Brevet FR2888988A3 — publié le 20070126

FR 2888988 A3 20070126 FR 0605741 A 20060627 - 1 DESCRIPTION Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un support de substrat électrostatique pour plaquettes et plus spécialement les supports de substrat électrostatiques transportables (Transfer-ESC) mobiles où le support mobile maintient une plaquette mince électrostatiquement plaquée près chargement (en appliquant d'une tension électrique de plaquage) sans nécessiter une connexion permanente à une source d'énergie extérieure pour effectuer le transport ou les opérations de traitement ultérieures pendant plusieurs heures. Etat de la technique antérieure Les supports électrostatiques transportables (Transfer-ESC) mobiles sont utilisés comme supports mécaniques pour substrats minces. Cette technologie est appliquée pour la fabrication des circuits intégrés dans l'industrie des semi-conducteurs. C'est la tendance pour des circuits intégrés ou plaquettes de plus en plus minces comme pour les composants RFID, les circuits de puissance ou pour beaucoup d'autres applications. Ces supports de transport permettent une manipulation en toute sécurité de tranches minces ou fragiles dans les équipements de production car la taille et l'épaisseur du substrat plaqué sur le support électrostatique transportable et mobile est similaire en taille, épaisseur et forme à une tranche standard. Un avantage de ces supports de transport est que le plaquage du substrat est réversible en dehors des équipements de production. De plus, après chargement les supports électrostatiques transportables et mobiles, ne nécessitent pas de connexion additionnelle avec une source d'énergie extérieure pour une longue période de temps. Pour cette raison l'ensemble support électrostatique transportable mobile et tranche mince peuvent être manipulés comme une plaque d'épaisseur normale sans modification des équipements. Les équipements actuels de transport ou de production (Polissage, Gravure, Implantation, PVD, Métallisation ou CVD - voir DE 20311625 U1) ont une durée de vie augmentée. Lorsqu'une étape de procédé est terminée, la tranche fine ou les composants semi-conducteurs individuels peuvent être retirés du support électrostatique transportable mobile en désactivant le plaquage électrostatique ou rechargé à nouveau. Le support électrostatique transportable mobile est réutilisable. Des problèmes similaires sont rencontrés dans d'autres industries comme la médecine, les cellules solaires ou les écrans plats. Le terme tranche, utilisé dans cette description, couvre n'importe quel types de substrats compatibles avec le support électrostatique transportable mobile, incluant les tranches semi-conductrices, les plaques de verre ou de céramique, ou tous les types de substrat appropriés En l'état actuel de la technologie, pour les tranches minces de 150 m, un film de polymère de protection est utilisé pour une stabilisation mécanique. Cette technique semble applicable jusqu'à des tranches de 100 m. Le film de protection adhésif doit être pelé mécaniquement lors d'étapes procédé ultérieures. Ceci peut conduire à briser des tranches fragiles ou sensibles. Le désavantage de cette technique est que les films adhésifs ne sont pas réutilisables et ne sont pas résistants aux hautes températures. Leur utilisation est limitée à des températures inférieures à 150 C. Comme alternative le support électrostatique transportable mobile peut être utilisé comme support de stabilisation à la place des films adhésifs. Le plaquage de la tranche sur le support électrostatique transportable mobile est obtenu en appliquant une tension de plaquage (typiquement entre 300V et 3 000V). Un champ électrostatique sera créé entre la structure-électrodes du support électrostatique transportable mobile et la tranche. La force de plaquage résultante est similaire aux forces de Coulomb dans un condensateur à plaque. Après plaquage le support électrostatique transportable mobile avec la tranche appliquée, peut être transporté ou subir l'étape de fabrication ultérieure sans aucune connexion à une source de courant ou de tension. Apres une paire d'heures, un autre rechargement du support électrostatique transportable mobile est nécessaire, à cause des