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完美聚光：用于光刻曝光的UV-LED光引擎

前言导读 2024.6.26

LED替代汞灯在紫外光源中的使用已成为大势所趋。友思特先进的 UV-LED-EXP 系统可作为OEM集成、汞灯光刻设备改造或直接定制光路设计和曝光设备，为紫外光源的半导体光刻曝光过程提供近乎完美的光照质量。

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汞弧灯与UV-LED

汞弧灯是高强度气体放电灯。简单地解释一下，在电流作用下，电弧会产生，并使汞蒸发，并产生一种非常明亮的光，具有明确的发射光谱，尤其是富含紫外线（UV）波段的光。汞灯的典型光谱分布如图1所示。汞灯一直是许多紫外线应用的主力军，现在明显的问题在于使用高度危险Hg，需要谨慎处理和精心回收。从生产角度看，紫外光源使用 汞灯的主要缺点有：

  • 需要预热时间 (几分钟) 气化汞物质和启动灯管
  • 汞灯有限的工作寿命 (通常是1000小时)
  • 为确保过程的可重复性，必须考虑到灯管的老化，必须经常进行校准和维护
图1 汞弧灯的典型光谱分布， 显示数据来自于Ushio的超高压汞灯USH-350DS

在过去的十年里，高效和强大的 LED（发光二极管）制造的突破使这项技术得以快速扩展，LED 现在是消费电子产品和家用电器的标准。世界各国政府已经逐渐禁止使用白炽灯泡，而是用更节能的解决方案（如 LED 灯泡）代替。关于工业设备，替代并不简单，法规必须与经济现实相协调。因此，尽管预计汞弧放电灯将在不久的将来逐步淘汰，但用 UV-LED 灯替换它们可能需要与设备寿命一样长的时间。只要没有汞弧灯的替代品，汞灯的例行工作就是维护人员的责任，因此所有这些成本都可以被视为基础设施和间接成本的一部分。

在高功率 UVLED 中，上述的缺陷将不复存在：

  • 瞬时切换并通过电子方式完成，因此使用机械快门就变得多余了；
  • LED 芯片及其电子控制系统的使用寿命更长 (超过10000小时), 由于 LED 只在紫外光刻过程中开启， 因此使用寿命几乎是无限的；
  • LED 采用电流调节，紫外线照射期间测量的辐照度用于闭环电流控制。带有自动校准功能的闭环电流控制是紫外线LED照明系统的固有特征。
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用于光刻的UV-LED曝光系统

进行 UV-LED 曝光的一个简单方法是使用 LED 矩阵。这种方法的一个缺点是必须单独控制每个单独的 LED 管芯，以确保照明均匀性。然而，这相当于将复杂性转移到控制电子设备上。

友思特提供了一种不同的方法，UV-LED曝光系统的技术优势在于：

  1. 将最新一代四个波长的高功率 UV-LED 集成在一起（图2）；
  2. 完全优化的照明设计。我们的非成像光学器件贯穿整个光路，从半导体 LED 芯片到暴露的光刻平面。因此，友思特 UV-LED 曝光系统在辐照度、照明均匀性和准直角度方面表现出卓越的性能（表1）。
图2 集成在友思特UVLED中的光谱图曲线。 为了对比，标注了汞灯中的i、g和h线
表1：不同UVLED-EXP系统的参数

友思特 UV-LED-EXP 系统装置示意如图3所示。高功率 UV-LED 管芯安装在具有高导热性的电路板上，通过外部风扇冷却散热器实现高效散热。UV-LED 控制电子设备有一个内置热敏电阻，用于监测温度。将外部紫外线传感器集成到曝光系统中，以测量在输出（例如衬底平面）处的辐照度（单位：mW/cm²）和曝光的通量（mJ/cm²）。因此，可以将友思特 UVLED-EXP 系统用作OEM设备，该设备可以很容易地集成到客户的产品中（例如，通过可编程逻辑控制器、PLC）。

图3 UVLED-EXP光路图及系统示意图
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光刻胶曝光结果

