Gigaphoton拓展多场景光源：先进封装、EUV检测与氖气回收
从光刻配套走向多场景光源
26年来，Gigaphoton的业务一直围绕准分子激光器（excimer laser）展开，这类设备被安装在全球晶圆厂的DUV扫描机旁。每台重达4吨的KrF和ArF光源内含超过8000个零件，置于曝光设备下方的subfab（洁净室下层设备层），为现代芯片多数层的光刻提供光源。Gigaphoton是日本工程机械巨头小松（Komatsu）的全资子公司，自2000年成立以来已交付超过2500台光源，目前约有1400名员工。
这项核心业务表现良好。但在10月SEMICON West的简报会上，总裁兼CEO Tatsuo Enami及其团队提出，Gigaphoton的光源在晶圆厂内的用途远不止光刻。“由于波长更短，它可以在各处得到利用，”Enami说。公司正推进传统扫描机业务之外的四个方向：面向先进封装的准分子激光加工、紧凑型EUV光源、用于光化性掩模检测与量测的EUV光，以及用于保护晶圆厂免受下一轮氖气供应冲击的气体回收。第五项工作是利用脉冲激光沉积（PLD）制造超导线材，瞄准聚变能。
先进封装：用光刻激光打孔
AI和HPC推动芯片制造商转向异质集成，性能既取决于晶体管微缩，也取决于芯粒（chiplet）在基板上互连的密度。芯片间连接需要短而高密度的互连，这意味着极小孔径的通孔。Gigaphoton称，芯粒封装在裸片边缘需要直径5 µm至10 µm的通孔，而供电和PCB连接的通孔仍处于80 µm至100 µm范围，且往往位于同一面板上。
现有工具难以兼顾这种组合。“如果使用CO₂激光，只能钻到30 µm，”Gigaphoton业务战略部企划部总经理Takehiko Tomonaga说。355 nm紫外激光可达到约10 µm。“但未来芯片间互连要求直径小于10 µm。”基于光刻的通孔成型可以更小，但会增加光刻胶、显影和刻蚀步骤及成本。
Gigaphoton的答案是G300K，这是一款由其光刻光源发展而来的248 nm KrF准分子激光器，针对封装基板超精细烧蚀设计。它提供300 W功率，重复频率最高4 kHz。该激光器并非逐孔钻孔，而是照射掩模，由投影光学系统将图案直接成像到有机介质上。Gigaphoton同时开发了光源和掩模投影光学系统。
关键差异在物理机制。在248 nm波长下，光子被Ajinomoto build-up film（ABF，味之素堆积膜）、聚酰亚胺和阻焊膜等有机材料强烈吸收，并直接打断分子键。材料以光化学方式而非热方式去除，因此几乎没有热影响区，熔融或碎屑也很少。据Gigaphoton称，结果是侧壁接近垂直，深度和直径可精确控制（3 µm通孔时锥角为87.6°），且不损伤下方铜层。该工艺也适用于玻璃。
由于通孔图案来自掩模，视场内所有通孔可一次成型，无论尺寸如何。“如果使用CO₂激光，一次只能钻一种直径。要钻另一种尺寸的孔，需要切换激光，”Tomonaga说。Gigaphoton展示了一次曝光在ABF中形成从10 µm到3 µm的八种不同通孔直径。近期结果显示，6.5 µm至3.5 µm的ABF通孔在干法除胶和种子层沉积后仍保持形状。公司规定G300K适用于ABF中5 µm及以下通孔、阻焊膜中10 µm及以下通孔，其路线图目标为3 µm通孔和0.5 µm线宽/间距。
线宽/间距可能是更大的收益所在。客户从钻孔开始，但同样的掩模投影方法也可用于图形化线路沟槽。“一旦客户开始使用准分子激光技术，他们会测试把通孔和线路都做在有机材料上，”Tomonaga说。由于准分子激光可直接图形化非光敏介质，它可能取代原本形成线路所需的光刻胶、硬掩模和刻蚀序列。“如果通过直接图形化同时打印通孔和线路，可以简化工艺，”他说，但称这是未来的目标。
