虹科案例|光刻機(jī)汞燈替代者—虹科定制大功率UV-LED平行光源

虹科定制的高穩(wěn)定UV-LED采用了超高穩(wěn)定度光源驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有≥99.92%的穩(wěn)定性與>96%的光均勻性在流體力學(xué)飛行器PSP測(cè)試系統(tǒng)中大放異彩

虹科案例|高穩(wěn)定紫外LED光源助力流體力學(xué)PSP技術(shù)

在半導(dǎo)體芯片行業(yè)虹科提供定制的大功率UV-LED平行光源它是如何替代傳統(tǒng)汞燈成為光刻機(jī)設(shè)備的核心光源的呢？一起來了解虹科核心的定制技術(shù)基于面光源的自由曲面光學(xué)技術(shù)

01光刻機(jī)光源

背景提要

隨著社會(huì)信息數(shù)字化的不斷發(fā)展，從小到智能電子產(chǎn)品，大到軍事智能設(shè)備，任何行業(yè)都少不了半導(dǎo)體芯片行業(yè)的發(fā)展。
半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。因此，作為芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟，光刻工藝難度最大、耗時(shí)最長(zhǎng)， 芯片在生產(chǎn)過程中一般需要進(jìn)行20~30次光刻，耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)硅片工藝 的40～60%，成本極高，約為整個(gè)硅片制造工藝的?。光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、 精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，因此也具備極高的單臺(tái)價(jià)值量，目前世界上最先進(jìn)的 ASML EUV 光刻機(jī)單價(jià)達(dá)到近一億歐元，可滿足 7nm 制程芯片的生產(chǎn)。光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。光刻完成后對(duì)沒有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建過程。

光刻機(jī)原理圖

光源是光刻機(jī)的核心部件之一，其波長(zhǎng)可以決定光刻機(jī)的最小分辨率，進(jìn)而影響芯片的大小。因此，目前光刻機(jī)采用的光源都處于紫外波段，并向極紫外光發(fā)展。傳統(tǒng)光刻機(jī)采用汞燈產(chǎn)生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿足 0.8-0.35 um制程芯片的生產(chǎn)。汞燈雖然能夠提供紫外波段的光，但是壽命只有1000小時(shí)，耗電高，且汞燈在工作過程中會(huì)揮發(fā)，從而對(duì)環(huán)境造成污染。隨著光源技術(shù)的發(fā)展，采用InGaAs半導(dǎo)體材料的UV-LED成為了光刻機(jī)的光源選擇之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)紫外波段的高效率發(fā)光。最為突出的是，UV-LED的壽命可達(dá)汞燈的3萬小時(shí)，耗電量減少80%，大幅降低企業(yè)生產(chǎn)成本，環(huán)保無污染，使其成為光刻機(jī)中傳統(tǒng)汞燈光源的絕佳替代者。

傳統(tǒng)汞燈紫外光刻設(shè)備光路圖

除了波段的要求，為達(dá)到平行光束與功率控制需求，光刻機(jī)內(nèi)部會(huì)設(shè)置一系列的光源控制手段，如利用光束矯正器矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行；光束形狀設(shè)置器可以設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，具有不同的光學(xué)特性；能量控制器控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。這些復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都反映了光刻機(jī)光源對(duì)功率、輻照度、均勻性的較高要求。因此，對(duì)于應(yīng)用于光刻機(jī)的LED光源研制，需要較高的知識(shí)水平與高端的設(shè)計(jì)制作技術(shù)，才能夠滿足光刻曝光的苛刻要求。

02自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)

核心技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生變遷，由人眼照明往機(jī)器視覺、能量傳輸及智能光學(xué)發(fā)展，因此對(duì)光束傳輸通道精準(zhǔn)分配的需求越來越高。全球?qū)Ψ浅上窆鈱W(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛的研究，試錯(cuò)法創(chuàng)新力不足，直接法與數(shù)值優(yōu)化法的方程復(fù)雜度遠(yuǎn)超算力，只能解決接近點(diǎn)光源的光線傳播模型，沒有提出一種針對(duì)LED面光源的可行解決方案。

現(xiàn)有研究方法

虹科進(jìn)行了針對(duì)面光源的技術(shù)研究，開發(fā)了基于面光源的自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)宏觀光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，利用幾何光學(xué)理論，解決光束的傳輸及分配問題，關(guān)注光能量的傳輸效率，極致追求光束的精準(zhǔn)分配及駕馭，實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的最佳光解決方案。

在此解決方案中引入了相空間，建立了特征變量少、精準(zhǔn)的面光源模型及其傳播方程，跳出現(xiàn)有方程求解思路，結(jié)合能量守恒定律，采用巧妙、新穎的能量映射方式進(jìn)行了自由曲面離散點(diǎn)的數(shù)值迭代求解，在精度、及智能優(yōu)化方面比蒙特卡洛光線追跡算有很大提升。

基于面光源的自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)

目前，虹科已經(jīng)具備基于全光譜面光源的2個(gè)以上復(fù)雜自由曲面序列光線追跡的曲面求解能力；具備高速試錯(cuò)智能仿真算法，可以脫離現(xiàn)有PW方法進(jìn)行光學(xué)透鏡組的初始結(jié)構(gòu)求解，大大提升了光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)效率及精度。

03大功率UV-LED平行光源

定制產(chǎn)品

虹科在多自由曲面精確配光方面做了突破，開發(fā)出大功率紫外LED平行光源，其技術(shù)指標(biāo)十分優(yōu)異：平行半角＜3°，曝光面均勻度≥95%，工作距離達(dá) 300 mm，照射面積大于200 mm × 200 mm，照明強(qiáng)度高達(dá) 60 mW/cm2。在光源測(cè)試階段采用了9點(diǎn)測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量位置見測(cè)試紙的打孔位置。測(cè)試紙為測(cè)試點(diǎn)定位用紙，如下圖所示。長(zhǎng)度L，寬度W。紅點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)，在離導(dǎo)氣槽長(zhǎng)度L1為15mm ，寬度W1 為15mm 區(qū)域內(nèi)均勻排布。

測(cè)試結(jié)果

在工作距離300 mm處，該平行光曝光系統(tǒng)

光斑面積達(dá) 200 mm x 200 mm，

均勻度＞95%，

平行出光角＜ 2°，

曝光面輻照度 60 mW/cm2。

經(jīng)驗(yàn)證，該大功率紫外LED平行光可以在軟/硬/真空接觸以及近距離曝光應(yīng)用中可以產(chǎn)生很好的結(jié)果；在4英寸、6英寸和8英寸的基板上可以保證光源的均勻性和準(zhǔn)直性能（<2°）而且其分辨率可達(dá)0.7μm。此大功率UV-LED解決方案使用壽命長(zhǎng)、輸出穩(wěn)定性高、無需預(yù)熱或冷卻，具備低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)。

產(chǎn)品特點(diǎn)小結(jié)

應(yīng)用于光刻機(jī)的定制UV-LED平行光源

基于面光源的自由曲面設(shè)計(jì)技術(shù)

具有以下特點(diǎn)：

高準(zhǔn)直性能（<2°）

高輻射照度（60mW/cm2）

高光均勻度（＞95%）

使用壽命長(zhǎng)

輸出穩(wěn)定性高

無需預(yù)熱或冷卻