光刻胶粘度测试影响因素及粘度值确定方法研究

光刻胶粘度测试影响因素及粘度值确定方法研究

娄季攀

（江苏博砚电子科技股份有限公司，江苏 宜兴 214200

摘要：使用RE215L锥板粘度计对光刻胶样品的表观粘度进行了测试，通过分析转动时间，转速及扭矩等因素对光刻胶粘度的影响，验证了转速对粘度，扭矩对粘度之间存在一定的线性关系。并对光刻胶的粘度测试方法进行了探索，验证合适的扭矩对粘度的测量具有重要的意义，可为光刻胶粘度的测定及在基板上方涂布应用提供参考价值。

关键词：光刻胶；粘度；转速；扭矩；影响因素

1. 研究现状及存在的问题

光刻胶是一种由树脂，溶剂及光敏剂等原材料组成的液体混合物，是光刻工艺中的核心材料，经过紫外光（UV）的照射，可以发生光固化反应，将掩模版上的图形复制到玻璃或硅片基板上形成一层涂膜，主要应用领域是在集成电路及显示行业，曝光的光源有I线的365nm，H线的405nm，G线的436nm，及其他需要的光源248nm，193nm，13.5nm等等，随着科学技术的发展，对光刻胶的要求越来越高，对其研究越来越多，并逐步趋向于国产化。本研究主要侧重于薄膜晶体管液晶显示技术(简称LCD-TFT)用光刻胶，主要是在LCD显示器件中使用，属于色彩显示器件单元，经过涂布、曝光、显影、烘烤等步骤，将光刻胶中的有效成分保留在显示器件中，起到色彩多元化的效果，为人们提供舒适的阅览环境。LCD显色单元主要由RGB三原色、黑色矩阵等光刻胶组成，光刻胶作为涂层涂覆在玻璃表面，经过背光源照射后，将需要的光波过滤出来，不需要的光波被屏蔽掉，为人们呈现出由赤色到紫色的多彩视野。而研究中的黑色矩阵（黑色光刻胶）作为一条窄线框在玻璃基板的表面把其他三原色隔离开，起到防止混色的效果，如图1所示。黑色光刻胶作为彩色滤光片中一个组成部分，目前对其粘度的测试方法研究存在如下问题：

1. 对光刻胶的粘度测试方法研究较少，相应文献依据不充分[1-3]；
2. 粘度测试的国标规定，比较接近的有GB-T2794-1995 胶粘剂粘度的测定和GB-T1723-1993 涂料粘度测定法等[4-5]，对于光刻胶粘度测试过程不明确，采用的转速，测试时间，扭矩等缺少参考；
3. 光刻胶技术掌握在日韩等发达国家，在中国的研究较少，目前仍处于上升阶段，相应的科技工作者较缺少参照标准[6-16]。

针对上述的问题，为使光刻胶粘度测试更加的高效和准确，在使用过程中提供更好的参考依据，研究人员进行了大量实验分析和验证，通过对各项影响因素分析，找到主要影响因素，对光刻胶的研究起到一定的积极作用，为光刻胶粘度测试提供了较有参考价值的依据。

图1. LCD 滤光片示意图

2. 光刻胶配制

本研究采用的光刻胶是CF厂（液晶面板显示器件生产厂）用胶配制方法，其性能和各个成分的配比有关。在性能上要求具有一定的遮光性，所以胶成分中有一定质量的炭黑，具有较高的着色力，较大的比表面积，其主要作用是对光进行吸收及遮盖，防止光线透过，并将RGB三原色之间隔离开防止混色。对光刻胶的涂布性也有一定要求，所以胶成分中有一定质量的溶剂，要求具有一定的流动性，并有一定的挥发性，在涂布、烘烤工艺中，可以将光刻胶的固体成分均匀的涂布在基板表面，并可实现调节膜层的厚度到合适范围这一功能。为使光刻胶与基板之间产生粘连附着作用，会在胶成分中添加一定质量的感光性有机物树脂，在涂布烘烤后与玻璃基板产生较强的作用力，而将胶中的固体成分保留在基板的表面，同时因为树脂具有感光性，经过光化学反应后，树脂分子间产生交联而形成网状结构，包裹粘连其他固体成分，防止固体成分的脱落。为得到光刻胶的感光性能，会在胶成分中添加一定质量的感光剂，在经过紫外曝光工艺后，感光剂发生光化学反应，分解出自由基促进感光树脂的交联反应，发生反应的树脂有更高的力学性能，增强了与玻璃基板之间的附着力，同时当曝光时，能提高光刻胶的分辨率，使得光刻出来的图形边缘清晰平整，有较好的形貌图形。为改善光刻胶性能，会在胶中添加一定质量的添加剂，其目的一，可以提高光刻胶的感光性，可以使胶在较低光照度下也能发生光反应，从而提高工艺效率。目的二，改善光刻胶与基板材料的涂布润湿性，促进光刻胶在基板表面形成更均匀的膜层，均匀性对光刻胶获得更好形貌、分辨率等方面有改善效果。目的三，提高光刻胶的热稳定性、耐化性、耐光性等，保持光刻胶在使用过程中的稳定性，增加使用寿命。