courants de fuite de la structure capacitive (typiquement Dans EP 1217655 Al la méthode de manipulation des tranches fines décrite utilise le terme Transfer-ESC pour la première fois pour des supports électrostatiques transportables. Dans US 2004/0037692 Al Landesberger et al. décrivent des électrodes organisées en matrice. Avec une structure en matrice, des circuits intégrés individuels peuvent être retirés un à un (pick en place) en inversant la polarité des électrodes correspondantes de la matrice. Al Landesberger et al. décrivent dans la Fig. 2 une structure circulaire, constituée par des électrodes constituées de segments-quart-de-cercle. Chaque deux segments-quart-de- cercle connectés deux à deux, lorsque activés ils sont au potentiel positif ou négatif. Pour extraire un circuit intégré (préalablement séparé des adjacents) la structure capacitive appropriée est désactivée en utilisant la structure matricielle et en inversant la polarité d'au moins deux segments-quart-de-cercle, le circuit intégré peut alors être extrait. En contradiction avec les supports électrostatiques transportables mobiles les supports électrostatiques stationnaires (ESC) sont utilisés pour plaquer les tranches semi- conductrices dans les équipements de production de l'industrie des circuits intégrés depuis des dizaines d'années. Les supports électrostatiques stationnaires (ESC) ainsi que les bras de transfert se différentient par le fait qu'ils sont en permanence connectés à une source d'énergie et ainsi ils ne sont pas mobiles. Pour cette raison les courants de fuite en relation avec une source d'énergie limitée sont de moindre intérêt. Ces supports électrostatiques stationnaires (ESC) sont modifiés pour obtenir une libération rapide de la tranche et limiter la durée cycle de libération. De plus, beaucoup de conceptions différentes des structures d'électrodes ont été développées. Quelques exemples pour structures unipolaires, bipolaires et multipolaires sont proposées dans US 4551192, US 4480284, US 4184188, US 4384918, US 4692836, US 4724510, US 5572398, US 5151845, US 6174583, EP 0692814, EP 0460955, EP 1070381. In EP 0880818 BI un support électrostatique basse tension est décrit. La force de plaquage n'est pas seulement dépendante de la tension appliquée mais aussi grandement influencée par la structure des électrodes. La formule pour calculer la valeur des forces de Coulomb pour les supports électrostatiques unipolaires ou bipolaires est déduite de considérations sur les condensateurs à plaque. En utilisant deux longs serpentins de largeur Les solutions proposées ne remplissent pas les requêtes techniques et commerciales pour les supports électrostatiques transportables et mobiles. Bien que le risque de casse de substrats minces ( 1 000V) avec un matériau à forte constante diélectrique (Er comprise entre 3,5 et 9) et une très petite épaisseur de la couche isolante. La plupart des couches de matériaux diélectriques utilisés, comme décrit dans les brevets cités plus hauts, montrent une dégradation sensible de leur caractéristiques d'isolation à température élevée aux environs de 250 C. Ceci cause de forts courants de fuite qui ainsi réduisent la durée du temps de plaquage électrostatique. Un des principaux inconvénients est aussi qu'un simple défaut de la couche diélectrique peut causer un défaut désastreux du support électrostatique transportable. Résumé de l'invention Aux vues des imperfections décrites plus haut, l'objet de l'invention est de proposer un support électrostatique transportable (Transfer-ESC) mobile à un prix raisonnable qui fonctionne à température élevée avec de faibles courants de fuite, qui crée une grande force d'attraction renforcée et encore capable de fonctionner si il y a quelques défauts dans la couche diélectrique. Selon l'invention la solution de ce nouveau type de supports électrostatiques transportables et mobiles est décrite dans la revendication 1. Plusieurs cellules-électrodeunitaires, combinées en grappes, sont utilisées pour générer des composantes de force additionnelles par application de champs électriques non-uniformes. Chaque grappe de cellules-électrode-unitaires est connectée à au moins un fusible intégré qui peut déconnecter les grappes défectueuses. Selon