Polovodiče jsou nedílnou součástí vnitřního fungování zdravotnických zařízení a přispívají k vodivosti mezi nevodiči a vodiči pro řízení proudu. Na druhé straně je proces montáže dokonalého polovodiče velmi podrobný, zvláště nyní, kdy se zařízení zmenšují a zmenšují. Protože se polovodiče rychle miniaturizují, aby se vešly do těchto menších zařízení, role laserů ve výrobě polovodičů se přizpůsobila.
Laserová technologie se často používá při výrobě polovodičů pro své tenké, přesné, všestranné a výkonné paprsky z různých důvodů, včetně řezání, svařování, odstraňování povlaků a značení.
Řezání/rytí
Při výrobě polovodičů existují různé kroky kostkování, včetně vyřezávání waferů z krystalových bloků a šablon z tenkých filmů. Kostkování laserem zajišťuje, že třísky jsou čistě nařezány tak, aby správně zapadly do finálního zařízení. Použití laserů umožňuje řezání polovodičů do mnoha tvarů a vzorů, které nejsou možné pomocí jiných metod kostkování. Podle Fu Foundation School of Engineering and Applied Science na Kolumbijské univerzitě řezání destiček pomocí této metody snižuje opotřebení nástroje a ztráty materiálu a vede k vyšším výnosům.
Studijní materiál společnosti Columbia o zpracování polovodičovým laserem uvádí, že „výhody řezání laserem zahrnují menší opotřebení nástroje, snížené ztráty materiálu kolem řezu, vyšší výnosy díky menšímu lámání a rychlejší obrátky díky snadnému upevnění“.
Další možností řezání je rýhování – vrtání řady těsně umístěných nebo překrývajících se slepých otvorů do poloviny materiálu. Jedná se o metodu široce používanou v aplikacích výroby polovodičů, jako je řezání substrátů oxidu hliníku na nosiče čipů nebo separace křemíkových plátků na čipy. Stojí za zmínku, že typ laseru potřebného pro rytí závisí na použitém materiálu.
Univerzita říká: "Oxid hlinitý používá lasery CO2, zatímco rytí křemíku používá lasery Nd:YAG, protože různé materiály mají různé absorpční rychlosti při různých vlnových délkách."
Motivace pro použití rýhování versus řezání závisí na rychlosti, s jakou k akci dochází ve výrobní dílně. "U oxidu hlinitého, který má tloušťku asi 0,025 palce, lze materiál rýsovat rychlostí asi 10 palců za sekundu pomocí středně výkonného CO2 laseru, zatímco u podobného laseru může být rychlost řezání být zlomky palce za sekundu,“ píší zaměstnanci univerzity. "Rytí také nabízí tu výhodu, že je možné popsat substrát před dokončením zpracování a poté jej po zpracování snadno rozdělit na čipy."
Welding
Laserové pájení nebo svařování laserovou diodou je proces tavení sousedních částí polovodičové součásti dohromady, podobně jako upevnění plátku k nosné desce. U nosných desek, které jsou připraveny k lepení (jako jsou olověné rámy), laser umístí na rám identifikační značku a poté zdrsní povrch, aby bylo zajištěno, že jsou obě části bezpečně spojeny dohromady. Jakmile se spojí, laserový značkovací stroj odstraní otřepy vzniklé zdrsňováním.
Odstranění povlaku
Zajištění toho, že polovodiče jsou čisté a bez defektů, je součástí výrobního procesu zvaného odstraňování povlaku. Pomocí laseru (obvykle Nd:YAG) lze odstranit nežádoucí povlaky jako u pryskyřice nebo mědi a jako u zlatých nebo tenkých povlaků. K odstranění otřepů laser využívá svůj jemný a přesný paprsek k odstranění přebytečného materiálu, aniž by došlo k poškození produktu.Odstranění nátěrůumožňuje jasněji analyzovat závady, což eliminuje potřebu demontáže za účelem kontroly, což by mohlo vést k poškození produktu.
Označení
Laserové značení polovodičůje důležitý pro sledovatelnost a čitelnost produktu, což znamená, že laser musí být jasně čitelný i ve velmi malých tiscích. Sledovatelnost produktu znamená, že produkt lze sledovat v několika krocích výroby i konečné distribuce. To usnadňuje nalezení a izolaci konkrétních kategorií defektů.
Označené čipy musí být také čitelné, protože označení je užitečný způsob, jak určit, který produkt je vhodný pro danou aplikaci. Podle Wafer World "Lasér nejen že řeže do povrchu plátku, ale také přeskupuje povrchové částice tak, aby vytvořil extrémně mělké, ale snadno čitelné značky."
Na polovodičích se používají dva typy markerů: leptací markery a žíhané markery. Leptací značky jsou tenké vrstvy materiálu, které se odstraňují pomocí laseru a zanechávají texturovanou stopu o hloubce asi 12 až 25 mikronů. Ty se často označují jako „tvrdé značky“, protože dochází k viditelné změně povrchové vrstvy.
Na druhé straně žíhací značky používají laser nastavený na nižší výkon k přeskupení molekul, spíše než k jejich leptání. To vytváří kontrast na povrchu čipu, který je viditelný při odrazu světla.
