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Dokumentenidentifikation DE202005014918U1 08.03.2007
Titel Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats
Anmelder ATT Systems GmbH, 82152 Planegg, DE
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Aktenzeichen 202005014918
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 08.03.2007
Registration date 01.02.2007
Application date from patent application 21.09.2005
IPC-Hauptklasse H01L 21/68(2006.01)A, F, I, 20050921, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats und insbesondere zum Temperieren eines dünnen gebogenen bzw. gewölbten Wafers.

Zum Testen von Schaltungsanordnungen auf schiebenförmigen Substraten wie beispielsweise Halbleiterwafern, werden üblicherweise Haltevorrichtungen und insbesondere Waferchucks verwendet, die meist eine planare Auflagefläche für die scheibenförmigen Substrate aufweisen. Für eine Vielzahl von elektrischen Messungen zum Testen eines Substrats ist es notwendig, die Temperatur des Substrats auf einem konstanten, vorbestimmten Wert zu halten. Dazu werden in der Substrathaltevorrichtung Heiz- und/oder Kühlelemente ausgebildet oder die Haltevorrichtung wird mit einem herkömmlichen Thermochuck kombiniert. Um die geregelte Temperatur der Vorrichtung auch auf das Substrat zu übertragen, muß sich das Substrat in einem guten thermischen Kontakt mit der Auflagefläche der Haltevorrichtung befinden. In herkömmlichen Substrathaltevorrichtungen werden hierzu oft Vakuumöffnungen in der Anlagefläche ausgebildet, um damit ein Ansaugen des Substrats zu ermöglichen. Damit wird zum einen der thermische Kontakt zwischen Substrat und Anlagefläche verbessert, zum anderen wird dadurch ein Verrutschen des Substrats auf der Anlagefläche verhindert.

Diese herkömmlichen Thermochucks mit planaren Auflageflächen sind insbesondere für planare scheibenförmige Substrate gut geeignet. Sehr dünne Substrate und insbesondere Wafer weisen allerdings oft eine stark ausgeprägte Wölbung bzw. Durchbiegung auf, die durch mechanische Spannungen im Substrat zustande kommt. Solche Wölbungen verhindern ein planares Anlegen des Substrats an einer ebenen Anlagefläche eines Thermochucks. In herkömmlichen Thermochucks müssen solche gebogenen bzw. gewölbten Substrate zunächst an die Anlagefläche gedrückt werden, um einen großflächigen Kontakt zwischen dem Substrat und der Anlagefläche herzustellen. Anschließend kann das Substrat durch Ansaugen in Kontakt mit der Anlagefläche gehalten werden. Gebogene Substrate erfordern somit einen besonderen Arbeitsschritt, um eine temperieren mit einem herkömmlichen Thermochuck zu ermöglichen: Der Vorgang des mechanischen Andrückens des Substrats an die Anlagefläche führt außerdem zu einer mechanischen Belastung des Substrats.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Temperieren von Substraten und insbesondere von dünnen, gebogenen Substraten bereitzustellen, die eine einfache und für die Substrate schonende Handhabung ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats, insbesondere eines Wafers, umfassend einen temperierten Hauptkörper bereitgestellt, welcher aufweist:

  • – eine Anlagefläche zum Anliegen an das Substrat, wobei in der Anlagefläche zumindest eine Fluidaustrittsöffnung ausgebildet ist;
  • – zumindest einen Fluidzufuhranschluss, welcher vorzugsweise im wesentlichen außerhalb der Anlagefläche angeordnet ist; und
  • – zumindest einen in dem temperierten Hauptkörper ausgebildeten Fluidstromkanal, der den Fluidzufuhranschluss derart mit der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung verbindet, dass ein über den Fluidzufuhranschluss zugeführtes und durch die Fluidaustrittsöffnung austretendes Fluid zwischen der Anlagefläche und dem Substrat einen zumindest teilweise im wesentlichen parallel zur Anlagefläche verlaufenden Fluidstrom derart erzeugt, dass sich durch die aufgrund der Fluidbewegung im Fluidstom bewirkte Erniedrigung des statischen Drucks eine Kraft auf das Substrat mit einer im wesentlichen zur Anlagefläche hin gerichteten Kraftkomponente ausbildet.

Gemäß einem von Daniel Bernoulli entdeckten Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids und dessen statischem Druck, sinkt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids der statische Druck in dem Fluid. Dies gilt sowohl für Flüssigkeiten aus auch für Gase.

Während im Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Anlagefläche eine Fluidströmung auftritt, ist ein das Substrat im übrigen Bereich umgebendes Fluid vorzugsweise im wesentlichen unbewegt, d.h. es weist vorzugsweise gar keine oder höchstens eine geringe Strömungsgeschwindigkeit auf. Damit ist der statische Druck in dem umgebenden Fluid größer als im strömenden Fluid zwischen Anlagefläche und Substrat. Der erniedrigte statische Druck zwischen dem Substrat und der Anlagefläche bewirkt eine kleinere Druckkraft auf die der Anlagefläche zugewandten Flächen des Substrats als die Druckkraft, die das im wesentlichen unbewegte bzw. nicht fließende Fluid auf die der Anlagefläche nicht zugewandten Flächen des Substrats, insbesondere auf die der Anlagefläche abgewandten Flächen des Substrats, ausübt. Somit führt die Differenz im statischen Druck gemäß dem bekannten hydrodynamischen Paradoxon zu einer resultierenden Kraft auf das Substrat, die im wesentlichen in Richtung zu der Anlagefläche hin wirkt.

