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Dokumentenidentifikation DE202004020336U1 07.07.2005
Titel Mobiler, elektrostatischer Substrathalter
Anmelder PROTEC Gesellschaft für Werkstoff- und Oberflächentechnik mbH, 57234 Wilnsdorf, DE
DE-Aktenzeichen 202004020336
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 07.07.2005
Registration date 02.06.2005
Application date from patent application 18.09.2004
File number of patent application claimed 10 2004 045 447.7
IPC-Hauptklasse H01L 21/68
IPC-Nebenklasse H01L 21/66   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, elektrostatischen Substrathalter.

Im Unterschied zu stationären elektrostatischen Substrathaltern benutzt man mobile, transportable elektrostatische Substrathalter als mechanische Träger für dünne Substrate. Diese sind eingehend in EP 1 217 655 A1, US 2002/0110449 A1 sowie WO/02 11184 A1 beschrieben. Mittels dieser Hilfsträgertechnik wird die Bearbeitung und Handhabung von dünnen Substraten auf bereits existierenden Produktionsanlagen wesentlich erleichtert. Dünne (< 150 &mgr;m) und ultradünne (< 50&mgr;m) Substrate werden mittels elektrostatische Kräfte auf mobilen Chucks festgeklemmt. Die Größe und Dicke der Kombination aus mobilem elektrostatischen Chuck und dünnem Substrat ist ähnlich groß, formstabil und dick, wie ein normal dickes Substrat. Dadurch können Produktionsanlagen sowohl für normal dicke Substrate als auch für dünne Substrate benutzt werden. Die praktische Umsetzung der Verfahren zur mobilen elektrostatischen Handhabung führte zur Entwicklung erster mobiler elektrostatischer Substrathalter, so genannter Tansfer-ESC, (siehe DE 203 11 625 U1). Elektrostatische Chucks werden bei Prozessen zur Herstellung von Chips auf Silizium-Substraten (Wafer) eingesetzt. Speziell bei Fertigungsschritten, die unter reduziertem Druck erfolgen, ist der Einsatz von stationären, elektrostatischen Chucks in den Anlagen weit verbreitet. Hierzu zählen Ätz-, CVD und PVD Prozesse. Die Verwendung von alternativen Halterungen, wie Vakuum- oder Bernoulli – Chucks, ist, wie in US 9,733,632 oder DE 100 62 011 A1 beschrieben, wegen des fehlenden Gegendruckes hierbei nicht möglich.

Dünne Wafer mit funktionsfähigen Chips werden typischerweise dadurch hergestellt, daß fertig prozessierte, dicke Wafer am Ende des Bauelementeprozesses abgeschliffen und nass- oder plasmachemisch geätzt werden, daß die blanke Waferrückseite metallisiert und mit einem Temperschritt der Herstellungsprozeß abgeschlossen wird. Die Transfer-ESC Technologie vermeidet die Probleme beim Hantieren der bruchanfälligen und zum Teil stark durchgebogenen oder verworfenen Wafer dadurch, daß der noch dicke, nicht verworfene Wafer vor dem Schleifen auf einem Transfer-ESC geklemmt wird und bei allen nachfolgenden Transport- und Bearbeitungsschritten der dünne Wafer stets mit einem Transfer-ESC verbunden bleibt. Das hat zur Folge, daß nun auch Prozesse und Anlagen benutzt werden können, auf denen bisher keine dünnen Wafer bearbeitbar waren.

Die bisherigen Lösungen erfüllen einige technische und wirtschaftliche Anforderungen an derartige mobile, elektrostatische Substrathalter nur ungenügend. So besteht der Mangel der bisherigen technischen Ausführung darin, daß zwischen dem Transfer-ESC und dem gehaltenen Substrat Feuchtigkeit eindringt, obwohl am Rand der Transfer-ESC spezielle Dichtringe eingebracht werden, wie es in DE 203 11 625 U1 beschrieben ist. Durch eine großflächige Benetzung der Grenzflächen mit der Feuchtigkeit wird die Haltekraft reduziert und es kann zu einem vorzeitigen Ablösen des Substrates vom Transfer-ESC kommen.

