光盘水纹及其成因与消除成稿

光盘水纹及其成因与消除作者摘要光盘水纹是困扰许多光盘生产线的老问题。本文参考了已有的经验，并总结了自己的工作和实践，分析和讨论了光盘水纹的成因及其消除措施。一、光盘的水纹光盘的水纹其实和水一点关系也没有，它是在一定的光盘复制工艺过程下发生了光盘信息的损坏，其中包括Stamper（以下称作母盘）的不完全复制造成了光盘上歪斜或扭曲的异状信息凹槽（pit,以下称为信息坑）。这些缺陷将引起对外界光线的折射或沿某一方向的反射，使盘片用肉眼看起来表面上有很“脏”的印痕。这种肉眼能看到的似乎像水纹一样的光盘外观缺陷称为光盘的水纹。虽然水纹会影响光盘的Jitter值（抖晃）和BLER值（块错误率），但一般说来水纹并不会造成盘片在读取时的严重问题。人们总是将它归类于盘片的外观缺陷，然而在许多情况下不被客户所接受，起码水纹从消费者眼中看来该盘片制造得不够专业。在世界许多地区的消费者藉由盘片外观是否有水纹来判断盘片是否为盗版盘，因为合法的或具有知名度的电影商或唱片商、出版商和发行商都不可能允许将外观带有水纹缺陷的光盘在市场上销售，由此看来消除光盘的水纹对于正规的消费市场和专业的正规制造厂来说是相当重要的事情。使用一片完美的母盘，有时也会复制出外观满是水纹及电气讯号不良的盘片，因此工程师一般从复制过程着手，谋求解决之道。然而当CD制造商愈来愈多地跨入了DVD制造领域中，再次遇到出现水纹这样的问题尽管并不会令人感到意外，但是DVD复制过程中可允许调整的参数范围远比CD来得小，而且CD和DVD不仅在光学轨道和信息密度上有所不同，在复制工艺上也有所不同。因此，在DVD复制中需要认真对待CD复制中许多不重要的问题，如复制时信息坑的歪斜和丢失等在一般的CD中并不需要太重视，但对DVD则需要考虑其在信号失真和对称性的影响；又如DVD信息坑的密度较高，DVD上信息坑的斜度较CD为高，从而得到较好的Jitter值和BLER值。为了克服信号对称损失和双折射（Birefringence）,复制工程师较喜欢利用提高模温来克服DVD上的这些问题，这同时也增加了水纹产生可能性，即高模温也把母盘上的小缺陷复制到盘片上，如光刻胶或其他化学残留物使盘片的信息坑和沟槽变浅和歪斜。我们知道可以通过改变注塑成型工艺，控制注射的参数来降低水纹现象消除水纹。但这往往会影响双折射率、翘曲变形、折射和基片的动平衡，更进一步影响到子盘片的信号质量。若CD-ROM子盘片的动平衡不好，在播放机内以高速旋转时产生的震动可能会损伤CD-ROM驱动器的马达主轴，尤其是在高倍速的CD-ROM驱动器上播放，盘片在36倍速驱动器内旋转产生的向心力是一倍速驱动器的1296倍，因而CD-ROM盘片的注塑成型工艺应较其他CD子盘的注塑成型工艺更严格。所以我们不建议为了消除水纹就轻易地通过改变整个复制工艺来解决。复制工程师应尽量保持注塑成型工艺的正常参数的设定，尽量保持复制设备处在正常的工作状态，保证子盘基片的良好品质。当复制设备处在正常的工作状态下，只需适当更改复制工艺中模具分离工艺参数，来消除水纹。这就需要把一部分的水纹问题留给母盘来解决。通常，降低信息坑斜度(增大拔模角度)，缩小其宽度可以减小水纹，缩小模具非平行对称、平行脱模，缩小基片释放角度、基片脱模角度大，母盘表面平整、背面平滑，都有助于减少水纹。因此要彻底解决光盘的水纹问题，必须有赖于母盘(Mastering)和复制(Replication)两部门的密切配合。