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Die Plasmabearbeitung von Substraten,
wie beispielsweise einem Halbleiterwafer, ist wohl bekannt, sowie
auch die Notwendigkeit der thermischen Steuerung derartiger Substrate,
welche häufig
dadurch erfolgt, dass diese an einer thermisch gesteuerten Elektrode
oder einem Podest elektrostatisch festgeklammert werden.
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Siliziumwafer werden typischerweise
gemäß einer
Industriestandarddicke geliefert, welche sicherstellt, dass diese
steif und mechanisch relativ fest sind. Die Dicke des Wafers steht
in Relation zur Kristallographie und Wafergröße und beträgt beispielsweise 400 μm oder mehr
für einen
100 mm Wafer und 675 μm
oder mehr für
einen 150 mm Wafer. Bei der Verwendung für bestimmte Anwendungen, einschließlich Energieversorgungen
(bei der durch die Dicke des Wafers ein Wärmeverlust auftreten kann), kleine
elektronische Konsumartikel (bei denen dicht gepackte Vorrichtungen
erforderlich sind), Gehäuse, die
geschichtete Vorrichtungen enthalten, und bestimmte elektromechanische
Mikrovorrichtungen (MEM – mikro
elektro mechanical device) hat eine derartige Waferdicke jedoch
Nachteile.
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Es ist daher die Möglichkeit
wünschenswert, dünne Wafer
zu bearbeiten, wobei entweder ein Wafer mit Standarddicke teilweise
bearbeitet wird (beispielsweise an dessen Vorderseite) und dann
vor der weiteren Bearbeitung die Dicke reduziert wird, oder es werden
bei dem gesamten Wafer-Bearbeitungsprozess dünne Wafer verwendet. Der Ausdruck "dünn" ist industriell nicht definiert, jedoch
wird man darunter im wesentlichen weniger als die halbe Originaldicke
oder etwa 250 μm
als Obergrenze verstehen. Mit der Weiterentwicklung der Technologie
von dünnen
Wafern und der Bearbeitung derselben reduziert sich die Dicke eines "dünnen" Wafers, so dass derzeit ein Wafer mit
einer Dicke von 150 bis 100 μm als "typisch dünner" Wafer und ein Wafer
mit 50 μm oder
weniger als ultra dünn
betrachtet wird. Bei der Bearbeitung von dünnen Wafern ergeben sich erhebliche
Herausforderungen, da diese Substrate insbesondere dann, wenn eine
Seite oder Fläche
in Bezug auf die andere Seite unter Spannung oder Druck gesetzt
wird, einem signifikanten Verbiegen unterliegen. Dies kann beispielsweise
dann auftreten, wenn eine Seite geheizt wird, auf einer Seite Werkstoff
abgelagert wird oder auf einer Seite Werkstoff entfernt wird. Da
alle diese Effekte innerhalb eines Plasmabearbeitungsystems für einen
Wafer wahrscheinlich sind, tritt ein Verbiegen oder Krümmen des
Wafers mit hoher Wahrscheinlichkeit auf. Dies kann wiederum zu Problemen
beim Transport des Wafers führen.
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Insbesondere um Dünnschichtspannungen zu vermeiden
(und dadurch eine Verbiegung des Wafers zu reduzieren), kann es
hilfreich sein, während eines
Ablagerungsprozesses mittels Sputtern die Temperatur des Wafers
nahe Umgebungsraumtemperatur zu halten. Das elektrostatische Festklemmen ist
ein wohlbekanntes Verfahren, um den Wafer in engen Kontakt mit einer
Spannvorrichtung zu bringen, um es einem Gas zu ermöglichen,
den Raum zwischen dem Wafer und der Spannvorrichtung unter Druck
zu setzen. Dies ermöglicht
eine gute thermische Leitung während
der Ablagerungen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es bei
dünnen
Wafern zu Fehlfunktionen beim Festklemmen kommt, die zu einem vollständigen Ablösen von
der Spannvorrichtung während
der Ablagerungensequenz führen
können.
Hierfür
wird nachfolgend eine Lösung
zur Verfügung
gestellt.
