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Dokumentenidentifikation DE102007020532A1 08.11.2007
Titel Mobiler, transportabler, elektrostatischer Substrathalter aus Halbleitermaterial
Anmelder Retzlaff, Udo, 76149 Karlsruhe, DE
Erfinder Retzlaff, Udo, 76149 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 02.05.2007
DE-Aktenzeichen 102007020532
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/68(2006.01)A, F, I, 20070502, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein mobiler, transportabler, unipolarer elektrostatischer Substrathalter zur Halterung von dünnen Wafern beschrieben, der eine ungewollte Entladung über die Kontaktflächen bei feuchter Atmosphäre oder bei Benetzung mit Flüssigkeiten verhindert. Durch die Einführung von pn-Übergängen mit Sperrspannungen innerhalb der Elektrode des halbleitenden Substratmaterials, die Verwendung von mikroskopisch kleinen Kontaktierungskanälen oder den Einsatz von ferroelektrischen Materialien wird ein vorzeitiger Verlust der Haltekraft durch ungewollte Leckströme vermieden. Damit kann diese Handhabungstechnologie auch bei Reinigungs- und Ätzbädern zur Anwendung kommen. Die Substrathalter werden mittels Prozessen und Materialien aus der Halbleiter-Chipproduktion hergestellt und haben deshalb nahezu identische Eigenschaften wie das Transportgut selbst, beispielsweise dünne Suilizium-Wafer, was insbesondere das Kontaminationsrisiko drastisch reduziert und keine Unterschiede bei thermischen Ausdehnungen hervorruft.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen mobilen, transportablen elektrostatischen Substrathalter aus Halbleitermaterial, wobei der mobile Substrathalter nach dem Laden einen aktivierten Zustand beibehält ohne mit einer äußeren Strom- oder Spannungsquelle verbunden zu sein.

Stand der Technik

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: Semi-Conductor Manufacturing, Aug. 2003, 94–106. Die stationären Chucks werden bei ihrem Betrieb fest in Anlagen installiert und können permanent mit Strom versorgt werden. Dadurch sind sie nicht mobil einsetzbar. Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialen zur dielektrischen Isolation kommt es zu unterschiedlichen Leckströmen.

Bei Chucks, die den Johnsen-Rahbeck Effekt ausnutzen, wird der entstehende Stromfluss zu einer Verstärkung der Klemmkraft genutzt. Der dafür benötigte Strom wird aus einer permanent verbundenen Stromquelle bezogen. 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 aufweisen.

Chucks, welche material bedingt nur einen sehr geringen Rest-Stromfluss (Leckstrom) 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). Diese Chucks können sowohl unipolar (zumeist gekoppelt mit einem Plasmaprozess) als auch bipolar betrieben werden.

Die Verfahren zur Umsetzung dieser Wirkprinzipien auf mobile, transportable elektrostatische Haltesysteme sind eingehend in EP 1217655 A1, US 2002/0110449 A1, FR 2774807, US 4551192 sowie WO/02 11184 A1 beschrieben. Mobile, transportable elektrostatische Chucks, hier als Mobile Chucks bezeichnet, werden als mechanische Träger für dünne Substrate genutzt. Mittels dieser Hilfsträgertechnik wird die Handhabung von dünnen Wafern auf bereits existierenden Produktionsanlagen sowie der Transport und die Lagerung zwischen den einzelnen Prozessschritten 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 von mobilen, transportablen, elektrostatischen Substrathaltern, die in DE 203 11 625, DE 20 2004 020 336, DE 20 2005 45 89 und DE 20 2004 010 351 beschrieben sind.

Die bisher vorgeschlagenen Lösungen erfüllen jedoch einige technische und wirtschaftliche Anforderungen an derartige mobile, transportable elektrostatische Substrathalter nur teilweise. Obwohl die Bruchgefahr bei der Handhabung dünner (< 150 &mgr;m) und ultradünner (< 50 &mgr;m) Substrate durch den Einsatz von Mobilen Chucks beim Bearbeiten und Transportieren von Wafern drastisch reduziert wird, bleibt das Problem des Haltekrafterhalts bei feuchter Atmosphäre oder bei Benetzung mit Flüssigkeiten über den Kontaktflächen. Dadurch kann es zu unerwünschten Entladungen und so zum Verlust der Haltekraft kommen. Hierzu zählen unter anderem Schleif-, Fotolithographie-, Nassätz- und Reinigungsteilschritte.

