专利名称：工件湿法处理的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及工件湿法处理，例如电解沉积，电解蚀刻和化学沉积等；特别地，但不是唯一地，涉及在大致平面的薄工件例如硅晶片等上面进行的适合于大量生产的电解沉积。具体地说，本发明描述了一种装置，该装置可重复地对上述的工件的面的外周进行流体密封，且该装置有助于同时沿工件周边进行均匀的电接触。
背景技术：
电镀和化学镀是湿法化学沉积的两个主要方式，其在制造业中用于将铜、金、铅-锡、铟-锡、镍-铁、镍和其他种类的金属或金属合金应用在半导体晶片、印刷电路板基片、薄膜磁头和平板显示器件等的工件表面上，要求有高精度的湿法化学沉积。用于将薄沉积膜制作在上述工件上的装置的一个重要要求，是它们要能够在使用处理溶液或沉积金属时避免工件的背面和边缘受到污染。这些沉积工艺中使用最普遍和最具挑战性的是电解沉积；因此，以下将围绕该电解沉积作为示例集中讨论，但是通过后面的介绍将很显然，本发明同样可以有利地使用在化学沉积当中。
在对半导体晶片等的工件进行高精度的电解沉积时，对工件边缘进行可靠均匀的电接触同时对边缘进行密封以防止流体进入，是现有技术中的一个公认难题。在上述电解沉积中，如果与工件的电触点不均匀，或者触点具有很高的电阻，则不会获得理想的均匀沉积膜。因此，在现有技术中多年来已经提出多种方法来试图解决这个问题，下面简要地进行总结。
例如，授予Brogden的美国专利US 5,227,041描述了一种装置，其中的流体密封圈例如O型圈放置在底部元件的凹槽中，且由凸轮机构施加机械力推动将要进行电镀的工件来压紧密封圈。此外，多个电触点布置在临近密封圈的位置以和工件接触。然而，在许多硅晶片和其他的电解沉积应用当中，对工件密封装置有很苛刻的要求，才能实现在晶片边缘2至3毫米的非常窄的部位同时实现电接触和流体密封。然而，由Brogden提出的使用单独的密封、结构及触点适应方法，很难适合于工件周边周围的这样一个狭窄的部位。相反，本发明提供了一种具有弹性体的新颖集成密封件，该密封件直接成型为电触点，该电触点的形状适合于在这样狭窄的周边部位内极好地获得可靠的密封同时适应性地支撑着电触点。
还公开了一些其他的导电衬垫，例如在授予Santini的美国专利US 4,696,729中，在工件和工件保持架的本体之间形成导电流体密封。然而，不幸的是导电衬垫要受表面上沉积的影响，需要进行为描述的经常的系统维修。
用于解决上述问题的另外一个方法描述在授予Crafts的美国专利US 5,807,469中，其中公开了一种包含可挠曲的覆金属层压板的阴极接触装置。其中使用了光刻方法来限定聚酰亚胺基板上的连续金属边缘，从而使得绝缘基板中的开口限定出要进行电解沉积的面积；同时，在基板上限定出来的金属边缘用来和工件进行电接触。在金属环内的层压板上也加入了弹性密封表面，用于提高对工件的流体密封。该阴极接触装置和水平电镀单元协同工作，且要求电镀单元的边缘的支撑。在另外一个示例中，Woodruff在美国专利US 6,080,291中描述了使用连续的金属环触点，其中使用了厚的、非常坚硬的金属环。公知的，因为在理论上两个平面只在三个点上接触，因此，这样的连续金属环作为刚性平面，常常只会在一些点上接触工件。相反，依据本发明中的新颖方法，包括了大量的柔性导电指，既用来提供工件的机械支撑，同时又被制成可沿从工件中心延伸的半径方向挠曲，进而能够适应工件周边的不规则形状，同时与所述工件进行多处可靠的接触；实际上，每隔1毫米布置一个触点，或在整个工件周边上这样的布置。
此外还提出一些方案，将弹性材料环拴缚到电接触工件定位环上，来对工件进行流体密封。作为一个示例，授予Woodruff的美国专利US 6,080,291公开了一种密封工件的电触点，其中环形密封件安装到一个环形接触环上，同时该装置被加入到一个可旋转的处理工具头中。该种的结构设计包含有固有的平衡。如果弹性密封元件具有足够的弹性来提供流体密封元件的充分微观变形以和工件不规则的微观表面相配合，则密封元件就不具有足够的机械刚性在工件表面提供充分的力来产生所需的变形，因而最终的流体密封并不完善。
此外，还提出其他的方法来对工件进行可拆装的流体密封，例如在授予Saito的美国专利US 5,660,699中。该方法是在工件和压紧表面之间加入一个O型圈。但是，在一些应用当中，该方法要求在工件的前侧和后侧同时具有很大的空间。相反，本发明被设计成不需要这样的空间要求就可以对工件进行流体密封，--实际上只需要在工件前侧小于0.1″的空间或工件后侧小于0.5″的空间就可以发挥作用。
