半导体制造的关键：晶圆检测技术的演变与突破，高意Azure激光器助力一一应对

时间： 2024-12-26 来源：Coherent高意激光公众号

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NASA 用于登月的阿波罗制导计算机（AGC）于20世纪60年代制造，当时耗资约1.5 亿美元（按今日币值计算约为10亿美元）。它的体积大约相当于一台微波炉，重量约为32公斤。

如今，一款顶配的iPhone 15售价1600美元，可以轻松握在手中。而且，就每秒可执行的运算数量而言，这款iPhone的性能比AGC强大约2亿倍。

英特尔联合创始人戈登·摩尔曾预测微处理器性能会提升。他提出，微芯片上的晶体管数量大约每两年会翻一番。而此处提到的对比也凸显了摩尔定律的一个重要推论，有时被称为摩尔第二定律。即，单位美元所能买到的微处理器性能也会随时间呈指数级增长。

摩尔第一定律和第二定律都经住了时间的考验，因为半导体行业一直在同时努力实现两个不同的目标。一是让电路元件和组件变得更小。第二是不断降低成本。

半导体制造的一个关键成本因素是良率，而影响良率的一个重要因素是生产环境中的缺陷和污染物。为了减少缺陷，制造商在设备方面投入了大量资金，例如，打造无尘室环境，从源头就防止污染。此外，他们还部署了先进的检测技术，用于探测缺陷并最大限度地减少由已发生缺陷产生的影响，从而确保最佳良率和成本效率。

晶圆检测中的激光技术

激光是半导体检测的理想手段，因为它是一种非接触式方法，兼具无与伦比的灵敏度和速度。此外，激光具有高度通用性，经过优化后可执行各种不同的检测任务。

因此，从微电子工业早期开始，激光就被用于检测。20世纪60年代末，激光技术刚投入市场后不久，就已被用于测量晶圆平整度和厚度等计量任务。

20 世纪 80 年代，随着半导体器件变得更小、更复杂，业界开始采用其他基于激光的检测方法。这类检测方法将激光束对准晶圆表面，并分析返回的光用以检测缺陷，比如Particle、划痕和图案偏差。这一时期见证了更复杂的激光检测系统发展，这些系统能够检测越来越小的缺陷，这对高质量的半导体制造来说至关重要。

在接下来的几十年里，随着散射测量法和其他先进计量技术的引入，基于激光的检测方法取得了重大进步。散射测量法采用激光分析从晶圆表面反射的光模式，从而能够检测到以前无法探测到的细微缺陷。

为何集成电路小型化给检测带来巨大挑战

随着每一代芯片的演进，晶圆检测变得越来越关键且更具挑战性。随着工艺节点尺寸的减小，芯片架构变得更加复杂，包括引入新型材料，以及更小、更精密的特征。这些进步拓展了性能边界，却也为新型缺陷的产生创造了机会。工作在这么小的尺度下，即使是晶圆上最微小的缺陷也可能导致芯片功能失效。

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

更小的电路特征尺寸显著增加了检测需求，采用激光检测技术通常是最好的方案。

这里需要理解的一个关键概念是，要挑战缺陷检测的极限，需要使用波长更短的激光。这是因为，对于待检测的电路特征或缺陷，光散射的效率取决于光波长与其尺寸之间的相互关系。当特性尺寸远小于光波长时，散射效率会降低，这些特性或缺陷发出的信号会减弱。这意味着无法检测到缺陷，至少在大批量半导体制造的相关工艺时间范围内无法检测到。

由于光散射和缺陷尺寸之间的关系，需要使用波长更短的激光来检测更小的缺陷。目前，266纳米波长的激光被用于执行最严苛的晶圆检测任务。

二十年前，当晶体管尺寸为110 nm或更大时，可见光波段绿光激光器（532 nm）和紫外（UV）激光器足以胜任缺陷检测。随着电路特征尺寸缩小，需要使用波长更短的激光来检测越来越小的缺陷。这种转变推动了行业向深紫外（DUV）激光方案发展。

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。该激光器利用光泵浦半导体 (OPS) 技术产生绿光，然后通过倍频技术输出深紫外光（266纳米）。

Azure 激光器能够输出单色且频率稳定的连续波（CW）。凭借其波长范围窄、功率高、噪声低、极高稳定性的特点，Azure 激光器能够高速可靠地检测出微小缺陷，满足高吞吐率半导体制造的要求。

Coherent 高意能够制造出高性能、高寿命、高可靠性的深紫外激光器并因此脱颖而出。之所以能做到这一点，有以下原因：

首先，我们自行生产非线性晶体。激光工作在深紫外波段，需要使用制造精度极高的高质量晶体。为满足倍频晶体所需的品质水平，我们唯一的选择是自己生产。

其次，我们在激光器内部的光学底座上采用了专利PermAlign结构。这些底座具备卓越的长期稳定性，这意味着无需对其做后续调整。PermAlign 底座使我们能够密封激光谐振腔。对于谐振腔，任何从外部进入的环境污染物都可能影响激光器性能，PermAlign 底座是实现有效预防的关键措施。此外，激光器最初是在无尘室条件下使用半自动方法装配的，这避免了在源头造成污染。并确保了各台激光器之间的高度一致性。

对工艺过程中的晶圆吸盘进行部件合格性（通过/不通过）检查。

晶圆检测的另一个要求是高速运动和部件处理机制，以及极其稳定的表面（以最大限度地减少测量噪音）。我们为工作台和其他工具提供反应烧结碳化硅(RBSiC)，该材料具备低热膨胀系数（CTE）、高强度和高强度重量比等独特优势，能够满足最严苛的检测系统需求。

未来展望

随着半导体行业向更小的节点尺寸发展，对检测工艺使用的激光器要求变得更加严格。

幸运的是，这与我们的核心优势完全一致。我们与先进的半导体设备制造商保持密切合作，确保我们的产品不仅满足当今的半导体制造工艺需求，而且可以预见未来。

因此，无论是现在还是未来，Coherent高意致力于帮助半导体制造商克服检测工艺的挑战。

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