01
Sissejuhatus
Vahvlite kuubikuteks lõikamine on pooljuhtseadmete valmistamise oluline osa. Kuubikuteks lõikamise meetod ja kvaliteet mõjutavad otseselt vahvli paksust, karedust, mõõtmeid ja tootmiskulusid ning neil on oluline mõju seadme valmistamisele. Ränikarbiid kui kolmanda-põlvkonna pooljuhtmaterjal on oluline elektrirevolutsiooni käivitav materjal. Kvaliteetse-kristallilise ränikarbiidi tootmiskulud on äärmiselt kõrged ja üldiselt loodavad inimesed lõigata suurest ränikarbiidist valuplokist võimalikult palju õhukesi ränikarbiidist plaate. Samal ajal on tööstuse kasv toonud kaasa järk-järgult suuremate vahvlite suurusi, mis on suurendanud nõudeid kuubikuteks lõikamise protsessidele. Ränikarbiid on aga äärmiselt kõva, Mohsi kõvadusega 9,5, mis on pärast teemandit (10) teisel kohal, ja see on ka rabe, mistõttu on raske lõigata. Praegu kasutatakse tööstuslikes meetodites tavaliselt traadisaagimist või teemanttraatsaagimist. Lõikamise ajal asetatakse ränikarbiidi valuploki ümber võrdsete vahedega fikseeritud traatsaed ja valuplokk lõigatakse venitatud traatsaagide abil. Traatsae meetodil kulub vahvlite eraldamiseks 6-tollise läbimõõduga valuplokist ligikaudu 100 tundi. Saadud vahvlitel on suhteliselt laiad sooned, karedamad pinnad ja materjalikaod kuni 46%. See suurendab ränikarbiidi materjalide kasutamise kulusid ja piirab nende arengut pooljuhtide tööstuses, rõhutades tungivat vajadust uurida uusi ränikarbiidist vahvlite kuubikuteks lõikamise tehnoloogiaid.
Viimastel aastatel on pooljuhtmaterjalide valmistamisel üha populaarsemaks muutunud laserlõiketehnoloogia kasutamine. See meetod töötab fokuseeritud laserkiire abil, et muuta materjali pinda või sisemust, eraldades selle. Kontaktivaba-protsessina väldib see tööriista kulumist ja mehaanilist pinget. Seetõttu parandab see oluliselt vahvli pinna karedust ja täpsust, välistab vajaduse järgnevate poleerimisprotsesside järele, vähendab materjalikadu, vähendab kulusid ja minimeerib traditsioonilisest lihvimisest ja poleerimisest põhjustatud keskkonnareostust. Laserlõikamise tehnoloogiat on räni valuplokkide lõikamisel pikka aega kasutatud, kuid selle rakendamine ränikarbiidi valdkonnas on veel ebaküps. Praegu on mitu peamist tehnikat.
02
Veega juhitav laserlõikus-
Veega juhitav lasertehnoloogia (Laser MicroJet, LMJ), tuntud ka kui laser-mikro-joatehnoloogia, toimib põhimõttel, et laserkiir fokusseeritakse düüsile, kui see läbib rõhu-moduleeritud veekambrit. Madala rõhuga veejuga väljutatakse düüsist ja tänu murdumisnäitaja erinevusele vee-õhu liideses moodustub valguslainejuht, mis võimaldab laseril levida mööda veevoolu suunda. See juhib kõrgsurveveejoa-materjali pinna töötlemiseks ja lõikamiseks. Vesijuhitava laserlõikuse-peamine eelis seisneb lõikekvaliteedis. Veevool mitte ainult ei jahuta lõikeala, vähendades termilist deformatsiooni ja materjali termilisi kahjustusi, vaid eemaldab ka töötlemisjäägid. Võrreldes traatsae lõikamisega on see oluliselt kiirem. Kuna aga vesi neelab erinevaid laseri lainepikkusi erineval määral, on laseri lainepikkus piiratud, peamiselt 1064 nm, 532 nm ja 355 nm.
1993. aastal pakkus selle tehnoloogia esmakordselt välja Šveitsi teadlane Beruold Richerzhagen. Ta asutas ettevõtte Synova, mis on pühendunud vee-juhitava lasertehnoloogia uurimisele, arendamisele ja turustamisele ning mis on rahvusvaheliselt esirinnas. Kodumaine tehnoloogia on suhteliselt maas, kuid ettevõtted nagu Innolight ja Shengguang Silicon Research tegelevad selle aktiivselt arendamisega.
