DE102019101657A1

DE102019101657A1 - Haltevorrichtung zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils mit einem durch Diffusionsbonden gefügten Grundkörper und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102019101657A1
Application number: DE102019101657.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Höscheler; David Kieven; Marcel Ziemann; Carsten Pampuch
Original assignee: Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH and Co
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23
Also published as: GB202000854D0; US11201075B2; US20200234992A1; GB2581267B; JP2020145413A; GB2581267A

Abstract

Eine Haltevorrichtung 100, die zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils 1, insbesondere eines Wafers, eingerichtet ist, umfasst einen elektrisch isolierenden Grundkörper 10, der ein erstes Paar von Grundkörperplatten 11, 12 umfasst, die über eine Fügeverbindung flächig miteinander verbunden sind, und eine Elektrodeneinrichtung 20 mit mindestens einer Elektrodenschicht 21, die zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft angeordnet ist und sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten 11, 12 entlang der Fügeverbindung erstreckt, wobei die Fügeverbindung eine Diffusionsbondverbindung 13 umfasst, wobei die mindestens eine Elektrodenschicht 21 flächig mit der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte 11, 12 verbunden ist, und die mindestens eine Elektrodenschicht 21 einen Kontaktabschnitt 22, 22A aufweist, der für eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht 21 angeordnet ist. Es werden auch Verfahren zur Herstellung der Haltevorrichtung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils, insbesondere eines Halbleiterwafers. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung der Haltevorrichtung. Anwendungen der Erfindung sind bei der Bereitstellung von Geräten oder Werkzeugen zur Halterung von Bauteilen mit elektrostatischen Kräften, insbesondere zur Halterung von Halbleiterwafern, wie z.B. Siliziumwafern, gegeben.
In der vorliegenden Beschreibung wird auf den folgenden Stand der Technik Bezug genommen, der den technischen Hintergrund der Erfindung darstellt:

[1] US 7 092 231 B2 ;
[2] US 6 864 957 B2 ;
[3] US 2015/0348816 A1 ;
[4] US 5 998 049 A ;
[5] US 2011/0288648 A1 ;
[6] O. M. Akselsenin „J. of Material Science" 27 (1992), 569 - 579;
[7] Dunbar P. Birne Illin „J. of the American Ceram. S." C-33 - C-35 (2) (1986);
[8] US 2011/0288648 A1 ;
[9] Thomas J. Moore in „Material Science and Engineering" B 176. 60 - 64 (2011);
[10] Michael C. Halbig et al. Präsentation „Diffusion Bonding of Silicon Carbide Ceramics Using Titanium Interlayer" NASA, 22.01.2006 (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060051742.pdf); und
[11] EP 76467 B1 .

Eine elektrostatische Haltevorrichtung, die auch als elektrostatische Klemmvorrichtung, elektrostatischer Clamp (ESC) oder elektrostatischer Chuck bezeichnet wird, weist allgemein einen plattenförmigen Grundkörper zur Aufnahme des Bauteils und eine Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft oder, bei Bezug auf die Fläche, eines elektrostatischen Klemmdrucks auf [1, 2]. Der Grundkörper kann z. B. einstückig aus einer Platte oder mehrlagig aus mehreren Grundkörperplatten aufgebaut sein. Die Elektrodeneinrichtung kann z. B. zwei dünne, halbkreisförmige Elektrodenschichten umfassen, die zwischen Grundkörperplatten eingebettet und durch einen Isolationsbereich voneinander getrennt sind. Bei Beaufschlagung der Elektrodenschichten mit einer elektrischen Spannung wird aufgrund des Coulomb'schen Gesetzes ein auf dem Grundkörper aufliegendes Bauteil angezogen und in Position gehalten.
Elektrostatische Clamps werden z. B. zur Positionierung von Halbleiterwafern, insbesondere Siliziumwafern, während verschiedener Bearbeitungsschritte in der Chip-Fertigung, wie beispielsweise der lithografischen Belichtung, dem 3D-Wafer-Bonden, dem optischen Inspizieren und/oder anderen Herstellungsschritten, verwendet. Für diese Anwendung ist der Grundkörper typischerweise an mindestens einer Oberfläche mit vorstehenden Noppen ausgestattet, deren Stirnflächen eine Auflagefläche für das gehalterte Bauteil (Noppenauflage-Ebene) aufspannen.
Bei der Prozessierung von Halbleiterwafern werden extreme Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung der Halbleiterwafer gestellt. So werden bei der lithografischen Belichtung von Halbleiterwafern Linienbreiten von 10 nm oder einigen wenigen 10 nm erzeugt. Die erforderliche Positioniergenauigkeit liegt dann bei wenigen nm. Eine andere herausfordernde Aufgabe ist das 3D-Wafer-Bonden, bei dem zwei oder mehr Wafer gebondet und kontaktiert werden. Beim Kontaktieren werden metallische Lote, wie beispielsweise auf der Basis von Cu, verwendet. Dabei werden sehr kleine Abstände der Lötkontakte zueinander gefordert. Neben der hohen Positioniergenauigkeit besteht des Weiteren die Anforderung einer hohen Temperaturstabilität, typischerweise im Bereich von 250 °C bis 500 °C, um die Lötung der Kontaktierungen zwischen den Wafern zu ermöglichen.
Insbesondere aufgrund der genannten Anforderungen besteht ein Interesse an elektrostatischen Clamps mit einer hohen geometrischen und thermischen Stabilität. Die Grundkörperplatten werden daher typischerweise aus keramischen Werkstoffen, wie z. B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, oder Aluminiumoxid hergestellt. Diese verbinden besonders gute elektrische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Durchschlagsfestigkeit, einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine hohe Permittivität, mit günstigen thermischen und mechanischen Eigenschaften. Thermische Eigenschaften sind die Wärmeleitfähigkeit, die möglichst hoch, sowie die thermische Wärmeausdehnung, die möglichst gering sein soll, damit die hohe Präzision bei der Halterung des Halbleiterwafers in lateraler Richtung auch bei Temperaturschwankungen gewährleistet ist. Mechanische Eigenschaften sind die Biegebruchfestigkeit, die Härte und die Bruchzähigkeit.
Die Verwendung keramischer Werkstoffe kann jedoch eine Herausforderung bei der Herstellung und dem Betrieb von Clamps darstellen. Um einen mehrlagigen elektrostatischen Clamp mit mehreren Grundkörperplatten herzustellen und insbesondere die Grundkörperplatten miteinander und mit der Elektrodeneinrichtung zu verbinden, werden bisher die Fügeverfahren Kleben (siehe z. B. [3]), anodisches Bonden oder gemeinsames Sintern von leitfähigen und nicht leitfähigen Schichten verwendet.
Kleben kann von Nachteil sein, wenn Klebstoffe nach dem Aushärten noch nachpolymerisieren und so eine dauerhafte geometrische Stabilität nur beschränkt gewährleisten können. Des Weiteren ist die thermische Stabilität geklebter Clamps beschränkt. Geklebte Clamps sind daher für viele Anwendungen bei der Halterung von Wafern nur begrenzt geeignet.
Ein Nachteil des anodischen Bondens kann in den thermischen Prozessbedingungen des Verfahrens und der begrenzten Zahl geeigneter Werkstoffe bestehen. Es werden beim anodischen Bonden zwischen den Fügepartnern typischerweise Glaslagen verwendet, die jedoch thermisch isolieren und so den nötigen Wärmefluss innerhalb des Bauteils stark beeinträchtigen. Außerdem sind elektrisch leitfähige Gläser, wenn sie als Elektrode verwendet werden, im Vergleich zu keramischen Materialien problematisch, weil Gläser relativ weich und wenig beständig gegen Abrieb durch den Hableiterwafer sind, weshalb im Laufe der Zeit die Präzision des Bauteiles leidet.