Beim Einsatz der bisher verwendeten Transfer-ESC auf Spin-Ätz-Anlagen, kann dies zudem zu ungewollten Verätzungen der Substratoberfläche als auch zu einer Schädigung der Transfer-ESC führen. Spin-Ätz-Anlagen werden für das Entspannungsätzen nach dem Schleifen oder bei einem zusätzlichen chemischen Abdünnen der Wafer eingesetzt. Hierzu werden stark ätzende Flüssigkeiten benutzt. In 1 ist der prinzipielle Aufbau des bekannten Standes der Technik dargestellt. Die Wafer (2) werden hierzu auf rotierenden Trägern (3) gehalten und von oben wird Flüssigkeit (4) zugeführt, die sich durch Rotation (7) gleichmäßig auf dem Wafer verteilt. Diese Träger nutzen oft eine kombinierte Haltewirkung aus. Eine mittig angebrachte Dichtung (6) wird Für eine effektive Vakuumhalterung (5) benutzt und eine Ringdüse (6) ermöglicht nach dem Bernoulli-Prinzip (aerodynamisches Paradoxon) das Halten der Scheiben am Rand, wie in EP 611 273 B1 und EP 611 274 beschrieben. Das durch diese Ringdüsen (6) ausströmende Gas (9) wird zugleich genutzt, um die am Rand des Wafers abfließende Flüssigkeit wegzublasen und somit von der Rückseite fern zu halten. Bei nicht optimalen Einstellungen des Gasdruckes an den Ringdüsen (8) oder aber, wie in AT 407 312 B beschrieben, können eingebrachte Stufen im Abströmkanal des Trägers zu einem Benetzen der Waferrückseite durch die Flüssigkeit führen.

Beim Entspannungsätzen erfolgt typisch ein Materialabtrag von ca. 5 – 15 &mgr;m und beim Abdünnen von Silizium Wafern werden typisch 20 – 60 &mgr;m abgetragen. Neben dem Entspannungsätzen ist auch beim Schleifen mit Suspensionen oder bei Reinigungsschritten im Spülbädern oder ähnlichem ist eindringende Feuchtigkeit problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, kostengünstig mobile elektrostatische Chucks (Transfer-ESC) herzustellen, die das Eindringen von Feuchtigkeit im Verbund Transfer-ESC mit dem Wafer verhindern oder so beeinflussen, daß weiterhin eine hohe Haltekraft über einen langen Zeitraum erhalten bleibt und keine Schädigung des fertig prozessierten Wafers oder des Tranfer-ESC auftritt.

Die erfindungsgemäße Lösung der vorher genannten Aufgabe wird durch eingearbeitete Dichtungen auf der dem Substrat zugewandten Seite des Transfer-ESC in Kombination mit eingebrachten Drainagegängen nach Anspruch 1 erzielt.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der unabhängigen Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Substrathalter anhand der Zeichnungen.

1 zeigt den Stand der Technik zum Halten von normal dicken, Standard-Wafern auf Bernoulli-Chucks.

2 zeigt den Effekt des Eindringens der Feuchtigkeit in den Grenzbereich zwischen dünnem Wafer und dem Transfer-ESC nach dem Stand der Technik.

3 stellt das begrenzte Eindringen der Feuchtigkeit in einen schmalen Randbereich des erfindungsgemäßen Substrathalters dar.

4 zeigt den Querschnitt eines typischen Aufbaues eines erfindungsgemäßen Transfer-ESC mit Drainagegängen und vergrabenen Rückseitenkontakten.

5 zeigt die Draufsicht eines Segmentes eines Transfer-ESC wobei die erfindungsgemäße Anordnung der Drainagegänge gezeigt wird.

