01 Uvod
Rezanje rezin je pomemben korak v proizvodnji polprevodniških naprav. Metoda rezanja in kakovost neposredno vplivata na debelino, hrapavost, dimenzije in proizvodne stroške rezine ter pomembno vplivata na izdelavo naprave. Silicijev karbid kot polprevodniški material tretje{2}}generacije je ključen material za spodbujanje električne revolucije. Proizvodni stroški visoko{4}}kakovostnega kristalnega silicijevega karbida so izjemno visoki in pogosto obstaja želja, da bi velik ingot silicijevega karbida razrezali na čim več tankih substratov rezin iz silicijevega karbida. Istočasno je industrijski razvoj povzročil povečanje velikosti rezin, kar povečuje zahteve po postopkih rezanja. Vendar pa ima material silicijev karbid izjemno visoko trdoto, s trdoto po Mohsu 9,5, takoj za najtršim diamantom na svetu (10), ima pa tudi krhkost kristalov, zaradi česar ga je težko rezati. Trenutno industrija običajno uporablja rezanje z žično gnojnico ali rezanje z diamantno žico. Med rezanjem je fiksna žična žaga nameščena v enakih razmakih okoli ingota silicijevega karbida in z napenjanjem žične žage se izrežejo rezine iz silicijevega karbida. Uporaba metode žične žage za ločevanje rezin iz ingota s premerom 6-palcev traja približno 100 ur. Nastale rezine nimajo le relativno velikega reza, temveč tudi večjo površinsko hrapavost, kar vodi do izgube materiala do 46 %. To povečuje stroške uporabe materialov iz silicijevega karbida in omejuje njegov razvoj v industriji polprevodnikov, zaradi česar so raziskave novih tehnologij rezanja za rezine iz silicijevega karbida nujne. V zadnjih letih je uporaba tehnologije laserskega rezanja postala vse bolj priljubljena pri proizvodnji in predelavi polprevodniških materialov. Načelo te metode je uporaba fokusiranega laserskega žarka za spreminjanje substrata s površine ali notranjosti materiala in ga tako loči. Ker je to brezkontaktni postopek, se izogne učinkom obrabe orodja in mehanskih obremenitev. Zato močno izboljša površinsko hrapavost in natančnost rezine, odpravi potrebo po poznejših postopkih poliranja, zmanjša izgubo materiala, zniža stroške in zmanjša onesnaževanje okolja, ki ga povzročajo tradicionalni postopki brušenja in poliranja. Tehnologija laserskega rezanja se že dolgo uporablja za rezanje silicijevih ingotov, vendar njena uporaba na področju silicijevega karbida še vedno ni zrela, saj je trenutno na voljo nekaj glavnih tehnologij.
2Vodno{1}}vodeno lasersko rezanje
Vodno{0}}vodena laserska tehnologija (Laser MicroJet, LMJ), znana tudi kot laserska mikrojet tehnologija, deluje na principu fokusiranja laserskega žarka na šobo, ko gre laser skozi tlačno-modulirano vodno komoro; nizko{2}}tlačni vodni tok se izvrže iz šobe. Na meji vode in zraka se zaradi razlike v lomnih količnikih oblikuje svetlobni valovod, ki omogoča širjenje laserja vzdolž smeri vodnega toka, s čimer dosežemo rezanje površine materiala z visoko{4}}vodenjem vodnega curka. Glavna prednost vodno{6}}vodenih laserjev je kakovost rezanja; vodni tok ne le hladi območje rezanja, s čimer zmanjša toplotno deformacijo in poškodbe materiala, ampak tudi odnaša ostanke, ki so se pojavili pri obdelavi. V primerjavi z rezanjem z žično žago se njegova hitrost znatno poveča. Vendar pa se absorpcija različnih valovnih dolžin v vodi razlikuje, kar omejuje valovne dolžine laserja, ki se uporabljajo predvsem na 1064 nm, 532 nm in 355 nm. Leta 1993 je švicarski znanstvenik Beruold Richerzhagen prvi predlagal to tehnologijo, njegovo podjetje Synova pa je specializirano za raziskave in industrializacijo vodo{14}}vodenih laserjev, ki so tehnološko vodilni na mednarodnem prizorišču, medtem ko domača tehnologija relativno zaostaja, pri čemer se podjetja, kot sta Inno Laser in Shengguang Silicon Research, aktivno razvijata.
