DE102014215333B3

DE102014215333B3 - Trägerwafer, Verfahren zur Halterung eines flexiblen Substrates und Verfahren zur Herstellung eines Trägerwafers

Info

Publication number: DE102014215333B3
Application number: DE102014215333.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kutter; Christof Landesberger; Dieter Bollmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-08-05
Also published as: US9978626B2; US20160035611A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trägerwafer, ein Verfahren zur Halterung eines flexiblen Substrates mittels eines derartigen Trägerwafers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägerwafers. Trägerwafer werden eingesetzt, um dünne und ultradünne Substrate, wie beispielsweise Halbleiterbauelemente zu halten. Der erfindungsmäßige Trägerwafer weist eine Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden (Floating-Elektroden) auf. Diese Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden, mindestens jedoch 50 allseitig isolierte Elektroden, sind bezüglich der Ebene der ersten Oberfläche des Trägerwafers zueinander benachbart angeordnet. Jede dieser allseitig isolierten Elektroden kann, beispielsweise mittels Fowler-Nordheim-Tunneln oder durch Injektion von heißen Ladungsträgern, insbesondere von heißen Elektronen oder heißen Löchern, aufgeladen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trägerwafer, ein Verfahren zur Halterung eines flexiblen Substrates mittels eines derartigen Trägerwafers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägerwafers. Trägerwafer werden eingesetzt, um dünne und ultradünne Substrate, wie beispielsweise Halbleiterbauelemente zu halten.
Dünne Halbleiterbauelemente haben seit einigen Jahren eine weite Verbreitung in der Mikroelektronik gefunden. Beispiele hierfür sind integrierte Schaltkreise für Chipkarten, bei denen die Dicke der Siliziumbauelemente heute etwa 150 μm und weniger beträgt. Auch bei der Herstellung von Solarzellen werden immer dünnere Wafer eingesetzt. Auch bei Leistungshalbleitern werden Chips mit einer Dicke von 100 μm und weniger eingesetzt. Nicht zuletzt werden auch in der Polymerelektronik elektronische Bauteile aus organischen Halbleitern auf dünnen Kunststofffolien hergestellt, zum Beispiel organische Leuchtdioden (OLED).
Problematisch bei der Handhabung von derartig dünnen Substraten ist die Gefahr des Bruchs des Substrates. Zudem verlieren derart dünne Substrate ihre Stabilität und biegen sich bereits durch ihr eigenes Gewicht und Massenträgheit oftmals um mehrere Millimeter durch. Damit sind normale Handler, welche die Substrate aus einer Horde entnehmen und diversen Bearbeitungsstationen zuführen, nicht mehr verwendbar.
Ein weiteres Problem stellen die scharfkantigen Ränder der dünnen Substrate dar, die zu Problemen beim Transport und der Handhabung führen.
Hieraus erwächst die Notwendigkeit, Handhabungstechniken zu entwickeln, welche die Handhabung und Bearbeitung von derartigen dünnen Substraten ermöglicht.
Bekannt ist die Handhabung von Substraten wie dünnen Wafern oder Chips durch Aufkleben auf eine Trägerplatte. Entscheidend ist dabei, dass das dünne Substrat durch einen dicken Trägerwafer unterstützt wird. Dadurch wird das Substrat stabilisiert und in der Ebene gehalten.
Die Verbindung des Trägerwafers und des Substrates kann dabei durch einen Kleber, beispielsweise Wachs, einen thermoplastischen Klebstoff oder eine beidseitig klebende Folie erfolgen. In bestimmten Situationen ist die Verwendung von Klebern oder von Folien nicht sinnvoll, da diese beispielsweise durch hohe Temperaturen oder bestimmte Chemikalien zerstört werden. Außerdem verbleiben nach der Bearbeitung des Substrates und dessen Ablösung vom Trägerwafer unter Umständen Rückstände der Klebeschicht auf der Oberfläche des Substrates, was zu einer unerwünschten Kontamination der Anlagen führt.
In Plasmaanlagen ist seit langem das Prinzip des elektrostatischen Chucks bekannt: nach dem Ablegen des zu bearbeitenden Wafers auf dem elektrostatischen Chuck wird eine Gleichspannung zwischen der Anode des Plasmareaktors und der Rückseite des elektrostatischen Chucks angelegt. Das daraus resultierende elektrische Feld zwischen der Waferrückseite und der Isolationsschicht des Chucks hält den Nutzwafer fest und erlaubt unter anderem eine rückseitige Kühlung des Wafers durch Einströmen kleiner Mengen von Heliumgas. Der beschriebene elektrostatische Chuck ist jedoch ein fester Bestandteil der Plasmaanlage und kann daher nicht zusammen mit dem Substrat zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen transportiert werden.
Die DE 10 2006 055 618 A1 offenbart nun einen mobilen Halter für dünne Substrate, auf dem eine flächige, allseitig isolierte Elektrode aus leitfähigem Material angeordnet ist. Die leitfähige allseitig isolierte Elektrode ist hierbei vollständig von isolierendem Material umgeben, so dass es sich um eine sogenannte Floating-Elektrode handelt. Das isolierende Material kann hierbei in Form einer oder mehrerer dielektrischer Schichten aufgebracht sein. Diese allseitig vollständig isolierte Elektrode kann nun z. B. über ein Tunnelfenster aufgeladen werden, wobei aufgrund der allseitig vollständigen Isolierung das Potential dieser allseitig isolierten Elektrode anfangs nicht definiert (floating) ist.
