激光引導(dǎo)著我們進(jìn)入一個(gè)更加智能的未來。沒有激光，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會(huì)停滯。“小”的極限什么時(shí)候才能真正意義上達(dá)到？如果我們定義的“小”在一個(gè)非常小的尺寸內(nèi)，那么還會(huì)有比“小”更小的東西出現(xiàn)嗎？如今，智能手機(jī)是一個(gè)永無止境的信息源，我們可以用它們來實(shí)時(shí)地比較價(jià)格，與朋友聯(lián)絡(luò)，了解不熟悉的領(lǐng)域，也可以用它代替數(shù)碼相機(jī)來方便地拍照。
未來的智能手機(jī)會(huì)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(wǎng)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(shì)和語音對(duì)它進(jìn)行控制。這聽起來似乎有點(diǎn)像科幻小說，但這卻已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
智能手機(jī)的核心芯片必須要變得更加強(qiáng)大。要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)未來的這個(gè)愿景，其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。對(duì)于市場，智能手機(jī)的核心芯片必須要變得更加強(qiáng)大。只有將電路做得更小，才有可能實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景。高登摩爾的預(yù)測經(jīng)常引用這個(gè)內(nèi)容。
高登摩爾是英特爾的創(chuàng)始人之一，也是全球領(lǐng)先半導(dǎo)體研究的先驅(qū)。早在1965年，他就意識(shí)到固定表面區(qū)域上的晶體管數(shù)量將每18個(gè)月翻倍一次。這一預(yù)測被稱為摩爾定律，推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。它正在發(fā)動(dòng)一場戰(zhàn)役，在每平方納米的芯片上耗資數(shù)十億美元。但是，為了在芯片的半導(dǎo)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(gè)晶體管在一個(gè)芯片上
一個(gè)微芯片在光刻機(jī)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(gè)光源不能復(fù)制比自己波長小的任何結(jié)構(gòu)。但是，這并不意味著這個(gè)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(chǎn)生22納米大小的結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出阿貝分辨率的極限，我們通過各種方法將這個(gè)工藝得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)微芯片在光刻機(jī) 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(shù)可行性的極限。20年前，為了在各種級(jí)別的微芯片上雕刻細(xì)微結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體行業(yè)的EUV光刻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
該項(xiàng)目的目的是為13.5納米的極端紫外線（EUV）開發(fā)一個(gè)穩(wěn)定光源。在這項(xiàng)技術(shù)的幫助下，它將有可能生產(chǎn)出小于10納米大小的結(jié)構(gòu)。反言之，這意味著超過一百億個(gè)晶體管可以裝在一個(gè)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(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是它需要產(chǎn)生13.5納米波長的光。EUV光源必須要達(dá)到數(shù)百瓦的功率才可以在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)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(qiáng)度的激光輻射或高能放電產(chǎn)生，采用錫和氙作為輸入材料。激光產(chǎn)生的等離子體（LLP）已經(jīng)創(chuàng)造了一個(gè)先例。這個(gè)過程背后的想法起初聽起來相當(dāng)簡單。錫滴發(fā)生器使錫滴以50千赫的頻率進(jìn)入真空室，隨著這些滴液迅速通過，激光脈沖會(huì)沖擊它們。
因此，激光每秒鐘能打50000個(gè)錫滴。錫原子被離子化，并創(chuàng)建了高強(qiáng)度的等離子體。收集器采用多反射結(jié)構(gòu)，捕獲由等離子體發(fā)射的EUV光，將它們聚焦并最終轉(zhuǎn)移到光刻系統(tǒng)，曝光基板。
用于此應(yīng)用的激光脈沖由脈沖型二氧化碳激光系統(tǒng)——通快激光放大器傳送。該系統(tǒng)基于連續(xù)波的二氧化碳激光器技術(shù)，并能在超過萬瓦的功率下工作。在五個(gè)放大器中，可以將一個(gè)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(dá)到幾個(gè)兆瓦。
