越來越小，越來越快

    幾十年來，小型化和更高的時(shí)鐘頻率是半導(dǎo)體制造的主要趨勢，但機(jī)械方式正逐漸達(dá)到極限。是激光出現(xiàn)的時(shí)候了。

    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)透露了他的預(yù)測，即一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個(gè)月翻一倍。此后，業(yè)界為爭取每平方納米，付出了高達(dá) 10 億美元的巨大努力。一個(gè)現(xiàn)代智能手機(jī) CPU 中的晶體管和流感病毒的大小大致相同。不久，晶體管將小到和病毒一樣大小。沒過多久，病毒會(huì)走上晶體管并且想：“這些面包屑哪來的？”可實(shí)際上晶體管可以再小到什么程度？非常非常的小，極具創(chuàng)新的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如是說—但我們需要更多的激光！

 光刻：極紫外光已經(jīng)被用于生產(chǎn)小于 16 納米的芯片，SRAM 芯片上的節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)例子。

切割：超短脈沖激光器可處理出這樣的邊緣，并且，溝槽寬度有可能達(dá)到 40 微米，而非 200 微米。

      芯片的壽命從光刻系統(tǒng)中的光開始。光刻透鏡將電路的圖像投影到涂有光致抗蝕劑的硅片上。此投影圖案的尺寸縮小幾千倍。

    1、光刻：極紫外光已經(jīng)被用于生產(chǎn)小于 16 納米的芯片，SRAM 芯片上的節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)例子。

    2、空間的利用：激光蝕刻溝槽將芯片緊密地壓縮在一起，這樣就可以將210 塊芯片裝配在晶圓上，而先前只能裝配 120 塊。

    3、切割：超短脈沖激光器可處理出這樣的邊緣，并且，溝槽寬度有可能達(dá)到 40 微米，而非 200 微米。

    4、標(biāo)記：在增加信息量方面，激光標(biāo)記仍然有很大的提升空間。這些信息以越來越快的速度刻在越來越小的空間中。

    5、導(dǎo)板：超短脈沖激光器以更快的速度打到多層基板上，打出數(shù)量更多、尺寸更細(xì)小的孔眼，效果超過任何一種打孔器。

     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(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(shí)現(xiàn)小至 22 納米的膠片尺寸。然而變得更加清楚的是，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(xiàng)目。該項(xiàng)目已被啟動(dòng)并且已經(jīng)運(yùn)行超過 15 年的時(shí)間。他們的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)波長為 13.5 納米的極紫外光源。

標(biāo)記：在增加信息量方面，激光標(biāo)記仍然有很大的提升空間。這些信息以越來越快的速度刻在越來越小的空間中。

     基本的想法簡單誘人。激光脈沖撞擊并電離真空室中的微小錫液滴。這會(huì)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。實(shí)現(xiàn)這種高科技沖擊的 CO2激光脈沖由通快公司的激光放大器提供。自 2012 年春季以來，該公司已經(jīng)向光刻系統(tǒng)制造商運(yùn)送了多個(gè)第二代激光系統(tǒng)，其中體現(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點(diǎn)知識(shí)。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(gè) DNA鏈直徑大小的尺寸范圍。此前，行業(yè)客戶將通快的CO2 激光器當(dāng)作一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)器而敬佩不已，而現(xiàn)在，它正為半導(dǎo)體制造業(yè)的未來鋪平道路。

導(dǎo)板：超短脈沖激光器以更快的速度打到多層基板上，打出數(shù)量更多、尺寸更細(xì)小的孔眼，效果超過任何一種打孔器。

     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，并且縮小超結(jié)構(gòu)，從而降低了芯片的尺寸。導(dǎo)體層已經(jīng)很接近，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，當(dāng)涉及到切割（將晶圓鋸切成單個(gè)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(shí)會(huì)因?yàn)榇嘈远扑?，有時(shí)會(huì)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。

