TWI691619B - 基板保持裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種基板保持裝置，該裝置包括杯形夾盤、密封件、夾盤板和豎直驅動裝置。杯形夾盤包括基部，基部具有底壁、側壁的外表面和側壁的內表面，基部的側壁的內表面傾斜向上突出形成支撐基板正面邊緣的支撐部。密封件包括底部、外壁和內壁，內壁設有唇形密封部，密封件的底部和外壁分別包裹住杯形夾盤基部的底壁和側壁的外表面，唇形密封部包裹杯形夾盤的支撐部以密封基板正面的邊緣。豎直驅動裝置與夾盤板連接，豎直驅動裝置驅動夾盤板下降或上升，以使夾盤板壓在基板的背面來夾持基板或使夾盤板離開基板的背面。

Description

基板保持裝置

本發明關於一種基板保持裝置，尤其關於一種具有密封件的基板保持裝置，該密封件包裹住杯形夾盤，當基板固持在該基板保持裝置上並被置於化學溶液中進行工藝加工，例如浸沒在電解液中電鍍，該密封件保護杯形夾盤和基板正面的邊緣及基板背面。

在積體電路製造行業，金屬電鍍/沈積工藝越來越普及。除了後道工序中的銅互連結構，在先進晶圓級封裝領域，許多技術也使用到金屬電鍍工藝，例如銅柱、RDL(再分佈層)、TSV和轉接板。

對於電鍍裝置來說，固持基板的基板保持裝置十分重要。基板保持裝置的接觸環應該均勻接觸基板正面的種子層，同時，該接觸環不能直接與電解液接觸，因此，利用密封圈來隔離，使電解液無法到達基板正面的邊緣，否則，基板正面的邊緣處將被鍍上金屬，沈積在基板上的金屬薄膜的均勻性將變得很糟。

專利號US 8,172,992 B2揭示了一種用於金屬沈積工藝的夾盤。夾盤的底板，包括邊緣密封件，由堅硬 的具有疏水塗層的耐腐蝕材料製成，例如聚酰胺-酰亞胺(PAI)和聚四氟乙烯(PTFE)，但塗層的厚度非常有限，通常，塗層的厚度為幾微米。因此，長時間使用後，在頻繁的打開和關閉夾盤的過程中，由於與基板之間的摩擦，塗層會被破壞，導致密封效果變差，整個夾盤需要更換，夾盤的使用壽命太短，而且頻繁的更換新夾盤的費用很高，因此，需要有新的發明來降低大批量生產的成本。

因此，本發明的目的在於提供一種基板保持裝置，該裝置包括杯形夾盤、密封件、夾盤板和豎直驅動裝置。杯形夾盤包括基部，基部具有底壁、側壁的外表面和側壁的內表面，基部的側壁的內表面傾斜向上突出形成支撐基板正面邊緣的支撐部。密封件包括底部、外壁和內壁，內壁設有唇形密封部，密封件的底部和外壁分別包裹住杯形夾盤基部的底壁和側壁的外表面，唇形密封部包裹杯形夾盤的支撐部以密封基板正面的邊緣。豎直驅動裝置與夾盤板連接，豎直驅動裝置驅動夾盤板下降或上升，以使夾盤板壓在基板的背面來夾持基板或使夾盤板離開基板的背面。

綜上所述，本發明的基板保持裝置利用密封件包裹杯形夾盤，當使用該基板保持裝置固持基板並將基板浸沒在電解液中電鍍時，密封件保護基板正面的邊緣、基板的背面和杯形夾盤，避免基板正面的邊緣、基板的背面 和杯形夾盤接觸電解液。密封件是柔軟的，且製成杯形夾盤的材料的硬度比密封件的硬度高，當密封件包裹杯形夾盤時，杯形夾盤不會變形。因此，夾持基板後，密封件輕柔地密封基板表面而不會對基板表面造成損傷。密封件具有良好的密封效果。此外，密封件的厚度較厚，因此，密封件的使用壽命長。另外，在該基板保持裝置使用一段時間後，只需要更換接觸環和密封件，基板保持裝置的其他部件都不需要更換，降低了生產成本。

