01
Zavedení
Drcení plátků je důležitou součástí výroby polovodičových součástek. Metoda a kvalita kostkování přímo ovlivňují tloušťku, drsnost, rozměry a výrobní náklady plátku a mají významný dopad na výrobu zařízení. Karbid křemíku, jako polovodičový materiál třetí{2}}generace, je důležitým materiálem, který řídí elektrickou revoluci. Výrobní náklady-kvalitního krystalického karbidu křemíku jsou extrémně vysoké a lidé obecně doufají, že nařežou velký ingot karbidu křemíku na co nejvíce tenkých plátkových substrátů z karbidu křemíku. Růst odvětví zároveň vedl k postupně větším velikostem plátků, což zvýšilo požadavky na proces krájení kostek. Karbid křemíku je však extrémně tvrdý, s tvrdostí podle Mohse 9,5, na druhém místě za diamantem (10), a je také křehký, což ztěžuje jeho řezání. V současné době průmyslové metody obecně používají řezání kalovým drátem nebo diamantové drátové řezání. Během řezání jsou kolem ingotu karbidu křemíku umístěny rovnoměrně rozmístěné pevné drátové pily a ingot se řeže pomocí natažených drátěných pil. Při použití metody drátové pily trvá oddělení plátků z ingotu o průměru 6 palců přibližně 100 hodin. Výsledné plátky mají relativně široké spáry, hrubší povrch a ztráty materiálu až 46 %. To zvyšuje náklady na používání materiálů z karbidu křemíku a omezuje jejich vývoj v polovodičovém průmyslu, což zdůrazňuje naléhavou potřebu výzkumu nových technologií krájení plátků z karbidu křemíku.
V posledních letech se ve výrobě polovodičových materiálů stává stále populárnější použití technologie řezání laserem. Tato metoda funguje tak, že se pomocí zaostřeného laserového paprsku upraví povrch nebo vnitřek materiálu, čímž se oddělí. Jako bez-kontaktní proces zabraňuje opotřebení nástroje a mechanickému namáhání. Proto výrazně zlepšuje drsnost a přesnost povrchu plátků, eliminuje potřebu následných procesů leštění, snižuje ztráty materiálu, snižuje náklady a minimalizuje znečištění životního prostředí způsobené tradičním broušením a leštěním. Technologie řezání laserem se již dlouho používá při krájení křemíkových ingotů, ale její použití v oblasti karbidu křemíku je stále nevyzrálé. V současné době existuje několik hlavních technik.
02
Řezání laserem-vodou
Vodou -naváděná laserová technologie (Laser MicroJet, LMJ), známá také jako laserová mikro-technologie, funguje na principu zaostřování laserového paprsku na trysku, která prochází tlakovou -modulovanou vodní komorou. Z trysky je vystřikován nízkotlaký vodní paprsek a díky rozdílu v indexu lomu na rozhraní voda-vzduch se vytvoří světelný vlnovod, který umožňuje laseru šířit se ve směru toku vody. To vede vysokotlaký-proud vody ke zpracování a řezání povrchu materiálu. Hlavní výhoda laserového řezání-vodou spočívá v jeho kvalitě řezání. Proud vody nejen ochlazuje řeznou oblast, snižuje tepelnou deformaci a tepelné poškození materiálu, ale také odstraňuje zbytky ze zpracování. Ve srovnání s řezáním drátovou pilou je výrazně rychlejší. Protože však voda absorbuje různé vlnové délky laseru v různé míře, je vlnová délka laseru omezena, především na 1064 nm, 532 nm a 355 nm.
V roce 1993 švýcarský vědec Beruold Richerzhagen poprvé navrhl tuto technologii. Založil Synova, společnost věnující se výzkumu, vývoji a komercializaci vodou naváděné laserové technologie-, která je mezinárodně v popředí. Domácí technologie jsou poměrně pozadu, ale společnosti jako Innolight a Shengguang Silicon Research je aktivně rozvíjejí.
