Polovodiče sú neoddeliteľnou súčasťou vnútorného fungovania zdravotníckych zariadení, ktoré prispievajú k vodivosti medzi nevodičmi a vodičmi na riadenie prúdu. Na druhej strane, proces montáže na vytvorenie dokonalého polovodiča je veľmi podrobný, najmä teraz, keď sú zariadenia čoraz menšie. Keďže sa polovodiče rýchlo miniaturizujú, aby sa zmestili do týchto menších zariadení, úloha laserov pri výrobe polovodičov sa prispôsobila.
Laserová technológia sa často používa pri výrobe polovodičov pre svoje tenké, presné, všestranné a výkonné lúče z rôznych dôvodov, vrátane rezania, zvárania, odstraňovania povlaku a značenia.
Rezanie/rysovanie
Pri výrobe polovodičov existujú rôzne kroky rezania kociek, vrátane rezania doštičiek z kryštálových blokov a šablón z tenkých vrstiev. Kockovanie laserom zaisťuje čisté rezanie triesok tak, aby správne zapadli do finálneho zariadenia. Použitie laserov umožňuje rezanie polovodičov do mnohých tvarov a vzorov, ktoré nie sú možné pomocou iných metód krájania. Podľa Fu Foundation School of Engineering and Applied Science na Kolumbijskej univerzite rezanie plátkov pomocou tejto metódy znižuje opotrebovanie nástroja a straty materiálu a vedie k vyšším výnosom.
Študijný materiál spoločnosti Columbia o spracovaní polovodičovým laserom uvádza, že „výhody rezania laserom zahŕňajú menšie opotrebenie nástroja, zníženie strát materiálu okolo rezu, vyššie výnosy vďaka menšiemu lámaniu a rýchlejší obrat vďaka ľahkému upevneniu“.
Ďalšou možnosťou rezania je ryhovanie - vŕtanie série tesne umiestnených alebo prekrývajúcich sa slepých otvorov do polovice materiálu. Toto je metóda široko používaná v aplikáciách výroby polovodičov, ako je rezanie substrátov oxidu hlinitého na nosiče čipov alebo oddeľovanie kremíkových plátkov na čipy. Stojí za zmienku, že typ lasera potrebného na rytie závisí od použitého materiálu.
Univerzita hovorí: "Rybovanie oxidu hlinitého používa lasery CO2, zatiaľ čo rytie kremíkom používa lasery Nd: YAG, pretože rôzne materiály majú rôzne rýchlosti absorpcie pri rôznych vlnových dĺžkach."
Motivácia pre použitie ryhy verzus rezanie závisí od rýchlosti, akou sa akcia vyskytuje vo výrobnej dielni. V prípade oxidu hlinitého, ktorý má hrúbku približne 0,025 palca, možno materiál ryť rýchlosťou približne 10 palcov za sekundu pomocou stredne výkonného CO2 lasera, zatiaľ čo v prípade podobného lasera môže byť rýchlosť rezania byť zlomky palca za sekundu,“ píšu pracovníci univerzity. "Rybanie tiež ponúka tú výhodu, že je možné popísať substrát pred dokončením spracovania a potom ho po spracovaní ľahko rozdeliť na čipy."
WElding
Laserové spájkovanie alebo zváranie laserovou diódou je proces vzájomného tavenia susedných častí polovodičového komponentu, podobne ako pripevnenie plátku k nosnej doske. Pri podporných doskách, ktoré sú pripravené na lepenie (ako sú olovené rámy), laser umiestni na rám identifikačnú značku a potom zdrsní povrch, aby sa zabezpečilo, že obe časti sú bezpečne spojené. Po zlepení laserový značkovací stroj odstráni otrepy vytvorené zdrsňovaním.
Odstránenie povlaku
Zabezpečenie, že polovodiče sú čisté a bez defektov, je súčasťou výrobného procesu nazývaného odstraňovanie povlaku. Pomocou lasera (zvyčajne Nd:YAG) je možné odstrániť nežiaduce povlaky ako pri živici alebo medi, a ako pri zlatých alebo tenkých filmových povlakoch. Na odihlovanie laser využíva svoj jemný a presný lúč na odstránenie prebytočného materiálu bez toho, aby došlo k poškodeniu produktu.Odstránenie náterovumožňuje jasnejšiu analýzu chýb, čím sa eliminuje potreba demontáže kvôli kontrole, čo by mohlo viesť k poškodeniu produktu.
Označovanie
Laserové značenie polovodičovje dôležitý pre sledovateľnosť a čitateľnosť produktu, čo znamená, že laser musí byť jasne čitateľný aj pri veľmi malých výtlačkoch. Sledovateľnosť produktu znamená, že produkt je možné sledovať prostredníctvom viacerých krokov výroby, ako aj finálnej distribúcie. To uľahčuje vyhľadávanie a izoláciu špecifických kategórií defektov.
Označené čipy musia byť tiež čitateľné, pretože označenie je užitočný spôsob, ako určiť, ktorý produkt je vhodný pre danú aplikáciu. Podľa Wafer World "Lasér nielenže reže do povrchu plátku, ale tiež preusporiada povrchové častice, aby vytvoril extrémne plytké, ale ľahko čitateľné značky."
Na polovodičoch sa používajú dva typy markerov: leptané markery a žíhané markery. Leptacie značky sú tenké vrstvy materiálu, ktoré sa odstraňujú pomocou lasera, pričom zanechávajú textúrovanú značku hlbokú asi 12 až 25 mikrónov. Tieto sa často označujú ako „tvrdé značky“, pretože dochádza k viditeľnej zmene povrchovej vrstvy.
