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cyqdesign 2024-09-30 22:15

中國科大在無掩膜深紫外光刻技術(shù)研究中取得新進(jìn)展

近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院特任教授孫海定iGaNLab課題組開發(fā)了一種具有光能量自監(jiān)測、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)能力的三維垂直集成深紫外發(fā)光器件陣列,并將它們成功應(yīng)用于新型無掩膜深紫外光刻技術(shù)中。該研究首次提出將深紫外微型發(fā)光二極管(micro-LED)陣列作為光源應(yīng)用于無掩膜深紫外光刻技術(shù)。在被廣泛應(yīng)用于集成電路芯片制造的步進(jìn)式光刻機(jī)技術(shù)之外,本技術(shù)提出利用每顆micro-LED具有高能量密度、高分辨率、高集成度、低能耗等特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)高精度深紫外光刻提供了一種新的路徑和方法。這項(xiàng)研究成果以“Vertically Integrated Self‐Monitoring AlGaN‐Based Deep Ultraviolet Micro‐LED Array with Photodetector Via a Transparent Sapphire Substrate Toward Stable and Compact Maskless Photolithography Application”為題,發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域重要期刊《Laser & Photonics Reviews》。 xk~IN%\  
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光刻技術(shù)在集成電路芯片制造過程中扮演著至關(guān)重要的角色,是現(xiàn)代半導(dǎo)體、微電子及信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。在芯片制造過程中,光刻工藝的費(fèi)用占總加工成本的約30%,耗費(fèi)時(shí)間約45%。傳統(tǒng)光刻技術(shù)包括光學(xué)光刻、極紫外光刻和X射線光刻等,均需依賴掩模板來控制光的傳播路徑,從而將圖案精確投射到感光材料上并精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)在半導(dǎo)體晶圓上,最終實(shí)現(xiàn)芯片微納結(jié)構(gòu)的加工與制造。然而,這類技術(shù)不可避免地增加了芯片制造的復(fù)雜性和成本,且由于傳統(tǒng)光刻機(jī)高昂的成本和復(fù)雜的系統(tǒng)構(gòu)造,我國在光刻相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域一直受制于國外的封鎖和技術(shù)壟斷。 w-B^ [<  
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20世紀(jì)90年代起,低成本、高分辨率無掩膜光刻技術(shù)便成為了光刻技術(shù)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一,但已開發(fā)的相關(guān)技術(shù)專利主要集中于歐美、日本和韓國等國家,技術(shù)壁壘較高。在此背景下,孫海定教授iGaN團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于深紫外micro-LED陣列作為光源的無掩膜深紫外光刻系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)通過多年在紫外micro-LED的研究和積累,針對深紫外micro-LED的外延結(jié)構(gòu)[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、側(cè)壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及幾何形狀[IEEE Electron Device Letters 44:1520, 2024]進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化,大幅提升了每顆microLED的發(fā)光效率、發(fā)光功率、調(diào)制帶寬以及它們在日盲紫外光探測、成像和傳感等方面的多功能性及優(yōu)越的芯片性能,并成功構(gòu)建了基于深紫外micro-LED的陣列系統(tǒng)[Journal of Semiconductors 43:062801, 2022;IEEE Electron Device Letters 44:472, 2023]。更進(jìn)一步,通過構(gòu)建集發(fā)光與探測于一體的片上光電集成芯片,實(shí)現(xiàn)了片上和片間光通信系統(tǒng)應(yīng)用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024;Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。 4] > ]-b  
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在本次研究中,團(tuán)隊(duì)利用深紫外micro-LED具備的超小尺寸、超高亮度、長壽命及低功耗等優(yōu)勢,進(jìn)一步開發(fā)了集自監(jiān)測、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)功能于一體的深紫外顯示光電集成芯片,并應(yīng)用于無掩膜深紫外光刻系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了國際上利用該新型紫外光源進(jìn)行無掩膜光刻技術(shù)的探索。在追求高效率、小尺寸深紫外micro-LED及其陣列的研究基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)提出了一種集深紫外micro-LED陣列發(fā)光與光電探測器與一體的三維垂直集成芯片架構(gòu),如圖1(a)-(b)所示。在該三維垂直集成架構(gòu)中,深紫外micro-LED陣列向下發(fā)射的紫外光子可以穿透過透明的藍(lán)寶石襯底并被襯底背面的紫外探測器捕獲,以實(shí)現(xiàn)LED和探測器之間的“光子互連與集成”,從而進(jìn)行高效的光信號傳輸。此外,通過搭建外部電路反饋系統(tǒng),如圖1(c),團(tuán)隊(duì)展示了深紫外micro-LED陣列光輸出能量密度的自發(fā)穩(wěn)定和自動(dòng)校準(zhǔn)。最終,該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測陣列器件光輸出能量密度隨時(shí)間的波動(dòng)變化,還可以不斷提供反饋信號以確保恒定的光輸出功率和光功率密度。這種高功率密度、高穩(wěn)定性、高集成度和低功耗微型紫外光源的提出,為最終實(shí)現(xiàn)緊湊、便攜式和低成本無掩膜深紫外光刻技術(shù)打下扎實(shí)的光源基礎(chǔ)。 U09.Y  
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