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Die
Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, transportablen elektrostatischen
Substrathalter aus Halbleitermaterial, wobei der mobile Substrathalter nach
dem Laden einen aktivierten Zustand beibehält ohne mit einer äußeren Strom-
oder Spannungsquelle verbunden zu sein.
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Stand der
Technik
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Stationäre elektrostatische
Halter (Chucks) werden seit Jahren bei der Handhabung von scheibenartigen,
leitenden und halbleitenden Werkstoffen, insbesondere zur Handhabung
als Haltevorrichtung für
sogenannte Wafer in Produktionsanlagen der Halbleiterindustrie verwendet.
Das Wirkprinzip ist eingehend in Veröffentlichungen beschrieben
wie Watanabe et. al.: Jpn. J. Appl. Phys., Vol. (32) 1993, 864–871 und
Mahmood Naim: Semi-Conductor
Manufacturing, Aug. 2003, 94–106.
Die stationären Chucks
werden bei ihrem Betrieb fest in Anlagen installiert und können permanent
mit Strom versorgt werden. Dadurch sind sie nicht mobil einsetzbar. Durch
die Verwendung unterschiedlicher Materialen zur dielektrischen Isolation
kommt es zu unterschiedlichen Leckströmen.
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Bei
Chucks, die den Johnsen-Rahbeck Effekt ausnutzen, wird der entstehende
Stromfluss zu einer Verstärkung
der Klemmkraft genutzt. Der dafür benötigte Strom
wird aus einer permanent verbundenen Stromquelle bezogen. Relevante
technische Lösungen
hierzu sind in
US 6,174,538 ,
US 5,151,845 ,
US 5,909,355 ,
US 6,268,944 sowie
EP 0 768 389 beschrieben. Diese mittels Dickschichttechnik
hergestellten keramischen Chucks zeichnen sich dadurch aus, dass
sie eine hohe Spannungsfestigkeit besitzen, hohen Temperaturen widerstehen
können
und eine gute Widerstandsfähigkeit
gegenüber
vielen Chemikalien und Plasma-Prozessen
aufweisen.
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Chucks,
welche material bedingt nur einen sehr geringen Rest-Stromfluss (Leckstrom)
zulassen, werden auch als Coulomb-Chucks bezeichnet. Hierbei liegt
der spezifische elektrische Widerstand der dielektrischen Schicht
typisch größer als
10E15 Ohm·cm.
Dieses kann insbesondere durch Chucks mit Folien aus Polyimide oder
PTFE erzielt werden, aber auch Chucks aus hochohmiger Al
2O
3-Keramik oder Siliziumcarbid
werden verwendet (siehe hierzu
US
5,255,153 ,
EP 0 693
771 ,
EP 0 948 042 und
US 6,483,690 ). Diese Chucks
können
sowohl unipolar (zumeist gekoppelt mit einem Plasmaprozess) als auch
bipolar betrieben werden.
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Die
Verfahren zur Umsetzung dieser Wirkprinzipien auf mobile, transportable
elektrostatische Haltesysteme sind eingehend in
EP 1217655 A1 , US 2002/0110449
A1,
FR 2774807 ,
US 4551192 sowie WO/02 11184
A1 beschrieben. Mobile, transportable elektrostatische Chucks, hier
als Mobile Chucks bezeichnet, werden als mechanische Träger für dünne Substrate
genutzt. Mittels dieser Hilfsträgertechnik wird
die Handhabung von dünnen
Wafern auf bereits existierenden Produktionsanlagen sowie der Transport
und die Lagerung zwischen den einzelnen Prozessschritten ermöglicht,
da die Größe und Dicke
der Kombination aus mobilen elektrostatischen Chuck und dünnem Substrat ähnlich groß, formstabil
und dick ist, wie ein normal dickes Substrat. Die praktische Umsetzung
der Verfahren zur mobilen elektrostatischen Handhabung führte zur
Entwicklung von mobilen, transportablen, elektrostatischen Substrathaltern,
die in
DE 203 11 625 ,
DE 20 2004 020 336 ,
DE 20 2005 45 89 und
DE 20 2004 010 351 beschrieben
sind.
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Die
bisher vorgeschlagenen Lösungen
erfüllen
jedoch einige technische und wirtschaftliche Anforderungen an derartige
mobile, transportable elektrostatische Substrathalter nur teilweise.
