СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТОЛЩИНАМИ СЛОЯ ПОКРЫТИЯ ПРИ НАНЕСЕНИИ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕМ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THICKNESS OF COATING LAYER WHEN APPLIED THROUGH CENTRIFUGATION

Область изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к области нанесения покрытий на подложки центрифугированием, более конкретно к способу и устройству для управления распределением толщины покрытия.
Предпосылки создания изобретения
В данной области техники, особенно в области полупроводникового производства, а также в определенных областях оптики или биотехнологии, хорошо известно достижение гомогенного распределения жидкостей на по существу плоской подложке путем вращения (центрифугирования) подложки вокруг оси, нормальной к плоскости, образуемой ее поверхностью. При нанесении вязкой жидкости на такую поверхность во время центрифугирования центробежные силы влияют на распределение этой жидкости по поверхности радиально наружу. Такой метод «центрифугирования» используется, например, для распределения разливом лака, полимеров (смол), фоторезиста на полупроводниковых подложках. Кроме того, он применяется в производстве оптических носителей данных для обеспечения по существу гомогенного слоя полимера, лака, клея и пр. Особым случаем является производство так называемых дисков Blue-ray (далее сокращенно именуемых BD), которым для верхнего слоя толщиной 100 мкм требуется равномерность в пределах ±1% для основных частей поверхности, т.е. области хранения информации (для двухслойного диска Blue-ray - 75 мкм).
Стандартным процессом для такого способа распределения является:
1) дозированный разлив жидкости на покрываемую подложку; необязательно в ходе этого этапа ее медленно вращают для достижения преимущественного первоначального распределения;
2) центрифугирование диска с высокой скоростью (обычно от нескольких сотен об/мин вплоть до 12000 об/мин) для равномерного распределения жидкости. В этом случае толщина слоя зависит от таких параметров, как вязкость, температура, скорость вращения и время вращения.
Типичные значения вязкости лаков, используемых в таких слоях, составляют между 1500 мПа·с и 2000 мПа·с.
Для подложек с центральным отверстием профиль толщины нанесенного центрифугированием слоя имеет тенденцию к увеличению от внутреннего радиуса к внешней кромке. Это вызвано тем, что на центральном отверстии или рядом с ним отсутствует жидкий материал, который мог бы стекать наружу. Такое отсутствие материала приводит к уменьшенной толщине на малых радиусах.
Поэтому при стандартном процессе нанесения покрытий центрифугированием невозможно снизить отклонения в распределении толщины. Для достижения оптимального состояния покрытия необходима дополнительная обработка во время процесса нанесения покрытия центрифугированием.
Поэтому желательно создать такой способ, чтобы влиять на радиальное распределение толщины по время процесса центрифугирования. Зависимость радиального распределения толщины от толщины жидкости диктуется физикой процесса центрифугирования и ее невозможно устранить при радиально-постоянной вязкости жидкости. Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ управления вязкостью жидкости, распределяемой по время центрифугирования.
Другой проблемой, встречающейся при улучшении радиального распределения толщины, является так называемый «наплыв внешней кромки» или «натекание на край». Из-за краевых эффектов во время центрифугирования наносимая жидкость стремится накопиться на кромке вращающегося диска, формируя валик. Такой краевой наплыв нужно удалять или предотвращать его появление.
Описание уровня техники
В публикации РСТ WO 2004/050261 описан способ влияния на радиальное распределение толщины путем оказания влияния на вязкость распределяемой жидкости в зависимости от ее местоположения. Другими словами, на определенных радиусах центрифугируемых подложек жидкость кондиционируют теплотой или холодом для уменьшения или увеличения ее вязкости. Это позволяет регулировать распределение толщины в соответствии с необходимостью.
WO 2004/064055 посвящен решению той же проблемы. В этом документе предлагается отверждение жидкости посредством УФ-излучения и применение профиля температуры, которая увеличивается от внутренних радиусов к внешним.
Сущность изобретения
Согласно изобретению предлагается способ распределения вязкой жидкости по поверхности подложки с высокой равномерностью в определенной области, содержащий этапы:
i. помещают подложку по существу горизонтально на опору;
ii. наносят вязкую отверждаемую ультрафиолетом (УФ) жидкость на поверхность упомянутой подложки;
iii. вращают подложку для распределения жидкости радиально наружу;
iv. термически кондиционируют жидкость на подложке для того, чтобы локально повлиять на ее вязкость особым образом;
v. экспонируют жидкость УФ-излучением первой интенсивности для частичного отверждения жидкости;
vi. удаляют центрифугированием избыточную жидкость с диска;
и
vii. экспонируют жидкость УФ-излучением второй интенсивности для отверждения жидкости.
2
2
Предпочтительно, термическое кондиционирование жидкости происходит посредством потока горячего воздуха. Предпочтительно, первая интенсивность УФ-излучения равна 10-100 мВт/см, а вторая интенсивность УФ-излучения равна 400-700 мВт/см. Во время термического кондиционирования подложку предпочтительно вращают со скоростью 400-1200 об/мин, а во время экспонирования УФ-излучением первой интенсивности подложку предпочтительно вращают со скоростью 400-1000 об/мин. Этапы с i) по iv) предпочтительно выполняют на одном технологическом посту, а каждый из этапов vi) и vii) предпочтительно выполняют на отдельных технологических постах.
