01
giriiş
Gofret dilimleme, yarı iletken cihaz imalatının önemli bir parçasıdır. Dilimleme yöntemi ve kalitesi, levhanın kalınlığını, pürüzlülüğünü, boyutlarını ve üretim maliyetlerini doğrudan etkiler ve cihaz imalatı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Üçüncü-nesil yarı iletken malzeme olarak silisyum karbür, elektrik devrimini yönlendiren önemli bir malzemedir. Yüksek-kaliteli kristal silisyum karbürün üretim maliyeti son derece yüksektir ve insanlar genellikle büyük bir silisyum karbür külçeyi mümkün olduğunca çok sayıda ince silisyum karbür levha alt tabakasına kesmeyi umarlar. Aynı zamanda endüstrinin büyümesi, giderek daha büyük gofret boyutlarına yol açtı ve bu da küp küp doğrama işlemlerine yönelik gereksinimleri artırdı. Ancak silisyum karbür son derece serttir, Mohs sertliği 9,5 olup elmastan (10) sonra ikinci sıradadır ve aynı zamanda kırılgan olduğundan kesilmesini zorlaştırır. Şu anda endüstriyel yöntemlerde genellikle bulamaçlı tel testere veya elmas tel testere kullanılmaktadır. Kesim sırasında silisyum karbür külçenin etrafına eşit aralıklı sabit tel testereler yerleştirilir ve külçe gerilmiş tel testereler kullanılarak kesilir. Tel testere yöntemini kullanarak levhaları 6 inç çapındaki bir külçeden ayırmak yaklaşık 100 saat sürüyor. Sonuçta elde edilen levhalar nispeten geniş çentiklere, daha pürüzlü yüzeylere ve %46'ya varan malzeme kayıplarına sahiptir. Bu, silisyum karbür malzemelerin kullanım maliyetini arttırır ve bunların yarı iletken endüstrisindeki gelişimini sınırlandırır ve yeni silisyum karbür levha dilimleme teknolojilerine yönelik acil araştırma ihtiyacını vurgular.
Son yıllarda yarı iletken malzeme üretiminde lazer kesim teknolojisinin kullanımı giderek daha popüler hale geldi. Bu yöntem, malzeme yüzeyini veya iç kısmını değiştirmek ve böylece onu ayırmak için odaklanmış bir lazer ışınını kullanarak çalışır. Temassız-bir süreç olduğundan aletin aşınmasını ve mekanik gerilimi önler. Bu nedenle, levha yüzeyinin pürüzlülüğünü ve hassasiyetini büyük ölçüde artırır, sonraki cilalama işlemlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır, malzeme kaybını azaltır, maliyetleri düşürür ve geleneksel taşlama ve cilalamanın neden olduğu çevre kirliliğini en aza indirir. Lazer kesim teknolojisi uzun zamandır silisyum külçe dilimlemede uygulanıyor ancak silisyum karbür alanındaki uygulaması henüz olgunlaşmamış durumda. Şu anda birkaç ana teknik var.
02
Su-Kılavuzlu Lazer Kesim
Lazer mikro-jet teknolojisi olarak da bilinen su-kılavuzlu lazer teknolojisi (Laser MicroJet, LMJ), bir lazer ışınının, basıncı-düzenlenmiş bir su odasından geçerken bir nozüle odaklanması prensibiyle çalışır. Nozülden düşük-basınçlı bir su jeti püskürtülür ve su-hava arayüzündeki kırılma indeksindeki farklılıktan dolayı, lazerin su akış yönü boyunca yayılmasına olanak tanıyan bir ışık dalga kılavuzu oluşturulur. Bu, yüksek-basınçlı su jetinin malzeme yüzeyini işlemesi ve kesmesi için yönlendirilir. Su-kılavuzlu lazer kesimin ana avantajı kesim kalitesinde yatmaktadır. Su akışı yalnızca kesme alanını soğutmakla kalmaz, termal deformasyonu ve malzemeye verilen termal hasarı azaltır, aynı zamanda işlem kalıntılarını da ortadan kaldırır. Tel testereyle kesmeyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha hızlıdır. Ancak su, farklı lazer dalga boylarını değişen derecelerde emdiğinden, lazer dalga boyu öncelikle 1064 nm, 532 nm ve 355 nm ile sınırlıdır.
