POM勻膠托盤的優(yōu)化設計*

魏存露，花國然，王強

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019； 2.南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019)

POM勻膠托盤的優(yōu)化設計*

魏存露1，花國然1，王強2

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019； 2.南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019)

以廣泛應用于旋涂功能薄膜工藝中的聚甲醛(POM)勻膠托盤為研究對象，基于數(shù)值仿真及實驗研究，對現(xiàn)有POM托盤工作中的缺陷進行了分析，結(jié)果表明，螺旋托盤基片因發(fā)生翹曲形變而易使膠體滲入勻膠機，腔式托盤基片形變量過大。基于分析結(jié)果，對現(xiàn)有勻膠托盤進行了優(yōu)化，提出一種腔式花灑型托盤，其通過過盈配合，在腔式托盤上裝配花灑型端蓋，數(shù)值模擬結(jié)果表明，腔式花灑型托盤在保持腔式托盤阻膠結(jié)構(gòu)的基礎上，基片最大形變量為2.7 μm，與螺旋托盤相比降低了3.9 μm左右，且基片邊緣處的翹曲形變較小，為0.17 μm左右；借助3D打印技術(shù)，對優(yōu)化的托盤進行快速成型制造，并進行了實驗分析，實驗結(jié)果表明，基片形變測量值與數(shù)值模擬值變化規(guī)律吻合，相同位置的形變值誤差最大為9.8%左右，說明仿真結(jié)果可靠。

功能薄膜；聚甲醛勻膠托盤；優(yōu)化設計；數(shù)值模擬；快速成型

功能薄膜作為發(fā)展信息技術(shù)、生物技術(shù)以及國防建設重要的表面材料及器件，其制備方法有很多，如噴涂法、電沉積法以及旋涂法等[1]，其中旋涂法憑借其薄膜厚度可控、設備結(jié)構(gòu)簡單、易于操作以及優(yōu)良的性價比而廣泛應用于微電子技術(shù)、生物學以及醫(yī)學等領域[2]；作為旋涂法制備功能薄膜的重要工藝設備之一的勻膠托盤，在旋涂工藝中通過真空吸力吸附住薄膜基片，使基片隨主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，因此托盤的結(jié)構(gòu)特點對被吸附基片的形變具有重要的影響，而基片形變將影響其表面形貌和平面度，從而影響旋涂薄膜的均勻性。

因涂敷材料以及旋涂過程中高速旋轉(zhuǎn)的特點，要求制備勻膠托盤的材料需具有耐化學藥品性、力學性能優(yōu)良等特性。在眾多的工程塑料中，聚甲醛(POM)憑借其力學強度高、耐疲勞性以及耐化學藥品性等優(yōu)異的材料性能，被廣泛運用于汽車、機械及電子等行業(yè)[3–4]。此外，POM作為目前世界上五大通用工程塑料之一，因其力學性能最接近金屬材料，又有“奪鋼”，“超綱”之稱[5–6]；目前，POM已可部分取代銅、鑄鋅以及鋁等金屬材料[7]。因此現(xiàn)有勻膠托盤廣泛采用力學強度高且具有耐腐蝕性的POM材料。

筆者針對現(xiàn)有POM勻膠托盤在旋涂工藝中存在的問題，借助數(shù)值計算與快速成型技術(shù)，完成對POM勻膠托盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新設計，并通過旋涂實驗及基片形變驗證實驗，保證了新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的合理性。通過三維建?！鷶?shù)值分析→快速成型→試樣驗證，實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設計的過程，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，為工程塑料產(chǎn)品快速經(jīng)濟地創(chuàng)新優(yōu)化設計提供了一定的參考價值。

1 勻膠托盤的需求分析

旋涂法的工作原理為：基片在POM勻膠托盤真空吸力作用下隨勻膠機主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，使得滴在其表面的膠體在離心力和表面張力的共同作用下實現(xiàn)膠體的薄膜化和均勻化。目前，典型的旋涂工藝包括四個步驟：滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、勻速旋轉(zhuǎn)以及溶劑揮發(fā)[8]。近年來，隨著旋涂工藝理論的不斷完善，使得功能薄膜技術(shù)飛速發(fā)展，微米級均勻膠體的旋涂對旋涂工藝提出了更高的要求[9]；同時這也對勻膠托盤提出了吸力大，基片形變量小的性能要求。

