DE202004010351U1 - Mobiler, elektrostatischer Substrathalter - Google Patents

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Abstract

Mobiler, elektrostatischer Substrathalter, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, über mehreren Elektrodenebenen angeordnete, Kondensatorstrukturen zur Ladungsspeicherung auf einem Trägersubstrat (2) aufgebracht sind, die als Energiespeicher für den Klemmkrafterhalt von mobilen, elektrostatischen Substrathaltern vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, elektrostatischen Substrathalter.
  • 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: Semiconductor Manufacturing, Aug. 2003, 94-106. Die stationären Chucks werden bei Ihrem Betrieb fest in Anlagen installiert und können permanent mit Strom versorgt werden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialen zur dielektrischen Isolation kommt es auch zu unterschiedlichen Leckströmen.
  • Bei Chucks, die den Johnsen-Rahbeck ausnutzen, wird der entstehende Stromfluß zu einer Verstärkung der Klemmkraft genutzt. Dabei muß der spezifische elektrische Widerstand der dielektrischen Schicht sehr genau kontrolliert werden und liegt im Bereich von 10E09 bis 10E13 Ohm*cm. Als dielektrische Materialien werden dabei mit TiO2 dotiertes Al2O3, AlN oder Bornitrid verwendet, die als keramische Schicht mittels Green Body oder Green Tape – Techniken, thermischer Spritzverfahren oder über Sinterprozesse hergestellt werden. 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 besitzen.
  • Chucks, welche einen sehr geringen Stromfluß 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 Al2O3-Keramik oder Siliziumcarbid werden verwendet (siehe hierzu US 5,255,153 , EP 0 693 771 , EP 0 948 042 und US 6,483,690 ). Um eine vergleichbare Klemmkraft zu erzielen, müssen demnach bei gleich hoher angelegter Spannung wesentlich dünnere dielektrische Schichten von 0,2 – 0,3 mm die Spannungsfestigkeit über der Elektrode gewährleisten als bei Johnson-Rahbeck-Chucks, wo diese dielektrische Schicht entsprechend bis zu 1 mm betragen darf.
  • Die Verfahren zur Umsetzung dieser Wirkprinzipien auf mobile, transportable elektrostatische Haltesysteme sind eingehend in EP 1 217 655 A1 , US 2002/0110449 A1 sowie WO/02 11184 A1 beschrieben. Mobile, elektrostatische Chucks werden als mechanische Träger für dünne Substrate genutzt. Mittels dieser Hilfsträgertechnik wird die Handhabung von dünnen Wafern auf bereits existierenden Produktionsanlagen 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 erster mobiler elektrostatischer Substrathalter, so genannter Tansfer-ESC® (vgl. DE 203 11 625 U1 ).
  • Die ersten vorgeschlagenen Lösungen erfüllen jedoch einige technische und wirtschaftliche Anforderungen an derartige mobile, elektrostatische Substrathalter nur teilweise. Obwohl die Bruchgefahr bei der Handhabung dünner (< 150 μm) und ultradünner (< 50μm) Substrate durch den Einsatz von Transfer-ESC beim Bearbeiten und Transportieren von Wafern drastisch reduziert wird, bleibt die Haltekraft bei einigen Prozeßschritten problematisch. Hierzu zählen Metallisierungs- und Ausheilschritte, die bei Temperaturen von 300°C bis ca. 450°C durchgeführt werden.
  • Eines der wesentlichen Merkmale der Transfer-ESC ist es, daß diese nicht permanent mit Strom versorgt werden und deshalb das Wirkprinzip von Coulomb-Chucks angewendet wird. Das bedeutet aber, daß hierbei die isolierende Wirkung der dielektrischen Schicht besonders gut sein muß, weil sonst die in den Kondensatorstrukturen gespeicherte Energie sehr schnell aufgebraucht wird. Das kann dazu führen, daß die Haltekraft nicht mehr ausreicht und sich die dünnen Wafer vorzeitig vom Transfer-ESC lösen. 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), Materialien mit einem hohen εr-Wert (3,5 bis 9) und möglichst geringe Dicken der dielektrischen Schicht (d = 50 μm bis 100 μm).
  • Für Metallisierungs- und Ausheilprozesse kommen unterschiedliche keramische Materialien in den Substratträgern zum Einsatz. Speziell mittels Siebdrucktechniken hergestellte keramischen Chucks zeigen Probleme bei der Spannungsfestigkeit.