现有技术中该问题的上述或其他解决方法，在薄圆形半导体晶片等的电解沉积都不是彻底地满意；而本发明则提供了一种在薄圆形半导体晶片等(及其他种类的工件)的电解沉积的新的极好解决方案。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种新的改进的方法和装置，用于临时地流体密封工件表面，以使得在工件处理过程中工件的边缘和后面保持干燥。
本发明的另外一个目的，是在上述密封过程中同时实现在整个工件的所需部位上和工件表面进行临时电接触；优选在上述部位上，电流均匀分布地流向工件表面。
另外一个目的是提供这样一种新颖的密封电接触，该电接触牢固且能够承受上千次工件电解沉积的循环使用，甚至在高温度的处理溶液中，例如在摄氏93度下化学镀镍，仍然可以上千次循环使用，而不需要维护、保养或维修。
其他的进一步目的将在附加的权利要求中进行解释和更具体的描述。
概括地讲，根据本发明的一个重要方面，本发明包括一种在与湿法处理工件的下侧周边电接触的同时实现流体密封的方法，该方法包括提供一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，所述组件中的每个挠性指具有一个向上突出的电触点端，且工件下侧周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；将工件的下侧支靠在所述环内，且强制工件的下侧周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，使所述内端向下挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件下侧周边弹性地产生流体密封；在位于密封边缘内侧的挠性指弹性体覆盖物中提供一圈周边开口，使挠性指的电触点端穿过所述开口而暴露出来，从而在挠性指向下偏移过程中，使触点端与位于密封边缘内侧的工件下侧周边发生弹性电接触。以下的讨论将使用一个朝向下方的工件作为示例，但本发明可以被使用在朝向任意方向的情况中。
为了实现上述的目的，本发明包括多个狭窄的挠性指，所述多个挠性指构成一个组件且被嵌入在弹性材料当中；例如，可以使用360个指来密封和接触一个200毫米晶片的周边。在需要和工件电接触的应用当中，每个挠性指的小部位，即触点端表面，可以穿过弹性体的表面而暴露出来，且该小触点部位优选涂镀金、铂、钯或其他低电阻的触点金属膜。在挠性指组件之上的成型过程中，密封边缘被限定在所述弹性体中，同时该密封边缘位于临近触点部位的位置，且朝向工件中心，如后面所详细地解释，在实际当中优选偏离触点部位的距离小于0.021″。在本发明的典型应用当中，在工件的后侧和挠性指组件之间施加一个力，用以使弹性密封边缘挤压在工件表面上，以产生临时流体密封；挠曲触点端被压向工件表面，以产生多个在工件周边部位形成有效连续电流入口路径的低电阻触点。特别地，当挠性指变形时，它们中的每一个挠性指都沿工件表面径向滑动一个很小的距离，这有利于破碎在工件表面的氧化物或其他杂质，使得能够在挠性指和工件表面之间实现低触点电阻的临时连接。
以下将具体介绍优选的和最佳的结构。
本发明将在附图中得到详细的解释，其中图1是一个示意性密封触点环组件和工件的透视图；图2是本发明中已密封的触点环的放大剖切透视图，用于显示触点端和周围的弹性密封材料；图3是已密封的触点环的又一放大剖视图；图4是触点金属组件部分的透视图；图5是触点端部位的局部放大的透视图；图6A、6B和6C是显示在连续的密封和接触操作的位置时的本发明新颖的密封和接触动作的剖视图；图7A和7B是显示与图6A、6B和6C中描述的本发明操作不同的现有技术中密封和接触动作的剖视图。
具体实施例方式
参考图1，本发明应用在如前所述的示意性且很重要的领域中，即圆形晶片等的电解沉积中，本发明包括一个密封环组件10，该密封环组件10主要包括挠性组件12，该挠性组件12被成型到密封元件14中。密封环组件10被完整地构造成包围着晶片工件20。最普通的，工件20和密封环组件10都是圆形或矩形形状。如前所述，本发明有用的应用是用来处理圆形的半导体晶片。在附图中显示的圆形形状是示意性的；可是仍然应该注意，尽管前面已经进行过解释，本发明可以应用到矩形的工件，例如印刷电路板，包装基底板，或平板显示器件等。如图所示，一个或多个连接杆15连接到挠性组件12上，用来提供一个通路；通过该通道，如附图标记17代表的流线i示意性所示，在工件的顺应性流体密封时需要电接触工件的应用当中，使电流流向中心环。在一些应用当中，连接杆15也可以用来向密封环10施加向上的机械力，如附图标记19所代表的实心箭头F所示。