2 現(xiàn)有POM勻膠托盤存在的問題

2.1 螺旋式POM勻膠托盤

為滿足基片高速旋轉(zhuǎn)時離心力要求，現(xiàn)有POM勻膠托盤大多采用螺旋結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其通過與吸片口相通的螺旋狀溝槽結(jié)構(gòu)，增大與基片的接觸面積，從而增大了基片所受真空吸附力。

圖1 螺旋式POM勻膠托盤結(jié)構(gòu)

采用ANSYS Workbench的流固耦合模塊，在實際工況下，對勻膠托盤旋涂工藝過程進行數(shù)值計算分析。設定旋涂的工作環(huán)境為標準大氣壓、恒溫和恒濕；壓力進口條件為環(huán)境氣壓，出口條件滿足現(xiàn)有勻膠機真空抽氣泵的工作能力[10]，分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，螺旋式托盤在吸片口周圍處取得的相對真空度為–5.1×104Pa，在徑向距離最遠處取得相對真空度為–1.5×104Pa，該真空度分布使螺旋式勻膠托盤在徑向方向形成3.6×104Pa的真空度梯度差，螺旋式勻膠托盤的真空度分布特點易使基片所受耦合力分布不均勻。

圖2 不同真空度分布下螺旋式、腔式POM勻膠托盤真空度分布曲線

設定基片材料為0.5 mm厚的硅片，其彈性模量為130 GPa，泊松比為0.28，密度為2.32 g／cm3，基片形變情況如圖3所示。從圖3可看出，螺旋式勻膠托盤上的基片形變最大值在中心處，為6.6 μm左右，且因基片所受耦合力不均勻，而在邊緣處發(fā)生翹曲形變，翹曲量為1.2 μm左右?；穆N曲形變使得其與托盤之間的接觸間隙增大，在旋涂工藝過程中，膠體會擴散至基片背部，在真空吸力的作用下，沿相通螺旋溝槽易被吸入勻膠機中，如圖4所示。膠體的滲入不僅會造成勻膠機真空吸力不足，形成旋涂過程中的“飛片”現(xiàn)象；而且會有部分膠體滲入主軸，影響旋轉(zhuǎn)主軸精度和重復性，從而降低勻膠機的有效使用壽命。

圖3 不同徑向位置下三種勻膠托盤基片的形變曲線

圖4 膠體滲入勻膠機

2.2 腔式POM勻膠托盤

為減小膠體的滲入量，提高勻膠機的有效使用壽命，專利[11]提出帶有儲膠槽的腔式勻膠托盤，如圖5所示。腔式勻膠托盤工作原理為：當擴散至基片背部的膠體進入真空腔時，膠體在重力的作用下沉積在儲膠槽內(nèi)，從而阻止膠體滲入真空抽氣室。由于腔式托盤的真空吸片口低于承片臺一定距離，這使得托盤整個腔內(nèi)均可成為真空負壓腔。由圖2可看出，相同工況下，腔式勻膠托盤相對真空度分布在–3.6×104～–4.7×104Pa之間，相對于螺旋勻膠托盤在徑向方向形成的真空度梯度差，其腔內(nèi)真空度分布相對均勻，該真空度分布使基片在耦合區(qū)受力相對均勻。

圖5 腔式POM勻膠托盤

結(jié)合圖3可看出，相同工況下，腔式勻膠托盤上的0.5 mm厚硅基片在耦合區(qū)的形變量最大值為61.5 μm，遠遠大于螺旋托盤的6.6 μm左右的形變量。這是由于腔式勻膠托盤的結(jié)構(gòu)特點使得基片在耦合區(qū)沒有支撐而完全處于懸空狀態(tài)，從而在真空負壓的作用下，基片發(fā)生下凹形變，過大的下凹形變將影響旋涂工藝性能指標，使基片形成旋涂的薄膜中間厚兩邊薄的產(chǎn)品缺陷，造成廢品率增加。

