高性能勻膠機的工作原理

勻膠工作原理

         一個典型的勻膠過程包括滴膠,高速旋轉以及干燥(溶劑揮發)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滴膠和動態滴膠。靜態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。滴膠的多少應根據光刻膠的粘度和基片的大小來確定。粘度比較高或基片比較大，往往需要滴較多的膠，以保證在高速旋轉階段整個基片上都涂到膠。動態滴膠方式是在基片低速（通常在500轉/分左右）旋轉的同時進行滴膠，“動態”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。尤其是當光刻膠或基片本身潤濕性不好的情況下，動態滴膠尤其適用，不會產生針孔。滴膠之后，下一步是高速旋轉。使光刻膠層變薄達到*終要求的膜厚，這個階段的轉速一般在1500-6000轉/分，轉速的選定同樣要看光刻膠的性能（包括粘度，溶劑揮發速度，固體含量以及表面張力等）以及基片的大小。快速旋轉的時間可以從10秒到幾分鐘。勻膠的轉速以及勻膠時間往往能決定*終膠膜的厚度。

        一般來說，勻膠轉速快，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*好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*重要的一個因素就是可重復性。微細的工藝參數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：

旋轉速度

        勻膠轉速是勻膠過程中*重要的因素。基片的轉速（rpm）不僅影響到作用于光刻膠的離心力，而且還關系到緊挨著基片表面空氣的特有湍動和基片與空氣的相對運動速度。光刻膠的*終膜厚通常都由勻膠轉速所決定。尤其在高速旋轉這個階段，轉速±50rpm這樣微小變化就能造成*終膜厚產生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）速率之間平衡的結果。隨著光刻膠中溶劑不斷揮發，粘度越來越大，直到基片旋轉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。所有勻膠機規格要求在量程范圍內無論選擇哪個速度勻膠轉速偏差不大于±1rpm。而通常實際偏差是±0.2rpm。而且，所有的控制程序和轉速顯示的分辨能力都是1rpm。

加速度
 

        勻膠過程中基片的加速度也會對膠膜的性能產生影響。因為在基片旋轉的**階段，光刻膠就開始干燥（溶劑揮發）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揮發掉了。在已經光刻有圖形的基片上勻膠，加速度對膠膜質量同樣起重要作用。在許多情況下，基片上已經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生離心力，而恰恰是加速度對光刻膠產生扭力（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定，精度1rpm/秒。在操作時，電機以線性躍升加速（或減速）到*終的勻膠速度。

排風

          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（如所用溶劑體系的揮發性），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），或者至少保持穩定也是十分重要的。所有勻膠臺都采用“密閉碗”設計。盡管密閉碗實際上并非完全是一個密不透氣的環境，在勻膠過程中排風罩能讓很小的氣流通過，與位于勻膠臺旋轉頭（吸盤）下面的底部排氣口想配合，排風罩成為一個排風系統的通道，以達到減小不希望有的隨機湍流的目的。這個系統有兩大明顯的優點：勻膠時光刻膠的干燥速度慢，對環境濕度的敏感性小。干燥（溶劑揮發）速率較慢帶來的好處是膠面膜厚均勻性好。勻膠時，在光刻膠被甩向基片邊緣的同時，由于溶劑揮發，光刻膠也同時得以干燥。這樣會造成光刻膠膜厚沿徑向不均勻。因為光刻膠的粘度隨基片中心到邊緣的距離發生了變化。通過降低溶劑揮發速度就有可能使整個基片表面上光刻膠的粘度保持比較恒定。

         干燥速度以及與其相關的*終膜厚也受到環境濕度的影響,相對濕度僅僅幾個百分點的變化卻可造成膜厚很大的變化。在一個“密閉碗”中勻膠，光刻膠中溶劑揮發，其蒸氣被留在碗內，這樣掩蓋了較小的濕度變化所造成的影響。當勻膠過程結束的時候，打開排風罩取出基片，保持充分排風，排盡溶劑蒸氣。

         “密閉碗”設計的另一個優點是膠膜質量對基片周圍空氣流的變化的敏感性降低。比如說，在一個有代表性的凈化室內，總有一個自上而下的穩定的空氣垂直層流，其流速大約每分鐘100英尺（相當于30米/分）。有多方面的因素影響這股空氣流的局部質量。常見的問題是擾動（湍流）和渦流（eddy  current）。而環境的微小變化能造成向下氣流的劇烈改變。用一個表面光滑的蓋子把“碗”蓋起來就消除了由于操作人員和其他設備的存在而造成的環境變化和氣流的擾動.

勻膠工藝數據圖表

    下面四張圖代表了各種過程參數對勻膠結果影響的一般趨勢。就大多數光刻膠而言，*終膜厚與勻膠速度和勻膠時間成反比。如果排風量太大，由于空氣擾動（湍流）造成膠膜的不均勻干燥，但膜厚還是與排風量在一定程度上成正比。

勻膠工藝常見問題：

問題1：表面出現氣泡 可能原因：滴膠時膠中帶有氣泡 噴嘴**切口有問題或帶刺
問題2：四周呈現放射狀條紋 可能原因： 膠液噴射速度過高 設備排氣速度過高 膠涂覆前靜止時間過長 勻膠機轉速或加速度設置過高 片子表片留有小顆粒 膠中有顆粒
問題3：中心出現漩渦圖案 可能原因： 設備排氣速度過高 噴膠時膠液偏離襯底中心 旋圖時間過長 加速度過高
問題4：中心出現圓暈 可能原因： 不合適的托盤, 噴嘴偏離襯底中心
問題5：膠液未涂滿襯底 可能原因： 給膠量不足 不合適的勻膠加速度
問題6：出現針孔現象 可能原因： 空氣中粉塵 光刻膠內存在顆粒或氣泡 襯底上存在顆粒