基片清洗對旋轉(zhuǎn)涂膜的影響

旋轉(zhuǎn)涂膜機，又稱勻膠機、甩膠機等，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) 涂膜機的基本原理是在高速旋轉(zhuǎn)的基片上,，滴注各類膠體或溶液,，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),、旋涂時間有關(guān)外,，與基片清洗的質(zhì)量也 密切相關(guān)。本實驗主要研究在基片,、溶液,、旋涂參數(shù)相同的情況下基片的清洗對 旋轉(zhuǎn)涂膜后的薄膜質(zhì)量的影響。

實驗材料：φ50×1 ㎜的玻璃片,，高錳酸鉀溶液,，酒精溶液，去離子水

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

實驗設(shè)備：科晶制造 VGT-1620QTD 超聲波清洗機、SKCS-1 吹干機,、PCE-6 小型 等離子清洗機,、VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機；單道連續(xù)可調(diào)微量移液槍,， 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別的大的臟物和油污，使基片表面達 到潔凈的狀態(tài),，有利于下一步的進行,。 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，還 可以改善材料本身的表面性能,。如提高表面的潤濕性能,、改善膜在樣品表面的黏 著力等 [1]。等離子體清洗時等離子產(chǎn)生的熱量極低,，不會影響材料的性能,，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)氧樹脂等高聚物）等。

實驗過程： 首先取 8 片φ50×1 ㎜的玻璃片,，放到 8 個干凈的杯子中,，并做好編號，8 個編號分別為：未進行任何處理,、清水超聲振動清洗,、酒精超聲振動清洗、清水超聲振動清洗+等離子清洗,、酒精超聲振動清洗+等離子清洗,、洗潔精清洗+清水 超聲振動清洗+等離子清洗、洗潔精清洗+酒精超聲振動清洗+等離子清洗,、洗潔 精清洗+酒精超聲振動清洗+去離子水清洗+等離子清洗,。在進行超聲清洗時水的 溫度都為 50℃。在 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂膜機上設(shè)定涂膜程序為：Step1,，在 500rpm 的轉(zhuǎn)速下運行 5s,；Step2，在 2500rpm 的轉(zhuǎn)速下運行 50s,。進行基片涂覆時每次 用移液槍取 120μl 的高錳酸鉀溶液,。

實驗一、基片未進行任何處理 將未經(jīng)任何處理的玻璃基片放到旋轉(zhuǎn)涂膜機的真空吸盤上,，開啟控制面板上 pump 鍵,，使旋轉(zhuǎn)涂膜機的真空泵開始工作，將基片吸附在真空吸盤上,，樣品固 定后如圖二所示,，蓋上旋轉(zhuǎn)涂膜機上蓋,，防止旋轉(zhuǎn)過程中飛片后傷人。將移液槍 插入旋轉(zhuǎn)涂膜機上蓋的對心工具中,，準(zhǔn)備涂膜,。按控制面板上 Run 鍵，使設(shè)備開 始運行,，當(dāng)真空吸盤旋轉(zhuǎn)起來時將高錳酸鉀溶液滴加一次在基片上,，使溶液在 500rpm 時在基片上進行一定的鋪展，當(dāng) Step1 結(jié)束,，浸入 Step 階段時轉(zhuǎn)速達到 2500rpm,，此時將剩余的溶液全部滴加到基片表面，整個注液過程結(jié)束,，待機器 停止運轉(zhuǎn)后整個涂膜過程結(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,，玻璃基片表面只有中心和周圍少部分面積上有薄膜存在， 其余部位只零星覆蓋少量的薄膜,。說明未經(jīng)處理的基片表面對液體的附著能力 弱,，致使高錳酸鉀溶液很難附著在玻璃基片表面。這是因為,，未經(jīng)處理的玻璃基 片表面會殘留有臟物,，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,。

