A félvezetők az orvosi eszközök belső működésének szerves részét képezik, és hozzájárulnak a nem vezetők és a vezetők közötti vezetőképességhez az áram szabályozásához. A tökéletes félvezető összeállításának folyamata viszont nagyon részletes, különösen most, amikor az eszközök egyre kisebbek és kisebbek. Mivel a félvezetőket gyorsan miniatürizálják, hogy ezekbe a kisebb eszközökbe illeszkedjenek, a lézerek szerepe a félvezetőgyártásban megváltozott.
A lézertechnológiát gyakran használják a félvezetőgyártásban a vékony, precíz, sokoldalú és erős sugarai miatt, különféle okokból, beleértve a vágást, hegesztést, bevonat eltávolítását és jelölését.
Vágás/írás
A félvezetők gyártása során különféle kockázási lépések léteznek, beleértve az ostyák kivágását kristálytömbökből és sablonok kivágását vékony filmekből. A lézerrel történő felkockázás biztosítja a forgácsok tisztán vágását, hogy megfelelően illeszkedjenek a végső eszközbe. A lézerek használata lehetővé teszi a félvezetők sokféle alakra és mintázatba vágását, ami más kockázási módszerekkel nem lehetséges. A Columbia Egyetem Fu Alapítványi Műszaki és Alkalmazott Tudományi Iskolája szerint az ostyák ezzel a módszerrel történő vágása csökkenti a szerszámkopást és az anyagveszteséget, és nagyobb hozamot eredményez.
A Columbia félvezető lézeres feldolgozásról szóló tanulmányi anyaga kijelenti, hogy "a lézeres vágás előnyei közé tartozik a kisebb szerszámkopás, a kisebb anyagveszteség a vágás körül, a kisebb törés miatti nagyobb hozam, valamint a könnyű rögzítés miatti gyorsabb átfutás."
Egy másik lehetőség a vágásra a karcolás – egymáshoz közel elhelyezkedő vagy egymást átfedő zsákfuratok fúrása az anyag felénél. Ezt a módszert széles körben alkalmazzák a félvezetőgyártási alkalmazásokban, például alumínium-oxid szubsztrátumok forgácshordozókká való vágásakor vagy szilícium lapkák szétválasztása chipekre. Érdemes megjegyezni, hogy a beíráshoz szükséges lézer típusa a felhasznált anyagtól függ.
Az egyetem azt mondja: "Az alumínium-oxid-leírás CO2-lézereket használ, míg a szilícium-leírás Nd:YAG-lézereket használ, mivel a különböző anyagok eltérő abszorpciós sebességgel rendelkeznek különböző hullámhosszokon."
Az írás és a vágás használatának motivációja attól függ, hogy milyen sebességgel történik a művelet a gyártási műhelyben. "Körülbelül 0,025 hüvelyk vastag alumínium-oxid esetében az anyag körülbelül 10 hüvelyk/másodperc sebességgel írható le közepes teljesítményű CO2 lézerrel, míg egy hasonló lézer esetében a vágási sebesség másodpercenként egy hüvelyk töredéke lehet” – írják az egyetem munkatársai. "A beírás azzal az előnnyel is jár, hogy a hordozót a feldolgozás befejezése előtt leírhatja, majd a feldolgozás után könnyen szétválaszthatja chipekre."
Welding
A lézeres forrasztás vagy lézerdiódahegesztés egy félvezető alkatrész szomszédos részeinek összeolvasztásának folyamata, hasonlóan ahhoz, mint egy lapka rögzítéséhez a tartólemezhez. A ragasztásra kész tartólemezek (például ólomkeretek) esetében a lézer azonosító jelet helyez a keretre, majd érdesíti a felületet, hogy biztosítsa a két rész biztonságos összekapcsolását. Az összeragasztás után a lézeres jelölőgép eltávolítja az érdesítési eljárás során keletkezett sorját.
