Die Erfindung betrifft eine Wafer-Halterung zur großflächigen elektrischen und/oder thermischen Kontaktierung eines Wafers mittels Unterdrucks, insbesondere anwendbar in der elektrochemischen oder nasschemischen Prozessierung von Halbleiter-Wafern.

Unter der Kontaktierung ist im Sinne dieser Erfindung die Erzeugung eines nicht persistenten kraftschlüssigen Kontakts zwischen einer Flachseite eines Wafers und einer metallischen Elektrode zu verstehen, wobei die metallische Elektrode als guter elektrischer Leiter und/oder als Wärmeleiter verstanden werden soll. Die Kontaktierung soll großflächig in dem Sinne sein, dass die Elektrode den überwiegenden Teil der Waferflachseite kontaktiert, typischerweise sogar fast die gesamte Waferflachseite.

Verschiedene Nachbearbeitungsprozesse für Wafer bedürfen einer großflächigen Kontaktierung. Zu nennen sind hier vor allem Abscheide- bzw. Beschichtungsverfahren und Ätzprozesse. Speziell das großflächige Porenätzen verlangt eine sehr gleichmäßige Kontaktierung der Rückseite, d.h. der dem Elektrolytbad abgewandten Flachseite, des Wafers. Ohne diese gleichmäßige Kontaktierung sind die Ätzergebnisse gewöhnlich nicht kontrollierbar, und das Ätzen zerstört den Wafer lediglich.

Weiterhin ist das Erzeugen gut kontrollierter und gleichmäßiger Temperaturbedingungen für viele chemische Bäder wichtig, vor allem auch, wenn diese bei einer gegenüber Raumtemperatur deutlich erhöhten Temperatur betrieben werden müssen.

Eine zur Kontaktierung von z.B. Silizium (Si)-Wafern gut geeignete Vorrichtung wird bereits in der Druckschrift DE 102013 104469 B4 vorgestellt. Sie basiert auf dem Konzept eines Rahmens mit einem im Rahmeninnern angeordneten, beweglich gelagerten Metall block als Elektrode. Der Rahmen weist eine umlaufende Nut mit einem in der Nut angeordneten O-Ring auf. Der Metallblock seinerseits schließt in jeder Position seines Bewegungsspielraumes gasdicht mit dem Rahmen ab. Wird ein Wafer auf den O-Ring im Rahmen aufgelegt, so kann der Raum zwischen Wafer und Metallblock mit Unterdrück beaufschlagt werden. Dadurch wird der Metallblock an den Wafer herangezogen - ggf. mit einer auf dem Metallblock aufliegenden Metallfolie - und unter sehr geringer Durchbiegung des Wafers in großflächigen Kontakt gebracht. Der Metallblock kann mit großen Stromstärken - mehrere 100 A bis kA - beaufschlagt werden, was vor allem bei Ätzprozessen üblich notwendig ist.

Der Transfer dünner monokristalliner Halbleiterschichten ist für viele Anwendungen in der Mikroelektronik, Photovoltaik aber auch Li-Ionen-Akkumulatoren von großem Interesse. Dabei werden vom ursprünglichen Wafer mehrfach Schichten abgetragen, wodurch der Wafer immer dünner und damit bruchanfälliger wird. Zudem sind viele lll-V Halbleiter wie z.B. Indiumphosphid (InP) sehr spröde, so dass selbst dicke Wafer leicht brechen können. Ein probates Mittel zum Separieren einer solchen Halbleiter-Schicht von einem monokristallinen Wafer besteht in einem gesteuerten Ätzangriff in einer vorbestimmten Tiefe des Wafers, beispielsweise durch elektrochemisches Kanalätzen gefolgt von einem Elektropolierschritt zur Ablösung der darüberliegenden durchbohrten Schicht. Hierfür ist die gute Rückseitenkontaktierung des Wafers notwendig und nachgefragt.

Experimente der Erfinder haben indes offenbart, dass sehr spröde Halbleiter-Wafer, insbesondere solche aus InP, gewöhnlich beim Versuch der Kontaktierung mit der vorbeschriebenen Vorrichtung zerbrechen. Dies gilt erst recht, wenn die Ausgangsdicke der InP-Wafer 500 Mikrometer oder weniger beträgt. Als Ursache wird die immer noch zu große mechanische Schlagbelastung angesehen, die sich beim Aufbau des Unterdrucks aus der Annäherung des Metallblocks an den Wafer ergibt.

