SACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ein Waferhalterungsgerät zur Halterung eines Wafers, so z. B. eines
Halbleiterwafers und eines Siliziumwafers, in einer Bearbeitungsstation unter dem Einfluß
einer Saugkraft, die von einer Vakuumpumpe erzeugt wird, und insbesondere betrifft sie ein
Waferhalterungsgerät, das für die Halterung eines Siliziumwafers angepaßt ist, in den eine
Vielzahl von Mikromaschinen, wie z. B. Getriebe, Motoren, Membranen und Ausleger,
hineingeformt sind.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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In den letzten Jahren hat die Produktionstechnologie von Halbleitern beträchtliche Fortschritte
gemacht und ist jetzt in der Lage ULSI (Ultrahochintegrationsbausteine) mit der
Mikrobearbeitungsgenauigkeit von 1 um herzustellen, welche die LSI (Hochintegrationsbausteine) mit
der Mikrobearbeitungsgenauigkeit von 3 um und die VLSI (Höchstintegrationsbausteine) mit
der Mikrobearbeitungsgenauigkeit von 2 um übertreffen. Entsprechend dazu sind Forschung
und Entwicklung in letzter Zeit zu Mikrobearbeitungstechnologien fortgeschritten, durch die
Mikromaschinen wie Getriebe, Motoren und dazu ähnliche in einen Siliziumwafer
hineingeformt werden unter Verwendung einer Herstellungstechnologie von integrierten Schaltkreisen
in Halbleiterwafern.
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Im allgemeinen sind die "Mikromaschinen" bislang als technischer Begriff verwendet
worden, mit dem mikroskalierte mechanische Elemente oder Strukturen (z. B. solche wie
Getriebe, Motoren, Membranen und Ausleger) bezeichnet werden sollen, die in Siliziumwafer
mittels Mikrobearbeitungstechnologien eingebaut werden. In einem engeren Sinne sind die
Mikromaschinen allgemein als Werkstoffe festgelegt, die bis in einen Bereich über die
physikalischen Gesetze hinaus mikroskaliert werden. Hier jedoch soll der Begriff "Mikromaschinen",
der in den weiteren Darlegungen der vorliegenden Beschreibung auftreten wird,
mikroskalier
te mechanische Elemente und Strukturen bedeuten, die in einen Siliziumwafer eingebaut sind.
Während des Mikrobearbeitungsprozesses ist es erforderlich, den Siliziumwafer, der das
Ausgangsmaterial für die Mikromaschinen bildet, stationär festzuhalten. Zu diesem Zweck wurde
bisher ein in der Fertigung von integrierten Halbleiterschaltkreisen eingesetztes
konventionelles Waferhalterungsgerät als Gerät zur Halterung von Siliziumwafern eingesetzt.
Bei konventionellen Waferhalterungsgerät wird eine Vakuumattraktionsmethode
übernommen, bei welcher der im Vergleich zum äußeren Luftdruck geringere Vakuumdruck im
Waferhalterungsgerät genutzt wird, um den Halbleiterwafer stationär während des
Herstellungsprozesses der LSI, VLSI oder ULSI (im folgenden einfach als "LSI" bezeichnet) festzuhalten.
Mit diesem Verfahren ist es weniger wahrscheinlich, daß die Halbleiterwafer beschädigt
werden, als mit einem mechanischen Halterungsverfahren, und es kann deshalb den Ausstoß des
Halbleiterwafers vergrößern.
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Mit Bezug auf die Abb. 5 und 6, die eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines dem
Stand der Technik entsprechenden, die Vakuumattraktionsmethode nutzenden
Waferhalterungsgerätes zeigen, hat eine Aufsetzbühne 1 eine Anzahl von koaxialen ringförmigen Rillen
2 (nur eine Rille ist dargestellt), die über einen Verbindungskanal 3, der in der Aufsetzbühne
1 vorgesehen ist, in Verbindung gehalten werden mit einem Ausgangsstutzen einer
Vakuumpumpe 4.
