接触/ 接近式光刻UV-LED 光源测试分析与工艺研究

陈 威，党景涛，王 河，周庆奎，庞超群

(1. 中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176；2. 杭州旻芯电子科技有限公司，浙江杭州310000)

UV-LED 光源作为一种新兴光源，近几年技术获得了极大的进步。与传统汞灯相比，具有光强更高、稳定性更好的特点，可节省电能约50%，寿命延长5 倍～10 倍。一支进口汞灯的使用寿命通常在800～1 000 h，在进行工业生产中，通常24 h 保持工作状态，能耗极大，随着持续使用光强快速衰减，需要根据工艺需求不断对汞灯位置进行校正，调节光强大小以满足曝光时光强要求。UV-LED 光源采用电子快门技术，曝光结束后LED 自动关闭，间断性的使用极大地延长了LED 的使用时间，曝光光强可以通过调节灯珠功率实现，操作简单方便。图1 是UV-LED 光源与汞灯光源的成本和使用寿命的对比。UV-LED 光源成本更低，寿命更长，性价比更高，已用于新型接触/ 接近式光刻机，满足工艺要求，具有巨大的市场需求。

图1 UV-LED 光源和汞灯光源对比

目前国内玻璃化钝化器件(GPP)、功率器件、LED 等行业多数使用宽频谱光刻胶，对于多个波段光线都会产生感光反应，因此汞灯光源因其波段范围广（主要包括365 nm、405 nm、436 nm 波长）具有很大优势。本实验设计了一种混波UV-LED 光源，频谱范围更接近汞灯，在采用汞灯光源进行曝光工艺变化不大的情况下，混波UV-LED 光源更容易实现汞灯光源的替换。针对AZ5214E 光刻胶进行了系统地工艺实验，对客户因光源更换光刻工艺改进实践具有指导意义。

1 实验方法

实验采用改进型BG-406 接触/ 接近式光刻机，曝光光源为混波UV-LED 光源，如图2 所示。工艺实验采用标准100 mm（4 英寸）硅片。首先对混波UV-LED 光源进行了性能参数测试并进行了工艺实验，采用紫外辐射照度计检测光照强度和光强均匀度、采用WLPro 型光谱仪检测光源频谱和采用准直仪检测准直角。

2 实验材料仪器及工艺条件

实验材料及仪器包括改进型BG-406 接触/接近式光刻机、UV-A 型紫外辐射照度计（配备365 nm探头）、WLPro 型光谱仪、准直仪、光刻胶和无水乙醇等。曝光工艺条件采用宽频谱的AZ5214E 正胶，主要是对365 nm 波长感光。100 mm 标准硅片进行前烘去除表面水分，前烘时间60 s，温度90 ℃。半自动匀胶机进行匀胶，匀胶机转速设置3 000 r/min，光刻胶厚度控制在1.5～2 μm。曝光模式采用真空复印，光照强度分别为15 mW/cm2和20 mW/cm2，曝光时间分别为3 s、5 s。坚膜后烘设置热板温度为90 ℃，时间为90 s。采用RZX-3038 显影液，显影后使用无水乙醇清洗样片表面。

对于不同光照强度和不同曝光时间下的样片进行了样片表面观察，光学显微镜采用OLYMPUS显微镜。为了保证观测准确性，每组观测选择同一样片上的不少于3 个观测部位和相同位置不同放大倍数下的观测。

图2 改进型BG-406 光刻机

3 实验过程

3.1 准直角检测

准直角检测利用小孔成像原理，主要采用自制准直仪，如图3 所示。测量时将准直仪放置在光刻机承片台上，通过观测窗口观察准直仪底部刻度盘上成像圆直径。检测结果表明：混波UV-LED 光源和单波UV-LED 光源准直半角为1.5°，二者都可以满足宽频谱光刻胶曝光工艺需求。

图3 准直仪

3.2 光谱检测

光谱分析结果如图4 所示，从图中可以看出混波UV-LED 光源包括波长365 nm 和436 nm 两种紫外光。单波UV-LED 光源只含有365 nm 紫外光。实验结果表明，通过两种波长LED 灯珠混合集成可以有效增加365 nm 波长以外的紫外光。

