DE102004059122B4

DE102004059122B4 - Elektrostatische Haltevorrichtung sowie zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102004059122B4
Application number: DE200410059122
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr. Kröner
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: DE102004059122A1

Abstract

Elektrostatische Haltevorrichtung zum elektrostatischen Anziehen und Halten eines Gegenstands (1) an einer Haltefläche (HF) mit
einer elektrisch leitenden Elektrodenanordnung (E), die eine elektrisch leitende und elastische Schicht (4; 4A) aufweist;
und
einem Dielektrikum (2) zum Isolieren der Elektrodenanordnung (E) vom zu haltenden Gegenstand (1) zumindest an der Haltefläche (HF),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodenanordnung (E) eine MESA-Struktur besitzt, die als eine Vielzahl von beabstandeten Einzelelektroden in Form von Stegen oder Inseln ausgebildet ist, die mechanisch entkoppelt sind, wobei deren Vielzahl nicht zusammenhängender Plateaus Haltepunkte sind, deren gemeinsame Ebene die Haltefläche (HF) für den zu haltenden Gegenstand (1) ergeben, und eine Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4; 4A) größer ist als eine durch Wärmeausdehnung des Gegenstands (1) verursachte maximale Verschiebung (Δ_T).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Haltevorrichtung sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der Druckschrift EP 0 948 042 A1 ist eine elektrostatische Haltevorrichtung dieser Art zum elektrostatischen Anziehen und Halten von Wafern an einer Haltefläche bekannt, wobei eine elektrisch leitende Elektrodenanordnung, die eine elektrisch leitende und elastische Schicht aufweist, durch ein Dielektrikum vom zu haltenden Gegenstand bzw. Wafer isoliert ist.
Aus der Druckschrift EP 0 346 131 A2 ist ferner eine Trockenätzvorrichtung bekannt, bei der eine elektrisch leitende Kautschuk-Schicht eine Vielzahl von Wafer-Substraten getrennt durch eine dielektrische Schicht hält. Die Kautschuk-Schicht ist hierbei ganzflächig ausgestaltet.
Aus der Druckschrift JP 63194345 A ist ein elektrostatischer Chuck bekannt, der eine Vielzahl von elektrisch leitenden Kautschuk-Mesas zur Realisierung von Haltepunkten aufweist. Hierbei wird der zu haltende Wafer durch die Kautschuk-Mesas direkt elektrisch kontaktiert, wobei die Kautschuk-Mesas über eine Isolierschicht auf der Elektrodenanordnung befestigt sind.
Die Druckschrift US 4 724 510 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung, wobei jedoch keine Haltepunkte sondern lediglich zwei Gruppen von ringförmigen Haltelinien ausgebildet werden, die über zugehörige Bus-Verbindungen angeschlossen sind.
Schließlich bezieht sich die Druckschrift EP 1 326 289 A2 auf ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung, wobei jedoch keine elekrostatischen Haltekräfte zum Einsatz kommen.
Derzeit werden Halbleiterbauelemente zunehmend auf sehr dünnen Halbleiterscheiben bzw. -wafern hergestellt, wobei sogenannte ultradünne Halbleiterwafer bzw. zu haltende Gegenstände dünner als 100 Mikrometer sind. Hierbei werden herkömmliche Halbleiterwafer verwendet, die eine Standarddicke von 500 Mikrometer bis 700 Mikrometer aufweisen und die vor oder während der Fertigstellung von jeweiligen Halbleiterbauelementen dünngeschliffen werden.
Solche ultradünnen Halbleiterwafer bzw. Produktwafer sind jedoch auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften sehr schwierig handhabbar und lassen sich nicht mit den selben Fertigungsmaschinen und Transport- sowie Haltevorrichtungen bearbeiten wie Halbleiterwafer mit einer herkömmlichen Standarddicke. Deshalb müssen eigens für ultradünne Halbleiterwafer modifizierte Fertigungsmaschinen und Transportvorrichtungen hergestellt werden, die den besonderen Eigenschaften von ultradünnen Halbleiterwafern gerecht werden.
Neben einer Verbiegung bzw. Verwerfung von ultradünnen Halbleiterwafern ruft ferner eine Bestrahlung mit hohem Wärmeeintrag weitere Probleme hervor, da neben einer geforderten hohen Planarität sowohl elektrische Ladung als auch Wärme abgeführt werden muss. Derartige Bestrahlungsprozesse mit hohem Wärmeeintrag sind beispielsweise eine Protonenbestrahlung oder Implantationsvorgänge im Hochvakuum. In gleicher Weise können jedoch auch bei Plasmaprozessen derartige Probleme auftreten.
Bisher wurden bei Bestrahlungs- bzw. Implantationsvorgängen entweder Trägerwafer mit beidseitig klebenden Folien, Schleiffolien alleine, oder mechanische Clamps bzw. Klemmelemente benutzt. Derartige mechanische Klemmelemente scheiden bei ultradünnen Halbleiterwafern wegen der zu hohen Bruchgefahr aus, wobei Folien erfahrungsgemäß bei sehr hohen Bestrahlungsleistungen ein unüberwindliches Hindernis für eine zu realisierende Wärmeabfuhr darstellen.
