Pooljuhid on meditsiiniseadmete sisemise töö lahutamatu osa, aidates kaasa mittejuhtide ja juhtide vahelisele juhtivusele voolu juhtimiseks. Omakorda on täiusliku pooljuhi monteerimisprotsess väga üksikasjalik, eriti nüüd, kui seadmed muutuvad järjest väiksemaks. Kuna pooljuhid on kiiresti miniatuursed, et need sobiksid nendesse väiksematesse seadmetesse, on laserite roll pooljuhtide tootmises kohanenud.
Lasertehnoloogiat kasutatakse pooljuhtide tootmises sageli õhukeste, täpsete, mitmekülgsete ja võimsate kiirte tõttu erinevatel põhjustel, sealhulgas lõikamisel, keevitamisel, katte eemaldamisel ja märgistamisel.
Lõikamine/kirjutamine
Pooljuhtide tootmisel on erinevaid kuubikuteks lõikamisetappe, sealhulgas kristallplokkidest vahvlite ja õhukestest kiledest šabloonide lõikamine. Kuubikuteks lõikamine laseriga tagab, et laastud lõigatakse puhtalt nii, et need sobituvad korralikult lõppseadmesse. Laserite kasutamine võimaldab pooljuhte lõigata paljudeks kujunditeks ja mustriteks, mis pole teiste kuubikuteks lõikamise meetodite abil võimalik. Columbia ülikooli Fu Foundation School of Engineering and Applied Science andmetel vähendab vahvlite lõikamine selle meetodi abil tööriistade kulumist ja materjali kadu ning annab suurema saagise.
Columbia pooljuhtlasertöötluse õppematerjalis on kirjas, et "laserlõikamise eelised hõlmavad väiksemat tööriista kulumist, väiksemat materjalikadu lõike ümber, suuremat saagist väiksema purunemise tõttu ja kiiremat pöördeid tänu kinnitamise lihtsusele."
Teine võimalus lõikamiseks on kriipsutamine – tihedalt asetsevate või kattuvate pimeaukude puurimine poole materjali peale. Seda meetodit kasutatakse laialdaselt pooljuhtide tootmise rakendustes, nagu alumiiniumoksiidist substraatide lõikamine kiibikandjateks või räniplaatide eraldamine kiibiks. Tasub teada, et kriipsutamiseks vajalik laseri tüüp sõltub kasutatavast materjalist.
Ülikool ütleb: "Alumiiniumoksiidi kirjutamisel kasutatakse CO2 lasereid, räni kirjutamisel aga Nd:YAG lasereid, kuna erinevatel materjalidel on erinevatel lainepikkustel erinev neeldumiskiirus."
Kirjutamise ja lõikamise kasutamise motivatsioon sõltub kiirusest, millega tegevus tootmistsehhis toimub. "Alumiiniumoksiidi puhul, mille paksus on umbes 0,025 tolli, saab materjali kirjutada kiirusega umbes 10 tolli sekundis, kasutades keskmise võimsusega CO2-laserit, samas kui sarnase laseri puhul võib lõikekiirus olla olla tolli murdosa sekundis,“ kirjutavad ülikooli töötajad. "Scribing pakub ka eelist, et substraat saab enne töötlemise lõpetamist maha kirjutada ja seejärel pärast töötlemist hõlpsasti kiibidena eraldada."
Welding
Laserjootmine või laserdioodiga keevitamine on pooljuhtkomponendi külgnevate osade kokkusulatamise protsess, sarnaselt vahvli kinnitamisega tugiplaadile. Ühendamiseks valmis tugiplaatide (nt pliiraamid) puhul asetab laser raamile identifitseerimismärgi ja seejärel karestab pinna, et tagada kahe osa turvaline ühendamine. Pärast kokkukleepumist eemaldab lasermärgistusmasin karestamisprotsessi käigus tekkinud jämedused.