Beim gemeinsamen Sintern von leitfähigen und nicht leitfähigen Schichten werden beispielsweise Drahtgeflechte aus Wolfram oder Molybdäns in die Keramik eingesintert, oder es wird z. B. Siliziumnitrid mit Molybdänsilizid oder Titannitrid dotiert, um es elektrisch leitfähig zu machen [4]. Es entsteht dann ein Clamp aus verschiedenen Lagen von leitfähigem und nicht leitfähigem Siliziumnitrid. Da diese Komponenten durch Kombinieren von dotierten und nicht dotierten Pulvern in der Heißpresse erzeugt werden und es beim Sintern zu einem nicht vorher bestimmbaren Schrumpf kommt, ist die Genauigkeit der Herstellung des Clamps stark beschränkt. Dieser Nachteil besteht in gleicher Weise für Komponenten mit Drahtgeflecht.
Häufig ergibt der herkömmliche Multischichtaufbau eines Clamps mit mehreren Grundkörperplatten eine lange, nahezu voll-serielle Prozesskette mit hohen Kosten, beschränkter Ausbeute, einem hohen Aufwand und hohen Kosten durch Nacharbeiten in der Fertigung und lange Lieferzeit. Wenn die Noppen aus einem weichen Dielektrikumsmaterial (z.B. Glas) bestehen, weisen sie eine geringere Verschleißfestigkeit auf als Keramik-Noppen. In diesem Fall erhöhen zusätzlich aufgebrachte Verschleißschutzschichten noch den Fertigungsaufwand, und sie erfordern eine Erneuerung in regelmäßigen Zyklen.
Die genannten Probleme treten nicht nur bei Haltevorrichtungen zur Halterung von Halbleiterwafern, sondern auch bei anderen Anwendungen auf, wie z. B. bei Haltevorrichtungen zur Halterung von Glasplatten.
Ein weiteres, allgemein bekanntes Fügeverfahren zur Herstellung hochfester Verbindungen ist das Diffusionsbonden, bei dem Platten, Scheiben oder andere keramische Komponenten in einer uniaxialen Heißpresse unter Druck und Wärme miteinander verbunden werden (siehe z. B. [5, 6]). Je nach Diffusionsfähigkeit der Werkstoffe können dabei unterschiedliche Oberflächenqualitäten, Temperaturen und Drücke verwendet werden. Das Diffusionsbonden von Werkstoffen, die eine geringe Eigendiffusion besitzen [9], kann durch eine Zwischenschicht (Diffusionsbondschicht) unterstützt werden (siehe z. B. [8, 9, 10, 11]). Anwendungen des Diffusionsbondens sind bisher auf die Verbindung von Fügepartnern mit einfachen, unstrukturierten Oberflächen mit einer extrem hohen Planarität beschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Haltevorrichtung zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils, insbesondere eines Halbleiterwafers, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Haltevorrichtung soll insbesondere mit einem vereinfachten Verfahren herstellbar sein, eine erhöhte geometrische und thermische Stabilität aufweisen, ein Bauteil mit hoher Präzision haltern können und/oder Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, insbesondere oberhalb von 350 °C, tolerieren. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Das Verfahren soll sich insbesondere durch eine vereinfachte Herstellung der Haltevorrichtung auszeichnen, eine hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität des Clamp-Designs ermöglichen und/oder gegenüber hohen Temperaturen unempfindlich sein.
Diese Aufgaben werden durch eine elektrostatische Haltevorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine elektrostatische Haltevorrichtung zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils, insbesondere eines Halbleiterwafers, wie z.B. eines Siliziumwafers, gelöst, die einen elektrisch isolierenden, mehrlagigen Grundkörper und eine Elektrodeneinrichtung umfasst. Der Grundkörper umfasst mindestens zwei elektrisch isolierende Grundkörperplatten (erstes Paar von Grundkörperplatten), die über eine Fügeverbindung flächig miteinander verbunden sind. Die Grundkörperplatten sind zwei Komponenten, die sich in einer Hauptebene erstrecken und vorzugsweise wenigstens an den zueinander weisenden Seiten ebene Oberflächen aufweisen. Die Richtung entlang der Ausdehnung parallel zur Hauptebene wird auch als laterale Richtung und die dazu senkrechte Richtung als Dickenrichtung bezeichnet. Die Grundkörperplatten können auch als Scheiben, Lagen, Blätter oder Schichten bezeichnet werden. Sie können jeweils einstückig aus einem einzigen Material oder aus mehreren Materialien hergestellt sein. Des Weiteren können die Grundkörperplatten aus gleichen oder verschiedenen Materialien hergestellt sein und gleiche oder verschiedene Dicken aufweisen. Insbesondere kann eine der Grundkörperplatten eine größere Dicke als die andere Grundkörperplatte aufweisen und eine Trägerplatte (oder Basisplatte) bilden, während die andere Grundkörperplatte entsprechend eine geringere Dicke aufweisen und ein Dielektrikum zur Einstellung von dielektrischen Eigenschaften der Haltevorrichtung bilden kann. An den voneinander wegweisenden Seiten können die Grundkörperplatten ebenfalls ebene Oberflächen oder alternativ strukturierte Oberflächen aufweisen. Strukturierte Oberflächen umfassen z. B. vorstehende Noppen, deren Stirnflächen die Noppenauflage-Ebene aufspannen, oder Vertiefungen zur Bildung von Temperierungsmittelleitungen, z. B. Kühlkanäle.
Die Elektrodeneinrichtung umfasst mindestens eine, insbesondere ein- oder mehrlagige, Elektrodenschicht, die zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft konfiguriert ist und sich parallel zur vorzugsweise ebenen Ausdehnung der Grundkörperplatten, d. h. vorzugsweise parallel zu deren Hauptebene entlang der lateralen Ausdehnung der Fügeverbindung erstreckt. Die mindestens eine Elektrodenschicht ist vorzugsweise mindestens eine flächig durchgehende (ununterbrochene) Lage aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere mit einer derart hohen elektrischen Leitfähigkeit, dass bei Beaufschlagung der Elektrodenschicht mit einer elektrischen Spannung relativ zum Erdpotential, dem Potential einer weiteren Elektrodenschicht und/oder dem Potential eines von der Halteeinrichtung getragenen Bauteils eine verzögerungsfreie Erzeugung der Haltekraft ermöglicht wird. Der spezifische elektrische Widerstand der Grundkörperplatten und optional mindestens eines Isolationsbereichs in lateraler Richtung zwischen Elektrodenschichten (siehe unten) ist vorzugsweise größer als 10³ Ω · cm, besonders bevorzugt größer als 10¹² Ω · cm, insbesondere größer als oder gleich 10¹⁵ Ω · cm, während der spezifische elektrische Widerstand der mindestens einen Elektrodenschicht vorzugsweise kleiner als 10 Ω · cm, besonders bevorzugt kleiner als 0,1 Ω · cm, insbesondere kleiner als oder gleich 0,01 Ω · cm ist. Die Dicke der mindestens einen Elektrodenschicht ist vorzugsweise im Bereich von 30 nm bis 3000 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 nm bis 1000 nm gewählt. Die mindestens eine Elektrodenschicht erstreckt sich in lateraler Richtung über die gesamte Verbindungsfläche der Grundkörperplatten oder über einen Teil der Fläche der Fügeverbindung (Verbindungsfläche). Im letzteren Fall kann die mindestens eine Elektrodenschicht z. B. zum Rand der Verbindungsfläche hin einen Abstand aufweisen. Abschnitte zwischen den Grundkörperplatten, in denen in dem gefügten Grundkörper keine Elektrodenschicht vorhanden ist, werden auch als Isolationsbereiche bezeichnet.
