照亮半導(dǎo)體創(chuàng)新之路

上海2024年9月5日/美通社/ -- 全球半導(dǎo)體行業(yè)正處于爆炸性增長(zhǎng)的軌道上，預(yù)計(jì)到2030年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到驚人的1萬(wàn)億美元（2023年超過(guò)5000億美元）。這種擴(kuò)張主要由微處理器的持續(xù)小型化和不斷增強(qiáng)的性能所推動(dòng)。每一代更小、更強(qiáng)大的芯片都使得全新的技術(shù)成為可能，同時(shí)也降低了現(xiàn)有應(yīng)用的成本。這創(chuàng)造了一個(gè)"良性循環(huán)"，其中芯片技術(shù)的改進(jìn)帶來(lái)了新的產(chǎn)品和服務(wù)，進(jìn)而推動(dòng)對(duì)更先進(jìn)半導(dǎo)體的進(jìn)一步需求。

如今，有幾個(gè)關(guān)鍵行業(yè)在很大程度上推動(dòng)了這種需求。一個(gè)是汽車行業(yè)，汽車正在成為一種裝有輪子的智能手機(jī)，重點(diǎn)在于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣化以及增加車輛自動(dòng)化的計(jì)算能力。另一個(gè)推動(dòng)增長(zhǎng)的領(lǐng)域是高性能計(jì)算，主要是為了滿足人工智能（AI）和云計(jì)算不斷擴(kuò)展的需求。隨著這些市場(chǎng)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)激增帶來(lái)的無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施需求也隨之出現(xiàn)，功率半導(dǎo)體和處理器在網(wǎng)絡(luò)基站和最終用戶解決方案（如智能手機(jī)、家庭以及辦公室計(jì)算）中占據(jù)主導(dǎo)地位。最后，半導(dǎo)體在工業(yè)市場(chǎng)，如工廠自動(dòng)化、物流等方面也發(fā)揮著巨大作用。對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)，盡管相對(duì)于其他行業(yè)，特別是汽車和高性能計(jì)算行業(yè)，其增長(zhǎng)相對(duì)較低，但這是一個(gè)非常穩(wěn)定和可持續(xù)的市場(chǎng)。

所有這些市場(chǎng)都要求在采用特定工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的晶圓廠中制造集成電路(IC)。通常，大多數(shù)工業(yè)和汽車電子解決方案采用成熟的工藝節(jié)點(diǎn)，即28 nm或更大尺寸，而高性能計(jì)算和無(wú)線解決方案則需要最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。

無(wú)論技術(shù)節(jié)點(diǎn)如何，Coherent高意都有解決方案，可以在IC制造的前端和后端多個(gè)工藝步驟中提供激光器、光學(xué)元件和材料。以下是對(duì)一些關(guān)鍵工藝步驟的回顧…

實(shí)現(xiàn)極紫外（EUV）光刻

光刻是半導(dǎo)體制造中的核心工藝，將掩模上的電路圖案投影到硅片上的感光層上，以創(chuàng)建實(shí)際的器件（例如晶體管）結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光刻使用248 nm或193 nm的準(zhǔn)分子激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一工藝。這些激光器已經(jīng)將半導(dǎo)體行業(yè)帶到了"10 nm工藝節(jié)點(diǎn)"（節(jié)點(diǎn)是與電路元件最小特征尺寸相關(guān)的術(shù)語(yǔ)）。然而，為了實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸，基于物理學(xué)常識(shí)，需要使用更短波長(zhǎng)的光。

極紫外光刻（EUV）代表了這一領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步。EUV光刻技術(shù)使用波長(zhǎng)約為13.5 nm的光。這使得芯片制造商能夠達(dá)到7 nm、5 nm、3 nm和2 nm工藝節(jié)點(diǎn)。

