01
Johdanto
Kiekkojen kuutioiminen on tärkeä osa puolijohdelaitteiden valmistusta. Kuutiointimenetelmä ja laatu vaikuttavat suoraan kiekon paksuuteen, karheuteen, mittoihin ja tuotantokustannuksiin, ja niillä on merkittävä vaikutus laitteen valmistukseen. Piikarbidi, kolmannen -sukupolven puolijohdemateriaalina, on tärkeä materiaali, joka ajaa sähköisen vallankumouksen. Korkealaatuisen-kiteisen piikarbidin tuotantokustannukset ovat erittäin korkeat, ja ihmiset yleensä toivovat voivansa leikata suuren piikarbidiharkon mahdollisimman moneksi ohueksi piikarbidikiekkoalustaksi. Samaan aikaan alan kasvu on johtanut asteittain suurempiin kiekkokokoihin, mikä on lisännyt vaatimuksia kuutioille. Piikarbidi on kuitenkin erittäin kovaa, ja sen Mohs-kovuus on 9,5, toiseksi vain timantti (10), ja se on myös hauras, mikä vaikeuttaa leikkausta. Tällä hetkellä teollisissa menetelmissä käytetään yleensä lietelangasta tai timanttilankasahausta. Leikkauksen aikana piikarbidiharkon ympärille asetetaan tasavälein sijoitetut kiinteät lankasahat ja harkko leikataan venytetyillä teräsahoilla. Lankasahamenetelmällä kiekkojen erottaminen halkaisijaltaan 6 tuuman harkosta kestää noin 100 tuntia. Tuloksena olevilla kiekoilla on suhteellisen leveät uurteet, karheammat pinnat ja materiaalihäviöt jopa 46 %. Tämä nostaa piikarbidimateriaalien käytön kustannuksia ja rajoittaa niiden kehitystä puolijohdeteollisuudessa, mikä korostaa uusien piikarbidikiekkojen paloittelutekniikoiden kiireellistä tutkimustarvetta.
Laserleikkaustekniikan käyttö on viime vuosina yleistynyt puolijohdemateriaalien valmistuksessa. Tämä menetelmä toimii käyttämällä kohdistettua lasersädettä materiaalin pinnan tai sisustuksen muokkaamiseen ja siten sen erottamiseen. Kosketuksettomana-prosessina se välttää työkalujen kulumisen ja mekaanisen rasituksen. Siksi se parantaa huomattavasti kiekkojen pinnan karheutta ja tarkkuutta, eliminoi myöhempien kiillotusprosessien tarpeen, vähentää materiaalihävikkiä, alentaa kustannuksia ja minimoi perinteisen hionnan ja kiillotuksen aiheuttaman ympäristön saastumisen. Laserleikkaustekniikkaa on sovellettu pitkään piiharkon kuutioimiseen, mutta sen käyttö piikarbidialalla on vielä epäkypsä. Tällä hetkellä on olemassa useita päätekniikoita.
02
Vesiohjattu laserleikkaus-
Vesiohjattu lasertekniikka (Laser MicroJet, LMJ), joka tunnetaan myös nimellä lasermikro-jet-tekniikka, toimii periaatteella, jossa lasersäde kohdistaa suuttimeen, kun se kulkee paine-moduloidun vesikammion läpi. Suuttimesta tulee ulos matalapaineinen-vesisuihku, ja veden-ilmarajapinnassa olevan taitekertoimen eron vuoksi muodostuu valoaaltoputki, joka mahdollistaa laserin etenemisen veden virtauksen suuntaan. Tämä ohjaa korkeapaineista-vesisuihkua materiaalin pinnan käsittelyyn ja leikkaamiseen. Vesiohjatun laserleikkauksen tärkein etu on sen leikkauslaatu. Vesivirta ei vain jäähdytä leikkausaluetta, mikä vähentää materiaalin lämpömuodonmuutoksia ja lämpövaurioita, vaan myös poistaa käsittelyjätteet. Verrattuna teräsahan leikkaamiseen se on huomattavasti nopeampi. Koska vesi kuitenkin absorboi erilaisia laseraallonpituuksia vaihtelevissa määrin, laserin aallonpituus on rajoitettu, ensisijaisesti 1064 nm, 532 nm ja 355 nm.