100‧‧‧基板保持裝置

101‧‧‧杯形夾盤

102‧‧‧夾盤板

103‧‧‧豎直驅動裝置

104‧‧‧角度控制驅動裝置

105‧‧‧萬向軸

106‧‧‧旋轉驅動裝置

107‧‧‧氣體管道

108‧‧‧O型密封圈

109‧‧‧固定環

110‧‧‧螺絲

111‧‧‧密封件

112‧‧‧接觸環

113‧‧‧基板

114‧‧‧螺絲

201‧‧‧導電環

202‧‧‧壓板

301‧‧‧液滴

313‧‧‧基板

1011‧‧‧基部

1012‧‧‧接收空間

1013‧‧‧邊沿

1014‧‧‧支撐部

1015‧‧‧凹槽

1016‧‧‧第一螺孔

1021‧‧‧狹槽

1111‧‧‧底部

1112‧‧‧外壁

1113‧‧‧突起

1114‧‧‧內壁

1115‧‧‧唇形密封部

1116‧‧‧固定部

1121‧‧‧主體部

1122‧‧‧第一指形部

1123‧‧‧第二指形部

1124‧‧‧第二螺孔

2011‧‧‧指形部

2021‧‧‧斜坡

圖1是本發明的基板保持裝置的透視圖。

圖2是固持有基板的基板保持裝置的俯視圖。

圖3是圖2中沿著A-A線的截面圖。

圖4是圖3中D部分圈出的局部放大圖。

圖5是圖4中H部分圈出的局部放大圖。

圖6是顯示了基板保持裝置的杯形夾盤、接觸環和密封件的爆炸圖。

圖7是基板保持裝置的密封件的透視圖。

圖8是密封件的俯視圖。

圖9是圖8中沿著B-B線的截面圖。

圖10是圖9中F部分圈出的局部放大圖。

圖11是基板保持裝置的接觸環的截面圖。

圖12是圖11中G部分圈出的局部放大圖。

圖13是本發明的另一實施例的壓板和導電環的透視圖。

圖14是壓板和導電環的俯視圖。

圖15是圖14中沿著C-C線的截面圖。

圖16是圖15中J部分圈出的局部放大圖。

圖17a-17f示意了各種形狀的基板。

圖18示意了疏水性的基本原理。

本發明提出了一種在基板處理過程中固持基板的基板保持裝置，例如，將基板浸沒在電解液中電鍍。當基板浸沒在電解液中以在基板的正面電鍍金屬層時，基板正面的邊緣和基板背面需要被保護，避免接觸到電解液。因此，與現有技術的區別在於，當基板浸沒在電解液中電鍍時，本發明的基板保持裝置利用密封件來阻止電解液接觸基板正面的邊緣和基板背面，且該密封件是可替換的。

參考圖1至圖6所示，為本發明的基板保持裝置100。該基板保持裝置100包括杯形夾盤101和夾盤板102。杯形夾盤101包括杯形的基部1011，基部1011圍成穿透的接收空間1012。基部1011具有底壁、側壁的外表面和側壁的內表面。基部1011的側壁的內表面是傾斜的，有利於裝載基板113。基部1011的上端向外延伸出邊沿1013。基部1011的側壁的內表面傾斜的向上突出形成支撐部 1014，該支撐部1014位於基部1011的下端。當基板113被放入接收空間1012內時，支撐部1014承載基板113。基部1011的下端開設有凹槽1015。杯形夾盤101由金屬或碳化纖維材料製成，如不銹鋼、鈦、鉭、鋁合金等。

夾盤板102透過萬向軸105與豎直驅動裝置103相連。豎直驅動裝置103驅動夾盤板102上升或下降。當基板113裝載到接收空間1012並由支撐部1014支撐時，豎直驅動裝置103驅動夾盤板102下降並壓在基板113的背面，因此，基板113被杯形夾盤101和夾盤板102夾持。基板113的正面裸露以便進行工藝加工。工藝結束後，豎直驅動裝置103驅動夾盤板102上升，夾盤板102離開基板113的背面，然後基板113從接收空間1012中取出。豎直驅動裝置103可以是汽缸或馬達。夾盤板102與基板113背面接觸的一面設有多個狹槽1021，當夾盤板102離開基板113的背面時，空氣很容易透過狹槽1021進入夾盤板102和基板113背面之間的空間，從而使基板113能輕易脫離夾盤板102。為了使基板113更容易的脫離夾盤板102，可以透過設置在萬向軸105內的氣體管道107向基板113的背面通氮氣。夾盤板102由聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等材料製成。

夾盤板102和杯形夾盤101之間設有O型密封圈108，當夾盤板102在豎直驅動裝置103的驅動下下降以夾持基板113時，O型密封圈108起到緩衝作用。除此以外， 當基板113浸入電解液中電鍍時，O型密封圈108可以阻止電解液進入接收空間1012。為了滿足不同工藝需求，該基板保持裝置100還包括角度控制驅動裝置104和旋轉驅動裝置106。當夾盤板102和杯形夾盤101固定基板113以進行工藝加工時，角度控制驅動裝置104驅動夾盤板102和杯形夾盤101傾斜一角度。當夾盤板102和杯形夾盤101固定基板113以進行工藝加工時，旋轉驅動裝置106驅動夾盤板102和杯形夾盤101旋轉。

