激光引導著我們進入一個更加智能的未來。沒有激光，電子產業的發展將會停滯。“小”的極限什么時候才能真正意義上達到？如果我們定義的“小”在一個非常小的尺寸內，那么還會有比“小”更小的東西出現嗎？如今，智能手機是一個永無止境的信息源，我們可以用它們來實時地比較價格，與朋友聯絡，了解不熟悉的領域，也可以用它代替數碼相機來方便地拍照。
未來的智能手機會是什么樣子的呢？它可能在你的手腕上，可能在你的鼻梁上，可能在你的耳朵里，甚至可能在你的視網膜上。它將在任何情況下與你的身體緊密連接起來，甚至成為你身體的一部分，你可以通過手勢和語音對它進行控制。這聽起來似乎有點像科幻小說，但這卻已逐漸成為現實。
智能手機的核心芯片必須要變得更加強大。要真正實現對未來的這個愿景，其實并不遙遠。對于市場，智能手機的核心芯片必須要變得更加強大。只有將電路做得更小，才有可能實現這個愿景。高登摩爾的預測經常引用這個內容。
高登摩爾是英特爾的創始人之一，也是全球領先半導體研究的先驅。早在1965年，他就意識到固定表面區域上的晶體管數量將每18個月翻倍一次。這一預測被稱為摩爾定律，推動著產業的發展。它正在發動一場戰役，在每平方納米的芯片上耗資數十億美元。但是，為了在芯片的半導體上封裝更多的晶體管，簡單來說，我們需要的是：更多的光！
一百億個晶體管在一個芯片上
一個微芯片在光刻機的光中誕生了。在那里，電路的微型圖像被投射到硅晶片上，露出光刻膠層。阿貝分辨率限制意味著一個光源不能復制比自己波長小的任何結構。但是，這并不意味著這個極限是不可逾越的。
目前，光刻裝置的工作波長為193納米，但卻能產生22納米大小的結構，遠遠超出阿貝分辨率的極限，我們通過各種方法將這個工藝得以實現。一個微芯片在光刻機 的光中誕生然而，隨著光源的使用，我們將緩慢但卻必然地接近技術可行性的極限。20年前，為了在各種級別的微芯片上雕刻細微結構，半導體行業的EUV光刻技術應運而生。
該項目的目的是為13.5納米的極端紫外線（EUV）開發一個穩定光源。在這項技術的幫助下，它將有可能生產出小于10納米大小的結構。反言之，這意味著超過一百億個晶體管可以裝在一個微芯片上。
光在真空中閃爍
但是，這一切并非都那么容易。EUV光刻技術面臨的最大挑戰是它需要產生13.5納米波長的光。EUV光源必須要達到數百瓦的功率才可以在光學系統內進行進一步加工。等離子源被證明是迄今為止唯一的解決方案。
等離子體由聚焦高強度的激光輻射或高能放電產生，采用錫和氙作為輸入材料。激光產生的等離子體（LLP）已經創造了一個先例。這個過程背后的想法起初聽起來相當簡單。錫滴發生器使錫滴以50千赫的頻率進入真空室，隨著這些滴液迅速通過，激光脈沖會沖擊它們。
因此，激光每秒鐘能打50000個錫滴。錫原子被離子化，并創建了高強度的等離子體。收集器采用多反射結構，捕獲由等離子體發射的EUV光，將它們聚焦并最終轉移到光刻系統，曝光基板。
用于此應用的激光脈沖由脈沖型二氧化碳激光系統——通快激光放大器傳送。該系統基于連續波的二氧化碳激光器技術，并能在超過萬瓦的功率下工作。在五個放大器中，可以將一個只有幾瓦平均功率的二氧化碳激光脈沖提高10000多倍，將平均脈沖功率提高30多千瓦。然而，脈沖峰值功率可以只達到幾個兆瓦。
為了達到完美的效果，激光脈沖必須在盡可能寬廣的區域中來打錫滴。錫滴直徑僅20微米，比激光的聚焦光斑小。因此，激光不能完整地將30千瓦的功率轉移到錫滴。為了實現這一目標，激光放大器采用了一種巧妙的方式。