Na druhej strane žíhacie značky používajú laser nastavený na nižšiu úroveň výkonu na preusporiadanie molekúl namiesto ich leptania. To vytvára kontrast na povrchu čipu, ktorý je viditeľný pri odraze svetla.
Typ lasera
V súčasnosti spoločnosti väčšinou používajú na výrobu čipov polovodičové lasery, pretože sú známe svojim vysokým výkonom a ako laserové médium používajú rudu. Minerálne médiá typicky pozostávajú z kryštálov ytria, hliníka, granátu alebo vanadičnanu ytria. Napríklad lasery Nd:YAG používajú ako médium kryštály ytria hliníkového granátu dopované neodýmom. Laserový lúč je generovaný pomocou oscilátora, ktorý stimuluje médium svetlom z laserovej diódy.
Jedným typom polovodičového lasera používaného na označovanie čipov, gravírovanie a rezanie je vláknový laser, hovorí Keyence a dodáva, že vysokorýchlostné lasery používajú „optické vlákna ako rezonátory a vytvárajú prekrývajúce sa štruktúry prostredníctvom opláštenia vlákien dopovaných Yb-iónmi“. poznamenávajúc, že jej vláknové lasery sú známe ako séria MD-F 3-osových vláknových laserov. "Niektoré z použití vláknových laserov zahŕňajú odstraňovanie otrepov z predvýrobných procesov, označovanie kódov sledovateľnosti a odstraňovanie živice na analýzu defektov."
Excimerové lasery sa používajú aj pri výrobe polovodičov. Tieto sú hlbokéultrafialové(UV) lasery s vlnovými dĺžkami od 126 nm do 351 nm, ktoré sa primárne používajú na mikroobrábanie polymérov. Kratšie UV laserové lúče v porovnaní s pevným stavom ich robia vhodnými pre akýkoľvek typ materiálu, vrátane veľmi krehkých a jemných materiálov, a umožňujú im pracovať na veľmi malej presnej ploche so zníženým bodom pôsobenia. Pri použití na značenie mení UV laser štruktúru materiálu produktu na molekulárnej úrovni bez vytvárania tepla v okolitej oblasti.
Laserová inovácia
V súčasnosti sú pevné a excimerové lasery považované za hlavné možnosti pri použití laserovej výroby na výrobu polovodičov. Čoskoro však môže byť k dispozícii nová možnosť, ktorá by mohla konkurovať klasike. V nedávnej štúdii publikovanej v časopise Nature tím výskumníkov z Kjótskej univerzity pod vedením Susumu Noda napísal, že podnikli kroky na prekonanie obmedzení jasu polovodičového lasera zmenou štruktúry laserov vyžarujúcich povrch fotonických kryštálov (PCSEL). Podľa Inštitútu elektrických a elektronických inžinierov je jas výhodou, ktorá zahŕňa stupeň zaostrenia alebo divergencie lúča svetla. PCSEL, hoci sa považovali za atraktívnu možnosť pre lasery s vysokým jasom, boli predtým neškálovateľné na použitie vo veľkých -škálové operácie kvôli problémom s veľkosťou a jasom laserov.
Problém s PCSEL často pramení z túžby rozšíriť ich vyžarovaciu plochu, čo znamená, že je tu priestor na osciláciu svetla v smere vyžarovania a v priečnom smere. "Tieto priečne oscilácie sú známe ako režimy vyššieho rádu a môžu zničiť kvalitu lúča," píše IEEE. "Navyše, ak je laser prevádzkovaný nepretržite, teplo vo vnútri lasera môže zmeniť index lomu zariadenia, čo vedie k ďalšiemu zhoršeniu kvality lúča."
V štúdii Nature vedci použili fotonické kryštály vložené do lasera a „prispôsobili vnútorný reflektor tak, aby umožňoval oscilácie v jednom režime na širšej ploche a kompenzoval tepelné poškodenie“. Tieto zmeny umožnili laseru udržiavať vysokú kvalitu lúča počas nepretržitej prevádzky.
Výskumníci vo svojej štúdii vyvinuli PCSEL s priemerom 3-mm, čo je 10-násobný skok v porovnaní s predchádzajúcim zariadením PCSEL s priemerom 1-mm.
"Pre povrchovo vyžarujúci laser fotonického kryštálu s veľkým rezonančným priemerom 3 mm, výstupným výkonom [nepretržitej vlny] viac ako 50 W, čistými osciláciami v jednom režime a extrémne úzkou divergenciou lúča 0,05 stupňa , čo zodpovedá viac ako 10,000 vlnovým dĺžkam v materiáli,“ uviedli vedci v štúdii. Jas ...... dosahuje 1 GW cm-2 sr-1, čo je porovnateľné s existujúcimi veľkými lasermi.“
Stojí za zmienku, že pod pojmom "veľkoobjemové lasery" majú výskumníci na mysli pevnolátkové a excimerové lasery, ktoré sa v súčasnosti používajú pri výrobe polovodičových laserov.
V rámci procesu zriadenia centra excelentnosti s rozlohou 1,{1}}m2 pre povrchovo vyžarujúce lasery pre fotonické kryštály na Kjótskej univerzite Noda a jeho tím tiež prešli od výroby fotonických kryštálov pomocou litografie s elektrónovým lúčom na ich zhotovenie pomocou nanotlačovej litografie.
„E-lúčová litografia je presná, ale zvyčajne príliš pomalá na výrobu vo veľkom meradle,“ hovorí IEEE. "Nanoimprintová litografia v podstate vytláča vzory do polovodičov a je užitočná na rýchle vytváranie veľmi pravidelných vzorov."
Podľa štúdie je ďalším krokom pokračovať v rozširovaní priemeru lasera z 3 na 10 milimetrov – veľkosť, ktorá údajne produkuje 1 kilowatt výstupného výkonu.
