入选第三代半导体技术十大进展｜思坦科技开拓Micro-LED半导体先进制程新应用

近日，第十届国际第三代半导体论坛（IFWS）与第二十一届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA2024）在苏州盛大开幕。经过大会程序委员会严格投票和综合评议，思坦科技以其高功率密度、高能效比深紫外Micro-LED显示芯片，入选2024年度中国第三代半导体技术十大进展。

此项成果深紫外Micro-LED显示芯片，是由思坦科技参与联合攻关的重大创新成果——基于高功率 AlGaN 深紫外 Micro-LED 显示的无掩膜光刻技术研发制成，此项研究成果还在国际顶尖权威学术期刊 Nature Photonics上发表。

(Nature Photonics原文：

01 光刻机为什么这么重要？

光刻机是现代集成电路制造中的核心设备，可以把它想象成一个极其精密的“照相机”。它通过将电路图案缩小并投影到硅片上，从而在硅片上刻画出微小的电路结构，这些电路结构便是芯片功能的基础。

(图/光刻机)

由于光刻是确定芯片关键尺寸的过程，直接影响芯片的精度与性能，且现代集成电路的特征尺寸已经达到了纳米级，因此对光刻机的精度要求极高，任何微小的误差都可能导致芯片的失效。正因如此，光刻技术也被称为集成电路制造“心脏”，在整个芯片制造过程中，光刻工艺的费用占总加工成本的约30%，耗费时间约45%，且成本还在不断上升中。

其中，光刻掩膜版的成本上升速度最快。

02 掩膜版又是什么？

掩膜版，类似于照相机的“底片”，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，上面刻有精密的电路图案，通过曝光的方式转移到硅片上，就像摄影底片将图像投影到相纸上一样。

（图/掩膜版：图片来源于网络）

然而，在实际芯片制造过程中，曝光并不是一次就可以完成，需要经历多次曝光。而每一次曝光都要更换不同的掩膜版，掩膜与硅晶圆之间也都要再次进行对准操作，这让精准定位成为主要技术难点。

综合来看，掩模板制作复杂、周期长、费用昂贵，一旦完成无法修改。技术难度越高，成本自然是随之增加。

因此，为了实现更加灵活的光刻过程，业界开始研究：是否可用其他的东西取代物理掩膜？甚至更进一步，是否有可能不使用掩膜版进行加工呢？

于是，就有了无掩膜光刻技术。

03 什么是无掩膜光刻技术？

20世纪90年代起，低成本、高分辨率的无掩膜光刻技术成为了光刻技术研究的前沿热点之一。

目前，按照光刻束源的不同，无掩膜光刻技术主要分为两类，一类是基于带电粒子束的聚焦直写，包括直写式电子束光刻（EBL）、离子束光刻（IIBL）；另一类是基于光波的投影曝光，主要包括干涉光刻（IL）、激光直写（LDW）和基于空间光调制器（SLM）光刻技术等。

这些技术有各自的优势，但也都存在不足，集中表现为“无法批量生产”。一方面是因带电粒子直写光刻技术的生产效率较低，且在大规模生产中会产生较为严重的邻近效应，严重影响图形的分辨率及精度；另一方面，激光直写光刻技术受限于激光波长，在光刻精度上不如电子束、离子束等带电粒子直写光刻技术，还无法满足高端半导体器件制造的需求。

那么，还有其它可能吗？还有其他新技术吗？

近几年，Micro-LED 技术的迅猛发展让人们看到一种新的路径和方法。每颗 Micro-LED 具有高能量密度、高分辨率、高集成度、低能耗等特点，那么，是否可以用 Micro-LED 实现高精度深紫外光刻？

04 深紫外Micro-LED光源的长期联合攻关

事实上，深紫外LED光源虽已投入实际应用，但传统产品面临尺寸大、分辨率低、能耗及光效不佳、光功率不足等挑战。

为此，香港科技大学、南方科技大学、国家第三代半导体技术创新中心（苏州）及思坦科技等单位携手长期攻关。

研究发现，深紫外Micro-LED尺寸对分辨率和光功率至关重要，小型尺寸虽提升分辨率却常牺牲光功率。

团队如能解决此难题，也就推动了Micro-LED在新型显示及无掩模光刻领域的应用。

相关研究如下：

https://doi.org/10.1109/LED.2021.3130750

https://doi.org/10.1063/5.0123409

https://doi.org/10.1002/jsid.1107

05 我们实现了哪些关键性突破？

在本次Nature Photonics的最新研究中，团队通过先进工艺提升了深紫外Micro-LED的光萃取效率、热性能和应力释放，取得以下关键性突破：

● 高性能光源：开发了基于铝镓氮(AlGaN)的270nm波长深紫外Micro-LED，尺寸仅3×3μm²，外量子效率5.7%，光功率密度高达396W/cm²，满足高功率光刻需求。

● 高分辨率显示：实现了320×140分辨率、2540ppi像素密度的显示屏，利用CMOS驱动展示多种曝光图案，预示其在无掩膜光刻等领域的潜力。

● 屏幕性能优化：集成反射层与优化电流分布，增强了发光均匀性和光束整形，确保屏幕性能稳定。

● 快速曝光技术：构建了深紫外Micro-LED无掩膜光刻原型机，3秒内曝光1微米厚光刻胶，曝光时间可缩短至毫秒级，展示了其在半导体制造中的实际应用前景。

该研究成果在器件尺寸、驱动电压、外量子效率、光功率密度、阵列尺寸和显示分辨率上均领先全球，标志着深紫外Micro-LED技术的重大进步。

06 这些突破，有何意义？

目前，基于该无掩模光刻原型机平台开发了半导体制造方案，制备了首个深紫外 Micro-LED 无掩膜曝光的蓝光 Micro-LED 阵列器件(Micro-LED made by Micro-LED)，已经被验证成功应用于 Micro-LED 显示屏幕的制造中。

这一成功应用，将大幅降低半导体制造企业在光刻环节的成本，尤其对于大规模集成电路制造等对成本敏感的领域，具有显著的经济效益，极大地提升了企业的市场竞争力。同时。该技术利用其独特的LED像素阵列，能够实现并行曝光，即在同一时间内对多个像素点进行曝光，远超电子束直写的无掩膜曝光技术，大大提高了曝光效率，从而使生产周期大幅缩短，能够更快地满足市场对半导体产品的需求在效率上。

接下来，思坦团队将继续提升 AlGaN 深紫外 Micro-LED 的各项性能，并对原型机进行改进，开发2~8k高分辨率的深紫外 Micro-LED 显示产品。

我们也欢迎半导体上下游企业与我们联系，期待在不久的未来，在科研、医疗、特殊场景应用等领域内见证该项技术的产业化应用。

文章部分数据资料来源于公众号第三代半导体产业技术战略联盟和第三代半导体产业，作者IFWS；感谢数据支撑引用。

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/EaPaS6fagtiHwwERYot6vw

https://mp.weixin.qq.com/s/9tnJzmCVDbGzPOEwSVA7qQ