光刻胶在无尘室内制作，防止环境或人为因素引入大颗粒杂质，影响胶的质量，在配制过程中，避免人员大量走动，减少风险因素。无尘室内采用黄光灯环境，防止自然光进入导致光化学反应提前发生，经过称量，对光刻胶进行混合、过滤等后，去除光刻胶中的大颗粒杂质，并将光刻胶装填在棕色的遮光玻璃瓶中备用。

3. 测试影响因素

影响光刻胶粘度的主要因素有测试采用的设备转子，转速，扭矩等。参考GB-T2794-1995的测试方法，采用RE215L锥板粘度计，测试容器内保持25±0.5℃的循环水恒温状态，测试环境为23±2℃的无尘室中，在开始测试前，对样品进行回温处理达到无尘室温度要求，样品使用CF厂用黑色光阻。为确定光刻胶的最佳使用时间，取样回温后在无尘室内放置0天（fresh样品），1天，2天，3天样品，对其进行粘度测试（以下若无注明，均指fresh样品）,采用不同的测试方法分析各个影响因素。

3.1 测试样品量

粘度与扭矩存在一定的线性关系，注入测试腔室内的样品量多少对粘度也有一定的影响。取样量应该以接触到转子为最少液量，但如果液面过高会淹没到转子，转动时的不稳定性也会增加。为测试不同样品量对粘度的影响，做了不同样品量对粘度的影响，如图2所示。

图2. 样品量对粘度的影响

可以看出，测试样品量从0.8ml到2.5ml之间，粘度值在2.859mPa·s到3.417mPa·s之间变动，0.8ml到1ml的粘度值变化13.08%，1ml到1.8ml粘度值平均变化0.06%，1.8ml到2ml的粘度值平均变化3.1%。

图3的示意图反应出液面与转子之间的最佳接触，粘度的理论计算公式为：

Viscosity/mPa·s = K×（扭矩）/转速（rpm）

其中K=f（r,α,…）

图3. 转子与液面接触示意图

从上图可看出定数K值的更加稳定对粘度值的读取具有帮助作用。选择合适的测试样品量可反应出光刻胶的较准确的粘度值，同时也是为了保持α值的相对稳定。

3.2 转子转动时间

转子在测试容器内转动的时间长短会影响非牛顿流体的粘度，为设置合适的读数时间，对回温样品进行了50,100,150rpm的3个不同转速下的粘度测试，结果如图4所示。

图4. 转动时间对粘度的影响

由图4可见，光刻胶的粘度随着转子转动时间的延长，粘度会呈先上升后稳定的特征，这是因为光刻胶在受到剪切搅动时，组成混合物的内部结构发生了变化导致粘度有所波动，在转子转动过程中，对原光刻胶的稳定结构进行不间断的破坏，而光刻胶内部也在不停的进行着结构的重组并向未受到剪切应力的结构方向靠拢，所以在测试容器内部，当这种剪切破坏与结构重组达到一个稳定的状态时，粘度值趋于稳定不变在一个合适范围内。因此对于转动时间的选择，应使光刻胶的内部结构在较短时间内达到结构的平衡稳定。

3.3 转速

光刻胶属于一种非牛顿流体，转速的大小影响了剪切应力的大小，并对光刻胶的粘度会造成影响。为确立转速对光刻胶粘度的影响，取样了3个不同状态的样品进行测试，分别是0天（fresh样品），常温放1天，2天，3天共4个样品，对其粘度数据进行了收集，如图5所示。

