsen-Rahbeck-Halten dar.
  • 2D stellt ein bipolares Johnsen-Rahbeck-Halten dar.
  • 3A stellt die Verwendung von Rollenlagern zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen rotierenden und stationären isolierten Ringen gemäß einer Ausführungsform dar.
  • 3B stellt die Verwendung eines Luftspalts zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen rotierenden und stationären isolierten Ringen gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
  • 3C stellt die Verwendung von ionisiertem Argon zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen rotierenden und stationären isolierten Ringen gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
  • 4 stellt ein System zum Beschichten von Substraten dar.
  • 5A stellt eine elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform dar.
  • 5B und 5C stellen vertikale Querschnitte der elektrostatischen Haltevorrichtung von 5A dar.
  • 5D stellt die Verwendung eines Luftspalts zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen sich bewegenden und stationären isolierten Elektroden gemäß einer Ausführungsform dar.
  • 5E stellt die Verwendung von ionisiertem Argon zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen sich bewegenden und stationären isolierten Elektroden gemäß einer Ausführungsform dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 stellt eine elektrostatische Haltevorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform dar. Die Vorrichtung 100 beinhaltet eine Trommel 102 mit einem drehbaren Trommelglied 104 und einem stationären Trommelglied 106. Das drehbare Trommelglied 104 dreht sich um eine axiale Achse Z. Bei einer Ausführungsform ist die axiale Achse Z mit der Vertikalen ausgerichtet, wie in 1 dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann die axiale Dreh-Z mit der Horizontalen ausgerichtet sein oder kann mit einem Winkel zur Horizontalen oder zur Vertikalen verlaufen. Das drehbare Trommelglied 104 kann im Allgemeinen eine zylindrische Form besitzen und weist einen Hohlraum 108 auf. Eine Abdeckung 109 kann zum Abdichten des oberen Endes des Hohlraums 108 von der Umgebung bereitgestellt sein. Das stationäre Trommelglied 106 kann im Allgemeinen eine zylindrische Form besitzen und wird zumindest teilweise im Hohlraum 108 aufgenommen, so dass ein Basisteil 110 des drehbaren Trommelglieds 104 das stationäre Trommelglied 106 umschreibt. Eine Drehdichtung 112 kann zwischen dem stationären Trommelglied 106 und dem Basisteil 110 angeordnet sein, um das untere Ende des Hohlraums 108 von der Umgebung abzudichten.
  • Bei einer Ausführungsform ist bzw. sind eine oder mehrere elektrostatische Halterungen 120 innerhalb des Hohlraums 108 des drehbaren Trommelglieds 104 befestigt. Bei einer Ausführungsform ist die Befestigung derart, dass sich eine Haltefläche 121 der elektrostatischen Halterung 120 in der Nähe einer äußeren Oberfläche 105 des drehbaren Trommelglieds 104 befindet. Die Haltefläche 121 kann bündig an der äußeren Oberfläche 105 anliegen oder nicht. Die Haltefläche 121 kann, abhängig vom Formprofil des Substrats S, das an die Haltefläche 121 geklemmt werden soll, eine 2D-Form oder eine 3D-Form aufweisen. Jede elektrostatische Halterung 120 beinhaltet eine oder zwei Elektroden 122, die in einem dielektrischen Material 123, typischerweise ein Hochdielektrikum wie etwa Aluminiumoxid, eingekapselt ist bzw. sind. Die elektrostatischen Halterungen 120 können Coulomb-artige Halterungen oder Johnsen-Rahbeck(J-R)-artige Halterungen sein, deren Beispiele in den 2A–2D veranschaulicht sind.
  • In der in 2A dargestellten monopolaren Coulomb-Halterung 120A ist eine einzelne Elektrode 122A in einem dielektrischen Material 123A, wie etwa Aluminiumoxid, eingekapselt. Die Elektrode 122A besitzt eine Polarität, die die entgegengesetzte Polarisation im Substrat S1 induziert, was zu einer elektrostatischen Anziehung des Substrats S1 zur Haltefläche 121A führt.
