越來越小，越來越快

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

　　1965 年，英特爾聯合創始人戈登•摩爾(Gordon Moore)對半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 透露了他的預測，即一個(ge) 芯片上的晶體(ti) 管數量大約每 18 個(ge) 月翻一倍。此後，業(ye) 界為(wei) 爭(zheng) 取每平方納米，付出了高達 10 億(yi) 美元的巨大努力。一個(ge) 現代智能手機 CPU 中的晶體(ti) 管和流感病毒的大小大致相同。不久，晶體(ti) 管將小到和病毒一樣大小。沒過多久，病毒會(hui) 走上晶體(ti) 管並且想：“這些麵包屑哪來的？”可實際上晶體(ti) 管可以再小到什麽(me) 程度？非常非常的小，極具創新的半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 如是說—但我們(men) 需要更多的激光！

　　芯片的壽命從(cong) 光刻係統中的光開始。光刻透鏡將電路的圖像投影到塗有光致抗蝕劑的矽片上。此投影圖案的尺寸縮小幾千倍。

　　1、光刻：極紫外光已經被用於(yu) 生產(chan) 小於(yu) 16 納米的芯片，SRAM 芯片上的節點就是一個(ge) 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，而先前隻能裝配 120 塊。

　　3、切割：超短脈衝(chong) 激光器可處理出這樣的邊緣，並且，溝槽寬度有可能達到 40 微米，而非 200 微米。

　　4、標記：在增加信息量方麵，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：超短脈衝(chong) 激光器以更快的速度打到多層基板上，打出數量更多、尺寸更細小的孔眼，效果超過任何一種打孔器。

　　根據阿貝分辨率限製，光源不能使小於(yu) 其波長的結構成像。同時，科學家們(men) 發現，這個(ge) 規則可以被擴展。當前的光刻係統以波長為(wei) 193納米的光工作，雖然他們(men) 使用了一些巧妙的技術來實現小至 22 納米的膠片尺寸。然而變得更加清楚的是，目前我們(men) 使用的光源已經達到極限。為(wei) 了在芯片的最底層創造最小的膠片，半導體(ti) 行業(ye) 中的主要成員創立了 EUV 光刻技術項目。該項目已被啟動並且已經運行超過 15 年的時間。他們(men) 的目標是開發一個(ge) 波長為(wei) 13.5 納米的極紫外光源。

　　基本的想法簡單誘人。激光脈衝(chong) 撞擊並電離真空室中的微小錫液滴。這會(hui) 產(chan) 生發射所需波長極紫外光的等離子體(ti) 。然而要做到這一點，激光必須達到每秒 50000 次撞擊的速率。實現這種高科技衝(chong) 擊的 CO2激光脈衝(chong) 由通快公司的激光放大器提供。自 2012 年春季以來，該公司已經向光刻係統製造商運送了多個(ge) 第二代激光係統，其中體(ti) 現了通快集團在高性能 CO2 激光器的領域 30 多年曆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(chan) 階段。開發者已經將該技術用於(yu) 製作 13.8 納米的片—尺寸隻有病毒一半大小 – 現在可以達到相當於(yu) 一個(ge) DNA鏈直徑大小的尺寸範圍。此前，行業(ye) 客戶將通快的CO2 激光器當作一個(ge) 強大的機器而敬佩不已，而現在，它正為(wei) 半導體(ti) 製造業(ye) 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適用的希望。縮小晶體(ti) 管，並且縮小超結構，從(cong) 而降低了芯片的尺寸。導體(ti) 層已經很接近，製造商必須在它們(men) 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(ge) 芯片），這種低 k 介質材料就成為(wei) 了禍端。低k 介質材料容易引發各種鋸切問題，有時會(hui) 因為(wei) 脆性而破碎，有時會(hui) 粘住鋸片。在低 k介質溝槽連接中，開始鋸切之前，激光用於(yu) 消除隻有幾微米厚的低 k 介質層。

