Puolijohteet ovat olennainen osa lääkinnällisten laitteiden sisäistä toimintaa, ja ne edistävät ei-johtimien ja johtimien välistä johtavuutta virran ohjaamiseksi. Täydellisen puolijohteen kokoonpanoprosessi puolestaan on hyvin yksityiskohtainen, varsinkin nyt, kun laitteet pienenevät ja pienentyvät. Puolijohteita pienennetään nopeasti sopimaan näihin pienempiin laitteisiin, joten lasereiden rooli puolijohteiden valmistuksessa on mukautunut.
Laserteknologiaa käytetään usein puolijohteiden valmistuksessa sen ohuiden, tarkkojen, monipuolisten ja voimakkaiden säteiden vuoksi useista syistä, mukaan lukien leikkaus, hitsaus, pinnoitteen poisto ja merkintä.
Leikkaus/kirjoitus
Puolijohteiden valmistuksessa on erilaisia paloitteluvaiheita, kuten kiekkojen leikkaaminen kristallilohkoista ja mallien leikkaaminen ohuista kalvoista. Kuutioimalla laserilla varmistetaan, että lastut leikataan siististi, jotta ne sopivat kunnolla lopulliseen laitteeseen. Lasereiden avulla puolijohteita voidaan leikata moniin muotoihin ja kuvioihin, jotka eivät ole mahdollisia muilla kuutiomenetelmillä. Columbia Universityn Fu Foundation School of Engineering and Applied Sciencen mukaan kiekkojen leikkaaminen tällä menetelmällä vähentää työkalujen kulumista ja materiaalihävikkiä ja johtaa korkeampiin saantoihin.
Columbian puolijohdelaserprosessointia käsittelevässä tutkimusmateriaalissa todetaan, että "laserleikkauksen etuja ovat pienempi työkalun kuluminen, pienempi materiaalihävikki leikkauksen ympärillä, suurempi tuotto pienemmän rikkoutumisen vuoksi ja nopeampi käänne helpon kiinnityksen ansiosta."
Toinen leikkausvaihtoehto on piirustus - poraamalla sarja lähekkäin olevia tai päällekkäisiä sokeita reikiä materiaalin puoliväliin. Tämä on menetelmä, jota käytetään laajalti puolijohdevalmistussovelluksissa, kuten alumiinioksidisubstraattien leikkaamisessa sirukannattimiin tai piikiekkojen erottamiseen siruiksi. On syytä huomata, että piirtämiseen tarvittava lasertyyppi riippuu käytetystä materiaalista.
Yliopisto sanoo: "Alumiinioksidin kirjoituksessa käytetään CO2-lasereita, kun taas piikirjoituksessa käytetään Nd:YAG-lasereita, koska eri materiaaleilla on erilaiset absorptionopeudet eri aallonpituuksilla."
Motivaatio käyttää piirrosta vs. leikkaamiseen riippuu nopeudesta, jolla toiminta tapahtuu valmistuspajassa. "Alumiinioksidille, jonka paksuus on noin 0,025 tuumaa, materiaali voidaan piirtää nopeudella noin 10 tuumaa sekunnissa keskitehoisella CO2-laserilla, kun taas samanlaisen laserin leikkausnopeus saattaa olla tuuman murto-osia sekunnissa", kirjoittaa yliopiston henkilökunta. "Scribing tarjoaa myös sen edun, että substraatti voidaan piirtää ennen käsittelyn päättymistä ja jakaa se sitten helposti siruiksi käsittelyn jälkeen."
WElding
Laserjuotto tai laserdiodihitsaus on prosessi, jossa puolijohdekomponentin vierekkäiset osat sulatetaan yhteen, aivan kuten kiekon kiinnittäminen tukilevyyn. Kiinnitettäville tukilevyille (kuten lyijykehykset) laser asettaa tunnistusmerkin runkoon ja karhentaa sitten pinnan varmistaakseen, että osat ovat tiukasti kiinni. Kun lasermerkintäkone on liimattu yhteen, se poistaa karhennusprosessin aiheuttamat purseet.
