CN202189229U

CN202189229U - 一种基于紫外led光源的光刻机

Info

Publication number: CN202189229U
Application number: CN2011202921582U
Authority: CN
Inventors: 王向贤; 明海; 张斗国; 胡继刚; 陈鲁; 汪波; 陈漪恺
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2021-08-12

Abstract

本实用新型公布了一种基于紫外LED光源的光刻机，其结构包括实现光束均匀辐照曝光的紫外LED光源光学系统，控制曝光时间和相对辐照强度的发光控制器，光栏，光刻掩模板和光刻基片，该光刻机可采用接触式或接近式曝光。本实用新型结构简单，与传统的基于汞灯光源的光刻机系统比较，本实用新型使用紫外LED光源，曝光时间和曝光辐照强度通过对光源系统本身的控制完成，不需要额外加入滤光片和光电快门。该光刻机是一种结构简单、运行稳定、寿命长、散热小、高效、节能、环保的光刻系统。本实用新型可用于微电子、微纳光子器件制备等微纳加工领域。

Description

一种基于紫外LED光源的光刻机

技术领域

本实用新型涉及微电子、微纳光子器件制备等微纳加工领域，特别涉及一种基于紫外LED光源的光刻机。

背景技术

光刻技术是一种精密的微细加工技术。目前，基于紫外光源的光刻机大多以高压汞灯做曝光光源，采用Hg的i线(365nm)曝光。其存在的主要问题为：

1、光学系统复杂。汞灯光源属于立体全方位辐照，为实现单一波长均匀辐照，其光学系统包括光栏、快门、准直镜、透镜组(一般需要几十个甚至上百个透镜)、i线滤光片、场镜、反射镜等等。复杂的光学系统成为光刻机价格高昂和小型化的瓶颈。

2、稳定性低。汞灯的发光极金属在使用中容易加热变形，导致其光斑容易移动，所以需要经常调节，特别是刚完成预热的时候。

3、寿命短。光刻机使用的高压汞灯寿命一般在2000小时左右。加之高压汞灯需要提前预热，且开启后不能关闭，这进一步导致了汞灯在曝光中其有效利用率进一步降低。

4、温度高。汞灯在使用时温度高达一千摄氏度以上，这对光学系统及附属器件有很大的影响，故基于汞灯光源的光刻机需要加入风冷或水冷系统，这进一步增加了设备的价格和操作的复杂性。

5、能耗高。现有光刻机使用的高压汞灯功率一般都在1000W以上，经过一系列光学元件后，其有效曝光的功率密度在5～20mW/cm²，故其能量利用率低，加之汞灯开启后不能关闭，导致不曝光期间，能量的进一步浪费。

6、不环保。汞是有毒物质，一旦泄露，会对环境造成严重污染且严重影响操作者的健康和安全。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有光刻技术基于高压汞灯的不足之处，提供一种结构简单、运行稳定、寿命长、节能、环保的基于紫外LED光源的光刻机。

实现上述目的的技术方案如下：

一种基于紫外LED光源的光刻机，其特征在于：其包括：发光控制器、紫外LED光源光学系统、光栏、掩模板、光刻胶和光刻胶衬底基片；其中，

所述发光控制器，用于控制曝光时间和相对辐照强度，并且其曝光方式采用接触式或接近式；

所述紫外LED光源光学系统，通过对紫外LED光源和透镜空间分布的光学设计，或仅通过对紫外LED光源空间分布的光学设计，实现紫外LED光源所发紫外光束在距该紫外LED光源一定距离即工作距离处的曝光面的均匀辐照曝光；

所述光栏，用于控制曝光面积以及消除边缘杂散光对样品的辐照。

进一步的，根据所述的基于紫外LED光源的光刻机所用紫外LED光源的峰值波长在315nm至400nm。

进一步的，根据所述的紫外LED光源光学系统，为了实现曝光面的均匀辐照，该紫外LED光源光学系统可采用3种不同的方式：

1)紫外LED光源排布在平面上，在该紫外LED光源前加透镜组，实现距该紫外LED光源一定距离即工作距离处的曝光面的均匀辐照；

2)紫外LED光源排布在具有一定曲率半径的弧面上，在每个紫外LED前加1个透镜，实现该紫外LED光源工作距离处的曝光面的均匀辐照；

3)紫外LED光源排布在具有一定曲率半径的弧面上，实现该紫外LED光源工作距离处的曝光面的均匀辐照。

进一步的，所述紫外LED光源采用紫外LED阵列，实现高强度均匀辐照曝光。

进一步的，对于曝光的控制通过控制LED的曝光时间和/或相对曝光辐照强度。

进一步的，对曝光时间的控制通过发光的开、关完成。曝光时间采用0.1s-999.9s倒计时进行。

进一步的，对相对曝光辐照强度的控制通过控制紫外LED光源的发光模式完成，所述相对曝光辐照强度在最大值的1％-100％之间可调。

上述技术方案的创新原理和相比传统技术的优势为：

1、光源采用紫外LED光源，多个LED单元排列成阵列结构，实现LED发射光在一定距离处的辐照面上满足接触式或接近式光刻要求的均匀辐照；

2、LED光源的阵列结构可以为以下三种结构之一：LED阵列分布为平面，在LED阵列前加透镜组(一般用2个透镜即可)，或者LED阵列结构分布为弧面，且在每个紫外LED前加一个透镜，形成透镜阵列，或者LED阵列结构分布为弧面，没有透镜阵列，直接形成照明；例如使用4×4的LED平面阵列和2个透镜，可在距离光源约20mm处，实现辐照强度约2100mW/cm²的均匀辐照；

