SPRÜHBELACKUNG
Die Sprühbelackung von Substraten kann in den Fällen eine sinnvolle Belackungstechnik für Fotolacke sein, wo die Substratgröße oder deren Texturierung ein Aufschleudern mit der erforderlichen Homogenität des Belackungsbildes nicht erlauben. Dieser Abschnitt beschreibt die Technologie der Sprühbelackung, die physikalischen Vorgänge zwischen der Tröpfchenentstehung am Sprühkopf und der fertigen Lackschicht und gibt Erklärungen und Antworten zu häufigen Problemstellungen im Zusammenhang mit der Sprühbelackung.
Grundsätzliches zur Sprühbelackung
Grundprinzip der Sprühbelackung
Bei der Sprühbelackung wird die Lackschicht aus dem aus zerstäubtem Fotolack gebildeten Sprühnebel mit typischen Tröpfchengrößen im μm-Bereich abgeschieden. Die Tröpfchen werden über z. B. eine Stickstoff - beaufschlagte Düse oder via Ultraschallzerstäubung gebildet und landen, von einem Luft- oder Stickstoff - Strom getragen auf der Substratoberfläche wo sie sich zu einer geschlossenen Lackschicht vereinigen.
Mögliche Vorteile
Die Sprühbelackung bietet neben einer zumindest theoretisch sehr hohen Lackausbeute das Potenzial, nahezu beliebig geformte und texturierte Substrate zu belacken, bei welchen das Aufschleudern technisch nicht umsetzbar ist bzw. nicht die hinsichtlich Homogenität der Lackschichtdicke über das gesamte Substrat bzw. über dessen Texturen (Kantenbedeckung) geforderten Ergebnisse liefert. Mit einem für den jeweiligen Prozess geeigneten Sprühlack und über optimierte Sprühparameter lassen sich mittels Sprühbelackung bei texturierten Substraten die Gräben, Flanken und Kanten der Texturen mit einer für die meisten Anwendungen hinreichend gleichmäßigen Lackschichtdicke versehen.
Grenzen der Sprühbelackung
In der Praxis landen die meisten Lacktröpfchen in der Absaugung und nur ein geringer Anteil auf dem Substrat. Die erzielbare Lackausbeute erreicht typische Werte um 5 - 15 %, was jedoch immer noch deutlich größer als die beim Aufschleudern erzielten Werte von typ. < 5 % ist. Die Lacktröpfchen „regnen“ nicht laminar umströmt auf das Substrat sondern werden durch Mikroturbulenzen über der Oberfl äche v. a. texturierter Oberflächen örtlich teilweise stark inhomogen abgeschieden. Dadurch ist auf texturierten Substraten die Lackschicht über den Texturen nicht gleichmäßig dick, sondern an den Oberkanten meist ausgedünnt, und in den Gräben in Nähe der Flanken verdickt. Die Bildung dünner (ca. < 1 μm) geschlossener Lackschichten ist tendenziell schwierig, da die Landestellen der Tröpfchen auf dem Substrat sowie die Tröpfchendurchmesser statistisch verteilt sind. Daher ist eine bestimmte Tröpfchendichte auf der Substratoberfläche notwendig, um ein Zusammenfließen zu einer durchgehenden Schicht zu ermöglichen. Dieser für eine glatte Lackschicht gewünschte Vorgang des Fließens im μm-Maßstab führt jedoch gleichzeitig zu einer Ausdünnung der Lackschicht über Kanten und Ecken texturierter Substrate (geringe Kantenbedeckung).
Sprühnebel-Bildung
Geeignetes Equipment
Die technisch einfachste Möglichkeit zur Erzeugung eines Sprühnebels ist die Zerstäubung von Lack an einer Düse wie es auch in handelsüblichen Airbrush-Pistolen erfolgt. Zur Verhinderung einer Kontamination des Lacks mit an der Niederdruckseite auskondensierender Luftfeuchte oder Partikeln empfiehlt sich hierfür Reinst-Stickstoff. Falls Airbrush-Pistolen eingesetzt werden sollen, ist auf die Stabilität der darin verwendeten Dichtungen gegen die im Lack verwendeten Lösemittel wie z.B. PGMEA, MEK oder Aceton zu achten. Eine andere Möglichkeit zur Bildung des Sprühnebels ist die Ultraschallzerstäubung, bei welcher der Lack über eine am Lack anliegende hochfrequente mechanische Schwingung vernebelt und von einem Trägergas auf das Substrat geleitet wird.