Eines der wesentlichen Merkmale der Mobilen Chucks ist es, das diese nicht permanent mit Strom oder Spannung versorgt werden und deshalb innerhalb und außerhalb von Prozessanlagen mit dem geklemmten Wafer frei beweglich sind. Hierbei wird das Wirkprinzip von Coulomb-Chucks angewendet, mit dem Ziel, möglichst keinerlei Leckströme zuzulassen. Das hat zur Folge, dass hierbei die isolierende Wirkung der dielektrischen Schicht besonders gut sein muss, um eine lange Haltezeit zu erzielen, weil sonst die in der Kondensatorstruktur (Mobile Chuck Elektrode/Dielektrikum/Wafer) gespeicherte Energie sehr schnell aufgebraucht wird. Zudem ist eine gute Isolation der Elektroden gegenüber Feuchtigkeit zu erzielen, weil es sonst zu ungewollten Entladungen über die nach außen führenden Kontakte kommen kann, mit dem Risiko des vorzeitigen Lösens des dünnen Wafer vom Mobilen Chuck. Die Haltekraft von Coulomb-Chucks ist proportional zum Quadrat der angelegten Spannung (U), der Dielektrizitätskonstanten (&egr;r) 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), typisch Materialien mit einem hohen &egr;r-Wert (> 3,5) und möglichst geringe Dicken der dielektrischen Schicht (d). Besonders hohe Haltekräfte lassen sich demnach mit Mobilen Chucks erzielen, die mit Dünnschicht-Technologien hergestellt werden.

Für die Isolierung der nach außen führenden Kontakte werden in den vorher genannten Schutzrechten Lösungen vorgeschlagen, welche aufbauend auf die Kontaktflächen der Elektroden eine Isolation gegenüber der Umwelt (Prozessbedingungen wie Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten) erzielen. Im Einzelnen sind es über den Kontaktflächen aufgebrachte Schutzschichten (so genannte duktile Isolationswerkstoffe) aus Silikon oder Polyethylen-Foilen, ein über den Kontaktflächen zusätzlich aufgebrachter elektrisch isolierender Überzug, z.B. aus einer Halbleiterschicht oder mechanische sowie elektro-magnetische Schalter, die eine ungewollte Entladung des Substrathalters vermeiden sollen. Schutzschichten aus Silikon oder Polyethylen-Foilen haben den Nachteil, dass diese zwischen 10 &mgr;m bis 100 &mgr;m dick sind, was deren Einsatz in Halbleiter-Chipherstellungs-Prozessen begrenzt. Mechanische sowie elektro-magnetische Schalter sind zwar über die Mikrosystemtechnik herstellbar, verursachen aber, wie zusätzliche aufgebrachte Halbleiterschichten, hohe Herstellungskosten. Auch der Aufbau von Schottky Dioden auf den Kontaktflächen ist unzureichend, da hierdurch nur relativ geringe Spannungen gesperrt werden und zudem Schottky Dioden im Bezug zu pn-Dioden den Nachteil relativ großer Leckströme haben.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, kostengünstig mobile, transportable elektrostatische Chucks (Mobile Chucks) herzustellen, die möglichst geringe Leckströme aufweisen und eine gute Isolierung gegenüber ungewollter Entladung über die Kontaktflächen bei feuchter Atmosphäre oder bei Benetzung mit Flüssigkeiten erzielen und unter diesen Bedingungen eine hohe Haltekraft über einen langen Zeitraum aufweisen ohne mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden zu sein.

