01
Įvadas
Vaflių pjaustymas yra svarbi puslaidininkinių prietaisų gamybos dalis. Pjaustymo kubeliais būdas ir kokybė tiesiogiai įtakoja plokštelės storį, šiurkštumą, matmenis ir gamybos sąnaudas bei turi didelę įtaką įrenginio gamybai. Silicio karbidas, kaip trečiosios-kartos puslaidininkinė medžiaga, yra svarbi medžiaga, skatinanti elektros revoliuciją. Aukštos-kokybės kristalinio silicio karbido gamybos sąnaudos yra labai didelės, todėl žmonės paprastai tikisi išpjauti didelį silicio karbido luitą į kuo daugiau plonų silicio karbido plokštelių substratų. Tuo pat metu pramonės augimas lėmė vis didesnius vaflių dydžius, o tai padidino pjaustymo kubeliais procesų reikalavimus. Tačiau silicio karbidas yra labai kietas, jo kietumas pagal Mosą yra 9,5, nusileidžiantis tik deimantui (10), be to, jis yra trapus, todėl jį sunku pjauti. Šiuo metu pramoniniuose metoduose paprastai naudojamas srutos vielos pjovimas arba deimantinis vielos pjovimas. Pjovimo metu aplink silicio karbido luitą dedami vienodai išdėstyti fiksuoti vieliniai pjūklai, o luitas pjaunamas ištemptais vieliniais pjūklais. Naudojant vielinio pjūklo metodą, plokštelių atskyrimas nuo 6 colių skersmens luito užtrunka maždaug 100 valandų. Gautos plokštelės turi santykinai plačius įpjovimus, šiurkštesnius paviršius, o medžiagų nuostoliai siekia net 46%. Tai padidina silicio karbido medžiagų naudojimo sąnaudas ir riboja jų plėtrą puslaidininkių pramonėje, o tai pabrėžia, kad reikia skubiai ištirti naujas silicio karbido plokštelių pjaustymo technologijas.
Pastaraisiais metais puslaidininkinių medžiagų gamyboje vis labiau populiarėja pjovimo lazeriu technologijos. Šis metodas veikia naudojant fokusuotą lazerio spindulį, kad būtų pakeistas medžiagos paviršius arba vidus ir taip jį atskiriama. Tai yra bekontaktinis procesas, todėl išvengiama įrankių nusidėvėjimo ir mechaninio įtempimo. Todėl tai labai pagerina plokštelių paviršiaus šiurkštumą ir tikslumą, pašalina tolesnių poliravimo procesų poreikį, sumažina medžiagų nuostolius, sumažina išlaidas ir sumažina aplinkos taršą, kurią sukelia tradicinis šlifavimas ir poliravimas. Pjovimo lazeriu technologija jau seniai taikoma silicio luitų pjaustymui, tačiau jos taikymas silicio karbido srityje dar nesubrendęs. Šiuo metu yra keletas pagrindinių technikų.
02
Vandens valdomas pjovimas lazeriu-
Vandens{0}}lazerinė technologija (Laser MicroJet, LMJ), taip pat žinoma kaip lazerinė mikro{1}}srovės technologija, veikia pagal principą, kai lazerio spindulys sufokusuojamas į purkštuką, kai jis praeina per slėgio -moduliuotą vandens kamerą. Iš purkštuko išleidžiama žemo -slėgio vandens srovė, o dėl vandens -oro sąsajos lūžio rodiklio skirtumo susidaro šviesos bangolaidis, leidžiantis lazeriui sklisti vandens srauto kryptimi. Tai nukreipia aukšto slėgio{7}}vandens srovę, kuri apdoroja ir pjausto medžiagos paviršių. Pagrindinis vandens-valdomo pjovimo lazeriu pranašumas yra jo pjovimo kokybė. Vandens srautas ne tik atvėsina pjovimo vietą, sumažindamas šiluminę deformaciją ir šiluminę medžiagos žalą, bet ir pašalina apdorojimo šiukšles. Palyginti su vielinio pjūklo pjovimu, tai žymiai greičiau. Tačiau, kadangi vanduo skirtingais laipsniais sugeria skirtingus lazerio bangos ilgius, lazerio bangos ilgis yra ribojamas, visų pirma iki 1064 nm, 532 nm ir 355 nm.
1993 m. Šveicarijos mokslininkas Beruoldas Richerzhagenas pirmą kartą pasiūlė šią technologiją. Jis įkūrė bendrovę „Synova“, kuri užsiima vandens-valdomos lazerinės technologijos tyrimams, plėtrai ir komercializacija, kuri yra tarptautiniu mastu pirmaujanti. Buitinės technologijos gana atsilieka, tačiau tokios kompanijos kaip „Innolight“ ir „Shengguang Silicon Research“ aktyviai jas plėtoja.
