通快第三代激光系統(tǒng)技術(shù)分享丨做別人做不到的事情！

激光是一束光，引導(dǎo)我們進(jìn)入一個更加光明的未來。沒有光，蓬勃發(fā)展的電子產(chǎn)品行業(yè)將停滯不前。

什么時候我們認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到邊界？什么時候我們認(rèn)為“小”已經(jīng)非常的小，更小的東西根本就不可能？今天智能手機(jī)是一個永無止境的信息源泉，它們可以幫助我們實(shí)時比較價格；將我們與朋友聯(lián)系起來；為我們導(dǎo)航通過陌生的區(qū)域，并且可以輕松更換數(shù)碼相機(jī)。那么明天的智能手機(jī)是什么樣子呢？它可能戴在你的手腕或者鼻梁上，也許在你的耳朵里，甚至在視網(wǎng)膜上。在任何情況下，它都會與身體相聯(lián)系，并通過手勢和語言控制。這聽起來有點(diǎn)像科幻小說，但它的確正在我們的現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)。

為了盡快將這個愿景推向市場，智能手機(jī)的核心芯片需要變得更加強(qiáng)大。只有當(dāng)電路可以做得更小時，才有可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)芯片的強(qiáng)大。

全球半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者之一的英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾，早在 1965 年就意識到芯片上可容納元器件的數(shù)目約每 18 個月就會增加一倍。這個預(yù)測被稱為摩爾定律，現(xiàn)在仍然繼續(xù)推動著半導(dǎo)體制造行業(yè)的發(fā)展。半導(dǎo)體制造企業(yè)耗資數(shù)十億美元正在進(jìn)行一場為了能夠在芯片組內(nèi)部的半導(dǎo)體上封裝更多晶體管的戰(zhàn)斗，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要更多的光！

芯片上封裝 100 億晶體管

芯片誕生于光刻機(jī)的光照。在那里，集成電路的微圖像投射到硅晶片上曝光光刻膠層。阿貝分辨極限決定了光源不能復(fù)制比自己波長小的任何結(jié)構(gòu)。但這并不意味著這一限值是不可逾越的。目前光刻機(jī)的工作波長為 193 納米，但依然可以產(chǎn)生約 20 納米的結(jié)構(gòu)尺寸，從而達(dá)到超出阿貝極限的性能。這是芯片制造企業(yè)用各種技巧和方法完成的噱頭。

然而，隨著使用光源的限制，我們正在緩慢但是毫無疑問地接近技術(shù)可行性的極限。20 多年前，半導(dǎo)體行業(yè)將 EUV (極紫外)光刻工程稱為最有可能在芯片的各個層面上雕刻最小結(jié)構(gòu)的方案。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)波長為 13.5 納米的極紫外光（EUV）穩(wěn)定光源。這是因?yàn)樵谶@種技術(shù)的幫助下，芯片的結(jié)構(gòu)可能會小于 10 納米。反過來，這意味著超過一百億個晶體管就可以安裝在一個單芯片上了。

真空中閃爍的光

但這并不是那么簡單。EUV 光刻技術(shù)的一個重要挑戰(zhàn)是如何產(chǎn)生只有 13.5 納米的光，EUV 光源必須達(dá)到數(shù)百瓦的功率才能在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)一步處理，等離子源已被證明是目前唯一可用的解決方案。

通過聚焦高強(qiáng)度激光輻射或高能量放電產(chǎn)生等離子體，錫和氙適合用作輸入材料，激光產(chǎn)生等離子體（LLP）正成為主要的方案。這個過程背后的想法聽起來很簡單：發(fā)生器將錫滴按照 50 千赫茲的速度噴射到真空室中，而激光脈沖會在這些液滴速度加快時撞擊它們，因此激光每秒鐘撞擊 50,000 個錫滴，錫原子被電離并產(chǎn)生高強(qiáng)度等離子體。收集器采用多重反射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用來捕捉等離子體發(fā)出的 EUV 光，EUV 光被聚焦并最終被轉(zhuǎn)移到光刻系統(tǒng)以曝光襯底。