Bevonat eltávolítása
Annak biztosítása, hogy a félvezetők tiszták és hibáktól mentesek legyenek, a bevonat eltávolításának nevezett gyártási folyamat része. Lézerrel (általában Nd:YAG) a nem kívánt bevonatok eltávolíthatók, mint a gyantával vagy a rézzel, valamint az arany- vagy vékonyréteg bevonattal. A lézer a sorjázáshoz finom, precíz sugarát használja fel, hogy eltávolítsa a felesleges anyagot anélkül, hogy károsítaná a terméket.Bevonatok eltávolításalehetővé teszi a hibák pontosabb elemzését, kiküszöbölve az ellenőrzéshez szükséges szétszerelést, ami a termék károsodásához vezethet.
Jelzés
Félvezetők lézeres jelölésefontos a termék nyomon követhetősége és olvashatósága szempontjából, ami azt jelenti, hogy a lézernek jól olvashatónak kell lennie nagyon kis nyomatokban. A termék nyomon követhetősége azt jelenti, hogy a termék nyomon követhető a gyártás több lépésén, valamint a végső elosztáson keresztül. Ez megkönnyíti az egyes hibakategóriák megtalálását és elkülönítését.
A megjelölt chipeknek is olvashatónak kell lenniük, mivel a jelölés hasznos módja annak, hogy meghatározzuk, melyik termék alkalmas az adott alkalmazásra. A Wafer World szerint "A lézer nemcsak az ostya felületébe vág, hanem átrendezi a felületi részecskéket is, hogy rendkívül sekély, de könnyen leolvasható jelöléseket hozzon létre."
A félvezetőkön kétféle markert használnak: maratási markereket és lágyított markereket. A maratási markerek vékony anyagrétegek, amelyeket lézerrel távolítanak el, körülbelül 12-25 mikron mély texturált nyomot hagyva. Ezeket gyakran "kemény nyomoknak" nevezik, mert látható változás van a felületi rétegben.
Az izzítási jelek viszont egy alacsonyabb teljesítményszintre állított lézert használnak a molekulák átrendezésére, nem pedig maratásra. Ez kontrasztot hoz létre a forgács felületén, amely a fény visszaverődésekor látható.
Lézeres típus
Jelenleg a cégek többnyire szilárdtest lézereket használnak chipek gyártásához, mivel nagy teljesítményükről ismertek, és lézeres közegként ércet használnak. Az ásványi közeg jellemzően ittrium-, alumínium-, gránát- vagy ittrium-vanadát kristályokból áll. Például az Nd:YAG lézerek neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránátkristályokat használnak közegként. A lézersugarat egy oszcillátor segítségével állítják elő, amely lézerdióda fényével stimulálja a közeget.
A chipek jelölésére, gravírozására és kockázására használt szilárdtestlézerek egyik típusa a szálas lézer, mondja Keyence, hozzátéve, hogy a nagy sebességű lézerek "optikai szálakat használnak rezonátorként, és átfedő struktúrákat hoznak létre Yb-ionnal adalékolt szálburkolattal". megjegyezve, hogy szálas lézerei az 3-tengelyszálas lézerek MD-F sorozataként ismertek. "A szálas lézerek egyes felhasználási területei közé tartozik a sorja eltávolítása a gyártás előtti folyamatokból, a nyomon követhetőségi kódok jelölése és a gyanta eltávolítása a hibaelemzéshez."
Az excimer lézereket a félvezetőgyártásban is használják. Ezek mélyekultraibolya126 nm és 351 nm közötti hullámhosszú (UV) lézerek, amelyeket elsősorban polimer mikromegmunkáláshoz használnak. A szilárdtesthez képest rövidebb UV lézersugarak alkalmassá teszik bármilyen típusú anyaghoz, beleértve a nagyon törékeny és kényes anyagokat is, és lehetővé teszik, hogy nagyon kis precíz területen dolgozzanak, csökkentett hatásponttal. Jelölésre használva az UV lézer molekuláris szinten változtatja meg a termék anyagának szerkezetét anélkül, hogy hőt termelne a környező területen.