Pinnoitteen poisto
Puolijohteiden puhtauden ja virheettömyyden varmistaminen on osa valmistusprosessia, jota kutsutaan pinnoitteen poistamiseksi. Laserilla (yleensä Nd:YAG) ei-toivotut pinnoitteet voidaan poistaa kuten hartsilla tai kuparilla sekä kulta- tai ohutkalvopinnoitteilla. Jäysteenpoistoon laser käyttää hienoa, tarkkaa sädeään poistamaan ylimääräistä materiaalia vahingoittamatta tuotetta.Pinnoitteiden poistomahdollistaa vikojen selkeämmän analysoinnin, mikä eliminoi tarpeen purkaa tarkastusta varten, mikä voi johtaa tuotteen vaurioitumiseen.
Merkintä
Puolijohteiden lasermerkintäon tärkeä tuotteen jäljitettävyyden ja luettavuuden kannalta, mikä tarkoittaa, että laserin on oltava selvästi luettavissa hyvin pienissä tulosteissa. Tuotteen jäljitettävyys tarkoittaa, että tuotetta voidaan seurata useiden tuotantovaiheiden sekä loppujakelun kautta. Tämä helpottaa tiettyjen vikaluokkien löytämistä ja eristämistä.
Merkittyjen sirujen on myös oltava luettavia, sillä merkintä on hyödyllinen tapa määrittää, mikä tuote sopii käyttötarkoitukseen. Wafer Worldin mukaan "laser ei vain leikkaa kiekon pintaa, vaan myös järjestää pintahiukkaset uudelleen luoden erittäin matalia, mutta helposti luettavia merkintöjä."
Puolijohteissa käytetään kahdenlaisia merkkejä: etsausmerkit ja hehkutetut merkit. Etsausmerkit ovat ohuita materiaalikerroksia, jotka poistetaan laserilla ja jättävät pintakuvioidun jäljen noin 12-25 mikronia syvälle. Näitä kutsutaan usein "koviksi jälkiksi", koska pintakerroksessa on näkyvä muutos.
Hehkutusmerkit sitä vastoin käyttävät laseria, joka on asetettu pienemmälle tehotasolle molekyylien järjestämiseen uudelleen etsaamisen sijaan. Tämä luo sirun pintaan kontrastin, joka näkyy valon heijastuessa.
Laser tyyppi
Tällä hetkellä yritykset käyttävät enimmäkseen solid-state lasereita sirujen valmistukseen, koska ne tunnetaan suuresta tehostaan ja käyttävät malmia laserväliaineena. Mineraaliväliaine koostuu tyypillisesti yttrium-, alumiini-, granaatti- tai yttriumvanadaattikiteistä. Esimerkiksi Nd:YAG-laserit käyttävät väliaineena neodyymillä seostettuja yttrium-alumiinigranaattikiteitä. Lasersäde tuotetaan oskillaattorilla, joka stimuloi väliainetta laserdiodin valolla.
Yksi sirumerkintään, kaiverrukseen ja kuutioimiseen käytetty solid-state laser on kuitulaser, Keyence sanoo ja lisää, että nopeat laserit käyttävät "optisia kuituja resonaattoreina ja luovat päällekkäisiä rakenteita Yb-ion-seostetulla kuitupäällysteellä". toteaa, että sen kuitulaserit tunnetaan 3-akselikuitulaserien MD-F-sarjana. "Joitakin kuitulaserien käyttötapoja ovat purseiden poistaminen esituotantoprosesseista, jäljitettävyyskoodien merkitseminen ja hartsin poistaminen vikaanalyysiä varten."
Excimer-lasereita käytetään myös puolijohteiden valmistuksessa. Nämä ovat syviäultravioletti(UV) laserit, joiden aallonpituudet vaihtelevat välillä 126 nm - 351 nm ja joita käytetään ensisijaisesti polymeerien mikrokoneistukseen. Kiinteään olomuotoon verrattuna lyhyemmät UV-lasersäteet tekevät niistä soveltuvia kaikentyyppisille materiaaleille, mukaan lukien erittäin hauraille ja herkille materiaaleille, ja mahdollistavat niiden työskentelyn erittäin pienellä tarkalla alueella pienemmällä vaikutuspisteellä. Merkintään käytettynä UV-laser muuttaa tuotemateriaalin rakennetta molekyylitasolla ilman, että se synnyttää lämpöä ympäröivälle alueelle.
