WO1998028824A1 - Vorrichtung zur übertragung von elektrischen strömen auf bewegte maschinenteile - Google Patents

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WO1998028824A1
WO1998028824A1 PCT/CH1997/000376 CH9700376W WO9828824A1 WO 1998028824 A1 WO1998028824 A1 WO 1998028824A1 CH 9700376 W CH9700376 W CH 9700376W WO 9828824 A1 WO9828824 A1 WO 9828824A1
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machine parts
transmission element
transmission
electrical
another
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PCT/CH1997/000376
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Inventor
Hans Signer
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Balzers Aktiengesellschaft
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/643—Devices for uninterrupted current collection through ball or roller bearing

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting electrical currents to moving machine parts according to the preamble of claim 1
  • the patent US 4,308,126 shows a device for electrically contacting rotating workpieces in a vacuum chamber via a pressure bearing, the races and the rolling elements having an electrical resistance of less than 6 micro ohm-cm and a surface hardness of at least 190 Brinell and a melting point of at least 2000 ° C must have.
  • suitable materials such as tungsten and molybdenum.
  • These requirements are, however due to the dual function of this device, namely as a thrust bearing and as an electrical transmission device '.
  • the mechanical load on the rolling cylinder elements creates abrasion, which can lead to contamination of the process chamber and must therefore be avoided.
  • this type of transmission is less suitable for high-frequency currents.
  • a current transmission system between moving parts is to be created which enables good contacting in addition to direct current also for alternating current, but in particular for high-frequency currents, and thus has a low electrical resistance.
  • the wear and thus the particle formation should be kept as low as possible due to a low mechanical load on the contacting elements.
  • the transmission element consists of a resilient ring or a resilient disk made of electrically conductive material such as, for example, a resilient contact sleeve, an annularly closed spiral spring, a disk or a flat ring made of resilient material.
  • This transmission element is dimensioned such that its outer diameter in the original state is larger than the distance between the two machine parts that are moved relative to one another. Therefore, it is elastically deformed between the moving parts. This can take the form of a slightly flattened circle or a caterpillar-shaped band Accept loop. In the elastically deformed zone, the transmission element not only touches the two machine parts selectively, but safely in many points over a larger surface area and thus ensures an extraordinarily good electrical contact between the moving machine parts.
  • the contact can also be improved by using a plurality of transmission elements. It may prove useful to provide insulating components between the conductive transmission elements in order to prevent the individual transmission elements from touching one another. Appropriate measures must be taken to ensure that these insulation bodies are not exposed to sliding friction.
  • the transmission elements are in constant contact with the two machine parts moving against one another, but are not fastened to either of the two machine parts so that their outer surface can roll on the machine parts. Avoiding sliding contact is a prerequisite for low-particle power transmission.
  • the areal contact of the transmission element with the machine parts has the result that only the short free end pieces of a transmission element, for example in the form of a caterpillar, elastically deformed, act as the actual electrical conductor between the two machine parts. This is especially advantageous for the transmission of high-frequency alternating currents.
  • the relative movement of the two machine parts can be continuous in one direction or as a reciprocating movement.
  • the invention can also be used just as well in the case of parts which are arranged essentially coaxially for current transmission in the case of rotational movements or pivoting movements about the axis of rotation.
  • the transmission elements should advantageously be guided through suitably dimensioned grooves on at least one of the two machine parts.
  • the clearance angle of the groove must also be observed.
  • the transmission element should be guided with as little friction as possible and thus avoiding the formation of particles.
  • the transmission elements can be mounted in their axis of rotation parallel or perpendicular to the axis of rotation of coaxially arranged machine parts.
  • Coaxially arranged machine elements can be designed as inner and outer hollow cylinders or rings, with transmission elements in between.
  • transmission elements in between.
  • electrical potentials on various rotating electrodes for example, it is possible to measure electrical potentials on various rotating electrodes.
  • the device can be used to feed movably arranged substrate carriers, targets, electrodes, etc. in vacuum process chambers, for example to supply bias to workpiece carriers and / or workpieces or to couple in the sputter potentials on sputter cathodes and on magnetron targets.
  • it is also suitable for transferring electrical potentials from moving electrodes, shielding elements and coating masks to stationary measuring devices.
