DE202004010351U1 - Mobile, electrostatic substrate click for wafers in semiconductor manufacture, comprises additional capacitor structures for charge storage, extending over several electrode levels, on support substrate - Google Patents

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Abstract

In mobile electrostatic substrate chuck (1), additional capacitor structures for charge storage extend over several electrode levels on support substrate. Capacitor structures form energy stores for providing clamping force of mobile electrostatic substrate chucks. There are several layers of identical or diverse dielectric thin films stacked between electrodes (3,4;5,6) on insulating support substrate, with individual films 0.01 to 40 microns thick. Extra dielectric film (7) separate electrodes (3,4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, elektrostatischen Substrathalter.The The invention relates to a mobile, electrostatic substrate holder.

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.Stationary electrostatic Chucks have been used for years when handling disc-like, conductive and semiconducting materials, especially for handling as a holding device for so-called wafers used in production plants in the semiconductor industry. The principle of action is described in detail in publications as Watanabe et. al .: Jpn. J. Appl. Phys., Vol. (32) 1993, 864-871 and Mahmood Naim: Semiconductor Manufacturing, Aug. 2003, 94-106. The stationary Chucks are permanently installed in plants during your operation can are permanently supplied with electricity. By using different There are also different materials for dielectric insulation Leakage currents.

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.In the case of chucks that use the Johnsen-Rahbeck, the resulting current flow is used to increase the clamping force. The specific electrical resistance of the dielectric layer must be controlled very precisely and is in the range from 10E09 to 10E13 ohm * cm. The dielectric materials used are Al 2 O 3 , AlN or boron nitride doped with TiO 2 , which are produced as a ceramic layer using green body or green tape techniques, thermal spraying processes or sintering processes. Relevant technical solutions for this are in US 6,174,538 . US 5,151,845 . US 5,909,355 . US 6,268,944 such as EP 0 768 389 described. These ceramic chucks manufactured using thick-film technology are characterized by the fact that they have a high dielectric strength, can withstand high temperatures and have good resistance to many chemicals and plasma processes.

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.Chucks that allow a very low current flow are also called Coulomb chucks. The specific electrical resistance of the dielectric layer is typically greater than 10E15 ohm * cm. This can be achieved in particular by chucks with foils made of polyimide or PTFE, but chucks made of high-resistance Al 2 O 3 ceramic or silicon carbide are also used (see here US 5,255,153 . EP 0 693 771 . EP 0 948 042 and US 6,483,690 ). In order to achieve a comparable clamping force, much thinner dielectric layers of 0.2 - 0.3 mm have to guarantee the dielectric strength over the electrode with the same applied voltage than with Johnson-Rahbeck-Chucks, where this dielectric layer correspondingly up to 1 mm may be.

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 ).The procedures for implementing these principles of action on mobile, transportable electrostatic holding systems are detailed in EP 1 217 655 A1 , US 2002/0110449 A1 and WO / 02 11184 A1. Mobile, electrostatic chucks are used as mechanical supports for thin substrates. This subcarrier technology enables the handling of thin wafers on existing production systems, since the size and thickness of the combination of mobile electrostatic chuck and thin substrate is similar in size, dimensionally stable and thick as a normal thick substrate. The practical implementation of the processes for mobile electrostatic handling led to the development of the first mobile electrostatic substrate holder, so-called Tansfer-ESC ® (cf. 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.The first proposed solutions fulfill however, some technical and economic requirements for such mobile, electrostatic substrate holders only partially. Although the Risk of breakage when handling thinner (<150 μm) and ultra-thin (<50 μm) substrates through the use of Transfer-ESC drastically reduced when processing and transporting wafers holding force remains problematic in some process steps. These include metallization and healing steps, the at temperatures of 300 ° C up to approx. 450 ° C be performed.

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).One of the essential features of the Transfer-ESC is that it is not permanently supplied with power and therefore the principle of action of Coulomb-Chucks is applied. However, this means that the insulating effect of the dielectric layer must be particularly good, because otherwise the energy stored in the capacitor structures is used up very quickly. This can lead to the holding force no longer being sufficient and the thin wafers being released from the transfer ESC prematurely. The holding force of Coulomb-Chucks is proportional to the square of the applied voltage (U), the dielectric constant (ε r ) of the dielectric used and inversely proportional to the square of the thickness of the dielectric layer (d). To achieve a high holding force, high voltages (U ⁓ 1000 V), materials with a high ε r value (3.5 to 9) and the smallest possible thickness of the dielectric layer (d = 50 μm to 100 μm) are used. ,

Für Metallisierungs- und Ausheilprozesse kommen unterschiedliche keramische Materialien in den Substratträgern zum Einsatz. Speziell mittels Siebdrucktechniken hergestellte keramischen Chucks zeigen Probleme bei der Spannungsfestigkeit.For metallization and healing processes come from different ceramic materials in the substrate carriers for use. Ceramic chucks specially produced using screen printing techniques show problems with dielectric strength.

