基片清洗對(duì)旋轉(zhuǎn)涂膜的影響

旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)，又稱(chēng)勻膠機(jī)、甩膠機(jī)等，目前可應(yīng)用的領(lǐng)域很廣主要涉及微加 工、生物、材料、半導(dǎo)體、制版、新能源、薄膜、光學(xué)及表面涂覆等領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn) 涂膜機(jī)的基本原理是在高速旋轉(zhuǎn)的基片上，滴注各類(lèi)膠體或溶液，利用離心力使 滴在基片上的膠液均勻地涂覆在基片上，但涂后薄膜的質(zhì)量除與膠體或溶液的粘 稠度、膠液與基片間的粘滯系數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)、旋涂時(shí)間有關(guān)外，與基片清洗的質(zhì)量也 密切相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)主要研究在基片、溶液、旋涂參數(shù)相同的情況下基片的清洗對(duì) 旋轉(zhuǎn)涂膜后的薄膜質(zhì)量的影響。

實(shí)驗(yàn)材料：φ50×1 ㎜的玻璃片，高錳酸鉀溶液，酒精溶液，去離子水

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸谙嗤D(zhuǎn)速下對(duì)不同清洗方式的玻璃片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜，觀察基片的清 洗對(duì)薄膜形貌的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：科晶制造 VGT-1620QTD 超聲波清洗機(jī)、SKCS-1 吹干機(jī)、PCE-6 小型 等離子清洗機(jī)、VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)；單道連續(xù)可調(diào)微量移液槍?zhuān)?設(shè)備形貌如圖一所示。 超聲波清洗是為了去除基片表面分子級(jí)別的大的臟物和油污，使基片表面達(dá) 到潔凈的狀態(tài)，有利于下一步的進(jìn)行。 等離子清洗是使電離產(chǎn)生的離子轟擊樣品表面，在完成清洗去污的同時(shí)，還 可以改善材料本身的表面性能。如提高表面的潤(rùn)濕性能、改善膜在樣品表面的黏 著力等 [1]。等離子體清洗時(shí)等離子產(chǎn)生的熱量極低，不會(huì)影響材料的性能，因此 可以處理各種各樣的材質(zhì)，如金屬、半導(dǎo)體、氧化物、高分子材料（如聚丙烯、 聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂等高聚物）等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程： 首先取 8 片φ50×1 ㎜的玻璃片，放到 8 個(gè)干凈的杯子中，并做好編號(hào)，8 個(gè)編號(hào)分別為：未進(jìn)行任何處理、清水超聲振動(dòng)清洗、酒精超聲振動(dòng)清洗、清水超聲振動(dòng)清洗+等離子清洗、酒精超聲振動(dòng)清洗+等離子清洗、洗潔精清洗+清水 超聲振動(dòng)清洗+等離子清洗、洗潔精清洗+酒精超聲振動(dòng)清洗+等離子清洗、洗潔 精清洗+酒精超聲振動(dòng)清洗+去離子水清洗+等離子清洗。在進(jìn)行超聲清洗時(shí)水的 溫度都為 50℃。在 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)上設(shè)定涂膜程序?yàn)椋篠tep1，在 500rpm 的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 5s；Step2，在 2500rpm 的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 50s。進(jìn)行基片涂覆時(shí)每次 用移液槍取 120μl 的高錳酸鉀溶液。

實(shí)驗(yàn)一、基片未進(jìn)行任何處理 將未經(jīng)任何處理的玻璃基片放到旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)的真空吸盤(pán)上，開(kāi)啟控制面板上 pump 鍵，使旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)的真空泵開(kāi)始工作，將基片吸附在真空吸盤(pán)上，樣品固 定后如圖二所示，蓋上旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)上蓋，防止旋轉(zhuǎn)過(guò)程中飛片后傷人。將移液槍 插入旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)上蓋的對(duì)心工具中，準(zhǔn)備涂膜。按控制面板上 Run 鍵，使設(shè)備開(kāi) 始運(yùn)行，當(dāng)真空吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)將高錳酸鉀溶液滴加一次在基片上，使溶液在 500rpm 時(shí)在基片上進(jìn)行一定的鋪展，當(dāng) Step1 結(jié)束，浸入 Step 階段時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到 2500rpm，此時(shí)將剩余的溶液全部滴加到基片表面，整個(gè)注液過(guò)程結(jié)束，待機(jī)器 停止運(yùn)轉(zhuǎn)后整個(gè)涂膜過(guò)程結(jié)束。關(guān)閉真空泵，取下涂后的基片觀察基片表面的薄 膜形貌，從圖三①可見(jiàn)，玻璃基片表面只有中心和周?chē)俨糠置娣e上有薄膜存在， 其余部位只零星覆蓋少量的薄膜。說(shuō)明未經(jīng)處理的基片表面對(duì)液體的附著能力 弱，致使高錳酸鉀溶液很難附著在玻璃基片表面。這是因?yàn)椋唇?jīng)處理的玻璃基 片表面會(huì)殘留有臟物，油污及離子等污染，有這些污染物的存在就使薄膜溶液和 基片很難直接接觸，這樣就降低溶液的附著性，使涂后的薄膜質(zhì)量大大降低。

