全世界都在渴望獲取更多的微芯，并期望它們更小、更快、更便宜。1965 年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大膽預(yù)測：一個芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個月就會翻一倍。此后，業(yè)界為爭取每平方納米，付出了幾十億美元的巨大努力。一個現(xiàn)代智能手機(jī) CPU 中的晶體管和流感病毒的大小接近，相信很快會和病毒一樣大小。甚至于再過多久，病毒會見到晶體管會打趣地想：“這些面包屑是哪來的？” 可實際上晶體管究竟可以再小到什么程度？極具創(chuàng)新的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如是給出的答案是肯定的：非常非常小。因此，我們需要更多的激光！
根據(jù)阿貝分辨率限制，光源不能使小于其波長的結(jié)構(gòu)成像。同時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個規(guī)則可以被擴(kuò)展。當(dāng)前的光刻系統(tǒng)以波長為 193 納米的光工作，雖然他們使用了一些巧妙的技術(shù)來實現(xiàn)小至 22 納米的膠片尺寸，但不得不承認(rèn)，目前我們使用的光源已經(jīng)達(dá)到極限。為了在芯片的最底層創(chuàng)造最小的膠片，半導(dǎo)體行業(yè)中的主要成員創(chuàng)立了 EUV 光刻技術(shù)項目。該項目已被啟動并且已經(jīng)運(yùn)行超過 15 年的時間。他們的目標(biāo)是開發(fā)一個波長為 13.5 納米的極紫外光源。
激光脈沖撞擊并電離真空室中的微小錫液滴，這會產(chǎn)生發(fā)射所需波長極紫外光的等離子體。然而要做到這一點(diǎn)，激光必須達(dá)到每秒 50000 次撞擊的速率。通快公司的激光放大器提供的CO2 激光脈沖能實現(xiàn)這種高科技沖擊。自 2012 年春季以來，通快公司已經(jīng)向光刻系統(tǒng)制造商運(yùn)送了多個第二代激光系統(tǒng)，其中展現(xiàn)了通快集團(tuán)在高性能 CO2 激光器的領(lǐng)域 30 多年歷程中所獲得的每一個突破。極紫外光刻技術(shù)目前正進(jìn)入生產(chǎn)階段，開發(fā)者已經(jīng)將該技術(shù)用于制作 13.8 納米的片——尺寸只有病毒一半大小，現(xiàn)在可以達(dá)到相當(dāng)于一個 DNA 鏈直徑大小的尺寸范圍。此前，曾有業(yè)內(nèi)客戶對于將通快的 CO2 激光器當(dāng)作一個強(qiáng)大的機(jī)器而敬佩不已，而現(xiàn)在，它已然成為了半導(dǎo)體制造業(yè)的未來趨勢的風(fēng)向標(biāo)。
更小工具
激光極紫外光刻技術(shù)燃起了摩爾定律在未來幾十年將繼續(xù)適用的希望。縮小晶體管，并且縮小上部結(jié)構(gòu)，從而降低了芯片的尺寸。導(dǎo)體層之間已經(jīng)非常接近，制造商必須在它們之間填入低 k 介質(zhì)材料的絕緣層。然而，一旦涉及到切割（將晶圓鋸切成單個芯片），這種低 k 介質(zhì)材料就成為了禍端。低 k 介質(zhì)材料容易引發(fā)各種鋸切問題，有時會因為脆性而破碎，有時會粘住鋸片。在低 k 介質(zhì)溝槽連接中，開始鋸切之前，激光用于消除只有幾微米厚的低 k 介質(zhì)層。
激光如何促進(jìn)微型半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展？