  • Analysen zeigen, daß dies zum Großteil durch eine relativ große Defektdichte begründet ist, die in der Praxis zu Frühausfällen führt. Die bereits beschriebene Problematik der schwindenden Haltekraft bei höheren Temperaturen läßt sich darauf zurückführen, daß sich bei einigen eingesetzten keramischen Werkstoffen der spezifische elektrische Widerstand bei Temperaturen ab 300°C zum Teil dramatisch reduziert.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, kostengünstig mobile elektrostatische Chucks (Transfer-ESC) herzustellen, die bei höheren Temperaturen eine möglichst geringe Leckströme aufweisen, eine geringe Defektdichte haben und somit eine hohe Haltekraft über einen langen Zeitraum aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung der vorher genannten Aufgabe wird durch den Einsatz der Dünnschichttechnik zur Erzeugung von Kondensatoren aus hochwertigen dielektrisch isolierenden Schichten nach Anspruch 1 gelöst, wie sie in der modernen Halbleiter-Chipherstellung verwendet werden. Dabei wird die geringe Defektdichte der mittels CVD, LPCVD, Plasma CVD, PVD oder mittels anderer geeigneter Verfahren, wie z.B. mittels Galvanisieren erzeugter dielektrischer Schichten ausgenutzt und verbessert, indem mindestens zwei aufeinander folgende Schichtabscheidungen erfolgen. Es können gleiche Materialien übereinander abgeschieden werden oder auch mit abwechselnden Schichtsystemen (z.B. SiO2, Al2O3, Si3N4, SiO2, Al2O3) kombiniert werden. Die einzelnen Schichten der Schichtsysteme müssen so kombiniert werden, daß sich sowohl bei Raumtemperatur als auch bei der Einsatztemperatur der Transfer-ESC nur geringe mechanische Spannungen aufbauen, damit Mikrorisse in den dielektrischen Schichten verhindert aber auch starke Verbiegung der Transfer-ESC vermieden werden. Allein aus dem Risiko der Verbiegung der Transfer-ESC ist es sinnvoll auf der Rückseite des Trägersubstrates ebenfalls die gleichen Schichten / Schichtkombinationen aufzubringen. In der erfindungsgemäßen Lösung wird diese Struktur gleichzeitig als Kondensator genutzt um Ladungsträger zu speichern. Als Materialien für die dielektrischen Schichten werden SiO2, Al2O3, Si3N4, TiO2, Ta2O3, NbO2, HfO2, Y2O3 und ZrO2 verwendet, da diese Oxide oder Stapelfolgen dieser Oxide auch bei erhöhten Temperaturen (>400°C) einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand beibehalten.
  • Bei Werkstoffen, die mittels Dickschichttechnik hergestellt werden, sind die Reinheitsgrade der verwendeten Materialien oft ungenügend und bei keramischen Werkstoffen verbleibt oft auch eine erhebliche Porosität. So ist es nicht verwunderlich wenn hohe Spannungsfestigkeit der Schichten erst bei Schichtdicken ab 50 μm, typisch 100 μm bis 300 μm erzielt werden (siehe EP 0 552 877 B1 ). Dies ist aber genau der kritische Bereich für deren Verwendung in Transfer-ESC's.
  • Auch die Materialien für die Elektroden werden mittels in der Halbleitertechnologie erprobter Dünnschicht-Verfahren, wie PVD, galvanischer Abscheidung oder Bedampfung abgeschieden. Als hochtemperaturfeste Materialien eignen sich hierbei W, Ti, Ta, Mo, Pt, Nb sowie deren Silizide als auch dotiertes oder undotiertes Poly-Silizium. Titan kann beispielsweise, wie auch Silizium, oxidiert werden und bildet dadurch eine elektrisch isolierende Schicht. Die Trägersubstrate sollten sehr formstabil sein, was Materialien mit einem hohen E-Modul erfordert. Zudem ist zu beachten, daß ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand von Vorteil ist, um Leckströme durch das Substrat zu minimieren. Hierfür geeignete Substratwerkstoffe sind z.B. Quarzglas, hochohmige Al2O3-Keramiken, Aluminiumnitrid, Saphir und aber auch elektrisch isolierte Halbleiterscheiben, wie z.B. oxidierte Siliziumscheiben, sind hierfür gut geeignet. Weitere benötigte Teilschritte wie eine fotolithographische Strukturierung und das naßchemische Ätzen oder Trockenätzen sowie der Einsatz von CMP (Chemical Mechanical Polishing) zum Planarisieren von Oberflächen vervollständigen die eingesetzten Techniken bei der Herstellung von Transfer-ESC mittels Verfahren und Prozessen aus der Chip-Herstellung.
