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激光微加工技术用于半导体纳米芯片

作者:admin 来源:未知 点击:192 更新时间:2019-04-03

 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(GordonMoore)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。

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