Die erfindungsgemäße Lösung der vorher genannten Aufgabe wird durch eine Ausgestaltung nach Anspruch 1 gelöst. Hierbei kommt das Prinzip eines unipolaren elektrostatischen Chucks zur Anwendung. Der mobile, transportable unipolare Substrathalter besteht aus einem halbleitendem Substratmaterial (beispielsweise einem Wafer aus Silizium) und ist vollständig von einer dielektrischen Schicht umschlossen. Zur elektrischen Kontaktierung des halbleitenden Substratmaterials sind auf der Rückseite eine oder mehrere Kontaktöffnungen durch die dielektrische Schicht eingebracht. Das zu haltende Substrat, vorzugsweise ein dünner, zu prozessierender Silizium Wafer, wird auf der Vorderseite des mobilen Substrathalters elektrostatisch geklemmt. Hierzu wird der zu prozessierende Wafer auf ein Massepotential gelegt und die Gegenelektrode, der mobile, Substrathalter, wird mit einer positiven oder negativen Potentialdifferenz von 300 Volt beaufschlagt. Dadurch ergibt sich eine lange Zeit anhaltende, genügend große elektrostatische Klemmkraft, welche keine weiteren Elektroden (beispielsweise eine Plasmaquelle) zum Halten, Transportieren und Prozessieren benötigt. Eine permanente Verbindung zu einer Spannungsquelle wird zur Aufrechterhaltung der Klemmkraft nach dem Ladevorgang nicht mehr benötigt. Zudem sind unterschiedlich leitende, dotierte Halbleiterschichten im Substratmaterial aus der Halbleiter-Chipherstellung bekannt. Durch geeignete Dotierung der p- und n-leitenden Schichten lassen sich so pn-Übergänge erzeugen, die innerhalb des halbleitenden Substratmaterials einer Sperrspannung von mehreren hundert Volt widerstehen können, was eine entsprechende Ausbildung der Raumladungszone von typisch bis zu mehreren 100 &mgr;m erfordert. Bei dieser erweiterten Ausgestaltung des Mobilen Chucks mit pn-Übergang ist nur eine der dotierten Schichten direkt elektrisch leitend, über die Kontaktflächen, frei zur Umwelt zugänglich. Alle anderen Bereiche des Halbleitermaterials sind von der dielektrischen Schicht vollständig umschlossen. Beim Mobilen Chuck, der nach dem unipolaren Prinzip aufgebaut ist, befindet sich der zu haltende Wafer auf einem Potential, zum Beispiel negativ (–) und das Substratmaterial befindet sich dann auf positivem (+) Potential. Zwischen dem Wafer (Elektrode 1) und dem Substratmaterial (Elektrode 2) ist eine isolierende Schicht, die den Ladungsaustausch verhindert. Die sich ergebende Struktur bildet somit einen Kondensator aus, der wie ein Platten-Kondensator wirkt. Hierdurch entsteht ein elektrisches Feld was das elektrostatische Klemmen des Wafer auf dem Mobilen Chuck bewirkt. Dabei wirkt das Substratmaterial als unipolare Elektrode, obwohl im Substratmaterial selbst mehrere pn-Übergänge enthalten sein können.

Im Substratmaterial werden beim Ladevorgang des Mobilen Chucks Ladungsträger über die frei liegenden, typisch rückseitig angeordneten Kontaktflächen durch die Sperrschicht injiziert und reichern sich in unmittelbarer Nähe der Isolationsschicht an, die dem Wafer (Elektrode 1) am nächsten liegt. Das wird durch den Effekt einer Metall-Oxid-Semiconductor-Struktur unterstützt, wie sie im gegebenen Aufbau des zu haltenden Wafers auf dem Isolationsoxid des halbleitenden Substratmaterials des Mobilen Chucks gegeben ist. Beim Laden wird die Ladespannung über äußere Kontaktnadeln zugeführt. Danach wird die externe Spannungszufuhr getrennt. Der Platten-Kondensator ist nun aufgeladen (aktiviert) und der Wafer ist unmittelbar anliegend am Mobilen Chuck festgehalten. Im Ersatzschaltbild kann diese Struktur als Kondensator mit in Reihe geschalteter Diode (pn-Übergang) und anschließendem widerstand (Kontaktfenster) darstellt werden. Bei einer ungewollten Entladung, z.B. durch die gleichzeitige Benetzung (Kurzschluss) von geklemmtem Wafer und Rückseiten-Kontakt des Mobilen Chucks, kann die Entladung des Platten-Kondensators nun nicht mehr vollständig erfolgen, weil der im Substratmaterial liegende pn-Übergang der Diode hierbei in Sperrichtung geschaltet ist und somit eine vollständige Entladung des Kandensators unterbindet. Dadurch, dass sich die Raumladungszone der Diode weit in das Substratmaterial hinein ausdehnen kann, können hohe Spannungen gesperrt werden, wodurch die Kraftwirkung des Kondensators, wenn auch leicht gemindert, weiterhin erhalten bleibt. Der zu haltende Wafer bleibt gehalten.

Zusätzliche leitfähige Bereiche können an den Seitenrändern (10) aber auch an der Rückseite des Mobilen Chucks mittels MOS-Effekt erzeugt werden. Hierzu wird eine von außen zugeführte Gatespannung z.B. vom Rand des Mobilen Chucks aus, über das Isolationsoxid in das halbleitende Substratmaterial eingekoppelt. Diese Gatespannung kann beispielsweise durch einen umfassenden, eng anliegenden Metallring zugeleitet und typisch mit Gleichspannung aber sogar auch mit Wechselspannung betrieben werden. Hierdurch wird ein elektrisch leitender Inversionskanal (Enhancement/Depletion) im Substratmaterial des Mobilen Chucks erzeugt. Der Effekt ist von MIS-Feldeffekttransistoren her bekannt. Dieser Inversionskanal kann so beispielsweise zur schnellen Ladung/Entladung des Mobilen Chucks genutzt werden, wobei der erste sperrende pn-Übergang umgangen wird.

