旋涂的一个重要因素是重复性。

旋涂作为应用薄膜的方法已经使用了几十年。典型的方法包括在基材中心喷少量液体材料静置放置,然后高速(通常约为 3000rpm)旋转基材。向心加速度将导致大部分树脂扩散到基材边缘并最终脱落,在表面上留下材料薄膜。最终膜厚度和其它性质将取决于流体材料的性质(粘度、干燥速率、固体百分比、表面张力等)以及为旋转过程选择的参数。诸如最终转速、加速度和烟气排放等因素影响旋涂膜的性能。旋涂中最重要的因素之一是重复性,因为定义旋涂工艺的参数的细微变化,就可能导致旋涂膜发生剧烈变化。

旋涂工艺描述

典型的旋涂过程包括树脂流体沉积在基材表面的分配步骤,稀释流体的高速旋转步骤,以及从所得膜中除去过量溶剂的干燥步骤。常见的两种分配方法是静态分配和动态分配。

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静态分配就是在基材中心或附近沉积小流体池。这介于 1 至 10 cc 的范围内,取决于流体的粘度和待涂基材的大小。较高的粘度和/或较大的基材通常需要较大的流体池,以确保在高速旋涂步骤期间基材的完全覆盖。动态分配是基材以低速转动的分配过程。这一过程通常使用的速度约为 500 rpm。这用于将流体扩散到基材上,并且可以减少树脂材料浪费,因为通常润湿基材的整个表面不需要太多沉积物。当流体或基材本身润湿能力较差时这种方法非常有利,并且可以消除其他方式中可能形成的空隙。

分配步骤完成后,通常会加速到一个相对较高的速度,以使流体变薄到接近其最终期望的厚度。该步骤的典型旋转速度范围为 1500-6000 rpm,这还取决于流体以及基材的性质。这一步的时间可能是 10 秒到几分钟。该步骤选择的旋转速度和时间通常将共同决定最终的膜厚度。

通常,旋转速度越快,旋转时间越长,产生的膜越薄。旋涂工艺涉及大量的变量,这些变量往往在旋转过程中得到消除和平衡,并且最好能够有足够的时间用于这些变化。

在高速旋转步骤之后有时增加单独的干燥步骤,基本上在不使其变薄的情况下进一步干燥膜。这对于厚膜是有利的,因为在处理之前需要较长的干燥时间以增加膜的物理稳定性。在没有干燥步骤的情况下,在处理期间可能发生问题,例如当从旋转筒移出基材时从基材侧面倾倒。在这种情况下,高速旋转约 25% 的适度旋转速度通常足以帮助干燥膜,并且不会显著改变膜厚度。 Cee® 匀胶机上的每个程序可以包含多达十个单独的工艺步骤。虽然大多数旋转过程只需要两个或三个,这能够实现复杂旋涂要求的最大灵活性。

旋转速度

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旋转速度是旋涂的一个重要因素。基材速度(rpm)影响施加到液体树脂的径向(离心)力的程度以及紧接在其上方的空气速度和特征湍流。特别地,高速旋转步骤通常决定最终膜厚度。在此阶段,相对较小的 ±50 rpm 变化可能导致 10% 的厚度变化。膜厚度在很大程度上是将流体树脂朝向基材边缘剪切所用的力和影响树脂粘度的干燥速率之间的平衡。树脂干燥时粘度增加,直到旋转过程的径向力不再明显地使树脂在表面移动。这时,膜厚度不会随着旋转时间增加而显著降低。所有 Cee® 旋涂系统在所有速度下均可在 ±5 rpm 范围内重复。典型的性能是 ±1 rpm。此外,旋转速度的所有编程和显示都以 1 rpm 的分辨率给出。

加速度

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基材朝向最终旋转速度的加速度也可以影响涂膜的性质。由于树脂在旋转周期的第一部分开始干燥,因此需要精确控制加速度。在一些方法中,树脂中 50% 的溶剂将在过程的前几秒内蒸发。

加速度在图案化基材的涂层性质中也起到很大作用。在许多情况下,基材将保留先前过程的形貌特征; 因此重要的是将树脂均匀地涂覆在这些特征之上并穿过其中。虽然旋转过程通常向树脂提供径向(向外)力,但是加速度为树脂提供扭转力。这种扭转有助于树脂分散,否则流体可能遮蔽部分基材。Cee® 旋转器的加速度能够以 1 rpm /秒的分辨率编程。在操作中,旋转电机以线性斜坡加速(或减速)到最终旋转速度。