Bei der Verwendung von herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtungen bzw. sogenannten elektrostatischen „Chucks" treten eine Vielzahl von Problemen auf. Die Gründe hierfür sind dahingehend zu sehen, dass die herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtungen von der Annahme ausgehen, dass der Halbleiterwafer bzw. der zu haltende Gegenstand mit seinem leitenden Substrat die elektrostatische Haltevorrichtung berührt und über speziell vorgesehene Kontakte die Ladungen von der Berührungsfläche abgeführt werden. Wenn nun aber entweder der Halbleiterwafer mit seiner Vorderseite durch eine Kunststofffolie geschützt auf den Chuck bzw. die Haltevorrichtung gelegt wird oder die ungeschützte Vorderseite des Wafers selbstisolierend ist, können die Kontakte dieser Haltevorrichtung keinen Schluss bzw. keine elektrische Verbindung zum Substrat herstellen, weshalb höchstens eine elektrostatische Anziehungskraft möglich ist, deren Überschussladung einen unkontrollierten Weg gegen Erde sucht. Im schlimmsten Fall ist keine anziehende Kraft vorhanden.
Darüber hinaus sind insbesondere bei der Verarbeitung von beidseitig prozessierten ultradünnen Halbleiterwafern Bestrahlungsleistungen notwendig, die wesentlich über die bis herigen Bestrahlungsleistungen gehen und daher eine Temperaturerhöhung im Halbleiterwafer von bis zu 300 Grad Celsius gegenüber der elektrostatischen Haltevorrichtung hervorrufen. Selbst bei ausgeklügelter Wärmeabfuhr beträgt eine Temperaturdifferenz mindestens 100 Grad Celsius zwischen Halbleiterwafer und der Haltevorrichtung, was auf Grund der Wärmeausdehnung zu einer Verschiebung insbesondere der Halbleiterwafer-Randbereiche gegenüber der Haltevorrichtung um mindestens 10 Mikrometer führt. Auf Grund dieser Wärmeausdehnung wird somit der Halbleiterwafer gegenüber der Haltevorrichtung verrutscht, wodurch die Auflagefläche verkratzt werden kann.
Insbesondere bei beidseitig prozessierten Halbleiterwafern führt dies zu einer Beschädigung der an der Haltefläche zumindest teilweise ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine elektrostatische Haltevorrichtung sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, wobei ein derartiges Verrutschen des zu haltenden Gegenstands gegenüber der Haltevorrichtung zuverlässig verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der elektrostatischen Haltevorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 16 gelöst.
Insbesondere durch die Verwendung einer Elektrodenanordnung, welche eine eine MESA-Struktur mit einer elektrisch leitenden und elastischen Schicht aufweist, die als eine Vielzahl von beabstandeten Einzelelektroden in Form von Stegen oder Inseln ausgebildet ist, die mechanisch entkoppelt sind, und eine Schichtdicke der elastischen Schicht größer ist als eine durch Wärmeausdehnung des Gegenstands verursachte maximale Verschiebung kann die beim zu haltenden Gegenstand beispielsweise auf Grund einer Wärmeausdehnung verursachte Verschiebung durch die federnden Eigenschaften der elastischen Schicht kompensiert werden, wobei der zu haltende Gegenstand weder verrutscht und somit weder Kratzer an der Oberfläche auftreten noch eine Ablösung des zu haltenden Gegenstands auftritt.
Eine Schichtdicke der elastischen Schicht ist vorzugsweise größer als 50 Mikrometer.
Die elastische Schicht stellt vorzugsweise einen mit Metallpulver leitfähig gemachten Kautschuk und insbesondere einen Zwei-Komponenten-Silikon-Kautschuk dar.
Ferner kann die Elektrodenanordnung eine elektrisch leitende aber unelastische Elektrodenplatte aufweisen, die bei thermischer Beanspruchung keine Verformung zeigt. Dies sind beispielsweise durch Guss- oder Sinterverfahren hergestellte elektrisch leitende Materialien oder ein dotiertes Halbleitermaterial wie beispielsweise ein Halbleiterwafer. Auf diese Weise können die Haltekräfte wesentlich erhöht werden.
Als Dielektrikum können eine unelastische Isolationsschicht und insbesondere Metalloxide oder sogenannte High-k-Dielektrika verwendet werden, wodurch sich die Haltekräfte weiter verbessern lassen. Es können jedoch auch elastische Isolationsschichten als Dielektrikum verwendet werden und insbesondere isolierender Kautschuk, wodurch sich eine größere Toleranz gegenüber einer Wärmeausdehnung realisieren lässt.
Ferner kann die Elektrodenanordnung eine elektrisch leitende Anschlussschicht aufweisen, die an der Oberfläche eines Trägersubstrats ausgebildet ist, wobei die Anschlussschicht über ein im Trägersubstrat befindliches Kontakt-Via elektrisch kontaktiert wird. Ferner kann das Trägersubstrat Öffnungen zum Zu-/Abführen eines Kühlmittels aufweisen, wodurch sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, der elektrostatischen Haltevorrichtung ergibt.
Alternativ kann das Trägersubstrat selbst elektrisch leitend sein und die unelastische Elektrodenplatte als Oberflächen-MESA des Trägersubstrats ausgebildet werden, wodurch sich eine besonders einfache aber dennoch sehr wirkungsvolle Haltevorrichtung ergibt.
