王國(guó)貴 高益慶 肖孟超 羅寧寧 王 彬 萬(wàn) 軍

(南昌航空大學(xué)，江西南昌 330063)

1 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，半導(dǎo)體工業(yè)在現(xiàn)今信息化時(shí)代起著極其重要的作用，光刻技術(shù)作為半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品的日益市場(chǎng)化，采用先進(jìn)的光刻技術(shù)來(lái)降低光刻成本和生產(chǎn)周期顯得尤其迫切，這就需要價(jià)格低廉高效率的光刻設(shè)備進(jìn)行加工［1］～［4］。目前，紫外 LED 光源系統(tǒng)具有體積小、光密度高、超長(zhǎng)壽命、冷光源、無(wú)輻射、發(fā)熱量少、瞬間點(diǎn)亮、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，在光刻設(shè)備領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)紫外LED光源系統(tǒng)進(jìn)行深入研究有著重要的實(shí)用價(jià)值。

本文主要從光刻光源系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方面綜述了紫外LED光刻光源系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展。從光刻光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和系統(tǒng)輸出光特性的綜合分析，得出了現(xiàn)有紫外LED光刻光源系統(tǒng)輸出的一些特性，且比較分析了各光學(xué)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)歸納總結(jié)了紫外LED光源系統(tǒng)的分類，并簡(jiǎn)要闡述了紫外LED新型光源應(yīng)用于光刻技術(shù)優(yōu)越性，以期能為半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)的發(fā)展研究提供借鑒及參考。

2 光刻光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及紫外LED光刻光源的特點(diǎn)

根據(jù)工作原理不同光刻機(jī)可以分為光學(xué)光刻機(jī)(可用波長(zhǎng)范圍從10nm到436nm)、電子束直寫光刻機(jī)和離子束光刻機(jī)。其中光學(xué)光刻技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛［5］。光刻光源系統(tǒng)是光學(xué)光刻機(jī)中的重要組成部分。

光刻光源系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。目前傳統(tǒng)光刻光源有汞燈、大功率紫外激光器、半導(dǎo)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(zhǎng)范圍 (350nm～450nm)有二條光強(qiáng)度較強(qiáng)的發(fā)射光譜線，即436nm(G-line)與365nm(I-line)，應(yīng)用光刻時(shí)需要濾光裝置，光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，汞的應(yīng)用還會(huì)污染環(huán)境。大功率紫外激光器如準(zhǔn)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(jià)格昂貴。然而，紫外LED光刻光源相對(duì)于傳統(tǒng)光刻光源具有光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、能耗低、體積小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。而且發(fā)光波譜窄，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要使用紫外濾光片，從而有效避免了使用濾光片帶來(lái)的吸收損耗造成的能量浪費(fèi)［12］。在紫外LED光源應(yīng)用于光刻的過(guò)程中，主要是光束整形光學(xué)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)。

3 紫外LED光刻光源系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

3.1 面陣直照型

2007年，日本S.Suzuki和Y.Matsumoto等人成功研究設(shè)計(jì)出用于曲面結(jié)構(gòu)制造的面陣直照型紫外LED光刻光源系統(tǒng)［6］。采用的 UV-LED型號(hào)為NS370L-5CFA，澆鑄在面體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)不帶集光透鏡，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)同時(shí)曝光，裝置如圖1所示。

圖1 UV-LED陣列組成的曝光系統(tǒng)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(tǒng)采用面陣直照方法，省去復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)光束勻光準(zhǔn)直整形單元，設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單易行。單顆LED光源光能分布如圖2所示，光源系統(tǒng)的光輻照度完全由作用距離r決定，光源直照時(shí)，光強(qiáng)衰減較大，因此該光源系統(tǒng)作用距離較短。且輻照面的光強(qiáng)均勻性完全由平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)以及無(wú)任何集光勻光裝置，作用距離較近且光束發(fā)散偏大，因此該光源系統(tǒng)不具備勻光輸出功能。整個(gè)系統(tǒng)的橫向尺寸偏大導(dǎo)致作用視場(chǎng)較大。

2011年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王向賢等［12］提出一種基于紫外LED光源的光刻機(jī)的發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

該基于紫外LED光源的光刻機(jī)結(jié)構(gòu)包括實(shí)現(xiàn)光束均勻輻照曝光的紫外LED光源光學(xué)系統(tǒng)，控制曝光時(shí)間和相對(duì)輻照強(qiáng)度的發(fā)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(yīng)時(shí)間短，曝光時(shí)間和曝光輻照度通過(guò)對(duì)光源系統(tǒng)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(tǒng)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(dǎo)致光能損耗大。

3.2 光纖耦合型

2007年底，由芯碩半導(dǎo)體 (中國(guó))有限公司設(shè)計(jì)了一種具有超高強(qiáng)度LED光源的無(wú)掩模直寫光刻機(jī)［13］，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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

該系統(tǒng)利用光纖進(jìn)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(jìn)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(yán)重。要達(dá)到超高強(qiáng)度出光功率只得依靠增加LED光源的數(shù)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(xiàn)有市場(chǎng)上不易選購(gòu)，加大系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本的投入，不利于微型化。

2009年重慶大學(xué)研究設(shè)計(jì)了一種紫外LED光纖光刻系統(tǒng)［4］。其中紫外LED光刻光源系統(tǒng)就是典型的光纖耦合型。光纖耦合結(jié)構(gòu)如圖5所示。