3、所用LED光源的波长在紫外波段，所用紫外LED光源的峰值波长通常在315nm至400nm，优选的如365±5nm。由于紫外LED的波谱窄，故无需使用紫外滤光片，从而有效避免了使用滤光片带来的吸收损耗造成的能量浪费。同时紫外LED发光没有红外光谱成分，周围环境不会吸收光后温度升高，减少了对系统环境的影响和系统的参数漂移；

4、曝光时间和相对曝光辐照强度通过控制光源本身的发光来完成，无需使用快门，开启光源即开始曝光，曝光结束，光源自动关闭，避免了曝光结束后光源继续开启造成的能量浪费，实现能量的高效使用。由于LED的电流反应时间短，电路开关对LED的发光的控制是实时的，从而对光刻辐射强度有精确的控制。其曝光方式采用接触式或接近式。曝光时间可采用0.1～999.9s倒计时进行，相对曝光辐照强度可控制在最大值的1～100％之间；

5、光刻机的寿命由光源寿命决定，由于紫外LED的寿命长达20000小时，故该光刻机系统可实现长寿命使用，光源发光强度稳定，不会随着使用时间而变化；

6、系统功率在5W～50W，温度低，发热量小，实现低功率光源的光刻；

7、采用紫外LED光源，实现基于环保光源的光刻；

8、紫外LED光刻系统设计简单，能耗低，成本低，适合应用在小型低成本的光刻仪器中；

9、性能稳定、结构简单、寿命长、效率高、节能、环保，适用于微电子、微纳光子器件制备等微纳加工领域。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图；

图2为365nm紫外LED光源光谱图；

图3为利用本实用新型光刻机所得的曝光结果图；

图4为LED阵列分布在弧面且加有透镜阵列的紫外LED光源光学系统示意图；

图5为LED阵列分布在弧面的紫外LED光源光学系统示意图；

其中，1、发光控制器；2、紫外LED光源光学系统；3、排布在同一平面上的LED阵列；4、透镜组；5、光栏；6、掩模板；7、光刻胶；8、光刻胶衬底基片；9、排布在具有一定曲率半径的弧面上的LED阵列；10、透镜阵列。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

实施例1：

参照图1，基于紫外LED光源的光刻机包括，发光控制器1，用于控制曝光时间和相对曝光辐照强度；紫外LED光源光学系统2，由排布在同一平面上的LED阵列3和阵列前所加的透镜组4构成，用于实现LED所发紫外光束在距光源一定距离即工作距离处的曝光面的均匀辐照；光栏5，用于控制曝光面积以及消除边缘杂散光对样品的辐照；掩模板6；光刻胶7；光刻胶衬底基片8。

如图1所示，通过发光控制器1设置好曝光时间和相对辐照强度，启动发光，排布在同一平面上的LED阵列3的每个LED将同时发光，光束经透镜组4整形，并经光栏5消除边缘杂散光，辐照光刻掩模板6，实现对光刻胶7的曝光，经显影、定影等后续工艺处理后，将掩模板的图形转移到光刻胶衬底基片8上。

图2为图1所示的一种紫外LED光源的光谱图，峰值波长为365nm，半高全宽为10nm。

图3为利用图1所示的光刻机系统曝光硅衬底上的光刻胶所得的光刻图形的显微镜像。曝光所得结果与掩模板图形一致。

实施例2：

图4为一种含有透镜阵列的紫外LED光源光学系统，其具有排布在具有一定曲率半径的弧面上的LED阵列9，每个LED前加1个透镜，构成透镜阵列10，启动发光后，排布在具有一定曲率半径的弧面上的LED阵列9的每个LED同时发光，并经各自前面的透镜聚光，在工作距离处的曝光面实现均匀辐照。

其它结构同实施例1。

实施例3：

图5为另一种紫外LED光源光学系统，其具有排布在具有一定曲率半径的弧面上的LED阵列9，启动发光后，排布在具有一定曲率半径的弧面上的LED阵列9的每个LED同时发光，在工作距离处的曝光面实现均匀辐照。

其它结构同实施例1。

Claims

1.一种基于紫外LED光源的光刻机，其特征在于：其包括：发光控制器、紫外LED光源光学系统、光栏、掩模板、光刻胶和光刻胶衬底基片；其中，

2.根据权利要求1所述的基于紫外LED光源的光刻机，其特征在于，所用紫外LED光源的峰值波长在315nm至400nm。

3.根据权利要求1所述的基于紫外LED光源的光刻机，其特征在于，所述的紫外LED光源光学系统，为了实现曝光面的均匀辐照，该紫外LED光源光学系统可采用3种不同的方式：

3)紫外LED光源排布在具有一定曲率半径的弧面上，没有透镜阵列，直接形成照明，实现该紫外LED光源工作距离处的曝光面的均匀辐照。

4.根据权利要求1或3所述的基于紫外LED光源的光刻机，其特征在于，所述紫外LED光源采用紫外LED阵列，实现高强度均匀辐照曝光，光强不均匀度在光刻面积内小于3％。