導(dǎo)讀

LED替代汞燈在紫外光源中的使用已成為大勢所趨。友思特先進(jìn)的 UV-LED-EXP 系統(tǒng)可作為OEM集成、汞燈光刻設(shè)備改造或直接定制光路設(shè)計(jì)和曝光設(shè)備，為紫外光源的半導(dǎo)體光刻曝光過程提供近乎完美的光照質(zhì)量。

汞弧燈與UV LED

汞弧燈是高強(qiáng)度氣體放電燈。簡單地解釋一下，在電流作用下，電弧會產(chǎn)生，并使汞蒸發(fā)，并產(chǎn)生一種非常明亮的光，具有明確的發(fā)射光譜，尤其是富含紫外線（UV）波段的光。汞燈的典型光譜分布如圖1所示。汞燈一直是許多紫外線應(yīng)用的主力軍，現(xiàn)在明顯的問題在于使用高度危險(xiǎn)Hg，需要謹(jǐn)慎處理和精心回收。從生產(chǎn)角度看，紫外光源使用 汞燈的主要缺點(diǎn)有：

需要預(yù)熱時(shí)間 (幾分鐘) 氣化汞物質(zhì)和啟動燈管

汞燈有限的工作壽命 (通常是1000小時(shí))

為確保過程的可重復(fù)性，必須考慮到燈管的老化，必須經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)

圖1 汞弧燈的典型光譜分布，顯示數(shù)據(jù)來自于Ushio的超高壓汞燈USH-350DS

在過去的十年里，高效和強(qiáng)大的 LED（發(fā)光二極管）制造的突破使這項(xiàng)技術(shù)得以快速擴(kuò)展，LED 現(xiàn)在是消費(fèi)電子產(chǎn)品和家用電器的標(biāo)準(zhǔn)。世界各國政府已經(jīng)逐漸禁止使用白熾燈泡，而是用更節(jié)能的解決方案（如 LED 燈泡）代替。關(guān)于工業(yè)設(shè)備，替代并不簡單，法規(guī)必須與經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)相協(xié)調(diào)。因此，盡管預(yù)計(jì)汞弧放電燈將在不久的將來逐步淘汰，但用 UV-LED 燈替換它們可能需要與設(shè)備壽命一樣長的時(shí)間。只要沒有汞弧燈的替代品，汞燈的例行工作就是維護(hù)人員的責(zé)任，因此所有這些成本都可以被視為基礎(chǔ)設(shè)施和間接成本的一部分。

在高功率 UVLED 中，上述的缺陷將不復(fù)存在：

瞬時(shí)切換并通過電子方式完成，因此使用機(jī)械快門就變得多余了；

LED 芯片及其電子控制系統(tǒng)的使用壽命更長 (超過10000小時(shí)), 由于 LED 只在紫外光刻過程中開啟， 因此使用壽命幾乎是無限的；

LED 采用電流調(diào)節(jié)，紫外線照射期間測量的輻照度用于閉環(huán)電流控制。帶有自動校準(zhǔn)功能的閉環(huán)電流控制是紫外線LED照明系統(tǒng)的固有特征。

用于光刻的UV-LED曝光系統(tǒng)

進(jìn)行 UV-LED 曝光的一個(gè)簡單方法是使用LED 矩陣。這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是必須單獨(dú)控制每個(gè)單獨(dú)的 LED 管芯，以確保照明均勻性。然而，這相當(dāng)于將復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到控制電子設(shè)備上。

友思特提供了一種不同的方法，UV-LED曝光系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢在于：

將最新一代四個(gè)波長的高功率UV-LED 集成在一起（圖2）；

完全優(yōu)化的照明設(shè)計(jì)。我們的非成像光學(xué)器件貫穿整個(gè)光路，從半導(dǎo)體 LED 芯片到暴露的光刻平面。因此，友思特 UV-LED 曝光系統(tǒng)在輻照度、照明均勻性和準(zhǔn)直角度方面表現(xiàn)出卓越的性能（表1）。

圖2 集成在友思特UVLED中的光譜圖曲線；為了對比，標(biāo)注了汞燈中的i、g和h線

表1：不同UVLED-EXP系統(tǒng)的參數(shù)

友思特 UV-LED-EXP 系統(tǒng)裝置示意如圖3所示。高功率 UV-LED 管芯安裝在具有高導(dǎo)熱性的電路板上，通過外部風(fēng)扇冷卻散熱器實(shí)現(xiàn)高效散熱。UV-LED 控制電子設(shè)備有一個(gè)內(nèi)置熱敏電阻，用于監(jiān)測溫度。將外部紫外線傳感器集成到曝光系統(tǒng)中，以測量在輸出（例如襯底平面）處的輻照度（單位：mW/cm2）和曝光的通量（mJ/cm2）。因此，可以將友思特 UVLED-EXP 系統(tǒng)用作OEM設(shè)備，該設(shè)備可以很容易地集成到客戶的產(chǎn)品中（例如，通過可編程邏輯控制器、PLC）。

圖3 UVLED-EXP光路圖及系統(tǒng)示意圖

光刻膠曝光結(jié)果

評估 UV-LED-EXP 系統(tǒng)最直接的方法，是將曝光結(jié)果與傳統(tǒng)的基于汞的光刻設(shè)備獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。圖4中所示結(jié)果是使用三種類型的正性光致抗蝕劑獲得的，可以清楚地看到，采用高功率 UV-LED-EXP 系統(tǒng)獲得的結(jié)果與用傳統(tǒng)汞燈系統(tǒng)獲得的基本相同。從結(jié)果可知，它們可以被推廣到所有光刻膠的使用以及甚至可以推廣到掩模板光刻。