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.Analyzes show that this is largely due to a relatively large defect density, which in practice leads to early failures. The problem of dwindling stops already described Force at higher temperatures can be attributed to the fact that with some ceramic materials used, the specific electrical resistance is partially dramatically reduced at temperatures above 300 ° C.

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.The The object of the invention is to provide inexpensive mobile electrostatic Manufacture chucks (transfer ESC) that are possible at higher temperatures low leakage currents have a low defect density and thus a high holding force over one have a long period of time.

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.The solution according to the invention to the aforementioned object is achieved by using thin-film technology to produce capacitors from high-quality dielectric insulating layers as claimed in claim 1, as are used in modern semiconductor chip production. The low defect density of the dielectric layers produced by means of CVD, LPCVD, plasma CVD, PVD or by means of other suitable methods, such as, for example, by means of galvanizing, is exploited and improved by carrying out at least two successive layer deposits. The same materials can be deposited one above the other or combined with alternating layer systems (eg SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiO 2 , Al 2 O 3 ). The individual layers of the layer systems must be combined in such a way that only low mechanical stresses build up both at room temperature and at the operating temperature of the transfer ESC, so that microcracks in the dielectric layers are prevented but also strong bending of the transfer ESC is avoided. Just from the risk of bending the transfer ESC, it makes sense to apply the same layers / layer combinations on the back of the carrier substrate. In the solution according to the invention, this structure is simultaneously used as a capacitor to store charge carriers. SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , TiO 2 , Ta 2 O 3 , NbO 2 , HfO2, Y 2 O 3 and ZrO 2 are used as materials for the dielectric layers, since these oxides or stacking sequences of these oxides are also used maintain a high specific electrical resistance at elevated temperatures (> 400 ° C).

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.In the case of materials which are produced using thick-film technology, the purity levels of the materials used are often inadequate, and in the case of ceramic materials there is often also considerable porosity. It is therefore not surprising if the layers' high dielectric strength is only achieved with layer thicknesses from 50 μm, typically 100 μm to 300 μm (see EP 0 552 877 B1 ). However, this is exactly the critical area for their use in transfer ESCs.

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.The materials for the electrodes are also deposited using thin-film processes such as PVD, galvanic deposition or vapor deposition that have been tried and tested in semiconductor technology. W, Ti, Ta, Mo, Pt, Nb and their silicides as well as doped or undoped poly-silicon are suitable as high-temperature-resistant materials. For example, titanium, like silicon, can be oxidized and thereby forms an electrically insulating layer. The carrier substrates should be very dimensionally stable, which requires materials with a high modulus of elasticity. It should also be noted that a high specific electrical resistance is advantageous in order to minimize leakage currents through the substrate. Suitable substrate materials for this are, for example, quartz glass, high-resistance Al 2 O 3 ceramics, aluminum nitride, sapphire and also electrically insulated semiconductor wafers, such as oxidized silicon wafers, are well suited for this. Further required sub-steps such as photolithographic structuring and wet chemical etching or dry etching as well as the use of CMP (Chemical Mechanical Polishing) to planarize surfaces complete the techniques used in the production of transfer ESC using methods and processes from chip production.

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.In US 4,724,510 silicon wafers are used as the starting material for the production of electrostatic chucks by means of oxidation, layer deposition and structuring. No additional capacitors were integrated in this stationary chuck either. The electrodes are contacted on the front using contact pins glued in with conductive epoxy from the rear. Previous stationary systems have never been limited in terms of power supply. Instead, many variants have been developed that lead to short wafer detachment times from the chucks. With the transfer ESC, on the other hand, it is imperative to achieve long holding times (several hours) for the wafers on the chucks. These and the geometric requirements for the transfer ESC also result in the need for a layer structure using thin, highly pure layers. For example, a dielectric strength of> 1 kV can be achieved with 2 μm field oxide (a process step from chip production) for silicon wafers.

