CN102257186B - 用于镀覆导电基材的系统和在镀覆过程中用于夹持导电基材的基材夹持器 - Google Patents

Abstract

提供了用于镀覆导电基材的系统。该系统包括导电基材，所述导电基材包括第一导电侧和第二导电侧，其中该导电基材的所述第一侧是待镀覆的。此外，该系统包括具有连接装置的基材夹持器，用于使导电基材连接到基材夹持器上，使得基材夹持器的第一表面面对导电基材的第二侧。基材夹持器还包括连接到基材夹持器第一表面的回弹接触装置，所述回弹接触装置可连接到第一外部电势。导电基材的第二侧设置有暴露导电基材的第二侧的绝缘材料，使得提供至少一个接触区域，其中回弹接触装置与所述至少一个接触区域中的暴露的第二侧接触。由此还提供了基材夹持器。

Description

用于镀覆导电基材的系统和在镀覆过程中用于夹持导电基材的基材夹持器

技术领域

本发明涉及用于电镀工艺中的基材夹持器。更特别地，本发明涉及基材夹持器，其包括布置为向连接到基材夹持器的导电基材的背侧上的空腔提供电接触的物理上能适应的接触装置。还提供了将基材布置到基材夹持器中的方法。

背景技术

电镀用于多种应用中的微电子元件例如互连、部件、波导、感应体、接触垫等。

例如通过本发明制得的主电极适合于涉及单层或多层的微米结构或纳米结构的制造，PWB(印刷线路板)、PCB(印刷电路板)、MEMS(微电子机械系统)、IC(集成电路)互连、IC之上互连、传感器、平板显示器、磁和光学存储装置、太阳能电池和其它电子器件的制造的应用。其还可以用于不同类型的导电聚合物中的结构、半导体中的结构、金属中的结构以及能够使用该主电极制造的其它结构。甚至硅中的3D结构例如通过多孔硅形成的也是可能的。

化学气相沉积和物理气相沉积也是可以用于镀金属的方法，但是由于电镀通常比其它镀金属方法便宜并且可以在环境温度和环境压力下进行，因此电镀通常是优选的。

在包含电解质的反应器中进行工件的电镀。承载待镀覆金属的阳极连接到正电压。在一些情况下，阳极是惰性的，待镀覆金属来自电解质中的离子。工件例如半导体基材的电导率通常太低而不能使待镀覆结构通过基材连接到背接触。因此，待镀覆结构必须首先设置有导电层例如种层。引线将图案连接到前侧上的指状接触。指状接触又连接到负电压。电镀步骤是电解过程，其中通过电解质和在阳极与工件上的导电层(其形成阴极)之间施加的电场金属从阳极或从电解质中的离子转移到导电图案(阴极)。

如上所述，工件通常由非导电材料制成。由于待镀覆图案位于前侧，因此必须向前侧上的导电层施加电压。由于图案与电极直接接触会干扰这些区域中的电镀过程，因此另外的引线和接触区域也必须位于前侧上。

所得的配置具有许多缺点：

-使前侧上的接触区域占据大量空间，其原本能够用于待镀覆图案。

-为了占据尽可能小的空间，接触区域限制于工件外周。

-靠近电极以加快的速率发生电镀过程，导致镀金属不均匀。如果能够接触工件的任意部分，镀覆均匀性会得到改善。

-在所述工艺期间施加到接触区域的指状电极浸在有破坏性的例如腐蚀性的电解质环境中，导致电极劣化。构造耐用电极需要复杂的设计和昂贵的材料。

在US6322678中描述了一种替代装置和方法，其中基材夹持器构造有施加到工件背侧上的接触区域的电极，所述接触区域连接到到达工件边缘周围的引线，或者连接到引导穿过基材的导电孔。然而，由于引线和接触区域与预期的镀覆不可能相配，因此US6322678仍伴有这些引线和接触区域占据前侧上的空间的问题。并且，电极固定在靠近基材夹持器外周的几个位置，仅确保与意在镀覆的工件的导电表面的外周接触，对工件的接触区域和引线的布局提出要求以确保将所述工件的接触区域和引线正确放置在工件背侧上的相应位置中。并且，由于不能确保电极接触主电极的导电部分，因此根据US6322678的基材夹持器对于镀覆ECPR主电极、特别是不意在镀覆的侧上也具有绝缘材料的主电极来说是无用的。还必须小心地使基材与基材夹持器的电极对齐。此外，电极布置为使得它们可滑动通过基材夹持器，因此不能确保工件背侧与电解质隔开。

发明内容

因此，本发明寻求减轻、缓解或消除上述缺陷中的一个或更多个并提供所述类型的改善的基材夹持器。

为此，在第一方面，提供了一种系统。所述系统包括：(i)导电基材，其包括第一导电侧和第二导电侧，其中所述导电基材的所述第一侧是待镀覆的；和(ii)基材夹持器，所述基材夹持器包括：连接装置，用于使所述导电基材连接到所述基材夹持器上，使得所述基材夹持器的第一表面面对所述导电基材的第二侧；和连接到所述基材夹持器的第一表面上的回弹接触装置，所述回弹接触装置可连接到第一外部电势；所述导电基材的第二侧设置有暴露所述导电基材的第二侧的绝缘材料，使得提供至少一个接触区域；其中所述回弹接触装置在所述至少一个接触区域中以至少一个接触点与暴露的第二侧接触。

在另一个方面，提供了一种用于在镀覆导电基材的过程中夹持所述导电基材基材的基材夹持器。所述基材夹持器包括：连接装置，其用于使所述导电基材连接到所述基材夹持器上，使得所述基材夹持器的第一表面面对所述导电基材的第二侧；和回弹接触装置，其连接到所述基材夹持器的第一表面并可连接到至少一个外部电势。

