Οι ημιαγωγοί αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της εσωτερικής λειτουργίας των ιατροτεχνολογικών προϊόντων, συμβάλλοντας στην αγωγιμότητα μεταξύ μη αγωγών και αγωγών για τον έλεγχο του ρεύματος. Με τη σειρά του, η διαδικασία συναρμολόγησης για την κατασκευή του τέλειου ημιαγωγού είναι πολύ λεπτομερής, ειδικά τώρα που οι συσκευές γίνονται όλο και μικρότερες. Καθώς οι ημιαγωγοί μικροποιούνται γρήγορα για να χωρούν σε αυτές τις μικρότερες συσκευές, ο ρόλος των λέιζερ στην κατασκευή ημιαγωγών έχει προσαρμοστεί.
Η τεχνολογία λέιζερ χρησιμοποιείται συχνά στην κατασκευή ημιαγωγών για τις λεπτές, ακριβείς, ευέλικτες και ισχυρές δέσμες της για διάφορους λόγους, όπως η κοπή, η συγκόλληση, η αφαίρεση επίστρωσης και η σήμανση.
Κοπή/χαρακτηρισμός
Στην παραγωγή ημιαγωγών, υπάρχουν διάφορα στάδια κοπής σε κύβους, συμπεριλαμβανομένης της κοπής γκοφρετών από κρυστάλλινα μπλοκ και προτύπων από λεπτές μεμβράνες. Η κοπή σε κύβους με λέιζερ διασφαλίζει ότι τα τσιπ είναι καθαρά κομμένα έτσι ώστε να εφαρμόζουν σωστά στην τελική συσκευή. Η χρήση λέιζερ επιτρέπει στους ημιαγωγούς να κοπούν σε πολλά σχήματα και μοτίβα που δεν είναι δυνατά χρησιμοποιώντας άλλες μεθόδους κοπής σε κύβους. Σύμφωνα με τη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Ιδρύματος Fu του Πανεπιστημίου Κολούμπια, η κοπή γκοφρετών χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο μειώνει τη φθορά του εργαλείου και την απώλεια υλικού και έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερες αποδόσεις.
Το υλικό μελέτης της Columbia για την επεξεργασία λέιζερ ημιαγωγών δηλώνει ότι "τα πλεονεκτήματα της κοπής με λέιζερ περιλαμβάνουν λιγότερη φθορά του εργαλείου, μειωμένη απώλεια υλικού γύρω από την κοπή, υψηλότερες αποδόσεις λόγω μικρότερης θραύσης και ταχύτερη περιστροφή λόγω ευκολίας στερέωσης."
Μια άλλη επιλογή κοπής είναι το χάραξη - διάνοιξη μιας σειράς τυφλών οπών που απέχουν πολύ ή αλληλοεπικαλύπτονται στη μέση του υλικού. Αυτή είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές κατασκευής ημιαγωγών, όπως η κοπή υποστρωμάτων οξειδίου του αλουμινίου σε φορείς τσιπ ή ο διαχωρισμός πλακών πυριτίου σε τσιπ. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο τύπος λέιζερ που απαιτείται για τη χάραξη εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιείται.
Το πανεπιστήμιο λέει, «Η γραφή οξειδίου του αλουμινίου χρησιμοποιεί λέιζερ CO2, ενώ η γραφή πυριτίου χρησιμοποιεί λέιζερ Nd:YAG επειδή διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικούς ρυθμούς απορρόφησης σε διαφορετικά μήκη κύματος».
Το κίνητρο για τη χρήση γραψίματος έναντι κοπής εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία πραγματοποιείται η ενέργεια στο κατάστημα κατασκευής. "Για το οξείδιο του αλουμινίου, το οποίο έχει πάχος περίπου 0,025 ίντσες, το υλικό μπορεί να γραφεί με ρυθμό περίπου 10 ίντσες ανά δευτερόλεπτο χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ CO2 μέσης ισχύος, ενώ για ένα παρόμοιο λέιζερ, ο ρυθμός κοπής μπορεί να είναι κλάσματα της ίντσας ανά δευτερόλεπτο», γράφει το προσωπικό του πανεπιστημίου. "Η γραφή προσφέρει επίσης το πλεονέκτημα ότι μπορείς να γράψεις το υπόστρωμα πριν ολοκληρωθεί η επεξεργασία και στη συνέχεια να το χωρίσεις εύκολα σε τσιπς μετά την επεξεργασία."
