Poluprovodnici su sastavni dio unutrašnjeg rada medicinskih uređaja, doprinoseći provodljivosti između neprovodnika i provodnika za kontrolu struje. Zauzvrat, proces sklapanja za izradu savršenog poluprovodnika je vrlo detaljan, posebno sada kada uređaji postaju sve manji i manji. Kako se poluvodiči brzo minijaturiziraju kako bi se uklopili u ove manje uređaje, uloga lasera u proizvodnji poluvodiča se prilagodila.
Laserska tehnologija se često koristi u proizvodnji poluvodiča zbog svojih tankih, preciznih, svestranih i snažnih zraka iz raznih razloga, uključujući rezanje, zavarivanje, uklanjanje premaza i označavanje.
Rezanje/pisanje
U proizvodnji poluprovodnika postoje različiti koraci kockice, uključujući izrezivanje oblata iz kristalnih blokova i šablona iz tankih filmova. Rezanje kockica laserom osigurava da se čips isječe čisto tako da se pravilno uklapa u konačni uređaj. Korištenje lasera omogućava da se poluvodiči režu u mnoge oblike i uzorke koji nisu mogući korištenjem drugih metoda kockanja. Prema Fakultetu za inženjerstvo i primijenjenu nauku Fu Fondacije Univerziteta Columbia, rezanje pločica pomoću ove metode smanjuje habanje alata i gubitak materijala i rezultira većim prinosima.
Columbia-in studijski materijal o poluvodičkoj laserskoj obradi navodi da "prednosti laserskog rezanja uključuju manje trošenje alata, smanjeni gubitak materijala oko reza, veći prinos zbog manjeg loma i brži obrt zbog lakoće pričvršćivanja."
Druga opcija za rezanje je šišanje - bušenje niza blisko raspoređenih ili preklapajućih slijepih rupa na pola materijala. Ovo je metoda koja se široko koristi u primjenama u proizvodnji poluvodiča, kao što je rezanje podloga od aluminij oksida u nosače čipova ili odvajanje silikonskih pločica u čipove. Vrijedi napomenuti da vrsta lasera potrebnog za ispisivanje ovisi o korištenom materijalu.
Univerzitet kaže: "Scribing sa aluminijum oksidom koristi CO2 lasere, dok silicijumski scribing koristi Nd:YAG lasere jer različiti materijali imaju različite stope apsorpcije na različitim talasnim dužinama."
Motivacija za korištenje scribinga naspram rezanja ovisi o brzini kojom se radnja odvija u fabrici. "Za aluminijum oksid, koji je debeo oko 0.025 inča, materijal se može ispisati brzinom od oko 10 inča u sekundi koristeći CO2 laser srednje snage, dok za sličan laser, brzina rezanja može biti delići inča u sekundi", piše osoblje univerziteta. "Scribing također nudi prednost u tome što možete ispisati supstrat prije završetka obrade, a zatim ga lako odvojiti u čipove nakon obrade."
Welding
Lasersko lemljenje ili zavarivanje laserske diode je proces topljenja susjednih dijelova poluvodičke komponente zajedno, slično kao pričvršćivanje pločice na potpornu ploču. Za potporne ploče koje su spremne za lijepljenje (kao što su olovni okviri), laser postavlja identifikacijsku oznaku na okvir, a zatim hrapavi površinu kako bi osigurao da su dva dijela sigurno spojena zajedno. Jednom spojena, mašina za lasersko označavanje uklanja neravnine nastale procesom hrapavosti.
Uklanjanje premaza
Osiguravanje da su poluvodiči čisti i bez defekata dio je proizvodnog procesa koji se naziva uklanjanje premaza. Koristeći laser (obično Nd:YAG), neželjeni premazi se mogu ukloniti kao sa smolom ili bakrom, kao i sa premazima od zlata ili tankog filma. Za uklanjanje ivica, laser koristi svoj fini, precizan snop kako bi uklonio višak materijala bez oštećenja proizvoda.Uklanjanje premazaomogućava jasniju analizu nedostataka, eliminirajući potrebu za rastavljanjem radi pregleda, što može dovesti do oštećenja proizvoda.
Označavanje
Lasersko označavanje poluprovodnikaje važno za sljedivost i čitljivost proizvoda, što znači da laser mora biti jasno čitljiv na vrlo malim slovima. Sljedivost proizvoda znači da se proizvod može pratiti kroz više koraka proizvodnje, kao i konačnu distribuciju. To olakšava pronalaženje i izolaciju određenih kategorija nedostataka.
Označeni čipovi također moraju biti čitljivi, jer je označavanje koristan način da se odredi koji je proizvod pogodan za primjenu. Prema Wafer World-u, "Laser ne samo da seče u površinu pločice, već i preuređuje površinske čestice kako bi stvorio izuzetno plitke, ali lako čitljive oznake."
Postoje dvije vrste markera koji se koriste na poluvodičima: markeri za jetkanje i žareni markeri. Markeri za jetkanje su tanki slojevi materijala koji se uklanjaju laserom, ostavljajući teksturirani trag dubine oko 12 do 25 mikrona. Oni se često nazivaju "tvrdim tragovima" jer postoji vidljiva promjena u površinskom sloju.
Oznake žarenja, s druge strane, koriste laser postavljen na niži nivo snage da preurede molekule, a ne da ih ugrize. Ovo stvara kontrast na površini čipa koji je vidljiv kada se svjetlost reflektira.
