读半导体简史20激光

1. 蓝光之魅

1.1. 1963年，Nick Holonyak在发明红光LED之后的第二年，离开了通用电气，回到伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)大学成为一名教授

1.2. 2014年，3个日本人因为在蓝光LED领域的贡献，获得了诺贝尔物理学奖

1.3. 在红绿蓝三种基色中，蓝光频率最高，也决定了蓝光LED的制作难度超过了前两种颜色的LED

1.4. 硒化锌作为最有可能实现蓝光LED的材料是当时产业界的共识

1.5. 氮化镓(GaN)是一种无机半导体，也是一种直接带隙的半导体材料

1.6. 蓝宝石衬底、MOCVD与氮化镓的组合能够制作出合格的蓝光LED

1.7. 中村

• 1.7.1. 1988年，中村在远赴美国学习金属有机气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)外延技术时，萌生了制作蓝光LED的想法

• 1.7.2. 在失败了一千次之后，他终于获得了成功，发明了一种被称为“双气流MOCVD”的设备

• 1.7.3. 中村不是除了决心之外一无所有，日亚也绝不是能够被世人随意评头论足的乡镇企业

• 1.7.3.1. 这个公司至少有一位胸襟大异常人的社长，包容了中村的一切，允许他在磨成一剑之前可以十年碌碌无为

1.8. 蓝光LED实现后，人类凑齐了红绿蓝三种原色光源，使用这三种原色，可以组合出任何一种颜色的光

1.9. 曾几何时，占据半导体前十大厂商半壁江山的日本企业，至2020年已踪迹全无

1.10. 在半导体制作材料中，硅晶圆排名前两位的制作商，信越与胜高均来自日本

1.11. 集成电路光刻胶几乎被日本的JSR、信越与TOK垄断

1.12. 更多关键的制作材料被日本厂商控制

1.13. 日本在半导体设备方面也占有30%左右的份额

1.14. 在任何一个产业中，能够在上游存活，总能等待时机卷土重来

• 1.14.1. 半导体产业的上游是设备与材料，这些设备与材料依然有上游

• 1.14.2. 在所有学科中，物理、化学与数学这些基础学科才是最后的上游

2. 激光

2.1. 法布里坎特

• 2.1.1. 1939年，苏联的法布里坎特，在申请教授职位的“气体放电的发射机理”文章中，进一步发展了“负吸收”概念，并取得开创性进展

• 2.1.2. 在1951年申请的一个专利中，提出将电磁波放大的一种方法

• 2.1.2.1. 提出在气体介质中实现粒子数反转的方法

• 2.1.2.2. 提出光学谐振腔的雏形

• 2.1.2.3. 进行了在气体介质中进行“光放大”的尝试

2.2. 粒子数反转是爱因斯坦受激辐射理论之后，制作激光所需的一块重大理论基石

2.3. 1947年，兰姆和Reherford在氢原子光谱中发现了受激辐射现象，这是爱因斯坦的受激辐射理论第一次在实验中被发现

2.4. 1950年，法国科学家卡斯特勒(Alfred Kastler)提出光学泵浦源的观点，并在两年后取得实验成功

• 2.4.1. 泵浦源的作用是将电子从原子或者分子的较低能级，不断抽运到较高能级，其工作方式与水泵有类似之处

• 2.4.2. 泵浦源的出现，使粒子数反转由假设变为现实

• 2.4.3. 粒子数反转的实现，使得爱因斯坦提出的受激辐射从假设变为现实

2.5. 1953年，汤斯使用氨气分子与微波共振腔，借助“粒子数反转”理论，成功实现了世界上第一台微波激射放大器(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，MASER)