Der Einsatz von Dichtungen im Zusammenhang mit stationären elektrostatischen Chucks wurde bisher hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Abdichten von Kühlgasen zur Kühlung der Chucks in Ätz- oder Abscheidprozessen betrachtet. So sind in US 2004/0055540 A1, US 2003/0021077 A1 und JP 09275101 A verschiedene Dichtungs-Lösungen zur Kühlung der Chuck-Rückseite von temperaturfesten keramischen Chucks dargestellt. Es kommen aber auch konventionelle O-Ringe (siehe EP 669 644 B1) zum Einsatz, wie auch Temperatur beständiger Silikon-Gummi (siehe JP 2004031938 A), um einzelne Komponenten der Chucks miteinander gas- oder flüssigkeitsdicht zu verbinden. In US 5,761,023 A wird eine Zone mit höherem Gasdruck zur Temperaturregelung genutzt. Für elektrostatischen Chucks mit Foliensystemen aus Polyimid ist bei ihrem Einsatz in Plasma-Ätzprozessen das Problem der Folienzerstörung durch aggressive Ätzgase ein Faktor, der die Lebenszeit dieser Systeme bestimmt (siehe EP 693 771 B1). Zahlreiche Vorschläge existieren, um das Eindringen der Ätzgase in den Raum zwischen Wafer und elektrostatischen Chuck zu verhindern. So kommen Schutzringe (siehe DE 298 13 326 U1 und EP 948 042 A1) genau so zum Einsatz wie im metallischen Grundkörper eingearbeitete Vertiefungen (siehe EP 669 644 B1). Trotz aller Bemühungen mittels optimierten Dichtungen das Eindringen von Feuchtigkeit in den Zwischenraum (Wafer zu Transfer-ESC) beim Einsatz von konventionellen Transfer-ESC auf Spin-Ätz-Anlagen zu verhindern, zeigte sich ein zum Teil mehrere Millimeter (3 – 50 mm) breiter Bereich, in dem Feuchtigkeit eingedrungen war. Dieses Phänomen ist bei bearbeiteten, prozessierten Wafern wesentlich stärker ausgeprägt als bei nicht beschichteten, unstrukturierten Wafern. Das läßt sich dadurch erklären, daß sich auf der Vorderseite der Wafer während der Bearbeitung im Bauelementeprozeß eine Oberflächenstruktur ausbildet. Diese Oberflächenstruktur (Relief) ist am Rand der Wafer anders ausgestaltet als in der Mitte der Wafer. Je nach Größe und Anordnung der Chips werden unterschiedliche Randstrukturen geschaffen. Bedenkt man, daß auf den Produktionsanlagen oft mehrere Sorten unterschiedlicher Chips produziert werden, kommt man zu einer großen Anzahl unterschiedlicher Reliefs. Diese unterschiedlichen Reliefs können nicht mit nur einer universellen Dichtung vollständig abgedichtet werden. Ob die Form der Kantenabrundung der Wafer (siehe Semi Standards, z.B. M1.9–0699) hierbei einen Einfluß zeigt ist nicht untersucht worden. Auch wird eine Planarisierung der Oberflächen mittels CMP (Chemisch Mechanische Politur), wie auch bei einer großen Anzahl von anderen Bauelementen, nicht benutzt.

Es wurden unterschiedliche Testreihen durchgeführt (vergleiche 2). So zeigte sich, daß Transfer-ESC (1) mit nur 0,5 mm breiter Randdichtung (13) ähnlich große, benetzte Bereiche wir Transfer-ESC ohne Dichtung aufweisen. Auch das Schließen von speziellen, mittig angeordneten Durchgangslöchern (10) im Transfer-ESC zeigte keine Verbesserung bei der Benetzung. Erst durch die Kombination von integrierter Dichtung (13) und eingebrachten Drainagegängen (12) ist eine zufrieden stellende Lösung gelungen.