ces caractéristiques les objectifs de l'invention sont atteints. Pour créer une grande quantité de cellules-électrode-unitaires bipolaires, les techniques des couches minces connues dans l'industrie des circuits intégrés sont appliquées. Chaque cellule unitaire, selon l'invention, consiste en une électrode-antenne interne, une couche isolante latérale, une électrode environnante et une couche isolante supérieure. Il est connu que le SiO2 a une tension de claquage qui peut aller jusqu'à 1 000V par m. De plus il est possible de créer des couches de SiO2 très pures et exemptes de défaut qui génèrent de très faibles courants de fuite à 300 C. Prenant en compte que des tensions de claquage de 200V à 2 000V sont requises, la largeur de la couche isolante latérale, qui sépare l'électrode-antenne de l'électrode environnante, est de 211m. Les formes carrées ou hexagonales des cellules-électrode-unitaires permettent la plus forte densité de cellules unitaires sur une surface. Actuellement des largeurs de ligne de 0,5 m et inférieures sont largement utilisées par l'industrie des circuits intégrés. Prenant en compte qu'une cellule-électrode-unitaire carrée aurait une électrode-antenne de 0,5 m par 0,5 m, la couche latérale d'isolation nécessite une largeur de 21am et la largeur de l'électrode environnante. est de 0,51tm. Utilisant ces dimensions, un maillage constant de 5 m de cellules-électrode-unitaires carrées; peut être calculé. Si, à titre d'exemple non limitatif, des cellules-électrode-unitaires sont combinées en une grappe, 6 par 6, chaque grappe pourra avoir aire de 30*30 m2. Chaque grappe est connectée à au moins un fusible. Ce fusible déconnectera la liaison électrique à cette grappe si la densité de courant est trop élevée. Ceci, par exemple, peut être généré par un défaut dans la couche isolante supérieure. La taille typique des défauts pendant la fabrication des circuits intégrés est de l'ordre de 1 m ou inférieure. Ce défaut peut générer un courant de fuite local, une surintensité bien supérieure au courant de fuite normal. Cette surintensité peut atteindre quelques mA et fondre le fusible parce que la densité de courant dans le matériau fusible est supérieure à sa densité critique pendant une courte période de temps. Ainsi la liaison à la grappe sera interrompue. Les supports électrostatiques de transfert et mobiles sont fabriqués à partir d'une multitude de ces grappes et pour cette raison la fonctionnalité du support électrostatique de transfert et mobile ne sera pas influencée sérieusement par ce défaut local. Les fusibles intégrés sont conçus convenablement, pour qu'il n'y ait pas d'impact sur les procédures de chargement ou déchargement du support électrostatique de transfert mobile. L'expérience montre qu'un défaut sera reconnu pendant les procédures de chargement du support électrostatique de transfert mobile. Le chargement du support électrostatique de transfert mobile est conduit en augmentant progressivement la tension d'attraction mais en limitant le courant entre 30 A et 3001.iA. Seul ce courant de charge, faible et précisément contrôlé, distribué par un système-bus à une multitude de fusibles intégrés (jusqu'à un million ou plus), permet une solution technique fiable pour l'utilisation de ces fusibles et anssi une complète intégration dans les procédés de fabrication connus de l'industrie des circuits intégrés. Si une grappe est détruite pendant la procédure de chargement, le support électrostatique de transfert mobile, composé d'un million de ces grappes, continue de conserver ses fonctions. Considérant qu'une cellule-électrode-unitaire est fabriquée sur la base d'une maille de 5 m, la densité de grappes est de 1 000 grappes par mm2. Adapté à un support électrostatique de transfert mobile de 150mm cela signifie qu'il y a plus de 500 000 000 cellules-électrodes-unitaires actives. Description des dessins qui illustrent l'invention en annexe La description des dessins ci-dessous énumère les caractéristiques privilégiées. Il doit être compris que chacune de ces caractéristiques peut être utilisée dans l'invention en général, non seulement dans le contexte de ces dessins particuliers, et l'invention comprend une combinaison de l'une ou deux ou plus de