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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transfer einer Halbleiterscheibe (im
Folgenden kurz: Scheibe) zu und zwischen einem Kassettenhalter und einer
Eingangsstation eines Vakuumverarbeitungssystems, und insbesondere eine
solche Vorrichtung mit einem Roboter-ähnlichen Arm und mit der Fähigkeit,
Scheiben-Positionierungsfehler festzustellen und zu eliminieren.
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Bei der Herstellung von integrierten Microminiatur-Schaltkreisen auf
Halbleiterscheiben ist es ständige Praxis geworden, die Scheiben in einem Kassettenhalter
abzulegen und zu bewegen. Eine Anzahl von Scheiben werden in eng
benachbarten parallelen Schlitzen in einem Kassettenhalter aufbewahrt. Für die
Bearbeitung der Scheiben ist es gewöhnlich nötig, die Scheiben nacheinander aus dem
Kassettenhalter zu entnehmen und sie zu einer Eingangsstation eines
Vakuumverarbeitungssystems zu transferieren. Beispiele sind Verarbeitungsanlagen zur
Ionendotierung, zum Zerstäubungsätzen, zum Plasmaätzen, zur chemischen
Dampfbeschichtung, für Lithographie und dergleichen. Die Plättchen werden
durch eine Isolationsschleuse in die Haupt-Vakuum-Bearbeitungskammer
transferiert, um die Notwendigkeit zu umgehen, daß jedesmal erneut ein Vakuum in
der gesamten Kammer hergestellt werden muß, nachdem eine neue Scheibe
eingebracht oder herausgenommen wurde. Nachdem die Verarbeitung beendet
ist, wird die Scheibe zurück zu dem Kassettenhalter transferiert, wo sie erneut
entnommen und dann weiterverarbeitet werden kann. Einige
Scheibenbearbeitungssysteme verarbeiten nur eine Scheibe zur Zeit, während andere eine
Vielzahl von Scheiben in einem Durchgang verarbeiten. In solchen
"Batch-Systemen" werden Scheiben in ähnlicher Weise nacheinander von einer
Kassette zu der Eingangsstation des Systems transferiert.
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In den vergangenen Jahren ging der Trend zur Automatisierung von
Scheibenhandhabungssystemen, um die Geschwindigkeit des Transfervorgangs zu
erhöhen, und um menschliche Fehler auszuschalten und um Staub und dgl. sowie mit
der manuellen Behandlung einhergehende Verunreinigungen zu reduzieren.
Automatisierte Scheibenhandhabungssysteme sind einer Vielfalt von Forderungen und
Beschränkungen ausgesetzt. Die Vermeidung von Verunreinigungen durch
Schwebstoffe ist von extremer Bedeutung, da sogar Partikel von Mikron-Größe
auf der Scheibe das Gerät beschädigen oder zerstören können. Um eine
Verunreinigung zu verhindern, ist es erforderlich, jeglichen Abrieb und jegliches
Splittern des Scheibenrands zu vermeiden. Jeglicher Kontakt mit dem
Scheibenrand muß extrem sanft erfolgen. Desweiteren müssen Einrichtungsteile, die sich
in der Nähe der Scheiben bewegen, sehr sorgfältig konstruiert sein, um die
Entstehung von Schwebstoffen unter Kontrolle zu halten. Sich bewegende Teile
sind vorzugsweise unterhalb der Scheiben angeordnet und soweit es geht
abgeschirmt. Ferner muß ein Luftstrompartikel von den Scheiben weg zirkulieren.
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Ein anderer Gesichtspunkt bei der Entwicklung von
Scheibenhandhabungssystemen ist die Forderung nach hoher Geschwindigkeit, da sich die Zeit für das
Aufnehmen und Abgeben der Scheiben zur gesamten Verarbeitungszeit hinzu
addiert, und somit auch zu den Kosten für die Scheiben. Da die Geschwindigkeit
wichtig ist, stellt die Einrichtung zum Transfer der Scheiben vom
atmosphärischen Druck in das Vakuum einen kritischen Faktor dar. Einige aus dem Stand
der Technik bekannte Systeme laden eine Scheibe pro Zeit durch eine
Vakuumschleuse, während andere eine ganze Kassette mit bis zu 25 Scheiben in eine
Vakuumschleuse laden. Weitere Forderungen gehen dahin, eine Scheibe wieder
in demselben Kassettenschlitz abzulegen, aus dem sie entnommen wurde. Diese
Forderung macht Transporteinrichtungen für die Scheiben erforderlich, die eine
bestimmte Scheibe aus einer Kassette entnehmen können, ohne benachbarte
Scheiben zu berühren oder zu beschädigen, die nur 1 /10 Inch entfernt liegen.
Eine weitere Forderung besteht darin, die Scheibe in der Eingangsstation derart
präzise positionieren zu können, daß ihre Fläche eine bestimmte Ausrichtung
aufweist. Die Schlitze im Kassettenhalter sind etwas größer als die Scheibe und
gewährleisten somit keine präzise Positionierung der Scheibe. Desweiteren wird
die Ausrichtung der Scheibenfläche in dem Kassettenhalter nicht kontrolliert.
Jedoch ist eine präzise Positionierung in der Eingangsstation des
Verarbeitungssystems notwendig, um eine verläßliche Aufbewahrung der Scheibe
sicherzustellen und eine Beschädigung der Scheibe zu vermeiden. Ionendotierungssysteme
erfordern eine besondere Ausrichtung der Scheibenfläche, da die Ausrichtung die
Kristall-Orientierung der Scheibe angibt, um Durchbrüche durch das Auftreffen
der Ionen zu steuern.
