一種制造半導體瀑布式蝕刻機設計及其應用研究

沈天成 陳葉娣 姚佳 劉星宇 盧炎

作者簡介：沈天成（2001—），男，本科在讀，研究方向為機械設計制造及其自動化。

陳葉娣（1978—），女，本科，副教授，研究方向為模具設計與制造。

摘 ?要：該文首先提出了常見的玻璃表面蝕刻裝置在蝕刻處理玻璃表面過程中的問題及事后蝕刻裝置對玻璃不易清洗的問題，通過對蝕刻機重新設計，提出了制造半導體瀑布式蝕刻機的設計方案和運行過程，經驗證滿足玻璃蝕刻裝置的要求，敘述新型玻璃蝕刻裝置結構設計所帶來的有益效果，然后闡述玻璃蝕刻機在工業方面和工藝方面的應用，最后提出蝕刻機未來發展在蝕刻準確度、安全與環保方面仍然需要注意的問題。

關鍵詞：蝕刻機 ?玻璃蝕刻 ?工藝創新 ?工業生產

中圖分類號：TN30 ??????????文獻標識碼：A ??????????文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The article first puts forward the problem of common glass surface etching device in the process of etching the glass surface and the problem that the etching device is not easy to clean the glass afterwards. Through the redesign of the etching machine， the design scheme and operation of manufacturing the semiconductor waterfall etching machine are proposed. The process is verified to meet the requirements of the glass etching device， and the beneficial effects brought by the structural design of the new glass etching device are described. Then， the industrial and technological application of the glass etching machine is explained. Finally， the future development of the etching machine is proposed in the etching accuracy， Issues that still need attention in safety and environmental protection

Key Words： Etching Machine; Glass Etching; Process Innovation; Industrial production

刻蝕就是用化學、物理或兩者結合的辦法，通過曝光制版、顯影后，有選擇地把沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形[1]。

半導體玻璃蝕刻作為化學蝕刻的一種，指用氫氟酸腐蝕其表面，將玻璃涂上石蠟，然后在石蠟上用工具刻畫圖案，再在其面涂上氫氟酸，最后可以得到玻璃蝕刻圖案[2]。

1 ?市場上的傳統產品存在的缺陷

常見的玻璃腐蝕裝置都是箱式結構，其裝置中會產生水波，影響玻璃的質量;其次由于蝕刻液是由氫氟酸與水混合而成，在噴灑的過程中，會形成粉末結晶與蝕刻液混合在一起，經過循環裝置，會一同流入混合液箱中，影響混合液濃度。常見的玻璃表面蝕刻裝置不方便對玻璃進行清洗，材料表面蝕刻完成后，表面會殘留大量氫氟酸，若不對其表面盡快進行清洗，當員工接觸到時會對其造成危險，從而增加了工作人員的安全隱患，同時給后續工作帶來麻煩，降低了玻璃后續加工的進展，給使用者帶來極大的不便。

2 新型蝕刻機的原理和操作過程

2.1新型蝕刻機的設計目的

解決對玻璃表面處理過程中產生水波的問題;解決腐蝕過程中產生殘渣的問題;解決蝕刻裝置玻璃清洗問題。

2.2新型蝕刻機的結構

2.3新型蝕刻機的蝕刻設計方案

為了實現設備的設計目的，提供如下技術方案：首先將放置玻璃的圓盤斜放置在箱體中，圓盤上方有一根帶有2 mm縫隙的管道，當腐蝕液經過管道，腐蝕液會像瀑布一樣均勻地流到圓盤上，同時圓盤會一同轉動，進而避免玻璃表面產生水波紋;其次在蝕刻箱的底部和出水口處設置第一道濾網和第二道濾網，進而有效地減少殘渣流入混合液箱中[3];最后在圓盤上方加自來水管道，管道上有小孔，當自來水通過時，自來水會噴灑到圓盤上，進而起到清洗玻璃的作用;裝置底部設計有兩個出水口，當蝕刻玻璃時，打開流入混合液箱的閥門，此時混合液流入混合液箱;當清洗玻璃的時候，打開流入廢水處理箱的閥門，此時廢水流入廢水處理箱。

2.4新型蝕刻機的工作流程

將大小合適的玻璃放置到圓盤12中心，用加緊器15將玻璃夾住，防止玻璃在操作過程中偏離圓盤。打開開關，并打開流入混合液箱的閥門，且關閉另一個閥門;抽水泵將混合液從混合液箱中抽出，經管道3進入方形管道10，到達一定高度，液體會自然從方形管道末端下落，同時圓盤12旋轉，進行玻璃表面蝕刻，蝕刻后的液體會經管道7回到混合液箱9中，循環若干次上述過程后，關閉蝕刻液，打開清洗液，同時關閉流入混合液的閥門，打開流入廢水處理箱的閥門6，進入清洗模式[4]。蝕刻過程中，冷卻裝置一直處于開啟狀態，且蝕刻箱門18一直處于關閉狀態。

