紫外LED光刻光源系统的研究进展

王国贵 高益庆 肖孟超 罗宁宁 王 彬 万 军

(南昌航空大学，江西南昌 330063)

1 引言

进入二十一世纪，半导体工业在现今信息化时代起着极其重要的作用，光刻技术作为半导体工业的关键技术之一，随着半导体产品的日益市场化，采用先进的光刻技术来降低光刻成本和生产周期显得尤其迫切，这就需要价格低廉高效率的光刻设备进行加工［1］～［4］。目前，紫外 LED 光源系统具有体积小、光密度高、超长寿命、冷光源、无辐射、发热量少、瞬间点亮、无污染等优点，因此，在光刻设备领域有着广泛的应用前景，对紫外LED光源系统进行深入研究有着重要的实用价值。

本文主要从光刻光源系统光学设计方面综述了紫外LED光刻光源系统的最新研究进展。从光刻光源系统设计过程和系统输出光特性的综合分析，得出了现有紫外LED光刻光源系统输出的一些特性，且比较分析了各光学设计方法。同时归纳总结了紫外LED光源系统的分类，并简要阐述了紫外LED新型光源应用于光刻技术优越性，以期能为半导体设备业的发展研究提供借鉴及参考。

2 光刻光源系统的结构及紫外LED光刻光源的特点

根据工作原理不同光刻机可以分为光学光刻机(可用波长范围从10nm到436nm)、电子束直写光刻机和离子束光刻机。其中光学光刻技术最成熟，应用最广泛［5］。光刻光源系统是光学光刻机中的重要组成部分。

光刻光源系统的功能是为光刻提供照明，主要包括光源、光能收集单元、滤光装置、匀光单元、聚光单元等结构。目前传统光刻光源有汞灯、大功率紫外激光器、半导体紫外激光二极管等，最重要的常用紫外光源仍然是低压及高压汞 (Hg)灯，其在近紫外光波长范围 (350nm～450nm)有二条光强度较强的发射光谱线，即436nm(G-line)与365nm(I-line)，应用光刻时需要滤光装置，光学系统相对复杂，汞的应用还会污染环境。大功率紫外激光器如准分子激光器具有光束模式好，但其有散斑的影响，占地面积大，可靠性有限，寿命短，高能耗，价格昂贵。然而，紫外LED光刻光源相对于传统光刻光源具有光学系统简单、稳定性好、寿命长、能耗低、体积小、环保等优点。而且发光波谱窄，故在系统设计时不需要使用紫外滤光片，从而有效避免了使用滤光片带来的吸收损耗造成的能量浪费［12］。在紫外LED光源应用于光刻的过程中，主要是光束整形光学系统的合理设计。

3 紫外LED光刻光源系统的光学设计研究现状

3.1 面阵直照型

2007年，日本S.Suzuki和Y.Matsumoto等人成功研究设计出用于曲面结构制造的面阵直照型紫外LED光刻光源系统［6］。采用的 UV-LED型号为NS370L-5CFA，浇铸在面体结构平面内不带集光透镜，平台旋转同时曝光，装置如图1所示。

图1 UV-LED阵列组成的曝光系统Fig.1 UV-LED array composed exposure system

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

上述光刻光源系统采用面阵直照方法，省去复杂光学设计，系统结构无光束匀光准直整形单元，设计制作简单易行。单颗LED光源光能分布如图2所示，光源系统的光辐照度完全由作用距离r决定，光源直照时，光强衰减较大，因此该光源系统作用距离较短。且辐照面的光强均匀性完全由平台的旋转实现以及无任何集光匀光装置，作用距离较近且光束发散偏大，因此该光源系统不具备匀光输出功能。整个系统的横向尺寸偏大导致作用视场较大。

2011年，中国科学技术大学王向贤等［12］提出一种基于紫外LED光源的光刻机的发明专利，结构如图3所示。

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

该基于紫外LED光源的光刻机结构包括实现光束均匀辐照曝光的紫外LED光源光学系统，控制曝光时间和相对辐照强度的发光控制器，光栏，光刻掩模板和光刻基片。由于紫外LED光源响应时间短，曝光时间和曝光辐照度通过对光源系统本身的控制完成，不需要额外加入滤光片和光电快门。但此光源系统采用的是将紫外LED阵列排布在平面上，并在阵列前加透镜，透镜聚光效率低导致光能损耗大。

3.2 光纤耦合型

2007年底，由芯硕半导体 (中国)有限公司设计了一种具有超高强度LED光源的无掩模直写光刻机［13］，结构如图4所示。

图4 具有超高强度LED光源的无掩膜直写光刻机Fig.4 A maskless direct-writing photoetching machine of having ultra high strength LED light source

该系统利用光纤进行耦合，输出光的能量集中，出光功率高。光束是由聚光透镜耦合进入光纤的，聚光透镜集光有其局限性，使得光纤耦合效率很低，造成光能损耗严重。要达到超高强度出光功率只得依靠增加LED光源的数量，这样就使得光纤耦合元件增多，且变芯光纤及合束装置昂贵，合束装置在现有市场上不易选购，加大系统的复杂性及成本的投入，不利于微型化。