Hinsichtlich des Verfahrens wird zunächst eine elektrisch leitende und unelastische Elektrodenplatte bereitgestellt, anschließend an der Vorder- und Rückseite der Elektrodenplatte gegenüberliegende erste und zweite Vertiefungen ausgebildet, wodurch eine MESA-Struktur ausgebildet wird, und ferner an der Vorderseite ein Dielektrikum und an der Rückseite der Elektrodenplatte eine elektrisch leitende und elastische Schicht ausgebildet. Anschließend wird dieser Schichtstapel mittels der elastischen Schicht auf einem Trägersubstrat befestigt und abschließend die Elektrodenplatte mit seinem Dielektrikum und seiner elastischen Schicht am Ort der Vertiefungen zur mechanischen Entkopplung der Haltepunkte vereinzelt. Somit kann eine Haltevorrichtung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, die insbesondere hinsichtlich beidseitig prozessierter ultradünner Halbleiterwafer eine Beschädigung zuverlässig verhindert und ausreichende Haltekräfte zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise werden die ersten Vertiefungen bis zu einer Tiefe ausgebildet, die einen Kurzschluss des zu haltenden Ge genstands mit der Elektrodenplatte zuverlässig verhindern, wobei die Tiefe insbesondere größer ist als eine doppelte Schichtdicke des Dielektrikums.
Andererseits können die zweiten Vertiefungen bis zu einer Tiefe ausgebildet werden, die eine gleichmäßige Einstellung einer Schichtdicke der elastischen Schicht durch einstellbaren Anpress-Druck erlaubt, wobei die Tiefe insbesondere größer ist als eine dreifache Schichtdicke der elastischen Schicht nach der Befestigung. Die zweiten Vertiefungen dienen somit als Auffangreservoir für das beim Zusammendrücken sich verteilende flüssige Schichtmaterial der elastischen Schicht.
In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1a und 1b vereinfachte Schnittansichten einer elektrostatischen Haltevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine vereinfachte Schnittansicht einer elektrostatischen Haltevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
3a und 3b vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Schritte eines Herstellungsverfahrens für eine elektrostatische Haltevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
1a und 1b zeigen vereinfachte Schnittansichten einer elektrostatischen Haltevorrichtung EC zum Halten eines Gegenstandes 1, wobei insbesondere ein beidseitig prozessierter, d. h. ein sowohl an seiner Rückseite als auch an seiner Vorderseite prozessierter, ultradünner Halbleiterwafer gehalten wird. Obwohl die Vorteile der vorliegenden Erfindung insbesondere bei derartigen beidseitig prozessierten ultradünnen Halbleiterwafern in Erscheinung treten, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise auch normal dicke Halbleiterwafer oder sonstige elektrisch leitende Gegenstände, die zuverlässig gehalten werden müssen und deren Oberflächen auch bei einer lateralen Verschiebung wie z. B. bei einer Wärmeausdehnung nicht beschädigt werden darf.
Insbesondere bei der Herstellung von Halbleiter-Hochspannungsbauelementen, wie beispielsweise Hochspannungsthyristoren, TRIAC-Transistoren, Kompensationsbauelementen usw. ist eine derartige beidseitige Prozessierung erforderlich, wobei insbesondere eine Protonenbestrahlung und/oder Ionenimplantation auf den Halbleiterwafer 1 angewendet wird. Als Grundmaterial wird bei derartigen Hochspannungsbauelementen ein dotiertes Halbleiter-Grundmaterial bzw. Substrat verwendet, welches üblicherweise Silizium aufweist.
Bei der elektrostatischen Haltevorrichtung kann es sich grundsätzlich um eine berührungslose elektrostatische Haltevorrichtung handeln, bei der der zu haltende Gegenstand nicht elektrisch kontaktiert wird und insbesondere durch einen Wechsel der elektrischen Felder eine elektrostatische Anziehungskraft realisiert wird. In gleicher Weise kann die vorliegende Erfindung jedoch auch auf elektrostatische Haltevorrichtungen angewendet werden, die einen elektrischen Kontakt zum zu haltenden Gegenstand 1 herstellen, wobei insbesondere bei nicht ausreichend vorhandenen frei beweglichen Ladungsträgern im zu haltenden Gegenstand eine Zufuhr von Ladungsträgern ermöglicht ist und darüber hinaus eine beispielsweise durch Implantation verursachte Aufladung auf ein bestimmtes Maß begrenzt werden kann.
Zur vereinfachten Darstellung wurde daher nachfolgend auf die Darstellung eines derartigen Kontakts zum zu haltenden Gegenstand 1 verzichtet.
Bei den verwendeten zu haltenden Gegenständen handelt es sich folglich vorzugsweise um beidseitig prozessierte ultradünne Halbleiterwafer, die eine Dicke kleiner 100 Mikrometer aufweisen und somit besonders empfindlich gegenüber Verbiegungen bzw. Verwerfungen sind. Insbesondere stellen derartige ultra dünne Halbleiterwafer bereits teilprozessierte Halbleiterwafer dar, welche folglich auch an ihrer Halteseite bereits erhebliche Topographiestrukturen aufweisen können und darüber hinaus auch eine Passivierungsschicht besitzen. Auf Grund dieser Tatsache sind sie bei durch beispielsweise Wärmeausdehnungen verursachte Verschiebungen besonders gefährdet, da eine derartige Verschiebung an der Halteseite zu einem Verrutschen und somit zu Kratzern und Beschädigungen der zumindest teilweise ausgebildeten Halbleiterbauelemente führen kann.