图4 UV-LED 光源光谱分析

3.3 光照强度检测

UV-LED 光源功率调节至最大功率，在有效光照区域内均匀选取9 个测试点进行检测，检测区域示意图，如图5 所示。每个测试点分别测试3 次，取算术平均值。

图5 光照强度检测区域示意图

UV-LED 光源光照有效区域内光强均匀度可由式（1）计算得到：

式中：U为光强均匀度，Imax为最大光照强度，Imin为最小光照强度。

UV-LED 光强检测结果如表1 所示。

表1 有效光照区域光照强度检测结果mW/cm2

根据有效光照区域光照强度检测结果可知，混波UV-LED 光源最大光强32.8 mW/cm2。 光强均匀度为95%，单波UV-LED 光源最大光强47.2 mW/cm2，光强均匀度为97%。对比单波光源，UV-LED 混波光源最大光照强度出现下降，有效区域内光强均匀度也有所降低。分析UV-LED 光源最大光照强度下降主要原因是LED 灯珠长时间工作时不可避免的产生大量热能，为保证灯珠相互间的散热，灯珠的嵌入需要有一定的距离，并且在固定光照面积下灯珠的总数目不可改变，因此单波UV-LED 光源的灯珠均匀分布，而混波UV-LED 光源中436 nm灯珠需要替换一部分365 nm 的灯珠。由于365 nm 灯珠减少，光照计检测探头为365 nm，因此混波光源的最大光照强度出现下降。混波UV-LED 光源有效光照区域内光强均匀度降低，分析其主要原因是在此次实验的UV-LED 混波光源中，436 nm 灯珠分布在灯珠集成模块的外围且间隔分布，处于光源中心区域的365 nm 灯珠和外围365 nm 灯珠发出的紫外光透射到复眼透镜时已非均匀近似平行光，叠加后的光强范围虽然和单波光源光照范围相同，但边缘光照强度出现较大起伏，以致最终出现有效区域内365 nm 波长光照强度的均匀度降低。

4 实验结果与结论

4.1 实验结果

为验证混波UV-LED 光源光刻精度，采用AZ5214E 光刻胶在真空复印模式下进行光刻工艺实验，实验结果如图6 所示。通过光学显微镜观察，可以清楚看到曝光时间3 s 时，在光照强度15 mW/cm2和光照强度20 mW/cm2下光刻精度均可达到1.5 μm，但在光照强度15 mW/cm2时线条宽度出现明显失真，线条宽度略宽于实际宽度，随着光照强度的增加线条陡直度明显改善，当光照强度为20 mW/cm2线条未失真。光照强度为20 mW/cm2，随着曝光时间从3 s 延长至5 s 时，样片出现过曝光，曝光区域显影后出现溶解，分析其主要原因是光刻实验采用正胶，在一定时间紫外光作用下非曝光区域由于紫外光热量作用发生反应，正胶中的大分子长链结构在紫外光和热作用下分解为短链结构，显影时短链结构溶解。

光学显微镜放大500 倍时观察样片，如图7所示。2 μm 和1.5 μm 线条中都没有出现中间断裂现象，线条完整性比较好。通过以上分析可以得出，AZ5214E 光刻胶采用混波UV-LED 光源在真空复印模式下曝光，优化的曝光工艺参数为：光强20 mW/cm2，曝光时间3 s。

4.2 结论

（1） 通过不同波段UV-LED 灯珠的集成，UV-LED 光源可以有效增加光线频谱范围，使得UV-LED 光源频谱范围更接近汞灯光源频谱范围；

（2）与单波UV-LED 光源相比，混波UV-LED光源的最大光照强度从47.2 mW/cm2下降到32.8 mW/cm2，均匀度从97%降到95%，但均能满足用户光刻工艺对光源的技术要求；

（3）混波UV-LED 光源真空复印模式下优化的曝光工艺参数为光强20 mW/cm2、曝光时间3 s。

图6 不同工艺条件下样片表面形貌

5 结束语

不同波段UV-LED 灯珠集成可以使LED 光源频谱范围更接近汞灯频谱范围，汞灯光源更容易被UV-LED 光源替代，进而加快UV-LED 光源市场推广。混波UV-LED 光源与单波UV-LED 光源相比，其有效光照区域内光强和均匀度有所下降，通过光学结构、机械结构和灯珠集成模块优化等手段有效地提高混波UV-LED 光源光强和均匀度需进一步研究。

图7 光照强度20 mW/cm2、曝光时间3 s 样片表面形貌