参考图2、3和4，显示了靠近工件周边24的密封环组件10的一些重要特征。挠性组件12优选地由两个元件构成薄的可弯曲挠性板30和其下面的厚的刚性支撑板32。例如，挠性板30优选由厚度为0.010至0.030″之间的钛或不锈钢制成。支撑板32也优选由钛或不锈钢制成，但是更厚一些，厚度在0.1至0.25″之间。如图所示，支撑板32可以位于挠性板30的面朝工件20的那一侧，或位于挠性板30背离工件20的相反侧。在外壳14成型在整个接触指组件上面之前，可以使用例如螺栓连接、锤击或焊接等合适的方法，将挠性板30连接到支撑板32上。图3中一较靠上方的支承板21，能够使附图标记19代表的机械力F向下指向工件20的下侧周边和密封环10之间，工件20的周向下侧环形部位24抵靠在该密封环10上。在下侧工件周边24和密封环10之间的该机械力19的应用所导致的新颖的动作，将具体参考图6A-6C来详细说明。
用来支撑接触板30的支撑板32被装入到优选弹性体成型体14当中，该弹性体例如是氟弹性体(例如杜邦公司生产的“Viton”)。更清楚地如图2所示，接触板30的内(右侧)周边部位从部位38处开始，形成有多个径向延伸的、在部分40处厚度减小(凹陷)的挠性指36，每个挠性指分别在末端处带有如图5中所示为圆扇形状的突起触点端26。挠性指36之间具有间隙34，并且由于挠性指36如图2所示被支撑板32从下面支撑，因此挠性指36的厚度减小部分40可以作为柔性薄梁段，该梁段可以在部位38所构成的基部处从主体接触板30挠性弯曲。挠性指36的挠曲将相应地导致末端的触点端26偏移，同时支撑边沿44延伸超出所述触点端。
在外壳成型过程中，圆周方向形成的开口25保留在以下部位中，在该部位，图2所示沿圆周方向定位的突出电触点端26位于压力板30的周向挠性指36中，并在需要和工件电接触的应用当中外露，这将在后面进一步详细地解释。在密封元件14中成型出几个重要的形状，以使它们相对于挠性组件12的位置和尺寸可以精确地得到控制。图2中的向上突起的周向密封凸台或边缘28位于触点端26的外侧附近。成型体中的凹槽29位于触点端的靠内的位置，其目的在后面进行解释。然而，在不要求同工件进行电接触的应用中，触点端26和形成的开口25可以省略。
参考图6A至6C，来理解本发明中装置的新颖动作。图6A显示工件20支靠在密封环10内，且和密封环10初始接触，工件下侧周边24在密封边缘28的上表面处与所述环接触。如前所述的力19基本上为0(F＝0)，密封环10的元件没有变形。为了描述的需要，密封环10可以认为固定不动，而上支承盘21将被用力地推向所述环。然而，本发明可以这样一种方式得到同样很好的使用，即，支承盘21固定，而密封环10被用力地移向支承盘；或者，可以使用这两种运动的组合。
在图6B中，显示了由于力19从0增加到F1而导致的工件20朝向密封环10的运动。此时，密封边缘28变形，且被挤压在如前所述的每个挠性指36的末端处的支撑边沿44之间，直到反作用力50(Fs)等于施加的力19(F)为止。本发明的一个特别的优势是形成在工件下侧周边24和密封边缘28之间的部分60处的流体密封可靠性；因为密封边缘28被挠性指36局部弹性地支撑，所以流体密封可靠性非常好。尽管弹性体14可以是软的，但是足够的密封力50仍然可以施加到弹性体14上，以确保其完全变形且填充工件周边24上的微观凹沟，否则流体将通过该凹沟泄漏出去。如果密封边缘28没有被如此局部地支撑着且由软的弹性材料制成，则其将简单地偏离工件表面而弯曲，不会产生为实现可靠的流体密封和与本发明构造相一致所需要的微观变形。
参考图6C，可以通过显示密封环10的挠性指的夸大的向下偏移，来理解与工件密封弹性电接触的本发明中结构的新颖动作。施加的力19(F)增加到F1+F2，会导致工件20移动到密封环10当中，直到挠性指36的偏移62产生以附图标记51表示的反作用力Fc为止，该反作用力Fc与弹性体变形力50(Fs)的合力等于附图标记19处施加的力F。偏移62主要是围绕挠性指36的根部38的旋转，可以认为是固定在其底部的悬臂梁的弹性偏移。凹槽或薄指部位40的深度可以进行调节，以提供用于给定偏移62的最佳挠曲力51。在实践当中，有用的深度是0.01″。
临近接触表面26设在成型外壳中的如前所述凹槽29可以确保当挠性指36在附图标记62所指位置偏移时，工件边缘23没有和密封元件14接触，也没有将工件20提升脱离金属接触表面26。该旋转偏移62可以认为具有一个水平分量64和一个竖直分量66。水平移动分量64在导致和工件20电接触方面具有特别的优点。尽管该移动64很小，实践中小于0.001″，但是对于表面原子的微观尺度来说已经很大，并且会有益地在接触指端26和工件表面22之间的界面68处产生刮削或清洁擦拭作用。该刮削作用通过在表面22处产生一个大的剪切力(在微观尺度上)来提高电触点的导电性能，进而破碎分离可能位于工件表面22或接触指端表面26上的污垢或氧化物。同时，有关在工件周边24的周围进行均匀的电接触，还具有一个优点，那就是每个挠性指36的竖直移动66都不相同，因为每个挠性指36都独立地移动，从而能够适应工件表面22和所有接触表面26的平均位置处的平面度偏差。并且，支撑板32和挠性板30被制造成使所有的接触表面26基本上位于一个平面内。施加的力19被设定为一定的值，使得所有挠性指36中的最小偏移62远高于产生低电阻触点所需的最小偏移值。挠性指36在非平面工件表面22上的自身调节能力也是很重要的，这样可以确保密封边缘28被挤压靠在整个工件周边24周围的工件表面22上面，以使得当使用非平面工件时不会发生泄漏。
