01
Bevezetés
Az ostya kockázás a félvezető eszközök gyártásának fontos része. A kockázás módja és minősége közvetlenül befolyásolja az ostya vastagságát, érdességét, méreteit és gyártási költségeit, és jelentős hatással van az eszköz gyártására. A szilícium-karbid, mint harmadik -generációs félvezető anyag, az elektromos forradalom egyik fontos anyaga. A kiváló minőségű kristályos szilícium-karbid előállítási költsége rendkívül magas, és az emberek általában azt remélik, hogy egy nagy szilícium-karbid tuskót a lehető legtöbb vékony szilícium-karbid lapka szubsztrátumra vághatnak. Ugyanakkor az ipar növekedése fokozatosan nagyobb ostyaméretekhez vezetett, ami megnövelte a kockázási eljárások követelményeit. A szilícium-karbid azonban rendkívül kemény, Mohs-keménysége 9,5, ami a gyémánt (10) után a második, ráadásul törékeny is, ami megnehezíti a vágást. Jelenleg az ipari módszerek általában híghuzalfűrészelést vagy gyémánthuzalfűrészelést alkalmaznak. A vágás során egyenlő távolságban rögzített huzalfűrészeket helyeznek a szilícium-karbid tömb köré, és a tuskót feszített drótfűrészekkel vágják le. A drótfűrészes módszerrel az ostyák leválasztása egy 6 hüvelyk átmérőjű rúdról körülbelül 100 órát vesz igénybe. Az így kapott ostyák viszonylag széles bevágásokkal, durvább felülettel rendelkeznek, és az anyagveszteség eléri a 46%-ot. Ez növeli a szilícium-karbid anyagok használatának költségeit, és korlátozza fejlesztésüket a félvezetőiparban, rávilágítva az új szilícium-karbid szelet kockázási technológiák kutatásának sürgős szükségességére.
Az elmúlt években a lézeres vágási technológia alkalmazása egyre népszerűbb a félvezető anyagok gyártásában. Ez a módszer úgy működik, hogy fókuszált lézersugárral módosítja az anyag felületét vagy belsejét, ezáltal elválasztja azt. Érintésmentes-folyamatként elkerüli a szerszámkopást és a mechanikai igénybevételt. Ezért nagymértékben javítja az ostya felületi érdességét és pontosságát, szükségtelenné teszi az utólagos polírozási folyamatokat, csökkenti az anyagveszteséget, csökkenti a költségeket és minimalizálja a hagyományos csiszolás és polírozás okozta környezetszennyezést. A lézeres vágási technológiát régóta alkalmazzák a szilícium ingot kockákra, de alkalmazása a szilícium-karbid területén még kiforratlan. Jelenleg több fő technika létezik.
02
Vízvezérelt lézeres vágás-
A vízvezérelt lézertechnológia (Laser MicroJet, LMJ), más néven lézeres mikro-jet technológia, azon az elven működik, hogy a lézersugarat a fúvókára fókuszálja, amikor az áthalad egy nyomás-modulált vízkamrán. A fúvókából kis nyomású vízsugár lövell ki, és a víz-levegő határfelületén a törésmutató különbsége miatt fényhullámvezető képződik, amely lehetővé teszi, hogy a lézer a víz áramlásának irányában terjedjen. Ez egy nagynyomású-vízsugarat vezet az anyag felületének feldolgozásához és vágásához. A vízvezérelt lézervágás fő előnye-a vágási minőségben rejlik. A vízáram nemcsak a vágási területet hűti le, csökkenti a termikus deformációt és az anyag hőkárosodását, hanem eltávolítja a feldolgozási törmeléket is. A drótfűrészvágáshoz képest lényegesen gyorsabb. Mivel azonban a víz különböző mértékben nyeli el a különböző lézerhullámhosszakat, a lézer hullámhossza korlátozott, elsősorban 1064 nm, 532 nm és 355 nm.
1993-ban Beruold Richerzhagen svájci tudós javasolta először ezt a technológiát. Megalapította a Synova nevű vállalatot, amely a vízvezérelt lézertechnológia kutatásával, fejlesztésével és kereskedelmi forgalomba hozatalával foglalkozik,{2}} amely nemzetközileg is élen jár. A hazai technológia viszonylag lemaradt, de az olyan cégek, mint az Innolight és a Shengguang Silicon Research aktívan fejlesztik.
