一種制造半導(dǎo)體瀑布式蝕刻機(jī)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

沈天成 陳葉娣 姚佳 劉星宇 盧炎

作者簡(jiǎn)介：沈天成（2001—），男，本科在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

陳葉娣（1978—），女，本科，副教授，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造。

摘 ?要：該文首先提出了常見(jiàn)的玻璃表面蝕刻裝置在蝕刻處理玻璃表面過(guò)程中的問(wèn)題及事后蝕刻裝置對(duì)玻璃不易清洗的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)蝕刻機(jī)重新設(shè)計(jì)，提出了制造半導(dǎo)體瀑布式蝕刻機(jī)的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行過(guò)程，經(jīng)驗(yàn)證滿足玻璃蝕刻裝置的要求，敘述新型玻璃蝕刻裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的有益效果，然后闡述玻璃蝕刻機(jī)在工業(yè)方面和工藝方面的應(yīng)用，最后提出蝕刻機(jī)未來(lái)發(fā)展在蝕刻準(zhǔn)確度、安全與環(huán)保方面仍然需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：蝕刻機(jī) ?玻璃蝕刻 ?工藝創(chuàng)新 ?工業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TN30 ??????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??????????文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： The article first puts forward the problem of common glass surface etching device in the process of etching the glass surface and the problem that the etching device is not easy to clean the glass afterwards. Through the redesign of the etching machine， the design scheme and operation of manufacturing the semiconductor waterfall etching machine are proposed. The process is verified to meet the requirements of the glass etching device， and the beneficial effects brought by the structural design of the new glass etching device are described. Then， the industrial and technological application of the glass etching machine is explained. Finally， the future development of the etching machine is proposed in the etching accuracy， Issues that still need attention in safety and environmental protection

Key Words： Etching Machine; Glass Etching; Process Innovation; Industrial production

刻蝕就是用化學(xué)、物理或兩者結(jié)合的辦法，通過(guò)曝光制版、顯影后，有選擇地把沒(méi)有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形[1]。

半導(dǎo)體玻璃蝕刻作為化學(xué)蝕刻的一種，指用氫氟酸腐蝕其表面，將玻璃涂上石蠟，然后在石蠟上用工具刻畫圖案，再在其面涂上氫氟酸，最后可以得到玻璃蝕刻圖案[2]。

1 ?市場(chǎng)上的傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的缺陷

常見(jiàn)的玻璃腐蝕裝置都是箱式結(jié)構(gòu)，其裝置中會(huì)產(chǎn)生水波，影響玻璃的質(zhì)量;其次由于蝕刻液是由氫氟酸與水混合而成，在噴灑的過(guò)程中，會(huì)形成粉末結(jié)晶與蝕刻液混合在一起，經(jīng)過(guò)循環(huán)裝置，會(huì)一同流入混合液箱中，影響混合液濃度。常見(jiàn)的玻璃表面蝕刻裝置不方便對(duì)玻璃進(jìn)行清洗，材料表面蝕刻完成后，表面會(huì)殘留大量氫氟酸，若不對(duì)其表面盡快進(jìn)行清洗，當(dāng)員工接觸到時(shí)會(huì)對(duì)其造成危險(xiǎn)，從而增加了工作人員的安全隱患，同時(shí)給后續(xù)工作帶來(lái)麻煩，降低了玻璃后續(xù)加工的進(jìn)展，給使用者帶來(lái)極大的不便。

2 新型蝕刻機(jī)的原理和操作過(guò)程

2.1新型蝕刻機(jī)的設(shè)計(jì)目的

解決對(duì)玻璃表面處理過(guò)程中產(chǎn)生水波的問(wèn)題;解決腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生殘?jiān)膯?wèn)題;解決蝕刻裝置玻璃清洗問(wèn)題。

2.2新型蝕刻機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.3新型蝕刻機(jī)的蝕刻設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)目的，提供如下技術(shù)方案：首先將放置玻璃的圓盤斜放置在箱體中，圓盤上方有一根帶有2 mm縫隙的管道，當(dāng)腐蝕液經(jīng)過(guò)管道，腐蝕液會(huì)像瀑布一樣均勻地流到圓盤上，同時(shí)圓盤會(huì)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而避免玻璃表面產(chǎn)生水波紋;其次在蝕刻箱的底部和出水口處設(shè)置第一道濾網(wǎng)和第二道濾網(wǎng)，進(jìn)而有效地減少殘?jiān)魅牖旌弦合渲衃3];最后在圓盤上方加自來(lái)水管道，管道上有小孔，當(dāng)自來(lái)水通過(guò)時(shí)，自來(lái)水會(huì)噴灑到圓盤上，進(jìn)而起到清洗玻璃的作用;裝置底部設(shè)計(jì)有兩個(gè)出水口，當(dāng)蝕刻玻璃時(shí)，打開(kāi)流入混合液箱的閥門，此時(shí)混合液流入混合液箱;當(dāng)清洗玻璃的時(shí)候，打開(kāi)流入廢水處理箱的閥門，此時(shí)廢水流入廢水處理箱。

