مقدمه ای بر فناوری برش لیزری کاربید سیلیکون

01 مقدمه

تاس ویفر گام مهمی در ساخت دستگاه های نیمه هادی است. روش برش و کیفیت به طور مستقیم بر ضخامت، زبری، ابعاد و هزینه های تولید ویفر تأثیر می گذارد و تأثیر بسزایی در ساخت دستگاه دارد. کاربید سیلیکون، به عنوان یک ماده نیمه رسانای نسل سوم، یک ماده حیاتی برای ترویج انقلاب الکتریکی است. هزینه تولید{4}}کاربید سیلیکون کریستالی با کیفیت بالا بسیار بالا است، و اغلب میل به بریدن یک شمش بزرگ کاربید سیلیکون در بسیاری از بسترهای ویفر کاربید سیلیکون نازک وجود دارد. در عین حال، توسعه صنعتی منجر به افزایش اندازه ویفر شده است که تقاضا برای فرآیندهای برش را افزایش می دهد. با این حال، ماده کاربید سیلیکون دارای سختی بسیار بالایی است، با سختی Mohs 9.5، پس از سخت ترین الماس جهان (10)، و همچنین دارای شکنندگی کریستال ها است که برش آن را دشوار می کند. در حال حاضر، صنعت معمولاً از برش سیم دوغاب یا برش اره سیم الماس استفاده می کند. در حین برش، یک اره سیم ثابت در فواصل مساوی در اطراف شمش کاربید سیلیکون قرار می گیرد و با کشش اره سیمی، ویفرهای کاربید سیلیکون بریده می شود. استفاده از روش اره سیمی برای جدا کردن ویفرها از یک شمش با قطر 6{20}اینچ حدود 100 ساعت طول می‌کشد. ویفرهای حاصل نه تنها برش نسبتاً بزرگی دارند، بلکه زبری سطح بیشتری نیز دارند که منجر به تلفات مواد تا 46٪ می شود. این امر هزینه استفاده از مواد کاربید سیلیکون را افزایش می دهد و توسعه آن را در صنعت نیمه هادی محدود می کند و تحقیق در مورد فناوری های جدید برش ویفرهای کاربید سیلیکون را ضروری می کند. در سال های اخیر، استفاده از فناوری برش لیزری در تولید و پردازش مواد نیمه هادی به طور فزاینده ای محبوب شده است. اصل این روش استفاده از پرتو لیزر متمرکز برای اصلاح زیرلایه از سطح ماده یا در داخل و در نتیجه جداسازی آن است. از آنجا که این یک فرآیند غیر تماسی است، از اثرات سایش ابزار و استرس مکانیکی جلوگیری می کند. بنابراین، زبری سطح و دقت ویفر را تا حد زیادی بهبود می بخشد، نیاز به فرآیندهای پرداخت بعدی را از بین می برد، تلفات مواد را کاهش می دهد، هزینه ها را کاهش می دهد و آلودگی محیطی ناشی از فرآیندهای سنتی سنگ زنی و پرداخت را به حداقل می رساند. فناوری برش لیزری مدت‌هاست که برای برش شمش‌های سیلیکون استفاده می‌شود، اما کاربرد آن در زمینه کاربید سیلیکون هنوز بالغ نشده است، با چند فناوری اصلی در حال حاضر.

2برش لیزری هدایت شونده با آب

فن‌آوری لیزر هدایت‌شونده آب (Laser MicroJet، LMJ)، همچنین به عنوان فناوری میکروجت لیزری شناخته می‌شود، بر اساس اصل تمرکز پرتو لیزر بر روی نازل زمانی که لیزر از یک محفظه آب تعدیل‌شده- عبور می‌کند، عمل می‌کند. یک جریان آب با فشار کم-از نازل خارج می شود. در سطح مشترک آب و هوا، به دلیل تفاوت در ضرایب شکست، یک موجبر نوری تشکیل می‌شود که به لیزر اجازه می‌دهد در جهت جریان آب منتشر شود و در نتیجه از طریق هدایت جت آب با فشار بالا، سطح ماده را برش دهد. مزیت اصلی لیزرهای هدایت شونده با آب در کیفیت برش نهفته است. جریان آب نه تنها منطقه برش را خنک می کند، تغییر شکل حرارتی مواد و آسیب را کاهش می دهد، بلکه زباله های پردازش را نیز از بین می برد. در مقایسه با برش اره سیمی، سرعت آن به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. با این حال، جذب طول‌موج‌های مختلف توسط آب متفاوت است، و طول‌موج‌های لیزر مورد استفاده عمدتاً به 1064 نانومتر، 532 نانومتر و 355 نانومتر محدود می‌شود. در سال 1993، دانشمند سوئیسی Beruold Richerzhagen برای اولین بار این فناوری را پیشنهاد کرد و شرکت او، Synova، متخصص و متخصص در زمینه‌های تحقیقاتی آب بود. از نظر فن آوری در صحنه بین المللی، در حالی که فناوری داخلی نسبتاً عقب است، با شرکت هایی مانند Inno Laser و Shengguang Silicon Research به طور فعال در حال توسعه هستند.