2009年重庆大学研究设计了一种紫外LED光纤光刻系统［4］。其中紫外LED光刻光源系统就是典型的光纤耦合型。光纤耦合结构如图5所示。

此光刻光源系统采用多个微型耦合透镜来耦合收集的光束，再把每根光纤耦合的光通过光纤合束器进行光强叠加。这种光学结构虽避免了用复杂的光学系统来进行扩束准直、光束压缩、耦合，但收集光使用的类CPC聚光镜的全反射折射 (TIR)照明透镜设计制作难度大，即使设计成功，加工出来也较困难，造价较大，不利于节约成本。采用TIR透镜聚光耦合进光纤的效率相对于上一种光纤耦合型有所提高。但输出光斑较小，难于设计成特定形状照明区域，光强均匀性还得靠后续整形实现，不利于系统简化。

图5 光纤耦合结构图Fig.5 Fibre-optical coupling structure chart

3.3 抛物面反射镜集光光源系统

在照明系统中，都会应用抛物面反射镜集光，与复眼透镜阵列配合进行匀光从而形成均匀照明光学系统［15］。这种结构在紫外LED光刻光源系统同样也可以应用。光源系统结构如图6所示。

图6 抛物面反射镜集光光源系统Fig.6 Parabolic reflect mirror concentrate light source system

抛物面反射镜收集光时，出光方向平行反射镜对称轴，具有良好的准直光束性能，虽出射光强不均匀，但平行出射光通过复眼透镜阵列进行匀光效果显著。其缺点就是出射口径较大，不利用于小面积区域照明，LED发光方向正对出射口放在焦点处时准直光束效率低，背对出射口放在焦点处，出射中心光被LED本身挡住而变暗。这是应该考虑的实际问题。

3.4 矩形复合抛物面 (RCPC)反射镜集光光源系统

RCPC可用在光源系统光学设计中［17］，结构图如图7所示。

图7 矩形复合抛物面集光光源系统Fig.7 Rectangle compound parabolic concentrate light source system

利用RCPC对紫外LED进行集光，可以控制出光方向与光轴的角度，达到近似准直效果，也可以根据光源发光面的形状和照明面的形状和尺寸进行调节，提高了设计的灵活性。由于RCPC的出射口是个矩形，其排列可做到无缝拼接，且与照明面形状相似，具有高能量利用率。但其整个系统加工工艺的难度大，成本高。

3.5 非球面光学元件匀光准直光源系统

非球面光学元件作为光束整形器件［19］，广泛应用于光源系统，如图8所示。

图8 非球面光学元件光束整形系统Fig.8 Aspheric surface optical element beam shaping system

据图8可知，非球面1起到匀光作用，非球面2起到准直光作用，整个非球面柱透镜具有匀光和准直光束功能。可以实现高精度的准直匀光效果，可以作为照明光束高效率整形的特殊元件，但其也有局限性，如对发散性光源的收集效率不高，由于其特性要求，不能与反射罩器件配合使用，光能利用率低，元件制作加工难度大。

3.6 二元光学元件匀光准直光源系统

采用二元光学方法，设计理论上可以对LED光束进行任意形状的修正，可以在频谱面上得到均匀、圆对称的光强分布［20］，结构图如图9所示。

光束整形过程如图9所示，LED发出的光波经过BOE位相调制后变为

图9 二元光学元件光束整形示意图Fig.9 Binary Optical Elements beam shaping sketch

其中φ(x，y)是BOE的透过率函数经过菲涅耳衍射(近场近似)，在输出面上得到 G(u，v) =是输出面上的位相分布函数，通过定义频谱面上的目标函数G(u，v)来实现对光束的整形要求，如果要求通过BOE后在频谱面(u，v)上得到一个均匀的、准直的、对称的圆形光斑，相应的目标函数可分别定义为

其中:(μ0，v0)是频谱面上圆形光斑中心坐标;R是光斑半径。

这样可以在理论设计上达到精准匀光和准直光的要求。第一块二元光学元件 (BOED)旨在对光源发出的光波进行位相调制达到匀光目的，第二块BOED具有准直功能，其有高精度匀光准直性能。目前光刻工艺一般都能达到此类二元光学元件的制作要求。

4 结论

紫外LED光刻光源在半导体工业及医疗领域有着广泛的应用前景，各国学者也已在紫外LED应用于光刻加工方面做了大量的研究工作，设计并制造了一些紫外LED光刻光源系统设备。由于紫外LED光束整形等方面的限制，目前紫外LED光刻光源系统的设计还是未尽人意，仍然有待改进，如输出的光功率低、辐照面辐照度均匀性偏低，辐照视场小等，设计方法还有待完善。

采用矩形CPC聚光器对紫外LED进行聚光，大大提高了集光效率，并且以小出射角度来对光束进行准直，减少准直透镜的使用，以期能进一步提高光源系统光的高稳定输出特性，在光源系统光学设计中是种新的思路，新光束整形方法，是对光学设计的另一种尝试，为紫外LED光刻光源系统的光学设计提供有益借鉴。采用BOE对紫外LED发光光束整形，大大提高了匀光、准直光的精确度，能更好的符合光刻要求。随着科学技术的发展，紫外LED光刻光源系统在半导体工业及微纳加工领域中的地位越来越重要。为了使光源系统输出光的特性更佳，还有许多问题需要探讨、研究与解决。

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