2.4新型蝕刻機(jī)的工作流程

將大小合適的玻璃放置到圓盤12中心，用加緊器15將玻璃夾住，防止玻璃在操作過(guò)程中偏離圓盤。打開(kāi)開(kāi)關(guān)，并打開(kāi)流入混合液箱的閥門，且關(guān)閉另一個(gè)閥門;抽水泵將混合液從混合液箱中抽出，經(jīng)管道3進(jìn)入方形管道10，到達(dá)一定高度，液體會(huì)自然從方形管道末端下落，同時(shí)圓盤12旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行玻璃表面蝕刻，蝕刻后的液體會(huì)經(jīng)管道7回到混合液箱9中，循環(huán)若干次上述過(guò)程后，關(guān)閉蝕刻液，打開(kāi)清洗液，同時(shí)關(guān)閉流入混合液的閥門，打開(kāi)流入廢水處理箱的閥門6，進(jìn)入清洗模式[4]。蝕刻過(guò)程中，冷卻裝置一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，且蝕刻箱門18一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.5新型蝕刻機(jī)改善過(guò)程

（1）設(shè)置措施：裝置底部設(shè)置成斜面（見(jiàn)圖2），斜面底部連接兩個(gè)出水口，一個(gè)流入混合液箱9，另一個(gè)流入廢水處理。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：可以快速將液體聚集到底部，有效地提高循環(huán)效率。

（2）設(shè)置措施：所述蝕刻箱17底部設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)14可以將腐蝕液中的殘?jiān)?，并且可以定期更換過(guò)濾網(wǎng)，底端兩個(gè)孔部設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)，起到第二次過(guò)濾的作用。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：有效地阻止殘?jiān)M(jìn)入混合液中，進(jìn)而避免影響混合液的濃度，且過(guò)濾網(wǎng)可以定期更換。

（3）設(shè)置措施：該裝置底部?jī)煽滋幵O(shè)有截止閥，通過(guò)控制外部開(kāi)關(guān)來(lái)控制截止閥的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而控制出水方向。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：有效地解決清洗液的流出問(wèn)題，并且有效地將腐蝕和清洗功能結(jié)合在一起。

（4）設(shè)置措施：裝置頂部設(shè)有排氣管，可以將蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體抽到廢氣處理中心。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：減小環(huán)境污染，減少有害氣體對(duì)人體的傷害。

（5）設(shè)置措施：如圖5所示，蝕刻液進(jìn)入方形管道，液體會(huì)慢慢升高，到達(dá)一定高度，液體會(huì)像瀑布一樣下落，且圓盤會(huì)一同旋轉(zhuǎn)，使得蝕刻液均勻地灑向玻璃表面。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：有效解決液體噴灑到玻璃表面出現(xiàn)波紋的問(wèn)題，且解決玻璃表面存在殘?jiān)蛘呋覊m的問(wèn)題。

（6）設(shè)置措施：圖1中編號(hào)5和8為冷卻管，一條管道進(jìn)入分支器，將液體分成8條管道，8條管道全部浸入混合液中。

設(shè)置優(yōu)點(diǎn)：可以更充分地解決蝕刻過(guò)程中產(chǎn)熱的問(wèn)題，進(jìn)而維持混合液恒溫，如此更有利于控制玻璃表面的參數(shù)。

