Polprevodniki so sestavni del notranjega delovanja medicinskih naprav in prispevajo k prevodnosti med neprevodniki in prevodniki za nadzor toka. Po drugi strani pa je postopek sestavljanja popolnega polprevodnika zelo podroben, zlasti zdaj, ko postajajo naprave vedno manjše. Ker se polprevodniki hitro miniaturizirajo, da se prilegajo tem manjšim napravam, se je vloga laserjev v proizvodnji polprevodnikov prilagodila.
Laserska tehnologija se pogosto uporablja v proizvodnji polprevodnikov zaradi tankih, natančnih, vsestranskih in močnih žarkov iz različnih razlogov, vključno z rezanjem, varjenjem, odstranjevanjem prevleke in označevanjem.
Rezanje/rezovanje
Pri proizvodnji polprevodnikov obstajajo različni koraki rezanja, vključno z rezanjem rezin iz kristalnih blokov in šablon iz tankih filmov. Rezanje na kocke z laserjem zagotavlja, da so sekanci čisto odrezani, tako da se pravilno prilegajo končni napravi. Uporaba laserjev omogoča rezanje polprevodnikov v številne oblike in vzorce, ki jih ni mogoče uporabiti z drugimi metodami rezanja. Po podatkih šole za inženiring in uporabno znanost Fu Foundation Univerze Columbia rezanje rezin s to metodo zmanjša obrabo orodja in izgubo materiala ter povzroči višje donose.
Študijsko gradivo Columbie o polprevodniški laserski obdelavi navaja, da "prednosti laserskega rezanja vključujejo manjšo obrabo orodja, manjšo izgubo materiala okoli reza, večji izkoristek zaradi manjšega loma in hitrejši obrat zaradi enostavnega pritrjevanja."
Druga možnost za rezanje je črtanje - vrtanje niza tesno razporejenih ali prekrivajočih se slepih lukenj na polovici materiala. To je metoda, ki se pogosto uporablja v aplikacijah za proizvodnjo polprevodnikov, kot je rezanje substratov iz aluminijevega oksida v nosilce čipov ali ločevanje silicijevih rezin v čipe. Omeniti velja, da je vrsta laserja, ki je potreben za piskanje, odvisna od uporabljenega materiala.
Univerza pravi: "Čiskanje z aluminijevim oksidom uporablja laserje CO2, medtem ko črkanje s silicijem uporablja laserje Nd:YAG, ker imajo različni materiali različne stopnje absorpcije pri različnih valovnih dolžinah."
Motivacija za uporabo črkanja v primerjavi z rezanjem je odvisna od hitrosti, s katero se dejanje zgodi v proizvodni delavnici. »Pri aluminijevem oksidu, ki je debel približno 0,025 palcev, je mogoče material zarezati s hitrostjo približno 10 palcev na sekundo z laserjem CO2 srednje moči, medtem ko lahko pri podobnem laserju hitrost rezanja so delčki palca na sekundo,« piše univerzitetno osebje. "Crkanje ponuja tudi prednost, da lahko substrat rišete, preden je obdelava končana, in ga nato po obdelavi enostavno ločite na čipe."
WElding
Lasersko spajkanje ali varjenje z lasersko diodo je postopek taljenja sosednjih delov polprevodniške komponente skupaj, podobno kot pritrditev rezine na nosilno ploščo. Pri podpornih ploščah, ki so pripravljene za lepljenje (kot so svinčeni okvirji), laser namesti identifikacijsko oznako na okvir in nato nahrapavi površino, da zagotovi, da sta dva dela varno spojena skupaj. Ko je stroj za lasersko označevanje zlepljen skupaj, odstrani robove, ki nastanejo pri postopku hrapavljenja.
Odstranjevanje premaza
Zagotavljanje, da so polprevodniki čisti in brez napak, je del proizvodnega procesa, imenovanega odstranjevanje prevleke. Z laserjem (običajno Nd:YAG) je mogoče odstraniti neželene obloge tako pri smoli ali bakru kot pri zlatu ali tankoslojnih prevlekah. Za razigljevanje laser uporablja svoj fin, natančen žarek, da odstrani odvečni material, ne da bi pri tem poškodoval izdelek.Odstranjevanje oblogomogoča jasnejšo analizo napak, kar odpravlja potrebo po razstavljanju za pregled, kar bi lahko povzročilo poškodbe izdelka.
Označevanje
Lasersko označevanje polprevodnikovje pomemben za sledljivost in berljivost izdelka, kar pomeni, da mora biti laser jasno berljiv v zelo majhnih tiskih. Sledljivost izdelka pomeni, da je izdelku mogoče slediti skozi več korakov proizvodnje in končne distribucije. To olajša iskanje in izolacijo specifičnih kategorij napak.
Označeni čipi morajo biti tudi berljivi, saj je označevanje koristen način za ugotavljanje, kateri izdelek je primeren za uporabo. Glede na Wafer World, "laser ne samo zareže v površino rezine, ampak tudi prerazporedi površinske delce, da ustvari izjemno plitke, a lahko berljive oznake."
Na polprevodnikih se uporabljata dve vrsti markerjev: markerji za jedkanje in žarjeni markerji. Markerji za jedkanje so tanke plasti materiala, ki se odstranijo z laserjem, pri čemer ostanejo teksturirane sledi globoke približno 12 do 25 mikronov. Pogosto jih imenujemo "trde sledi", ker je vidna sprememba površinske plasti.
Po drugi strani pa žarilne oznake uporabljajo laser, nastavljen na nižjo moč, da prerazporedijo molekule, namesto da bi jih jedkali. To ustvari kontrast na površini čipa, ki je viden ob odboju svetlobe.