Zur Halterung eines Substrates, beispielsweise eines Nutzwafers wird nun zuerst auf einen Trägerwafer mit einer allseitig isolierten, entladenen Elektrode der Nutzwafer aufgelegt. Anschließend wird die allseitig isolierte Elektrode aufgeladen, beispielsweise auf ein Potential von 10 V bis 1.000 V gegenüber der Umgebung.
Nach diesem Ladevorgang mit vorübergehend angelegter Spannung, beispielsweise an ein Tunnelfenster in der Isolierung der allseitig isolierten Elektrode sind die elektrischen Ladungen dauerhaft in der Floating-Elektrode gespeichert. Der Wafer wird nun mit den elektrostatischen Kräften der allseitig isolierten Elektrode sicher gehalten und kann bearbeitet, transportiert und gelagert werden.
Durch die allseitige Isolation wird sichergestellt, dass der Ladungszustand der allseitig isolierten Elektrode für lange Zeit erhalten bleibt. Hierzu bedarf es jedoch für die Gewährleistung der Isolation und die Verhinderung von Leckströmen großer Sorgfalt bei der Herstellung des Trägerwafers. Auch geringfügige Leckstellen der Isolationsschicht würden unmittelbar zur Entladung der allseitig isolierten Elektrode führen, so dass diese sich nicht zur langfristigen Halterung eines dünnen Nutzwafers eignet.
Nach der Bearbeitung wird der Nutzwafer wieder vom Trägerwafer gelöst, indem die allseitig isolierte Elektrode entladen wird. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer entgegengesetzt gepolten hohen Spannung, einer Wechselspannung mit abnehmender Amplitude und/oder durch Belichtung mit UV-Licht erfolgen. Der Nutzwafer kann dann fast kräftefrei vom Trägerwafer abgenommen werden.
Nachteilig bei dem aus der DE 10 2006 055 618 A1 bekannten Trägerwafer ist, dass bei geringsten Defekten in den Isolationsschichten, die die allseitig isolierte Elektrode allseitig isolieren, ein Leckstrom auftritt, der zu einer Entladung der allseitig isolierten Elektrode führt. Da die allseitig isolierte Elektrode in diesem Trägerwafer eine große Fläche aufweist, ist die Wahrscheinlichkeit für einen Defekt in der Isolationsschicht sehr groß, so dass diese Trägerwafer oftmals versagen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trägerwafer, seine Verwendung zum Halten eines dünnen Substrates sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägerwafers anzugeben, mit dem die Halterung eines flexiblen dünnen Substrates gesichert möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch den Trägerwafer nach Anspruch 1, das Halteverfahren nach Anspruch 17 und das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Trägerwafer und Verfahren werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Trägerwafer vorgeschlagen, der eine erste ebene Oberfläche zur elektrostatischen Halterung eines flexiblen Substrates aufweist. Als Substrat können Halbleiter wie Halbleiterwafer, Folien, Kunststofffolien oder auch Papier gehaltert werden. Auch weitere dünne Substrate, die vorstehend nicht explizit nicht aufgeführt sind, können durch den erfindungsgemäßen Trägerwafer gehaltert werden.
Der erfindungsgemäße Trägerwafer weist eine Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden (Floating-Elektroden) auf. Diese Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden, mindestens jedoch 50 allseitig isolierte Elektroden, sind bezüglich der Ebene der ersten Oberfläche des Trägerwafers zueinander benachbart angeordnet. Jede dieser allseitig isolierten Elektroden kann mittels Fowler-Nordheim-Tunneln oder durch Injektion von heißen Ladungsträgern, insbesondere von heißen Elektronen oder heißen Löchern, aufgeladen werden.
Die Zahl der allseitig isolierten Elektroden soll dabei mindestens 50 betragen, kann jedoch vorteilhafterweise auf über 1.000 allseitig isolierte Elektroden, über 10.000 allseitig isolierte Elektroden, über 100.000 allseitig isolierte Elektroden oder noch vorteilhafterweise auf über 1 Mio. allseitig isolierte Elektroden erhöht werden.
Dadurch, dass auf der Oberfläche des Trägerwafers eine Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden angeordnet sind, werden darauf angeordnete Substrate auch dann sicher gehalten, wenn einzelne der isolierten Elektroden aufgrund von Schwachstellen in ihrer Isolierung, wie z. B. getrappten Ladungen oder anderen Defekten ihre anfängliche Ladung nicht halten können, sondern im Laufe der Zeit entladen werden. Aufgrund der großen Anzahl an isolierten Elektroden werden durch derartige Fehler in der Isolationsschicht immer nur ein Teil der isolierten Elektroden betroffen sein, so dass für eine verbleibende Vielzahl von isolierten Elektroden eine auch langfristig gesicherte Aufladung hergestellt werden kann.
Die allseitig isolierten Elektroden können mit Ladungen gleicher Polarität aufgeladen werden, so dass sich ein unipolarer Trägerwafer ergibt. Alternativ können die isolierten Elektroden auch in zwei Elektrodengruppen unterteilt werden, die beispielsweise mit Ladungsträgern verschiedener Polarität aufgeladen werden. Hierdurch ergibt sich dann ein bipolarer Trägerwafer.