Zur Zerstäubung geeignete Sprühlacke
Für das Aufschleudern optimierte Lacke sind zur Bildung eines hinreichend feinen Sprühnebels meist zu hochviskos. Jede Technologie erfordert zur Erzeugung einer für die Sprühbelackung geeigneten Tröpfchengrößenverteilung eine rel. geringe Viskosität des Sprühlacks von üblicherweise wenigen cSt. Bei der Auswahl und Konzentration der Lösemittel müssen Inkompatibilitäten verschiedener Lösemittel zum Fotolack wie auch die Tatsache berücksichtigt werden, dass zu stark verdünnte Fotolacke beschleunigt altern und Partikel bilden.
Vorgänge im Sprühnebel
Verdunstung von Lösemittel
Zwischen Sprühkopf und Substrat sollte aus den Tröpfchen des Sprühnebels so viel Lösemittel verdunsten, dass auf dem Substrat kein makroskopisches Verfließen des Lacks stattfindet, was die Homogenität des Belackungsbildes und, falls relevant, die Kantenbedeckung verschlechtert. Die Viskosität der Lackschicht sollte jedoch gleichzeitig gering genug sein, um deren Glättung im μm-Maßstab und somit eine geschlossene Lackschicht zu ermöglichen. Verdunstet bereits im Sprühnebel ein zu großer Lösemittelanteil, können die Tröpfchen nicht zu einer geschlossenen Lackschicht zusammenfließen. Im Extremfall trocknen v. a. die kleineren Lacktröpfchen mit ihrem größeren Oberfläche/Volumen-Verhältnis bereits im Flug zu Harz-Kügelchen, welche nicht auf dem Substrat haften bleiben sondern im Falle unzureichender Absaugung als Partikel in die Reinraumluft gelangen. Die Parameter Temperatur, Umströmungsgeschwindigkeit und Sättigung der Umgebung mit Lösemittel sowie die Lösemittelzusammensetzung bestimmen für jede Tröpfchengröße die Verdunstungsrate als Funktion der Lösemittelsättigung der Tröpfchenoberfläche. Diese Konzentration wiederum hängt von der temperatur- und lösemittelkonzentrationsabhängigen Diffusion der verschiedenen Lösemittel aus dem Inneren der Tröpfchen an deren Oberfläche ab. In der Praxis kombiniert man zwei oder mehr Lösemittel mit stark unterschiedlichem Dampfdruck (z.B. PGMEA mit MEK oder Aceton), um eine bestimmte Viskosität der Tröpfchen beim Landen auf dem Substrat vorzugeben.
Transport der Tröpfchen zum Substrat
Die freie Fallgeschwindigkeit in Luft von kugelförmigen Lacktröpfchen mit einem Durchmesser von 1 μm liegt bei ca. 10 cm/Stunde und damit viel zu niedrig, um Substrate ausschließlich über die Kraft der Gravitation, also „im freien Fall“ zu belacken. Deshalb ist ein Tröpfchen-Transport durch ein Trägergas erforderlich was beim Airbrush-Verfahren durch den zur Zerstäubung an der Düse verwendeten Stickstoff, bei der Ultraschallzerstäubung durch eine entsprechende Trägergasströmung erzielt wird. Unmittelbar über der zu belackenden Substratoberfläche herrscht teils laminare Strömung parallel zur Oberfläche, teils durch eine Textur definierte turbulente Strömung welche eine gleichmäßige Belackung von Kanten und Gräben erschweren kann. Die Abbidung zeigt, wie sich auf einem glatten Substrat (ein nicht texturierter Silicium-Wafer) während der Sprühbelackung eine geschlossene, glatte Lackschicht ausbildet.
Benetzung, Kantenbedeckung und Rauigkeit der Lackschicht
Benetzung
Eine gute Benetzungsfähigkeit des Substrats fördert die Bildung einer geschlossenen Lackschicht aus den Tröpfchen und ist daher Voraussetzung für gute Belackungsergebnisse. Eine gute Benetzung bzw. Haftung lässt sich über eine optimierte Substratvorbehandlung erzielen.
