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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Handhabungswafer zur Handhabung von Substraten, insbesondere
von zu dünnenden
oder gedünnten
Substrats, ein Verfahren zur Herstellung des Handhabungswafers und
ein Verfahren zur Handhabung eines Substrats.
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In der Halbleitertechnologie werden
immer häufiger
gedünnte
Substrate verwendet, die vor oder nach dem Dünnen strukturiert werden, und
die anschließend
zu Substratstapeln zusammengesetzt oder mit dickeren Trägersubstraten
verbunden werden. Ein Beispiel ist die dreidimensionale vertikale Systemintegration
von Si-ICs, für
die hochgenaue Si-Rückdünnungsverfahren
benötigt
werden, um die metallische Durchkontaktierung zwischen den einzelnen
Waferlagen bzw. Chiplagen zu realisieren. Extrem dünne Substrate
im Dickenbereich von 15 μm bis
25 μm können derzeit
nur mit Hilfe eines Handlingwafers bzw. Handhabungswafers erzeugt
und gehandhabt werden. Der Handhabungswafer ist über eine Klebeschicht vollflächig mit
dem Substrat verbunden und hält
und stabilisiert dasselbe, während es
bearbeitet, insbesondere gedünnt
und schließlich auf
einem Trägersubstrat
befestigt wird. Das Trägersubstrat
und das darauf befestigte gedünnte
Substrat bilden einen Waferstapel. Ein Trägersubstrat ist beispielsweise
ein dickerer, leicht handzuhabender und/oder ohne weiteres elektrisch
zu kontaktierender Wafer oder seinerseits ein Waferstapel bzw. ein
Stapel aus mehreren, vorzugsweise gedünnten Substraten. Nach dem
erfolgten Umbonden des gedünnten Substrats
auf ein Trägersubstrat
muß der
Handhabungswafer entfernt werden.
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Das Ablösen und Entfernen des Handhabungswafers
von diesem Waferstapel erfolgt bisher manuell. Dazu wird der Waferstapel
zusammen mit dem Handhabungswafer so lange erwärmt, bis sich die Klebeschicht
zwischen dem Handhabungswafer und dem gedünnten Substrat verflüssigt. Der
Handhabungswafer kann dann in Richtung parallel zu der Klebeschicht
mechanisch von dem Waferstapel abgeschoben werden. Dieses Verfahren
ist zeitaufwendig, kann praktisch nicht automatisiert werden und
erzeugt damit hohe Kosten. Darüber
hinaus birgt es ein erhebliches Risiko der mechanischen Beschädigung sowohl
des Handhabungswafers als auch des Waferstapels. Ferner kann es
nur bei Wafern mit einem Durchmesser bis zu 150 mm angewendet werden. Bereits
bei einem Waferdurchmesser von 200 mm sind die Adhäsionskräfte so hoch,
daß der
Handhabungswafer nicht mehr zerstörungsfrei durch Schieben mit
einer Pinzette oder einem Greifer abgelöst werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einen Handhabungswafer, der ein einfacheres
und sichereres Ablösen
des Handhabungswafers von einem Substrat beliebiger Größe ermöglicht,
ein Verfahren zur Herstellung des Handhabungswafers und ein Verfahren
zum einfacheren und sichereren Handhaben eines Substrats beliebiger Größe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Handhabungswafer
gemäß Anspruch
1, ein Verfahren gemäß Anspruch
7 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 11
gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen Handhabungswafer zur Handhabung von Substraten. Der Handhabungswafer
umfaßt
eine erste Oberfläche,
auf die eine Klebeschicht aufbringbar ist, um ein Substrat für eine nachfolgende
Bearbeitung mechanisch stabil zu halten, eine zweite Oberfläche, die der
ersten Oberfläche
gegenüberliegt,
und eine Zuleitung oder eine Mehrzahl von Zuleitungen, die sich von
der zweiten Oberfläche
zu der ersten Oberfläche erstrecken,
um ein Zuleiten eines Lösemittels
von der zweiten Oberfläche
zu einer auf der ersten Oberfläche
aufgebrachten Klebeschicht zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfaßt die Zuleitung bzw. die Mehrzahl
von Zuleitungen eine Mehrzahl von regelmäßig angeordneten Ausnehmungen
in der ersten Oberfläche
und eine Mehrzahl von regelmäßig angeordneten
Kanälen,
die sich von der zweiten Oberfläche
bis zu der Mehrzahl von Ausnehmungen erstrecken.
