本文刊登于：《激光制造商情》2014年10月刊
越來越小，越來越快！幾十年來，小型化和更高的時鐘頻率成為半導體制造的主要趨勢，但機械方式卻在逐漸達到極限，所以嶄新的激光時代出現了。
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，英特爾聯合創始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對半導體產業大膽預測：一個芯片上的晶體管數量大約每 18 個月就會翻一倍。此后，業界為爭取每平方納米，付出了幾十億美元的巨大努力。一個現代智能手機 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？極具創新的半導體產業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！
根據阿貝分辨率限制，光源不能使小于其波長的結構成像。同時，科學家們發現，這個規則可以被擴展。當前的光刻系統以波長為 193 納米的光工作，雖然他們使用了一些巧妙的技術來實現小至 22 納米的膠片尺寸，但不得不承認，目前我們使用的光源已經達到極限。為了在芯片的最底層創造最小的膠片，半導體行業中的主要成員創立了 EUV 光刻技術項目。該項目已被啟動并且已經運行超過 15 年的時間。他們的目標是開發一個波長為 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，這會產生發射所需波長極紫外光的等離子體。然而要做到這一點，激光必須達到每秒 50000 次撞擊的速率。通快公司的激光放大器提供的CO2 激光脈沖能實現這種高科技沖擊。自 2012 年春季以來，通快公司已經向光刻系統制造商運送了多個第二代激光系統，其中展現了通快集團在高性能 CO2 激光器的領域 30 多年歷程中所獲得的每一個突破。極紫外光刻技術目前正進入生產階段，開發者已經將該技術用于制作 13.8 納米的片——尺寸只有病毒一半大小，現在可以達到相當于一個 DNA 鏈直徑大小的尺寸范圍。此前，曾有業內客戶對于將通快的 CO2 激光器當作一個強大的機器而敬佩不已，而現在，它已然成為了半導體制造業的未來趨勢的風向標。
更小工具
激光極紫外光刻技術燃起了摩爾定律在未來幾十年將繼續適用的希望。縮小晶體管，并且縮小上部結構，從而降低了芯片的尺寸。導體層之間已經非常接近，制造商必須在它們之間填入低 k 介質材料的絕緣層。然而，一旦涉及到切割（將晶圓鋸切成單個芯片），這種低 k 介質材料就成為了禍端。低 k 介質材料容易引發各種鋸切問題，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 介質層。
激光如何促進微型半導體技術的發展？
摩爾定律指出，集成電路上的晶體管數量每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系——但現在有關系了。一個現代的 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200微米。機械應力導致微裂縫溝槽的任一側上部區域的情況更加復雜。相比之下，TruMicro 皮秒激光可以輕松實現僅 40 微米的溝槽寬度，而不產生任何損傷。這立即使其能夠匹配的芯片數量增加 50% —— 同時就意味著增加 50％ 的利潤。
當然，鋸切也會產生粉塵。在微芯的尺度內，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 轉的速度轉動并通過半金屬，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，這樣就進一步增加了該工序的成本。紫外激光不需要保護涂層，不需要水冷卻，并且不需要持續消耗的工具。然而，與鋸切不同的是，晶圓厚度的持續減少實際上對激光器有利，因為在厚度小于 100 微米時，光切割的速度遠遠超過鋸切。
三十微米也沒問題
元件的不斷縮小也適用于電子產品的生產。過去，印刷電路板(PCB)制造商在毫米級的導電帶鉆數以千計的孔，但是現在，它們在半個平米范圍內鉆數以百萬計的孔，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。現在，折疊 12 層以上的柔性電路是智能手機的一項標準功能，而服務器已經被折疊成多達 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向陶瓷芯片，而手機制造商則青睞柔性箔電路。
一般來講，行業中仍然采用機械鉆孔方法，但激光的優點正嶄露頭角。鉆頭僅能鉆幾千個孔，這表示機器每 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鍵的成本因素之一。
從其技術的局限性角度來看，機械鉆孔也已經走到了盡頭。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、更快的結果 —— 那正是激光器可以實現的。CO2 激光器可以實現以每秒 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 激光器開發了精確、可靠的控制技術。其獲得專利的雙反饋閉環控制系統監視每個單獨的皮秒脈沖，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制器實現的，該調制器將增大脈沖從功率調節分離，從而確保系統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量和脈沖持續時間。
供稿：通快（中國）有限公司激光技術事業部
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