01
Invoering
Het in blokjes snijden van wafels is een belangrijk onderdeel van de productie van halfgeleiderapparaten. De snijmethode en -kwaliteit hebben rechtstreeks invloed op de dikte, ruwheid, afmetingen en productiekosten van de wafer, en hebben een aanzienlijke impact op de fabricage van het apparaat. Siliciumcarbide is als halfgeleidermateriaal van de derde{2}}generatie een belangrijk materiaal dat de elektrische revolutie aanstuurt. De productiekosten van kristallijn siliciumcarbide van hoge kwaliteit- zijn extreem hoog, en mensen hopen over het algemeen een grote siliciumcarbide-staaf in zoveel mogelijk dunne siliciumcarbidewafelsubstraten te snijden. Tegelijkertijd heeft de groei van de industrie geleid tot steeds grotere wafelafmetingen, waardoor de vereisten voor snijprocessen zijn toegenomen. Siliciumcarbide is echter extreem hard, met een Mohs-hardheid van 9,5, de tweede na diamant (10), en het is ook bros, waardoor het moeilijk te snijden is. Momenteel maken industriële methoden over het algemeen gebruik van slurrydraadzagen of diamantdraadzagen. Tijdens het snijden worden vaste draadzagen op gelijke afstand van elkaar rond de siliciumcarbide-staaf geplaatst, en de staaf wordt gesneden met behulp van gestrekte draadzagen. Met behulp van de draadzaagmethode duurt het scheiden van wafers uit een staaf met een diameter van 15 cm ongeveer 100 uur. De resulterende wafels hebben relatief brede kerven, ruwere oppervlakken en materiaalverliezen tot wel 46%. Dit verhoogt de kosten van het gebruik van siliciumcarbidematerialen en beperkt de ontwikkeling ervan in de halfgeleiderindustrie, wat de dringende behoefte aan onderzoek naar nieuwe technologieën voor het snijden van siliciumcarbidewafels benadrukt.
De afgelopen jaren is het gebruik van lasersnijtechnologie steeds populairder geworden bij de productie van halfgeleidermateriaal. Deze methode werkt door gebruik te maken van een gefocusseerde laserstraal om het materiaaloppervlak of de binnenkant ervan te wijzigen, waardoor het wordt gescheiden. Omdat het een contactloos proces is, worden gereedschapslijtage en mechanische belasting vermeden. Daarom verbetert het de ruwheid en precisie van het wafeloppervlak aanzienlijk, elimineert het de noodzaak van daaropvolgende polijstprocessen, vermindert het materiaalverlies, verlaagt het de kosten en minimaliseert het de milieuvervuiling veroorzaakt door traditioneel slijpen en polijsten. Lasersnijtechnologie wordt al lang toegepast bij het snijden van siliciumstaven, maar de toepassing ervan op het gebied van siliciumcarbide is nog onvolwassen. Momenteel zijn er verschillende hoofdtechnieken.
02
Water-Begeleid lasersnijden
Water-geleide lasertechnologie (Laser MicroJet, LMJ), ook bekend als lasermicro-jettechnologie, werkt op basis van het principe van het focusseren van een laserstraal op een mondstuk terwijl deze door een druk-gemoduleerde waterkamer gaat. Er wordt een waterstraal met lage-druk uit het mondstuk gespoten en vanwege het verschil in brekingsindex op het water-grensvlak wordt een lichtgolfgeleider gevormd, waardoor de laser zich in de richting van de waterstroom kan voortplanten. Hierdoor wordt een waterstraal onder hoge-druk geleid om het materiaaloppervlak te verwerken en te snijden. Het belangrijkste voordeel van water-geleid lasersnijden ligt in de snijkwaliteit. De waterstroom koelt niet alleen het snijgebied af, waardoor thermische vervorming en thermische schade aan het materiaal worden verminderd, maar verwijdert ook verwerkingsresten. Vergeleken met draadzagen gaat het aanzienlijk sneller. Omdat water echter verschillende lasergolflengten in verschillende mate absorbeert, is de lasergolflengte beperkt, voornamelijk tot 1064 nm, 532 nm en 355 nm.
In 1993 stelde de Zwitserse wetenschapper Beruold Richerzhagen deze technologie voor het eerst voor. Hij richtte Synova op, een bedrijf dat zich toelegt op onderzoek, ontwikkeling en commercialisering van water-geleide lasertechnologie, dat internationaal voorop loopt. Binnenlandse technologie loopt relatief achter, maar bedrijven als Innolight en Shengguang Silicon Research zijn deze actief aan het ontwikkelen.
