照亮半导体创新之路
上海2024年9月5日/美通社/ -- 全球半导体行业正处于爆炸性增长的轨道上，预计到2030年市场规模将达到惊人的1万亿美元（2023年超过5000亿美元）。这种扩张主要由微处理器的持续小型化和不断增强的性能所推动。每一代更小、更强大的芯片都使得全新的技术成为可能，同时也降低了现有应用的成本。这创造了一个"良性循环"，其中芯片技术的改进带来了新的产品和服务，进而推动对更先进半导体的进一步需求。
如今，有几个关键行业在很大程度上推动了这种需求。一个是汽车行业，汽车正在成为一种装有轮子的智能手机，重点在于动力传动系统的电气化以及增加车辆自动化的计算能力。另一个推动增长的领域是高性能计算，主要是为了满足人工智能（AI）和云计算不断扩展的需求。随着这些市场的发展，5G网络激增带来的无线基础设施需求也随之出现，功率半导体和处理器在网络基站和最终用户解决方案（如智能手机、家庭以及办公室计算）中占据主导地位。最后，半导体在工业市场，如工厂自动化、物流等方面也发挥着巨大作用。对于半导体行业，尽管相对于其他行业，特别是汽车和高性能计算行业，其增长相对较低，但这是一个非常稳定和可持续的市场。
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采用成熟的工艺节点，即28 nm或更大尺寸，而高性能计算和无线解决方案则需要最先进的节点。
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。以下是对一些关键工艺步骤的回顾…
实现极紫外（EUV）光刻
光刻是半导体制造中的核心工艺，将掩模上的电路图案投影到硅片上的感光层上，以创建实际的器件（例如晶体管）结构。传统的半导体光刻使用248 nm或193 nm的准分子激光器来实现这一工艺。这些激光器已经将半导体行业带到了"10 nm工艺节点"（节点是与电路元件最小特征尺寸相关的术语）。然而，为了实现更小的特征尺寸，基于物理学常识，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的光。这使得芯片制造商能够达到7 nm、5 nm、3 nm和2 nm工艺节点。
要产生这种极紫外光，一个高功率的红外CO₂激光器照射一束微小的熔融锡滴液。激光使锡蒸发并形成等离子体（一种气体，其电子从原子中被剥离出来）。这种等离子体发射极紫外光。
产生并传输极紫外光的过程是极其复杂且具有挑战性的，需要令人难以置信的精确度，以及在极端条件下确保可靠运行。可靠性是关键，因为半导体制造工厂一旦出现宕机，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。
EUV光刻设备中的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。这些窗口用于密封激光系统，保护其内部各种模块免受环境影响，同时允许极高功率的CO₂激光无衰减地通过。
虽然ZnSe材料通常用于制作CO2激光波长和EUV系统中的保护窗口，但在一些要求极为苛刻的位置，金刚石材料窗口更受青睐，原因有几个。一个主要原因是金刚石在极高激光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，最小限度地畸变或恶化。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晶体，这些反应器基于我们自己的专有设计和工艺技术。这使我们能够精准控制晶体生长过程，确保EUV光刻系统窗口所需特性。
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具备卓越的机械和热稳定性，使其非常适合用于检测、计量和光刻等半导体应用。支撑EUV光学系统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高意综合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。采用这些方法，可以生产出大型和复杂的形状，达到接近完美的纯几何外形，仅需要极少的后续精密加工。这些大型光学组件结构支撑EUV设备内的光学系统，即使在恶劣的高功率等离子体源环境中，也能确保系统保持精确的光学对准。