要產(chǎn)生這種極紫外光，一個(gè)高功率的紅外CO?激光器照射一束微小的熔融錫滴液。激光使錫蒸發(fā)并形成等離子體（一種氣體，其電子從原子中被剝離出來(lái)）。這種等離子體發(fā)射極紫外光。

產(chǎn)生并傳輸極紫外光的過(guò)程是極其復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的，需要令人難以置信的精確度，以及在極端條件下確?？煽窟\(yùn)行?？煽啃允顷P(guān)鍵，因?yàn)榘雽?dǎo)體制造工廠一旦出現(xiàn)宕機(jī)，每小時(shí)可能造成數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)美元的損失。

圖：Coherent高意為EUV光刻工具提供眾多光學(xué)元件，包括金剛石窗口、CdTe激光調(diào)制器和ZnSe激光光學(xué)元件。

EUV光刻設(shè)備中的CO?激光器和光束傳輸系統(tǒng)包含許多光學(xué)元件，如透鏡和鏡片。當(dāng)然，Coherent高意（原II-VI）自20世紀(jì)70年代以來(lái)一直是紅外光學(xué)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)桿。這是公司的立業(yè)之本，沒(méi)有人比我們更了解這項(xiàng)技術(shù)。這就是為什么我們是EUV CO?激光系統(tǒng)中CO?激光光學(xué)元件的主要供應(yīng)商。

EUV系統(tǒng)中另一個(gè)重要的光學(xué)元件是金剛石窗口。這些窗口用于密封激光系統(tǒng)，保護(hù)其內(nèi)部各種模塊免受環(huán)境影響，同時(shí)允許極高功率的CO?激光無(wú)衰減地通過(guò)。

雖然ZnSe材料通常用于制作CO2激光波長(zhǎng)和EUV系統(tǒng)中的保護(hù)窗口，但在一些要求極為苛刻的位置，金剛石材料窗口更受青睞，原因有幾個(gè)。一個(gè)主要原因是金剛石在極高激光功率水平下具有低熱透鏡效應(yīng)。熱透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光束畸變、像差和焦點(diǎn)位置變化，所有這些都會(huì)影響系統(tǒng)性能。

此外，金剛石在所有已知材料中具有最高的熱導(dǎo)率，低熱膨脹系數(shù)（CTE），以及非凡的高硬度。這意味著金剛石可以處理高功率的激光光束，最小限度地畸變或惡化。并且，它可以承受并有效散發(fā)由吸收激光引起的任何加熱。

得益于我們的垂直整合制造能力，Coherent高意是這些大面積多晶金剛石窗口的主要供應(yīng)商。我們使用化學(xué)氣相沉積（CVD）在我們的反應(yīng)器中生長(zhǎng)金剛石晶體，這些反應(yīng)器基于我們自己的專有設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)。這使我們能夠精準(zhǔn)控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程，確保EUV光刻系統(tǒng)窗口所需特性。

我們的專業(yè)技能還包括為EUV光刻系統(tǒng)制造結(jié)構(gòu)機(jī)械組件。這些組件由特殊的陶瓷材料制成，如反應(yīng)鍵合碳化硅（RB-SiC）。

RB-SiC具備卓越的機(jī)械和熱穩(wěn)定性，使其非常適合用于檢測(cè)、計(jì)量和光刻等半導(dǎo)體應(yīng)用。支撐EUV光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，只有使用這種RB-SiC陶瓷才能實(shí)現(xiàn)。

Coherent高意綜合使用傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝和新開(kāi)發(fā)的增材制造技術(shù)生產(chǎn)RB-SiC。采用這些方法，可以生產(chǎn)出大型和復(fù)雜的形狀，達(dá)到接近完美的純幾何外形，僅需要極少的后續(xù)精密加工。這些大型光學(xué)組件結(jié)構(gòu)支撐EUV設(shè)備內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，即使在惡劣的高功率等離子體源環(huán)境中，也能確保系統(tǒng)保持精確的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。

為什么小型集成電路為檢測(cè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)