Gemäß der Erfindung ist die Fügeverbindung eine Diffusionsbondverbindung, wobei wenigstens die mindestens eine Elektrodenschicht flächig mit der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte verbunden ist. Falls die mindestens eine Elektrodenschicht so gebildet ist, dass zwischen den Grundkörperplatten Isolationsbereiche vorhanden sind, sind vorzugsweise die Grundkörperplatten in den Isolationsbereichen über die Diffusionsbondverbindung miteinander direkt oder über eine isolierende Zwischenschicht verbunden. Vorzugsweise sind beide Grundkörperplatten über die Diffusionsbondverbindung lückenlos, vollflächig miteinander verbunden. Die Diffusionsbondverbindung ist eine Fügeverbindung, bei der Material aus jeweils einem der Fügepartner, d. h. aus der mindestens einen Elektrodenschicht, der Grundkörperplatte und/oder der isolierenden Zwischenschicht, in den jeweils anderen Fügepartner, d. h. in die jeweils angrenzende Grundkörperplatte, mindestens eine Elektrodenschicht und/oder isolierende Zwischenschicht, eindiffundiert ist. Die Diffusion umfasst einen Materialtransport unter dem Schmelzpunkt der Fügepartner. Senkrecht zu der lateralen Ausdehnung der durch Diffusionsbonden gebildeten Fügeverbindung ist ein Diffusionsprofil der Materialien der angrenzenden Fügepartner gegeben. Durch die eindiffundierten Materialien, insbesondere durch zwischenatomare Kräfte zwischen diesen und dem Fügepartner, werden die Fügepartner fest miteinander verbunden.
Des Weiteren weist gemäß der Erfindung die mindestens eine Elektrodenschicht jeweils mindestens einen Kontaktabschnitt auf, der für eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht konfiguriert ist. Der Kontaktabschnitt umfasst mindestens eine Lage aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus dem Material der Elektrodenschicht, und sie erstreckt sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten entlang der lateralen Ausdehnung der Fügeverbindung.
Vorteilhafterweise sind verschiedene Varianten möglich, den Kontaktabschnitt bereitzustellen, die einzeln oder in Kombination realisiert werden können. In allen Fällen kann die Kontaktierung mit einer Verbindungleitung z. B. durch Löten und/oder die Verwendung von Leitsilber oder einem elektrisch leitfähigen Klebstoff erfolgen.
Gemäß einer ersten Variante kann der Kontaktabschnitt für die elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht an einem äußeren Rand der Grundkörperplatten angeordnet sein. In diesem Fall hat der Kontaktabschnitt vorzugsweise die Gestalt eines Leiterstreifens (Leiterbahn), der einerseits mit der flächigen Elektrodenschicht verbunden ist und andererseits am Rand der Grundkörperplatten eine Schnittstelle zum Anschluss einer Verbindungsleitung (Kabel, Draht) bildet. Der Kontaktabschnitt erstreckt sich durch einen Isolationsbereich von der Elektrodenschicht zum Rand der Grundkörperplatte. Alternativ kann sich die mindestens eine flächige Elektrodenschicht zu dem Rand der Grundkörperplatten erstrecken. In diesem Fall kann ein Randabschnitt der Elektrodenschicht den Kontaktabschnitt bilden. Vorzugsweise liegt der Kontaktabschnitt am Rand des Grundkörpers in lateraler Richtung frei, so dass eine Verbindungsleitung zur Verbindung mit einer Spannungsquelle seitlich angeschlossen werden kann.
Gemäß einer zweiten Variante kann mindestens eine der Grundkörperplatte mit einer Ausnehmung am Rand oder einem Loch gebildet sein. Ein Abschnitt der Elektrodenschicht im Bereich des Loches oder der Ausnehmung, insbesondere mit einem Abstand vom Rand der Grundkörperplatten, kann in diesem Fall den Kontaktabschnitt bilden. Die Kontaktierung erfolgt durch das Loch oder die Ausnehmung senkrecht zur lateralen Richtung des Grundkörpers.
Gemäß einer dritten Variante kann eine der Grundplatten, welche die Elektrodenschicht trägt, zumindest abschnittsweise über die andere Grundplatte vorragen. In dem vorragenden Bereich liegt ein Teil der Elektrodenschicht als Kontaktabschnitt für die Kontaktierung frei.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung, die zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils, insbesondere eines Halbleiterwafers, eingerichtet ist, gelöst. Vorzugsweise wird mit dem Verfahren die Haltevorrichtung gemäß dem obigen ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte Bereitstellung von zwei Grundkörperplatten, Herstellung mindestens einer Lage mindestens eines elektrisch leitfähigen Materials zur Bildung von mindestens einer Elektrodenschicht, die mindestens einen Kontaktabschnitt aufweist, an mindestens einer der Grundkörperplatten, und Fügen der Grundkörperplatten mit der dazwischen liegenden mindestens einen Elektrodenschicht durch Diffusionsbonden. Die Fügeverbindung wird erfindungsgemäß durch ein Pressen der Grundkörperplatten mit einer gegenseitigen Anordnung hergestellt, bei der sich die mindestens eine Elektrodenschicht mit dem Kontaktabschnitt zwischen den Grundkörperplatten befindet und der Kontaktabschnitt am Rand der Grundkörperplatten angeordnet ist. Die Fügeverbindung ist eine Diffusionsbondverbindung, wobei wenigstens die mindestens eine Elektrodenschicht mit dem Kontaktabschnitt flächig mit der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte verbunden ist. Nach dem Fügen der Grundkörperplatten erfolgt vorzugsweise eine Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht durch Verbindung des zu der mindestens einen Elektrodenschicht gehörigen Kontaktabschnitts mit einer Verbindungsleitung zum Anschluss an eine Spannungsquelle.
Das Pressen der Grundkörperplatten erfolgt bei einer Temperatur und mit einem Druck auf die Fügepartner, die so gewählt sind, dass die Grundkörperplatten nicht schmelzen oder erweichen und keine Deformation auftritt, und eine Diffusion von Material des einen Fügepartners in den jeweils anderen Fügepartner erfolgt. Typischerweise erfolgt das Pressen bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, so dass es auch als Heißpressen bezeichnet wird. Die Temperatur und der Druck werden in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften der Fügepartner gewählt. Vorzugsweise liegt die Temperatur beim Heißpressen im Bereich von 270 °C bis 2000 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 1100 °C bis 1500 °C, während der Pressdruck vorzugsweise 50 bar bis 2000 bar, besonders bevorzugt 150 bar bis 500 bar beträgt.
Vorteilhafterweise wird mit der Erfindung ein mehrlagiger elektrostatischer Clamp mit mindestens einer gebondeten Elektrode geschaffen. Zur Anwendung gelangt dieses Bauteil vorzugsweise bei der elektrostatischen Positionierung von Halbleiterwafern bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Mikrochips, z. B. bei einem lithografischen Prozess oder einem Wafer-Bond-Prozess. Die Bereitstellung der Diffusionsbondverbindung hat den besonderen Vorteil, dass die Haltevorrichtung einen geometrisch, mechanisch und thermisch extrem stabilen Aufbau erhält, in den die mindestens eine Elektrodenschicht fest integriert ist. Es wird aus den Fügepartnern Grundkörperplatte und Elektrodenschicht ein inniger Verbund gebildet, in dem die mindestens eine Elektrodenschicht vorteilhafterweise eine Doppelfunktion sowohl als Elektrode als auch als Diffusionsbondschicht (diffusionsunterstützende Schicht, Interdiffusionsschicht) erfüllt. Die Verwendung von Diffusionsbondschichten beim Diffusionsbonden von Keramiken ist zwar an sich bekannt. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass überraschenderweise Diffusionsbondschichten elektrisch leitfähig und darüber hinaus im gefügten elektrostatischen Clamp als Elektrode verwendbar sein können.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass verschiedene Varianten der Elektrodeneinrichtung in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung verfügbar sind. So kann die Elektrodeneinrichtung als unipolare Elektrodeneinrichtung mit einer einzigen Elektrodenschicht oder als bipolare Elektrodeneinrichtung mit zwei Elektrodenschichten oder als multipolare Elektrodeneinrichtung mit mehr als zwei Elektrodenschichten aufgebaut sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektrodeneinrichtung dabei die mindestens zwei Elektrodenschichten, die sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten entlang der lateralen Ausdehnung der Fügeverbindung erstrecken und durch mindestens einen Isolationsbereich voneinander getrennt angeordnet sind. Jede der Elektrodenschichten weist mindestens einen Kontaktabschnitt auf, der für eine Kontaktierung der jeweiligen Elektrodenschicht angeordnet ist. In dem mindestens einen Isolationsbereich weisen die Grundkörperplatten die Diffusionsbondverbindung direkt oder über eine isolierende Zwischenschicht auf. Der Abstand der Elektrodenschichten in lateraler Richtung (Breite der Isolationsbereiche) ist vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm gewählt. Die Diffusionsbondverbindung in dem mindestens einen Isolationsbereich bildet vorteilhafterweise einen elektrisch isolierenden Materieverbund, so dass Kriechströme zwischen den Elektrodenschichten selbst bei deren Beaufschlagung mit einer Hochspannung, z. B. 3 kV, unterdrückt werden.