Obwohl die Bruchgefahr bei der Handhabung dünner (< 150 μm) und ultradünner (< 50 μm) Substrate
durch den Einsatz von Mobilen Chucks beim Bearbeiten und Transportieren
von Wafern drastisch reduziert wird, bleibt das Problem des Haltekrafterhalts
bei feuchter Atmosphäre
oder bei Benetzung mit Flüssigkeiten über den
Kontaktflächen.
Dadurch kann es zu unerwünschten
Entladungen und so zum Verlust der Haltekraft kommen. Hierzu zählen unter
anderem Schleif-, Fotolithographie-, Nassätz- und Reinigungsteilschritte.
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Eines
der wesentlichen Merkmale der Mobilen Chucks ist es, das diese nicht
permanent mit Strom oder Spannung versorgt werden und deshalb innerhalb
und außerhalb
von Prozessanlagen mit dem geklemmten Wafer frei beweglich sind.
Hierbei wird das Wirkprinzip von Coulomb-Chucks angewendet, mit
dem Ziel, möglichst
keinerlei Leckströme
zuzulassen. Das hat zur Folge, dass hierbei die isolierende Wirkung
der dielektrischen Schicht besonders gut sein muss, um eine lange
Haltezeit zu erzielen, weil sonst die in der Kondensatorstruktur
(Mobile Chuck Elektrode/Dielektrikum/Wafer) gespeicherte Energie
sehr schnell aufgebraucht wird. Zudem ist eine gute Isolation der
Elektroden gegenüber
Feuchtigkeit zu erzielen, weil es sonst zu ungewollten Entladungen über die
nach außen
führenden
Kontakte kommen kann, mit dem Risiko des vorzeitigen Lösens des
dünnen
Wafer vom Mobilen Chuck. Die Haltekraft von Coulomb-Chucks ist proportional
zum Quadrat der angelegten Spannung (U), der Dielektrizitätskonstanten
(εr) des eingesetzten Dielektrikum und umgekehrt
proportional zum Quadrat der Dicke der dielektrischen Schicht (d).
Um eine hohe Haltekraft zu erzielen, nutzt man deshalb hohe Spannungen
(U ~ 1000 V), typisch Materialien mit einem hohen εr-Wert
(> 3,5) und möglichst
geringe Dicken der dielektrischen Schicht (d). Besonders hohe Haltekräfte lassen
sich demnach mit Mobilen Chucks erzielen, die mit Dünnschicht-Technologien hergestellt werden.
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Für die Isolierung
der nach außen
führenden Kontakte
werden in den vorher genannten Schutzrechten Lösungen vorgeschlagen, welche
aufbauend auf die Kontaktflächen
der Elektroden eine Isolation gegenüber der Umwelt (Prozessbedingungen
wie Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten)
erzielen. Im Einzelnen sind es über
den Kontaktflächen
aufgebrachte Schutzschichten (so genannte duktile Isolationswerkstoffe)
aus Silikon oder Polyethylen-Foilen,
ein über den
Kontaktflächen
zusätzlich
aufgebrachter elektrisch isolierender Überzug, z.B. aus einer Halbleiterschicht
oder mechanische sowie elektro-magnetische Schalter, die eine ungewollte
Entladung des Substrathalters vermeiden sollen. Schutzschichten aus
Silikon oder Polyethylen-Foilen haben den Nachteil, dass diese zwischen
10 μm bis
100 μm dick
sind, was deren Einsatz in Halbleiter-Chipherstellungs-Prozessen
begrenzt. Mechanische sowie elektro-magnetische Schalter sind zwar über die
Mikrosystemtechnik herstellbar, verursachen aber, wie zusätzliche
aufgebrachte Halbleiterschichten, hohe Herstellungskosten. Auch
der Aufbau von Schottky Dioden auf den Kontaktflächen ist unzureichend, da hierdurch
nur relativ geringe Spannungen gesperrt werden und zudem Schottky
Dioden im Bezug zu pn-Dioden den Nachteil relativ großer Leckströme haben.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, kostengünstig mobile, transportable
elektrostatische Chucks (Mobile Chucks) herzustellen, die möglichst geringe
Leckströme
aufweisen und eine gute Isolierung gegenüber ungewollter Entladung über die
Kontaktflächen
bei feuchter Atmosphäre
oder bei Benetzung mit Flüssigkeiten
erzielen und unter diesen Bedingungen eine hohe Haltekraft über einen
langen Zeitraum aufweisen ohne mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden
zu sein.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der
vorher genannten Aufgabe wird durch eine Ausgestaltung nach Anspruch
1 gelöst.