二、生产制造过程中产生水纹的各种成因及其消除的方法世界上有不少的著名的研究机构联合一些有名的制造公司经过大量的实验和研究，已经得到了各种水纹的不同成因，而且也已针对各种不同原因产生之水纹现象，实验了各种相应的解决方法和处理方法。现结合我们工作和实践，介绍和讨论水纹的各项成因及其处理方法。1．复制收缩量过大引起的水纹在复制子盘片时，若收缩率太高，就会有严重收缩发生，并伴有水纹。不同的模具设计会产生不完全相同的水纹形状，但在一般说来，这种水纹通常呈现圆形，在许多情况下，水纹以较暗的环型带状出现(看到的是深色圆带状)。假如将该透明的子盘基片放在偏光镜下观察，基片从内缘至外缘收缩，而圆形带状收缩由里向外沿半径呈黑色圆环。因收缩率太高而引起的水纹是无法通过母盘刻版来解决，只能通过子盘复制系统的调整来处理克服。使用一台标准的子盘复制注塑成型机，可以通过以下的方法调整来消除水纹：提高模具温度。提高注塑时射出速度或压力(注塑速度/压力)。提高注塑时射出的冲程(STROKE)。提高合模保持压力。降低初期的锁模力即初始夹持力。加大喷头，增大喷嘴。2、 模具释放时不平行脱模造成的水纹在注塑成型机中，重要的是模具的设计必须确保子盘基片能从母盘上水平脱模。在模具释放时，不平行脱模会使子盘基片产生水纹。这一点也是各种不同的复制系统，包括不同注塑成型机和各种不同的模具，会有不同的信息坑斜度(即不产生水纹的凹槽的最大斜角)MPA的原因之一。实践经验显示，一些注塑成型机(系统)，可以容许信息坑斜度大到70度而仍不会产生水纹，但也有一些注塑成型机系统只容许信息坑斜度小于45度才不产生水纹。这种约300的角度差异源于基片分离工序(脱模程序)、注塑模具工艺设计(射出成型程序)和模具在开启中的平行度。高模温系统的模具分离工艺(模具释放程序)和低模温系统的模具分离工艺是大不相同的。为此，我们收集和积累了有用的数据，建立设备各自的数据档案。通过数据分析，认真了解每一条生产线上每个设备的特性，总结出自己的经验。另外，建议在注塑成型机的气路上加装一个高压缓冲器，以低压环形空气吹出装置来改善子盘基片剥离的稳定性，有助于增强模具的脱模能力。3、 母盘背面不适当研磨抛光引起的水纹母盘的背面研磨抛光不良也会引起模压后成型子盘的水纹。在模压子盘时，冷却水要及时通过模具中的冷却水道，高速对模压成型子盘的高温PC料进行充分有效的均匀的冷却才能形成坚硬的子盘。子盘的高温热量首先传递给金属母盘的正面，再通过金属母盘的背面和模具平滑镜面的接触传递给模具中的冷却水。为了确保母盘的这种热传导的均匀性和热传导的高效率，必须做到使母盘的背面和模具镜面具有全面积的良好的有效接触，这就是要求对母盘背面进行适当的研磨抛光才能确保这种接触。假如母盘背面的研磨抛光不合适，背面的粗糙度仍然很高，在注塑成型机模压时母盘背面和模具的接触面积会因而减少，造成热传导效率降低、冷却不均匀不充分和不良的温差，导致子盘上产生水纹。一般，母盘的背面粗糙度Rmax<lMm,Ra<0.15Mm(DVD母盘尤为重要)。冷却水的水质也是至关重要的，不使用纯水或纯水不纯，那么会有沉淀物在模具冷却水道中结垢，造成冷却效率的降低。改善冷却效果，提高冷却效率，这对保证子盘模压成型质量和进一步缩短模压成型周期，提高子盘模压成型产量都是重要的。4、母盘表面可见缺陷导致的水纹母盘表面外观性的缺陷，如亮点、黑点、白点、光环、阴影等、主要是来自于光刻胶涂布工序。