01
вступ
Нарізка пластин є важливою частиною виробництва напівпровідникових приладів. Метод нарізки та якість безпосередньо впливають на товщину пластини, шорсткість, розміри та вартість виробництва, а також мають значний вплив на виготовлення пристрою. Карбід кремнію, як напівпровідниковий матеріал третього-покоління, є важливим матеріалом, що сприяє електричній революції. Виробнича вартість високоякісного кристалічного карбіду кремнію надзвичайно висока-, і люди зазвичай сподіваються розрізати великий злиток карбіду кремнію на якомога більше тонких підкладок з карбіду кремнію. У той же час зростання галузі призвело до поступового збільшення розмірів вафель, що підвищило вимоги до процесів нарізання кубиками. Однак карбід кремнію надзвичайно твердий, твердість за Моосом становить 9,5, поступаючись лише алмазу (10), а також крихкий, що ускладнює різання. В даний час промислові методи, як правило, використовують пиляння суспензійним або алмазним дротом. Під час різання навколо зливка карбіду кремнію розміщують нерухомі дротяні пилки на рівних відстанях, а злиток розрізають за допомогою натягнутих дротяних пилок. За допомогою методу дротяної пилки відокремлення пластин від зливка діаметром 6 дюймів займає приблизно 100 годин. Отримані пластини мають відносно широкі пропили, шорсткіші поверхні та втрати матеріалу до 46%. Це збільшує вартість використання матеріалів з карбіду кремнію та обмежує їх розвиток у напівпровідниковій промисловості, підкреслюючи нагальну потребу в дослідженні нових технологій нарізання пластин з карбіду кремнію.
В останні роки використання технології лазерного різання стає все більш популярним у виробництві напівпровідникових матеріалів. Цей метод працює за допомогою сфокусованого лазерного променя для зміни поверхні або внутрішньої частини матеріалу, тим самим відокремлюючи його. Оскільки це без{2}}контактний процес, він запобігає зношенню інструменту та механічному впливу. Таким чином, це значно покращує шорсткість і точність поверхні пластини, усуває необхідність подальших процесів полірування, зменшує втрати матеріалу, знижує витрати та мінімізує забруднення навколишнього середовища, спричинене традиційним шліфуванням і поліруванням. Технологія лазерного різання давно застосовувалася для різання кремнієвих зливків, але її застосування в галузі карбіду кремнію все ще незріле. В даний час існує кілька основних технік.
02
Водо-лазерне різання
Лазерна-керована лазерна технологія (Laser MicroJet, LMJ), також відома як лазерна мікро{1}}струменева технологія, працює за принципом фокусування лазерного променя на соплі, коли він проходить через-водяну камеру з модульованим тиском. Струмінь води під низьким{4}}тиском викидається з сопла, і завдяки різниці показників заломлення на межі розділу вода-повітря утворюється світловий хвилевід, який дозволяє лазеру поширюватися вздовж напрямку потоку води. Це направляє струмінь води під високим-тиском для обробки та різання поверхні матеріалу. Основна перевага водяного лазерного різання полягає в якості різання. Потік води не тільки охолоджує зону різання, зменшуючи термічну деформацію та термічне пошкодження матеріалу, але й видаляє сміття, що залишилося під час обробки. Порівняно з різанням дротовою пилкою, це значно швидше. Однак, оскільки вода різною мірою поглинає лазерні хвилі різних довжин, довжина хвилі лазера обмежена переважно 1064 нм, 532 нм і 355 нм.