Vorzugsweise wird die vorliegenden Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats und insbesondere eines nicht-planaren bzw. gebogenen oder gewölbten Substrats verwendet, wobei am Fluidzufuhranschluß ein Fluid zugeführt wird, welches über den im Hauptkörper ausgebildeten Fluidstromkanal zur Anlagefläche geleitet wird, wo es durch die Fluidaustrittsöffnung wieder austritt. Das austretende Fluid erzeugt im Zwischenraum zwischen Anlagefläche und Substrat einen Fluidstrom, der eine zumindest teilweise im wesentlichen zur Anlagefläche parallele Komponente aufweist.

Zum Ausbilden des Fluidstrom umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine Druckbereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Fluiddrucks am Fluidzufuhranschluss. Der Fluidzufuhranschluss ist dabei vorzugsweise in einem Bereich außerhalb der Anlagefläche angeordnet. Als Druckerzeugungseinrichtung könnte beispielsweise ein Kompressor vorgesehen sein, der mit dem Fluidzufuhranschluß in Verbindung steht. Es könnte auch eine Fluidspeichereinheit, wie z.B. ein für Flüssigkeiten besonders geeigneter höher gelegener Vorratstank oder eine unter Druck stehende Gasflasche bzw. Druckbehälters vorgesehen sein. In jedem Fall ist die Druckbereitstellungseinrichtung ausgelegt, einen Fluiddruck bereitzustellen, der über einem statischen Umgebungsdruck im Bereich des Substrats liegt.

Vorzugsweise mündet der zumindest eine Fluidstromkanal in der zumindest einen in der Anlagefläche ausgebildeten Fluidaustrittsöffnung unter einem von 0° verschiedenen Austrittswinkel zu der im Bereich der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung zur Anlagefläche senkrechten Richtung. Damit tritt das Fluid in einer von der zur Anlagefläche senkrechten Richtung abweichenden Richtung aus der Fluidaustrittsöffnung aus. Es entsteht also direkt beim Austritt des Fluids aus dem Fluidstromkanal ein Fluidstrom mit einer zur Anlagefläche parallelen Fluß- bzw. Strömungskomponente.

Vorzugsweise liegt der Austrittswinkel, also der Winkel zwischen der zur Anlagefläche senkrechten Richtung und der Richtung, in der der zumindest eine Fluidstromkanal an der Anlagefläche mündet, im wesentlichen in einem Bereich von mehr als 30°, noch mehr bevorzugt im wesentlichen in einem Bereich zwischen 45° und 80°, am meisten bevorzugt bei etwa 60°. Somit verläuft der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest im Bereich bzw. in der Nähe der Mündung bzw. Anlagefläche im wesentlichen entlang einer Achse, die mit der Normalen zur Anlagefläche einen Winkel einschließt, der in einem Bereich von vorzugsweise mehr als 30°, noch mehr bevorzugt im wesentlichen in einem Bereich zwischen 45° und 80°, am meisten bevorzugt bei etwa 60° liegt. Insbesondere verläuft bzw. fließt der Fluidstrom im Mündungsbereich des Fluidstromkanals im wesentlichen entlang einer solchen Achse. Damit erreicht man besonders effektiv einen Fluidstrom mit einer großen, zur Anlagefläche parallelen Flußkomponente. Es kann somit vermieden werden, daß ein auf das Substrat wirkender Staudruck durch den Fluidstrom zu einer Abstoßung des Substrats, d.h. zu einer von der Anlagefläche weg gerichteten Gesamtkraft auf das Substrat, führt. Insbesondere bei der Verwendung von kompressiblen Fluiden könnte unter Umständen bei einem sehr schnellen Einschalten des Fluidstroms, d.h. solange die Strömung im wesentlichen noch nicht stationär ist, ein entstehender Staudruck zu einer Abstoßung des Substrats führen.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest bereichsweise im wesentlichen entlang einer geraden Achse. Damit werden Turbulenzen und somit Reibungsverluste im Fluid innerhalb des Fluidstromkanals verringert. Besonders bevorzugt verläuft der zumindest eine Fluidstromkanal im Bereich der Mündung an der Anlagefläche im wesentlichen entlang einer geraden Achse, was insbesondere zu einer Verringerung bzw. Vermeidung von Turbulenzen in dem sich zwischen Substrat und Anlagefläche ausbildenden Fluidstroms führt.

Vorzugsweise weist der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest bereichsweise im wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des Fluids im Fluidstromkanal eine Querschnittsfläche auf, die im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,03 mm2 und 3 mm2, vorzugsweise zwischen 0,1 mm2 und 0,5 mm2, am meisten bevorzugt bei etwa 0,2 mm2 liegt. Besonders bevorzugt weist der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest bereichsweise einen im wesentlichen konstanten Querschnitt auf. Die Vermeidung von Änderungen im Querschnitt des Fluidstromkanals verringert Turbulenzen und führt zu einer besonders laminaren Strömung.

Vorzugsweise liegt die Querschnittsfläche der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung parallel zur Anlagefläche im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,05 mm2 und 10 mm2, vorzugsweise zwischen 0,2 mm2 und 1 mm2, am meisten bevorzugt bei ungefähr 0,34 mm2 liegt.