Auf der Suche nach Abhilfe haben sich die Erfinder der Druckschrift US 4 043 894 A aus dem Jahr 1977 zugewandt, in der vordergründig eine Halterung des Wafers mittels Unterdrucks in einem ringförmigen Bereich zwischen zwei Nuten mit O-Ringen und eine mittige elektrische Kontaktierung mittels eines flüssigen Elektrolyten angeregt werden. Diese Ideen sind hier zunächst nicht zielführend, z.B. wegen der großen erforderlichen Stromstärken. Aber die Druckschrift erwähnt gewissermaßen nebenbei in Sp. 2, Z. 59 - Sp. 3, Z. 3: „O-rings provide a plurality of coplanar ridges projecting from the disk upper surface for receiving the wafer. Resilient O-rings are preferred because they provide a good seal to the wafer and can be periodically replaced to insure a consistent seal. However, it is contemplated that ridges could be formed as an integral part of the disk if coplanarity can be maintained. It should be noted that the ridges need not necessarily be concentric or circular as long as that they are continuous or closed-looped and that each continuous ridge has a progressively larger perimeter as they extend towards the outer periphery of the disk surface.”

Mit den heute verfügbaren Technologien zur Materialbearbeitung und -Strukturierung ist es möglich, daraus eine Problemlösung abzuleiten.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die großflächige elektrische und/oder thermische Kontaktierung einer Flachseite eines Wafers mittels Unterdrucks auch für sehr spröde Halbleiter-Wafer ohne Bruchgefahr zu realisieren, indem sie eine neue Ausgestaltung einer Wafer-Halterung vorschlägt.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wafer-Halterung zur großflächigen elektrischen Kontaktierung eines Halbleiter-Wafers umfassend einen Metallkörper mit einer oberseitig um die Absetzhöhe L abgesetzten Metallflachseite und einer unterseitig angeordneten Gaskupplung sowie wenigstens einem in der Metallflachseite offenen, zur Gaskupplung führenden Gaskanal, wobei der Metallkörper zur Beaufschlagung mit elektrischen Strömen der Größenordnung kA ausgebildet ist und eine auf dem Metallkörper aufliegende flexible Matte gebildet aus einem Inertpolymer, wobei die Matte eine Aussparung zur Durchführung der Metallflachseite aufweist und den Rand der Metallflachseite umgebend parallel zur Metallflachseite fixiert angeordnet ist, wobei die Matte auf der dem Metallkörper abgewandten Seite entlang einer Mehrzahl geschlossener, mathematisch ähnlicher, konzentrischer Konturen jeweils eine von wenigstens drei Mattendicken M, R, G aufweist und die Mattendicken mit der Eigenschaft M > R > L > G derart vorbestimmt sind, dass eine erste Kontur der Mattendicke M zur Kontaktierung des Randbereichs eines Wafers ausgebildet ist und auf einer zweiten kleineren Kontur der Mattendicke R der Rand einer auf der Metallflachseite aufliegenden Metallfolie angeordnet ist und die erste und zweite Kontur je zwei unmittelbar benachbarte Konturen der Mattendicke G aufweisen.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Wafer-Halterung gerichtet.

Das Inertpolymer kann insbesondere ein Fluoropolymer oder ein Silikon sein.

Die Mattendicke M kann in einer bevorzugten Ausgestaltung wenige Millimeter (wenige Millimeter können hierbei etwa 1-4 Millimeter sein), insbesondere bevorzugt 2-3 Millimeter, betragen.

Die Mattendicke M kann bevorzugt zwischen 200 und 300 Mikrometer größer als die Absetzhöhe L der Metallflachseite sein.

Die Mattendicke G kann insbesondere der halben Mattendicke M entsprechen.

Die erste und die zweite Kontur können jeweils eine Breite von wenigstens 1 Millimeter aufweisen.

Die Metallfolie kann aus Gold oder Aluminium gebildet sein.

Die Dicke der Metallfolie kann insbesondere 30-100 Mikrometer betragen.

Die Mattendicke R kann zwischen 50 und 150 Mikrometer größer als die Absetzhöhe L der Metallflachseite sein.

Weiter erfindungsgemäß ist die Verwendung der Wafer-Halterung zur großflächigen elektrischen Kontaktierung von spröden Halbleiter- Wafern, insbesondere von Indiumphosphid- Wafern.