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Die Anmelder haben herausgefunden,
dass sich der Mechanismus, der zu der Fehlfunktion führt, wie
folgt darstellt. Während
der Bearbeitung wird vorzugsweise einer Seite des Wafers eine Spannungsbelastung,
wie beispielsweise Wärme,
zugeführt. Dies
führt dazu,
dass der Wafer versucht sich zu verziehen oder zu verbiegen. Die
elektrostatisch ausgeübte
Klemmkraft dagegen versucht den Wafer flach auf der Spannvorrichtung
zu halten. Wenn jedoch der Wafer damit beginnt, sich von der Spannvorrichtung abzuschälen, dann
ist an der Kante des Wafers die Klemmkraft schnell verloren, was
zu einer vollständigen
Fehlfunktion der Festklemmung führt.
Der Effekt des Abschälens
wird durch das Vorhandensein von Plasma an der Kante des Wafers
weiter verschärft, da
ein Gasplasma elektrisch leitend ist. Diese Leitfähigkeit
führt dazu,
dass Ladung von der rückseitigen Kante
des Wafers abgeleitet wird. Wenn der dünne Wafer damit beginnt, sich
zu verbiegen und sich an den Kanten abzuheben, führt die Ladungsableitung von
der Rückseite
des Wafers an das Plasma zu einer Aufhebung der Klemmkraft. Das
ermöglicht
es dem Wafer, sich unter dem Einfluss der prozessinduzierten Spannung
weiter von der Spannvorrichtung abzuheben, was zu einem weiteren
Ladungsverlust von dem Wafer führt.
Dies führt
gegebenenfalls zu einer vollständigen
Fehlfunktion der Festklemmung.
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In der Praxis kann sich an der Rückseite
des Wafers während
der Bearbeitung nur dann ein Plasma befinden, wenn die Kante und
die Rückseite
der Kante des Wafers dem Plasma ausgesetzt ist.
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Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung
zum Bearbeiten eines Substrats mit einer Dicke von kleiner oder
gleich 250 μm
mit einer Kammer, einem Plasmaerzeugungselement oder -elementen,
um in einer Zone der Kammer ein Plasma zu erzeugen, und einer elektrostatischen
Spannvorrichtung zum Halten eines Substrats an einem Substratort
in oder benachbart zu der Zone. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Abschattungs-
oder Dunkelraumschild, welches auf der der Zone zugewandten Seite
der Spannvorrichtung den Umfang des Substratortes umgebend oder den
Umfang des Substratortes überdeckend
angeordnet ist, um im Wesentlichen das Vorhandensein von Plasma
zwischen dem Schild und dem Umfang des Substrates zu verhindern,
während
eine Bearbeitung des Substrates möglich bleibt.
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Der Ausdruck "im Wesentlichen ... verhindern" bedeutet, dass das
Dunkelraumschild ein Plasma derart unterdrückt, dass die elektrostatische
Halterung während
der gesamten Bearbeitung des dünnen
Wafers wirksam bleibt, wobei für
denselben Prozess und Wafer die Halterung ohne Schild versagen würde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Schild im Wesentlichen ringförmig ausgebildet
und in jedem Falle offen, so dass das Substrat im Wesentlichen dem
Plasma ausgesetzt ist. Ferner kann sich der Substratort über die
Auflagefläche
der elektrostatischen Spannvorrichtung hinaus erstrecken, wie nachfolgend
spezieller beschrieben wird.
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Das Schild kann elektrisch leitend
und optional elektrisch geerdet sein, ein nicht geerdetes Potential
aufweisen oder mit einer Plasma erzeugenden Elektrode verbunden
oder eine Antenne sein, wobei es dasselbe Potential aufweisen kann
wie die Elektrode. Die Spannvorrichtung kann selbst ein Plasma erzeugendes
Element sein, wobei es in diesem Fall mit Energie versorgt ist.
