01
Introducció
El tallat en daus és una part important de la fabricació de dispositius semiconductors. El mètode i la qualitat de tall a daus afecten directament el gruix, la rugositat, les dimensions i els costos de producció de l'hòstia, i tenen un impacte significatiu en la fabricació del dispositiu. El carbur de silici, com a material semiconductor de tercera-generació, és un material important que impulsa la revolució elèctrica. El cost de producció del carbur de silici cristal·lí d'alta-qualitat és extremadament elevat i, en general, la gent espera tallar un lingot gran de carbur de silici en tants substrats prims d'hòsties de carbur de silici com sigui possible. Al mateix temps, el creixement de la indústria ha donat lloc a unes mides progressivament més grans de les hòsties, fet que ha augmentat els requisits per als processos de tallat a daus. Tanmateix, el carbur de silici és extremadament dur, amb una duresa Mohs de 9,5, només per darrere del diamant (10), i també és fràgil, cosa que dificulta el tall. Actualment, els mètodes industrials utilitzen generalment el serrat de filferro de purín o el serrat de filferro de diamant. Durant el tall, es col·loquen serres de filferro fixes igualment espaciades al voltant del lingot de carbur de silici i el lingot es talla amb serres de filferro estirat. Mitjançant el mètode de serra de filferro, separar les hòsties d'un lingot de 6 polzades de diàmetre triga unes 100 hores. Les hòsties resultants tenen talls relativament amples, superfícies més rugoses i pèrdues de material fins al 46%. Això augmenta el cost d'utilitzar materials de carbur de silici i limita el seu desenvolupament a la indústria dels semiconductors, posant de manifest la necessitat urgent d'investigar noves tecnologies de tall d'hòsties de carbur de silici.
En els darrers anys, l'ús de la tecnologia de tall per làser s'ha fet cada cop més popular en la fabricació de materials semiconductors. Aquest mètode funciona utilitzant un raig làser enfocat per modificar la superfície o l'interior del material, separant-lo així. Com a procés sense-contacte, evita el desgast de l'eina i l'estrès mecànic. Per tant, millora en gran mesura la rugositat i la precisió de la superfície de l'hòstia, elimina la necessitat de processos de polit posteriors, redueix la pèrdua de material, redueix els costos i minimitza la contaminació ambiental causada per la mòlta i poliment tradicional. La tecnologia de tall per làser s'ha aplicat durant molt de temps al tallat de lingots de silici, però la seva aplicació en el camp del carbur de silici encara és immadura. Actualment, hi ha diverses tècniques principals.
02
-Tall per làser guiat per aigua
La tecnologia làser-guiada per aigua (Laser MicroJet, LMJ), també coneguda com a tecnologia làser de micro-jet, funciona segons el principi d'enfocar un raig làser en un broquet mentre passa per una cambra d'aigua-modulada a pressió. S'expulsa un raig d'aigua a baixa pressió-del broquet i, a causa de la diferència d'índex de refracció a la interfície d'aigua-aire, es forma una guia d'ones de llum que permet que el làser es propagui en la direcció del flux d'aigua. Això guia un raig d'aigua a-alta pressió per processar i tallar la superfície del material. El principal avantatge del tall làser-guiat per aigua rau en la seva qualitat de tall. El flux d'aigua no només refreda la zona de tall, reduint la deformació tèrmica i els danys tèrmics al material, sinó que també elimina els residus de processament. En comparació amb el tall de serra de filferro, és significativament més ràpid. Tanmateix, com que l'aigua absorbeix diferents longituds d'ona làser en diferents graus, la longitud d'ona làser està limitada, principalment a 1064 nm, 532 nm i 355 nm.
El 1993, el científic suís Beruold Richerzhagen va proposar per primera vegada aquesta tecnologia. Va fundar Synova, una empresa dedicada a la investigació, el desenvolupament i la comercialització de la tecnologia làser guiada per aigua-, que està a l'avantguarda internacional. La tecnologia domèstica està relativament enrere, però empreses com Innolight i Shengguang Silicon Research l'estan desenvolupant activament.