Vorzugsweise ist der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest bereichsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, dessen Durchmesser im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, am meisten bevorzugt im wesentlichen bei 0,5 mm liegt. Eine besonders laminare und turbulenzarme Strömung kann dadurch ausgebildet werden, daß der zumindest eine Fluidstromkanal zumindest im Bereich der Mündung einen vorzugsweise im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist.

Vorzugsweise ist der Fluidstromkanal zumindest bereichsweise als Bohrung ausgestaltet. Er könnte dabei insbesondere im Bereich der Mündung in der Anlagefläche in besonders einfacher Weise als Bohrung hergestellt werden, die im Inneren des Hauptkörpers auf einen Fluiddruckkanal mit einer größeren Querschnittsfläche trifft. Somit ist der zumindest eine Fluidstromkanal vorzugsweise über zumindest einen Fluiddruckkanal mit dem Fluidzufuhranschluss verbunden, wobei der Fluiddruckkanal eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Fluidstromkanal. Durch die größere Querschnittsfläche im Fluiddruckkanal können Reibungsverluste beim Zuführen des Fluids weiter vermindert werden. Dabei besitzt das Fluid im Fluiddruckkanal eine im Vergleich zu Fluidstromkanal niedrige Geschwindigkeit. Erst beim Eintritt in den Fluidstromkanal wird das Fluid auf die gewünschte Fluidstromgeschwindigkeit beschleunigt, wobei der statische Druck im Fluid abnimmt. Durch die kleinere Querschnittsfläche und die höhere Fließgeschwindigkeit im Fluidstromkanal treten dort höhere Reibungsverluste auf. Es ist somit besonders bevorzugt, den Fluidstromkanal als Bohrung auszubilden, die zwischen Fluiddruckkanal und Fluidaustrittsöffnung nicht länger ist als 5 mm, am meisten bevorzugt nicht länger als 2 mm.

In der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist die Anlagefläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen planar, liegt also vorzugsweise im wesentlichen in einer Ebene. Damit lassen sich insbesondere planare bzw. ebene Substrate sehr leicht an der Anlagefläche anordnen und mittels der vorliegenden Vorrichtung temperieren.

Vorzugsweise wird die vorliegende Vorrichtung aber auch zum Temperieren von dünnen gewölbten bzw. gebogenen Substraten verwendet. Vor allem bei der Herstellung sehr dünner Scheiben und insbesondere sehr dünner Halbleiterwafer führen mechanische Spannungen im Material des Substrats oft zu einer Wölbung der Scheiben bzw. Wafer. Dabei können die Scheiben bzw. Wafer durch Überwinden elastischer Kräfte wieder im wesentlichen in eine Ebene gebogen werden. Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung insbesondere zum Temperieren solcher Substrate verwendet, wobei die zum Biegen und damit zum Anordnen der gebogenen Substrate an der vorzugsweise planaren bzw. ebenen Anlagefläche nötigen Kräfte durch einen zwischen der Anlagefläche und dem gebogenen Substrat ausgebildeten Fluidstrom gemäß dem oben beschriebenen Bernoulli-Prinzip aufgebracht werden.

Vorzugsweise ist im temperierten Hauptkörper eine Vielzahl von Fluidstromkanälen ausgebildet ist, die in einer Vielzahl von Fluidaustrittsöffnungen münden. Damit kann eine besonders effiziente Verteilung des Fluidstroms über die ganze Anlagefläche bewirkt werden.

Jeder sich zwischen der Anlagefläche und dem Substrat ausbildende Fluidstrom mit einer Flußkomponente parallel zur Anlagefläche bewirkt neben einer Kraft auf das Substrat in Richtung der Anlagefläche auch eine tangentiale Kraft parallel zur Anlagefläche bzw. parallel zu der Fläche des Substrats die der Anlagefläche zugewandt ist. Diese tangentialen bzw. parallelen Kräfte entstehen durch Reibung zwischen Fluidstrom und Substrat. Sind diese tangentialen Reibungskräfte nicht im wesentlichen symmetrisch verteilt, könnte dies zu einer resultierenden tangentialen Gesamtkraft und damit zu einer Verschiebung des Substrats parallel zur Anlagefläche und/oder zu einer Rotation des Substrats führen. Um dies zu vermeiden, sind die Fluidaustrittsöffnungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise zumindest teilweise im wesentlichen ringförmig um eine Zentralachse im wesentlichen gleichmäßig verteilt, wobei jeder der Fluidstromkanäle zu der jeweiligen zumindest einen Fluidaustrittsöffnung hin in einer Richtung verläuft, die in einer Ebene mit der Zentralachse liegt und von dieser weg weist.

Die Fluidaustrittsöffnungen sind dabei vorzugsweise im wesentlichen in einem Kreisring um die Zentralachse angeordnet und weisen dabei am meisten bevorzugt im wesentlichen regelmäßige oder sogar gleiche Abstände und/oder Winkelabstände auf. Die Anordnung jedes Fluidstromkanals in einer Ebene, in der auch die vorzugsweise im wesentlichen zur Anlagefläche senkrechten Zentralachse liegt, bewirkt, daß der entstehende Fluidstrom des aus den Fluidaustrittsöffnungen austretenden Fluids lediglich Strömungskomponenten in axialer Richtung, also parallel zur Zentralachse, und radialer Richtung aufweist. Insbesondere werden dadurch vorteilhaft tangentiale Strömungskomponenten im wesentlichen vermieden, die zu Rotationskräften auf das Substrat führen könnten. Die von der Zentralachse weg, also nach außen gerichtete Orientierung der Flußstromkanäle verringert außerdem die Ausbildung eines Staudrucks, der auf das Substrat abstoßend, also von der Anlagefläche weg gerichtet, wirken könnte. Bei einer nach außen gerichteten Orientierung hingegen kann das Fluid ungehindert zur Seite, also im peripheren Bereich des Zwischenraum zwischen Substrat und Anlagefläche abfließen.

