紫外LED光刻光源系統的研究進展

王國貴 高益慶 肖孟超 羅寧寧 王 彬 萬 軍

(南昌航空大學，江西南昌 330063)

1 引言

進入二十一世紀，半導體工業在現今信息化時代起著極其重要的作用，光刻技術作為半導體工業的關鍵技術之一，隨著半導體產品的日益市場化，采用先進的光刻技術來降低光刻成本和生產周期顯得尤其迫切，這就需要價格低廉高效率的光刻設備進行加工［1］～［4］。目前，紫外 LED 光源系統具有體積小、光密度高、超長壽命、冷光源、無輻射、發熱量少、瞬間點亮、無污染等優點，因此，在光刻設備領域有著廣泛的應用前景，對紫外LED光源系統進行深入研究有著重要的實用價值。

本文主要從光刻光源系統光學設計方面綜述了紫外LED光刻光源系統的最新研究進展。從光刻光源系統設計過程和系統輸出光特性的綜合分析，得出了現有紫外LED光刻光源系統輸出的一些特性，且比較分析了各光學設計方法。同時歸納總結了紫外LED光源系統的分類，并簡要闡述了紫外LED新型光源應用于光刻技術優越性，以期能為半導體設備業的發展研究提供借鑒及參考。

2 光刻光源系統的結構及紫外LED光刻光源的特點

根據工作原理不同光刻機可以分為光學光刻機(可用波長范圍從10nm到436nm)、電子束直寫光刻機和離子束光刻機。其中光學光刻技術最成熟，應用最廣泛［5］。光刻光源系統是光學光刻機中的重要組成部分。

光刻光源系統的功能是為光刻提供照明，主要包括光源、光能收集單元、濾光裝置、勻光單元、聚光單元等結構。目前傳統光刻光源有汞燈、大功率紫外激光器、半導體紫外激光二極管等，最重要的常用紫外光源仍然是低壓及高壓汞 (Hg)燈，其在近紫外光波長范圍 (350nm～450nm)有二條光強度較強的發射光譜線，即436nm(G-line)與365nm(I-line)，應用光刻時需要濾光裝置，光學系統相對復雜，汞的應用還會污染環境。大功率紫外激光器如準分子激光器具有光束模式好，但其有散斑的影響，占地面積大，可靠性有限，壽命短，高能耗，價格昂貴。然而，紫外LED光刻光源相對于傳統光刻光源具有光學系統簡單、穩定性好、壽命長、能耗低、體積小、環保等優點。而且發光波譜窄，故在系統設計時不需要使用紫外濾光片，從而有效避免了使用濾光片帶來的吸收損耗造成的能量浪費［12］。在紫外LED光源應用于光刻的過程中，主要是光束整形光學系統的合理設計。

3 紫外LED光刻光源系統的光學設計研究現狀

3.1 面陣直照型

2007年，日本S.Suzuki和Y.Matsumoto等人成功研究設計出用于曲面結構制造的面陣直照型紫外LED光刻光源系統［6］。采用的 UV-LED型號為NS370L-5CFA，澆鑄在面體結構平面內不帶集光透鏡，平臺旋轉同時曝光，裝置如圖1所示。

圖1 UV-LED陣列組成的曝光系統Fig.1 UV-LED array composed exposure system

圖2 光源光能分布Fig.2 Light source light energy distribution

上述光刻光源系統采用面陣直照方法，省去復雜光學設計，系統結構無光束勻光準直整形單元，設計制作簡單易行。單顆LED光源光能分布如圖2所示，光源系統的光輻照度完全由作用距離r決定，光源直照時，光強衰減較大，因此該光源系統作用距離較短。且輻照面的光強均勻性完全由平臺的旋轉實現以及無任何集光勻光裝置，作用距離較近且光束發散偏大，因此該光源系統不具備勻光輸出功能。整個系統的橫向尺寸偏大導致作用視場較大。

2011年，中國科學技術大學王向賢等［12］提出一種基于紫外LED光源的光刻機的發明專利，結構如圖3所示。

圖3 紫外LED光源的光刻機Fig.3 A photoeching machine of UV-LED light source

該基于紫外LED光源的光刻機結構包括實現光束均勻輻照曝光的紫外LED光源光學系統，控制曝光時間和相對輻照強度的發光控制器，光欄，光刻掩模板和光刻基片。由于紫外LED光源響應時間短，曝光時間和曝光輻照度通過對光源系統本身的控制完成，不需要額外加入濾光片和光電快門。但此光源系統采用的是將紫外LED陣列排布在平面上，并在陣列前加透鏡，透鏡聚光效率低導致光能損耗大。

3.2 光纖耦合型

2007年底，由芯碩半導體 (中國)有限公司設計了一種具有超高強度LED光源的無掩模直寫光刻機［13］，結構如圖4所示。

圖4 具有超高強度LED光源的無掩膜直寫光刻機Fig.4 A maskless direct-writing photoetching machine of having ultra high strength LED light source

該系統利用光纖進行耦合，輸出光的能量集中，出光功率高。光束是由聚光透鏡耦合進入光纖的，聚光透鏡集光有其局限性，使得光纖耦合效率很低，造成光能損耗嚴重。要達到超高強度出光功率只得依靠增加LED光源的數量，這樣就使得光纖耦合元件增多，且變芯光纖及合束裝置昂貴，合束裝置在現有市場上不易選購，加大系統的復雜性及成本的投入，不利于微型化。

