接觸/ 接近式光刻UV-LED 光源測試分析與工藝研究

陳 威，黨景濤，王 河，周慶奎，龐超群

(1. 中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2. 杭州旻芯電子科技有限公司，浙江杭州310000)

UV-LED 光源作為一種新興光源，近幾年技術獲得了極大的進步。與傳統汞燈相比，具有光強更高、穩定性更好的特點，可節省電能約50%，壽命延長5 倍～10 倍。一支進口汞燈的使用壽命通常在800～1 000 h，在進行工業生產中，通常24 h 保持工作狀態，能耗極大，隨著持續使用光強快速衰減，需要根據工藝需求不斷對汞燈位置進行校正，調節光強大小以滿足曝光時光強要求。UV-LED 光源采用電子快門技術，曝光結束后LED 自動關閉，間斷性的使用極大地延長了LED 的使用時間，曝光光強可以通過調節燈珠功率實現，操作簡單方便。圖1 是UV-LED 光源與汞燈光源的成本和使用壽命的對比。UV-LED 光源成本更低，壽命更長，性價比更高，已用于新型接觸/ 接近式光刻機，滿足工藝要求，具有巨大的市場需求。

圖1 UV-LED 光源和汞燈光源對比

目前國內玻璃化鈍化器件(GPP)、功率器件、LED 等行業多數使用寬頻譜光刻膠，對于多個波段光線都會產生感光反應，因此汞燈光源因其波段范圍廣（主要包括365 nm、405 nm、436 nm 波長）具有很大優勢。本實驗設計了一種混波UV-LED 光源，頻譜范圍更接近汞燈，在采用汞燈光源進行曝光工藝變化不大的情況下，混波UV-LED 光源更容易實現汞燈光源的替換。針對AZ5214E 光刻膠進行了系統地工藝實驗，對客戶因光源更換光刻工藝改進實踐具有指導意義。

1 實驗方法

實驗采用改進型BG-406 接觸/ 接近式光刻機，曝光光源為混波UV-LED 光源，如圖2 所示。工藝實驗采用標準100 mm（4 英寸）硅片。首先對混波UV-LED 光源進行了性能參數測試并進行了工藝實驗，采用紫外輻射照度計檢測光照強度和光強均勻度、采用WLPro 型光譜儀檢測光源頻譜和采用準直儀檢測準直角。

2 實驗材料儀器及工藝條件

實驗材料及儀器包括改進型BG-406 接觸/接近式光刻機、UV-A 型紫外輻射照度計（配備365 nm探頭）、WLPro 型光譜儀、準直儀、光刻膠和無水乙醇等。曝光工藝條件采用寬頻譜的AZ5214E 正膠，主要是對365 nm 波長感光。100 mm 標準硅片進行前烘去除表面水分，前烘時間60 s，溫度90 ℃。半自動勻膠機進行勻膠，勻膠機轉速設置3 000 r/min，光刻膠厚度控制在1.5～2 μm。曝光模式采用真空復印，光照強度分別為15 mW/cm2和20 mW/cm2，曝光時間分別為3 s、5 s。堅膜后烘設置熱板溫度為90 ℃，時間為90 s。采用RZX-3038 顯影液，顯影后使用無水乙醇清洗樣片表面。

對于不同光照強度和不同曝光時間下的樣片進行了樣片表面觀察，光學顯微鏡采用OLYMPUS顯微鏡。為了保證觀測準確性，每組觀測選擇同一樣片上的不少于3 個觀測部位和相同位置不同放大倍數下的觀測。

圖2 改進型BG-406 光刻機

3 實驗過程

3.1 準直角檢測

準直角檢測利用小孔成像原理，主要采用自制準直儀，如圖3 所示。測量時將準直儀放置在光刻機承片臺上，通過觀測窗口觀察準直儀底部刻度盤上成像圓直徑。檢測結果表明：混波UV-LED 光源和單波UV-LED 光源準直半角為1.5°，二者都可以滿足寬頻譜光刻膠曝光工藝需求。

圖3 準直儀

3.2 光譜檢測

光譜分析結果如圖4 所示，從圖中可以看出混波UV-LED 光源包括波長365 nm 和436 nm 兩種紫外光。單波UV-LED 光源只含有365 nm 紫外光。實驗結果表明，通過兩種波長LED 燈珠混合集成可以有效增加365 nm 波長以外的紫外光。

