一种制造半导体瀑布式蚀刻机设计及其应用研究

沈天成 陈叶娣 姚佳 刘星宇 卢炎

作者简介：沈天成（2001—），男，本科在读，研究方向为机械设计制造及其自动化。

陈叶娣（1978—），女，本科，副教授，研究方向为模具设计与制造。

摘  要：该文首先提出了常见的玻璃表面蚀刻装置在蚀刻处理玻璃表面过程中的问题及事后蚀刻装置对玻璃不易清洗的问题，通过对蚀刻机重新设计，提出了制造半导体瀑布式蚀刻机的设计方案和运行过程，经验证满足玻璃蚀刻装置的要求，敘述新型玻璃蚀刻装置结构设计所带来的有益效果，然后阐述玻璃蚀刻机在工业方面和工艺方面的应用，最后提出蚀刻机未来发展在蚀刻准确度、安全与环保方面仍然需要注意的问题。

关键词：蚀刻机  玻璃蚀刻  工艺创新  工业生产

中图分类号：TN30           文献标识码：A           文章编号：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

刻蚀就是用化学、物理或两者结合的办法，通过曝光制版、显影后，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形[1]。

半导体玻璃蚀刻作为化学蚀刻的一种，指用氢氟酸腐蚀其表面，将玻璃涂上石蜡，然后在石蜡上用工具刻画图案，再在其面涂上氢氟酸，最后可以得到玻璃蚀刻图案[2]。

1  市场上的传统产品存在的缺陷

常见的玻璃腐蚀装置都是箱式结构，其装置中会产生水波，影响玻璃的质量;其次由于蚀刻液是由氢氟酸与水混合而成，在喷洒的过程中，会形成粉末结晶与蚀刻液混合在一起，经过循环装置，会一同流入混合液箱中，影响混合液浓度。常见的玻璃表面蚀刻装置不方便对玻璃进行清洗，材料表面蚀刻完成后，表面会残留大量氢氟酸，若不对其表面尽快进行清洗，当员工接触到时会对其造成危险，从而增加了工作人员的安全隐患，同时给后续工作带来麻烦，降低了玻璃后续加工的进展，给使用者带来极大的不便。

2 新型蚀刻机的原理和操作过程

2.1新型蚀刻机的设计目的

解决对玻璃表面处理过程中产生水波的问题;解决腐蚀过程中产生残渣的问题;解决蚀刻装置玻璃清洗问题。

2.2新型蚀刻机的结构

2.3新型蚀刻机的蚀刻设计方案

为了实现设备的设计目的，提供如下技术方案：首先将放置玻璃的圆盘斜放置在箱体中，圆盘上方有一根带有2 mm缝隙的管道，当腐蚀液经过管道，腐蚀液会像瀑布一样均匀地流到圆盘上，同时圆盘会一同转动，进而避免玻璃表面产生水波纹;其次在蚀刻箱的底部和出水口处设置第一道滤网和第二道滤网，进而有效地减少残渣流入混合液箱中[3];最后在圆盘上方加自来水管道，管道上有小孔，当自来水通过时，自来水会喷洒到圆盘上，进而起到清洗玻璃的作用;装置底部设计有两个出水口，当蚀刻玻璃时，打开流入混合液箱的阀门，此时混合液流入混合液箱;当清洗玻璃的时候，打开流入废水处理箱的阀门，此时废水流入废水处理箱。

2.4新型蚀刻机的工作流程

将大小合适的玻璃放置到圆盘12中心，用加紧器15将玻璃夹住，防止玻璃在操作过程中偏离圆盘。打开开关，并打开流入混合液箱的阀门，且关闭另一个阀门;抽水泵将混合液从混合液箱中抽出，经管道3进入方形管道10，到达一定高度，液体会自然从方形管道末端下落，同时圆盘12旋转，进行玻璃表面蚀刻，蚀刻后的液体会经管道7回到混合液箱9中，循环若干次上述过程后，关闭蚀刻液，打开清洗液，同时关闭流入混合液的阀门，打开流入废水处理箱的阀门6，进入清洗模式[4]。蚀刻过程中，冷却装置一直处于开启状态，且蚀刻箱门18一直处于关闭状态。