Vorzugsweise weisen zumindest diejenigen Fluidstromkanäle, welche in den Fluidaustrittsöffnungen münden, die im wesentlichen im selben Kreisring um die Zentralachse angeordneten sind, einen betragsmäßig im wesentlichen gleichen Mündungswinkel und eine im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche auf. Durch die gleichmäßige bzw. regelmäßige Anordnung der Fluidaustrittsöffnungen im Kreisring zusammen mit den im wesentlichen gleichen Mündungswinkeln und den im wesentlichen gleichen Querschnittsflächen der Fluidstromkanäle ist es vorteilhaft möglich, eine im wesentlichen symmetrische Verteilung des Fluidstroms auszubilden. Damit können sich zur Anlagefläche bzw. zur Substratfläche im wesentlichen parallel wirkende Kräfte gegenseitig aufheben, wodurch eine Verschiebungskraft auf das Substrat parallel zur Anlagefläche vermieden wird. Besonders bevorzugt weist die Anordnung der Vielzahl von Fluidstromkanälen eine Achsen- und/oder Spiegelsymmetrie auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im temperierten Hauptkörper zumindest ein Vakuumkanal ausgebildet, der in zumindest einer in der Anlagefläche ausgebildeten Ansaugöffnung mündet und mit einem vorzugsweise außerhalb der Anlagefläche angeordneten Vakuumanschluss verbunden ist. Insbesondere ist der Vakuumkanal im wesentlichen röhrenförmig im Inneren des temperierten Hauptkörpers ausgebildet. Damit kann das Substrat an die Anlagefläche angesaugt und in gutem thermischen Kontakt mit der Anlagefläche gehalten werden.

Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Fluiddruckventil, mit dem die Fluidzufuhr und damit die Ausbildung eines Fluidstroms unterbrochen werden kann, sobald das Substrat eine vorbestimmte Annäherung an die Anlagefläche bzw. einen vorbestimmten Abstand zur Anlagefläche erreicht hat. Das Halten des Substrats an der Anlagefläche wird anschließend durch Ansaugen des Substrats über die zumindest eine Ausaugöffnung bewirkt.

Vorzugsweise mündet der zumindest eine Vakuumkanal in zumindest einer in der Anlagefläche ausgebildeten Ansaugrille. Diese Ansaugrille ist vorzugsweise im wesentlichen spiralförmig um eine Zentralachse angeordnet. Es könnten aber auch eine Vielzahl von Ansaugrillen ausgebildet sein, die im wesentlichen ringförmig und konzentrisch um eine Zentralachse angeordnet sind.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung bzw. einer bevorzugten Ausführung hiervon kann ein Verfahren zum Temperieren eines Substrats zur Anwendung kommen, umfassend die Schritte:

  • a) Bereitstellen einer Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats umfassend einen Hauptkörper mit einer Anlagefläche;
  • b) Annähern des Substrats an die Anlagefläche der Vorrichtung;
  • c) Erzeugen einer Kraft auf das Substrat in Richtung zur Anlagefläche hin durch Erzeugen eines Fluidstroms zwischen dem Substrat und der Anlagefläche dadurch, dass der Fuidstrom durch die zumindest eine Fluidaustrittsöffnung in der Anlagefläche aus dem Fluidstromkanal austritt;
  • d) Halten des Substrats in thermischem Kontakt mit der Anlagefläche;
  • e) Temperieren des über die Anlagefläche mit der Vorrichtung in thermischem Kontakt stehenden Substrats durch Temperieren des Hauptkörpers der Vorrichtung.

Im Schritt a) des Bereitstellens einer Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats wird vorzugsweise eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung oder gemäß einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen bereitgestellt. Im Schritt b) des Annäherns des Substrats an die Anlagefläche der Vorrichtung wird das Substrat insbesondere soweit an die Anlagefläche angenähert, daß die aufgrund des Fluidstroms auf das Substrat wirkenden Kräfte ausreichen, um eine weitere Annäherung bzw. eine Anziehung des Substrats an die Anlagefläche zu bewirken. Dazu wird das Substrat vorzugsweise auf einen Abstand zur Anlagefläche angenähert, der kleiner ist als etwa 20%, noch mehr bevorzugt kleiner als etwa 5% des Durchmessers bzw. der lateralen Ausdehnung der Anlagefläche und/oder des Substrats. Am meisten bevorzugt wird im Schritt b) des Annäherns des Substrats das Substrat bereits zumindest teilweise in mechanischen Kontakt mit der Anlagefläche gebracht.