Wηλικιωμένος
Η συγκόλληση με λέιζερ ή η συγκόλληση διόδων λέιζερ είναι η διαδικασία τήξης γειτονικών τμημάτων ενός εξαρτήματος ημιαγωγού μαζί, όπως η στερέωση μιας γκοφρέτας σε μια πλάκα στήριξης. Για πλακέτες στήριξης που είναι έτοιμες για συγκόλληση (όπως πλαίσια μολύβδου), το λέιζερ τοποθετεί ένα σημάδι αναγνώρισης στο πλαίσιο και στη συνέχεια τραχύνει την επιφάνεια για να διασφαλίσει ότι τα δύο μέρη είναι καλά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Μόλις συνδεθούν μεταξύ τους, το μηχάνημα σήμανσης με λέιζερ αφαιρεί τα γρέζια που δημιουργούνται από τη διαδικασία τραχύτητας.
Αφαίρεση επίστρωσης
Η διασφάλιση ότι οι ημιαγωγοί είναι καθαροί και χωρίς ελαττώματα αποτελεί μέρος μιας διαδικασίας κατασκευής που ονομάζεται αφαίρεση επίστρωσης. Χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ (συνήθως Nd:YAG), οι ανεπιθύμητες επικαλύψεις μπορούν να αφαιρεθούν όπως με ρητίνη ή χαλκό, και όπως με επικαλύψεις χρυσού ή λεπτής μεμβράνης. Για την αφαίρεση γρεζιών, το λέιζερ χρησιμοποιεί τη λεπτή, ακριβή δέσμη του για να αφαιρέσει το υπερβολικό υλικό χωρίς να προκαλέσει ζημιά στο προϊόν.Αφαίρεση επιστρώσεωνεπιτρέπει την ακριβέστερη ανάλυση των ελαττωμάτων, εξαλείφοντας την ανάγκη αποσυναρμολόγησης για επιθεώρηση, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε ζημιά στο προϊόν.
Βαθμολόγηση
Σήμανση ημιαγωγών με λέιζερείναι σημαντικό για την ιχνηλασιμότητα και την αναγνωσιμότητα του προϊόντος, πράγμα που σημαίνει ότι το λέιζερ πρέπει να είναι ευανάγνωστο σε πολύ μικρές εκτυπώσεις. Η ιχνηλασιμότητα του προϊόντος σημαίνει ότι το προϊόν μπορεί να παρακολουθηθεί μέσω των πολλαπλών σταδίων της παραγωγής καθώς και της τελικής διανομής. Αυτό διευκολύνει την εύρεση και την απομόνωση συγκεκριμένων κατηγοριών ελαττωμάτων.
Τα σημειωμένα τσιπ πρέπει επίσης να είναι ευανάγνωστα, καθώς η σήμανση είναι ένας χρήσιμος τρόπος για να προσδιοριστεί ποιο προϊόν είναι κατάλληλο για μια εφαρμογή. Σύμφωνα με το Wafer World, «Το λέιζερ όχι μόνο κόβει την επιφάνεια της γκοφρέτας αλλά αναδιατάσσει επίσης τα επιφανειακά σωματίδια για να δημιουργήσει εξαιρετικά ρηχά αλλά ευανάγνωστα σημάδια».
Υπάρχουν δύο τύποι δεικτών που χρησιμοποιούνται σε ημιαγωγούς: δείκτες χάραξης και ανόπτητοι μαρκαδόροι. Οι δείκτες χάραξης είναι λεπτά στρώματα υλικού που αφαιρούνται με χρήση λέιζερ, αφήνοντας ένα σημάδι με υφή βάθους περίπου 12 έως 25 μικρομέτρων. Αυτά αναφέρονται συχνά ως "σκληρά σημάδια" επειδή υπάρχει μια ορατή αλλαγή στο επιφανειακό στρώμα.