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Beim Betrieb der Vakuumpumpe 4 wird Luft aus den ringförmigen Rillen 2 der
Aufsetzbühne 1 herausgesaugt. Kommt folglich beim Aufsetzen eines Halbleiterwafers 5 auf die
Aufsetzbühne 1 dieser den ringförmigen Rillen 2 nahe, dann wird der Druck in den
ringförmigen Rillen herabgesetzt, was dann zu einer der Druckreduktion entsprechenden
Saugkraft führt, die eine Anziehung des Halbleiterwafers 5 an die Aufsetzbühne 1 erzeugt.
Infolgedessen wird der Halbleiterwafer 5 zuverlässig an die Aufsetzbühne 1 angesaugt und
sta
tionär an der Aufseztbühne gehalten.
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Wenn der eine Anzahl von Bohrungen 6 (z. B. Dir die Herstellung von Mikromaschinen 6a)
enthaltende Halbleiterwafer 5 auf die Aufsetzbühne 1 gesetzt wird, dann kann es
geschehen, daß die ringförmigen Rillen 2 der Aufsetzbühne 1 mit einigen der Bohrungen 6 des
Halbleiterwafers 5 in Verbindung treten. Dann kann das Gerät die ringförmigen Rillen 2
nicht in ausreichendem Maße auspumpen und nicht die ausreichende Saugkraft erzeugen, die
für das Heranziehen des Halbleiterwafers 5 an die Aufsetzbühne 1 nötig ist.
Andererseits gibt es verschiedene Halbleiter, die zwar keine solchen Bohrungen, jedoch
feinstrukturierte Bereiche an den mikromechanisch bearbeiteten Sektionen der
Halbleiterwafer enthalten, wo die Mikromaschinen auszuformen sind. Diese feinstrukturierten Bereiche
des Halbleiterwafers sind empfindlich gegenüber Beschädigungen, die aus den Spannungen
resultieren, denen sie ausgesetzt sind, wenn auf den Halbleiterwafer eine von einer
Vakuumpumpe erzeugte Saugkraft wirkt.
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Von diesem Gesichtspunkt aus kann das dem Stand der Technik entsprechende
Waferhalterungsgerät nur Dir spezielle Halbleiterwafer eingesetzt werden, von denen ein jeder eine
solche individuelle Anordnung von Mikromaschinen hat, so daß eine Beschädigung der
feinstrukturierten Bereiche des Halbleiterwafers 5 aus den obengenannten Gründen
auszuschließen ist. Außerdem ist die Anzahl der in einen einzigen Halbleiterwafer hineingeformten
Mikromaschinen auf ein vergleichsweise geringes Niveau beschränkt, weil der Halbleiterwafer
so auf der Aufsetzbühne 1 aufgesetzt werden muß, daß die ringförmigen Rillen nicht mit
den feinstrukturierten Bereichen des Halbleiterwafers 5 zusammentreffen. Daraus ergibt sich,
daß die dem Stand der Technik entsprechenden Waferhalterungsgeräte keine große Vielfalt
von Halbleiterwafern herstellen können und es so unmöglich machen, den Ausstoß an
Halbleiterwafer effektiv zu erhöhen.
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Ein weiteres Waferhalterungsgerät ist aus den Patent Abstracts of Japan, Band 7, Nr. 292 und
JP-A-58 168 253 bekannt. Ein Waferhalterungsgerät entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist bekannt aus DE-A-2.302.897.
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Waferhalterungsgerät bereitzustellen, das zur
Produktion einer großen Vielfalt von Halbleiterwafern mit unterschiedlichen Anordnungen der in
sie hineingeformten Mikromaschinen benutzt werden kann und mit dem sich der Ausstoß an
Halbleiterwafer erhöhen läßt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieses Ziel wird erreicht durch ein Waferhalterungsgerät, wie in Anspruch 1 definiert.