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Die Erfindung umfasst ferner ein
Verfahren zum Bearbeiten eines Substrats mit einer Dicke von 250 μm oder weniger
mit den Schritten elektrostatisches Halten des Substrats an einer
Spannvorrichtung, Erzeugen eines Plasmas benachbart zur auswärts gewandten
Seite des gehaltenen Substrates und Anordnen eines Abschattungs-
oder Dunkelraumschildes zwischen dem Plasma und dem Umfang des Substrates,
um das Vorhandensein von Plasma zwischen dem Schild und dem Umfang
zu verhindern, während
eine Bearbeitung des Substrats möglich
bleibt.
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Vorzugsweise überdeckt das Schild den Umfang,
es kann jedoch auch den gesamten Umfang des Substrats umgebend angeordnet
sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Dicke des Substrats 100 μm oder
weniger.
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Im Sinne dieser Beschreibung bedeutet
der Ausdruck "Dunkelraumschild" jedes beabstandet
angeordnete physische Element, welches die Ausbildung eines Plasmas
zwischen dem Schild und dem Substrat mittels seiner physischen Nähe verhindert. Die
Dimension der Beabstandung steht in Relation zur mittleren freien
Weglänge
der das Plasma ausbildenden Ionen, welche von solchen Faktoren wie
Frequenz der auf das Plasma ausgeübten Energie, Gas, Druck und
Energiedichte bestimmt ist. Bei den meisten Anordnungen, insbesondere
wo höhere
Frequenzen verwendet werden, kann es notwendig seien, das Schild
zu erden, um den dunklen Raum bzw. die Abschattung zuverlässig über den
Verlauf der Bearbeitung von mehreren Wafern zu erzielen, weswegen ein
geerdetes Dunkelraumschild zwar besonders bevorzugt, aber für den Betrieb
der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist.
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Daher wird im Falle eines Wafers
ein Dunkelraumschild zwischen dem Plasma und dem Wafer angeordnet,
wobei in bevorzugter Weise das Dunkelraumschild einen etwas kleineren
Innendurchmesser als der Wafer selbst aufweist. Diese Vorrichtung
ist insbesondere für
Ablagerungsprozesse nützlich,
bei denen wegen des Aufbaus von abgelagertem Werkstoff im Bereich
des Ortes des Wafers potenzielle Alternativlösungen für Produktionszwecke unpraktikabel
sind.
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Im Stand der Technik wurden andere
Lösungswege
versucht, jedoch nicht speziell für dünne Wafer. In
GB 0216711.2 verwendeten die Anmelder eine
gekrümmte
Spannvorrichtung als eine Lösung für ein kontinuierliches
Halten von aufgrund asymmetrischer Spannung gekrümmten Wafern. Der sich krümmende Wafer
entspannt sich in die gekrümmte Ausnehmung
der Spannvorrichtung hinein. Die Anmelder weisen ebenfalls auf
US 6 177 349 hin, welche
(als Stand der Technik) einen dielektrischen Abschaffungsring um
einen Teil des Umfanges eines Wafers als Teil einer Anordnung zum
Isolieren einer elektrostatischen Spannvorrichtung von dem Plasma einer Ätzkammer
offenbart. Zum Isolieren der Spannvorrichtung (nicht irgendeines
Teils des Wafers) von dem Plasma wird ein Abschaffungsring
12 als
im Stand der Technik bekannt offenbart und ein verbesserter, zweiteiliger
Abschaffungsring erfunden. Es wird darauf hingewiesen, dass auch
dieser Abschaffungsring noch nicht ein Plasma daran hindert, in
den Zwischenraum
52 um den Umfang des Wafers herum einzudringen,
welcher an der Angriffsfläche
44 des Wafers
sichtbar und jetzt von einem Opferringteil
56 umschlossen
ist.
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Obwohl die Erfindung oben beschrieben wurde,
versteht es sich, dass diese jedwede erfindungsgemäße Kombination
von Merkmalen umfasst, welche oben oder in der nachfolgenden Beschreibung
offenbart sind.