　　當然這個(ge) 極限值還可以向下延伸。但是具體(ti) 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，鋸子隻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(ge) 位置的幾平方毫米從(cong) 來沒有多大關(guan) 係—但現在有關(guan) 係了。一個(ge) 現代的 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(ce) 上的區域的情況更加複雜。相比之下，TruMicro 皮秒激光可以輕鬆實現僅(jin) 40 微米的溝槽寬度，而不產(chan) 生任何損傷(shang) 。這立即使其能夠匹配的芯片數量增加 50% —— 這意味著增加 50％ 的利潤。　鋸切也產(chan) 生粉塵。在微芯的尺度內(nei) ，這些灰塵顆粒像巨石一樣在晶片上破碎。所以，在晶片上塗上保護塗層可以確保精微的膠片不被損壞。然後，鋸片以每分鍾 10，000 轉的速度轉動並通過半金屬，同時噴射水冷卻工件。鋸切後，必須去除保護塗層。該工序需要金剛石塗層的陶瓷鋸片（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塗層，不需要水冷卻，並且不需要持續消耗的工具。然而，與(yu) 鋸切不同的是，晶圓厚度的持續減少實際上對激光器有利，因為(wei) 在厚度小於(yu) 100 微米時，光切割的速度遠遠超過鋸切。

　　分揀好和壞

　　當第一家製造商開始以功率/性能等級標記成品芯片的時候，從(cong) 某種意義(yi) 上預示著一場商業(ye) 革命。做好的標記使相機控製分揀係統顯示哪些芯片被認定為(wei) 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成為(wei) 芯片製造標準的一部分—其所依賴的激光打標係統亦如此。的確，激光打標機是唯一可行的選擇。這是因為(wei) ，為(wei) 了滿足可追溯性的要求，不僅(jin) 批量大小和產(chan) 率增加，而且必須應用的信息量也增加。然而，可用的表麵在縮小，所以打標的尺寸越來越小。目前，固態激光器可以以 30 微米的軌跡寬度在約每秒 1000 個(ge) 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，它在用於(yu) 包裹芯片的深色塑料中產(chan) 生顏色變化。這種方法使得表麵不發生改變，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於(yu) 電子產(chan) 品的生產(chan) 。在過去，印刷電路板(PCB) 製造商在毫米級的導電帶鑽數以千計的孔，但是現在，它們(men) 在半個(ge) 平米範圍內(nei) 鑽數以百萬(wan) 計的孔，每個(ge) 孔的直徑為(wei) 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。現在，折疊 12 層以上的柔性電路是智能手機的一項標準功能，而服務器已經被折疊成多達 40層。充滿電流的幾十萬(wan) 個(ge) 孔，使每個(ge) 新層與(yu) 其下層接觸。材料也在改變：高頻芯片的製造商正在轉向陶瓷芯片，而手機製造商則青睞柔性箔電路。一般來講，行業(ye) 中仍然采用機械鑽孔方法，但激光的優(you) 點正嶄露頭角。鑽頭僅(jin) 能鑽幾千個(ge) 孔，這表示機器每 3 分鍾左右需要 1 個(ge) 新的鑽頭。每個(ge) 鑽頭的成本約 1 歐元，所以加工過程中所需的耗材是關(guan) 鍵的成本因素之一 —— 就像用壺煮咖啡那樣從(cong) 其技術的局限性角度來看，機械鑽孔也已經走到了盡頭。孔的直徑不能小於(yu) 100微米，並且每秒鑽 20 個(ge) 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的。CO2 激光器可以實現以每秒 100 個(ge) 的速率鑽直徑僅(jin) 為(wei) 75 微米的孔。一個(ge) 紅外皮秒激光器鑽直徑僅(jin) 30微米的孔沒有問題，並且根據材料的不同，它可以在任意位置每秒多鑽 1，000 個(ge) 的孔。

　　但激光最大的優(you) 勢也許還是它的精度。為(wei) 了確保每條帶上麵和下麵的完美匹配，鑽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(wei) 即使電路中的一個(ge) 不良接觸，就足以使得電路板成為(wei) 廢品。因此，通快為(wei) TruMicro 激光器開發精確、可靠的控製技術。其獲得專(zhuan) 利的雙反饋閉環控製係統監視每個(ge) 單獨的皮秒脈衝(chong) ，並保持輸出和脈衝(chong) 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(ge) 外部調製器實現的，該調製器將增大脈衝(chong) 從(cong) 功率調節分離，從(cong) 而確保係統始終提供精確的以及所需水平的功率和脈衝(chong) 能量，而同時保持恒定的光束質量和脈衝(chong) 持續時間。

掌握小型化

　　半導體(ti) 行業(ye) 正在涉足更微小的領域，小型化的趨勢預計將持續多年。事實上，研究人員已經在為(wei) 用單個(ge) 原子製造集成電路的概念而工作。可以肯定的是：無論是現在還是未來，隻有對最實用的工具 —— 激光充滿信心，我們(men) 才可能完全掌握微米和納米世界。