本文刊登于：《激光制造商情》2014年10月刊      

 
      越來(lái)越小，越來(lái)越快！幾十年來(lái)，小型化和更高的時(shí)鐘頻率成為半導(dǎo)體制造的主要趨勢(shì)，但機(jī)械方式卻在逐漸達(dá)到極限，所以嶄新的激光時(shí)代出現(xiàn)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(lián)合創(chuàng)始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大膽預(yù)測(cè)：一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個(gè)月就會(huì)翻一倍。此后，業(yè)界為爭(zhēng)取每平方納米，付出了幾十億美元的巨大努力。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接近，相信很快會(huì)和病毒一樣大小。甚至于再過(guò)多久，病毒會(huì)見(jiàn)到晶體管會(huì)打趣地想：“這些面包屑是哪來(lái)的？” 可實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)為 193 納米的光工作，雖然他們使用了一些巧妙的技術(shù)來(lái)實(shí)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(xiàng)目。該項(xiàng)目已被啟動(dòng)并且已經(jīng)運(yùn)行超過(guò) 15 年的時(shí)間。他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)波長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生發(fā)射所需波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)這種高科技沖擊。自 2012 年春季以來(lái)，通快公司已經(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(gè)突破。極紫外光刻技術(shù)目前正進(jìn)入生產(chǎn)階段，開(kāi)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，曾有業(yè)內(nèi)客戶(hù)對(duì)于將通快的 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，它已然成為了半導(dǎo)體制造業(yè)的未來(lái)趨勢(shì)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(lái)幾十年將繼續(xù)適用的希望?？s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(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(wèn)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(kāi)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(gè)月會(huì)增加一倍。這就是為什么您能把自 1960 年以來(lái)的約 2,100 個(gè)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(guò)去，小晶片被鋸成一把相對(duì)較大的芯片。如今，鋸子只要將更大的晶圓鋸成越來(lái)越多的不斷縮小的芯片。在過(guò)去各個(gè)位置的幾平方毫米從來(lái)沒(méi)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(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% —— 同時(shí)就意味著增加 50％ 的利潤(rùn)。

       當(dāng)然，鋸切也會(huì)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(guò)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(duì)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(guò)鋸切。

三十微米也沒(méi)問(wèn)題

        元件的不斷縮小也適用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)。過(guò)去，印刷電路板(PCB)制造商在毫米級(jí)的導(dǎo)電帶鉆數(shù)以千計(jì)的孔，但是現(xiàn)在，它們?cè)诎雮€(gè)平米范圍內(nèi)鉆數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的孔，每個(gè)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(jiǎn)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(mǎn)電流的幾十萬(wàn)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(lái)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(guò)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(lái)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(chǎng)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 微米的孔也沒(méi)有問(wèn)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(shì)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(guò) 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(kāi)發(fā)了精確、可靠的控制技術(shù)。其獲得專(zhuān)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(guò)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。

 供稿：通快（中國(guó)）有限公司激光技術(shù)事業(yè)部