通快第三代激光系统技术分享丨做别人做不到的事情！

激光是一束光，引导我们进入一个更加光明的未来。没有光，蓬勃发展的电子产品行业将停滞不前。

什么时候我们认为已经达到边界？什么时候我们认为“小”已经非常的小，更小的东西根本就不可能？今天智能手机是一个永无止境的信息源泉，它们可以帮助我们实时比较价格；将我们与朋友联系起来；为我们导航通过陌生的区域，并且可以轻松更换数码相机。那么明天的智能手机是什么样子呢？它可能戴在你的手腕或者鼻梁上，也许在你的耳朵里，甚至在视网膜上。在任何情况下，它都会与身体相联系，并通过手势和语言控制。这听起来有点像科幻小说，但它的确正在我们的现实生活中实现。

为了尽快将这个愿景推向市场，智能手机的核心芯片需要变得更加强大。只有当电路可以做得更小时，才有可能进一步实现芯片的强大。

全球半导体领导者之一的英特尔联合创始人戈登·摩尔，早在 1965 年就意识到芯片上可容纳元器件的数目约每 18 个月就会增加一倍。这个预测被称为摩尔定律，现在仍然继续推动着半导体制造行业的发展。半导体制造企业耗资数十亿美元正在进行一场为了能够在芯片组内部的半导体上封装更多晶体管的战斗，为了实现这一目标，我们需要更多的光！

芯片上封装 100 亿晶体管

芯片诞生于光刻机的光照。在那里，集成电路的微图像投射到硅晶片上曝光光刻胶层。阿贝分辨极限决定了光源不能复制比自己波长小的任何结构。但这并不意味着这一限值是不可逾越的。目前光刻机的工作波长为 193 纳米，但依然可以产生约 20 纳米的结构尺寸，从而达到超出阿贝极限的性能。这是芯片制造企业用各种技巧和方法完成的噱头。

然而，随着使用光源的限制，我们正在缓慢但是毫无疑问地接近技术可行性的极限。20 多年前，半导体行业将 EUV (极紫外)光刻工程称为最有可能在芯片的各个层面上雕刻最小结构的方案。该项目的目标是开发波长为 13.5 纳米的极紫外光（EUV）稳定光源。这是因为在这种技术的帮助下，芯片的结构可能会小于 10 纳米。反过来，这意味着超过一百亿个晶体管就可以安装在一个单芯片上了。

真空中闪烁的光

但这并不是那么简单。EUV 光刻技术的一个重要挑战是如何产生只有 13.5 纳米的光，EUV 光源必须达到数百瓦的功率才能在光学系统内进一步处理，等离子源已被证明是目前唯一可用的解决方案。

通过聚焦高强度激光辐射或高能量放电产生等离子体，锡和氙适合用作输入材料，激光产生等离子体（LLP）正成为主要的方案。这个过程背后的想法听起来很简单：发生器将锡滴按照 50 千赫兹的速度喷射到真空室中，而激光脉冲会在这些液滴速度加快时撞击它们，因此激光每秒钟撞击 50,000 个锡滴，锡原子被电离并产生高强度等离子体。收集器采用多重反射结构设计，用来捕捉等离子体发出的 EUV 光，EUV 光被聚焦并最终被转移到光刻系统以曝光衬底。


用于此应用的激光脉冲由通快脉冲式 CO2 激光放大器提供。该激光放大器基于连续 CO2 激光器的技术，其性能超过 10 千瓦。在五个放大器共同作用下，它可以将平均功率仅数瓦的 CO2 激光脉冲提高超 10,000 倍，输出超过 30 千瓦的平均脉冲功率。然而，脉冲峰值功率可以达到数兆瓦。

为了获得理想的结果，激光脉冲必须尽可能广泛地触及锡滴。但是锡滴比激光聚焦的焦点还要小。因此，激光不能将 30 千瓦的能量全部传递给锡滴。为了达到这个目的，激光放大器采用了一种巧妙的方法。它发出一个预脉冲和一个主脉冲，一个紧跟在另一个之后。预脉冲以低功率激光脉冲撞击锡滴，锡原子电离并且产生等离子体膨胀，紧随其后的主脉冲以全部脉冲能量撞击等离子体云。正中靶心！

小心地选择波长

但为什么选择 13.5 纳米这个看似任意的波长？有两个原因。首先，源光束在该波长处呈现出强烈的辐射线条，这意味着特别高的辐射输出。这是因为在这个波长处，锡等离子体中的辐射线非常强。在这里，重要的是要记住等离子体离散的辐射线。其次，只有 13.5 纳米的波长才能制造出所需的足够高反射率进行光学成像的系统。折射光学元件（例如透镜） 吸收该波长。这就是 EUV 系统专门用反射光学元件的原因。非常短的波长也是整个过程必须在真空中进行传输的原因，因为空气也会吸收 EUV 辐射光。



任何寻找替代 EUV 光刻相关技术的人都会发现，真的没有一个能满足用户的要求。优化先前的基于 193 纳米波长激光束的技术使得在曝光衬底时成像更小的结构成为可能。例如，通过多重曝光（多重图案化）每个曝光步骤执行两次或四次完成。多重步骤的成本很高，因此越来越不经济。



另一种选择是浸泡，使用更高折射率的水。在此期间，使用常规方法创建小至约 20 纳米的结构是可能的，这也代表了经济化下的最小尺寸。通俗地说这意味着：对于半导体行业，激光的 EUV 光刻将成为继续创造更小结构的唯一途径，从而为芯片提供更高的性能。

目标触手可及

现在这个未来的基础已经奠定。自 2014 年初以来，通快已将其第三代激光系统交付给荷兰的 ASML，全球唯一的 EUV 光刻系统制造商。这些系统现在每小时可以处理超过 100 片晶圆，足以满足全球多家芯片制造商正在准备的大规模生产应用。毕竟，EUV 光刻不仅在技术上，而且在经济上对于客户来说都是成功的。

这也意味着芯片制造商正越来越接近制造出个位数纳米级芯片结构。而一旦我们做到了，我们依然不会达到所谓的最小型化。这就是为什么我们想推迟回答何时“小”是最小的问题——只要没有更小的可能性时。我们即将做到以前办不到的事情！