3 新型蝕刻機(jī)的應(yīng)用

玻璃蝕刻通常會(huì)作用于工藝和工業(yè)兩大塊領(lǐng)域。工藝中包含有裝飾作用、藝術(shù)作用。目前，許多酒店、家庭、會(huì)議廳、娛樂(lè)場(chǎng)所等的玻璃上都會(huì)蝕刻上動(dòng)物、草木、飛禽、風(fēng)景、人物等圖案，另外在酒店、會(huì)議廳、娛樂(lè)場(chǎng)所、辦公大樓使用的建筑裝飾中也會(huì)使用蝕刻玻璃。工業(yè)中，眾多情況下需要進(jìn)行蝕刻玻璃研究。早期蝕刻技術(shù)在工業(yè)上用于制造銅版、鋅版等印刷凹凸版，也應(yīng)用于減輕重量?jī)x器鑲板、銘牌等的加工。經(jīng)過(guò)不斷改良和工藝設(shè)備發(fā)展，蝕刻技術(shù)也可應(yīng)用于制作微觀結(jié)構(gòu)、載體晶片、玻璃蓋板、OLED封裝玻璃基片、生物芯片、精密腔體等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能漸漸走進(jìn)家庭生活中，所以太陽(yáng)能電池需求開(kāi)始持續(xù)增長(zhǎng)，蝕刻工藝的研究成為一大熱點(diǎn)。除此之外，蝕刻在半導(dǎo)體的制程上也是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)。半導(dǎo)體玻璃還廣泛地應(yīng)用于其他光敏器件、發(fā)光器件、場(chǎng)效應(yīng)器件、熱敏器件、電子開(kāi)關(guān)與光盤等方面。所以蝕刻玻璃市場(chǎng)需求是十分客觀。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院中2020年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求強(qiáng)勁并有所增長(zhǎng)[5]。

新型蝕刻機(jī)具有傳統(tǒng)蝕刻機(jī)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。新型蝕刻機(jī)的圓盤瀑布式結(jié)構(gòu)解決產(chǎn)生水波紋，可以更平穩(wěn)地蝕刻圖案，減少產(chǎn)品的次品率，降低損失。并且新型蝕刻機(jī)可以將蝕刻液進(jìn)行過(guò)濾回收，用于下次的蝕刻過(guò)程。同時(shí)新型蝕刻機(jī)也可以在蝕刻圖案后進(jìn)行清洗，避免蝕刻液對(duì)工作人員造成傷害，降低了安全隱患，提高工作效率。所以新型蝕刻機(jī)可以更好地應(yīng)用于工藝、工業(yè)方面[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

新型蝕刻機(jī)的圓盤瀑布式結(jié)構(gòu)可以解決產(chǎn)生波紋的問(wèn)題，但是需要控制蝕刻液的出液速度。蝕刻液下落速度過(guò)快，碰撞圓盤表面會(huì)激起水珠，影響蝕刻準(zhǔn)確度。新型蝕刻機(jī)很好地解決了常見(jiàn)的玻璃表面蝕刻裝置不方便對(duì)玻璃進(jìn)行清洗的問(wèn)題，避免玻璃表面殘留大量的氫氟酸對(duì)工作人員造成危險(xiǎn)，降低了工作人員的安全隱患，提高了工作效率，給使用者帶來(lái)極大的便利，同時(shí)實(shí)現(xiàn)蝕刻液的循環(huán)利用，減少資源的浪費(fèi)和污染，并且可以改善工作環(huán)境，降低腐蝕液對(duì)工作人員的危害。

參考文獻(xiàn)

[1] 王紅松.淺談化學(xué)蝕刻技術(shù)的發(fā)展及意義[J].化工管理，2020（4）：8-9.

[2] 侯江，黃祥，雍毅，等.玻璃蝕刻液廢水中氨氮和氟去除研究[J].四川環(huán)境：2020，39（1）：10-16.

[3] 楊軍芳，郝晴，周桓，等.蝕刻廢液制備多種單一晶型堿式氯化銅的過(guò)程及產(chǎn)物表征[J/OL].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)：1-11[2021-04-19].https：//t.cnki.net/kcms/detail？v=pC3MBnXKfnRJf084Dqh9YFVc0CKfLJMLo7pCE2Sm5sCEZBdzMKC5VYdDqbOYOlVME2-zLEr8neLmEEhTaoC7bKnVmwTH9qyjY7eP-yFqiWzaedFIJdxxuA==&uniplatform=NZKPT.

[4] 辛菲，馬挺，王秋旺.印刷電路板換熱器換熱槽道的噴淋蝕刻實(shí)驗(yàn)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2017，38（12）：2674-2678.

[5] 佚名.2020年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析.[J/OL].前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人：1-2[2021-01-28].https：//www.sohu.com/a/447286832_120868906.

[6] 張成，鄭百順，郭青秀，等.基于局部保持嵌入-K近鄰比率密度的半導(dǎo)體蝕刻過(guò)程故障診斷策略[J].控制理論與應(yīng)用，2020，37（6）：1342-1348.

3187500338250