03 دایس کردن مخفیانه

Stealth Dicing (SD) شامل تمرکز لیزر از طریق سطح کاربید سیلیکون به داخل تراشه، ایجاد یک لایه اصلاح شده در عمق مورد نظر برای دستیابی به جداسازی ویفر است. از آنجایی که هیچ برشی روی سطح ویفر وجود ندارد، می توان به دقت پردازش بالاتری دست یافت. فرآیند SD با استفاده از لیزرهای پالس نانوثانیه در صنعت برای جداسازی ویفرهای سیلیکونی استفاده شده است. با این حال، در طول پردازش SD کاربید سیلیکون القا شده توسط لیزرهای پالسی نانوثانیه، اثرات حرارتی رخ می دهد زیرا مدت زمان پالس بسیار بیشتر از زمان جفت شدن بین الکترون ها و فونون ها در کاربید سیلیکون (به ترتیب پیکو ثانیه) است. ورودی حرارتی بالا به ویفر نه تنها باعث می‌شود که جداسازی از جهت مورد نظر منحرف شود، بلکه تنش پسماند قابل‌توجهی ایجاد می‌کند که منجر به شکستگی و شکاف ضعیف می‌شود. بنابراین، فرآیندهای SD لیزر پالس کوتاه اولتر معمولاً هنگام پردازش کاربید سیلیکون استفاده می‌شوند و اثرات حرارتی را تا حد زیادی کاهش می‌دهند.

شرکت ژاپنی DISCO با استفاده از نمونه پردازش شمش کریستال کاربید سیلیکون با قطر 6 اینچ و ضخامت 20 میلی متر، یک فناوری برش لیزری به نام کلید آمورف-جذب تکراری سیاه (KABRA) ایجاد کرده است که نرخ تولید ویفرهای کاربید سیلیکون را چهار برابر افزایش داده است. ماهیت فرآیند کابرا لیزر را در داخل ماده کاربید سیلیکون متمرکز می کند، کاربید سیلیکون را از طریق "جذب تکراری بی شکل" به سیلیکون آمورف و کربن آمورف تجزیه می کند، و لایه ای را به عنوان نقطه جدایی برای ویفر تشکیل می دهد، یعنی لایه ای را آسان تر می کند که نور سیاه را جذب می کند. ویفر

فناوری ویفر تقسیم سرد توسعه یافته توسط Siltectra که توسط Infineon خریداری شده است، نه تنها به انواع مختلف شمش ها اجازه می دهد تا به ویفر تقسیم شوند، بلکه منجر به از دست دادن 80 میکرومتر در هر ویفر می شود که باعث کاهش اتلاف مواد تا 90 درصد می شود و در نهایت هزینه کل تولید دستگاه ها را تا 30 درصد کاهش می دهد. فن آوری برش سرد شامل دو مرحله است: اول، قرار گرفتن در معرض لیزر یک لایه لایه لایه بر روی شمش ایجاد می کند، که باعث می شود مواد کاربید سیلیکون از نظر حجم گسترش یابد، که باعث ایجاد تنش کششی و تشکیل یک لایه بسیار باریک میکرو-ترک می شود. سپس، از طریق یک مرحله خنک‌سازی پلیمری، این ترک‌های میکرو{5}}در یک ترک اصلی پردازش می‌شوند و در نهایت ویفر را از شمش باقی‌مانده جدا می‌کنند. در سال 2019، ارزیابی شخص ثالث از این فناوری اندازه‌گیری شد که زبری سطح ویفرهای تقسیم‌شده کمتر از 3 میکرومتر بود و بهترین نتایج کمتر از 2 میکرومتر بود.

برش لیزری اصلاح شده که توسط یک شرکت لیزر خانواده بزرگ تولید شده است، یک فناوری لیزری است که ویفرهای نیمه هادی را به تراشه ها یا دانه های جداگانه جدا می کند. این فرآیند همچنین شامل اسکن داخلی ویفر با یک پرتو لیزر دقیق برای تشکیل یک لایه اصلاح شده است که به ویفر اجازه می‌دهد در امتداد مسیر اسکن لیزری تحت فشار اعمال شده گسترش یابد و به جداسازی دقیقی دست یابد.

در حال حاضر، تولید کنندگان داخلی بر فناوری برش کاربید سیلیکون با ملات تسلط دارند، اما تلفات برش زیاد است، راندمان کم و آلودگی شدید است که به تدریج با تکنولوژی برش سیم الماس جایگزین می شود. در عین حال، مزایای عملکرد و کارایی برش لیزری برجسته است و مزایای زیادی را در مقایسه با فناوری‌های پردازش تماس مکانیکی سنتی ارائه می‌کند، از جمله راندمان پردازش بالا، مسیرهای برش باریک و چگالی بالای تراشه، که آن را به رقیبی قدرتمند برای جایگزینی فناوری برش سیم الماس تبدیل می‌کند و راه جدیدی را برای استفاده از مواد segene sidulic می‌کند. با توسعه فناوری صنعتی، اندازه بسترهای کاربید سیلیکون همچنان در حال افزایش است و فناوری برش کاربید سیلیکون به سرعت توسعه خواهد یافت. برش لیزری کارآمد و با کیفیت-روند مهمی در برش کاربید سیلیکون در آینده خواهد بود.