在我公司采用的干式溅射金属化工序前，光刻胶喷涂工序前后，大都为水和相关溶剂以及其他化学物液体及半液体作业，很容易形成污渍。在光刻胶涂布工序中，若涂布环境(洁净度、温度、湿度)和条件不合适，或使用的水或溶剂以及化学剂的纯度不够，杂质多、管路污染、涂布的玻璃基板有缺陷等等因素均能使得涂布不良。正如将水喷到母盘上一样，蒸发的水在较低温度的母盘表面很容易形成肉眼都能见到的污染和污点(这些污染和污点显现的形式有一定的差别)。当母盘从玻璃基板上被剥离时，有一部分光刻胶往往会从玻璃基板上随母盘剥离残留在母盘表面，这时在母盘表面亦会产生可见的污染；此外，当玻璃母盘在电铸过程中采用了不合适工艺也会在母盘表面产生污点。上述母盘表面缺陷均会导致模压后子盘的水纹，其解决的方法主要是使光刻胶涂布和显影工序尽量完善，包括玻璃基板清洗、涂底胶和玻璃基板表面活化、涂光刻胶、烘干、显影等等一系列工序。为此，重点要注意的是以下几个方面：要用绝对干净且无缺陷的玻璃基板。彻底清洗化学溶液的流通管路和纯水管路。保证涂布环境和条件。

（4）正确的涂布工艺（包括旋涂的转速和时间）。（5）摸索修正喷涂嘴的合适位置。5、母盘信息坑斜度过大造成的水纹信息坑斜度受许多因素影响，例如刻录母盘用的激光波长、光路校准状态、光学路径设计、光刻胶的类型和特性、曝光的功率、显影条件和时间等。假设所有因素都稳定不变，那么随着显影时间的增长则信息坑的斜度亦随之增加变陡。当信息坑的斜度足够陡时，超过了不产生水纹的最大斜度角度后，水纹便发生了，且斜度越陡水纹越严重。从母盘最小的拔模角度（不会出现水纹）的定义公式，可以得到不产生水纹的信息坑的最大斜度之角度公式：MPA=CA-MRA-SC-SSC拔模角信息坑斜度角MPA=CA-MRA-SC-SSC拔模角信息坑斜度角式中：MPA不产生水纹的信息坑最大斜度之角度CA 模具释放角度，即模具的临界拔模角MRA 透明基板和模具释放角度,即基片模具的拔模角SC 系统恒定常数SSC母盘的表面状态模具释放角度（CA）即模具的临界拔模角，是信息坑的几何尺寸、形状和基片冷却程度的复合函数关系,它随着信息坑的高度、宽度和基片冷却时间的变化而变化，信息坑越窄或越浅，则CA值越高。系统恒定常数（SC）,则与注塑成型机及模具设计有关，不良的射出成型机（注塑机）或模具设计，其SC值要高一些，SC值可由经验累积来确定。母盘的表面状态（SSC）,主要取决于母盘的表面（包括背面）状况，即与母盘表面平整度和背面粗糙度有关，母盘表面平整度差、背面的粗糙度大，则相应的SSC值会高。不同的成型机（注塑机）通常会有不同的特性，一般以机械结构和真空吸引力来固定母盘的方式为较好的方式。当每个参数都保持固定后，解决水纹问题的唯一方法便是降低信息坑的斜度，也就是增大拔模角。我们可以在制作玻璃母盘的自动显影控制系统上减小设定的显影时间（或停止显影值）来实现这个方法。然而为了得到较佳的Jitter值（抖晃）和HF值（高频信号），往往会增加一些显影时间，以提高信息坑的斜度。经验告诉我们，显影不足易产生Jitter值不良，HF值低和SYMMETRY（对称性）高等问题，使盘片难以在高速驱动器中被读取。除此之外，BLER（块误码率）值也较正常值高出许多。因此，我们不得不在保证信号品质的同时，减小信息坑的斜度，即兼顾品质和不出现水纹。有时会发现，随着信息坑斜度的增大，水纹反而会消失。其实这时水纹仅仅是变得看不见而已，原因是盘片上面每一部分都有水纹后，没有了对照上的差异，失去了参照物，用肉眼看不见明显的差异，无法看到水纹。