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Die Erfindung kann auf unterschiedliche
Weise ausgeführt
werden und nachfolgend werden beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung aus elektrischer Spannvorrichtung
und Plasma gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
grafische Darstellung der Gasleckage an der Rückseite des Wafers gemäß der Anordnung
von 1, wenn ein dicker
Wafer von der Spannvorrichtung während
eines Sputter-Prozesses gehalten wird;
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3 eine
grafische Darstellung wie 2 für dieselbe
Anordnung, jedoch für
einen dünnen
Wafer;
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4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Dunkelraumschild;
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5 eine
grafische Darstellung der Gasleckage an der Rückseite des Wafers gemäß der Ausführungsform
von 4, während ein
dünner
Wafer gesputtert wird; und
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6 eine
entsprechende grafische Darstellung, wobei das Dunkelraumschild
einen Innendurchmesser aufweist, welcher etwas größer ist
als der Außendurchmesser
eines dünnen
Wafers.
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1 (Stand
der Technik) zeigt eine grundlegende Anordnung einer elektrostatischen
Spannvorrichtung und eines Wafers in einem Sputtersystem. Ein Wafer 1 ruht
auf einer elektrostatischen Spannvorrichtung 2 mit einem
auswechselbaren Schild 3, welches um die elektrostatische
Spannvorrichtung 2 herum angeordnet ist, um einen Aufbau von
abgelagertem Werkstoff auf der Spannvorrichtung zu verhindern. Der
Spalt 4 wird beispielsweise in einem Herstellungssputtersystem
benötigt,
um einen Aufbau von Werkstoff auf dem Wafer ohne Interferenz mit
der Auflage des Wafers auf der Spannvorrichtung zu ermöglichen.
Es ist wünschenswert,
dass viele μm
Werkstoff von dem Target ohne Eingriff abgelagert werden können, um
lange Betriebszeiten ohne Wartung sicherzustellen. Aus diesem Grunde ist
dieser Spalt in Relation zur auf jedem Wafer abgelagerten Dicke
groß ausgebildet.
Halbleiterwafer weisen zahlreiche Täler und Kerben zur Rotationsausrichtung
auf, und diese unterscheiden sich je nach Wafertyp und Wafergröße. Und
zu vermeiden, dass die Oberseite der Spannvorrichtung im Bereich
der Täler
oder Kerben freiliegt, überragt
der Wafer im Wesentlichen die Spannvorrichtung um einen gewissen
Grad, wie in 5 dargestellt
ist. Für
einen Wafer mit 100 mm Durchmesser beträgt dieser Überhang typischerweise 3 Millimeter
(d.h. der Durchmesser der Spannvorrichtung beträgt 94 mm). Hierdurch liegt
die Rückseite
der Kante des Wafers frei. Das Plasma ist im Wesentlichen wie mit
Bezugszeichen 6 bezeichnet vorhanden, beispielsweise erzeugt
von einem Sputtertargetmagnetron.
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Bei derartigen Anordnungen treten
Probleme mit dünnen
Wafern auf, die sich von der Spannvorrichtung 2 lösen. Dies
tritt nur auf, wenn ein Plasmaprozess läuft. Ohne Plasmaaktivität sind keine
Probleme sichtbar.
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2, 3, 5 und 6 sind
grafische Darstellungen, welche eine Strömung eines die Waferrückseite unter
Druck setzenden Gases bei verschiedenen Bedingungen zeigen. Die
Strömung
repräsentiert
die Leckage zwischen dem Wafer und der Spannvorrichtung. Ein Lösen von
der Halterung ist durch einen starken Anstieg der rückseitigen
Gasströmung
gekennzeichnet. Die anfängliche
Spitze in der Gasströmung
ergibt sich aufgrund der Druckbeaufschlagung der Rückseite
des Wafers mit dem Gas.
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In 2 (Stand
der Technik) ist die die Rückseite
des Wafers unter Druck setzende Gasströmung während eines Sputter-Prozesses
auf einem Wafer mit mehr als 380 μm
Dicke mit etwa 12 kW angewendeter Leistung und einer Vorrichtung
gemäß 1 grafisch dargestellt.