3 腔式POM勻膠托盤的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計與結(jié)構(gòu)分析

基于以上分析結(jié)果，對現(xiàn)有腔式勻膠托盤進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目的為：保持腔式托盤阻膠特點的同時，減小基片的形變量。因此提出一種腔式花灑型勻膠托盤，其采用過盈配合的方式，通過花灑型托盤端蓋與腔式勻膠托盤裝配而成，如圖6所示。

由圖2可知，腔式POM勻膠托盤腔內(nèi)真空度分布特點為：除真空吸口處外，各處真空度分布均勻；在旋涂過程中基片所受真空吸附力為真空度與有效吸附面積的乘積。因此在托盤的優(yōu)化過程中，為避免基片在吸氣口周圍因真空度過大而產(chǎn)生形變突變，在托盤端蓋面設置中心圓面(見圖6)，中心圓面不僅可避免基片中心因吸力過大而產(chǎn)生的下凹形變，同時可有效地阻止不慎滴落的膠體直接滲入真空吸氣口，從而增強腔式托盤的阻膠性能；為使基片受力均勻，減小基片形變，端蓋面采用花灑結(jié)構(gòu)，其在不同圓周面上設有圓弧槽，圓弧槽交錯放置，即可增大與基片有效吸附面積，又可有效阻止從各方向滲入的膠體進入真空吸口區(qū)。

圖6 腔式花灑型POM勻膠托盤

3.2 腔式花灑型POM勻膠托盤數(shù)值分析

(1)腔式花灑型POM勻膠托盤對基片形變的影響。

相同工況下，0.5 mm厚硅基片的形變情況如圖3所示。從圖3可看出，與現(xiàn)有托盤相比，腔式花灑型托盤基片形變量最小，其最大形變值為2.7 μm左右，相對于螺旋式托盤，基片最大形變量降低了3.9 μm左右，且在基片邊緣無支撐處，即當徑向位置大于35 mm時，由于基片受力均勻，翹曲形變很小，僅為0.17 μm左右。螺旋式托盤基片在真空吸氣口處發(fā)生明顯的形變突變，最大形變量為6.6 μm，這是由于托盤真空吸片口處的真空度較低，基片所受耦合壓力較大所致；而腔式花灑型勻膠托盤由于在吸氣口處設有中心圓面，因此其基片在中心處的形變值較小，為0.1 μm左右，從而減少了因中心處聚集過量膠體而產(chǎn)生的產(chǎn)品廢品率。

(2)腔式花灑型POM勻膠托盤對不同厚度基片形變的影響。

圖7為相同工況下，厚度分別為0.3，0.5，1 mm的硅基片形變情況。從圖7可知，基片的形變量與厚度有關(guān)，厚度越小形變量越大，基片均在徑向尺寸15 mm左右處，即圓弧槽處取得最大形變值；同時可看出，在基片邊緣處，不同厚度基片翹曲形變量均很小，均小于0.2 μm。從數(shù)值試驗結(jié)果可看出，對于腔式花灑型勻膠托盤，三種厚度基片的形變量最大值均小于5 μm，因此可滿足不同厚度基片的旋涂要求。

圖7 不同徑向位置下三種基片厚度的腔式花灑型勻膠托盤基片的形變曲線

4 腔式花灑型POM勻膠托盤的快速成型制造與

實驗研究

快速成型技術(shù)通過對產(chǎn)品三維CAD模型進行分層離散，按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料，直到生成實體模型[12]；通過快速制造的原型可用來進行產(chǎn)品快速展示、設計驗證、功能測試、設計修改等，有利于提高新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[13]。

采用北京太爾時代科技有限公司的Up Plus 2型3D打印機對腔式花灑型托盤進行快速成型制造。將Solid Works中完成的CAD模型以stl的格式導入快速成型機中，進行快速成型制造[14]；將打印好的腔式花灑型托盤在中科院研制的KW–4A勻膠機上進行旋涂實驗，如圖8所示，實驗結(jié)果表明，腔式花灑型POM勻膠托盤可以很好地滿足旋涂性能要求。

