本文刊登于：《激光制造商情》2014年10月刊      

 
      越来越小，越来越快！几十年来，小型化和更高的时钟频率成为半导体制造的主要趋势，但机械方式却在逐渐达到极限，所以崭新的激光时代出现了。

       全世界都在渴望获取更多的微芯，并期望它们更小、更快、更便宜。1965 年，英特尔联合创始人戈登•摩尔(Gordon Moore)对半导体产业大胆预测：一个芯片上的晶体管数量大约每 18 个月就会翻一倍。此后，业界为争取每平方纳米，付出了几十亿美元的巨大努力。一个现代智能手机 CPU 中的晶体管和流感病毒的大小接近，相信很快会和病毒一样大小。甚至于再过多久，病毒会见到晶体管会打趣地想：“这些面包屑是哪来的？” 可实际上晶体管究竟可以再小到什么程度？极具创新的半导体产业如是给出的答案是肯定的：非常非常小。因此，我们需要更多的激光！

       根据阿贝分辨率限制，光源不能使小于其波长的结构成像。同时，科学家们发现，这个规则可以被扩展。当前的光刻系统以波长为 193 纳米的光工作，虽然他们使用了一些巧妙的技术来实现小至 22 纳米的胶片尺寸，但不得不承认，目前我们使用的光源已经达到极限。为了在芯片的最底层创造最小的胶片，半导体行业中的主要成员创立了 EUV 光刻技术项目。该项目已被启动并且已经运行超过 15 年的时间。他们的目标是开发一个波长为 13.5 纳米的极紫外光源。

       激光脉冲撞击并电离真空室中的微小锡液滴，这会产生发射所需波长极紫外光的等离子体。然而要做到这一点，激光必须达到每秒 50000 次撞击的速率。通快公司的激光放大器提供的CO2 激光脉冲能实现这种高科技冲击。自 2012 年春季以来，通快公司已经向光刻系统制造商运送了多个第二代激光系统，其中展现了通快集团在高性能 CO2 激光器的领域 30 多年历程中所获得的每一个突破。极紫外光刻技术目前正进入生产阶段，开发者已经将该技术用于制作 13.8 纳米的片——尺寸只有病毒一半大小，现在可以达到相当于一个 DNA 链直径大小的尺寸范围。此前，曾有业内客户对于将通快的 CO2 激光器当作一个强大的机器而敬佩不已，而现在，它已然成为了半导体制造业的未来趋势的风向标。

更小工具 

       激光极紫外光刻技术燃起了摩尔定律在未来几十年将继续适用的希望。缩小晶体管，并且缩小上部结构，从而降低了芯片的尺寸。导体层之间已经非常接近，制造商必须在它们之间填入低 k 介质材料的绝缘层。然而，一旦涉及到切割（将晶圆锯切成单个芯片），这种低 k 介质材料就成为了祸端。低 k 介质材料容易引发各种锯切问题，有时会因为脆性而破碎，有时会粘住锯片。在低 k 介质沟槽连接中，开始锯切之前，激光用于消除只有几微米厚的低 k 介质层。

激光如何促进微型半导体技术的发展？

       摩尔定律指出，集成电路上的晶体管数量每18个月会增加一倍。这就是为什么您能把自 1960 年以来的约 2,100 个大型电脑装在裤兜里的原因！但即便如此，留给锯切的空间比以前更为紧张。过去，小晶片被锯成一把相对较大的芯片。如今，锯子只要将更大的晶圆锯成越来越多的不断缩小的芯片。在过去各个位置的几平方毫米从来没有多大关系——但现在有关系了。一个现代的 LED 芯片比锯切痕宽了近 10 倍。而即使使用最薄的锯片，切痕仍然达200微米。机械应力导致微裂缝沟槽的任一侧上部区域的情况更加复杂。相比之下，TruMicro 皮秒激光可以轻松实现仅 40 微米的沟槽宽度，而不产生任何损伤。这立即使其能够匹配的芯片数量增加 50% —— 同时就意味着增加 50％ 的利润。

       当然，锯切也会产生粉尘。在微芯的尺度内，这些灰尘颗粒像巨石一样在晶片上破碎。所以，在晶片上涂上保护涂层可以确保精微的胶片不被损坏。然后，锯片以每分钟 10,000 转的速度转动并通过半金属，同时喷射水冷却工件。锯切后，必须去除保护涂层。该工序需要金刚石涂层的陶瓷锯片（磨损很快），同时也需要有替换品，这样就进一步增加了该工序的成本。紫外激光不需要保护涂层，不需要水冷却，并且不需要持续消耗的工具。然而，与锯切不同的是，晶圆厚度的持续减少实际上对激光器有利，因为在厚度小于 100 微米时，光切割的速度远远超过锯切。

三十微米也没问题

        元件的不断缩小也适用于电子产品的生产。过去，印刷电路板(PCB)制造商在毫米级的导电带钻数以千计的孔，但是现在，它们在半个平米范围内钻数以百万计的孔，每个孔的直径为 100 微米，而深度可以精确到微米。印刷电路板(PCB)已不再是简单的板。现在，折叠 12 层以上的柔性电路是智能手机的一项标准功能，而服务器已经被折叠成多达 40 层。充满电流的几十万个孔，使每个新层与其下层接触。材料也在改变：高频芯片的制造商正在转向陶瓷芯片，而手机制造商则青睐柔性箔电路。

        一般来讲，行业中仍然采用机械钻孔方法，但激光的优点正崭露头角。钻头仅能钻几千个孔，这表示机器每 3 分钟左右需要 1 个新的钻头。每个钻头的成本约 1 欧元，所以加工过程中所需的耗材是关键的成本因素之一。

       从其技术的局限性角度来看，机械钻孔也已经走到了尽头。孔的直径不能小于 100 微米，并且每秒钻 20 个以上的孔是完全不可能的。但市场需要更小、更快的结果 —— 那正是激光器可以实现的。CO2 激光器可以实现以每秒 100 个的速率钻直径仅为 75 微米的孔。一个红外皮秒激光器钻直径仅 30 微米的孔也没有问题，并且根据材料的不同，它可以在任意位置每秒多钻 1,000 个的孔。

       但激光最大的优势也许还是它的精度。为了确保每条带上面和下面的完美匹配，钻的孔不能偏离其目标位置超过 10 微米。穿透深度同样重要，因为即使电路中的一个不良接触，就足以使得电路板成为废品。因此，通快为 TruMicro 激光器开发了精确、可靠的控制技术。其获得专利的双反馈闭环控制系统监视每个单独的皮秒脉冲，并保持输出和脉冲能量在合理的水平，而不考虑任何外界因素的影响。它是通过使用一个外部调制器实现的，该调制器将增大脉冲从功率调节分离，从而确保系统始终提供精确的以及所需水平的功率和脉冲能量，而同时保持恒定的光束质量和脉冲持续时间。

 供稿：通快（中国）有限公司激光技术事业部