ces caractéristiques. La forme de réalisation non limitative de l'invention est décrite dans les dessins annexés. Fig. la et lb représentent en vue de dessus une cellule-électrodeunitaire carrée et une hexagonale. Fig. 2 représente en vue de dessus, une grappe de cellules-électrodeunitaires. Fig. 3 représente en vue de dessus, un circuit de fusible intégré, la position de la grappe est indiquée en lignes pointillées. Fig. 4 représente en vue dessus, une section du système bus. Fig. 5 représente en coupe, une cellule-électrode-unitaire avec un fusible intégré dans le second niveau comme partie intégrante du système bus. Fig. 6 représente en coupe, les condensateurs additionnels intégrés, inclus dans le matériau de base du support électrostatique de transfert mobile et la tranche procédé prête à être attirée. Les contacts face arrière pour charger et décharger les électrodes ainsi que les contacts séparés des condensateurs additionnels Description des réalisations préférées Fig. la représente une cellule-électrostatique-unitaire (10) carrée et Fig.1b représente une cellule-électrostatique-unitaire (10) hexagonale. Elles ont constituées d'une électrode-antenne (1), d'une couche d'isolant latérale (2), d'une électrode-environnante (3) et d'une couche diélectrique supérieure (8). Le matériau de choix pour l'électrodeantenne (1) et l'électrode-environnante (3) peut être un matériau conducteur comme le cuivre, l'aluminium ou le tungstène ou aussi le polysilicium ou le silicium amorphe hautement dopé. Les matériaux de choix pour les couches isolantes (2, 8) sont typiquement l'oxyde thermique, CVD (déposition chimique en phase vapeur) ou PECVD - 8- (déposition en phase gazeuse plasma), nitrures ou tout autre couche isolante convenable ou combinaisons de ces couches. En liant les cellules-électrostatiqueunitaires (10) entre elles, comme représenté Fig. 2, une couverture complète de la surface est réalisée. Dans ce cas une grappe (4) composée de 6*6 cellules-électrostatique-unitaires (10) comme 5 représentée. Comme dans les technologies de l'industrie des semi-conducteurs, beaucoup de niveaux, avec des fonctions différentes peuvent être superposés. Ainsi un fusible intégré (5) peut être positionné directement sous chaque grappe (4). Fig.3 représente un fusible intégré (5) en forme de serpentin (6). La ligne conductrice (6) est conçue pour avoir un rapport longueur sur largeur est de 300 sur 1. La résistance du fusible intégré (5) dans cette configuration atteint plus de 10 000 Ohm. Ceci obtenu avec des lignes en silicium amorphe ou du poly-silicium dopés convenablement. L'utilisation de fines couches de métaux est aussi possible. La Fig. 3 représente une ligne conductrice (6) de 125 m de long qui lorsqu'elle est fondue, en cas de surintensité, coupe le contact entre la grappe (4) et le système bus (7). Tous ces fusibles intégrés (5) seront connectés les uns aux autres par le système bus (7) comme représenté Fig. 4. Fig. 5 représente une cellule-électrostatique-unitaire (10) et son champ électrique. La vue en coupe de la cellule-électrostatique-unitaire (10) avec le fusible intégré (5), au second niveau, et une partie du système bus (7) sont représentés. Dans cette configuration le système bus (7) est lié électriquement par l'intermédiaire du fusible intégré (5) à la grappe (4) formée de 36 électrodes-antennes (1). Tous ces composants sont au même potentiel électrique, dans ce cas négatif (-). L'électrode- environnante (3) est au potentiel positif (+), comme représenté en Fig. 2. Dans le but de souligner la non-uniformité du champ électrique, des lignes avec une flèche du (+) vers (-) représentent les lignes de champ. Cette non-homogénéité, non-uniformité du champ électrique est très forte, spécialement près de la couche isolante supérieure (8) du support de substrat électrostatique mobile transportable. La forme spécifique de ce champ électrique non-uniforme est principalement créée par l'utilisation électrode-antenne (1). La densité des lignes de champ est plus importante près de l'électrode-antenne (1) que dans la zone de l'électrodeenvironnante (3). La surface de l'électrode-environnante (3) étant environ 10 fois plus supérieure à celle de l'électrode-antenne (1) -pour cette raison