Полупроводниците са неразделна част от вътрешната работа на медицинските устройства, като допринасят за проводимостта между непроводниците и проводниците за контролиране на тока. На свой ред процесът на сглобяване, за да се направи перфектният полупроводник, е много подробен, особено сега, когато устройствата стават все по-малки. Тъй като полупроводниците бързо се миниатюризират, за да се поберат в тези по-малки устройства, ролята на лазерите в производството на полупроводници се адаптира.
Лазерната технология често се използва в производството на полупроводници заради нейните тънки, прецизни, гъвкави и мощни лъчи по различни причини, включително рязане, заваряване, отстраняване на покритие и маркиране.
Рязане/писване
При производството на полупроводници има различни стъпки на нарязване, включително изрязване на пластини от кристални блокове и шаблони от тънки филми. Нарязването на кубчета с лазер гарантира, че чипсът е чисто нарязан, така че да пасне правилно в крайното устройство. Използването на лазери позволява полупроводниците да бъдат нарязани на много форми и шарки, които не са възможни с други методи за нарязване. Според Факултета за инженерни и приложни науки Фу към Колумбийския университет, рязането на пластини с помощта на този метод намалява износването на инструмента и загубата на материал и води до по-високи добиви.
Проучвателният материал на Columbia за полупроводникова лазерна обработка гласи, че "предимствата на лазерното рязане включват по-малко износване на инструмента, намалена загуба на материал около среза, по-високи добиви поради по-малко счупване и по-бързо изпълнение поради лесното закрепване."
Друга възможност за рязане е писане - пробиване на серия от близко разположени или припокриващи се слепи отвори по средата на материала. Това е метод, широко използван в приложения за производство на полупроводници, като рязане на субстрати от алуминиев оксид в носители на чипове или разделяне на силициеви пластини в чипове. Струва си да се отбележи, че типът лазер, необходим за писане, зависи от използвания материал.
Университетът казва: „Скрайбирането с алуминиев оксид използва CO2 лазери, докато скрайбирането със силиций използва Nd:YAG лазери, тъй като различните материали имат различни скорости на абсорбция при различни дължини на вълната.“
Мотивацията за използване на надписване срещу рязане зависи от скоростта, с която се случва действието в производствения цех. „За алуминиев оксид, който е с дебелина около 0.025 инча, материалът може да бъде надписан със скорост от около 10 инча в секунда с помощта на CO2 лазер със средна мощност, докато за подобен лазер скоростта на рязане може да бъде части от инч в секунда", пише персоналът на университета. „Скрайбирането също така предлага предимството да можете да рисувате субстрата преди обработката да приключи и след това лесно да го разделяте на чипове след обработката.“
Wелдинг
Лазерното запояване или заваряването с лазерен диод е процес на топене на съседни части на полупроводников компонент заедно, подобно на закрепване на пластина към опорна плоча. За поддържащи дъски, които са готови за залепване (като оловни рамки), лазерът поставя идентификационен знак върху рамката и след това награпавява повърхността, за да гарантира, че двете части са здраво залепени заедно. Веднъж залепени заедно, машината за лазерно маркиране премахва неравностите, създадени от процеса на нагрубяване.
Отстраняване на покритие
Гарантирането, че полупроводниците са чисти и без дефекти, е част от производствен процес, наречен отстраняване на покритие. С помощта на лазер (обикновено Nd:YAG) нежеланите покрития могат да бъдат отстранени както със смола или мед, така и със златни или тънкослойни покрития. За премахване на ръбове, лазерът използва своя фин, прецизен лъч, за да отстрани излишния материал, без да причинява повреда на продукта.Отстраняване на покритияпозволява дефектите да бъдат по-ясно анализирани, елиминирайки необходимостта от разглобяване за проверка, което може да доведе до повреда на продукта.
Маркиране
Лазерно маркиране на полупроводницие важен за проследимостта и четливостта на продукта, което означава, че лазерът трябва да бъде ясно четлив при много малки разпечатки. Проследяемостта на продукта означава, че продуктът може да бъде проследен през множеството етапи на производство, както и крайното разпространение. Това улеснява намирането и изолирането на специфични категории дефекти.
Маркираните чипове също трябва да могат да се четат, тъй като маркировката е полезен начин да се определи кой продукт е подходящ за приложение. Според Wafer World, "лазерът не само врязва повърхността на вафлата, но също така пренарежда повърхностните частици, за да създаде изключително плитки, но лесни за четене маркировки."
Има два вида маркери, използвани за полупроводници: ецващи маркери и закалени маркери. Маркерите за ецване са тънки слоеве материал, които се отстраняват с помощта на лазер, оставяйки текстуриран белег с дълбочина около 12 до 25 микрона. Те често се наричат "твърди следи", тъй като има видима промяна в повърхностния слой.
От друга страна, маркировките за отгряване използват лазер, настроен на по-ниско ниво на мощност, за да пренаредят молекулите, вместо да ги ецват. Това създава контраст върху повърхността на чипа, който се вижда при отразяване на светлината.