Laserinnovaatiot
Tällä hetkellä puolijohde- ja eksimeerilaserit nähdään päävaihtoehtoina käytettäessä laservalmistusta puolijohteiden valmistuksessa. Uusi vaihtoehto, joka voisi kilpailla klassikoilla, saattaa kuitenkin pian olla saatavilla. Hiljattain Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Kioton yliopiston tutkijaryhmä, jota johtaa Susumu Noda, kirjoitti, että he ovat ryhtyneet toimiin voittaakseen puolijohdelaserin kirkkauden rajoitukset muuttamalla fotonikiteiden pintaa emittoivien laserien (PCSEL) rakennetta. Institute of Electrical and Electronics Engineersin mukaan kirkkaus on etu, joka sisältää valonsäteen tarkennuksen tai hajaantumisen. Vaikka PCSEL:t on pidetty houkuttelevana vaihtoehtona korkean kirkkauden lasereille, ne ovat aiemmin olleet skaalautumattomia käytettäväksi suurissa -skaalausoperaatiot laserien koon ja kirkkauden haasteista johtuen.
Usein PCSEL:ien ongelma johtuu halusta laajentaa niiden säteilevää aluetta, mikä tarkoittaa, että valolla on tilaa värähdellä säteilysuunnassa ja poikittaissuunnassa. "Nämä poikittaisvärähtelyt tunnetaan korkeamman asteen moodeina ja ne voivat tuhota säteen laadun", IEEE kirjoittaa. "Lisäksi, jos laseria käytetään jatkuvasti, laserin sisällä oleva lämpö voi muuttaa laitteen taitekerrointa, mikä johtaa säteen laadun heikkenemiseen edelleen."
Nature-tutkimuksessa tutkijat käyttivät laseriin upotettuja fotonikiteitä ja "sovittivat sisäisen heijastimen sallimaan yksimuotoisia värähtelyjä laajemmalla alueella ja kompensoimaan lämpövaurioita". Näiden muutosten ansiosta laser pystyi säilyttämään korkean säteen laadun jatkuvan käytön ajan.
Tutkijat kehittivät tutkimuksessaan halkaisijaltaan 3-mm PCSEL:n, joka on 10-kertainen hyppy aiemmasta 1-mm halkaisijaltaan PCSEL-laitteesta.
"Fotonikiteiden pintaa emittoivalle laserille, jolla on suuri resonanssihalkaisija 3 mm, [jatkuvan aallon] lähtötehot yli 50 W, puhtaat yksimuotovärähtelyt ja erittäin kapea säteen hajonta 0,05 -aste, joka vastaa yli 10,000 aallonpituutta materiaalissa, on saavutettu", tutkijat kirjoittivat tutkimuksessa. Kirkkaus ...... saavuttaa 1 GW cm-2 sr-1, mikä on verrattavissa olemassa oleviin suuriin lasereihin."
On syytä huomata, että "suuren volyymin lasereilla" tutkijat tarkoittavat puolijohdelaservalmistuksessa tällä hetkellä käytössä olevia solid-state- ja eksimeerilasereita.
Osana prosessia, jossa Kioton yliopistoon perustetaan 1,000-neliömetrin huippuyksikkö fotonikiteiden pintaa emittoiville lasereille, Noda ja hänen tiiminsä ovat myös siirtyneet fotonikiteiden valmistamisesta elektronisuihkulitografiaa käyttäen. valmistamalla niitä nanoimprint-litografialla.
"E-beam litografia on tarkkaa, mutta yleensä liian hidasta laajamittaiseen valmistukseen", sanoo IEEE. "Nanoimprint-litografia periaatteessa kohokuvioi kuvioita puolijohteisiin ja on hyödyllinen erittäin säännöllisten kuvioiden nopeaan luomiseen."
Tutkimuksen mukaan seuraava askel on jatkaa laserin halkaisijan laajentamista 3 millimetristä 10 millimetriin - koko, jonka kerrotaan tuottavan 1 kilowatin lähtötehoa.