Verfahrensbezogen werden bei dieser Ausführungsform die mindestens zwei Elektrodenschichten an mindestens einer der Grundkörperplatten erzeugt und so angeordnet, dass im gefügten Grundkörper der mindestens eine Isolationsbereich zwischen den mindestens zwei Elektrodenschichten angeordnet ist. Alle Elektrodenschichten können an einer der Grundkörperplatten oder die Elektrodenschichten können an beiden Grundkörperplatten zueinander ausgerichtet hergestellt werden, so dass die Elektrodenschichten die gewünschte Elektrodenanordnung der Elektrodeneinrichtung bilden. Beim Heißpressen werden die Grundkörperplatten so gefügt, dass insbesondere in dem mindestens einen Isolationsbereich mittels des Diffusionsbondens die Grundkörperplatten direkt oder über die isolierende Zwischenschicht verbunden werden.
Vorteilhafterweise können bei der bipolaren oder multipolaren Elektrodeneinrichtung unerwünschte Aufladungen des gehalterten Bauteils vermieden werden. Des Weiteren hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine stabile Diffusionsbondverbindung auch in dem Fall heterogener Fügepartner erzeugt werden kann, in dem sich in lateraler Richtung entlang der Fügeverbindung verschiedene Materialien, wie z. B. Elektrodenschicht/Grundkörperplatte und Grundkörperplatte/Grundkörperplatte und optional Grundkörperplatte/Zwischenschicht abwechseln.
Die isolierende Zwischenschicht in dem mindestens einen Isolationsbereich kann von Vorteil sein, um die Planarität der zueinander weisenden Oberflächen der Fügepartner zu verbessern. Die isolierende Zwischenschicht kann im Isolationsbereich einen Höhenunterschied relativ zu den angrenzenden Elektrodenschichten ausgleichen. Die isolierende Zwischenschicht besteht z. B. aus SiO₂, einem oxidischen oder einem oxinitridischen Glas, Siliziumnitrid, Silizium-Aluminiumoxid-Nitrid (SiAlON), Yttriumoxid, Aluminiumoxid, einem Seltenenerdoxid (La₂O₃ bis Lu₂O₃), einem Oxid der 2. Hauptgruppe (MgO, CaO, SrO, BaO) oder einer Mischung der genannten. Die Dicke der isolierenden Zwischenschicht ist vorzugsweise gleich der Dicke der lateral angrenzenden Lage leitfähigen Materials zur Bildung einer Elektrodenschicht. Die isolierende Zwischenschicht kann z. B. durch ein lithographisches Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Maske, durch Aufsputtern hergestellt werden.
Alternativ ist die Zwischenschicht in dem mindestens einen Isolationsbereich jedoch nicht zwingend erforderlich. Als ein weiterer besonderer Vorteil wurde von den Erfindern festgestellt, dass eine stabile Diffusionsbondverbindung auch geschaffen werden kann, wenn Elektrodenschichten um einen Teil von deren Dicke oder sogar vollständig mit ihrer gesamten Dicke über der Oberfläche der jeweiligen Grundplatten vorstehen und somit geringfügige Stufen in den zueinander weisenden Oberflächen der Fügepartner einführen. Auch in diesem Fall ist das Bondergebnis auch in den Bereichen ohne die Elektrodenschichten thermisch, mechanisch und elektrisch stabil.
Die mindestens zwei Elektrodenschichten zwischen den Grundkörperplatten sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Gemäß einer ersten Variante werden die mindestens zwei Elektrodenschichten aus mindestens einer flächigen Vorläuferschicht an der mindestens einen der Grundkörperplatten hergestellt. In einem ersten Schritt wird die mindestens eine Vorläuferschicht durch ein Depositionsverfahren abgeschieden, und in einem weiteren Schritt erfolgt eine Strukturierung der mindestens einen flächigen Vorläuferschicht zur Bildung der mindestens zwei Elektrodenschichten und der Isolationsbereiche. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise mit einem lithographischen Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Maske, z. B. Photolack, Photofolie oder eine Hartmaske, z. B. durch Vakuumdeposition oder eine elektrolytische Abscheidung. Durch die Verwendung der Maske können Elektroden- und Leiterbahnenstrukturen aufgebaut werden. Die Isolationsbereiche werden bei dem lithographischen Verfahren vorzugsweise nach einer Belichtung durch einen Ätzschritt hergestellt. Gemäß einer zweiten Variante werden die mindestens zwei Elektrodenschichten durch einen physikalischen oder chemischen Depositionsprozess strukturiert aufgetragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Grundkörperplatten jeweils ein Keramikmaterial. Keramikmaterial hat sich als besonders vorteilhaft bei der Bildung der Diffusionsbondverbindung erwiesen. So erlaubt es die Bereitstellung ebener, ggf. polierter Oberflächen der Fügepartner und ein wirksames Eindiffundieren von Fremdatomen. Zugleich hat es hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften für die Anwendung in einer elektrostatischen Haltevorrichtung. Besonders bevorzugt umfassen die Grundkörperplatten jeweils mindestens eines von Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, SiAlON, Aluminiumoxid, Oxinitridglas, Aluminiumnitrid, Silikat, Alumosilikat oder eine Mischung von mindestens zwei dieser keramischen Materialien. Das Keramikmaterial mindestens einer der Grundkörperplatten kann auch eine Glaskeramik, wie z. B. Zerodur (Handelsname), umfassen.
Vorzugsweise umfassen die Elektrodenschichten jeweils ein Metall, eine Metalllegierung, ein Halbleitermaterial oder eine elektrisch leitfähige Keramik. Besonders bevorzugte Beispiele sind Chrom, Silber, Gold, Platin, Nickel, Kobalt, Eisen, Vanadium, Tantal, Aluminium, Titan, Wolfram, Molybdän, Mangan, eine Legierung aus mindestens zwei dieser Materialien, oder eine Abfolge von Schichten von zwei oder mehreren dieser Metalle oder deren Legierungen, wie beispielsweise einer AgCuTi Legierung, z. B. Incusil oder Ticusil (Handelsnamen), einer Molybdänmangan-Legierung, einer Zinn-Gold Legierung, einer eutektischen Gold-Silizium Legierung, z. B. Au94Si6, Silizium, Metallnitrid, insbesondere Titannitrid (TiN, Ti₂N, Ti₃N₄), Chromnitrid (CrN), Metallkarbid, und Metallsilizid, insbesondere Molybdänsilizid (MoSi₂), oder mit Stickstoff (N) dotiertes Siliziumkarbid. Titan wird besonders bevorzugt verwendet, da dieses vorteilhafterweise günstige Interdiffusionseigenschaften hat und z. B. mit einer Si-basierten Keramik einen festen Verbund aus Ti₃Si₅ bildet.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die mindestens eine Elektrodenschicht an mindestens einer der Grundplatten anzuordnen. Gemäß einer ersten Variante ist die mindestens eine Elektrodenschicht in der gefügten Grundplatte entlang der Fügeverbindung zwischen den Grundplatten angeordnet. Atome der mindestens einen Elektrodenschicht sind in die beiden angrenzenden Grundplatten eindiffundiert angeordnet, und Atome der Grundkörperplatte sind in die mindestens eine Elektrodenschicht eindiffundiert angeordnet. Verfahrensbezogen wird bei dieser Ausführungsform die Lage für die mindestens eine Elektrodenschicht auf einer oder jeweils in Teilen auf beiden der Grundkörperplatten abgeschieden, gefolgt vom Heißpressen zur Bildung der Diffusionsbondverbindung. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der vereinfachten Verfahrensweise bei der Herstellung der mindestens einen Elektrodenschicht.