在从属权利要求中限定了本发明的有利特征。

附图说明

由下面的参照附图对本发明实施方案的描述，本发明能够具有的这些和其它方面、特征和优点将变得明显并得到说明，其中

图1是一个电镀处理室的横截面图；

图2A-C示出了与本发明结合使用的导电基材的示例性设计；

图3A、3B和4示出了根据本发明的基材夹持器的实施方案；

图5示出了根据本发明的基材夹持器的装载/卸载实施方案；

图6示出了根据本发明的基材夹持器的对齐实施方案；

图7示出了根据本发明的基材夹持器的电接触实施方案；

图8示出了根据本发明的基材夹持器的电接触实施方案；

图9示出了根据本发明的基材夹持器的电接触实施方案；

图10A和10B示出了根据本发明的基材夹持器的接触元件的实施方案的细节；

图11A和11B示出了根据本发明的基材夹持器的接触元件的实施方案的细节；

图12A和12B示出了根据本发明的基材夹持器的接触装置的实施方案；

图13A和13B示出了根据本发明的基材夹持器的接触装置的实施方案；和

图14A和14B示出了根据本发明的基材夹持器的接触装置的实施方案。

实施方案的详细描述

下面将参照附图描述本发明的几个实施方案。出于示例性目的描述这些实施方案以使本领域技术人员能够实施本发明。然而，这类实施方案不限制本发明，并且在本发明的范围内不同特征的其它组合是可能的。

参照图1，示出了电镀处理设备100的横截面总视图。该图是镀覆工艺操作原理的简图并且旨在说明基材夹持器101在这样的工艺中的作用。

在根据本发明一个实施方案的电镀工艺期间，将导电基材102连接到基材夹持器101上。导电基材102可以是导电和/或半导体材料例如金属材料的晶片、或者掺杂的半导体材料例如硅的晶片。可以通过连接装置将导电基材102连接到基材夹持器101上，从而将基材的背侧密封以免接触电镀工艺中的电解质。这样的连接装置可以为例如夹紧环104。夹紧环104可以由刚性非导电材料例如Teflon制成。

在一个实施方案中，所述导电基材102至少部分包含导电硅晶片。

然后可以将一个或几个绝缘材料层或图案布置在导电基材102上。作为替代方案，可以将其它导电材料布置在导电基材102上。而且，一个或几个绝缘材料层或图案可以与一个或几个导电材料层或图案组合以将导电基材102图案化。

在一个实施方案中，基材夹持器101由绝缘材料例如PP(聚丙烯)、Teflon或PEEK(聚醚醚酮)制成，在另一个实施方案中，基材夹持器101由导电材料例如不锈钢制成。在又一个实施方案中，基材夹持器101主要由绝缘材料制成，但可以包含一个或几个与本发明中进一步描述的接触装置不同的导电部分。导电基材102利用电绝缘层103图案化。该绝缘层103形成凸起结构，在其间形成空腔。在所述空腔内，暴露出导电表面，在电镀工艺期间金属可以沉积在其上。碗状物105构造有储存器106。在电镀工艺期间，储存器106充填有电解质。电解质以平缓的流从外部储存器(未示出)泵送通过阳极107。阳极107可以形成为格栅，以便不妨碍电解质向上朝向导电基材102流动，导电基材102浸没在电解质表面以下。使电解质流过由绝缘层103形成的空腔内的导电表面。在阳极107(其可以是单片的或分段的)和导电基材102的背侧(其暴露出导电表面由此在该工艺中形成阴极)之间施加电压。如以下将进一步讨论的，可以经由基材夹持器101在阳极107和导电基材102的背侧之间施加电压。金属离子由阳极释放并由电解质和所施加的电场载送到暴露的导电表面，在此金属离子沉积为镀覆的金属层。

在另一个实施方案中，阳极是惰性的，并且仅由电解质提供离子。在该实施方案中，优选定期补充新鲜的离子型电解质。

根据另一个实施方案，可渗透的膜(未示出)可以布置在碗状物内阳极107和基材夹持器101之间，以允许使用两种电解质的工艺，从而在碗状物中形成第一室(基材夹持器101位于其中)和第二室(阳极107位于其中)。该可渗透的膜可以渗透无机物质例如由在阳极107处金属的溶解得到的金属离子和水，但不可以渗透有机物质例如增白剂和抑制剂。可以将第二电解质注射到第一室中的膜之上，即其中基材夹持器101所位于的膜的一侧上，并且可以包含增白剂和抑制剂。由于增白剂和抑制剂在阳极107处可能降解，因此通过膜将它们与阳极107分开可能是重要的。在基材夹持器101和阳极107之间引入可渗透的膜解决了上述问题。

使得已经流过基材的电解质如箭头108所示溢出碗状物105进入外部电解质收集槽109中。电解质可以从该槽返回到外部储存器(未示出)中以循环到工艺中。当循环时，电解质可以能够首先经过控制站和/或过滤器(未示出)。电解质也可以作为废液收集，这意味着其不会返回到工艺中。基于所涉及的工艺的要求选择所选的工艺流。

因此，在制造主电极的过程中，根据本发明的实施方案，基材夹持器使基材浸没在电解质中并且通过电镀使金属沉积在基材前侧上的空腔内，同时保持背侧密封以免接触电解质。根据一个实施方案，基材夹持器101可以安装上活塞110和外部工艺控制设备(未示出)。在整个工艺期间，可以使基材夹持器101绕z轴以任一方向旋转，如图1所示。这确保了镀覆工艺关于经过基材的电场和电解质流的变化的均匀性。

图1所示的实施方案显示了水平布置的基材夹持器101，但是同样可以将基材夹持器101用于诸如倾斜的镀覆仪的电镀设备。在倾斜的镀覆仪中，基材夹持器可以例如相对于z轴倾斜30°到60°，例如45°。另一种替代方案是将基材夹持器101用于诸如挂镀覆仪(rack plater)的电镀设备。在挂镀仪中，基材夹持器101基本上垂直浸入电解质中。后一替代方案还可以允许多个基材夹持器101同时并行用在同一处理设备100中。

由虚线111表示的外部导体和/或空气管道通过活塞110分别为电接触装置(未示出，但包括在基材夹持器101内)提供电力和为基材夹持器101提供气体压力。由于活塞的旋转运动，因此可能需要，但不必总是必须通过电刷接触、滑动接触和本领域技术人员认为合适的类似摩擦接触装置建立与至少一个外部电源的电接触。