03
Stealth dobbelstenen
Stealth Dicing (SD) is een techniek waarbij een laser in een siliciumcarbidewafel door het oppervlak wordt gefocusseerd om een gemodificeerde laag op de gewenste diepte te vormen, waardoor wafelscheiding mogelijk wordt. Omdat er geen sneden in het wafeloppervlak zitten, kan een hogere verwerkingsprecisie worden bereikt. Het SD-proces met pulslasers van nanoseconden wordt industrieel al gebruikt voor het scheiden van siliciumwafels. Tijdens de SD-verwerking van siliciumcarbide geïnduceerd door pulslasers van nanoseconden is de pulsduur echter veel langer dan de koppelingstijd tussen elektronen en fononen in siliciumcarbide (op picosecondeschaal), wat resulteert in thermische effecten. De hoge thermische input op de wafel zorgt er niet alleen voor dat de scheiding gevoelig is voor afwijking van de gewenste richting, maar genereert ook aanzienlijke restspanningen, wat leidt tot breuken en slechte splijting. Daarom maakt het SD-proces bij de verwerking van siliciumcarbide doorgaans gebruik van ultrakorte pulslasers, wat de thermische effecten aanzienlijk vermindert.
Het Japanse bedrijf DISCO heeft een lasersnijtechnologie ontwikkeld genaamd Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Bij de verwerking van siliciumcarbide-blokken met een diameter van 6- inch en een dikte van 20 mm werd de productiviteit van siliciumcarbidewafels bijvoorbeeld verviervoudigd. Het KABRA-proces concentreert de laser in essentie in het siliciumcarbidemateriaal. Door 'amorf-zwart herhaalde absorptie' wordt het siliciumcarbide ontleed in amorf silicium en amorfe koolstof, waardoor een laag wordt gevormd die dient als wafelscheidingspunt, bekend als de zwarte amorfe laag, die meer licht absorbeert, waardoor het veel gemakkelijker wordt om de wafels te scheiden.
De Cold Split wafer-technologie ontwikkeld door Siltectra, overgenomen door Infineon, kan niet alleen verschillende soorten blokken in wafers verdelen, maar vermindert ook het materiaalverlies met maximaal 90%, waarbij elke wafer slechts 80 µm verliest, waardoor de totale productiekosten van het apparaat uiteindelijk met maximaal 30% worden verlaagd. De Cold Split-technologie omvat twee stappen: ten eerste bestraalt een laser de staaf om een delaminatielaag te creëren, waardoor interne volume-expansie in het siliciumcarbidemateriaal ontstaat, wat trekspanning genereert en een zeer smalle micro-scheur vormt; Vervolgens verandert een polymeerkoelingsstap de micro-scheur in een hoofdscheur, waardoor uiteindelijk de wafel wordt gescheiden van de resterende staaf. In 2019 evalueerde een derde partij deze technologie en mat de oppervlakteruwheid Ra van de gespleten wafers op minder dan 3 µm, met als beste resultaten minder dan 2 µm.
Het gemodificeerde lasersnijden, ontwikkeld door het Chinese bedrijf Han's Laser, is een lasertechnologie die wordt gebruikt om halfgeleiderwafels te scheiden in individuele chips of matrijzen. Dit proces maakt ook gebruik van een nauwkeurige laserstraal om te scannen en een gemodificeerde laag in de wafer te vormen, waardoor de wafer onder uitgeoefende spanning langs het laserscanpad kan barsten, waardoor een nauwkeurige scheiding wordt bereikt.
Figuur 5. Gewijzigde processtroom voor lasersnijden
Momenteel beheersen binnenlandse fabrikanten de op slurry-gebaseerde siliciumcarbide snijtechnologie. Het in blokjes snijden van slurry gaat echter gepaard met een hoog materiaalverlies, een laag rendement en ernstige vervuiling, en wordt geleidelijk vervangen door technologie voor het in blokjes snijden van diamantdraad. Tegelijkertijd onderscheidt lasersnijden zich door zijn prestatie- en efficiëntievoordelen. Vergeleken met traditionele mechanische contactverwerkingstechnologieën biedt het vele voordelen, waaronder een hoge verwerkingsefficiëntie, smalle kraslijnen en een hoge kerfdichtheid, waardoor het een sterke concurrent is om diamantdraadblokjes te vervangen. Het opent een nieuwe weg voor de toepassing van halfgeleidermaterialen van de volgende-generatie, zoals siliciumcarbide. Met de vooruitgang van de industriële technologie en de voortdurende toename van de afmetingen van siliciumcarbidesubstraten zal de technologie voor het snijden van siliciumcarbide zich snel ontwikkelen, en efficiënt lasersnijden van hoge kwaliteit- zal een belangrijke trend zijn voor het toekomstige snijden van siliciumcarbide.
