超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备的制作方法

本发明涉及超精密光学制造领域，特别是一种超大超重衬底(最大口径近2m，重量约700kg，可向下兼容)表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备。

背景技术：

脉宽压缩光栅的研制进展推动着啁啾脉冲放大技术在超短、超强激光系统中的应用发展。随着激光系统输出功率增强到数拍瓦、数十拍瓦甚至百拍瓦量级，受材料与工艺的限制，光栅的抗激光损伤能力在短时间内很难再有较大跨度提升，因此只能不断扩大光束口径使辐照在光栅表面的激光能量密度降至光栅损伤阈值以下，因此脉宽压缩光栅的尺寸不断增加。目前国内正在设计的拍瓦系统所需光栅的对角线长度已接近2m，重量约700kg。

脉宽压缩光栅的制备工艺流程主要有衬底加工、光刻胶涂布、曝光、显影和金属膜镀制。在如此超大/超重衬底表面均匀涂布光刻胶是研制该类光栅的关键工艺之一。超大/超重尺寸衬底旋涂设备成功研发为高功率脉宽压缩光栅的研制提供了硬件条件保障，为我国高能拍瓦系统的研制添砖加瓦。

目前国内外采用弯月面涂胶设备在超大/超重衬底表面进行光刻胶涂布，但是弯月面涂胶设备涂布出的光刻胶厚度在有效通光口径内的均匀性最好只能在±4％水平，并且还存在严重的边缘收缩效应，不能满足大口径脉宽压缩光栅的研制要求。

随着大面积显示、太阳能光伏等产业的发展，对大面积有机纳米涂层的制备技术及设备需求日益迫切。但长期以来，半导体行业最大的晶圆尺寸也只有12英寸，还未有在如此超大/超重衬底表面进行光刻胶均匀涂布的需求。旋涂法具有操作简单和均匀性高等优点，在半导体芯片和mems行业中得到广泛应用和不断发展改良。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术的不足，提供一种超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备，该设备能够满足在直径近两米、重量约700kg的衬底表面进行光刻胶的涂布工艺，在通光口径内的涂胶不均匀性优于±3％。

为了达到以上目的，本发明所采用的解决方案如下：

一种超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备，其特点在于包括：旋涂主机、上下样系统和总控系统,

所述的旋涂主机，包含上罩、涂胶腔室、匀胶转盘、同步罩、第一顶升装置、上罩顶升装置、气浮真空泵、驱动电机、自动滴胶系统、气浮转台、真空泵、大理石底座、密封卡扣，以大理石底座为基础，所述的气浮转台、第一顶升装置、驱动电机安装在所述的大理石底座上，所述的匀胶转盘安装在气浮转台上，所述的上罩顶升装置安装于旋涂主机的外侧，所述的上罩顶升装置之顶是上罩，所述的同步罩安装在所述的上罩中心的下方，所述的同步罩的直径与所述的匀胶转盘的直径相等，所述的自动滴胶系统安装在涂胶腔室的底部，与所述的匀胶转盘有一定距离，所述的自动滴胶系统由储液桶、蠕动泵、滴胶管、转动电机和滴胶臂组成，储液桶在下方通过滴胶管与滴胶臂连接，蠕动泵用来控制流量，当需要滴胶时，转动电机带动滴胶臂在样品上方滴液，所述的上罩和涂胶腔室的接触部分采用橡胶垫及密封卡扣密封；

所述的上下样系统包含传送轨道、传动电机、第二顶升装置和大理石底座组成，在所述的大理石底座上设置所述的第二顶升装置，该系统最上部分是两条平行传送轨道，在传送轨道的下方安装所述的传动电机；

所述的总控系统通过线缆与所述的第一顶升装置、上罩顶升装置、气浮真空泵、驱动电机、自动滴胶系统、气浮转台、真空泵、第二顶升装置，传动电机的控制端相连。

所述的气浮转台的最高转速为1000rpm，最高转速加速度为25rpm/s，转速精度优于±1rpm，且具有自动动平衡调节功能，气浮真空泵安装在气浮转台上，以提供稳定的气压保证其安全运行，驱动电机(含减速机)与气浮转台相连，为其提供旋转动力，所述的气浮转台的较佳工艺参数如下：转速加速度为10rpm/s，转速为300-350rpm，恒转速时间为120s左右，降速加速度为25rpm/s。

所述的匀胶转盘由四块补圆工装和集液底板组成，用于安装所述的衬底，采用补圆法尽可能地降低了方形衬底边角所带来的非规则气流对涂胶均匀性的影响，有利于提高涂胶均匀性。

上述超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备的使用过程包括下列步骤：

a)启动上罩顶升装置将所述的上罩顶升，打开所述的涂胶腔室，将集液底板安装在气浮转台上；再将补圆工装安装在集液底板上；升起上下样系统的第二顶升装置，借助外界机械手将衬底平放在所述的第二顶升装置上，缓慢下降第二顶升装置使衬底安全落到所述的传送轨道7上；升起第一顶升装置，使第一顶升装置的上表面与传送轨道齐平，在传动电机的驱动下通过传送轨道将衬底安全地传送到第一顶升装置上；缓慢下降第一顶升装置，将所述的衬底安全落到补圆工装上，再将补圆工装安装到集液底板上，所述的四个补圆工装的接触面紧贴；