     當(dāng)然這個(gè)極限值還可以向下延伸。但是具體能到達(dá)多少，還沒有人知道。

     但即便如此，留給鋸的空間比以前更緊張。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(gè)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(gè)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)上的區(qū)域的情況更加復(fù)雜。相比之下，TruMicro 皮秒激光可以輕松實(shí)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% —— 這意味著增加 50％ 的利潤。

    鋸切也產(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(dòng)并通過半金屬，同時(shí)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(shí)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(shí)際上對激光器有利，因?yàn)樵诤穸刃∮?100 微米時(shí)，光切割的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋸切。

    分揀好和壞 

    當(dāng)?shù)谝患抑圃焐涕_始以功率/性能等級標(biāo)記成品芯片的時(shí)候，從某種意義上預(yù)示著一場商業(yè)革命。做好的標(biāo)記使相機(jī)控制分揀系統(tǒng)顯示哪些芯片被認(rèn)定為完美、接近完美、合格或完全不能用。它實(shí)際上一下子使每片晶圓能夠使用更多的芯片。此模具分揀過程已經(jīng)成為芯片制造標(biāo)準(zhǔn)的一部分—其所依賴的激光打標(biāo)系統(tǒng)亦如此。的確，激光打標(biāo)機(jī)是唯一可行的選擇。這是因?yàn)?，為了滿足可追溯性的要求，不僅批量大小和產(chǎn)率增加，而且必須應(yīng)用的信息量也增加。然而，可用的表面在縮小，所以打標(biāo)的尺寸越來越小。目前，固態(tài)激光器可以以 30 微米的軌跡寬度在約每秒 1000 個(gè)字的速率下應(yīng)用打標(biāo)。這些應(yīng)用通常使用二極管泵浦釩綠光激光器，它在用于包裹芯片的深色塑料中產(chǎn)生顏色變化。這種方法使得表面不發(fā)生改變，保持標(biāo)記不被磨去或改動(dòng)。

    三十微米？沒問題 

    元件的不斷縮小也適用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)。在過去，印刷電路板(PCB) 制造商在毫米級的導(dǎo)電帶鉆數(shù)以千計(jì)的孔，但是現(xiàn)在，它們在半個(gè)平米范圍內(nèi)鉆數(shù)以百萬計(jì)的孔，每個(gè)孔的直徑為100 微米，而深度必須精確到微米。印刷電路板(PCB) 已不再是簡單的板?，F(xiàn)在，折疊 12 層以上的柔性電路是智能手機(jī)的一項(xiàng)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(gè)孔，使每個(gè)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(gè)孔，這表示機(jī)器每 3 分鐘左右需要 1 個(gè)新的鉆頭。每個(gè)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 —— 就像用壺煮咖啡那樣從其技術(shù)的局限性角度來看，機(jī)械鉆孔也已經(jīng)走到了盡頭?？椎闹睆讲荒苄∮?100微米，并且每秒鉆 20 個(gè)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(shí)現(xiàn)的。CO2 激光器可以實(shí)現(xiàn)以每秒 100 個(gè)的速率鉆直徑僅為 75 微米的孔。一個(gè)紅外皮秒激光器鉆直徑僅 30微米的孔沒有問題，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(gè)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?yàn)榧词闺娐分械囊粋€(gè)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)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(gè)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(gè)外部調(diào)制器實(shí)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(shí)保持恒定的光束質(zhì)量和脈沖持續(xù)時(shí)間。

    掌握小型化

    半導(dǎo)體行業(yè)正在涉足更微小的領(lǐng)域，小型化的趨勢預(yù)計(jì)將持續(xù)多年。事實(shí)上，研究人員已經(jīng)在為用單個(gè)原子制造集成電路的概念而工作。可以肯定的是：無論是現(xiàn)在還是未來，只有對最實(shí)用的工具 —— 激光充滿信心，我們才可能完全掌握微米和納米世界。