03
Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) je technika, při které je laser zaostřen uvnitř plátku z karbidu křemíku přes jeho povrch, aby se vytvořila upravená vrstva v požadované hloubce, což umožňuje separaci plátku. Protože na povrchu destičky nejsou žádné řezy, lze dosáhnout vyšší přesnosti zpracování. SD proces s nanosekundovými pulzními lasery byl již průmyslově využíván pro separaci křemíkových plátků. Během SD zpracování karbidu křemíku indukovaného nanosekundovými pulzními lasery je však doba trvání pulzu mnohem delší než doba vazby mezi elektrony a fonony v karbidu křemíku (v pikosekundovém měřítku), což má za následek tepelné efekty. Vysoký tepelný příkon na plátku nejen činí separaci náchylnou k odchýlení od požadovaného směru, ale také generuje značné zbytkové napětí, které vede ke zlomeninám a špatnému štěpení. Proto při zpracování karbidu křemíku proces SD obvykle používá lasery s ultrakrátkým pulzem, které výrazně snižují tepelné účinky.
Japonská společnost DISCO vyvinula technologii řezání laserem s názvem Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA). Například při zpracování ingotů z karbidu křemíku o průměru 6- palců a tloušťce 20 mm zvýšila produktivitu destiček z karbidu křemíku čtyřnásobně. Proces KABRA v podstatě zaměřuje laser uvnitř materiálu karbidu křemíku. Prostřednictvím „amorfně-černé repetitivní absorpce“ se karbid křemíku rozloží na amorfní křemík a amorfní uhlík, čímž se vytvoří vrstva, která slouží jako separační bod plátku, známý jako černá amorfní vrstva, která absorbuje více světla, což usnadňuje oddělení plátků.
Technologie Cold Split wafer vyvinutá společností Siltectra, kterou získala společnost Infineon, dokáže nejen rozdělit různé typy ingotů na wafery, ale také snižuje ztráty materiálu až o 90 %, přičemž každý wafer ztrácí pouhých 80 µm, což v konečném důsledku snižuje celkové výrobní náklady zařízení až o 30 %. Technologie Cold Split zahrnuje dva kroky: za prvé, laser ozařuje ingot za účelem vytvoření delaminační vrstvy, která způsobí vnitřní objemovou expanzi v materiálu karbidu křemíku, což vytváří tahové napětí a vytváří velmi úzkou mikro-trhlinku; poté krok ochlazování polymeru změní mikro-trhlinku na hlavní trhlinu, která nakonec oddělí plátek od zbývajícího ingotu. V roce 2019 třetí strana vyhodnotila tuto technologii a naměřila drsnost povrchu Ra dělených plátků menší než 3 µm, přičemž nejlepší výsledky byly menší než 2 µm.
Upravené laserové kostičky vyvinuté čínskou společností Han's Laser je laserová technologie používaná k dělení polovodičových destiček na jednotlivé čipy nebo matrice. Tento proces také využívá přesný laserový paprsek ke skenování a vytvoření upravené vrstvy uvnitř plátku, což umožňuje plátku prasknout podél dráhy laserového skenování pod aplikovaným tlakem, čímž se dosáhne přesné separace.
Obrázek 5. Upravený postup procesu řezání laserem
Tuzemští výrobci si v současné době osvojili-technologii kostkování na bázi karbidu křemíku. Krájení kostek má však vysoké ztráty materiálu, nízkou účinnost a silné znečištění a je postupně nahrazováno technologií kostkování diamantovým drátem. Zároveň laserové kostkování vyniká svými výhodami výkonu a účinnosti. Ve srovnání s tradičními technologiemi zpracování mechanických kontaktů nabízí mnoho výhod, včetně vysoké efektivity zpracování, úzkých rysek a vysoké hustoty zářezů, což z něj dělá silného konkurenta při nahrazení diamantových drátěných kostek. Otevírá novou cestu pro aplikaci polovodičových materiálů příští{5}}generace, jako je karbid křemíku. S pokrokem průmyslové technologie a neustálým zvyšováním velikosti substrátů z karbidu křemíku se bude technologie krájení karbidu křemíku rychle vyvíjet a účinné,-kvalitní řezání laserem bude důležitým trendem pro budoucí řezání karbidu křemíku.
