一個典型的勻膠過程包括滴膠,高速旋轉(zhuǎn)以及干燥(溶劑揮發(fā))幾個步驟。滴膠這一步把光刻膠滴注到基片表面上,高速旋轉(zhuǎn)把光刻膠鋪展到基片上形成簿層,干燥這一步除去膠層中多余的溶劑。兩種常用的滴膠方式是靜態(tài)滴膠和動態(tài)滴膠。
靜態(tài)滴膠就是簡單地把光刻膠滴注到靜止的基片表面的中心,滴膠量為1-10ml不等。滴膠的多少應(yīng)根據(jù)光刻膠的粘度和基片的大小來確定。粘度比較高和/或基片比較大,往往需要滴較多的膠,以保證在高速旋轉(zhuǎn)階段整個基片上都涂到膠。動態(tài)滴膠方式是在基片低速(通常在500轉(zhuǎn)/分左右)旋轉(zhuǎn)的同時進行滴膠,“動態(tài)”的作用是讓光刻膠容易在基片上鋪展開,減少光刻膠的浪費,采用動態(tài)滴膠不需要很多光刻膠就能潤濕(鋪展覆蓋)整個基片表面。尤其是當(dāng)光刻膠或基片本身潤濕性不好的情況下,動態(tài)滴膠尤其適用,不會產(chǎn)生針孔。
勻膠機一般包含控制器和勻膠處理腔體兩大部分。控制器內(nèi)一般有預(yù)制的PLC程序段,市面上常見的設(shè)備差異較大,有簡易型控制器如中科院微電子所開發(fā)的KW-4A,通過簡單的電控調(diào)速技術(shù)將旋轉(zhuǎn)速度簡單分為2~3個檔位,低檔用于甩開膠液,用于均勻涂布。例如:MYCRO 650MZ型高精度數(shù)碼控制器的勻膠旋涂儀,非常方便設(shè)定速度和加速度程序段,20個51步程序段或者手動模式,100~12000RPM的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,也可特別訂制1~12000RPM的轉(zhuǎn)速,WS-650系列勻膠旋涂儀可以通過USB通訊接口連接電腦,并配備旋涂軟件進行功能多樣的定制化操作??芍貜?fù)性達到+/-0.5RPM,分辨率小于0.5RPM;WS-650的數(shù)碼速度控制器采用的是一個高計數(shù)位的光學(xué)編碼器輸入至伺服馬達控制器,其設(shè)置點精度小于0.006%,獲美國NIST激光測量標(biāo)準(zhǔn)認證,無需校準(zhǔn);
許多基底材料都可以用來涂覆,但是應(yīng)用得zui多的基底一般是一英寸見方的玻璃基底(如ITO玻璃)取自于實驗室用的載玻片。勻膠前,膠液需要經(jīng)過過濾,去除雜質(zhì),通常用0.45微米的過濾器。通常旋涂應(yīng)該考慮在超凈間(10級或100級)中進行,大多數(shù)旋涂是在通風(fēng)櫥里,載玻片被放置在旋轉(zhuǎn)托盤上,滴膠之后旋轉(zhuǎn),使光刻膠層變薄達到zui終要求的膜厚,大致有兩個轉(zhuǎn)速范圍,*階段,通過500~1000RPM的轉(zhuǎn)速,旋轉(zhuǎn)5~10秒鐘,使膠液得以平鋪開,而膠液厚度主要通過第二階段的速度變化來控制,一般轉(zhuǎn)速在1500RPM~6000RPM,旋轉(zhuǎn)時長從幾秒鐘到幾分鐘,如此既可以得到幾百個納米到數(shù)十個微米之間的均勻薄膜。轉(zhuǎn)速的選定同樣要看光刻膠的性能(包括粘度,溶劑揮發(fā)速度,固體含量以及表面張力等)以及基片的大小。快速旋轉(zhuǎn)的時間可以從10秒到幾分鐘。勻膠的轉(zhuǎn)速以及勻膠時間往往能決定zui終膠膜的厚度。