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Die vorliegende Erfindung schafft
ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Handhabungswafers, mit
folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Wafers mit einer ersten
Oberfläche
und einer zweiten Oberfläche,
die der ersten Oberfläche
gegenüberliegt;
Erzeugen
einer Mehrzahl von Zuleitungen, die sich von der zweiten Oberfläche bis
zu der ersten Oberfläche
erstrecken, um ein Zuleiten eines Lösemittels von der zweiten Oberfläche zu der
ersten Oberfläche zu
ermöglichen.
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Die Mehrzahl von Ausnehmungen und
die Mehrzahl von Kanälen
werden vorzugsweise durch anisotropes Ätzen erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung schafft
ferner ein Verfahren zur Handhabung eines Substrats, mit folgenden
Schritten:
Aufbringen des Substrats mittels einer Klebeschicht auf
die erste Oberfläche
des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Handhabungswafers;
Bearbeiten
des Substrats; und
Einbringen eines Lösemittels für die Klebeschicht in die Zuleitung
von der zweiten Oberfläche
aus, um die Klebeschicht zu lösen.
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Dieses Verfahren erlaubt ohne weiteres
eine Dünnung
des Substrats auf eine Dicke von 15 μm bis 25 μm oder weniger bei einer beliebigen
Größe des Substrats.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß durch
das Lösen
bzw. Auflösen
der Klebeschicht in dem Lösemittel
ein selbstständiges Ablösen des
Handhabungswafers von dem Substrat erfolgt. Der Zeitaufwand und
die Arbeitszeitkosten für das
herkömmliche
manuell mechanische Abschieben des Handhabungswafers und das damit
verbundene Risiko der Beschädigung
oder Zerstörung
von Handhabungswafer und Substrat entfallen somit. Insbesondere
wenn der Handhabungswafer eine Mehrzahl von Zuleitungen aufweist,
ist das erfindungsgemäße Ablösen des
Handhabungswafers von der Größe des Substrats
völlig
unabhängig.
Bei einer entsprechenden Anzahl der Zuleitungen bzw. einem entsprechend
geringen Abstand der Zuleitungen voneinander vor allem an der ersten
Oberfläche
des Handhabungswafers kann das Lösemittel
schnell jeden Punkt der Klebeschicht erreichen und lösen, so daß der gesamte
Ablösevorgang
innerhalb einiger Minuten oder weniger Stunden abgeschlossen ist. Eine
Handhabung eines Substrats mittels des beschriebenen Handhabungswafers
ist auch deshalb vorteilhaft, weil der Handhabungswafer nach der
Verwendung gereinigt und wieder verwendet werden kann. Dies gilt
insbesondere, wenn er an seiner ersten Oberfläche mit einer Oxid-Nitrid-Schutzschicht bzw.
einer Schutzstruktur aus einer oder mehreren Oxid- und Nitrid-Schichten versehen
ist.
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Das beschriebene selbstständige Ablösen des
Handhabungswafers ist ohne weiteres parallelisierbar. Beispielsweise
kann gleichzeitig ein vollständiges
Wafer-Los in einem 25er Wafer-Carrier bearbeitet werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Handhabungswafers gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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2A und 2B schematische Schnittdarstellungen
eines Handhabungswafers und eines gedünnten Substrats während einer
Bearbeitung desselben.
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1 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Handhabungswafers 10 mit
einer ersten Oberfläche 12 und
einer zweiten Oberfläche 14,
die einander gegenüberliegen.
Der Handhabungswafer weist an beiden Oberflächen tief eingeätzte Trench-Löcher auf.
In der ersten Oberfläche 12 ist eine
zweidimensional gitterförmige
Anordnung von Trench-Löchern
bzw. Ausnehmungen 22 angeordnet, die eine Tiefe von ca.
75 μm und
einen gegenseitigen Abstand von wenigen μm aufweisen. Von der zweiten
Oberfläche 14 aus
sind tiefe Trench-Löcher bzw.
Kanäle 24 in
den Handhabungswafer 10 geätzt, die eine Tiefe von ca.
450 μm aufweisen.
Die Kanäle 24 sind
ebenfalls regelmäßig, vorzugsweise
gitterförmig
angeordnet, wobei die lateralen Abstände der Kanäle 24 voneinander
ca. 15 mal größer sind
als die Abstände
der Ausnehmungen 22 voneinander. Da die Ausnehmungen 22 eine
Tiefe von ca. 75 μm,
die Kanäle 24 eine
Tiefe von ca. 450 μm
und der Handhabungswafer 10 eine Dicke von ca. 500 μm aufweisen, überlappen
die Ausnehmungen 22 und die Kanäle 24 und bilden zusammen
durchgehende Zuleitungen, die von der zweiten Oberfläche 14 bis
zu der ersten Oberfläche 12 des
Handhabungswafers 10 reichen.
