照亮半导体创新之路（二）：EUV光刻技术与晶圆检测的前沿挑战

时间： 2024-10-21 来源：Coherent高意激光公众号

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在前一节中，我们介绍了几个关键行业推动了对更先进半导体的需求。所有这些市场都要求在采用特定工艺技术节点的晶圆厂中制造集成电路(IC)。通常，大多数工业和汽车电子解决方案需要成熟的技术节点，即28 nm或更大，而高性能计算和无线解决方案则需要前沿节点。

无论技术节点如何，COHERENT高意都有解决方案可以在IC制造过程中的前端和后端多个工艺步骤中提供激光器、光学元件和材料。让我们一起先来看看前端制造中的这些关键步骤。

实现极紫外(EUV)光刻

光刻是半导体制造中的核心过程，涉及将掩模上的电路图案投射到硅片上的光敏层上，以创建实际的器件（例如晶体管）结构。传统半导体光刻使用248 nm或193 nm的准分子激光器来实现这一点。这些激光器已经将行业带到了“10 nm节点”（节点是与电路元件的最小特征尺寸相关的术语）。但是，为了生产更小的尺寸，基本物理学要求需要使用更短波长的光。

极紫外光刻（EUV）代表了这一领域的一个关键进步。EUV光刻技术使用波长约为13.5 nm光。这使得芯片制造商能够达到7 nm、5 nm、3 nm和2 nm节点。

要产生这种EUV光，一个高功率的红外CO₂激光器照射一束微小的熔融锡滴液。激光器蒸发锡并形成等离子体（一种电子从原子中剥离出来的气体）。这个等离子体发射EUV光。

在这一波长下产生和传递光的一切都是复杂和具有挑战性的，需要令人难以置信的精确度，以及在极端条件下的可靠运行。后者是关键，因为半导体制造厂的停机时间每小时可能造成数十万甚至数百万美元的损失。

图：Coherent高意为EUV光刻工具提供众多光学元件，包括金刚石窗口、CdTe激光调制器和ZnSe激光光学元件。

在EUV光刻工具中的CO₂激光器和光束传输系统包含许多光学元件，如透镜和镜片。当然，Coherent高意（原II-VI）自20世纪70年代以来一直是红外光学领域的行业标杆。这是公司的立业之本，没有人比我们更了解这项技术。这就是为什么我们是EUV CO₂激光系统中CO₂激光光学元件的主要供应商。

EUV系统中另一个重要的光学元件是金刚石窗口。这些窗口用于在保护激光系统内各种模块免受环境影响的同时，允许非常高功率的CO₂激光无衰减地通过。

虽然ZnSe通常用于这个波长和EUV系统中的窗口，但在一些极为苛刻的位置时，金刚石更受青睐，原因有几个。一个主要原因是金刚石在非常高的功率水平下具有低热透镜效应。热透镜效应会导致光束畸变、像差和焦点位置变化，所有这些都会影响系统性能。

此外，金刚石在所有已知材料中具有最高的热导率，低热膨胀系数（CTE），以及非凡的高硬度。这意味着金刚石可以处理高功率的激光光束，最小限度地畸变或退化。并且，它可以承受并有效散发由吸收激光引起的任何加热。

得益于我们的垂直整合制造能力，Coherent高意是这些大面积多晶金刚石窗口的主要供应商。我们使用化学气相沉积（CVD）在我们的反应器中生长金刚石，这些反应器基于我们自己的专有设计和工艺技术。这使我们能够控制晶体生长，以产生EUV光刻系统窗口所需的精确特性。

我们的专业技能还包括为EUV光刻系统制造结构机械组件。这些组件由特殊的陶瓷材料制成，如反应键合碳化硅（RB-SiC）。

RB-SiC表现出卓越的机械和热稳定性，使其非常适合用于包括检查、测量和光刻在内的广泛的半导体资本设备应用。支撑EUV光学系统的结构的稳定性至关重要，只有使用这种RB-SiC陶瓷才能实现。

Coherent高意使用传统的陶瓷制造工艺和新开发的增材制造技术生产RB-SiC。通过这些方法，可以生产出大型和复杂的形状，几乎达到净几何形状，需要很少的精密加工。大型光学组件结构支撑EUV设备内的光学系统，并确保系统即使在恶劣的高功率等离子体源环境中也能保持精确的光学对准。

为什么小型电路为检测带来巨大挑战

晶圆检测——在生产过程中识别缺陷的过程——自从半导体行业的最早时期就非常重要，并且随着每一代芯片的推出而变得越来越关键。这是因为随着节点尺寸的每一次减小，芯片架构变得更加复杂，包含新的材料和更小、更精密的特点。这些进步虽然推动了性能边界的同时，也为新的缺陷发生带来了机会。而在如此小的尺度上工作，即使是晶圆上最微小的缺陷也可能导致芯片无法正常工作。

因此，制造商必须在每个工艺步骤后进行严格的检测，以便尽早发现缺陷。进行这些检测有助于优化产量（每片晶圆的可用芯片）、吞吐量（生产速度）以及最终的盈利能力。

图：更小的电路特征显著增加了检测的需求，这通常最好使用激光器进行。

激光器是晶圆检测的理想工具，自半导体行业早期以来就用于此目的。这是因为它们是一种非接触方法，提供了无与伦比的灵敏度和速度的组合。此外，它们具有高度的多样性，并且可以被优化以执行各种不同的检测任务。

二十年前，当晶体管为110 nm或更大时，可见绿光激光器（532 nm）和紫外（UV）激光器足以检测缺陷。但缩小电路特征要求更短的激光波长来检测越来越小的缺陷。这种转变推动了行业向深紫外（DUV）激光器发展，Coherent高意在2002年推出了开创性的Azure激光器（266 nm）来应对这一挑战。

随着行业向更小的节点发展，对检测激光器的要求变得更加严格。幸运的是，这与我们的核心优势完全一致。我们与先进的晶圆厂设备制造商保持密切合作，确保我们的产品不仅满足半导体制造工艺如今的需要，而且预见了未来的需求。因此，Coherent高意助力制造商克服半导体检测的挑战，无论是现在还是未来。

结语

EUV光刻和晶圆检测技术是半导体制造中的两大核心技术。它们不仅在当前的制造流程中起到了至关重要的作用，也将在未来推动整个行业的技术进步。随着这些技术的不断发展，半导体行业将在未来的创新道路上继续前行。

照亮半导体创新之路（一）：半导体行业的未来趋势与关键市场的推动

照亮半导体创新之路（三）用于半导体后端工艺制造的光

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