Vrsta laserja
Trenutno podjetja večinoma uporabljajo polprevodniške laserje za izdelavo čipov, ker so znani po svoji visoki moči in kot laserski medij uporabljajo rudo. Mineralni mediji so običajno sestavljeni iz kristalov itrija, aluminija, granata ali itrijevega vanadata. Na primer, laserji Nd:YAG kot medij uporabljajo kristale itrijevo-aluminijevega granata, dopirane z neodimom. Laserski žarek se ustvari z uporabo oscilatorja, ki stimulira medij s svetlobo laserske diode.
Keyence pravi, da je ena vrsta polprevodniškega laserja, ki se uporablja za označevanje čipov, graviranje in rezanje na kocke, laser z vlakni, in dodaja, da laserji z visoko hitrostjo uporabljajo "optična vlakna kot resonatorje in ustvarjajo prekrivajoče se strukture skozi oplaščenje vlaken, dopiranih z Yb-ioni," ob upoštevanju, da so njegovi laserji z vlakni znani kot serija MD-F laserjev z vlakni 3-osi. "Nekatere uporabe laserjev z vlakni vključujejo odstranjevanje robov iz predproizvodnih procesov, označevanje kod za sledljivost in odstranjevanje smole za analizo napak."
Excimer laserji se uporabljajo tudi v proizvodnji polprevodnikov. Te so globokeultravijolično(UV) laserji z valovno dolžino v razponu od 126 nm do 351 nm, ki se uporabljajo predvsem za mikroobdelovanje polimerov. Zaradi krajših UV laserskih žarkov v primerjavi s trdnimi žarki so primerni za vse vrste materialov, vključno z zelo krhkimi in občutljivimi materiali, in jim omogočajo delovanje na zelo majhnem natančnem območju z zmanjšano točko delovanja. Ko se uporablja za označevanje, UV-laser spremeni strukturo materiala izdelka na molekularni ravni brez ustvarjanja toplote v okolici.
Laserska inovacija
Trenutno veljajo polprevodniški in ekscimerni laserji za glavne možnosti pri uporabi laserske proizvodnje za proizvodnjo polprevodnikov. Morda pa bo kmalu na voljo nova možnost, ki bi se lahko kosala s klasiko. V nedavni študiji, objavljeni v reviji Nature, je skupina raziskovalcev s kjotske univerze, ki jo vodi Susumu Noda, zapisala, da so sprejeli ukrepe za premagovanje omejitev svetlosti polprevodniškega laserja s spreminjanjem strukture fotonskih kristalnih laserjev, ki oddajajo površino (PCSEL). Po mnenju Inštituta inženirjev elektrotehnike in elektronike je svetlost prednost, ki vključuje stopnjo ostrenja ali razhajanja svetlobnega žarka. PCSEL, čeprav veljajo za privlačno možnost za laserje z visoko svetlostjo, prej niso bili razširljivi za uporabo v velikih -operacije v obsegu zaradi izzivov z velikostjo in svetlostjo laserjev.
Pogosto je problem PCSEL-ov posledica želje po razširitvi njihovega sevalnega območja, kar pomeni, da je prostor za nihanje svetlobe v smeri sevanja in v prečni smeri. "Ta prečna nihanja so znana kot načini višjega reda in lahko uničijo kakovost žarka," piše IEEE. "Poleg tega, če laser deluje neprekinjeno, lahko toplota znotraj laserja spremeni lomni količnik naprave, kar povzroči nadaljnje poslabšanje kakovosti žarka."
V študiji Nature so raziskovalci uporabili fotonske kristale, vdelane v laser, in "prilagodili notranji reflektor, da omogočijo enomodna nihanja na širšem območju in za kompenzacijo toplotne poškodbe." Te spremembe so laserju omogočile ohranjanje visoke kakovosti žarka med neprekinjenim delovanjem.
Raziskovalci so v svoji študiji razvili PCSEL s premerom 3- mm, 10-kratni skok od prejšnje naprave PCSEL s premerom 1- mm.
"Za laser s površinskim oddajanjem fotonskih kristalov z velikim resonančnim premerom 3 mm, izhodno močjo [zveznih valov] več kot 50 W, čista enomodna nihanja in izjemno ozko divergenco žarka 0,05 stopnje, kar ustreza več kot 10,000 valovnih dolžinah v materialu,« so zapisali raziskovalci v študiji. Svetlost ...... doseže 1 GW cm-2 sr-1, kar je primerljivo z obstoječimi velikimi laserji."
Omeniti velja, da z "laserji velikega volumna" raziskovalci mislijo na polprevodniške in ekscimerne laserje, ki se trenutno uporabljajo v proizvodnji polprevodniških laserjev.
Kot del procesa vzpostavitve 1,000-kvadratnega metra velikega centra odličnosti za laserje, ki oddajajo površino za fotonske kristale na Univerzi v Kjotu, sta se Noda in njegova ekipa preusmerila s proizvodnje fotonskih kristalov z uporabo elektronske litografije na jih izdelujejo z litografijo nanoodtisa.
"Litografija z elektronskim žarkom je natančna, a običajno prepočasna za velikoserijsko proizvodnjo," pravi IEEE. "Nanoimprint litografija v bistvu vtisne vzorce na polprevodnike in je uporabna za hitro ustvarjanje zelo pravilnih vzorcev."
Glede na študijo je naslednji korak nadaljevanje širitve premera laserja s 3 na 10 milimetrov - velikost, ki naj bi proizvedla 1 kilovat izhodne moči.
