越來越小，越來越快

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

　　1965 年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對半導體產(chǎn)業(yè)透露了他的預測，即一個芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個月翻一倍。此后，業(yè)界為爭取每平方納米，付出了高達 10 億美元的巨大努力。一個現(xiàn)代智能手機 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，病毒會走上晶體管并且想：“這些面包屑哪來的？”可實際上晶體管可以再小到什么程度？非常非常的小，極具創(chuàng)新的半導體產(chǎn)業(yè)如是說—但我們需要更多的激光！

　　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)點就是一個例子。

　　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，溝槽寬度有可能達到 40 微米，而非 200 微米。

　　4、標記：在增加信息量方面，激光標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構成像。同時，科學家們發(fā)現(xiàn)，這個規(guī)則可以被擴展。當前的光刻系統(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來實現(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)達到極限。為了在芯片的最底層創(chuàng)造最小的膠片，半導體行業(yè)中的主要成員創(chuàng)立了 EUV 光刻技術項目。該項目已被啟動并且已經(jīng)運行超過 15 年的時間。他們的目標是開發(fā)一個波長為 13.5 納米的極紫外光源。

　　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，激光必須達到每秒 50000 次撞擊的速率。實現(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)制造商運送了多個第二代激光系統(tǒng)，其中體現(xiàn)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點知識。極紫外光刻技術目前正進入生產(chǎn)階段。開發(fā)者已經(jīng)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(xiàn)在可以達到相當于一個 DNA鏈直徑大小的尺寸范圍。此前，行業(yè)客戶將通快的CO2 激光器當作一個強大的機器而敬佩不已，而現(xiàn)在，它正為半導體制造業(yè)的未來鋪平道路。

　　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(xù)適用的希望?？s小晶體管，并且縮小超結構，從而降低了芯片的尺寸。導體層已經(jīng)很接近，制造商必須在它們之間填入低 k 介質材料的絕緣層。然而，當涉及到切割（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(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。

　　當然這個極限值還可以向下延伸。但是具體能到達多少，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。在過去各個位置的幾平方毫米從來沒有多大關系—但現(xiàn)在有關系了。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 200 微米。機械應力導致微裂縫溝槽的任一側上的區(qū)域的情況更加復雜。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% —— 這意味著增加 50％ 的利潤?！′徢幸伯a(chǎn)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(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，光切割的速度遠遠超過鋸切。

　　分揀好和壞

　　當?shù)谝患抑圃焐涕_始以功率/性能等級標記成品芯片的時候，從某種意義上預示著一場商業(yè)革命。做好的標記使相機控制分揀系統(tǒng)顯示哪些芯片被認定為完美、接近完美、合格或完全不能用。它實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)成為芯片制造標準的一部分—其所依賴的激光打標系統(tǒng)亦如此。的確，激光打標機是唯一可行的選擇。這是因為，為了滿足可追溯性的要求，不僅批量大小和產(chǎn)率增加，而且必須應用的信息量也增加。然而，可用的表面在縮小，所以打標的尺寸越來越小。目前，固態(tài)激光器可以以 30 微米的軌跡寬度在約每秒 1000 個字的速率下應用打標。這些應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，保持標記不被磨去或改動。

　　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鉆數(shù)以百萬計的孔，每個孔的直徑為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的一項標準功能，而服務器已經(jīng)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(yè)中仍然采用機械鉆孔方法，但激光的優(yōu)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 —— 就像用壺煮咖啡那樣從其技術的局限性角度來看，機械鉆孔也已經(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(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)精確、可靠的控制技術。其獲得專利的雙反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)監(jiān)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(xiàn)的，該調制器將增大脈沖從功率調節(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量和脈沖持續(xù)時間。

掌握小型化

　　半導體行業(yè)正在涉足更微小的領域，小型化的趨勢預計將持續(xù)多年。事實上，研究人員已經(jīng)在為用單個原子制造集成電路的概念而工作?？梢钥隙ǖ氖牵簾o論是現(xiàn)在還是未來，只有對最實用的工具 —— 激光充滿信心，我們才可能完全掌握微米和納米世界。