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.In the first exemplary embodiment, a capacitor structure of the transfer ESC is shown in 1a to 1d shown. 1a shows the typical structure of an electrode arrangement of the earlier type. A capacitor structure C7 is here by the electrode ( 3 ), the cover dielectric ( 8th ) and the electrode ( 5 ) built up. In 1b are on the carrier substrate ( 2 ) two pairs of electrodes ( 3 ), ( 4 ) and ( 5 ), ( 6 ) applied. The electrodes ( 3 ), ( 4 ) and ( 5 ), ( 6 ) are each made up of a multilayer capacitor dielectric ( 7 ) isolated from each other and each form a capacitor C1 and C2. The electrodes ( 3 ) and ( 6 ) become for example at a potential of +500 V and the electrodes ( 4 ) and ( 5 ) are set to a potential of –500 V. This results in a voltage difference of 1000 V, which is between the electrodes ( 3 ), ( 4 ) in capacitor C1 as well as in the electrodes ( 5 ), ( 6 ) of the capacitor C2. These pairs of electrodes form capacitors with the aim of accumulating the largest possible amount of charge. Over the electrodes ( 3 ) and ( 5 ) becomes an upper dielectric layer, the cover dielectric ( 8th ) deposited, which is effective as a dielectric insulating surface for the goods to be transported. As you can see, the two electrodes ( 3 ) and ( 5 ) to + or –500 V. A bipolar transfer ESC is thereby formed. The force effect on the wafer to be transported unfolds via the electrodes ( 3 ) and ( 5 ). The electrodes ( 3 ) and ( 5 ) are arranged in the first electrode plane and the electrodes ( 4 ) and ( 6 ) are arranged in the second electrode plane. In 1c is basically the same arrangement as in 1b selected, except that the carrier substrate ( 2 ) the function of the capacitor dielectric ( 7 ) is met and capacitors C3 and C4 are created. In addition (not shown here) there are also capacitors between the electrode pairs 3 . 5 and 11 . 12 , 1d shows a combination of the capacitor arrangements 1b and 1c , As a result, the capacitors C1, C2, C3, C4, C5 and C6 can be formed. Here, too, there are further capacitors C7, C8, C9 and C10 as previously explained. Further stacking levels can be realized according to the given structure.

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).In the second exemplary embodiment, the production method is illustrated in the cross-sectional representations of the process sequence 2a to 2d explained step by step. The starting point is a 600 μm thick carrier substrate ( 2 ) made of quartz glass. In this carrier substrate ( 2 ) through holes were made at selected points using diamond drills ( 11 ) and bury about 300μm deep contact holes ( 9 ) manufactured (see 2a ). As the first thin-film process step, the first electrode metallization is generated on the front side - 2.5 μm - and subsequently also on the back side - 5 μm - by means of sputtering (PVD) of tungsten layers. An electrical connection between the front and the back of the carrier substrate ( 2 ) due to the metal deposition in the through holes ( 11 ) reached. The structuring of the electrodes can take place by means of previous masking and photolithographic structuring of the etching mask and subsequent dry etching step using reactive ion etching. Since the dimensions of the electrode structures to be produced are relatively large, masks (shadow masks) can also be used, for example, in the case of vapor deposition processes around the electrode structure ( 4 . 6 . 11 and 12 ) to generate (see 2 B ). The fourth process step is on both sides of the carrier substrate ( 2 ) a 2.1 μm thick dielectric layer ( 7 ) by means of 700 nm TEOS - SiO 2 and deposition of 700 nm Si 3 N 4 and again 700 nm TEOS - SiO 2 . In this layer, individual contact windows (by means of masking and photolithographic structuring of the etching mask and subsequent dry etching step using reactive ion etching ( 10 ) to the electrodes ( 4 ) and ( 6 ) opened (see 2c ). In the process step 5 the top electrode layer (2.5 μm tungsten) is then 3 ) and ( 5 ) manufactured (see 2d ). With the deposition of the top dielectric layer ( 8th ) with 350 nm TEOS - SiO 2 , 350 nm Si 3 N 9 and another 350 nm TEOS - SiO 2 deposition, the structure of the substrate carrier ( 1 ) completed. The resulting topography ( 14 ) can be used for cooling gas flow. With a subsequent process step 6 the contact windows ( 15 ) for electrically charging the substrate holder ( 1 ) exposed. The design of the contact for charging the transfer ESC ( 1 ) is in 3 shown. For this purpose, contacting needles ( 18 and 19 ) used by an insulating coating ( 16 ) the contact area ( 17 ) to contact. In 3 are made using the contacting needle ( 19 ) the electrodes ( 6 and 3 ) connected to a potential and through the contacting needle ( 18 ) is the electrode ( 4 ) connected. Different designs of electrodes are shown in 4a and 4b shown. A square, rectangular or hexagonal arrangement of the electrode structures is often chosen here (see 4a ) or a concentric arrangement (see 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.With With the help of the invention it is now possible mobile electrostatic substrate holder in simple and inexpensive Way using processes and materials from semiconductor production manufacture.