圖4 SEM電鏡圖下對比汞燈和UVLED的曝光圖樣

定制UVLED曝光設(shè)備

友思特UV-LED-EXP系統(tǒng)能根據(jù)客戶的需求采用不同的形式。主要有以下幾種情況：

我們可以簡單地充當(dāng)OEM供應(yīng)商——客戶將我們的UV-LED-EXP標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品集成到自己的設(shè)備中，并受益于我們工程團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持；

我們可以對原有的、舊的基于汞燈的光刻設(shè)備進(jìn)行改造；

我們可以作為特殊機(jī)器的制造商全面參與——定制的曝光設(shè)備可以完全根據(jù)客戶的規(guī)范開發(fā)。

我們以一臺老舊但功能正常的 Karl Suss MA 56 光罩對準(zhǔn)和曝光系統(tǒng)為例（見圖5左）。圖5(右)顯示了燈罩的構(gòu)成要素。汞燈通過一個(gè)橢圓形反射鏡和一個(gè) 45° 冷光反射鏡（二色鏡/分光鏡）發(fā)出光線，后者可濾除燈泡產(chǎn)生的不良長波輻射，只偏轉(zhuǎn)晶圓曝光系統(tǒng)曝光所需的“冷”紫外光。燈箱還包含兩個(gè)氣動快門，一個(gè)快門打開啟動晶片曝光，另一個(gè)快門關(guān)閉完成曝光。然后，兩個(gè)快門回到起始位置。這種機(jī)制可確保整個(gè)晶片獲得相同數(shù)量的曝光能量。由于在光罩校準(zhǔn)器運(yùn)行期間弧光燈必須持續(xù)開啟，因此還必須為快門提供噴氣冷卻以排出熱量。

圖5 （左）Karl Suss MA 56 光罩對準(zhǔn)；（右）Karl Suss MA 56內(nèi)部的汞燈，從左至右：汞燈及橢圓透鏡；一個(gè)45°二向色鏡；冷卻氣動快門

在圖6（上）中，我們展示了上述傳統(tǒng)UV光刻曝光系統(tǒng)的工作原理。如圖所示，燈泡不是理想的點(diǎn)光源。為了實(shí)現(xiàn)高照明均勻性，光束均勻器（也稱為K?hler積分器）因此被添加到光路中，位于燈罩的輸出處。

我們在圖6（中）展示了使用緊湊型UV-LED照明模塊完成改造。為了做到這一點(diǎn)，我們利用了現(xiàn)有的光學(xué)器件，只更換了水銀燈罩。使用我們的UV-LED照明模塊在MA 56上完成的測試表明，它可以產(chǎn)生高度均勻的照明，因此可以直接取代原來的汞燈。值得注意的是，對準(zhǔn)和曝光系統(tǒng)是解耦的：對準(zhǔn)是使用現(xiàn)有的機(jī)制進(jìn)行的，而曝光只是使用我們用戶友好的控制單元完成的。

最后，如果我們排除位于前透鏡和聚光透鏡之間的45°反射鏡，我們可以清楚地看到，升級后的照明系統(tǒng)與我們的標(biāo)準(zhǔn) UV-LED-EXP 系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)相當(dāng)，如圖6（下）所示。

圖6-1?UV光刻系統(tǒng)：使用汞燈的傳統(tǒng)光刻曝光(上) 圖6-2?使用UVLED改造汞燈曝光結(jié)構(gòu)(中) 圖6-3?友思特UVLED標(biāo)準(zhǔn)曝光結(jié)構(gòu)(下)

友思特UVLED-EXP曝光系統(tǒng)

友思特 UV-EXP 系列曝光系統(tǒng)專為最嚴(yán)格的光照質(zhì)量需求而設(shè)計(jì)，具有高功率UV- LED光源、優(yōu)質(zhì)光均化器和遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。它適合作為一個(gè)獨(dú)立的桌面設(shè)備，為您的基板或集成到您的系統(tǒng)中提供充足的工作空間。輻照度高達(dá)75 mW/cm2，暴露面積最大300×300 mm2，輻照度不均勻性為最大3%，準(zhǔn)直角度可在0.8°-2.6°調(diào)節(jié)，中心波長可以選擇365nm、385nm、395nm、405nm和435nm。

ALE 1C 光源

友思特 ALE 1C 紫外曝光光源具有替代高功率汞燈的輸出性能：最多可組合3個(gè)UV-LED發(fā)射器，提供 350-450 nm 范圍內(nèi)的窄帶和寬帶紫外輻射輸出?？傒敵龉β矢哌_(dá) 40 W ，搭配外部冷卻器時(shí)輸出功率高達(dá) 50 W。系統(tǒng)遵循分布式設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于工業(yè)集成。

ALE 2光源

友思特 ALE 2 紫外曝光光源提供非常大的曝光效率和性能：350-450nm范圍內(nèi)的窄帶和寬帶紫外輻射輸出；窄帶輸出功率高達(dá) 70W ，寬帶輸出功率高達(dá) 80W 。系統(tǒng)遵循分布式設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于工業(yè)集成，可應(yīng)用于掩模對準(zhǔn)器、大基板光刻工具、高均勻精度曝光等。

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審核編輯 黃宇