01
Úvod
Rezanie plátkov je dôležitou súčasťou výroby polovodičových zariadení. Spôsob a kvalita krájania priamo ovplyvňujú hrúbku, drsnosť, rozmery a výrobné náklady plátku a majú významný vplyv na výrobu zariadenia. Karbid kremíka, ako polovodičový materiál tretej{2}}generácie, je dôležitým materiálom, ktorý riadi elektrickú revolúciu. Výrobné náklady-kvalitného kryštalického karbidu kremíka sú extrémne vysoké a ľudia vo všeobecnosti dúfajú, že rozrežú veľký ingot karbidu kremíka na čo najviac tenkých plátkových substrátov z karbidu kremíka. Rast priemyslu zároveň viedol k postupne väčším veľkostiam plátkov, čo zvýšilo požiadavky na proces krájania. Karbid kremíka je však extrémne tvrdý, s tvrdosťou podľa Mohsa 9,5, druhý za diamantom (10), a je tiež krehký, čo sťažuje rezanie. V súčasnosti priemyselné metódy vo všeobecnosti používajú rezanie kalovým drôtom alebo rezanie diamantovým drôtom. Počas rezania sa okolo ingotu karbidu kremíka umiestnia rovnomerne rozmiestnené pevné drôtové píly a ingot sa reže pomocou natiahnutých drôtových píl. Pomocou metódy drôtovej píly trvá oddelenie plátkov z ingotu s priemerom 6 palcov približne 100 hodín. Výsledné doštičky majú relatívne široké zárezy, drsnejšie povrchy a straty materiálu až 46 %. To zvyšuje náklady na používanie materiálov z karbidu kremíka a obmedzuje ich vývoj v polovodičovom priemysle, čo zdôrazňuje naliehavú potrebu výskumu nových technológií krájania plátkov z karbidu kremíka.
V posledných rokoch sa vo výrobe polovodičových materiálov stáva čoraz populárnejšia technológia rezania laserom. Táto metóda funguje tak, že sa pomocou zaostreného laserového lúča upraví povrch alebo vnútro materiálu, čím sa oddelí. Keďže ide o bez{2}}kontaktný proces, zabraňuje opotrebovaniu nástroja a mechanickému namáhaniu. Preto výrazne zlepšuje drsnosť a presnosť povrchu plátku, eliminuje potrebu následných procesov leštenia, znižuje straty materiálu, znižuje náklady a minimalizuje znečistenie životného prostredia spôsobené tradičným brúsením a leštením. Technológia rezania laserom sa už dlho používa na rezanie kremíkových ingotov, ale jej aplikácia v oblasti karbidu kremíka je stále nezrelá. V súčasnosti existuje niekoľko hlavných techník.
02
Rezanie laserom-vodou
Vodou{0}}riadená laserová technológia (Laser MicroJet, LMJ), známa aj ako laserová mikro-technológia lúča, funguje na princípe zaostrovania laserového lúča na dýzu, keď prechádza cez tlakovú-modulovanú vodnú komoru. Nízkotlakový prúd vody vychádza z dýzy a v dôsledku rozdielu v indexe lomu na rozhraní voda-vzduch sa vytvorí svetelný vlnovod, ktorý umožňuje laseru šíriť sa v smere prúdu vody. To vedie vysokotlakový-prúd vody na spracovanie a rezanie povrchu materiálu. Hlavná výhoda laserového rezania-vodou spočíva v kvalite rezu. Prúd vody nielen ochladzuje oblasť rezu, čím sa znižuje tepelná deformácia a tepelné poškodenie materiálu, ale tiež odstraňuje úlomky zo spracovania. V porovnaní s rezaním drôtovou pílou je to výrazne rýchlejšie. Pretože však voda absorbuje rôzne vlnové dĺžky lasera v rôznej miere, vlnová dĺžka lasera je obmedzená, predovšetkým na 1064 nm, 532 nm a 355 nm.