激光放大器一個緊接一個地發出一個預脈沖和一個主脈沖，兩者的波長稍有不同。預脈沖以3千瓦初始激光功率撞擊錫滴，錫原子電離，等離子體從而產生膨脹。主脈沖緊隨其后，直接撞擊已擴大到約200微米直徑的等離子云，充分利用了27千瓦脈沖功率。一箭中心！
跨越極限
慎重挑選出的波長
為什么這個看似隨意的13.5納米長的波長會被選中呢？這有兩大理由。首先，在這個波長上的源光束表現出強烈的光線，這意味著輻射輸出特別高。因此，在這個波長里，錫等離子體的光線是非常強的。等離子體輻射離散線是非常重要的。
其次，唯有13.5納米的波長才有可能制造出層系統，該層系統需要足夠高的反射率的光學成像。折射光學元件，如透鏡，會吸收波長。這就是為什么EUV系統只采用鏡像光學元件的原因。由于波長非常短，整個過程都需要發生在真空中，因為空氣也會吸收紫外輻射。
激光支持的EUV光刻將繼續，且這是唯一能夠創建更小結構的方法，并且能生產出更高性能的芯片。
如果你想尋找一個與EUV光刻相似且能替代它的技術，你會發現根本不存在這樣的技術。以前技術的優化是基于一個193納米波長激光束實現的，當曝光基板時，它可能會變成更小結構。例如，通過多個曝光步驟，雙重模式實現，其中每一個曝光步驟都進行了兩次。
另一種選擇是浸泡，即利用高折射率的水。在浸泡期間，這是可能的。使用傳統的加工過程創建小到14納米的結構，但這樣的方式非常昂貴，只是紙上談兵：對半導體行業而言，激光支持的EUV光刻將是唯一能夠創建更小的結構，并且達到更高性能芯片的方法。
這個目標是可以實現的
我們已經為未來的生產奠定了基礎。2014開始，通快研發了第三代的激光系統，為光刻系統制造商和預脈沖和主脈沖技術樹立了標桿。現在，開發商使用這些系統和13.8納米波長，能夠生產出最小的結構。這意味著今天的EUV光源達到了穩定的30和40瓦之間的輸出功率，而實驗室目前的峰值功率達到了70瓦。
整個生產將變得經濟并且高效，因為其只需要250瓦的功率。開發人員已經將125瓦定為下一個目標。為了做到這一點，他們調整系統、修改參數，增加二氧化碳激光器的功率并優化脈沖長度。現在，一些光刻系統正在測試的生產中運行。在持續使用中，他們將提高質量并且保證他們的承諾。EUV光源可實現穩定的30到40瓦之間的輸出功率。
到2015年底，通快開發人員的目標是實現大規模生產所需的250瓦的光學功率。然后，芯片制造商應該就能夠準備好EUV光刻生產的新一代芯片。
這意味著即使在更低的結構中，單位數的納米范圍也越來越接近。一旦我們做到了，我們仍然不會達到“小”的極限。這就是為什么我們把 “小”變得無法再小的問題放在了后面，我們正在不斷接近小的極限。
通快激光放大器在通快激光放大器中，4個千瓦級的激光能放大由第5個激光所發射的脈沖。它能提供多兆瓦的峰值脈沖輸出，從等離子體中產生極紫外（EUV）光，每秒鐘產生50000次。
通快激光技術部主席談論未來的半導體生產Peter Leibinger博士在接受德國貿易雜志“Industrieanzeiger”（只有德語發行版）時說：“我們的世界要經歷巨大的變化。”作為通快的董事會副主席和激光技術/電子事業部主席，他也在不斷推動該公司的研究和發展工作。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