  • In der in 2B dargestellten bipolaren Coulomb-Halterung 120B sind zwei Elektroden 122B1, 122B2 in einem dielektrischen Material 123B eingekapselt. Die Elektroden 122B1, 122B2 besitzen entgegengesetzte Polaritäten und induzieren entsprechende entgegengesetzte Polarisationen in gegenüberliegenden Abschnitten des Substrats S2, was zu einer elektrostatischen Anziehung des Substrats S zur Haltefläche 121B führen würde.
  • In der in 2C dargestellten monopolaren J-R-Halterung 120C ist eine einzelne Elektrode 122D in einem dielektrischen Material 123C, wie etwa Aluminiumoxid, eingekapselt. Eine leitfähige Schicht 125 wird im dielektrischen Material 123C zwischen der Elektrode 122D und der Haltefläche 121C gebildet. Die leitfähige Schicht 125 stellt leitfähige Wege für Ladungen zum Migrieren von der Elektrode 122D zur Haltefläche 121C bereit, was zu einer sehr kurzen Entfernung zwischen den Ladungen und dem Substrat S3 mit einer hohen anziehenden Kraft führt. Die leitfähige Schicht 125 kann zum Beispiel ein mit Titandioxid dotiertes Aluminiumoxid sein.
  • In der in 2D dargestellten bipolaren J-R-Halterung 120D sind zwei Elektroden 122D1, 122D2 in einem dielektrischen Material 123D mit entsprechenden leitfähigen Schichten 125A1, 125A2 zur Migration von Ladungen zur Haltefläche 121D eingekapselt. Die Elektroden 122D1, 122D2 werden eine Polarisation im Substrat S4 induzieren, was zu einer Anziehung des Substrats S4 zur Haltefläche 121D führt.
  • Wiederum mit Bezug auf 1 sind die Elektroden 122 der elektrostatischen Halterungen 120 über einen elektrischen Drehkoppler 132 mit einer Leistungsversorgung 130 verbunden. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der elektrische Drehkoppler 132 rotierende isolierte Ringe 134A, 134B, die innerhalb des Basisteils 110 des drehbaren Trommelglieds 104 befestigt sind. Die isolierten Ringe 134A, 134B werden „rotierend” genannt, da sie mit dem drehbaren Trommelglied 104 gekoppelt sind. Ein „isolierter Ring” kann als eine isolierte Elektrode in Form eines Ringes betrachtet werden. Die isolierten Ringe 134A, 134B können am äußeren Umfang 110A des Trommelbasisteils 110 freigelegt sein oder nicht. Jeder isolierte Ring 134A, 134B beinhaltet allgemein eine Elektrode, die innerhalb eines dielektrischen Materials eingekapselt ist. Die rotierenden isolierten Ringe 134A, 134B sind mit den Elektroden 122 der elektrostatischen Halterungen 120 verbunden. Die an den rotierenden isolierten Ringen 134A, 134B in 1 dargestellten Polaritäten dienen nur Veranschaulichungszwecken. Das heißt, es ist möglich, diese Polaritäten umzukehren. Außerdem kann der elektrische Drehkoppler 132 nur einen rotierenden isolierten Ring beinhalten, falls die elektrostatischen Halterungen 120 monopolar sind.
