韋必明，金名亮，吳 昊，竇盈瑩，周?chē)?guó)富，水玲玲

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，彩色動(dòng)態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所，廣州510006)

薄膜在材料應(yīng)用中非常關(guān)鍵，尤其在顯示領(lǐng)域［1］、微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)［2-3］、IC 集成電路［4］等光電子器件的光刻工藝中，光刻膠需先制備成薄膜方可進(jìn)行后續(xù)工藝. 在微加工制造業(yè)，光刻膠涂膜質(zhì)量的好壞不僅直接影響到后續(xù)工藝，還會(huì)影響器件的性能和壽命，甚至決定一個(gè)完整器件的成敗.光刻膠涂膜最常用的方法是旋涂法［5-6］，該方法可在不同材質(zhì)的平面基材上進(jìn)行，涂膜厚度的可控性和均勻性較好. 但旋涂法存在本身的局限性:(1)涂料的利用率低，通常情況下超過(guò)70%的涂料被甩到片子外;(2)對(duì)于比較昂貴和有毒的材料，不僅增加了成本，同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境污染;(3)旋涂法很難在大面積的基材上進(jìn)行涂膜，高粘度的光刻膠也比較難處理. 下一代光電子器件需要更大的面板尺寸，有時(shí)需要更厚的薄膜、更低成本和大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化.這些需求激發(fā)了更多的研究者去探索開(kāi)發(fā)出新的涂布技術(shù)，目前能進(jìn)行大面積涂布的涂布技術(shù)有:噴霧法［2-3］、網(wǎng)版印刷法［7］、擠壓式涂布法［8-10］、線(xiàn)棒涂布法［11］等. 但噴霧法、浸涂法和網(wǎng)版印刷法適用的光刻膠粘度范圍小，很難用于高粘度的光刻膠中，如噴霧機(jī)(EVG 101)［2］，只能涂布粘度低于20 cSt 的光刻膠，無(wú)法用于更高粘度的材料涂布. 擠壓式涂布法可以涂布高粘度的光刻膠，但其對(duì)基材平坦度的要求高，且設(shè)備昂貴. 線(xiàn)棒涂布法不僅能有效地解決大面積基材的涂布問(wèn)題［11］，同時(shí)用于高低粘度光刻膠的涂布，還可在不同硬度和材質(zhì)基材上涂布，如卡紙［12］、木材［13］、ITO 玻璃［14］等. 相對(duì)于傳統(tǒng)的涂布方法，線(xiàn)棒涂布法具有可涂布高粘度涂料與大面積涂布等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單、廉價(jià)、應(yīng)用領(lǐng)域廣.

本文利用實(shí)驗(yàn)室小型涂布機(jī)研究光刻膠的涂布工藝. 討論不同的涂布工藝參數(shù)對(duì)涂膜厚度及均勻性的影響，包括墊板硬度、光刻膠粘度、涂布棒大小、涂布速度與墊板高度，并通過(guò)在基板下增加硬度小的墊板優(yōu)化了涂膜的均勻性，促進(jìn)線(xiàn)棒涂布法的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 涂布設(shè)備

涂布設(shè)備為石家莊奧斯派機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的XT-200CA 涂布機(jī)，該設(shè)備采用無(wú)刷電機(jī)與支撐滑軌，通過(guò)控制速度和穩(wěn)定的壓力來(lái)保證涂布效果.

1.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu) 涂布機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)及涂布過(guò)程如圖1 所示，由涂布機(jī)機(jī)身、墊板、涂布棒和推桿等組成，選擇玻璃板、硅膠板和高密度海綿基板3 種不同硬度的基材作為墊板. 在墊板頂層放1 塊厚度為1.1 mm 的玻璃板或塑料板，涂布棒固定在與涂布機(jī)機(jī)身有一定傾斜角度的推桿上，通電后電機(jī)帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，推桿施加力給涂布棒使其運(yùn)動(dòng)，涂布速度在0 ～4.2 cm/s 的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào). 設(shè)備機(jī)身的尺寸為580 mm×340 mm×180 mm，有效涂布面積為300 mm×400 mm.

