全自动平板涂胶机的研制及应用

摘 要：介绍了全自动平板涂胶机的原理、主要性能、技术指标及设计中所采用的几项关键技术和工艺运用情况。

基片涂胶工艺是平板显示器生产中不可缺少的关键工续，胶膜厚度及均匀性直接影响到成品率的提高。涂胶工艺质量的提高需要性能优良的涂胶设备来保证。对于现代的大规模平板显示器生产而言工艺的重复性和可靠性是至关重要的，必须尽量较少人为因素的干扰，因此生产设备必须能够按设定工艺快速无损伤的自动运行。西安捷盛研制的H52200F/ZF型自动平板涂胶机就是针对这一工艺过程开发的，适用于LCD、OLED、TFT-LCD等显示器产生中方基片的涂胶工艺。

1 设备工艺原理及关键影响因素

方基片涂胶有多种方法，旋转涂胶是目前常用有效的涂胶方式，在平板显示器制造中广泛采用，能保证获得较高的胶膜均匀性。基本原理是将少量胶液沉积在基片中央，接着以高速旋转，离心力将使胶液散开，覆盖整个底片。也可以在滴胶过程中基片先低速旋转（通常200r/min）使光刻胶在基片表面慢慢摊开，然后加速，高速旋转一定时间直到表面覆盖一定厚度的胶膜。

分析这一工艺过程会发现与传统晶圆片涂胶工艺原理一样，影响其胶膜均匀度和可靠性的主要因素在于：转速、加速度、基片的传输定位、腔体环境、气流和工艺过程温湿度、化学品的供应等。
（1）在旋转涂胶中转速是重要的因素之一，高速旋转通常决定了终的胶膜厚度。较小的速度变化就能导致角膜厚度较大的变化。旋转过程中控制胶液流向基片边缘的离心力和影响胶液粘度的挥发速度相作用使胶膜厚度大体保持平衡。一定程度下增加旋转时间胶膜厚度变化不大。因此必须对匀胶转速作的控制。

（2）加速度对涂胶的均匀性有着重要的影响。在涂胶环节的部分，胶液开始变干，的控制加速度十分重要，在一些过程中胶液中50%的溶液在加速过程中汽化蒸发。旋转过程提供了一个离心力（向外）给胶液，加速度提供给胶液扭曲力，此力使胶液均匀通过和覆盖基片表面。终形成的胶膜均匀性与适当的加速度密切相关。

（3）方片涂胶与传统晶圆片涂胶工艺一样受到腔体环境（排风、气流等）的影响。在涂胶过程中胶液的发挥烘干速度决定于液体本身的自然属性，也受到涂胶过程中晶圆片周围空气情况的影响。涂胶过程中特别重要的一点是涂胶腔体内气体的流动和与之相关的乱流要减到。通过腔体的排风系统可以减少不希望的随机乱流，这样可以使液体凝固速度减缓同时使对外界温/湿度的敏感性减小。

对于正性光刻胶来说，胶液保持一定的温度也会减缓液体凝固速度。较缓的固化速度的好处是可以提高胶膜均匀性。在涂胶过程中胶液流向基片边缘时不断挥发变干黏度增加导致角膜厚度不一至，通过减缓固化速度可以使整个基片膜厚更加一致。

（4）胶液的供应对提高成品率及降低成本又很重要的意义。胶液不足造成无法覆盖全片，太多则对角膜质量有影响且造成浪费。

2 产品的总体结构及功能

这台设备由送片模块、涂胶模块、真空干燥模块、热板模块、收片模块，机械手等部分组成，采用各模块直列布局，机械手横向移动调度。运行平稳可靠。运用于平板显示器制造中的涂胶工艺，设备可按设定工艺自动完成涂胶、烘干、收片功能。

工艺工步为：送片--→涂胶--→真空干燥--→热板烘烤--→收片

3 系统主要技术特性

通过对涂胶工艺的综合分析可看出，只有可靠有效地处理好这些影响因素才能确保涂胶工艺的顺利完成。因此我们在研发过程中在设备的结构、功能、操作及制造工艺方面采取了一系列相对先进的技术措施，见。

（1）首先因为主轴的加速度及转速和平稳性对涂胶质量有关键性影响，因此在技术指标上对转速及加速度提出了较高的要求：

主轴转速范围：200-6 000r/min，设定增量：1r/min
主轴转速：±5r/min
主轴加速度范围：1000-20000rpm/s

为了实现这一指标，在主轴旋转系统摄集中，我们选用了大功率无刷电机及驱动器，主轴结构也作了专门的设计，保证了在大惯量负载情况下主轴仍具有很高的加速度和旋转从而使基片角膜的片内及片间得到保证。