图5. 不同样品情况下转速对粘度的影响

如上图5所示，光刻胶的粘度值随着转子转速的增大而减小，当转子转速从50rpm到100rpm时，粘度平均值减小24.06%，转速从100rpm到150rpm时，粘度平均值减小3.52%，转速从150rpm到200rpm时，粘度平均值减小5.67%。为使粘度值达到稳定的状态，粘度值变化最小的转速范围可设置为合适区间。

表1列出了光刻胶粘度与转速之间的线性相关性，样品在1天内测试完成较为合适。样品放置时间延长，光刻胶的粘度值呈现出增大的趋势，对于光刻胶在CF厂的应用效能也会降低。光刻胶的粘度值变化反映出内部结构的变化，粘度值增大后，内部结构之间的作用力增加，需要更大剪切应力才能使内部结构达到稳定状态，其结果会导致光刻胶不容易涂覆在玻璃基板表面，或者导致覆膜厚度增加，最终影响胶体的在线效果。

表1. 光刻胶粘度与转速之间的线性关系

3.4 扭矩

扭矩（TQ）反映出测试容器内转子的测试能力范围，对粘度计设备的测试能力进行了规定。根据转子粘度计的建议扭矩使用范围，一般取用20%~80%的扭矩值，当扭矩过大或者过小，对测试的粘度值都有影响，不仅转速和粘度存在一定的关系外，扭矩和粘度值之间也存在一定的线性关系。图6反映的是扭矩与粘度之间的关系。

图6. 扭矩与粘度的对应关系

由上图6可知，随着扭矩的增大，粘度值表现出减小的趋势，扭矩从20%增大到40%，粘度值平均减小9.12%，扭矩从40%增大到60%，粘度值平均减小7.76%，扭矩从60%增大到90%，粘度值平均减小7.23%。

表2. 光刻胶粘度值与扭矩之间的线性关系

表2列出了粘度值与扭矩之间的线性关系，20%-40%的扭矩与粘度的相关关系较小，不作为考虑对象。对光刻胶的扭矩选择范围以40-60%较好，但是扭矩大小反映了剪切力的强弱程度，所以为对比光刻胶的粘度变化趋势，从可靠性方面来考虑，当以固定的扭矩值来确定粘度，此时可以测试3~5个不同扭矩下的粘度值，然后以线性关系式来计算较具有精确性。

为对其他光刻胶的粘度测试具有参考性，在不同扭矩值下整理并参考了标准液的转速对应粘度数据，如图7所示，测试条件：测试温度25℃，标准液粘度7.011。

在合适扭矩值下，测试5~8mPa·s的光刻胶，可设置转速50rpm，测试3~5mPa·s的光刻胶，可设置转速100rpm，测试1~3mPa·s的光刻胶，可设置转速150rpm。为确保光刻胶粘度的精确性，测试时可测试3~5个不同扭矩下的粘度值，以线性回归来计算相同扭矩值下的粘度值。

图7.不同扭矩下转速与粘度之间的关系

4. 结论

本研究过程通过对影响光刻胶粘度的各项因素进行了分析，即测试样品量，转子转动时间，转子转速，扭矩等各项影响因子，其中发现扭矩与粘度值之间具有良好的相关性，对指导光刻胶粘度值测试、实际应用及行业相应标准制定具有重要的积极意义。

测试腔室内的样品量多少对光刻胶的粘度有一定的影响，为满足α值的稳定，液面应该以淹没转子底部为最佳，同时注入液量也应在一定范围，对粘度值的稳定性有重要影响的1~1.8ml较为合适。定数K值较为稳定，对粘度的测量也会更加稳定，此时读取的粘度值较为准确。

测试光刻胶粘度值的转子转速及转动时间应选择合适的范围，转速影响转子的剪切应力，在施加于光刻胶剪切应力时，合适的转速可以使光刻胶内部结构较快的达到稳定结构状态，转动时间较为合适的是60~120sec。同时，为反映光刻胶的实际粘度值，fresh的样品应当及时测试，常温存放时间过长也会对粘度值有较大的影响。

光刻胶的粘度与扭矩存在良好的线性关系，根据测得的扭矩值可以很好的对产品的粘度进行预判，从测得的数据中得出线性回归公式，本例中光刻胶的线性回归公式为y=-0.0127x+3.615，选择扭矩在40%~60%之间。同时对光刻胶的粘度测试可采用预判的方法，根据预测，对粘度分布在1~8mPa·s的光刻胶，可根据需要设置对应的转速，并得到扭矩值，测试时可测试3~5个不同扭矩下的粘度，以线性回归公式可计算出固定扭矩下较为精确的粘度值。

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