V roku 1993 prvýkrát navrhol túto technológiu švajčiarsky vedec Beruold Richerzhagen. Založil spoločnosť Synova, ktorá sa venuje výskumu, vývoju a komercializácii vodnej-laserovej technológie, ktorá je medzinárodne popredná. Domáce technológie sú relatívne pozadu, no spoločnosti ako Innolight a Shengguang Silicon Research ich aktívne rozvíjajú.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) je technika, pri ktorej je laser zaostrený vo vnútri plátku z karbidu kremíka cez jeho povrch, aby vytvoril modifikovanú vrstvu v požadovanej hĺbke, čo umožňuje oddelenie plátku. Pretože na povrchu plátku nie sú žiadne rezy, je možné dosiahnuť vyššiu presnosť spracovania. SD proces s nanosekundovými pulznými lasermi sa už priemyselne využíval na separáciu kremíkových plátkov. Počas SD spracovania karbidu kremíka indukovaného nanosekundovými pulznými lasermi je však trvanie pulzu oveľa dlhšie ako čas väzby medzi elektrónmi a fonónmi v karbide kremíka (na pikosekundovej stupnici), čo vedie k tepelným účinkom. Vysoký tepelný príkon na plátku nielenže spôsobuje, že separácia je náchylná na odchýlenie sa od požadovaného smeru, ale tiež vytvára značné zvyškové napätie, ktoré vedie k zlomeninám a zlému štiepeniu. Preto pri spracovaní karbidu kremíka proces SD zvyčajne používa ultrakrátke pulzné lasery, ktoré výrazne znižujú tepelné účinky.
Japonská spoločnosť DISCO vyvinula technológiu rezania laserom s názvom Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Napríklad pri spracovaní ingotov z karbidu kremíka s priemerom 6{6} palcov a hrúbkou 20 mm sa zvýšila produktivita doštičiek z karbidu kremíka štvornásobne. Proces KABRA v podstate zameriava laser vo vnútri materiálu karbidu kremíka. Prostredníctvom „amorfnej čiernej opakovanej absorpcie“ sa karbid kremíka rozloží na amorfný kremík a amorfný uhlík, čím sa vytvorí vrstva, ktorá slúži ako bod oddelenia plátku, známy ako čierna amorfná vrstva, ktorá absorbuje viac svetla, vďaka čomu je oddelenie plátkov oveľa jednoduchšie.
Technológia Cold Split wafer vyvinutá spoločnosťou Siltectra, ktorá bola získaná spoločnosťou Infineon, dokáže nielen rozdeliť rôzne typy ingotov na wafery, ale tiež znižuje materiálové straty až o 90 %, pričom každý plátok stráca len 80 µm, čo v konečnom dôsledku znižuje celkové výrobné náklady zariadenia až o 30 %. Technológia Cold Split zahŕňa dva kroky: po prvé, laser ožaruje ingot, aby vytvoril delaminačnú vrstvu, čo spôsobí vnútorný objem expanzie v materiáli karbidu kremíka, čo generuje ťahové napätie a vytvára veľmi úzku mikro-trhlinku; potom krok ochladzovania polyméru premení mikro-trhlinku na hlavnú trhlinu, ktorá nakoniec oddelí plátok od zostávajúceho ingotu. V roku 2019 tretia strana vyhodnotila túto technológiu a namerala drsnosť povrchu Ra delených plátkov menšiu ako 3 µm, pričom najlepšie výsledky boli menšie ako 2 µm.
Upravené laserové kocky vyvinuté čínskou spoločnosťou Han's Laser je laserová technológia používaná na oddelenie polovodičových doštičiek na jednotlivé čipy alebo matrice. Tento proces tiež využíva presný laserový lúč na skenovanie a vytváranie modifikovanej vrstvy vo vnútri plátku, čo umožňuje plátku prasknúť pozdĺž dráhy laserového skenovania pod aplikovaným tlakom, čím sa dosiahne presné oddelenie.
Obrázok 5. Upravený postup procesu rezania laserom
V súčasnosti domáci výrobcovia zvládli technológiu krájania kociek-na báze karbidu kremíka. Krájanie na kocky má však vysoké straty materiálu, nízku účinnosť a silné znečistenie a postupne sa nahrádza technológiou krájania diamantovým drôtom. Súčasne laserové krájanie vyniká vďaka svojmu výkonu a výhodám účinnosti. V porovnaní s tradičnými technológiami spracovania mechanických kontaktov ponúka mnoho výhod, vrátane vysokej efektivity spracovania, úzkych rysovacích línií a vysokej hustoty zárezov, čo z neho robí silného konkurenta na nahradenie krájania diamantovým drôtom. Otvára novú cestu pre aplikáciu polovodičových materiálov ďalšej{5}}generácie, ako je karbid kremíka. S pokrokom v priemyselnej technológii a neustálym zvyšovaním veľkosti substrátov z karbidu kremíka sa technológia krájania karbidu kremíka bude rýchlo vyvíjať a efektívne,-kvalitné laserové krájanie bude dôležitým trendom pre budúce rezanie karbidu kremíka.