1.1.2 涂布棒 涂布棒為OSP 精密線(xiàn)棒，其表面為利用金屬的塑性形變?cè)聿捎美鋽D壓加工工藝在鋼棒表面滾壓出凹凸的波狀曲線(xiàn)，具有耐磨和清洗方便等特點(diǎn)，涂布效果突破傳統(tǒng)刮刀、鋼絲線(xiàn)棒的涂膜極限. 涂布棒結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它是一根表面具有一定寬度和深度的齒輪(即凹凸槽)形成的圓柱棒(直徑10 mm)，利用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的Dektak XT 臺(tái)階儀測(cè)量齒輪的寬度和深度，結(jié)果如表1所示，不同涂布棒編號(hào)對(duì)應(yīng)不同寬度和深度的齒輪.涂布棒編號(hào)越大，對(duì)應(yīng)的齒輪越寬且越深. 齒輪的寬度和深度決定了涂布棒涂布樣片表面時(shí)在樣片表面與涂布棒直接留下的空隙大小，即決定了涂布所得的涂膜厚度.

圖1 (A)線(xiàn)棒涂布機(jī)結(jié)構(gòu)及(B)涂布過(guò)程截面圖Figure 1 (A)The schematic drawing of the bar coater equipment and (B)cross-sectional view of the coating process

圖2 涂布棒結(jié)構(gòu)形狀Figure 2 Micro-textured structure of coating bars

表1 涂布棒結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Size of coating bars

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

選擇負(fù)型SU-8 2005 光刻膠和SU-8 2150 光刻膠(MicroChem Corp.，Newton，MA)進(jìn)行涂布，其物理參數(shù)見(jiàn)表2. 選擇此2 種光刻膠的原因是:(1)粘度對(duì)涂膜厚度與均勻性影響大，除了粘度不同外，它們具有相似的物理和化學(xué)特性，主要的溶劑均為環(huán)戊酮，便于研究粘度對(duì)膜厚與均勻性的影響;(2)SU-8 2150 光刻膠的粘度大(8.0 ×10-2m2/s)，適合研究涂布機(jī)對(duì)高粘度光刻膠的涂布. 為了獲得不同粘度的光刻膠，利用環(huán)戊酮(分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司)作為稀釋劑將SU-8 2150 稀釋成粘度范圍為4.5 ×10-5～8.0 ×10-2m2/s，的系列光刻膠溶液.

表2 光刻膠類(lèi)型及物理參數(shù)Table 2 Physical properties of photoresist

1.3 涂布過(guò)程

使用基材為7 cm(長(zhǎng)度)×7 cm(寬度)×1.1 mm(厚度)的ITO 玻璃樣片，是在涂膠前對(duì)ITO 玻璃進(jìn)行清洗. 其過(guò)程:將ITO 玻璃浸入溶有光學(xué)玻璃清洗劑RM11-07(Runmon 潤(rùn)銘通科技)的水溶液中，然后用KH3200DV 型數(shù)控超聲波清洗器(昆侖禾創(chuàng)超聲波有限公司)進(jìn)行超聲清洗(頻率:40 kHz，時(shí)間:8 min)，再用超純水沖洗和氮?dú)獯蹈桑詈蠓胚M(jìn)烘烤箱中烘烤(溫度:110 ℃，時(shí)間:30 min).

涂布工藝在溫度為26 ±1 ℃，相對(duì)濕度為60%～70%的黃光區(qū)內(nèi)進(jìn)行. 涂布前先調(diào)節(jié)好涂布棒與ITO 玻璃片的水平，為了精確地控制滴膠的量，事先選擇好涂布棒和涂布速度等涂布參數(shù)，用1 mL 的注射器將一定量的光刻膠添加到靠近涂布棒一端的ITO 玻璃上，然后立刻進(jìn)行涂布. 涂布后的樣片放到溫度為95 ℃的熱板(Lab Tech EH 20B)上烘烤5 min(圖1B).

1.4 涂膜測(cè)量

涂膜厚度用Dektak XT 臺(tái)階儀測(cè)量，Dektak XT臺(tái)階儀的工作原理為:針尖施加恒定的力在樣片表面上，針尖在掃描樣片表面過(guò)程中，通過(guò)反饋信號(hào)把樣片的輪廓描繪出來(lái)，理論精確度可達(dá)到1 nm. 樣片經(jīng)過(guò)烘烤后測(cè)量其干膜厚度，每個(gè)樣片測(cè)量9個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)所在樣片的位置如圖3 所示，除了5 在樣片中心外，其它測(cè)量點(diǎn)均在距離樣片邊上約1.5 cm 處，取9個(gè)點(diǎn)的平均值為1個(gè)樣片的膜厚，利用9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和平均值求出標(biāo)準(zhǔn)偏差作為涂膜均勻性的衡量標(biāo)準(zhǔn).

