نیمه هادی ها بخشی جدایی ناپذیر از عملکرد داخلی دستگاه های پزشکی هستند که به رسانایی بین نارساناها و هادی ها برای کنترل جریان کمک می کنند. به نوبه خود، فرآیند مونتاژ برای ساختن نیمه هادی کامل بسیار دقیق است، به خصوص اکنون که دستگاه ها کوچکتر و کوچکتر می شوند. از آنجایی که نیمه هادی ها به سرعت کوچک می شوند تا در این دستگاه های کوچکتر قرار بگیرند، نقش لیزرها در تولید نیمه هادی ها سازگار شده است.
فناوری لیزر اغلب در تولید نیمه هادی ها برای پرتوهای نازک، دقیق، همه کاره و قدرتمند آن به دلایل مختلفی از جمله برش، جوشکاری، حذف پوشش و علامت گذاری استفاده می شود.
برش / خط نویسی
در تولید نیمههادیها، مراحل مختلف برش، از جمله بریدن ویفرها از بلوکهای کریستالی و قالبها از لایههای نازک وجود دارد. برش با لیزر تضمین می کند که تراشه ها به طور تمیز بریده می شوند تا به درستی در دستگاه نهایی قرار بگیرند. استفاده از لیزر به نیمه هادی ها اجازه می دهد تا به اشکال و الگوهای زیادی برش داده شوند که با استفاده از روش های دیگر برش امکان پذیر نیست. با توجه به دانشکده مهندسی و علوم کاربردی فو بنیاد فو دانشگاه کلمبیا، برش ویفرها با استفاده از این روش، سایش ابزار و از دست دادن مواد را کاهش می دهد و منجر به بازده بالاتر می شود.
مواد مطالعه کلمبیا در مورد پردازش لیزر نیمه هادی بیان می کند که "مزایای برش لیزری شامل سایش کمتر ابزار، کاهش تلفات مواد در اطراف برش، بازده بیشتر به دلیل شکستگی کمتر، و چرخش سریعتر به دلیل سهولت نصب است."
یکی دیگر از گزینههای برش، خطکشی است - سوراخ کردن یک سری سوراخهای کور با فاصله نزدیک یا روی هم در نیمهی راه مواد. این روشی است که به طور گسترده در کاربردهای تولید نیمه هادی مانند برش لایه های اکسید آلومینیوم در حامل های تراشه یا جدا کردن ویفرهای سیلیکونی به تراشه استفاده می شود. شایان ذکر است که نوع لیزر مورد نیاز برای خط کشی بستگی به متریال مورد استفاده دارد.
این دانشگاه میگوید: «خروشنویسی اکسید آلومینیوم از لیزرهای CO2 استفاده میکند، در حالی که خطنویسی سیلیکونی از لیزرهای Nd:YAG استفاده میکند، زیرا مواد مختلف نرخ جذب متفاوتی در طولموجهای مختلف دارند.»
انگیزه استفاده از خط نویسی در مقابل برش به سرعتی که عمل در کارگاه ساخت رخ می دهد بستگی دارد. "برای اکسید آلومینیوم، که ضخامت آن حدود 0.025 اینچ است، می توان مواد را با سرعت حدود 10 اینچ در ثانیه با استفاده از لیزر CO2 با توان متوسط نوشت، در حالی که برای لیزر مشابه، سرعت برش ممکن است کارمندان دانشگاه می نویسند: کسری از اینچ در ثانیه. Scribing همچنین این مزیت را ارائه میدهد که میتوان بستر را قبل از کامل شدن پردازش و سپس به راحتی پس از پردازش به تراشهها جدا کرد.
Wسالخوردگی
لحیم کاری لیزری یا جوشکاری دیود لیزری فرآیند ذوب قسمت های مجاور یک جزء نیمه هادی با هم است، دقیقاً مانند چسباندن ویفر به صفحه پشتیبانی. برای تخته های پشتیبانی که آماده چسباندن هستند (مانند قاب های سربی)، لیزر یک علامت شناسایی روی قاب قرار می دهد و سپس سطح را زبر می کند تا اطمینان حاصل شود که دو قسمت به طور ایمن به هم چسبیده اند. هنگامی که به یکدیگر متصل می شوند، دستگاه مارک لیزری فرزهای ایجاد شده توسط فرآیند زبری را از بین می برد.
