节省光刻胶的超声雾化喷涂工艺雾锥特性研究

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Research on the Spray ConeS Characteristics of the PhotoresistSaving·-oriented Ultrasonic Atomizing Spraying ProcessXIANG Dong QU Degang MOU Peng WANG Han LIUNan(1.Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084；2.Department ofOil Supply Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311)Abstract：The photoresist is widely used in integrated circuit and micro electro·mechanical man ufacturing systems processes.buttraditional spin coating process will loss 95% of photoresist an d CaUSe negative environment impact for its high toxicity，which needhigher disposing cost.Improving the utilization rate of the photoresist is one of the main objects of the coating process.Based on theself-developed 100 kHz ultrasonic nozzle，the film uniformity problem during the photoresist saving-oriented ultrasonic atomizingspraying process is studied.After analyzing the flow field distribution of carrier gas，a force and collision model is built to studybehavioral characteristics of atomized droplets in rotating and symmetrical airflow field and then proposed a numerical simulationprocedure to study transport processes of atomized droplets，which could analyze the impact of gas flow，fluid flow and spray conecross-section height on atomized dropletS particle size and concentration distribution efectively.Th e actual ultrasonic atomi zingspraying experiment was carried out on 304.8 nlnl wafer using photoresist AZ4999.The results shows that the ultrasonic atomizingspraying nozle cal achieve high film uniformity and save about 80%photoresist when compared with spin coating process。

Key words：Ultrasonic nozzle Spray coneS characteristics Spraying process Droplet transport0 前言光刻胶又称光致抗蚀剂，是由感光树脂、增感剂和溶剂等组成的光敏感混合液体，在集成电路、太阳能光伏、微机电系统(Micro electro.mechanical·国家科技重大专项资助项I1(02专项，2009ZX02008.0o5)。20120918收到初稿，20130215收到修改稿systems，MEMS)等领域应用广泛。为了获得高均匀性的光刻胶薄膜，多采用旋转涂胶工艺。利用旋转涂胶工艺所获得的光刻胶薄膜最终厚度是由光刻胶的粘度、表面张力和转盘的旋转角速度等因素来决定的，绝大多数的光刻胶因旋转涂胶时的离心力被甩离晶圆表面，造成浪费，光刻胶利用率极低。据统计 1986年的工艺水平光刻胶的涂覆效率只有0.04%，1991年上升到 1.6%，1995年上升到 6.3%l。

14 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期另据文献[2]记载大约95%98%的光刻胶都飞离了晶圆表面。废弃的光刻胶不能被重用，且因其含有多种有机溶剂会对环境和人体降造成较大的损害，因此需要进行预处理后才能排放到环境中，预处理费用达到了光刻胶消耗成本的 60%L3J。因此，提高光刻胶利用率是光刻胶薄膜制备追逐的 目标之-。

另外，随着先进封装工艺和微电子机械系统(Micro-electromechanical systems，MEMS)应用的快速发展，传统的旋转涂胶工艺难以在形貌起伏很大、高深宽比的非平面表面实现光刻胶的均匀涂覆，而且对于非圆形基片表面的涂覆同样无法达到理想的工艺效果[41。为此，研究新的光刻胶薄膜制备工艺- 直是目前学术界和工业界研究的热点。

超声雾化喷涂电源功耗低，产生的雾化液滴平均粒径孝均匀性好，液滴直接喷涂在晶圆表面上，光刻胶利用率高，因此被认为是-种绿色的光刻胶薄膜制备工艺。然而，超声喷嘴雾化表面的雾化液滴初始速度小，易于受到周围空气的扰动，如果没有辅助气流的作用，很难形成固定的喷涂图案，而且雾化后液滴数量大，在向下运动过程中，又会重新凝聚，形成大的液滴，不利于获得高质量的光刻胶薄膜，难以实现理想的喷涂效果。

为了获得高质量的光刻胶薄膜，必须保证超声雾化喷涂雾锥特性的稳定，为此，本文在自行设计的超声雾化喷嘴基础上，分析了载气流场的分布，通过建立雾化液滴的受力模型、碰撞模型，实现了对液滴输运过程的模拟，得到了稳定的超声雾化喷嘴雾锥特性，并通过喷涂试验验证了光刻胶薄膜制备效果，实现了光刻胶的节剩1 超声雾化喷嘴的结构超声雾化喷嘴由超声振动系统、安装底座、外壳和旋片组成，图 1为本课题组自行开发喷嘴的外部结构，图2为其内部结构。喷嘴的外壳与喷嘴振动系统的雾化头之间留有载气通过的环状缝隙。外部施加的载气从喷嘴安装底座(顶部)进入到喷嘴内部，流经装在振动系统上的旋片，形成旋转的气流，然后沿着外壳与雾化头之间的缝隙流出，在喷嘴外部(实际工作时为喷嘴向下，喷嘴雾化表面法线方向指向地心)形成旋转的气流。旋片设计有与喷嘴轴线方向成-定角度的斜槽，旋片上斜槽的夹角大婿定了载气气流的旋转强度。文中旋片上斜槽与喷嘴轴线的夹角大小为 45。。从雾化表面喷出的雾化液滴，在旋转气流作用下形成固定的喷雾雾锥。