Hierbei kommt das Prinzip eines unipolaren elektrostatischen Chucks
zur Anwendung. Der mobile, transportable unipolare Substrathalter
besteht aus einem halbleitendem Substratmaterial (beispielsweise
einem Wafer aus Silizium) und ist vollständig von einer dielektrischen
Schicht umschlossen. Zur elektrischen Kontaktierung des halbleitenden
Substratmaterials sind auf der Rückseite
eine oder mehrere Kontaktöffnungen
durch die dielektrische Schicht eingebracht. Das zu haltende Substrat,
vorzugsweise ein dünner,
zu prozessierender Silizium Wafer, wird auf der Vorderseite des
mobilen Substrathalters elektrostatisch geklemmt. Hierzu wird der
zu prozessierende Wafer auf ein Massepotential gelegt und die Gegenelektrode,
der mobile, Substrathalter, wird mit einer positiven oder negativen
Potentialdifferenz von 300 Volt beaufschlagt. Dadurch ergibt sich
eine lange Zeit anhaltende, genügend
große
elektrostatische Klemmkraft, welche keine weiteren Elektroden (beispielsweise
eine Plasmaquelle) zum Halten, Transportieren und Prozessieren benötigt. Eine
permanente Verbindung zu einer Spannungsquelle wird zur Aufrechterhaltung
der Klemmkraft nach dem Ladevorgang nicht mehr benötigt. Zudem
sind unterschiedlich leitende, dotierte Halbleiterschichten im Substratmaterial
aus der Halbleiter-Chipherstellung bekannt. Durch geeignete Dotierung
der p- und n-leitenden
Schichten lassen sich so pn-Übergänge erzeugen,
die innerhalb des halbleitenden Substratmaterials einer Sperrspannung
von mehreren hundert Volt widerstehen können, was eine entsprechende
Ausbildung der Raumladungszone von typisch bis zu mehreren 100 μm erfordert.
Bei dieser erweiterten Ausgestaltung des Mobilen Chucks mit pn-Übergang
ist nur eine der dotierten Schichten direkt elektrisch leitend, über die
Kontaktflächen,
frei zur Umwelt zugänglich.
Alle anderen Bereiche des Halbleitermaterials sind von der dielektrischen
Schicht vollständig
umschlossen. Beim Mobilen Chuck, der nach dem unipolaren Prinzip
aufgebaut ist, befindet sich der zu haltende Wafer auf einem Potential,
zum Beispiel negativ (–)
und das Substratmaterial befindet sich dann auf positivem (+) Potential.
Zwischen dem Wafer (Elektrode 1) und dem Substratmaterial (Elektrode
2) ist eine isolierende Schicht, die den Ladungsaustausch verhindert.
Die sich ergebende Struktur bildet somit einen Kondensator aus,
der wie ein Platten-Kondensator wirkt. Hierdurch entsteht ein elektrisches
Feld was das elektrostatische Klemmen des Wafer auf dem Mobilen
Chuck bewirkt. Dabei wirkt das Substratmaterial als unipolare Elektrode,
obwohl im Substratmaterial selbst mehrere pn-Übergänge enthalten sein können.
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Im
Substratmaterial werden beim Ladevorgang des Mobilen Chucks Ladungsträger über die frei
liegenden, typisch rückseitig
angeordneten Kontaktflächen
durch die Sperrschicht injiziert und reichern sich in unmittelbarer
Nähe der
Isolationsschicht an, die dem Wafer (Elektrode 1) am nächsten liegt.
Das wird durch den Effekt einer Metall-Oxid-Semiconductor-Struktur
unterstützt,
wie sie im gegebenen Aufbau des zu haltenden Wafers auf dem Isolationsoxid
des halbleitenden Substratmaterials des Mobilen Chucks gegeben ist.