參考圖7至圖10所示，示意了基板保持裝置100的密封件111。密封件111包括底部1111、外壁1112和內壁1114。外壁1112的頂端設有突起1113。內壁1114彎曲形成唇形密封部1115。內壁1114與唇形密封部1115相連的末端水平延伸形成固定部1116。密封件111包裹杯形夾盤101。具體地，如圖4和圖5所示，密封件111的底部1111包裹杯形夾盤101基部1011的底壁，密封件111的外壁1112包裹杯形夾盤101基部1011的側壁的外表面，唇形密封部1115包裹杯形夾盤101的支撐部1014。密封件111的固定部1116位於杯形夾盤101的凹槽1015內。為了將密封件111和杯形夾盤101固定在一起，杯形夾盤101的邊沿1013的底部設有固定環109。固定環109擠壓密封件111的突起1113，然後透過多個螺絲110將固定環109固定在杯形夾盤101邊沿1013的底部。密封件111的厚度為0.1mm-2mm，較佳為0.3mm-1mm。在濕法工藝過程中，密封件111的唇形密封部1115密封基板113正面的邊緣，使 化學液體無法接觸到基板113正面的邊緣和基板113的背面。因此，濕法工藝完成後，基板113正面的邊緣和基板113的背面是乾的。除此以外，由於密封件111包裹杯形夾盤101，密封件111保護杯形夾盤101並防止杯形夾盤101接觸到化學液體，避免杯形夾盤101被化學液體腐蝕。有了密封件111的保護，該基板保持裝置100承載的基板113可以浸沒到化學液體中加工，如電鍍。為了避免化學液體腐蝕固定環109和螺絲110，化學液體的液面低於固定環109。

密封件111為一體成型，製成密封件111的材料可以是橡膠，如氟橡膠、矽橡膠、丁腈橡膠。製成密封件111的材料還可以是塑膠，如聚四氟乙烯。用來製造密封件111的材料是柔軟的並具有一定硬度，材料的硬度為硬度計檢測出的20-70，較佳為40-60。製成密封件111的材料具有疏水性，並且材料表面粗糙度Ra<8μm。如圖18所示，當液滴301和基板313之間的接觸角Φ大於90°，則基板313具有疏水性，接觸角Φ與材料表面粗糙度有關。當材料表面粗糙度增加，則接觸角Φ變小。如果材料表面過於粗糙，大於8μm，那麽密封效果會變差。因此，為了達到良好的密封效果，材料表面粗糙度最好小於5μm。

密封件111的內壁1114相對於水平面傾斜有一定角度α，α小於90°。當基板113需要被浸入電解液中電鍍時，該基板保持裝置100承載基板113，然後基板保持裝置100從裝載或卸載位置移動到工藝位置。基板113完 全浸沒在電解液中。在電鍍過程中，基板保持裝置100旋轉，轉速為3-200rpm。在基板113浸入電解液的過程中，空氣可以順著密封件111的內壁1114排出。另一方面，在電鍍過程中，基板113正面會產生氫氣，氣泡也能順著密封件111的內壁1114排出，否則，空氣或氣泡會引起沈積的金屬存在空洞的問題。

當使用該基板保持裝置100在基板113正面電鍍金屬層時，接觸環112用來傳導電流。如圖11和圖12所示，接觸環112包括主體部1121、多個第一指形部1122和多個第二指形部1123。為了安裝接觸環112，杯形夾盤101基部1011的下端為可拆卸的。為了更清楚地說明，在本文中，杯形夾盤101基部1011的下端被命名為底座。底座的底部設有多個第一螺孔1016，接觸環112的主體部1121設有多個第二螺孔1124。多個螺絲114穿過第一螺孔1016和第二螺孔1124將接觸環112的主體部1121、杯形夾盤101的底座與杯形夾盤101的基部1011固定在一起。多個第一指形部1122接觸基板113正面邊緣處的種子層，且接觸點位於距基板113的外邊緣小於2mm處。在電鍍過程中，基板113與電源電極相連，透過接觸環112傳導電流。杯形夾盤101由導電材料製成以傳導電流。多個第二指形部1123緊壓密封件111的固定部1116，將密封件111的固定部1116固定在杯形夾盤101的凹槽1015內，避免密封件111從杯形夾盤101上脫落。第一指形部1122和第二指形部1123交替設置。對於300mm的基板來說，第一指形部1122的數 量應該不小於200個。如果第一指形部1122的數量太少，會導致基板113上的電流分佈不均勻，進而導致基板113上的沈積速率不均勻。接觸環112由導電材料製成，例如不銹鋼、銅、鈦、銥、鉭、金、銀、鉑金和其他類似合金。接觸環112也可以由具有鉑金塗層或金塗層的不銹鋼、鈦、鉭、鋁製成。接觸環112還可以由其他高導電性的材料製成。較佳的，接觸環112由彈簧鋼製成。