  • Bei einer Ausführungsform kann der elektrische Drehkoppler 132 ferner stationäre isolierte Ringe 136A, 136B beinhalten, die am stationären Trommelglied 106 befestigt sind. Die isolierten Ringe 136A, 136B werden „stationär” genannt, da sie mit dem stationären Trommelglied 106 gekoppelt sind. Jeder isolierte Ring 136A, 136B beinhaltet allgemein eine Elektrode, die innerhalb eines dielektrischen Materials eingekapselt ist. Die stationären isolierten Ringe 136A, 136B sind derart befestigt, dass sich jeder stationäre isolierte Ring 136A, 136B an einer axialen Position befindet, die einem der rotierenden isolierten Ringe 134A, 134B entspricht. Beispielsweise befindet sich der obere stationäre isolierte Ring 136A an einer axialen Position, die dem oberen rotierenden isolierten Ring 134A entspricht, und der untere stationäre isolierte Ring 136B befindet sich an einer axialen Position, die dem unteren rotierenden isolierten Ring 134B entspricht. Zusätzlich dazu befinden sich die stationären isolierten Ringe 136A, 136B innerhalb (oder radial nach innen) entsprechender rotierender isolierter Ringe 134A, 134B. Die an den stationären isolierten Ringen 136A, 136B in 1 dargestellten Polaritäten dienen nur Veranschaulichungszwecken und könnten umgekehrt werden. Außerdem kann der elektrische Drehkoppler 132 nur einen stationären isolierten Ring beinhalten, falls die elektrostatischen Halterungen 120 monopolar sind.
  • Die stationären isolierten Ringe 136A, 136B sind mit der Leistungsversorgung 130 verbunden. Bei einer Ausführungsform befinden sich Schleifringkontakte 140A, 140B zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der entsprechenden rotierenden isolierten Ringe 134A, 134B und der stationären isolierten Ringe 136A, 136B, um Leistung von den stationären isolierten Ringen 136A, 136B zu den rotierenden isolierten Ringen 134A, 134B zu übertragen. Der Ausdruck „Schleifringkontakt” wird verwendet, um eine jegliche Struktur zu bezeichnen, die zulässt, dass elektrische Energie zwischen einem stationären Glied und einem sich bewegenden Glied übertragen wird. Beispiele für rotierende Schleifringkontakte sind in den 3A–3C veranschaulicht.
  • Die 3A–3C verwenden die Nummerierungskonvention in 1 zusammen mit Suffixen, so dass eine Zuordnung der Beispiele der 3A–3C zum System von 1 erleichtert wird. Beispielsweise werden die stationären isolierten Ringe 136A1, 136A2, 136A3 in den 3A–3C dem stationären isolierten Ring 136 in 1 entsprechen und die rotierenden isolierten Ringe 134A1, 134A2, 134A3 in den 3A–3C werden dem rotierenden isolierten Ring 134 in 1 entsprechen.
  • In 3A sind Rollenlager 150A zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des stationären isolierten Rings 136A1 und des rotierenden isolierten Rings 134A1 angeordnet. Gleichermaßen sind Rollenlager 150B zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des stationären isolierten Rings 136B1 und des rotierenden isolierten Rings 134B1 angeordnet. Die Rollenlager 150A, 150B entsprechen den Schleifringkontakten 140A, 140B in 1. Die Rollenlager 150A, 150B werden eine Drehung der rotierenden isolierten Ringe 134A1, 134B1 bezüglich der entsprechenden stationären isolierten Ringe 136A1, 136B1 unterstützen. Die Rollenlager 150A, 150B werden auch Leitungswege zwischen den stationären isolierten Ringen 136A1, 136B1 und den entsprechenden rotierenden isolierten Ringen 134A1, 134B1 bereitstellen.
  • In 3B sind Luftspalte 160A, 160B zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der stationären isolierten Ringe 136A2, 136B2 und entsprechenden rotierenden isolierten Ringe 134A2, 134B2 bereitgestellt. Wie zuvor erwähnt, sind die stationären isolierten Ringe 136A2, 136B2 Elektroden, die in einem Hochdielektrikum, wie etwa Aluminiumoxid, eingekapselt sind. Für diese Ausführungsform ist die Kapselwand vorzugsweise dünn, so dass Ladungen an den rotierenden isolierten Ringen 134A2, 134B2 mittels Induktion gebildet werden können. Mittels Induktion zieht eine hohe Ladung an den stationären isolierten Ringen 136A2, 136B2 die entgegengesetzte Ladung an entsprechenden rotierenden isolierten Ringen 134A2, 134B2 an. Dies erzeugt eine entgegengesetzte Ladung an den elektrostatischen Halteelektroden (in 3B nicht dargestellt, siehe 122 in 1), die mit den rotierenden isolierten Ringen 134A2, 134B2 gekoppelt sind, was bewirkt, dass die Elektroden so fungieren, als ob sie mittels Leitern physisch mit der Leistungsversorgung verbunden wären. Ein möglicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass keine physischen Kontakte vorhanden sind, die sich mit der Zeit abnutzen.