一般來說,勻膠轉(zhuǎn)速快,時間長,膜厚就薄。影響勻膠過程的可變因素很多,這些因素在勻膠時往往相互抵銷并趨于平衡。所以給予勻膠過程以足夠的時間,讓諸多影響因素達到平衡。勻膠工藝中zui重要的一個因素就是可重復(fù)性。微細的工藝參數(shù)變化會帶來薄膜特性巨大的差異,下面對一些可變的因素進行分析:
旋轉(zhuǎn)速度
勻膠轉(zhuǎn)速是勻膠過程中zui重要的因素?;霓D(zhuǎn)速(rpm)不僅影響到作用于光刻膠的離心力,而且還關(guān)系到緊挨著基片表面空氣的*湍動和基片與空氣的相對運動速度。光刻膠的zui終膜厚通常都由勻膠轉(zhuǎn)速所決定。尤其在高速旋轉(zhuǎn)這個階段,轉(zhuǎn)速±50rpm這樣微小變化就能造成zui終膜厚產(chǎn)生10%的偏差。
膜厚在很大程度上是作用于液體光刻膠上﹑方向朝基片邊緣的剪刀力與影響光刻膠粘度的干燥(溶劑揮發(fā))速率之間平衡的結(jié)果。隨著光刻膠中溶劑不斷揮發(fā),粘度越來越大,直到基片旋轉(zhuǎn)作用于光刻膠的離心力不再能使光刻膠在基片表面移動。到這個點上,膠膜厚度不會隨勻膠時間延長而變薄。所有WS-650系列勻膠機規(guī)格要求在量程范圍內(nèi)無論選擇哪個速度勻膠,轉(zhuǎn)速偏差都不大于±1rpm。
加速度
勻膠過程中基片的加速度也會對膠膜的性能產(chǎn)生影響。因為在基片旋轉(zhuǎn)的*階段,光刻膠就開始干燥(溶劑揮發(fā))了。所以控制加速度很重要。在一些勻膠過程中,光刻膠中50%的溶劑就在勻膠過程開始的幾秒鐘內(nèi)揮發(fā)掉了。在已經(jīng)光刻有圖形的基片上勻膠,加速度對膠膜質(zhì)量同樣起重要作用。在許多情況下,基片上已經(jīng)由前面工序留下來的精細圖形。因此,在這樣的基片上穿越這些圖形均勻涂膠是重要的。勻膠過程總是對光刻膠產(chǎn)生離心力,而恰恰是加速度對光刻膠產(chǎn)生扭力(twisting force),這個扭力使光刻膠在已有圖形的周圍散開,這樣就可能以另一種方式用光刻膠覆蓋基片上有圖形的部分。勻膠機的加速度可以設(shè)定,精度1rpm/秒。在操作時,電機以線性躍升加速(或減速)到zui終的勻膠速度。
排風(fēng)
所有勻膠過程中光刻膠的干燥速度不僅取決于光刻膠的自身性質(zhì)(如所用溶劑體系的揮發(fā)性),而且還取決于勻膠過程中基片周圍的空氣狀況。一塊濕布在干燥有風(fēng)的日子干得快,而在潮濕氣候條件下干得慢。光刻膠的干燥速度與此相似,也受周圍環(huán)境條件的影響。大家都知道,像空氣溫度、濕度這樣的因素對決定膠膜性質(zhì)有重要的作用。勻膠的時候,減小基片上面的空氣的流動,以及因空氣流動引起的湍流(turbulence),或者至少保持穩(wěn)定也是十分重要的。
勻膠工藝數(shù)據(jù)圖表
下面四張圖代表了各種過程參數(shù)對勻膠結(jié)果影響的一般趨勢。就大多數(shù)光刻膠而言,zui終膜厚與勻膠速度和勻膠時間成反比。如果排風(fēng)量太大,由于空氣擾動(湍流)造成膠膜的不均勻干燥,但膜厚還是與排風(fēng)量在一定程度上成正比。
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