晶圓檢測(cè)——在生產(chǎn)過(guò)程中識(shí)別缺陷的工藝——自從半導(dǎo)體行業(yè)初期就非常重要，并且隨著每一代芯片的推出而變得越來(lái)越關(guān)鍵。這是因?yàn)殡S著工藝節(jié)點(diǎn)尺寸的每一次減小，芯片架構(gòu)變得更加復(fù)雜，包括新材料的引入，以及更小、更精密的特征。這些進(jìn)步拓展了性能邊界，卻也為新型缺陷的產(chǎn)生創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。而在如此小的尺度上執(zhí)行工藝，即使是晶圓上最微小的缺陷也可能導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作。

因此，制造商必須在每個(gè)工藝步驟后進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，以便盡早發(fā)現(xiàn)缺陷。進(jìn)行這些檢測(cè)有助于優(yōu)化良率（每片晶圓的可用芯片）、吞吐率（生產(chǎn)速度）以及最終的盈利能力。

圖：更小的電路特征顯著增加了檢測(cè)需求，這通常最好使用激光來(lái)實(shí)現(xiàn)。

激光器是晶圓檢測(cè)的理想工具，自半導(dǎo)體行業(yè)初期就開(kāi)始使用。這是因?yàn)榧す鈾z測(cè)是一種非接觸方法，提供了無(wú)與倫比的靈敏度和速度。此外，激光的通用性極高，可以被優(yōu)化用以執(zhí)行各種不同的檢測(cè)任務(wù)。

二十年前，當(dāng)晶體管尺寸為110 nm或更大時(shí)，可見(jiàn)光波段綠光激光器（532 nm）和紫外（UV）激光器足以勝任缺陷檢測(cè)。隨著電路特征尺寸縮小，需要使用更短的激光波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)越來(lái)越小的缺陷。這種轉(zhuǎn)變推動(dòng)了行業(yè)向深紫外（DUV）激光方案發(fā)展，Coherent高意在2002年推出了開(kāi)創(chuàng)性的Azure激光器（266 nm）來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

隨著行業(yè)向更小的節(jié)點(diǎn)尺寸發(fā)展，對(duì)檢測(cè)激光器的要求變得更加嚴(yán)格。幸運(yùn)的是，這與我們的核心優(yōu)勢(shì)完全一致。我們與先進(jìn)的晶圓廠設(shè)備制造商保持密切合作，確保我們的產(chǎn)品不僅滿足當(dāng)今的半導(dǎo)體制造工藝需求，而且可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)。因此，無(wú)論是現(xiàn)在還是未來(lái)，Coherent高意致力于幫助半導(dǎo)體制造商克服檢測(cè)工藝的挑戰(zhàn)。

用于后端工藝制造的光

半導(dǎo)體"后端"工藝是指在晶圓上完全形成電路后所需的工藝。它們包括晶圓劃片、器件剝離和先進(jìn)封裝。雖然這些步驟的精度要求不及晶圓制造的"前端"工藝，但仍然非常有挑戰(zhàn)性。隨著電路尺寸變得更小，引入新材料，以及封裝方式變得更加復(fù)雜，后段工藝也變得越來(lái)越精密。

圖：集成電路主要的生產(chǎn)步驟

Coherent高意滿足這些需求的一種方式是使用超短脈沖（USP）激光器，這些激光器非常適用于晶圓劃片、鉆孔和分板工藝。Coherent高意還提供一系列激光器和光學(xué)元件，以解決先進(jìn)封裝中許多基于激光的應(yīng)用，包括印刷電路板（PCB）和基板鉆孔、鍵合、剝離和打標(biāo)。這些激光器提供了必要的精度—最重要的是，避免損傷熱敏感電路—從而不影響工藝速度或效率。此外，它們適用于包括金屬、半導(dǎo)體和有機(jī)物等多種材料的加工。