Ein Waferhalterungsgerät umfaßt nach einer Ausbildung einen Hauptkörper, versehen mit
einem Hohlraum, der ein offenes Ende hat und über einen Verbindungskanal verfügt, der mit
dem Hohlraum in Verbindung steht; ein Flachbauteil mit einer Vielzahl von in ihm geformten
Durchbohrungen, das sich abtrennbar mit dem Hauptkörper verbinden läßt, um das offene
Ende des Hohlraums abzudecken, so daß eine abgeschlossene Kammer gebildet wird, und das
mit einer ersten Oberfläche in unmittelbarem Kontakt einem Wafer und mit einer zweiten
Oberfläche dem Hohlraum gegenüber zu stellen ist, wobei die Durchbohrungen im
Flachbauteil so angeordnet sind, daß sie durch die Bereiche von besagtem Wafer verschlossen werden,
wenn der Wafer auf der ersten Oberfläche des Flachbauteils plaziert wird; und eine
Vakuumpumpe mit einem Ansaugstutzen, der mit der abgeschlossenen Kammer durch den
Verbindungskanal in Verbindung gehalten wird, um die abgeschlossene Kammer durch den
Verbindungskanal zu evakuieren und damit den Wafer auf dem Flachbauteil in Richtung zur
evakuierten abgeschlossenen Kammer hin anzuziehen.
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Entsprechend einer anderen Ausbildung ist jede der Durchbohrungen des Flachbauteils
versetzt gegenüber dem Bereich des Wafers, der auf dem Flachbauteil bearbeitet wird.
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In einer weiteren Ausbildung wird das Flachbauteil durch einen Siliziumwafer gebildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die charakteristischen Merkmale und Vorteile eines Waferhalterungsgerätes zur Halterung
eines Wafers entsprechend der vorliegenden Erfindung werden klarer verständlich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, von denen:
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Fig. 1 eine Draufsicht eines Waferhalterungsgerätes ist, das die vorgelegte Erfindung darstellt;
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Fig. 2 ein Querschnitt ist, der längs der Linie A-A von Fig. 1 genommen wurde;
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Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung der Draufsicht des in der Fig. 1 dargestellten
Waferhalterungsgerätes ist;
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Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung eines Querschnitts ist, der längs der Linie B-B von Fig. 1
genommen wurde;
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Fig. 5 eine Draufsicht eines Waferhalterungsgerätes ist, das dem bekannten Stand der Technik
entspricht und
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Fig. 6 ein Querschnitt ist, der längs der Linie C-C von Fig. 5 genommen wurde.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Waferhalterungsgerät, das als eine bevorzugte Ausbildung der
vorliegenden Erfindung vorgestellt wird.
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Die Bezugsziffer 10 in den Fig. 1 und 2 bezeichnet einen Hauptkörper, der als eine
Aufsetzbühne dient, die Bezugsziffer 11 ein Flachbauteil und die Bezugsziffer 12 einen
Halbleiterwafer (typischerweise ein Siliziumwafer). Der Halbleiterwafer 12 hat eine Anzahl von
mikrobearbeiteten Sektionen 13 in denen Mikromaschinen herauszuformen sind. Die
mikrobearbeiteten Sektionen 13 sind in vorherbestimmten Abständen in der Längs - und Querrichtung des
Halbleiterwafers 12 angeordnet. Für die Mikromaschinen dieser Ausbildung werden Ausleger
angenommen, die zum Einsatz in einem Beschleunigungsmesser vorgesehen sind,
selbstver
ständlich können sie jedoch durch andere Arten von Mikromaschinen ersetzt werden.
Der Hauptkörper 10 ist mit einem kreisförmigen Hohlraum 14 versehen, der ein offenes Ende
hat und untere und obere koaxiale Hohlraumsektoren 14a und 14b umfaßt, die sich in ihrem
Durchmesser unterscheiden. Der Durchmesser 1 des oberen Hohlraumsektors 14b ist im
wesentlichen gleich dem Durchmesser des zu bearbeitenden Halbleiterwafers, und der
Durchmesser 2 des unteren Hohlraumsektors 14a ist etwas kleiner als der Durchmesser 1
des oberen Hohlraumsektors 14b. Ein ringförmiger Flachsims 10a ist im Hauptkörper 10
zwischen dem unteren Hohlraumsektor 14a und dem oberen Hohlraumsektor 14b des Hohlraumes
14 eingebaut. Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist im Hauptkörper 10 ein
Vakuumverbindungskanal 15 so ausgebildet, daß er sich von der Seitenwand des unteren Hohlraumsektors 14a zur
Außenseite des Hauptkörpers 10 erstreckt. Eine Vakuumpumpe 16 ist an der Außenseite des
Hauptkörpers 10 angeordnet, sie hat einen Ansaugstutzen, der mit dem unteren
Hohlraumsektor 14a des Hohlraumes 14 durch den Vakuumverbindungskanal 15 in Verbindung gehalten
wird.