圖4 UV-LED 光源光譜分析

3.3 光照強度檢測

UV-LED 光源功率調節至最大功率，在有效光照區域內均勻選取9 個測試點進行檢測，檢測區域示意圖，如圖5 所示。每個測試點分別測試3 次，取算術平均值。

圖5 光照強度檢測區域示意圖

UV-LED 光源光照有效區域內光強均勻度可由式（1）計算得到：

式中：U為光強均勻度，Imax為最大光照強度，Imin為最小光照強度。

UV-LED 光強檢測結果如表1 所示。

表1 有效光照區域光照強度檢測結果mW/cm2

根據有效光照區域光照強度檢測結果可知，混波UV-LED 光源最大光強32.8 mW/cm2。 光強均勻度為95%，單波UV-LED 光源最大光強47.2 mW/cm2，光強均勻度為97%。對比單波光源，UV-LED 混波光源最大光照強度出現下降，有效區域內光強均勻度也有所降低。分析UV-LED 光源最大光照強度下降主要原因是LED 燈珠長時間工作時不可避免的產生大量熱能，為保證燈珠相互間的散熱，燈珠的嵌入需要有一定的距離，并且在固定光照面積下燈珠的總數目不可改變，因此單波UV-LED 光源的燈珠均勻分布，而混波UV-LED 光源中436 nm燈珠需要替換一部分365 nm 的燈珠。由于365 nm 燈珠減少，光照計檢測探頭為365 nm，因此混波光源的最大光照強度出現下降?；觳║V-LED 光源有效光照區域內光強均勻度降低，分析其主要原因是在此次實驗的UV-LED 混波光源中，436 nm 燈珠分布在燈珠集成模塊的外圍且間隔分布，處于光源中心區域的365 nm 燈珠和外圍365 nm 燈珠發出的紫外光透射到復眼透鏡時已非均勻近似平行光，疊加后的光強范圍雖然和單波光源光照范圍相同，但邊緣光照強度出現較大起伏，以致最終出現有效區域內365 nm 波長光照強度的均勻度降低。

4 實驗結果與結論

4.1 實驗結果

為驗證混波UV-LED 光源光刻精度，采用AZ5214E 光刻膠在真空復印模式下進行光刻工藝實驗，實驗結果如圖6 所示。通過光學顯微鏡觀察，可以清楚看到曝光時間3 s 時，在光照強度15 mW/cm2和光照強度20 mW/cm2下光刻精度均可達到1.5 μm，但在光照強度15 mW/cm2時線條寬度出現明顯失真，線條寬度略寬于實際寬度，隨著光照強度的增加線條陡直度明顯改善，當光照強度為20 mW/cm2線條未失真。光照強度為20 mW/cm2，隨著曝光時間從3 s 延長至5 s 時，樣片出現過曝光，曝光區域顯影后出現溶解，分析其主要原因是光刻實驗采用正膠，在一定時間紫外光作用下非曝光區域由于紫外光熱量作用發生反應，正膠中的大分子長鏈結構在紫外光和熱作用下分解為短鏈結構，顯影時短鏈結構溶解。

光學顯微鏡放大500 倍時觀察樣片，如圖7所示。2 μm 和1.5 μm 線條中都沒有出現中間斷裂現象，線條完整性比較好。通過以上分析可以得出，AZ5214E 光刻膠采用混波UV-LED 光源在真空復印模式下曝光，優化的曝光工藝參數為：光強20 mW/cm2，曝光時間3 s。

4.2 結論

（1） 通過不同波段UV-LED 燈珠的集成，UV-LED 光源可以有效增加光線頻譜范圍，使得UV-LED 光源頻譜范圍更接近汞燈光源頻譜范圍；

（2）與單波UV-LED 光源相比，混波UV-LED光源的最大光照強度從47.2 mW/cm2下降到32.8 mW/cm2，均勻度從97%降到95%，但均能滿足用戶光刻工藝對光源的技術要求；

（3）混波UV-LED 光源真空復印模式下優化的曝光工藝參數為光強20 mW/cm2、曝光時間3 s。

圖6 不同工藝條件下樣片表面形貌

5 結束語

不同波段UV-LED 燈珠集成可以使LED 光源頻譜范圍更接近汞燈頻譜范圍，汞燈光源更容易被UV-LED 光源替代，進而加快UV-LED 光源市場推廣。混波UV-LED 光源與單波UV-LED 光源相比，其有效光照區域內光強和均勻度有所下降，通過光學結構、機械結構和燈珠集成模塊優化等手段有效地提高混波UV-LED 光源光強和均勻度需進一步研究。

圖7 光照強度20 mW/cm2、曝光時間3 s 樣片表面形貌