排气

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在旋转过程中树脂流体的干燥速率由流体本身的性质(所用溶剂体系的挥发性)以及在旋转过程中基材周围的空气限定。正如一块湿布在干燥的晴天比在潮湿的天气下干燥得更快,树脂会根据其周围的环境条件进行干燥。众所周知,诸如空气温度和湿度等因素在确定涂膜性能方面起到很大的作用。同样非常重要的是,在旋转过程中,空气流和基材上方的相关湍流降至最小,或至少保持恒定。

所有 Cee® 匀胶机采用“封闭碗”设计。虽然实际上不是气密环境,但排气罩在旋转过程中仅允许最少量的排气。排气罩与位于旋转卡盘下方的底部排气口结合,构成系统的一部分,以减少不利的随机湍流。这一系统有两个明显的优势:减缓流体树脂的干燥,大大降低对环境湿度变化的敏感性。

较慢的干燥速率的优点是,整个基材上膜厚度的均匀性有所提升。在旋转过程中,当流体朝向基材边缘移动时,流体干燥。这可能导致径向厚度不均匀,因为流体粘度随着与基材中心的距离而变化。通过减慢干燥速率,可以使整个基材上的粘度保持更加恒定。

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干燥速率和最终膜厚度也受环境湿度的影响。仅仅几个百分比的相对湿度变化,就可能导致膜厚度发生较大变化。通过在封闭的碗中旋转,树脂中溶剂的蒸汽保留在碗环境中,并且往往会遮盖微小湿度变化的影响。在旋转过程后,拿起盖子以移除基材时,全部废气将被保留和移除溶剂蒸气。

这种“封闭碗”设计的另一个优点是减少了对旋转基材周围气流变化的敏感性。例如在典型的洁净室中,空气以约每分钟 100 英尺(30m / min)的速度恒定向下流动。各种因素影响该空气流的局部性质。湍流和涡流是这种高度的空气流动的常见产物。环境性质的微小变化可以造成向下流动的空气的剧烈变化。用光滑的罩表面封闭碗状物,可以从旋转过程中消除由操作者和其他设备引起的变化和湍流。

工艺趋势图

这些图表代表不同工艺参数的一般趋势。对于大多数树脂材料,最终的膜厚度将与旋转速度和旋转时间成反比。最终厚度也将与排气体积略微成比例,但是如果排气流太高,则会损害均匀性,因为湍流将在旋转过程中引起膜的不均匀干燥。

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旋涂工艺故障排除

旋涂

如前所述,有几个主要因素会影响旋涂工艺。其中包括旋转速度、加速度、旋转时间和废气。对于不同的树脂材料和基材,工艺参数差别很大,因此没有用于旋涂处理的固定规则,只有一般性指导。这些在“旋涂工艺说明”部分中进行了解释。以下是特定工艺需要考虑的问题列表。

膜太薄

旋转速度太高选择减低速度
旋转时间太长减少高速步骤的时间
树脂材料的选择不适当 联络树脂制造商

膜太厚

旋转速度太低选择更高的速度
旋转时间太短增加高速步骤的时间
废气量太高调整排气罩或放置排气风门
树脂材料的选择不适当 联络树脂制造商

Spin-Coating bubblespin

晶圆表面有气泡

分配流体(树脂)中有气泡
分配尖端被不均匀地切割或具有毛刺或缺陷


Spin-Coating cometspin

彗星、条纹或者耀斑

流体速度(分配率)太高
旋转碗排气速率太高
抗蚀剂在旋转之前在晶圆上停留太久
旋转速度和加速度设置得过高
粒子在分配之前位于基材表面
未在基材表面中心分配流体


Spin-Coating swirlspin

漩涡模式

旋转碗排气速率太高
流体冲击基材表面,使其离开中心
旋转速度和加速度设置得过高
旋转时间太短


Spin-Coating chuckspin

中心圆(卡盘标记)

如果圆与旋转卡盘大小相同,
则转换为 Delrin 旋转卡盘


Spin-Coating uncoatedspin

无涂层领域

分配数量不足


Spin-Coating pinholespin

针孔

气泡
流体中的颗粒
粒子在分配之前位于基材表面


重复性较低

可变的排气条件或环境条件将排气盖调整至完全关闭
未将基材适当集中在一起操作前将基材集中
分配数量不足增加分配数量
不当应用树脂材料联络树脂制造商
速度/时间参数平衡不稳定提高速度 / 减少时间或与之相反

膜质量较低

可变的排气条件或环境条件将排气盖调整至完全关闭
未将基材适当集中在一起操作前将基材集中
分配数量不足增加分配数量
不当应用树脂材料联络树脂制造商
速度/时间参数平衡不稳定提高速度 / 减少时间或与之相反