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Was wir bisher dazugelernt haben

Etendue Matching und Leistungsgrenzen

Etendue
Anpassung der LED-Ausgangsstrahlung an ein optisches System (Etendue Matching)

Die derzeitigen Illuminatoren in UV-Lithografiesystemen basieren entweder auf Quecksilberdampflampen, Leuchtdioden (LED) oder auf Lasertechnologie. Excimer-Laser sind die einzige verfügbare Lichtquelle für die Lithografie im tiefen UV (DUV, CWL bei 193 und 248 nm). Gleichzeitig sind konventionelle Quecksilberdampflampen und Hochleistungs-LEDs in Belichtungssystemen für den nahen UV-Bereich (NUV, Spektralbereich zwischen 350 und 450 nm) allgegenwärtig.

Eine grundlegende Eigenschaft jeder Lichtquelle ist die Etendue, das Produkt aus der emittierenden Fläche (A) und dem räumlichen Abstrahlwinkel (Ω). Die Helligkeit (Strahldichte L) einer Lichtquelle kann berechnet werden, indem ihre Strahlungsleistung (Φ) durch die Etendue dividiert wird.

L = \frac{Φ}{A Ω}\quad[\frac{W}{m^2 sr}]
Wenn die Intensität auf der Belichtungsebene erhöht werden soll (z. B. um den Durchsatz in einem Lithografiesystem zu verbessern), besteht die einzige Möglichkeit darin, eine Lichtquelle mit höherer Helligkeit zu verwenden. Dies kann durch eine Steigerung der Ausgangsleistung oder durch eine Verringerung der Etendue (Verringerung der Größe und der Apertur der Quelle) erreicht werden. Da herkömmliche Quecksilberdampflampen und LEDs ausgedehnte Lichtquellen sind, geht eine höhere Ausgangsleistung in der Regel mit einer Vergrößerung der Lichtquelle einher. Eine Verdoppelung der Ausgangsleistung erfordert eine etwa doppelt so große Lichtquelle. Die effektive Helligkeit der Lichtquelle bleibt dabei annähernd konstant, ebenso wie die Intensität auf der Belichtungsebene. Der Durchsatz (Wafer pro Stunde) verbessert sich im Allgemeinen nicht mit größeren Lampen oder LEDs, da die gesteigerte Leistungsabgabe nicht auf den Wafer überführt werden kann. Eine Verringerung der Etendue bei gleichbleibender Ausgangsleistung ist ebenfalls schwer zu erreichen: Die nutzbare Strahlung einer Lichtquelle wird unweigerlich abnehmen, wenn Größe und Apertur reduziert werden.
Es ist von entscheidender Bedeutung zu verstehen, dass ein optisches System im besten Fall die Etendue erhält (in einem realen optischen System wird sie immer etwas schlechter). Um die Belichtungsintensität auf Waferebene zu erhöhen, kann die Etendue einer gegebenen Quelle nicht mit optischen Mitteln verringert werden. Zur Erzielung maximaler Effizienz in der gesamten Lithografieanlage muss die Emission einer herkömmlichen Quecksilberentladungslampe oder eines Hochleistungs-LED-Belichtungssystems mit der Etendue der Belichtungsoptik der Anlage übereinstimmen. Die folgende einfache Gleichung hilft Ihnen bei der Auswahl der richtigen Lichtquelle für Ihre Lithografieanwendung:

A_{emitter} NA^2 = A_{receiver}NA’^2;\\[6pt] NA=sin(θ);\quad NA’=sin(θ’)

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