圖8 快速成型制造與實驗驗證

采用西安愛德華測量設備有限公司生產(chǎn)的MQ8106型高精度三坐標測量機(CMM)，對實際工作下基片形變量進行測量[15]。測量時，首先對無吸力作用下的基片坐標進行取點測量，作為相對坐標點，并開啟三坐標測量機自學習模式；為使測量結(jié)果準確可靠，從基片邊緣沿不同徑向方向進行等距取點測量，多次測量取平均值；然后采用三坐標自學習功能對吸片下基片形變進行踩點測量。圖9示出0.3 mm厚硅基片形變測量結(jié)果。從圖9可知，測量值最大形變量為5.62 μm，基片形變測量值與數(shù)值計算值變化規(guī)律基本吻合，相同位置點上的測量值與數(shù)值計算形變值誤差最大為9.8%左右，說明仿真結(jié)果可靠。

圖9 0.3 mm厚硅基片形變的CMM測量值與數(shù)值計算值對比分析

5 結(jié)論

(1)通過ANSYS Workbench對現(xiàn)有POM勻膠托盤0.5 mm厚硅基片進行了數(shù)值計算分析，螺旋式POM勻膠托盤易使基片因受力不均勻發(fā)生翹曲形變，翹曲量為1.2 μm左右，基片的翹曲形變使膠體易滲入勻膠機中，降低其有效使用壽命；腔式POM勻膠托盤上的基片在耦合區(qū)由于處于懸空狀態(tài)而使基片最大形變量達61.5 μm，這使基片的旋涂性能指標變差。

(2)腔式花灑型POM勻膠托盤可適用于不同厚度的基片，在保證腔式托盤阻膠結(jié)構(gòu)特點的同時，降低了基片形變量，0.5 mm厚硅基片最大形變量僅為2.7 μm，且在基片邊緣處的翹曲形變量小于0.2 μm。

(3)借助3D打印技術(shù)，對優(yōu)化設計的腔式花灑型POM勻膠托盤進行快速成型制造，相應的旋涂實驗與CMM測量結(jié)果表明,腔式花灑型托盤可以滿足勻膠機高速旋涂要求，基片形變測量值與仿真值變化規(guī)律吻合，相同位置形變值最大誤差為9.8%左右，說明數(shù)值分析結(jié)果可靠。

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Optimal Design of POM Spin Coating Pallets

Wei Cunlu1， Hua Guoran1， Wang Qiang2
(1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China；2. School of Electronic and Information， Nantong University， Nantong 226019， China)

Polyformaldehyde (POM) spin coating pallet was taken as research object，which widely applied in spin coating film process. For the defects of existing POM spin coating pallet，the numerical simulation and experimental studies were carried out，the results indicate that substrate warpage deformation makes photoresist penetrate into spin coater during the use of the spiral spin coating pallet，and the cavity spin coating pallet substrate deformation is too large. Based on the analysis result，the shower cavity spin coating pallet is put forward and it is constituted by cavity spin pallet and shower cavity spin coating pallet end cover through interference fit，the numerical simulation resules show that shower cavity spin coating pallet could maintain cavity spin coating pallet resist photoresist effect and substrate maximum deformation is about 2.7 μm，compared with the spiral spin coating pallet，it decreases by about 3.9 μm，and the warpage deformation at the substrate edge is small，about 0.17 μm. The shower cavity spin coating pallet is mamufactured based on 3D printing technology，experiments analysis were carried out，the results show that the substrate deformation is good agreement with the change rule of the simulation value，and the maximum error of the same position deformation value is about 9.8%，which indicates that the simulation results are reliable.

function film；polyformaldehyde spin coating pallet；optimal design；numerical simulation；rapid prototyping

TQ326.51；TQ320.72

A

1001-3539(2016)12-0058-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.011

*江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項資金（BA2013099），南通市重大科技創(chuàng)新專項項目（XA2013001），江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目（KYLX15_1315），南通大學研究生科技創(chuàng)新計劃（KYC15004）

聯(lián)系人：花國然，博士，教授，主要研究方向為特種加工、海洋重型裝備

2016-10-11