基于流体 力学理论对凹球面向下的时胶液微团进行了受力 分析,从流体在球面上的边界条件出发,推导了光 刻胶的成膜过程,建立了涂胶厚度与离心机转速、 光刻胶黏度、旋涂时间和溶剂挥发等主要因素之 间关系的数学模型。通过实验研究证明了采用开 口向下旋涂球面光刻胶的工艺理论可以得到一定 厚度并且厚度均匀的理想胶膜。 球面旋涂光刻胶的工艺分析2.1 开口向下球面涂胶的优点 与开口向上的涂胶方式相比 ,开口朝下涂胶理论具有以下优点:( 可得到相同的膜厚且离心机转速低,而前者离心力要克服胶液重力及与工件的附着力,多余的胶 液才能飞离工件表面;( )工件口径尺寸不受限制(上开口旋涂时工件口径小于 1.632犚 )设计的专用夹具使工件在高速旋涂时稳定性好,不会 因震动而使工件破碎,安全有保障。因此,开口向 下的涂胶理论更适用于各种口径球面工件涂布光 2.2 影响膜厚及均匀性的主要因素 胶层厚度的均匀性与光刻胶粘度、离心速度、 旋涂时间、环境温度及湿度、光刻胶的质量等多方 面因素有关,并且也受工件基底材料、平面度及干 净度的影响,因此在涂胶之前要进行预处理,以改 善基底附着力。预处理时可先用石油醚清洗工件 表面,之后用蒸馏水洗净,最后预烘蒸发掉工件表 面的水汽。 胶液黏度和离心机转速是影响膜厚及其均匀 性的关键因素,因此调合适的黏度和控制一定的 离心力十分重要。当黏度1.9Pa 其是对大口径球面涂胶时,黏度低时胶膜越薄,均匀性越容易保持一致;黏度大时胶膜越厚,均匀性 就越难于控制。对于网栅刻划来说,胶膜厚度越 刘小涵,等:球面旋涂光刻胶工艺大,经激光直写、真空镀膜后网栅膜厚度越大,面 电阻越小,网栅的光电性能越好 [10] 。所以在保证 要求厚度的前提下应尽量降低胶液的黏度。 离心涂布时间对均匀性的影响随黏度的不同 而不同,相同离心转速的前提下,黏度小时旋涂时 间短,黏度大时旋涂时间长。但时间过短,胶液还 没有充分扩散,会导致均匀性急剧变差;当然时间 过长也会加速胶膜表面的硬化时间而降低其均匀 2.3 旋涂光刻胶的基本过程 开口向下球面光刻胶旋涂由以下三个阶段组 第一步是上胶。在洁净的恒温室内进行试验,先用微米或亚微米级的滤纸过滤胶液,可以减 少由于胶液中的粒子造成的疵点。要保证整个球 面上都能够涂布光刻胶,要用滴胶管把稀释好、过 滤后的胶液滴到开口向上静止状态的凹球面中心 后,立即将工件转为开口向下状态进行水平方向 低速均胶( 500~1000r min),直至胶液覆盖住整 个表面(滴入的胶量要大于涂胶量)。此阶段惯性 力起主导作用,胶液的黏度不足以束缚流体微团 的紊乱状态,此时胶液在重力和离心力的共同作 用下开始向球面边缘流动。 第二步是加速及高速稳定阶段。离心机的加 速度越大,胶膜的均匀性越好,因此要求离心机电 机性能要好,能在数秒内达到高速( 3000~6000 min)状态。这个阶段离心力起主导的作用,胶 液在离心力的作用下向球面的边缘方向流动。随 着旋转速度的不断增加,胶层越来越薄,直至剩余 的胶液与工件以共同的速度旋转,飞离工件表面。 在胶液的变薄过程中,胶液的黏滞力起主导作用, 流体微团受黏滞力的约束,处于层流状态,此时可 以观察到薄膜的彩色干涉图案逐渐扩散的速度越 来越慢。 第三阶段是溶剂的挥发过程。随着胶液的缓 慢流动变薄,溶剂挥发起主要作用,胶液逐渐形成 凝固的胶膜。 2.4 球面涂胶厚度均匀性的理论分析 涂胶的厚度在后两个阶段形成,高速旋转的 离心力使涂胶面与胶液之间产生压力 ),微团在切向力(离心力在球面切向方向上产生的分力)和重力共同作用下,使胶液不断沿着球面 向边缘流动,同时微团具有的动能不断消耗,当层 流附面层阻力与总切向分力相等时,胶液不再流 动,即得到胶膜厚度。 根据光刻胶旋涂的流动机理,涉及离心力、重力、黏性力、表面张力、溶剂挥发等多种力的作用 结果。为简便分析先合理地假设( )光刻胶属于牛顿流体;( 开口向下流体微团受力分析简图Fig.1 Forcediagramofinfinitesimalfluiddownopening 稀释后得光刻胶在高速旋涂过程中不断挥发,尤其在最后阶段,由于胶层很薄,在气流的带 动下很快挥发变成凝固的胶层,实际上黏度是变 化的,为了便于简化分析,假设黏度是常量。 对于旋涂光刻胶的凹球面: sinθ= 任取一单位质量胶液,当离心机迅速加速至稳定转速 时,作用在质点上的力除了重力外还有离心力(受力分析如图 表示微团在薄膜厚度 表示流体薄膜厚度方向的高度, 由于胶层厚度远小于基底的表面特征尺寸,符合润滑近似条件,因此认为流体和基底的表面 没有滑移。