01
Uvod
Rezanje rezin je pomemben del proizvodnje polprevodniških naprav. Metoda rezanja in kakovost neposredno vplivata na debelino rezine, hrapavost, dimenzije in proizvodne stroške ter pomembno vplivata na izdelavo naprave. Silicijev karbid kot polprevodniški material tretje{2}}generacije je pomemben material, ki spodbuja električno revolucijo. Proizvodni stroški visoko{4}}kakovostnega kristalnega silicijevega karbida so izjemno visoki in ljudje na splošno upajo, da bodo velik ingot silicijevega karbida razrezali na čim več tankih substratov rezin iz silicijevega karbida. Hkrati je rast industrije povzročila postopno večje velikosti rezin, kar je povečalo zahteve za postopke rezanja na kocke. Vendar je silicijev karbid izjemno trd, s trdoto po Mohsu 9,5, takoj za diamantom (10), in je tudi krhek, zaradi česar ga je težko rezati. Trenutno industrijske metode na splošno uporabljajo žaganje z žico za gnojevko ali žaganje z diamantno žico. Med rezanjem so okoli ingota iz silicijevega karbida nameščene enakomerno razmaknjene fiksne žične žage, ingot pa se reže z raztegnjenimi žičnimi žagami. Z uporabo metode žične žage ločevanje rezin iz ingota premera 6 palcev traja približno 100 ur. Nastale rezine imajo razmeroma široke reze, bolj grobe površine in izgube materiala do 46 %. To poveča stroške uporabe materialov iz silicijevega karbida in omejuje njihov razvoj v industriji polprevodnikov, kar poudarja nujno potrebo po raziskavah novih tehnologij rezanja rezin iz silicijevega karbida.
V zadnjih letih je uporaba tehnologije laserskega rezanja postala vse bolj priljubljena pri proizvodnji polprevodniških materialov. Ta metoda deluje tako, da z usmerjenim laserskim žarkom spremeni površino ali notranjost materiala in jo tako loči. Kot brez{2}}kontaktni postopek preprečuje obrabo orodja in mehanske obremenitve. Zato močno izboljša hrapavost in natančnost površine rezin, odpravi potrebo po poznejših postopkih poliranja, zmanjša izgubo materiala, zniža stroške in zmanjša onesnaževanje okolja zaradi tradicionalnega brušenja in poliranja. Tehnologija laserskega rezanja se že dolgo uporablja za rezanje silicijevih ingotov, vendar je njena uporaba na področju silicijevega karbida še vedno nezrela. Trenutno obstaja več glavnih tehnik.
02
Vodno-vodeno lasersko rezanje
Vodno{0}}vodena laserska tehnologija (Laser MicroJet, LMJ), znana tudi kot laserska mikro{1}}tehnologija curka, deluje na principu fokusiranja laserskega žarka na šobo, ko gre skozi tlačno-modulirano vodno komoro. Vodni curek z nizkim{4}}tlakom se izbije iz šobe in zaradi razlike v lomnem količniku na meji voda-zrak se oblikuje svetlobni valovod, ki omogoča širjenje laserja vzdolž smeri vodnega toka. Ta usmerja visoko{7}}vodni curek za obdelavo in rezanje površine materiala. Glavna prednost vodno{9}}vodenega laserskega rezanja je kakovost rezanja. Vodni tok ne ohlaja samo območja rezanja, s čimer zmanjša toplotno deformacijo in toplotne poškodbe materiala, ampak tudi odstrani ostanke obdelovalnih del. V primerjavi z rezanjem z žično žago je bistveno hitrejši. Ker pa voda v različni meri absorbira različne valovne dolžine laserja, je valovna dolžina laserja omejena predvsem na 1064 nm, 532 nm in 355 nm.
Leta 1993 je švicarski znanstvenik Beruold Richerzhagen prvi predlagal to tehnologijo. Ustanovil je podjetje Synova, ki se ukvarja z raziskavami, razvojem in komercializacijo vodno{2}}vodene laserske tehnologije, ki je mednarodno vodilna. Domača tehnologija relativno zaostaja, vendar jo podjetja, kot sta Innolight in Shengguang Silicon Research, aktivno razvijajo.
