01Úvod
Krájanie plátkov je dôležitým krokom pri výrobe polovodičových zariadení. Spôsob a kvalita rezania 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 kľúčovým materiálom na podporu elektrickej revolúcie. Výrobné náklady-kvalitného kryštalického karbidu kremíka sú extrémne vysoké a často existuje potreba rozrezať veľký ingot karbidu kremíka na čo najviac tenkých plátkových substrátov z karbidu kremíka. Priemyselný rozvoj zároveň viedol k zväčšeniu veľkosti plátkov, čo zvyšuje nároky na rezacie procesy. Avšak materiál karbidu kremíka má extrémne vysokú tvrdosť, s tvrdosťou Mohs 9,5, čo je druhý po najtvrdšom diamante na svete (10), a má tiež krehkosť kryštálov, čo sťažuje rezanie. V súčasnosti sa v tomto odvetví zvyčajne používa rezanie kalovým drôtom alebo rezanie diamantovou drôtovou pílou. Počas rezania je pevná drôtová píla umiestnená v rovnakých intervaloch okolo ingotu karbidu kremíka a napnutím drôtovej píly sa vyrežú plátky karbidu kremíka. Použitie metódy drôtovej píly na oddelenie plátkov z ingotu s priemerom 6- palcov trvá približne 100 hodín. Výsledné plátky majú nielen relatívne veľký rez, ale aj väčšiu drsnosť povrchu, čo vedie k stratám materiálu až 46 %. To zvyšuje náklady na používanie materiálov z karbidu kremíka a obmedzuje jeho vývoj v polovodičovom priemysle, čím je výskum nových technológií rezania doštičiek z karbidu kremíka naliehavý. V posledných rokoch sa pri výrobe a spracovaní polovodičových materiálov čoraz viac využíva technológia rezania laserom. Princípom tejto metódy je použitie zaostreného laserového lúča na úpravu substrátu z povrchu materiálu alebo zvnútra, čím sa oddelí. Pretože ide o bezkontaktný proces, zabraňuje sa účinkom opotrebovania nástroja a mechanického namáhania. Preto výrazne zlepšuje drsnosť povrchu a presnosť plátku, eliminuje potrebu následných procesov leštenia, znižuje straty materiálu, znižuje náklady a minimalizuje znečistenie životného prostredia spôsobené tradičnými procesmi brúsenia a leštenia. Technológia rezania laserom sa už dlho používa na rezanie kremíkových ingotov, ale jej aplikácia v oblasti karbidu kremíka stále nie je zrelá, pričom v súčasnosti je k dispozícii niekoľko hlavných technológií.
2Vodou-riadené laserové rezanie
Vodou{0}}riadená laserová technológia (Laser MicroJet, LMJ), známa aj ako laserová mikrotrysková technológia, funguje na princípe zaostrovania laserového lúča na trysku, keď laser prechádza cez tlakovo{1}}modulovanú vodnú komoru; z dýzy vyteká nízkotlakový-prúd vody. Na rozhraní vody a vzduchu sa v dôsledku rozdielu indexov lomu vytvára svetelný vlnovod, ktorý umožňuje laseru šíriť sa v smere toku vody, čím sa dosahuje rezanie povrchu materiálu pomocou vedenia vysokotlakovým vodným lúčom-. Hlavná výhoda vodou navádzaných-laserov spočíva v kvalite rezu; prúd vody nielen ochladzuje oblasť rezu, čím sa znižuje tepelná deformácia a poškodenie materiálu, ale tiež odvádza úlomky zo spracovania. V porovnaní s rezaním drôtovou pílou je jeho rýchlosť výrazne zvýšená. Absorpcia rôznych vlnových dĺžok vodou sa však líši, čo obmedzuje používané laserové vlnové dĺžky hlavne na 1064nm, 532nm a 355nm. V roku 1993 túto technológiu prvýkrát navrhol švajčiarsky vedec Beruold Richerzhagen a jeho spoločnosť Synova sa špecializuje na výskum a industrializáciu vody{14}, zatiaľ čo domáca technológia je popredná v technologickej oblasti, so sprievodcom. ako Inno Laser a Shengguang Silicon Research sa aktívne rozvíjajú.
03Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) zahŕňa zaostrenie lasera cez povrch karbidu kremíka do vnútra čipu, čím sa vytvorí upravená vrstva v požadovanej hĺbke, aby sa dosiahlo oddelenie plátkov. Keďže na povrchu oblátky nie sú žiadne rezy, je možné dosiahnuť vyššiu presnosť spracovania. SD proces využívajúci nanosekundové pulzné lasery sa v priemysle využíva na separáciu kremíkových plátkov. Počas SD spracovania karbidu kremíka indukovaného nanosekundovými pulznými lasermi sa však vyskytujú tepelné efekty, pretože trvanie pulzu je oveľa dlhšie ako čas väzby medzi elektrónmi a fonónmi v karbide kremíka (rádovo v pikosekundách). Vysoký tepelný vstup do plátku nielenže spôsobuje, že separácia má tendenciu odchýliť sa od požadovaného smeru, ale tiež generuje značné zvyškové napätie, čo vedie k zlomeninám a zlému štiepeniu. Preto sa pri spracovaní karbidu kremíka všeobecne používajú ultra{5}}procesy SD s ultrakrátkym pulzom, čím sa výrazne znižujú tepelné účinky.
Japonská spoločnosť DISCO vyvinula technológiu rezania laserom s názvom Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA) na príklade spracovania ingotu kryštálu karbidu kremíka s priemerom 6 palcov a hrúbkou 20 mm, čím sa štvornásobne zvýšila rýchlosť výroby doštičiek z karbidu kremíka. Podstata procesu KABRA sústreďuje laser do materiálu karbidu kremíka, rozkladá karbid kremíka na amorfný kremík a amorfný uhlík prostredníctvom „amorfnej-čiernej opakovanej absorpcie“ a vytvára vrstvu ako separačný bod pre plátok, konkrétne čiernu amorfnú vrstvu, ktorá absorbuje viac svetla, čím uľahčuje separáciu.
Technológia studeného delenia plátkov vyvinutá spoločnosťou Siltectra, získaná spoločnosťou Infineon, nielenže umožňuje deliť rôzne typy ingotov na plátky, ale má za následok aj stratu len 80 μm na plátok, čím sa znižuje strata materiálu o 90 %, čo v konečnom dôsledku znižuje celkové výrobné náklady zariadení až o 30 %. Technológia rezania za studena zahŕňa dve fázy: po prvé, laserová expozícia vytvorí na ingote delaminačnú vrstvu, ktorá spôsobí, že materiál karbidu kremíka sa zväčší v objeme, čo spôsobí ťahové napätie a vytvorí veľmi úzku vrstvu mikro-trhlín; potom sa pomocou kroku ochladzovania polyméru tieto mikro-trhliny spracujú na hlavnú trhlinu, ktorá nakoniec oddelí plátok od zvyšného ingotu. V roku 2019 hodnotenie tejto technológie treťou stranou{8}} nameralo, že drsnosť povrchu Ra delených plátkov bola menšia ako 3 µm, pričom najlepšie výsledky boli pod 2 µm.
Upravené rezanie laserom vyvinuté domácou veľkou rodinnou laserovou firmou je laserová technológia, ktorá oddeľuje polovodičové doštičky na jednotlivé čipy alebo zrná. Tento proces tiež zahŕňa vnútorné skenovanie plátku presným laserovým lúčom, aby sa vytvorila modifikovaná vrstva, ktorá umožňuje plátku expandovať pozdĺž dráhy laserového skenovania pod aplikovaným tlakom, čím sa dosiahne presné oddelenie.
V súčasnosti domáci výrobcovia zvládli technológiu rezania karbidu kremíka maltou, ale rezná strata je veľká, účinnosť je nízka a znečistenie je vážne, čo sa postupne nahrádza technológiou rezania diamantovým drôtom. Zároveň sú výrazné výhody výkonu a účinnosti rezania laserom, ktoré ponúkajú mnohé výhody v porovnaní s tradičnými technológiami mechanického kontaktného spracovania vrátane vysokej efektivity spracovania, úzkych dráh rezania a vysokej hustoty triesok, čo z neho robí silného konkurenta pri výmene technológie rezania diamantovým drôtom a otvára novú cestu pre aplikáciu polovodičových materiálov ďalšej{1}}generácie, ako je karbid kremíka. S rozvojom priemyselnej technológie sa veľkosť substrátov z karbidu kremíka naďalej zvyšuje a technológia rezania karbidu kremíka sa bude rýchlo rozvíjať; efektívne a{3}}kvalitné rezanie laserom bude v budúcnosti dôležitým trendom v rezaní karbidu kremíka.