Beim Laden wird die Ladespannung über äußere Kontaktnadeln zugeführt. Danach
wird die externe Spannungszufuhr getrennt. Der Platten-Kondensator
ist nun aufgeladen (aktiviert) und der Wafer ist unmittelbar anliegend
am Mobilen Chuck festgehalten. Im Ersatzschaltbild kann diese Struktur
als Kondensator mit in Reihe geschalteter Diode (pn-Übergang)
und anschließendem
widerstand (Kontaktfenster) darstellt werden. Bei einer ungewollten
Entladung, z.B. durch die gleichzeitige Benetzung (Kurzschluss)
von geklemmtem Wafer und Rückseiten-Kontakt des Mobilen Chucks,
kann die Entladung des Platten-Kondensators
nun nicht mehr vollständig
erfolgen, weil der im Substratmaterial liegende pn-Übergang
der Diode hierbei in Sperrichtung geschaltet ist und somit eine vollständige Entladung
des Kandensators unterbindet. Dadurch, dass sich die Raumladungszone
der Diode weit in das Substratmaterial hinein ausdehnen kann, können hohe
Spannungen gesperrt werden, wodurch die Kraftwirkung des Kondensators,
wenn auch leicht gemindert, weiterhin erhalten bleibt. Der zu haltende
Wafer bleibt gehalten.
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Zusätzliche
leitfähige
Bereiche können
an den Seitenrändern
(10) aber auch an der Rückseite des
Mobilen Chucks mittels MOS-Effekt erzeugt werden. Hierzu wird eine
von außen
zugeführte
Gatespannung z.B. vom Rand des Mobilen Chucks aus, über das
Isolationsoxid in das halbleitende Substratmaterial eingekoppelt.
Diese Gatespannung kann beispielsweise durch einen umfassenden,
eng anliegenden Metallring zugeleitet und typisch mit Gleichspannung
aber sogar auch mit Wechselspannung betrieben werden. Hierdurch
wird ein elektrisch leitender Inversionskanal (Enhancement/Depletion)
im Substratmaterial des Mobilen Chucks erzeugt. Der Effekt ist von
MIS-Feldeffekttransistoren her bekannt. Dieser Inversionskanal kann
so beispielsweise zur schnellen Ladung/Entladung des Mobilen Chucks genutzt
werden, wobei der erste sperrende pn-Übergang umgangen wird.
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Zudem
wird erfindungsgemäß eine zusätzliche,
dielektrische Deckschicht über
den Kontakten erzeugt. Diese zusätzliche
dielektrische Deckschicht mit vorzugsweise hohem εr-Wert
aus beispielsweise Blei-Barium-Strontiumtitanat oder auch Yttriumoxid, ist
so ausgelegt, dass sie bei hinreichend großer Spannung (der Ladespannung)
elektrisch durchbricht und somit den Ladevorgang ermöglicht.
Die Spannungsfestigkeit der dielektrischen Schicht über den
Kontakten ist demnach geringer als die Spannungsfestigkeit der eigentlichen
Dielektrischen Schicht des Mobilen Chucks. Beim ersten Durchbruch
bildet sich ein mikroskopisch feiner Kanal von wenigen Mikro- oder
Nanometern heraus. Dieser Kanal reduziert die wirksame Kontaktfläche drastisch, die üblicherweise
mehr als einen Millimeter Durchmesser hat. Bei weiteren Aufladevorgängen wird
der bereits existierende, mikroskopisch kleine Kanal weiterhin verwendet.
Hierbei kann ein kleiner Versatz der bevorzugt verwendeten Kontaktnadeln
dadurch kompensiert werden, dass Oberflächen-Ströme den Strompfad wieder zum
bereits existierenden mikroskopisch kleinen Kanal führen (schwächste Stelle
der Isolation). Somit liegt nunmehr nur noch eine mikroskopisch
kleine Kontaktöffnung
vor. Diese mikroskopisch kleinen Kontaktöffnungen sind sehr schwer mit Flüssigkeiten
zu benetzen. Das ist für
die Isolation der Kontakte gegenüber
feuchter Umweltbedingungen von Vorteil. Durch geeignete Reinigungsverfahren
der Halbleiterindustrie lassen sich zudem hydrophobe Oberflächen auf
der dielektrischen Deckschicht herstellen, wodurch eine mögliche Benetzung,
verbunden mit erhöhter
Leitfähigkeit
der Kanäle,
verhindert wird. Mikroskopisch kleine Kontaktöffnungen werden alternativ
auch mit anderen Verfahren wie Laserbohren erzeugt. Um das Eindringen
von Flüssigkeiten
in kleine Öffnungen
zu verhindern kann zusätzlich
eine poröse
Schicht PTFE (Polytetrafluorethylen) aufgebracht werden, welche
so ausgeführt ist,
dass diese Schicht wie eine Membran mit feinsten Poren wirkt. Die
Verfahren hierzu sind aus der Beschichtung von Textilien bekannt.