la probabilité d'avoir une couche isolante supérieure (8) défectueuse semble être plus importante - dans cette configuration le fusible intégré (5) connecte électriquement les électrodes-antennes (1) en série. Dans une autre configuration du fusible intégré (5) pourrait aussi connecter en série les électrodes-environnantes (3). Même à quelques dizaines de m de la surface de la couche isolante supérieure (8a), qui est en contact direct avec la plaquette attirée (12), les lignes de champ sont pratiquement parallèles à la surface et sont presque homogènes. C'est pourquoi un objet diélectrique - plaquette procédé (12) - peut être électrostatiquement fixée par immersion de l'objet dans un champ électrique non-uniforme, où la non-uniformité du champ électrique produit une force qui tend à attirer le dit objet dans la zone du plus grand champ électrique. Cet effet est seulement effectif à très proche proximité de la surface (8a) du support de substrat électrostatique mobile transportable. La Fig. 6 représente en coupe une vue plus générale que la Fig. 5 avec une structure d'éléments décrits ci-dessus, elle montre aussi le matériau de base (11) du support de substrat électrostatique mobile transportable et la plaquette procédé (12) fixée dessus. Le matériau de base (11) du support de substrat électrostatique mobile transportable est lui même une plaquette semi-conductrice, de préférence une tranche de silicium. Les contacts externes (13) pour charger et décharger électriquement les électrodes sont typiquement placés sur la face arrière du support de substrat électrostatique, comme décrit dans DE 102004041049 Al ou DE 102004030723 Al. Pour un stockage additionnel d'énergie (courant), des condensateurs (9) sont placés dans le matériau de base (11), perpendiculairement à la surface (8a). Ces condensateurs (9) peuvent être réalisés par les techniques de gravure profonde et permettent une durée plus importante de la force de plaquage sur le support de substrat électrostatique mobile en fournissant une énergie supplémentaire aux électrodes. Les détails des connexions des électrodes et des condensateurs (9) ne sont pas ici représentés car ils sont bien connus dans la fabrication et la conception des circuits intégrés. L'utilisation de plaquettes silicium donne l'opportunité d'intégrer les composants semiconducteurs standards, comme les unités de mesure ou de contrôle, les microprocesseurs ou les unités de stockage d'informations, - les cellulesélectrode-unitaires (10), le système bus (7) et les circuits intégrés (5) sont logés dans les niveaux au dessus du matériau de base (11). Les composants actifs et passifs comme transistors, diodes, ou résistances sont préférablement intégrés dans le matériau de base (11). Cependant la température d'utilisation de ces composants semiconducteurs est typiquement limitée à de plus faible températures ( Les supports de substrats électrostatiques mobiles, réalisés à partir des technologies des films épais ne peuvent pas atteindre une planéité aussi parfaite. Les procédés d'impression génèrent de microscopiques petits pics ou petites vallées sur la couche diélectrique supérieure (8) dont la hauteur est environ de 3 à 30 m pour chaque. Ceci cause un espace additionnel entre la plaquette plate (12) et la surface du support de substrat électrostatique mobile (8a). Ainsi l'épaisseur effective de la couche diélectrique supérieure (8) sera augmentée. Mais avec une augmentation de l'épaisseur (d) de la couche diélectrique, la force d'attraction diminue fortement. Le support de substrat électrostatique mobile fabriqué à partir d'une plaquette silicium comme matériau de base (11) a la même planéité qu'une plaquette de production (12), pour cette raison c'est la meilleure solution pour cette application. Cette planéité est spécialement requise pour générer la composante de force additionnelle du champ électrique non-uniforme qui requière une étroite proximité entre la plaquette de production (12) et la surface du support de substrat électrostatique mobile (8a). L'avantage de l'invention est qu'un support de substrat électrostatique mobile avec un grand nombre de cellules-électrostatique-unitaires, ainsi que les composants semi-conducteurs intégrés peuvent être