2.5新型蚀刻机改善过程

（1）设置措施：装置底部设置成斜面（见图2），斜面底部连接两个出水口，一個流入混合液箱9，另一个流入废水处理。

设置优点：可以快速将液体聚集到底部，有效地提高循环效率。

（2）设置措施：所述蚀刻箱17底部设有过滤网14可以将腐蚀液中的残渣吸附，并且可以定期更换过滤网，底端两个孔部设有过滤网，起到第二次过滤的作用。

设置优点：有效地阻止残渣进入混合液中，进而避免影响混合液的浓度，且过滤网可以定期更换。

（3）设置措施：该装置底部两孔处设有截止阀，通过控制外部开关来控制截止阀的开关，进而控制出水方向。

设置优点：有效地解决清洗液的流出问题，并且有效地将腐蚀和清洗功能结合在一起。

（4）设置措施：装置顶部设有排气管，可以将蚀刻过程中产生的有害气体抽到废气处理中心。

设置优点：减小环境污染，减少有害气体对人体的伤害。

（5）设置措施：如图5所示，蚀刻液进入方形管道，液体会慢慢升高，到达一定高度，液体会像瀑布一样下落，且圆盘会一同旋转，使得蚀刻液均匀地洒向玻璃表面。

设置优点：有效解决液体喷洒到玻璃表面出现波纹的问题，且解决玻璃表面存在残渣或者灰尘的问题。

（6）设置措施：图1中编号5和8为冷却管，一条管道进入分支器，将液体分成8条管道，8条管道全部浸入混合液中。

设置优点：可以更充分地解决蚀刻过程中产热的问题，进而维持混合液恒温，如此更有利于控制玻璃表面的参数。

3 新型蚀刻机的应用

玻璃蚀刻通常会作用于工艺和工业两大块领域。工艺中包含有装饰作用、艺术作用。目前，许多酒店、家庭、会议厅、娱乐场所等的玻璃上都会蚀刻上动物、草木、飞禽、风景、人物等图案，另外在酒店、会议厅、娱乐场所、办公大楼使用的建筑装饰中也会使用蚀刻玻璃。工业中，众多情况下需要进行蚀刻玻璃研究。早期蚀刻技术在工业上用于制造铜版、锌版等印刷凹凸版，也应用于减轻重量仪器镶板、铭牌等的加工。经过不断改良和工艺设备发展，蚀刻技术也可应用于制作微观结构、载体晶片、玻璃盖板、OLED封装玻璃基片、生物芯片、精密腔体等。随着科学技术的进步，太阳能渐渐走进家庭生活中，所以太阳能电池需求开始持续增长，蚀刻工艺的研究成为一大热点。除此之外，蚀刻在半导体的制程上也是一项十分重要的技术。半导体玻璃还广泛地应用于其他光敏器件、发光器件、场效应器件、热敏器件、电子开关与光盘等方面。所以蚀刻玻璃市场需求是十分客观。根据前瞻产业研究院中2020年全球半导体行业市场现状与发展前景分析，国内市场需求强劲并有所增长[5]。

新型蚀刻机具有传统蚀刻机没有的优点。新型蚀刻机的圆盘瀑布式结构解决产生水波纹，可以更平稳地蚀刻图案，减少产品的次品率，降低损失。并且新型蚀刻机可以将蚀刻液进行过滤回收，用于下次的蚀刻过程。同时新型蚀刻机也可以在蚀刻图案后进行清洗，避免蚀刻液对工作人员造成伤害，降低了安全隐患，提高工作效率。所以新型蚀刻机可以更好地应用于工艺、工业方面[6]。

4 结语

新型蚀刻机的圆盘瀑布式结构可以解决产生波纹的问题，但是需要控制蚀刻液的出液速度。蚀刻液下落速度过快，碰撞圆盘表面会激起水珠，影响蚀刻准确度。新型蚀刻机很好地解决了常见的玻璃表面蚀刻装置不方便对玻璃进行清洗的问题，避免玻璃表面残留大量的氢氟酸对工作人员造成危险，降低了工作人员的安全隐患，提高了工作效率，给使用者带来极大的便利，同时实现蚀刻液的循环利用，减少资源的浪费和污染，并且可以改善工作环境，降低腐蚀液对工作人员的危害。

参考文献

[1] 王红松.浅谈化学蚀刻技术的发展及意义[J].化工管理，2020（4）：8-9.

[2] 侯江，黄祥，雍毅，等.玻璃蚀刻液废水中氨氮和氟去除研究[J].四川环境：2020，39（1）：10-16.

[3] 杨军芳，郝晴，周桓，等.蚀刻废液制备多种单一晶型碱式氯化铜的过程及产物表征[J/OL].无机盐工业：1-11[2021-04-19].https：//t.cnki.net/kcms/detail？v=pC3MBnXKfnRJf084Dqh9YFVc0CKfLJMLo7pCE2Sm5sCEZBdzMKC5VYdDqbOYOlVME2-zLEr8neLmEEhTaoC7bKnVmwTH9qyjY7eP-yFqiWzaedFIJdxxuA==&uniplatform=NZKPT.

[4] 辛菲，马挺，王秋旺.印刷电路板换热器换热槽道的喷淋蚀刻实验[J].工程热物理学报，2017，38（12）：2674-2678.

[5] 佚名.2020年全球半导体行业市场现状与发展前景分析.[J/OL].前瞻经济学人：1-2[2021-01-28].https：//www.sohu.com/a/447286832_120868906.

[6] 张成，郑百顺，郭青秀，等.基于局部保持嵌入-K近邻比率密度的半导体蚀刻过程故障诊断策略[J].控制理论与应用，2020，37（6）：1342-1348.

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