沈阳芯源微电子设备有限公司 110168
摘要：主要就简易匀胶机系统的结构设计、控制电路设计、技术特点、工作原理、性能、应用场合、影响质量的关键因素等进行了阐述。
关键词：匀胶机；涂胶；光刻
随着社会的不断向前发展，人们对生活质量的需求愿望也在日益提升，如高质量、多功能的电子设备。
可以说目前半导体行业的发展状况决定了电子产品质量、功能的现状。匀胶机是半导体芯片制造工艺中实现光刻工艺设备中关键性的一个，匀胶机有许多常用名称：甩胶机、涂胶机、涂层机、旋转涂胶机、旋转涂膜机、旋转涂层机、旋转涂布机、旋转薄膜机、旋转涂膜仪等，主要应用于溶胶凝胶实验中的薄膜制作。其工作原理是高速旋转基片，利用离心力使滴在基片上的胶液均匀的涂在基片上，厚度视不同胶液和基片间的粘滞系数而不同，也和旋转速度及时间有关。
匀胶机适用于半导体、硅片、晶片、基片、导电玻璃及制版等表面涂覆工艺，可在工矿企业、科研、教育等单位作生产、科研、教学之用。
随着涂胶技术的应用推广，手工涂胶存在三方面的问题：（1）生产率低；（2）刷胶不均匀；（3）操作者易受有毒气体侵害。考虑到成本等多方面的因素，我们课题组开发研制了简易匀胶机，主要应用于科研及学生实习中。下面就匀胶机的基本结构以及应用做一些探讨。
1 影响关键工艺质量因素
影响其胶膜均匀度和可靠性的主要因素在于：转速、加速度、腔体环境、气流和工艺过程温度湿度等。（1）在旋转涂胶中，转速是最重要的因素之一，通常决定了最终的胶膜厚度。较小的速度变化就能导致胶膜厚度较大的变化。旋转速度过高或过低都会使基片涂胶失败。因此提供匀胶转速用的电机控制精度要求非常高。（2）加速度对涂胶的均匀性有着重要的影响。在涂胶环节的第一部分，胶液开始变干，精确地控制加速度十分重要，胶液中 50%的溶剂在加速过程中汽化蒸发。旋转过程提供了一个离心力（向外）给胶液，加速度提供给胶液扭曲力，此力使胶液均匀通过和覆盖基本表面。最终形成的胶膜均匀性与适当的加速度密切相关。（3）涂胶工艺受到腔体环境（排风、气流等）的影响。在涂胶过程中胶液的挥发烘干速度取决于液体本身的自然属性，也受到涂胶过程中晶圆片周围空气情况的影响。涂胶过程中特别重要的一点是涂胶腔体内气体的流动和与之相关的乱流要减到最小。通过腔体的排风系统可以减少不希望的乱流，这样可以使液体凝固速度减缓，同时使对外界温湿度的敏感性减少。（4）胶液的精确供应对提高成品率及降低成本有很重要的意义。胶液不足造成无法覆盖全片，太多则对胶膜质量有影响且造成浪费。
2 匀胶机系统的组成部分
我们研究的涂胶机系统基本内容包括：匀胶均匀性、旋转平稳性、使用方便性、转速和时间的可控制性，采用数字显示硅片转速和时间具有直观性，安全防护作用等。我们研究的重点是提高涂敷胶膜的均匀性，难点是转动的平稳性和加速度的控制。下面就是我们研制的匀胶机的相关内容。
我们研制的匀胶机由两大部分组成：第一部分为真空吸附载片台组件，由真空泵、真空载台组件、台体和净化防护罩组成；第二部分为控制、测试和显示电路，由调速电机和转速控制电路、转速测试电路、时间设置和显示电路组成。
2.1 真空载台组成
真空吸附载片台组件主要由真空泵、真空载台组件、台体和净化防护罩组成。真空载台组件是其中的核心部分，由电机、吸附承片盘、吸气转动总成三大部分组成，固定在台体上并外加净化防护罩。吸附承片盘是有机玻璃以上部分，吸气转动总成是空心轴和轴套组成的吸气总成。
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硅片放在承片盘上，真空泵工作对承片盘和硅片之间抽真空，以保证承片盘转动时硅片被牢牢吸附在承片盘上，该部分的主要特点是：（1）吸附承片盘采用最新杯式结构，可方便地拆卸吸片盘和挡胶盘，以便及时清理沉积在挡胶盘底部的光刻胶；（2）吸片盘经研磨并采用真空抽气密封，具有吸附牢固、平稳的特点；（3）调节挡胶盘和吸片盘的相对高度，可以防止光刻胶反向溅射引起的拉丝现象；（4）将载片台组件用防护罩防护起来，防护罩采用有机玻璃箱制作防护罩和橡胶护袖、排风管密封连接，便于排风，防止硅片涂胶沾污和操作者吸入挥发的气体，使教学和科研安全进行。
3 控制、测试和显示电路的技术特点
3.1 调速电机和转速控制电路
驱动调速电机工作的稳压电源采用脉宽调制技术和当今先进的开关器件设计，具有效率高、工作频率高、电枢输出电压稳定度高和短路保护功能，其电枢电压从零到额定值连续可调，使电动机调速极为方便，由于电源的工作频率高，从而保证电动机在低转速下能稳定工作。为了使转速稳定、启动快，调速电机采用直流励磁电机，转速稳定度高，定子和转子分别供电，同时采用与直流励磁电机比较完美配合的调速控制装置，进一步稳定转速。
3.2 转速测试和显示电路
测速电路由霍尔开关和测速器组成。霍尔开关由霍尔元件和磁钢组成，霍尔开关是有源磁电转换器件，可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电脉冲信号，吸片盘每转一圈霍尔开关发出一个脉冲；测速器由单片机组成，接受来自经霍尔开关的脉冲，经处理得到每分钟的转速并且显示出来。利用霍尔开关和相应完美配合的测速器来测量吸片盘的转速，相对传统的匀胶机测速电路，这是一个创新。测速准确度高，误差小，而且稳定。霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点。
3.3 时间设置与显示电路
采用智能双数显计测器，可以在 0~99s 内按秒随意设定匀胶时间并在匀胶过程显示进程时间，匀胶机会在设定的时间停止匀胶。该智能双数显计测器寿命高，计时准确，误差小。工作范围 0.01~99.99s。
4 主要技术指标
经过我们的努力，完成了匀胶台的研制，同时匀胶台性能优、成本低，同时该设备不仅适合于教学实验、科研，也适用于生产。主要技术指标测量结果：
（1）工作电源：380V，50Hz
（2）匀胶时间：1~ 99s 可控可调。
（3）转速范围 100~ 8000rpm 可调
（4）胶的均匀性：优于±3%
（5）转速稳定度：优于±1%
（6）保护装置明显改善工作环境
（7）装片直径：Φ15mm~ Φ100mm 硅片及其他材料，匀胶工位 4 个，并可任意设定其中的几个工位工作。
该涂胶机研制成功后，投入实际运行，用于基片的涂胶。实践证明：该机性能良好，使用维护方便可靠，且成本低廉，值得进一步推广应用。为了适应产品的需求，我们将进行全自动涂胶机的研制。
参考文献
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[3]吴荣兵，杜润生，熊烽.自动涂胶机伺服控制系统的研制[J].机床与液压，2004（7）：50- 51.
论文作者:刘吉东
论文发表刊物:《探索科学》2017年2期
论文发表时间:2017/8/25
标签：涂胶论文; 转速论文; 霍尔论文; 硅片论文; 胶膜论文; 防护罩论文; 电路论文; 《探索科学》2017年2期论文;