Vorzugsweise wird mit dem Verfahren ein gewölbtes oder gebogenes insbesondere dünnes Substrat temperiert. Dazu wird das Substrat besonders bevorzugt im Schritt des Annäherns an die Anlagefläche mit einer zumindest teilweise im wesentlichen konvexen Fläche derart an die Anlagefläche angenähert wird, dass die zumindest teilweise im wesentlichen konvexe Fläche des Substrats der Anlagefläche des Hauptkörpers zugewandt ist.

Das durch das o.g. Verfahren temperierte Substrat ist vorzugsweise derart elastisch verformbar, daß die aufgrund des Bernoulli-Prinzips auf das Substrat wirkenden Kräfte in Richtung der Anlagefläche im wesentlichen eine Anpassung der Form des Substrats zur großflächigen Anlage an der Anlagefläche bewirken. Insbesondere wird im Schritt c) des Erzeugens einer Kraft auf das Substrat in Richtung zur Anlagefläche ein gewölbtes Substrat derart gebogen, daß es schließlich auf einer vorzugsweise planaren bzw. ebenen Anlagefläche flächig anliegt. Insbesondere beim Annähern eines gewölbten bzw. gebogenen Substrats mit einer konvexen Fläche in Richtung der Anlagefläche wird das Substrat vorzugsweise mit einem zentralen Bereich der konvexen Fläche mit der Anlagefläche in mechanischen Kontakt gebracht, bevor das vorzugsweise elastische und dünne Substrat durch die Bernoulli-Kräfte auch an den Randbereichen an die Anlagefläche gezogen bzw. gedrückt wird.

Vorzugsweise wird zum Erzeugen eines Fluidstroms durch den zumindest einen Fluidstromkanal an dem zumindest einem Fluidzufuhranschluss durch Zuführen von Fluid ein Fluiddruck bereitgestellt. Die Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms hängt dabei vom Druck ab, der am Fluidzufuhranschluß bereitgestellt wird. Dadurch kann über den bereitgestellten Fluiddruck die auf das Substrat wirkende Kraft gesteuert werden. Vorzugsweise wird der an dem zumindest einen Fluidzufuhranschluss bereitgestellte Fluiddruck in Abhängigkeit von einer Konvexität und/oder Elastizität des insbesondere gebogenen bzw. gewölbten Substrats eingestellt.

Vorzugsweise weist die im Schritt a) bereitgestellte Vorrichtung außerdem im Hauptkörper zumindest einen Vakuumkanal auf, der in zumindest einer in der Anlagefläche ausgebildeten Ansaugöffnung mündet und mit einem außerhalb der Anlagefläche angeordneten Vakuumanschluss verbunden ist. Dabei erfolgt der Schritt d) des Haltens des Substrats in thermischem Kontakt mit der Anlagefläche vorzugsweise durch Ansaugen des Substrats über die zumindest eine in der Anlagefläche ausgebildete Ansaugöffnung. In verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung kann der zumindest eine Vakuumkanal entweder gesondert von dem zumindest einen Fluidstromkanal oder als ein und derselbe Kanal ausgebildet sein, der je nach Anwendung als Fluidstromkanal oder als Vakuumkanal genutzt wird. Dazu ist vorzugsweise ein Umschaltventil vorgesehen, das den Kanal (Fluidstromkanal bzw. Vakuumkanal) insbesondere je nach Ventilstellung mit dem Fluidzufuhranschluss und/oder mit dem Vakuumanschluss verbindet.

Vorzugsweise wird dabei eine Vorrichtung mit zumindest einem röhrenförmig ausgebildeten Vakuumkanal im Inneren des Hauptkörpers bereitgestellt. Am meisten bevorzugt mündet der zumindest eine Vakuumkanal in zumindest einer in der Anlagefläche ausgebildeten Rillen bzw. Ansaugrille. Insbesondere bei einer alternativen bzw. umschaltbaren Nutzung des Vakuumkanals als Fluidstromkanal können die Fluidaustrittsöffnungen als und/oder in den Rillen bzw. Ansaugrillen ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt wird nach dem Starten des Schritts d) des Haltens des Substrats der im Schritt c) erzeugte Fluidstrom wieder unterbrochen. Nachdem das Substrat durch Ansaugen an der Anlagefläche gehalten wird, wird der Fluidstrom, der zuvor ein Annähern des Substrats an die Anlagefläche bewirkt hat, unterbrochen. Damit wird vermieden daß sich weiterhin zwischen dem Substrat und der Anlagefläche ein Fluidstrom ausbildet, der eine gute thermische Kopplung des Substrats zum Hauptkörper der Vorrichtung verhindert. Vorzugsweise wird der Fluidstrom erst nach dem Beginn des Ansaugschritts unterbrochen. Damit wird vermieden, daß das Substrat sich insbesondere aufgrund elastischer Kräfte wieder von der Anlagefläche entfernt, bevor es durch Ansaugen festgehalten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt:

1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats.