為了達(dá)到完美的效果，激光脈沖必須在盡可能寬廣的區(qū)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(zhuǎn)移到錫滴。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，激光放大器采用了一種巧妙的方式。
激光放大器一個(gè)緊接一個(gè)地發(fā)出一個(gè)預(yù)脈沖和一個(gè)主脈沖，兩者的波長稍有不同。預(yù)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(chǎn)生膨脹。主脈沖緊隨其后，直接撞擊已擴(kuò)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(gè)看似隨意的13.5納米長的波長會(huì)被選中呢？這有兩大理由。首先，在這個(gè)波長上的源光束表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光線，這意味著輻射輸出特別高。因此，在這個(gè)波長里，錫等離子體的光線是非常強(qiáng)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(tǒng)，該層系統(tǒng)需要足夠高的反射率的光學(xué)成像。折射光學(xué)元件，如透鏡，會(huì)吸收波長。這就是為什么EUV系統(tǒng)只采用鏡像光學(xué)元件的原因。由于波長非常短，整個(gè)過程都需要發(fā)生在真空中，因?yàn)榭諝庖矔?huì)吸收紫外輻射。
激光支持的EUV光刻將繼續(xù)，且這是唯一能夠創(chuàng)建更小結(jié)構(gòu)的方法，并且能生產(chǎn)出更高性能的芯片。
如果你想尋找一個(gè)與EUV光刻相似且能替代它的技術(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)根本不存在這樣的技術(shù)。以前技術(shù)的優(yōu)化是基于一個(gè)193納米波長激光束實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)曝光基板時(shí)，它可能會(huì)變成更小結(jié)構(gòu)。例如，通過多個(gè)曝光步驟，雙重模式實(shí)現(xiàn)，其中每一個(gè)曝光步驟都進(jìn)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(tǒng)的加工過程創(chuàng)建小到14納米的結(jié)構(gòu)，但這樣的方式非常昂貴，只是紙上談兵：對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)而言，激光支持的EUV光刻將是唯一能夠創(chuàng)建更小的結(jié)構(gòu)，并且達(dá)到更高性能芯片的方法。
這個(gè)目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的
我們已經(jīng)為未來的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。2014開始，通快研發(fā)了第三代的激光系統(tǒng)，為光刻系統(tǒng)制造商和預(yù)脈沖和主脈沖技術(shù)樹立了標(biāo)桿。現(xiàn)在，開發(fā)商使用這些系統(tǒng)和13.8納米波長，能夠生產(chǎn)出最小的結(jié)構(gòu)。這意味著今天的EUV光源達(dá)到了穩(wěn)定的30和40瓦之間的輸出功率，而實(shí)驗(yàn)室目前的峰值功率達(dá)到了70瓦。
整個(gè)生產(chǎn)將變得經(jīng)濟(jì)并且高效，因?yàn)槠渲恍枰?50瓦的功率。開發(fā)人員已經(jīng)將125瓦定為下一個(gè)目標(biāo)。為了做到這一點(diǎn)，他們調(diào)整系統(tǒng)、修改參數(shù)，增加二氧化碳激光器的功率并優(yōu)化脈沖長度。現(xiàn)在，一些光刻系統(tǒng)正在測試的生產(chǎn)中運(yùn)行。在持續(xù)使用中，他們將提高質(zhì)量并且保證他們的承諾。EUV光源可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的30到40瓦之間的輸出功率。
到2015年底，通快開發(fā)人員的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)所需的250瓦的光學(xué)功率。然后，芯片制造商應(yīng)該就能夠準(zhǔn)備好EUV光刻生產(chǎn)的新一代芯片。
這意味著即使在更低的結(jié)構(gòu)中，單位數(shù)的納米范圍也越來越接近。一旦我們做到了，我們?nèi)匀徊粫?huì)達(dá)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(gè)千瓦級(jí)的激光能放大由第5個(gè)激光所發(fā)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(chǎn)生極紫外（EUV）光，每秒鐘產(chǎn)生50000次。
通快激光技術(shù)部主席談?wù)撐磥淼陌雽?dǎo)體生產(chǎn)Peter Leibinger博士在接受德國貿(mào)易雜志“Industrieanzeiger”（只有德語發(fā)行版）時(shí)說：“我們的世界要經(jīng)歷巨大的變化。”作為通快的董事會(huì)副主席和激光技術(shù)/電子事業(yè)部主席，他也在不斷推動(dòng)該公司的研究和發(fā)展工作。
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