圖3 膜厚測(cè)量位置示意圖Figure 3 Schematic diagram of film thickness measurements position

2 結(jié)果與分析

光刻膠涂膜的好壞不僅影響了微納米加工器件的質(zhì)量，甚至決定器件的成敗，因而無(wú)缺陷和均勻的薄膜對(duì)微納米加工工藝至關(guān)重要. 缺陷產(chǎn)生的主要原因:(1)ITO 玻璃清洗不干凈，表面有顆粒沾污;(2)光刻膠溶液中存在氣泡;(3)涂布環(huán)境中存在顆粒;(4)滴膠過(guò)程中引入顆粒等. 因而在涂布工程中要嚴(yán)格控制這些因素，盡量減少缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)優(yōu)化涂膜的均勻性. 影響涂膜厚度和均勻性的因素主要有:墊板硬度、光刻膠粘度、涂布棒大小、涂布速度、墊板高度等.

2.1 墊板硬度

由于XT-200CA 涂布機(jī)本身用的墊板約為20 mm 厚的玻璃板，涂布的樣片大多為軟的紙或布料等，而用于涂布的硬基材如ITO 玻璃樣片等較少.由于玻璃板較硬，加上調(diào)節(jié)涂布棒與ITO 玻璃樣片的水平精度相對(duì)較低，導(dǎo)致均勻性不好. 因此，通過(guò)改變墊板硬度來(lái)提高涂膜均勻性. 在光刻膠為SU-8 2005、涂布棒編號(hào)為8、涂布速度為2.42 cm/s、滴膠量為0.3 mL、墊板高度為20 mm 等參數(shù)固定的條件下，選擇了玻璃板、硅膠板和高密度海綿基板(海綿頂層放一塊厚1.1 mm 的塑料板，方便涂布和清洗)3 種硬度的材料分別作為墊板進(jìn)行涂布實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示，隨著墊板硬度的降低，所得涂膜的均勻性增加. 因?yàn)閴|板硬度越低，涂布棒對(duì)ITO 樣片表面的壓力可以更均勻地分布在基材的表面，與表面接觸也更緊密，可得到均勻性更好的涂膜. 同時(shí)，對(duì)硬度低的墊板材料，高度影響小.

圖4 涂膜厚度與墊板硬度的關(guān)系Figure 4 Film thickness versus stiffness of supporting materials

2.2 光刻膠粘度

光刻膠粘度是影響涂膜厚度的主要因素之一.采用SU-8 2150 稀釋成不同粘度的系列光刻膠溶液并進(jìn)行涂布實(shí)驗(yàn)，為了獲得更均勻的膜厚，選擇墊板為20 mm 厚的高密度海綿(海綿頂層放1 塊厚1.1 mm 的塑料板)，涂布速度為2.42 cm/s，涂布棒編號(hào)為8，滴膠量為1 mL. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)涂膜厚度隨著光刻膠粘度的增加而增大.