  • Fig.l A linear arrangement of relatively moving plates with flattened ring-shaped transmission elements using the example of a moving planar magnetron.
  • Fig.2 A coaxial arrangement of relatively moving machine parts with caterpillar-shaped deformed transmission elements using the example of a cylindrical coating system.
  • Fig. 3 A coaxial arrangement of relatively moving machine parts with caterpillar-shaped deformed transmission elements using the example of a cylindrical coating system.
  • Embodiments of transmission elements in cross section with a corresponding design of the guide groove a) resilient annular metal sleeve b) spiral spring closed to a ring c) flat, resilient disc or ring with slight saddle-shaped deformation. d) a high-frequency spring strip with a V-shaped cross section closed to form a ring.
  • the upper plate can, for example, as shown in Fig.la, be a planar magnetron 1, which is connected to a generator 2 and is periodically moved back and forth. With this arrangement, a substrate 4 can be coated which is larger than the magnetron itself.
  • the transmission element 3 is continuously in rolling contact with the upper surface 7 of the base plate 5 and the rear contact surface 6 of the planar magnetron.
  • the mounting and the drive (neither shown) of the magnetron are dimensioned independently of the transmission element 3 such that the distance between the two surfaces to be contacted, namely the surface 6 of the base plate 5 and the rear side 6 of the magnetron 1, is somewhat smaller than the outer diameter of the transmission element 3.
  • the transmission element is compressed somewhat and takes the form of a circle flattened at the contact surfaces. This has the advantage that the mechanical and electrical contact is not only linear, but also areal, which is favorable for the transmission of the electrical power.
  • the dimension of the base plate in the direction of movement of the moving plate can be significantly smaller than the entire width swept by the magnetron movement.
  • the width of the base plate is only about 15% Larger than the magnetron width £, the magnetron sweeping over a region 3 x 3 times as large due to the pendulum movement.
  • the magnetron 1 is shown once in the right end position and a second time in dashed lines in the left end position 1 '. In the corresponding left end position, the transmission element 3 'is also shown in dashed lines.
  • FIG.lb Another application for the electrical transmission according to the invention in a linear movement is shown in Fig.lb.
  • a planar magnetron 1 is shown from above. It is movably mounted on rails 8 (storage not shown) and is periodically moved back and forth.
  • a side surface 9 is used for the transmission of electrical power and is in constant contact with the rolling electrical transmission element 3, which is arranged between the fixed base plate 5 and the side surface 9 of the planar magnetron so that it is slightly compressed and the shape of a flattened in two places Circle.
  • the current source electrically connected to the base plate can be designed as a high-frequency or direct current source.
  • FIG. 2 shows the electrical transmission between two mutually movable coaxially arranged cylinder surfaces.
  • An example is the electrical supply of a rotating substrate carrier.
  • An inner fixed cylinder 25 is in its upper region with a Power source 22 electrically connected via a conductor 28.
  • the outer cylinder 21 is rotatably mounted (bearing not shown) so that it can rotate about its axis.
  • the drive takes place via the laterally arranged, schematically drawn drive element 24.
  • a caterpillar-shaped, resilient transmission element 23 is used to transmit the electrical power to the upper part of the outer cylinder. This is in constant rolling contact with both the uppermost part of the outer cylinder surface 26 of the inner cylinder and also with the inner cylinder surface 27 of the outer rotating cylinder 21.
  • the caterpillar-shaped transmission element 23 has particularly large contact surfaces, so that even high outputs without losses or measurement signals without noise can be transferred correctly.
  • the inner hollow cylinder can also be designed as a full cylinder with a correspondingly insulated feed line 28.
  • FIG. 2a A single caterpillar-shaped transmission element is shown in FIG. 2a. 2b indicates the possibility of using several such elements.
  • FIG. 3 the basic embodiments of the transmission elements are shown using the example of a concentric arrangement.
  • the rotational movement of one cylinder relative to the other causes the transmission elements to roll within the annular gap formed by the two concentric cylinders.
  • the transmission elements move in the same direction and in the same direction of rotation as the outer cylinder ring or hollow cylinder. Depending on the dimensions of the annular gap and transmission elements, one can differentiate between two limit cases:
  • the radial distance between the two cylinders is only slightly smaller than the outer diameter of the transmission element in its original form.