若使用原子力显微镜或扫描电子显微镜来分析，将会发现信息坑的损坏情况依旧存在。6、母盘表面残留光刻胶或其他化学物质引起的水纹在使用光刻胶涂布工艺的母盘制作中，由于光刻胶与镍交联后会结合得十分坚固，很难将母盘表面残留的光刻胶和其他化学物质完全彻底清除干净，特别是表面的坑槽中。这些残留物在通常情况下为不可见，清除工作很困难，清除效果也很难判定。但是这些母盘表面上的残留物，在注塑成型机上复制子盘时，经过高温模具的复制，水纹就显现出来了。同时，母盘表面，特别是表面信息坑中残留的这些光刻胶等化学残留物会造成被复制的基片（PC或PMMA）很难从母盘表面脱模分离，其结果也会产生水纹。母盘工程师往往会在UV曝晒和氢氧化钠清洗工序后，再采用一些化学品，如双氧水和丙酮等，来清洗母盘，然而这些方法和清洁化学品仅能去除一部分残留物，并不能彻底解决这个问题。为了解决母盘表面残留物引起之水纹，可以参考以下不同的解决方案：、等离子除尘法（传统称为电浆灰化法）：即在一个高真空环境下，让氧离子（即氧的电浆）与光刻胶或残留的化学物质起反应来清除这些残留化学物，这种方法在日本用得相当普遍，但需要精密的控制。、改变金属化工序来清除或覆盖这些残留化学物，增加母盘的MPA值：（1）湿式化学浸镀金属化工序较干式溅镀金属化工序能增加母盘的MPA值据有关报道，在采用湿式的化学浸镀方法的金属化工序系统中，较采用干式的溅射镀镍方法的金属化工序系统中为好，以CD母盘为例，最大的无水纹信息坑倾角MPA,在采用干式的溅射镀镍方法沉积第一层金属化层较以采用湿式的化学浸镀方法沉积第一层金属化层要减少大约5度。这表明了光刻胶等化学物质残留物只能在湿润的状态下才能较好地去除。（2）用后溅镀法涂布第二层金属化薄膜层覆盖残留物来增加母盘的MPA值HarmonicHall采用了一种特别的母盘工序——后溅镀法，即在按传统工序完成的母盘上再溅镀一层金属镍。该薄镍层（第二层）的目的是要覆盖住残留在母盘表面的光刻胶和其他化学物质，使母盘表面更加均匀和平滑，并增加母盘的MPA值。为此，我公司母盘生产制造的工程师们正在绞尽脑汁，全身心地同母盘生产员工一道为找到我母盘设备有效控制水纹的自己的方法而不懈摸索、努力。按照行内比较流行的说法，水纹70%可以在制作母盘的过程中解决，所以我们工作的重点也是在母盘方面，从涂胶，刻录，显影，溅镀，电铸，清洗每一步骤都进行了深入的分析和大胆的尝试，尝试的步骤也是从容易看出结果的方面入手的。一张在水纹方面性能良好的母盘，首先必须是物理性能良好，内应力足够小，背面足够光滑，坑形大而且浅，坑的形状规则整齐，信息面外观上无缺陷。水纹问题自从我们公司母盘车间成立以来就一直困扰着我们，我们公司的母盘刻录系统是Nimbus的Pi，半导体的蓝激光（405nm）LBR（LaserBeamRecorder）和DM的电铸设备配套oNimbus的设备工程师曾经在我们公司花费了大量的时间和精力从刻录的角度来解决水纹问题，结果成效不大，水纹有时较好有时又很严重，找不到一个具体有效控制水纹的方法。而在电铸方面，由于目前为止对于母盘表面特别是坑槽中的光阻剂或其它化学物质的残留既无法从肉眼上进行判断也没有有效手段进行检测（用户一般不具备这种手段）导致母盘清洗效果的好坏也无法直接衡量。为此我们母盘车间为改善水纹问题在不停的调节工艺，而成型车间也在不停的调节注塑参数以解决水纹，结果水纹时好时坏长期得不到彻底地解决且造成一个恶性循环，大家都不知道什么时候做的母盘是最好的。