У 1993 році швейцарський вчений Беруольд Ріхерцхаген вперше запропонував цю технологію. Він заснував Synova, компанію, яка займається дослідженнями, розробкою та комерціалізацією водяних-лазерних технологій, яка є лідером на міжнародному рівні. Вітчизняні технології відносно відстають, але такі компанії, як Innolight і Shengguang Silicon Research, активно їх розвивають.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) — це техніка, при якій лазер фокусується всередині пластини карбіду кремнію через її поверхню, щоб утворити модифікований шар на бажаній глибині, що забезпечує розділення пластини. Оскільки на поверхні пластини немає надрізів, можна досягти більш високої точності обробки. Процес SD з наносекундними імпульсними лазерами вже використовується промислово для розділення кремнієвих пластин. Однак під час SD-обробки карбіду кремнію, індукованої наносекундними імпульсними лазерами, тривалість імпульсу набагато більша, ніж час зв’язку між електронами та фононами в карбіді кремнію (на пікосекундній шкалі), що призводить до теплових ефектів. Високе теплове навантаження на пластину не тільки робить поділ схильним до відхилення від бажаного напрямку, але також створює значну залишкову напругу, що призводить до тріщин і поганого розщеплення. Тому під час обробки карбіду кремнію в процесі SD зазвичай використовуються ультракороткі імпульсні лазери, що значно зменшує термічні ефекти.
Японська компанія DISCO розробила технологію лазерного різання під назвою Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Наприклад, під час обробки злитків карбіду кремнію діаметром 6-дюймів і товщиною 20 мм продуктивність пластин карбіду кремнію збільшилася в чотири рази. Процес KABRA по суті фокусує лазер всередині матеріалу карбіду кремнію. Через «аморфно-чорне повторюване поглинання» карбід кремнію розкладається на аморфний кремній і аморфний вуглець, утворюючи шар, який служить точкою поділу пластин, відомий як чорний аморфний шар, який поглинає більше світла, що значно полегшує розділення пластин.
Технологія Cold Split wafer, розроблена компанією Siltectra, яка була придбана компанією Infineon, може не тільки розділяти різні типи зливків на пластини, але також зменшує втрати матеріалу до 90%, при цьому кожна пластина втрачає лише 80 мкм, що в кінцевому підсумку знижує загальні витрати на виробництво пристрою до 30%. Технологія Cold Split включає два етапи: по-перше, лазер опромінює злиток для створення шару відшарування, викликаючи внутрішнє розширення об’єму в матеріалі карбіду кремнію, що створює напругу розтягування та утворює дуже вузьку мікро-тріщину; потім етап охолодження полімеру перетворює мікро-тріщину на основну тріщину, зрештою відокремлюючи пластину від решти злитка. У 2019 році третя сторона оцінила цю технологію та виміряла шорсткість поверхні Ra розділених пластин, яка становила менше 3 мкм, а найкращі результати – менше 2 мкм.
Модифікована лазерна нарізка, розроблена китайською компанією Han's Laser, — це лазерна технологія, яка використовується для розділення напівпровідникових пластин на окремі мікросхеми або матриці. У цьому процесі також використовується точний лазерний промінь для сканування та формування модифікованого шару всередині пластини, що дозволяє пластині тріскатися вздовж шляху лазерного сканування під дією напруги, досягаючи точного відділення.
Рисунок 5. Модифікований процес лазерного нарізання
Наразі вітчизняні виробники освоїли технологію нарізання кубиками-на основі карбіду кремнію. Однак різання суспензії має великі втрати матеріалу, низьку ефективність і серйозне забруднення, і поступово замінюється технологією різання алмазним дротом. У той же час лазерне нарізання кубиків виділяється завдяки своїй продуктивності та ефективності. Порівняно з традиційними технологіями механічної контактної обробки він пропонує багато переваг, включаючи високу ефективність обробки, вузькі лінії різців і високу щільність пропилу, що робить його сильним конкурентом для заміни алмазного дроту. Це відкриває новий шлях для застосування напівпровідникових матеріалів наступного-покоління, таких як карбід кремнію. З удосконаленням промислових технологій і безперервним збільшенням розмірів підкладки з карбіду кремнію технологія різання карбіду кремнію швидко розвиватиметься, а ефективне, високо{7}}якісне лазерне різання стане важливою тенденцією для майбутнього різання карбіду кремнію.
