01
Uvod
Rezanje pločica je važan dio proizvodnje poluvodičkih uređaja. Način i kvalitet rezanja na kockice direktno utiču na debljinu, hrapavost, dimenzije i troškove proizvodnje i imaju značajan uticaj na izradu uređaja. Silicijum karbid, kao poluprovodnički materijal treće-generacije, važan je materijal koji pokreće električnu revoluciju. Troškovi proizvodnje visoko{4}}kvalitetnog kristalnog silicijum karbida su izuzetno visoki i ljudi se generalno nadaju da će izrezati veliki ingot silicijum karbida u što je moguće više tanjih podloga od silicijum karbida. U isto vrijeme, rast industrije doveo je do progresivno većih veličina vafla, što je povećalo zahtjeve za procese rezanja na kockice. Međutim, silicijum karbid je izuzetno tvrd, sa Mohsovom tvrdoćom od 9,5, drugi nakon dijamanta (10), a takođe je krh, što ga čini teškim za rezanje. Trenutno, industrijske metode uglavnom koriste testerisanje žicama ili dijamantskom žicom. Tokom rezanja, oko ingota silicijum karbida postavljaju se ravnomerno raspoređene fiksne žičane testere, a ingot se reže pomoću testera sa istegnutom žicom. Koristeći metodu žičane testere, odvajanje vafla od ingota prečnika 6 inča traje otprilike 100 sati. Rezultirajuće pločice imaju relativno široke rezove, grublje površine i gubitke materijala do 46%. Ovo povećava troškove upotrebe materijala od silicijum karbida i ograničava njihov razvoj u industriji poluprovodnika, naglašavajući hitnu potrebu za istraživanjem novih tehnologija kockanja pločica od silicijum karbida.
Posljednjih godina upotreba tehnologije laserskog rezanja postala je sve popularnija u proizvodnji poluvodičkih materijala. Ova metoda funkcionira korištenjem fokusiranog laserskog snopa za modificiranje površine ili unutrašnjosti materijala, čime se odvaja. Kao -beskontaktni proces, izbjegava habanje alata i mehanički stres. Stoga uvelike poboljšava hrapavost i preciznost površine pločice, eliminira potrebu za naknadnim procesima poliranja, smanjuje gubitak materijala, smanjuje troškove i minimizira zagađenje okoliša uzrokovano tradicionalnim brušenjem i poliranjem. Tehnologija laserskog rezanja dugo je primijenjena na kockanje silicijumskih ingota, ali njena primjena u polju silicijum karbida je još uvijek nezrela. Trenutno postoji nekoliko glavnih tehnika.
02
Lasersko rezanje{0}}vođeno vodom
Laserska-tehnologija vođena vodom (Laser MicroJet, LMJ), poznata i kao laserska mikro-mlazna tehnologija, radi na principu fokusiranja laserskog zraka na mlaznicu dok ona prolazi kroz vodenu komoru-moduliranu pritiskom. Mlaz vode niskog pritiska-izbacuje se iz mlaznice, a zbog razlike u indeksu prelamanja na površini vode-vazduha formira se svjetlosni talasovod koji omogućava laseru da se širi duž smjera strujanja vode. Ovo vodi mlaz vode pod visokim{7}}pritiskom za obradu i rezanje površine materijala. Glavna prednost laserskog rezanja-vođenog vodom leži u kvalitetu rezanja. Protok vode ne samo da hladi područje rezanja, smanjujući termičku deformaciju i termičko oštećenje materijala, već i uklanja ostatke obrade. U poređenju sa rezanjem žičane pile, značajno je brže. Međutim, pošto voda apsorbuje različite laserske talasne dužine u različitim stepenima, talasna dužina lasera je ograničena, prvenstveno na 1064 nm, 532 nm i 355 nm.