Gemäß 1a wird daher eine elektrostatische Haltevorrichtung EC (Electrostatic Chuck) vorgeschlagen, wobei auf einem Trägersubstrat 6, welches beispielsweise ein elektrisch isolierendes Material und insbesondere eine Keramik aufweist, eine Elektrodenanordnung E ausgebildet ist. Genauer gesagt weist die Elektrodenanordnung E zunächst eine an der Oberfläche des Trägersubstrats 6 ausgebildete elektrisch leitende Anschlussschicht 5 auf, die beispielsweise aus einem metallischen Material besteht. An der Oberfläche dieser Anschlussschicht 5 besteht die weitergehende Elektrodenanordnung E nunmehr aus einer Vielzahl von Einzelelektroden in der Form von kleinen Tischen bzw. sogenannten MESAs, wodurch sich eine sogenannte MESA-Struktur ergibt. Unter einer MESA-Struktur wird nachfolgend eine Struktur der Elektrodenanordnung verstanden, wobei z. B. durch Entfernen von nicht benötigtem Material ein kleiner Vorsprung bzw. Tisch (MESA) ausgebildet wird, der als Teil einer resultierenden Haltefläche HF anzusehen ist.
Demzufolge ergibt sich bei der in 1A dargestellten MESA-Struktur eine Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl von nicht zusammenhängenden Plateaus bzw. Haltepunkten, deren gemeinsame Ebene die Haltefläche HF für den zu haltenden Gegenstand 1 ergeben.
Gemäß 1a weist nunmehr jede der zueinander beabstandeten Einzelelektroden jeweils eine elektrisch leitende und elastische Schicht 4 auf, die beispielsweise auf der Anschlussschicht 5 befestigt ist. An der Oberfläche der elastischen Schicht 4 befinden sich ferner jeweils unelastische Teil-Elektrodenplatten 3, die vorzugsweise ein unelastisches aber elektrisch leitendes Material aufweisen, welches bei thermischer Beanspruchung keine Verformung zeigt. Zur Isolierung der Elektrodenanordnung E bzw. der elastischen Schicht 4 und der unelastischen Teil-Elektrodenplatte 3 vom zu haltenden Gegenstand ist ferner zumindest an der den zu haltenden Gegenstand 1 berührenden Oberfläche der Elektrodenanordnung E ein Dielektrikum 2 ausgebildet. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen kann dieses Dielektrikum 2 auch zumindest Teile der Seitenflächen der Elektrodenanordnung E bedecken.
Zur Realisierung einer elektrisch leitenden Verbindung zu einer nicht dargestellten Ansteuerschaltung der Elektrodenanordnung weist das Trägersubstrat 6 ferner ein Kontakt-Via 7 auf, welches von einer Rückseite des Trägersubstrats bis zur Anschlussschicht 5 reicht. Ferner kann das Trägersubstrat 6 eine oder mehrere Öffnungen 8 zum Zu- und Abführen eines Kühlmittels aufweisen, wobei als Kühlmittel insbesondere ein Gas verwendet wird. Ferner sind die Öffnungen 8 vorzugsweise derart im Trägersubstrat 6 ausgebildet, dass sie auf die in der MESA-Struktur der Elektrodenanordnung E vorhandenen Freiräume bzw. Kanäle treffen, wodurch eine besonders vorteilhafte Kühlung realisiert werden kann.
1b zeigt eine vereinfachte Schnittansicht der elektrostatischen Haltevorrichtung EC, wobei der zu haltende Gegenstand bzw. Halbleiterwafer durch die elektrostatischen Anziehungskräfte bereits an der durch die MESA-Struktur ausgebildete Haltefläche HF aufliegt und beispielsweise durch eine Protonen- oder Ionenbestrahlung eine Wärmeausdehnung eine Verschiebung des zu haltenden Gegenstands 1 insbesondere in seinem Randbereich um den Wert Δ_T hervorruft. Genauer gesagt wird beispielsweise bei Verwendung eines Silizium-Halbleiterwafers mit einem üblichen Durchmesser von 8 Zoll bzw. ca. 200 Millimeter und einem Temperaturunterschied zur Haltevorrichtung EC von ca. 100 Grad Celsius eine Verschiebung des Waferrands bezogen auf eine Wafermitte von jeweils ca. 26 Mikrometer beobachtet. Während üblicherweise eine derartige Verschiebung zumindest in den Randbereichen zu einem Verrutschen der Halteauflagepunkte gegenüber dem zu haltenden Gegenstand 1 führt, wodurch Kratzer und somit Beschädigungen von beispielsweise Halbleiterbauelementen hervorgerufen werden, wird erfindungsgemäß diese seitliche bzw. laterale Verschiebung Δ_T durch die federnde Wirkung der elastischen Schicht 4 vollständig aufgefangen, so dass sich kein Verrutschen und somit keine Beschädigung an der Oberfläche des zu haltenden Gegenstands 1 ergibt. Darüber hinaus kann durch das Verhindern von „Gleitzuständen" der zu haltende Gegenstand bzw. Halbleiterwafer wesentlich besser gehalten werden.
Demzufolge wird eine Haltevorrichtung realisiert, wobei zumindest die Oberfläche der Haltevorrichtung als Elektrodenanordnung ausgebildet ist, welche mit einem zusätzlichen Dielektrikum isoliert wird, wobei durch Verwendung einer elektrisch leitenden und elastischen Schicht die Berührungspunkte bzw. Halteauflagepunkte mit einem Trägersubstrat derart verbunden sind, dass sie seitlich bzw. lateral verschiebbar sind, wodurch beispielsweise eine Wärmeausdehnung des Halbleiterwafers kompensiert werden kann. Die hierbei auftretenden Verschiebungskräfte der einzelnen MESA-Inseln überschreiten hierbei nicht die bei einer gegebenen elektrostatischen Anziehungskraft und Materialwahl insbesondere für das Dielektrikum sich ergebenden Haftreibungskräfte.