Das Plasma erzeugt eine thermische Last auf dem Wafer und erzeugt
ebenso ein Plasma in der Umgebung des Wafers. Ein Lösen des Wafers
von der Spannvorrichtung tritt nicht auf, und es wird eine gute
thermische Leitfähigkeit
von dem Wafer zu der Spannvorrichtung aufrechterhalten. Die Kante
und die Rückseite
der Kante des Wafers liegen frei. Aufgrund der Steifigkeit des Wafers
führt jedoch die
thermische Belastung nicht zu einer signifikanten Krümmung des
Wafers.
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In 3 (Stand
der Technik) wird ein dünner Wafer
mit einer Dicke von etwa 100 μm
mit derselben thermischen Last und demselben Plasma sowie in derselben
Vorrichtung bearbeitet. Hierbei ergibt sich aus der Strömung des
Gases, dass ein Lösen
des Wafers stattgefunden hat. Aus diesem Grunde ergibt sich eine
schlechte thermische Leitfähigkeit
zwischen dem Wafer und der Spannvorrichtung, und der Wafer kann
bewegt werden, was das Risiko einer Fehlerhandhabung durch das Roboter-Handhabungs-Systemen
erhöht,
welches in derartigen Sputtersystemen für einen einzigen Wafer üblicherweise vorhanden
ist.
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Es ist ersichtlich, dass mit derartigen
dünnen Wafern
(100 μm)
innerhalb weniger Sekunden nach dem Einschalten des Targets eine
rückseitige
Gasleckage signifikant ansteigt und sich weiter erhöht, bis die
Leckage einen vorbestimmten Wert erreicht (welcher in der Software
definiert ist) und das System automatisch abgeschaltet wird. Aus
Beobachtungen am Wafer während
der Ablagerung ist es klar, dass der Wafer an der äußersten
Kante der Spannvorrichtung damit beginnt sich anzuheben und sich
dann nach und nach abschält.
Man nimmt an, dass die Fehlerart eine lokale Entladung des Wafers
an dessen rückseitiger
Kante durch das Plasma ist. Dies führt zu einer lokalen Reduktion
der Haltekraft an der äußersten Kante
des Wafers. Die Kraft von dem rückseitigem Druck
in Kombination mit der lokal schwachen Halterung führt dazu,
dass sich der Wafer an der äußersten
Kante abschält
und gegebenenfalls den rückseitigen
Gasdruck vollständig
verliert.
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Es wurde eine Abschirmung des abgeschatteten
bzw. dunklen Raumes an der Kante des Wafers hinzugefügt, um eine
lokale Entladung über
das Plasma zu verhindern. 4 zeigt
diese neuartige Vorrichtung. Ein im Wesentlichen ringförmiges Dunkelraumschild 7,
dessen Innendurchmesser A etwas kleiner ist als der Außendurchmesser
des Wafers, wurde zwischen dem Wafer 1 und dem Sputtertarget angeordnet,
um die Kante des Wafers 1 von dem Plasma 6 abzuschirmen.
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Es hat sich herausgestellt, dass
diese zusätzliche
Abschirmung den aufgezeichneten rückseitigen Gasdruck selbst
für dünne Wafer
wirksam stabilisiert. Der zuvor erwähnte Überhang des Wafers 1 ist
immer noch vorhanden, und dies bedeutet, dass der Durchmesser des
Waferortes immer noch größer ist
als der Durchmesser der Spannvorrichtung, was ein hohes Risiko für ein Lösen des
Wafers birgt.
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5 zeigt
das Ergebnis für
ein Dunkelraumschild mit einem Innendurchmesser (Abstand A) von
98 mm und einem 100 mm Wafer. Es wurde eine zusätzliche Verzögerung zwischen
dem elektrostatischen Haltern des Wafers und dem Einschalten des Targets
(Plasma und thermische Last) eingeführt, um die Identifikation
der Wirksamkeit der Abschirmung zu unterstützen. Es ist unmittelbar ersichtlich,
dass nach dem Einschalten des Targets keine Änderung der Gasleckage auftritt.
