一种光刻装置及其应用的制作方法

1.本发明实施例涉及半导体制造技术，尤其涉及一种光刻装置及其应用。


背景技术：

2.电镀是ic电路后封装非常重要的工艺之一，其利用硅片的边缘做阳极，硅片中间的电镀窗口做阴极，然后在阴阳两极之间加一定的直流工作电压，通过控制电流大小及电镀槽中电镀液的浓度来控制金属凸块的高度。
3.由于光刻胶不导电，因此在电镀工艺之前需将硅片边缘的光刻胶去掉，去边宽度大小取决于前道硅片边缘曝光(wafer edge exclusion，wee)工艺的去边宽度。传统的硅片去边主要包括化学去边法和边缘曝光法。化学去边法是在硅片涂胶过程中，通过向硅片边缘喷洒溶剂以消除硅片边缘光刻胶，该方法的缺点是去边时间长、溶剂耗材成本高且溶剂易喷洒到硅片中间图形区域，严重影响图形质量。边缘曝光法是将硅片通过真空吸附在旋转平台上，在硅片边缘上方固定一套紫外曝光镜头以产生一定大小尺寸的均匀照明光斑，然后利用旋转台的旋转来实现硅片边缘曝光。相比化学去边法，边缘曝光法具有生产效率高、装置成本低和过程易于控制等优点。
4.现有的光刻装置进行光源曝光时，一般采用汞灯作为曝光光源，汞灯存在开关时间长、耗能大且污染环境、寿命短、备件成本高等问题，无法满足节能环保、高产率等需求。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种光刻装置及其应用，光刻装置采用led光源，该led光源可以实现在9.4mm
×
9.4mm的受光面内，平均能量达到14w/cm2以上，且数值孔径na《0.22，具有高照度、长寿命、节能环保等优点，可以有效提高边缘曝光精度和产率。
6.第一方面，本发明实施例提供一种光刻装置，包括led光源，所述led光源包括多个led芯片和与所述led芯片一一对应的透镜，每个所述led芯片与对应的所述透镜共光轴；
7.多个所述led芯片包括中央led芯片、第一类led芯片和第二类led芯片，所述第一类led芯片的中心位于以所述中央led芯片的中心为圆心的第一圆周上，所述第二类led芯片的中心位于以所述中央led芯片的中心为圆心的第二圆周上，且所述第一圆周的半径小于所述第二圆周的半径。
8.可选的，所述第一类led芯片的出光平面和所述第二类led芯片的出光平面均与所述中央led芯片的出光平面呈第一夹角，且所述第一类led芯片和所述第二类led芯片以所述中央led芯片为中心向靠近所述透镜一侧倾斜。
9.可选的，所述透镜包括中央透镜和边缘透镜；
10.所述中央透镜与所述中央led芯片共光轴；
11.所述边缘透镜包括第一边缘透镜和第二边缘透镜，第一边缘透镜与所述第一类led芯片一一对应共光轴，所述第二边缘透镜与所述第二类led芯片一一对应共光轴。
12.可选的，所述第一类led芯片包括三个led芯片，所述第二类led芯片包括三个led
芯片。
13.可选的，所述透镜包括一个中央透镜和围绕所述中央透镜设置的六个所述边缘透镜；
14.所述中央透镜在第一平面的投影为六边形，所述边缘透镜围绕所述中央透镜紧密排列；
15.所述第一平面为垂直于所述中央透镜的光轴的平面。
16.可选的，所述第一夹角大于或等于5
°
，小于或等于15
°
。
17.可选的，所述第一夹角为10
°
。
18.可选的，还包括散热模块，所述散热模块设置于所述led芯片背离所述透镜的一侧，并与所述led芯片接触；
19.所述散热模块包括进液口、出液口以及连接所述进液口和所述出液口且回旋设置的冷却液流通管路。
20.可选的，还包括控制器、光源驱动器和电子快门，所述光源驱动器和所述led芯片电连接，所述光源驱动器和所述电子快门均与所述控制器电连接；
21.所述光源驱动器用于在所述控制器的控制下驱动所述led芯片发光；
22.所述电子快门位于所述透镜背离所述led芯片的一侧，所述电子快门用于在所述控制器的控制下，在所述led芯片发光稳定后打开，以使所述led光源输出稳定光线。
23.可选的，所述led芯片的功率为20w，出射光线的发散角为6
°
。
24.第二方面，本发明实施例还提供一种基于上述任一所述的光刻装置的应用，所述光刻装置用于对基板进行边缘曝光。
