一项技术要想产生广泛的影响，它不仅要解决短期的挑战，还应该超越现有技术的进步，为未来的创新打开大门。这就是我们对泛林集团(Lam Research)今年早些时候推出的全球首个用于半导体量产的脉冲激光沉积(PLD)技术的描述。
一项技术要想产生广泛的影响，它不仅要解决短期的挑战，还应该超越现有技术的进步，为未来的创新打开大门。这就是我们对泛林集团(Lam Research)今年早些时候推出的全球首个用于半导体量产的脉冲激光沉积(PLD)技术的描述。
泛林的Pulsus PLD标志着在晶圆上沉积薄膜的方式发生了革命性的转变，它扩大了可沉积的复杂多化合物材料的范围，实现了反应溅射等传统技术无法实现的薄膜层。
从短期来看，这是一项重要的发展，因为它有助于满足对基于MEMS的下一代麦克风日益增长的需求，以及推进5G和Wi-Fi技术发展所需的射频(RF)滤波器增强功能。
除此之外，它还为特色工艺芯片制造商加速产品路线图和探索更长距离功能创造了新的机遇。
脉冲激光沉积：从实验室规模到晶圆厂规模
在半导体生产过程中使用激光并不是什么新鲜事。事实上，脉冲激光沉积在实验室规模的应用已有几十年的历史。PLD是一种物理气相沉积方法，它使用脉冲激光照射来激发材料，产生可以在不同衬底上凝结的沉积蒸汽。然而，由于其局限性，每天最多只能生产几片晶圆。
直到最近，批量生产对这种先进沉积技术的需求才逐渐增加。但随着消费者对多个产品领域的需求不断增长，以及泛林集团为克服之前阻碍大批量生产的技术问题所做的大量工作，我们设计了一种用于全自动化生产的晶圆级制造工具。其中一些技术问题包括薄膜的均匀性、系统中的颗粒过滤以及工具本身的成熟度。
如今，集成在生产平台上的晶圆厂级PLD可以生产具有稳定薄膜性能的晶圆盒，同时确保优异的薄膜均匀性和质量，而每片晶圆的成本仅为传统沉积方法的一小部分。这种改进可以帮助芯片制造商降低成本，同时提高产量。
钪因素
脉冲激光沉积不是使用较传统的溅射型技术，而是通过向源材料发射大功率激光脉冲来产生沉积，源材料被蒸发并转化为非常高能量的等离子体，然后快速移动到晶圆上，进而凝结成薄膜(见图)。换句话说，当激光脉冲击中具有所需成分和特性的陶瓷靶时，就能在晶圆上沉积出具有相同成分和特性的薄膜。
图：脉冲激光沉积技术原理示意。
该技术的主要优势之一是能够在氮化铝钪薄膜中沉积各种复杂的多化合物材料，包括高浓度的钪。这些薄膜中钪的浓度越高，对实际应用就越有好处。
例如，无线技术的普及不断产生对更高数据传输速率的需求，而实现这种需求的方法是采用更高的频率或使用不同的频带来增加总带宽。更高的频率和更高密度的相邻带宽不仅需要更多的射频滤波器，还需要具有更高耦合常数和高频选择性的滤波器。
在氮化铝薄膜中实现更高的钪浓度有助于提高射频滤波器的性能。脉冲激光沉积可将薄膜中的钪浓度从之前的30%上限提高到至少40%，同时保持薄膜的高质量特性。
当薄膜中的钪浓度提高时，压电式MEMS麦克风等特色工艺的性能也会得到改善，这主要是通过增强信噪比，以及在消费和汽车领域非常重要的外形尺寸来实现的。
例如，一些手机配备了多个麦克风，以提高语音质量和听音能力。
压电式MEMS是一种利用压电效应产生运动和执行特定任务的微型器件，可在紧凑高效的器件中实现精确的控制、传感和能量转换。因此，压电式MEMS麦克风可以实现低功耗/无功耗“始终监听”状态。
展望未来
任何新技术的真正潜力都不可能在最开始就得到发挥。
考虑到用于制造MEMS器件的制造设备的需求在2023年增长到9.4亿美元以上，而且随着芯片制造商发现提高器件性能的新方法，这一需求还将继续增长。同样，随着5G和Wi-Fi频段的不断扩展，对更灵敏、选择性更强的过滤器的需求也将不断增长。
从汽车和医疗保健到零售、制造和工业自动化，越来越多的行业都将从这些技术进步中受益。
还有一些未知因素。
在终端市场，技术格局不仅将继续以人工智能和物联网等当前驱动因素为基础，还将继续推进增强现实和虚拟现实(AR/VR)的发展，预计这将为未来十年的元宇宙奠定基础。
这一突破最令人兴奋的是，除了在氮化铝薄膜中沉积更高浓度的钪之外，Pulsus PLD还能沉积其他方法无法沉积的各种其他复杂的多元素材料。为了满足AR/VR和量子计算等应用对特色工艺市场的需求，人们已经开始探索新材料。
除了正在制定的半导体制造新标准之外，这种转变还将把我们带向何方，这仍是一个未知数。
（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Pulsed Laser Deposition at Wafer Level Is a Game Changer，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子工程专辑》2024年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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