对此我们成立了水纹攻关专案小组，以我们公司在母盘设备引进前所用的上海新汇和联合的基本不产生水纹的母盘作为一个基准对成型注塑参数做了一些调整并基本与以固定，对有水纹的母盘换机台生产，换了机台不行的母盘则反馈报废。在母盘方面我们大胆的从涂胶，烘干，刻录，显影四个方面进行了尝试和分析，并将不同参数的母盘拿至我省浙江大学的实验室里用AFM原子粒显微镜对刻录的坑槽形状进行了分析，经过分析和对比我们最终将刻录参数稳定在了一个能够生产出较小信息坑斜度角并能保证良好数据信号品质的基准上（对CD类母盘感光胶厚度控制在155nm左右，信息坑斜度角控制在32—35度左右）。在固定了成型参数和母盘刻录参数之后，我们假设母盘在刻录显影完之后坑形是完整规则的，复制工艺也是复制完全的，那这时产生水纹的原因就在于电铸清洗和后道处理工序了。因为后处理方面在稳定工艺流程时母盘的背面粗糙度测试结果相当稳定，我们基本可以排除此因素。所以在这个时候发生的水纹状况不稳定其根本原因就在于电铸清洗方面了，最大的可能就是坑槽内的光刻胶残留没有去除干净。之后我们又做了一个试验以验证这一点，我们将我司生产的四张母盘在电铸出来之后立即送往上海联合委托他们帮我们进行了清洗，然后又立即取回到我司进行抛光、冲孔和成型压片，结果四张母盘的压片情况均比较好。要做到坑槽内的光刻胶完全清除干净主要有两种途径：一是减小光刻胶和母盘之间的附着力，二是增加去除光刻胶的力度。减小附着力，可以通过调整溅镀工艺来实现。镍原子以高速打到光刻胶上，很容易嵌进光刻胶里面，如果结合得很紧密，那样清洗难度会大很多，而即使清洗完成后，由于镍原子嵌到坑形中，使坑形微观上的坑形是不规则的，对于这样的可能性，可行的办法是减小溅镀的功率，使镍原子以较小的速度打到光刻胶上，再适当的延长溅镀时间，达到相同的溅镀层厚度。要做到光刻胶的完全清除，主要还是要在清洗这方面下功夫。我们公司是PI光刻系统和DM电铸系统搭配，在国内尚属首家，清洗剂是从DM购买的成品，清洗效果的好坏完全决定于购买的清洗剂的好坏，而其清洗剂的配方也是不公开的我们自己无法真正的对自己的清洗品质作有效把控。我们了解到国内其他厂家引进的NimbusPi设备生产出的母盘在水纹方面的表现都比我司所产母盘要好很多（他们的配套电铸设备都不是DM公司的），我们认为对Pi刻录系统的基本调整我们已经掌握并且已经把Pi的刻录参数调整到了一个较好的状态，关键在于如何针对我们所用的感光胶类型提升清洗的能力。我们分析母盘刻录设备使用的光刻胶除ODC设备用的非感光光刻胶差异较大之外，其余光阻工艺设备所用的感光胶成分大体上都差不多。但是各个设备厂家都有自己指定的感光胶，这种差异主要体现在浓度，分辨率和其它一些添加剂方面，用一种万能的清洗剂来清洗不同种类感光胶的效果应该不如针对特定种类感光胶的清洗剂清洗效果好。我们了解到各母盘电铸厂商提供给客户的清洗剂都略差异，为此我们从同行里了解到了几种不同的清洗剂配方并进行试用，但针对我们的感光胶清洗效果都不是很理想，为此我们终于在2003年11月下决心自己开发清洗剂，是专门针对与自己所用的光刻胶的清洗剂。对于去除感光胶的两种常用方法，一是用溶剂溶解感光胶，另外一种是用物理方法使感光胶和母盘分离。现在，大部分都是两种方法一起进行的，即在具有对感光胶溶解性的溶剂中，进行电化学或者超声波处理。对于每种感光胶，都有独特的化学特性，具有溶解性的物质，基本上是中强酸，中强碱，有机溶剂，3大类，由于母盘由纯镍做成，会被中强酸腐蚀，损坏信息，故不能用酸。