03
Stealth kuubikuteks lõikamine
Stealth Dicing (SD) on tehnika, kus laser fokusseeritakse ränikarbiidist vahvli sees läbi selle pinna, et moodustada soovitud sügavusel modifitseeritud kiht, mis võimaldab vahvli eraldamist. Kuna vahvli pinnal ei ole lõikeid, on võimalik saavutada suurem töötlemistäpsus. Nanosekundiliste impulsslaseritega SD-protsessi on räniplaatide eraldamiseks juba tööstuslikult kasutatud. Nanosekundiliste impulsslaserite poolt indutseeritud ränikarbiidi SD-töötluse ajal on aga impulsi kestus palju pikem kui elektronide ja fononite vaheline sidestusaeg ränikarbiidis (pikosekundi skaalal), mille tulemuseks on termilised efektid. Vahvli suur soojussisend mitte ainult ei muuda eraldumist soovitud suunast kalduvaks, vaid tekitab ka märkimisväärset jääkpinget, mis põhjustab purunemisi ja halba lõhustumist. Seetõttu kasutatakse ränikarbiidi töötlemisel SD-protsessis tavaliselt ülilühikese impulsslasereid, mis vähendab oluliselt termilisi mõjusid.
Jaapani ettevõte DISCO on välja töötanud laserlõikamistehnoloogia Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA). Näiteks 6-tollise läbimõõduga 20 mm paksuste ränikarbiidist valuplokkide töötlemisel suurendas see ränikarbiidist vahvlite tootlikkust neli korda. KABRA protsess fokuseerib laseri sisuliselt ränikarbiidmaterjali sees. Amorfse-musta korduva neeldumise kaudu laguneb ränikarbiid amorfseks räniks ja amorfseks süsinikuks, moodustades kihi, mis toimib vahvli eralduspunktina, mida tuntakse musta amorfse kihina, mis neelab rohkem valgust, muutes vahvlite eraldamise palju lihtsamaks.
Siltectra poolt välja töötatud Cold Split vahvlitehnoloogia, mille omandas Infineon, ei saa mitte ainult jagada erinevat tüüpi valuplokke vahvliteks, vaid vähendab ka materjalikadu kuni 90%, kusjuures iga vahvel kaotab kõigest 80 µm, alandades kokkuvõttes seadme tootmiskulusid kuni 30%. Cold Split tehnoloogia hõlmab kahte etappi: esiteks kiiritab laser valuplokki, et luua delaminatsioonikiht, mis põhjustab ränikarbiidmaterjali sisemise mahu laienemist, mis tekitab tõmbepinget ja moodustab väga kitsa mikro{4}}prao; seejärel muudab polümeeri jahutamisetapp mikro-prao peamiseks praoks, eraldades lõpuks vahvli ülejäänud valuplokist. 2019. aastal hindas kolmas osapool seda tehnoloogiat ja mõõtis poolitatud vahvlite pinnakareduse Ra alla 3 µm, kusjuures parimad tulemused olid alla 2 µm.
Hiina ettevõtte Han's Laser välja töötatud modifitseeritud laserkuubikuteks lõikamine on lasertehnoloogia, mida kasutatakse pooljuhtplaatide eraldamiseks üksikuteks kiipideks või stantsideks. See protsess kasutab ka täpset laserkiirt, et skaneerida ja moodustada vahvli sees modifitseeritud kiht, mis võimaldab vahvlil laserskaneerimisel rakendatud pinge all mõraneda, saavutades täpse eraldumise.
Joonis 5. Modifitseeritud laserkuubikuteks lõikamise protsessi voog
Praegu on kodumaised tootjad omandanud läga{0}}põhise ränikarbiidi kuubikuteks lõikamise tehnoloogia. Läga kuubikuteks lõikamisel on aga suur materjalikadu, madal efektiivsus ja tõsine reostus ning see asendub järk-järgult teemanttraadist kuubikuteks lõikamise tehnoloogiaga. Samas paistab laserkuubikuteks lõikamine silma oma jõudluse ja efektiivsuse eeliste poolest. Võrreldes traditsiooniliste mehaaniliste kontaktide töötlemise tehnoloogiatega pakub see palju eeliseid, sealhulgas kõrge töötlemise efektiivsus, kitsad jooned ja suur lõiketihedus, muutes selle tugevaks konkurendiks teemanttraadi kuubikute asendamisel. See avab uue tee -järgmise põlvkonna pooljuhtmaterjalide (nt ränikarbiidi) rakendamiseks. Tööstustehnoloogia edenedes ja ränikarbiidist substraadi suuruste pideva suurenemisega areneb ränikarbiidist kuubikuteks lõikamise tehnoloogia kiiresti ning tõhus ja kvaliteetne laserkuubikuteks lõikamine on tulevase ränikarbiidi lõikamise oluline trend.