  • In 3C sind Luftspalte 168A, 168B zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der stationären isolierten Ringe 136A3, 136B3 und entsprechenden rotierenden isolierten Ringe 134A3, 134B3 bereitgestellt. Ein ionisiertes Gas in den Luftspalten 168A, 168B wird einen leitfähigen Weg zwischen den stationären isolierten Ringen 136A3, 136B3 und entsprechenden rotierenden isolierten Ringen 134A3, 134B3 bereitstellen. Das ionisierte Gas kann zum Beispiel ionisiertes Argon sein. Ionisierende Koronajets 170A, 170B können zum Sprühen des ionisierten Gases, z. B. ionisierten Argons, in die Luftspalte 168A, 168B angeordnet sein.
  • Wiederum mit Bezug auf 1 kann jede elektrostatische Halterung 120 betrieben werden, ein oder mehrere Substrate S zur Außenfläche des drehbaren Trommelglieds 104 mittels einer elektrostatischen Kraft zu klemmen. Damit das elektrostatische Halten funktioniert, muss das Substrat S aus einem Material hergestellt sein, das mittels elektrostatischer Anziehung geklemmt werden kann. Diese Materialien sind typischerweise Halbleiter oder Dielektrika. Bei einer Ausführungsform sind die Substrate S, die an das drehbare Trommelglied 104 geklemmt werden sollen, aus Glas, Keramik oder einem Glas-Keramik-Material hergestellt. Die Leistungsversorgung zu den Elektroden 122 der elektrostatischen Halterungen 120 über den elektrischen Drehkoppler 132 wird Ladungen in den elektrostatischen Halterungen erzeugen. Das Vorhandensein von Ladungen in jeder elektrostatischen Halterung 120 wird eine Polarisation im Substrat S angrenzend zur Haltefläche 121 induzieren, wodurch eine Anziehungskraft zwischen dem Substrat S und der Halterung 120 bewirkt wird. (Für eine Coulomb-artige Halterung werden die Ladungen in der Halterung unmittelbar erzeugt. Für eine J-R-artige Halterung wird es mehrere Minuten dauern, bis die Ladungen durch das dotierte Haltedielektrikum migrieren und eine ausreichende Klemmkraft bereitstellen.) Die Anziehungskraft zwischen dem Substrat und der entsprechenden elektrostatischen Halterung 120 wird so lange, wie die Ladung an der elektrostatischen Halterung 120 angelegt wird, beibehalten. Um das Substrat S von der Halterung 120 auszuklemmen, wird die Ladung an der Halterung entfernt, zum Beispiel, indem die Leistungsversorgung 130 ausgeschaltet wird. Im Fall einer Coulomb-artigen Halterung wird das Entfernen der Ladung von der Halterung fast unmittelbar nach dem Ausschalten der Leistungsversorgung stattfinden. Für eine J-R-artige Halterung wird es mehrere Minuten nach dem Ausschalten der Leistungsversorgung dauern, bis sich die Ladung von der Halterung zerstreut.
  • Die zum Betreiben der elektrostatischen Halterungen 120 verwendete Leistungsversorgung 130 kann eine standardmäßige Hochspannungs-Niederstrom-Gleichstromversorgung im Bereich von 1 bis 50 kV mit ausreichender Ladungserzeugungsfähigkeit, um für die Ladungsmenge zu kompensieren, die zum elektrostatischen Anziehen der gewünschten Menge an Substraten S benötigt wird, sein. Zusätzlich dazu, um eine permanente Polarisation der Substrate S zu verhindern, muss die Polarität der Elektroden 122 der elektrostatischen Halterungen 120 periodisch umgekehrt werden, und dies kann programmatisch am Leistungsversorgungspegel durchgeführt werden.