Zudem wird erfindungsgemäß eine zusätzliche, dielektrische Deckschicht über den Kontakten erzeugt. Diese zusätzliche dielektrische Deckschicht mit vorzugsweise hohem &egr;r-Wert aus beispielsweise Blei-Barium-Strontiumtitanat oder auch Yttriumoxid, ist so ausgelegt, dass sie bei hinreichend großer Spannung (der Ladespannung) elektrisch durchbricht und somit den Ladevorgang ermöglicht. Die Spannungsfestigkeit der dielektrischen Schicht über den Kontakten ist demnach geringer als die Spannungsfestigkeit der eigentlichen Dielektrischen Schicht des Mobilen Chucks. Beim ersten Durchbruch bildet sich ein mikroskopisch feiner Kanal von wenigen Mikro- oder Nanometern heraus. Dieser Kanal reduziert die wirksame Kontaktfläche drastisch, die üblicherweise mehr als einen Millimeter Durchmesser hat. Bei weiteren Aufladevorgängen wird der bereits existierende, mikroskopisch kleine Kanal weiterhin verwendet. Hierbei kann ein kleiner Versatz der bevorzugt verwendeten Kontaktnadeln dadurch kompensiert werden, dass Oberflächen-Ströme den Strompfad wieder zum bereits existierenden mikroskopisch kleinen Kanal führen (schwächste Stelle der Isolation). Somit liegt nunmehr nur noch eine mikroskopisch kleine Kontaktöffnung vor. Diese mikroskopisch kleinen Kontaktöffnungen sind sehr schwer mit Flüssigkeiten zu benetzen. Das ist für die Isolation der Kontakte gegenüber feuchter Umweltbedingungen von Vorteil. Durch geeignete Reinigungsverfahren der Halbleiterindustrie lassen sich zudem hydrophobe Oberflächen auf der dielektrischen Deckschicht herstellen, wodurch eine mögliche Benetzung, verbunden mit erhöhter Leitfähigkeit der Kanäle, verhindert wird. Mikroskopisch kleine Kontaktöffnungen werden alternativ auch mit anderen Verfahren wie Laserbohren erzeugt. Um das Eindringen von Flüssigkeiten in kleine Öffnungen zu verhindern kann zusätzlich eine poröse Schicht PTFE (Polytetrafluorethylen) aufgebracht werden, welche so ausgeführt ist, dass diese Schicht wie eine Membran mit feinsten Poren wirkt. Die Verfahren hierzu sind aus der Beschichtung von Textilien bekannt. Die erzeugten Poren sind groß genug um Wasserdampf durchzulassen, nicht aber Wasser in flüssiger Form. Beim ungewollten Entladevorgang reduzieren die beschriebenen Deckschichten zusätzlich oder anstelle der bereits beschriebenen pn-Sperrschicht ein vorzeitiges, schnelles und vollständiges entladen des Mobilen Chucks.

Dielektrische Deckschichten aus Bariumtitanat oder auch Blei-Barium-Strontiumtitanat besitzen ferroelektrische Eigenschaften. Das bedeutet, dass sie bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur sehr hohe &egr;r-Werte (bis zu 1000) erreichen können. Oberhalb der Curie-Temperatur wird die einheitliche Ausrichtung der Dipole dieser Deckschichten durch thermische Schwingungen zerstört und die &egr;r-Werte werden stark reduziert (typisch < 10). Es kommt dadurch zu einer stark erhöhten Leitfähigkeit der Schicht. Die Curie-Temperatur von Bariumtitanat liegt bei ca. 120 C. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß ausgenutzt, indem das Laden und Entladen der Mobilen Chucks bei einer Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erfolgt. Hierbei liegt ein geringer &egr;r-Wert vor. Da oberhalb der Curie-Temperatur auch große Leckströme fließen, kann die feroelektrische Deckschicht auch als elektrischer Widerstand ausgelegt werden, so dass das Laden und Entladen des Substrathalters ohne Zerstörung der Schicht erfolgt. Die Erwärmung einer dielektrischen Deckschicht kann lokal begrenzt, an den Kontaktfenstern, erfolgen. Hierzu können zum Beispiel beheizbare Kontaktnadeln verwendet werden, welche lokal eine Temperatur erzeugen, die höher als die Curie-Temperatur ist. Die typische Einsatztemperatur von Nassätz- und Reinigungsbädern sowie bei Schleif- und Fotolithographie-Teilschritten bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen liegen unter 120 C. Für Einsatztemperaturen unterhalb der Curie-Temperatur kommen dann die ferroelektrischen Eigenschaften wieder zum Tragen und so ist eine stark erhöhte Isolationseigenschaft der Deckschichten die Folge. Die Entladung der Mobilen Chucks wird bei ferroelektrischen Deckschichen wieder bei Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur vorgenommen. Damit werden Schutzmechanismen gegen das ungewollte Entladen von Mobilen Chucks beschrieben, welche die gestellte Aufgabe lösen.

