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匀胶工作原理
发布时间:2014-09-11 点击次数:1784次

    一个典型的匀胶过程包括滴胶,高速旋转以及干燥(溶剂挥发)几个步骤。滴胶这一步把光刻胶滴注到基片表面上,高速旋转把光刻胶铺展到基片上形成簿层,干燥这一步除去胶层中多余的溶剂。两种常用的滴胶方式是静态滴胶和动态滴胶。
静态滴胶就是简单地把光刻胶滴注到静止的基片表面的中心,滴胶量为1-10ml不等。滴胶的多少应根据光刻胶的粘度和基片的大小来确定。粘度比较高和/或基片比较大,往往需要滴较多的胶,以保证在高速旋转阶段整个基片上都涂到胶。动态滴胶方式是在基片低速(通常在500转/分左右)旋转的同时进行滴胶,“动态”的作用是让光刻胶容易在基片上铺展开,减少光刻胶的浪费,采用动态滴胶不需要很多光刻胶就能润湿(铺展覆盖)整个基片表面。尤其是当光刻胶或基片本身润湿性不好的情况下,动态滴胶尤其适用,不会产生针孔。
匀胶机一般包含控制器和匀胶处理腔体两大部分。控制器内一般有预制的PLC程序段,市面上常见的设备差异较大,有简易型控制器如中科院微电子所开发的KW-4A,通过简单的电控调速技术将旋转速度简单分为2~3个档位,低档用于甩开胶液,用于均匀涂布。例如:MYCRO 650MZ型高精度数码控制器的匀胶旋涂仪,非常方便设定速度和加速度程序段,20个51步程序段或者手动模式,100~12000RPM的稳定转速,也可特别订制1~12000RPM的转速,WS-650系列匀胶旋涂仪可以通过USB通讯接口连接电脑,并配备旋涂软件进行功能多样的定制化操作。可重复性达到+/-0.5RPM,分辨率小于0.5RPM;WS-650的数码速度控制器采用的是一个高计数位的光学编码器输入至伺服马达控制器,其设置点精度小于0.006%,获美国NIST激光测量标准认证,无需校准;
许多基底材料都可以用来涂覆,但是应用得zui多的基底一般是一英寸见方的玻璃基底(如ITO玻璃)取自于实验室用的载玻片。匀胶前,胶液需要经过过滤,去除杂质,通常用0.45微米的过滤器。通常旋涂应该考虑在超净间(10级或100级)中进行,大多数旋涂是在通风橱里,载玻片被放置在旋转托盘上,滴胶之后旋转,使光刻胶层变薄达到zui终要求的膜厚,大致有两个转速范围,*阶段,通过500~1000RPM的转速,旋转5~10秒钟,使胶液得以平铺开,而胶液厚度主要通过第二阶段的速度变化来控制,一般转速在1500RPM~6000RPM,旋转时长从几秒钟到几分钟,如此既可以得到几百个纳米到数十个微米之间的均匀薄膜。转速的选定同样要看光刻胶的性能(包括粘度,溶剂挥发速度,固体含量以及表面张力等)以及基片的大小。快速旋转的时间可以从10秒到几分钟。匀胶的转速以及匀胶时间往往能决定zui终胶膜的厚度。
    一般来说,匀胶转速快,时间长,膜厚就薄。影响匀胶过程的可变因素很多,这些因素在匀胶时往往相互抵销并趋于平衡。所以给予匀胶过程以足够的时间,让诸多影响因素达到平衡。匀胶工艺中zui重要的一个因素就是可重复性。微细的工艺参数变化会带来薄膜特性巨大的差异,下面对一些可变的因素进行分析:

旋转速度

    匀胶转速是匀胶过程中zui重要的因素。基片的转速(rpm)不仅影响到作用于光刻胶的离心力,而且还关系到紧挨着基片表面空气的特有湍动和基片与空气的相对运动速度。光刻胶的zui终膜厚通常都由匀胶转速所决定。尤其在高速旋转这个阶段,转速±50rpm这样微小变化就能造成zui终膜厚产生10%的偏差。
    膜厚在很大程度上是作用于液体光刻胶上﹑方向朝基片边缘的剪刀力与影响光刻胶粘度的干燥(溶剂挥发)速率之间平衡的结果。随着光刻胶中溶剂不断挥发,粘度越来越大,直到基片旋转作用于光刻胶的离心力不再能使光刻胶在基片表面移动。到这个点上,胶膜厚度不会随匀胶时间延长而变薄。所有WS-650系列匀胶机规格要求在量程范围内无论选择哪个速度匀胶,转速偏差都不大于±1rpm。

加速度

    匀胶过程中基片的加速度也会对胶膜的性能产生影响。因为在基片旋转的*阶段,光刻胶就开始干燥(溶剂挥发)了。所以控制加速度很重要。在一些匀胶过程中,光刻胶中50%的溶剂就在匀胶过程开始的几秒钟内挥发掉了。在已经光刻有图形的基片上匀胶,加速度对胶膜质量同样起重要作用。在许多情况下,基片上已经由前面工序留下来的精细图形。因此,在这样的基片上穿越这些图形均匀涂胶是重要的。匀胶过程总是对光刻胶产生离心力,而恰恰是加速度对光刻胶产生扭力(twisting force),这个扭力使光刻胶在已有图形的周围散开,这样就可能以另一种方式用光刻胶覆盖基片上有图形的部分。匀胶机的加速度可以设定,精度1rpm/秒。在操作时,电机以线性跃升加速(或减速)到zui终的匀胶速度。

排风

    所有匀胶过程中光刻胶的干燥速度不仅取决于光刻胶的自身性质(如所用溶剂体系的挥发性),而且还取决于匀胶过程中基片周围的空气状况。一块湿布在干燥有风的日子干得快,而在潮湿气候条件下干得慢。光刻胶的干燥速度与此相似,也受周围环境条件的影响。大家都知道,像空气温度、湿度这样的因素对决定胶膜性质有重要的作用。匀胶的时候,减小基片上面的空气的流动,以及因空气流动引起的湍流(turbulence),或者至少保持稳定也是十分重要的。


匀胶工艺数据图表
    下面四张图代表了各种过程参数对匀胶结果影响的一般趋势。就大多数光刻胶而言,zui终膜厚与匀胶速度和匀胶时间成反比。如果排风量太大,由于空气扰动(湍流)造成胶膜的不均匀干燥,但膜厚还是与排风量在一定程度上成正比。

 

 

 

 

 

 

 

 

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