如圖17a-17f所示，基板113的形狀可以是圓形、橢圓形、三角形、正方形、長方形、八邊形等。相應的，杯形夾盤101和夾盤板102設計成與基板113相匹配的形狀。

為了裝配密封件111和接觸環112，首先，從杯形夾盤101的基部1011上拆下基座，然後密封件111的唇形密封部1115包裹杯形夾盤101的支撐部1014，且密封件111的固定部1116位於杯形夾盤101的凹槽1015內。使用多個螺絲將接觸環112的主體部1121固定在杯形夾盤101的底座上，接觸環112的第二指形部1123將密封件111的固定部1116緊壓在杯形夾盤101的凹槽1015內。然後，多個螺絲114穿過杯形夾盤101上的第一螺孔1016和接觸環112上的第二螺孔1124以將基座和杯形夾盤101的基部1011固定在一起。隨後，密封件111的底部1111和外壁1112分別包裹杯形夾盤101基部1011的底壁和側壁的外表面。最後，固定環109透過多個螺絲110固定在杯形夾盤101的邊沿1013的底部，且固定環109緊壓密封件111的突起 1113。

使用該基板保持裝置100進行電鍍工藝包括以下步驟：

步驟1：將基板保持裝置100移動到裝載或卸載位置。

步驟2：豎直驅動裝置103驅動夾盤板102上升。

步驟3：將基板113裝載在密封件111的唇形密封部1115上，基板113正面朝下裸露出來。

步驟4：豎直驅動裝置103驅動夾盤板102下降夾持基板113，密封件111的唇形密封部1115密封基板113正面的邊緣，接觸環112的多個第一指形部1112接觸基板113正面邊緣處的種子層。

步驟5：角度控制驅動裝置104驅動夾盤板102和杯形夾盤101傾斜一定角度。

步驟6：旋轉驅動裝置106驅動夾盤板102和杯形夾盤101以預設的旋轉速度轉動，同時，基板保持裝置100移動到工藝位置，在工藝位置，基板113浸沒在電解液中。

步驟7：角度控制驅動裝置104驅動夾盤板102和杯形夾盤101轉動，使夾盤板102和杯形夾盤101保持垂直狀態。

步驟8：打開電源，在基板113的正面電鍍金屬層。

步驟9：電鍍工藝完成後，基板保持裝置100移動到沖洗位置，然後高速旋轉，將基板113表面的電解液沖洗掉。

步驟10：基板保持裝置100移動到卸載位置，向基板113的背面通氮氣，豎直驅動裝置103驅動夾盤板102上升，然後將基板113從密封件111的唇形密封部1115上取走。

綜上所述，本發明的基板保持裝置100利用密封件111包裹杯形夾盤101，當使用該基板保持裝置100固持基板113並將基板113浸沒在電解液中電鍍時，密封件111保護基板113正面的邊緣、基板113的背面和杯形夾盤101內的接觸環112，避免基板113正面的邊緣、基板113的背面和杯形夾盤101內的接觸環112接觸電解液。密封件111是柔軟的，且製成杯形夾盤101的材料的硬度比密封件111的硬度高，當密封件111包裹杯形夾盤101時，杯形夾盤101不會變形。因此，夾持基板113後，密封件111輕柔地密封基板表面而不會對基板表面造成損傷。密封件111具有良好的密封效果。此外，密封件111的厚度較厚，因此，密封件111的使用壽命長。另外，在該基板保持裝置100使用一段時間後，只需要更換接觸環112和密封件111，基板保持裝置100的其他部件都不需要更換，降低了生產成本。