Die isolierten Elektroden können nicht nur in zwei Gruppen eingeteilt werden, sondern in eine beliebige Anzahl von Gruppen, wobei vorteilhafterweise jede der Gruppen eine eigene Zuleitung zur Aufladung aller isolierter Elektroden der Gruppe aufweist. Beispielsweise können abwechselnd negativ aufzuladende isolierte Elektroden und positiv aufzuladende isolierte Elektroden nebeneinander angeordnet und mit verschiedenen Zuleitungen versehen sein.
Die Zahl der Gruppen an allseitig isolierten Elektroden ist also nicht begrenzt und kann beliebig gewählt werden. Besonders einfach lässt sich ein erfindungsgemäßer Trägerwafer realisieren, wenn für sämtliche allseitig isolierte Elektroden, die mit Ladungsträgern einer Polarität aufgeladen werden sollen, eine gemeinsame Zuleitung besteht.
Die Aufladung der allseitig isolierten Elektroden erfolgt über mindestens eine Zuleitungselektrode und mindestens eine Gegenelektrode, an die eine Spannung zur Aufladung der allseitig isolierten Elektroden, beispielsweise über zugängliche Kontakte, angelegt werden kann. Es kann beispielsweise für alle allseitig isolierten Elektroden eine gemeinsame Zuleitungselektrode und/oder eine gemeinsame Gegenelektrode vorgesehen sein. Es ist auch möglich für einzelne oder für Gruppen von allseitig isolierten Elektroden jeweils eine eigene Zuleitungselektrode und/oder eine eigene Gegenelektrode vorzusehen.
Die Isolationsschicht weist vorteilhafterweise benachbart zu jeder der allseitig isolierten Elektroden einen Bereich auf, über den die allseitig isolierte Elektrode aufgeladen werden kann, d. h. unter oder oberhalb der allseitig isolierten Elektroden ist ein derartiger Bereich angeordnet. Dieser Bereich kann beispielsweise als Tunnelfenster in der Elektrodenisolierung ausgebildet sein, um über dieses Tunnelfenster mittels Fowler-Nordheim-Tunneln die allseitig isolierte Elektrode aufzuladen. Alternativ kann der Bereich auch das Gate einer Transistorstruktur darstellen, wobei die Transistorstruktur der Erzeugung von heißen Ladungsträgern (heiße Elektronen oder heiße Löcher) dient, die in die allseitig isolierte Elektrode durch die Isolationsschicht hindurch injiziert werden. Da die Aufladung einer allseitig isolierten Elektrode mittels Injektion heißer Ladungsträger unabhängig von der Dicke der Isolationsschicht ist, können wesentliche dickere Isolatorschichten als beim Aufladen über den Tunnelmechanismus gewählt werden.
Der Trägerwafer kann eine Trägerschicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufweisen, auf oder in dessen einer Vorderseite die Vielzahl von allseitig elektrisch isolierten Elektroden unmittelbar oder über Zwischenschichten angeordnet sind. Auf den allseitig isolierten Elektroden wird dann weiterhin eine zusätzliche Isolationsschicht angeordnet, so dass die einzelnen allseitig isolierten Elektroden durch die Trägerschicht, die Zwischenschichten und die auf ihn angeordneten Isolationsschichten allseitig elektrisch isoliert sind.
Die Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden kann in unterschiedlichen Mustern angeordnet sein. Beispielsweise können einzelne Gruppen von allseitig isolierten Elektroden gruppenweise ringförmig nebeneinander und radial zueinander beabstandet angeordnet werden. Alternativ können die allseitig isolierten Elektroden jeder Gruppe ein Sechseck bilden und die einzelnen Gruppen von allseitig isolierten Elektroden wabenförmig zueinander angeordnet werden. Auch eine Anordnung der allseitig isolierten Elektroden der Gruppen gruppenweise in Reihen und Spalten, parallel oder schachbrettartig zueinander beabstandet, ist möglich. Grundsätzlich sind beliebige Anordnungen, beispielsweise auch fraktale Anordnungen, möglich. Bei einer fraktalen Anordnung greifen die zwei oder mehr Gruppen ähnlich wie die Äste und Zweige eines Baumes oder die Kapillaren von Arterien und Venen im Lungengewebe innig ineinander. Hierdurch wird die Anordnung unabhängig von zufälligen Interferenzen mit regelmäßigen Anordnungen im Nutzwafer.
Die Entladung der allseitig isolierten Elektroden, die vor dem Ablösen des gehaltenen flexiblen Substrates, erforderlich ist, kann beispielsweise durch Bestrahlung der allseitig isolierten Elektroden mit geeignetem UV-Licht bewirkt oder unterstützt werden. Durch die Anregung mit dem energiereichen UV-Licht werden die in der allseitig isolierten Elektrode eingeschlossenen Elektronen durch die Isolationsschicht hindurch entladen. Um eine derartige Bestrahlung mit UV-Licht zu ermöglichen, können vorteilhafterweise die Trägerschicht des Trägerwafers, die allseitig isolierten Elektroden oder die Isolationsschichten teilweise oder bereichsweise aus für UV-Licht transparentem Material bestehen oder dieses enthalten. Besonders vorteilhaft kann die Trägerschicht des Trägerschichtwafers aus Glas, Quarzglas und/oder Saphir oder Löchern bestehen oder diese enthalten.
Die Entladung der allseitig isolierten Elektroden kann auch durch Anlegen einer Wechselspannung mit zeitlich abnehmender Spannungsamplitude erfolgen.