  • In US 4,724,510 werden Silizium-Wafer als Ausgangsmaterial zur Herstellung von elektrostatischen Chucks mittels Oxidation, Schichtabscheidung und Strukturierung verwendet. Auch in diesem stationären Chuck wurden keine zusätzlichen Kondensatoren integriert. Die Kontaktierung der Elektroden auf der Vorderseite erfolgt über mit leitfähigem Epoxid eingeklebte Kontaktstifte von der Rückseite aus. Bisherige stationäre Systeme waren nie einer Begrenzung bei der Stromversorgung ausgesetzt. Statt dessen wurden viele Varianten entwickelt, die zu kurzen Ablösezeiten der Wafer von den Chucks führen. Bei den Transfer-ESC ist es hingegen zwingend notwendig lange Haltezeiten (mehrere Stunden) der Wafer auf den Chucks zu realisieren. Aus diesen und den geometrischen Anforderungen an die Transfer-ESC ergibt sich auch die Notwendigkeit eines Schichtaufbaus mittels dünner hochreiner Schichten. So kann man beispielweise mit 2 μm Feldoxid (ein Prozeßschritt aus der Chip-Herstellung) bei Silizium-Wafern eine Spannungsfestigkeit von >1 kV erzielen.
  • Im ersten Ausführungsbeispiel ist eine Kondensatorstruktur des Transfer-ESC in 1a bis 1d dargestellt. 1a zeigt den typischen Aufbau einer Elektrodenanordnung der früheren Art. Eine Kondensatorstruktur C7 wird hierbei durch die Elektrode (3), das Deckdielektrikum (8) und die Elektrode (5) aufgebaut. In 1b werden auf dem Trägersubstrat (2) zwei Elektrodenpaare (3), (4) und (5), (6) aufgebracht. Die Elektroden (3), (4) und (5), (6) sind jeweils durch ein mehrschichtiges Kondensator-Dielektrikum (7) voneinander isoliert und bilden je einen Kondensator C1 und C2. Die Elektroden (3) und (6) werden beispielweise auf ein Potential von +500 V gelegt und die Elektroden (4) und (5) werden auf ein Potential von –500 V gelegt. Dadurch ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 1000 V, welche sich zwischen den Elektroden (3), (4) im Kondensator C1 als auch in den Elektroden (5), (6) des Kondensators C2 aufbaut. Diese Elektrodenpaare bilden Kondensatoren mit dem Ziel eine möglichst große Ladungsmenge zu akkumulieren. Über den Elektroden (3) und (5) wird eine obere dielektrische Schicht, das Deckdielektrikum (8) abgeschieden, die als dielektrisch wirksame isolierende Auflagefläche für das Transportgut wirksam wird. Wie man erkennt, sind die beiden Elektroden (3) und (5) auf + bzw. –500 V gelegt. Hierdurch wird ein bipolarer Transfer-ESC ausgebildet. Die Kraftwirkung zum Transportgut Wafer entfaltet sich dabei über die Elektroden (3) und (5). Die Elektroden (3) und (5) sind in der ersten Elektrodenebene angeordnet und die Elektroden (4) und (6) sind in der zweiten Elektrodenebene angeordnet. In 1c ist prinzipiell die gleiche Anordnung wie in 1b gewählt, nur daß hierbei das Trägersubstrat (2) die Funktion des Kondensator-Dielektrikum (7) erfüllt und somit die Kondensatoren C3 und C4 entstehen. Zudem ergeben sich (hierbei nicht dargestellt) auch Kondensatoren zwischen den Elektrodenpaaren 3, 5 und 11, 12. 1d zeigt eine Kombination der Kondensatoranordnungen aus 1b und 1c. Hierdurch lassen sich die Kondensatoren C1, C2, C3, C4, C5 und C6 ausbilden. Auch hier ergeben sich weitere Kondensatoren C7, C8, C9 und C10 wie zuvor bereits erläutert. Weitere Stapelungsebenen lassen sich nach dem vorgegebenen Aufbau realisieren.