Die erzeugten Poren sind groß genug
um Wasserdampf durchzulassen, nicht aber Wasser in flüssiger Form.
Beim ungewollten Entladevorgang reduzieren die beschriebenen Deckschichten
zusätzlich
oder anstelle der bereits beschriebenen pn-Sperrschicht ein vorzeitiges, schnelles
und vollständiges
entladen des Mobilen Chucks.
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Dielektrische
Deckschichten aus Bariumtitanat oder auch Blei-Barium-Strontiumtitanat besitzen ferroelektrische
Eigenschaften. Das bedeutet, dass sie bei Temperaturen unterhalb
der Curie-Temperatur sehr hohe εr-Werte (bis zu 1000) erreichen können. Oberhalb
der Curie-Temperatur wird die einheitliche Ausrichtung der Dipole
dieser Deckschichten durch thermische Schwingungen zerstört und die εr-Werte werden
stark reduziert (typisch < 10).
Es kommt dadurch zu einer stark erhöhten Leitfähigkeit der Schicht. Die Curie-Temperatur
von Bariumtitanat liegt bei ca. 120 C. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß ausgenutzt,
indem das Laden und Entladen der Mobilen Chucks bei einer Temperatur
oberhalb der Curie-Temperatur erfolgt. Hierbei liegt ein geringer εr-Wert
vor. Da oberhalb der Curie-Temperatur auch große Leckströme fließen, kann die feroelektrische Deckschicht
auch als elektrischer Widerstand ausgelegt werden, so dass das Laden
und Entladen des Substrathalters ohne Zerstörung der Schicht erfolgt. Die
Erwärmung
einer dielektrischen Deckschicht kann lokal begrenzt, an den Kontaktfenstern,
erfolgen. Hierzu können
zum Beispiel beheizbare Kontaktnadeln verwendet werden, welche lokal
eine Temperatur erzeugen, die höher
als die Curie-Temperatur ist. Die typische Einsatztemperatur von
Nassätz-
und Reinigungsbädern
sowie bei Schleif- und Fotolithographie-Teilschritten bei der Herstellung von mikroelektronischen
Bauelementen liegen unter 120 C. Für Einsatztemperaturen unterhalb
der Curie-Temperatur kommen dann die ferroelektrischen Eigenschaften
wieder zum Tragen und so ist eine stark erhöhte Isolationseigenschaft der
Deckschichten die Folge. Die Entladung der Mobilen Chucks wird bei
ferroelektrischen Deckschichen wieder bei Temperaturen oberhalb
der Curie-Temperatur vorgenommen. Damit werden Schutzmechanismen
gegen das ungewollte Entladen von Mobilen Chucks beschrieben, welche
die gestellte Aufgabe lösen.
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Ausführungsbeispiele
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In
folgenden Ausführungsbeispielen
soll unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen die Erfindung
näher erläutert werden.