此光刻光源系統(tǒng)采用多個(gè)微型耦合透鏡來(lái)耦合收集的光束，再把每根光纖耦合的光通過(guò)光纖合束器進(jìn)行光強(qiáng)疊加。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)雖避免了用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)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(shè)計(jì)制作難度大，即使設(shè)計(jì)成功，加工出來(lái)也較困難，造價(jià)較大，不利于節(jié)約成本。采用TIR透鏡聚光耦合進(jìn)光纖的效率相對(duì)于上一種光纖耦合型有所提高。但輸出光斑較小，難于設(shè)計(jì)成特定形狀照明區(qū)域，光強(qiáng)均勻性還得靠后續(xù)整形實(shí)現(xiàn)，不利于系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

圖5 光纖耦合結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Fibre-optical coupling structure chart

3.3 拋物面反射鏡集光光源系統(tǒng)

在照明系統(tǒng)中，都會(huì)應(yīng)用拋物面反射鏡集光，與復(fù)眼透鏡陣列配合進(jìn)行勻光從而形成均勻照明光學(xué)系統(tǒng)［15］。這種結(jié)構(gòu)在紫外LED光刻光源系統(tǒng)同樣也可以應(yīng)用。光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

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

拋物面反射鏡收集光時(shí)，出光方向平行反射鏡對(duì)稱軸，具有良好的準(zhǔn)直光束性能，雖出射光強(qiáng)不均勻，但平行出射光通過(guò)復(fù)眼透鏡陣列進(jìn)行勻光效果顯著。其缺點(diǎn)就是出射口徑較大，不利用于小面積區(qū)域照明，LED發(fā)光方向正對(duì)出射口放在焦點(diǎn)處時(shí)準(zhǔn)直光束效率低，背對(duì)出射口放在焦點(diǎn)處，出射中心光被LED本身?yè)踝《儼?。這是應(yīng)該考慮的實(shí)際問(wèn)題。

3.4 矩形復(fù)合拋物面 (RCPC)反射鏡集光光源系統(tǒng)

RCPC可用在光源系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中［17］，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

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

利用RCPC對(duì)紫外LED進(jìn)行集光，可以控制出光方向與光軸的角度，達(dá)到近似準(zhǔn)直效果，也可以根據(jù)光源發(fā)光面的形狀和照明面的形狀和尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。由于RCPC的出射口是個(gè)矩形，其排列可做到無(wú)縫拼接，且與照明面形狀相似，具有高能量利用率。但其整個(gè)系統(tǒng)加工工藝的難度大，成本高。

3.5 非球面光學(xué)元件勻光準(zhǔn)直光源系統(tǒng)

非球面光學(xué)元件作為光束整形器件［19］，廣泛應(yīng)用于光源系統(tǒng)，如圖8所示。

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

據(jù)圖8可知，非球面1起到勻光作用，非球面2起到準(zhǔn)直光作用，整個(gè)非球面柱透鏡具有勻光和準(zhǔn)直光束功能?？梢詫?shí)現(xiàn)高精度的準(zhǔn)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(duì)發(fā)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(xué)元件勻光準(zhǔn)直光源系統(tǒng)

采用二元光學(xué)方法，設(shè)計(jì)理論上可以對(duì)LED光束進(jìn)行任意形狀的修正，可以在頻譜面上得到均勻、圓對(duì)稱的光強(qiáng)分布［20］，結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

光束整形過(guò)程如圖9所示，LED發(fā)出的光波經(jīng)過(guò)BOE位相調(diào)制后變?yōu)?/p>

圖9 二元光學(xué)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(guò)率函數(shù)經(jīng)過(guò)菲涅耳衍射(近場(chǎng)近似)，在輸出面上得到 G(u，v) =是輸出面上的位相分布函數(shù)，通過(guò)定義頻譜面上的目標(biāo)函數(shù)G(u，v)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的整形要求，如果要求通過(guò)BOE后在頻譜面(u，v)上得到一個(gè)均勻的、準(zhǔn)直的、對(duì)稱的圓形光斑，相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)可分別定義為

其中:(μ0，v0)是頻譜面上圓形光斑中心坐標(biāo);R是光斑半徑。

這樣可以在理論設(shè)計(jì)上達(dá)到精準(zhǔn)勻光和準(zhǔn)直光的要求。第一塊二元光學(xué)元件 (BOED)旨在對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行位相調(diào)制達(dá)到勻光目的，第二塊BOED具有準(zhǔn)直功能，其有高精度勻光準(zhǔn)直性能。目前光刻工藝一般都能達(dá)到此類二元光學(xué)元件的制作要求。

4 結(jié)論

紫外LED光刻光源在半導(dǎo)體工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，各國(guó)學(xué)者也已在紫外LED應(yīng)用于光刻加工方面做了大量的研究工作，設(shè)計(jì)并制造了一些紫外LED光刻光源系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的設(shè)計(jì)還是未盡人意，仍然有待改進(jìn)，如輸出的光功率低、輻照面輻照度均勻性偏低，輻照視場(chǎng)小等，設(shè)計(jì)方法還有待完善。

采用矩形CPC聚光器對(duì)紫外LED進(jìn)行聚光，大大提高了集光效率，并且以小出射角度來(lái)對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，減少準(zhǔn)直透鏡的使用，以期能進(jìn)一步提高光源系統(tǒng)光的高穩(wěn)定輸出特性，在光源系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中是種新的思路，新光束整形方法，是對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的另一種嘗試，為紫外LED光刻光源系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)提供有益借鑒。采用BOE對(duì)紫外LED發(fā)光光束整形，大大提高了勻光、準(zhǔn)直光的精確度，能更好的符合光刻要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紫外LED光刻光源系統(tǒng)在半導(dǎo)體工業(yè)及微納加工領(lǐng)域中的地位越來(lái)越重要。為了使光源系統(tǒng)輸出光的特性更佳，還有許多問(wèn)題需要探討、研究與解決。

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