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(shù)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(shù)的發(fā)展，各大廠家紛紛采用光刻技術(shù)制作高精密器件，其中涂膠是加工工藝的關(guān)鍵步驟，在基底上涂布一層厚度均勻的光刻膠膜層至關(guān)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(qū)域，膜厚趨近于常數(shù)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(shù)。

經(jīng)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(shù)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(tǒng)、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(qū)域長為30 mm，直徑為12mm，所用光刻膠為蘇州瑞紅生產(chǎn)的負光刻膠RFJ－210，黏度為0.45Pa·s，密度為880kg／m3，表面張力系數(shù)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(yōu)化，建立了相關(guān)的數(shù)值模型并進行仿真計算，同時與試驗結(jié)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(shù)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(shè)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(shù)與實際試驗中用的光刻膠參數(shù)一致。

圖2 數(shù)值仿真模型

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

2 結(jié)果及分析

2.1 膜厚與提拉速度的關(guān)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(jù)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(guān)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(jié)果和仿真結(jié)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(fā)性，經(jīng)過前烘后絕大部分溶劑揮發(fā)掉。數(shù)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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?。?20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(fā)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(jié)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(shù)的膜厚分布如圖6所示。試驗結(jié)果說明膜厚和涂膠次數(shù)并不成正比，特別是在涂膠次數(shù)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(xù)光刻工藝要求。

圖6 不同涂膠次數(shù)下圓柱面軸向膠膜厚度分布

3 結(jié)語

本文對提拉涂膠工藝進行了試驗與數(shù)值仿真研究，試驗與仿真結(jié)果基本吻合。研究結(jié)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(shù)的變化進行了分析，為制備較厚的光刻膠膜層提供了參考。

［1］Landau L D，Levich V G.Dragging of a liquid by a moving plate［J］.Acta Phys－Chim，1942（17）：42－45.

［2］Spiers R P，Subbaraman C V，Wilkinson W L.Free coating of Newtonian liquid onto a vertical surface［J］.Chemical Engineering Science，1974，29：389－396.

［3］Alexandre F.Interferometric monitoring of dip coating［J］.Applied Optics，2004，43（4）：280－283.

［4］Wu J T，Lai H C.Dip coating cooperated with stepped rotating lithography to fabricate rigid microstructures onto a metal roller［J］.Microelectronic Engineering，2010，87：2091－2096.

［5］Abdelkader F，Lyes K，Evan M.Some experience with the numerical simulation of Newtonian and Bingham fluids in dip coating［J］.Computers ＆Fluids，2013，82：110－121.

［6］Mathieu J，Mohamed S.Numerical simulation of a film coating flow at low capillary numbers［J］.Computers ＆Fluids，2009，38：1823－1832.

［7］徐大偉，關(guān)海濤，劉泓濱.基于ADAMS新型鋁錠堆垛機械手的運動學仿真與分析［J］.新技術(shù)新工藝，2014（5）：102.