Zur Realisierung einer ausreichend federnden Wirkung, welche derartige Verschiebungskräfte in vorteilhafter Weise kompensieren kann, ist eine Schichtdicke d1 der elastischen Schicht 4 größer als die durch z. B. eine Wärmeausdehnung des zu haltenden Gegenstands 1 verursachte maximale Schiebung Δ_T. Vor zugsweise ist diese Schichtdicke d1 größer 2Δ_T, wobei sich bei einem typischen Silizium-Halbleiterwafer von 8 Zoll bzw. ca. 200 mm eine Schichtdicke von größer 50 Mikrometer für eine Temperaturdifferenz zwischen Gegenstand 1 und Haltevorrichtung EC von ca. 100 Grad Celsius ergibt, welche üblicherweise auch bei optimierter Kühltechnik nicht zu unterschreiten ist.
Zur Realisierung der elastischen Schicht 4 wird beispielsweise ein mit Metallpulver leitfähig gemachter Kautschuk verwendet. Vorzugsweise werden in einen Zwei-Komponenten-Silikon-Kautschuk Metallpulver bzw. -pasten wie beispielsweise Eisen oder Kupfer eingebracht, wodurch sich die ausreichend elastische und elektrisch leitfähige Schicht 4 ergibt.
Die unelastischen Teil-Elektrodenplatten 3 werden beispielsweise durch elektrisch leitende Materialien realisiert, welche durch ein Gussverfahren oder ein Sinterverfahren hergestellt werden und insbesondere bei einer thermischen Beanspruchung bzw. einer Erwärmung keine Verformung zeigen. Neben vorzugsweise metallischen Materialien sind für diese unelastischen Elektrodenplatten auch dotierte Halbleitermaterialien denkbar. Die unelastischen Elektrodenplatten verbessern hierbei auf Grund ihrer erhöhten Leitfähigkeit und der unmittelbaren Nähe zum zu haltenden Gegenstand 1 die elektrostatischen Haltekräfte.
Als Dielektrikum 2 zum Isolieren der Elektrodenanordnung E vom zu haltenden Gegenstand 1 werden beispielsweise Metalloxide und insbesondere sogenannte High-k-Dielektrika verwendet. Derartige Dielektrika weisen einen besonders hohen k-Wert bzw. eine besonders hohe Dielektrizitätskonstante auf. Zur Vergleichbarkeit sei darauf hingewiesen, dass das üblicherweise als Referenzmaterial verwendete SiO₂ eine Dielektrizitätskonstante von k = 3,9 aufweist. Sogenannte High-k-Dielektrika besitzen demzufolge eine wesentlich höhere z. B. mindestens doppelt so hohe Dielektrizitätskonstante von Sili ziumdioxid, d. h. k > 10. Neben Al₂O₃ und TiO₂ stellen insbesondere HfO₂, ZrO₂ sowie deren Silikate und Nitrate oder ternäre und quarternäre Verbindungen aus Hf, Zr, Al, Si, N und O bevorzugte Kandidaten für das Dielektrikum 2 dar. Grundsätzlich sind jedoch eine Vielzahl von weiteren sogenannten High-k-Materialien denkbar, wie auch Kombinationen verschiedener High-k-Schichten miteinander oder Schichtfolgen bestehend aus Silizium-Dioxid oder Siliziumnitrid und einer oder mehrerer High-k-Schichten.
Neben derartigen unelastischen Isolationsschichten bzw. Dielektrika können jedoch auch elastische Isolierschichten als Dielektrikum 2 für die Elektrodenanordnung E verwendet werden, wobei insbesondere isolierender Kautschuk verwendet werden kann. Auch wenn die Dielektrizitätskonstante einer derartigen Isolationsschicht geringer ist als die der vorstehend genannten unelastischen Dielektrika 2, wodurch sich die elektrostatischen Anziehungskräfte grundsätzlich verringern, können dennoch auf Grund der elastischen Oberflächeneigenschaften eines derartigen Dielektrikums wiederum die Haltekräfte verbessert werden und insbesondere die Kompensationsmöglichkeiten hinsichtlich einer lateralen Verschiebung Δ_T verbessert werden.
Zusammenfassend erhält man bei der in 1 dargestellten elektrostatischen Haltevorrichtung EC gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eine hohe Temperaturverträglichkeit an der Kontaktfläche und ein bekanntes Remanenzverhalten des Dielektrikums. Auf Grund der geringen Kontaktflächen zwischen dem zu haltenden Gegenstand und der Haltevorrichtung ist jedoch ein Wärmeübergang nur gering, weshalb weiterhin die Gefahr einer Oberflächenbeschädigung durch kleinste Teilchen besteht.
Gemäß einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnten in gleicher Weise die unelastischen Teil-Elektrodenplatten 3 an der Oberfläche der Anschlussschicht 5 und anschließend an deren Oberfläche die elastischen Schichten 4 ausgebildet sein, wobei sich jedoch die Haltekräfte eher verringern.
Ferner können gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel die unelastischen Teil-Elektrodenplatten auch einstückig an der Oberfläche des Trägersubstrats ausgebildet werden.
