中國科大在無(wú)掩膜深紫外Micro LED光刻技術(shù)研究取得新進(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(kāi)發(fā)了一種具有光能量自監測、自校準、自適應能力的三維垂直集成深紫外發(fā)光器件陣列，并將它們成功應用于新型無(wú)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)陣列作為光源應用于無(wú)掩膜深紫外光刻技術(shù)。在被廣泛應用于集成電路芯片制造的步進(jìn)式光刻機技術(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)現高精度深紫外光刻提供了一種新的路徑和方法。這項研究成果以“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 》。

　　光刻技術(shù)在集成電路芯片制造過(guò)程中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，是現代半導體、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(guò)程中，光刻工藝的費用占總加工成本的約30%，耗費時(shí)間約45%。傳統光刻技術(shù)包括光學(xué)光刻、極紫外光刻和X射線(xiàn)光刻等，均需依賴(lài)掩模板來(lái)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復現在半導體晶圓上，最終實(shí)現芯片微納結構的加工與制造。然而，這類(lèi)技術(shù)不可避免地增加了芯片制造的復雜性和成本，且由于傳統光刻機高昂的成本和復雜的系統構造，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。

　　20世紀90年代起，低成本、高分辨率無(wú)掩膜光刻技術(shù)便成為了光刻技術(shù)研究的前沿熱點(diǎn)之一，但已開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)專(zhuān)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團隊創(chuàng )新性地提出并實(shí)現了一種基于深紫外micro-LED陣列作為光源的無(wú)掩膜深紫外光刻系統。該團隊通過(guò)多年在紫外micro-LED的研究和積累，針對深紫外micro-LED的外延結構[Optics Letters 47: 4187, 2022]、器件尺寸[Optics Letters, 46: 3271, 2021]、側壁形貌[Optics Letters, 46: 4809, 2021]以及幾何形狀[IEEE Electron Device Letters 44:1520, 2024]進(jìn)行了系統性設計和優(yōu)化，大幅提升了每顆microLED的發(fā)光效率、發(fā)光功率、調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，并成功構建了基于深紫外micro-LED的陣列系統[Journal of Semiconductors 43:062801, 2022; IEEE Electron Device Letters 44: 472, 2023]。更進(jìn)一步，通過(guò)構建集發(fā)光與探測于一體的片上光電集成芯片，實(shí)現了片上和片間光通信系統應用[Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; Advanced Optical Materials, 2400499, 2024]。

　　在本次研究中，團隊利用深紫外micro-LED具備的超小尺寸、超高亮度、長(cháng)壽命及低功耗等優(yōu)勢，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了集自監測、自校準、自適應功能于一體的深紫外顯示光電集成芯片，并應用于無(wú)掩膜深紫外光刻系統，實(shí)現了國際上利用該新型紫外光源進(jìn)行無(wú)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上，團隊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，如圖1(a)-(b)所示。在該三維垂直集成架構中，深紫外micro-LED陣列向下發(fā)射的紫外光子可以穿透過(guò)透明的藍寶石襯底并被襯底背面的紫外探測器捕獲，以實(shí)現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(guò)搭建外部電路反饋系統，如圖1(c)，團隊展示了深紫外micro-LED陣列光輸出能量密度的自發(fā)穩定和自動(dòng)校準。最終，該系統不僅可以監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)現緊湊、便攜式和低成本無(wú)掩膜深紫外光刻技術(shù)打下扎實(shí)的光源基礎。

　　圖1.(a)深紫外micro-LED與光電探測器(PD)三維垂直集成芯片架構。(b)深紫外LED外延層與薄膜光電探測器截面的掃描電子顯微鏡圖像。(c)基于雙面垂直集成器件搭建的具有自校準、自監測功能的穩定發(fā)光系統示意圖

　　如圖2(a)所示，基于所搭建的電路反饋系統，可以明顯的觀(guān)察到未加入系統反饋的深紫外micro-LED陣列的發(fā)光強度隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸降低;反觀(guān)加入具有自監測和自校準反饋功能的器件仍然保持較高的發(fā)光強度，可以實(shí)現長(cháng)期穩定運行。同時(shí)，基于該反饋系統展示了一個(gè)具有564 PPI高像素密度的集成深紫外micro-LED陣列，利用該集成陣列持續穩定的顯示字母“U”，并對旋涂有SPR955光刻膠的硅片進(jìn)行深紫外無(wú)掩膜光刻工藝進(jìn)行曝光，顯影后成功地在硅片上顯示出清晰的“U”型圖案，如圖2(b)-2(d)所示。該研究充分展示了傳統microLED技術(shù)不僅在高清晰顯示領(lǐng)域有著(zhù)巨大的應用基礎，同時(shí)在高分辨、高精度光刻技術(shù)領(lǐng)域也具備重要的應用潛力。

　　圖2.(a)無(wú)反饋信號與加入反饋信號的深紫外micro-LED陣列隨時(shí)間變化的發(fā)光照片。(b)制備的micro-LED陣列的傾斜掃描電子顯微圖像。(c)顯示“U”的深紫外micro-LED陣列光學(xué)圖像。(d)經(jīng)過(guò)顯影后，硅襯底上光刻膠(SPR955)的光學(xué)圖像。

　　綜上，該研究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，實(shí)現了寬禁帶半導體鋁鎵氮(AlGaN)基發(fā)光陣列與光電探測器通過(guò)透明藍寶石襯底進(jìn)行了垂直光電集成，并展示了一種在單個(gè)芯片上實(shí)現垂直光子互聯(lián)的可能性。通過(guò)此集成系統，不僅突破了傳統單片光電集成系統大部分只能通過(guò)水平方向或者在襯底(硅、藍寶石等)的同一晶面上進(jìn)行光互聯(lián)和器件集成的局限性，更借助此輸出功率恒定的新型發(fā)光器件陣列架構，展示了其在無(wú)掩模光刻技術(shù)方面的應用潛力，并為未來(lái)發(fā)展高集成度、功能多元的三維光電集成系統奠定了基礎。

　　下一步，團隊將著(zhù)力攻關(guān)如何進(jìn)一步縮小單顆micro-LED和探測器的器件尺寸和幾何形貌，提升單位面積內器件陣列的密度和集成度，并優(yōu)化器件的單顆性能和在大晶圓上的性能均一性，為下一步實(shí)現更高精度的無(wú)掩膜紫外光刻技術(shù)打下基礎。同時(shí)，團隊所提出的巧妙利用透明藍寶石襯底構建發(fā)光和探測一體化三維垂直集成芯片架構，也為研制高集成度光子芯片提供了一條新的路徑和解決方案，使其能廣泛的適用于包含三維集成光電系統、無(wú)掩膜光刻在內的各種光電集成系統等應用場(chǎng)景。

　　此項研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中國科大雙一流建設經(jīng)費、中央高?；究蒲谢鸬葘?zhuān)項經(jīng)費的資助，也得到中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心和安徽省格恩半導體公司的支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授為論文通訊作者，博士后余華斌和碩士研究生姚繼凱為論文的共同第一作者，武漢大學(xué)劉勝院士為本項目的順利展開(kāi)提供了方向性和應用指導。

　　Laser & Photonics Reviews2401220，2024 論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401220

　　Laser & Photonics Reviews, 18: 2300789, 2024; 論文鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300789