1 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats (Thermochuck) und insbesondere eines Wafers. Darin weist ein Hauptkörper 10 eine im wesentlichen planare Anlagefläche 12 auf, in der eine Vielzahl von Ansaugrillen 14 ausgebildet ist. Diese Ansaugrillen 14 sind über nicht dargestellte im Inneren des Hauptkörpers ausgebildete Vakuumkanäle mit zumindest einem ebenfalls nicht gezeigten Vakuumanschluß verbunden. Über diese Vakuumrillen 14 läßt sich ein an der Anlagefläche anzuordnendes Substrat 16 zur Anlagefläche hin ansaugen und an der Anlagefläche halten. Für einen effektiven Ansaugvorgang muß das Substrat 16 allerdings vorher bereits relativ nah an die Anlagefläche angenähert werden. In dem in 1 dargestellten Fall soll ein dünnes, gewölbtes Substrat 16 und insbesondere ein dünner Wafer mit einer Durchbiegung temperiert werden. Dieses Substrat 16 wird an die Anlagefläche 12 angenähert, wobei eine konvexe Fläche des Substrats 16 der Anlagefläche 12 zugewandt ist. Für den in 1 gezeigten Fall müssen zunächst erst auch die Randbereiche des gewölbten Substrats 16 in die Nähe der Anlagefläche 12 gebracht werden, um danach ein effektives Ansaugen des Substrats 16 an die Anlagefläche 12 über die Ansaugrille 14 zu ermöglichen.

Hierzu sind im Hauptkörper 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fluidstromkanäle 18 als im wesentlichen geradlinige Bohrungen mit einem Durchmesser von vorzugsweise ca. 0,6 mm ausgebildet; die sich von Druckluftkanälen 20 im Inneren des Hauptkörpers 10 zu Fluidaustrittsöffnungen 22 in der Anlagefläche 12 erstrecken. Die bevorzugt im wesentlichen geradlinig verlaufenden Achsen der Fluidstromkanäle 18, also die Achsen, entlang denen die Fluidstromkanäle 18 zumindest im Mündungsbereich im wesentlichen verlaufen, schließen dabei mit der Normalenrichtung zur Anlagefläche 12 einen Winkel von vorzugsweise ca. 60° ein. Über Fluidzufuhranschlüsse 24, die an der der Anlagefläche gegenüberliegenden Seite des Hauptkörpers ausgebildet sind, kann Fluid in die Fluiddruckkanäle 20 eingeführt werden. Das Fluid wird über die Fluidstromkanäle 18 zur Anlagefläche 12 geleitet und mündet über die Fluidaustrittsöffnungen 22 in den Zwischenraum zwischen der Anlagefläche 12 und dem Substrat 16. Insbesondere mündet das Fluid vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 60° zur Normalenrichtung der Anlagefläche. Dort bilden sich im wesentlichen in Verlängerung zu den Richtungen der Fluidstromkanäle 18 Fluidströme 26 aus, die im wesentlichen zur Anlagefläche 12 bzw. zum Substrat 16 parallele Strömungskomponenten aufweisen.

Die Vorrichtung ist somit ausgelegt, über den Fluidzufuhranschluss 24 ein Fluid, insbesondere ein Gas, in den Fluidstromkanal 18 zuzuführen, der vorzugsweise röhrenförmig im Inneren des Hauptkörpers 10 ausgebildet ist und das zugeführte Fluid zur Fluidaustrittsöffnung 22 in der Anlagefläche 12 leitet. Das in der Vorrichtung aus der Fluidaustrittsöffnung 22 austretende Fluid bildet zwischen der Anlagefläche 12 und einem sich in der Nähe der Anlagefläche 12 befindlichen Substrat 16 einen Fluidstrom 26 aus, der zumindest teilweise im wesentlichen parallel zur Anlagefläche 12 verläuft und im peripheren Bereich der Anlagefläche 12 bzw. des Substrats 16 aus dem Zwischenraum zwischen Anlagefläche 12 und Substrat 16 austritt.

Ein von Daniel Bernoulli entdeckter Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids und dessen statischem Druck besagt, daß mit steigender Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids der statische Druck in dem Fluid sinkt. Dieser Zusammenhang gilt sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase. Die vorliegende Vorrichtung läßt sich also mit beliebigen Fluiden anwenden. So ist die Ausbildung eines Gasstroms ebenso denkbar wie die Ausbildung eines Flüssigkeitsstroms. Besonders bevorzugt ist die vorliegende Vorrichtung für die Anwendung mit Druckluft ausgelegt. Es könnten aber auch andere Gase wie z.B. Stickstoff oder Edelgase eingesetzt werden.

Durch die Fluidbewegung ergibt sich je nach Art des Fluids eine Erniedrigung des statischen Drucks im Fluid. So gilt insbesondere für ideale Flüssigkeiten, d.h. für inkompressible Fluide, die Gleichung

Dabei ist p der statische Druck in der Flüssigkeit, während 1/2 &rgr;&ngr;2 den dynamischen

Druck beschreibt, der sich aus der Dichte &rgr; und der Strömungsgeschwindigkeit &ngr; ergibt. Die Summe aus statischem und dynamischem Druck bleibt dabei stets konstant. Mit steigender Strömungsgeschwindigkeit sinkt somit der statische Druck.

Für Gase, d.h. für kompressible Fluide, muss die Änderung der Dichte &rgr; berücksichtigt werden. Die Bernoulli-Gleichung kann dann in folgender Form geschrieben werden:

Wie bei Flüssigkeiten, sinkt auch bei Gasen der stationäre Druck mit steigender Strömungsgeschwindigkeit.

Dieser von Bernoulli entdeckter Effekt bewirkt in der vorliegenden Vorrichtung, daß mit steigender Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms bzw. der Fluidströme 26 zwischen Anlagefläche 12 und Substrat 16 dessen statischer Druck sinkt. Durch die Ausbildung des Fluidstroms 26 wird somit der statische Druck zwischen der Anlagefläche 12 und dem Substrat 16 gesenkt, während der statische Druck eines das Substrat 16 im übrigen Bereich umgebenden Fluids sich im wesentlichen nicht ändert.