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In bekannten Systemen hat ein Scheibenpositionssensor die aktuelle Position
einer Scheibe relativ zu einer gewünschten Position bestimmt, und es wurden
separate Mittel zur Überführung der Scheibe in die gewünschte Position benutzt,
und danach wurde die Scheibe zur Eingangsstation bewegt. Der Nachteil dieser
bekannten Systeme liegt darin, daß zur Bewegung der Scheibe in ihre
gewünschte Position zusätzliche Hardware erforderlich ist. Hinzu kommt, daß ein weiterer
Positionsfehler dadurch eingebracht werden kann, daß die Scheibe von der
Orientierstation zur Eingangsstation transferiert wird.
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Die DE-A-32 19 502 offenbart eine Vorrichtung zum Transferrieren eines
Halbleiterwafers von einer ersten Position (14-18) zu einer Zwischenstation (54), und
von der Zwischenstation zu einer Eingabestation (28), Mittel (132-4), die ein
optisches Abtastmittel an der Zwischenstation zum Abtasten der Position des
Wafers relativ zu der Station umfassen und Mittel zum Anpassen der Position
des Wafers an die Zwischenstation. Die Vorrichtung in der Bezugnahme paßt die
Position an die Zwischenstation an. Die GB-A-2093132, die EP-A-0 152 555,
die US-A-4 553 069 und die US-A-4 457 664 offenbaren andere
Transfervorrichtungen.
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Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte Vorrichtung, wie in Anspruch 1
ausgeführt. Die Offenbarung der EP-A-0 152 555 schließt eine Beschreibung
eines Transferarms ein, welcher ähnlich arbeitende erste und zweite Sektionen
aufweist.
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Diese Anmeldung ist aus der Anmeldung 87 303 748.5 (EP-A-0 244 202)
herausgeteilt.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Transfer von Scheiben
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine quergeschnittene Seitenansicht der Vorrichtung zum Transfer
von Scheiben gemäß Fig. 1;
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Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Scheibentransferarm mit Antrieb gemäß
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht des Scheibentransferarms
und seines Antriebs;
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Fig. 5 eine zweite Ansicht, teilweise geschnitten, des
Scheibentransferarms und seines Antriebs;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung der Bewegungen des
Scheibentransferarms;
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Fig. 7 eine zeichnerische Darstellung der Arbeitsweise des Korrektur-
und Orientierungssystems für die Scheibenposition; und
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Fig. 8 ein Blockschaltbild des Steuersystems der vorliegenden
Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Transfer von Scheiben gem. der vorliegenden Erfindung ist
in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Zusammengefaßt beschrieben arbeitet die
Vorrichtung wie folgt. Kassettenhalter 10 mit jeweils einer Vielzahl von Scheiben
12 werden in Kassettenschleusen 14, 16, 18 plaziert. Die Kassettenschleusen
14, 16, 18 werden evakuiert, und die Kassettenhalter 10 werden in eine
evakuierte Liftkammer 20 abgesenkt. Die Scheiben werden eine nach der anderen
durch einen Scheibentransferarm 22 aus dem Kassettenhalter 10 entnommen
und in eine Transfer-Vakuumkammer 24 zu einer Lagebestimmungs- und
Ausrichtungsstation 26 bewegt, wo die Position der Scheibe auf dem Arm 22
abgetastet wird. Die Winkelausrichtung der Scheibe kann nötigenfalls geändert
werden. Der Arm 22 wird dann entlang einer x-Achse ausgefahren und die Scheibe
wird zu einer Eingangsstation 28 des Verarbeitungssystems transferiert.
Während des Ablegens der Scheibe in der Eingangsstation 28 werden an der
Station 26 abgetastete Postitionsfehler durch Kompensationsverschiebungen
beseitigt. An der Eingangsstation 28 sind Mittel zum Abnehmen der Scheibe von
dem Transferarm 22 vorgesehen, welche Hebestifte 30 enthalten. Nach der
Bearbeitung überführt der Transferarm 22 die Scheibe wieder zum
Kassettenhalter 10, ohne Benutzung der Lagebestimmungs- und Ausrichtstation 26. Wenn
Scheiben von einer der äußeren Kassettenschleusen 14, 18 transferiert werden,
wird der Transferarm 22 seitlich entlang einer y-Achse bewegt, um einen
Zugang zur entsprechenden Kassettenschleuse zu ermöglichen. Die Scheibe wird
aus der Kassette entnommen, der Transferarm kehrt zu seiner Mittelposition
zurück und wird zur Eingangsstation 28 ausgefahren. Der Aufbau und der
Betrieb der Vorrichtung zum Transfer von Scheiben gem. der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben.
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Jede der Kassettenschleusen 14, 16, 18 ist von einem Deckel 32 umschlossen,
der vom Befüllen und Entnehmen mit Kassettenhaltern 10 angehoben und
abge
senkt werden kann, sowie eine Bodenplatte 34. Die Kassettenschleusen 10, 16,
18 sind an ein Vakuumpumpsystem (nicht dargestellt) angeschlossen, um sie zu
evakuieren. Die Schleusen 14, 16, 18 sind einzeln abgedichtet und einzeln an
Vakuumpumpsysteme angeschlossen, so daß Kassettenhalter 10 in einer der
Schleusen ausgetauscht werden können, während die anderen Schleusen unter
Vakuum stehen. Die Bodenplatte 34 enthält eine Öffnung 35, die durch eine
Kassettentragplatte 36 abgedichtet ist. Die Tragplatte 36 ist während des
Austauschs von Kassetten mit einem O-Ring 37 gegen die Platte 34 abgedichtet und
wird zum Transfer der Scheiben durch ein Kassetten-Liftsystem abgesenkt. Ein
abgedichteter Balg 41 ist zwischen der Oberseite jedes Kassettenhalters 10 und
einer L-förmigen Klammer 43 angeordnet, die an der Tragplatte 36 befestigt ist
und sich über den Kassettenhalter 10 erstreckt. Der Balg 41 ist durch
atmosphärischen Druck zusammengedrückt, wenn die Schleuse geöffnet ist,
aber enthält ausreichend Gas um sich auszudehnen, wenn die Schleuse auf ein
Vakuum gepumpt wird. Im ausgedehnten Zustand hält der Balg 41 den
Kassettenhalter fest nach unten gegen die Standklötze 138 und trägt dazu bei, ein
Verziehen des Kassettenhalters 10 zu vermeiden.