Gemäß einer zweiten, alternativen Variante ist die mindestens eine Elektrodenschicht entlang der Fügeverbindung in die von einer der Grundkörperplatten gebildete Grenzfläche eingebettet. Atome der mindestens einen Elektrodenschicht sind in der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte, mit der die Diffusionsbondverbindung besteht, eindiffundiert angeordnet. Verfahrensbezogen wird bei dieser Ausführungsform nach Abscheidung der Lage für die mindestens eine Elektrodenschicht auf einer oder jeweils in Teilen auf beiden der Grundplatten ein thermischer Diffusionsprozess ausgeführt, um die abgeschiedenen Atome in die zugehörige Grundkörperplatte zu implantieren. Anschließend erfolgt vorzugsweise ein Abtrag von vorragenden Bereichen der abgeschiedenen Lage, so dass die mindestens eine Elektrodenschicht vor dem Fügen durch Diffusionsbonden in eine der Grundkörperplatten eingebettet ist.
Die Haltevorrichtung ist nicht auf eine Konfiguration mit einem zweilagigen Grundkörper beschränkt. Gemäß einer für die Anwendung bei der Halterung von Halbleiterwafern besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Grundkörper mindestens zwei weitere Grundkörperplatten (zweites Paar von Grundkörperplatten), zwischen denen mindestens eine weitere Elektrodenschicht der Elektrodeneinrichtung angeordnet sind und die eine Fügeverbindung wie das erstes Paar von Grundkörperplatten aufweisen. Ebenfalls gemäß einer der oben beschriebenen Varianten weist die mindestens eine weitere Elektrodenschicht einen Kontaktabschnitt auf, der für eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen weiteren Elektrodenschicht am Rand des Grundkörpers angeordnet ist. Das erste Paar von Grundkörperplatten und das zweite Paar von Grundkörperplatten sind miteinander flächig verbunden. Die Fügeverbindung kann ebenfalls eine Diffusionsbondverbindung oder alternativ einen anderen Verbindungstyp umfassen. In der fertigen Haltevorrichtung bilden das erste und das zweite Paar von Grundkörperplatten einen fest gefügten Plattenstapel.
Diese Ausführungsform mit mindestens vier Grundkörperplatten bietet Vorteile bei der Anwendung der Haltevorrichtung, indem das erste Paar von Grundkörperplatten zur elektrostatischen Halterung des Bauteils und das zweite Paar von Grundkörperplatten zur elektrostatischen Halterung der Haltevorrichtung an einem Werkzeugträger einer Maschine vorgesehen ist. Die Elektroden zwischen beiden Paaren von Grundkörperplatten können voneinander unabhängig mit Spannungen beaufschlagt werden, um wahlweise das Bauteil zu positionieren oder freizugeben oder die Haltevorrichtung an dem Werkzeugträger zu fixieren oder freizugeben. Vorteilhafterweise können in mindestens einer der miteinander verbundenen Grundkörperplatten des ersten Paares und des zweiten Paares von Grundkörperplatten Temperierungsmittelleitungen, insbesondere Kühlkanäle, vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 bis 3: schematische Illustrationen von Ausführungsformen der Haltevorrichtung gemäß der Erfindung;
4: eine photographische Schnittdarstellung eines Grundkörpers einer elektrostatischen Haltevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
5: eine schematische Illustration von einer weiteren Ausführungsform der Haltevorrichtung gemäß der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf Merkmale einer schematisch, nicht maßstäblich gezeigten elektrostatischen Haltevorrichtung für Siliziumwafer beschrieben. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf diese Anwendung und die beispielhaft genannten Merkmale der Haltevorrichtung beschränkt. Andere Anwendungen der Haltevorrichtung sind möglich, wie z.B. bei der Halterung von Glasplatten mit Metallbeschichtungen, oder von Belichtungsmasken. Die Gestaltung der Grundkörper, insbesondere der Elektroden, der Materialien und der Dimensionen der Haltevorrichtung und ihrer Teile, kann insbesondere an die konkreten Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Bei den meisten Beispielen sind die Kontaktabschnitte am Rand der Grundkörper gezeigt. Alternativ können sie auch mit einem Abstand vom Rand angeordnet sein, wie oben beschrieben ist. Abweichend von der Illustration kann der Grundkörper weitere Grundkörperplatten aufweisen, die weitere Funktionen übernehmen. Typischerweise ist der Grundkörper für praktische Anwendungen der Haltevorrichtung z. B. bei der Handhabung von Halbleiterwafern ein- oder beidseitig mit Noppen ausgestattet, wie in 4 beispielhaft an einer der Grundkörperoberflächen illustriert ist. Einzelheiten der konkreten Form und Ansteuerung der Elektroden entlang der Fügeverbindung der Grundkörperplatten werden nicht beschrieben, da diese an sich von herkömmlichen Haltevorrichtungen bekannt sind und in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabe der Haltevorrichtung gewählt werden können. Schließlich zeigen die Figuren keine maßstäblichen Illustrationen von Haltevorrichtungen, sondern verdeutlichen insbesondere die Bereitstellung der Elektrodeneinrichtung entlang der Fügeverbindung zwischen den Grundkörperplatten des Grundkörpers.
Die Struktur des Grundkörpers der Haltevorrichtung kann gewählt werden, wie es an sich von herkömmlichen Haltevorrichtungen (elektrostatischen Clamps) bekannt ist. Die Haltevorrichtung kann z.B. als monopolare (1 oder 2) oder als bipolare Haltevorrichtung (3 oder 4) konfiguriert sein. Einzelheiten zur Temperierung der Haltevorrichtung und der Anwendung von elektrischen Spannungen zur Erzeugung von elektrostatischen Haltekräften werden nicht beschrieben, da diese an sich von herkömmlichen Haltevorrichtungen bekannt sind. Die Haltevorrichtung kann mit weiteren Komponenten ausgestattet sein, wie es an sich von herkömmlichen elektrostatischen Clamps bekannt ist.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Haltevorrichtung 100 (monopolarer Clamp) in Schnittansicht senkrecht zur Dickenrichtung (1A) und in Schnittansicht senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Haltevorrichtung 100 (1B). Die Haltevorrichtung 100 umfasst einen Grundkörper 10 mit einem Paar von Grundkörperplatten 11, 12, z. B. aus Siliziumnitrid. Zwischen den Grundkörperplatten 11, 12 ist eine Elektrodeneinrichtung 20 mit einer einzigen Elektrode angeordnet. Die Elektrodeneinrichtung 20 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer einzigen, kreisflächenförmigen Elektrodenschicht 21 mit einem Kontaktabschnitt 22, die sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten entlang der Diffusionsbondverbindung 13 erstrecken. Die Grundkörperplatten 11, 12 sind über eine Diffusionsbondverbindung 13 flächig miteinander verbunden. Die Haltevorrichtung 100 wird hergestellt, wie unten unter Bezug auf die Ausführungsform der 3 beschrieben ist.