所述空气管道的目的是为基材夹持器101提供气体压力以例如用于诸如使基材102连接到基材夹持器101上、用于将基材102装载到基材夹持器101中/将基材102从基材夹持器101卸载、或者用于致使夹紧环104移动等的应用。

导体和/或空气管道111可以从活塞110通到外部单元112，所述外部单元112包括多个装置例如选自包括电源、气体泵、用户界面(例如计算机，通过该计算机操作者可以控制所述设备和/或所述工艺的不同部分)的组的至少一个装置。

参照图2A-B，示出了导电基材102和图案化绝缘层103的多个示例性实施方案。可以在导电基材102面对基材夹持器的侧的第一部分上提供绝缘材料103。因此，背侧绝缘层103A可以图案化，以在导电基材102所述侧的第二部分处将背侧分成一个或更多个接触区域203。背侧上的图案通常，但不必总是为同心环或环形段的形状。中间区域，即背侧的中心通常，但不必总是暴露出以形成一个接触区域。如关于图2C所进一步描述的，使整个背侧暴露出以形成单个背侧接触区域203也在本实施方案的范围内。图案化的背侧产生以下有益技术效果：可以使得用于ECPR的主电极(在前侧上的空腔内具有预沉积的材料)从在背侧上形成的不同接触区域连接到几个电压。这使得能够控制并确保在整个主电极上镀覆效果的均匀分布。因此，使得背侧也图案化是便利的。

在一个实施方案中，导电基材的背侧设置有形成暴露导电基材前侧的至少一个空腔的绝缘材料，使得在所述空腔内设置有至少一个接触区域。因此，导电基材的所述背侧的第一部分和第二部分布置为使得所述绝缘材料形成至少一个空腔，其中在所述空腔内提供所述至少一个接触区域203。

在一个实施方案中，至少一个接触区域203覆盖导电基材102背侧的对角线的至少50％。就此而言，接触区域203可以覆盖导电基材102背侧的对角线的至少80％，例如至少95％。以此方式，可以提供均匀的电压分布，确保前侧上均匀的镀覆高度和镀覆速度。并且，根据下文，该实施方案提供以下技术效果：一种特定的背侧图案可以与接触装置304的不同构造相互作用。

应理解，导电基材102横向上的电阻率可以足够大，或者具有不同电势的接触区域之间或前侧上空腔之间的横向间隔可以足够大，以在沿导电基材102前侧上的半径的至少两个点中产生不同电势。

当基材用作电化学图案复制(electrochemical pattern replication，ECPR)工艺中的主电极时，前侧绝缘层103B图案化为待复制的布置。将由前侧绝缘层103B形成的空腔预布置(在较早的工艺中)为具有一个或更多个基本上惰性的(在所述电解质中)导电材料201的层，下文称为电极层。电极层可以为选自包括Au、Ti、TiW、Cr、Ni、Si、Pd、Pt、Rh、Co和/或其合金或多相混合物的材料。在由箭头202表示的电解工艺期间，金属沉积到所述预布置的电极层201上。

导电基材允许使用边缘绝缘层103C，其包括至少一种电绝缘材料的至少一个层，覆盖导电基材102的边缘。当将导电基材用作电化学图案复制(ECPR)工艺中的主电极时，边缘绝缘层103C的目的是在所述导电基材和目标晶片之间提供电绝缘。边缘绝缘层的另一个目的是与基材夹持器101一起提供气密密封件和提供在所述工艺期间允许机械加工(例如被基材夹持器101夹持，或被机械臂夹持以将晶片装载在基材夹持器101中或将晶片从基材夹持器101上卸载)的表面。当在所述工艺期间将基材102安装在基材夹持器101上时，边缘绝缘层103C还用于与垫圈一起形成气密密封件，以防止电解质与基材的背侧接触。优选边缘绝缘层103C覆盖距基材边缘至少1至10mm。

边缘绝缘层103C的另一个优点是在基材102用作随后的ECPR工艺的主电极过程中。当将该主电极压到正在图案化的基材上时，边缘绝缘层103C确保了该正在图案化的基材不会沿边缘短路。

参照图2C，示出了导电基材102的另一个示例性实施方案。在该实施方案中，整个背侧暴露出来以在导电基材面对基材夹持器的侧的第二部分中形成单一背侧接触区域203。前侧已经结构化，并且电极层201布置在空腔中。绝缘层103B覆盖侧壁。

参照图3A和3B，示出了根据本发明的基材夹持器101的实施方案和物理上能适应的接触装置304的工作原理。除了布置为在所述电接触装置304和任何外部电源之间提供电接触的任何进一步描述的互连之外，物理上能适应的接触装置可以是与基材夹持器101电绝缘的任何电接触装置。进一步的互连可以为例如经过或绕过基材夹持器101的引线。这类物理上能适应的接触装置可以适应于垂直方向上结构化的表面并与其建立电接触，而同时覆盖基材横向上的大部分表面区域。由于随后的ECPR工艺要求绝缘层(例如边缘绝缘层103C)的表面和空腔的底部之间具有一定台阶高度，因此还必须能够使与基材102背侧的电接触良好。这通过使用基材夹持器101的物理上能适应的接触装置304来确保。接触装置304可以例如是通过回弹而物理上能适应的并连接到基材夹持器的意在面对基材102背侧的表面上。当接触装置304是回弹的并连接到基材夹持器101的表面上时，可以通过经过或绕过基材夹持器101的引线来确保与外部电源的电接触。当通过经过基材夹持器101的引线来确保与外部电源的电接触时，该引线可以与基材夹持器101一体化，使得该引线在基材夹持器内是不可移动的。这确保了内部空间306和围绕基材夹持器的环境之间的良好的密封效果。

不管基材102背侧上的绝缘层103A、103C的图案的布置或厚度如何，利用配备有物理上能适应的接触装置304的基材夹持器101，本发明的操作者都可以确保与任何暴露的接触区域203接触，如图3A和3B中的箭头所示。该箭头仅意在显示垂直适应和横向覆盖的原理。3A和3B的箭头不代表任何物理装置。