  • Die rotierende elektrostatische Haltevorrichtung 100 kann in einer beliebigen Anwendung verwendet werden, bei der ein Klemmen von Substraten an ein sich drehendes Glied erwünscht ist. Diese Anwendungen können zum Beispiel Beschichtungs- und Ätzanwendungen beinhalten.
  • Für Veranschaulichungszwecke stellt 4 ein System 200 zum Beschichten von Substraten dar. Das System 200 beinhaltet die rotierende elektrostatische Haltevorrichtung 100, die innerhalb einer Prozesskammer 202 angeordnet ist. Die zu beschichtenden Substrate S, die Glas-, Keramik- oder Glas-Keramiksubstrate sein können, sind an die Außenfläche des drehbaren Trommelglieds 104 mittels der elektrostatischen Halterungen (120 in 1) geklemmt worden. Für den Beschichtungsprozess kann Atmosphärendruck innerhalb des Trommelhohlraums (108 in 1) beibehalten werden. Außerdem kann der Trommelhohlraum mit einem Inertgas, wie etwa Stickstoff oder getrocknete gereinigte Luft, unter Druck gesetzt werden, um einen hohen Widerstand zu einem jeglichen elektrischen Potenzial zwischen den elektrostatischen Halterungen bereitzustellen. Innerhalb der Prozesskammer 202 können die Außenfläche der Trommel 102 und die daran geklemmten Substrate S einem Hochvakuumplasma für eine Dünnfilmabscheidung oder einen anderen Beschichtungsprozess ausgesetzt werden. Bei einem Beispiel können Sputterquellen 204 zum Abscheiden von Beschichtungsatomen auf die Substrate S angeordnet sein, während sich das drehbare Trommelglied 104 mit den elektrostatisch geklemmten Substraten S dreht. Es versteht sich jedoch, dass die Verwendung der rotierenden elektrostatischen Haltevorrichtung 100 nicht auf eine Beschichtung mittels Sputtern eingeschränkt ist.
  • Während sich das drehbare Trommelglied 104 schnell dreht, behält der elektrische Drehkoppler (132 in 1) eine hohe Spannung an den Elektroden (122 in 1) der elektrostatischen Halterungen (120 in 1) bei, so dass die elektrostatische Kraft, die die Substrate S am drehbaren Trommelglied 104 festhält, die Zentrifugalkraft an den Substraten S überwindet. Die elektrostatischen Halterungen (120 in 1) halten die Substrate S fest, ohne mit den Rändern der Substrate S in Eingriff zu stehen, was eine gleichmäßige Beschichtung der Vorderseiten und der Ränder der Substrate ermöglicht. Das elektrostatische Halten wird auch ohne die Verwendung von Klebemitteln an der Rückseite der Substrate S erzielt.
  • Für eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate wird die Ebenheit des Substrats S durch die Ebenheit der Haltefläche (121 in 1) beibehalten, was bedeutet, dass das Formprofil der Haltefläche basierend auf dem Formprofil der Rückseite des Substrats ausgewählt werden sollte, wobei die Rückseite als die Seite des Substrats, die die Haltefläche kontaktieren wird, angesehen wird. Die Parallelität der elektrostatischen Halteelektroden (122 in 1) zu den Substraten ist auch zum Erzielen einer gleichmäßigen Beschichtung wichtig. Zusätzlich dazu können die elektrostatischen Halterungen während des Betriebs wassergekühlt werden. Dies kann erfordern, dass ein Drehventil das Kühlmittel zu den Halterungen zirkuliert, während sich das drehbare Trommelglied 104 dreht.
