01
Ievads
Vafeļu griešana ir svarīga pusvadītāju ierīču ražošanas sastāvdaļa. Kubiņos sagriešanas metode un kvalitāte tieši ietekmē vafeles biezumu, raupjumu, izmērus un ražošanas izmaksas, kā arī būtiski ietekmē ierīces izgatavošanu. Silīcija karbīds kā trešās-paaudzes pusvadītāju materiāls ir svarīgs materiāls, kas virza elektrisko revolūciju. Augstas kvalitātes-kristāliskā silīcija karbīda ražošanas izmaksas ir ārkārtīgi augstas, un cilvēki parasti cer sagriezt lielu silīcija karbīda stieņu pēc iespējas vairāk plānās silīcija karbīda plāksnīšu substrātos. Tajā pašā laikā nozares izaugsme ir radījusi pakāpeniski lielāku vafeļu izmēru, kas ir palielinājis prasības griešanas kubiņos procesiem. Tomēr silīcija karbīds ir ārkārtīgi ciets ar Mosa cietību 9,5, kas ir otrais pēc dimanta (10), un tas ir arī trausls, kas apgrūtina griešanu. Pašlaik rūpnieciskās metodes parasti izmanto vircas stiepļu zāģēšanu vai dimanta stiepļu zāģēšanu. Griešanas laikā ap silīcija karbīda lietni tiek novietoti vienādi izvietoti fiksēti stiepļu zāģi, un stieņu griešana tiek veikta, izmantojot stieptu stiepļu zāģus. Izmantojot stiepļu zāģēšanas metodi, vafeļu atdalīšana no 6 collu diametra lietņa aizņem aptuveni 100 stundas. Iegūtajām vafelēm ir salīdzinoši platas rievas, raupjākas virsmas un materiāla zudumi pat 46%. Tas palielina silīcija karbīda materiālu izmantošanas izmaksas un ierobežo to attīstību pusvadītāju rūpniecībā, uzsverot steidzamo nepieciešamību pēc jaunām silīcija karbīda vafeļu griešanas tehnoloģijām.
Pēdējos gados pusvadītāju materiālu ražošanā arvien populārāka kļūst lāzergriešanas tehnoloģiju izmantošana. Šī metode darbojas, izmantojot fokusētu lāzera staru, lai pārveidotu materiāla virsmu vai interjeru, tādējādi atdalot to. Kā bezkontakta process, tas novērš instrumentu nodilumu un mehānisko spriegumu. Tāpēc tas ievērojami uzlabo vafeļu virsmas raupjumu un precizitāti, novērš nepieciešamību pēc turpmākiem pulēšanas procesiem, samazina materiālu zudumus, samazina izmaksas un līdz minimumam samazina tradicionālās slīpēšanas un pulēšanas radīto vides piesārņojumu. Lāzergriešanas tehnoloģija jau sen ir izmantota silīcija stieņu griešanai, taču tās izmantošana silīcija karbīda jomā joprojām ir nenobriedusi. Pašlaik ir vairākas galvenās metodes.
02
Ūdens{0}}vadāma lāzergriešana
Ūdens vadītā lāzera tehnoloģija (Laser MicroJet, LMJ), kas pazīstama arī kā lāzera mikro-strūklas tehnoloģija, darbojas pēc principa, ka lāzera stars tiek fokusēts uz sprauslu, kad tas iet caur spiediena{2}}modulētu ūdens kameru. No sprauslas tiek izspiesta zema spiediena ūdens strūkla, un, ņemot vērā laušanas koeficienta atšķirību ūdens-gaisa saskarnē, veidojas gaismas viļņvads, kas ļauj lāzeram izplatīties ūdens plūsmas virzienā. Tas vada augsta spiediena{7}}ūdens strūklu, lai apstrādātu un grieztu materiāla virsmu. Ar ūdeni-vadāmās lāzergriešanas galvenā priekšrocība ir griešanas kvalitātē. Ūdens plūsma ne tikai atdzesē griešanas vietu, samazinot termisko deformāciju un materiāla termiskos bojājumus, bet arī noņem apstrādes gružus. Salīdzinot ar stiepļu zāģa griešanu, tas ir ievērojami ātrāks. Tomēr, tā kā ūdens dažādās pakāpēs absorbē dažādus lāzera viļņu garumus, lāzera viļņa garums ir ierobežots, galvenokārt līdz 1064 nm, 532 nm un 355 nm.