典型地，如果不是整个背侧都是待接触的，则物理上能适应的接触装置可以在导电基材102背侧沿从导电基材中心到导电基材外周边缘的距离连接到至少两个接触区域203或两个接触点。所述至少两个接触区域203可以沿至少一个半径定位。通过以沿至少一个半径的至少两个接触区域203接触基材102的背侧，电流分布更均匀，这使得镀覆速率比沿至少一个半径的仅一个接触区域203高。因此，导电基材面对基材夹持器的侧的第一部分设置有绝缘材料103A、103C，而导电基材面对基材夹持器的侧的第二部分形成至少一个接触区域203；其中回弹接触装置304与所述至少一个接触区域内的至少一个接触点接触。

在一个实施方案中，将接触装置304的布置图案化，使得在导电基材前侧上提供几个接触点。

参照图3A，通常用夹紧环302将导电基材102固定到基材夹持器101上。夹紧环可以由刚性、绝缘且惰性的材料例如PP(聚丙烯)、Teflon、PEEK(聚醚醚酮)制成，或者可以是涂覆有所述绝缘惰性材料的金属环或陶瓷环。在图3A中，利用夹紧环302和基材夹持器101之间垂直界面上的螺纹表面，通过将夹紧环302旋到基材夹持器101上，来安装夹紧环302。夹紧环302下部可以具有倾斜的不明显的(low-profile)结构305。该设计产生以下技术效果：夹紧环302会降低基材102前侧附近电解质流动的干扰或阻碍。距离d应优选小于10mm，比如小于5mm，例如小于2mm。

夹紧环302可以具有任何合适的外周或周围形式，只要其适合于打算使用该夹紧环302的基材夹持器101和基材102。因此，该外周或周围形式可以为圆形、正方形、长方形或多边形。

为了确保电解质不会泄漏到基材背侧，可以提供垫圈303A-C。此外，如上面所公开的，接触装置304可以连接到基材夹持器101的表面上，引线一体化在基材夹持器内，所述引线连接接触装置和外部电源，以确保电解质不会泄漏到基材背侧。垫圈303A-C可以是唇形密封件、双唇形密封件或o-环。垫圈303A密封基材夹持器101和导电基材102之间的内部空间306。在操作过程期间或之前/之后，可以通过基材夹持器101和活塞110(未示出)内的空气管道抽出内部空间306中的空气至压力＜1大气压。建立该负压以使基材102固定到基材夹持器101上。

根据本发明的另一个实施方案，通过以机械方式将夹紧环302压向基材夹持器101而使基材102固定到基材夹持器101上也是可行的。这可以通过在基材夹持器101和夹紧环302之间提供螺旋虎钳作用(screw viceaction)例如借助本领域技术人员已知的螺杆/螺栓结构来实现。当螺杆/螺栓结构由导电材料制成时，优选地，然后在布置之后用绝缘材料覆盖所述结构，以避免在所述结构上电镀。

可以在基材夹持器101的本体内提供附加的压力室(未示出)。该室(其通过管道直接连接到内部空间306)的作用是保证基材102连接，对抗例如由于管道系统(未示出)的阀的泄漏导致的不期望的压力波动。可以由外部源例如真空泵为空气管道提供负压。可以在所述外部源和所述空气管道之间布置阀。在一个实施方案，在处理过程中，连续为空气管道提供负压，以确保实现希望的负压，即使通过任何阀或垫圈存在不期望的泄漏也是如此。在另一个实施方案中，当装载或卸载基材时，所述阀打开以提供负压，但在电镀操作期间关闭，这可以在不期望的泄漏的情况下降低电解质流入真空系统的风险。还可以通过可拆卸的连接器提供负压。在这种情况下，基材夹持器可以包括用于确保保持负压的止回阀。通过垫圈303B和303C将外部空间307与外界环境密封并通过垫圈303A将外部空间307与内部空间密封。在一个实施方案中，气体过压或负压线可以设置有球阀，由此可以使基材夹持器旋转，而不使压力供给装置旋转。可以任选使外部空间307增加到压力＞1大气压，例如通过引入压缩空气或优选基本惰性气体(例如氮气)，以使外部空间307用作另外的对抗电解质通过垫圈303B和303C泄漏的安全措施。还可以布置压力传感器(未示出)以监测内部空间306和外部空间307的压力，以为外部单元112提供测量值和在未预期的压力波动的情况下向操作者发出警报或自动开启防范措施。措施可以包括自动校正压力或使工艺中止或暂停。

如上所述，也可以仅通过夹紧环302使导电基材102连接到基材夹持器101上，在这种情况下，可以例如通过使用氮气为内部空间306提供增加的压力。

空气管道的喷嘴308可以在基材夹持器101的前表面中成型为凹槽或孔洞。喷嘴308可以布置为同心环或径向线或者二者组合的图案。可以将不同的压力施加到处于不同径向位置的不同喷嘴308或喷嘴308的组上，即所施加的压力沿基材夹持器101的同心环可以是相等的。

参照图3B，示出了本发明一个实施方案的横截面，其中导电基材102仅通过负压连接到基材夹持器101上。垫圈303A密封内部空间306，将其与电解质隔开。

参照图4，示出了本发明的另一个实施方案，其中在内部空间306中建立负压。该压力足够小以使导电基材102向基材夹持器101弯曲。由此可以与接触装置(未示出)例如基本覆盖基材夹持器101的整个前侧的导电板建立电接触。在该实施方案中，导电基材102的背侧可以大致完全暴露。在其它实施方案中，内部空间306内的负压可以与本发明所述的任何接触装置一起使用，以改善接触装置和导电基材101之间的电接触。

图4不包括夹紧环302，但是当使用夹紧环302时，同样能够使基材102向基材夹持器101弯曲。

参照图5，示出了本发明另一个实施方案的横截面。不是将夹紧环302旋到基材夹持器101上，而是通过沿环/夹持器的外周间隔开的导引元件501将夹紧环302和基材夹持器101彼此连接。因此，通过致动器(未示出)例如直线电动机、步进电动机或旋转电动机或者通过气动致动器，夹紧环302可以降到装载/卸载位置或者升到处理位置。在装载/卸载位置中，可以通过机械臂(未示出)自动或者由操作者手动装载/卸载基材102。装载操作可以通过提升基材102与垫圈303A接触来进行，在此通过根据图3A的描述随后建立的负压确保连接。将基材放到垫圈303B上并将其提升与垫圈303A接触也可以用于装载基材102。