剩下只有中强碱和有机溶剂，而有机溶剂导电能力差，不适合用于电化学清洗。主导方法应该是在碱性溶液里面进行电化学处理来去除感光胶，或者是在有机溶剂中浸泡（加上超声波）来去除。在分析完之后，我们制定了实验的计划，并将实验分成了两个阶段，每个阶段都制定了详细的试验方案，同时为了不影响正常的母盘生产，我们利用稳流直流电源，恒温磁力搅拌器和其它一些器具模拟了电铸电化学清洗槽的功能用来进行试验。第一个阶段我们选用不同的化学试剂进行了溶解性的试验，有机溶剂有酒精，丙酮，乙酸，乙酸乙脂，乙酸丁脂，异丙醇，原光刻胶中的溶剂，DMF,碱有氢氧化钠，碳酸钠，磷酸钠，多聚磷酸钠，以及以上几种碱的不同比例混合，还试验了双氧水和柠檬酸，氨基磺酸等弱酸。具体操作是取感光胶20ml放置于100ml烧杯中，在避光条件下用40度温度烘干，再分别取60ml以上溶剂进行溶解，对比溶解速度和溶解方式。第二个阶段是采用其中具有代表性的溶剂进行电化学清洗试验。调节温度，浓度，电解时间，阴阳极之间距离和电流等参数进行清洗效果的对比试验。前后经过2个月的试验过程，我们最终得到了一个具有良好清洗效果以磷酸钠为主的清洗剂配方，取代了以氢氧化钠为主的原厂所购清洗剂，反应的原理是用电解产生的气泡使感光胶和母盘分离，再吸附到阳极钢板的表面上，清洗剂不直接参与和感光胶的化学反应，相对于直接参与反应的清洗剂，使用寿命长，而且效果持续稳定。从成本方面考虑，原厂清洗剂为5000元/桶（含运费关税等,现在已经有所降价）而一桶清洗剂可以进行6次更换,每次更换平均使用4-5天,折合每天清洗剂花费成本170元左右.而采用自配清洗剂之后,主要成分为磷酸钠分析纯和少量添加剂，其使用寿命在10天左右,折合成每天的材料成本仅为24.38元，大大的降低了母盘的清洗成本。于是我们很快将试验中所得出的最好的配方在2004年2月用于大批量的生产，再加上UV臭氧的清洗，在成型机复制的过程中，水纹情况良好并且稳定，对于CD水纹解决得很好，在稳定的成型机台上，初次上机就没水纹的占了95%以上。而且对于不同的机台，表现了较好的兼容性。对于DVD的水纹，效果虽然不如CD的改善效果那么好，不过比起使用自己配制清洗剂前也有了很大的改善。单从清洗入手，能从一定程度上改善水纹状况，如果要完美的解决水纹，尤其是DVD母盘的水纹，母盘和成型机的相容性很重要。对于DVD母盘，我们采取的办法之一是减小涂胶厚度，即信息坑的深度。这样减小成型机复制时候的难度，能使信息更加完整的被复制。此外我们还在显影液方面下了一些功夫，首先我们模拟出了根原厂显影液显影效果完全相同的自配显影液（原厂显影液1650元/桶，自配每桶低于100元），然后我们通过降低显影液浓度延长显影液时间的方式来进一步降低母盘信息坑的斜度角并使坑槽的边缘变得比较圆滑，在解决DVD的水纹问题上我们可以看到明显的效果。但值得注意的是在母盘坑槽变平滑的同时，母盘的信号品质也会有所降低，我们的目标是要找到两者之间的一个切合点以解决水纹问题。另外良好的背面抛光也能改善水纹，粗糙度小的母盘导热性好，表面温度均匀，在复制的时候能达到较好的盘片冷却效果。我们通过选择不同的砂纸型号，抛光时间和抛光压力，配合抛光砂纸和母盘之间的相对旋转速度，使母盘背面粗糙度达到Ra=0.05微米。对于生产过程中出现的水纹，最合理的方法是在分析所有可能的原因后采取排除法来确定真正的原因所在。在排除可能的原因时，必须把其他的参数和环