Ausführungsbeispiele

In folgenden Ausführungsbeispielen soll unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen die Erfindung näher erläutert werden. Die in den Zeichnungen dargestellten unterschiedlich dotierten Gebiete des Substratmaterials sind in den Ausführungsbeispielen für den Fall einer positiven Ladespannung am Substratmaterial ausgewählt. Für den Fall einer negativen Ladespannung werden die p-Gebiete auf n-Gebiete etc. entsprechend umgestellt (hier nicht dargestellt). 1 zeigt einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1) aus halbleitendem Substratmaterial (3) mit Wafer (2) und der dielektrischen Schicht (4). 2 zeigt gemäß der Erfindung einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1) mit geklemmtem Wafer (2) mit unterschiedlich dotierten, aufeinander folgenden Halbleiterschichten (7, 8, 9) des Substratmaterials (3) beim Ladevorgang. Hierbei ist der erste pn-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet und Ladungsträger (6) werden injiziert. 3 zeigt einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1) mit geklemmtem Wafer (2) mit unterschiedlich dotierten Schichten (7, 8, 9) des Substratmaterials (3) beim ungewollten Entladevorgang. Dabei ist der erste pn-Übergang in Sperrichtung geschaltet und verhindert somit ein vollständiges Entladen des Mobilen Chucks (1). Durch die beibehaltene Restspannung kann der geklemmte dünne Wafer (2) weiterhin festgehalten werden, bis der Prozessdurchlauf beendet ist. 4 zeigt einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks (1) mit geklemmtem Wafer (2) beim Umpolen. 5 zeigt einen Querschnitt eines unipolar aufgebauten Mobilen Chucks mit geklemmten Wafer beim Entladen. Durch vorheriges umpolen des Mobilen Chucks (1) ist nun der erste pn-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet. 6 zeigt einen Querschnitt mit unterschiedlich dotierten, aufeinander folgenden Halbleiterschichten (8, 9), wobei der Bereich (9) nur lokal begrenzt in das Substratmaterial (3) eingebracht wird.

Im ersten Ausführungsbeispiel wird eine Kondensatorstruktur eines unipolaren Mobilen Chucks (1) mit geklemmtem Wafer (2) dargestellt, wie in 1 beschrieben. Der Mobile Chuck (1) besteht aus einem beidseitig polierten Silizium Wafer als halbleitendes Substratmaterial (3), einer 3,5 &mgr;m dicken dielektrischen Schicht (4) aus Siliziumdioxid und 100 nm Siliziumnitrid und die darin eingebrachten Kontaktöffnungen (5). Die Kontaktöffnungen (5) reichen dabei bis auf das Halbleitermaterial (3) hindurch und dienen der Kontaktierung des Mobilen Chucks (1) beim Laden und Entladen. Dabei bildet der zu haltende Wafer (2) die erste Elektrode und das Halbleitermaterial (3) die zweite Elektrode der Kondensatorstruktur. Beide Elektroden werden durch die dielektrische Schicht (4) voneinander elektrisch getrennt.

Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung von 300 Volt, wie in 2 dargestellt, kommt es zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen dem negativ geladenen Wafer (2) und dem positiv aufgeladenen Halbleitermaterial (3). Hierdurch wird der Wafer (2) an den Mobilen Chuck (1) angezogen und somit elektrostatisch gehalten (aktivierter Zustand). Im halbleitenden Substratmaterial (3) sind erfindungsgemäß unterschiedlich dotierte Bereiche (7, 8, 9) einbracht. Das Substratmaterial (3) ist ein Silizium Wafer, Phosphor dotiert, n-leitend mit einem spezifischen Widerstand von 10–20 Ohm·cm. Dieser n-leitende Sperrbereich (8) hat die geringste Dotierung. Deshalb erstreckt sich auch die Raumladungszone einer Sperrschicht hauptsächlich in diesen Bereich. Die Durchbruchsspannungsfestigkeit des pn-Übergang ist dabei so ausgelegt, dass zur Vermeidung von Punch-Through-Effekten, Lawinendurchbrüchen und für geringe Leckströme eine doppelt höhere Sperrspannungsfestigkeit des pn-Überganges angestrebt wird als die Ladespannung ist. Die Dicke dieses Bereiches (8) liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei 350 &mgr;m. Zur besseren Akkumulation der Ladungsträger ist an der den dünnen Wafer klemmenden Seite des Mobilen Chucks eine p+-leitende Schicht (7) mit einer Tiefe von ca. 1 &mgr;m eingebracht. Im aufgeladenen Zustand des Mobilen Chucks (1) reichern sich hier positive Ladungsträger an. Durch einen negativ geladenen Wafer (2) kommt es zur Bildung von Dipolen in der dielektrischen Schicht (4), wodurch positive Ladungsträger im Bereich (7) erzeugt werden. Auf der entgegen gesetzten Seite wird im Substratmaterial (3) eine p-leitende Schicht (9) mit ca. 5 &mgr;m Tiefe erzeugt. Dieser Bereich (9) ist nur geringfügig höher dotiert als der n-leitende Bereich (8). Hierdurch kann zwischen den Bereichen (8) und (9) ein erster pn-Übergang erzeugt werden. Auf Grund seiner geringen Dotierung ist dieser Bereich hoch spannungsfest (mehrere hundert Volt), wenn er in Sperrichtung betrieben wird. Da der Bereich (9) unmittelbar zur Kontaktierung des Mobilen Chucks (1) dient, kann man zudem einen hier nicht dargestellten p+-leitenden Bereich zur Ankontaktierung des Bereiches (9) einfügen. Beim Aufladen des Mobilen Chucks (1) werden positive Ladungsträger (6) durch Bereich (8) vom Bereich (9) aus in den Bereich (7) injiziert, wie in 2 dargestellt. Dabei ist die durch Bereich (8) und (9) gebildete Diode in Durchlassrichtung geschaltet.

Der Substrathalter befindet sich nun im aktivierten Zustand und kann ohne Verbindung zu einer externen Spannungsquelle frei bewegt werden. Kommt es nun bei der Handhabung oder Prozessierung zu einer ungewollten Entladung des Verbundes aus Mobiler Chuck (1) und gehaltenen Wafer (2), dann ist der Bereich (7) positiv geladen (+) und ein negatives Potential (–) liegt an den Kontaktflächen (5) an, wie es in 3 dargestellt ist. Hierbei ist der erste pn-Übergang, der aus den Bereichen (9) und (8) gebildeten Diode nun in Sperrichtung geschaltet. Beim Umschalten der Diode kommt es zur Ausbildung einer Sperrschichtkapazität des ersten pn-Übergangs, was einen geringen Entladungsstrom verursacht. Da aber eine erhebliche Restspannung im Mobilen Chuck (1) erhalten bleibt, wird eine ungewollte, vollständige Entladung des Mobilen Chucks verhindert. Dadurch bleibt der Wafer (2) weiterhin geklemmt und kann weiter prozessiert werden. Um den Wafer (2) wieder vom Mobilen Chuck (1) zu trennen, müssen die Ladungen wieder ausgeglichen werden. Dazu ist es notwendig den ersten pn-Übergang in Durchlassrichtung zu betreiben. Das kann erreicht werden, indem nun eine Umpolung des Wafers (2) und des Mobilen Chucks (1) vorgenommen wird, wie es in 4 dargestellt ist. Anschließend kann durch gezielten Kurzschluss zwischen Wafer (2) und Mobilem Chuck (1) eine Entladung erzielt werden, wie in 5 gezeigt. Hierbei ist nun der erste pn-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet. Danach kann der dünne Wafer wieder vom Mobilen Chuck abgenommen werden.