评估 UV-LED-EXP 系统最直接的方法，是将曝光结果与传统的基于汞的光刻设备获得的结果进行比较。图4中所示结果是使用三种类型的正性光致抗蚀剂获得的，可以清楚地看到，采用高功率 UV-LED-EXP 系统获得的结果与用传统汞灯系统获得的基本相同。从结果可知，它们可以被推广到所有光刻胶的使用以及甚至可以推广到掩模板光刻。

图4 SEM电镜图下对比汞灯和UVLED的曝光图样
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定制UVLED曝光设备

友思特UV-LED-EXP系统能根据客户的需求采用不同的形式。主要有以下几种情况：

  • 我们可以简单地充当OEM供应商——客户将我们的UV-LED-EXP标准产品集成到自己的设备中，并受益于我们工程团队的技术支持；
  • 我们可以对原有的、旧的基于汞灯的光刻设备进行改造；
  • 我们可以作为特殊机器的制造商全面参与——定制的曝光设备可以完全根据客户的规范开发。

我们以一台老旧但功能正常的 Karl Suss MA 56 光罩对准和曝光系统为例（见图5左）。图5(右)显示了灯罩的构成要素。汞灯通过一个椭圆形反射镜和一个 45° 冷光反射镜（二色镜/分光镜）发出光线，后者可滤除灯泡产生的不良长波辐射，只偏转晶圆曝光系统曝光所需的“冷”紫外光。灯箱还包含两个气动快门，一个快门打开启动晶片曝光，另一个快门关闭完成曝光。然后，两个快门回到起始位置。这种机制可确保整个晶片获得相同数量的曝光能量。由于在光罩校准器运行期间弧光灯必须持续开启，因此还必须为快门提供喷气冷却以排出热量。

图5 （左）Karl Suss MA 56 光罩对准；（右）Karl Suss MA 56内部的汞灯，从左至右：汞灯及椭圆透镜；一个45°二向色镜；冷却气动快门

在图6（上）中，我们展示了上述传统UV光刻曝光系统的工作原理。如图所示，灯泡不是理想的点光源。为了实现高照明均匀性，光束均匀器（也称为Köhler积分器）因此被添加到光路中，位于灯罩的输出处。

我们在图6（中）展示了使用紧凑型UV-LED照明模块完成改造。为了做到这一点，我们利用了现有的光学器件，只更换了水银灯罩。使用我们的UV-LED照明模块在MA 56上完成的测试表明，它可以产生高度均匀的照明，因此可以直接取代原来的汞灯。值得注意的是，对准和曝光系统是解耦的：对准是使用现有的机制进行的，而曝光只是使用我们用户友好的控制单元完成的。

最后，如果我们排除位于前透镜和聚光透镜之间的45°反射镜，我们可以清楚地看到，升级后的照明系统与我们的标准 UV-LED-EXP 系统中的照明系统相当，如图6（下）所示。

图6 UV光刻系统：使用汞灯的传统光刻曝光(上)；使用UVLED改造汞灯曝光结构(中)；友思特UVLED标准曝光结构(下)
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友思特 方案产品套装介绍

友思特 UV-EXP 系列曝光系统专为最严格的光照质量需求而设计，具有高功率UV- LED光源、优质光均化器和远心光学系统。它适合作为一个独立的桌面设备，为您的基板或集成到您的系统中提供充足的工作空间。辐照度高达75 mW/cm²，暴露面积最大300×300 mm²，辐照度不均匀性为最大3%，准直角度可在0.8°-2.6°调节，中心波长可以选择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灯的输出性能：最多可组合3个UV-LED发射器，提供 350-450 nm 范围内的窄带和宽带紫外辐射输出。总输出功率高达 40 W ，搭配外部冷却器时输出功率高达 50 W。系统遵循分布式设计方法，结构紧凑，适合于工业集成。
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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范围内的窄带和宽带紫外辐射输出；窄带输出功率高达 70W ，宽带输出功率高达 80W 。系统遵循分布式设计方法，结构紧凑，适合于工业集成，可应用于掩模对准器、大基板光刻工具、高均匀精度曝光等。
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