  • 5A–5C stellen eine elektrostatische Haltevorrichtung 300 gemäß einer anderen Ausführungsform dar. Die Vorrichtung 300 beinhaltet einen Träger 302, eine bewegbare Basis 304 und eine Schiene 306. Die bewegbare Basis 304 ist am Träger 302 angebracht. Die bewegbare Basis 304 kann separat oder integral mit dem Träger 302 gebildet werden. Die Kombination des Trägers 302 und der bewegbaren Basis 304 kann als ein Laufschlitten oder ein bewegbares Glied der Vorrichtung angesehen werden, während die Schiene 306 als ein stationäres Glied der Vorrichtung angesehen werden kann. Die bewegbare Basis 304 ist zum Laufen entlang einer axialen Achse X der Schiene 306 ausgelegt. Die Schiene 306 kann horizontal, wie in den 5A–5C, vertikal oder mit einem anderen Winkel bezüglich der Horizontalen angeordnet sein. Eine oder mehrere elektrostatische Halterungen 320 ist bzw. sind am Träger 302 befestigt. Die Befestigung kann derart sein, dass sich die Halteflächen 321 der elektrostatischen Halterungen 320 in der Nähe einer äußeren Oberfläche 305 des Trägers 302, an der die Substrate geklemmt werden, befinden. Die Halteflächen 321 können bündig an der äußeren Oberfläche 305 anliegen oder nicht. Jede Haltefläche 321 kann, abhängig vom Formprofil des Substrats, das an die Haltefläche 321 geklemmt werden soll, eine 2D- oder 3D-Form aufweisen. Die elektrostatischen Halterungen 320 können eine Struktur aufweisen, die einer beliebigen der zuvor beschriebenen elektrostatischen Halterungen (120, 120A, 120B, 120C, 120D) ähnelt.
  • Die Elektroden 322 der elektrostatischen Halterungen 320 sind über einen elektrischen Gleitkoppler 332 mit einer Leistungsversorgung 330 verbunden. Die Leistungsversorgung 330 kann ähnliche Charakteristiken wie die zuvor beschriebene Leistungsversorgung (130) aufweisen. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der elektrische Gleitkoppler 332 „sich bewegende” isolierte Elektroden 334A, 334B (5C), die an der bewegbaren Basis 304 befestigt sind. Die isolierten Elektroden 334A, 334B werden sich bewegend genannt, da sie mit der bewegbaren Basis 304 gekoppelt sind. Die isolierten Elektroden 334A, 334B sind elektrisch mit den Elektroden 322 der elektrostatischen Halterungen 320 verbunden. Der elektrische Gleitkoppler 332 beinhaltet ferner „stationäre” isolierte Elektroden 336A, 336B, die an der Schiene 306 befestigt sind, wobei die stationäre isolierte Elektrode 336A in der Position der sich bewegenden isolierten Elektrode 334A entspricht und die stationäre isolierte Elektrode 336B in der Position der sich bewegenden isolierten Elektrode 334B entspricht. Die stationären isolierten Elektroden 336A, 336B sind mit der Leistungsversorgung 330 verbunden. Die stationäre isolierte Elektrode 336A kann eine Polarität aufweisen, während die stationäre isolierte Elektrode 336B die umgekehrte Polarität aufweist. Jede der isolierten Elektroden 336A, 336B kann aus einer einzelnen isolierten Elektrode oder einer Reihe von isolierten Elektroden, die durchgehend angeordnet sind, hergestellt sein. Gleitende Schleifringkontakte werden zum Koppeln von elektrischer Energie zwischen den stationären isolierten Elektroden 336A, 336B und den entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B verwendet. Beispiele für gleitende Schleifringkontakte sind in den 5C–5E veranschaulicht.
  • In 5C sind die Gleitkontakte 350A, 350B zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B und der stationären isolierten Elektroden 336A, 336B angeordnet. Die Gleitkontakte 350A, 350B können zum Beispiel gefederte Bürstenkontakte oder andere geeignete elektrische Gleitkontakte sein. Die Gleitkontakte 350A, 350B können an den sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B oder an den stationären isolierten Elektroden 336A, 336B angebracht sein. Die Gleitkontakte 350A, 350B werden Leitungswege zwischen den stationären isolierten Elektroden 336A, 336B und den entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B bereitstellen, wenn die bewegbare Basis 304 entlang der Schiene 306 läuft.
