01
Εισαγωγή
Η κοπή σε κυβάκια γκοφρέτας είναι ένα σημαντικό μέρος της κατασκευής συσκευών ημιαγωγών. Η μέθοδος και η ποιότητα κοπής σε κύβους επηρεάζουν άμεσα το πάχος, την τραχύτητα, τις διαστάσεις και το κόστος παραγωγής της γκοφρέτας και έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην κατασκευή της συσκευής. Το καρβίδιο του πυριτίου, ως υλικό ημιαγωγών τρίτης- γενιάς, είναι ένα σημαντικό υλικό που οδηγεί την ηλεκτρική επανάσταση. Το κόστος παραγωγής του κρυσταλλικού καρβιδίου του πυριτίου υψηλής ποιότητας-είναι εξαιρετικά υψηλό και οι άνθρωποι γενικά ελπίζουν να κόψουν μια μεγάλη ράβδο καρβιδίου του πυριτίου σε όσο το δυνατόν περισσότερα λεπτά υποστρώματα γκοφρέτας καρβιδίου του πυριτίου. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη της βιομηχανίας οδήγησε σε προοδευτικά μεγαλύτερα μεγέθη γκοφρέτας, γεγονός που αύξησε τις απαιτήσεις για διαδικασίες κοπής σε κύβους. Ωστόσο, το καρβίδιο του πυριτίου είναι εξαιρετικά σκληρό, με σκληρότητα Mohs 9,5, δεύτερο μόνο μετά το διαμάντι (10), και είναι επίσης εύθραυστο, καθιστώντας δύσκολη την κοπή. Επί του παρόντος, οι βιομηχανικές μέθοδοι χρησιμοποιούν γενικά το πριόνισμα σύρματος με πολτό ή το πριόνισμα συρμάτων διαμαντιού. Κατά τη διάρκεια της κοπής, τοποθετούνται ίσα απέχοντα σταθερά συρμάτινα πριόνια γύρω από τη ράβδο καρβιδίου του πυριτίου και η ράβδος κόβεται χρησιμοποιώντας πριόνια τεντωμένου σύρματος. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του συρμάτινου πριονιού, ο διαχωρισμός των γκοφρετών από ένα πλινθίο διαμέτρου 6 ιντσών διαρκεί περίπου 100 ώρες. Οι γκοφρέτες που προκύπτουν έχουν σχετικά φαρδιά άκρα, πιο τραχιές επιφάνειες και απώλειες υλικού έως και 46%. Αυτό αυξάνει το κόστος χρήσης υλικών καρβιδίου του πυριτίου και περιορίζει την ανάπτυξή τους στη βιομηχανία ημιαγωγών, υπογραμμίζοντας την επείγουσα ανάγκη για έρευνα σε νέες τεχνολογίες κοπής γκοφρέτων καρβιδίου του πυριτίου.
Τα τελευταία χρόνια, η χρήση της τεχνολογίας κοπής με λέιζερ έχει γίνει όλο και πιο δημοφιλής στην κατασκευή υλικών ημιαγωγών. Αυτή η μέθοδος λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ για να τροποποιήσει την επιφάνεια ή το εσωτερικό του υλικού, διαχωρίζοντάς το έτσι. Ως διαδικασία χωρίς-επαφή, αποφεύγει τη φθορά του εργαλείου και τη μηχανική καταπόνηση. Ως εκ τούτου, βελτιώνει σημαντικά την τραχύτητα και την ακρίβεια της επιφάνειας του πλακιδίου, εξαλείφει την ανάγκη για επακόλουθες διαδικασίες γυαλίσματος, μειώνει την απώλεια υλικού, μειώνει το κόστος και ελαχιστοποιεί την περιβαλλοντική ρύπανση που προκαλείται από την παραδοσιακή λείανση και στίλβωση. Η τεχνολογία κοπής με λέιζερ έχει εφαρμοστεί από καιρό στην κοπή σε κυβάκια ράβδων πυριτίου, αλλά η εφαρμογή της στο πεδίο καρβιδίου του πυριτίου είναι ακόμη ανώριμη. Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλές κύριες τεχνικές.