为什么小型集成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工艺——自从半导体行业初期就非常重要，并且随着每一代芯片的推出而变得越来越关键。这是因为随着工艺节点尺寸的每一次减小，芯片架构变得更加复杂，包括新材料的引入，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。而在如此小的尺度上执行工艺，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。
图：更小的电路特征显著增加了检测需求，这通常最好使用激光来实现。
激光器是晶圆检测的理想工具，自半导体行业初期就开始使用。这是因为激光检测是一种非接触方法，提供了无与伦比的灵敏度和速度。此外，激光的通用性极高，可以被优化用以执行各种不同的检测任务。
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。
随着行业向更小的节点尺寸发展，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。
用于后端工艺制造的光
半导体"后端"工艺是指在晶圆上完全形成电路后所需的工艺。它们包括晶圆划片、器件剥离和先进封装。虽然这些步骤的精度要求不及晶圆制造的"前端"工艺，但仍然非常有挑战性。随着电路尺寸变得更小，引入新材料，以及封装方式变得更加复杂，后段工艺也变得越来越精密。
图：集成电路主要的生产步骤
Coherent高意满足这些需求的一种方式是使用超短脉冲（USP）激光器，这些激光器非常适用于晶圆划片、钻孔和分板工艺。Coherent高意还提供一系列激光器和光学元件，以解决先进封装中许多基于激光的应用，包括印刷电路板（PCB）和基板钻孔、键合、剥离和打标。这些激光器提供了必要的精度—最重要的是，避免损伤热敏感电路—从而不影响工艺速度或效率。此外，它们适用于包括金属、半导体和有机物等多种材料的加工。
Coherent高意还提供创新的陶瓷材料，这些材料用于制造前端和后端工艺设备。像金属基复合材料这样的陶瓷结合了钢的强度和铝的轻盈，可提供高性能、快速运行机器人系统所需的必要刚度和热导率。随着行业向更快的生产节拍推进，以及为了满足对智能手机和计算机等电子设备日益增长的消费者需求，确保设备能够在不牺牲精度的情况下以更高速度运行，这一点尤为重要。
Coherent高意：助力您创新和成功的合作伙伴
迄今为止，我们专注于为半导体设备制造商提供兼具创新技术及高性能的产品。也有其他公司可以提供高性能产品。通常，我们的客户选择Coherent高意不仅仅是因为这个原因。
其中一个是使用成本。在半导体业务中，与产品相关的运营成本通常对用户来说比其原始购买价格更为重要。这有几个原因。
首先是宕机时间，前面已经提到过。半导体产线中，即使短暂的计划外宕机，其造成的损失也可能比大多数设备的原始购买价格高几个数量级。因此，可靠性和正常运行时间至关重要，因为它们可以帮助用户节省资金，确保满足生产计划。
第二个原因是操作一致性和稳定性。半导体制造有许多步骤。在这些步骤中，设备操作的任何变化，都可能以一种不会被立即注意到的方式改变正在生产中电路的特性。这意味着在问题被发现之前，制造商可能已经生产一段时间的次品了。这就会造成废品或返工，而这两种情况都会导致高昂的成本损失且耗时长久。
因此，设备制造商优先考虑那些在技术方面深入专业并有着悠久成功历史的供应商。能够提供符合规格的产品、按时交付并在苛刻的半导体制造环境中表现始终如一，这样的公司更容易获得设备制造商的青睐与之合作。Coherent 高意在这些方面脱颖而出，几十年来一直保持着超出预期的业绩记录。
随着技术变革的步伐加快，另一个因素也出现了。半导体设备制造商寻求那些拥有大量内部资源和运营规模，并且承诺会在技术上进行重大投资的供应商。这些考虑是非常必要的，半导体行业在制造越来越小的集成电路，设备制造商必须保持工艺设备的持续创新周期。
图：Coherent高意的客户可以放心，我们有一个长期服务的承诺。
他们还想知道供应商可能会在未来几十年内持续经营，提供服务并维持备件供应。而且，说到服务，他们希望无论何时何地需要，都能立即提供服务。Coherent高意的规模和稳定性，以及我们庞大的全球服务基础设施，让我们的客户对我们能够在今后的日子里履行所有这些承诺充满信心。
审核编辑 黄宇
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