1993. gadā Šveices zinātnieks Beruolds Ričeržagens pirmo reizi ierosināja šo tehnoloģiju. Viņš nodibināja uzņēmumu Sinova — uzņēmums, kas nodarbojas ar ūdens-vadāmo lāzertehnoloģiju izpēti, izstrādi un komercializāciju, kas ir starptautiskā mērogā vadošais. Vietējās tehnoloģijas salīdzinoši atpaliek, taču tādas kompānijas kā Innolight un Shengguang Silicon Research tās aktīvi attīsta.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) ir paņēmiens, kurā lāzers tiek fokusēts silīcija karbīda plāksnītes iekšpusē caur tās virsmu, veidojot modificētu slāni vēlamajā dziļumā, ļaujot atdalīt plāksni. Tā kā vafeles virsmā nav iegriezumu, var sasniegt augstāku apstrādes precizitāti. SD process ar nanosekundu impulsu lāzeriem jau ir izmantots rūpnieciski silīcija plāksnīšu atdalīšanai. Tomēr silīcija karbīda SD apstrādes laikā, ko izraisa nanosekundes impulsu lāzeri, impulsa ilgums ir daudz ilgāks nekā savienojuma laiks starp elektroniem un fononiem silīcija karbīdā (pikosekundes skalā), kā rezultātā rodas termiski efekti. Lielā plāksnītes siltuma jauda ne tikai padara atdalīšanu pakļautu novirzei no vēlamā virziena, bet arī rada ievērojamu atlikušo spriegumu, kas izraisa lūzumus un sliktu šķelšanos. Tāpēc, apstrādājot silīcija karbīdu, SD procesā parasti tiek izmantoti ultraīso impulsu lāzeri, kas ievērojami samazina termisko efektu.
Japānas uzņēmums DISCO ir izstrādājis lāzergriešanas tehnoloģiju ar nosaukumu Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA). Piemēram, apstrādājot 6-collu diametra, 20 mm biezus silīcija karbīda lietņus, tas četras reizes palielināja silīcija karbīda vafeļu produktivitāti. KABRA process būtībā fokusē lāzeru silīcija karbīda materiālā. Izmantojot "amorfo-melno atkārtoto absorbciju", silīcija karbīds tiek sadalīts amorfā silīcijā un amorfā oglekli, veidojot slāni, kas kalpo kā plāksnīšu atdalīšanas punkts, kas pazīstams kā melnais amorfais slānis, kas absorbē vairāk gaismas, padarot plāksnīšu atdalīšanu daudz vieglāku.
Siltectra izstrādātā Cold Split vafeļu tehnoloģija, ko iegādājās Infineon, var ne tikai sadalīt dažāda veida lietņus plāksnēs, bet arī samazina materiāla zudumus līdz pat 90%, katrai plāksnei zaudējot tikai 80 µm, galu galā samazinot kopējās ierīces ražošanas izmaksas līdz pat 30%. Cold Split tehnoloģija ietver divus posmus: pirmkārt, lāzers apstaro lietni, lai izveidotu atslāņošanās slāni, izraisot silīcija karbīda materiāla iekšējā tilpuma palielināšanos, kas rada stiepes spriegumu un veido ļoti šauru mikro{4}plaisu; pēc tam polimēra dzesēšanas solis pārvērš mikro-plaisu par galveno plaisu, galu galā atdalot plaisu no atlikušā lietņa. 2019. gadā trešā puse novērtēja šo tehnoloģiju un izmērīja sadalīto plāksnīšu virsmas raupjumu Ra, kas ir mazāks par 3 µm, bet labākie rezultāti ir mazāki par 2 µm.
Ķīnas uzņēmuma Han's Laser izstrādātā modificētā lāzera kubiņu griešana ir lāzera tehnoloģija, ko izmanto, lai sadalītu pusvadītāju plāksnes atsevišķās mikroshēmās vai presformās. Šajā procesā tiek izmantots arī precīzs lāzera stars, lai skenētu un izveidotu modificētu slāni vafeles iekšpusē, ļaujot plaisai plaisāt lāzera skenēšanas ceļā pie pielietotā sprieguma, panākot precīzu atdalīšanu.
5. attēls. Modificēta lāzera kubiņos sagriešanas procesa plūsma
Pašlaik vietējie ražotāji ir apguvuši silīcija karbīda griešanas kubiņos tehnoloģiju{0}}, kuras pamatā ir virca. Tomēr vircas griešanai ir lieli materiālu zudumi, zema efektivitāte un nopietns piesārņojums, un to pakāpeniski aizstāj ar dimanta stieples griešanas kubiņos tehnoloģiju. Tajā pašā laikā lāzera kubiņu griešana izceļas ar veiktspējas un efektivitātes priekšrocībām. Salīdzinājumā ar tradicionālajām mehāniskajām kontaktu apstrādes tehnoloģijām, tas piedāvā daudzas priekšrocības, tostarp augstu apstrādes efektivitāti, šauras līnijas un augstu robu blīvumu, padarot to par spēcīgu konkurentu dimanta stiepļu griešanas kubiņos aizstāšanā. Tas paver jaunu ceļu nākamās -paaudzes pusvadītāju materiālu, piemēram, silīcija karbīda, pielietošanai. Attīstoties rūpnieciskajām tehnoloģijām un nepārtraukti palielinoties silīcija karbīda substrāta izmēriem, silīcija karbīda kubiņu griešanas tehnoloģija attīstīsies strauji, un efektīva, augstas kvalitātes{7}}lāzera griešana būs svarīga tendence silīcija karbīda griešanai nākotnē.