Typ laseru
V současné době společnosti většinou používají k výrobě čipů pevnolátkové lasery, protože jsou známé svým vysokým výkonem a jako laserové médium používají rudu. Minerální média se obvykle skládají z krystalů yttria, hliníku, granátu nebo vanadičnanu yttria. Například lasery Nd:YAG používají jako médium krystaly yttrium-hliníkového granátu dopované neodymem. Laserový paprsek je generován pomocí oscilátoru, který stimuluje médium světlem z laserové diody.
Jedním typem pevnolátkového laseru používaného pro značení čipů, gravírování a kostičky je vláknový laser, říká Keyence a dodává, že vysokorychlostní lasery používají „optická vlákna jako rezonátory a vytvářejí překrývající se struktury prostřednictvím opláštění vláken dopovaných Yb-ionty“. poznamenat, že jeho vláknové lasery jsou známé jako řada MD-F 3-osých vláknových laserů. "Některá z použití vláknových laserů zahrnují odstraňování otřepů z předvýrobních procesů, označování kódů sledovatelnosti a odstraňování pryskyřice pro analýzu defektů."
Excimerové lasery se také používají při výrobě polovodičů. Tyto jsou hlubokéultrafialový(UV) lasery s vlnovými délkami od 126 nm do 351 nm, které se používají především pro mikroobrábění polymerů. Kratší UV laserové paprsky ve srovnání s pevným stavem je činí vhodnými pro jakýkoli typ materiálu, včetně velmi křehkých a jemných materiálů, a umožňují jim pracovat na velmi malé přesné ploše se sníženým bodem působení. Při použití pro značení mění UV laser strukturu materiálu produktu na molekulární úrovni, aniž by generoval teplo v okolí.
Laserová inovace
V současné době jsou pevnolátkové a excimerové lasery považovány za hlavní možnosti při použití laserové výroby pro výrobu polovodičů. Brzy však může být k dispozici nová možnost, která by mohla konkurovat klasice. V nedávné studii publikované v časopise Nature tým výzkumníků z Kjótské univerzity vedený Susumu Nodou napsal, že podnikli kroky k překonání omezení jasu polovodičového laseru změnou struktury laserů vyzařujících povrch fotonických krystalů (PCSEL). Podle Institutu elektrotechnických a elektronických inženýrů je jas výhodou, která zahrnuje stupeň zaostření nebo divergence paprsku světla. PCSEL, přestože byly považovány za atraktivní možnost pro lasery s vysokým jasem, byly dříve neškálovatelné pro použití ve velkých -škálové operace kvůli problémům s velikostí a jasem laserů.
Problém s PCSEL často pramení z touhy rozšířit jejich vyzařovací plochu, což znamená, že je zde prostor pro oscilaci světla ve směru vyzařování a v příčném směru. "Tyto příčné oscilace jsou známé jako režimy vyššího řádu a mohou zničit kvalitu paprsku," píše IEEE. "Navíc, pokud je laser provozován nepřetržitě, teplo uvnitř laseru může změnit index lomu zařízení, což vede k dalšímu zhoršení kvality paprsku."
Ve studii Nature vědci použili fotonické krystaly vložené do laseru a „upravili vnitřní reflektor tak, aby umožňoval oscilace v jednom režimu v širší oblasti a kompenzoval tepelné poškození“. Tyto změny umožnily laseru udržet vysokou kvalitu paprsku během nepřetržitého provozu.
Výzkumníci ve své studii vyvinuli PCSEL o průměru 3-mm, což je 10-násobný skok oproti předchozímu zařízení PCSEL o průměru 1-mm.
„Pro povrchově emitující laser fotonického krystalu s velkým rezonančním průměrem 3 mm, výstupním výkonem [nepřetržité vlny] vyšším než 50 W, čistými oscilacemi v jednom režimu a extrémně úzkou divergenci paprsku 0,05 stupně , což odpovídá více než 10,000 vlnovým délkám v materiálu,“ napsali vědci ve studii. Jas ...... dosahuje 1 GW cm-2 sr-1, což je srovnatelné se stávajícími velkými lasery.“
Stojí za zmínku, že pod pojmem "velkoobjemové lasery" mají vědci na mysli pevnolátkové a excimerové lasery, které se v současnosti používají při výrobě polovodičových laserů.
V rámci procesu zřízení centra excelence o ploše 1,{1}}čtverečního metru pro povrchově emitující lasery pro fotonické krystaly na Kjótské univerzitě Noda a jeho tým také přešli od výroby fotonických krystalů pomocí elektronové litografie k jejich zhotovení pomocí nanoimprintové litografie.
"Elektropaprsková litografie je přesná, ale obvykle příliš pomalá pro výrobu ve velkém měřítku," říká IEEE. "Nanoimprintová litografie v podstatě razí vzory do polovodičů a je užitečná pro rychlé vytváření velmi pravidelných vzorů."
Podle studie je dalším krokem pokračovat v rozšiřování průměru laseru ze 3 na 10 milimetrů – což je velikost, která údajně produkuje 1 kilowatt výstupního výkonu.
