01
Wstęp
Krojenie płytek jest ważną częścią produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Metoda i jakość krojenia w kostkę mają bezpośredni wpływ na grubość, chropowatość, wymiary i koszty produkcji płytki oraz mają znaczący wpływ na wytwarzanie urządzenia. Węglik krzemu, jako materiał półprzewodnikowy-trzeciej generacji, jest ważnym materiałem napędzającym rewolucję elektryczną. Koszt produkcji wysokiej-jakości krystalicznego węglika krzemu jest niezwykle wysoki, a ludzie na ogół mają nadzieję, że potną duży wlewek węglika krzemu na jak najwięcej cienkich podłoży waflowych z węglika krzemu. Jednocześnie rozwój branży doprowadził do coraz większych rozmiarów wafli, co zwiększyło wymagania dotyczące procesów krojenia w kostkę. Jednakże węglik krzemu jest niezwykle twardy, jego twardość w skali Mohsa wynosi 9,5, ustępuje jedynie diamentowi (10), a także jest kruchy, co utrudnia cięcie. Obecnie w metodach przemysłowych zazwyczaj stosuje się cięcie drutem zawiesinowym lub cięcie drutem diamentowym. Podczas cięcia wokół wlewka z węglika krzemu umieszcza się w równych odstępach piły drutowe, a wlewek tnie się za pomocą pił drutowych. Przy użyciu metody piły drucianej oddzielenie płytek od wlewka o średnicy 6 cali zajmuje około 100 godzin. Powstałe wafle mają stosunkowo szerokie nacięcia, bardziej chropowatą powierzchnię i straty materiału sięgające 46%. Zwiększa to koszty stosowania materiałów z węglika krzemu i ogranicza ich rozwój w przemyśle półprzewodników, podkreślając pilną potrzebę badań nad nowymi technologiami krojenia płytek z węglika krzemu.
W ostatnich latach zastosowanie technologii cięcia laserowego w produkcji materiałów półprzewodnikowych staje się coraz bardziej popularne. Metoda ta polega na wykorzystaniu skupionej wiązki lasera do modyfikacji powierzchni lub wnętrza materiału, oddzielając go w ten sposób. Jako proces-bezkontaktowy pozwala uniknąć zużycia narzędzi i naprężeń mechanicznych. Dlatego znacznie poprawia chropowatość i precyzję powierzchni płytek, eliminuje potrzebę kolejnych procesów polerowania, zmniejsza straty materiału, obniża koszty i minimalizuje zanieczyszczenie środowiska spowodowane tradycyjnym szlifowaniem i polerowaniem. Technologia cięcia laserowego jest od dawna stosowana do krojenia wlewków krzemu w kostkę, ale jej zastosowanie w dziedzinie węglika krzemu jest wciąż niedojrzałe. Obecnie istnieje kilka głównych technik.
02
Cięcie laserowe-wodą
Technologia lasera-naprowadzanego wodą (Laser MicroJet, LMJ), znana również jako technologia laserowego-mikrostrumienia, działa na zasadzie skupiania wiązki lasera na dyszy podczas jej przejścia przez komorę wodną-z modulowanym ciśnieniem. Z dyszy wyrzucany jest strumień wody pod niskim-ciśnieniem, a dzięki różnicy współczynnika załamania światła na granicy faz woda-powietrze tworzy się falowód świetlny, umożliwiający laserowi propagację wzdłuż kierunku przepływu wody. Prowadzi to strumień wody pod wysokim-ciśnieniem do obróbki i cięcia powierzchni materiału. Główną zaletą cięcia laserowego-wodą jest jakość cięcia. Przepływ wody nie tylko chłodzi obszar cięcia, zmniejszając odkształcenia termiczne i uszkodzenia termiczne materiału, ale także usuwa pozostałości po obróbce. W porównaniu z cięciem piłą linową jest to znacznie szybsze. Jednakże, ponieważ woda pochłania w różnym stopniu różne długości fal lasera, długość fali lasera jest ograniczona, głównie do 1064 nm, 532 nm i 355 nm.
W 1993 roku szwajcarski naukowiec Beruold Richerzhagen jako pierwszy zaproponował tę technologię. Założył Synovę, firmę zajmującą się badaniami, rozwojem i komercjalizacją technologii lasera-naprowadzanego wodą, która znajduje się w czołówce międzynarodowej. Krajowa technologia pozostaje stosunkowo w tyle, ale firmy takie jak Innolight i Shengguang Silicon Research aktywnie ją rozwijają.