In einer praktischen Anwendung hat die obere Grundkörperplatte z. B. eine Dicke von 4 mm und die untere Grundkörperplatte 12 eine Dicke von 4 mm. Der Durchmesser der kreisrunden Grundkörperplatten 11, 12 ist allgemein im Bereich von 150 mm bis 400 cm gewählt und beträgt bei den gezeigten Ausführungsformen z. B. 330 mm oder 400 mm. Die Elektrodenschicht 21 mit dem Kontaktabschnitt 22 besteht z. B. aus Titan, und sie hat eine Dicke von z. B. 500 nm. Der Durchmesser der Elektrodenschicht 21 (z. B. 300 mm) ist geringer als der Durchmesser der Grundkörperplatten 11, 12, so dass an deren Rand der ringförmige Isolationsbereich 14 gebildet wird.
Der Kontaktabschnitt 22 erstreckt sich als Leiterbahn als Unterbrechung des Isolationsbereichs 14 von der Elektrodenschicht 21 zum Rand der Grundkörperplatten 11, 12. Der Kontaktabschnitt 22 ist in 1 über den Rand der Grundkörperplatten 11, 12 ragend gezeigt, um zu verdeutlichen, dass am Rand der Kontaktabschnitt 22 für den Anschluss einer Verbindungsleitung angeordnet ist. In der Praxis ist das Vorragen nicht zwingend erforderlich, sondern jede andere Form eines Freiliegens zur Kontaktieren möglich. Es ist insbesondere alternativ möglich, einen Abschnitt der Elektrodenschicht 21 als Kontaktabschnitt 22A zu verwenden, der durch ein Loch 12A in der Grundkörperplatte 12, z. B. mit Leitsilber oder einem elektrisch leitfähigen Klebstoff und/oder einer Drahtverbindung, kontaktiert wird.
Bei der Anwendung der Haltevorrichtung 100 zur Halterung eines Bauteils (nicht gezeigt) ist eine der Grundkörperplatten, wie z. B. die obere Grundkörperplatte 11, zur Aufnahme der Bauteils vorgesehen und die andere der Grundkörperplatten, wie z. B. die untere Grundkörperplatte 12, mit einem Werkzeugträger (nicht gezeigt) fest verbunden. Die Elektrodenschicht 21 ist über den Kontaktabschnitt 22 und eine Verbindungsleitung (nicht gezeigt) mit einer schaltbaren Spannungsquelle zur Beaufschlagung der Elektrodenschicht 21 mit einer Haltespannung verbunden.
2 zeigt eine abgewandelte Variante der Ausführungsform von 1, wobei die Haltevorrichtung 100 in Gestalt eines monopolaren Clamps eine kreisflächenförmige Elektrodenschicht 21A mit einem Kontaktabschnitt 22A und zusätzlich eine ringförmige Elektrodenschicht 21B mit einem Kontaktabschnitt 22B aufweist. 2 ist wie 1B eine Schnittansicht des Grundkörpers senkrecht zur Lateralausdehnung der Haltevorrichtung 100 und entlang der Diffusionsbondverbindung zwischen den Grundkörperplatten, so dass nur eine der Grundkörperplatten 11 gezeigt ist. Die ringförmige Elektrodenschicht 21B ist für eine Verbindung mit Erdpotential angeordnet und wird zur Feldabschirmung verwendet. Sie bildet eine Ringelektrode, welche die kreisflächenförmige Elektrodenschicht 21A mit Ausnahme einer Unterbrechung umgibt, wo sich der Kontaktabschnitt 22A der kreisflächenförmigen Elektrodenschicht 21A zum äußeren Rand der Grundkörperplatten hin erstreckt. Die ringförmige Elektrodenschicht 21A und die kreisflächenförmige Elektrodenschicht 21B sind durch den Isolationsbereich 14 relativ zueinander elektrisch isoliert. Im Übrigen kann die Haltevorrichtung 100 von 2 aufgebaut sein, wie oben erläutert und unter Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist.
Die Grundkörperplatten der Haltevorrichtung 100 gemäß 2 sind über eine Diffusionsbondverbindung flächig miteinander verbunden. Die Diffusionsbondverbindung besteht zwischen den Elektrodenschichten 21A, 21B mit den Kontaktabschnitten 22A, 22B und der angrenzenden Grundkörperplatte und in den Isolationsbereichen 14 direkt zwischen den Grundkörperplatten. Die Haltevorrichtung 100 wird hergestellt, wie unten unter Bezug auf die Ausführungsform der 3 beschrieben ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Haltevorrichtung 100 in Gestalt eines bipolaren Clamps zwei halbkreisflächenförmige Elektrodenschichten 21A, 21B jeweils mit einem Kontaktabschnitt 22A, 22B und zusätzlich zwei halbringförmige Elektrodenschichten 21C, 21D jeweils mit einem Kontaktabschnitt 22C, 22D aufweist. 3A ist eine Schnittansicht des Grundkörpers 10 senkrecht zur Lateralausdehnung der Haltevorrichtung 100, während 3B eine Schnittansicht des Grundkörpers 10 senkrecht zu dessen Dickenrichtung und entlang der Diffusionsbondverbindung zwischen den Grundkörperplatten 11, 12 zeigt. In 3B ist zusätzlich ein von der Haltevorrichtung 100 getragener Halbleiterwafer 1 gezeigt. In abgewandelten Varianten eines bipolaren Clamps können anstelle der zwei halbkreisflächenförmigen Elektrodenschichten 21A, 21B mehr als zwei Elektrodenschichten, z. B. jeweils in Gestalt eines Kreisflächensegments, jeweils mit einem Kontaktabschnitt vorgesehen sein und/oder die äußeren ringförmige Elektrodenschichten weggelassen werden.
Die halbkreisflächenförmigen Elektrodenschichten 21A, 21B sind gemäß 3 jeweils über die Kontaktabschnitte 22A, 22B mit einer schaltbaren Spannungsquelle 30 verbunden. Im dargestellten Beispiel ist die Spannungsquelle 30 eine Gleichspannungsquelle, mit der zur elektrostatischen Fixierung des Halbleiterwafers 1 die halbkreisflächenförmigen Elektrodenschichten 21A, 21B mit einem positiven und einem negativen Potential einer Gleichspannung beaufschlagt werden können. Die halbringförmigen Elektrodenschichten 21C, 21D sind zur Feldabschirmung für eine Verbindung mit Erdpotential angeordnet. Sie umgeben die halbkreisflächenförmigen Elektrodenschichten 21A, 21B mit Ausnahme der Unterbrechungen zur Durchführung der Kontaktabschnitte 22A, 22B zum äußeren Rand der Grundkörperplatten 11, 12. Im Übrigen kann die Haltevorrichtung 100 von 3 aufgebaut sein, wie oben erläutert und unter Bezug auf die anderen Figuren beschrieben ist.
Die Haltevorrichtung 100 wird wie folgt hergestellt. Zunächst erfolgt die Herstellung von zwei ebenen Keramikplatten jeweils mit einer polierten Oberfläche, die für die Bildung der Diffusionsbondverbindung vorgesehen ist. Die jeweils andere Oberfläche kann ebenfalls eine polierte Oberfläche oder mit einer Strukturierung zur Bildung von Noppen oder Temperierungsmittelleitungen (siehe 4) ausgestattet sein. Die Herstellung der Keramikplatten erfolgt mit einem an sich bekannten Verfahren, wie z. B. Heißpressen, oder einer zuvor durchgeführten Formgebung, wie kaltisostatisches oder uniaxiales Pressen, gefolgt von einem Sintern, Gasdrucksintern, sowie optional gefolgt von einem heißisostatischen Nachverdichten oder dem Abscheiden des keramischen Materials aus der Gasphase (CVD, chemical vapor deposition). Bei glaskeramischen Werkstoffen kommen auch Schmelzen, Keimbildung und Kristallisation zur Anwendung.