Die allseitig isolierten Elektroden werden vorteilhafterweise mit einer lateralen Ausdehnung A_e in der Ebene der ersten Oberfläche bzw. der Trägerschicht zwischen 100 nm und 10 mm, vorteilhafterweise 100 nm bis einschließlich 1 mm, vorteilhafterweise 100 nm bis einschließlich 100 μm, vorteilhafterweise 1 μm bis einschließlich 100 μm hergestellt.
Das Verhältnis der Gesamtfläche der allseitig isolierten Elektroden in der Ebene der ersten Oberfläche zur Gesamtfläche der ersten Oberfläche ist dabei vorteilhafterweise ≥ 5%, vorteilhafterweise ≥ 25%, vorteilhafterweise ≥ 50%.
Die Bereiche zur Aufladung der allseitig isolierten Elektroden sollten klein gegenüber der Fläche der benachbarten allseitig isolierten Elektrode sein. Sie können lediglich beispielhaft eine laterale Ausdehnung A_t in der Ebene der Trägerschicht zwischen 50 nm und 100 μm, vorteilhafterweise zwischen 100 nm und 3 μm, vorteilhafterweise zwischen 1 μm und 3 μm aufweisen. Derartige Bereiche können, wie bereits oben erwähnt, insbesondere Tunnelfenster sein, die gegenüber den benachbarten Bereichen der Isolationsschicht eine verringerte Dicke der Isolationsschicht aufweisen. Eine typische Schichtdicke der Isolationsschicht in Tunnelfenstern beträgt ≥ 7 nm, vorteilhafterweise ≥ 10 nm und/oder bis zu ≥ 100 nm für typische Spannungen zur Aufladung von 10 bis 1.000 V. Selbstverständlich kann bei Verwendung höherer Spannungen eine größere Dicke des Tunnelfensters gewählt werden. Insgesamt ist die Fläche des Tunnelfensters dabei sehr klein, beispielsweise ≤ 20%, vorteilhafterweise ≤ 0,1%, gegenüber der Fläche der aufzuladenden Elektrode und/oder ≤ 10^–4%, vorteilhafterweise ≤ 10^–5% der gesamten Oberfläche des Trägerwafers. Mit derartigen Dimensionierungen der Isolationsschicht und der Tunnelfenster ist es möglich, bei üblichen Defektdichten von ca. 1/cm², die heute in modernen Halbleiterfabriken erreicht werden, genügend defektfreie isolierte Elektroden auszubilden, sodass sich eine gute Haltekraft des elektrostatischen Wafers ergibt, selbst wenn einige der isolierten Elektroden aufgrund Ladungsverlust ausfallen.
Das Tunnelfenster bildet die schwächste Stelle in der Isolation und damit die Stelle für den potentiellen Ladungsverlust aus der jeweiligen allseitig isolierten Elektrode. Da die allseitig isolierten Elektroden jeweils nur ein Tunnelfenster aufweisen und die Gegenelektrode das dickere, wesentlich stabilere Oxyd aufweist, ist die Wahrscheinlichkeit für zwei Defekte – einen im Tunnelfenster und einen zweiten in der Isolation zwischen der allseitig isolierten Elektrode und der Gegenelektrode – sehr gering. Damit ist auch das Risiko eines Kurzschlusses beim Laden sehr gering. Falls ein Kurzschluss beim Laden aufträte, könnten die Zellen nicht mehr parallel geladen werden, der gesamte Strom über die Kurzschlusszelle fließen würde und damit keine Spannung für das parallele Laden der vielen Zellen aufgebaut werden könnte. Aus diesem Grund sind zwei Designkriterien zu achten: (1) Die Isolation an der Gegenelektrode muss wesentlich stärker dimensioniert sein als an der Tunnelelektrode. Dies wird durch ein geeignetes dickeres Oxyd (oder Oxydschichten) erreicht. (2) Die Kapazität von allseitig isolierter Elektrode und Gegenelektrode wird so groß gewählt, dass der Spannungsabfall (siehe Kapazitätsersatzschaltbild) vor allem über dem Tunnelfenster abfällt.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Trägerwafers, wie er vorstehend als erfindungsgemäß beschrieben wurde, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf eine flache Trägerschicht eines Trägerwafers, die vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder dieses enthält, eine Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden unmittelbar oder über Zwischenschichten angeordnet werden. Wie bereits oben erwähnt, werden mindestens 100 allseitig isolierte Elektroden, vorteilhafterweise jedoch auch bis zu über 1 Mio. allseitig isolierte Elektroden vorgesehen. Auf jeder der allseitig isolierten Elektroden wird wiederum unmittelbar oder über Zwischenschichten mindestens eine elektrische Isolationsschicht aufgebracht, so dass die Trägerschicht gemeinsam mit den elektrischen Isolationsschichten die jeweilige allseitig isolierte Elektrode vollständig überdeckt und isoliert. Das Isolatormaterial kann hierbei Siliziumoxyd sein, es kann aber auch aus anderen fertigungskompatiblen, isolieren Materialien bestehen (z. B. Nitrid, TEOS, Aluminiumoxid und anderen in der Halbleiterfertigung verwendeten Oxiden). Darüber hinaus kann das Isolatormaterial zumindest teilweise auch aus Schichtfolgen bestehen, beispielsweise Oxyd-Nitrid-Oxyd Schichtfolgen.