Τα σημάδια ανόπτησης, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν ένα λέιζερ σε χαμηλότερο επίπεδο ισχύος για να αναδιατάξουν τα μόρια αντί να τα χαράξουν. Αυτό δημιουργεί μια αντίθεση στην επιφάνεια του τσιπ που είναι ορατή όταν ανακλάται το φως.
Τύπος λέιζερ
Επί του παρόντος, οι εταιρείες χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον λέιζερ στερεάς κατάστασης για την κατασκευή τσιπ, επειδή είναι γνωστές για την υψηλή τους ισχύ και χρησιμοποιούν μετάλλευμα ως μέσο λέιζερ. Τα ορυκτά μέσα αποτελούνται συνήθως από κρυστάλλους υττρίου, αλουμινίου, γρανάτη ή βαναδικού υττρίου. Για παράδειγμα, τα λέιζερ Nd:YAG χρησιμοποιούν κρυστάλλους γρανάτη αλουμινίου υττρίου με πρόσμιξη νεοδυμίου ως μέσο. Η δέσμη λέιζερ δημιουργείται χρησιμοποιώντας έναν ταλαντωτή που διεγείρει το μέσο με φως από μια δίοδο λέιζερ.
Ένας τύπος λέιζερ στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιείται για σήμανση τσιπ, χάραξη και κοπή σε κύβους είναι το λέιζερ ινών, λέει ο Keyence, προσθέτοντας ότι τα λέιζερ υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούν "οπτικές ίνες ως συντονιστές και δημιουργούν επικαλυπτόμενες δομές μέσω της επένδυσης ινών με πρόσμειξη ιόντων Yb". σημειώνοντας ότι τα λέιζερ ινών του είναι γνωστά ως η σειρά MD-F των 3-λέιζερ ινών άξονα. «Ορισμένες από τις χρήσεις των λέιζερ ινών περιλαμβάνουν την αφαίρεση γρεζιών από τις διαδικασίες προπαραγωγής, τη σήμανση κωδικών ιχνηλασιμότητας και την αφαίρεση ρητίνης για ανάλυση ελαττωμάτων».
Τα λέιζερ Excimer χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή ημιαγωγών. Αυτά είναι βαθιάυπεριώδηςΛέιζερ (UV) με μήκη κύματος που κυμαίνονται από 126 nm έως 351 nm που χρησιμοποιούνται κυρίως για μικρομηχανική πολυμερών. Οι μικρότερες ακτίνες λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας σε σύγκριση με τη στερεά κατάσταση τις καθιστούν κατάλληλες για κάθε τύπο υλικού, συμπεριλαμβανομένων των πολύ εύθραυστων και ευαίσθητων υλικών, και τους επιτρέπουν να λειτουργούν σε μια πολύ μικρή περιοχή ακριβείας με μειωμένο σημείο δράσης. Όταν χρησιμοποιείται για σήμανση, το λέιζερ UV αλλάζει τη δομή του υλικού του προϊόντος σε μοριακό επίπεδο χωρίς να παράγει θερμότητα στη γύρω περιοχή.
Καινοτομία Laser
Επί του παρόντος, τα λέιζερ στερεάς κατάστασης και τα λέιζερ excimer θεωρούνται οι κύριες επιλογές όταν χρησιμοποιείται η κατασκευή λέιζερ για παραγωγή ημιαγωγών. Ωστόσο, μια νέα επιλογή που θα μπορούσε να ανταγωνιστεί τα κλασικά μπορεί να είναι σύντομα διαθέσιμη. Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κιότο με επικεφαλής τον Susumu Noda έγραψε ότι έχουν λάβει μέτρα για να ξεπεράσουν τους περιορισμούς της φωτεινότητας του λέιζερ ημιαγωγών αλλάζοντας τη δομή των λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια φωτονικών κρυστάλλων (PCSELs). Σύμφωνα με το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών, η φωτεινότητα είναι ένα πλεονέκτημα που περιλαμβάνει τον βαθμό εστίασης ή απόκλισης μιας δέσμης φωτός. Τα PCSEL, ενώ θεωρούνταν ελκυστική επιλογή για λέιζερ υψηλής φωτεινότητας, ήταν προηγουμένως μη κλιμακωτά για χρήση σε μεγάλες -Λειτουργίες κλίμακας λόγω προκλήσεων με το μέγεθος και τη φωτεινότητα των λέιζερ.
