匀胶机/旋涂仪：原理及应用工艺

匀胶机（也称旋涂仪）是微纳加工、材料科学等领域不可或缺的设备，其核心功能是通过高速旋转在基片表面形成均匀、可控的薄膜。

一、 核心原理：离心力驱动成膜

旋涂过程本质是流体动力学与离心力共同作用的结果：

1. 滴胶 (Deposition)：将适量液态材料（如光刻胶、溶胶-凝胶、聚合物溶液等）滴注在静止或低速旋转的基片中心。

2. 高速旋转 (Spinning)：基片瞬间加速至设定转速（通常数百至数千 RPM）。

3. 铺展与流动 (Spread & Flow)：

   • 离心力主导铺展：强大离心力使液体由中心向外径向铺展，覆盖整个基片表面。

   • 剪切力主导匀化：高速旋转的基片与相对静止的空气之间产生巨大剪切力，持续拉薄、摊平液体，消除波纹和不均匀。

4. 溶剂挥发 (Evaporation)：旋转过程中，溶剂（或分散介质）持续挥发，溶液黏度逐渐增大。

5. 成膜与固化 (Formation & Solidification)：当流体内部黏性力与离心力达到平衡，且溶剂挥发到一定程度时，液态膜停止流动并最终固化成均匀的固态或凝胶态薄膜。

膜厚关键公式：
对于牛顿流体，最终干膜厚度（h）主要取决于：

• h ∝ c * (η / (ρω²))^k

  • c：溶质浓度（固体含量）

  • η：溶液黏度

  • ρ：溶液密度

  • ω：旋转角速度（转速）

  • k：经验常数（通常≈0.5，但受溶剂挥发、流变性等影响）

关键点： 转速 (ω) 是控制膜厚最灵敏、最常用的参数。转速越高，膜厚越薄。

一般来说，匀胶过程包括滴胶、高速旋转以及干燥几个步骤：

1. 静态滴胶

就是简单地把胶液滴注到静止的基片表面的中心,滴胶量为1-10ml不等,滴胶的多少应根据胶液的粘度和基片的大小来确定。

粘度比较高和/或基片比较大,往往需要滴较多的胶,以保证在高速旋转阶段整个基片上都涂到胶;

2.动态滴胶

这种方式是在基片低速(通常在100-500转/分左右)旋转的同时进行滴胶,“动态”的作用是让胶液容易在基片上铺展开,减少胶液的浪费,采用动态滴胶不需要很多胶液就能润湿(铺展覆盖)整个基片表面。尤其是当胶液或基片本身润湿性不好的情况下,动态滴胶尤其适用,不会产生针孔.

3.滴胶之后,下一步是高速旋转

使光刻胶层变薄达到最终要求的膜厚,这个阶段的转速一般在1500-6000转/分,转速的选定同样要看胶液的性能(包括粘度,溶剂挥

发速度,固体含量以及表面张力等)以及基片的大小。快速旋转的时间可以从10秒到几分钟。匀胶的转速以及匀胶时间往往能决定最终胶膜的厚度。

一般来说,匀胶转速快,时间长,膜厚就薄。影响匀胶过程的可变因素很多,这些因素在匀胶时往往相互抵销并趋于平衡。所以最好

给予匀胶过程以足够的时间,让诸多影响因素达到平衡。

二、 广泛的应用领域

匀胶技术因其操作简便、成本较低、成膜均匀性好，在众多领域发挥关键作用：

1. 半导体制造 (核心应用)：

   • 光刻胶涂覆： 在硅片、化合物半导体晶圆上均匀涂布光刻胶层，是光刻工艺的第一步，膜厚均匀性直接决定图形转移精度。

   • 介质层涂覆： 旋涂二氧化硅 (SOG)、旋涂碳 (SOC)、聚酰亚胺 (PI) 等作为平坦化层、绝缘层或牺牲层。

   • 抗反射涂层 (BARC)： 减少光刻中的驻波效应和反射。

2. 微电子机械系统 (MEMS)：

   • 涂覆光刻胶、聚酰亚胺、SU-8 厚胶等作为结构层、掩模层或牺牲层。

   • 涂覆功能性聚合物薄膜（如压电、热敏材料）。

3. 平板显示 (FPD)：

   • 在玻璃基板上涂布光刻胶用于 TFT 阵列、彩色滤光片等图形化工艺。

   • 涂覆有机发光材料 (OLED)、液晶取向层等。

4. 光学镀膜：

   • 制备增透膜、高反膜、滤光片、光学波导层等。

   • 涂覆光致变色、电致变色材料。

5. 新材料研发：

   • 溶胶-凝胶法： 制备氧化物薄膜（如 TiO₂, SiO₂, ZnO）、功能陶瓷薄膜、有机-无机杂化薄膜。

   • 聚合物薄膜： 制备导电聚合物 (PEDOT:PSS)、半导体聚合物 (用于 OLED, OPV)、超薄膜、LB 膜前驱体等。

   • 纳米材料薄膜： 分散纳米颗粒（量子点、金属纳米颗粒、石墨烯/碳纳米管分散液）形成功能薄膜。

6. 生物技术与传感：

   • 在生物芯片、传感器基底上涂布生物相容性聚合物层、水凝胶层。

   • 固定生物分子（蛋白质、DNA）的基底修饰层。

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