Weiterhin werden auf der Vorderseite oder der Rückseite (hier über Durchkontaktierungen), beispielsweise über Zwischenschichten auf der Trägerschicht, jeweils benachbart zu den allseitig isolierten Elektroden verlaufend, elektrische Leitungen (Zuleitungselektroden) aufgebracht. Im Falle eines unipolaren Trägerwafers genügt eine mit sämtlichen Bereichen zur Aufladung der einzelnen allseitig isolierten Elektroden verbundene elektrische Leitung. Für den Fall eines bipolaren Trägerwafers werden die allseitig isolierten Elektroden in mindestens zwei Gruppen von allseitig isolierten Elektroden unterteilt, wobei jede der Gruppen von allseitig isolierten Elektroden bzw. deren Bereiche zur Aufladung mit mindestens einer elektrischen Leitung verbunden werden. Im Falle des Aufladens mit heißen Ladungsträgern müssen die Zuleitungselektroden für den damit verbundenen hohen Strombedarf dimensioniert sein.
Sind die Zuleitungselektroden vorderseitig aufgebracht, können sie vorderseitig oder auch, über Durchkontaktierungen, rückseitig mit einer Spannungsquelle verbunden und die allseitig isolierten Elektroden aufgeladen werden.
Bei rückseitiger Aufbringung der Zuleitungselektroden können diese rückseitig oder auch über Durchkontaktierungen vorderseitig mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Eine der Zuleitungselektroden kann der Wafer selbst bilden.
Zuletzt werden die elektrischen Leitungen vorteilhafterweise mit einem auf der Oberfläche des Trägerwafers angeordneten offenen elektrischen Kontakt versehen, über den eine geeignete Spannung an die elektrischen Leitungen und damit an die Bereiche zur Aufladung für jede einzelne allseitig isolierte Elektrode angelegt werden kann.
Zum Aufladen der allseitig isolierten Elektrode muss eine Spannung an zwei Zuleitungselektroden so angelegt werden, dass über dem Tunnelfenster die Spannung anliegt, die ein Tunneln in die allseitig isolierte Elektrode erlaubt (siehe Kapazitätsersatzschaltbild). Die beiden Zuleitungselektroden haben einen kapazitiven Überlapp mit der allseitig isolierten Elektrode. Eine der Zuleitungselektroden besitzt hierbei das Tunnelfenster (Oxyd mit reduzierter Oxyddicke im Vergleich zu den anderen Isolationen) zur allseitig isolierten Elektrode. Die andere Elektrode hat kein Tunneloxyd, sondern das übliche Isolationsoxyd (oder Isolationsmaterial – siehe weiter oben). Im Falle des Aufladens mittels heißer Ladungsträger bildet die allseitig isolierte Elektrode das Gate des Transistors. Die Zuleitungselektrode befindet sich in diesem Fall unterhalb des Gates (getrennt durch eine Gateisolation) mit den Bereichen Source, Kanal und Drain. Zusätzlich ist eine weitere Elektrode erforderlich, die kapazitiv an das Gate (die allseitig isolierte Elektrode) koppelt, um die Spannung in der allseitig isolierten Elektrode steuern zu können.
Das erfindungsgemäße Halteverfahren zur Halterung eines flexiblen Substrates mittels elektrostatischer Kraft auf einem wie oben beschriebenen Trägerwafer ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das flexible Substrat (der Nutzwafer) auf die erste ebene Oberfläche des Trägerwafers aufgelegt wird. Anschließend werden mindestens eine, mehrere oder alle Elektroden elektrisch aufgeladen, indem für die allseitig isolierten Elektroden zwischen ihren Zuleitungselektroden und ihren Gegenelektroden Spannungen angelegt werden. Diese Spannungen werden anschließend abgeschaltet, so dass das dünne flexible Substrat über die elektrostatische Kraft der aufgeladenen, allseitig isolierten Elektroden auf der ebenen Oberfläche des Trägerwafers gehalten wird.
Im Falle eines bipolaren Trägerwafers werden die allseitig isolierten Elektroden so aufgeladen, dass vorteilhafterweise zwei einander benachbarte allseitig isolierte Elektroden unterschiedliche Spannungen aufweisen. Vorteilhafterweise haben die unterschiedlichen Spannungen dabei entgegengesetzte Polarität (positiv und negativ) relativ zum Erdepotential, weil sich die Haltekraft für den Nutzwafer aus der Differenz der Potentiale ergibt. Die unterschiedlichen Spannungen können dabei gleichzeitig oder aufeinander folgend angelegt werden. Der Trägerwafer kann hierzu entweder aus UV-durchlässigem Material bestehen (beispielsweise Quarzglas), oder kann aus beispielsweise Silizium bestehen mit speziell freigeätzten Bereichen, die UV-durchlässig sind und damit das Löschen erlauben.
Zur Ablösung des gehaltenen flexiblen Substrates wird der Trägerwafer mit UV-Licht bestrahlt, bis die allseitig isolierten Elektroden weitgehend entladen sind. Das flexible dünne Substrat kann dann problemlos von dem Trägerwafer abgelöst werden.
Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Trägerwafer sowie deren Anwendung gegeben. Dabei bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente, so dass deren Beschreibung ggfs. nicht wiederholt wird. Bei den folgenden Beispielen wird jeweils eine Vielzahl von notwendigen als auch optionalen vorteilhaften Merkmalen verwirklicht. Die einzelnen optionalen Merkmale können dabei jedoch auch unabhängig von den weiteren im jeweiligen Beispiel verwendeten optionalen Merkmalen zur Verbesserung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Es zeigen
1 bis 4 Querschnitte durch erfindungsgemäße Trägerwafer;
5 eine Aufsicht in Durchsicht auf die Oberfläche eines Trägerwafers;
6 ein Ersatzschaltbild der elektrischen Strukturen auf einem Trägerwafer;
7 einen Ausschnitt aus einer Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Trägerwafer;
8 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Trägerwafers.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Trägerwafer 1. Dieser Trägerwafer 1 weist ein Substrat 2 auf, auf dem eine isolierende Schicht 3 angeordnet ist. In die isolierende Schicht 3 sind allseitig durch die isolierende Schicht 3 elektrisch isolierte Elektroden 4a bis 4e eingebettet. Derartige allseitig isolierte Elektroden werden auch Floating-Elektroden genannt. Sie weisen kein definiertes Potential auf.
Erfindungsgemäß werden nun zum Haltern eines Nutzwafers 10 die allseitig isolierten Elektroden 4a bis 4e mit elektrischen Ladungsträgern aufgeladen. Dies kann für einen unipolaren Trägerwafer 1 die Aufladung mit gleichen Ladungsträgern, beispielsweise nur mit Elektronen sein. Für einen bipolaren Trägerwafer können die allseitig isolierten Elektroden jeweils benachbart zueinander mit Ladungsträgern verschiedener Polarität aufgeladen werden, zum Beispiel die allseitig isolierten Elektroden 4a, 4c und 4e mit Elektronen und die allseitig isolierten Elektroden 4b und 4d mit Löchern.
Die so aufgeladenen allseitig isolierten Elektroden 4a bis 4e erzeugen ein elektrisches Feld, das hinreichend stark ist, um einen Nutzwafer 10 auf der Oberfläche der Isolationsschicht 3 und damit auf der Oberfläche des Trägerwafers 1 sicher festzuhalten.
In 2 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts eines weiteren Trägerwafers 1 dargestellt. Dieser Trägerwafer 1 weist wiederum eine Trägerschicht/Substrat 2 auf, auf der eine Isolationsschicht 3 angeordnet ist. In diese Isolationsschicht sind im dargestellten Ausschnitt wiederum zwei Floating-Elektroden 4a, 4b angeordnet. Diese sind allseitig durch die Isolationsschicht 3 isoliert. Die allseitig isolierten Elektroden 4a und 4b weisen seitlich in der Ebene der Isolationsschicht 3 verdünnte Bereiche auf, oberhalb deren zum Einen Zuleitungen 6a und 6b und zum Anderen eine Zuleitung mit Gegenelektrode 7 angeordnet sind.
Die Zuleitungen 6a und 6b sind im Bereich der allseitig isolierten Elektroden 4a und 4b so verdickt ausgebildet und in der Nähe der seitlichen Bereiche der allseitig isolierten Elektroden 4a und 4b angeordnet, dass die Isolationsschicht 3 zwischen den Zuleitungen 6a und 6b und den dazu benachbarten Bereichen der allseitig isolierten Elektroden 4a und 4b einen verdünnten Bereich 9a, 9b aufweisen. Die Bereiche 9a und 9b sind nun dazu geeignet über Fowler-Nordheim-Tunneln Elektronen oder Löcher in die allseitig isolierten Elektroden 4a oder 4b einzubringen. Der Bereich 9a und der Bereich 9b fungieren also als Tunnelfenster.
Nach Aufladung der allseitig isolierten Elektrode 4a mit Ladungsträgern einer Polarität, beispielsweise allseitig isolierte Elektroden, und der allseitig isolierten Elektrode 4b mit Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität, beispielsweise Löchern, ergibt sich zwischen den allseitig isolierten Elektroden 4a und 4b zwischen der Oberfläche der Isolationsschicht 3 und dem Nutzwafer 10 ein mit den Pfeilen 11a und 11b dargestelltes elektrisches Feld. Aufgrund dieses elektrischen Feldes wird nun der Nutzwafer 10 an der Oberfläche der Isolationsschicht 3 festgehalten.
3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Trägerwafer 1, dessen Trägerschicht unmittelbar als isolierende Schicht 3 ausgebildet ist. 3 zeigt dabei einen Ausschnitt in Querschnitt, bei dem eine allseitig isolierte Elektrode 4b zum Einen benachbart zu einer Zuleitung 6b als auch benachbart zu einer als Gegenelektrode ausgebildeten Zuleitung 7 angeordnet ist.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Alternative eines Trägerwafers, bei dem zwischen der allseitig isolierten Elektrode 4b und der Zuleitung 6b kein Tunnelfenster ausgebildet ist. Vielmehr findet sich oberhalb des benachbarten Bereiches der allseitig isolierten Elektrode 4b in der Zuleitung 6b eine Transistorstruktur 8, mit der heiße Ladungsträger, hier beispielsweise heißen Elektronen 12 erzeugt werden können. Diese heißen Elektronen 12 werden nun in die der Transistorstruktur 8 benachbarten Bereiche der allseitig isolierten Elektrode 4b injiziert. Auf diese Weise wird die allseitig isolierte Elektrode 4b aufgeladen.
Auch wenn die Zuleitungen 6 und 7 in den 3 und 4 oberhalb der allseitig isolierten Elektroden gezeichnet wurden, können sie genauso gut unterhalb der allseitig isolierten Elektroden angeordnet werden. Hierfür ist lediglich die Reihenfolge der Prozessschritte bei der Herstellung zu ändern. Dies ist in zur 3 entsprechenden Weise in 8 dargestellt.