Die in den Zeichnungen dargestellten unterschiedlich dotierten Gebiete
des Substratmaterials sind in den Ausführungsbeispielen für den Fall
einer positiven Ladespannung am Substratmaterial ausgewählt. Für den Fall
einer negativen Ladespannung werden die p-Gebiete auf n-Gebiete
etc. entsprechend umgestellt (hier nicht dargestellt). 1 zeigt
einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1)
aus halbleitendem Substratmaterial (3) mit Wafer (2)
und der dielektrischen Schicht (4). 2 zeigt
gemäß der Erfindung
einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1)
mit geklemmtem Wafer (2) mit unterschiedlich dotierten,
aufeinander folgenden Halbleiterschichten (7, 8, 9)
des Substratmaterials (3) beim Ladevorgang. Hierbei ist
der erste pn-Übergang
in Durchlassrichtung geschaltet und Ladungsträger (6) werden injiziert. 3 zeigt
einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1)
mit geklemmtem Wafer (2) mit unterschiedlich dotierten
Schichten (7, 8, 9) des Substratmaterials
(3) beim ungewollten Entladevorgang. Dabei ist der erste
pn-Übergang
in Sperrichtung geschaltet und verhindert somit ein vollständiges Entladen
des Mobilen Chucks (1). Durch die beibehaltene Restspannung
kann der geklemmte dünne
Wafer (2) weiterhin festgehalten werden, bis der Prozessdurchlauf
beendet ist. 4 zeigt einen Querschnitt eines unipolar
aufgebauten Mobilen Chucks (1) mit geklemmtem Wafer (2)
beim Umpolen. 5 zeigt einen Querschnitt eines
unipolar aufgebauten Mobilen Chucks mit geklemmten Wafer beim Entladen.
Durch vorheriges umpolen des Mobilen Chucks (1) ist nun der
erste pn-Übergang
in Durchlassrichtung geschaltet. 6 zeigt
einen Querschnitt mit unterschiedlich dotierten, aufeinander folgenden
Halbleiterschichten (8, 9), wobei der Bereich
(9) nur lokal begrenzt in das Substratmaterial (3)
eingebracht wird.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
wird eine Kondensatorstruktur eines unipolaren Mobilen Chucks (1)
mit geklemmtem Wafer (2) dargestellt, wie in 1 beschrieben.
Der Mobile Chuck (1) besteht aus einem beidseitig polierten
Silizium Wafer als halbleitendes Substratmaterial (3),
einer 3,5 μm dicken
dielektrischen Schicht (4) aus Siliziumdioxid und 100 nm
Siliziumnitrid und die darin eingebrachten Kontaktöffnungen
(5). Die Kontaktöffnungen
(5) reichen dabei bis auf das Halbleitermaterial (3)
hindurch und dienen der Kontaktierung des Mobilen Chucks (1)
beim Laden und Entladen. Dabei bildet der zu haltende Wafer (2)
die erste Elektrode und das Halbleitermaterial (3) die
zweite Elektrode der Kondensatorstruktur. Beide Elektroden werden
durch die dielektrische Schicht (4) voneinander elektrisch
getrennt.
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Durch
das Anlegen einer elektrischen Spannung von 300 Volt, wie in 2 dargestellt,
kommt es zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen dem negativ
geladenen Wafer (2) und dem positiv aufgeladenen Halbleitermaterial
(3). Hierdurch wird der Wafer (2) an den Mobilen
Chuck (1) angezogen und somit elektrostatisch gehalten
(aktivierter Zustand). Im halbleitenden Substratmaterial (3)
sind erfindungsgemäß unterschiedlich
dotierte Bereiche (7, 8, 9) einbracht.
Das Substratmaterial (3) ist ein Silizium Wafer, Phosphor
dotiert, n-leitend mit einem spezifischen Widerstand von 10–20 Ohm·cm. Dieser n–-leitende
Sperrbereich (8) hat die geringste Dotierung. Deshalb erstreckt
sich auch die Raumladungszone einer Sperrschicht hauptsächlich in
diesen Bereich. Die Durchbruchsspannungsfestigkeit des pn-Übergang ist dabei so ausgelegt,
dass zur Vermeidung von Punch-Through-Effekten,
Lawinendurchbrüchen
und für
geringe Leckströme
eine doppelt höhere
Sperrspannungsfestigkeit des pn-Überganges
angestrebt wird als die Ladespannung ist. Die Dicke dieses Bereiches
(8) liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei 350 μm. Zur besseren
Akkumulation der Ladungsträger
ist an der den dünnen
Wafer klemmenden Seite des Mobilen Chucks eine p+-leitende
Schicht (7) mit einer Tiefe von ca. 1 μm eingebracht. Im aufgeladenen
Zustand des Mobilen Chucks (1) reichern sich hier positive
Ladungsträger an.