2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht zur Veranschaulichung dieses zweiten Ausführungsbeispiels, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Schichten bezeichnen wie in 1 und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß 2 ist das Trägersubstrat 6 elektrisch leitend, wobei die unelastische Elektrodenplatte bzw. die unelastischen Teil-Elektrodenplatten 6A als Oberflächen-MESA bzw. Vorsprünge mit flächigem Plateau einstückig aus dem Trägersubstrat 6 herausgearbeitet sind. Beispielsweise kann das Trägersubstrat ein metallisches Material aufweisen, in welches Vertiefungen zur Realisierung der MESA-Struktur beispielsweise durch Sägen ausgebildet sind. Grundsätzlich kann als Trägersubstrat 6 auch ein elektrisch leitender bzw. dotierter Halbleiterwafer verwendet werden, an dessen Oberfläche beispielsweise mittels isotroper Ätzverfahren die dargestellte MESA-Struktur eingebracht wird. Da es sich hierbei um einen elektrisch leitenden Träger handelt, kann die in 1 dargestellte Anschlussschicht 5 entfallen, wobei das Trägersubstrat als Teil der Elektrodenanordnung bzw. die Elektrodenanordnung als Teil des Trägersubstrats zu sehen ist.
An der Oberfläche der die unelastischen Teil-Elektrodenplatten darstellenden MESAs 6A wird wiederum eine elektrisch leitende und elastische Schicht 4A ausgebildet, die wiederum ein gleiches Material und eine gleiche Schichtdicke insbesondere an den Bereichen der Haltefläche HF aufweist. An der Oberfläche dieser elastischen Schicht 4A wird abschließend das Dielektrikum 2A ausgebildet, wobei wiederum die vorstehend beschriebenen Materialien verwendet werden können. Gemäß 2 erhält man somit wiederum eine Elektrodenanordnung mit MESA-Struktur, welche jedoch im Wesentlichen ein umgekehrtes Verhalten aufweist wie das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel.
Genauer gesagt weist das Ausführungsbeispiel gemäß 2 nur eine geringe Temperaturverträglichkeit an der Kontaktfläche auf sowie ein relativ unbekanntes Remanenzverhalten des Dielektrikums. Andererseits ist die Herstellung einer derartigen Haltevorrichtung stark vereinfacht, weshalb sie in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten durchaus zum Einsatz kommen kann.
Wiederum kann durch die Elektrodenanordnung, die eine sehr geringe Federkraft aufweist, eine Haltevorrichtung geschaffen werden, welche eine prozessbedingte Wärmeausdehnung eines zu haltenden Gegenstands bzw. Halbleiterwafers ausgleichen kann. Eine üblicherweise durchgeführte Kompensation der Wärmeausdehnung durch Auswahl geeigneter Materialien ist folglich nicht länger notwendig.
Insbesondere bei der Verwendung einer Elektrodenanordnung mit MESA-Struktur sind die Plateaus bzw. Haltepunkte elastisch mit einer Federkraft derart lateral verschiebbar, dass ein Verrutschen des zu haltenden Gegenstands 1 gegenüber der Haltevorrichtung EC zuverlässig verhindert wird. Die Federkraft sollte hierbei geringer sein als die sich aus der elektrostatischen Anziehungskraft und die sich aus den Materialeigenschaften ergebende Haftreibungskraft zwischen Haltevorrich tung und Halbleiterwafer, d. h. zwischen Dielektrikum 2 und Oberfläche des Halbleiterwafers 1.
3a und 3b zeigen vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Haltevorrichtung EC gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Schichten oder Elemente bezeichnen wie in 1 und 2, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß 3a wird zunächst eine elektrisch leitende und unelastische Elektrodenplatte 3A bereitgestellt, wobei vorzugsweise Elektrodenplatten verwendet werden, die bei einer thermischen Beanspruchung bzw. bei einer Erwärmung keine Verformung zeigen. Derartige Elektrodenplatten können beispielsweise durch Guss- oder Sinterverfahren hergestellte elektrisch leitende Elektrodenplatten sein, wobei auch die bereits genannten dotierten Halbleitermaterialien und insbesondere ein Halbleiterwafer als Elektrodenplatte 3A verwendet werden kann.
Ferner werden an der Vorderseite und an der Rückseite der unelastischen Elektrodenplatte 3A gegenüberliegende erste und zweite Vertiefungen V1 und V2 ausgebildet, welche im Wesentlichen für die resultierende MESA-Struktur verantwortlich sind. Genauer gesagt können die ersten und zweiten Vertiefungen beispielsweise gesägt oder geätzt werden.
Die ersten Vertiefungen V1 weisen vorzugsweise eine Tiefe t1 auf, die einen späteren Kurzschluss zwischen dem zu haltenden Gegenstand 1 und der Elektrodenplatte 3 zuverlässig verhindern. Die Tiefe t1 ist beispielsweise größer als eine doppelte Schichtdicke d3 des Dielektrikums 2, welches in einem nachfolgenden Schritt ausgebildet wird.
Ferner werden die zweiten Vertiefungen V2 vorzugsweise bis zu einer Tiefe t2 ausgebildet, wobei eine gleichmäßige Einstel lung einer Schichtdicke d1 der elastischen Schicht 4 durch einen einstellbaren Anpress-Druck ermöglicht ist. Die Tiefe t2 ist daher beispielsweise größer als eine dreifache Schichtdicke d1 der elastischen Schicht 4 nach der Befestigung auf dem Trägersubstrat 6. Genauer gesagt dient die zweite Vertiefung V2 dem Aufnehmen von überschüssigem Material der elastischen Schicht 4A, welche bei einem Anpressvorgang in einen dadurch bereitgestellten Hohlraum entweichen kann.