Glatte Lackoberfläche und optimierte Kantenbedeckung: Stets ein Kompromiss
Ist die Lösemittelkonzentration der gebildeten Lackschicht über einen langen Zeitraum sehr groß, fließt der Lack durch seine Oberflächenspannung zwar zu einem sehr glatten Film zusammen, zieht sich dabei aber gleichzeitig auch von den Kanten von Texturen zurück welche dadurch u. U. nur noch sehr dünn oder gar nicht mehr von Lack bedeckt sind. Werden hingegen Sprühlack und Sprühparameter so eingestellt, dass die gebildete Lackschicht wenig Restlösemittel enthält, bzw. durch rasches Verdunsten sehr rasch diesen Zustand erreicht, bleiben die Kanten von Texturen besser bedeckt. Durch das unterdrückte Fließen des Lacks ist die Lackschicht jedoch auf μm- Skala vergleichsweise rau – im Extremfall bleiben die Tröpfchen dort in ihrer ursprünglichen Form auf dem Substrat sitzen wo sie gelandet sind.
Parameter zur Beeinflussung der Kantenbedeckung und Glätte der Lackschicht
Um einen für eine bestimmte Anwendung optimalen Kompromiss aus einer möglichst glatten Lackschicht, und – falls erforderlich – einer optimalen Kantenbedeckung zu finden, muss die Viskosität der eben gelandeten Lacktröpfchen sowie der zeitliche Verlauf der Viskosität (Verdunstung des Lösemittels) der eben gebildeten Lackschicht eingestellt werden. Hierzu stehen eine Vielzahl an Parametern zur Verfügung. Eine bessere Kantenbedeckung mit dem Kompromiss einer tendenziell weniger glatten Lackschicht lässt sich erzielen, wenn die auf dem Substrat landenden Lacktröpfchen durch eine beschleunigte Verdunstung im Flug zwischen Sprühkopf und Substrat ausreichend hochviskos sind, was sich über
- Einen geringen Anteil hoch siedender Lösemittel wie PGMEA und höheren Anteil nieder siedender Lösemittel wie Aceton oder MEK im Sprühlack
- Kleinere Tröpfchendurchmesser, z. B. über eine hohe Lösemittelkonzentration im Sprühlack oder Einstellungen am Sprühkopf
- Einen größeren Abstand zwischen Sprühkopf und Substrat für eine geringere Lösemittelkonzentration der auf dem Substrat landenden Tröpfchen durch Verdunstung während des Flugs der Tröpfchen umsetzen lässt.
Alternativ oder zusätzlich kann eine beschleunigte Verdunstung aus der gerade gebildeten Lackschicht via
- Ein auf ca. 40 - 60°C erwärmtes Substrat
- Eine verringerte Sprührate
die Kantenbedeckung verbessern. Die Gegenteiligen Maßnahmen können helfen, die Glattheit der Lackschicht – allerdings auf Kosten einer tendenziell schlechteren Kantenbedeckung – zu verbessern:
- Ein hoher Anteil hoch siedender Lösemittel wie PGMEA und geringer Anteil nieder siedender Lösemittel wie Aceton oder MEK im Sprühlack
- Größere Tröpfchendurchmesser, z. B. über eine geringere Lösemittelkonzentration im Sprühlack oder
Einstellungen am Sprühkopf:
- Ein geringerer Abstand zwischen Sprühkopf und Substrat für eine höhere Lösemittelkonzentration der auf dem Substrat landenden Tröpfchen
- Eine höhere Sprührate
Geeignete Sprühlacke
Durch eine geeignete Lösemittelzusammensetzung lässt sich grundsätzlich aus jedem Lack ein Sprühlack ansetzen, weshalb man sich bei der Lackauswahl primär daran orientieren sollte, welche Lackdicke eines Positiv-, Umkehr- oder Negativlacks mit welcher Auflösung für welche Anwendung der entwickelten Lackmaske gefordert sind. Die optimale Zusammensetzung mit hoch- und niedersiedenden Lösemitteln hängt zum einen vom Substrat und dem Kriterium, ob eine glatte Lackschicht oder maximale Kantenbedeckung angestrebt wird ab, und zum anderen von Equipmentbezogenen Parametern wie die eingesetzte Technologie zur Sprühnebelerzeugung, der Sprührate und dem Abstand zwischen Sprühdüse und Substrat. Mit Lacken wie dem AZ® 4999 oder dem TI Spray existieren für die meisten Anwendungen geeignete fertige Sprühlacke. Anpassungen an der Lösemittelzusammensetzung für eine Optimierung des Belackungsergebnisses können unter Umständen dennoch ratsam sein.
