旋涂法制备功能薄膜的研究进展_王东

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1、第３０卷第２期影像科学与光化学Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．２２０１２年３月ＩｍａｇｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＭａｒ．，２０１２旋涂法制备功能薄膜的研究进展王东１，２，刘红缨１，贺军辉２，刘林林１（１．中国矿业大学（北京）化学工程与环境学院，北京１０００８３；２．中国科学院理化技术研究所功能纳米材料实验室，北京１００１９０）摘要：作为众多的薄膜制备方法之一，旋涂法具备薄膜厚度精确可控、高性价比、节能、低污染等优势，在微电子技术、纳米光子学、生物学、医学等领域中有着广阔的应用前景．本文简单介绍了旋涂法的模型、机

2、理及其主要参数的估算方法，并总结了近几年来用旋涂法制备光学、微电子学等功能薄膜的新进展，最后对旋涂法的发展前景进行了展望．关键词：旋涂法；功能薄膜；厚度控制文章编号：１６７４－０４７５（２０１２）０２－００９１－１１中图分类号：Ｏ６４文献标识码：Ａ功能薄膜是发展信息技术、生物技术、能源技术等领域和国防建设的重要表面材料［１］和器件，关系到资源、环境及社会的可持续发展．旋涂法制备的薄膜厚度在３０ｎｍ—２０００ｎｍ之间精确可控，其设备结构简单且易于操作，具备优良的性价比．现已广泛应用［２，３］于微电子行业的光刻图案化（Ｌｉｔｈｏ

3、ｇｒａｐｈｉｃｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）、印刷电路（Ｐｒｉｎｔｅｄ［４，５］ｃｉｒｃｕｉｔ）和集成电路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）的制造，以及光储存媒体介质（ＤＶＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ［６］［７］［４３，４６］等）的感光胶（Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、染料（Ｄｙｅ）、粘合剂、物理保护层等聚合物薄膜的涂［８，９，３９，４０］覆．旋涂法在其它许多新型领域也有一定的应用，如薄膜晶体管、光子晶体材［１０，１１］［１１，１２］［１１，１３］［１４，１５］料、光波导、有机发光二极管薄膜、光电转换薄膜电极以及生物／化学［２，４

4、５］功能膜等薄膜类器件的制备．旋涂法涉及到许多物理化学过程，如流体流动、润湿、挥发、粘滞、分散、浓缩等．在研究这些过程时，流体力学传质、传热、传动的原理是非常重要的．其中，需要考虑的参数主要包括薄膜的结构、厚度、面积等性能参数以及转速、粘度、挥发速率等操作［１，５，１６－３２］参数．收稿日期：２０１１－１１－０７；修回日期：２０１１－１２－０６．通讯联系人：贺军辉，研究员，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｈｈｅ＠ｍａｉｌ．ｉｐｃ．ａｃ．ｃｎ，Ｔｅｌ：０１０－８２５４３５３５．基金项目：中国科学院重要方向性项目（ＫＧＣＸ－ＹＷ－３

5、７０）；中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室开放基金．作者简介：王东（１９８７－），男，研究方向：功能纳米涂层．９１９２影像科学与光化学第３０卷１旋涂法的建模和参数估算１．１旋涂法原理及模型旋涂法因其所用流体粘度较大，呈胶体状，所以也被称为匀胶。一个典型的旋涂过程主要分为滴胶、高速旋转和干燥（溶剂挥发）三个步骤．首先，滴胶是将旋涂液滴注到基片表面上，然后经高速旋转将其铺展到基片上形成均匀薄膜，再通过干燥除去剩余的溶剂，最后得到性能稳定的薄膜．对于各种粘度、润湿性不同的旋涂液，通常使用的滴胶方［２１］法有两种，即静态滴胶和

6、动态滴胶，旋涂法中的高速旋转和干燥是控制薄膜厚度、结构［６，７］等性能的关键步骤，因此这两个阶段中工艺参数的影响成为研究的重点．越来越多的研究者致力于用旋涂法制备不同类型功能薄膜的工作，他们通过系统的［１６－１９］设计和估算得出工艺中各项参数的取值．因此，科学家们根据不同流体（牛顿型流体［１６，２０，２１］和非牛顿型流体）以及薄膜特定的性能要求（结构、厚度等）建立起许多模型和估［１３，１６－２９］算公式，这样就可以更精确地设计和优化具体应用中的旋涂工艺过程．下面根据考察旋涂法的不同侧重点，将这些模型归纳为：理想化力学模型、溶

7、剂挥发模型、温度梯度模型、边界模型．图１旋涂法示意图Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｐｉｎ－ｃｏａｔｉｎｇ１．１．１理想化力学模型［１７］早在１９５８年Ｅｍｓｌｉｅ等就建立了理想化力学模型，直接模拟得出旋涂过程中薄膜铺展的力学作用机理．他们认为，旋涂法是一种特殊的圆盘旋转系统，如图１所示，圆盘上质点的空间坐标系坐标是（ｒ，θ，ｚ），圆盘在角速度为常数ω下旋转，考察的旋涂液为牛顿型流体，并假定模型中旋转的基板面积无限大，基板上的流体流动轴向对称；流体所受重力的影响可以忽略，流体小微团受到剪切力与离心力相平衡；流

8、体径向速度很小，可以忽略科里奥利力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓｆｏｒｃｅ），同时忽略溶剂挥发、表面空气流动等影响．Ｅｍｓｌｉｅ等人结合雷诺方程、连续性方程、边界条件，通过理论公式的推导得出液膜的基本流动方程．方程描述了薄膜表面的径向截面轮廓、厚度、面积等参数随时间的变化规律，比例关系式如公式（１）．