但在光刻膠粘度在4.5 ×10-3～1.29 ×10-2m2/s 之間出現(xiàn)了明顯的刮痕，而在粘度低于4.5 ×10-3m2/s 和介于4.5 ×10-2～8.0 ×10-2m2/s 之間均無(wú)刮痕出現(xiàn). 利用顯微鏡XJL-302(廣州粵顯光學(xué)儀器有限責(zé)任公司)在50 倍放大倍數(shù)下，分別觀察A、B、C 這3 種不同粘度的光刻膠涂膜所出現(xiàn)的刮痕情況(圖5). 用Dektak XT 臺(tái)階儀測(cè)量刮痕寬度和深度，結(jié)果為刮痕深度:C ＞B ＞A，這是由于光刻膠的粘度C ＞B ＞A 所引起的，而3 種刮痕的寬度卻相同(約101 μm)，由于編號(hào)為8 的涂布棒齒輪寬度約為103 μm，兩者寬度相近，因此可知刮痕的形貌正是涂布棒的齒輪形狀. 為了研究出現(xiàn)刮痕的原因，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在上述實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，只改變墊板的硬度，即將置于海綿頂層厚為1.1 mm 的塑料板替換成厚為1.1 mm 的玻璃板，重復(fù)對(duì)粘度為4.5 ×10-3～1.29 ×10-2m2/s 之間的光刻膠進(jìn)行涂布實(shí)驗(yàn)，涂膜表面并未出現(xiàn)刮痕. 由此可以判斷在墊板非常柔軟時(shí)，涂布棒與ITO 樣片的接觸較為緊密，光刻膠粘度在4.5 ×10-3～1.29 ×10-2m2/s之間流動(dòng)性較差，涂布過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)與涂布棒齒輪形貌相同的刮痕;雖然涂布棒與ITO 樣片的接觸較為緊密，但光刻膠粘度低于4.5 ×10-3m2/s 時(shí)，光刻膠溶液的流動(dòng)性好，在粘度為4.5 ×10-2～8.0×10-2m2/s 之間，雖然光刻膠流動(dòng)性差，但光刻膠彈性較高且快速固化，反而不容易產(chǎn)生刮痕，因而涂膜在這兩個(gè)粘度范圍內(nèi)無(wú)刮痕產(chǎn)生.

圖5 不同粘度涂膜所出現(xiàn)的刮痕Figure 5 The film scratches of photoresist with different viscosities

利用上述方法，在柔軟的高密度海綿頂層放置1.1 mm 厚的玻璃板改善了刮痕，進(jìn)行不同粘度的涂布實(shí)驗(yàn)(圖6)，膜厚隨著光刻膠粘度的升高而變厚，與光刻膠粘度成正比關(guān)系，由于涂布到基材上的光刻膠溶液體積相同時(shí)，光刻膠粘度越大，對(duì)應(yīng)單位體積的固體含量越高，涂布干燥后所得的干膜則越厚.通過(guò)該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了線(xiàn)棒涂布法可以涂布粘度高達(dá)8.0 ×10-2m2/s 的光刻膠，這解決了目前多數(shù)涂布技術(shù)無(wú)法涂布高粘度涂料的問(wèn)題. 但隨著光刻膠粘度的增大，涂膜的均勻性變差，因?yàn)檎扯却蟮墓饪棠z流平性比粘度低的差.

2.3 涂布棒大小

選擇涂料為SU-8 2005 光刻膠、涂布速度為2.42 cm/s、滴膠量為0.3 mL、墊板為20 mm 厚的高密度海綿基板，分別用5 根不同編號(hào)的涂布棒進(jìn)行涂布，其對(duì)應(yīng)的齒輪寬度和深度如表1 所示，齒輪的寬度和深度隨著涂布棒尺寸的增加而增大，涂布棒上的齒輪寬度和深度對(duì)涂膜厚度和均勻性的影響至關(guān)重要，涂膜厚度與涂布棒編號(hào)、均勻性的關(guān)系如圖7 所示.

圖6 涂膜厚度與光刻膠粘度的關(guān)系Figure 6 Film thickness versus SU-8 viscosity

圖7 涂膜厚度與涂布棒尺寸的關(guān)系Figure 7 Film thickness versus size of coating bars

隨著涂布棒尺寸的增大，對(duì)應(yīng)的齒輪越寬且越深，則涂布棒與玻璃樣片表面之間的空隙越大，因此，填充在空隙中的光刻膠的量越多，涂膜厚度越厚. 此外，隨著齒輪寬度和深度的增加，涂膜的均勻性偏差先減小后增大. 這是因?yàn)辇X輪較窄和較淺時(shí)，如涂布棒7 號(hào)，涂膜厚度小，不穩(wěn)定且難控制，從而均勻性較差;相反，齒輪越寬和深，如涂布棒12 號(hào)和15 號(hào)，涂膜厚度調(diào)節(jié)范圍加大，厚度波動(dòng)相應(yīng)增大，同樣會(huì)出現(xiàn)涂膜均勻性變差. 從圖7 中可以看出，8 號(hào)涂布棒涂布的膜厚較均勻. 可見(jiàn)涂布棒上的齒輪對(duì)涂膠效果有較大的影響，因此，每次涂布結(jié)束，都需要對(duì)涂布棒用顯影液浸泡沖洗，再用異丙醇沖洗，最后用氮?dú)獯蹈桑员ＷC清洗掉齒輪中殘留的光刻膠和其他粉塵顆粒.