Eine Schichtdicke d2 der unelastischen Elektrodenplatte 3A liegt beispielsweise in einem Bereich von 100 Mikrometer bis 500 Mikrometer.
Anschließend wird an der Vorderseite der Elektrodenplatte 3A ein Dielektrikum 2A ausgebildet, wobei vorzugsweise mittels eines Druck- oder Tauchverfahrens eine konformale, das heißt im Wesentlichen gleich dicke Isolationsschicht ausgebildet wird. Wiederum werden vorzugsweise Metalloxide und insbesondere sogenannte High-k-Dielektrika als Isolationsschicht 2A verwendet, wobei auch eine isolierende Kautschukschicht als elastische Isolationsschicht aufgebracht werden kann.
Die Schichtdicke d3 des Dielektrikums 2A liegt beispielsweise in einem Bereich von 20 Mikrometer bis 100 Mikrometer und wird in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien ausgewählt.
Anschließend wird eine elektrisch leitende und elastische Schicht 4A an der Rückseite der unelastischen Elektrodenplatte 3A ausgebildet und der dadurch entstehende Schichtaufbau über die elastische Schicht 4A auf einem Trägersubstrat 6 befestigt. Genauer gesagt wird beispielsweise ein isolierender flüssiger Kautschuk durch Einmischen von beispielsweise Metallpulver elektrisch leitfähig gemacht, wobei insbesondere ein Zwei-Komponenten-Silikon-Kautschuk verwendet wird. Dieser leitfähig gemachte Kautschuk wird anschließend auf die Rückseite der Elektrodenplatte 3A aufgebracht, wobei wiederum bei spielsweise Tauch- oder Druckverfahren verwendet werden können. Anschließend wird die mit dieser noch zähflüssigen Schicht beschichtete Elektrodenplatte 3A derart auf das Trägersubstrat 6 gedrückt, dass sich an den Kontaktflächen zwischen Elektrodenplatte 3A und Trägersubstrat 6 eine gewünschte Schichtdicke d1 für die elastische Schicht 4A einstellt, die im Wesentlichen die federnde Wirkung bestimmt. Die Schichtdicke d1 der elastischen Schicht 4A wird demzufolge derart eingestellt, dass sie größer ist als eine durch Wärmeausdehnung des Gegenstands 1 verursachte maximale Verschiebung Δ_T.
Für einen üblichen Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von 8 Zoll bzw. ca. 200 Millimeter ergibt sich dadurch eine Schichtdicke von größer 50 Mikrometer, wodurch Temperaturunterschiede von ca. 100 Grad Celsius ausgeglichen werden können.
Abschließend wird die elastische Schicht 4A ausgehärtet, wodurch man eine feste Verbindung zwischen Trägersubstrat 6 und Elektrodenanordnung E erhält.
Gemäß 3b wird in einem letzten Schritt die unelastische Elektrodenplatte 3A gemeinsam mit seinem Dielektrikum 2A und seiner elastischen Schicht 4A am Ort der Vertiefungen V1 und V2 zur mechanischen Entkopplung der Haltepunkte bzw. Kontaktplateaus zum zu haltenden Gegenstand 1 vereinzelt. Dieses Vereinzeln wird beispielsweise durch ein Zersägen der Schichten bis hinunter in den durch die zweite Vertiefung V2 gebildeten Hohlraum realisiert.
Auf diese Weise erhält man eine elektrostatische Haltevorrichtung, bei der eine Oberflächenbeschädigung zuverlässig verhindert wird und ausreichende Haltekräfte realisiert werden können.
Hinsichtlich der Form der MESAs bzw. der Halteplateaus ist zu erwähnen, dass diese z. B. reckteckförmig, quadratisch, kreisrund und oval sein oder eine sonstige Form aufweisen können.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer elektrostatischen Haltevorrichtung zum Halten eines beidseitigen ultradünnen Halbleiterwafers beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise auch andere zu haltende Gegenstände, bei denen eine Beschädigung der Oberflächen zuverlässig verhindert werden muss. Ferner wurde die Erfindung anhand eines Kautschuks zur Realisierung der elastischen Schicht beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise auch andere Materialien, die in gleicher Weise eine elastische und somit federnde Wirkung zum Ausgleichen von Verschiebungskräften ermöglichen.

1: zu haltender Gegenstand
2, 2A: Dielektrikum
3, 3A, 6A: unelastische Teil-Elektrodenpatte
4, 4A: elastische schicht
5: Anschlussschicht
6: Trägersubstrat
7: Kontakt-Via
8: Kühlmittel-Öffnungen
E: Elektrodenanordnung
HF: Haltefläche
V1, V2: Vertiefungen
d1, d2, d3: Schichtdicken
t1, t2: Tiefen der Vertiefungen

Claims

Elektrostatische Haltevorrichtung zum elektrostatischen Anziehen und Halten eines Gegenstands (1) an einer Haltefläche (HF) mit einer elektrisch leitenden Elektrodenanordnung (E), die eine elektrisch leitende und elastische Schicht (4; 4A) aufweist; und einem Dielektrikum (2) zum Isolieren der Elektrodenanordnung (E) vom zu haltenden Gegenstand (1) zumindest an der Haltefläche (HF), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (E) eine MESA-Struktur besitzt, die als eine Vielzahl von beabstandeten Einzelelektroden in Form von Stegen oder Inseln ausgebildet ist, die mechanisch entkoppelt sind, wobei deren Vielzahl nicht zusammenhängender Plateaus Haltepunkte sind, deren gemeinsame Ebene die Haltefläche (HF) für den zu haltenden Gegenstand (1) ergeben, und eine Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4; 4A) größer ist als eine durch Wärmeausdehnung des Gegenstands (1) verursachte maximale Verschiebung (Δ_T).