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Eine Liftwelle 38, die mit dem Boden der Tragplatte 36 verbunden ist, verläuft
durch die Liftkammer 20 zu einem Liftantrieb 40, der vorzugsweise ein
Gleichstrom-Servomotor ist. Die Liftkammer 20 ist durch ein Gehäuse 42 definiert, das
die Bodenplatte 34 und die Tragplatte 36 als eine mit den Kassettenschleusen
14, 16, 18 gemeinsame Wand enthält. Die Liftkammer 20 ist an ein (nicht
dargestelltes) Vakuumpumpsystem angeschlossen, um die Kammer 20 evakuieren zu
können. Die Liftwelle 38 ist gegen den Innenraum der Liftkammer 20 durch
einen Balg 44 abgedichtet. Der Liftantrieb 40 ist außerhalb der Liftkammer 20
angeordnet und ermöglicht es, den Kassettenhalter 10 in gewünschten Schritten
auf und ab zu bewegen und die Kassetten-Tragplatte 36 gegen die Bodenplatte
34 für einen Austausch der Kassettenhalter abzudichten. Die Liftkammer enthält
eine Öffnung 48 in die Transfer-Vakuumkammer 24, für einen Zugriff des
Transferarms 22. Die Öffnung 48 ist vorzugsweise mit einem (nicht
dargestellten) Ventil ausgerüstet, um die Liftkammer 20 für Servicezwecke zu isolieren.
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In dem vorliegenden Beispiel ist die Eingangsstation 28 eine Platte 47 zur
Halterung einer Vielzahl von Scheiben in einem Ionen-Dotierungssystem des
"Batch"-Typs. Die Scheiben werden nacheinander durch die
Scheiben-Transfervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Nähe des Plattenrands
abgelegt. Während des Be- und Entladens von Scheiben wird die Platte 47
schrittweise gedreht, so daß jede Scheiben-Halteposition auf der Platte dem
Scheibentransfersystem angeboten wird. Es ist selbstverständlich, daß die
Scheibentransfervorrichtung der vorliegenden Erfindung Scheiben zu einer
Eingangsstation in jeder Art eines Verarbeitungs- und Behandlungssystems transferieren
kann.
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Die Hebestifte 30, üblicherweise drei an der Zahl, werden durch einen
Luftzylinder 50 durch Löcher in einer Scheiben-Tragplatte 49 auf der Platte 47 aufwärts
und abwärts bewegt. Die Stifte 30 heben eine Scheibe von der Oberfläche der
Platte 49 für eine Entnahme durch den Arm 22 ab oder die Stifte 30 heben eine
Scheibe von dem Transferarm 22 ab, um sie auf der Oberfläche der Platte 49
abzulegen. Wie nachstehend beschrieben ist, enthält der Transferarm 22 einen
relativ dünnen, flachen Scheibenaufnehmer, der zwischen die Scheibe und die
Platte 49 greift. Wenn eine Scheibe auf die Platte 47 geladen wird, heben die
Stifte 30 die Scheibe von dem Transferarm 22 herunter, der dann zurückgezogen
wird. Wenn eine Scheibe von der Platte heruntergenommen wird, wird die
Scheibe durch die Stifte 30 angehoben, danach der Transferarm zwischen die Scheibe
und die Platte 49 gefahren, und die Hebestifte 30 werden abgesenkt, wodurch
die Scheibe auf den Transferarm 22 gesenkt wird. Gewöhnlich ist die Scheibe in
der Eingangsstation 28 auf die Oberfläche der Platte 49 geklemmt. Alternativ
hierzu kann die Scheibe von der Eingangsstation zu einem anderen Ort innerhalb
des Verarbeitungssystems bewegt werden.
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Die Transfer-Vakuumkammer 24 ist durch ein Gehäuse 51 definiert und ist an
ein (nicht dargestelltes) Vakuumpumpsystem angeschlossen, um ein Evakuieren
der Kammer zu ermöglichen. Der Transferarm 22 ist in der Kammer 24
angeordnet und wird von einem Transfer-Antriebssystem 52 getragen und betrieben.
Das Antriebssystem 52 enthält eine Antriebsvorrichtung 54, die den Transferarm
22 trägt und antreibt. Die Antriebsvorrichtung 54 und der Arm 22 sind seitlich
entlang der y-Achse bewegbar, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Antriebsvorrichtung
54 ist durch einen außerhalb der Kammer 24 angeordneten Antriebsmotor 56
über eine Leitspindel 58 entlang der y-Achse bewegbar. Wie in den Fig. 4
und 5 dargestellt, ist die Antriebsvorrichtung 54 auf einem U-förmigen Träger 60
befestigt. Eine Führungsbahn 62 verläuft parallel zur y-Achse vor den
Kassettenschleusen 14, 16, 18 durch die Kammer 24. Der Träger 60 ist mit der
Führungsbahn 62 durch gerade Schienen 64 gekoppelt. Die Leitspindel 58 ist an dem
Träger 60 befestigt und treibt mit Hilfe des Motors 56 die Kombination des
Trägers 60 und der Antriebsvorrichtung 54 entlang den geraden Schienen 64 an.