Lézeres innováció
Jelenleg a szilárdtest- és excimer lézereket tekintik a fő lehetőségnek, amikor a lézergyártást félvezetőgyártáshoz használják. Azonban hamarosan elérhetővé válhat egy új lehetőség, amely a klasszikusokkal vetekedhet. A Nature folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban a Kiotói Egyetem kutatócsoportja, Susumu Noda vezetésével azt írta, hogy lépéseket tettek a félvezető lézer fényerejének korlátainak leküzdésére a fotonikus kristályfelületet kibocsátó lézerek (PCSEL) szerkezetének megváltoztatásával. Az Institute of Electrical and Electronics Engineers szerint a fényerő olyan előny, amely magában foglalja a fénysugár fókuszálásának vagy divergenciájának mértékét. A PCSEL-eket, bár vonzó lehetőségnek tekintették a nagy fényerejű lézerek számára, korábban skálázhatatlanok voltak a nagy méretű lézerek számára. - léptékű műveletek a lézerek mérete és fényereje miatti kihívások miatt.
A PCSEL-ekkel kapcsolatos probléma gyakran abból a vágyból fakad, hogy bővíteni kívánják a kibocsátási területüket, ami azt jelenti, hogy van hely a fénynek a kibocsátás irányába és a keresztirányú oszcillációba. "Ezeket a keresztirányú rezgéseket magasabb rendű módoknak nevezik, és ronthatják a sugár minőségét" - írja az IEEE. "Emellett, ha a lézert folyamatosan működtetik, a lézerben lévő hő megváltoztathatja az eszköz törésmutatóját, ami a sugár minőségének további romlásához vezethet."
A Nature tanulmányban a kutatók a lézerbe ágyazott fotonikus kristályokat használtak, és "a belső reflektort úgy alakították ki, hogy lehetővé tegye az egymódusú oszcillációkat szélesebb területen, és kompenzálja a hőkárosodást". Ezek a változtatások lehetővé tették a lézer számára a magas sugárminőség fenntartását a folyamatos működés során.
A kutatók tanulmányukban egy 3-mm átmérőjű PCSEL-t fejlesztettek ki, ami 10-szeres ugrás az előző 1-mm átmérőjű PCSEL-eszközhöz képest.
"Egy fotonikus kristályfelületet kibocsátó lézerhez nagy, 3 mm-es rezonanciaátmérővel, 5 0 W-nál nagyobb [folytonos hullámú] kimeneti teljesítménnyel, tiszta egymódusú rezgéssel és rendkívül szűk, 0,05 sugárdivergenciával fokot sikerült elérni, ami több mint 10,{8}} hullámhossznak felel meg az anyagban" – írták a kutatók a tanulmányban. A fényerő ...... eléri az 1 GW cm{10}} sr-1 értéket, ami összehasonlítható a meglévő nagy lézerekkel."
Érdemes megjegyezni, hogy a "nagy térfogatú lézerek" alatt a kutatók a félvezető lézergyártásban jelenleg használt szilárdtest- és excimer lézereket értik.
A Kiotói Egyetemen a fotonikus kristályok felületkibocsátó lézerei számára egy 1,000-négyzetméteres kiválósági központ létrehozásának részeként Noda és csapata szintén áttért a fotonikus kristályok elektronsugaras litográfiával történő gyártásáról nanoimprint litográfiával gyártva őket.
"Az e-sugaras litográfia precíz, de általában túl lassú a nagyméretű gyártáshoz" - mondja az IEEE. "A nanoimprint litográfia alapvetően mintákat domborít a félvezetőkre, és hasznos nagyon szabályos minták gyors létrehozásához."
A tanulmány szerint a következő lépés a lézer átmérőjének további 3-ról 10 milliméterre történő növelése – ez a méret állítólag 1 kilowatt kimeneti teljesítményt produkál.