03
Prikrito kockanje
Stealth Dicing (SD) je tehnika, pri kateri se laser usmeri znotraj rezine iz silicijevega karbida skozi njeno površino, da se oblikuje spremenjena plast na želeni globini, kar omogoča ločevanje rezin. Ker na površini rezin ni rezov, je mogoče doseči večjo natančnost obdelave. Postopek SD z nanosekundnimi impulznimi laserji je že bil industrijsko uporabljen za ločevanje silicijevih rezin. Vendar pa je med SD obdelavo silicijevega karbida, induciranega z nanosekundnimi impulznimi laserji, trajanje impulza veliko daljše od časa sklopitve med elektroni in fononi v silicijevem karbidu (na pikosekundni lestvici), kar povzroči toplotne učinke. Zaradi velikega toplotnega vhoda na rezino ne samo, da je ločevanje nagnjeno k odstopanju od želene smeri, ampak tudi ustvarja znatno preostalo napetost, kar vodi do zlomov in slabega cepljenja. Zato pri obdelavi silicijevega karbida postopek SD običajno uporablja laserje z ultrakratkimi impulzi, kar močno zmanjša toplotne učinke.
Japonsko podjetje DISCO je razvilo tehnologijo laserskega rezanja, imenovano Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Na primer, pri obdelavi ingotov silicijevega karbida s premerom 6-palcev in debeline 20 mm je štirikratno povečal produktivnost rezin iz silicijevega karbida. Postopek KABRA v bistvu fokusira laser znotraj materiala silicijevega karbida. S "amorfno-črno ponavljajočo se absorpcijo" se silicijev karbid razgradi na amorfni silicij in amorfni ogljik, ki tvorita plast, ki služi kot točka za ločevanje rezin, znana kot črna amorfna plast, ki absorbira več svetlobe, zaradi česar je veliko lažje ločiti rezine.
Tehnologija Cold Split wafer, ki jo je razvila Siltectra, ki jo je prevzel Infineon, lahko ne le razdeli različne vrste ingotov na rezine, ampak tudi zmanjša izgubo materiala za do 90 %, pri čemer vsaka rezina izgubi le 80 µm, kar na koncu zniža skupne proizvodne stroške naprave za do 30 %. Tehnologija Cold Split vključuje dva koraka: najprej laser obseva ingot, da ustvari razslojeno plast, kar povzroči notranjo prostorninsko ekspanzijo v materialu iz silicijevega karbida, kar povzroči natezno napetost in tvori zelo ozko mikro-razpoko; nato stopnja hlajenja polimera spremeni mikro-razpoko v glavno razpoko, ki na koncu loči rezino od preostalega ingota. Leta 2019 je tretja oseba ocenila to tehnologijo in izmerila površinsko hrapavost Ra razcepljenih rezin na manj kot 3 µm, najboljši rezultati pa so bili manj kot 2 µm.
Modificirano lasersko rezanje, ki ga je razvilo kitajsko podjetje Han's Laser, je laserska tehnologija, ki se uporablja za ločevanje polprevodniških rezin v posamezne čipe ali matrice. Ta postopek prav tako uporablja natančen laserski žarek za skeniranje in oblikovanje modificirane plasti znotraj rezine, ki omogoča, da rezina poči vzdolž poti laserskega skeniranja pod uporabljeno obremenitvijo, kar doseže natančno ločitev.
Slika 5. Spremenjen potek postopka laserskega rezanja
Trenutno so domači proizvajalci obvladali tehnologijo rezanja na kocke-na podlagi silicijevega karbida. Vendar ima rezanje z gnojevko velike izgube materiala, nizko učinkovitost in močno onesnaženje, zato ga postopoma nadomešča tehnologija rezanja z diamantno žico. Hkrati lasersko rezanje na kocke izstopa zaradi svoje zmogljivosti in učinkovitosti. V primerjavi s tradicionalnimi tehnologijami mehanske kontaktne obdelave ponuja številne prednosti, vključno z visoko učinkovitostjo obdelave, ozkimi črtami in visoko gostoto rezov, zaradi česar je močan tekmec pri zamenjavi rezanja z diamantno žico. Odpira novo pot za uporabo polprevodniških materialov naslednje-generacije, kot je silicijev karbid. Z napredkom industrijske tehnologije in nenehnim povečevanjem velikosti substratov iz silicijevega karbida se bo tehnologija rezanja s silicijevim karbidom hitro razvijala in učinkovito,-kakovostno lasersko rezanje bo pomemben trend za prihodnje rezanje s silicijevim karbidom.