b)启动所述的气浮转台，先采用低转速(1～2rpm)调节自动动平衡系统，使其平衡；然后采用相同的方法在转速从低到高的条件下，不停调节气浮转台中的自动动平衡系统，直至在工艺所需转速条件也能够保证旋转运动平衡。

c)检查衬底11表面情况，去除表面的静电微尘后，启动上罩顶升装置盖上上罩，卡好密封卡扣。采用真空泵对涂胶腔室抽气恒压后(优化工艺后的参数)，开启气浮转台使衬底低速旋转，同时用自动滴胶系统在衬底上方摆动使光刻胶铺满整个表面，然后将滴胶臂移出衬底上方。调节好同步罩与衬底表面的间距。

d)选择合适的匀胶参数，如加速度、转速、恒速旋转时间、降速加速度等参数，使得衬底通光口径内的光刻胶厚度均匀性满足工艺要求；

e)待气浮转台完全停止后，打开真空泵对涂胶腔室进行抽气，目的是抽去有害气体换入洁净空气，结束后关闭真空泵；而后，启动上罩顶升装置撑起上罩，卸下补圆工装；

f)启动第一顶升装置将衬底顶升起来与传送轨道齐平，通过传送轨道将衬底安全地传送到第二顶升装置的正上方，并采用第二顶升装置将衬底升起一定高度后借助外部助力机械手将衬底移出设备后结束对衬底的涂胶工艺。

g)清理涂胶腔室、补圆工装、集液底板所粘上的光刻胶溶液后，重复步骤a～f对下一片衬底进行旋涂；或继续清洗自动滴胶系统，盖好上罩，扣好为密封卡扣，将涂胶腔室内部抽至低真空后关闭设备。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1、本发明所述的上罩、涂胶腔室、真空泵共同组成了旋涂环境，上罩和涂胶腔室的接触部分采用橡胶垫及密封卡扣密封，真空泵与涂胶腔室连通，实现对腔体内部的气氛压力进行控制，从而改善涂胶均匀性。

2、所述的气浮转台是本发明的关键设备，所述的气浮转台的最高转速为1000rpm，最高转速加速度为25rpm/s，转速精度优于±1rpm，且具有自动动平衡调节功能，能够满足超大/超重衬底表面光刻胶或其他有机纳米涂层的高均匀涂覆，通光口径内的厚度不均匀性在±3％以内。

3、所述的匀胶转盘由四块补圆工装和集液底板组成。使用时，先将集液底板安装在气浮转台上，再将补圆工装安装在集液底板上。当衬底安全落到补圆工装上后，再将补圆工装安装到集液底板上，四块补圆工装的接触面紧贴。四块补圆工装的高度应比所述的衬底的厚度小1mm，确保涂胶时胶液不会因侧壁回弹在衬底的表面造成麻点。

4、所述的上下样系统能保障超大/超重衬底安全地上下涂胶机工位。所述的上下样系统为超大/超重衬底表面光刻胶均匀涂覆提供了方便。

实验表明本发明设备能够满足在直径近两米、重量约700kg的衬底表面进行光刻胶的涂布工艺，在通光口径内的涂胶不均匀性优于±3％。

附图说明

图1是本发明用于超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备的整体结构示意图。

图2是本发明设备的俯视图。

图3是图2的a-a截面图。

图4是图2的d-d截切面图。

图5是匀胶转盘的结构示意图。

图中标号：1为旋涂主机、2为上下样系统、3为总控系统、4为上罩、5为涂胶腔室、6为匀胶转盘、7为传送轨道、8为密封卡扣、9为线缆、10为同步罩、11为衬底、12为顶升装置、13为上罩顶升装置、14为气浮真空泵、15为驱动电机、16为传动电机、17为自动滴胶系统、18为顶升装置、19为气浮转台、20为真空泵、21和22为大理石底座、23和24为补圆工装、25为集液底板。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1所示为本发明的整体结构示意图，图2是本发明设备的俯视图。由图可见，本发明超大超重衬底表面光刻胶均匀涂覆的旋涂设备，主要由旋涂主机1、上下样系统2、总控系统3三部分组成。结合图3和4，旋涂主机1包含上罩4、涂胶腔室5、匀胶转盘6、同步罩10、第一顶升装置12、上罩顶升装置13、气浮真空泵14、驱动电机15、自动滴胶系统17、气浮转台19、真空泵20、大理石底座21、密封卡扣8组成。上下样系统2包含传送轨道7、传动电机16、第二顶升装置18和大理石底座22组成。总控系统3通过线缆9对旋涂主机1和上下样系统2进行自动化控制。