优选至少两个导引元件501之间的距离大于基材102的直径，以方便基材102装载到基材夹持器101中或将基材102从基材夹持器101上卸载。

装载/卸载装置的另一个实施方案可以为可连接到所述至少一个管道的压力致动器502A和/或502B的形式，压力致动器能够通过负压保持导电基材，所述压力致动器是可伸缩的以使导电基材靠近或远离基材夹持器的第一表面。压力致动器502A可以为例如真空销或真空垫，而压力致动器502B例如可以为真空卡盘。因此，压力致动器502A和/或502B可以安装在基材夹持器101的前侧。当手动或通过机械臂使基材102靠近基材夹持器101时，致动器502A和/或502B伸出以通过真空抽吸吸住基材102的背侧。然后致动器502A和/或502B缩回以使基材102与垫圈303A接触。例如当具有三个致动器真空销502A时，致动器502A可以以120°的最大内部间距布置成环状。致动器502B例如真空卡盘可以安装在基材夹持器101的中心。致动器502B的直径小于导电基材102。致动器502A和502B的伸出和缩回可以通过气动装置或者通过直线电动机或步进电动机或旋转电动机(未示出)进行。

代替夹紧环302，可以用边缘夹(未示出)例如钩或边缘夹圈(与夹紧环不同)来夹持导电基材102的边缘或拉导电基材102使其贴靠基材夹持器101和垫圈303A。

参照图6，示出了本发明另一实施方案的横截面。基材夹持器101和夹紧环302在此设计为分别具有倾斜的导引表面601A和601B。导引表面601A和601B用于在装载操作过程中使基材102在横向和水平方向上与基材夹持器101对齐。基材夹持器101和夹紧环302仍然分别可以具有垫圈303A和303B。为清楚起见，它们在图6中被省去。

图6所示的夹紧环302可以例如如上所示通过螺配连接到基材夹持器101上。然而，同样可以采用具有如结合图5所描述的导引元件501的设计。

当使用背侧绝缘层103A时，在将基材102装载到基材夹持器101中时可能必须使背侧绝缘层103A的图案与基材夹持器101的接触装置对齐。

参照图7，示出了基材夹持器101的前侧和物理上能适应的接触装置701的一个示例性实施方案。

在一个实施方案中，物理上能适应的接触装置701是指该装置包括接触元件701A和互连结构701B。

物理上能适应的接触装置701在此以星形图案布置，各个接触元件701A沿互连结构701B均匀间隔开。互连结构701B的图案可以设计为同心环或者同心环和星形的组合。然而，任何能够覆盖导电基材102的大部分的形状均在本发明的范围内。在根据图7A的实施方案中，接触元件701A通过互连结构701B彼此并联电连接。然后接触元件701A通过互连结构701B彼此并联地电连接到共用电势节点702。节点702可以位于或可以不位于基材夹持器101的中心。节点702又通过活塞110连接到至少一个外部电势(未示出)，如结合图1所描述的。同样可以将接触元件701A单个或以至少两个接触元件701A的组连接到不同的电势，以向导电基材102的不同部分施加不同的电势。在这样的情况下，可能必须通过活塞110将多个导体连通到至少一个外部电源，以为不同的接触元件701A提供不同的电势。通常当向导电基材102的不同部分施加不同的电势时，优选在距离中心某一半径处将接触元件701A的电势保持在某一水平，例如以同心等电势环施加电压。

在不背离本发明构思的情况下，可以以多种不同的方式设计接触元件701A。但是，优选所有设计的共同和特性特征在于接触元件701A在垂直方向上应该是柔性的/回弹的。因此，使得不管基材表面的结构形貌如何均能够与导电基材102的背侧建立电接触。下面将结合图9至13更详细地描述接触元件701A的不同设计。

参照图8，示出了本发明的另一个示例性实施方案，显示了基材夹持器101的前侧和物理上能适应的接触装置701。图8装置与7A装置的不同之处仅在于：中心存在更大的接触元件701C。在所有其它方面，装置是相同的并且为物理上能适应的接触装置701的电连接构造和布局提供相同替代方案。

在一个实施方案中，接触元件701A由导电材料制成并且设计为钩状，其在垂直方向上是可柔性回弹的。然后接触元件701A与导电基材102的背侧电接触。接触元件701A(其为物理上能适应的接触装置701的一部分)通过互连结构701B与其它类似接触元件701A并联电连接，例如如图7A和7B中所公开的。然后接触元件701A可以被略微挤压，与导电基材102的背侧绝缘层103A物理接触。

参照图9，示出了基材夹持器101的前侧和物理上能适应的接触装置901的另一个示例性实施方案。物理上能适应的接触装置901在此以星形图案布置，各个接触元件901A以导电回弹管的形式连接到互连结构901B。该管可以例如由导电橡胶制成。互连结构901B和接触元件901A的图案也可以设计为同心环或同心环和星形的组合。任何能够覆盖导电基材102的大部分的形状均在本发明的范围内。在该实施方案中，接触元件901A通过互连结构901B彼此并联地电连接到基材夹持器101中心的共用电势节点902。节点902又通过活塞110(未示出)连接到至少一个外部电源(未示出)，如结合图1所描述的。同样能够将接触元件901A沿其长度分成更短的彼此电绝缘的接触段(未示出)。然后接触段可以单个地或以至少两个接触段的组连接到不同的电势，以向导电基材102的不同部分施加不同的电势。这可以改善导电基材中的电压分布，其可以使导电基材上材料的电镀速率更均匀。镀覆速率越均匀，使得镀覆到导电基材102的空腔中的材料越多，并且不会使某些区域过度充填。如果导电基材在随后的电化学图案复制(ECPR)工艺中用作主电极并且与目标晶片基材接触，则避免过度充填是至关重要的，这是因为过度充填的材料会使主电极与所述目标基材短路而不能进行ECPR工艺。在希望高速率时，这是尤其重要的。在这样的情况下，可能必须通过活塞110将多个导体连通到至少一个外部电源，以为不同的段提供不同的电势。通常，当向导电基材102的不同部分施加不同的电势时，优选在距离中心某一半径处将接触段的电势保持在某一水平，例如以同心等电势环施加电压。