25.本发明实施例提供的光刻装置，包括led光源，led光源包括多个led芯片和与led芯片一一对应的透镜，每个led芯片与对应的透镜共光轴；多个led芯片包括中央led芯片、第一类led芯片和第二类led芯片，第一类led芯片的中心位于以中央led芯片的中心为圆心的第一圆周上，第二类led芯片的中心位于以中央led芯片的中心为圆心的第二圆周上，且第一圆周的半径小于第二圆周的半径。通过设置多个led芯片，每个led芯片利用对应的透镜单独聚焦，提高受光面的光强度；通过设置中央led芯片和外围的第一类led芯片和第二类led芯片，将外围芯片交替错位排列，且倾斜向中央led芯片，以实现能量更趋近于中心，从而实现在9.4mm
×
9.4mm的受光面内，平均能量达到14w/cm2以上，且数值孔径na《0.22，具有高照度、长寿命、节能环保等优点，可以有效提高边缘曝光精度和产率。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的俯视结构示意图；
28.图3是本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源中透镜的俯视结构示意图；
29.图4是本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的局部结构示意图；
30.图5是第一类led芯片和第二类led芯片的光路模拟示意图；
31.图6是第一类led芯片的光斑示意图；
32.图7是第二类led芯片的光斑示意图；
33.图8是中央led芯片的光斑示意图；
34.图9是中央led芯片的光路模拟示意图；
35.图10是本发明实施例提供的另一种光刻装置的led光源的结构示意图；
36.图11是图10的俯视示意图；
37.图12是本发明实施例提供的又一种光刻装置的led光源的结构示意图；
38.图13是本发明实施例提供的电子快门的结构示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
40.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.目前边缘曝光一般采用汞灯作为光源，led光源技术应用在光刻领域的案例很少，特别是应用在边缘曝光行业，基本上没有高照度的led光源可用，主要是因为led技术存在瓶颈，在满足小na的条件下，大幅度提高光源照度，难度非常高。本发明实施例提供一种适用于边缘曝光的光刻装置，采用高照度led光源，具有很高的工程应用价值。
42.图1所示为本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的结构示意图，图2所示为本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的俯视结构示意图，参考图1和图2，本实施例提供光刻装置的led光源包括多个led芯片10和与led芯片10一一对应的透镜20，每个led芯片10与对应的透镜20共光轴；多个led芯片10包括中央led芯片11、第一类led芯片12和第二类led芯片13，第一类led芯片12的中心位于以中央led芯片11的中心o为圆心的第一圆周a上，第二类led芯片13的中心位于以中央led芯片11的中心o为圆心的第二圆周b上，且第一圆周a的半径小于第二圆周b的半径。
43.可以理解的是，对于超大功率的uvled点光源的设计，由于需要在小范围内达到14w/cm2以上的照射强度，首先需要考虑的就是选用大功率led芯片、及良好的散热结构，以及如何将led能量以低角度方式汇聚到小范围内。经过比对筛选，led芯片有2种选择：a芯片：电功率为6w，辐射角为120度，尺寸3.5mm
×
3.5mm。b芯片：电功率为20w，辐射角为120度，尺寸7mm
×
7mm。
44.常规思路是用阵列led，用小透镜将发散角为120度的led芯片单独聚焦，例如将32颗a芯片紧密摆列，发散角控制到60度以内，可以得到一个发光面，总电功率为192w，然后再用镜组聚焦将发光面缩小到9.4mm