  • the shape of the transmission elements differs only slightly from the original circular shape during operation. They are flattened slightly in the area of contact with the outer cylindrical surface of the inner ring 31 or the inner cylindrical surface of the outer ring 32 (FIG. 3a), but essentially retain their circular shape. You want to transmit large currents, or keep the contact resistance small, so us uss use several such essentially circular transmission elements.
  • Fig.3b Another embodiment can be seen in Fig.3b.
  • the gap is significantly smaller than the outer diameter of the ring-shaped transmission element in its original form.
  • the originally circular transmission elements are very strongly deformed in use and assume a caterpillar shape.
  • a single transmission element is sufficient to create a sufficiently low contact resistance. Values of better than 100 m ⁇ (direct current) can be achieved.
  • Fig. A shows a sleeve-shaped resilient ring 43, the original diameter of which is somewhat larger than the distance 44 between the guide grooves in the inner ring 42 and in the outer ring 46.
  • the clearance angle 45 is chosen so large that, on the one hand, the ring 43 is guided properly on the other hand, the lowest possible friction between the ring and the grooves occurs.
  • the two rings 42 and 46 rotate relative to each other about the main axis of rotation 41.
  • the transmission elements 43 are arranged that its axis of rotation 47 runs parallel to the main axis of rotation 41.
  • FIG. 4b shows an annularly closed spiral spring as the transmission element 43; in FIG. 4c it is a resilient disk and in FIG. 4d the transmission element 43 consists of a high-frequency spring strip which is closed to form a ring and has a V-shaped cross section and links connected to one another in a meandering manner.
  • the guide grooves are adapted to the shapes of the transmission elements.
  • FIG. 5 shows the transmission elements 53 with their axis of rotation 57 perpendicular to the main axis of rotation 51 of a coaxial arrangement.
  • the transmission element consists of an annularly closed spiral spring, in Fig. 5b it is a resilient flat disc.
  • FIG. 6 shows a snapshot of an arrangement of six rotating substrate carriers af, which move past a process chamber 70 within a process chamber, in which an electrical discharge (outer wall of the process chamber and discharge not shown) takes place.
  • Each of the six substrate carriers is electrically connected to the corresponding segment of the rotating outer ring 66 via the conductors 68.
  • the electrical measurement is carried out via the measuring instrument 69.
  • the outer ring 66 is divided into six segments according to the number of substrate carriers.
  • the inner ring 62 has only two segments, namely a small one that is located in the angular region of the process station 70 and a larger one that essentially comprises the remaining angular region.
  • the small segment of the fixed inner ring is connected to the measuring instrument 69, while the larger segment is grounded.
  • an electrical measurement is carried out.
  • this relates to the substrate carrier a.
  • This is connected to the measuring instrument 69 by means of the rolling transmission elements 63 via the corresponding small segment of the fixed inner ring 62.
  • the remaining substrate carriers are electrically connected to the larger segment of the inner ring via the corresponding transmission elements and thus to earth potential.

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

In einer Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Strömen auf bewegte Maschinenteile in Vakuumprozessanlagen sind diese Maschinenteile unabhängig von der Übertragungsvorrichtung beweglich in einem im wesentlichen konstanten Abstand voneinander gelagert. Zwischen den Teilen wird mindestens ein Übertragungselement beweglich eingebaut, das elektrisch leitend und mit den beiden Maschinenteilen in Kontakt ist. Das Übertragungselement wird beim Einbau elastisch deformiert und ist dauernd mit den beiden Maschinenteilen in rollendem Kontakt.