حذف پوشش
اطمینان از تمیز بودن و عاری بودن نیمه هادی ها بخشی از فرآیند تولید به نام حذف پوشش است. با استفاده از لیزر (معمولاً Nd:YAG)، پوشش های ناخواسته را می توان مانند رزین یا مس، و مانند پوشش های طلا یا فیلم نازک، حذف کرد. برای جداسازی، لیزر از پرتو دقیق و دقیق خود برای حذف مواد اضافی بدون آسیب رساندن به محصول استفاده می کند.حذف پوشش هااجازه می دهد تا عیوب با وضوح بیشتری تجزیه و تحلیل شوند و نیاز به جداسازی قطعات برای بازرسی را از بین ببرد، که می تواند منجر به آسیب محصول شود.
علامت گذاری
علامت گذاری لیزری نیمه هادی هابرای ردیابی و خوانایی محصول مهم است، به این معنی که لیزر باید به وضوح در چاپ های بسیار کوچک خوانا باشد. قابلیت ردیابی محصول به این معنی است که محصول را می توان از طریق مراحل متعدد تولید و همچنین توزیع نهایی ردیابی کرد. این امر پیدا کردن و جداسازی دستههای خاصی از نقصها را آسانتر میکند.
تراشه های علامت گذاری شده نیز باید قابل خواندن باشند، زیرا علامت گذاری روشی مفید برای تعیین اینکه کدام محصول برای یک برنامه مناسب است، است. به گفته ویفر ورلد، "لیزر نه تنها سطح ویفر را برش می دهد، بلکه ذرات سطح را دوباره مرتب می کند تا علائم بسیار کم عمق اما خوانا ایجاد کند."
دو نوع نشانگر برای نیمه هادی ها استفاده می شود: نشانگرهای اچ و نشانگرهای آنیل شده. نشانگرهای اچ لایه های نازکی از مواد هستند که با استفاده از لیزر برداشته می شوند و یک علامت بافتی به عمق 12 تا 25 میکرون باقی می ماند. اینها اغلب به عنوان "علامت های سخت" نامیده می شوند زیرا یک تغییر قابل مشاهده در لایه سطحی وجود دارد.
از سوی دیگر، علائم بازپخت، از یک لیزر برای تنظیم مجدد مولکولها به جای حک کردن آنها، با سطح توان پایینتر استفاده میکنند. این یک کنتراست روی سطح تراشه ایجاد می کند که با بازتاب نور قابل مشاهده است.
نوع لیزری
در حال حاضر، شرکت ها بیشتر از لیزرهای حالت جامد برای ساخت تراشه استفاده می کنند، زیرا آنها به دلیل قدرت بالای خود شناخته شده اند و از سنگ معدن به عنوان محیط لیزر استفاده می کنند. محیط های معدنی معمولاً از کریستال های ایتریم، آلومینیوم، گارنت یا ایتریم وانادات تشکیل شده اند. برای مثال، لیزرهای Nd:YAG از کریستالهای گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم به عنوان محیط استفاده میکنند. پرتو لیزر با استفاده از یک نوسان ساز تولید می شود که محیط را با نور یک دیود لیزر تحریک می کند.
کینس میگوید یکی از انواع لیزرهای حالت جامد که برای علامتگذاری، حکاکی و تاس بر روی تراشه استفاده میشود، لیزر فیبر است و میافزاید که لیزرهای پرسرعت از "الیاف نوری به عنوان تشدیدگرها استفاده میکنند و ساختارهای همپوشانی را از طریق روکش فیبر دوپ شده Yb-ion ایجاد میکنند." با توجه به اینکه لیزرهای فیبر آن به عنوان سری MD-F از لیزرهای فیبر محور 3- شناخته میشوند. برخی از کاربردهای لیزرهای فیبر شامل حذف سوراخها از فرآیندهای پیشتولید، علامتگذاری کدهای ردیابی و حذف رزین برای تجزیه و تحلیل عیب است.
از لیزرهای اگزایمر در تولید نیمه هادی ها نیز استفاده می شود. اینها عمیق هستندماوراء بنفشلیزرهای (UV) با طول موج های 126 نانومتر تا 351 نانومتر که عمدتاً برای ریزماشین کاری پلیمری استفاده می شوند. پرتوهای کوتاهتر لیزر UV در مقایسه با حالت جامد، آنها را برای هر نوع ماده، از جمله مواد بسیار شکننده و ظریف، مناسب میسازد و به آنها اجازه میدهد در یک منطقه دقیق بسیار کوچک با نقطه عمل کمتر کار کنند. هنگامی که برای علامت گذاری استفاده می شود، لیزر UV ساختار ماده محصول را در سطح مولکولی بدون ایجاد گرما در ناحیه اطراف تغییر می دهد.