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In der Darstellung in 1 ist auf die erste Oberfläche des
Handhabungswafers 10 eine Klebeschicht 30 aufgebracht.
Das schwarz dargestellte Material der Klebeschicht 30 füllt in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
auch die Ausnehmungen 22 und Abschnitte 34 der
Kanäle 24 aus.
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Die Klebeschicht 30 verbindet
den Handhabungswafer 10 mit einem Substrat 40,
dessen erste Oberfläche 42 durch
die Klebeschicht 30 vollflächig mit dem Handhabungswafer 10 verbunden
ist. Das Substrat 40 wird durch den Handhabungswafer 10 mechanisch
gehalten und gestützt
und widersteht deshalb großen
mechanischen Beanspruchungen während
beispielsweise die zweite Oberfläche 44 des
Substrats 40 bearbeitet wird. Insbesondere kann die zweite
Oberfläche 44 des
Substrats 40 durch mechanisches Grinden, naßchemisches
Spinätzen
oder chemisch-mechanisches Polieren (CMP; CMP = chemical-mechanical
polishing) abgetragen und/oder planarisiert und/oder poliert werden.
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Beim Polieren von Substratoberflächen besteht
allgemein das Risiko des sogenannten Dishing-Effekts, der darauf
beruht, daß Bereiche
eines Substrats, die bei Druck auf die Oberfläche des Substrats elastisch
zurückweichen,
weniger stark abgetragen werden, als Bereiche, die starr sind und
einem Druck auf die Oberfläche
nicht nachgeben. Dieser Dishing-Effekt
tritt insbesondere auf, wenn beispielsweise ein dünnes Substrat
teilweise an einer starren Struktur und teilweise über Hohlräumen oder
nachgiebigen Bereichen der Struktur angeordnet ist. Da das laterale
Rastermaß der
Ausnehmungen 22 in der ersten Oberfläche 12 des Handhabungswafers 10 vorzugsweise
klein oder wesentlich kleiner als die Dicke des Substrats 40 ist,
wird dieser Dishing-Effekt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Handhabungswafers
vermieden.
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In den 2A und 2b ist in schematischen Schnittdarstellungen
gezeigt, wie das Substrat 40 nach einer Bearbeitung, insbesondere
einem Dünnen
auf einen Waferstapel 50 aus mehreren Substraten 52, 54, 56, 58 aufsetzt
und mit diesem mechanisch verbunden wird, wonach der Handhabungswafer 10 von
dem Substrat 40 gelöst
wird. Der Waferstapel 50 besteht in diesem Beispiel aus
einem relativ dicken, eine mechanische Stabilität des Waferstapels 50 gewährleistenden
Substrat 52 und mehreren dünnen Substraten 54, 56, 58,
die beispielsweise durch Waferbonden mit dem Substrat 52 stapelförmig verbunden
sind. Die Substrate 54, 56, 58 des Waferstapels 50 wurden
in vorangegangenen Herstellungsschritten erzeugt, bearbeitet und
stapelförmig
miteinander verbunden, wobei vorzugsweise ebenfalls der erfindungsgemäße Handhabungswafer 10 verwendet
wurde.
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Das mit dem Handhabungswafer 10 durch die
Klebeschicht 30 vollflächig
verbundene Substrat 40 wird wie oben beschrieben bearbeitet,
insbesondere gedünnt,
und anschließend
in der durch die Pfeile 60 angedeuteten Richtung auf den
Waferstapel 50 aufgesetzt. Nachdem das Substrat 40 bzw. seine
zweite Oberfläche 44 beispielsweise
durch Waferbonden vollflächig
mit dem Waferstapel 50 verbunden ist, wird die so erzeugte
Anordnung aus dem Handhabungswafer 10, dem Substrat 40 und
den Substraten 52-58 des Waferstapels 50 in ein
Lösemittel
getaucht, welches selektiv das Material der Klebeschicht 30 löst. Dies
erfolgt vorzugsweise in einem Naßätzbecken. Dieses Lösemittel
gelangt durch die Zuleitungen, die durch die Kanäle 24 und die Ausnehmungen 22 des
Handhabungswafers 10 gebildet werden, von der zweiten Oberfläche 14 des
Handhabungswafers 10 zunächst zu den Abschnitten 34 der Kanäle 24,
die durch das Material der Klebeschicht 30 gefüllt sind.
Das Material der Klebeschicht 30 ist beispielsweise ein
Photolack oder auch ein thermoplastisches Klebematerial, das von
dem Lösemittel chemisch
angegriffen und in Lösung
gebracht wird. Durch Diffusion des Lösemittels in die Abschnitte 34 und
die Ausnehmungen 22 bzw. in das Klebematerial und vorzugsweise
unterstützt
durch Ultraschall wird nach und nach das gesamte Klebematerial bis
hin zu der ersten Oberfläche 12 des
Handhabungswafers 10 und der ersten Oberfläche 42 des
Substrats 40 gelöst.
