円盤を回転させながら膜をつける場合の計算について

質問

いつもいろいろ参考にさせていただいています。
先程機械設計の掲示板に質問させていただいた内容ですが、もしかしたら半導体業界の方が詳しいのではないかと思い、こちらでも質問させていただきます。
現在円盤状の板を回転させながら、上面よりノズルで液を塗布して膜をつくることを検討しています。
円盤の面積に対してノズルの噴射面積が狭い為、ノズルを中心から外側に向かって移動させる構造にしようと考えていますが、一定の膜厚をつけるためにノズルの移動速度を変化させないといけません。
外側にいくほど塗布面積が多くなるので、移動速度を遅くしていかなければならない事は分かるのですが、具体的にどのように計算していくのか、考えれば考えるほど分からなくなってきました。
ノズルから吐出された液は、同一箇所に塗布すると円錐状の膜厚（中心が厚く、外側が薄い）になります。この円錐を任意の膜圧まで一定時間積み上げながら移動していくと次々に積算されていき、また円の外側へ行くほど塗布面積も多くなる・・・　
このような場合、ノズルの移動速度はどのように計算していけばいいのでしょうか？参考になるようなアドバイスでも構いません。宜しくお願いします。

参考までに、以下のような条件で算出したいと考えています。
　円盤直径：２００ｍｍ
　膜の形成状況：底面直径５ｍｍ、高さ０．１ｍｍの円錐形状
　目標膜圧：０．２ｍｍ
　円盤の回転速度：現時点で特に指定なし
　ノズルの移動速度：不明（これを計算したいです）

回答No.5

noname#230359

（４）の方と同じことを書こうと思っていましたので、補足します。スピンコータ、スピンコーターで探すといいと思います。ただ、目標膜厚が半導体のそれに比べて非常に大きいので、難しいかもしれません。SU-8(日本化薬)がそれぐらいの膜厚を塗っていたかと思うので、同社でどのように塗布しているか調べてみるといいと思います。確かKarlSuss社のスピンコータだったと思います。

経験的な補足を一点。
印刷用のインクをスピンコートしようとしたら円錐状になってしまいました。スピンコートを行うには塗料のチクソ性を落とす必要があると思います。チクソ性については私はわかりませんが、単純に粘度を落とすことではないようです。また、粘度を落としてしまうと、200μmという膜厚は難しくなってきます。ご参考になれば。

お礼

回答ありがとうございました。
やはり粘度のある塗料などをスピンコートで塗布すると膜厚を一定にするのが難しいんですね。参考になりました。いろいろイメージは沸くんですが、具体的に検討していくとなかなか難しいですね。アドバイスいただいたところを、自分なりに調べてみます。ありがとうございました。

回答No.4

noname#230359

半導体のウエハに、レジスト膜を均一に塗布する

スピンクォオータと云うのがあります。

そのサイトを確認して、又、文献や書籍を確認すると、

判り易く出ているかも知れません？？

お礼

アドバイスありがとうございます。
実は一時期半導体業界にかかわっていた時期があり、ご指摘のスピンコーターについては多少なりとも予備知識はありました。が、いかんせんその技術に直接かかわるような業務ではなかった為、今苦労しているところです。
現在は機械設計の業務ですが、やはり色々な経験や知識が必要ですね。
勉強、勉強です。ありがとうございました。

回答No.3

noname#230359

塗布面積は半径ｒに比例するわけですから
移動速度を反比例させればいいのです。
Vr＝一定（例えば200）
ｒ＝50mm　→　V＝4mm/s
ｒ＝200mm →　V＝1mm/s

出来れば円盤回転速度も同様に
Nr＝一定にすれば、ノズルと円盤の相対速度が同一になるので好ましいです。
但しこの時でもノズル速度は上記と同じでよいです。
ある半径において、1秒に10周だろうが100周だろうが塗布量は1秒分であり
変わらないからです。

？
円錐状のノズル1個じゃなく
数10個のノズルで円錐状の噴霧を形成してると想像してみてください。
そのうちの1個は円盤のスタートからエンドまで均一に塗布出来てるでしょう？
それが複数なだけであるから均一には変わらない理屈になります。
中心から外周に向かって塗布するのではなく、円盤外から塗布を始めて
外周→中央→外周→円盤外へと直径で塗布するのが理想ですよ。

お礼

回答ありがとうございました。
確かにご指摘のように、半径に対して移動速度を反比例させたら移動速度は計算できますね！
なるほどです。塗布量を点として考えると確かにこれでいいように思います。
後は、膜厚が一定になるように移動速度の変化に対して吐出量を計算してみればいいんですね。
円錐状の膜が速度を変えながら移動して膜が次々に積み重なって・・・
ここがまた自分にとって難関です。また今から考えてみます。
今後も何かありましたら宜しくお願いします。

回答No.2

noname#230359

単純に考えて、膜厚の中心方向が厚くなるのを無視するとノズルの移動速度は一定でいいと思います。一周塗ると必要膜厚塗れるとして、

半径Rでの円周長さ：2ΠR
半径Rでの円盤状の回転速度：Rω　ここでω：角速度
ノズルがある半径Rの円周を塗りきるのに要する時間T：T=2ΠR/Rω=2Π/ω
従って一定角速度では、半径長さに関係なくTで塗りきれます。理由は外周は塗る長さも長いのですが、移動速度も速い為です。この場合全部を塗るのに要する時間tはノズル半径方向塗布長さLとすると、t=TR/L
ノズル移動速度V=R/t=L/T=Lω/2Π

ラフに考えると半径方向の塗布長さを出来るだけ短くし、重ね塗りの部分を少なくして必要膜厚の公差内とするようにすると上記でいいかと思います。

お礼

早速の回答ありがとうございます。
ご指摘の通り考えてみたんですが、確かに中心方向が厚くなることを無視すればノズルの移動速度は一定でいいですよね。
任意の半径Rだけ考えれば、同時間で一周してくるというのは分かります。ノズルの吐出量が一定の場合、一番外側の周長に対してノズルからの吐出量を調整することになりますので、やはり外側が薄く、内側が厚いという状況がどうしても発生してしまいます。
今回、極力全面積の膜厚を同じにしたいという考えがありましたので、一定速度では難しいかなという感じです。ノズルからの吐出量が一定であるなども未記入の状態でしたので、状況が不明確ななかで誤解を招いてしまい申しわけありませんでした。
このような状況で回答いただき、感謝しております。今後も何かありましたらよろしくお願いします。

回答No.1

noname#230359

工法に制限が有るのかも知れませんが、印刷で行うと意外と簡単に膜形成出来る場合も有りますよ。
膜圧のバラつきもスピンコートより安定すると思います。
更にコート膜材の飛び散りも無く、経済的ですよ。
※質問内容と相違して申す訳御座いません。

お礼

回答ありがとうございました。
印刷という発想は思い浮かばなかったですね。
ただ今回は色々制約があり、今回質問させていただいた構造にするしかないのですが今後同様の検討内容があれば、印刷という手も検討してみたいと思います。参考になる意見ありがとうございました。