（2）由于是对方进行处理，方片不同于圆片而具有方向性，为了保证传片的准确性，传片机械手采用无旋转的x、y方向直动方式，由直线运动单元、无杆气缸等驱动，基片拾取使用真空吸附技术限度减少对基片表面的损伤。基片传输过程平稳、、可靠，同时避免了采用丝杠皮带等方式所产生的颗粒污染。

在涂胶模块中专门设计了适用于方片的自动定中心装置。片子传到涂胶工位后由气缸驱动的定位装置首先对方片进行定位然后主轴上升接片，使方玻璃片在承片台上准确定位防止偏心。主轴真空把玻璃片牢固吸附在承片台上，并配有挡边有效防止玻璃片意外飞出。对于主轴定位本机采用了电机找零位加机械定位方式主轴停止旋转后气缸推动定位块带动主轴转到确定位置以便机械手取片进行下一工序。
(3)前面提到涂胶腔体内的环境如排风、气流、温度等也直接影响胶膜厚度及均匀性，制约成品率的提高。方片涂胶在工艺上与晶圆涂胶有相似处但也有不同，方片旋转更易引起乱流，影响到胶膜的均匀性。特别是在四个角处胶膜变厚从而影响光刻及其他后序工艺。因此在涂胶腔体设计中我们采用了侧面可调节排风系统，通过一定的侧面排风改变腔体内气流方向从而有效消除了四角基胶的现象。

(4)工艺过程中滴胶量的控制直接影响生产企业的经济效益，也是影响胶膜质量的重要因素。因此在滴胶系统中我们采用进口氟材气动胶泵，使滴胶可以控制在±0.1 ml范围内。同时氟材质也确保了胶液清洁不受污染。由于正性光刻胶粘度较低，因此滴胶后渚留在滴胶嘴的胶液有时会漏滴，造成供胶量不准或基片粘污。因此在胶泵出胶口后加装了可调回吸装置，在完成设定的滴胶操作后，使胶嘴处的光刻胶回吸从而避免了漏滴。
(5)由于对于尺寸较大的基片中心固定滴胶涂胶效果不理想，因此我们采用了移动式胶臂，多点连续滴胶的方法有效改善了滴胶效果。用户在实际使用中可能使用不同种类的光刻胶，而更换不同的光刻胶必须先将剩胶排空，然后使用化学溶剂清洗胶泵和管路，即造成胶液浪费也易造成污染。所以在设计中我们采用了三胶泵三路独立供胶从而大大减少了更换胶液的麻烦同时也降低了胶液损耗和有害液体泄露的风险。光刻胶温度的变化也是影响胶膜厚度、均匀度的重要因素之一。在系统运行过程中为保证胶液的恒温我们采用了控制达±0.1℃的专用温控槽以保证胶液温度稳定于设定值。

4 系统控制技术

本机采用工控机作为上位机控制各模块，工控机的控制软件有良好的人机界面，对设备每一项操作都设有相应的功能键，简单明了。操作者只须根据界面上的文字提示选择相应功能按键便可实现对设备的所有操作。工控机的控制软件分为三大部分：编程、运行、维护。

编程操作用来输入各项工艺参数，诸如：温度、时间、转速、加速度等参数的设定。可以保存十个成熟的工艺，以根据需要选择某个工艺，免去了重新输入工艺参数的麻烦。当前的所有参数均有掉电保护功能。

运行操作用来完成所设定的工艺。

手动维护操作用来实现对设备的检修调整，能够对每一模块的所有动作进行解析，可使操作者方便地选择任一动作进行操作，以便确定各个动作的正常与否，以进行设备维护，供维修人员使用。

系统通过一个完整的信号输入网络监视着整个系统工艺程序的进程和状态，对设备进行实时监控。所有动作相互连锁保护，故障诊断功能在出现故障会给出提示，帮助使用者查找并排除故障。

5 结束语

西安捷盛研制的H52200F／ZF型自动平板涂胶机交付用户使用两年以来运行稳定可靠，成品率高，各项技术指标完全满足用户需要。这台设备的研制成功使我们积累了经验为开发更大尺寸的自动涂胶设备奠定了良好的基础。