Im zweiten Ausführungsbeispiel soll unter Bezugnahme auf 6 ein Mobiler Chuck (1) mit lokal begrenztem pn-Übergang näher erläutert werden. Der dotierte Bereich (9) ist hierbei lokal begrenzt in den Bereich (8) eingebracht. Das hat den Vorteil, dass in dieser Ausführungsform ein pn-Übergang erzeugt wird, welcher auf Grund seiner geringen geometrischen Ausdehnung nur eine geringe Sperrschichtkapazität aufweist. Hierdurch werden auch die Leckströme der in Sperrichtung geschalteten Diode, gebildet aus dem pn-Übergang der Bereiche (8) und (9), reduziert. Da die dielektrische Schicht (4) eine Dicke von 2 &mgr;m hat, kann das Einbringen des dotierten Bereiches (9) nach der Öffnung der Kontaktfenster (5) erfolgen. Durch Implantation von z.B. Bor in die Kontaktfenster hinein und anschließender Tiefendiffusion wird ein lokal eng begrenzter Bereich (9) eingebracht. Dabei wirkt die dielektrische Schicht (4) als Implantationsmaske und der Bereich (9) wird somit selbstpositionierend zur Kotaktfensteröffnung erzeugt.

Zur Verbesserung der Ätzresistenz werden dünne Schichten aus PTFE (Teflon) oder andere geeignete Materialien lokal begrenzt oder ganzflächig auf die dielektrische Schicht (4) abgeschieden, die auf Grund ihrer chemischen Resistenz die Lebensdauer der Mobilen Chucks in Reinigungs- und Ätzbädern als auch die Spannungsfestigkeit der dielektrischen Schicht (4) erhöhen. Zur Verlängerung der Lebensdauer der mit PTFE beschichteten Mobilen Chucks trägt auch der so erzeugte mechanische Schutz gegen Oberflächenkratzer und ähnliche mechanische Abnutzung beim Aufeinanderlegen von zwei glatten Flächen bei. Zudem zeichnet sich insbesondere PTFE durch eine Temperaturstabilität bis 260 C und eine geringe Oberflächenspannung aus, was für die Erzeugung hydrophober Oberflächen von Vorteil ist und auch dazu führt, dass selbst kleine Partikel kaum haften bleiben. Auch zusätzliche Schichten aus Y2O3 können zur Verstärkung der dielektrischen Schicht (4) verwendet werden. Hierdurch wird der Ätzabtrag der dielektrischen Schicht (4) insbesondere bei CF4/O2-Plasmaprozessen drastisch gemindert.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich mobile elektrostatische Substrathalter in einfacher und kostengünstiger Art und Weise mittels Prozessen und Materialien aus der Halbleiter-Chipproduktion herzustellen und das ungewollte, vollständige Entladen der Mobilen Chucks mit dem geklemmten Wafer zu verhindern. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, daß auf Grund der weit entwickelten Dünnschicht-Halbleitertechnologie in Chipfabriken dünne, defektarme, fast defektfreie Schichten auf Silizium Wafern und somit Mobile Chucks hoher Haltekraft und langer Haltezeit hergestellt werden können. Die Produktion und der Einsatz der Mobilen Chucks in Reinräumen hat den Vorteil, dass die Anzahl und Größe aufliegender Partikel drastisch reduziert werden können, was für den Aufbau einer großen elektrostatischen Haltekraft wichtig ist. Durch die Einführung von pn-Übergängen mit Sperrspannungen innerhalb der Elektrode des Substratmaterials, die Verwendung von mikroskopisch kleinen Kontaktierungskanälen oder den Einsatz von ferroelektrischen Materialien ist es möglich die Mobilen Chucks in feuchter Atmosphäre sowie in Reinigungsbädern zu betreiben, da eine vollständige Entladung – und somit der Verlust des geklemmten Wafers – verhindert wird. Wenn auch die Haltekraft durch eine teilweise Entladung geschwächt wird, so kann doch die angestrebte Handhabung auch in feuchter Prozessumgebung erfolgreich beendet werden, ohne dass der Wafer sich löst. Hiernach hergestellte mobile, transportable elektrostatische Substrathalter mit nahezu identischen Eigenschaften wie das Transportgut selbst, in diesem Fall die Silizium Wafer, reduzieren insbesondere das Kontaminationsrisiko und das Risiko von mechanischen Spannungen durch Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten drastisch.