Katte eemaldamine
Pooljuhtide puhaste ja defektideta tagamine on osa tootmisprotsessist, mida nimetatakse katte eemaldamiseks. Kasutades laserit (tavaliselt Nd:YAG), saab soovimatud katted eemaldada nagu vaigu või vase ning kulla või õhukese kilekattega. Surve eemaldamiseks kasutab laser oma peent ja täpset kiirt, et eemaldada liigne materjal ilma toodet kahjustamata.Katete eemaldaminevõimaldab defekte selgemalt analüüsida, välistades vajaduse ülevaatuseks lahti võtta, mis võib põhjustada toote kahjustusi.
Märgistus
Pooljuhtide lasermärgistamineon oluline toote jälgitavuse ja loetavuse seisukohalt, mis tähendab, et laser peab olema hästi loetav väga väikeste väljatrükkidega. Toote jälgitavus tähendab, et toodet saab jälgida nii tootmise mitme etapi kui ka lõppjaotuse kaudu. See muudab konkreetsete defektide kategooriate leidmise ja eraldamise lihtsamaks.
Märgistatud kiibid peavad olema ka loetavad, sest märgistamine on kasulik viis kindlaks teha, milline toode on rakenduse jaoks sobiv. Wafer Worldi sõnul "laser mitte ainult ei lõika vahvli pinda, vaid korraldab ka pinnaosakesed ümber, et luua äärmiselt madalaid, kuid kergesti loetavaid märgiseid."
Pooljuhtidel kasutatakse kahte tüüpi markereid: söövitusmarkerid ja lõõmutatud markerid. Söövitusmarkerid on õhukesed materjalikihid, mis eemaldatakse laseriga, jättes umbes 12–25 mikroni sügavuse tekstureeritud jälje. Neid nimetatakse sageli "kõvade jälgedeks", kuna pinnakihis on nähtav muutus.
Seevastu lõõmutamismärgid kasutavad molekulide söövitamise asemel madalamale võimsustasemele seatud laserit. See loob kiibi pinnale kontrasti, mis on valguse peegeldumisel nähtav.
Laseri tüüp
Praegu kasutavad ettevõtted kiibi valmistamiseks enamasti tahkislasereid, kuna need on tuntud oma suure võimsuse poolest ja kasutavad laserikandjana maaki. Mineraalkeskkond koosneb tavaliselt ütriumi, alumiiniumi, granaadi või ütriumvanadaadi kristallidest. Näiteks Nd:YAG laserid kasutavad keskkonnana neodüümiga legeeritud ütriumalumiiniumgranaadi kristalle. Laserkiir genereeritakse ostsillaatori abil, mis stimuleerib keskkonda laserdioodi valgusega.
Üks kiibi märgistamiseks, graveerimiseks ja kuubikuteks lõikamiseks kasutatav tahkislaseri tüüp on kiudlaser, ütleb Keyence ja lisab, et kiired laserid kasutavad "resonaatoritena optilisi kiude ja loovad Yb-iooniga legeeritud kiudkatte kaudu kattuvaid struktuure". märkides, et selle kiudlasereid tuntakse 3-teljekiudlaserite MD-F-seeriana. "Mõned kiudlaserite kasutusalad hõlmavad tootmiseelsete protsesside jäsemete eemaldamist, jälgitavuse koodide märgistamist ja vaigu eemaldamist defektide analüüsimiseks."
Eksimerlasereid kasutatakse ka pooljuhtide tootmisel. Need on sügavadultraviolett(UV) laserid lainepikkustega vahemikus 126 nm kuni 351 nm, mida kasutatakse peamiselt polümeeri mikrotöötluseks. Tahkisega võrreldes lühemad UV-laserkiired muudavad need sobivaks igat tüüpi materjalidele, sealhulgas väga habrastele ja õrnadele materjalidele, ning võimaldavad neil töötada väga väikesel täpsel alal ja vähendatud toimepunktiga. Märgistamisel kasutades muudab UV-laser toote materjali struktuuri molekulaarsel tasemel ilma ümbritsevasse piirkonda soojust tekitamata.