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4; 4A) größer 50 Mikrometer ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Schicht (4; 4A) einen mit Metallpulver leitfähig gemachten Kautschuk, insbesondere einen Zwei-Komponenten-Silikon-Kautschuk, darstellt.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (E) ferner eine elektrisch leitende und unelastische Elektrodenplatte (3; 6A) aufweist, die bei thermischer Beanspruchung keine Verformung zeigt.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unelastische Elektrodenplatte (3; 6A) durch Guss- oder Sinterverfahren hergestellte elektrisch leitende Materialien oder ein dotiertes Halbleitermaterial aufweist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d2) der unelastischen Elektrodenplatte (3) in einem Bereich von 100 Mikrometer bis 500 Mikrometer liegt.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2; 2A) eine unelastische Isolationsschicht, insbesondere Metalloxide oder High-k-Dielektrika, aufweist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2; 2A) eine elastische Isolationsschicht, insbesondere isolierenden Kautschuk, aufweist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d3) des Dielektrikums (2; 2A) in einem Bereich von 20 Mikrometer bis 100 Mikrometer liegt.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (E) an der Oberfläche eines Trägersubstrats (6) ausgebildet ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung eine elektrisch leitende Anschlussschicht (5) aufweist, die an der Oberfläche des Trägersubstrats (6) ausgebildet ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (6) zumindest eine Öffnung (8) zum Zu-/Abführen eines Kühlmittels aufweist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (6) elektrisch nicht leitend ist und zumindest ein Kontakt-Via (7) zum elektrischen Kontaktieren der Elektrodenanordnung aufweist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (6) elektrisch leitend ist und die unelastische Elektrodenplatte (6A) als Oberflächen-MESA des Trägersubstrats (6) ausgebildet ist.
Elektrostatische Haltevorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zu haltende Gegenstand (1) einen Halbleiterwafer und insbesondere einen beidseitig prozessierten ultradünnen Halbleiterwafer darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung mit den Schritten: a) Bereitstellen einer elektrischen leitenden und unelastischen Elektrodenplatte (3A); b) Ausbilden von gegenüberliegenden ersten und zweiten Vertiefungen (V1, V2) an der Vorder- und Rückseite der Elektrodenplatte (3A), wodurch eine MESA-Struktur gebildet wird, deren nicht zusammenhängende Plateaus die Haltepunkte für einen zu haltenden Gegenstand (1) darstellen; c) Ausbilden eines Dielektrikums (2A) an der Vorderseite der Elektrodenplatte (3A); d) Ausbilden einer elektrisch leitenden und elastischen Schicht (4A) an der Rückseite der Elektrodenplatte (3A); e) Befestigen der elastischen Schicht (4A) auf einem Trägersubstrat (6) und f) Vereinzeln der Elektrodenplatte (3A) mit seinem Dielektrikum (2A) und seiner elastischen Schicht (4A) am Ort der Vertiefungen (V1, V2) zur mechanischen Entkopplung der Haltepunkte.
Verfahren nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Elektrodenplatte bereitgestellt wird, die bei thermischer Beanspruchung keine Verformung zeigt, wie insbesondere durch Guss- oder Sinterverfahren hergestellte elektrisch leitende Materialien.
Verfahren nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) als Elektrodenplatte (3A) ein dotierter Halbleiterwafer bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die ersten und zweiten Vertiefungen (V1, V2) gesägt oder geätzt werden.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die ersten Vertiefungen (V1) bis zu einer Tiefe (t1) ausgebildet werden, die einen Kurzschluss des Gegenstands (1) mit der Elektrodenplatte (3) zuverlässig verhindern, wobei die Tiefe (t1) insbesondere größer ist als eine doppelte Schichtdicke (d3) des Dielektrikums (2).
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die zweiten Vertiefungen (V2) bis zu einer Tiefe (t2) ausgebildet werden, die eine gleichmäßige Einstellung einer Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4) durch einstellbaren Anpress-Druck erlaubt, wobei die Tiefe (t2) insbesondere größer ist als eine dreifache Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4) nach der Befestigung in Schritt e).
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Druck- oder Tauchverfahren zum Aufbringen des Dielektrikums (2A) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Metalloxid, ein High-k-Dielektrikum oder eine isolierende Kautschukschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Dielektrikum (2A) mit einer Schichtdicke (d3) von 20 Mikrometer bis 100 Mikrometer ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) und e) ein isolierender flüssiger Kautschuk durch Einmischen von Metallpulver elektrisch leitfähig gemacht wird, der leitfähige Kautschuk als elastische Schicht (4A) auf die Rückseite der Elektrodenplatte (3A) aufgebracht wird, die Elektrodenplatte (3A) derart auf das Trägersubstrat (6) gedrückt wird, dass sich eine gewünschte Schichtdicke (d1) für die elastische Schicht (4A) einstellt, und die elastische Schicht (4A) ausgehärtet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (d1) der elastischen Schicht (4A) eingestellt wird, die größer ist als eine durch Wärmeausdehnung des Gegenstands (1) verursachte maximale Verschiebung (Δ_T).
Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt f) die Elektrodenplatte (3A) mit seinem Dielektrikum (2A) und seiner elastischen Schicht (4A) im Bereich der Vertiefungen (V1, V2) durchgesägt wird.