Durch einen negativ geladenen Wafer (2) kommt es zur Bildung
von Dipolen in der dielektrischen Schicht (4), wodurch
positive Ladungsträger
im Bereich (7) erzeugt werden. Auf der entgegen gesetzten Seite
wird im Substratmaterial (3) eine p–-leitende Schicht
(9) mit ca. 5 μm
Tiefe erzeugt. Dieser Bereich (9) ist nur geringfügig höher dotiert
als der n-leitende Bereich (8). Hierdurch kann zwischen
den Bereichen (8) und (9) ein erster pn-Übergang
erzeugt werden. Auf Grund seiner geringen Dotierung ist dieser Bereich
hoch spannungsfest (mehrere hundert Volt), wenn er in Sperrichtung
betrieben wird. Da der Bereich (9) unmittelbar zur Kontaktierung
des Mobilen Chucks (1) dient, kann man zudem einen hier
nicht dargestellten p+-leitenden Bereich
zur Ankontaktierung des Bereiches (9) einfügen. Beim
Aufladen des Mobilen Chucks (1) werden positive Ladungsträger (6)
durch Bereich (8) vom Bereich (9) aus in den Bereich
(7) injiziert, wie in 2 dargestellt. Dabei
ist die durch Bereich (8) und (9) gebildete Diode
in Durchlassrichtung geschaltet.
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Der
Substrathalter befindet sich nun im aktivierten Zustand und kann
ohne Verbindung zu einer externen Spannungsquelle frei bewegt werden. Kommt
es nun bei der Handhabung oder Prozessierung zu einer ungewollten
Entladung des Verbundes aus Mobiler Chuck (1) und gehaltenen
Wafer (2), dann ist der Bereich (7) positiv geladen
(+) und ein negatives Potential (–) liegt an den Kontaktflächen (5) an,
wie es in 3 dargestellt ist. Hierbei ist
der erste pn-Übergang,
der aus den Bereichen (9) und (8) gebildeten Diode
nun in Sperrichtung geschaltet. Beim Umschalten der Diode kommt
es zur Ausbildung einer Sperrschichtkapazität des ersten pn-Übergangs, was
einen geringen Entladungsstrom verursacht. Da aber eine erhebliche
Restspannung im Mobilen Chuck (1) erhalten bleibt, wird
eine ungewollte, vollständige
Entladung des Mobilen Chucks verhindert. Dadurch bleibt der Wafer
(2) weiterhin geklemmt und kann weiter prozessiert werden.
Um den Wafer (2) wieder vom Mobilen Chuck (1)
zu trennen, müssen die
Ladungen wieder ausgeglichen werden. Dazu ist es notwendig den ersten
pn-Übergang
in Durchlassrichtung zu betreiben. Das kann erreicht werden, indem
nun eine Umpolung des Wafers (2) und des Mobilen Chucks
(1) vorgenommen wird, wie es in 4 dargestellt
ist. Anschließend
kann durch gezielten Kurzschluss zwischen Wafer (2) und
Mobilem Chuck (1) eine Entladung erzielt werden, wie in 5 gezeigt.
Hierbei ist nun der erste pn-Übergang
in Durchlassrichtung geschaltet. Danach kann der dünne Wafer
wieder vom Mobilen Chuck abgenommen werden.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
soll unter Bezugnahme auf 6 ein Mobiler
Chuck (1) mit lokal begrenztem pn-Übergang näher erläutert werden. Der dotierte
Bereich (9) ist hierbei lokal begrenzt in den Bereich (8)
eingebracht. Das hat den Vorteil, dass in dieser Ausführungsform
ein pn-Übergang
erzeugt wird, welcher auf Grund seiner geringen geometrischen Ausdehnung
nur eine geringe Sperrschichtkapazität aufweist. Hierdurch werden
auch die Leckströme
der in Sperrichtung geschalteten Diode, gebildet aus dem pn-Übergang
der Bereiche (8) und (9), reduziert. Da die dielektrische
Schicht (4) eine Dicke von 2 μm hat, kann das Einbringen des
dotierten Bereiches (9) nach der Öffnung der Kontaktfenster (5)
erfolgen. Durch Implantation von z.B. Bor in die Kontaktfenster
hinein und anschließender
Tiefendiffusion wird ein lokal eng begrenzter Bereich (9)
eingebracht. Dabei wirkt die dielektrische Schicht (4)
als Implantationsmaske und der Bereich (9) wird somit selbstpositionierend
zur Kotaktfensteröffnung
erzeugt.
