01Úvod
Krájení plátků je důležitým krokem ve výrobě polovodičových součástek. Způsob a kvalita řezání 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 zásadním materiálem pro propagaci elektrické revoluce. Výrobní náklady-kvalitního krystalického karbidu křemíku jsou extrémně vysoké a často existuje potřeba rozřezat velký ingot karbidu křemíku na co nejvíce tenkých plátkových substrátů z karbidu křemíku. Průmyslový rozvoj zároveň vedl ke zvětšení velikosti plátků, což zvyšuje nároky na řezací procesy. Materiál karbidu křemíku má však extrémně vysokou tvrdost, s tvrdostí podle Mohse 9,5, druhý za nejtvrdším diamantem na světě (10), a má také křehkost krystalů, což ztěžuje jeho řezání. V současné době se v tomto odvětví obvykle používá řezání suspenzním drátem nebo řezání diamantovou drátovou pilou. Během řezání je pevná drátová pila umístěna ve stejných rozestupech kolem ingotu karbidu křemíku a napnutím drátové pily se vyříznou plátky karbidu křemíku. Použití metody drátové pily k oddělení plátků z ingotu o průměru 6- palců trvá asi 100 hodin. Výsledné plátky mají nejen relativně velký řez, ale také větší drsnost povrchu, což vede ke ztrátám materiálu až 46 %. To zvyšuje náklady na používání materiálů z karbidu křemíku a omezuje jeho vývoj v polovodičovém průmyslu, takže je naléhavý výzkum nových technologií řezání plátků z karbidu křemíku. V posledních letech se při výrobě a zpracování polovodičových materiálů stále více používá technologie řezání laserem. Principem této metody je použití fokusovaného laserového paprsku k úpravě substrátu z povrchu materiálu nebo vnitřně, a tím k jeho oddělení. Protože se jedná o bezkontaktní proces, zabraňuje opotřebení nástroje a mechanickému namáhání. Proto výrazně zlepšuje drsnost povrchu a přesnost waferu, eliminuje potřebu následných procesů leštění, snižuje ztráty materiálu, snižuje náklady a minimalizuje znečištění životního prostředí způsobené tradičními procesy broušení a leštění. Technologie řezání laserem se již dlouho používá při řezání křemíkových ingotů, ale její aplikace v oblasti karbidu křemíku stále není zralá, přičemž v současnosti je k dispozici několik hlavních technologií.
2Vodou-řízené řezání laserem
Vodou -naváděná laserová technologie (Laser MicroJet, LMJ), známá také jako laserová mikrojetová technologie, funguje na principu zaostřování laserového paprsku na trysku, když laser prochází tlakovou -modulovanou vodní komorou; z trysky je vystřikován nízký-proud vody. Na rozhraní vody a vzduchu vzniká vlivem rozdílu indexů lomu světelný vlnovod, který umožňuje šíření laseru ve směru vodního toku, čímž se dosahuje řezání povrchu materiálu pomocí vysokotlakého-vedení vodního paprsku. Hlavní výhoda vodou naváděných-laserů spočívá v kvalitě řezání; proud vody nejen ochlazuje řeznou oblast, snižuje tepelnou deformaci a poškození materiálu, ale také odvádí nečistoty ze zpracování. Oproti řezání drátovou pilou je výrazně zvýšena jeho rychlost. Absorpce různých vlnových délek vodou se však liší, což omezuje používané vlnové délky laseru hlavně na 1064nm, 532nm a 355nm. Tuto technologii poprvé navrhl švýcarský vědec Beruold Richerzhagen v roce 1993 a jeho společnost Synova se specializuje na výzkum a industrializaci vody{14}, zatímco domácí technologie jsou relativně v pozadí, s řízenými společnostmi jako Inno Laser a Shengguang Silicon Research se aktivně rozvíjejí.
03Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) zahrnuje zaostření laseru přes povrch karbidu křemíku do vnitřku čipu, čímž se vytvoří upravená vrstva v požadované hloubce pro dosažení oddělení plátků. Protože na povrchu waferu nejsou žádné řezy, lze dosáhnout vyšší přesnosti zpracování. SD proces využívající nanosekundové pulzní lasery se v průmyslu používá pro separaci křemíkových plátků. Během SD zpracování karbidu křemíku indukovaného nanosekundovými pulzními lasery však dochází k tepelným efektům, protože doba trvání pulzu je mnohem delší než doba vazby mezi elektrony a fonony v karbidu křemíku (řádově pikosekundy). Vysoký tepelný příkon do plátku nejen způsobuje, že separace má tendenci se odchýlit od požadovaného směru, ale také generuje značné zbytkové napětí, což vede k lomům a špatnému štěpení. Proto se při zpracování karbidu křemíku obecně používají ultra-procesy SD s ultrakrátkými pulzy, které výrazně snižují tepelné účinky.
Japonská společnost DISCO vyvinula technologii řezání laserem nazvanou Key Amorphous{0}}Black Repetitive Absorption (KABRA) na příkladu zpracování ingotu z krystalu karbidu křemíku o průměru 6 palců a tloušťce 20 mm, což čtyřnásobně zvýšilo rychlost výroby destiček z karbidu křemíku. Podstata procesu KABRA zaměřuje laser uvnitř materiálu karbidu křemíku, rozkládá karbid křemíku na amorfní křemík a amorfní uhlík prostřednictvím „amorfní-černé repetitivní absorpce“ a vytváří vrstvu jako separační bod pro plátek, konkrétně černou amorfní vrstvu, která absorbuje více světla, čímž usnadňuje separaci.
Technologie studeného dělení destiček vyvinutá společností Siltectra, získaná společností Infineon, umožňuje nejen dělení různých typů ingotů na destičky, ale také vede ke ztrátě pouhých 80 μm na destičku, což snižuje ztráty materiálu o 90 %, což v konečném důsledku snižuje celkové výrobní náklady zařízení až o 30 %. Technologie řezání za studena zahrnuje dvě fáze: za prvé, laserová expozice vytvoří na ingotu delaminační vrstvu, která způsobí expanzi materiálu karbidu křemíku, což vytváří tahové napětí a vytváří velmi úzkou vrstvu mikro-trhlin; poté jsou tyto mikro-trhliny zpracovány v kroku ochlazování polymeru na hlavní trhlinu, která nakonec oddělí plátek od zbývajícího ingotu. V roce 2019 hodnocení této technologie třetí stranou{8}} naměřilo, že drsnost povrchu Ra dělených plátků byla menší než 3 µm, přičemž nejlepší výsledky byly pod 2 µm.
Upravené řezání laserem vyvinuté tuzemskou velkou rodinnou laserovou firmou je laserová technologie, která rozděluje polovodičové wafery na jednotlivé čipy nebo zrna. Tento proces také zahrnuje vnitřní skenování plátku přesným laserovým paprskem za účelem vytvoření upravené vrstvy, která umožňuje plátku expandovat podél dráhy laserového skenování pod aplikovaným tlakem, čímž se dosáhne přesné separace.
V současné době domácí výrobci zvládli technologii řezání karbidu křemíku maltou, ale ztráta řezání je velká, účinnost je nízká a znečištění je závažné, což je postupně nahrazováno technologií řezání diamantovým drátem. Zároveň jsou výrazné výhody výkonu a efektivity laserového řezání, které nabízí mnoho výhod ve srovnání s tradičními technologiemi mechanického kontaktního zpracování, včetně vysoké efektivity zpracování, úzkých řezných drah a vysoké hustoty třísek, což z něj činí silného konkurenta při nahrazení technologie řezání diamantovým drátem a otevírá novou cestu pro aplikaci polovodičových materiálů příští{1}}generace, jako je karbid křemíku. S rozvojem průmyslové technologie se velikost substrátů z karbidu křemíku stále zvyšuje a technologie řezání karbidu křemíku se bude rychle vyvíjet; efektivní a vysoce kvalitní-řezání laserem bude v budoucnu důležitým trendem v řezání karbidu křemíku.