图10A和10B示出了物理上能适应的接触装置901的柔性。

参照图10A，示出了根据一个实施方案的接触元件901A之一的详细视图。所示的示例性实施方案的接触元件901A由相对柔软的管状材料(其是导电的或者其表面涂覆有导电的柔性膜1001)制成。接触元件901A的内部1002可以是中空的或填充有另一种柔性材料。图10A显示了接触元件901A如何与导电基材102的背侧电接触。接触元件901A(其为物理上能适应的接触装置901的一部分)通过互连结构701B与其它类似的接触元件901A并联电连接。

参照图10B，示出了略微挤压的接触元件901A，与导电基材102的背侧绝缘层103A物理接触。

接触元件901A在另一个实施方案中可以为导电材料的弹簧。弹簧可以如图9所示以星形图案布置，但是也可以布置为同心环或布置为二者的组合。图9、10A和10B中装置的任何其它特征也适用于所述弹簧。

参照图11A，示出了物理上能适应的接触装置1101的一个示例性实施方案的另一个视图。接触元件1101A包括微波纹管1102A，其可以根据需要通过致动器例如外部泵单元或其它气动致动器(未示出)使其膨胀或收缩。当将基材装载到基材夹持器101中时，例如可以使波纹管1102A膨胀，然后使其收缩以在接触区域203处建立电接触。在基材夹持器101中设置空气导管1103并通过至少一个阀1104经由活塞110(未示出)中的空气管道将其连接到外部气动致动器

在另一个实施方案中，可以通过可拆卸的连接器为空气导管提供过压或真空。在这种情况下，可以使用止回阀来保持真空或压力。

如该图所示，接触元件1101A通过互连结构1101B并联连接。如前所述，结合图7至10，接触元件1101A也可以单个地或成组连接，以能够向不同的接触元件1101A或不同的接触元件1101A的组施加不同的电压。

代替波纹管，同样可以将接触元件1101A安装在通过直线电动机、步进电动机或旋转电动机致动的部件上。

参照图11B，示出了物理上能适应的接触装置1101的一个示例性实施方案的详细视图。此处，接触元件1101A安装在回弹弹簧1102B上。当将基材102装载到基材夹持器101中时，处于不受机械应力状态的回弹弹簧1102B充分伸展以允许接触元件1101A到达接触区域203。如该图所示，接触元件1101A通过互连结构1101B并联连接。如前所述，结合图7至10，接触元件1101A也可以单个地或成组连接，以能够向不同的接触元件1101A或不同的接触元件1101A的组施加不同的电压。

参照图12A和12B，示出了物理上能适应的接触装置1201的另一个示例性实施方案。接触元件1201A安装在相对柔软的柔性回弹层1202上，所述柔性回弹层1202连接在基材夹持器101(未示出)上。因此，回弹层1202位于接触元件1201A的近端，而接触元件1201A位于回弹层1202的远端。当将基材102装载到基材夹持器101(未示出)中时，柔性回弹层会根据来自接触元件1201A的压力而适应。如图12B所示，与背侧绝缘层103A接触的接触元件1201A被推进柔性回弹层1202中。其它接触元件1201A将达到空腔中并与接触区域203接触。

接触元件1201A可以通过柔性回弹层1202经由互连结构(未示出)并联连接到共用电压，或者可以单个地或以至少两个接触元件1201A的组连接到至少一个外部电压源(未示出)。

在一个实施方案中，柔性导电膜1203可以布置在接触元件1201A和导电基材102之间，即布置在接触元件1201A的远端。然后柔性导电膜1203作为接触元件1201A和导电基材102之间的界面。在导电基材102的不同部分要求不同电压的情况下，可能需要将导电膜分成彼此电绝缘的同心环。

参照图13A和13B，示出了物理上能适应的接触装置1301的另一个示例性实施方案。将刚性导电层1302应用于基材夹持器101(未示出)并与其电连接。接触元件1301A形成为包括突出结构1303的导电箔。所述结构可以为例如柔性回弹点状突出体或细长褶皱体。这类柔性突出结构可以例如通过切割、弄皱、激光切割、冲孔、水射流切割或者通过在导电箔上研磨出所希望的结构而在所述箔中制成。突出体通过成型工艺直接产生或在随后的步骤(其中使成型的部分变形/弯曲以从平坦的箔上突出)中产生。

当接触元件1301A挤压贴靠装载到基材夹持器101(未示出)中的基材102时，与背侧绝缘层103A物理接触的突出体1303回弹变形以允许其它突出体1303达到空腔内并与接触区域203建立电接触。

在导电基材102的不同部分要求不同电压的情况下，可以将刚性导电层1302和接触元件1301A分成彼此电绝缘的同心环。然后所得接触元件1301A可以通过刚性导电层1302经由互连结构(未示出)并联连接到共用电压，或者可以单个地或以至少两个接触元件1301A的组连接到至少一个外部电压源(未示出)。

参照图14A和14B，示出了物理上能适应的接触装置1301的另一个示例性实施方案。将相对柔软的弹性体层1402施加于基材夹持器101(未示出)。接触元件1401A形成为平坦、依顺且导电的箔，施加在所述弹性体层1402的远端。当通过基材夹持器101使弹性体层1402挤压贴靠导电基材102时，弹性体层1402会回弹变形以达到由背侧绝缘层103A形成的空腔内，由此也挤压依顺接触元件1401A与导电基材102电接触。

互连结构(未示出)可以布置在基材夹持器101上并通过弹性体层1402连接到接触元件1401A。

在导电基材102的不同部分要求不同电压的情况下，可以将接触元件1401A分成彼此电绝缘的同心环。然后所得接触元件1401A可以通过弹性体层1402经由互连结构(未示出)并联连接到共用电压，或者可以单个地或以至少两个接触元件1401A的组连接到至少一个外部电压源(未示出)。