采用尚处研发阶段。2025年11月，Gigaphoton在一家从事先进半导体研发的日本公司完成了G300K的安装，该设备集成到ORC Manufacturing的加工设备中，用于开发有机基板上的精细中介层。总体而言，公司已向多家设备供应商交付约10台激光器，芯片制造商也已开始在自有设施中进行工艺开发。Gigaphoton预计该技术将进入面向AI的2.5D和3D芯粒封装量产。
紧凑型EUV光源：承袭光刻技术谱系
Gigaphoton自2002年起开发EUV光源。在该计划前半段，目标是EUV光刻这一最大市场。ASML最终采用了自己的光源设计，但Gigaphoton保留了相关技术和专利，并将工作转向需要更小、更低功率光源的检测与量测。
成果是一款锡激光等离子体（Sn-LPP）EUV光源，占地约3 m × 3 m，仅为光刻光源占地的一小部分。“与光刻EUV光源相比，它相对较小，后者像一个大型卡车或集装箱，”Gigaphoton企划部经理Jumpei Sato说，“但我们使用相同的光产生概念。”
这一概念用于大规模EUV光刻。从Gigaphoton光刻设计继承而来的液滴发生器将熔融锡液滴射入真空腔。每个液滴先被预脉冲激光击中，再被固态驱动激光击中，产生的等离子体发出13.5 nm光。氢气流减轻锡碎屑，补充系统维持锡供应。对检测工具制造商而言，使用与扫描机相同的等离子体物理本身就是卖点。
可靠性是重点。Gigaphoton已在20 kHz下连续运行该光源超过5500小时，等离子体点亮度为120 W/mm²·sr⁻¹，系统可用性超过90%。根据公司9月在SPIE Photomask Technology + EUV Lithography上公布的结果，40 kHz版本已达到超过240 W/mm²·sr⁻¹。40 kHz下的长期运行和集光镜反射率测试正在进行，60 kHz光源的开发也已启动。
同一平台可根据集光镜服务两类不同应用。采用多层近正入射集光镜时，光源提供以13.5 nm为中心、窄带高光谱纯度的光，用于成像和检测。移除该集光镜并改用掠入射镜，输出为宽带EUV，约12.5 nm至16.5 nm。该光强度约低1000倍，主要因为收集立体角从0.84 sr缩小到0.0005 sr，但携带的光谱信息多得多。
这种宽带软X射线光面向3D结构的散射测量。当宽带EUV从图形化目标反射时，衍射光在波长和角度上编码信息。将测量光谱与理想设计的模拟光谱比较，量测系统可提取关键尺寸、高度、侧壁角度和表面粗糙度，包括复杂3D器件中的埋藏特征。高次谐波产生（HHG）光源目前广泛用于EUV散射测量，但Gigaphoton认为，吞吐量和精度将需要更高亮度，而LPP光源可以提供。“这是我们正在关注的应用之一，”Jumpei Sato说，“但市场还没有成熟。”
光化性掩模检测：为大而复杂的掩模提供亮度
更近期的机会是光化性掩模检测，即以曝光所用的同一13.5 nm波长检测EUV掩模。EUV掩模是反射式多层堆叠，重要缺陷包括极微小颗粒以及埋藏在多层膜中的3D形貌和相位缺陷，DUV检测工具无法准确分辨。在13.5 nm下检测可呈现扫描机所见的缺陷形态，从而评估其对晶圆良率的可能影响。
这对光源提出高要求。光化性图形化掩模检测（APMI）和复检工具需要高亮度以保证吞吐量，同时需要稳定性、可用性和碎屑控制以连续运行。Gigaphoton的EUV光源就是为此设计。“光化性掩模检测要求EUV光源不仅提供高亮度，还要具备持续检测运行所需的稳定性、可靠性和光学性能，”Jumpei Sato说。集光镜性能尤其受关注。Gigaphoton正在测量高重复频率辐照下集光镜反射率在现场如何变化，这是决定光源维护前可运行多久的关键因素。
两个趋势正在提高门槛。第一是掩模复杂性。在领先节点，掩模制造商和用户正采用先进掩模类型，包括相移EUV掩模，其精细特征更难检测和量测。Tomonaga表示，这正是EUV散射测量和光谱技术以及宽带版本光源可能发挥作用之处。