为了进一步显示本发明相对于现有技术在对工件进行密封电接触方面的提高功效，图7A和图7B用来显示在现有技术中刚性触点环101和弹性密封环102装配在一起的应用。图7A显示工件120在密封表面112处刚刚和弹性密封环102接触，此时施加的力119为0。本发明相对于该现有技术的显著改进，可以从紧密配合产生的密封表面28和接触表面26之间相对定位的准确性和可重复性得到体现，上述紧密配合是由本发明的挠性指组件12被成型在密封元件弹性体14中所产生。现有技术依靠两个单独的部分即触点金属环101和弹性密封元件102的对齐。图7B显示的是，现有技术中施加的力119增加且工件120朝向触点环101移动直到工件表面123接触环表面111以产生反作用力132，从而形成电触点130。因为触点环101是连续的而不是多个挠性指，因此如果施加的力119不是非常大，则其不能够偏移足够的距离；当然，如果施加的力119非常大，会产生工件120被破坏的危险。此外，在上述现有技术操作中，在触点界面130处没有水平方向的移动，另外，还会产生比本发明电阻值更高的不良触点电阻。图7B显示弹性密封环102的移动134，该移动由于所述环102的偏移而产生反作用力136，进而在弹性密封环102和工件表面123之间的界面112处产生流体密封。该现有技术的操作的另一不利之处在于，如果用于密封环102的材料弹性足够大以至于可以填充可能出现在密封界面140处的工件表面123和密封表面112上的微观凹沟，则其不会具有足够的刚性用以施加足够大的变形作用力134以产生界面140处的微观变形；因此，密封界面140可能会使得流体发生泄漏。相反，在本发明中如图6A-6C所示，密封表面28是由软的弹性体14构成，它可以由一个变形反作用力50向工件表面23施加力，该变形反作用力50主要由于在短距离上挤压弹性体14而产生。
如前所述，尽管本发明优选使用在流体密封和电接触同时应用在工件上的应用场合中，本发明的流体密封特性也可以使用在不需要电接触的应用场合当中。
进一步的改型对于本领域的技术人员而言是显然的，且相应地被认为落入本发明附加的权利要求的主旨和范围内。
权利要求
1.一种在与湿法处理工件的下侧周边电接触的同时实现流体密封的方法，包括提供一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，所述组件中的每个挠性指具有一个向上突出的电触点端，且工件下侧周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；将工件的下侧支靠在所述环内，且强制工件的下侧周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，使所述内端向下挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件下侧周边弹性地产生流体密封；在位于密封边缘内侧的挠性指弹性体覆盖物中提供一圈周边开口，使挠性指的电触点端穿过所述开口而暴露出来，从而在挠性指向下偏移过程中，使触点端与位于密封边缘内侧的工件下侧周边部分发生弹性电接触。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述向下偏移过程中，在建立电接触的同时，触点端弹性地擦拭清洁工件的下侧周边。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述挠性指独立地偏移，以确保完全围绕着工件周边进行均匀的电接触。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述工件是薄的圆形晶片，而所述组件中的挠性指在其周边内侧沿径向延伸。