Anschließend erfolgt eine strukturierte Deposition einer Lage leitfähigen Materials auf einer der polierten Oberflächen mit der gewünschten Form der Elektrodenschichten. Die Depositionsschritte erfolgen vorzugsweise mit einem an sich bekannten lithographischen Verfahren. Beispielsweise erfolgt in einem ersten Teilschritt ein Maskieren der polierten Oberflächen der einen Keramikplatte mit der gewünschten Form der Elektrodenschichten und in einem zweiten Teilschritt ein Beschichten der Keramikplatte mit einer Metallschicht, z. B. durch Vakuumdeposition. Nach einer Entwicklung der Maske in einem weiteren Teilschritt liegt die strukturierte Lage leitfähigen Materials, z. B. mit der Form der Elektrodenschichten und Kontaktabschnitte gemäß 3 vor. Alternativ zu der beschriebenen lithographischen Strukturierung kann zunächst die Lage leitfähigen Materials flächig auf eine der Grundkörperplatten aufgebracht werden, gefolgt von einer Beschichtung mit einem Photolack. Der Photolack wird mit der gewünschten Form der Elektrodenschichten belichtet und entwickelt. Durch das anschließenden Ätzen ergibt sich die gewünschte Strukturierung der Lage leitfähigen Materials in lateraler Richtung.
Falls in lateraler Richtung zwischen den Elektrodenschichten eine isolierende Zwischenschicht als diffusionsunterstützende und/oder planarisierende Schicht gebildet werden soll, werden die Schritte Maskieren, Deposition und Entwicklung mit dem Material der isolierenden Zwischenschicht wiederholt.
Anschließend wird die Diffusionsbondverbindung erzeugt, indem die Keramikplatten mit den zueinander weisenden, sich berührenden polierten Oberflächen, von denen eine die strukturierte Lage leitfähigen Materials trägt, in einer uniaxialen Heißpresse angeordnet und bei einer vorbestimmten Temperatur einem vorbestimmten Pressdruck ausgesetzt werden. Alternativ kann auch eine so genannte Spark Plasma-unterstütze Heißpresse verwendet werden, die vorteilhafterweise ein sehr schnelles Aufheizen ermöglicht. Die Temperatur und der Pressdruck werden unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien gewählt, wie es an sich vom Diffusionsbonden bekannt ist. Vorzugsweise werden die Temperatur und der Pressdruck in den oben genannten Bereichen gewählt. Die Presszeit des Heißpressens setzt sich typischerweise aus einer Aufheizphase, einer Haltezeit und einer Abkühlphase zusammen, und sie beträgt z. B. 0,5 h bis 30 h, bevorzugt 8 h bis 12 h.
Beim Heißpressen diffundieren Atome der Lage leitfähigen Materials oder in den Isolationsbereichen Atome einer der Grundkörperplatten in die benachbarte Grundkörperplatte. Wenn in den Isolationsbereichen isolierende Zwischenschichten gebildet sind, diffundieren deren Atome in die benachbarte Grundkörperplatte. Die Atome der angrenzenden Fügepartner erzeugen ein Diffusionsprofil, so dass die Fügepartner fest miteinander gebondet werden. Mit den o. g. Beispielen wird ein Diffusionsprofil von Titanatomen in der benachbarten Keramik der angrenzenden Grundkörperplatte erzeugt.
Schließlich erfolgt eine Nachbearbeitung des Verbundes der Grundkörperplatten, umfassend ein Abdünnen von einer der Grundkörperplatten, die als Träger des zu halternden Bauteils vorgesehen ist und ein Kontaktieren der zwei Elektrodenschichten über die Kontaktabschnitte. Das Abdünnen von einer der Grundkörperplatten dient der Bildung einer Dielektrikumsschicht aus der Grundkörperplatte. Der elektrostatische Klemmdruck der Haltevorrichtung hängt insbesondere von der Spannung, vom Abstand der Elektroden von der Noppenauflage-Ebene und von den dielektrischen Eigenschaften der Materialzusammensetzung in diesem Abstand ab. Mit der Dicke der Dielektrikumsschicht wird somit die Haltekraft der Haltevorrichtung eingestellt. Das Abdünnen erfolgt mit einem an sich bekannten abtragenden Verfahren, wie z. B. schleifen, läppen und polieren. Im Ergebnis liegt die Haltevorrichtung als Bauteil mit integrierten leitfähigen Schichten vor, die durch elektrisch isolierende Bereiche getrennt und kontaktiert sind.
Optional kann bei einer Abwandlung des beschriebenen Verfahrens nach Bildung der in lateraler Richtung strukturierten Lage leitfähigen Materials und vor der Bildung der Diffusionsbondverbindung eine Einbettung des leitfähigen Materials in die tragende Grundkörperplatte durch thermische Diffusion vorgesehen sein. Die Grundkörperplatte mit der strukturierten Lage leitfähigen Materials wird auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des leitfähigen Materials, z. B. im Bereich von 500 °C bis 1400 °C, bevorzugt um die 1000 °C erwärmt. Atome des leitfähigen Materials werden in die zugehörige Grundkörperplatte implantiert, so dass das abgeschiedene leitfähige Material zumindest teilweise in die Grundkörperplatte eingebettet wird. Anschließend können noch Reste des abgeschiedenen leitfähigen Materials, die über die Oberfläche der Grundkörperplatte vorragen, abgetragen werden.
In einem konkreten Beispiel wird die Haltevorrichtung mit dem beschriebenen Verfahren wie folgt hergestellt. Zwei Siliziumnitrid-Scheiben der Größe 0=100 mm x 5,1 mm werden auf eine globale Ebenheit von 10 µm geläppt. Anschließend werden die Flächen unter Verwendung einer Diamantsuspension, Korngröße typischerweise 1 µm bis 3 µm auf eine Ebenheit von wenigen bis unter 1 um und einer Rauheit (RMS) von unter 15 nm poliert. Die Teile werden anschließend gereinigt. Unter Verwendung einer Maske (Klebefolie) werden zwei halbmondförmige Lagen aus Titan (Dicke 500 nm) aufbeschichtet (siehe 3). Anschließend werden die beiden Teile in der Heißpresse mit folgenden Parametern diffusionsgebondet: Heiz-Rate: 10 K/min, Temperatur: 1350 °C, Pressdruck: 400 bar, Haltezeit 3 h, Atmosphäre: Stickstoff. Nach dem Heißpressen werden eine der Scheiben auf eine Dicke von 0,3 mm abgedünnt und die Elektroden kontaktiert.
Die elektrostatische Wirkung der so hergestellten Haltevorrichtung wurde getestet, indem ein Testbauteil auf die Haltevorrichtung aufgelegt und interferometrisch vermessen wurde. Das Testbauteil umfasst einen 2-Zoll-Siliziumwafer mit einer Noppenstruktur. Die Noppen haben einen Durchmesser von 500 µm und eine Höhe von 10 µm. Der Abstand beträgt 7 mm Die Ausgangsdicke des Wafers beträgt 275 µm. Während die Spannung an den Elektroden schrittweise bis 2000 V erhöht wurde, wurde die Wölbung des Siliziumwafers als Maß für den Klemmdruck interferometrisch gemessen. Der Klemmdruck steigt mit der Spannung und erreicht im getesteten Beispiel etwa 80 mbar.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung 100 mit einem Grundkörper 10 aus zwei Paaren von Grundkörperplatten 11, 12 und 15, 16. Jedes von dem ersten und dem zweiten Paar von Grundkörperplatten 11, 12 und 15, 16 ist durch eine Diffusionsbondverbindung gefügt und aufgebaut, wie oben unter Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben ist. Zwischen den Grundkörperplatten 11, 12 und 15, 16 sind jeweils Elektrodenschichten 21A, 21B und 23A, 23B mit Kontaktabschnitten 22A, 22B und 24A, 24B entlang der lateralen Ausdehnung der Diffusionsbondverbindungen angeordnet. Die Kontaktabschnitte 22A, 22B und 24A, 24B sind jeweils mit einer separat schaltbaren Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden.