Die Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass (i) der O-Ring im Rahmen der Vorrichtung gemäß der Druckschrift DE 10 2013 104 469 B4 ersetzt wird durch eine in eine flexible Matte aus einem Inertpolymer integrierte und entlang einer geschlossenen Kontur verlaufende Rückenstruktur und (ii) die Metallflachseite zur Kontaktierung völlig unbeweglich ist. Die Annäherung des auf der Rückenstruktur aufliegenden Wafers an die Metallflachseite - den Metallblock - erfolgt beim Aufbau des Unterdrucks durch den Gaskanal, indem der Wafer unter Nachgeben der flexiblen Rückenstruktur auf die Metallflachseite abgesenkt wird. Bewegt wird also nur die geringe Masse des Wafers selbst und die noch geringere Masse einer oder mehrerer Rückenstrukturen in der flexiblen Matte. Die Kraftbelastung und Durchbiegung des Wafers wird durch die elastische Deformation des Inertpolymers minimiert.

Das Inertpolymer kommt mit - durch Bestromung - heißem Metall und zumindest außerhalb der äußersten Rückenstruktur auch mit einem Elektrolyten in Kontakt. Es muss deshalb chemisch und thermisch stabil sein. Bevorzugt kommen Fluoropolymere wie z.B. Teflon® oder Silikone als Inertpolymere in Betracht. Eine Matte aus Inertpolymer kann heute z.B. mittels Laserabtrag recht präzise bearbeitet und entlang vorbestimmter Konturen strukturiert werden. Die Strukturierung im Kontext dieser Beschreibung umfasst den Laserabtrag von Polymermaterial zur lokalen Reduzierung der Mattendicke von einem Ausgangswert, z.B. M, auf kleinere Werte, z.B. R und G.

Unter einer geschlossenen Kontur versteht diese Beschreibung eine zweidimensionale in sich selbst zurückgeführte Linie in der Mattenebene mit einer vorbestimmten Linienbreite, der Konturbreite. Eine Mehrzahl von Konturen ist auf der Oberseite der flexiblen Matte vorgesehen. Diese Konturen sollen konzentrisch angeordnet und im mathematischen Sinne ähnlich sein, d.h. durch Drehung und/oder Streckung zur Kongruenz gebracht werden können. Den einzelnen Konturen sind erfindungsgemäß unterschiedliche Mattendicken M, R, G zugewiesen, die beispielsweise durch Laserabtrag entlang der Konturen eingerichtet werden. Die Konturen können sich schon deshalb nicht überschneiden, und insbesondere haben alle Konturen auch unterschiedliche Durchmesser. Als unmittelbar benachbart werden zwei Konturen bezeichnet, wenn sie ohne Zwischenraum in der Mattenebene vollständig parallel zueinander verlaufen. Jede Kontur kann maximal zwei unmittelbar benachbarte Konturen aufweisen, nämlich eine kleinere innere, die überall näher am gemeinsamen Zentrum verläuft und eine größere äußere, die überall weiter entfernt vom Zentrum verläuft.

Im einfachsten Fall sind alle geschlossenen Konturen kreisförmig, d.h. auf der Matte wird eine Anordnung konzentrischer Ringe mit unterschiedlicher Mattendicke realisiert. Es wird jedoch auf den Hinweis der US 4 043 894 A verwiesen, dass die in die Matte integrierten Strukturen auch anders, beispielsweise quadratisch oder sogar sternförmig, ausgestaltet sein können. Dies kann von Vorteil sein für die Bearbeitung nicht-kreisscheibenförmiger Wafer. Hierbei ist hervorzuheben, dass fast alle industriell verwendeten Wafer von der idealen Kreisform abweichen, weil sie zu Zwecken der automatischen Orientierung in Produktionsanlagen mit wenigstens einem Flat versehen sind, d.h. ein Kreisabschnitt am Waferrand ist entfernt worden. Die Konturen der Erfindung können - im Unterschied zu üblichen O-Ringen - dem Randverlauf des Wafers perfekt folgen und somit auch dann eine optimale Gasabdichtung bei maximaler Flächenkontaktierung des Wafers sicherstellen.

Eine der wesentlichen Erkenntnisse der Erfinder aus den Experimenten mit integrierten Rückenstrukturen in einer flexiblen Matte nach Art der US 4 043 894 A ist die, dass sich kein stabiler Unterdrück zwischen Wafer und Metallblock erzielen lässt, wenn die Matte auch nur geringste laterale Verzerrungen aufweist. Solche Verzerrungen können sich aber sowohl beim Fixieren der Matte auf dem Metallblock als auch beim Deformieren der Rückenstrukturen beim Ansaugen des Wafers einstellen, weil bei jeder Deformation auch kleine Kraftkomponenten in Richtung parallel zur Matte wirken, die laterale Verzerrungen nach sich ziehen können. Die Verzerrungen haben dann üblich den Effekt, dass sie die geforderte Planarität der integrierten Rückenstruktur im Kontakt mit dem Wafer aufheben, so dass kein gasdichtes Abschließen mehr möglich ist.

