01
Въведение
Нарязването на вафли е важна част от производството на полупроводникови устройства. Методът и качеството на нарязване директно влияят върху дебелината, грапавостта, размерите и производствените разходи на пластината и оказват значително влияние върху производството на устройството. Силициевият карбид, като трето-поколение полупроводников материал, е важен материал, движещ електрическата революция. Производствените разходи за високо-качествен кристален силициев карбид са изключително високи и хората обикновено се надяват да нарежат голям силициев карбид на колкото се може повече тънки подложки от силициев карбид. В същото време растежът на индустрията доведе до прогресивно по-големи размери на вафли, което увеличи изискванията за процесите на нарязване на кубчета. Въпреки това, силициевият карбид е изключително твърд, с твърдост по Моос 9,5, на второ място след диаманта (10), и също така е чуплив, което го прави труден за рязане. Понастоящем промишлените методи обикновено използват рязане с тел за суспензия или рязане с диамантена тел. По време на рязане около слитъка от силициев карбид се поставят еднакво разположени неподвижни телени триони и слитъкът се реже с помощта на опънати телени триони. Използвайки метода на теления трион, отделянето на пластини от слитък с диаметър 6 инча отнема приблизително 100 часа. Получените вафли имат относително широки прорези, по-грапави повърхности и загуби на материал до 46%. Това увеличава разходите за използване на материали от силициев карбид и ограничава тяхното развитие в полупроводниковата индустрия, подчертавайки спешната нужда от изследване на нови технологии за рязане на пластини от силициев карбид.
През последните години използването на технология за лазерно рязане става все по-популярно в производството на полупроводникови материали. Този метод работи чрез използване на фокусиран лазерен лъч за модифициране на повърхността или вътрешността на материала, като по този начин го разделя. Като без{2}}контактен процес, той избягва износването на инструмента и механичното напрежение. Следователно, той значително подобрява грапавостта и прецизността на повърхността на вафлите, елиминира необходимостта от последващи процеси на полиране, намалява загубата на материал, намалява разходите и минимизира замърсяването на околната среда, причинено от традиционното шлайфане и полиране. Технологията за лазерно рязане отдавна се прилага за рязане на силициев слитък, но приложението й в областта на силициевия карбид е все още незряло. В момента има няколко основни техники.
02
Водно{0}}насочвано лазерно рязане
Насочвана-водна лазерна технология (Laser MicroJet, LMJ), известна още като лазерна микро{1}}струйна технология, работи на принципа на фокусиране на лазерен лъч върху дюза, докато преминава през-модулирана водна камера с налягане. Водна струя под ниско{4}}налягане се изхвърля от дюзата и поради разликата в индекса на пречупване на повърхността вода-въздух се образува светлинен вълновод, позволяващ на лазера да се разпространява по посока на водния поток. Това насочва водна струя под високо-налягане за обработка и рязане на повърхността на материала. Основното предимство на лазерното-насочвано рязане се крие в качеството му на рязане. Водният поток не само охлажда зоната на рязане, намалявайки термичната деформация и термичното увреждане на материала, но също така премахва остатъците от обработката. В сравнение с рязането с телен трион е значително по-бързо. Въпреки това, тъй като водата абсорбира различни дължини на вълната на лазера в различна степен, дължината на лазерната вълна е ограничена предимно до 1064 nm, 532 nm и 355 nm.
През 1993 г. швейцарският учен Беруолд Рихерцхаген за първи път предложи тази технология. Той основава Synova, компания, посветена на изследването, разработването и комерсиализацията на лазерна-водна технология, която е на челни позиции в международен план. Вътрешната технология е относително изостанала, но компании като Innolight и Shengguang Silicon Research активно я развиват.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) е техника, при която лазер се фокусира вътре в пластина от силициев карбид през нейната повърхност, за да образува модифициран слой на желаната дълбочина, което позволява разделянето на пластината. Тъй като няма разрези по повърхността на вафлата, може да се постигне по-висока прецизност на обработката. Процесът SD с наносекундни импулсни лазери вече е използван индустриално за разделяне на силициеви пластини. Въпреки това, по време на SD обработка на силициев карбид, индуцирана от наносекундни импулсни лазери, продължителността на импулса е много по-голяма от времето на свързване между електрони и фонони в силициевия карбид (в пикосекундната скала), което води до топлинни ефекти. Високият топлинен вход на пластината не само прави разделянето предразположено към отклонение от желаната посока, но също така генерира значително остатъчно напрежение, което води до счупвания и лошо разцепване. Следователно, когато се обработва силициев карбид, SD процесът обикновено използва ултракъси импулсни лазери, което значително намалява топлинните ефекти.
Японската компания DISCO разработи технология за лазерно рязане, наречена Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Например, при обработката на слитъци от силициев карбид с диаметър 6-инча и дебелина 20 mm, това увеличи четирикратно производителността на пластините от силициев карбид. Процесът KABRA по същество фокусира лазера вътре в материала силициев карбид. Чрез „аморфно-черно повтарящо се поглъщане“ силициевият карбид се разлага на аморфен силиций и аморфен въглерод, образувайки слой, който служи като точка за разделяне на вафлите, известен като черен аморфен слой, който абсорбира повече светлина, което прави много по-лесно разделянето на вафлите.
Технологията Cold Split wafer, разработена от Siltectra, която беше придобита от Infineon, може не само да разделя различни видове блокове на wafers, но също така намалява загубата на материал с до 90%, като всяка wafer губи само 80 µm, което в крайна сметка намалява общите производствени разходи на устройството с до 30%. Технологията Cold Split включва две стъпки: първо, лазер облъчва слитъка, за да създаде разслоен слой, причинявайки вътрешно обемно разширение в материала от силициев карбид, което генерира напрежение на опън и образува много тясна микро-пукнатина; след това етап на охлаждане на полимера превръща микро-пукнатината в основна пукнатина, като в крайна сметка пластината се отделя от останалия блок. През 2019 г. трета страна оцени тази технология и измери грапавостта на повърхността Ra на разделените пластини, за да бъде по-малка от 3 µm, като най-добрите резултати са под 2 µm.
Модифицираното лазерно нарязване, разработено от китайската компания Han's Laser, е лазерна технология, използвана за разделяне на полупроводникови пластини в отделни чипове или матрици. Този процес също така използва прецизен лазерен лъч за сканиране и образуване на модифициран слой вътре в пластината, което позволява на пластината да се напука по пътя на лазерното сканиране при приложено напрежение, постигайки прецизно разделяне.
Фигура 5. Модифициран процес на лазерно нарязване на кубчета
Понастоящем местните производители са усвоили технологията за рязане на кубчета със силициев карбид,-базирана на суспензия. Въпреки това, нарязването на суспензия има големи загуби на материал, ниска ефективност и силно замърсяване и постепенно се заменя от технологията за нарязване на диамантена тел. В същото време лазерното нарязване на кубчета се откроява поради своите предимства в производителността и ефективността. В сравнение с традиционните технологии за механична контактна обработка, той предлага много предимства, включително висока ефективност на обработката, тесни линии за писане и висока плътност на рязане, което го прави силен конкурент за заместване на рязане с диамантена тел. Той открива нов път за приложението на следващо-поколение полупроводникови материали като силициев карбид. С напредването на индустриалната технология и непрекъснатото увеличаване на размерите на субстрата от силициев карбид, технологията за рязане на силициев карбид ще се развива бързо и ефективното, високо{7}}качествено лазерно рязане ще бъде важна тенденция за бъдещото рязане на силициев карбид.