  • In 5D sind Luftspalte 360A, 360B zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der stationären isolierten Elektroden 336A, 336B und der entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B bereitgestellt. Bei dieser Ausführungsform wird Leistung von den stationären isolierten Elektroden 336A, 336B zu den entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B mittels Induktion übertragen, wie zuvor für die Ausführungsform von 3B erläutert.
  • In 5E sind Luftspalte 168A, 168B zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der stationären isolierten Elektroden 336A, 336B und der entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B bereitgestellt. Ein ionisiertes Gas in den Luftspalten 168A, 168B wird einen leitfähigen Weg zwischen den stationären isolierten Elektroden 336A, 336B und den entsprechenden sich bewegenden isolierten Elektroden 334A, 334B bereitstellen. Das ionisierte Gas kann zum Beispiel Argon sein. Ionisierende Koronajets oder eine andere Ausstoßvorrichtung 370A, 370B kann zum Sprühen des ionisierten Gases, z. B. ionisierten Argons, in die Luftspalte 368A, 368B angeordnet sein.
  • Bei dem oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Beschichtungsbeispiel kann die in den 5A–5E veranschaulichte elektrostatische Haltevorrichtung 300 anstelle der elektrostatischen Haltevorrichtung 100 verwendet werden. Im Allgemeinen kann die elektrostatische Haltevorrichtung 300 in Inline-Systemen verwendet werden. Beide der oben beschriebenen elektrostatischen Haltevorrichtungen (100, 300) können in einem beliebigen Beschichtungssystem verwendet werden, das ein Klemmen von Substraten an eine sich bewegende Oberfläche benötigt. Beispiele für Beschichtungssysteme sind jene, die auf physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung und plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung basieren.
  • Die oben beschriebenen elektrostatischen Haltevorrichtungen (100, 300) können zum Halten von Glas, Glas-Keramik und Keramik verwendet werden. Beispiele für Materialien, die gehalten werden können, beinhalten ionenausgetauschtes verstärktes Glas, Glas mit hoher optischer Klarheit, oberflächenbehandeltes Glas für antimikrobielle und kratzfeste Gläser, Kalk-Natron-Glas, Borosilikatglas, hochreines synthetisches Quarzglas, natürliches Quarzglas, polykristalline Glas-Keramik-Zusammensetzungen, wie etwa Macor® bearbeitbare Keramik und Dicor® Glas-Keramik.
  • Obwohl die Erfindung hinsichtlich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute, die von dieser Offenbarung profitieren, zu schätzen wissen, dass andere Ausführungsformen entwickelt werden können, die nicht vom Schutzumfang der wie vorliegend offenbarten Erfindung abweichen. Dementsprechend sollte der Schutzumfang der Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims (20)

  1. Elektrostatische Haltevorrichtung, umfassend: ein bewegbares Glied, das für eine Bewegung bezüglich einer axialen Achse angeordnet ist; mindestens eine elektrostatische Halterung, die mindestens eine in einem dielektrischen Material eingekapselte Elektrode umfasst, wobei die mindestens eine elektrostatische Halterung mit dem bewegbaren Glied gekoppelt ist und eine Fläche, die sich in der Nähe einer äußeren Oberfläche des bewegbaren Glieds befindet, aufweist; mindestens eine erste isolierte Elektrode, die mit dem bewegbaren Glied und der mindestens einen elektrostatischen Halterung gekoppelt ist; ein stationäres Glied; mindestens eine zweite isolierte Elektrode, die mit dem stationären Glied in einer axialen Position, die der mindestens einen ersten isolierten Elektrode entspricht, gekoppelt ist; und einen Schleifringkontakt zum Koppeln von elektrischer Energie von der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode zu der mindestens einen ersten isolierten Elektrode.