Συχνά, το πρόβλημα με τα PCSEL προέρχεται από την επιθυμία να επεκταθεί η περιοχή εκπομπής τους, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει χώρος για το φως να ταλαντώνεται προς την κατεύθυνση εκπομπής και την εγκάρσια κατεύθυνση. «Αυτές οι εγκάρσιες ταλαντώσεις είναι γνωστές ως λειτουργίες υψηλότερης τάξης και μπορούν να καταστρέψουν την ποιότητα της δέσμης», γράφει η IEEE. «Επιπλέον, εάν το λέιζερ λειτουργεί συνεχώς, η θερμότητα μέσα στο λέιζερ μπορεί να αλλάξει τον δείκτη διάθλασης της συσκευής, οδηγώντας σε περαιτέρω υποβάθμιση της ποιότητας της δέσμης».
Στη μελέτη Nature, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φωτονικούς κρυστάλλους ενσωματωμένους στο λέιζερ και «προσάρμοσαν τον εσωτερικό ανακλαστήρα για να επιτρέπει ταλαντώσεις μονής λειτουργίας σε μια ευρύτερη περιοχή και για να αντισταθμίσει τη θερμική βλάβη». Αυτές οι αλλαγές επέτρεψαν στο λέιζερ να διατηρεί υψηλή ποιότητα δέσμης καθ' όλη τη διάρκεια της συνεχούς λειτουργίας.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα PCSEL διαμέτρου 3-mm στη μελέτη τους, ένα 10-πλάσιμο άλμα από την προηγούμενη συσκευή PCSEL διαμέτρου 1-mm.
"Για ένα λέιζερ που εκπέμπει επιφάνεια φωτονικών κρυστάλλων με μεγάλη διάμετρο συντονισμού 3 mm, ισχύ εξόδου [συνεχούς κυμάτων] άνω των 50 W, καθαρές ταλαντώσεις μονού τρόπου λειτουργίας και εξαιρετικά στενή απόκλιση δέσμης 0,05 βαθμό , που αντιστοιχεί σε περισσότερα από 10,000 μήκη κύματος στο υλικό, έχουν επιτευχθεί", έγραψαν οι ερευνητές στη μελέτη. Η φωτεινότητα ...... φτάνει το 1 GW cm-2 sr-1, συγκρίσιμη με τα υπάρχοντα μεγάλα λέιζερ."
Αξίζει να σημειωθεί ότι με τον όρο "λέιζερ μεγάλου όγκου", οι ερευνητές εννοούν τα λέιζερ στερεάς κατάστασης και τα λέιζερ excimer που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στην κατασκευή λέιζερ ημιαγωγών.
Ως μέρος της διαδικασίας δημιουργίας ενός κέντρου αριστείας 1,000-τ. κατασκευάζοντάς τα με λιθογραφία νανοαποτυπώματος.
«Η λιθογραφία e-beam είναι ακριβής, αλλά συνήθως πολύ αργή για μεγάλης κλίμακας κατασκευή», λέει η IEEE. "Η λιθογραφία νανοαποτύπωσης βασικά αποτυπώνει μοτίβα σε ημιαγωγούς και είναι χρήσιμη για τη γρήγορη δημιουργία πολύ κανονικών μοτίβων."
Σύμφωνα με τη μελέτη, το επόμενο βήμα είναι να συνεχιστεί η επέκταση της διαμέτρου του λέιζερ από 3 σε 10 χιλιοστά - ένα μέγεθος που σύμφωνα με πληροφορίες παράγει 1 κιλοβάτ ισχύος εξόδου.