Vuonna 1993 sveitsiläinen tiedemies Beruold Richerzhagen ehdotti ensimmäistä kertaa tätä tekniikkaa. Hän perusti Synovan, vesiohjatun laserteknologian tutkimukseen, kehittämiseen ja kaupallistamiseen keskittyneen yrityksen, joka on kansainvälisesti eturintamassa. Kotimainen teknologia on suhteellisen jäljessä, mutta yritykset, kuten Innolight ja Shengguang Silicon Research, kehittävät sitä aktiivisesti.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) on tekniikka, jossa laser fokusoidaan piikarbidikiekon sisään sen pinnan läpi, jolloin muodostuu halutulla syvyydellä muokattu kerros, mikä mahdollistaa kiekkojen erottamisen. Koska kiekon pinnalla ei ole viiltoja, voidaan saavuttaa suurempi käsittelytarkkuudet. SD-prosessia nanosekunnin pulssilasereilla on jo teollisesti käytetty piikiekkojen erottamiseen. Kuitenkin nanosekunnin pulssilaserien indusoiman piikarbidin SD-käsittelyn aikana pulssin kesto on paljon pidempi kuin elektronien ja fononien välinen kytkentäaika piikarbidissa (pikosekuntiasteikolla), mikä johtaa lämpövaikutuksiin. Kiekon suuri lämpöteho ei ainoastaan tee erotusta alttiiksi poikkeamaan halutusta suunnasta, vaan myös synnyttää merkittävää jäännösjännitystä, mikä johtaa murtumiin ja huonoon halkeamiseen. Siksi piikarbidia käsiteltäessä SD-prosessissa käytetään tyypillisesti ultralyhyitä pulssilasereita, mikä vähentää suuresti lämpövaikutuksia.
Japanilainen yritys DISCO on kehittänyt laserleikkaustekniikan nimeltä Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA). Esimerkiksi halkaisijaltaan 6- tuuman, 20 mm paksujen piikarbidiharkkojen käsittelyssä se nelinkertaisti piikarbidikiekkojen tuottavuuden. KABRA-prosessi fokusoi laserin olennaisesti piikarbidimateriaalin sisään. "Amorfisen mustan toistuvan absorption" avulla piikarbidi hajoaa amorfiseksi piiksi ja amorfiseksi hiileksi muodostaen kerroksen, joka toimii kiekkojen erotuspisteenä, joka tunnetaan nimellä musta amorfinen kerros, joka absorboi enemmän valoa, mikä tekee kiekkojen erottamisesta paljon helpompaa.
Siltectran kehittämä Cold Split -kiekkotekniikka, jonka Infineon osti, ei vain pysty jakamaan erityyppisiä harkkoja kiekoiksi, vaan myös vähentää materiaalihävikkiä jopa 90 %, ja jokainen kiekko menettää vain 80 µm, mikä lopulta alentaa laitteen kokonaistuotantokustannuksia jopa 30 %. Cold Split -tekniikka sisältää kaksi vaihetta: ensin laser säteilyttää harkon muodostaen delaminaatiokerroksen, mikä aiheuttaa piikarbidimateriaalin sisäisen tilavuuden laajenemisen, mikä synnyttää vetojännityksen ja muodostaa erittäin kapean mikro-halkeaman; sitten polymeerin jäähdytysvaihe muuttaa mikrohalkeaman pääsäröksi, mikä lopulta erottaa kiekon jäljellä olevasta harkosta. Vuonna 2019 kolmas osapuoli arvioi tämän teknologian ja mittasi halkaistujen kiekkojen pinnan karheuden Ra olevan alle 3 µm, parhaiden tulosten ollessa alle 2 µm.
Kiinalaisen Han's Laserin kehittämä modifioitu laserkuutio on lasertekniikka, jota käytetään puolijohdekiekkojen erottamiseen yksittäisiksi siruiksi tai muottiksi. Tässä prosessissa käytetään myös tarkkaa lasersädettä skannaamaan ja muodostamaan muunneltu kerros kiekon sisälle, jolloin kiekko halkeaa pitkin laserskannausreittiä kohdistetun jännityksen alaisena, jolloin saavutetaan tarkka erotus.
Kuva 5. Muokattu laserkuutioimisen prosessivirtaus
Tällä hetkellä kotimaiset valmistajat ovat omaksuneet lietteen{0}}pohjaisen piikarbidin kuutiotekniikan. Lietteen kuutioinnissa on kuitenkin suuri materiaalihävikki, alhainen hyötysuhde ja vakava saastuminen, ja se korvataan vähitellen timanttilangan kuutiotekniikalla. Samalla laserkuutioiminen erottuu edukseen suorituskyky- ja tehokkuusetujensa ansiosta. Perinteisiin mekaanisiin koskettimien käsittelytekniikoihin verrattuna se tarjoaa monia etuja, kuten korkean käsittelytehokkuuden, kapeat viivaviivat ja suuren uurretiheyden, mikä tekee siitä vahvan kilpailijan timanttilangan kuutioinnissa. Se avaa uuden polun seuraavan -sukupolven puolijohdemateriaalien, kuten piikarbidin, sovellukselle. Teollisen tekniikan kehittyessä ja piikarbidin substraattikokojen jatkuvan kasvun myötä piikarbidin kuutiotekniikka kehittyy nopeasti, ja tehokas, korkealaatuinen{7}}laserkuutio on tärkeä trendi tulevaisuuden piikarbidin leikkauksessa.