Description

Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Strömen auf bewegte Maschinenteile
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertra- gung von elektrischen Strömen auf bewegte Maschinenteile nach dem Oberbegriff von Anspruch 1
Die Patentschrift US 4,308,126 zeigt eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung rotierender Werkstücke in einer Vakuumkammer über ein Drucklager, wobei die Laufringe und die rollenden Elemente einen elektrischen Widerstand von weniger als 6 Mikro Ohm-cm und eine Oberflächenhärte von mindestens 190 Brinell und einen Schmelzpunkt von mindestens 2000 °C haben müssen. Durch diese Anforderungen ist die Aus- wähl geeigneter Materialien stark eingeschränkt, beispielsweise auf Wolfram und Molybdän. Diese Anforderungen sind aber durch die Doppelfunktion dieser Vorrichtung, nämlich als Drucklager und als elektrische Übertragungsvorrichtung 'bedingt. Durch die mechanische Belastung der rollenden Zy- linderelemente entsteht Abrieb, der zur Verschmutzung der Prozesskammer führen kann und daher vermieden werden muss. Zudem ist diese Art der Übertragung für Hochfrequenzströme weniger gut geeignet.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 18 18 144 ist eine bewegliche Verbindung zur Überleitung elektrischen Stromes bekannt, bei der die Stromübertragung durch Wälzkörper wie Kegelrollen, Zylinderrollen und Kugeln erfolgt. Bei hohen Stromstärken entstehen jedoch erhebliche Kontaktprobleme aufgrund der linien- bzw. punktförmigen Berührung. Die Folge davon sind Verschleiss und elektrische Abbrände.
Von Elektromotoren ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 38 42 223 bekannt, dass die elektrische Kon- taktierung rotierender Teile durch federnd gelagerte sogenannte Bürsten erfolgt. Dieser Schleifkontakt ist aber ins- besondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten einem erheblichen Abrieb unterworfen. Diese Art der Kontaktierung ist daher in Prozesskammern ungeeignet. Sie würde zu einer starken Verschmutzung der Prozesskammer führen.
Die Übertragung von elektrischen Strömen auf bewegte Teile, wie z.B. auf bewegte Substratträger, auf Targets und Elektroden in Prozesskammern ist in Vakuumumgebung besonders problematisch. Wegen dem Abrieb an gleitenden Teilen können die empfindlichen und hochreinen Vakuumverfahren verunrei- nigt werden, was in der Regel völlig unannehmbar ist. Ein weiteres Problem besteht im Vakuum darin, dass Schleifkontakte bei der Übertragung von hohen Gleichstrom-, Wechselstrom- und Hochfrequenzspannungen im Bereich von einigen 100 Volt bis einige kVolt Lichtbogen- bzw. Glimmentladungen zün- den können, welche die Anordnung zusätzlich verschmutzen oder gar zerstören können. Es ist Aufgabe der Erfindung, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Stromübertragungssystem zwischen bewegten Teilen geschaffen werden, das eine gute Kontaktierung neben Gleichstrom auch für Wechselstrom, insbesondere aber für Hochfrequenzströme ermöglicht und damit einen geringen elektrischen Widerstand aufweist. Zusätzlich soll durch eine geringe mechanische Belastung der Kontaktierungselemente die Abnützung und damit die Partikelbildung so gering wie möglich gehalten werden.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen dar.
Gemass der Erfindung besteht das Übertragungselement aus einem federnden Ring oder einer federnden Scheibe aus elektrisch leitendem Material wie beispielsweise einer federnden Kontakthülse, einer ringförmig geschlossenen Spiralfeder, einer Scheibe oder einem flachen Ring aus federndem Materi- al.
Dieses Übertragungselement ist so dimensioniert, dass sein Aussendurchmesser im ursprünglichen Zustand grösser ist als der Abstand der beiden relativ zueinander bewegten Maschi- nenteile. Daher wird es zwischen den bewegten Teilen elastisch deformiert. Dadurch kann es die Form eines leicht abgeplatteten Kreises oder aber einer raupenförmigen Band- Schlaufe annehmen. In der elastisch deformierten Zone berührt das Übertragungselement die beiden Maschinenteile nicht nur punktuell, sondern sicher in vielen Punkten über einen grösseren Flächenbereich und gewährleistet damit einen ausserordentlich guten elektrischen Kontakt zwischen den bewegten Maschinenteilen.
Der Kontakt kann auch dadurch verbessert werden, dass eine Mehrzahl von Übertragungselementen eingesetzt werden. Dabei kann es sich als nützlich erweisen, zwischen den leitenden Übertragungselementen isolierende Bauteile vorzusehen, um zu verhindern, dass sich die einzelnen Übertragungselemente gegenseitig berühren. Durch geeignete Massnahmen müssen diese Isolationskörper so geführt werden, dass auch sie keiner Gleitreibung ausgesetzt sind.