1993. godine, švicarski naučnik Beruold Richerzhagen prvi je predložio ovu tehnologiju. Osnovao je Synovu, kompaniju posvećenu istraživanju, razvoju i komercijalizaciji laserske-tehnologije vođene vodom, koja je međunarodno vodeća. Domaća tehnologija relativno zaostaje, ali kompanije kao što su Innolight i Shengguang Silicon Research je aktivno razvijaju.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) je tehnika u kojoj se laser fokusira unutar pločice od silicijum karbida kroz njenu površinu kako bi se formirao modifikovani sloj na željenoj dubini, omogućavajući odvajanje vafla. Budući da na površini oblatne nema rezova, može se postići veća preciznost obrade. SD proces sa nanosekundnim pulsnim laserima već se koristi u industriji za odvajanje silikonskih pločica. Međutim, tokom SD obrade silicijum karbida izazvanog nanosekundnim impulsnim laserima, trajanje impulsa je mnogo duže od vremena sprege između elektrona i fonona u silicijum karbidu (na skali od pikosekunde), što rezultira termalnim efektima. Visok termalni unos na pločicu ne samo da čini odvajanje sklonim odstupanju od željenog smjera, već također stvara značajno zaostalo naprezanje, što dovodi do lomova i lošeg cijepanja. Stoga, kada se obrađuje silicijum karbid, SD proces obično koristi ultrakratke pulsne lasere, što značajno smanjuje termičke efekte.
Japanska kompanija DISCO razvila je tehnologiju laserskog rezanja pod nazivom Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Na primjer, u obradi silicijum karbidnih ingota prečnika 6-inča, debljine 20 mm, povećala je produktivnost ploča od silicijum karbida četiri puta. KABRA proces u suštini fokusira laser unutar materijala od silicijum karbida. Kroz 'amorfno-crnu ponavljajuću apsorpciju', silicijum karbid se razlaže na amorfni silicijum i amorfni ugljenik, formirajući sloj koji služi kao tačka razdvajanja pločice, poznat kao crni amorfni sloj, koji apsorbuje više svetlosti, što čini mnogo lakšim odvajanje vafla.
Tehnologija Cold Split wafer-a koju je razvila Siltectra, koju je kupio Infineon, ne samo da može podijeliti različite vrste ingota u pločice, već i smanjuje gubitak materijala do 90%, pri čemu svaka pločica gubi samo 80 µm, što u konačnici smanjuje ukupne troškove proizvodnje uređaja do 30%. Tehnologija Cold Splita uključuje dva koraka: prvo, laser zrači ingot da bi se stvorio sloj od delaminacije, uzrokujući unutrašnje širenje zapremine u materijalu silicijum karbida, što stvara vlačni napon i formira veoma usku mikro-pukotinu; zatim, korak hlađenja polimera pretvara mikro-pukotinu u glavnu pukotinu, na kraju odvajajući pločicu od preostalog ingota. U 2019. treća strana je procijenila ovu tehnologiju i izmjerila hrapavost površine Ra cijepanih pločica na manju od 3 µm, a najbolji rezultati su manji od 2 µm.
Modifikovano lasersko kockanje koje je razvila kineska kompanija Han's Laser je laserska tehnologija koja se koristi za odvajanje poluprovodničkih pločica u pojedinačne čipove ili matrice. Ovaj proces također koristi precizan laserski snop za skeniranje i formiranje modificiranog sloja unutar pločice, omogućavajući pločici da pukne duž putanje laserskog skeniranja pod primijenjenim naprezanjem, postižući precizno odvajanje.
Slika 5. Modificirani tok procesa laserskog kockanja
Trenutno su domaći proizvođači ovladali tehnologijom kockanja silicijum karbida na bazi suspenzije{0}}. Međutim, kockanje u kockicama ima veliki gubitak materijala, nisku efikasnost i ozbiljno zagađenje, te se postepeno zamjenjuje tehnologijom kockanja dijamantske žice. Istovremeno, lasersko kockanje se ističe zbog svojih performansi i prednosti efikasnosti. U poređenju sa tradicionalnim tehnologijama mehaničke obrade kontakta, nudi mnoge prednosti, uključujući visoku efikasnost obrade, uske linije šiljaka i veliku gustoću reza, što ga čini jakim konkurentom za zamjenu dijamantskih žica. Otvara novi put za primjenu sljedeće-generacije poluvodičkih materijala kao što je silicijum karbid. Sa napretkom industrijske tehnologije i stalnim povećanjem veličina supstrata od silicijum karbida, tehnologija kockanja silicijum karbida će se brzo razvijati, a efikasno, visoko{7}}kvalitetno lasersko kockanje će biti važan trend za buduće rezanje silicijum karbida.