现在参照图15A和15B，示出了物理上能适应的接触装置1501的另一个示例性实施方案。接触元件1501A是通过气密密封件例如o-环、唇形密封或胶合密封或者利用机械固定装置例如夹紧环沿外周固定到基材夹持器101的薄导电箔。可以经由基材夹持器101内的喷嘴(未示出)，即接近所述接触元件1501A，在接触元件1501A和基材夹持器101之间封闭的空间内建立过压。当基材夹持器101和加压的接触元件1501A一起随后挤压贴靠导电基材102时，接触元件1501A变形以达到由背侧绝缘层103A形成的空腔内，由此与导电基材102建立电接触。

现在参照图15C和15D，示出了图15A和15B中所示装置的一个替代实施方案。此处，接触元件已经分成彼此电绝缘的同心环。然后所得接触元件1501A可以通过基材夹持器101并联连接到共用电压，或者可以经由互连结构(未示出)单个地或以至少两个接触元件1501A的组连接到至少一个外部电压源(未示出)，例如将不同的电压或电流连接到不同的单个接触元件或接触元件的组。可以在环形段之间形成沟槽1503，并可以在所述沟槽中布置阀1502以在接触元件1501A和基材夹持器101之间封闭的空间之外提供负压。这样的负压可以是除上述过压之外的。该负压的目的是改善接触元件1501A的表面适应性。接触部分701A、901A、1001、1101A、1201A、1203、1301A、1401A和1501A可以由耐化学品和耐腐蚀的具有高电导率的耐久的相对柔性材料(例如选自Cu、Au、Pt、Pd、Ti或钢的金属或金属合金)制成。其也可以涂覆有金属层或由涂覆有金属层的绝缘材料制成。涂层可以选自耐久的且耐化学品的材料，例如Pt、Pd、Ir、Au或混合的导电氧化物。

互连结构701B、901B、1101B和图12、13、14和15的任何互连结构(未示出)可以设置有电阻器、特别是可变电阻器、和电阻表或者合适的任何其它装置，以在仅使用一个外部电势时对施加于导电基材102不同部分的不同电压进行控制。可变电阻器的控制和测量值的显示连接到图1的外部单元112。

互连结构701B、901B、1101B和图12、13、14和15的任何互连结构(未示出)也可以设置有开关，以使接触装置的不同部分电连接或断开连接。

所述至少一个外部电源或电压源可以具有用于为不同的单个接触装置或接触装置的组供给和/或控制不同的电势和/或电流的多个通道。

在本发明的任意实施方案中，还可以在基材夹持器101和导电基材102之间引入附加的可以图案化的绝缘层或膜。这样的绝缘层或膜的目的是如果需要改变背侧绝缘层103A则覆盖特定的暴露的接触区域203。所述绝缘层可以是容易移除或可交换的，以对于不同的应用例如对于具有不同前侧或背侧绝缘图案或导电材料的不同导电基材，容易地改变暴露的接触区域203的形状或尺寸。

图7至15中所公开的实施方案可以包括图1和3至6中所公开的空气管道和喷嘴308以及根据上述所涉及的详细说明。如果图12至15中所公开的层可透过空气和/或其它气体例如氮气，则这样的空气管道和喷嘴可以位于这些不同的层的后面。如果图12至15中所公开的层不可透过空气和/或其它气体例如氮气，则这些不同的层可以设置有对应于基材夹持器101前表面中的喷嘴308的穿过这些层的局部定位的通道，由此根据结合图1至6所述其它实施方案仍然可以在内部空间306内提供压力或负压。

以相同方式，图7至15中所公开的实施方案可以包括图5中所公开的压力致动器502A和502B以及根据上述所涉及的详细说明。然后这类压力致动器502A和502B可以通过图12至15中所公开的层在通道中运行，由此根据参照图5所述其它实施方案致动器仍然可以夹紧基材102。

根据本发明实施方案的基材夹持器可用于加工和制备主电极，即导电基材形式的电极，在其上绝缘层形成空腔图案，在该空腔内暴露出基材的导电表面。在主电极的制备过程中，基材夹持器使基材浸在电解质中并通过电镀使金属沉积在基材前侧上的空腔内，同时保持背侧密封以隔离电解质。在随后的电化学图案复制(ECPR)工艺中，将基材用作主电极以制造电子元件、波导等。

根据本发明的基材夹持器通过使电接触装置物理上适合于基材的任何图案布局和通过对施加到基材不同部分的电压进行精确控制而极大地改善对沉积工艺的控制。

虽然上面参照具体示例性实施方案描述了本发明，但是并非意在限于本文所述的具体形式。相反，本发明仅受所附权利要求限制，并且除上述具体实施方案之外的其它实施方案同样能够在所附权利要求的范围内。

在权利要求中，术语“包括/包含”不排除存在其它元件或步骤。另外，虽然是单独列出的，但是多个装置、元件或方法步骤可以通过例如单个单元或处理器执行。此外，虽然单个特征可以包括在不同的权利要求中，但是这些特征可能可以有利地组合，并且包括在不同权利要求中并不暗示特征的组合是不可行的和/或不利的。另外，单一的提及并不排除复数形式。不含数量词以及术语“第一”、“第二”不排除复数。权利要求中的附图标记仅作为澄清实例提供，不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (33)

1.一种用于镀覆导电基材的系统，所述系统包括：

(i)导电基材，其包括第一导电侧和第二导电侧，其中所述导电基材的所述第一侧是待镀覆的；和

(ii)基材夹持器，所述基材夹持器包括：

连接装置，用于将所述导电基材连接到所述基材夹持器上，使得所述基材夹持器的第一表面面对所述导电基材的第二侧；和

连接到所述基材夹持器的第一表面的回弹接触装置，所述回弹接触装置可连接到第一外部电势，

其中所述导电基材的所述第二侧的第一部分设置有绝缘材料，所述导电基材的所述第二侧的第二部分形成至少一个接触区域；

其中所述回弹接触装置与所述至少一个接触区域中的至少一个接触点接触。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述导电基材的所述第二侧的第一部分和第二部分布置为使得所述绝缘材料形成至少一个空腔，其中所述至少一个接触区域设置在所述空腔内。