2.6. 1958年12月，汤斯与肖洛发表了激光领域的奠基之作“红外线与光激光器”​，提出了较为完备的激光原理

• 2.6.1. 肖洛率先提出使用“光腔”代替制作MASER的微波共振腔，肖洛后来也因此获得了诺贝尔物理学奖

2.7. 1960年，世界上出现了激光，此后的地球比任何时候都明亮许多

• 2.7.1. 1960年5月，在加州休斯实验室工作的Mainman使用红宝石实现了第一束激光

• 2.7.2. 人类从此拥有了最亮的光、最准的尺与最快的刀

2.8. 1963年，克勒默提出了异质结激光器的原理

• 2.8.1. 与此同时阿尔费罗夫和Kazarinov也独立描述了相同的原理

2.9. 汤斯、普罗霍洛夫与巴索夫因为在MASER与激光领域的成就，分享了1964年度的诺贝尔物理学奖

2.10. 激光的出现打开了应用之门，在半导体制作、医学、通信、生物与军事领域均获得了巨大成功

• 2.10.1. 历史上与激光相关的诺贝尔奖多达十余个，仅次于20世纪初由量子力学科学家组成的银河舰队

2.11. 激光的出现极大提升了半导体的制作能力

• 2.11.1. 激光可以用于晶圆量测、清洗与封装，也是快速退火设备的重要组成部分

• 2.11.2. 激光一经出现，便迅速替换了高压汞灯，半导体光刻也由此进入了深紫外线(Deep Ultraviolet，DUV)时代

3. 阿贝成像

3.1. 在光刻工序中，一个非常重要的指标是分辨极限

• 3.1.1. 分辨极限受制于光刻光源，由德国的恩斯特·阿贝(Ernst Karl Abbe)于1873年率先发现

• 3.1.2. 极限主要用于指导光学显微镜的设计

• 3.1.3. 阿贝认为光学显微镜的分辨极限大约为光波波长的一半，小于这个极限的两个物点将无法分辨

3.2. 阿贝在光学系统中的另外一项贡献是1874年提出的阿贝二次成像原理

• 3.2.1. 光学系统可以使用透射镜或者反光镜搭建，而无论采用哪种方式，成像方式都基于二次成像原理

3.3. 光学系统的设计因为阿贝与卡尔蔡司的努力而近乎完美

• 3.3.1. 在该领域，设计并不是重点，重点在于工匠精神，在于动手制作

3.4. 人类最早观测到衍射斑的历史可追溯至公元前，那时的古人使用铜制的凹面镜或者冰制的凸透镜，汇集太阳光点火

3.5. 在光刻机的光学系统中，使用更为广泛的是卡尔蔡司的Paul Rudolph于1896年改良的双高斯结构透镜，也被称为Zeiss Planar

• 3.5.1. 卡尔蔡司的设计师演绎到极致，性能抵达巅峰，在真空环境中NA值超过0.9

• 3.5.2. 卡尔蔡司为浸没式DUV光刻机所设计的高NA值光学系统

3.6. 瑞利判据

• 3.6.1. 瑞利原名John William Strutt，被尊称为瑞利男爵三世，因为发现稀有气体“氩”获得1904年度的诺贝尔物理学奖

• 3.6.2. 波长较短的蓝色光更容易被大气散射，合理解释了“天空为什么是蓝色”​

• 3.6.3. 瑞利判据不仅可以用于望远镜角分辨率的计算，也可以用于其他光学仪器中

• 3.6.4. 不同的光学仪器，所关注的分辨率参数并不相同，例如照相物镜关注每毫米能够分辨的直线数目，而显微镜与半导体光刻关注的是最小分辨距离

• 3.6.5. 瑞利判据推导得出两点间的最小分辨率，大于ASML光刻机分辨率

• 3.6.5.1. 两者间的差异，一方面源于集成电路制作中，所能获得的最小分辨率不是来自于两“点”之间

• 3.6.5.2. 另一方面源于ASML对最小分辨率R的定义

3.7. 1946年，法国科学家P. M. Duffieux将傅里叶变换的概念引入光学领域，发表“傅里叶变换与光学中的应用”一文，信息光学理论随后诞生

• 3.7.1. 光的本质是一种电磁波，只是频率与波长不同

• 3.7.2. 通过傅里叶变换，光学系统中的现象可以使用通信理论解释

3.8. 光瞳滤波(Pupil Filtering，PF)技术可以进一步提高图像分辨率，在光学系统的入射或者出射光瞳中，可以添加由同心圆环组成的光瞳滤波器，其中每个圆环具有不同的振幅和相位通过率，采用这种方法可以将衍射中心的主斑尽量压缩，以提高图像分辨率

3.9. 光学临近效应矫正(Optical Proximity Correction，OPC)是提高图像边角处清晰度的有效方法

3.10. 晶圆并不平整，因此要求焦深需要保持在一定范围内，降低光源波长与提高NA会降低焦深

3.11. 提高镜头的数值孔径NA是提高Pitch精度的重要方法

3.12. 第一台投影式光刻机Micralign 100，在设计之初使用基于透镜的折射光学系统

3.13. 折射镜结构简单易于加工，但与反射镜类似，都具有“像场弯曲”问题

• 3.13.1. 佩兹瓦尔像场弯曲

3.14. 光刻胶在半导体制作的成本中占比不高，但是在整个半导体制作材料中，地位超然，属于高分子化学领域

• 3.14.1. 普通的光刻胶由有机化合物组成，受紫外线曝光后，曝光区域在显影过程中去除或者保留，最后得到所需图像

• 3.14.2. 光刻胶分为负胶与正胶。以正胶为例，在曝光阶段，光刻胶将吸收光能，发生高分子降解，并在显影阶段去除

• 3.14.3. 正胶分辨率高于负胶，在追求精度的半导体工艺中占据主流

• 3.14.3.1. 这种光刻胶后来被基于化学放大的CAR光刻胶所替代

3.15. 在半导体制作初期，光刻机使用近紫外线(Near Ultraviolet，NU)作为光源，波长分别为436nm的g线、405nm的h线和365nm的i线

3.16. 1984年，IBM将准分子激光技术引入光刻领域

• 3.16.1. 与高压汞灯相比，激光输出波长的强度更大，单色与准直性更好，采集效率更高，迅速普及至半导体制作领域

3.17. 目前最先进的光刻机基于13.5nm的EUV光源，这种光源是普通光源，而非激光

• 3.17.1. 基于EUV光源的光刻机，是半导体产业界在近30年以来，在平面制作工艺层面的一个重大突破，极大促进了集成电路制作的进一步前行

• 3.17.2. 如果从20世纪初作为EUV时代的起点开始计算，产业界共花费了17年左右将EUV光刻机完善成型