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Das Flachbauteil 11 hat eine kreisförmige Konfiguration, die im wesentlichen identisch mit
der des Halbleiterwafers 12 ist, und es hat einen Durchmesser, der auch im wesentlichen
gleich dem Innendurchmesser 1 des oberen Hohlraumsektors 14b des Hohlraumes 14 ist.
Das Flachbauteil 11 greift lösbar in den ringförmigen Flachsims 10a des Hauptkörpers 10 ein,
um das obere Ende des Hohlraumes 14 abzudecken, solcherart eine geschlossene Kammer
bildend. Das Flachbauteil 11 hat eine erste Oberfläche, die unmittelbar flächenkontaktierend
dem Halbleiterwafer 12 gegenüber zu stellen ist und eine zweite Oberfläche, die dem
Hohlraum 14 gegenübersteht. Wenn das Flachbauteil 11 in den oberen Hohlraumsektor 14b des
Hohlraumes 14 eingeführt wird, dann wird der äußere ringförmige periphere Teil des
Flachbauteils 11 auf den ringförmigen Flachsims 10a des Hauptkörpers 10 im Hohlraum 14
aufge
setzt.
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Die Dicke t des Flachbauteils 11 ist etwas geringer als die Höhe h des oberen
Hohlraumsektors 14b, so daß die obere Oberfläche des Flachbauteils 11 unterhalb der oberen Oberfläche
des Körpers 10 abschließt. Infolge der Dicke des Flachbauteils 11 so wie auch des
Durchmessers des Halbleiters 12 gemäß der obigen Beschreibung ist der Halbleiterwafer 12 im oberen
Hohlraumsektor 14b des Hohlraumes 14 fest positioniert, ohne in die horizontale Richtung
des Hauptkörpers verschoben zu werden, unter der Bedingung, daß der Halbleiterwafer 12 auf
den ringförmigen Flachsims 10a des Hauptkörpers 10 aufgesetzt wird.
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Das Flachbauteil 11 hat eine Vielzahl von kleinen Durchbohrungen 17, die in dieses
hineingeformt wurden und die sich in Richtung der Dicke des Flachbauteils 11 erstrecken. Die
Durchbohrungen 17 sind im Flachbauteil 11 hinsichtlich des Halbleiterwafers 12 so angeordnet, daß
sie durch den Halbleiter 12 verschlossen werden, wenn der Halbleiter 12 auf die erste
Oberfläche des Flachbauteils 11 aufgesetzt wird. Genauer gesagt sind, wie in Fig. 4 dargestellt, die
Abstände D1 und D2 von der Mittelachse der Durchbohrung 17 zu den Mittelachsen der
angrenzenden zwei mikrobearbeiteten Sektionen 13 im wesentlichen gleich zueinander, so daß
die Durchbohrungen 17 räumlich entfernt sind von den mikrobearbeiteten Sektionen 13 des
Halbleiters 12 auf dem Flachbauteil 11 und somit ihre Fluchtlinien nicht übereinstimmen.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, erfolgt z. B. für den Fall, daß der Halbleiterwafer 12 eine Anzahl
von mikrobearbeiteten Sektionen 13 hat, die in konstanten Abständen in Längs- und
Querrichtung des Halbleiters 12 angeordnet sind, eine Auswahl des Flachbauteils 11 für den
Halbleiterwafer 12 in der Art, daß sich jede der in das Flachbauteil 11 hineingeformten
Durchbohrungen 17 in einem gleichen Abstand von den zu ihnen nächstgelegenen mikrobearbeiteten
Sektionen 13 des Halbleiters 12 befindet, die ihrerseits von den Durchbohrungen 17 umgeben
sind.