Согласно изобретению также предлагается устройство для распределения вязкой жидкости по поверхности подложки с высокой равномерностью в определенной области, содержащее:
(a) вращающуюся опору;
(b) средство для дозированного разлива жидкости, подлежащей распределению по поверхности подложки;
(c) источник теплоты для термического кондиционирования жидкости на подложке для того, чтобы локально влиять на ее вязкость особым образом;
(d) источник УФ-излучения для экспонирования жидкости УФ-излучением; и
(e) маску, расположенную между подложкой и УФ-излучением так, чтобы внешний обод подложки подвергался лишь незначительному воздействию УФ-излучения.
Предпочтительно, маска является круглой и расположена концентрически с подложкой либо маска является круглой и расположена эксцентрически относительно подложки. Предпочтительно, упомянутый источник УФ-излучения выполнен с возможностью обеспечивать УФ-излучение первой интенсивности, и устройство дополнительно содержит еще один источник УФ-излучения для обеспечения УФ-излучения второй интенсивности, при этом первая интенсивность предпочтительно является более низкой, чем вторая интенсивность.
Согласно также изобретению предлагается способ изготовления подложки, имеющей покрытие на области поверхности, содержащий предложенный способ распределения вязкой жидкости согласно изобретению.
Таким образом, чтобы влиять на вязкость жидкости в процессе нанесения покрытия центрифугированием, в частности верхнего слоя диска Blue-ray, но также и в целом на распределение толщины полимерного слоя покрываемых центрифугированием подложек с центральным отверстием (например, оптических дисков, таких как DVD, CD и т.п.) предлагается по существу трехэтапный процесс, включающий в себя (а) создание локально селективного градиента температур до или во время процесса центрифугирования с помощью источника теплоты, направленного на ту сторону подложки, на которой распределяется жидкость, (b) отверждение ультрафиолетом (УФ) низкой интенсивности плюс последующая зачистка кромки и (с) этап окончательного отверждения без вращения.
Подробное описание изобретения
Вышеуказанные три этапа можно описать более подробно следующими технологическими этапами, которые требуются для того, чтобы нанести на подложку BD покровный слой толщиной 100 мкм, используя отверждаемый УФ-излучением лак.
Этап (а)
1) Наносят вязкую отверждаемую УФ-излучением жидкость, например лак, на вращающуюся подложку (этап дозированного разлива).
2) Распределяют жидкость (этап центрифугирования).
3) Нагревают жидкость при центрифугировании для достижения предварительной равномерности толщины.
Этап (b)
2
1) Вращают упомянутую подложку со скоростью прибл. 400-1000 об/мин и экспонируют ее УФ-излучением первой интенсивности, используя УФ-излучение низкой интенсивности и тем самым оставляя жидкость над всей поверхностью все еще в подвижном состоянии. «Низкая интенсивность» УФ-излучения в этом отношении означает 10-100 мВт/см в течение времени 0,5-1,5 с.
2) Вращение с более высокой скоростью для регулировки окончательной толщины, окончательной равномерности толщины и для удаления избыточной жидкости на внешней кромке.
Этап (с)
2
2
1) Окончательно отверждают при второй интенсивности УФ-излучения без вращения. Мощность УФ-излучения составляет несколько сотен мВт/см (предпочтительно 400-700 мВт/см) в течение 2-3 с.
Необязательно, этапы (а), (b) и (с) могут выполняться на отдельных технологических постах или же этапы (а) и (b) могут выполняться на одном посту, а этап (с) имеет место отдельно. В другом варианте реализации этапы (b) и (с) могут быть объединены. В зависимости от продолжительности производственного цикла и необходимой производительности специалист в данной области техники будет соответствующим образом организовывать процесс.
Более подробно, подложку, такую как подложка BD, помещают на вращающийся поворотный стол или в патрон. Эта подложка обычно выполнена из поликарбоната или другого подходящего пластмассового материала, однако способ, в более широком смысле, не зависит от используемого материала подложки. Дозированный разлив происходит посредством нагнетательного механизма, который выполнен с возможностью распределения заранее определенного количества вязкой жидкости, например лака, полимера (смолы) или клея, на подложку. Поскольку подложка имеет центральное отверстие, распределение предпочтительно реализуется в форме кольца вокруг центрального отверстия. Первоначальное распределение достигается центрифугированием подложки со скоростью примерно 100 об/мин в зависимости от начальной вязкости жидкости. Затем скорость вращения увеличивают до примерно 900-1800 об/мин и во время центрифугирования жидкость кондиционируют термически, например потоком горячего воздуха, направленного на один или более соответствующих радиусов вращающегося диска, или инфракрасными (ИК) лампами для изменения вязкости жидкости по радиусу диска. При такой термической обработке слой жидкости предварительно формообразуют, не обязательно достигая окончательной точности и толщины.