用于此應(yīng)用的激光脈沖由通快脈沖式 CO2 激光放大器提供。該激光放大器基于連續(xù) CO2 激光器的技術(shù)，其性能超過 10 千瓦。在五個放大器共同作用下，它可以將平均功率僅數(shù)瓦的 CO2 激光脈沖提高超 10,000 倍，輸出超過 30 千瓦的平均脈沖功率。然而，脈沖峰值功率可以達(dá)到數(shù)兆瓦。

為了獲得理想的結(jié)果，激光脈沖必須盡可能廣泛地觸及錫滴。但是錫滴比激光聚焦的焦點(diǎn)還要小。因此，激光不能將 30 千瓦的能量全部傳遞給錫滴。為了達(dá)到這個目的，激光放大器采用了一種巧妙的方法。它發(fā)出一個預(yù)脈沖和一個主脈沖，一個緊跟在另一個之后。預(yù)脈沖以低功率激光脈沖撞擊錫滴，錫原子電離并且產(chǎn)生等離子體膨脹，緊隨其后的主脈沖以全部脈沖能量撞擊等離子體云。正中靶心！

小心地選擇波長

但為什么選擇 13.5 納米這個看似任意的波長？有兩個原因。首先，源光束在該波長處呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的輻射線條，這意味著特別高的輻射輸出。這是因?yàn)樵谶@個波長處，錫等離子體中的輻射線非常強(qiáng)。在這里，重要的是要記住等離子體離散的輻射線。其次，只有 13.5 納米的波長才能制造出所需的足夠高反射率進(jìn)行光學(xué)成像的系統(tǒng)。折射光學(xué)元件（例如透鏡） 吸收該波長。這就是 EUV 系統(tǒng)專門用反射光學(xué)元件的原因。非常短的波長也是整個過程必須在真空中進(jìn)行傳輸?shù)脑?，因?yàn)榭諝庖矔?EUV 輻射光。



任何尋找替代 EUV 光刻相關(guān)技術(shù)的人都會發(fā)現(xiàn)，真的沒有一個能滿足用戶的要求。優(yōu)化先前的基于 193 納米波長激光束的技術(shù)使得在曝光襯底時成像更小的結(jié)構(gòu)成為可能。例如，通過多重曝光（多重圖案化）每個曝光步驟執(zhí)行兩次或四次完成。多重步驟的成本很高，因此越來越不經(jīng)濟(jì)。



另一種選擇是浸泡，使用更高折射率的水。在此期間，使用常規(guī)方法創(chuàng)建小至約 20 納米的結(jié)構(gòu)是可能的，這也代表了經(jīng)濟(jì)化下的最小尺寸。通俗地說這意味著：對于半導(dǎo)體行業(yè)，激光的 EUV 光刻將成為繼續(xù)創(chuàng)造更小結(jié)構(gòu)的唯一途徑，從而為芯片提供更高的性能。

目標(biāo)觸手可及

現(xiàn)在這個未來的基礎(chǔ)已經(jīng)奠定。自 2014 年初以來，通快已將其第三代激光系統(tǒng)交付給荷蘭的 ASML，全球唯一的 EUV 光刻系統(tǒng)制造商。這些系統(tǒng)現(xiàn)在每小時可以處理超過 100 片晶圓，足以滿足全球多家芯片制造商正在準(zhǔn)備的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。畢竟，EUV 光刻不僅在技術(shù)上，而且在經(jīng)濟(jì)上對于客戶來說都是成功的。

這也意味著芯片制造商正越來越接近制造出個位數(shù)納米級芯片結(jié)構(gòu)。而一旦我們做到了，我們依然不會達(dá)到所謂的最小型化。這就是為什么我們想推遲回答何時“小”是最小的問題——只要沒有更小的可能性時。我們即將做到以前辦不到的事情！