  2. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Glied ein drehbares Trommelglied ist, das für eine Drehung um die axiale Achse herum angeordnet ist, und wobei die mindestens eine erste isolierte Elektrode und die mindestens eine zweite isolierte Elektrode isolierte Ringe sind.
  3. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Schleifringkontakt mindestens ein Rollenlager zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode umfasst.
  4. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Schleifringkontakt einen Luftspalt umfasst.
  5. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Schleifringkontakt ferner ein ionisiertes Gas im Luftspalt umfasst.
  6. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Jeteinrichtung umfasst, die zum Sprühen von ionisiertem Gas in den Luftspalt angeordnet ist.
  7. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 2, wobei das stationäre Glied ein stationäres Trommelglied ist, das mit dem drehbaren Trommelglied entlang der axialen Achse ausgerichtet ist und zumindest teilweise in einem Hohlraum des drehbaren Trommelglieds aufgenommen wird, und wobei das stationäre Trommelglied und das drehbare Trommelglied gegenüberliegende Oberflächen bereitstellen, zwischen denen sich der Schleifringkontakt befindet.
  8. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schleifringkontakt einen Gleitkontakt zwischen der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode und der mindestens einen ersten isolierten Elektrode umfasst.
  9. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schleifringkontakt einen Luftspalt zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode und der mindestens einen ersten isolierten Elektrode umfasst.
  10. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Schleifringkontakt ferner ein ionisiertes Gas im Luftspalt umfasst.
  11. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Jeteinrichtung umfasst, die zum Sprühen von ionisiertem Gas in den Luftspalt angeordnet ist.
  12. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Leistungsversorgung umfasst, die mit der mindestens einen stationären isolierten Elektrode verbunden ist.
  13. Elektrostatische Haltevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das stationäre Glied eine Form einer Schiene besitzt und das bewegbare Glied eine Form eines Laufschlittens, der zum Laufen entlang der Schiene ausgelegt ist, besitzt.
  14. Elektrostatisches Halteverfahren, umfassend: Befestigen einer elektrostatischen Halterung an einem bewegbaren Glied, so dass sich eine Fläche der elektrostatischen Halterung in der Nähe einer äußeren Oberfläche des bewegbaren Glieds befindet; Koppeln von mindestens einer ersten isolierten Elektrode mit dem bewegbaren Glied; Koppeln von mindestens einer zweiten isolierten Elektrode mit einem stationären Glied; Anordnen des stationären Glieds bezüglich des bewegbaren Glieds, so dass sich die mindestens eine zweite isolierte Elektrode in einer gegenüberliegenden Beziehung zur mindestens einen ersten isolierten Elektrode befindet; Bilden eines Schleifringkontakts zwischen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode und Koppeln der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode mit einer Leistungsversorgung.
  15. Elektrostatisches Halteverfahren nach Anspruch 14, wobei das stationäre Glied ein stationäres Trommelglied ist und das bewegbare Glied ein drehbares Trommelglied ist und wobei das Anordnen des stationären Glieds bezüglich des bewegbaren Glieds Anordnen des drehbaren Trommelglieds für eine Drehung um eine axiale Achse herum, Ausrichten des stationären Trommelglieds mit dem drehbaren Trommelglied entlang der axialen Achse und zumindest teilweises Aufnehmen des stationären Trommelglieds in einem Hohlraum des drehbaren Trommelglieds umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden des Schleifringkontakts Bereitstellen von mindestens einem Rollenlager zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das stationäre Glied eine Form einer Schiene besitzt und das bewegbare Glied eine Form eines Laufschlittens, der zum Laufen entlang der Schiene ausgelegt ist, besitzt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bilden des Schleifringkontakts Bereitstellen von mindestens einem Gleitkontakt zwischen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bilden des Schleifringkontakts Bereitstellen eines Luftspalts zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bilden des Schleifringkontakts Sprühen von ionisiertem Gas in einen Luftspalt zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mindestens einen ersten isolierten Elektrode und der mindestens einen zweiten isolierten Elektrode umfasst.
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