03
Ukryte kostki
Stealth Dicing (SD) to technika, w której laser skupia się wewnątrz płytki z węglika krzemu na całej jej powierzchni, tworząc zmodyfikowaną warstwę na żądanej głębokości, umożliwiającą separację płytki. Ponieważ na powierzchni płytki nie ma nacięć, można osiągnąć większą precyzję obróbki. Proces SD z wykorzystaniem nanosekundowych laserów impulsowych został już wykorzystany przemysłowo do oddzielania płytek krzemowych. Jednakże podczas obróbki SD węglika krzemu indukowanej przez nanosekundowe lasery impulsowe czas trwania impulsu jest znacznie dłuższy niż czas sprzęgania pomiędzy elektronami i fononami w węgliku krzemu (w skali pikosekundowej), co powoduje efekty termiczne. Wysoka temperatura doprowadzona do płytki nie tylko powoduje, że separacja jest podatna na odchylenia od pożądanego kierunku, ale także generuje znaczne naprężenia szczątkowe, prowadzące do pęknięć i słabego rozszczepienia. Dlatego podczas obróbki węglika krzemu w procesie SD zazwyczaj wykorzystuje się lasery o ultrakrótkich impulsach, co znacznie zmniejsza efekty termiczne.
Japońska firma DISCO opracowała technologię cięcia laserowego o nazwie Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Na przykład podczas przetwarzania wlewków węglika krzemu o średnicy 6- cali i grubości 20 mm produktywność płytek z węglika krzemu wzrosła czterokrotnie. Proces KABRA zasadniczo skupia laser wewnątrz materiału z węglika krzemu. W wyniku „powtarzalnej absorpcji amorficznej czerni” węglik krzemu rozkłada się na amorficzny krzem i amorficzny węgiel, tworząc warstwę służącą jako punkt oddzielania płytek, zwaną czarną warstwą amorficzną, która pochłania więcej światła, co znacznie ułatwia oddzielanie płytek.
Technologia płytek Cold Split opracowana przez firmę Siltectra, przejętą przez firmę Infineon, umożliwia nie tylko dzielenie różnych typów wlewków na wafle, ale także zmniejsza straty materiału nawet o 90%, przy czym każda płytka traci zaledwie 80 µm, ostatecznie obniżając całkowite koszty produkcji urządzenia nawet o 30%. Technologia zimnego podziału obejmuje dwa etapy: po pierwsze, laser napromieniowuje wlewek, tworząc warstwę rozwarstwiającą, powodując wewnętrzną ekspansję objętości materiału z węglika krzemu, co powoduje naprężenie rozciągające i tworzy bardzo wąskie-mikropęknięcie; następnie etap chłodzenia polimeru przekształca mikro-pęknięcie w główne pęknięcie, ostatecznie oddzielając płytkę od pozostałego wlewka. W 2019 r. strona trzecia oceniła tę technologię i zmierzyła chropowatość powierzchni Ra płytek dzielonych na mniej niż 3 µm, przy czym najlepsze wyniki wyniosły poniżej 2 µm.
Zmodyfikowane wycinanie laserowe opracowane przez chińską firmę Han's Laser to technologia laserowa stosowana do rozdzielania płytek półprzewodnikowych na pojedyncze chipy lub matryce. W procesie tym wykorzystuje się również precyzyjną wiązkę lasera do skanowania i tworzenia zmodyfikowanej warstwy wewnątrz płytki, co pozwala na pękanie płytki wzdłuż ścieżki skanowania laserowego pod przyłożonym naprężeniem, co pozwala uzyskać precyzyjną separację.
Rysunek 5. Zmodyfikowany przebieg procesu cięcia laserowego
Obecnie krajowi producenci opanowali technologię-kosowania w kostkę z węglika krzemu na bazie zawiesiny. Jednakże krojenie w kostkę szlamu wiąże się z dużymi stratami materiału, niską wydajnością i poważnym zanieczyszczeniem, dlatego jest stopniowo zastępowane technologią krojenia w kostkę z drutem diamentowym. Jednocześnie cięcie laserowe wyróżnia się wydajnością i wydajnością. W porównaniu z tradycyjnymi technologiami mechanicznej obróbki stykowej oferuje wiele korzyści, w tym wysoką wydajność przetwarzania, wąskie linie rysy i dużą gęstość nacięcia, co czyni go silnym konkurentem w zastępowaniu cięcia drutem diamentowym. Otwiera to nową drogę do zastosowania materiałów półprzewodnikowych nowej-generacji, takich jak węglik krzemu. Wraz z postępem technologii przemysłowej i ciągłym wzrostem rozmiarów podłoży z węglika krzemu, technologia cięcia węglika krzemu w kostkę będzie się szybko rozwijać, a wydajne-cięcie w kostkę lasera o wysokiej jakości będzie ważnym trendem w przyszłym cięciu węglika krzemu.