Die Übertragungselemente sind zwar in ständiger Berührung mit den beiden gegeneinander bewegten Maschinenteilen, aber an keinem der beiden Maschinenteile befestigt, sodass sie mit ihrer Aussenfläche auf den Maschinenteilen abrollen können. Die Vermeidung eines Schleifkontaktes ist Voraussetzung für eine partikelarme Stromübertragung. Gleichzeitig hat der flächige Kontakt des Übertragungselementes mit den Maschinenteilen zur Folge, dass als eigentlicher elektrischer Lei- ter zwischen den beiden Maschinenteilen nur die kurzen freien Endstücke eines beispielsweise raupenförmig elastisch deformierten Übertragungselementes wirken. Das ist insbeson- dere bei der Übertragung von hochfrequenten Wechselströmen vorteilhaft .
Die relative Bewegung der beiden Maschinenteile kann konti- nuierlich in einer Richtung oder als Pendelbewegung hin und her erfolgen. Die Erfindung lässt sich aber ebenso gut bei im wesentlichen koaxial angeordneten Teilen zur Stromübertragung bei Rotationsbewegungen oder Schwenkbewegungen um die Rotationsachse verwenden.
Die Übertragungselemente sollen vorteilhafterweise zumindest auf einem der beiden Maschinenteile durch passend dimensionierte Nuten geführt werden. Dabei ist auch der Freiwinkel der Nut zu beachten. Die Führung des Übertragungselementes soll nämlich möglichst reibungsarm und damit unter Vermeidung von Partikelbildung erfolgen.
Die Übertragungselemente können in ihrer Drehachse parallel oder senkrecht zur Rotationsachse von koaxial angeordneten Maschinenteilen montiert sein.
Koaxial angeordnete Maschinenelemente können als innere und äussere Hohlzylinder oder Ringe ausgebildet sein, mit dazwischen liegenden Übertragungselementen. In diesem Fall ist es auch möglich, diese Hohlzylinder oder Ringe durch axial angeordnete Unterbrüche in Segmente zu unterteilen, sodass bestimmte Bereiche des einen Ringes zeitlich verschoben mit bestimmten Bereichen des andern Ringes in elektrischem Kontakt stehen. So ist es beispielsweise möglich, elektrische Potentiale an verschiedenen rotierenden Elektroden zu messen.
Die Vorrichtung kann zur Speisung von beweglich angeordneten Substratträgern, Targets, Elektroden etc. in Vakuumprozesskammern verwendet werden, so beispielsweise zur Biasversor- gung von Werkstückträgern und/oder Werkstücken oder zur Ein- kopplung der Sputterpotentiale an Sputterkathoden sowie an Magnetrontargets. Sie eignet sich aber auch dazu, elektrische Potentiale von bewegten Elektroden, Abschirmungselemen- ten und Beschichtungsmasken auf stationäre Messeinrichtungen zu übertragen.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen in schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l Eine lineare Anordnung von relativ zueinander bewegten Platten mit abgeplatteten ringförmigen Übertragungselementen am Beispiel eines bewegten planaren Magnetrons.
Fig.2 Eine koaxiale Anordnung von relativ zueinander bewegten Maschinenteilen mit raupenförmig deformierten Übertragungselementen am Beispiel einer zylindrischen Beschichtungsanlage. Fig.3
Kreisringförmige und raupenförmige Ausführungsformen von Übertragungselementen .
Fig. 4
Ausführungsformen von Übertragungselementen im Querschnitt mit entsprechender Ausführung der Führungsnut a) federnde ringförmige Metallhülse b) zu einen Ring geschlossene Spiralfeder c) flache, federnde Scheibe oder Ring mit leichter sattelförmiger Verformung. d) zu einem Ring geschlossener Hochfrequenzfederstreifen mit V-förmigem Querschnitt.
Fig.5
Übertragungselemente mit ihrer Drehachse senkrecht zur Drehachse der gegeneinander rotierenden Maschinenteile.