02
Νερό-Κοπή με καθοδήγηση με λέιζερ
Η τεχνολογία καθοδηγούμενης λέιζερ-νερού (Laser MicroJet, LMJ), γνωστή και ως τεχνολογία μικρο-λέιζερ, λειτουργεί με βάση την αρχή της εστίασης μιας δέσμης λέιζερ σε ένα ακροφύσιο καθώς διέρχεται από έναν θάλαμο νερού που διαμορφώνεται-. Ένας πίδακας νερού χαμηλής-πίεσης εκτοξεύεται από το ακροφύσιο και λόγω της διαφοράς του δείκτη διάθλασης στη διεπαφή του νερού-αέρα, σχηματίζεται ένας ελαφρός κυματοδηγός, ο οποίος επιτρέπει στο λέιζερ να διαδίδεται κατά την κατεύθυνση της ροής του νερού. Αυτό καθοδηγεί έναν πίδακα νερού υψηλής-πίεσης για την επεξεργασία και την κοπή της επιφάνειας του υλικού. Το κύριο πλεονέκτημα της κοπής με καθοδήγηση με λέιζερ-βρίσκεται στην ποιότητα κοπής της. Η ροή του νερού όχι μόνο ψύχει την περιοχή κοπής, μειώνοντας τη θερμική παραμόρφωση και τη θερμική ζημιά στο υλικό, αλλά αφαιρεί επίσης τα υπολείμματα επεξεργασίας. Σε σύγκριση με την κοπή συρμάτινου πριονιού, είναι σημαντικά ταχύτερη. Ωστόσο, επειδή το νερό απορροφά διαφορετικά μήκη κύματος λέιζερ σε διάφορους βαθμούς, το μήκος κύματος λέιζερ περιορίζεται, κυρίως στα 1064 nm, 532 nm και 355 nm.
Το 1993, ο Ελβετός επιστήμονας Beruold Richerzhagen πρότεινε για πρώτη φορά αυτή την τεχνολογία. Ίδρυσε τη Synova, μια εταιρεία αφιερωμένη στην έρευνα, την ανάπτυξη και την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας λέιζερ καθοδηγούμενης με νερό-, η οποία βρίσκεται διεθνώς στην πρώτη γραμμή. Η εγχώρια τεχνολογία είναι σχετικά πίσω, αλλά εταιρείες όπως η Innolight και η Shengguang Silicon Research την αναπτύσσουν ενεργά.
03
Stealth Dicing
Το Stealth Dicing (SD) είναι μια τεχνική όπου ένα λέιζερ εστιάζεται μέσα σε μια γκοφρέτα καρβιδίου του πυριτίου μέσω της επιφάνειάς της για να σχηματίσει ένα τροποποιημένο στρώμα στο επιθυμητό βάθος, επιτρέποντας τον διαχωρισμό της πλακέτας. Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν κοψίματα στην επιφάνεια της γκοφρέτας, μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια επεξεργασίας. Η διαδικασία SD με παλμικά λέιζερ νανοδευτερόλεπτων έχει ήδη χρησιμοποιηθεί βιομηχανικά για τον διαχωρισμό πλακών πυριτίου. Ωστόσο, κατά την επεξεργασία SD του καρβιδίου του πυριτίου που προκαλείται από παλμικά λέιζερ νανοδευτερόλεπτων, η διάρκεια του παλμού είναι πολύ μεγαλύτερη από τον χρόνο σύζευξης μεταξύ ηλεκτρονίων και φωνονίων σε καρβίδιο του πυριτίου (στην κλίμακα του picosecond), με αποτέλεσμα θερμικά φαινόμενα. Η υψηλή θερμική είσοδος στη γκοφρέτα όχι μόνο κάνει τον διαχωρισμό επιρρεπή σε απόκλιση από την επιθυμητή κατεύθυνση, αλλά δημιουργεί επίσης σημαντική υπολειπόμενη τάση, που οδηγεί σε σπασίματα και κακή διάσπαση. Επομένως, κατά την επεξεργασία του καρβιδίου του πυριτίου, η διαδικασία SD χρησιμοποιεί συνήθως λέιζερ υπερμικρών παλμών, τα οποία μειώνουν σημαντικά τις θερμικές επιδράσεις.
Η ιαπωνική εταιρεία DISCO έχει αναπτύξει μια τεχνολογία κοπής με λέιζερ που ονομάζεται Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Για παράδειγμα, κατά την επεξεργασία πλινθωμάτων καρβιδίου του πυριτίου διαμέτρου 6-ιντσών και πάχους 20 mm, αύξησε την παραγωγικότητα των πλακών καρβιδίου του πυριτίου στο τετραπλάσιο. Η διαδικασία KABRA ουσιαστικά εστιάζει το λέιζερ μέσα στο υλικό καρβιδίου του πυριτίου. Μέσω της «άμορφης-μαύρης επαναλαμβανόμενης απορρόφησης», το καρβίδιο του πυριτίου αποσυντίθεται σε άμορφο πυρίτιο και άμορφο άνθρακα, σχηματίζοντας ένα στρώμα που χρησιμεύει ως σημείο διαχωρισμού πλακιδίων, γνωστό ως μαύρο άμορφο στρώμα, το οποίο απορροφά περισσότερο φως, καθιστώντας πολύ πιο εύκολο τον διαχωρισμό των πλακιδίων.