Im ersten Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Lösung des Problems anhand von 3 beschrieben. Ein Transfer-ESC (1) hält den bereits abgeschliffenen Wafer (2). Um ein Entspannungsätzen auf einer Spin-Ätz-Anlage durchzuführen, wird der Transfer-ESC (1) mit elektrostatisch gehaltenem Wafer (2) auf den Träger (3) abgelegt. Gehalten wird der Transfer-ESC (1) mittels angelegten Vakuum (5). Anschließend wird der Träger (3) in Rotation (7) versetzt. Zum Halten der Randbereiche wird mittels einer Ringdüse (8) ein Gas unter dem Transfer-ESC (1) geleitet. Durch einen Stickstofffluss von 120 bis 180 Liter/Minute kommt es zur Ausbildung einer weiteren Haltekraft nach dem Bernoulli-Prinzip. Die von oben eingeleitete Ätzflüssigkeit (4) verteilt sich homogen auf dem Wafer und innerhalb von 30 Sekunden werden ca. 7 &mgr;m des dünnen Wafers (2) abgeätzt. Auf Grund von Kapillarkräften (bedingt durch große Oberflächenspannungen) kommt es zum Eindringen von Feuchtigkeit (11) zwischen Wafer (2) und Transfer-ESC (1). Mittels eingebrachter Drainagegänge (12) in unmittelbarer Nähe der Dichtung (13) kann die eingedrungene Feuchtigkeit wieder abgeleitet werden. Dabei wird der durch die Ringdüsen (8) geleitete Gasstrom (14) nach dem Venturi-Prinzip zur Erzeugung eines Unterdrucks in den Drainagegängen (12) genutzt, um die Flüssigkeit (11) durch die Drainagegänge (12) abzusaugen. Ein ähnliches, beschleunigtes Herausziehen der Flüssigkeit kann auch erzielt werden, wenn statt des beschrieben Trägers ein Vakuumträger verwendet wird.

Im nachfolgenden, zweiten Ausführungsbeispiel wird nun die Herstellung eines 6" Transfer-ESC näher beschrieben. Mittels Multilayertechnik wird ein Plattenkondensator-Aufbau (Inlay) mit einem Durchmesser von 150,4 mm erzeugt. Hierzu werden unterschiedlich dicke, kupferkaschierte Laminate und Verbindungsschichten (Pre-Preg) so miteinander kombiniert, daß sich mehrlagige, hochspannungsfeste Kondensator- und Elektrodenstrukturen (15) ergeben. Die unterschiedlichen Lagen sind untereinander durch galvanisierte Durchkontaktierungen elektrisch verbunden. In 4 ist ein typischer Querschnitt eines so erzeugten Aufbaues dargestellt. Um die mechanische Stabilität zu gewährleisten, wird Glasfaser verstärktes Laminat (19) verwendet. In die Rückseite des Transfer-ESC (1) werden zudem 100 bis 300 &mgr;m tiefe Bohrungen eingebracht, die zur Ausbildung des vergrabenen Rückseitenkontaktes (17) benutzt werden. Anschließend wird ein 1,2 mm breiter Dichtring (13) als Randdichtung, z.B. als Polyimid-Ring, aufgebracht. Durch die strukturierten Elektroden und die aufgebrachte Randdichtung ergibt sich eine Vertiefung im Oberflächenrelief (20). Diese Vertiefung wird ausgenutzt, um die eindringende Flüssigkeit (11) unmittelbar hinter dem Dichtring zusammenzuführen. Zusätzlich können auch Drainagenuten (hier nicht dargestellt) eingefräst werden. Anschließend werden die Drainagegänge (12) mittels lasern und/oder bohren hergestellt, indem 240 Bohrungen im Abstand von 1,5° mit einem Durchmesser von 0,6 mm unmittelbar am Dichtring (13) eingebracht werden. Gleichzeitig werden die Durchgangslöcher (10) erzeugt. Nachfolgend wird viskoses Isolations-Gel (16) auf die Rückseitenkontakte (17) aufgetragen. Das Deckdielektrikum (18) wird dann sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite aufgebracht, indem eine oder mehrere Lagen von 10 bis 25 &mgr;m dicken Polyimid-Folien auflaminiert werden. Mittels einer weiteren Laserbearbeitung werden die verschlossenen Drainagegänge (12) und Durchgangslöcher (10) wieder geöffnet. Prinzipiell besteht die Möglichkeit auch einzelne Drainagegänge und Durchgangslöcher verschlossen zu halten, so daß Anlagen oder prozeßspezifische Modifikationen an den Transfer-ESC im letzten Herstellungsschritt möglich sind. Das zwischen dem Rückseitenkontakt (17) und der Polyimid-Folie eingebrachte viskose Isolations-Gel, z.B. Silikon, ermöglicht eine feuchtigkeitsunempfindliche Abdichtung der Kontakte. Die Kontaktnadeln durchstoßen beim Kontaktieren zuerst die Polyimid-Folie, dringen durch das Isolations-Gel (16) und kontaktieren danach die Rückseitenkontakte (17). Beim Herausziehen der Kontaktnadeln fließt das Isolations-Gel wieder zusammen und etwaige anhaftende Gel-Reste werden an der Polyimid-Folie abgestreift.