03
Slaptas pjaustymas kubeliais
Stealth Dicing (SD) yra metodas, kai lazeris fokusuojamas silicio karbido plokštelėje per jos paviršių, kad būtų suformuotas modifikuotas sluoksnis norimame gylyje, leidžiantis atskirti plokšteles. Kadangi plokštelės paviršiuje nėra įpjovimų, galima pasiekti didesnį apdorojimo tikslumą. SD procesas su nanosekundiniais impulsiniais lazeriais jau buvo naudojamas pramonėje silicio plokštelėms atskirti. Tačiau nanosekundžių impulsinių lazerių sukelto silicio karbido SD apdorojimo metu impulso trukmė yra daug ilgesnė nei elektronų ir fononų sujungimo laikas silicio karbide (pikosekundės skalėje), todėl atsiranda šiluminis poveikis. Didelė plokštelės šiluminė galia ne tik lemia, kad atskyrimas gali nukrypti nuo norimos krypties, bet ir sukuria didelį liekamąjį įtempį, dėl kurio atsiranda lūžių ir prastas skilimas. Todėl, apdorojant silicio karbidą, SD procese paprastai naudojami ultratrumpų impulsų lazeriai, o tai labai sumažina šiluminį poveikį.
Japonijos įmonė DISCO sukūrė pjovimo lazeriu technologiją, pavadintą Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA). Pavyzdžiui, apdorojant 6-colių skersmens, 20 mm storio silicio karbido luitus, silicio karbido plokštelių produktyvumas padidėjo keturis kartus. KABRA procesas iš esmės fokusuoja lazerį silicio karbido medžiagos viduje. Dėl „amorfinės-juodosios kartotinės absorbcijos“ silicio karbidas suskaidomas į amorfinį silicį ir amorfinę anglį, sudarydamas sluoksnį, kuris tarnauja kaip plokštelės atskyrimo taškas, žinomas kaip juodasis amorfinis sluoksnis, kuris sugeria daugiau šviesos, todėl plokšteles atskirti daug lengviau.
Siltectra sukurta Cold Split plokštelių technologija, kurią įsigijo Infineon, gali ne tik padalinti įvairių tipų luitus į plokšteles, bet ir sumažinti medžiagų nuostolius iki 90%, o kiekviena plokštelė praranda tik 80 µm, o tai galiausiai sumažina bendras įrenginio gamybos sąnaudas iki 30%. Cold Split technologija apima du etapus: pirma, lazeris apšvitina luitą, kad susidarytų sluoksniuotasis sluoksnis, dėl kurio silicio karbido medžiagoje išplečiamas vidinis tūris, o tai sukuria tempimo įtempį ir sudaro labai siaurą mikro{4}plyšį; tada polimero aušinimo pakopa mikro-plyšį paverčia pagrindiniu įtrūkimu, galiausiai atskirdamas plokštelę nuo likusio luito. 2019 m. trečioji šalis įvertino šią technologiją ir išmatavo suskaidytų plokštelių paviršiaus šiurkštumą Ra, kuris yra mažesnis nei 3 µm, o geriausi rezultatai buvo mažesni nei 2 µm.
Kinijos bendrovės Han's Laser sukurtas modifikuotas lazerinis pjaustymas yra lazerinė technologija, naudojama puslaidininkių plokštelėms atskirti į atskiras lustus arba štampelius. Šiame procese taip pat naudojamas tikslus lazerio spindulys, skirtas nuskaityti ir suformuoti modifikuotą sluoksnį plokštelės viduje, leidžiančią plokštelei įtrūkti lazerio nuskaitymo kelyje, veikiant įtempiams, ir pasiekti tikslų atskyrimą.
5 pav. Modifikuotas lazerinio pjaustymo proceso srautas
Šiuo metu vietiniai gamintojai yra įvaldę srutų{0}}pagrįstą silicio karbido pjaustymo technologiją. Tačiau srutų pjaustymas turi didelius medžiagų nuostolius, mažą efektyvumą ir didelę taršą, todėl jį palaipsniui keičia deimantinės vielos pjaustymo technologija. Tuo pačiu metu lazerinis pjaustymas kauliukais išsiskiria savo našumo ir efektyvumo pranašumais. Palyginti su tradicinėmis mechaninėmis kontaktų apdorojimo technologijomis, jis turi daug privalumų, įskaitant aukštą apdorojimo efektyvumą, siauras įbrėžimo linijas ir didelį plyšių tankį, todėl jis yra stiprus konkurentas pakeičiant deimantinės vielos pjaustymą. Tai atveria naują kelią naujos-kartos puslaidininkinių medžiagų, pvz., silicio karbido, pritaikymui. Tobulėjant pramoninėms technologijoms ir nuolat didėjant silicio karbido substrato dydžiui, silicio karbido pjaustymo kubeliais technologija sparčiai vystysis, o efektyvus, aukštos kokybės lazerinis pjaustymas bus svarbi ateities silicio karbido pjovimo tendencija.