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.A major advantage is that, thanks to the advanced thin-film technology, thin, low-defect, almost defect-free layers and thus Transfer-ESC with high holding power and long holding time can be produced. It is important here that a total layer thickness of <50 μm is sufficient on each side of the substrate carrier in order to integrate both the necessary capacitor structures and the electrodes insulated by the cover dielectric, which ultimately produce the force effect on the goods to be transported. The conventional thick-film technologies for the production of electrostatic chucks, however, require individual layers of more than 50 μm in thickness. The present invention enables the production of thin-film transfer ESCs, which are used to handle thin wafers during chip production, on conventional semiconductor process plants. This enables mobile substrate carriers with almost identical properties to transport well itself, in this case the wafers, which in particular drastically reduces the risk of contamination, since materials are used which are used in chip production.

11
Transfer-ESC, mobiler elektrostatischer SubstrathalterTransfer-ESC, mobile electrostatic substrate holder
22
Trägersubstratcarrier substrate
33
Elektrodeelectrode
44
Elektrodeelectrode
55
Elektrodeelectrode
66
Elektrodeelectrode
77
Kondensator- DielektrikumCapacitor- dielectric
88th
Deckdielektrikum = obere dielektrische Schichtcovering dielectric = upper dielectric layer
99
Kontaktlochcontact hole
1010
Kontaktfenstercontact window
1111
Löcher von der Rückseite zur Vorderseite desHoles from the back to the front of the
Trägersubstratescarrier substrate
1212
Elektrodeelectrode
1313
Elektrodeelectrode
1414
Vertiefung für Kühlkanäle (Topographie)deepening for cooling ducts (topography)
1515
Kontaktfenster für Kontaktflächecontact window for contact area
1616
Isolierender ÜberzugInsulating cover
1717
Kontaktflächecontact area
1818
Kontaktnadel 1 Contact Adel 1
1919
Kontaktnadel 2 Contact Adel 2

Claims (13)

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.Mobile, electrostatic substrate holder, characterized in that additional capacitor structures, arranged over several electrode levels, for charge storage on a carrier substrate ( 2 ) are applied, which are provided as energy stores for maintaining the clamping force of mobile, electrostatic substrate holders. 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.Substrate holder according to claim 1, characterized in that several layers of the same or different dielectric thin layers one above the other, between electrically conductive electrodes ( 3 . 4 and 5 . 6 ) on an insulating carrier substrate ( 2 ) are applied, the individual layer thicknesses being in the range from 0.01 μm to 40 μm. 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.Substrate holder according to claim 1 or 2, characterized in that an electrically conductive electrode ( 3 ) and at least one more through a dielectric layer ( 7 ) separate electrode ( 4 ) form a horizontally arranged capacitor structure for charge storage. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 3, characterized in that on both sides of the carrier substrate ( 2 ) Electrodes are provided, the carrier substrate ( 2 ) serves as a dielectric and forms a further charge store. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 4, characterized in that trenches into the carrier substrate (by means of deep etching technology) 2 ) and vertical capacitor structures are formed on the trench walls. 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).Substrate holder according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thickness of the cover dielectric ( 8th ) is thinner than the layer thickness of the capacitor dielectrics ( 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrically insulating carrier substrate ( 2 ) has a thickness of 50 μm to 1000 μm. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier substrate ( 2 ) consists of Al 2 O 3 ceramic, sapphire, AlN ceramic, quartz glass or an electrically insulated semiconductor wafer. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical charging of the substrate holder ( 1 ) via contact surfaces buried 1 μm to 900 μm deep on the back ( 17 ) he follows. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 9, characterized in that the electrical charging of the substrate holder ( 1 ) via contact surfaces arranged on the end faces ( 17 ) he follows. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 10, characterized in that the contact surfaces ( 17 ) electrically insulating coatings ( 16 ) which have an unwanted discharge of the substrate holder ( 1 ) avoid. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 11, characterized in that the insulating coatings ( 16 ) over the contact areas ( 17 ) are designed as ohmic resistors, pn transition, pnp or npn transition. 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.Substrate holder according to one of claims 1 to 12, characterized in that the capacitors from the contact surfaces ( 17 ) are electrically isolated by integrated mechanical switches that are actuated by means of thermal, magnetic or electrostatic mechanisms.
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