5.一种对湿法处理工件的下侧周边进行流体密封的方法，包括提供一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，且工件下侧周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；将工件的下侧支靠在所述环内；以及强制工件的下侧周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，使所述内端向下挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件下侧周边弹性地产生流体密封。
6.一种在与湿法处理工件的下侧周边电接触的同时实现流体密封的装置，以组合的形式包括一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，所述组件中的每个挠性指具有一个向上突出的电触点端，且工件下侧周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；一个工具，其用于在工件下侧被支靠在所述环内的情况下强制工件的下侧周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，以使所述内端向下挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件下侧周边弹性地产生流体密封；一圈周边开口，它们形成在位于密封边缘内侧的挠性指弹性体覆盖物中，以使挠性指的电触点端穿过所述开口而暴露出来，从而在挠性指向下偏移过程中，使触点端与位于密封边缘内侧的工件下侧周边部分发生弹性电接触。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于在所述向下偏移过程中，在建立电接触的同时，触点端弹性地擦拭清洁工件的下侧周边。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述挠性指独立地偏移，以确保完全围绕着工件周边进行均匀的电接触。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述工件是薄的圆形晶片，而所述组件中的挠性指在其周边内侧沿径向延伸。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述挠性指从一个薄的可弯曲挠性板沿径向延伸，而该挠性板被一个位于挠性指内侧的厚的刚性支撑板支承着，并整体成型在弹性体覆盖物中。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述挠性指比所述挠性板薄，且所述挠性指从所述挠性板沿径向延伸。
12.一种对湿法处理工件的下侧周边进行流体密封的装置，以组合的形式包括一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，工件下侧周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；一个工具，其用于在工件被支靠在所述环内的情况下强制工件的下侧周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，以使所述内端向下挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件下侧周边弹性地产生流体密封。
13.一种在与湿法处理工件的周边处或附近电接触的同时实现流体密封的方法，包括提供一个覆盖有弹性体的环，该覆盖有弹性体的环向内终止于一个向上突出的周边弹性密封边缘，并且覆盖着一个向内延伸的挠性指组件，所述组件中的每个挠性指具有一个突出的电触点端，且工件的周边将在工件的湿法处理过程中沿密封边缘贴合在所述挠性指的覆盖有弹性体的内端上；将工件支靠在所述环内，且强制工件的周边顶靠密封边缘和覆盖有弹性体的挠性指组件的内端，以使所述内端挠性偏移，且在密封边缘处围绕着工件周边弹性地产生流体密封；在位于密封边缘内侧的挠性指弹性体覆盖物中提供一圈周边开口，以使挠性指的电触点端穿过所述开口而暴露出来，从而在挠性指偏移过程中，使触点端与位于密封边缘内侧的工件周边部分发生弹性电接触。
全文摘要
本发明提供了一种用于在湿法处理例如电解沉积等中对工件例如半导体晶片等的下侧进行流体密封的方法和装置，其中使用了一个由挠性指组成的弹性嵌入环，工件下侧周边顶靠在挠性指上，以使得挠性指向下偏移，且使一周向密封边缘贴合在工件下侧周边上。这样可以获得与工件之间的电接触，使电触点端和工件的下侧周边弹性贴合，所述电触点端从位于密封环内的弹性体覆盖物中的周边开口中突伸出来。
文档编号C25D7/12GK1509348SQ02810215
公开日2004年6月30日 申请日期2002年3月15日 优先权日2001年4月5日
发明者阿瑟·凯格勒, 阿瑟 凯格勒 申请人:湿法技术公司