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Fig. 3 zeigt, daß der Transportarm 22 einen länglichen primären Abschnitt 70
aufweist, der zur Drehung um eine Primärachse 72 bei der Primärachse 72 mit
der Antriebsvorrichtung 54 verbunden ist. Ein länglicher sekundärer Abschnitt 74
ist mit dem primären Abschnitt 70 zur Drehung um eine Drehachse 76
verbunden. Nahe dem Ende des sekundären Abschnitts 74, gegenüber der Drehachse
76, ist ein Scheibenaufnehmer 80 angeordnet. Auf der Primärachse 72 ist eine
primäre Riemenscheibe 84 in einer festen Position auf der Antriebsvorrichtung
54 befestigt. Eine sekundäre Riemenscheibe 86 ist an dem sekundären Abschnitt
74 auf der Drehachse 76 befestigt. Ein Antriebsriemen 88 verbindet die primäre
Riemenscheibe 84 und die sekundäre Riemenscheibe 88. Ein Riemenspanner 90
ermöglicht eine Anpassung der Riemenspannung. Die primäre Riemenscheibe 84
besitzt vorzugsweise den doppelten Durchmesser der sekundären Riemenscheibe
86. Mit diesem Verhältnis der Durchmesser wird der sekundäre Abschnitt 74
veranlaßt, sich mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit des primären
Abschnitts 70 um die Drehachse 76 zu drehen, wenn der primäre Abschnitt 70 um
die Primärachse 72 gedreht wird. Das bedeutet, daß bei jeder Umdrehung des
primären Abschnitts 70 der sekundäre Abschnitt 74 zwei Umdrehungen macht.
Diese Anordnung sorgt für eine lineare Bewegung eines
Soll-Scheibenmittelpunkts 92 auf dem Scheibenaufnehmer 80, wenn die Entfernung zwischen der
Primärachse 72 und der Drehachse 76 gleich dem Abstand zwischen der
Drehachse 76 und dem Soll-Scheibenmittelpunkt 92 ist.
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Der Scheibenaufnehmer 80 an dem entfernten Ende des sekundären Abschnitts
74 ist üblicherweise ein dünnes, flaches Metallblatt mit 0,127 cm Stärke oder
weniger, damit ein Einfahren zwischen den Scheiben in dem Kassettenhalter 10
möglich ist. Der Soll-Scheibenmittelpunkt 92 sollte während des Transfers
idealerweise mit dem Scheibenmittelpunkt fluchten. Die obere Oberfläche des
Scheibenaufnehmers 80 ist in dem Kontaktbereich mit der Scheibe mit mehreren
Plättchen 94 aus Polyurethan oder anderem Material mit einem hohen
Reibungskoeffizienten versehen. Die Plättchen 94 erhöhen die Reibung zwischen der
Scheibe und dem Aufnehmer 80 und verhindern, daß die Scheibe versehentlich
von dem Aufnehmer herunterrutscht. Der Aufnehmer 80 ist desweiteren mit
einem erhabenen Stopper 96 versehen, der eine an den Scheibenumfang
angepaßte Sichelform aufweist und am Umfang der Soll-Scheibenposition angeordnet
ist. Der Stopper 96 unterstützt eine richtige Positionierung der Scheibe auf dem
Aufnehmer 80, wenn die Scheibe dem Kassettenhalter 10 entnommen wird. Ein
Führungsmeßstreifen 98, etwa ein Piezo-Widerstands-Dehnungsmeßstreifen ist
vorzugsweise auf der oberen Oberfläche des sekundären Abschnitts 74
befestigt, vorzugsweise in der Nähe der Drehachse 76, um die Anwesenheit einer
Scheibe auf dem Scheibenaufnehmer 80 zu erfühlen. Der Dehnungsmeßstreifen
98, das ist aus dem Stand der Technik bekannt, liefert in Abhängigkeit der durch
das Scheibengewicht in dem sekundären Abschnitt 74 erzeugten
Dehnungsspannung ein elektrisches Signal. Um das Erfühlen zu unterstützen, besteht der
sekundäre Abschnitt 74 über seine gesamte Länge vorzugsweise aus einem
dünnen, flachen Element. Der Scheibenaufnehmer 80 ist desweiteren mit einem
Loch 100 versehen, das zum Soll-Scheibenmittelpunkt 92 konzentrisch ist und
dem nachstehend beschriebenen Betrieb des Scheibenausrichters dient.
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Die Bewegung des Scheibentransferarms 22 ist in den Fig. 6 A bis 6 E
dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, wird der sekundäre Abschnitt 74 durch die
Anordnung der Riemenscheiben 84, 86 und des Antriebsriemens 88 mit der
doppelten Winkelgeschwindigkeit des primären Abschnitts 70 gedreht.