1
Mobiler transportabler unipolarer elektrostatischer Substrathalter, (Mobiler Chuck)
2
Wafer (Elektrode 1)
3
Halbleiter-Substratmaterial (Elektrode 2)
4
Dielektrische Schicht, (Isolationsoxid)
5
Kontaktöffnung auf der Rückseite des Mobilen Chucks
6
Ladungsträger
7
Dotierte Halbleiter-Schicht – p+-leitend
8
Dotierte Halbleiter-Schicht – n–-leitend
9
Dotierte Halbleiter-Schicht – p–-leitend
10
Seitenrand des Mobilen Chucks


Anspruch[de]
Mobiler, transportabler, elektrostatischer Substrathalter (1) aus halbleitendem Substratmaterial (3), wobei der mobile Substrathalter (1) nach dem Ladevorgang den dünnen Wafer (2) bis zu mehreren Sunden festhält und den Transport sowie die Durchführung von Prozessschritten erlaubt, ohne eine permanente Verbindung zu einer Strom- oder Spannungsquelle zu haben und die Größe und Dicke der Kombination aus mobilem Substrathalter und dünnem Wafer ähnlich groß, formstabil und dick ist wie ein standardisierter Wafer, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) dass das Substratmaterial (3) als unipolare Einzelelektrode ausgeführt ist,

b) dass das Substratmaterial (3) aus mindestens zwei unterschiedlich leitenden, aufeinander folgenden Halbleiterschichten (8, 9) besteht,

c) dass so bei ungewollter Entladung über die Kontaktflächen (5) eine Sperrspannung an mindestens einem pn-Übergang ausgebildet ist.
Substrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Kontaktflächen (5) eine zusätzliche dielektrische Deckschicht ausgebildet ist, in welche mikroskopisch kleine Kanäle eingebracht sind und dass über den Kontaktflächen (5) eine hydrophobe Oberfläche ausgebildet ist, die den Eintritt von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit in die mikroskopisch kleinen Kanäle durch spezifische Kombination der dielektrischen Deckschicht und des Reinigungsverfahren des Substrathalters verhindert. Substrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Kontaktflächen (5) eine poröse PTFE Schicht aufgebracht ist, die als Membran das Eindringen von Flüssigkeiten verhindert. Mobiler, transportabler, elektrostatischer Substrathalter (1) aus halbleitendem Substratmaterial (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial (3) als unipolare Einzelelektrode ausgeführt ist und aus mindestens zwei unterschiedlich hoch dotierten Bereichen (Donatoren n, n+ oder Akzeptoren p, p+) besteht und so ein geringer Kontaktwiderstand zum schellen Laden und Entladen erzeugt ist. Substrathalter nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich ausgebildete dielektrische Deckschicht über den Kontaktflächen (5) aus ferroelektrischem Material aufgebaut ist. Substrathalter nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schicht aus PTFE lokal begrenzt oder ganzflächig auf die dielektrische Schicht (4) aufgebracht ist. Substrathalter nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schicht aus Yttriumoxid oder Hafniumoxid lokal begrenzt oder ganzflächig auf die Kontaktflächen (5) oder die dielektrische Schicht (4) aufgebracht ist. Methode zum Laden und Entladen eines Mobilen unipolaren Substrathalters aus halbleitendem Substratmaterial (3) mit einem pn-Übergang (8, 9) innerhalb des Substratmaterials (3) welcher eine innere Diode erzeugt, gekennzeichnet dadurch, dass:

a) beim Laden die Polarität des zu klemmenden Wafers (2) und die Polarität an den Kontaktflächen (5) des mobilen Substrathalters (1) so gewählt ist, dass die Diode des pn-Übergangs (8, 9) in Durchlassrichtung gepolt ist,

b) nach dem Laden die unipolare Elektrode des Substratmaterials (3) den Wafer (2) festhält ohne weiterhin mit einer externen Strom- oder Spannungsquelle verbunden zu sein,

c) für den Entladevorgang die Polarität des zu klemmenden Wafers (2) und die Polarität an den Kontaktflächen (5) des mobilen Substrathalters (1) umgepolt wird und in einem weiteren Schritt ein Kurzschluss zwischen dem mobilen Substrathalter (1) und dem Wafer (2) hergestellt wird welcher die Ladungen ausgleicht.
Methode zum Laden und Entladen eines Mobilen unipolaren Substrathalters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gatespannung an den Rand des halbleitenden Substratmaterials (3) angelegt wird und so ein Inversionskanal erzeugt ist, der innerhalb des Substratmaterials die Verarmungszonen kurzschließt. Methode zum Laden und Entladen eines Mobilen unipolaren Substrathalters nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzlich ausgebildete dielektrische Deckschicht über den Kontaktflächen (5) aus ferroelektrischem Material aufgebaut ist wobei das Laden und Entladen bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der Curie-Temperatur des ferroelektrischen Materials liegt.






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