5 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Trägerwafers gemäß der vorliegenden Erfindung. In 5 sind nun in Aufsicht die benachbart zueinander in der Ebene des Trägerwafers angeordneten allseitig isolierten Elektroden 4a, 4b und 4c dargestellt. Diese werden von der Zuleitung 6 über fingerartig abzweigende Zuleitungsabschnitte 6a, 6b und 6c aufgeladen. Hierzu sind diese Zuleitungsabschnitte 6a, 6b und 6c so wie in 3 dargestellt derart ausgebildet, dass sie gegenüber der allseitig isolierten Elektrode 4a, 4b bzw. 4c Tunnelfenster in der Isolationsschicht 3 ausbilden. Die Tunnelfenster 9a, 9b und 9c dienen nun der Aufladung der allseitig isolierten Elektroden 4a, 4b und 4c mit Ladungsträgern.
Auf der hierzu gegenüberliegenden Seite der allseitig isolierten Elektroden 4a, 4b und 4c befinden sich so wie in 3 dargestellt eine Zuleitung 7 mit Zuleitungsabschnitten 7a, 7b und 7c.
6 zeigt ein Ersatzschaltbild für die elektrische Verschaltung der Zuleitung und der allseitig isolierten Elektroden auf dem erfindungsgemäßen Trägerwafer 1, wie er in den 1 bis 5 beispielhaft erläutert wurde. Bezugszeichen 13 und 15 bezeichnen einen Außenkontakt, an den eine Spannung angelegt werden kann. Die Leitung 6 führt zu einer Kapazität 9, die durch das Tunnelfenster zwischen der Zuleitung 6 und der allseitig isolierten Elektrode 4 gebildet wird. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet eine gemeinsame Gegenelektrode, die mit einer Kapazität 14 verbunden ist. Die Kapazität 14 wird zwischen den in 5 mit 7a, 7b und 7c dargestellten Gegenelektroden und den allseitig isolierten Elektroden 4a, 4b und 4c ausgebildet.
Während des Aufladens der zwei Kapazitäten stellt sich das Potential der allseitig isolierten Elektrode 4 entsprechend dem Verhältnis der Kapazitäten ein. Sobald an der Kapazität 9 eine kritische Feldstärke erreicht wird, setzt der Tunnelstrom gemäß dem Fowler-Nordheim-Tunneleffekt ein. Dabei steigt die Feldstärke nicht weiter an, sondern es werden Elektronen in der allseitig isolierten Elektrode gespeichert. Diese gespeicherten Elektronen bleiben auch nach Abschalten der Spannung erhalten und erzeugen das erfindungsgemäße elektrische Feld.
7 zeigt einen Ausschnitt einer Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Trägerwafer 1. Dargestellt ist hierbei die Verschaltung der allseitig isolierten Elektroden, von denen lediglich eine mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet wurde, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu wahren. Auch die Anzahl der allseitig isolierten Elektroden, Zuleitungen und Gruppen ist in der Realität viel höher als gezeichnet und kann wie oben beschrieben viele tausend oder Millionen betragen.
Der Aufbau dieser Elektrodenanordnung entspricht grundsätzlich derjenigen aus 5. Die allseitig isolierten Elektroden 4 sind jeweils reihenweise als Gruppe zusammengefasst und werden jeweils gruppenweise über dieselbe Zuleitung 13a bzw. 13b usw., sowie 6a, 6b usw. aufgeladen. Die Aufladung kann dabei wie oben erläutert durch Fowler-Nordheim-Tunneln oder auch durch Injektion heißer Ladungsträger erfolgen. Andererseits sind die allseitig isolierten Elektroden 4 ebenfalls jeweils gruppenweise über Leitungen 7a, 7b bzw. 7c usw. und Massekontakte 15a, 15b, 15c usw. versehen.
Werden nun an die Zuleitungen 6a und 6b (13a und 13b) Ladungen unterschiedlicher Polarität angelegt, so werden die Reihen der allseitig isolierten Elektroden abwechselnd mit Ladungsträgern unterschiedlicher Polarität aufgeladen. Jeweils zwei benachbarte Reihen allseitig isolierte Elektroden 4 werden dabei mit Ladungsträgern derselben Polarität aufgeladen. Insgesamt ergibt sich so, insbesondere wenn der dargestellte Array in der Fläche eine weitere Erstreckung erfährt, eine alternierende Aufladung der allseitig isolierten Elektroden 4 und insgesamt ein bipolarer Trägerwafer. Selbstverständlich können die einzelnen miteinander gekoppelten Reihen abwechselnd mit unterschiedlichen Ladungsträgern als auch mit unterschiedlich vielen Ladungsträgern aufgeladen werden, so dass sich ein komplexes Ladungsmuster und damit ein komplexer Verlauf des elektrischen Feldes, das den Nutzwafer halten soll, ergibt.

Claims

Trägerwafer (1) mit einer ersten, ebenen Oberfläche zur elektrostatischen Halterung eines flexiblen Substrats (10), umfassend eine Vielzahl von mindestens 50 allseitig mittels einer oder mehrerer elektrischer Isolationsschichten (3) elektrisch isolierten, bezüglich der Ebene der ersten, ebenen Oberflächen zueinander benachbart angeordneten Elektroden (4, floating electrodes), wobei für die allseitig isolierten Elektroden (4) mindestens eine elektrische Leitung (6) als Zuleitungselektrode und mindestens eine elektrische Leitung (7) als Gegenelektrode zur Aufladung der allseitig isolierten Elektroden (4) mittels Fowler-Nordheim-Tunneln oder durch Injektion heißer Ladungsträger vorgesehen ist.