Desweiteren ist die Entfernung zwischen der Primärachse 72 und der Drehachse 76
gleich dem Abstand zwischen der Drehachse 76 und dem
Soll-Scheibenmittelpunkt 92. Mit diesen Abmessungen wird die Scheibe durch den Transferarm 22
in einer geraden Linie bewegt, wie in den Fig. 6 A bis 6 E gezeigt. Anhand
Fig. 6 C wird deutlich, daß der Soll-Scheibenmittelpunkt 92 und das Loch 100
mit der Primärachse 72 fluchten, wenn der primäre Abschnitt 70 und der
sekundäre Abschnitt 74 übereinanderliegen. Das ist für den Betrieb des
Scheibenausrichters wichtig, was im Folgenden beschrieben wird. Anhand von
Fig. 6 E wird deutlich, daß der Arm 22 nichtvoll ausgefahren ist, wenn die
Scheibe die Eingangsstation 28 erreicht. Es wird nachfolgend beschrieben, daß
auch das für den Betrieb des Scheibenausrichters wichtig ist, da eine zusätzliche
Bewegungsfreiheit zur Kompensation ungewollter Verschiebungen der Scheibe
relativ zu ihrer gewünschten Position zur Verfügung steht. Fig. 6 A zeigt den
Arm 22 voll ausgefahren zur Entnahme einer Scheibe aus dem Kassettenhalter
10. Fig. 6 C zeigt den Arm 22 in seiner neutralen oder orientierenden Position.
Fig. 6 E zeigt den Arm 22 fast voll ausgefahren, um eine Scheibe in der
Eingangsstation 28 abzulegen. Die Fig. 6 B und 6 D zeigen Zwischenpositionen
des Transferarms 22. Ein anderer Aufbau eines Scheibentransferarms ist in der
GB-A-2 193 482 offenbart.
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Die Vorteile des vorliegend dargestellten und beschriebenen
Scheibentransferarms 22 liegen in einem verläßlichen Transfer von Scheiben, da der
Antriebsmotor für den Arm ansteigend betrieben wird, um die Beschleunigung der
Schei
be deutlich unter einem "G" zu halten und die Bewegung mit einer niedrigen
Geschwindigkeit zu beginnen. Somit werden ein plötzliches Anlaufen und eine
plötzliches Anhalten und eine hohe Beschleunigung des Arms vermieden, die
ansonsten ein Herunterfallen der Scheiben verursachen könnten.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen Einzelheiten der Antriebsvorrichtung 54 mit dem
daran zur Drehung um die Primärachse 72 befestigten Transferarm 22. Die
Antriebsmotoren und die dazugehörige Hardware für den Transferarm 22 sind in
einem abgedichteten Antriebsgehäuse 110 angeordnet, dessen Innenraum auf
atmosphärischem Druck gehalten wird. Das Antriebsgehäuse 110 ist über einen
(nicht dargestellten) Schlauch durch die Vakuumkammer 24 an die
Außenumgebung angeschlossen, um in seinem Innenraum einen atmosphärischen Druck
beizubehalten. Folglich werden die Antriebsmotoren und die Hardware durch
Kälteleitung angemessen gekühlt und Schwebstoffe, die durch sich bewegende
Teile erzeugt werden, werden in dem Antriebsgehäuse 110 zurückgehalten. Eine
Antriebswelle 111 für den Transferarm 22 verläuft durch eine Fluid-Abdichtung
zu dem Innenraum des Gehäuses 110 und ist durch eine Riemenscheibe 126 auf
der Antriebswelle 111, durch eine Riemenscheibe 127 auf dem Motor 112 und
durch einen (nicht dargestellten) Antriebsriemen, der die Riemenscheiben
miteinander verbindet, an den Arm-Antriebsmotor 112 gekoppelt. Der Antriebsmotor
112 ist vorzugsweise ein Gleichstrom-Servomotor für eine äußerst genaue
Positionskontrolle des Transferarms 22.
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Ein Ausricht-Spannfutter 114 mit einer im Wesentlichen flachen oberen
Oberfläche und mit einem Polyurethanring zur Reibung mit einer Scheibe ist auf der
oberen Oberfläche des primären Abschnitts 70 auf der Primärachse 72
angeordnet. Das Ausricht-Spannfutter 114 wird durch einen Spannfutterschaft 116
auf der Primärachse 72 getragen, der konzentrisch durch die Antriebswelle 111
hindurch in das Antriebsgehäuse 110 verläuft. Der Spannfutterschaft 116 kann
durch einen Luftzylinder 118 angehoben und abgesenkt werden. Wenn der
Transferarm in der neutralen Position gem. Fig. 6 C ist, wird das
Ausricht-Spannfutter 114 durch das Loch 100 in dem sekundären Abschnitt 74
angehoben und hebt damit die Scheibe über den Scheibenaufnehmer 80 an. Die
Spannfutterwelle 116 ist durch Riemenscheiben 121, 122 und einen
Antriebsriemen 123 auch an einen Ausrichtmotor 120 angeschlossen. Der Ausrichtmotor
120 kann ein Gleichstrom-Servomotor sein. Wenn das Ausricht-Spannfutter 114
durch den Luftzylinder 118 angehoben wird, um die Scheibe wie vorstehend
beschrieben anzuheben, wird der Motor 120 in Betrieb genommen, um das
Aus
richt-Spannfutter 114 und die Scheibe mit dem Ziel einer Abtastung der
Scheibenposition zu drehen, was nachstehend beschrieben wird.
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Ein Scheiben-Positions- und Ausrichtsensor gem. Fig. 5 enthält eine Stütze 130
für eine Lichtquelle 132 und eine Solarzelle 134. Die Lichtquelle 132 ist nahe
dem Scheibenrand positioniert und entlang des Scheibenrands zu der Solarzelle
134 hin ausgerichtet. Die Solarzelle ist mit ihrer langen Abmessung fluchtend mit
der Primärachse 72 und gegenüberliegend der Scheibe und der Lichtquelle 132
befestigt. Die Scheibe unterbricht einen Teil des Lichts von der Lichtquelle 132
auf dem Weg zur Solarzelle 134. Wenn die Scheibe um die Primärachse 72
gedreht wird, wird das Ausgangssignal der Solarzelle überwacht. Wenn die
Scheibe perfekt zentriert über der Primärachse 72 liegt, bleibt das
Ausgangssignal der Solarzelle 134 konstant, mit Ausnahme auf der Scheibenfläche. Die
Signalschwankung auf der Scheibenfläche kann dazu benutzt werden, die
Winkelausrichtung der Scheibenfläche zu bestimmen und der Fläche durch Drehung
des Ausrichtspannfutters 114 eine gewünschte Winkelausrichtung zu geben. In
dem üblichen Teil, in dem die Scheibe nicht perfekt zentriert auf der Primärachse
72 liegt, schwankt das Augangssignal der Solarzelle 134, wenn die Scheibe
gedreht wird. Die Schwankungen des Ausgangssignals wird verarbeitet, um den
aktuellen Scheibenmittelpunkt relativ zu dem Soll-Scheibenmittelpunkt x&sub0;, y&sub0; auf
der Primärachse 72 zu bestimmen, wie in Fig. 7 dargestellt.