2009年重慶大學研究設計了一種紫外LED光纖光刻系統［4］。其中紫外LED光刻光源系統就是典型的光纖耦合型。光纖耦合結構如圖5所示。

此光刻光源系統采用多個微型耦合透鏡來耦合收集的光束，再把每根光纖耦合的光通過光纖合束器進行光強疊加。這種光學結構雖避免了用復雜的光學系統來進行擴束準直、光束壓縮、耦合，但收集光使用的類CPC聚光鏡的全反射折射 (TIR)照明透鏡設計制作難度大，即使設計成功，加工出來也較困難，造價較大，不利于節約成本。采用TIR透鏡聚光耦合進光纖的效率相對于上一種光纖耦合型有所提高。但輸出光斑較小，難于設計成特定形狀照明區域，光強均勻性還得靠后續整形實現，不利于系統簡化。

圖5 光纖耦合結構圖Fig.5 Fibre-optical coupling structure chart

3.3 拋物面反射鏡集光光源系統

在照明系統中，都會應用拋物面反射鏡集光，與復眼透鏡陣列配合進行勻光從而形成均勻照明光學系統［15］。這種結構在紫外LED光刻光源系統同樣也可以應用。光源系統結構如圖6所示。

圖6 拋物面反射鏡集光光源系統Fig.6 Parabolic reflect mirror concentrate light source system

拋物面反射鏡收集光時，出光方向平行反射鏡對稱軸，具有良好的準直光束性能，雖出射光強不均勻，但平行出射光通過復眼透鏡陣列進行勻光效果顯著。其缺點就是出射口徑較大，不利用于小面積區域照明，LED發光方向正對出射口放在焦點處時準直光束效率低，背對出射口放在焦點處，出射中心光被LED本身擋住而變暗。這是應該考慮的實際問題。

3.4 矩形復合拋物面 (RCPC)反射鏡集光光源系統

RCPC可用在光源系統光學設計中［17］，結構圖如圖7所示。

圖7 矩形復合拋物面集光光源系統Fig.7 Rectangle compound parabolic concentrate light source system

利用RCPC對紫外LED進行集光，可以控制出光方向與光軸的角度，達到近似準直效果，也可以根據光源發光面的形狀和照明面的形狀和尺寸進行調節，提高了設計的靈活性。由于RCPC的出射口是個矩形，其排列可做到無縫拼接，且與照明面形狀相似，具有高能量利用率。但其整個系統加工工藝的難度大，成本高。

3.5 非球面光學元件勻光準直光源系統

非球面光學元件作為光束整形器件［19］，廣泛應用于光源系統，如圖8所示。

圖8 非球面光學元件光束整形系統Fig.8 Aspheric surface optical element beam shaping system

據圖8可知，非球面1起到勻光作用，非球面2起到準直光作用，整個非球面柱透鏡具有勻光和準直光束功能。可以實現高精度的準直勻光效果，可以作為照明光束高效率整形的特殊元件，但其也有局限性，如對發散性光源的收集效率不高，由于其特性要求，不能與反射罩器件配合使用，光能利用率低，元件制作加工難度大。

3.6 二元光學元件勻光準直光源系統

采用二元光學方法，設計理論上可以對LED光束進行任意形狀的修正，可以在頻譜面上得到均勻、圓對稱的光強分布［20］，結構圖如圖9所示。

光束整形過程如圖9所示，LED發出的光波經過BOE位相調制后變為

圖9 二元光學元件光束整形示意圖Fig.9 Binary Optical Elements beam shaping sketch

其中φ(x，y)是BOE的透過率函數經過菲涅耳衍射(近場近似)，在輸出面上得到 G(u，v) =是輸出面上的位相分布函數，通過定義頻譜面上的目標函數G(u，v)來實現對光束的整形要求，如果要求通過BOE后在頻譜面(u，v)上得到一個均勻的、準直的、對稱的圓形光斑，相應的目標函數可分別定義為

其中:(μ0，v0)是頻譜面上圓形光斑中心坐標;R是光斑半徑。

這樣可以在理論設計上達到精準勻光和準直光的要求。第一塊二元光學元件 (BOED)旨在對光源發出的光波進行位相調制達到勻光目的，第二塊BOED具有準直功能，其有高精度勻光準直性能。目前光刻工藝一般都能達到此類二元光學元件的制作要求。

4 結論

紫外LED光刻光源在半導體工業及醫療領域有著廣泛的應用前景，各國學者也已在紫外LED應用于光刻加工方面做了大量的研究工作，設計并制造了一些紫外LED光刻光源系統設備。由于紫外LED光束整形等方面的限制，目前紫外LED光刻光源系統的設計還是未盡人意，仍然有待改進，如輸出的光功率低、輻照面輻照度均勻性偏低，輻照視場小等，設計方法還有待完善。

采用矩形CPC聚光器對紫外LED進行聚光，大大提高了集光效率，并且以小出射角度來對光束進行準直，減少準直透鏡的使用，以期能進一步提高光源系統光的高穩定輸出特性，在光源系統光學設計中是種新的思路，新光束整形方法，是對光學設計的另一種嘗試，為紫外LED光刻光源系統的光學設計提供有益借鑒。采用BOE對紫外LED發光光束整形，大大提高了勻光、準直光的精確度，能更好的符合光刻要求。隨著科學技術的發展，紫外LED光刻光源系統在半導體工業及微納加工領域中的地位越來越重要。為了使光源系統輸出光的特性更佳，還有許多問題需要探討、研究與解決。

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