摩爾定律指出，集成電路上的晶體管數(shù)量每18個月會增加一倍。這就是為什么您能把自 1960 年以來的約 2,100 個大型電腦裝在褲兜里的原因！但即便如此，留給鋸切的空間比以前更為緊張。過去，小晶片被鋸成一把相對較大的芯片。如今，鋸子只要將更大的晶圓鋸成越來越多的不斷縮小的芯片。在過去各個位置的幾平方毫米從來沒有多大關(guān)系——但現(xiàn)在有關(guān)系了。一個現(xiàn)代的 LED 芯片比鋸切痕寬了近 10 倍。而即使使用最薄的鋸片，切痕仍然達(dá)200微米。機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致微裂縫溝槽的任一側(cè)上部區(qū)域的情況更加復(fù)雜。相比之下，TruMicro 皮秒激光可以輕松實現(xiàn)僅 40 微米的溝槽寬度，而不產(chǎn)生任何損傷。這立即使其能夠匹配的芯片數(shù)量增加 50% —— 同時就意味著增加 50％ 的利潤。
當(dāng)然，鋸切也會產(chǎn)生粉塵。在微芯的尺度內(nèi)，這些灰塵顆粒像巨石一樣在晶片上破碎。所以，在晶片上涂上保護(hù)涂層可以確保精微的膠片不被損壞。然后，鋸片以每分鐘 10,000 轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動并通過半金屬，同時噴射水冷卻工件。鋸切后，必須去除保護(hù)涂層。該工序需要金剛石涂層的陶瓷鋸片（磨損很快），同時也需要有替換品，這樣就進(jìn)一步增加了該工序的成本。紫外激光不需要保護(hù)涂層，不需要水冷卻，并且不需要持續(xù)消耗的工具。然而，與鋸切不同的是，晶圓厚度的持續(xù)減少實際上對激光器有利，因為在厚度小于 100 微米時，光切割的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋸切。
三十微米也沒問題
元件的不斷縮小也適用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)。過去，印刷電路板(PCB)制造商在毫米級的導(dǎo)電帶鉆數(shù)以千計的孔，但是現(xiàn)在，它們在半個平米范圍內(nèi)鉆數(shù)以百萬計的孔，每個孔的直徑為 100 微米，而深度可以精確到微米。印刷電路板(PCB)已不再是簡單的板。現(xiàn)在，折疊 12 層以上的柔性電路是智能手機(jī)的一項標(biāo)準(zhǔn)功能，而服務(wù)器已經(jīng)被折疊成多達(dá) 40 層。充滿電流的幾十萬個孔，使每個新層與其下層接觸。材料也在改變：高頻芯片的制造商正在轉(zhuǎn)向陶瓷芯片，而手機(jī)制造商則青睞柔性箔電路。
一般來講，行業(yè)中仍然采用機(jī)械鉆孔方法，但激光的優(yōu)點(diǎn)正嶄露頭角。鉆頭僅能鉆幾千個孔，這表示機(jī)器每 3 分鐘左右需要 1 個新的鉆頭。每個鉆頭的成本約 1 歐元，所以加工過程中所需的耗材是關(guān)鍵的成本因素之一。
從其技術(shù)的局限性角度來看，機(jī)械鉆孔也已經(jīng)走到了盡頭。孔的直徑不能小于 100 微米，并且每秒鉆 20 個以上的孔是完全不可能的。但市場需要更小、更快的結(jié)果 —— 那正是激光器可以實現(xiàn)的。CO2 激光器可以實現(xiàn)以每秒 100 個的速率鉆直徑僅為 75 微米的孔。一個紅外皮秒激光器鉆直徑僅 30 微米的孔也沒有問題，并且根據(jù)材料的不同，它可以在任意位置每秒多鉆 1,000 個的孔。
但激光最大的優(yōu)勢也許還是它的精度。為了確保每條帶上面和下面的完美匹配，鉆的孔不能偏離其目標(biāo)位置超過 10 微米。穿透深度同樣重要，因為即使電路中的一個不良接觸，就足以使得電路板成為廢品。因此，通快為 TruMicro 激光器開發(fā)了精確、可靠的控制技術(shù)。其獲得專利的雙反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)監(jiān)視每個單獨(dú)的皮秒脈沖，并保持輸出和脈沖能量在合理的水平，而不考慮任何外界因素的影響。它是通過使用一個外部調(diào)制器實現(xiàn)的，該調(diào)制器將增大脈沖從功率調(diào)節(jié)分離，從而確保系統(tǒng)始終提供精確的以及所需水平的功率和脈沖能量，而同時保持恒定的光束質(zhì)量和脈沖持續(xù)時間。
供稿：通快（中國）有限公司激光技術(shù)事業(yè)部
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