Zur Vermeidung der unerwünschten Verzerrungen führt die Erfindung hier je zwei den tragenden - zu deformierenden - Strukturen (Konturen mit Mattendicken M, R) unmittelbar benachbarte Konturen der Mattendicke G < R < M ein, die man auch als Grabenstrukturen bezeichnen kann. Ihr Zweck ist die mechanische Entkopplung der tragenden Strukturen von der lateralen Nachbarschaft in der Matte, so dass Kraftkomponenten parallel zur Matte nicht auf diese Nachbarschaft einwirken können. Mit Hilfe dieser Gräben zu beiden Seiten der tragenden Rückenstrukturen ergibt sich eine erhebliche verbesserte Gasdichtigkeit zwischen Wafer und Metallblock; der beaufschlagte Unterdrück ist stabil und beständig.

Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert anhand einer beispielhaften Ausführungsform sowie anhand einer Figur. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Skizze eines Schnittbildes senkrecht zu Metallflachseite und aufliegendem Wafer zur Darstellung der erfindungsgemäßen Mattendicken.

In Fig. 1 ist eine nicht maßstabsgetreue Schnittskizze durch eine beispielhafte Wafer-Halterung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Schnitt verläuft dabei senkrecht zur abgesetzten Metallflachseite 12 des Metallblocks 10. Die Metallflachseite 12 ragt um die Absetzhöhe L aus der übrigen Oberseite des Metallblocks 10 heraus und ist in deren Zentrum angeordnet. Sie weist ferner wenigstens eine Öffnung für einen Gaskanal 14 auf, der den Metallblock 10 im Innern durchquert und an der Unterseite des Metallblocks 10 in eine Gaskupplung 16 führt. Die Gaskupplung 16 kann als verschließbarer Hahn ausgebildet sein. Sie dient dem Anschließen einer Vorrichtung zum Ansaugen von Gas von der Metallflachseite 12 her, also dem Beaufschlagen mit Unterdrück. Der Metallblock 10 trägt alle weiteren Komponenten der Wafer-Halterung, insbesondere die flexible Matte 20 aus Inertpolymer. Es ist hier anzumerken, dass die Teile des Metallblocks 10, auf denen die Matte 20 aufliegt, auch durch ein anderes Material ersetzt werden könnten, beispielsweise auch durch ein elektrisch isolierendes Material, etwa einen Kunststoff. In diesem Fall wäre unter der Absetzhöhe L der Metallflachseite 12 sinngemäß der Höhenunterschied zwischen der Metallflachseite 12 und der Auflagefläche der Matte 20 zu verstehen, was auch aus der Fig. 1 leicht ersichtlich ist.

Die Matte 20 weist eine initiale Mattendicke M > L und eine Aussparung zur Durchführung der Metallflachseite 12 auf, d.h. ein zentraler Bereich der Matte 20 ist herausgeschnitten, und die Matte 20 liegt so auf der Oberseite des Metallblocks 10, dass sie den Rand der Metallflachseite 12 umgibt. Die Matte 20 liegt somit parallel orientiert zur Metallflachseite 12 und ist in ihrer Lage fixiert durch geeignete Fixierungselemente wie Schrauben oder Klemmen am Rand der Matte 20 (nicht dargestellt). Die Matte 20 überragt den Rand des Metallblocks 10 üblich nicht.

Auf der dem Metallblock 10 abgewandten Seite der Matte 20 sind mehrere konzentrische Konturen vorgesehen, die in diesem Beispiel als Kreisringe ausgebildet sind. Entlang dieser Konturen sind mittels Laserabtrag (Laserablation) verschiedene Mattendicken M, R, G eingerichtet, wobei die Relation M > R > L > G mit L als Absetzhöhe der Metallflachseite 12 wesentlich ist. In der Schnittskizze der Fig. 1 sind nur die Querschnitte der herausgearbeiteten Kreisringstrukturen 22, 24, 26 erkennbar. Die Begriffe „geschlossene konzentrische Konturen“ und „Rückenstrukturen, Grabenstrukturen“ werden hier wie auch an anderer Stelle der Beschreibung gern abkürzend synonym verwendet, wobei gemeint ist, dass die dreidimensionalen Strukturen durch Zuordnung einer Mattendicke auf die Konturen entstehen, wenn die Matte 20 mit dem Laser entsprechend bearbeitet wird.