 實驗二,、清水超聲振動清洗 將杯中倒入一定量的清水，水將玻璃片全部淹沒,，然后將杯子放入 VGT-1620QTD 超聲波清洗機中超聲清洗 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)涂膜機的真空吸盤上,，開啟真空泵將玻璃基片 固定,，然后重復(fù)實驗一的操作過程，涂膜過程結(jié)束后觀察涂后的薄膜,，從圖三② 可見,，與未經(jīng)任何處理的基片涂后的薄膜相比,，經(jīng)過清水處理的基片表面的薄膜 狀態(tài)并沒有太多改善。

實驗三,、酒精超聲振動清洗 將清水換成酒精溶液再對基片進行超聲清洗 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)涂膜機的真空吸盤上,，開啟真空泵將玻璃 基片固定,，重復(fù)實驗一的操作步驟，旋涂結(jié)束后觀察基片表面的薄膜形貌,，從圖 三③可見與實驗一和實驗二相比實驗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

通過以上三個實驗可見，進行旋轉(zhuǎn)涂膜前若不進行處理或只進行簡單的超聲 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)對基片表面進行更深 層次的清洗。

實驗四,、清水超聲振動清洗—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 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)涂膜機上進行涂膜,，涂后的薄膜如圖四①所 示,，與前三個實驗相比經(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標(biāo),。

實驗五、酒精超聲振動清洗—等離子清洗 將實驗四中的清水換成酒精之后,，其它的處理方式與實驗四相同,，涂后的薄 膜如圖四②所示，可見,，雖然整個玻璃片表面未*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。

實驗六,、洗潔精清洗—清水超聲振動清洗—等離子清洗 在實驗四的實驗過程的基礎(chǔ)上,，在進行清水超聲清洗前用洗潔精先對玻璃基 片表面進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,，然后按實驗四的步驟進行實驗,。實驗結(jié)束后觀察玻璃基片表面的薄膜狀態(tài)， 從圖五①可見,，薄膜的面積有小幅度的增加,，薄膜厚度均勻性也較好。說明最開 始的洗潔精清洗能去除絕大多數(shù)肉眼可見的臟物和油污,，該清洗過程十分必要,。

實驗七、洗潔精清洗—酒精超聲振動清洗—等離子清洗 將實驗六中的清水換成酒精后,，再按實驗六的實驗步驟進行實驗,，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,，整個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,， 與以上實驗進行對比可見,，用洗潔精清洗干凈的玻璃基片，再用酒精進行超聲清 洗,，酒精可溶解玻璃基片表面殘留的有機物分子,，且能去除基片表面的分子級別 的殘留物，再經(jīng)等離子清洗去除玻璃基片表面離子級別的污物,，同時改善基片表 面的親水性,，因此可以涂出相對較好的薄膜。

圖五 經(jīng)洗潔精清洗后的基片表面的薄膜形貌圖

實驗八,、洗潔精清洗—酒精超聲振動清洗—去離子水超聲振動清洗—等離子清 洗 與實驗七相比實驗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行 10min 的超聲振動清 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 吹干機將玻璃片吹干,，放到 PCE-6 等 離子清洗儀中進行等離子清洗,，清洗后的玻璃基片再固定到 VTC-100 真空旋轉(zhuǎn)涂 膜機上進行涂膜,，從圖六可見玻璃基片表面旋涂上一層完整均勻的薄膜，說明實 驗八中的 4 步清洗對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，然后再進行下一步處理,。

實驗結(jié)論： 通過將實驗一至實驗八進行對比可以得出結(jié)論,，在進行旋轉(zhuǎn)涂膜時，基片清 洗的好壞直接影響涂后薄膜的質(zhì)量,。在進行清洗時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。 針對不同的薄膜樣品需使用不同的工藝進行清洗,，可以在等離子清洗機中通 入不同的氣體進行清洗,。本實驗較*的清洗玻璃基片的步驟為：洗潔精清洗+ 酒精超聲振動清洗+去離子水超聲清洗+等離子清洗。