如图3所示，所述的旋涂主机1构成是以大理石底座21作为基础，气浮转台19、第一顶升装置12、驱动电机15安装在大理石底座21上，上罩顶升装置13安装于旋涂主机1外侧，匀胶转盘6安装在气浮转台19上，同步罩10安装在上罩4的中心，同步罩10的直径与匀胶转盘6相等，通过调节同步罩10与匀胶转盘6之间的距离实现高的涂胶均匀性。自动滴胶系统17安装在涂胶腔室5的底部，与涂胶转盘6有间距10cm，不随其共同旋转。所述的上罩4、涂胶腔室5、真空泵20共同组成了旋涂环境，上罩4和涂胶腔室5的接触部分采用橡胶垫及密封卡扣8密封，真空泵20与涂胶腔室5连通，实现对腔体内部的气氛压力进行控制，从而改善涂胶均匀性。

如图4所示，所述的气浮转台19是该设备的关键，其所能达到的最高转速为1000rpm，最高转速加速度为25rpm/s，转速精度优于±1rpm，且该转台具有自动动平衡调节功能。气浮真空泵14安装在气浮转台19上，以提供稳定的气压保证其安全运行，驱动电机15(含减速机)与气浮转台19相连，驱动电机15为气浮转台19提供旋转动力。

如图4所示，所述的上下样系统2以大理石底座22为基础，第二顶升装置18安装在大理石底座22上，在系统最上部分有两条平行传送轨道7，其下方安装了一台传动电机16，传送轨道7和传动电机16共同使衬底11传送至涂胶主机1内的第一顶升装置12上。

如图5匀胶转盘结构组成示意图，匀胶转盘6由四块补圆工装23和24以及集液底板25组成。使用时，先将集液底板25安装在气浮转台19上，再将补圆工装23安装在集液底板25上。当衬底11安全落到补圆工装23上后，再将补圆工装24安装到集液底板25上，其与补圆工装23的接触面紧贴。补圆工装23和24的高度应比衬底11厚度小1mm，确保涂胶时胶液不会因侧壁回弹在衬底11的表面造成麻点。

该设备的使用过程如下：

a、启动上罩顶升装置13将所述的上罩4顶升，打开所述的涂胶腔室5，将集液底板25安装在气浮转台19上；再将补圆工装23安装在集液底板25上；升起上下样系统2的第二顶升装置18，借助外界机械手将衬底11平放在所述的第二顶升装置18上，缓慢下降第二顶升装置18使衬底11安全落到所述的传送轨道7上；升起第一顶升装置12，使第一顶升装置12的上表面与传送轨道7齐平，在传动电机16的驱动下通过传送轨道7将衬底11安全地传送到第一顶升装置12上；缓慢下降第一顶升装置12，将所述的衬底11安全落到补圆工装23上，再将补圆工装24安装到集液底板25上，补圆工装24与补圆工装23的接触面紧贴。

b、启动气浮转台19，先采用低转速(1～2rpm)调节自动动平衡系统，使其平衡；然后采用相同的方法在转速从低到高的条件下，不停调节气浮转台19中的自动动平衡系统，直至在工艺所需转速条件也能够保证旋转运动平衡。

c、检查衬底11表面情况，去除表面的静电微尘后，启动上罩顶升装置13盖上上罩4，卡好密封卡扣8。采用真空泵20对涂胶腔室5抽气恒压后(优化工艺后的参数)，开启气浮转台19使衬底11低速旋转，同时用自动滴胶系统17在衬底11上方摆动使光刻胶铺满整个表面，然后将滴胶臂移出衬底11上方。调节好同步罩10与衬底11表面的间距。图例中的自动滴胶系统17实际上包含储液桶、蠕动泵、滴胶管、转动电机和滴胶臂组成。储液桶在下方通过滴胶管与滴胶臂连接，蠕动泵用来控制流量，当需要滴胶时，转动电机带动滴胶臂在样品上方滴液，给液结束后，将滴胶臂移离样品表面。

d、选择合适的匀胶参数，如加速度、转速、恒速旋转时间、降速加速度等参数，使得衬底11通光口径内的光刻胶厚度均匀性满足工艺要求。通过工艺研究，给出参考的工艺参数如下：转速加速度为10rpm/s，转速为300-350rpm，恒转速时间为120s左右，降速加速度为25rpm/s，可根据实际情况进行参数微调，达到较好的涂胶表面均匀性。

e、待气浮转台19完全停止后，打开真空泵20对涂胶腔室5进行抽气，目的是抽去有害气体换入洁净空气，结束后关闭真空泵20；而后，启动上罩顶升装置13撑起上罩4，卸下补圆工装24。

f、启动第一顶升装置12将衬底11顶升起来与传送轨道7齐平，通过传送轨道7将衬底11安全地传送到第二顶升装置18的正上方，并采用第二顶升装置18将衬底11升起一定高度后借助外部助力机械手将衬底11移出设备后结束对衬底11的涂胶工艺。

g、清理涂胶腔室5、补圆工装23和24、集液底板25所粘上的光刻胶溶液后，重复步骤a～f对下一片衬底11进行旋涂；或继续清洗自动滴胶系统17，盖好上罩4，扣好8为密封卡扣，将涂胶腔室5内部抽至低真空后关闭设备。

实验表明本发明设备能够满足在直径近两米、重量约700kg的衬底表面进行光刻胶的涂布工艺，在通光口径内的涂胶不均匀性优于±3％。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以书名本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，这些都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应以权利要求所述为准。