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das Herstellungsverfahren anhand des Prozeßablaufs in den Querschnittsdarstellungen der 2a bis 2d schrittweise erläutert. Ausgangspunkt ist ein 600 μm dickes Trägersubstrat (2) aus Quarzglas. In diesem Trägersubstrat (2) wurden mittels Diamantbohrern an ausgewählten Stellen Durchgangslöcher (11) und vergrabene ca. 300μm tiefe Kontaktlöcher (9) hergestellt (siehe 2a). Als erster Dünnschicht-Prozeßschritt wird auf der Vorderseite – 2,5 μm – und nachfolgend auch auf der Rückseite – 5 μm – die erste Elektrodenmetallisierung mittels Sputtern (PVD) von Wolfram Schichten erzeugt. Dabei wird eine elektrische Verbindung zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Trägersubstrates (2) durch die Metallabscheidung in den Durchgangslöchern (11) erreicht. Die Strukturierung der Elektroden kann mittels vorheriger Maskierung und fotolithographische Strukturierung der Ätzmaske und anschließendem Trockenätzschritt mittels reaktivem Ionenätzen erfolgen. Da die Dimensionen der herzustellenden Elektrodenstrukturen relativ groß sind, können beispielweise bei Aufdampfprozessen auch aufgelegte Masken (Schattenmasken) eingesetzt werden um die Elektrodenstruktur (4, 6, 11 und 12) zu erzeugen (siehe 2b). Als vierter Prozeßschritt wird auf beiden Seiten des Trägersubstrates (2) eine 2,1 μm dicke dielektrische Schicht (7) mittels 700 nm TEOS – SiO2 und Abscheidung von 700 nm Si3N4 und nochmaliger 700 nm TEOS – SiO2 aufgebracht. In dieser Schicht werden mittels Maskierung und fotolithographische Strukturierung der Ätzmaske und anschließendem Trockenätzschritt mittels reaktivem Ionenätzen einzelne Kontaktfenster (10) zu den Elektroden (4) und (6) geöffnet (siehe 2c). Im Prozeßschritt 5 wird dann mit einer weiteren Sputterschicht aus 2,5 μm Wolfram die obere Elektrodenschicht (3) und (5) hergestellt (siehe 2d). Mit der Abscheidung der oberen dielektrischen Schicht (8) mit 350 nm TEOS – SiO2, 350 nm Si3N9 und nochmaliger 350 nm TEOS – SiO2 Abscheidung wird der Aufbau des Substratträgers (1) vervollständigt. Die hierbei entstehende Topographie (14) kann zur Kühlgasführung genutzt werden. Mit einem anschließenden Prozeßschritt 6 werden noch die Kontaktfenster (15) zum elektrischen Aufladen des Substrathalters (1) freigelegt. Die Ausgestaltung der Kontaktierung zum Aufladen des Transfer-ESC (1) ist in 3 dargestellt. Hierzu werden Kontaktierungsnadeln (18 und 19) benutzt, die durch einen isolierenden Überzug (16) die Kontaktfläche (17) kontaktieren. In 3 werden mittels der Kontaktierungsnadel (19) die Elektroden (6 und 3) auf ein Potential gelegt und durch die Kontaktierungsnadel (18) ist die Elektrode (4) angeschlossen. Unterschiedliche Ausgestaltungsformen von Elektroden sind in 4a und 4b dargestellt. Hierbei wird oft eine quadratische, rechteckige oder sechseckige Anordnung der Elektrodenstrukturen gewählt (siehe 4a) oder eine konzentrische Anordnung verwendet (siehe 4b).
  • Mit Hilfe der Erfindung ist es nun möglich mobile elektrostatische Substrathalter in einfacher und kostengünstiger Art und Weise mittels Prozessen und Materialien aus der Halbleiterproduktion herzustellen.
  • Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, daß auf Grund der weit entwickelten Dünnschichttechnologie dünne, defektarme, fast defektfreie Schichten und somit Transfer-ESC hoher Haltekraft und langer Haltezeit hergestellt werden können. Hierbei ist von Bedeutung, daß pro Seite des Substratträgers eine Gesamtschichtdicke von < 50 μm ausreicht, um sowohl die nötigen Kondensatorstrukturen zu integrieren als auch die durch das Deckdielektrikum isolierten Elektroden, welche letztlich die Kraftwirkung auf das Transportgut erzeugen. Die herkömmlichen Dickschichttechologien zur Herstellung von elektrostatischen Chucks benötigen hingegen einzelne Schichten von mehr als 50 μm Dicke. Durch die vorgestellte Erfindung wird die Herstellung von Dünnschicht-Transfer-ESC's, die zur Handhabung von dünnen Wafern während der Chipproduktion dienen, auf konventionellen Halbleiterprozeßanlagen ermöglicht. Hierdurch können mobile Substratträger mit nahezu identischen Eigenschaften wie das Transportgut selbst, in diesem Fall die Wafer, realisiert werden, was insbesondere das Kontaminationsrisiko drastisch reduziert, da Materialien zum Einsatz kommen, die in der Chip-Produktion selbst Anwendung finden.
  • 1
    Transfer-ESC, mobiler elektrostatischer Substrathalter
    2
    Trägersubstrat
    3
    Elektrode
    4
    Elektrode
    5
    Elektrode
    6
    Elektrode
    7
    Kondensator- Dielektrikum
    8
    Deckdielektrikum = obere dielektrische Schicht
    9
    Kontaktloch
    10
    Kontaktfenster
    11
    Löcher von der Rückseite zur Vorderseite des
    Trägersubstrates
    12
    Elektrode
    13
    Elektrode
    14
    Vertiefung für Kühlkanäle (Topographie)
    15
    Kontaktfenster für Kontaktfläche
    16
    Isolierender Überzug
    17
    Kontaktfläche
    18
    Kontaktnadel 1
    19
    Kontaktnadel 2

Claims (13)

  1. Mobiler, elektrostatischer Substrathalter, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, über mehreren Elektrodenebenen angeordnete, Kondensatorstrukturen zur Ladungsspeicherung auf einem Trägersubstrat (2) aufgebracht sind, die als Energiespeicher für den Klemmkrafterhalt von mobilen, elektrostatischen Substrathaltern vorgesehen sind.
  2. Substrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen gleicher oder unterschiedlicher dielektrischer Dünnschichten übereinander, zwischen elektrisch leitenden Elektroden (3, 4 und 5, 6) auf ein isolierendes Trägersubstrat (2) aufgebracht sind, wobei die Einzelschichtdicken im Bereich von 0,01 μm bis 40 μm liegen.
  3. Substrathalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitfähige Elektrode (3) und mindestens eine weitere durch eine dielektrische Schicht (7) getrennte Elektrode (4) eine horizontal angeordnete Kondensatorstruktur zur Ladungsspeicherung bilden.
  4. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Trägersubstrates (2) Elektroden vorgesehen sind, wobei das Trägersubstrat (2) als Dielektrikum dient und einen weiteren Ladungsspeicher bildet.
  5. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Tiefen-Ätztechnik Gräben in das Trägersubstrat (2) eingebracht und an den Grabenwänden vertikale Kondensatorstrukturen gebildet werden.
  6. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Deckdielektrikums (8) dünner ist als die Schichtdicke der Kondensator-Dielektrika (7).
  7. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Trägersubstrat (2) eine Dicke von 50 μm bis 1000 μm hat.
  8. Substrathalter nach einem der Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (2) aus Al2O3-Keramik, Saphir, AlN-Keramik, Quarzglas oder aus einer elektrisch isolierten Halbleiterscheibe (Wafer) besteht.
  9. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Aufladung des Substrathalters (1) über rückseitig um 1 μm bis 900 μm tief vergrabene Kontaktflächen (17) erfolgt.
  10. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Aufladung des Substrathalters (1) über an den Stirnseiten angeordnete Kontaktflächen (17) erfolgt.
  11. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (17) elektrisch isolierende Überzüge (16) aufweisen, die eine ungewollte Entladung des Substrathalters (1) vermeiden.
  12. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Überzüge (16) über den Kontaktflächen (17) als ohmscher Widerstande, p-n-Übergang, p-n-p- bzw. n-p-n-Übergang ausgeführt sind.
  13. Substrathalter nach einem der Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren von den Kontaktflächen (17) durch integrierte mechanische Schalter elektrisch isoliert sind, die mittels thermischer, magnetischer oder elektrostatischer Wirkmechanismen betätigt werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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