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Gemäß Fig. 1 ist die y-Achse der Scheibentransfervorrichtung durch den Weg
definiert, den die Primärachse 72 auf ihrem Weg zu ihren Kassettenhaltern und
Schleusen 14, 16 und 18 zurücklegt. Die x-Achse ist durch eine Linie durch den
Mittelpunkt der Eingangsstation 28 und dem Soll-Mittelpunkt der Scheiben in der
Kassettenschleuse 16 definiert. Die Primärachse 72 befindet sich im Ursprung
des vorstehend definierten Koordinatensystems, wenn Scheiben von und zur
Eingangsstation 28 sowie zur und von der mittleren Kassettenschleuse 16
transferiert werden.
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in dem Ausrichter der vorliegenden Erfindung erfolgt die Positionskorrektur der
Scheibe durch Ablegen der Scheibe auf einer korrigierten Position in der
Eingangsstation 28. Der x-Achsen-Fehler wird durch eine Korrektur der
Ausfahrentfernung des Transferarms 22 kompensiert. D. h., der Arm 22 wird mehr oder
weniger als normal ausgefahren, um den x-Achsen-Fehler zu eliminieren. Der
y-Achsen-Fehler wird durch Bewegung des gesamten Transferarms 22 und der
Antriebsvorrichtung 54 entlang einer Führungsbahn 62 um den Betrag des
y-Achsen-Fehlers kompensiert. Wenn die Solarzelle 134 und der angeschlossene
Verarbeitungsschaltkreis einen Positionsfehler von xm = +0,25 cm und ym =
-0,5 cm bestimmt, wird die Scheibe in der Eingangsstation 28 wie folgt
abgelegt. Der x-Achsen-Fehler wird dadurch kompensiert, daß die Scheibe in der
Eingangsstation 28 mit einem 0,25 cm weniger als nominell ausgefahrenen
Transferarm 22 abgelegt wird. Der Transferarm 22 und die Antriebsvorrichtung 52
werden durch den Motor 56 und die Leitspindel 58 in der positiven y-Richtung
um 0,5 cm verschoben, um den ursprünglichen y-Achsen-Fehler zu
kompensieren, und um den aufgrund der x-Korrektur neu eingebrachten y-Achsen-Fehler.
Die Scheibe wird dann durch die Stifte 30 exakt zentriert auf die Eingangsstation
28 abgesenkt.
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Wie vorstehend gezeigt, wird die Dreh-Ausrichtung der Scheibe an der
Lagebestimmungs- und Ausrichtstation 26 bestimmt und durch Drehung des
Ausricht-Spannfutters 114 korrigiert. Es ist ersichtlich, daß die Scheibe einer
Drehung ausgesetzt ist, wenn sie von der Lagebestimmungs- und
Ausrichtstation 26 durch den Transferarm 22 zur Eingangsstation 28 bewegt wird. Diese
Drehung wird berechnet und durch eine entsprechende entgegengesetzte
Drehung des Ausricht-Spannfutters 114 kompensiert, so daß die Scheibe in der
Eingangsstation 28 mit der gewünschten Ausrichtung positioniert ist.
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Das Signal von der Solarzelle 134 ist eine Funktion des Scheiben-Drehwinkels
und wird mittels eines Analog-/Digital-Wandlers in eine digitale Form
umgewandelt und einem Rechner zugeführt, wo die Daten durch einen Convolver, bspw.
einen 3 · 1-Convolver, reduziert werden. Um wesentliche und geringere Flächen
und Kerben zu lokalisieren, werden Spitzen und Täler in den convolvierten Daten
mit einem Absolutwert größer als einem bestimmten Schwellwert identifiziert.
Der Null-Durchgang von der Spitze ins Tal der convolvierten Daten bestimmt den
Winkel der Scheibenfläche.
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Die Daten der Fläche müssen herausgenommen werden, wenn die axiale Position
des Scheibenmittelpunkts relativ zu einem Bezugspunkt oder zu einer
gewünschten Position bestimmt wird. Dann ergibt die Berechnung des
Differenz-Mittelwerts mit dem entsprechenden Datenpunkt 180º entfernt für eine
Anzahl der abgespeicherten Rohdatenpunkte der Solarzelle den Wert xi. Dann
wird für jeden Wert xi der Differenz-Mittelwert der zwei Datenpunkte berechnet,
die 90º von den ersten Punkten entfernt sind, was den Wert yi liefert. Das
erzeugt N Wertepaare (xi, yi). Bestimme das erste Paar als das Koordinatensystem
und berechne relativ zu dem Koordinatensystem:
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worin (x&sub0;, y&sub0;) das Rotationszentrum ist, (xm, ym) der aktuelle
Scheibenmittelpunkt relativ zum Rotationszentrum, und Φi ist der Winkel zwischen dem
Koordinatensystem und (xi, yi).