此时的光刻胶在凹球面内表面流动, 其边界条件与在平面上流动的边界条件 [11] 不同, 根据分析得到的边界条件为: 实验研究表明溶剂的挥发速度在整个表面是相等的,与工件的旋转角速度有关: 为试验条件的综合系数,由实验室的环境条件(温度、湿度)和设备条件决定。 流体运动黏度 12)可得: 13)可以看出球面旋涂光刻胶层厚度与 光刻胶黏度、转速和径向位置密切相关。在位置 时膜厚公式没有意义,因此在旋转轴附近的流体分布永远不会均匀 [12] 。实验研究表明:要使 其胶膜均匀,可采用主轴与工件中心轴偏心的方 法,当偏心量约为 0.5~1mm 时,在主轴附近可 以得到均匀的光刻胶膜。当胶液黏度确定后,离 心涂胶的转速与胶膜厚度成反比;当转速一定时, 胶膜厚度与黏度成正比,说明理论分析与现实情 况是相符的,正确的。 由理论分析看出,要得到厚度均匀的膜层,最 主要的是根据要涂布的光刻胶厚度,调合适的光 刻胶黏度、控制涂胶过程中的 个阶段的主轴转速和旋涂时间。 SR=300mm K9玻璃凹球面上, 采用正性光刻胶(国产 BP212 ))开展涂胶工艺实验(根据工程制作要求,需在大口径 罩上涂布光刻胶,但由于原子力显微镜无法测试大口径球面的膜厚,只能在小口径球面上试验,然 后根据实验数据近似模拟大口径涂胶需要的工艺 参数,以下数据都是试验件的测试数据)。 首先设计了工装夹具,如图 所示。为减轻重量,上罩由三根筋板支撑,为了便于剩余的胶液 在高速旋涂时穿过下支撑空隙甩离工件表面,其 设计成大面积空隙结构;顶部靠弹簧压紧,以增加 高速旋涂时的稳定性;侧面用顶丝紧固(压力不能 过大),通过顶丝旋进长度大小来决定主轴与工件 中心轴的偏心量。实验研究表明:偏心量约为 5~1mm时,在凹球面表面上可以涂布厚度均匀 的光刻胶。 开口向下球面旋涂夹具示意图Fig.2 Sketchofsphericalspincoatingdownopening 在试验过程中,首先将表面处理过的凹球面 工件以开口向上的状态放置在超净工作台上,然 后将适量的光刻胶胶液用胶管迅速滴在球心,随 刘小涵,等:球面旋涂光刻胶工艺即将工件翻转为开口向下状态,装在专用的工装 夹具上,进行水平方向旋转;接着根据要得到的胶 厚选择一定的涂胶机旋转速度;最后形成凝固的 胶膜。反复试验表明,要得到 0.5~1 的厚度均匀的膜层,可采用如表 所示的工艺参数,在凹球面上涂布厚度均匀的胶膜,能够满足工程刻划 的要求。 涂胶工艺参数Tab.1 Technicalparametersforcoatingofphotoresist 成膜阶段 旋涂速度/( min-1 低速均胶500~1000 20 加速涂胶 1000~3000 10 高速稳定 3000~6000 30 溶剂挥发 逐渐降速至停 当黏度、时间一定时,根据推导的理论分析模 型计算不同转速时光刻胶的厚度值(理论值)和实 验测试值的拟合曲线如图 主轴转速与膜厚的关系Fig.3 Relationshipoffilmthicknessandrotatingspeed 可以看出:当胶液黏度,旋涂时间一定时,随着主轴转速的提高,膜厚会减少,理论分析 与实际测试的变化规律相符。 当胶液黏度一定时,位置 处胶膜厚度的理论值和实测值(胶膜在激光直写、显影之后用原子 力显微镜测试凹槽的高度来测试膜厚)的拟合曲 线如图 处胶膜厚度Fig.4 Thicknessoffilmatlocation狉 可以看出,不同 处胶膜厚度的理论值与实测值相近,研究表明通过采取主从轴偏心的球面 旋涂技术,可以得到厚度均匀的胶膜。 通过与开口向上球面涂胶方式对比,分析了开口向下凹球面涂胶的主要优点,讨论了影响胶 膜厚度及均匀性的主要因素,论述了球面涂胶工 艺过程的 个主要阶段及各阶段胶液的主导作用力。基于流体力学理论对凹球面向下时的胶液微 团进行了受力分析,从流体在球面上的边界条件 出发,推导了光刻胶的成膜过程,建立了涂胶厚度 与离心机转速、光刻胶粘度、旋涂时间和溶剂挥发 等主要因素之间关系的数学模型。理论分析得 出:球面中心轴附近的胶层厚度永远不会均匀,提 出了采取离心机主轴与工件旋转轴偏心的工艺措 施。通过在玻璃头罩上旋涂光刻胶实验,采用主 从轴偏心 0.5~1mm 工艺方法得到了测试值与 理论值基本接近,并且厚度较为理想的均匀胶膜, 为在大曲率、大口径球面上制作高精度金属网栅 膜提供了技术保障。 参考文献: 北京:中国科学院,2003. 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