Coherent高意還提供創(chuàng)新的陶瓷材料，這些材料用于制造前端和后端工藝設(shè)備。像金屬基復(fù)合材料這樣的陶瓷結(jié)合了鋼的強(qiáng)度和鋁的輕盈，可提供高性能、快速運(yùn)行機(jī)器人系統(tǒng)所需的必要?jiǎng)偠群蜔釋?dǎo)率。隨著行業(yè)向更快的生產(chǎn)節(jié)拍推進(jìn)，以及為了滿足對(duì)智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的消費(fèi)者需求，確保設(shè)備能夠在不犧牲精度的情況下以更高速度運(yùn)行，這一點(diǎn)尤為重要。

Coherent高意：助力您創(chuàng)新和成功的合作伙伴

迄今為止，我們專注于為半導(dǎo)體設(shè)備制造商提供兼具創(chuàng)新技術(shù)及高性能的產(chǎn)品。也有其他公司可以提供高性能產(chǎn)品。通常，我們的客戶選擇Coherent高意不僅僅是因?yàn)檫@個(gè)原因。

其中一個(gè)是使用成本。在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中，與產(chǎn)品相關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本通常對(duì)用戶來(lái)說(shuō)比其原始購(gòu)買價(jià)格更為重要。這有幾個(gè)原因。

首先是宕機(jī)時(shí)間，前面已經(jīng)提到過(guò)。半導(dǎo)體產(chǎn)線中，即使短暫的計(jì)劃外宕機(jī)，其造成的損失也可能比大多數(shù)設(shè)備的原始購(gòu)買價(jià)格高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭脩艄?jié)省資金，確保滿足生產(chǎn)計(jì)劃。

第二個(gè)原因是操作一致性和穩(wěn)定性。半導(dǎo)體制造有許多步驟。在這些步驟中，設(shè)備操作的任何變化，都可能以一種不會(huì)被立即注意到的方式改變正在生產(chǎn)中電路的特性。這意味著在問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)之前，制造商可能已經(jīng)生產(chǎn)一段時(shí)間的次品了。這就會(huì)造成廢品或返工，而這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致高昂的成本損失且耗時(shí)長(zhǎng)久。

因此，設(shè)備制造商優(yōu)先考慮那些在技術(shù)方面深入專業(yè)并有著悠久成功歷史的供應(yīng)商。能夠提供符合規(guī)格的產(chǎn)品、按時(shí)交付并在苛刻的半導(dǎo)體制造環(huán)境中表現(xiàn)始終如一，這樣的公司更容易獲得設(shè)備制造商的青睞與之合作。Coherent 高意在這些方面脫穎而出，幾十年來(lái)一直保持著超出預(yù)期的業(yè)績(jī)記錄。

隨著技術(shù)變革的步伐加快，另一個(gè)因素也出現(xiàn)了。半導(dǎo)體設(shè)備制造商尋求那些擁有大量?jī)?nèi)部資源和運(yùn)營(yíng)規(guī)模，并且承諾會(huì)在技術(shù)上進(jìn)行重大投資的供應(yīng)商。這些考慮是非常必要的，半導(dǎo)體行業(yè)在制造越來(lái)越小的集成電路，設(shè)備制造商必須保持工藝設(shè)備的持續(xù)創(chuàng)新周期。

圖：Coherent高意的客戶可以放心，我們有一個(gè)長(zhǎng)期服務(wù)的承諾。

他們還想知道供應(yīng)商可能會(huì)在未來(lái)幾十年內(nèi)持續(xù)經(jīng)營(yíng)，提供服務(wù)并維持備件供應(yīng)。而且，說(shuō)到服務(wù)，他們希望無(wú)論何時(shí)何地需要，都能立即提供服務(wù)。Coherent高意的規(guī)模和穩(wěn)定性，以及我們龐大的全球服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，讓我們的客戶對(duì)我們能夠在今后的日子里履行所有這些承諾充滿信心。

審核編輯 黃宇