2
На этапе (b) скорость вращения подложки сначала снижают до значения между 400-1200 об/мин, предпочтительно 600 об/мин, и подложку подвергают воздействию УФ-излучения низкой интенсивности (10-100 мВт/см в течение времени 0,5-1,5 с). Такое воздействие УФ-излучением позволяет частично отвердить (загустить) жидкость. Внешняя маска, предпочтительно закрывающая только 1 мм внешней кромки или даже менее, тем самым затеняя диск от УФ-излучения, оставляет внешний обод жидкости на диске менее твердым, чем в областях хранения информации. Такая маска предпочтительно является круглой с диаметром 118-119 мм, причем такая маска расположена на высоте приблизительно одного миллиметра над подложкой концентрически с подложкой. Альтернативно, маска может быть круглой с диаметром менее 118 мм, но расположенной эксцентрически по отношению к подложке. С помощью регулировочного средства эксцентриситет можно регулировать и корректировать.
Поэтому согласно изобретению такая комбинация маски плюс УФ-излучения низкой интенсивности плюс умеренной скорости центрифугирования не приводит к возникновению наплыва на внешней кромке в отличие от предшествующего уровня техники. Наоборот, благодаря такому этапу предварительного отверждения вязкость жидкости на всем диске повышается до такой степени, что жидкость не будет стекать наружу, образуя наплыв на внешней кромке, но все еще сохраняется достаточная подвижность жидкости для гомогенизации толщины слоя на последующих этапах процесса. Очень узкая маска по время отверждения УФ-излучением будет предотвращать твердение капель на кромке, возникающих в результате центрифугирования.
2
Последующее вращение с более высокими скоростями (например, 5000 об/мин в течение 0,5 с) удаляет избыточную жидкость. Более того, экспонирование УФ-излучением низкой интенсивности в 10-100 мВт/см по изобретению позволяет удалить значительное количество лака (10% толщины, 10 мкм) также со внутренней части диска в ходе этапа окончательного центрифугирования. Это является ключевым этапом для достижения окончательно точной однородности в пределах ±1% и хорошего внешнего вида на внешней кромке диска.
2
2
На этапе (с) поверхность вновь отверждают УФ-излучением, но с таким уровнем экспозиции, чтобы достаточным образом отвердить жидкость, сохранив равномерность поверхности, таким как несколько сотен мВт/см (предпочтительно, 400-700 мВт/см) в течение 2-3 с.
Устройство, подходящее для реализации изобретения, может содержать вращающуюся опору, средство дозированного разлива для распределения жидкости на поверхности подложки и средство для крепления по меньшей мере одного источника теплоты в таком положении по отношению к подложке, где он может влиять на термическое состояние подложки. Далее, такое устройство будет содержать источник УФ-излучения, такой как УФ-лампа, которое может быть реализовано как постоянное излучение или импульсное освещение. Может оказаться полезным установить лампу в устройстве над подложкой или удаленно, например, с применением оптического волокна и соответствующих оптических принадлежностей для того, чтобы обеспечить возможность распределения УФ-излучения по подложке.
В предпочтительном варианте реализации устройство будет содержать два технологических поста. На первом посту скомбинированы средство дозированного разлива, средство термического кондиционирования и первый источник УФ-излучения, что позволяет выполнять описанные выше этапы (а) и (b). После этого подложку переносят на второй технологический пост для выполнения этапа окончательного отверждения. Это позволяет выбрать специализированную УФ-лампу низкой интенсивности для первого и специализированную УФ-лампу высокой интенсивности для второго этапа отверждения. С другой стороны, можно объединить этапы (b) и (с). Таким образом, избыточный лак, удаленный при центрифугировании в ходе первого этапа (а) дозированного разлива, может быть использован повторно и не будет загрязнен полуотвердевшим лаком, удаленным при центрифугировании в ходе этапа (b). Далее, количество источников УФ-излучения можно сократить до одного при условии, что такой источник УФ-излучения может быть приглушен, или же его интенсивность может быть уменьшена, например, посредством фильтров. Поскольку линии по производству оптических подложек, таких как BD, CD или DVD, рассчитаны на высокую производительность, может быть выгодным установить несколько технологических постов для такого 3-этапного процесса.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой временную диаграмму, иллюстрирующую технологические этапы с (а) по (с).
Фигура 2 показывает устройство для выполнения этапа (b).
Подробное описание чертежей
На фигуре 1 показана диаграмма с основными технологическими этапами с (а) по (с). Позицией А обозначена фаза дозированного разлива, В и С обозначают центрифугирование вязкой жидкости, причем С обозначает время нагрева, D означает экспонирование ультрафиолетом, Е представляет собой фазу очистки кромки и F обозначает окончательный этап отверждения ультрафиолетом.
На фигуре 2 (не в масштабе) показан вариант реализации, подходящий для этапа (b). Подложка 1 помещена на опору 2 и может быть приведена во вращение вокруг центральной оси 3. Круглая маска 4 расположена так, что внешний обод подложки 1 подвергается лишь незначительному воздействию УФ-излучения 5.