×
9.4mm的受光面内。虽然使用单一的镜头聚焦，可以得到一个出光面照度19w/cm2、的圆形光斑，但达不到na小于0.22的要求。对于多点发光的汇聚，难度极大，聚焦效果极难达到。从模型上分析，发光面内光线比较杂乱，即
使采用镜组，也需要将发光面光线处理成类平行光，然后通过聚焦再平行的方式得到小矩形光斑，此设计繁琐且具有不确定性。
45.另一种思路是将大功率芯片单独聚焦，然后汇聚到同一点上。b芯片虽然是单一发光源，但芯片的发光素子为3mm
×
3mm的矩形，做到完全聚焦或者处理成平行光也存在较大难度。设计上采用双透镜聚焦，此时发散角为6度的矩形光斑，在20mm的焦面上可以汇聚成8mm
×
8mm矩形光斑，能量分布为中心能量高，边缘能量低。
46.因此，为了满足高照度的要求，本发明实施例采用多芯片聚焦的方式，其中，中央led芯片11、第一类led芯片12和第二类led芯片13可以选用同种led芯片，为了满足本发明实施例的要求，可选的，led芯片的功率为20w，出射光线的发散角为6
°
，即采用上述中的b芯片。参考图2，可选的，第一类led芯片12包括三个led芯片，第二类led芯片13包括三个led芯片，其中第一类led芯片12的中心位于近中心圈a上，第二类led芯片13的中心位于远中心圈b上，并设置第一类led芯片12和第二类led芯片13均朝向受光面倾斜，以使更多的光线照射到受光面上。
47.本实施例的技术方案，通过设置多个led芯片，每个led芯片利用对应的透镜单独聚焦，提高受光面的光强度；通过设置中央led芯片和外围的第一类led芯片和第二类led芯片，将外围芯片交替错位排列，且倾斜向中央led芯片，以实现能量更趋近于中心，从而实现在9.4mm
×
9.4mm的受光面内，平均能量达到14w/cm2以上，且数值孔径na《0.22，具有高照度、长寿命、节能环保等优点，可以有效提高边缘曝光精度和产率。此外，本实施例提供的led光源可以与现有镜组有效对接，减少现有产品的结构变化，减少光路能量损失；可以根据需求设置led芯片的发光波段，覆盖g(453.84nm)、h(404.66nm)、i(365.01nm)等波段，满足后道光刻胶的曝光。
48.在上述技术方案的基础上，可选的，继续参考图1，第一类led芯片12的出光平面(图1中第一类led芯片12的下表面为出光面，下同)和第二类led芯片13的出光平面均与中央led芯片11的出光平面呈第一夹角α，且第一类led芯片12和第二类led芯片13以中央led芯片11为中心向靠近透镜20一侧倾斜，这样有利于光线汇聚。
49.可选的，透镜包括中央透镜和边缘透镜；中央透镜与中央led芯片共光轴；边缘透镜包括第一边缘透镜和第二边缘透镜，第一边缘透镜与第一类led芯片一一对应共光轴，第二边缘透镜与第二类led芯片一一对应共光轴。
50.可选的，透镜包括一个中央透镜和围绕中央透镜设置的六个边缘透镜；中央透镜在第一平面的投影为六边形，边缘透镜围绕中央透镜紧密排列；第一平面为垂直于中央透镜的光轴的平面。
51.示例性的，图3所示为本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源中透镜的俯视结构示意图，参考图3，透镜20包括一个中央透镜21和围绕中央透镜设置的六个边缘透镜22；其中边缘透镜包括第一边缘透镜和第二边缘透镜，第一边缘透镜与第一类led芯片一一对应，第二边缘透镜与第二类led芯片一一对应。中央透镜21的轮廓为六边形，边缘透镜22围绕中央透镜21紧密排列。
52.可以理解的是，在本实施例中，基于能量最大设计条件，芯片之间摆放的距离需很近，但是受空间狭小限制，镜组设计难度较大。从单芯片模型上，透镜是直径为10mm的双凸透镜，针对本发明实施例中芯片设计尺寸，直径25mm的范围内放不下7颗的镜片，因
此需要将透镜减小，减小透镜将会对能量汇聚有一定影响。为了解决该问题，以透镜中心与芯片中轴线共线为基准，将中心透镜设计成有锥度的六边形，将周围透镜设计成三面切削有锥度的半圆，然后将透镜组合成镜组，则可以解决安装空间狭小的问题，如图3所示。