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Zur
Verbesserung der Ätzresistenz
werden dünne
Schichten aus PTFE (Teflon) oder andere geeignete Materialien lokal
begrenzt oder ganzflächig auf
die dielektrische Schicht (4) abgeschieden, die auf Grund
ihrer chemischen Resistenz die Lebensdauer der Mobilen Chucks in
Reinigungs- und Ätzbädern als
auch die Spannungsfestigkeit der dielektrischen Schicht (4)
erhöhen.
Zur Verlängerung
der Lebensdauer der mit PTFE beschichteten Mobilen Chucks trägt auch
der so erzeugte mechanische Schutz gegen Oberflächenkratzer und ähnliche
mechanische Abnutzung beim Aufeinanderlegen von zwei glatten Flächen bei.
Zudem zeichnet sich insbesondere PTFE durch eine Temperaturstabilität bis 260
C und eine geringe Oberflächenspannung
aus, was für
die Erzeugung hydrophober Oberflächen
von Vorteil ist und auch dazu führt,
dass selbst kleine Partikel kaum haften bleiben. Auch zusätzliche
Schichten aus Y2O3 können zur
Verstärkung
der dielektrischen Schicht (4) verwendet werden. Hierdurch
wird der Ätzabtrag
der dielektrischen Schicht (4) insbesondere bei CF4/O2-Plasmaprozessen drastisch
gemindert.
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Mit
Hilfe der Erfindung ist es möglich
mobile elektrostatische Substrathalter in einfacher und kostengünstiger
Art und Weise mittels Prozessen und Materialien aus der Halbleiter-Chipproduktion
herzustellen und das ungewollte, vollständige Entladen der Mobilen
Chucks mit dem geklemmten Wafer zu verhindern. Ein wesentlicher
Vorteil dabei ist, daß auf Grund
der weit entwickelten Dünnschicht-Halbleitertechnologie
in Chipfabriken dünne,
defektarme, fast defektfreie Schichten auf Silizium Wafern und somit Mobile
Chucks hoher Haltekraft und langer Haltezeit hergestellt werden
können.
Die Produktion und der Einsatz der Mobilen Chucks in Reinräumen hat
den Vorteil, dass die Anzahl und Größe aufliegender Partikel drastisch
reduziert werden können,
was für
den Aufbau einer großen
elektrostatischen Haltekraft wichtig ist. Durch die Einführung von
pn-Übergängen mit
Sperrspannungen innerhalb der Elektrode des Substratmaterials, die
Verwendung von mikroskopisch kleinen Kontaktierungskanälen oder
den Einsatz von ferroelektrischen Materialien ist es möglich die
Mobilen Chucks in feuchter Atmosphäre sowie in Reinigungsbädern zu
betreiben, da eine vollständige Entladung – und somit
der Verlust des geklemmten Wafers – verhindert wird. Wenn auch
die Haltekraft durch eine teilweise Entladung geschwächt wird,
so kann doch die angestrebte Handhabung auch in feuchter Prozessumgebung
erfolgreich beendet werden, ohne dass der Wafer sich löst. Hiernach
hergestellte mobile, transportable elektrostatische Substrathalter
mit nahezu identischen Eigenschaften wie das Transportgut selbst,
in diesem Fall die Silizium Wafer, reduzieren insbesondere das Kontaminationsrisiko
und das Risiko von mechanischen Spannungen durch Unterschiede der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten drastisch.
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- 1
- Mobiler
transportabler unipolarer elektrostatischer Substrathalter, (Mobiler
Chuck)
- 2
- Wafer
(Elektrode 1)
- 3
- Halbleiter-Substratmaterial
(Elektrode 2)
- 4
- Dielektrische
Schicht, (Isolationsoxid)
- 5
- Kontaktöffnung auf
der Rückseite
des Mobilen Chucks
- 6
- Ladungsträger
- 7
- Dotierte
Halbleiter-Schicht – p+-leitend
- 8
- Dotierte
Halbleiter-Schicht – n–-leitend
- 9
- Dotierte
Halbleiter-Schicht – p–-leitend
- 10
- Seitenrand
des Mobilen Chucks