Trägerwafer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der allseitig isolierten Elektroden (4) mindestens eine der Isolationsschichten (3) einen der Elektrode (4) benachbart angeordneten Bereich zur Aufladung der Elektrode (4) aufweist.
Trägerwafer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer, mehrere oder alle der Bereiche zur Aufladung gegenüber den ihm benachbarten und umgebenden Bereichen derselben Isolationsschicht (3) eine geringere Dicke aufweist.
Trägerwafer (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer, mehrere oder alle der Bereiche zur Aufladung mit einer Struktur zur Erzeugung von heißen Ladungsträgern, insbesondere von heißen Elektronen oder von heißen Löchern, verbunden oder dieser benachbart angeordnet sind.
Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die allseitig isolierten Elektroden (4) in mindestens zwei Gruppen von allseitig isolierten Elektroden unterteilt sind, wobei für jede der Gruppen eine eigene gemeinsame Zuleitungselektrode vorgesehen ist.
Trägerwafer (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an je eine Zuleitungselektrode (6) und eine Gegenelektrode (7) von außen eine Spannung anlegbar ist.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) jeweils allseitig isolierte Elektroden verschiedener Gruppen in der Ebene der ersten Oberfläche einander benachbart angeordnet sind und gegebenenfalls mit Ladungen unterschiedlicher Spannung aufladbar sind.
Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden ≥ 50 Elektroden, vorteilhafterweise ≥ 1000 Elektroden, vorteilhafterweise ≥ 10000 Elektroden, vorteilhafterweise ≥ 100000 Elektroden, vorteilhafterweise ≥ 1000000 Elektroden insgesamt oder in jeder Gruppe aufweist.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei, mehrere oder alle Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) die Elektroden jeder Gruppe ringförmig und die Gruppen von Elektroden radial zueinander beabstandet angeordnet sind.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei, mehrere oder alle Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) die Elektroden jeder Gruppe in einem Sechseck und die Gruppen von Elektroden wabenförmig zueinander beabstandet angeordnet sind.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei, mehrere oder alle Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) die Elektroden jeder Gruppe in Reihe und die Gruppen von Elektroden parallel zueinander beabstandet angeordnet sind.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei, mehrere oder alle Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) die Elektroden jeder Gruppe in fraktalen Anordnungen und die Gruppen von Elektroden benachbart zueinander oder ineinander eingreifend angeordnet sind.
Trägerwafer (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für zwei, mehrere oder alle Gruppen von allseitig isolierten Elektroden (4) die Elektroden unterschiedliche Größen haben.
Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwafer (1), die Isolationsschichten (3) und/oder die allseitig isolierten Elektroden (4) zumindest teilweise oder bereichsweise aus für UV-Licht durchlässigem Material bestehen oder dieses enthalten, insbesondere aus Glas, Quarzglas und/oder Saphir bestehen oder diese enthalten oder Aussparungen als UV-durchlässigen Bereiche aufweisen.
Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle allseitig isolierten Elektroden (4) der Vielzahl von allseitig isolierten Elektroden eine laterale Ausdehnung A_e in der Ebene der Trägerschicht aufweisen mit 100 nm ≤ A_e ≤ 10 mm, vorteilhafterweise 100 nm ≤ A_e ≤ 1 mm, vorteilhafterweise 100 nm ≤ A_e ≤ 100 μm, vorteilhafterweise 1 μm ≤ A_e ≤ 100 μm, vorteilhafterweise 10 μm ≤ A_e ≤ 100 μm.
Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der allseitig isolierten Elektroden (4) und die Gesamtfläche der ersten Oberfläche ein Verhältnis ≥ 5%, vorteilhafterweise ≥ 25%, vorteilhafterweise ≥ 50% aufweisen.
Verfahren zur Halterung eines flexiblen Substrats (10) mittels elektrostatischer Kraft auf einem Trägerwafer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das flexible Substrat (10) auf die erste, ebene Oberfläche des Trägerwafers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgelegt wird und anschließend an mindestens eine, mehrere oder alle allseitig isolierten Elektroden (4) Spannungen gelegt werden und anschließend die Spannungen abgeschaltet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei einander benachbarte allseitig isolierte Elektroden (4) unterschiedliche Spannungen angelegt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend der Trägerwafer (1) mit UV-Licht bestrahlt wird bis zur weitgehenden Entladung der allseitig isolierten Elektroden (4) und anschließend das flexible Substrat (2) von dem Trägerwafer abgelöst wird.
Verfahren zur Herstellung eines Trägerwafers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei auf eine flache Trägerschicht, die eine Vorderseite mit einer ersten, ebenen Oberfläche aufweist, eine Vielzahl von mindestens 50 allseitig isolierten Elektroden (4) unmittelbar oder über eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet werden, wobei für die allseitig isolierten Elektroden (4) mindestens eine elektrische Leitung (6) als Zuleitungselektrode und mindestens eine elektrische Leitung (7) als Gegenelektrode zur Aufladung der allseitig isolierten Elektroden (4) mittels Fowler-Nordheim-Tunneln oder durch Injektion heißer Ladungsträger angeordnet wird.