03
Daus furtius
Stealth Dicing (SD) és una tècnica on un làser s'enfoca dins d'una hòstia de carbur de silici a través de la seva superfície per formar una capa modificada a la profunditat desitjada, permetent la separació de les hòsties. Com que no hi ha talls a la superfície de l'hòstia, es pot aconseguir una major precisió de processament. El procés SD amb làsers de pols de nanosegons ja s'ha utilitzat industrialment per separar hòsties de silici. Tanmateix, durant el processament SD del carbur de silici induït per làsers de pols de nanosegons, la durada del pols és molt més llarga que el temps d'acoblament entre electrons i fonons en carbur de silici (a l'escala de picosegons), donant lloc a efectes tèrmics. L'elevada entrada tèrmica de l'hòstia no només fa que la separació sigui propensa a desviar-se de la direcció desitjada, sinó que també genera una tensió residual important, que provoca fractures i una escissió deficient. Per tant, quan es processa carbur de silici, el procés SD normalment utilitza làsers de pols ultracurt, que redueix molt els efectes tèrmics.
L'empresa japonesa DISCO ha desenvolupat una tecnologia de tall per làser anomenada Key Amorphe-Black Repetitive Absorption (KABRA). Per exemple, en processar lingots de carbur de silici de 6-polzades de diàmetre i 20 mm de gruix, va augmentar la productivitat de les hòsties de carbur de silici per quatre. El procés KABRA enfoca essencialment el làser dins del material de carbur de silici. Mitjançant l'"absorció repetitiva de negre amorf", el carbur de silici es descompon en silici amorf i carboni amorf, formant una capa que serveix com a punt de separació de les hòsties, coneguda com a capa amorfa negra, que absorbeix més llum, fent que sigui molt més fàcil separar les hòsties.
La tecnologia d'hòsties Cold Split desenvolupada per Siltectra, que va ser adquirida per Infineon, no només pot dividir diversos tipus de lingots en hòsties, sinó que també redueix la pèrdua de material fins a un 90%, i cada hòstia perd tan sols 80 µm, i en última instància, redueix els costos totals de producció del dispositiu fins a un 30%. La tecnologia Cold Split comporta dos passos: primer, un làser irradia el lingot per crear una capa de delaminació, provocant una expansió de volum intern en el material de carbur de silici, que genera una tensió de tracció i forma una micro-esquerda molt estreta; després, un pas de refredament del polímer converteix la micro-esquerda en una esquerda principal, i finalment separa l'hòstia del lingot restant. El 2019, un tercer va avaluar aquesta tecnologia i va mesurar la rugositat superficial Ra de les hòsties dividides per ser inferior a 3 µm, i els millors resultats van ser inferiors a 2 µm.
El tallat làser modificat desenvolupat per l'empresa xinesa Han's Laser és una tecnologia làser que s'utilitza per separar les hòsties de semiconductors en xips o matrius individuals. Aquest procés també utilitza un feix làser precís per escanejar i formar una capa modificada dins de l'hòstia, permetent que l'hòstia s'esquerde al llarg del camí d'escaneig làser sota l'estrès aplicat, aconseguint una separació precisa.
Figura 5. Flux del procés de tall làser modificat
Actualment, els fabricants nacionals dominen la tecnologia de tallat a daus de carbur de silici basat en purins-. Tanmateix, el tallat a daus de purins té una gran pèrdua de material, una baixa eficiència i una contaminació severa i s'està substituint gradualment per la tecnologia de tall de filferro de diamant. Al mateix temps, el daus làser destaca pels seus avantatges de rendiment i eficiència. En comparació amb les tecnologies tradicionals de processament de contactes mecànics, ofereix molts avantatges, com ara una alta eficiència de processament, línies de traçat estretes i una alta densitat de tall, el que el converteix en un fort competidor per substituir els daus de filferro de diamant. Obre un nou camí per a l'aplicació de materials semiconductors de propera-generació com el carbur de silici. Amb l'avenç de la tecnologia industrial i l'augment continu de les mides del substrat de carbur de silici, la tecnologia de tall de carbur de silici es desenvoluparà ràpidament, i el tall làser eficient i d'alta -qualitat serà una tendència important per al futur tall de carbur de silici.