载气液体雾化表面图 1 超声雾化喷嘴的外形结构图2 超声雾化喷嘴的内部结构2 超声雾化喷嘴载气流场的建立为了获得稳定的喷涂雾锥特性，首先应该确定超声雾化喷嘴载气流场的分布特性。通过建立超声雾化喷嘴底座、外壳、振动系统、旋片等结构的三维模型以及考虑流体计算域各部分几何尺寸，建立喷嘴的网格计算模型，因喷嘴在正常工作时其雾化表面的振幅不会超过 50 pan ，因而在建立计算模型时认为喷嘴振动系统是静止不动的，并假设载气为不可压缩流体，湍流模型选择雷诺应力模型，采用二阶迎风格式离散，利用 SIMPLE算法求解，计算类型为稳态流动。喷嘴的入口为质量流量边界条件，出口为自由出流边界条件。

由于光刻胶喷涂过程中须避免液滴喷射到基片上引起飞溅，载气流量-般不超过 1.5 m3m。本文在仿真分析时采用三种不同的体积流量 0.5 m3/h、1.0 m3/h和 1.5 /l对载气流厨行了模拟。图 3为0.5 /h载气流量下距离喷嘴出口2 mnl的雾锥截面(雾锥截面是指垂直于喷嘴轴线的平面与雾锥的相交面，形状为-个圆1上气流的速度在 ANSYS后处理拈中的截图。图4为沿雾锥截面径向的速16 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 7期- - 参与碰撞的两个液滴中小液滴的半径大小液滴球心的连线在其相对速度Ⅳ12垂直方向上的投影液滴的碰撞结果分为弹回、永久合并、拉伸分离、反身分离[8]。利用超声雾化喷涂技术来制备光刻胶薄膜 的实际工作条件 ，载气 的流速不大，因而液滴合并后很少发生反身分离，同时实际的液滴碰撞结果中，发生弹回的碰撞概率也很小，因而本文研究的液滴碰撞只考虑合并和拉伸分离两种碰撞形式。液滴碰撞后，是发生合并还是发生拉伸分离可采用 GA、，AISES等[9]提出的准则进行判断，即 (rlr2) min(1.0，2.4f(y)/We) (9)式中， 。 为临界偏心距。

， 函数可简化表示为厂( ) -2.47 2.7 (10)两个液滴发生碰撞，当碰撞数B

发生碰撞后，液滴之间要进行动量和能量交换，液滴发生合并的计算如下l 1v -ml m2V2- r2 v2 m1m2 rl。r2 (11)Irn ( r2 )式中 --碰 撞后形成的新液滴的速度mew--新液滴的半径m1，m2--大小液滴的质量液滴发生分离后，液滴的质量保持不变，而速度的计算可表示为式中， w、 - 为碰撞后液滴的新速度。

3-3 液滴的碰撞判定超声雾化喷嘴应用于喷涂作业，连续供给的液体不断地流到雾化表面，形成大量的细信粒。以常见的AZ4999光刻胶喷涂作业条件为例，喷嘴的谐振频率为 100 kHz，按 LANG[I1的计算公式，大致形成平均液滴直径为1 4.4 gm的液滴，液滴按14.4gm、流量按 2 mL/min计算，则每秒钟从雾化表面上产生的液滴数为21 320 267个。

对于数 目如此巨大的液滴，限于当前的计算机硬件水平，无法对每个液滴都进行跟踪，本文采用OROURKE E11]提出的粒子包方法，即每个粒子包含有固定数 目的液滴，这些液滴具有 同等粒径、同等速度的性质。在计算中，假设每个粒子包均包含 个粒子数，在对颗粒的运动轨鉴行计算时，因粒子包里面的任何-个粒子其性质均相同，则粒子包中 1个粒子的运动就代表了整个粒子包中所有粒子的运动，因而计算量降低了n倍。

假设每个粒子包 中包含的液滴均匀地分散在计算单元 中，只有位于同-计算单元的液滴才会发生碰撞 ，根据分子动力学理论，两个液滴发生碰撞的频率可表示为u 7c(，i ) I/gl2I (13)ce1I式中 o--两个液滴发生碰撞的频率，z--粒子包包含的粒子数目。l--计算单元格的体积两个液滴发生碰撞的概率符合泊松分布，可表示为kPexp(- ) (14)：因而两个液滴不发生碰撞的概率为Poexp(- ) (15)2vAt (16)式中， 为模拟计算的时间间隔。

以粒子包为基本单位研究液滴之间的碰撞，粒子包中的所有液滴具有相同的碰撞行为，即根据概率，要么全部碰撞 ，要么全部不碰撞 ，碰撞后的行为也是-致，这种方法液滴碰撞 的概率明显大于实际碰撞的概率，这是因为在同-个计算单元中，两个液滴在反向运动的情况下根本不可能发生碰撞 ，但按照分子动力学理论则因其处于- 个计算单元中，液滴间可能发生碰撞，亦即粒子包间可能发生碰撞。为此，本文采用 NORDIN[ 对液滴碰撞频率的修正，规定两个液滴必须相向运动，才能发生碰撞 ，即( - )踽 <0 (17)式中，P1、P2为大液滴的位置矢量3.4 超声雾化喷嘴的液滴输运数值模拟在雾化液滴受力模型和碰撞模型的基础上，便可对超声雾化喷嘴的液滴输运过程进行数值模拟，弄清液滴的运动过程，指导光刻胶薄膜制备。下面从雾化液滴输运的网格划分、边界确定和数值模拟的计算流程等方面进行讨论。