Die initiale Mattendicke der flexiblen Matte 20 kann vorzugsweise 2 bis 3 Millimeter betragen. Sie kann hiernach zwar überall - d.h. ganzflächig - auf eine vorbestimmte Mattendicke M verringert werden, aber es ist erkennbar zweckmäßig, die Mattendicke M mit der initialen Mattendicke gleichzusetzen. Es ist eine erste geschlossene Kontur 22 mit Mattendicke M für die gasabdichtende Kontaktierung des Wafers 40 vorgesehen. Eine zweite im Durchmesser kleinere und somit weiter innen liegende Kontur 24 mit Mattendicke R dient dem Tragen des Randes einer dünnen Metallfolie 30, die ansonsten auf der Metallflachseite 12 aufliegt und sich über den Rand der Metallflachseite 12 hinaus erstreckt, dabei aber nicht bis zur ersten Kontur 22 reicht. Bevorzugt weist die erste Kontur 22 eine Konturbreite von etwa 1 Millimeter auf, während die zweite Kontur 24 auch breiter als 1 Millimeter ausgelegt sein kann, um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen der Metallfolie 30 und dem Rand des Wafers 40 einzurichten. Das übliche „Durchhängen“ der Metallfolie 30 innerhalb der tragenden Kontur 24, das zum Aufliegen der Metallfolie 30 auf der Metallflachseite 12 führt, ist in Fig. 1 zur Vereinfachung der Skizze nicht dargestellt.

Weiterhin bevorzugt ist die Mattendicke M zwischen 200 und 300 Mikrometer größer als die Absetzhöhe L der Metallflachseite 12. Anders gesagt überragt die erste Kontur 22 die fest positionierte Metallflachseite 12 um 200-300 Mikrometer im unbelasteten Zustand. Der Metallfilm 30 soll an seinem Rand auf der zweiten Kontur 24 etwas höher liegen als auf der Metallflachseite 12; vorzugsweise ist die Mattendicke R der zweiten Kontur zwischen 50 und 150 Mikrometer größer als die Absetzhöhe L der Metallflachseite 12 eingerichtet.

Vorzugsweise besteht die Metallfolie 30 aus einem guten elektrischen Leitermaterial, bevorzugt aus einem der Elementmetalle Gold oder Aluminium. Die Metallfolie 30 ist bevorzugt zwischen 30 und 100 Mikrometer dick. Der Zweck der Metallfolie 30 ist die Bestromung des Randbereichs des Wafers 40 zwischen dem Rand der Metallflachseite 12 und der ersten Kontur 22. Dieser Randbereich macht einen wesentlichen Anteil der Fläche des Wafers 40 aus; der gesamte Strom aus diesem Bereich kann jedoch über kurze Wege durch die Metallfolie 30 in den Metallkörper 10 transportiert werden, so dass die ohmschen Verluste klein und die Potentialunterschiede vernachlässigbar sind.

Die erste und die zweite Kontur 22, 24 weisen erfindungsgemäß je zwei unmittelbar benachbarte Konturen 26 der Mattendicke G auf, sogenannte Grabenstrukturen. Dabei ist die zwischen der ersten und zweiten Kontur 22, 24 angeordnete einzelne Grabenstruktur 26 beiden Konturen 22, 24 unmittelbar benachbart. Vorzugsweise beträgt die Mattendicke G die Hälfte der Mattendicke M, und insbesondere ist G kleiner als die Absetzhöhe L der Metallflachseite 12. Wie bereits erläutert sollen die Konturen 26 mit Mattendicke G die Ausbreitung von Krafteinwirkungen parallel zur Mattenebene unterbinden, u. a., wenn diese Krafteinwirkungen aus der Deformation der tragenden Rückenstrukturen 22, 24 unter Kraftbelastung durch Unterdruckaufbau hervorgehen. Die Konturbreiten der Konturen 26 können 1 Millimeter betragen, aber auch deutlich größer vorbestimmt werden. Hier hat der Nutzer eine Wahlfreiheit, die er zur Optimierung des flexiblen Verhaltens seiner Matte 20 nutzen kann. Je nach Wahl des Nutzers von initialer Mattendicke und Material (Inertpolymer) wird sich der Nutzer basierend auf der vorliegenden Beschreibung ohne Weiteres selbst Konturen und Mattendicken definieren und mittels einer einfachen Reihe von Vorversuchen die Lösung mit den besten Resultaten identifizieren können.

Das Absenken des spröden Wafers 40 auf die Metallflachseite 12 mit Metallfolie 30 beim Aufbau des Unterdrucks erfolgt mit der erfindungsgemäßen Wafer-Halterung so schonend und minimal mit Kraft belastend, dass in den Experimenten der Erfinder z.B. mit 300 Mikrometer dicken InP-Wafern zur elektrochemischen Ätzung kein einziger Wafer mehr zerbrochen ist, wo vor der Verwendung der Erfindung alle zerbrachen.