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Dann findet man:
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Φ = tan&supmin;¹ (Ym2/xm)
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Re = Sqrt (Xm² + ym²)
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worin Φ der Winkel zum aktuellen Scheibenmittelpunkt ist, und Re die
Entfernung zum aktuellen Scheibenmittelpunkt.
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Als nächstes soll die Winkelausrichtung der Scheibe betrachtet werden.
Angenommen, α ist der gewünschte Winkel der Scheibenfläche in der Eingangsstation
28. Wenn der Arm 22 die Scheibe von der Station 26 in die Eingangsstation 28
transferiert, wird die Scheibe um einen Winkel gedreht, welcher dem Winkel
zwischen dem Arm 22 und der x-Achse entspricht, wenn der Arm 22 zur
Eingangsstation 28 hin ausgefahren ist, wie in Fig. 1 dargestellt. In dem
vorliegenden Beispiel beträgt der Winkel 21,4º. Drehe den Mittelpunkt der Scheibenfläche
an der Station 26 derart, daß ihr Winkel α = -21,4º beträgt. Da der
Scheibenmittelpunkt zum Rotationszentrum versetzt ist, wird der Scheibenmittelpunkt um
den Winkel β = (α - 21,4º) - θ, wobei θ gleich dem Anfangswinkel der
Scheibenfläche ist, auf die Position (xd, yd) gedreht:
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Jetzt wird ein Transfer der Scheibe zur Eingangsstation 28 den Punkt (xd, yd)
zum Punkt (xd', yd') drehen:
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Die Scheibenfläche wird um einen Winkel von (21,4º - d θ) zusätzlich von dem
gewünschten Durchbruchswinkel gedreht, wobei
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d θ = cos&supmin;¹ (L + xd')/(2M)
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worin L der totale lineare Versatz und M die Länge des primären Arms ist. Drehe
dann den Mittelpunkt der Scheibenfläche an der Station 26 anfänglich um (β -
(21,4º - dθ)). Drehe dann den Arm 22 um d θ, um die Scheibe in der
Eingangsstation 28 perfekt auszurichten und zu positionieren.
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Das vorliegend beschriebene Scheiben-Positionierungs- und Ausrichtsystem kann
dazu verwendet werden, eine Scheibe einer Identifizierungs- und visuellen
Untersuchungsstation zuzuführen, wie bspw. einem Zeichenlesegerät, zur
verbesserten Kontrolle und Steuerung des Verfahrens.
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Fig. 8 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Kontroll- und Steuersystems
der vorliegenden Erfindung. Ein Rechner 150 mit entsprechendem Speicher und
periphären Geräten empfängt und verarbeitet Signale von der Solarzelle 134 über
einen Analog-/Digitalwandler 152, wie vorstehend beschrieben. Der Rechner 150
erhält ferner über eine Schnittstelle 154 Signale von einem Dehnungsmeßstreifen
98. Über entsprechende Schnittstellen werden vom Computer Einschaltsignale
für den Arm-Antriebsmotor 112, den Ausrichtermotor 120, den Luftzylinder 118
zum Anheben des Spannfutters, für den Leitspindel-Motor 56, für den
Luftzylinder 50, für die Hebestifte und für den Antrieb 40 für die Hebeeinrichtung
geliefert. Kodierer werden benutzt, um Positionssignale von den Servo-Motoren
zurück an den Rechner zu übertragen, um eine Positionierung mit hoher
Genauigkeit zu erzielen.
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Im Betrieb plaziert ein Bediener Kassettenhalter 10 mit Scheiben in einer oder
mehrere der Kassettenschleusen 14, 16, 18. Die Deckel 32 der
Kassettenschleusen 14, 16, 18 werden geschlossen, und die Kassettenschleusen werden
auf ein Vakuum mit einem Druckniveau gepumpt, das dem in der Liftkammer 20
angenähert ist. Der Liftantrieb wird betätigt, um die Kassettentragplatte 36 und
den Kassettenhalter 10 auf eine bestimmte Position relativ zum Transferarm 22
abzusenken. Die Kassettentragplatte 36 ist vorzugsweise mit Standklötzen 138
ausgerüstet, die das Positionsniveau des Kassettenhalters 10 anheben und einen
Zugriff des Scheibenaufnehmers 80 in einen Zwischenraum 136 zwischen der
tiefsten Scheibe in dem Kassettenhalter 10 und der oberen Oberfläche der
Tragplatte 36 ermöglichen, da das Ende des Kassettenhalters 10 teilweise offen ist.
Der Zwischenraum 136 wird auf die Fläche des Transferarms 22 ausgerichtet
und dann wird der Transferarm 22 in den Zwischenraum 136 ausgefahren. Dann
wird der Kassettenhalter 10 mittels des Liftantriebs 40 abgesenkt, bis die erste
Scheibe den Scheibenaufnehmer 80 kontaktiert, was durch ein Signal von dem
Dehnungsmeßstreifen 98 festgestellt wird. Der Kassettenlift wird gestoppt, und
die erste Scheibe befindet sich auf dem Aufnehmer 80. Der physische Kontakt
zwischen der ersten Scheibe und dem Scheibenaufnehmer 80 wird von dem
Systemrechner dazu verwendet, die Position der im Kassettenhalter 10
verbleibenden Scheiben zu berechnen, basierend auf dem bekannten Abstand zwischen
den Schlitzen in dem Kassettenhalter. Der Dehnungsmeßstreifen 98 ermöglicht
es, aufgrund der aktuellen Position der ersten Scheibe und des Abstands der
Kassettenschlitze zuzüglich Toleranzen in der Kassette die Scheiben in dem
Kassettenhalter zu lokalisieren. Jedoch spielen Toleranzen der Systemelemente
beim Lokalisieren der Scheiben keine Rolle.