03
Stealth Dicing
A Stealth Dicing (SD) egy olyan technika, amelyben a lézert egy szilícium-karbid lapkába fókuszálják annak felületén keresztül, hogy a kívánt mélységben egy módosított réteget képezzenek, ami lehetővé teszi a lapkák szétválasztását. Mivel az ostya felületén nincsenek vágások, nagyobb feldolgozási pontosság érhető el. A nanoszekundumos impulzuslézeres SD-eljárást iparilag már alkalmazták szilícium lapkák szétválasztására. A szilícium-karbid nanoszekundumos impulzuslézerekkel indukált SD feldolgozása során azonban az impulzus időtartama sokkal hosszabb, mint a szilícium-karbid elektronok és fononok közötti csatolási ideje (pikoszekundumos skálán), ami termikus hatásokat eredményez. Az ostyát érő nagy hőterhelés nemcsak hajlamossá teszi az elválasztást a kívánt iránytól való eltérésre, hanem jelentős maradékfeszültséget is generál, ami törésekhez és gyenge hasadáshoz vezet. Ezért a szilícium-karbid feldolgozása során az SD-eljárás jellemzően ultrarövid impulzusú lézereket használ, ami nagymértékben csökkenti a hőhatásokat.
A japán DISCO cég kifejlesztette a Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA) nevű lézervágási technológiát. Például 6- hüvelyk átmérőjű, 20 mm vastag szilícium-karbid tömbök feldolgozása során négyszeresére növelte a szilícium-karbid lapkák termelékenységét. A KABRA eljárás lényegében a lézert a szilícium-karbid anyagon belül fókuszálja. Az „amorf-fekete ismétlődő abszorpció” révén a szilícium-karbid amorf szilíciumra és amorf szénre bomlik, és egy réteget képez, amely ostya elválasztási pontként szolgál, az úgynevezett fekete amorf réteg, amely több fényt nyel el, így sokkal könnyebben szétválasztható az ostya.
A Siltectra által kifejlesztett Cold Split ostyatechnológia, amelyet az Infineon vásárolt meg, nemcsak a különféle típusú tömböket képes ostyákra osztani, hanem akár 90%-kal csökkenti az anyagveszteséget is, minden ostya mindössze 80 µm-t veszít, ami végső soron akár 30%-kal csökkenti a teljes eszközgyártási költséget. A Cold Split technológia két lépésből áll: először egy lézer besugározza a tuskót, így rétegelválasztó réteget hoz létre, ami belső térfogat-bővülést okoz a szilícium-karbid anyagban, ami húzófeszültséget generál, és nagyon keskeny mikro{4}}repedést képez; majd egy polimer hűtési lépésben a mikro{5}}repedés fő repedéssé változtatja, végül elválasztja az ostyát a megmaradt öntvénytől. 2019-ben egy harmadik fél kiértékelte ezt a technológiát, és a hasított lapkák Ra felületi érdességét 3 µm-nél kisebbnek mérte, a legjobb eredmény pedig 2 µm-nél kisebb.
A kínai Han's Laser cég által kifejlesztett módosított lézeres kockázás egy lézeres technológia, amelyet a félvezető lapkák egyedi chipekre vagy matricákra történő szétválasztására használnak. Ez az eljárás precíz lézersugarat is használ a szkenneléshez és egy módosított réteg kialakításához az ostyán belül, lehetővé téve az ostya megrepedését a lézeres pásztázási útvonalon az alkalmazott feszültség hatására, így pontos elválasztás érhető el.
5. ábra: Módosított lézerkockázási folyamat
Jelenleg a hazai gyártók elsajátították a hígtrágya{0}}alapú szilícium-karbid kockázási technológiát. A hígtrágya kockázásnak azonban nagy az anyagvesztesége, alacsony a hatékonysága és súlyos a környezetszennyezése, és fokozatosan felváltja a gyémánthuzal kockázási technológia. Ugyanakkor a lézeres kockázás teljesítménye és hatékonysági előnyei miatt kiemelkedik. A hagyományos mechanikus érintkezési feldolgozási technológiákkal összehasonlítva számos előnnyel rendelkezik, beleértve a magas feldolgozási hatékonyságot, a keskeny vonalakat és a nagy vágássűrűséget, ami erős versenytárssá teszi a gyémánthuzal kockázását. Új utat nyit a következő -generációs félvezető anyagok, például a szilícium-karbid alkalmazásához. Az ipari technológia fejlődésével és a szilícium-karbid szubsztrátum méretének folyamatos növekedésével a szilícium-karbid kockázási technológia gyorsan fejlődik, és a hatékony, kiváló minőségű lézeres vágás a jövőbeni szilícium-karbid vágás fontos trendje lesz.