Fig.6
Potentialmessung an verschiedenen rotierenden Elektroden
In Fig. 1 ist eine lineare Anordnung mit abgeplatteten kreisförmigen Übertragungselementen dargestellt. Zwei voneinander elektrisch isolierte und gegeneinander beweglich gelagerte Platten werden durch mindestens ein im wesentli- chen kreisförmiges Übertragungselement elektrisch miteinander verbunden. Die obere Platte kann beispielsweise, wie in Fig.la gezeigt, ein planares Magnetron 1 sein, welches an einen Generator 2 angeschlossen ist und periodisch hin und her bewegt wird. Mit dieser Anordnung kann ein Substrat 4 beschichtet werden, das grösser ist als das Magnetron selbst. Das Übertragungselement 3 ist dauernd in rollendem Kontakt mit oberen Fläche 7 der Grundplatte 5 und der rückseitigen Kontaktfläche 6 des planaren Magnetrons. Die Lage- rung und der Antrieb (beides nicht gezeigt) des Magnetrons sind unabhängig vom Übertragungselement 3 so dimensioniert, dass der Abstand zwischen den beiden zu kontaktierenden Flächen, nämlich der Oberfläche 6 der Grundplatte 5 und der Rückseite 6 des Magnetrons 1 etwas kleiner sind als der Aussendurchmesser des Übertragungselementes 3. Dadurch wird das Übertragungselement etwas zusammengedrückt und nimmt die Form eines an den Berührungsflächen abgeplatteten Kreises an. Das hat den Vorteil, dass der mechanische und elektrische Kontakt nicht nur linienförmig, sondern flä- chenhaft erfolgt, was für die Übertragung der elektrischen Leistung günstig ist.
Ein weiterer Vorteil der in Fig.la gezeigten Anordnung liegt darin, dass die Dimension der Grundplatte in Bewegungsrich- tung der bewegten Platte bedeutend kleiner sein kann als die ganze von der Magnetronbewegung überstrichene Breite. Im dargestellten Fall ist Breite der Grundplatte nur etwa 15 % grösser als die Magnetronbreite £, wobei das Magnetron durch die Pendelbewegung einen dreimal so grossen Bereich 3 x l überstreicht. Das Magnetron 1 ist einmal in der rechten Endstellung und ein zweites Mal gestrichelt in der linken End- Stellung 1' gezeigt. In der entsprechenden linken Endstellung ist auch das Übertragungselement 3' gestrichelt eingezeichnet.
Eine weitere Anwendung für die elektrische Übertragung ge- mäss der Erfindung bei einer lineare Bewegung ist in Fig.lb dargestellt. Ein planares Magnetron 1 ist von oben gezeigt. Es ist auf Schienen 8 beweglich gelagert (Lagerung nicht gezeigt) und wird periodisch hin und her bewegt. Eine Seitenfläche 9 dient der Übertragung elektrischer Leistung und ist in ständigem Kontakt mit dem rollenden elektrischen Übertragungselement 3, welches zwischen der festen Grundplatte 5 und der Seitenfläche 9 des planaren Magnetrons so angeordnet ist, dass es leicht zusammengedrückt wird und die Form eines an zwei Stellen abgeplatteten Kreises annimmt. Die mit der Grundplatte elektrisch verbundene Stromquelle kann als Hochfrequenz- oder Gleichstromquelle ausgebildet sein.
In Fig.2 wird die elektrische Übertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen koaxial angeordneten Zylinderflächen gezeigt. Als Beispiel dient in die elektrische Versorgung eines rotierenden Substratratträgers. Ein innerer feststehender Zylinder 25 ist in seinem oberen Bereich mit einer Stromquelle 22 über einen Leiter 28 elektrisch verbunden. Der äussere Zylinder 21 ist drehbar gelagert (Lagerung nicht gezeigt) , sodass er um seine Achse rotieren kann. Der Antrieb erfolgt über das seitlich angeordnete, schematisch ge- zeichnete Antriebselement 24. Zur Übertragung der elektrischen Leistung auf den oberen Teil des äusseren Zylinders dient ein raupenförmiges, federndes Übertragungselement 23. Dieses steht in dauerndem rollendem Kontakt sowohl mit dem obersten Teil der äusseren Zylinderfläche 26 des inneren Zy- linders als auch mit der inneren Zylinderfläche 27 des äusseren rotierenden Zylinders 21. Das raupenförmige Übertragungselement 23 hat im Vergleich zu den in Fig.l gezeigten, lediglich abgeplatteten Kreisringen besonders grosse Kontaktflächen, sodass auch grosse Leistungen ohne Verluste oder Messsignale ohne Rauschen einwandfrei übertragen werden können. Der innere Hohlzylinder kann auch als voller Zylinder ausgebildet sein, mit entsprechend isoliert geführter Zuleitung 28.
