浸涂 – dip coating

如果要涂覆的衬底的类型或尺寸既不适合旋涂也不适合喷涂,或者对单衬底上消耗光刻胶成本有严格要求的情况下, 通常可考虑使用浸涂工艺 。
本文将介绍浸涂工艺,并对浸涂技术中常见的问题进行了说明和解答。

浸涂工艺的基本原理

浸涂的基本原理

在浸涂过程中,基材通常垂直地从一个充满光刻胶的液池中提出来。富含溶剂的光刻胶膜从饱和溶剂的气氛中形成。
光刻胶液池正上方的饱和溶剂气氛中(图1所示),形成的光刻胶膜首先向下流动。

只有当足够的溶剂从光刻胶膜中挥发后,才会使胶层变薄。因此,可以通过光刻胶膜在饱和溶剂气氛中的停留时间以及衬底的拉伸速度来调节光刻胶的厚度 (高拉伸速度=高抗蚀膜厚度)。

优点

图1 光刻胶浸涂示意图

当衬底的尺寸、重量或几何形状难以通过旋涂实现时,浸涂是一种合适的涂胶技术。

如果光刻胶的消耗是一个重要的成本因素,那么浸涂工艺的光刻胶具有极高的产率(100%,如果只需要在衬底的一面涂上光刻胶,则分别为50%)。然而,人们必须考虑这样一个事实,即一定的抗蚀剂体积是需要填补液池第一次。由于极高的产率,当光刻胶在使用前耗尽时,也有必要替换掉槽内的所有光刻胶。

缺点

浸涂工艺不适合双面涂布或涂布孔或沟槽的光刻胶要求,这在技术上是很难避免的。
带有图形的衬底或者有宏观三维结构的样品,其上有大量的光刻胶可以在刚被涂覆的衬底上流动,因此衬底上很难获得均匀厚度的胶膜。

浸涂技术

在分离的刚性的衬底的情况下,从液池中垂直拉伸是一种选择。
一种连续的辊对辊涂胶技术也可用于薄膜胶层,在这种技术,基材从一卷中经过一个充满光刻胶的容器,并在随后的干燥后重新卷绕到另一卷上。

设备要求

液池

为了使所需的光刻胶体积最小化,并在液体光刻胶上方保持恒定的溶剂气氛,包含光刻胶的液池-光刻胶的容器-应比衬底(在三个方向上)大一丁点。 因此,针对平坦的衬底如金属板或者晶圆衬底液池需要扁平的设计。增加液池的尺寸并不会影响涂层的结果,但会增加初始所需的光刻胶的量以及每次填充的光刻胶的寿命。
如果没有计划大规模系列生产,也必须考虑到这一点,因此在有效质保期到来前必须替换掉原有的光刻胶。

在辊对辊涂层的情况下,出于成本原因,建议提前估算光刻胶的失效日期内所需的光刻胶的体积。

液池的侧壁和密封件必须选用对光刻胶溶剂具有永久的化学稳定性材料如聚四氟乙烯、HD-PE或不锈钢等材料。
如果两次浸涂工艺之间需要暂停一定的时间的情况下,需要使用盖子封闭液池,以最大限度地减少溶剂的挥发和其他颗粒污染物的进入。

光刻胶填充和质保期

在填满光刻胶后,需要等待至少几个小时(例如一夜的时间)方可使用,以排出光刻胶中的气体和气泡。如果第一次浸涂后发现的衬底上仍然显示许多缺陷,则说明可能仍然有气泡在光刻胶中。
浸涂光刻胶通常会被高度稀释,特别是在室温下,会降低其保质期。3 – 6个月后,液池中需要填充新光刻胶,而且是全部替换,以避免过期的光刻胶进入下一轮新的光刻胶中。
在一定的循环中对低沸点、挥发性较强的溶剂的浓度需要进行测量,可以及时补充蒸发损失的量。这种测量也可通过光刻胶的粘度或其密度来进行,因为低沸点的溶剂,如丙酮或MEK,其密度通常比抗蚀剂的原始组成要低得多。

衬底悬挂

衬底悬挂的上部分不应浸入液池内光刻胶中。否则,光刻胶将会从上流下来并破坏已经成膜的区域,从而造成光刻胶薄膜厚度的强烈不均匀性。

电机和电机控制

提升基材的电机应连续、无振动运转。否则,光刻胶膜厚度将表现出典型的水平线状不均匀。出于同样的原因,整个浸渍涂设备应该是无振动的,周围的空气流保持恒定。可实现的提拉速度应该在~1 – 20mm/s,典型的提拉速度3 – 10mm/s下可获得胶厚为微米级别。

操作避免颗粒污染

浸涂机放置的房间内的空气应尽可能无颗粒污染物,因为任何杂质在液池内可累积数周或数月,即使在不太关键的工艺中,也会由于胶膜中的缺陷而降低产量。

在涂层之间,盖上可以盖子最大限度地减少了溶剂从试管的蒸发或颗粒污染物的进入。

浸涂光刻胶

当选择最适合于特定应用的浸涂光刻胶时,最基本的标准是选择正胶、负胶或图形反转胶,以及对应工艺下的分辨率和显影后的应用类型。

光刻胶的溶剂成分决定可浸涂胶层的质量:低沸点的溶剂会在几秒钟内挥发从而增加刚形成的光刻胶膜的粘度,防止光刻胶在衬底上的流动,获得的胶厚较厚。高沸点的溶剂可以防止溶剂快速挥发,从而使光刻胶膜在室温下几分钟内变得更平滑。

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