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Die Wirkungsweise des der vorliegenden Erfindung entsprechenden und oben dargelegten
Waferhalterungsgerätes wird nun im Verlaufe der folgenden Beschreibung ersichtlich werden.
Zur Plazierung eines mikrobearbeitete Sektionen 13 aufweisenden Halbleiterwafers 12 auf ein
Flachbauteil 11 wird das Flachbauteil 11 für den Halbleiterwafer 12 in der Art ausgewählt,
daß jede der in das Flachbauteil 11 hineingeformten Durchbohrungen 17 sich in einem
gleichen räumlichen Abstand von den zu ihnen nächstgelegenen mikrobearbeiteten Sektionen 13
des Halbleiterwafers 12 befindet, die ihrerseits von den Durchbohrungen 17 umgeben sind.
Das ausgewählte Flachbauteil 11 wird dann vom oberen Hohlraumsektor 14b des Hohlraums
14 des Hauptkörpers 10 aufgenommen, um auf den Sims 10a des Hauptkörpers 10 aufgesetzt
zu werden. Dann wird der Halbleiterwafer 12 auf das ausgewählte Flachbauteil 11 aufgesetzt
und so bezüglich des ausgewählten Flachbauteils 11 positioniert, daß jede der
Durchbohrungen 17 im Flachbauteil 11 räumlich gleich weit entfernt von den zu ihnen nächstgelegenen
mikrobearbeiteten Sektionen 13 des Halbleiterwafers 12 ist, die ihrerseits von den
Durchbohrungen 17 umgeben sind.
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Unter diesen Bedingungen wird die Pumpe 16 betrieben, um in der abgeschlossenen Kammer
des Hohlraumes 14 ein Vakuum zu erzeugen. Dadurch wird der Halbleiterwafer 12 in engem
Kontakt mit dem Flachbauteil 11 gehalten, wobei die ebene ringförmige Fläche des
Flachbauteils 11 mit dem ringförmigen Sims 10a des Flachbauteils 11 hermetisch abgedichtet wird.
Daher wird der Druck in dem unteren Hohlraum 14a ausreichend reduziert, um alle
Durchbohrungen 17 des Flachbauteils 11 vollständig durch die Bereiche des Halbleiterwafers 12 zu
schließen, die von den mikrobearbeiteten Sektionen 13 des Halbleiterwafers 12 umgeben sind.
Im Ergebnis werden der Halbleiterwafer 12 und das Flachbauteil 11 stationär auf dem
Hauptkörper 10 festgehalten, während der Halbleiterwafer 12 verschiedene Prozeßschritte, so
Photolithographie, Überprüfung und Bewertung, durchläuft.
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Das Flachbauteil 11 wird vorzugsweise durch einen Siliziumwafer gebildet, der
ausgezeichnete Oberflächenglätte und Wärmeleitvermögen aufweist. Die ausgezeichneten
Glätteeigenschaften der Oberfläche des Siliziumwafers führen dazu, daß das Flachbauteil 11 zuverlässig
in engem Kontakt mit dem auf ihm zu bearbeitenden Halbleiterwafer 12 gehalten werden
kann. Andererseits kann die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit dazu veranlassen, den
Siliziumwafer als ein Heizelement zu nutzen. Folglich macht es ein derartiger Siliziumwafer 12
möglich, das Flachbauteil 11 unter den gewünschten Bedingungen für spezielle
Bearbeitungsprozesse zu nutzen, einschließlich der anodischen Anbindung von Natronwasserglas an die
Oberfläche des Halbleiterwafers 12.
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Die mikrobearbeiteten Sektionen 13 des Halbleiterwafers 12 werden mit einem anisotropen
Ätzprozeß bearbeitet, wobei zum Beispiel 50 prozentiges Kaliumhydroxyd (80ºC) eingesetzt
wird. Wenn als Flachbauteil 11 ein Siliziumwafer benutzt wird, dann wird unter dem
Gesichtspunkt der Einfachheit der Mikrobearbeitungsprozesse ein analoger anisotroper
Ätzprozeß für die Durchbohrungen 17 des Flachbauteils 11 bevorzugt.