3.根据权利要求1所述的系统，其中边缘绝缘层(103C)覆盖所述导电基材(102)的边缘，所述边缘绝缘层(103C)包括至少一种电绝缘材料的至少一个层。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个接触区域覆盖所述第一侧的对角线的至少50％。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述回弹接触装置沿从所述导电基材中心到所述导电基材外周边缘的距离在至少两个接触点与所述接触区域接触。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其中至少一个接触区域设置在所述导电基材的中心。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述导电基材密封地连接到所述基材夹持器上，从而防止电解质溶液接触所述导电基材的所述第二侧。

8.根据权利要求1所述的系统，其中使所述绝缘材料图案化，使得在所述第二导电侧上提供几个接触区域。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述图案为同心环或环形段的形状。

10.根据权利要求1所述的系统，其中使所述接触装置的布置图案化，使得在所述第二导电侧上提供几个接触点。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述连接装置包括：沿所述基材夹持器(101)外周的夹紧环或边缘夹，或者压力提供装置和气密密封件，所述气密密封件沿所述基材夹持器(101)的外周定位。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述夹紧环(302)或边缘夹和所述基材夹持器(101)通过沿所述基材夹持器(101)的外周间隔的导引元件(501)彼此连接，所述导引元件(501)连接到致动器，所述致动器适合于降低到装载/卸载位置和/或升高到处理位置。

13.根据权利要求1所述的系统，包括至少两个接触装置，其中第一回弹接触装置可连接到第一外部电势，第二回弹接触装置可连接到第二外部电势。

14.一种基材夹持器，用于在镀覆导电基材过程中夹持所述导电基材，所述基材夹持器包括

连接装置，其用于使所述导电基材连接到所述基材夹持器上，使得所述基材夹持器的第一表面面对所述导电基材的第二侧；和回弹接触装置，其连接到所述基材夹持器的第一表面并可连接到至少一个外部电势，

包括施加到所述基材夹持器(101)的所述第一表面的弹性体层(1402)，其中依顺的导电箔布置在所述弹性体层(1402)的远端作为接触元件(1401A)。

15.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中使所述接触装置的布置图案化，使得在所述导电基材的所述第二侧上提供几个接触点。

16.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中所述接触装置包括互连结构(701B)，其分布在所述基材夹持器的所述第一表面上，使各回弹接触元件(701A)互连。

17.根据权利要求16所述的基材夹持器，其中所述互连结构(701B)的分布呈选自星形、同心环形、或同心环形与星形的组合的形状。

18.根据权利要求16所述的基材夹持器，其中所述接触元件(701A)通过所述互连结构(701B)彼此并联地电连接到共用电势节点(702)。

19.根据权利要求16所述的基材夹持器，其中所述接触元件(701A)在垂直于所述第一表面的方向上是柔性的/回弹的。

20.根据权利要求14所述的基材夹持器，包括至少一个管道(111)，所述至少一个管道(111)为所述接触装置(304)、或为所述基材夹持器(101)和所述导电基材之间的空间、或为所述接触装置和所述基材夹持器(101)之间的空间提供过压或负压。

21.根据权利要求20所述的基材夹持器，其中所述接触装置(304)借助于所述接触装置的波纹管中所提供的气体压力在垂直于所述第一表面的方向上是可移动的。

22.根据权利要求20所述的基材夹持器，包括连接到所述至少一个管道的压力致动器(502A、502B)，所述压力致动器能够通过负压保持导电基材，所述压力致动器是可伸缩的以使所述导电基材靠近或远离所述基材夹持器的所述第一表面。

23.根据权利要求20所述的基材夹持器，包括另外的压力室，所述另外的压力室设置在所述基材夹持器(101)的本体中并连接到所述管道，所述另外的压力室与所述接触装置(304)连通、或与所述基材夹持器(101)和所述导电基材之间的空间连通、或与所述接触装置和所述基材夹持器(101)之间的空间连通。

24.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中所述接触装置(304)安装在由直线电动机、步进电动机或旋转电动机致动的部件上，使得所述接触装置(304)在垂直于所述第一表面的方向上是可移动的。

25.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中所述接触装置(304)包括在垂直于所述第一表面的方向上是柔性/回弹性的钩、环或管。

26.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中所述接触装置(304)可以连接到所述基材夹持器(101)的所述第一表面，利用所述基材夹持器(101)中的至少一个一体化的引线，所述至少一个引线连接所述接触装置和至少一个外部电势。

27.根据权利要求14所述的基材夹持器，其中所述接触装置(1201)包括安装在连接到所述基材夹持器(101)的所述第一表面上的柔性回弹层(1202)上的接触元件(1201A)。

28.根据权利要求27所述的基材夹持器，包括布置在所述接触元件(1201A)远端的柔性导电膜(1203)。

29.根据权利要求14所述的基材夹持器，包括位于所述接触装置(1301A)近端的刚性导电层(1302)，所述刚性导电层(1302)与所述基材夹持器(101)电连接，并且其中所述接触装置(1301A)是包括向远端突出的导电接触结构(1303)的导电箔。

30.根据权利要求20所述的基材夹持器，其中所述接触装置(1501A)是薄的导电箔，通过气密密封件沿所述基材夹持器(101)的外周固定到所述基材夹持器(101)的所述第一表面，所述薄的导电箔在所述基材夹持器的所述第一表面和所述薄的导电箔之间建立空间，所述空间连接到至少一个第一管道。

31.根据权利要求30所述的基材夹持器，其中所述接触装置(1501)分成彼此电绝缘的同心环。

32.根据权利要求31所述的基材夹持器，其中在环形段之间形成的沟槽(1503)包括布置在所述沟槽中的阀(1502)，所述阀连接到至少一个第二管道。

33.根据权利要求16所述的基材夹持器，其中所述互连结构(701B、901B、1101B)设置有至少一个电阻器。