Laserski tip
Trenutno kompanije uglavnom koriste solid-state lasere za proizvodnju čipova jer su poznati po svojoj velikoj snazi i koriste rudu kao laserski medij. Mineralni medij se obično sastoji od itrijuma, aluminija, granata ili kristala itrijum vanadata. Na primjer, Nd:YAG laseri koriste kristale itrijum-aluminij granata dopirane neodimijumom kao medij. Laserski snop se generira pomoću oscilatora koji stimulira medij svjetlošću iz laserske diode.
Jedna vrsta lasera u čvrstom stanju koji se koristi za označavanje čipova, graviranje i rezanje kockica je laser sa vlaknima, kaže Keyence, dodajući da laseri velike brzine koriste "optička vlakna kao rezonatore i stvaraju strukture koje se preklapaju kroz omotač vlakana dopiranog Yb-jonom", napominjući da su njegovi laseri s vlaknima poznati kao MD-F serija lasera s vlaknima 3-osi. "Neke od upotrebe lasera sa vlaknima uključuju uklanjanje neravnina iz procesa predproizvodnje, označavanje kodova za sljedivost i uklanjanje smole za analizu defekata."
Excimer laseri se također koriste u proizvodnji poluvodiča. Ovo je dubokoultraljubičasto(UV) laseri sa talasnim dužinama u rasponu od 126 nm do 351 nm koji se prvenstveno koriste za mikromašinsku obradu polimera. Kraći UV laserski snopovi u poređenju sa čvrstim zracima čine ih pogodnim za bilo koju vrstu materijala, uključujući veoma lomljive i delikatne materijale, i omogućavaju im da rade na veoma maloj preciznoj površini sa smanjenom tačkom dejstva. Kada se koristi za označavanje, UV laser mijenja strukturu materijala proizvoda na molekularnom nivou bez stvaranja topline u okolnom području.
Laser Innovation
Trenutno se solid-state i excimer laseri vide kao glavne opcije kada se koristi proizvodnja lasera za proizvodnju poluvodiča. Međutim, uskoro bi mogla biti dostupna nova opcija koja bi mogla parirati klasici. U nedavnoj studiji objavljenoj u časopisu Nature, tim istraživača sa Univerziteta Kyoto predvođen Susumu Nodom napisao je da su preduzeli korake da prevaziđu ograničenja svjetline poluvodičkog lasera promjenom strukture lasera koji emituju površinu fotonskih kristala (PCSEL). Prema Institutu inžinjera elektrotehnike i elektronike, svjetlina je prednost koja uključuje stupanj fokusiranja ili divergencije snopa svjetlosti. PCSEL, iako se smatrao atraktivnom opcijom za lasere visoke svjetline, ranije su bili neskalabilni za upotrebu u velikim -operacije na skali zbog izazova s veličinom i svjetlinom lasera.
Često problem sa PCSEL-ima proizilazi iz želje da se proširi njihova emitivna površina, što znači da postoji prostor da svjetlost oscilira u smjeru emisije i u poprečnom smjeru. "Ove poprečne oscilacije poznate su kao modovi višeg reda i mogu uništiti kvalitet zraka", piše IEEE. "Pored toga, ako laser radi kontinuirano, toplina unutar lasera može promijeniti indeks loma uređaja, što dovodi do daljeg pogoršanja kvalitete zraka."
U studiji Nature, istraživači su koristili fotonske kristale ugrađene u laser i "prilagodili unutrašnji reflektor kako bi omogućili oscilacije u jednom modu na širem području i da bi kompenzirali termička oštećenja". Ove promjene su omogućile laseru da održi visok kvalitet zraka tokom kontinuiranog rada.
Istraživači su u svojoj studiji razvili PCSEL prečnika 3-mm, 10-preskok u odnosu na prethodni PCSEL uređaj prečnika 1- mm.
"Za laser koji emituje površinu fotonskog kristala sa velikim rezonantnim prečnikom od 3 mm, izlazne snage [neprekidnih talasa] veće od 50 W, čiste jednomodne oscilacije i izuzetno uska divergencija snopa od 0,05 stepen , što odgovara više od 10,000 talasnih dužina u materijalu, su postignuti", napisali su istraživači u studiji. Svjetlina ...... dostiže 1 GW cm-2 sr-1, uporedivo sa postojećim velikim laserima."
Vrijedi napomenuti da pod "laserima velike zapremine" istraživači misle na lasere u čvrstom stanju i ekscimer lasere koji se trenutno koriste u proizvodnji poluvodičkih lasera.
Kao dio procesa uspostavljanja centra izvrsnosti od 1,000-kvadratni metar za lasere koji emituju površinu za fotonske kristale na Univerzitetu Kyoto, Noda i njegov tim su također prešli sa proizvodnje fotonskih kristala korištenjem litografije elektronskih zraka na izrađujući ih litografijom nanoimprinta.
"E-beam litografija je precizna, ali obično prespora za proizvodnju velikih razmera", kaže IEEE. "Nanoimprint litografija u osnovi utiskiva uzorke na poluvodiče i korisna je za brzo kreiranje vrlo pravilnih uzoraka."
Prema studiji, sljedeći korak je nastavak proširenja prečnika lasera sa 3 na 10 milimetara - veličine koja navodno proizvodi 1 kilovat izlazne snage.