Durch die Bewegung, also die Strömungsgeschwindigkeit, des Fluids in den Fluidströmen 26 ist der statische Druck des Fluides im Bereich der Fluidströme 26 gegenüber der Umgebung, in der das Fluid keine Strömung aufweist oder zumindest eine deutlich niedrigere Strömungsgeschwindigkeit besitzt, deutlich erniedrigt. Der dadurch entstehende Unterschied im statischen Druck oberhalb und unterhalb des Substrats, d.h. der Unterschied der Druckkräfte auf die der Anlagefläche zugewandten Flächen des Substrats und die der Anlagefläche abgewandten Flächen des Substrats, bewirkt (nach dem sog. Bernoulli-Prinzip) eine effektive Gesamtkraft F auf das Substrat in Richtung der Anlagefläche. Damit wird das in 1 gezeigte gebogene Substrat insbesondere im Randbereich in Richtung der Anlagefläche gedrückt bzw. gezogen und bei ausreichender Elastizität des Substrats in Richtung der Anlagefläche bewegt.

Bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit führt die Kraft F zu einer Verbiegung des durchgebogenen bzw. gewölbten Substrats bzw. Wafers 16 und damit zu einer vorzugsweise flächigen bzw. großflächigen, und besonders bevorzugt im wesentlichen ganzflächigen Annäherung an die Anlagefläche 12. Durch die Annäherung der Randbereiche des Wafers 16 an die Anlagefläche 12 verkleinert sich der Zwischenraum zwischen der Anlagefläche 12 und dem Substrat 16, wodurch bei konstantem Fluiddurchfluß die Strömungsgeschwindigkeit in den Fluidströmen 26 ansteigt, was zu einer weiteren Erhöhung der auf das Substrat 16 wirkenden Kraft F führt. Somit weist der Bernoulli-Effekt eine selbst-verstärkende Wirkung auf.

Es ist somit in der vorliegenden Vorrichtung nicht notwendig, eine zusätzliche mechanische Anordnung bereitzustellen, die ein Anordnen bzw. Andrücken des Substrats 16 an die Anlagefläche 12 der Temperiervorrichtung bewirkt. Insbesondere ist es mit der vorliegenden Vorrichtung möglich, auch bei gebogenen Substraten 16 ein flächiges bzw. großflächiges Anliegen an der Anlagefläche 12 zu erreichen. Dabei bewirkt die gemäß Bernoulli auf das Substrat 16 wirkende Kraft F vorteilhaft eine zumindest teilweise Anpassung der Form des Substrats 16 an die Anlagefläche 12. So können beispielsweise insbesondere dünne gebogene Wafer mittels der sich gemäß Bernoulli ausbildenden Kraft F in eine ebene Form gebracht und an eine ebene Anlagefläche 12 der vorliegenden Vorrichtung angeordnet werden, ohne daß dazu weitere mechanische Einrichtungen nötig wären, um das Substrat 16 in eine Ebene zu biegen.

Dies führt zu einer besonders schonenden Behandlung des Substrats 16. Vor allem läßt sich mit der vorliegenden Vorrichtung ein Fluidstom 26 zwischen dem Substrat 16 und der Anlagefläche 12 erzeugen, dessen Strömungsgeschwindigkeit einfach eingestellt (gesteuert oder geregelt) werden kann. Insbesondere können hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit auch hohe Anziehungskräfte F erreicht werden.

Nach ausreichender Annäherung des Substrats 16 an die Anlagefläche 12 durch die Kraft F, die aufgrund des Bernoulli-Effekts durch die Fluidströme 26 bewirkt wird, kann das Substrat auch in den Randbereichen durch Ansaugen über die Ansaugrillen 14 an der Anlagefläche 12 gehalten werden. Vorzugsweise wird in diesem Zustand die Fluidzufuhr durch die Fluidzufuhranschlüsse 24 wieder unterbrochen, so daß kein Fluid mehr durch die Fluidaustrittsöffnungen 22 in den Zwischenraum zwischen Anlagefläche 12 und Substrat 16 austritt. Nach dem Unterbrechen der Fluidströme 26 wird das Substrat ausschließlich durch Ansaugen bzw. Unterdruck-Anlegen mittels der Ansaugrillen 14 in Anlage zur Anlagefläche 12 und damit in gutem thermischen Kontakt mit dem Hauptkörper 10 gehalten. Durch Temperieren des Hauptkörpers 10 läßt sich damit das Substrat 16 einfach und zuverlässig temperieren.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Vakuumkanäle und die Fluidstromkanäle 18 nicht als separate Kanäle ausgebildet sondern die Fluidstromkanäle 18 dienen gleichzeitig als Vakuumkanäle. Dabei münden die Fluidstromkanäle vorzugsweise in Vakuumrillen. Die Fluidaustrittsöffnungen sind somit vorzugsweise in den Vakuumrillen bzw. als Vakuumrillen ausgebildet.

