通快激光 进博剧透 | 光刻机硅上“雕花”,“刀”从哪来?

国际金属加工网 2021年10月08日

一票难求的进博会还有 30 天就要到了,相信大家都期盼已久。下面让小编提前给大家透露下本次进博会通快的展品之一--EUV 种子光模型,让最亮的光照亮最靓的展

EUV 光刻是以波长为 10-14nm 的极紫外光作为光源的芯片光刻技术,简单来说,就是以极紫外光作“刀”,对芯片上的晶圆进行雕刻,让芯片上的电路变成人们想要的图案。如今,世界上最先进的 EUV 光刻机可以做到的“雕刻精度”在 7nm 以下,比一根头发的万分之一还要细。华为自主研发设计的麒麟 990 芯片,采用的就是 7nm Plus EUV 工艺。该技术的核心之一正是激光脉冲,通快公司是目前全球唯一一家能够供应 EUV 光刻用激光放大器的厂商。

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图1:半导体光刻机的核心是通快激光放大器

提到极紫外光刻(EUV),人们倾向于把注意力集中在芯片工艺和光刻设备,但是他们往往会忽略另一个重要的方面:光从哪儿来?

EUV 光刻技术已经发展了 20 多年,直到几年前这种技术是否能够进入工业化芯片生产还是一个开放性的问题。在研究过程中,人们发现所有悬而未决的技术挑战中极紫外光是最大的难题。

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图2:光从哪儿来

让我们看一下 EUV 光刻整个过程的示意图(图1):

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第一步:

CO2 激光脉冲被放大到非常高的功率,输出超过 30kW 平均脉冲功率的激光数,其脉冲峰值功率可高达几兆瓦;

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第二、三步:

不断滴下的锡珠被激光束击中成为一个发光的等离子体,发射出波长为 13.5 nm 的 EUV 光;

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第四、五步:

极紫外光聚焦后,通过反射透镜首先传输到光刻掩模上,然后照射到晶圆基片上。

对于每一个步骤,都需要非常复杂的技术,接下来让我们聚焦激光脉冲是如何产生以及如何放大的(第1-3步)的?

首先,我们需要产生短脉冲激光光束作为种子光,然后让它经过多级放大。实际上会有两个脉冲——预脉冲和主脉冲。预脉冲首先击中锡珠,使它变成正确的形状;然后主脉冲将压扁的锡珠转化为等离子体,从而发射出珍贵的 EUV 光。

这里的难点在于放大阶段会不断增加它的功率,但必须确保两个光束在锡珠上有正确的光学性能,尤其是正确的聚焦。每束脉冲激光都由非常微小的、紧凑的光粒子组成,紧紧地抛向锡珠。为了正确地击中它们的目标,它们必须在正确的瞬间到达,不能过早或过晚;否则,冲击力将无法压平锡珠。在最坏的情况下,第二道激光脉冲射出的子弹没有击中目标,EUV 就会失败。

以上过程每秒钟进行五万次。

为了让激光束以极大的功率稳定传输,系统的复杂性可想而知。

事实上,EUV 激光系统由大约 45 万个零件组成,重约 17 吨。为了确保这些零件正确组装,仅检查标准就多达 1000 多条,这还不包括模块和子模块额外的预检标准。

从种子光发生器到锡珠有 500 多米的光路,这对所有零部件都提出了非常苛刻的要求,尤其是系统中包含的 400 多个光学元器件。  


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图3:EUV 激光系统由大约 45 万个零件组成,重约 17 吨,线缆长度超过 7000 米

作为该系统的光源,该激光器产生的等离子体温度为 22 万℃,比太阳表面的温度高 30 至 40 倍。

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图4:CO2 激光器中的受激混合气体发出独特的红光——这就是 EUV 光最初的来源

绝不是靠运气!

EUV 需要很长时间才能达到市场成熟度。事实上,EUV 光刻技术开发者所面临的问题是如此的多样和新颖,以至于没有合作伙伴。单靠一家公司的力量是无法解决的,掌握这一高度复杂的技术并将其付诸实施,需要一个由具有不同专业技能的研究人员和开发人员组成的完整网络。

通快(TRUMPF)已经在 EUV 光刻激光发生系统上投入了超过 15 年。2005年与美国 Cymer 公司开始合作,并在 2013 年 ASML 收购 Cymer 公司后继续合作。在这段时间里,通快为此专门成立了一个独立的子公司——通快半导体制造激光系统公司(TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing),该子公司拥有超过 500 名员工,专门负责开发和生产 EUV 激光器。

这种持久的关系是今天 EUV 光刻机实现工业化生产的关键。

凭借通快在 EUV 极紫外光刻方面的突出贡献,荣获了 2020 年德国科学成就领域最高荣誉——德国未来奖,该奖项旨在表彰在技术、工程和生命科学领域取得的特殊成就。2020 年 11 月 25 日,德意志联邦总统弗兰克-瓦尔特-施泰因迈尔在柏林维尔蒂音乐厅向通快颁发了该奖项。

图5:通快参与研发的 EUV 光刻技术荣获 2020 德国未来奖

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通快(中国)有限公司

地址:江苏太仓市南京东路68号

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网址:www.trumpf.cn

(通快)

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