Laserinnovatsioon
Praegu peetakse pooljuhtide tootmisel lasertootmise peamisteks valikuteks pooljuht- ja eksimeerlasereid. Küll aga võib peagi olla saadaval uus variant, mis võiks klassikaga riistale minna. Hiljutises ajakirjas Nature avaldatud uuringus kirjutas Kyoto ülikooli teadlaste meeskond Susumu Noda juhtimisel, et nad on astunud samme pooljuhtlaseri heleduse piirangute ületamiseks, muutes fotoonkristallipinda kiirgavate laserite (PCSEL) struktuuri. Elektri- ja elektroonikainseneride instituudi andmetel on heledus eelis, mis hõlmab valguskiire teravustamise või lahknemise astet. Kuigi PCSEL-e peetakse suure heledusega laserite jaoks atraktiivseks võimaluseks, on need varem olnud skaleerimata kasutamiseks suurtes seadmetes. -mastaapilised toimingud laserite suuruse ja heledusega seotud väljakutsete tõttu.
Tihti tuleneb probleem PCSEL-idega soovist laiendada nende kiirgavat ala, mis tähendab, et valgusel on ruumi võnkumiseks nii emissiooni suunas kui ka põikisuunas. "Neid põikivõnkumisi tuntakse kõrgema järgu režiimidena ja need võivad hävitada kiire kvaliteedi," kirjutab IEEE. "Lisaks, kui laserit kasutatakse pidevalt, võib laseri sees olev kuumus muuta seadme murdumisnäitajat, mis toob kaasa kiire kvaliteedi edasise halvenemise."
Loodusuuringus kasutasid teadlased laserisse manustatud fotoonkristalle ja "kohandasid sisemist reflektorit, et võimaldada ühemoodilisi võnkumisi laiemal alal ja kompenseerida termilisi kahjustusi". Need muudatused võimaldasid laseril säilitada kõrge kiire kvaliteedi kogu pideva töötamise ajal.
Teadlased töötasid oma uuringus välja 3-mm-läbimõõduga PCSEL-i, mis on 10-voldi hüpe võrreldes eelmise 1-mm läbimõõduga PCSEL-seadmega.
"Fotoonkristallide pinda kiirgava laseri puhul, mille resonantsläbimõõt on suur, 3 mm, [pidevlaine] väljundvõimsused üle 50 W, puhtad ühemoodilised võnked ja äärmiselt kitsas kiire divergents 0,05 kraadi , mis vastab enam kui 10,000 lainepikkusele materjalis,“ kirjutasid teadlased uuringus. Heledus ...... jõuab 1 GW cm-2 sr-1-ni, mis on võrreldav olemasolevate suurte laseritega."
Väärib märkimist, et "suuremahuliste laserite" all peavad teadlased silmas praegu pooljuhtlaserite tootmises kasutatavaid tahkis- ja eksimeerlasereid.
Osana protsessist, mille käigus rajati Kyoto ülikoolis fotooniliste kristallide jaoks pinda kiirgavate laserite jaoks 1,000-ruutmeetrine tippkeskus, on Noda ja tema meeskond samuti nihkunud elektronkiire litograafiat kasutavate fotoonkristallide tootmiselt nende valmistamine nanoimprint litograafiaga.
"E-kiire litograafia on täpne, kuid tavaliselt liiga aeglane suuremahuliseks tootmiseks, " ütleb IEEE. "Nanoimprint-litograafia surub põhimõtteliselt mustrid pooljuhtidele ja on kasulik väga korrapäraste mustrite kiireks loomiseks."
Uuringu kohaselt on järgmise sammuna jätkata laseri läbimõõdu laiendamist 3 millimeetrilt 10 millimeetrini – suurus, mis väidetavalt toodab 1 kilovatti väljundvõimsust.