Wenn der anisotrope Ätzprozeß auf die (110) Ebene des Siliziumwafers angewandt wird,
dann werden die mikrobearbeiteten Sektionen 13 des Halbleiters 12 und die kleinen
Durchbohrungen 17 beide nicht in einer rechteckigen Gestalt konfiguriert, wie es in der Fig. 1
dargestellt ist, sondern in Form eines Parallelogramms, wie es die Fig. 3 zeigt.
Nach den Darstellungen der Fig. 1 und 5 wird für den Halbleiterwafer 12 ein vollkommen
kreisförmiger Außenumfang angenommen, während jedoch bei einem typischen
Halbleiterwafer auf diesem sogenannte Orientierungsflachprofile herausgearbeitet sind. Damit ist es
möglich, die Positionierung des Halbleiterwafers 12 bezüglich des Flachbauteils 11 in der
Rotationsrichtung zu erleichtern, wenn das Flachbauteil 11 mit Orientierungsflachprofilen auf dem
Flachbauteil 11 so ausgestattet ist, daß sich diese mit den Orientierungsflachprofilen des
Halbleiterwafers 12 in Übereinstimmung bringen lassen. Wird ein Siliziumwafer als
Flachbauteil 11 benutzt, dann können die ursprünglich auf dem Siliziumwafer herausgeformten
Orientierungsflachprofile für diesen Zweck verwendet werden.
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Das obige Waferhalterungsgerät, das die vorliegende Erfindung verkörpert, ist hinsichtlich
seiner Anwendung für einen Halbleiterwafer 12, der mikrobearbeitete Sektionen 13 hat,
beschrieben worden, wobei die Erfindung jedoch nicht auf eine solche Anwendung für den
Halbleiterwafer 12 beschränkt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der
Halbleiterwafer 12 durch einen typischen Halbleiter mit darin zusammengefaßten integrierten
Schaltkreisen ersetzt werden.
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Wie oben in bezug auf das Waferhalterungsgerät beschrieben wurde, ist das Flachbauteil 11
mit dem Hauptkörper 10 abnehmbar in der Art zusammengefügt, daß es möglich ist, ein
bestimmtes Flachbauteil aus einer Anzahl von Flachbauteilen mit unterschiedlichen
Anordnungen der in sie hineingeformten Durchbohrungen 17 so auszuwählen, daß es der Anordnung
der mikrobearbeiteten Sektionen des Halbleiterwafers angepaßt ist. Deshalb kann die
Effizienz des Waferhalterungsgerätes beträchtlich erhöht werden, da die unterschiedliche
Anordnungen und unterschiedliche Anzahl von mikrobearbeiteten Sektionen 13 aufweisenden
Halbleiterwafer 12 frei gewählt werden können.
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Wird ein Siliziumwafer als Flachbauteil verwendet, dann werden die folgenden Vorteile
erreicht.
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(i) Eine Vielzahl von Flachbauteilen mit unterschiedlichen Anordnungen von
Durchbohrungen 17, die in Übereinstimmung mit den unterschiedlichen Halbleiterwafern 12
auszuwählen sind, kann leicht mit einem anisotropen Ätzprozeß in einem sukzessiven
Chargenverfahren produziert werden.
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(ii) Da die Oberfläche des Flachbauteils über eine ausgezeichnete Glätte wie ein Spiegel
ver
fügt, kann der hermetisch abgeschlossene Kontakt zwischen dem Halbleiterwafer 12 und
dem Flachbauteil 11 zuverlässiger erreicht werden, wenn der Halbleiterwafer 12 auf das
Flachbauteil 11 aufgesetzt wird, und Details der unteren Oberfläche des Halbleiterwafers
12 können durch ein Abbild von dieser, das auf der glatten Oberfläche des Flachbauteils 11
erscheint, wahrgenommen werden.
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(iii) Da Silizium ausgezeichnet hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit ist, kann das
Flachbauteil 11 nicht nur als Heizelement sondern auch als Wärmeleitungsmittel verwendet werden,
wodurch es einfacher wird, verschiedene Arten der Wärmebehandlung am Halbleiterwafer
12 auszuführen.
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(iv) Säuberungsbehandlung und Ätzreinigung des Flachbauteils 11 können leicht ausgeführt
werden.