Nachdem durch die Fluidstomkanäle 18 ein Fluid gepreßt und durch die sich ausbildenden Fluidströme 26 das Substrat 16 in die Nähe der Anlagefläche 12 gezogen bzw. gedrückt wurde, wird der Fluidfluß bzw. die Fluidströmung durch die Fluidstomkanäle 18 unterbrochen und in den Fluidstomkanälen statt dessen ein Unterdruck bzw. ein Vakuum erzeugt. Damit wird das Substrat 16 vorzugsweise noch weiter zur Anlagefläche 12 hin gezogen bzw. gesaugt, und an der Anlagefläche gehalten. Das Umschalten vom Fluidfluß zum Vakuum erfolgt dabei vorzugsweise so schnell, daß das Substrat 16 sich während dessen vorzugsweise im wesentlichen nicht oder nur sehr wenig von der Anlagefläche 12 entfernt. Vorzugsweise ist ein Umschaltventil vorgesehen, mittels dessen die Fluidstromkanäle 18 bzw. Vakuumkanäle je nach Ventilstellung mit einer Fluiddruckbereitstellungseinrichtung oder einer Vakuumbereitstellungseinrichtung verbunden werden können.

10
Hauptkörper
12
Anlagefläche
14
Ansaugrillen
16
Substrat
18
Fluidstromkanal
20
Fluiddruckkanal
22
Fluidaustrittsöffnungen
24
Fluidzufuhranschlüsse
26
Fluidströme
F
Kraft


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Temperieren eines Substrats (16), insbesondere eines Wafers, umfassend einen temperierten Hauptkörper (10), welcher aufweist:

– eine Anlagefläche (12) zum Anliegen an das Substrat (16), wobei in bzw. in Nähe der Anlagefläche (12) zumindest eine Fluidaustrittsöffnung (22) ausgebildet ist;

– zumindest einen Fluidzufuhranschluss (24); und

– zumindest einen in dem temperierten Hauptkörper (10) ausgebildeten Fluidstromkanal (18), der den Fluidzufuhranschluss (24) derart mit der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung (22) verbindet, dass ein über den Fluidzufuhranschluss (24) zugeführtes und durch die Fluidaustrittsöffnung (22) austretendes Fluid zwischen der Anlagefläche (12) und dem Substrat (16) einen zumindest teilweise im wesentlichen parallel zur Anlagefläche (12) verlaufenden Fluidstrom (26) derart erzeugt, dass sich durch die aufgrund der Fluidbewegung im Fluidstom (26) bewirkte Erniedrigung des statischen Drucks eine Kraft (F) auf das Substrat mit einer im wesentlichen zur Anlagefläche (12) hin gerichteten Kraftkomponente ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem eine Druckbereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen eines Fluiddrucks am Fluidzufuhranschluss (24) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine Fluidstromkanal (18) in der zumindest einen in der Anlagefläche (12) ausgebildeten Fluidaustrittsöffnung (22) unter einem von 0° verschiedenen Austrittswinkel zu der im Bereich der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung (22) zur Anlagefläche (12) senkrechten Richtung mündet. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Austrittswinkel des zumindest einen Fluidstromkanals (18) im wesentlichen in einem Bereich von mehr als 30°, vorzugsweise im wesentlichen in einem Bereich zwischen 45° und 80°, am meisten bevorzugt bei etwa 60° liegt. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Fluidstromkanal (18) zumindest bereichsweise im wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des Fluids im Fluidstromkanal (18) eine Querschnittsfläche aufweist, die im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,03 mm2 und 3 mm2, vorzugsweise zwischen 0,1 mm2 und 0,5 mm2, am meisten bevorzugt bei etwa 0,2 mm2 liegt. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche der zumindest einen Fluidaustrittsöffnung (22) parallel zur Anlagefläche (12) im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,05 mm2 und 10 mm2, vorzugsweise zwischen 0,2 mm2 und 1 mm2, am meisten bevorzugt bei ungefähr 0,34 mm2 liegt. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei der zumindest eine Fluidstromkanal (18) zumindest bereichsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist, dessen Durchmesser im wesentlichen in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, am meisten bevorzugt im wesentlichen bei 0,5 mm liegt. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Fluidstromkanal (18) über zumindest einen Fluiddruckkanal (20) mit dem Fluidzufuhranschluss (24) verbunden ist und der Fluiddruckkanal (20) eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Fluidstromkanal (18). Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im temperierten Hauptkörper (10) eine Vielzahl von Fluidstromkanälen (18) ausgebildet ist, die in einer Vielzahl von Fluidaustrittsöffnungen (22) münden. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fluidaustrittsöffnungen (22) zumindest teilweise im wesentlichen ringförmig um eine Zentralachse im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind und wobei jeder der Fluidstromkanäle (18) zu der jeweiligen zumindest einen Fluidaustrittsöffnung (22) hin in einer Richtung verläuft, die in einer Ebene mit der Zentralachse liegt und von dieser weg weist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest diejenigen Fluidstromkanäle (18), welche in den Fluidaustrittsöffnungen (22) münden, die im wesentlichen im selben Kreisring um die Zentralachse angeordneten sind, einen betragsmäßig im wesentlichen gleichen Mündungswinkel und eine im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche aufweisen. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im temperierten Hauptkörper (10) zumindest ein Vakuumkanal ausgebildet ist, der in zumindest einer in der Anlagefläche (12) ausgebildeten Ansaugöffnung mündet und mit einem außerhalb der Anlagefläche angeordneten Vakuumanschluss verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei in der Anlagefläche (12) zumindest eine Ansaugrille (14) ausgebildet ist in die der zumindest eine Vakuumkanal mündet.






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