نوآوری لیزر
در حال حاضر، لیزرهای حالت جامد و اگزایمر به عنوان گزینه های اصلی در هنگام استفاده از تولید لیزر برای تولید نیمه هادی ها دیده می شوند. با این حال، گزینه جدیدی که می تواند رقیب کلاسیک ها باشد به زودی در دسترس خواهد بود. در مطالعهای که اخیراً در مجله Nature منتشر شده است، تیمی از محققان دانشگاه کیوتو به رهبری سوسومو نودا نوشتند که با تغییر ساختار لیزرهای ساطع کننده سطح کریستال فوتونی (PCSEL) گامهایی برای غلبه بر محدودیتهای روشنایی لیزر نیمهرسانا برداشتهاند. به گفته موسسه مهندسین برق و الکترونیک، روشنایی مزیتی است که شامل درجه تمرکز یا واگرایی یک پرتو نور می شود. عملیات مقیاس به دلیل چالش با اندازه و روشنایی لیزر.
اغلب، مشکل PCSEL ها از تمایل به گسترش ناحیه تابشی آنها ناشی می شود، به این معنی که فضایی برای نوسان نور در جهت انتشار و در جهت عرضی وجود دارد. IEEE می نویسد: «این نوسانات عرضی به عنوان حالت های مرتبه بالاتر شناخته می شوند و می توانند کیفیت پرتو را از بین ببرند. علاوه بر این، اگر لیزر به طور مداوم کار کند، گرمای داخل لیزر می تواند ضریب شکست دستگاه را تغییر دهد و منجر به بدتر شدن بیشتر کیفیت پرتو شود.
در مطالعه Nature، محققان از کریستال های فوتونیک تعبیه شده در لیزر استفاده کردند و "بازتابنده داخلی را برای اجازه دادن به نوسانات تک حالته در یک منطقه وسیع تر و جبران آسیب حرارتی تطبیق دادند." این تغییرات به لیزر اجازه داد تا کیفیت پرتو بالا را در طول عملیات مداوم حفظ کند.
محققان در مطالعه خود یک PCSEL با قطر 3- میلیمتر، یک پرش 10- برابری از دستگاه PCSEL با قطر 1- میلیمتر قبلی ایجاد کردند.
برای یک لیزر ساطع کننده سطح کریستال فوتونیک با قطر تشدید بزرگ 3 میلی متر، قدرت خروجی [موج پیوسته] بیش از 5{5}} وات، نوسانات تک حالته خالص، و واگرایی پرتو بسیار باریک 0.05 این محققین در این مطالعه نوشتند که درجه مربوط به بیش از 10،{8}} طول موج در ماده به دست آمده است. روشنایی ...... به 1 گیگاوات سانتیمتر{10}} sr-1 میرسد که با لیزرهای بزرگ موجود قابل مقایسه است."
شایان ذکر است که منظور محققان از "لیزرهای با حجم زیاد"، لیزرهای حالت جامد و اکسایمر است که در حال حاضر در تولید لیزرهای نیمه هادی استفاده می شود.
به عنوان بخشی از فرآیند ایجاد یک مرکز عالی 1 متر مربعی برای لیزرهای ساطع کننده سطح برای بلورهای فوتونی در دانشگاه کیوتو، نودا و تیمش همچنین از تولید بلورهای فوتونی با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی به ساخت آنها با لیتوگرافی نانوایمپرینت.
IEEE می گوید: لیتوگرافی پرتو الکترونیکی دقیق است، اما معمولا برای تولید در مقیاس بزرگ بسیار کند است. لیتوگرافی Nanoimprint اساساً الگوها را بر روی نیمه هادی ها برجسته می کند و برای ایجاد سریع الگوهای بسیار منظم مفید است.
بر اساس این مطالعه، گام بعدی ادامه گسترش قطر لیزر از 3 به 10 میلی متر است - اندازه ای که طبق گزارش ها 1 کیلووات توان خروجی تولید می کند.
