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導讀

LED替代汞燈在紫外光源中的使用已成為大勢所趨。友思特先進的 UV-LED-EXP 系統可作為OEM集成、汞燈光刻設備改造或直接定制光路設計和曝光設備，為紫外光源的半導體光刻曝光過程提供近乎完美的光照質量。

汞弧燈與UV LED

汞弧燈是高強度氣體放電燈。簡單地解釋一下，在電流作用下，電弧會產生，并使汞蒸發，并產生一種非常明亮的光，具有明確的發射光譜，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用的主力軍，現在明顯的問題在于使用高度危險Hg，需要謹慎處理和精心回收。從生產角度看，紫外光源使用汞燈的主要缺點有：

需要預熱時間 (幾分鐘) 氣化汞物質和啟動燈管

汞燈有限的工作壽命 (通常是1000小時)

為確保過程的可重復性，必須考慮到燈管的老化，必須經常進行校準和維護

圖1 汞弧燈的典型光譜分布，顯示數據來自于Ushio的超高壓汞燈USH-350DS

在過去的十年里，高效和強大的 LED（發光二極管）制造的突破使這項技術得以快速擴展，LED 現在是消費電子產品和家用電器的標準。世界各國政府已經逐漸禁止使用白熾燈泡，而是用更節能的解決方案（如 LED 燈泡）代替。關于工業設備，替代并不簡單，法規必須與經濟現實相協調。因此，盡管預計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備壽命一樣長的時間。只要沒有汞弧燈的替代品，汞燈的例行工作就是維護人員的責任，因此所有這些成本都可以被視為基礎設施和間接成本的一部分。

在高功率 UVLED 中，上述的缺陷將不復存在：

瞬時切換并通過電子方式完成，因此使用機械快門就變得多余了；

LED 芯片及其電子控制系統的使用壽命更長 (超過10000小時), 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 采用電流調節，紫外線照射期間測量的輻照度用于閉環電流控制。帶有自動校準功能的閉環電流控制是紫外線LED照明系統的固有特征。

用于光刻的UV-LED曝光系統

進行 UV-LED 曝光的一個簡單方法是使用LED 矩陣。這種方法的一個缺點是必須單獨控制每個單獨的 LED 管芯，以確保照明均勻性。然而，這相當于將復雜性轉移到控制電子設備上。

友思特提供了一種不同的方法，UV-LED曝光系統的技術優勢在于：

將最新一代四個波長的高功率UV-LED 集成在一起（圖2）；

完全優化的照明設計。我們的非成像光學器件貫穿整個光路，從半導體 LED 芯片到暴露的光刻平面。因此，友思特 UV-LED 曝光系統在輻照度、照明均勻性和準直角度方面表現出卓越的性能（表1）。

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

表1：不同UVLED-EXP系統的參數

友思特 UV-LED-EXP 系統裝置示意如圖3所示。高功率 UV-LED 管芯安裝在具有高導熱性的電路板上，通過外部風扇冷卻散熱器實現高效散熱。UV-LED 控制電子設備有一個內置熱敏電阻，用于監測溫度。將外部紫外線傳感器集成到曝光系統中，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 系統用作OEM設備，該設備可以很容易地集成到客戶的產品中（例如，通過可編程邏輯控制器、PLC）。

圖3 UVLED-EXP光路圖及系統示意圖

光刻膠曝光結果

評估 UV-LED-EXP 系統最直接的方法，是將曝光結果與傳統的基于汞的光刻設備獲得的結果進行比較。圖4中所示結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 系統獲得的結果與用傳統汞燈系統獲得的基本相同。從結果可知，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曝光設備

友思特UV-LED-EXP系統能根據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OEM供應商——客戶將我們的UV-LED-EXP標準產品集成到自己的設備中，并受益于我們工程團隊的技術支持；

我們可以對原有的、舊的基于汞燈的光刻設備進行改造；

我們可以作為特殊機器的制造商全面參與——定制的曝光設備可以完全根據客戶的規范開發。

我們以一臺老舊但功能正常的 Karl Suss MA 56 光罩對準和曝光系統為例（見圖5左）。圖5(右)顯示了燈罩的構成要素。汞燈通過一個橢圓形反射鏡和一個 45° 冷光反射鏡（二色鏡/分光鏡）發出光線，后者可濾除燈泡產生的不良長波輻射，只偏轉晶圓曝光系統曝光所需的“冷”紫外光。燈箱還包含兩個氣動快門，一個快門打開啟動晶片曝光，另一個快門關閉完成曝光。然后，兩個快門回到起始位置。這種機制可確保整個晶片獲得相同數量的曝光能量。由于在光罩校準器運行期間弧光燈必須持續開啟，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；（右）Karl Suss MA 56內部的汞燈，從左至右：汞燈及橢圓透鏡；一個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UV光刻曝光系統的工作原理。如圖所示，燈泡不是理想的點光源。為了實現高照明均勻性，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，我們利用了現有的光學器件，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，對準和曝光系統是解耦的：對準是使用現有的機制進行的，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，升級后的照明系統與我們的標準 UV-LED-EXP 系統中的照明系統相當，如圖6（下）所示。

圖6-1?UV光刻系統：使用汞燈的傳統光刻曝光(上) 圖6-2?使用UVLED改造汞燈曝光結構(中) 圖6-3?友思特UVLED標準曝光結構(下)

友思特UVLED-EXP曝光系統

友思特 UV-EXP 系列曝光系統專為最嚴格的光照質量需求而設計，具有高功率UV- LED光源、優質光均化器和遠心光學系統。它適合作為一個獨立的桌面設備，為您的基板或集成到您的系統中提供充足的工作空間。輻照度高達75 mW/cm2，暴露面積最大300×300 mm2，輻照度不均勻性為最大3%，準直角度可在0.8°-2.6°調節，中心波長可以選擇365nm、385nm、395nm、405nm和435nm。