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)正處于爆炸性增長的軌道上，預(yù)計到2030年市場規(guī)模將達到驚人的1萬億美元（2023年超過5000億美元）。這種擴張主要由微處理器的持續(xù)小型化和不斷增強的性能所推動。每一代更小、更強大的芯片都使得全新的技術(shù)成為可能，同時也降低了現(xiàn)有應(yīng)用的成本。這創(chuàng)造了一個"良性循環(huán)"，其中芯片技術(shù)的改進帶來了新的產(chǎn)品和服務(wù)，進而推動對更先進半導(dǎo)體的進一步需求。
如今，有幾個關(guān)鍵行業(yè)在很大程度上推動了這種需求。一個是汽車行業(yè)，汽車正在成為一種裝有輪子的智能手機，重點在于動力傳動系統(tǒng)的電氣化以及增加車輛自動化的計算能力。另一個推動增長的領(lǐng)域是高性能計算，主要是為了滿足人工智能（AI）和云計算不斷擴展的需求。隨著這些市場的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)激增帶來的無線基礎(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、家庭以及辦公室計算）中占據(jù)主導(dǎo)地位。最后，半導(dǎo)體在工業(yè)市場，如工廠自動化、物流等方面也發(fā)揮著巨大作用。對于半導(dǎo)體行業(yè)，盡管相對于其他行業(yè)，特別是汽車和高性能計算行業(yè)，其增長相對較低，但這是一個非常穩(wěn)定和可持續(xù)的市場。
所有這些市場都要求在采用特定工藝技術(shù)節(jié)點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，即28 nm或更大尺寸，而高性能計算和無線解決方案則需要最先進的節(jié)點。
無論技術(shù)節(jié)點如何，Coherent高意都有解決方案，可以在IC制造的前端和后端多個工藝步驟中提供激光器、光學(xué)元件和材料。以下是對一些關(guān)鍵工藝步驟的回顧…
實現(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)分子激光器來實現(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"（節(jié)點是與電路元件最小特征尺寸相關(guān)的術(shù)語）。然而，為了實現(xiàn)更小的特征尺寸，基于物理學(xué)常識，需要使用更短波長的光。
極紫外光刻（EUV）代表了這一領(lǐng)域的一個關(guān)鍵進步。EUV光刻技術(shù)使用波長約為13.5 nm的光。這使得芯片制造商能夠達到7 nm、5 nm、3 nm和2 nm工藝節(jié)點。
要產(chǎn)生這種極紫外光，一個高功率的紅外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）。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保可靠運行。可靠性是關(guān)鍵，因為半導(dǎo)體制造工廠一旦出現(xiàn)宕機，每小時可能造成數(shù)十萬甚至數(shù)百萬美元的損失。
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，沒有人比我們更了解這項技術(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)，保護其內(nèi)部各種模塊免受環(huán)境影響，同時允許極高功率的CO?激光無衰減地通過。
雖然ZnSe材料通常用于制作CO2激光波長和EUV系統(tǒng)中的保護窗口，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。一個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)會導(dǎo)致光束畸變、像差和焦點位置變化，所有這些都會影響系統(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)器中生長金剛石晶體，這些反應(yīng)器基于我們自己的專有設(shè)計和工藝技術(shù)。這使我們能夠精準(zhǔn)控制晶體生長過程，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具備卓越的機械和熱穩(wěn)定性，使其非常適合用于檢測、計量和光刻等半導(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陶瓷才能實現(xiàn)。
Coherent高意綜合使用傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝和新開發(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)對準(zhǔn)。
為什么小型集成電路為檢測帶來巨大挑戰(zhàn)
晶圓檢測——在生產(chǎn)過程中識別缺陷的工藝——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越關(guān)鍵。這是因為隨著工藝節(jié)點尺寸的每一次減小，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。這些進步拓展了性能邊界，卻也為新型缺陷的產(chǎn)生創(chuàng)造了機會。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)致芯片無法正常工作。
因此，制造商必須在每個工藝步驟后進行嚴(yán)格的檢測，以便盡早發(fā)現(xiàn)缺陷。進行這些檢測有助于優(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需求，這通常最好使用激光來實現(xiàn)。
激光器是晶圓檢測的理想工具，自半導(dǎo)體行業(yè)初期就開始使用。這是因為激光檢測是一種非接觸方法，提供了無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)行各種不同的檢測任務(wù)。
二十年前，當(dāng)晶體管尺寸為110 nm或更大時，可見光波段綠光激光器（532 nm）和紫外（UV）激光器足以勝任缺陷檢測。隨著電路特征尺寸縮小，需要使用更短的激光波長來檢測越來越小的缺陷。這種轉(zhuǎn)變推動了行業(yè)向深紫外（DUV）激光方案發(fā)展，Coherent高意在2002年推出了開創(chuàng)性的Azure激光器（266 nm）來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
隨著行業(yè)向更小的節(jié)點尺寸發(fā)展，對檢測激光器的要求變得更加嚴(yán)格。幸運的是，這與我們的核心優(yōu)勢完全一致。我們與先進的晶圓廠設(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)見未來。因此，無論是現(xiàn)在還是未來，Coherent高意致力于幫助半導(dǎo)體制造商克服檢測工藝的挑戰(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)合了鋼的強度和鋁的輕盈，可提供高性能、快速運行機器人系統(tǒng)所需的必要剛度和熱導(dǎo)率。隨著行業(yè)向更快的生產(chǎn)節(jié)拍推進，以及為了滿足對智能手機和計算機等電子設(shè)備日益增長的消費者需求，確保設(shè)備能夠在不犧牲精度的情況下以更高速度運行，這一點尤為重要。
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高意不僅僅是因為這個原因。
其中一個是使用成本。在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中，與產(chǎn)品相關(guān)的運營成本通常對用戶來說比其原始購買價格更為重要。這有幾個原因。
首先是宕機時間，前面已經(jīng)提到過。半導(dǎo)體產(chǎn)線中，即使短暫的計劃外宕機，其造成的損失也可能比大多數(shù)設(shè)備的原始購買價格高幾個數(shù)量級。因此，可靠性和正常運行時間至關(guān)重要，因為它們可以幫助用戶節(jié)省資金，確保滿足生產(chǎn)計劃。
第二個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。這意味著在問題被發(fā)現(xiàn)之前，制造商可能已經(jīng)生產(chǎn)一段時間的次品了。這就會造成廢品或返工，而這兩種情況都會導(dǎo)致高昂的成本損失且耗時長久。
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，幾十年來一直保持著超出預(yù)期的業(yè)績記錄。
隨著技術(shù)變革的步伐加快，另一個因素也出現(xiàn)了。半導(dǎo)體設(shè)備制造商尋求那些擁有大量內(nèi)部資源和運營規(guī)模，并且承諾會在技術(shù)上進行重大投資的供應(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，我們有一個長期服務(wù)的承諾。
他們還想知道供應(yīng)商可能會在未來幾十年內(nèi)持續(xù)經(jīng)營，提供服務(wù)并維持備件供應(yīng)。而且，說到服務(wù)，他們希望無論何時何地需要，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，讓我們的客戶對我們能夠在今后的日子里履行所有這些承諾充滿信心。