Тип лазер
В момента компаниите използват предимно твърдотелни лазери за производство на чипове, тъй като те са известни с високата си мощност и използват руда като лазерна среда. Минералната среда обикновено се състои от кристали на итрий, алуминий, гранат или итриев ванадат. Например Nd:YAG лазерите използват кристали итрий-алуминиев гранат, легирани с неодим, като среда. Лазерният лъч се генерира с помощта на осцилатор, който стимулира средата със светлина от лазерен диод.
Един вид лазер в твърдо състояние, използван за маркиране на чипове, гравиране и нарязване, е фибролазерът, казва Кейнс, добавяйки, че високоскоростните лазери използват "оптични влакна като резонатори и създават припокриващи се структури чрез обвивка на влакна, легирана с Yb-йони," отбелязвайки, че неговите оптични лазери са известни като MD-F серия от 3-осови оптични лазери. „Някои от употребите на влакнести лазери включват премахване на неравности от предпроизводствени процеси, маркиране на кодове за проследяване и премахване на смола за анализ на дефекти.“
Ексимерните лазери се използват и в производството на полупроводници. Тези са дълбокиултравиолетов(UV) лазери с дължини на вълните, вариращи от 126 nm до 351 nm, които се използват предимно за микрообработка на полимери. По-късите UV лазерни лъчи в сравнение с твърдите ги правят подходящи за всякакъв вид материали, включително много крехки и деликатни материали, и им позволяват да работят в много малка прецизна област с намалена точка на действие. Когато се използва за маркиране, UV лазерът променя структурата на продукта на молекулярно ниво, без да генерира топлина в околната среда.
Лазерна иновация
Понастоящем твърдотелните и ексимерните лазери се разглеждат като основни опции при използване на лазерно производство за производство на полупроводници. Въпреки това скоро може да се появи нова опция, която може да съперничи на класиката. В скорошно проучване, публикувано в списанието Nature, екип от изследователи от университета в Киото, ръководен от Сусуму Нода, написа, че са предприели стъпки за преодоляване на ограниченията на яркостта на полупроводниковия лазер чрез промяна на структурата на повърхностно излъчващи лазери с фотонни кристали (PCSEL). Според Института на инженерите по електротехника и електроника, яркостта е предимство, което включва степента на фокусиране или дивергенция на светлинен лъч. PCSEL, макар и разглеждани като привлекателна опция за лазери с висока яркост, преди това не са били мащабируеми за използване в големи -мащабни операции поради предизвикателства с размера и яркостта на лазерите.
Често проблемът с PCSEL произтича от желанието да се разшири тяхната излъчваща площ, което означава, че има място за осцилиране на светлината в посока на излъчване и в напречна посока. „Тези напречни колебания са известни като режими от по-висок порядък и могат да разрушат качеството на лъча“, пише IEEE. "Освен това, ако лазерът работи непрекъснато, топлината вътре в лазера може да промени индекса на пречупване на устройството, което води до допълнително влошаване на качеството на лъча."
В изследването на Nature изследователите са използвали фотонни кристали, вградени в лазера и „адаптират вътрешния рефлектор, за да позволят едномодови трептения в по-широка област и да компенсират термичните щети“. Тези промени позволиха на лазера да поддържа високо качество на лъча по време на непрекъсната работа.
Изследователите разработиха PCSEL с диаметър 3-mm в своето проучване, 10-кратен скок от предишното PCSEL устройство с диаметър 1-mm.
„За лазер с повърхностно излъчване на фотонни кристали с голям резонансен диаметър от 3 mm, [непрекъсната вълна] изходна мощност от повече от 50 W, чисти едномодови трептения и изключително тясна дивергенция на лъча от 0,05 степен, съответстващи на повече от 10000 дължини на вълните в материала, са постигнати“, пишат изследователите в изследването. Яркостта ...... достига 1 GW cm-2 sr-1, сравнима със съществуващите големи лазери."
Струва си да се отбележи, че под „лазери с голям обем“ изследователите имат предвид твърдотелните и ексимерните лазери, използвани в момента в производството на полупроводникови лазери.
Като част от процеса на създаване на център за върхови постижения с площ от 1000-квадратен метър за повърхностно излъчващи лазери за фотонни кристали в университета в Киото, Нода и неговият екип също преминаха от производството на фотонни кристали с помощта на електронно-лъчева литография към произвеждайки ги с наноотпечатъчна литография.
„Електронно-лъчевата литография е прецизна, но обикновено твърде бавна за широкомащабно производство“, казва IEEE. „Наноимпринтната литография основно щампова модели върху полупроводници и е полезна за бързо създаване на много редовни модели.“
Според проучването следващата стъпка е да продължим да разширяваме диаметъра на лазера от 3 на 10 милиметра - размер, който според съобщенията произвежда 1 киловат изходна мощност.