2.5新型蝕刻機改善過程

（1）設置措施：裝置底部設置成斜面（見圖2），斜面底部連接兩個出水口，一個流入混合液箱9，另一個流入廢水處理。

設置優點：可以快速將液體聚集到底部，有效地提高循環效率。

（2）設置措施：所述蝕刻箱17底部設有過濾網14可以將腐蝕液中的殘渣吸附，并且可以定期更換過濾網，底端兩個孔部設有過濾網，起到第二次過濾的作用。

設置優點：有效地阻止殘渣進入混合液中，進而避免影響混合液的濃度，且過濾網可以定期更換。

（3）設置措施：該裝置底部兩孔處設有截止閥，通過控制外部開關來控制截止閥的開關，進而控制出水方向。

設置優點：有效地解決清洗液的流出問題，并且有效地將腐蝕和清洗功能結合在一起。

（4）設置措施：裝置頂部設有排氣管，可以將蝕刻過程中產生的有害氣體抽到廢氣處理中心。

設置優點：減小環境污染，減少有害氣體對人體的傷害。

（5）設置措施：如圖5所示，蝕刻液進入方形管道，液體會慢慢升高，到達一定高度，液體會像瀑布一樣下落，且圓盤會一同旋轉，使得蝕刻液均勻地灑向玻璃表面。

設置優點：有效解決液體噴灑到玻璃表面出現波紋的問題，且解決玻璃表面存在殘渣或者灰塵的問題。

（6）設置措施：圖1中編號5和8為冷卻管，一條管道進入分支器，將液體分成8條管道，8條管道全部浸入混合液中。

設置優點：可以更充分地解決蝕刻過程中產熱的問題，進而維持混合液恒溫，如此更有利于控制玻璃表面的參數。

3 新型蝕刻機的應用

玻璃蝕刻通常會作用于工藝和工業兩大塊領域。工藝中包含有裝飾作用、藝術作用。目前，許多酒店、家庭、會議廳、娛樂場所等的玻璃上都會蝕刻上動物、草木、飛禽、風景、人物等圖案，另外在酒店、會議廳、娛樂場所、辦公大樓使用的建筑裝飾中也會使用蝕刻玻璃。工業中，眾多情況下需要進行蝕刻玻璃研究。早期蝕刻技術在工業上用于制造銅版、鋅版等印刷凹凸版，也應用于減輕重量儀器鑲板、銘牌等的加工。經過不斷改良和工藝設備發展，蝕刻技術也可應用于制作微觀結構、載體晶片、玻璃蓋板、OLED封裝玻璃基片、生物芯片、精密腔體等。隨著科學技術的進步，太陽能漸漸走進家庭生活中，所以太陽能電池需求開始持續增長，蝕刻工藝的研究成為一大熱點。除此之外，蝕刻在半導體的制程上也是一項十分重要的技術。半導體玻璃還廣泛地應用于其他光敏器件、發光器件、場效應器件、熱敏器件、電子開關與光盤等方面。所以蝕刻玻璃市場需求是十分客觀。根據前瞻產業研究院中2020年全球半導體行業市場現狀與發展前景分析，國內市場需求強勁并有所增長[5]。

新型蝕刻機具有傳統蝕刻機沒有的優點。新型蝕刻機的圓盤瀑布式結構解決產生水波紋，可以更平穩地蝕刻圖案，減少產品的次品率，降低損失。并且新型蝕刻機可以將蝕刻液進行過濾回收，用于下次的蝕刻過程。同時新型蝕刻機也可以在蝕刻圖案后進行清洗，避免蝕刻液對工作人員造成傷害，降低了安全隱患，提高工作效率。所以新型蝕刻機可以更好地應用于工藝、工業方面[6]。

4 結語

新型蝕刻機的圓盤瀑布式結構可以解決產生波紋的問題，但是需要控制蝕刻液的出液速度。蝕刻液下落速度過快，碰撞圓盤表面會激起水珠，影響蝕刻準確度。新型蝕刻機很好地解決了常見的玻璃表面蝕刻裝置不方便對玻璃進行清洗的問題，避免玻璃表面殘留大量的氫氟酸對工作人員造成危險，降低了工作人員的安全隱患，提高了工作效率，給使用者帶來極大的便利，同時實現蝕刻液的循環利用，減少資源的浪費和污染，并且可以改善工作環境，降低腐蝕液對工作人員的危害。

參考文獻

[1] 王紅松.淺談化學蝕刻技術的發展及意義[J].化工管理，2020（4）：8-9.

[2] 侯江，黃祥，雍毅，等.玻璃蝕刻液廢水中氨氮和氟去除研究[J].四川環境：2020，39（1）：10-16.

[3] 楊軍芳，郝晴，周桓，等.蝕刻廢液制備多種單一晶型堿式氯化銅的過程及產物表征[J/OL].無機鹽工業：1-11[2021-04-19].https：//t.cnki.net/kcms/detail？v=pC3MBnXKfnRJf084Dqh9YFVc0CKfLJMLo7pCE2Sm5sCEZBdzMKC5VYdDqbOYOlVME2-zLEr8neLmEEhTaoC7bKnVmwTH9qyjY7eP-yFqiWzaedFIJdxxuA==&uniplatform=NZKPT.

[4] 辛菲，馬挺，王秋旺.印刷電路板換熱器換熱槽道的噴淋蝕刻實驗[J].工程熱物理學報，2017，38（12）：2674-2678.

[5] 佚名.2020年全球半導體行業市場現狀與發展前景分析.[J/OL].前瞻經濟學人：1-2[2021-01-28].https：//www.sohu.com/a/447286832_120868906.

[6] 張成，鄭百順，郭青秀，等.基于局部保持嵌入-K近鄰比率密度的半導體蝕刻過程故障診斷策略[J].控制理論與應用，2020，37（6）：1342-1348.

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