虹科案例|光刻机汞灯替代者—虹科定制大功率UV-LED平行光源

虹科定制的高稳定UV-LED采用了超高稳定度光源驱动技术具有≥99.92%的稳定性与>96%的光均匀性在流体力学飞行器PSP测试系统中大放异彩

虹科案例|高稳定紫外LED光源助力流体力学PSP技术

在半导体芯片行业虹科提供定制的大功率UV-LED平行光源它是如何替代传统汞灯成为光刻机设备的核心光源的呢？一起来了解虹科核心的定制技术基于面光源的自由曲面光学技术

01光刻机光源

背景提要

随着社会信息数字化的不断发展，从小到智能电子产品，大到军事智能设备，任何行业都少不了半导体芯片行业的发展。
半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。因此，作为芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤，光刻工艺难度最大、耗时最长， 芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻，耗费时间约占整个硅片工艺 的40～60%，成本极高，约为整个硅片制造工艺的⅓。光刻机涉及系统集成、 精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，因此也具备极高的单台价值量，目前世界上最先进的 ASML EUV 光刻机单价达到近一亿欧元，可满足 7nm 制程芯片的生产。光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。

光刻机原理图

光源是光刻机的核心部件之一，其波长可以决定光刻机的最小分辨率，进而影响芯片的大小。因此，目前光刻机采用的光源都处于紫外波段，并向极紫外光发展。传统光刻机采用汞灯产生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作为光刻光源，可以满足 0.8-0.35 um制程芯片的生产。汞灯虽然能够提供紫外波段的光，但是寿命只有1000小时，耗电高，且汞灯在工作过程中会挥发，从而对环境造成污染。随着光源技术的发展，采用InGaAs半导体材料的UV-LED成为了光刻机的光源选择之一，它能够实现紫外波段的高效率发光。最为突出的是，UV-LED的寿命可达汞灯的3万小时，耗电量减少80%，大幅降低企业生产成本，环保无污染，使其成为光刻机中传统汞灯光源的绝佳替代者。

传统汞灯紫外光刻设备光路图

除了波段的要求，为达到平行光束与功率控制需求，光刻机内部会设置一系列的光源控制手段，如利用光束矫正器矫正光束入射方向，让激光束尽量平行；光束形状设置器可以设置光束为圆型、环型等不同形状，具有不同的光学特性；能量控制器控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。这些复杂的内部结构都反映了光刻机光源对功率、辐照度、均匀性的较高要求。因此，对于应用于光刻机的LED光源研制，需要较高的知识水平与高端的设计制作技术，才能够满足光刻曝光的苛刻要求。

02自由曲面光学设计技术

核心技术

随着时代的发展，光学应用场景发生变迁，由人眼照明往机器视觉、能量传输及智能光学发展，因此对光束传输通道精准分配的需求越来越高。全球对非成像光学设计进行了广泛的研究，试错法创新力不足，直接法与数值优化法的方程复杂度远超算力，只能解决接近点光源的光线传播模型，没有提出一种针对LED面光源的可行解决方案。

现有研究方法

虹科进行了针对面光源的技术研究，开发了基于面光源的自由曲面光学设计技术，针对宏观光学应用领域，利用几何光学理论，解决光束的传输及分配问题，关注光能量的传输效率，极致追求光束的精准分配及驾驭，实现相关应用领域的最佳光解决方案。

在此解决方案中引入了相空间，建立了特征变量少、精准的面光源模型及其传播方程，跳出现有方程求解思路，结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了自由曲面离散点的数值迭代求解，在精度、及智能优化方面比蒙特卡洛光线追迹算有很大提升。

基于面光源的自由曲面光学设计技术

目前，虹科已经具备基于全光谱面光源的2个以上复杂自由曲面序列光线追迹的曲面求解能力；具备高速试错智能仿真算法，可以脱离现有PW方法进行光学透镜组的初始结构求解，大大提升了光学透镜的设计效率及精度。

03大功率UV-LED平行光源

定制产品

虹科在多自由曲面精确配光方面做了突破，开发出大功率紫外LED平行光源，其技术指标十分优异：平行半角＜3°，曝光面均匀度≥95%，工作距离达 300 mm，照射面积大于200 mm × 200 mm，照明强度高达 60 mW/cm2。在光源测试阶段采用了9点测量，每个点的测量位置见测试纸的打孔位置。测试纸为测试点定位用纸，如下图所示。长度L，宽度W。红点为测试点，在离导气槽长度L1为15mm ，宽度W1 为15mm 区域内均匀排布。

测试结果

在工作距离300 mm处，该平行光曝光系统

光斑面积达 200 mm x 200 mm，

均匀度＞95%，

平行出光角＜ 2°，

曝光面辐照度 60 mW/cm2。

经验证，该大功率紫外LED平行光可以在软/硬/真空接触以及近距离曝光应用中可以产生很好的结果；在4英寸、6英寸和8英寸的基板上可以保证光源的均匀性和准直性能（<2°）而且其分辨率可达0.7µm。此大功率UV-LED解决方案使用寿命长、输出稳定性高、无需预热或冷却，具备低成本、高性能的优点。

产品特点小结

应用于光刻机的定制UV-LED平行光源

基于面光源的自由曲面设计技术

具有以下特点：

高准直性能（<2°）

高辐射照度（60mW/cm2）

高光均匀度（＞95%）

使用寿命长

输出稳定性高

无需预热或冷却