03 Prikrito kockanje
Stealth Dicing (SD) vključuje fokusiranje laserja skozi površino silicijevega karbida v notranjost čipa, pri čemer se ustvari spremenjena plast na želeni globini, da se doseže ločevanje rezin. Ker na površini rezine ni rezov, je mogoče doseči večjo natančnost obdelave. Postopek SD z uporabo nanosekundnih impulznih laserjev je bil uporabljen v industriji za ločevanje silicijevih rezin. Vendar pa se med SD obdelavo silicijevega karbida, induciranega z nanosekundnimi impulznimi laserji, pojavijo toplotni učinki, ker je trajanje impulza veliko daljše od časa sklopitve med elektroni in fononi v silicijevem karbidu (približno pikosekund). Zaradi velikega toplotnega vhoda v rezino ne samo, da se ločevanje nagiba k odstopanju od želene smeri, ampak tudi ustvarja znatno preostalo napetost, kar vodi do zlomov in slabega cepljenja. Zato se pri obdelavi silicijevega karbida običajno uporabljajo laserski ultra-postopki SD s kratkimi impulzi, kar močno zmanjša toplotne učinke.
Japonsko podjetje DISCO je na primeru obdelave ingota kristala silicijevega karbida s premerom 6 palcev in debelino 20 mm razvilo tehnologijo laserskega rezanja, imenovano Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), ki je štirikrat povečala stopnjo proizvodnje rezin iz silicijevega karbida. Bistvo postopka KABRA fokusira laser znotraj materiala silicijevega karbida, pri čemer se silicijev karbid razgradi na amorfni silicij in amorfni ogljik s pomočjo 'amorfne-črne ponavljajoče se absorpcije' in oblikuje plast kot ločilno točko za rezino, namreč črno amorfno plast, ki absorbira več svetlobe in s tem olajša enostavno ločevanje oblat.
Tehnologija hladnega cepljenja rezin, ki jo je razvilo podjetje Siltectra, ki ga je prevzel Infineon, ne omogoča samo razdelitve različnih vrst ingotov na rezine, ampak povzroči tudi izgubo le 80 μm na rezino, kar zmanjša izgubo materiala za 90 %, kar končno zniža skupne proizvodne stroške naprav za do 30 %. Tehnologija hladnega rezanja vključuje dve stopnji: prvič, izpostavljenost laserju ustvari razslojevalno plast na ingotu, zaradi česar se material silicijevega karbida poveča v prostornini, kar povzroči natezno napetost in tvori zelo ozko plast mikro-razpok; nato se s korakom hlajenja polimera te mikro-razpoke predelajo v glavno razpoko, ki na koncu loči rezino od preostalega ingota. Leta 2019 je tretja -ocena te tehnologije izmerila, da je površinska hrapavost Ra razcepljenih rezin manjša od 3 µm, pri čemer so bili najboljši rezultati pod 2 µm.
Modificirano lasersko rezanje, ki ga je razvilo domače veliko družinsko lasersko podjetje, je laserska tehnologija, ki ločuje polprevodniške rezine na posamezne čipe ali zrna. Ta postopek vključuje tudi notranje skeniranje rezine z natančnim laserskim žarkom, da se oblikuje modificirana plast, ki omogoča, da se rezina pod uporabljeno obremenitvijo razširi vzdolž poti laserskega skeniranja in tako doseže natančno ločitev.
Trenutno so domači proizvajalci obvladali tehnologijo rezanja silicijevega karbida z malto, vendar je izguba rezanja velika, učinkovitost nizka in onesnaženje močno, kar postopoma nadomešča tehnologija rezanja z diamantno žico. Hkrati so vidne prednosti zmogljivosti in učinkovitosti laserskega rezanja, ki ponuja številne prednosti v primerjavi s tradicionalnimi tehnologijami mehanske kontaktne obdelave, vključno z visoko učinkovitostjo obdelave, ozkimi potmi rezanja in visoko gostoto odrezkov, zaradi česar je močan tekmec za zamenjavo tehnologije rezanja z diamantno žico in odpira novo pot za uporabo polprevodniških materialov naslednje-generacije, kot je silicijev karbid. Z razvojem industrijske tehnologije se velikost substratov iz silicijevega karbida še naprej povečuje in tehnologija rezanja s silicijevim karbidom se bo hitro razvijala; učinkovito in visoko{3}}kakovostno lasersko rezanje bo v prihodnosti pomemben trend pri rezanju s silicijevim karbidom.