Für Transfer-ESC mit erhöhten Anforderungen hinsichtlich der Ebenheit, wird ein zusätzlicher Teilschritt, das Einschleifen auf einer Schleif- oder Poliermaschine, im Herstellungsprozeß eingefügt. Die so hergestellten Transfer-ESC sind typisch für 500 V bis 1500 V Spannungsfestigkeit ausgelegt und sind ca. 950 - 550 &mgr;m dick.

In 5 ist die Draufsicht eines Segmentes eines Transfer-ESC dargestellt, das speziell für den Einsatz auf Spin-Ätz-Anlagen mit Bernoulli-Haltern optimiert wurde.

Zusammenfassend kann festgestellt werden daß durch die Kombination von Dichtungen und Drainagekanälen ein kostengünstiger Transfer-ESC hergestellt werden kann, der einen Einsatz auf herkömmlichen Spin-Ätz-Anlagen ermöglicht. Da ein Eindringen der Feuchtigkeit zwischen Transfer-ESC und Wafer mittels Dichtungen nicht vollständig unterbunden werden kann, ist hierdurch eine Lösung für den Einsatz der Transfer-ESC Technologie entstanden, die das Eindringen von Flüssigkeit in nur einen kleinen Randbereich begrenzt. Ein Randbereich von 2 bis 3 mm kann für die allermeisten fertig prozessierten Wafer toleriert werden. Diese aufgezeigte Lösung ist auch auf andere Prozesse der Chipfertigung übertragbar, wo unerwünschte Feuchtigkeit eindringen kann.

1Mobiler, elektrostatischer Substrathalter = Transfer-ESC 2Wafer 3Träger (Vakuum-/Bernoulli-Halter) 4Flüssigkeit von oben 5Vakuum 6Dichtring des Trägers für das Vakuum 7Rotation 8Ringdüse – Gasfluß → Bernoulli Effekt 9Gasfluß zum Wegblasen des Flüssigkeitsstromes 10Durchgangsloch durch den Transfer-ESC 11Eindringende Flüssigkeit/Feuchtigkeit zwischen Wafer und Transfer-ESC 12Drainagegang 13Eingearbeiteter Dichtring 14Abgeleitete Flüssigkeit (Drainage) 15Kondensator- und Elektrodenstruktur 16Viskoses Isolations-Gel 17Rückseitenkontakt 18Deckdielektrikum 19Glasfaser verstärktes Laminat 20Vertiefung im Oberflächenrelief

Anspruch[de]
  1. Mobiler, elektrostatischer Substrathalter, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus am Randbereich eingearbeiteter Dichtringe (13) und in deren unmittelbarer Umgebung eingebrachter Drainagegänge (12) so angeordnet ist, daß eindringende Flüssigkeiten (11) am Innenrand der Dichtringe (13) entlang durch die Drainagegänge (12) hindurch abgeführt und außerhalb des Substrathalters abgeleitet werden.
  2. Substrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainage der eingedrungenen Flüssigkeit (11) aus dem Bereich zwischen Wafer (2) und Substrathalter (1) durch das Erzeugen eines Unterdruckes beschleunigt wird, indem der Substrathalter auf einem Bernoulli- oder Vakuumhalter (3) gehalten wird.
  3. Substrathalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für Träger (3) mit rückseitigem Gasstrom das Venturi-Prinzip zur Erzeugung eines Unterdruckes in den Drainagegängen (12) angewendet wird.
  4. Substrathalter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (13) zwischen 0,5 bis 3 mm tief in den zu schützenden Bereich hineinragt.
  5. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainagegänge (12) an der Innenseite des Dichtrings (13) angeordnet sind, wobei der Abstand der Drainagegänge (12) zur Innenseite der Dichtung (13) kleiner als 2 mm ist.
  6. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Drainagegänge (12) untereinander zwischen 1 mm bis 40 mm beträgt.
  7. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Drainagegänge (12) zwischen 0,1 bis 2 mm beträgt.
  8. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainagegänge (12) als konzentrische Löcher ausgebildet sind.
  9. Substrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainagegänge (12) als Langloch ausgebildet sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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