In Fig.2a ist ein einziges raupenförmiges Übertragungselement gezeigt. Fig. 2b weist auf die Möglichkeit hin, mehrere solcher Elemente einzusetzen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise die Kon- taktierung von zylindrischen Zerstäubungstargets oder bewegten Elektroden oder Blenden. Der Anschluss kann zu einer Stromversorgung oder zu einem elektrischen Messgerät führen. In Fig.3 sind die grundsätzlichen Ausführungsformen der Übertragungselemente am Beipiel einer konzentrischen Anordnung dargestellt. Zwei konzentrisch angeordnete Hohlzylinder 31 und 32, von denen der innere 31 auch als voller Zylinder ausgebildet sein kann und die so gelagert sind (Lager nicht gezeigt) , dass sie relativ zueinander um die gemeinsame Achse rotieren können, werden durch die Übertragungselemente 33 elektrisch miteinander verbunden. Die Rotationsbewegung des einen Zylinders gegenüber dem andern bewirkt eine rollende Bewegung der Übertragungselemente innerhalb des Ringspaltes, der durch die beiden konzentrischen Zylinder gebildet wird. Die Übertragungselemente bewegen sich in gleicher Richtung und im gleichen Drehsinn wie der äussere Zylinderring oder Hohlzylinder. Man kann dabei je nach der Dimension von Ringspalt und Übertragungselemente zwei Grenzfälle unterscheiden:
a) Der radiale Abstand der beiden Zylinder ist nur wenig kleiner als der Aussendurchmesser des Übertragungselementes in seiner ursprünglichen Form. Dadurch weicht die Gestalt der Übertragungselemente im Betrieb nur knapp von der ursprünglichen kreisförmigen Gestalt ab. Sie werden im Bereich des Kontaktes mit der äusseren Zylindermantelfläche des in- neren Ringes 31 bzw. der inneren Zylindermantelfläche des äusseren Ringes 32 leicht abgeplattet (Fig.3a), behalten im wesentlichen aber ihre kreisförmige Gestalt bei. Will man grosse Ströme übertragen, bzw. den Übergangswiderstand klein halten, so uss man mehrere solcher im wesentlichen kreisförmige Übertragungselemente einsetzen.
b) Eine andere Ausführungsform ist in Fig.3b zu sehen. Hier ist der Spalt bedeutend kleiner als der Aussendurchmesser des ringförmigen Übertragungslementes in seiner ursprünglichen Form. Dadurch werden die ursprünglich kreisförmigen Übertragungselemente im Einsatz sehr stark deformiert und nehmen eine raupenförmige Gestalt an. In vielen Fällen genügt ein einziges Übertragungselement zur Schaffung eines genügend geringen Übergangswiderstandes. Es können Werte erreicht werden von besser als 100 mΩ (Gleichstrom) .
In Fig.4a-4c sind verschiedene Ausführungsformen von Übertragungselementen mit den zugehörigen Führungsnuten am Beispiel von koxialen Anordnungen dargestellt:
Fig. a zeigt einen hülsenförmigen federnden Ring 43 , dessen ursprünglicher Durchmesser etwas grösser ist als der Abstand 44 zwischen den Führungsnuten im inneren Ring 42 und im äusseren Ring 46. Der Freiwinkel 45 wird so gross gewählt, dass einerseits die einwandfreie Führung des Ringes 43 gewährleistet ist, andrerseits eine möglichst geringe Reibung zwischen dem Ring und den Nuten auftritt. Die beiden Ringe 42 und 46 rotieren relativ zueinander um die Hauptrotationsachse 41. Die Übertragungselemente 43 sind so angeordnet, dass ihre Drehachse 47 parallel zur Hauptrotationsachse 41 verläuft.
In Fig.4b wird als Übertragungselement 43 eine ringförmig geschlossene Spiralfeder gezeigt; in Fig.4c ist es eine federnde Scheibe und in Fig.4d besteht das Übertragungselement 43 aus einem zu einem Ring geschlossenen Hochfrequenzfederstreifen mit V-förmigem Querschnitt und mäanderförmig miteinander verbundenen Gliedern. Den Formen der Übertragungse- lemente entsprechend sind die Führungsnuten angepasst.