réalisés sur une tranche de silicium avec les procédés et technologies de l'industrie des circuits intégrés. L'utilisation d'électrodes-antenne permet de générer un champ électrique non-uniforme qui plaque efficacement les plaquette en étroite proximité. L'utilisation de matériaux très purs et de procédés sophistiqués permettent de créer des couches diélectriques pratiquement sans défaut avec une très bonne planéité de la surface. Les microscopiques imperfections, comme une surface rugueuse ou des particules, peuvent réduites ou éliminées en utilisant les technologies et les environnements de fabrication des circuits intégrés. L'intégration de fusibles, capables de conserver la fonctionnalité des électrodes si un défaut détruit quelques cellulesélectrode-unitaires, est aussi un important avantage.Grâce à cela, un très robuste support de substrat électrostatique pour plaquettes minces, convenant pour des températures au- delà de 300 C, très efficace, mobile, transportable, peut être fabriqué à partir d'une tranche semi-conducteur. L'utilisation d'une tranche de silicium comme matériau de base (ou tout autre matériau approprié, pour intégrer les composants semi-conducteurs) pour - 12 - produire un support de substrat électrostatique mobile, procure l'opportunité d'intégrer d'autres composants semi-conducteurs comme unités de mesures ou de contrôle, microprocesseurs ou unités de stockage d'informations à l'intérieur du support de substrat électrostatique mobile. Chaque électrode peut être activée ou désactivée en utilisant des interrupteurs transistorisés. L'utilisation du même matériau pour la plaquette procédé et pour le support de substrat électrostatique mobile réduit ou même élimine le stress mécanique, car les coefficients de dilatation sont les mêmes. REVENDICATIONS Un support de substrat électrostatique transportable et mobile caractérisé en ce qu'il comporte une première surface (8a) pour y plaquer électrostatiquement une plaque mince (12) en appliquant une tension électrique de plaquage, sans nécessiter une connexion permanente à une source d'énergie extérieure pour la transporter ou pour les autres opérations de procédé ultérieure, et où la taille, l'épaisseur du substrat maintenu et du support électrostatique sont de dimensions et de formes similaires à celles d'une plaquette standard comprenant: - le matériau de base (11) avec les électrodes à la partie supérieure, qui créent un champ électrique non-uniforme, chaque dite électrode est organisée en module de 10 plusieurs cellules- électrode-unitaires bipolaires (10) individuelles; - la cellule-électrode-unitaire (10) comportant une électrode-antenne(1) centrale, une couche isolante latérale (2), une électrode environnante (3) et une couche diélectrique supérieure (8) ; - les dites cellules-électrode-unitaires (10) sont combinées en grappe (4). 2) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que chaque dite cellule-électrodeunitaire (10) a une longueur non supérieure à 5 m et une largeur non supérieure à 5 m. 3) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que chaque dite grappe (4) est composée de 4 à 10 000 20 dites cellules-électrode-unitaires (10). 4) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que chaque dite électrode peut être constituée d'au moins 2 ou plus dites grappes (4). 5) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon 25 revendication 1,caractérisé en ce que chaque dite grappe (4) est connectée à un ou plusieurs fusible intégrés (5). - 14- 6) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que des composants semi-conducteurs, comme unités de mesure ou de contrôle, microprocesseurs ou unités de stockage, sont intégrés dans le dit matériau de base semi-conducteur (11). 7) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que des composants semi-conducteurs actifs et passifs soient autonomes en énergie, provenant des condensateurs, piles, ou batteries intégrés. 8) Le support de substrat électrostatique transportable et mobile selon revendication 1, caractérisé en ce que les commutateurs semi-conducteurs comme les transistors haute tension DMOS, intégrés dans le dit matériau de base semi-conducteur (11), sont utilisés pour connecter ou déconnecter les dites électrodes.