Das erste Paar von Grundkörperplatten 11, 12 ist zur Aufnahme des zu halternden Bauteils 1 unter der Wirkung der elektrostatischen Haltekraft vorgesehen, die mit den Elektrodenschichten 21A, 21B erzeugt wird. Mit dem zweiten Paar von Grundkörperplatten 15, 16 wird die Haltevorrichtung 100 unter der Wirkung der elektrostatischen Haltekraft, die mit den Elektrodenschichten 24A, 24B erzeugt wird, an einem schematisch gezeigten Werkzeugträger 40 fixiert. In einer der Grundkörperplatten (z. B. 12) sind Temperierungsmittelleitungen 17 zur Aufnahme eines Temperierungsmittels, vorzugsweise zur Kühlung der Haltevorrichtung 100 vorgesehen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Dunbar P. Birne Illin „J. of the American Ceram. S.“ C-33 - C-35 (2) (1986) [0002]
Thomas J. Moore in „Material Science and Engineering“ B 176. 60 - 64 (2011) [0002]
Michael C. Halbig et al. Präsentation „Diffusion Bonding of Silicon Carbide Ceramics Using Titanium Interlayer“ NASA, 22.01.2006 (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060051742.pdf) [0002]

Claims

Haltevorrichtung (100), die zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils (1), insbesondere eines Wafers, eingerichtet ist, umfassend: - einen elektrisch isolierenden Grundkörper (10), der ein erstes Paar von Grundkörperplatten (11, 12) umfasst, die über eine Fügeverbindung flächig miteinander verbunden sind, und - eine Elektrodeneinrichtung (20) mit mindestens einer Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D), die zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft angeordnet ist und sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten (11, 12) entlang der Fügeverbindung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Fügeverbindung eine Diffusionsbondverbindung (13) umfasst, wobei die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) flächig mit der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte (11, 12) verbunden ist, und - die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) einen Kontaktabschnitt (22, 22A, 22B, 22C, 22D) aufweist, der für eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) angeordnet ist.
Haltevorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der - die Elektrodeneinrichtung (20) mindestens zwei Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) umfasst, die sich parallel zur Ausdehnung der Grundkörperplatten (11, 12) entlang der Diffusionsbondverbindung (13) erstrecken und durch mindestens einen Isolationsbereich (14) voneinander getrennt angeordnet sind, und - die Grundkörperplatten (11, 12) in dem mindestens einen Isolationsbereich (14) mittels der Diffusionsbondverbindung direkt oder über eine isolierende Zwischenschicht verbunden sind.
Haltevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der - die Grundkörperplatten (11, 12) jeweils ein Keramikmaterial umfassen.
Haltevorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der - die Grundkörperplatten (11, 12) jeweils mindestens eines von Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Silizium-Aluminiumoxid-Nitrid (SiAlON), Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid, Oxinitridglas, Aluminiumnitrid, Saphir, Aluminat, insbesondere YAG (Yttrium Aluminia Garnet), Silikat, Alumosilikat, insbesondere Cordierite, und Glaskeramik, oder ein Komposit aus diesen umfassen.
Haltevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der - die Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) jeweils ein Metall, eine Metalllegierung, ein Halbleitermaterial oder eine elektrisch leitfähige Keramik umfassen.
Haltevorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der - die Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) mindestens eines von Chrom, Aluminium, Titan, Wolfram, Molybdän, Silizium, Mangan, Vanadium, Kobalt, Nickel, Gold, Silber, einer AgCuTi Legierung, einer Molybdänmangan-Legierung, einer Zinn- Gold Legierung, einer eutektischen Gold-Silizium Legierung, Metallnitrid, Titannitrid, insbesondere TiN, Ti₂N, Ti₃N₄, Chromnitrid, ein Metallsilizid, insbesondere Molybdänsilizid, und einem Carbid, wie mit Stickstoff (N) dotiertes Siliziumkarbid, umfassen.
Haltevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der - die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) zwischen den Grundplatten (11, 12) angeordnet ist, wobei Atome der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in die beiden angrenzenden Grundplatten (11, 12) eindiffundiert angeordnet sind.
Haltevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der - die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in eine der Grundplatten (11, 12) eingebettet ist, wobei Atome der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in die jeweils angrenzende Grundplatte (11, 12), mit der die Diffusionsbondverbindung besteht, eindiffundiert angeordnet sind.
Haltevorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der - alle Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in eine der Grundplatten (11, 12) eingebettet und Atome der Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in die andere der Grundplatten (11, 12) eindiffundiert angeordnet sind.
Haltevorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Grundkörper (10) ein zweites Paar von Grundkörperplatten (15, 16) umfasst, zwischen denen mindestens eine weitere Elektrodenschicht (23) der Elektrodeneinrichtung (20) angeordnet sind und die eine Fügeverbindung wie das erstes Paar von Grundkörperplatten (11, 12) aufweisen, wobei - die mindestens eine weitere Elektrodenschicht (23) einen Kontaktabschnitt (24) aufweist, der für eine elektrische Kontaktierung der mindestens einen weiteren Elektrodenschicht (23) angeordnet ist, und - das erste Paar von Grundkörperplatten (11, 12) und das zweite Paar von Grundkörperplatten (15, 16) über eine Diffusionsbondverbindung miteinander flächig verbunden sind und einen Plattenstapel bilden.
Haltevorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der - in mindestens einer der miteinander verbundenen Grundkörperplatten des ersten Paares und des zweiten Paares von Grundkörperplatten (11, 12, 15, 16) Temperierungsmittelleitungen (17) vorgesehen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Haltevorrichtung (100), die zur elektrostatischen Halterung eines Bauteils (1), insbesondere eines Halbleiterwafers, eingerichtet ist, umfassend die Schritte: - Bereitstellung von zwei Grundkörperplatten (11, 12), - Bereitstellung von mindestens einer Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) an mindestens einer der Grundkörperplatten (11, 12), wobei die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) einen Kontaktabschnitt (22, 22A, 22B, 22C, 22D) aufweist, - Pressen der Grundkörperplatten (11, 12) mit einer gegenseitigen Anordnung, bei der sich die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) mit dem Kontaktabschnitt (22, 22A, 22B, 22C, 22D) zwischen den Grundkörperplatten (11, 12) befindet, wobei eine Fügeverbindung gebildet wird, die eine Diffusionsbondverbindung (13) umfasst, durch die die mindestens eine Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) und der Kontaktabschnitt (22, 22A, 22B, 22C, 22D) flächig mit der jeweils angrenzenden Grundkörperplatte (11, 12) verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem - mindestens zwei Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) an mindestens einer der Grundkörperplatten (11, 12) bereitgestellt werden, wobei die mindestens zwei Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) durch mindestens einen Isolationsbereich (14) voneinander getrennt angeordnet sind, und - die Grundkörperplatten (11, 12) in dem mindestens einen Isolationsbereich (14) mittels der Diffusionsbondverbindung direkt oder über eine isolierende Zwischenschicht verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Bereitstellung der mindestens zwei Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) auf der mindestens einen der Grundkörperplatten (11, 12) umfasst: - Erzeugung mindestens einer flächigen Vorläuferschicht auf der mindestens einen der Grundkörperplatten (11, 12), und - Strukturierung der mindestens einen flächigen Vorläuferschicht zur Bildung der mindestens zwei Elektrodenschichten (21, 21A, 21B, 21C, 21D) und der Isolationsbereiche (14).
Verfahren gemäß Anspruch 14, mit den weiteren Schritten - Einbettung der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) in die mindestens eine der Grundkörperplatten (11, 12) durch thermische Diffusion, und - Abtrag von vorragenden Bereichen der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, mit dem weiteren Schritt - Kontaktierung der mindestens einen Elektrodenschicht (21, 21A, 21B, 21C, 21D) durch Verbindung des zugehörigen Kontaktabschnitts (22, 22A, 22B, 22C, 22D) mit einer Verbindungsleitung.