In Fig.5 sind die Übertragungselemente 53 mit ihrer Drehachse 57 senkrecht zur Hauptrotationsachse 51 einer koaxialen Anordnung dargestellt. In Fig.5a besteht das Übertragungse- lement aus einer ringförmig geschlossenen Spiralfeder, in Fig.5b ist es eine federnde flache Scheibe.
Fig.6 zeigt eine Momentaufnahme einer Anordnung von sechs rotierenden Substratträgern a-f, die sich innerhalb einer Prozesskammer an einer Prozessstation 70 in welcher eine elektrischen Entladung (Aussenwand der Prozesskammer und Entladung nicht gezeigt) stattfindet, vorbei bewegen. Jeder der sechs Substratträger ist mit dem korrespondierenden Segment des mitdrehenden Aussenringes 66 über die Leiter 68 elektrisch verbunden. Die elektrische Messung erfolgt über das Messinstrument 69. Während der Aussenring 66 entsprechend der Zahl der Substratträger in sechs Segmente unter- teilt ist, weist der Innenring 62 lediglich zwei Segmente auf, nämlich ein kleines, das sich im Winkelbereich der Prozessstation 70 befindet und ein grösseres, welches im wesentlichen den restlichen Drehwinkelbereich umfasst. Das kleine Segment des feststehenden Innenringes ist mit dem Messinstrument 69 verbunden, während das grössere Segment geerdet ist.
Immer, wenn sich einer der Substratträger a-f vor dieser Prozessstation befindet, wird eine elektrische Messung durchgeführt. Im gezeigten Fall betrifft das den Substratträger a. Dieser ist mittels der rollenden Übertragungselemente 63 über das entsprechende kleine Segment des fest stehenden Innenringes 62 mit dem Messinstrument 69 verbunden. Die übrigen Substratträger sind über die entsprechenden Übertragungselemente mit dem grösseren Segment des Innenringes elektrisch verbunden und damit auf Erdpotential.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Strömen auf bewegte Teile in Vakuumprozessanlagen mit mindestens zwei unabhängig von der Übertragungsvorrichtung gelagerten Maschinenteilen, mit einem im wesentlichen konstantem Abstand voneinander, und welche relativ zueinander beweglich gelagert sind, wobei zwischen den Teilen mindestens ein Übertragungselement eingebaut ist, das elektrisch leitend ist und mit den beiden Maschinenteilen beweglich in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement elastisch deformierbar ist und die beiden Maschinenteile gleichzeitig abrollend kontaktiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maschinenteile aus zwei im wesentlichen parallel zueinander linear bewegten Platten in im wesentlichen konstantem Abstand bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maschinenteile aus zwei im wesentlichen koaxial zueinander angeordneten Hohlzy- lindern von unterschiedlichen Durchmessern bestehen und dass sie um ihre gemeinsame Achse drehbeweglich gelagert sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3 dadurch gekennzeichnet, dass für die Übertragungselemente Führungsnuten parallel zur Bewegungsrichtung in mindestens einer der beiden der einander gegenüber angeordneten relativ zueinander bewegten Oberflächen vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsnut der Form des Übertragungselementes im Bereich der Kontaktfläche mindestens teilweise angepasst ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Maschinenteile nur wenig kleiner als der Aussendurchmesser des kreisförmigen Übertragungselementes im ursprünglichen Zustand ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement scheibenförmig, insbesondere ringförmig ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Übertragungselement aus einem federnden Metall wie insbesondere Federstahl oder Federbronce besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Übertragungselement als Metallfeder, insbesondere als Spiralfeder, ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Übertragungselemente vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Maschinenteile wesentlich kleiner als der Aussendurchmesser des ringförmigen Übertragungslementes in seinem ursprünglichen Zustand ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-10 dadurch gekennzeichnet, dass der Innen- und/oder Aussenzy- linder elektrische Unterbrüche aufweist, sodass bestimmte Bereiche des rotierenden Aussenringes abwechslungsweise mit bestimmten elektrischen Geräten verbunden werden können.
PCT/CH1997/000376 1996-12-20 1997-10-06 Vorrichtung zur übertragung von elektrischen strömen auf bewegte maschinenteile WO1998028824A1 (de)

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