第二是掩模尺寸。业界正在评估从当前6英寸掩模转向更大的6 × 12英寸掩模，主要是为了缓解高数值孔径（high-NA）EUV曝光场缩小的问题。面积翻倍意味着相同时间内需要检测的面积翻倍。“掩模越来越大，检测双倍面积需要更高吞吐量。为此，客户开始要求更高功率，”Tomonaga说。Gigaphoton供应光源而非检测工具，因此通过设备制造商合作。其提高功率的路径是提高重复频率，从20 kHz到40 kHz并迈向60 kHz，正针对这一需求。
氖气：为下一轮危机做准备
第四个方向与其说关乎光子，不如说关乎供应链。准分子激光气体主要是氖，约占KrF和ArF激光混合气体的95.5%，还含有少量氩或氪、氟和氙。激光器会持续消耗这种气体。“没有氖，激光器无法运行，”Tomonaga说，“如果没有激光气体，晶圆厂就无法运行。”
氖在空气中只占极小比例，作为大型空气分离装置（ASU）的副产品回收，这类装置通常依附于消耗氧气和氮气的钢厂或化工园区。2022年之前，全球大部分半导体级氖由乌克兰从俄罗斯和乌克兰生产的粗氖提纯。这使供应链脆弱。Gigaphoton算过两次氖危机：2014年俄罗斯吞并克里米亚后，氖价上涨约12倍；2022年俄乌冲突爆发后上涨约20倍。
Gigaphoton应对第一次危机的方式是为KrF激光器开发现场回收系统hTGM，于2017年发布。当时氖价已趋稳，销售缓慢。第二次危机来临时，需求猛增。Gigaphoton目前已在全球安装超过40套hTGM，连接超过220台KrF光源；公司称这每年避免约1800万升氖消耗，约占全球激光气体需求的8%。
公司的分析认为问题具有结构性和周期性。2022年后，气体供应商投资新的ASU产能，2026-2027年新氖产能将上线，包括日本、台湾和韩国的本土供应系统。美国和中国的系统已经存在。但一套大型ASU成本约1亿美元，上线需要两到三年，部分原因是接入钢厂必须等待钢厂检修计划。与此同时，Tomonaga说，正常时期氖售价约为每升25美分。“对气体供应商而言，价格如此稳定低廉时没有理由决定追加投资，”他说。供应商只有在看到危机价格下的订单后才会投资。据Gigaphoton估计，需求将在2030-2031年前后再次赶上供应，届时任何中断都可能引发新一轮价格飙升。
其答案是“减少、回收、循环利用”三部分战略。减少来自光源内部的eTGM技术，从源头降低氖消耗。回收指气体供应商和政府机构开展的厂外回收计划。循环利用是hTGM，在晶圆厂内收集并纯化使用过的激光气体。Gigaphoton还成功游说日本政府，为气体供应商的氖生产提供补贴。
9月，Gigaphoton将回收扩展到ArF光刻，推出用于ArF的hTGM。单台设备最多可连接五台ArF激光器，回收约50%的氖气，每年最多减少470千升气体消耗。它与KrF版本共享硬件，以加快产能爬坡。“由于业内只有两家公司支持准分子激光器，我们有责任思考如何向行业推出缓解方案，”Tomonaga说。目标是覆盖下一次供应短缺时新ASU产能到位所需的两到三年。
还有一项：聚变
Gigaphoton的第五个新方向离晶圆厂最远。9月，它在一家日本高温超导（HTS）线材制造商安装了L300KZ，这是一款高脉冲能量KrF准分子激光器。该激光器用于脉冲激光沉积（PLD）：光束烧蚀稀土钡铜氧化物（REBCO）靶材，羽状物在金属带上沉积超导层。该带材被绕制成聚变反应堆中约束等离子体所需的高场磁体。这项工作属于日本Moonshot Research and Development Program（登月研发计划）的Goal 10。
Gigaphoton也把PLD视为重返半导体领域的途径。由于短波长准分子脉冲可在不加热的情况下沉积复杂化合物，靶材成分在薄膜中得以保留。这可能适用于RF器件、硅光子系统和其他先进电子器件的功能薄膜，以及超导互连。“如果你有一种非常复杂且不喜欢热的复合材料，PLD可能是一个很好的解决方案，”Tomonaga说。
总体来看，四项半导体相关努力有一个共同主题：复用已在光刻中验证的硬件、物理机制和可靠性工程。“在研发半导体光刻光源的同时，我们也在探索准分子激光器在其他领域应用的各种可能性，”Enami说，“我们将继续加快研发，向新领域扩展。”
