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极限挑战 激光在电子领域的加工

激光引导着我们进入一个更加智能的未来。没有激光,电子产业的发展将会停滞。“小”的极限什么时候才能真正意义上达到?如果我们定义的“小”在一个非常小的尺寸内,那么还会有比“小”更小的东西出现吗?如今,智能手机是一个永无止境的信息源,我们可以用它们来实时地比较价格,与朋友联络,了解不熟悉的领域,也可以用它代替数码相机来方便地拍照。

  未来的智能手机会是什么样子的呢?它可能在你的手腕上,可能在你的鼻梁上,可能在你的耳朵里,甚至可能在你的视网膜上。它将在任何情况下与你的身体紧密连接起来,甚至成为你身体的一部分,你可以通过手势和语音对它进行控制。这听起来似乎有点像科幻小说,但这却已逐渐成为现实。

  智能手机的核心芯片必须要变得更加强大。要真正实现对未来的这个愿景,其实并不遥远。对于市场,智能手机的核心芯片必须要变得更加强大。只有将电路做得更小,才有可能实现这个愿景。高登摩尔的预测经常引用这个内容。

  高登摩尔是英特尔的创始人之一,也是全球领先半导体研究的先驱。早在1965年,他就意识到固定表面区域上的晶体管数量将每18个月翻倍一次。这一预测被称为摩尔定律,推动着产业的发展。它正在发动一场战役,在每平方纳米的芯片上耗资数十亿美元。但是,为了在芯片的半导体上封装更多的晶体管,简单来说,我们需要的是:更多的光!

  一百亿个晶体管在一个芯片上一个微芯片在光刻机的光中诞生了。在那里,电路的微型图像被投射到硅晶片上,露出光刻胶层。阿贝分辨率限制意味着一个光源不能复制比自己波长小的任何结构。但是,这并不意味着这个极限是不可逾越的。

  目前,光刻装置的工作波长为193纳米,但却能产生22纳米大小的结构,远远超出阿贝分辨率的极限,我们通过各种方法将这个工艺得以实现。一个微芯片在光刻机的光中诞生然而,随着光源的使用,我们将缓慢但却必然地接近技术可行性的极限。20年前,为了在各种级别的微芯片上雕刻细微结构,半导体行业的EUV光刻技术应运而生。

  该项目的目的是为13.5纳米的极端紫外线(EUV)开发一个稳定光源。在这项技术的帮助下,它将有可能生产出小于10纳米大小的结构。反言之,这意味着超过一百亿个晶体管可以装在一个微芯片上。

  光在真空中闪烁

  但是,这一切并非都那么容易。EUV光刻技术面临的大挑战是它需要产生13.5纳米波长的光。EUV光源必须要达到数百瓦的功率才可以在光学系统内进行进一步加工。等离子源被证明是迄今为止的解决方案。

  等离子体由聚焦高强度的激光辐射或高能放电产生,采用锡和氙作为输入材料。激光产生的等离子体(LLP)已经创造了一个先例。这个过程背后的想法起初听起来相当简单。锡滴发生器使锡滴以50千赫的频率进入真空室,随着这些滴液迅速通过,激光脉冲会冲击它们。

  因此,激光每秒钟能打50000个锡滴。锡原子被离子化,并创建了高强度的等离子体。收集器采用多反射结构,捕获由等离子体发射的EUV光,将它们聚焦并最终转移到光刻系统,曝光基板。

  用于此应用的激光脉冲由脉冲型二氧化碳激光系统——通快激光放大器传送。该系统基于连续波的二氧化碳激光器技术,并能在超过万瓦的功率下工作。在五个放大器中,可以将一个只有几瓦平均功率的二氧化碳激光脉冲提高10000多倍,将平均脉冲功率提高30多千瓦。然而,脉冲峰值功率可以只达到几个兆瓦。

  为了达到园满的效果,激光脉冲必须在尽可能宽广的区域中来打锡滴。锡滴直径仅20微米,比激光的聚焦光斑小。因此,激光不能完整地将30千瓦的功率转移到锡滴。为了实现这一目标,激光放大器采用了一种巧妙的方式。


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