Die etwas höhere
Gasleckage, die während
dieses Durchlaufs über
die Dauer dieses Experimentes verglichen mit 2 auftritt, ist eine erwartete Variation
der Leistungsfähigkeit
der Halterung, die sich von einem Wafer zum anderen ergibt. Die
Menge der Gasleckage ist abhängig
von der Genauigkeit bzw. Qualität
des Rückseitenfinish
des Substrates.
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Und zu demonstrieren, dass die Abschirmung
wirksam verhindert, dass das Plasma die Kante des Wafers erreicht,
wurde ein Schild ausprobiert, dessen Innendurchmesser etwas größer ist
als der Außendurchmesser
des Wafers, und es wurde die Leistungsfähigkeit der Halterung untersucht. 6 zeigt Daten von einem
Schild bzw. eine Abschirmung mit einem Innendurchmesser von 102
mm und einem 100 mm Wafer.
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Aus 6 ist
ersichtlich, dass sich die Gasleckage während der Ablagerungssequenz
signifikant erhöht,
wenn das Schild größer ist
als der Wafer. Es wird angenommen, dass sich dies aufgrund der Ladungsleckage
von dem Wafer ergibt, wenn dieser sich von der elektrostatischen
Spannvorrichtung unter Einfluss der thermischen Spannung, die von
dem Prozess eingebracht wird, abhebt. Wenn sich der Wafer anhebt,
geht eine wirksame Kühlung
verloren und an der Kante des Wafers, die nicht gehalten ist, beginnt
die Temperatur anzusteigen, was zu einem weiteren Verbiegen bzw.
Krümmen
des Wafers führt. Je
länger
die Prozessdauer ist, desto größer ist
dieser Effekt, bis es zu einem vollständigen Versa gen der Halterung
kommt. Die Abschirmung mit einem Durchmesser, der etwas größer ist
als der Wafer (6), stellt
eine zufrieden stellende Leistungsfähigkeit zur Verfügung, vorausgesetzt,
dass die Plasmabearbeitungszeit nicht zu lang ist. Gegenüber keiner
vorhandenen Abschirmung, wie aus 3 ersichtlich,
bei der nach 37 Sekunden eine vollständige Fehlfunktion der Halterung
auftritt, ergibt sich eine deutliche Verbesserung.
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Es versteht sich, dass das Plasma
in jeder geeigneten Weise gezündet
werden kann. Beispielsweise werden eine oder mehrere externe Spulen
verwendet oder zusätzlich
oder alternativ sind Elektroden innerhalb der Kammer vorgesehen,
welche das Plasma erzeugen, in welchem Fall die Spannvorrichtung
eine der Elektroden sein kann. Es versteht sich, dass das Dunkelraumschild
eine Form haben kann, die bezüglich
des Querschnitts der Öffnung
von der Form des Substrates bestimmt ist. Die Oberseite des Schildes
ist geneigt dargestellt, es können
jedoch auch andere Oberflächen
verwendet werden. Das Schild kann relativ zur Spannvorrichtung bewegbar sein,
um Anordnen und Entfernen des Wafers zu unterstützen, und es kann mit der Kammer
verbunden oder in anderer Weise gehalten sein. Das Schild ist vorzugsweise
aus Metall hergestellt, es kann jedoch auch einen nicht leitenden
Körper,
beispielsweise aus Keramik, aufweisen.
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Der ausgeführte Prozess kann jeder sein, welcher
die Anwesenheit eines Plasmas benötigt, und umfasst Plasma unterstütztes chemisches
Aufdampfen (CVD), Sputtern sowie Ätzen, obwohl die Notwendigkeit
für den Überhang
des Wafers, welcher das Problem eines Ablösen des Wafers stark erhöht, hauptsächlich bei
Ablagerungsprozessen vorhanden ist.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Substrates
mit einer Dicke von 250 μm
oder weniger. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren wird in einer Prozesskammer
ein Dunkelraumschild zwischen dem Plasma und dem Umfang des Substrates
angeordnet, um das Vorhandensein von Plasma zwischen dem Schild
und dem Umfang des Substrates zu verhindern, während ein Bearbeiten des Substrates möglich bleibt.
In jedem Fall wird eine elektrostatische Spannvorrichtung verwendet.