虹科案例|光刻機汞燈替代者—虹科定制大功率UV-LED平行光源

虹科定制的高穩定UV-LED采用了超高穩定度光源驅動技術具有≥99.92%的穩定性與》96%的光均勻性在流體力學飛行器PSP測試系統中大放異彩

虹科案例|高穩定紫外LED光源助力流體力學PSP技術

在半導體芯片行業虹科提供定制的大功率UV-LED平行光源它是如何替代傳統汞燈成為光刻機設備的核心光源的呢？一起來了解虹科核心的定制技術基于面光源的自由曲面光學技術

01光刻機光源

背景提要

隨著社會信息數字化的不斷發展，從小到智能電子產品，大到軍事智能設備，任何行業都少不了半導體芯片行業的發展。

半導體芯片生產的難點和關鍵點在于將電路圖從掩模上轉移至硅片上，這一過程通過光刻來實現，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，作為芯片生產流程中最復雜、最關鍵的步驟，光刻工藝難度最大、耗時最長， 芯片在生產過程中一般需要進行20~30次光刻，耗費時間約占整個硅片工藝 的40～60%，成本極高，約為整個硅片制造工藝的?。光刻機涉及系統集成、 精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術，是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，因此也具備極高的單臺價值量，目前世界上最先進的 ASML EUV 光刻機單價達到近一億歐元，可滿足 7nm 制程芯片的生產。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發生反應。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。光刻完成后對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實現了半導體器件在硅片表面的構建過程。

光刻機原理圖

光源是光刻機的核心部件之一，其波長可以決定光刻機的最小分辨率，進而影響芯片的大小。因此，目前光刻機采用的光源都處于紫外波段，并向極紫外光發展。傳統光刻機采用汞燈產生的 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。汞燈雖然能夠提供紫外波段的光，但是壽命只有1000小時，耗電高，且汞燈在工作過程中會揮發，從而對環境造成污染。隨著光源技術的發展，采用InGaAs半導體材料的UV-LED成為了光刻機的光源選擇之一，它能夠實現紫外波段的高效率發光。最為突出的是，UV-LED的壽命可達汞燈的3萬小時，耗電量減少80%，大幅降低企業生產成本，環保無污染，使其成為光刻機中傳統汞燈光源的絕佳替代者。

傳統汞燈紫外光刻設備光路圖

除了波段的要求，為達到平行光束與功率控制需求，光刻機內部會設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；光束形狀設置器可以設置光束為圓型、環型等不同形狀，具有不同的光學特性；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嚴重影響成像質量。這些復雜的內部結構都反映了光刻機光源對功率、輻照度、均勻性的較高要求。因此，對于應用于光刻機的LED光源研制，需要較高的知識水平與高端的設計制作技術，才能夠滿足光刻曝光的苛刻要求。

02自由曲面光學設計技術

核心技術

隨著時代的發展，光學應用場景發生變遷，由人眼照明往機器視覺、能量傳輸及智能光學發展，因此對光束傳輸通道精準分配的需求越來越高。全球對非成像光學設計進行了廣泛的研究，試錯法創新力不足，直接法與數值優化法的方程復雜度遠超算力，只能解決接近點光源的光線傳播模型，沒有提出一種針對LED面光源的可行解決方案。

現有研究方法

虹科進行了針對面光源的技術研究，開發了基于面光源的自由曲面光學設計技術，針對宏觀光學應用領域，利用幾何光學理論，解決光束的傳輸及分配問題，關注光能量的傳輸效率，極致追求光束的精準分配及駕馭，實現相關應用領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、精準的面光源模型及其傳播方程，跳出現有方程求解思路，結合能量守恒定律，采用巧妙、新穎的能量映射方式進行了自由曲面離散點的數值迭代求解，在精度、及智能優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設計技術

目前，虹科已經具備基于全光譜面光源的2個以上復雜自由曲面序列光線追跡的曲面求解能力；具備高速試錯智能仿真算法，可以脫離現有PW方法進行光學透鏡組的初始結構求解，大大提升了光學透鏡的設計效率及精度。

03大功率UV-LED平行光源

定制產品

虹科在多自由曲面精確配光方面做了突破，開發出大功率紫外LED平行光源，其技術指標十分優異：平行半角＜3°，曝光面均勻度≥95%，工作距離達 300 mm，照射面積大于200 mm × 200 mm，照明強度高達 60 mW/cm2。

在光源測試階段采用了9點測量，每個點的測量位置見測試紙的打孔位置。測試紙為測試點定位用紙，如下圖所示。長度L，寬度W。紅點為測試點，在離導氣槽長度L1為15mm ，寬度W1 為15mm 區域內均勻排布。

測試結果

在工作距離 300 mm 處，該平行光曝光系統

光斑面積達 200 mm x 200 mm，

均勻度＞95% ，

平行出光角＜ 2°，

曝光面輻照度 60 mW/cm2。

經驗證，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用中可以產生很好的結果；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直性能（《2°）而且其分辨率可達0.7μm。此大功率UV-LED解決方案使用壽命長、輸出穩定性高、無需預熱或冷卻，具備低成本、高性能的優點。

產品特點小結

應用于光刻機的定制UV-LED平行光源

基于面光源的自由曲面設計技術

具有以下特點：高準直性能（《2°）

高輻射照度（60mW/cm2）

高光均勻度（＞95%）

使用壽命長輸出穩定性高無需預熱或冷卻