Sobald die Klebeschicht 30 vollständig in Lösung gegangen ist, ist der
Handhabungswafer 10 von dem Substrat 40 mechanisch
getrennt. Der Handhabungswafer 10 wird somit sozusagen
von alleine und völlig
ohne Einwirkung mechanischer Kräfte
oder Spannungen von dem Substrat 40 gelöst. Dieser Vorgang benötigt abhängig von
dem verwendeten Klebematerial, dem Lösemittel, den Abmessungen der Kanäle 24 und
Ausnehmungen 22, der Dicke der Klebeschicht 30,
Temperatur, Druck etc. bis zu einige Stunden.
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Während
die kleinen lateralen Abmessungen und das kleine Rastermaß der Ausnehmungen 22 in der
ersten Oberfläche 12 des
Handhabungswafers 10 wie oben beschrieben den Dishing-Effekt beim Polieren
der zweiten Oberfläche 42 des
Substrats 40 vermeiden, gewährleisten die großen Querschnitte der
Kanäle 24 eine
effiziente Diffusion bzw. einen schnellen Transport des Lösemittels
zu dem Klebematerial bzw. des gelösten Klebematerials von der Klebeschicht 30 weg
und aus dem Handhabungswafer 10 heraus. Dies ist der Grund
für die
in 1 dargestellten unterschiedlichen
Strukturen der ersten Oberfläche
und der zweiten Oberfläche.
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Mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Handhabungswafern 10 kann
gleichzeitig eine Mehrzahl von Substraten 40 und Waferstapeln 50 bearbeitet
werden, beispielsweise ein vollständiges Wafer-Los in einem 25er
Carrier. Das Verfahren kann ferner fast vollständig automatisiert werden,
wenn in einer Naßstraße die Wafer-Carrier
automatisch von einem Naßätzbecken
zum nächsten
transportiert werden. Nach Abschluß der Naßreinigungsschritte werden
die möglicherweise
paarweise in jedem Slot angeordneten Wafer vorzugsweise in zwei
getrennte Boxen aussortiert.
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Die Herstellung des Handhabungswafers 10 bzw.
der Ausnehmungen 22 und der Kanäle 24 erfolgt vorzugsweise
durch anisotropes Ätzen,
insbesondere durch ein anisotropes RIE-Plasmaätzverfahren (RIE = reactive
ion etch). Dazu werden zunächst auf
lithographischem Wege entsprechende Oxid-Schutzmasken auf den Oberflächen 12, 14 erzeugt,
die die laterale Struktur der Ausnehmungen 22 bzw. der
Kanäle 24 definieren.
Der Wafer wird in zwei Stufen durchätzt, und zwar zunächst von
der ersten Oberfläche 12 her
bis in eine Tiefe von ca. 75 μm
und dann von der zweiten Oberfläche 14 her
bis in eine Tiefe von ca. 450 μm.
Bei dieser Überätzung resultieren
in den Überlappbereichen
der beiden verschieden dimensionierten Maskensätze der ersten Oberfläche 12 und
der zweiten Oberfläche 14 die
oben beschriebenen durchge henden Zuleitungen, die durch die Kanäle 24 und
die Ausnehmungen 22 gebildet werden. Um die Widerstandsfähigkeit
des Handhabungswafers 10 und insbesondere seiner ersten Oberfläche 12 zu
verbessern und ihn somit mehrfach verwenden zu können, wird vorzugsweise nach
Fertigstellung der Ausnehmungen 22 und der Kanäle 24 mittels
LPCVD (LPCVD = low pressure chemical vapor deposition) eine Oxid-Nitrid-Schutzschicht bzw. eine
Schutzstruktur aus Oxid- und/oder Nitrid-Schichten auf die erste
Oberfläche 12 und
vorzugsweise auch auf die Oberflächen
der Ausnehmungen 22 aufgebracht.
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Die Ausnehmungen 22 in der
ersten Oberfläche 12 des
Handhabungswafers 10 sind entweder einzelne kleine Löcher mit
kleiner Querschnittsfläche und
großer
Tiefe oder aber parallel angeordnete Gräben bzw. Trench-Gräben mit
geringer Breite und großer
Tiefe, wobei Trench-Gräben
den Vorteil aufweisen, daß bei
einer entsprechenden Anordnung der Kanäle 24 jede Ausnehmung 22 von
einem oder mehreren Kanälen 24 angeschnitten
wird.