53.可选的，第一夹角大于或等于5
°
，小于或等于15
°
。可选的，第一夹角为10
°
。
54.在设计led光源时，需要将芯片以一定角度摆列安装才能聚焦能量。主要考虑以下几个因素：
55.1.从理论上分析，角度越大，则聚焦焦面约小，能量越强；反之焦面越大，能量越弱，因此角度越大越好。
56.2.但是受光面为9.4mm
×
9.4mm，且na小于0.22，则要求芯片中心偏移角度比较小(须小于12度)；若大于12度，则较多能量无法进入受光面内。
57.3.单芯片光斑模型，有6度的发散角，单边3度，所以倾斜角度需要比12度更小。
58.综合以上3个因素，将芯片斜射角度定义为10度进行模拟，图4所示为本发明实施例提供的一种光刻装置的led光源的局部结构示意图，参考图4，左边的芯片为第一类led芯片12，在近中心圈上，中间的芯片为中央led芯片11，右边的芯片为第二类led芯片13，在远中心圈上。
59.图5所示为第一类led芯片和第二类led芯片的光路模拟示意图。图5中，l1、l2分别对应图4中间距，l1＝8.28mm，l2＝9.46mm，h为焦距。h越小，则光斑无法完全投射到受光区域，h越大，光斑能量损失越大，达不到能量要求。通过三维模拟，当h＝23mm时，光斑大部分能投射到受光区域，图中受光面尺寸为9.4mm
×
9.4mm矩形框，对角线的尺寸为13.3mm。
60.图6所示为第一类led芯片的光斑示意图，参考图6，在h＝23mm时，芯片中心能量全部进入受光区域，边缘能量约10％～20％未进入。图7所示为第二类led芯片的光斑示意图，参考图7，在h＝23mm时，芯片中心能量全部进入受光区域，边缘能量约25％～35％未进入。图8为中央led芯片的光斑示意图，参考图8，能量全部进入受光面。图9所示为中央led芯片的光路模拟示意图，参考图9，根据设计模型分析，当h大于23mm时，会有更大比例的光进入到受光面。但是能量随h的增大，衰减严重。当h小于23mm时，会有更大比例的光离开受光面，导致能量降低。因此，综合能量最高点，确定h＝23mm左右微调。考虑到透镜外壳结构，从外壳到受光面的距离定义为焦距h*，当h*＝21mm附近时，能够得到最大能量。
61.图10所示为本发明实施例提供的另一种光刻装置的led光源的结构示意图，图11所示为图10的俯视示意图，参考图10，可选的，本实施例提供的光刻装置的led光源还包括散热模块30，散热模块30设置于led芯片10背离透镜20的一侧，并与led芯片10接触；参考图11，散热模块包括进液口31、出液口32以及连接进液口31和出液口32且回旋设置的冷却液流通管路33。
62.可以理解的是，led芯片的能量与温度有关，温度越高，能量越低，因此散热也是必须要考虑的影响因素。依靠工件自身散热或者风扇辅助散热，达不到热量传递的效果，则需考虑冷却液循环系统散热。其中，冷却液可以是水，需要说明的是，图11中所示的冷却液流通管路33的形状仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定。
63.水循环系统结构设计如下：将芯片基板直接固定在水循环水道上，芯片距离水流液体越近，散热效率越好，结构如图10所示。通过迂回设计，将水循环布满整个表面，从产品中心进水，从外缘出水。整个芯片发热源位于散热框架内部，散热框架以导热优良的紫铜材
质设计，达到最佳冷却效果。而水循环设备自提供循环水源，由光源控制器供电，为led光源持续降温。
64.图12所示为本发明实施例提供的又一种光刻装置的led光源的结构示意图。参考图12，可选的，本实施例提供的光刻装置的led光源还包括控制器40、光源驱动器50和电子快门60，光源驱动器50和led芯片10电连接，光源驱动器50和电子快门60均与控制器40电连接；光源驱动器50用于在控制器40的控制下驱动led芯片10发光；电子快门60位于透镜20背离led芯片10的一侧，电子快门60用于在控制器40的控制下，在led芯片10发光稳定后打开，以使led光源输出稳定光线。