2.4 涂布速度

涂布機(jī)利用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿和涂布棒，速度連續(xù)可調(diào). 電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿，通過(guò)推桿施加給涂布棒一定的動(dòng)力使其勻速運(yùn)動(dòng). 在選擇涂料為SU-8 2005 光刻膠、涂布棒編號(hào)為8、滴膠量為0.3 mL、墊板為高20 mm 的高密度海綿等參數(shù)固定條件下，為了驗(yàn)證涂布速度與涂膜厚度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)試同一運(yùn)動(dòng)距離下所需的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，每組測(cè)量3 次，再計(jì)算得出8 組不同的速度(表3).

涂膜厚度和均勻性與涂布棒相對(duì)于玻璃樣片運(yùn)動(dòng)速度之間的相互關(guān)系如圖8 所示，在涂布速度為1.07 ～4.17 cm/s 之間，膜厚隨著涂布速度的增加沒(méi)發(fā)生明顯變化，表明此區(qū)間內(nèi)的涂布速度對(duì)涂布膜厚無(wú)明顯影響. 可能的原因是1.07 ～4.17 cm/s范圍的涂布速度變化不足以影響膜厚的變化，而涂布棒與海綿墊板接觸較緊密，壓力作為主要的影響因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于涂布速度對(duì)涂膜厚度的影響，因而在此小范圍的涂布速度變化對(duì)膜厚的影響不大. 此外，涂膜的均勻性在速度為2.42 ～4.17 cm/s 范圍內(nèi)更佳.

表3 涂布速度測(cè)量Table 3 Coating speed measurement

圖8 涂膜厚度與涂布速度的關(guān)系Figure 8 Film thickness versus coating speed

2.5 墊板高度

圖9 涂膜厚度與墊板高度的關(guān)系Figure 9 Film thickness versus the height of supporting materials

選擇SU-8 2005 光刻膠作為涂料、涂布棒編號(hào)為8、涂布速度為2.42 cm/s、滴膠量為0.3 mL、墊板為高密度海綿等參數(shù)固定條件下，比較墊板的高度對(duì)涂膜的影響(圖9)，在墊板高度為5 ～40 mm 之間，涂膜厚度隨著墊板高度的增加而無(wú)明顯改變.由于樣片高度增加，根據(jù)受力分析，一方面推桿與涂布棒對(duì)樣片的壓力減小，而另一方面涂布過(guò)程中涂布棒對(duì)樣片的壓力也會(huì)增加，兩者相抵消一部分后，總體對(duì)涂布所得膜厚影響不明顯. 此外，由圖可知涂膜的均勻性在墊板高度為25 ～35 mm 較好.

3 結(jié)論

線(xiàn)棒涂布法不僅操作簡(jiǎn)單、涂布速度快、節(jié)省材料，而且還可以涂布高粘度的涂料和在大面積基材上進(jìn)行涂布. 研究線(xiàn)棒的涂布工藝發(fā)現(xiàn)，使用硬度較小的墊板可以得到更均勻的涂膜. 由于柔軟墊板的支持作用，涂布速度在1.07 ～4.17 cm/s 之間和墊板高度在5 ～40 mm 之間膜厚基本不變. 涂膜的厚度隨著光刻膠粘度和涂布棒尺寸增大而增厚. 此外，滴膠的量對(duì)膜厚影響不大. 可通過(guò)以下方式獲得更均勻的涂膜:更軟的墊板、較低粘度的涂料和尺寸適中的涂布棒. 未來(lái)，在下一代光電器件需求的帶動(dòng)下，線(xiàn)棒涂布法將朝著更高性?xún)r(jià)比、節(jié)省材料和更高均勻度的方向發(fā)展. 線(xiàn)棒涂布法有很多潛在的應(yīng)用，如在疏水材料表面上涂布親水材料，反之亦然，因此，可用它來(lái)涂布高粘度材料、厚的薄膜、大面積基材和具有不同表面潤(rùn)濕性的材料.

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