 實(shí)驗(yàn)二、清水超聲振動(dòng)清洗 將杯中倒入一定量的清水，水將玻璃片全部淹沒(méi)，然后將杯子放入 VGT-1620QTD 超聲波清洗機(jī)中超聲清洗 10min，水溫加熱到 50℃。超聲清洗結(jié)束 后將玻璃片取出，表面用酒精沖淋，然后用 SKCS-1 吹干機(jī)將玻璃片吹干，吹干 后的玻璃片放到 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)的真空吸盤(pán)上，開(kāi)啟真空泵將玻璃基片 固定，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的操作過(guò)程，涂膜過(guò)程結(jié)束后觀察涂后的薄膜，從圖三② 可見(jiàn)，與未經(jīng)任何處理的基片涂后的薄膜相比，經(jīng)過(guò)清水處理的基片表面的薄膜 狀態(tài)并沒(méi)有太多改善。

實(shí)驗(yàn)三、酒精超聲振動(dòng)清洗 將清水換成酒精溶液再對(duì)基片進(jìn)行超聲清洗 10min，溫度為 50℃。超聲清洗 結(jié)束后將玻璃片取出，表面用酒精沖淋，然后用 SKCS-1 吹干機(jī)將玻璃片吹干， 吹干后的玻璃片放到 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)的真空吸盤(pán)上，開(kāi)啟真空泵將玻璃 基片固定，重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的操作步驟，旋涂結(jié)束后觀察基片表面的薄膜形貌，從圖 三③可見(jiàn)與實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二相比實(shí)驗(yàn)三涂后的薄膜表面狀況改善狀況亦不明顯。

圖三 未經(jīng)等離子清洗的基片上的薄膜形貌圖

通過(guò)以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜前若不進(jìn)行處理或只進(jìn)行簡(jiǎn)單的超聲 清洗，不能在基片表面涂出完整的均勻的薄膜薄膜。因此應(yīng)對(duì)基片表面進(jìn)行更深 層次的清洗。

實(shí)驗(yàn)四、清水超聲振動(dòng)清洗—等離子清洗 將基片在 50℃清水中用超聲清洗 10min 后用酒精沖淋，再用 SKCS-1 吹干機(jī) 將玻璃片吹干，吹干后將基片放入 PCE-6 等離子清洗儀中再清洗 10min，從而清 除樣品表面殘留的離子級(jí)別的污物，并改善玻璃片表面的親水性。將經(jīng)等離子清 洗后的基片固定到 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機(jī)上進(jìn)行涂膜，涂后的薄膜如圖四①所 示，與前三個(gè)實(shí)驗(yàn)相比經(jīng)等離子清洗后的玻璃基片表面旋涂的薄膜質(zhì)量有了明顯 的提高，基片表面絕大多數(shù)面積都涂上了一層薄膜，但用肉眼觀察，薄膜的均勻 性欠佳，說(shuō)明薄膜表面雖然親水性有了明顯的改善，但是潔凈程度還不達(dá)標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)五、酒精超聲振動(dòng)清洗—等離子清洗 將實(shí)驗(yàn)四中的清水換成酒精之后，其它的處理方式與實(shí)驗(yàn)四相同，涂后的薄 膜如圖四②所示，可見(jiàn)，雖然整個(gè)玻璃片表面未*涂上薄膜，但薄膜厚度均勻 性有了明顯的改善。說(shuō)明用酒精超聲清洗+等離子清洗的玻璃基片表面的潔凈程 度相比與用水超聲波清洗+等離子清洗的基片要高一些。