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Der Scheibenaufnehmer 80, der die erste Scheibe des Kassettenhalters 10 trägt,
wird durch den Transferarm 22 zur Lagebestimmungs- und Ausrichtstation 26
bewegt. Das Ausricht-Spannfutter 114 wird durch den Luftzylinder 118
angehoben, so daß die Scheibe über den Scheibenaufnehmer gehoben wird. Die
Scheibe wird dann mittels des Ausrichtmotors 120 um mindestens eine
vollständige Umdrehung gedreht. Während der Drehung tasten die Lichtquelle 132 und
die Solarzelle 134 die Scheibenposition relativ zur Primärachse 72 ab und
bestimmen Korrekturwerte xm, ym wie vorstehend beschrieben. Zusätzlich
bestimmen die Solarzelle 134 und dazugehörige Schaltkreise die Ausrichtung der
Scheibenfläche; Dann wird das Ausricht-Spannfutter 114 erneut gedreht, bis die
Scheibenfläche sich in der gewünschten Ausrichtung befindet, mit
Kompensation der nachfolgenden Drehung durch den Arm 22. Dann wird der Arm 22 mit
den notwendigen Positionskorrekturen xm, ym zur Eingangsstation 28 hin
ausgefahren.
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Wenn Scheiben aus irgendeiner der äußeren Kassettenschleusen 14, 18
entnommen werden, werden der Transferarm 22 und die Antriebsvorrichtung 54 durch
den Motor 56 und die Leitspindel 58 entlang der Führungsbahn 62 zu einer
Position vor der entsprechenden Kassettenschleuse bewegt. Die Scheibe wird
wie vorstehend beschrieben aus dem Kassettenhalter herausgezogen und zur
Lagebestimmungs- und Ausrichtstation 26 bewegt. Dann werden der
Transferarm 22 und die Antriebsvorrichtung 54 zur Mittelposition auf der x-Achse
zurückbewegt. Die Lagebestimmungs- und Ausrichtungs-Abtastungen werden
durchgeführt, und die Scheibe wird an die Eingangsstation 28 transferiert, wie
vorstehend beschrieben. Wenn die Scheibe die Eingangsstation auf der
korrigierten Position erreicht, werden die Stifte 30 durch den Luftzylinder 50 angehoben,
um die Scheibe vom Scheibenaufnehmer 80 zu heben. Der Transferarm 22 wird
unter der Scheibe zurückgezogen, und die Scheibe wird durch die Stifte 30 auf
die Scheibentragplatte oder andere Scheibentragmittel in der Eingangsstation 28
abgesenkt. Der Beladevorgang kann wiederholt werden, bis eine Anzahl von
Scheiben an nachfolgende Stationen abgegeben wurden, bspw. die Drehscheibe
eines Ionendotierungsgeräts. Zum Entnehmen von Scheiben aus der
Eingangsstation 28 wird das vorstehende Verfahren umgekehrt, mit der Ausnahme, daß
das Lagesbestimmungs- und Ausrichtverfahren nicht benötigt wird. Die Scheibe
wird direkt von der Eingangsstation 28 zum Kassettenhalter bewegt, mit
entsprechender Verschiebung entlang der y-Achse, falls nötig. Es ist
selbstverständlich, daß die Scheibentransfervorrichtung der vorliegenden Erfindung derart
programmiert werden kann, daß eine Anzahl von Scheiben aufeinanderfolgend in die
Eingangsstation 28 geladen und später wiederäufeinanderfolgend entnommen
werden kann. Falls gewünscht, kann das Be- und Entladeverfahren so
abgewechselt werden, daß eine Scheibe aus der Eingangsstation entnommen wird
und eine neue Scheibe an die Eingangsstation abgegeben wird, bevor die Platte
auf eine neue Position gedreht wird. Desweiteren besitzt das System die
Fähigkeit, Scheiben in einer programmierbaren Art und Weise in Kassetten abzulegen
oder zu entnehmen. D. h., daß der Scheibenaufnehmer 80 eine Scheibe aus
einem bestimmten Schlitz einer bestimmten Kassette entnehmen kann und eine
Scheibe wieder in einem bestimmten Schlitz einer bestimmten Kassette ablegen
kann, vorausgesetzt, der Schlitz ist leer.
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Die Verwendung des Dehnungsmeßstreifens 98 zum Erfühlen von Plättchen
wurde vorstehend in Zusammenhang mit dem Lokalisieren von Scheiben in dem
Kassettenhalter 10 beschrieben. Der Dehnungsmeßstreifen 98 ist auch bei der
Bestimmung nützlich, ob ein Plättchen gebrochen ist oder zu irgendeiner Zeit
während des Transfervorgangs unbeabsichtigt von dem Scheibenaufnehmer 80
herunterfällt. Wenn eine Scheibe gebrochen ist, fällt gewöhnlicherweise ein Teil
herunter, wodurch sich das Gewicht auf dem Scheibenaufnehmer reduziert, was
eine Veränderung des Ausgangssignals des Dehnungsmeßstreifens 98
hervorruft. Somit ist der Dehnungsmeßstreifen 98 hilfreich bei der Feststellung der
Anwesenheit oder Abwesenheit eines Plättchens. Wenn ein Plättchen
heruntergefallen oder zerbrochen ist, muß der Bediener alarmiert werden, damit
korrigierende Schritte eingeleitet werden können.
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Die vorstehend beschriebene Scheibentransfervorrichtung arbeitet im Vakuum.
Das System kann jedoch unter Atmosphärendruck betrieben werden, wenn die
Erfordernisse des Systems es verlangen.