65.本实施例中，led芯片的额定功率为20w，最大电流为6a，需要驱动这个7芯片光源，则需要提供24v、6a的供电能力的光源驱动器，需要使用专用uv led控制器来驱动led光源。
66.由于启动电流比较大，瞬间控制led灯将会达到较大电流，理论上会存在不确定性的延时，对实际应用将会产生影响。而实际应用需要满足不大于30ms的启动延时，且延时必须绝对稳定，从控制器内部精确控制延时问题将会难度很大。因此采用类似于相机曝光的快门控制策略，理论上只需将led光源提前打开，待稳定出光后再打开电子快门，则可以达到瞬时控制出光的目的。
67.基于led灯尺寸及外部支撑件设计的快门，若要将快门完整契合到光源系统中，则需电子快门的结构很薄，且有可方便更换的接插头。图13所示为本发明实施例提供的电子快门的结构示意图，参考图13，中心通光空尺寸设计为快门控制部件厚度8.2mm。经过反复测试，快门机构响应速度为21
±
1ms，可以满足30ms内的响应要求。
68.led光源为了实现精确控制信号，其控制器的信号设置如表1所示：
69.表1
70.管脚input端子定义1trg同时启动2emg紧急停止3trg5阶梯模式,照射4trg1ch1 uv启动5trg2ch2 uv启动6trg3ch3 uv启动7trg4ch4 uv启动8gnd电源p1 dc36v-9vcc电源p1 dc36v output端子定义10uv on4ch4点灯中11uv on3ch3点灯中12uv on2ch2点灯中13uv on1ch1点灯中14error4ch4异常报警15error3ch3异常报警16error2ch2异常报警
17error1ch1异常报警18uv on控制器点灯中19ready控制器准备好20shutter on快门启动打开21shutter state快门处于打开状态
71.为了测试led光源的均匀性和实际照度数据，将led光源与汇聚成像镜组对接，采用ccd测试仪在最佳焦面测试，其中x向在最佳焦面的半影宽度为110μm，光斑大小为5106μm，均匀性为0.025；x向在负向离焦0.1mm的半影宽度为107.8μm，光斑大小为5011.6μm，均匀性为0.025；x向在正向离焦0.1mm的半影宽度为138.6μm，光斑大小为5016μm，均匀性为0.025；y向在最佳焦面的半影宽度为138.6μm，光斑大小为5007.2μm，均匀性为0.025；y向在负向离焦0.1mm的半影宽度为132μm，光斑大小为5002.8μm，均匀性为0.025；y向在正向离焦0.1mm的半影宽度为184.8μm，光斑大小为5016μm，均匀性为0.025。同时采用oai照度计在最佳焦面测试实际照度值，可以达到14.56w/cm2。从均匀性相关数据和实测照度可以看出，设计的led光源满足要求，达到预期效果。
72.本发明实施例还提供一种基于上述实施例提供的任意一种光刻装置的应用，该光刻装置用于对基板进行边缘曝光。其中基板可以为硅片，可以曝光的硅片包括标准硅片或工艺片。工艺片包括cv片(cavity，玻璃片)、le片(lithography-etch，没有划线槽的键合片)、ll片(lithography-lead，刻上划线槽的键合片)、smf片(soldmask formation，工艺之间涂上绝缘胶的键合片)、键合片、超薄片、大翘曲硅片等，各种工艺硅片差异较大。比如tsv(through-silicon-via，键合工艺片)分为几层工艺：
73.1、cv层：对玻璃片进行涂绿漆，曝出划线槽；
74.2、pe层：在标准硅片上涂层，曝出划线槽；
75.3、le1层：将cv工艺产物与pe工艺产物进行键合，硅片已完成研磨，厚度减薄，厚度减薄后会造成硅片边缘破损，涂胶有疑似缺口；
76.4、le2层：在划线槽中间曝斜坡；
77.5、ll层：将集成电路曝光到硅片上；
78.6、ll2层：ll层曝光不充分，划线槽中间有残胶；
79.7、smf层：涂绝缘胶，在布线之间用绝缘胶隔开。还可以为蓝宝石、玻璃板等。
80.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。