實(shí)驗(yàn)六、洗潔精清洗—清水超聲振動(dòng)清洗—等離子清洗 在實(shí)驗(yàn)四的實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行清水超聲清洗前用洗潔精先對(duì)玻璃基 片表面進(jìn)行臟物和油污的清洗，清洗干凈后用清水將基片表面的洗潔精沖洗干 凈，然后按實(shí)驗(yàn)四的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察玻璃基片表面的薄膜狀態(tài)， 從圖五①可見(jiàn)，薄膜的面積有小幅度的增加，薄膜厚度均勻性也較好。說(shuō)明最開(kāi) 始的洗潔精清洗能去除絕大多數(shù)肉眼可見(jiàn)的臟物和油污，該清洗過(guò)程十分必要。

實(shí)驗(yàn)七、洗潔精清洗—酒精超聲振動(dòng)清洗—等離子清洗 將實(shí)驗(yàn)六中的清水換成酒精后，再按實(shí)驗(yàn)六的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)涂膜 后的玻璃基片表面的薄膜形貌如圖五②所示，可見(jiàn)，整個(gè)玻璃基片表面幾乎全部 覆蓋上薄膜，肉眼觀察玻璃片邊緣處薄膜厚度不均勻，中心位置薄膜均勻性很好， 與以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn)，用洗潔精清洗干凈的玻璃基片，再用酒精進(jìn)行超聲清 洗，酒精可溶解玻璃基片表面殘留的有機(jī)物分子，且能去除基片表面的分子級(jí)別 的殘留物，再經(jīng)等離子清洗去除玻璃基片表面離子級(jí)別的污物，同時(shí)改善基片表 面的親水性，因此可以涂出相對(duì)較好的薄膜。

圖五 經(jīng)洗潔精清洗后的基片表面的薄膜形貌圖

實(shí)驗(yàn)八、洗潔精清洗—酒精超聲振動(dòng)清洗—去離子水超聲振動(dòng)清洗—等離子清 洗 與實(shí)驗(yàn)七相比實(shí)驗(yàn)八主要步驟是先用洗潔精清洗基片，去除基片表面的大塊 的臟物和油污，由于洗潔精屬于有機(jī)溶劑，因此再用酒精超聲波清洗，使玻璃基 片表面殘留的有機(jī)溶劑溶解在酒精當(dāng)中，超聲清洗后用酒精沖淋基片表面，再用 去離子水沖淋基片表面，然后將基片放入去離子水中再進(jìn)行 10min 的超聲振動(dòng)清 洗，使基片表面殘留的離子污染物部分溶解到去離子水當(dāng)中，去離子水超聲清洗 后再用酒精沖淋樣品表面，然后用 SKCS-1 吹干機(jī)將玻璃片吹干，放到 PCE-6 等 離子清洗儀中進(jìn)行等離子清洗，清洗后的玻璃基片再固定到 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂 膜機(jī)上進(jìn)行涂膜，從圖六可見(jiàn)玻璃基片表面旋涂上一層完整均勻的薄膜，說(shuō)明實(shí) 驗(yàn)八中的 4 步清洗對(duì)玻璃基片表面的大分子污物清洗，小分子殘留物，離子殘留 物清洗的較*，對(duì)旋涂后薄膜的質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。

圖六 經(jīng)去離子水清洗后的基片表面薄膜形貌圖

需要注意的是每次超聲清洗后取出的樣品都要用酒精沖淋一下，去除玻璃基 片表面的雜物，然后再進(jìn)行下一步處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 通過(guò)將實(shí)驗(yàn)一至實(shí)驗(yàn)八進(jìn)行對(duì)比可以得出結(jié)論，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膜時(shí)，基片清 洗的好壞直接影響涂后薄膜的質(zhì)量。在進(jìn)行清洗時(shí)只清洗表面的污物和油脂是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)去除表面殘留的離子污染物，并改善基片表面的親水性，改善薄 膜材料在基片表面的粘附性，這樣才能得到質(zhì)量較好的薄膜。 針對(duì)不同的薄膜樣品需使用不同的工藝進(jìn)行清洗，可以在等離子清洗機(jī)中通 入不同的氣體進(jìn)行清洗。本實(shí)驗(yàn)較*的清洗玻璃基片的步驟為：洗潔精清洗+ 酒精超聲振動(dòng)清洗+去離子水超聲清洗+等離子清洗。