如圖13至圖16所示，在另一個具體實施方式中，提供了傳導電流的導電環201和固定密封件111的壓板202。導電環201和壓板202組合後的功能與接觸環112的功能相同，因此，導電環201和壓板202的組合可以代替接觸環112。當進行化學鍍層時，可以省略導電環201。導電環201包括多個接觸基板113正面邊緣的指形部2011，壓板202具有與導電環201的指形部2011相匹配的斜坡2021。為了安裝密封件111，首先，從杯形夾盤101的基部1011上拆下底座，然後，密封件111的唇形密封部 1115包裹杯形夾盤101的支撐部1014，密封件111的固定部1116位於杯形夾盤101的凹槽1015內。第一組螺絲將壓板202和杯形夾盤101的底座固定在一起，壓板202將密封件111的固定部1116固定在杯形夾盤101的凹槽1015內。然後，第二組螺絲將杯形夾盤101的底座、壓板202和導電環201與杯形夾盤101的基部1011固定。隨後，密封件111的底部1111和外壁1112分別包裹杯形夾盤101基部1011的底壁和側壁的外表面。最後，固定環109透過多個螺絲110固定在杯形夾盤101邊沿1013的底部，固定環109緊壓密封件111的突起1113。

儘管本發明以特定的實施方式、舉例、應用來說明，本領域內顯而易見的改動和替換將依舊落入本發明的保護範圍。

100‧‧‧基板保持裝置

101‧‧‧杯形夾盤

102‧‧‧夾盤板

103‧‧‧豎直驅動裝置

104‧‧‧角度控制驅動裝置

1012‧‧‧接收空間

Claims (19)

1. 一種基板保持裝置，包括：杯形夾盤，包括基部，基部具有底壁、側壁的外表面和側壁的內表面，基部的側壁的內表面傾斜向上突出形成支撐基板正面邊緣的支撐部；密封件，包括底部、外壁和內壁，內壁設有唇形密封部，密封件的底部包裹杯形夾盤基部的底壁，密封件的外壁包裹杯形夾盤基部側壁的外表面，密封件的唇形密封部包裹杯形夾盤的支撐部以密封基板正面的邊緣；夾盤板；以及豎直驅動裝置，與夾盤板連接，豎直驅動裝置驅動夾盤板下降或上升，以使夾盤板壓在基板的背面來夾持基板或使夾盤板離開基板的背面。
2. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，杯形夾盤基部的上端向外延伸形成邊沿，密封件外壁的頂端設有突起，一固定環固定在杯形夾盤邊沿的底部，該固定環擠壓密封件的突起以將密封件和杯形夾盤固定在一起。
3. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，密封件的厚度為0.1mm-2mm。
4. 根據請求項3所述的裝置，其特徵在於，密封件的厚度為0.3mm-1mm。
5. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，密封件由 橡膠製成。
6. 根據請求項5所述的裝置，其特徵在於，製造密封件的材料為氟橡膠、矽橡膠、丁腈橡膠。
7. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，製造密封件的材料的硬度為硬度計檢測出的20-70。
8. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，製造密封件的材料具有疏水性。
9. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，密封件的內壁相對於水平面傾斜有一定角度α，角度α小於90°。
10. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，杯形夾盤基部的下端設有凹槽，與唇形密封部相連的密封件的內壁的末端延伸出固定部，固定部位於凹槽內。
11. 根據請求項10所述的裝置，其特徵在於，進一步包括用於傳導電流的接觸環，接觸環包括主體部、多個第一指形部和多個第二指形部，主體部固定在杯形夾盤基部的下端，多個第一指形部接觸基板正面的邊緣，多個第二指形部緊壓密封件的固定部。
12. 根據請求項11所述的裝置，其特徵在於，杯形夾盤基部的下端是可拆卸的，基部下端的底部設有多個第一 螺孔，接觸環的主體部設有多個第二螺孔，多個螺絲穿過第一螺孔和第二螺孔以將接觸環、基部的下端和基部固定在一起。
13. 根據請求項11所述的裝置，其特徵在於，第一指形部和第二指形部交替設置。
14. 根據請求項10所述的裝置，其特徵在於，進一步包括用來將密封件的固定部緊壓在杯形夾盤凹槽內的壓板。
15. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，進一步包括用於傳導電流的導電環，導電環包括多個與基板正面的邊緣接觸的指形部。
16. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，與基板背面接觸的夾盤板的表面設有多個狹槽。
17. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，進一步包括設置在夾盤板和杯形夾盤之間的O型密封圈。
18. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，進一步包括角度控制驅動裝置，當夾盤板和杯形夾盤固定基板進行工藝加工時，角度控制驅動裝置驅動夾盤板和杯形夾盤傾斜有一定角度。
19. 根據請求項1所述的裝置，其特徵在於，進一步包括旋轉驅動裝置，當夾盤板和杯形夾盤固定基板進行工藝加工時，旋轉驅動裝置驅動夾盤板和杯形夾盤旋轉。

Images