多次提拉法涂膠工藝及其過程仿真＊

張 瓊，李木軍，沈連婠，葉回春，謝俊艦

（中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥230026）

隨著微細加工技術的發展，各大廠家紛紛采用光刻技術制作高精密器件，其中涂膠是加工工藝的關鍵步驟，在基底上涂布一層厚度均勻的光刻膠膜層至關重要。涂膠的方法主要包括提拉法、旋涂、噴涂和滾涂等，提拉法涂膠在涂布非平面零件以及長尺寸基片中被廣泛應用，較適用于圓柱面涂膠。

Landau和Levich［1］最早對提拉法涂布進行了流體力學分析，認為在遠離水平液面的區域，膜厚趨近于常數h0，如式1所示：

式中，μ為溶液粘度；U為提拉速度；ρ為溶液密度；σ為表面張力系數。

經過大量試驗與理論研究，對式1進行了修正和延伸［2］，這些研究涉及的提拉速度較快，液膜厚度較厚（一般為mm級），并且很少涉及對膜層均勻性的討論。本文主要研究了在較短的圓柱面上用提拉法涂膠，通過數值仿真提拉法涂膠的過程，研究了不同提拉速度下光刻膠膜層的厚度，特別是膜厚均勻性，并采用多次涂膠來制備較厚的、均勻的光刻膠膜層，獲得了一定厚度的均勻光刻膠膜層。

1 提拉法涂膠試驗與工藝過程仿真

1.1 試驗方法及裝置

提拉法涂膠試驗裝置如圖1所示，主要由豎直位移平臺、運動控制系統、盛膠容器以及圓柱基底夾持裝置組成。圓柱通過螺桿安裝在豎直位移平臺上，圓柱與螺桿之間用細線連接，以保證提拉過程中圓柱一直保持豎直。首先，將清洗、烘干后的圓柱件安裝在裝置上，浸入刻光刻膠溶液中并靜置60s，以消除溶液波動的影響；然后，控制電動機以特定速度提拉圓柱基底，從而在圓柱面上形成光刻膠膜液膜；最后，將其放入烘箱中以90℃烘烤30min，得到光刻膠干膜。

圖1 提拉法涂膠裝置

試驗中用到的圓柱件為黃銅，涂膠區域長為30 mm，直徑為12mm，所用光刻膠為蘇州瑞紅生產的負光刻膠RFJ－210，黏度為0.45Pa·s，密度為880kg／m3，表面張力系數為0.029 6N／m。膜厚由臺階儀測得，沿軸向每隔2.5mm測量1個截面，每個截面測4個點，取其平均值作為該截面處膜厚。

1.2 仿真計算模型

為了對涂膠工藝進行理論分析和優化，建立了相關的數值模型并進行仿真計算，同時與試驗結果進行了對比分析。本文用Fluent軟件仿真計算提拉法涂膠所得膜厚，應用VOF（volume of fraction）方法捕捉自由液面。光刻膠溶液被視為不可壓縮牛頓流體，采用了兩相層流模型并使用隱式方法求解。

模型初始條件和邊界條件如圖2所示，初始自由液面為水平液面。二維數值容器半徑為30mm，高度為50mm，溶液深度為20mm，容器壁面為無滑移壁面邊界條件，涂膠基底為無滑移移動壁面，設置移動速度為提拉速度，容器上邊界應用壓力出口邊界，容器底有流體入口，使入口流量與出口流量平衡，出口流量計算參考文獻［3］。溶液參數與實際試驗中用的光刻膠參數一致。

圖2 數值仿真模型

整個計算域采用四邊形網格。因為膜厚尺寸很小，為μm量級，涂膠壁面用邊界層網格加密，最小網格為1μm。

2 結果及分析

2.1 膜厚與提拉速度的關系

本文利用VOF方法仿真計算和捕捉了不同提拉速度下的兩相界面，即提拉法涂膠得到的液膜輪廓，如圖3所示。仿真計算得到的膜厚和根據式1計算得到的膜厚基本吻合，同時，以一系列不同的提拉速度進行涂膠試驗（5～240μm／s），獲得了膜厚與提拉速度的關系曲線，如圖4所示，為了消除邊界效應影響，這里的膜厚為中間截面膜厚的平均值。從試驗結果和仿真結果均可以看出，提拉速度越大，所得膜層越厚［4－7］。

圖3 仿真得到的不同速度下的液膜輪廓圖

用于稀釋光刻膠的溶劑都具有很強的揮發性，經過前烘后絕大部分溶劑揮發掉。數值仿真計算的是液膜厚度，試驗中用臺階儀測量的為干膜厚度。光刻膠RFJ－210中溶質的固體體積為光刻膠溶液的20.2%，干膜厚度約為液膜厚度的20.2%。從圖4可以看出仿真計算得到的液膜厚度轉化為干膜厚度后和試驗測得的膜厚基本吻合。

圖4 膜厚與提拉速度的關系

2.2 膜厚均勻性分析

如圖5所示，對3組不同提拉速度下膜層厚度的分布情況做了對比。提拉速度較小（120和180 μm／s）時，膜厚的均勻性較好，膜厚偏差都＜1μm；提拉速度較大（240μm／s）時，膜厚均勻性變得很差。由于提拉速度較大，形成的光刻膠膜層較厚，基底脫離水平液面并停止運動后形成的液膜在重力作用下發生變化，膜層越厚受重力影響越明顯，從而造成膜厚不均勻。

圖5 不同提拉速度下圓柱面軸向膠膜厚度分布

2.3 多次涂膠

由上述試驗結果可知，要獲得10μm的光刻膠膜層則需考慮＞240μm／s的提拉速度，但膜厚均勻性不能滿足。本文提出以較低的提拉速度多次提拉來獲取較厚的、均勻的光刻膠膜層，在每次涂膠后都需要以90℃前烘30min。120μm／s提拉速度下不同涂膠次數的膜厚分布如圖6所示。試驗結果說明膜厚和涂膠次數并不成正比，特別是在涂膠次數超過10次后，膜厚增加不明顯，這可能是下述原因造成的：1）基底不同，第1次涂膠時基底為黃銅，后面多次涂膠基底為前烘后的光刻膠，基底表面粗糙度會影響涂膠膜厚；2）前烘后的光刻膠僅僅去除了光刻膠溶液里的溶劑（本文為二甲苯），再次涂布時，光刻膠干膜仍有可能溶于光刻膠溶液，使得對膜厚的預測變得復雜。本文利用180μm／s的提拉速度和3次涂膠獲得了10μm厚且膜厚偏差＜1μm的均勻光刻膠膜層，滿足了后續光刻工藝要求。

圖6 不同涂膠次數下圓柱面軸向膠膜厚度分布

3 結語

本文對提拉涂膠工藝進行了試驗與數值仿真研究，試驗與仿真結果基本吻合。研究結果表明隨著提拉速度的增大，圓柱基底表面的光刻膠膜層厚度逐漸增大，但膜層厚度的均勻性也會隨著提拉速度的增大而變差。為了滿足光刻工藝對膜層厚度和均勻性的要求，本文提出了通過多次提拉來進行涂膠的方法，并對膜層厚度隨涂膠次數的變化進行了分析，為制備較厚的光刻膠膜層提供了參考。

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