Η τεχνολογία Cold Split wafer που αναπτύχθηκε από τη Siltectra, η οποία αποκτήθηκε από την Infineon, μπορεί όχι μόνο να χωρίσει διάφορους τύπους πλινθωμάτων σε γκοφρέτες, αλλά και μειώνει την απώλεια υλικού έως και 90%, με κάθε γκοφρέτα να χάνει μόλις 80μm, μειώνοντας τελικά το συνολικό κόστος παραγωγής της συσκευής έως και 30%. Η τεχνολογία Cold Split περιλαμβάνει δύο βήματα: πρώτον, ένα λέιζερ ακτινοβολεί το ράβδο για να δημιουργήσει ένα στρώμα αποκόλλησης, προκαλώντας εσωτερική διαστολή όγκου στο υλικό καρβιδίου του πυριτίου, το οποίο δημιουργεί τάση εφελκυσμού και σχηματίζει μια πολύ στενή μικρο-ρωγμή. Στη συνέχεια, ένα στάδιο ψύξης από πολυμερές μετατρέπει τη μικρο-ρωγμή σε κύρια ρωγμή, διαχωρίζοντας τελικά τη γκοφρέτα από την υπόλοιπη ράβδο. Το 2019, ένα τρίτο μέρος αξιολόγησε αυτήν την τεχνολογία και μέτρησε την επιφανειακή τραχύτητα Ra των σχιστών πλακιδίων κάτω από 3 μm, με τα καλύτερα αποτελέσματα να είναι μικρότερα από 2 μm.
Ο τροποποιημένος κύβος λέιζερ που αναπτύχθηκε από την κινεζική εταιρεία Han's Laser είναι μια τεχνολογία λέιζερ που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό γκοφρετών ημιαγωγών σε μεμονωμένα τσιπ ή μήτρες. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί επίσης μια ακριβή δέσμη λέιζερ για τη σάρωση και το σχηματισμό ενός τροποποιημένου στρώματος στο εσωτερικό του πλακιδίου, επιτρέποντας στη δισκοθήκη να ραγίσει κατά μήκος της διαδρομής σάρωσης λέιζερ υπό εφαρμοζόμενη πίεση, επιτυγχάνοντας ακριβή διαχωρισμό.
Εικόνα 5. Τροποποιημένη ροή διεργασίας κοπής σε κύβους λέιζερ
Επί του παρόντος, οι εγχώριοι κατασκευαστές έχουν κατακτήσει την τεχνολογία κοπής σε κύβους με βάση το καρβίδιο του πυριτίου-. Ωστόσο, η κοπή σε κύβους πολτού έχει υψηλή απώλεια υλικού, χαμηλή απόδοση και σοβαρή ρύπανση, και σταδιακά αντικαθίσταται από την τεχνολογία κοπής συρμάτων διαμαντιού. Ταυτόχρονα, το laser dicing ξεχωρίζει λόγω των πλεονεκτημάτων απόδοσης και αποτελεσματικότητας. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες επεξεργασίας μηχανικής επαφής, προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής απόδοσης επεξεργασίας, των στενών γραμμών γραφής και της υψηλής πυκνότητας άκρου, καθιστώντας το έναν ισχυρό ανταγωνιστή για την αντικατάσταση του διαμαντένιου σύρματος σε κύβους. Ανοίγει μια νέα διαδρομή για την εφαρμογή ημιαγωγών υλικών επόμενης-γενιάς όπως το καρβίδιο του πυριτίου. Με την πρόοδο της βιομηχανικής τεχνολογίας και τη συνεχή αύξηση των μεγεθών υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου, η τεχνολογία κοπής σε κύβους καρβιδίου του πυριτίου θα αναπτυχθεί γρήγορα και η αποτελεσματική,-κοψίματος με λέιζερ υψηλής ποιότητας θα είναι μια σημαντική τάση για μελλοντική κοπή καρβιδίου του πυριτίου.