1993 yılında İsviçreli bilim adamı Beruold Richerzhagen bu teknolojiyi ilk kez önerdi. Uluslararası alanda ön planda olan, su-güdümlü lazer teknolojisinin araştırılmasına, geliştirilmesine ve ticarileştirilmesine adanmış bir şirket olan Synova'yı kurdu. Yerli teknoloji nispeten geride ama Innolight ve Shengguang Silicon Research gibi şirketler bunu aktif olarak geliştiriyor.
03
Gizli Doğrama
Gizli Dilimleme (SD), bir lazerin, yüzeyi boyunca silikon karbür levhanın içine odaklanarak istenen derinlikte değiştirilmiş bir katman oluşturarak levhanın ayrılmasını sağlayan bir tekniktir. Gofret yüzeyinde herhangi bir kesim olmadığından daha yüksek işleme hassasiyeti elde edilebilir. Nanosaniye darbe lazerleriyle SD işlemi, silikon levhaların ayrılması için endüstriyel olarak zaten kullanılıyor. Bununla birlikte, nanosaniye darbe lazerleri tarafından indüklenen silisyum karbürün SD işlemi sırasında, darbe süresi, silisyum karbürdeki elektronlar ve fononlar arasındaki bağlanma süresinden (pikosaniye ölçeğinde) çok daha uzundur ve bu da termal etkilere neden olur. Plaka üzerindeki yüksek termal girdi, ayrılmayı yalnızca istenen yönden sapmaya eğilimli hale getirmekle kalmaz, aynı zamanda kırılmalara ve zayıf bölünmeye yol açan önemli artık gerilim de üretir. Bu nedenle, silisyum karbür işlenirken SD işleminde genellikle termal etkileri büyük ölçüde azaltan ultra kısa darbeli lazerler kullanılır.
Japon şirketi DISCO, Anahtar Amorf-Siyah Tekrarlayan Emilim (KABRA) adı verilen bir lazer kesme teknolojisi geliştirdi. Örneğin, 6-inç çapında, 20 mm kalınlığında silisyum karbür külçelerin işlenmesinde silisyum karbür levhaların üretkenliği dört kat arttı. KABRA işlemi esasen lazeri silisyum karbür malzemenin içine odaklar. 'Amorf-siyah tekrarlanan emilim' yoluyla silisyum karbür, amorf silikon ve amorf karbona ayrıştırılarak, daha fazla ışık emerek levhaların ayrılmasını çok daha kolay hale getiren, siyah amorf katman olarak bilinen, levha ayırma noktası görevi gören bir katman oluşturur.
Infineon tarafından satın alınan, Siltectra tarafından geliştirilen Cold Split gofret teknolojisi, yalnızca çeşitli külçe türlerini gofretlere bölmekle kalmıyor, aynı zamanda malzeme kaybını da %90'a kadar azaltıyor; her bir gofret 80 µm kadar az bir kayıpla sonuç olarak toplam cihaz üretim maliyetlerini %30'a kadar düşürüyor. Cold Split teknolojisi iki adımdan oluşur: birincisi, bir lazer külçeyi ışınlayarak bir delaminasyon katmanı oluşturur, silikon karbür malzemede iç hacmin genişlemesine neden olur, bu da çekme gerilimi oluşturur ve çok dar bir mikro-çatlak oluşturur; daha sonra bir polimer soğutma adımı, mikro-çatlağı ana çatlağa dönüştürür ve sonunda levhayı kalan külçeden ayırır. 2019 yılında üçüncü bir taraf bu teknolojiyi değerlendirdi ve bölünmüş levhaların yüzey pürüzlülüğü Ra'nın 3 µm'den az olduğunu ölçtü; en iyi sonuçlar 2 µm'den azdı.
Çinli şirket Han's Laser tarafından geliştirilen değiştirilmiş lazer dilimleme, yarı iletken levhaları ayrı çiplere veya kalıplara ayırmak için kullanılan bir lazer teknolojisidir. Bu işlem aynı zamanda ince tabakanın içinde değiştirilmiş bir katmanı taramak ve oluşturmak için hassas bir lazer ışını kullanır; bu da levhanın uygulanan stres altında lazer tarama yolu boyunca çatlamasına olanak tanıyarak hassas ayırma sağlar.
Şekil 5. Değiştirilmiş Lazer Dilimleme İşlemi Akışı
Şu anda yerli üreticiler bulamaç-tabanlı silisyum karbür dilimleme teknolojisinde uzmanlaştı. Bununla birlikte, bulamaçla küp küp doğrama yüksek malzeme kaybına, düşük verimliliğe ve şiddetli kirliliğe sahiptir ve yavaş yavaş yerini elmas tel küp küp kesme teknolojisine bırakmaktadır. Lazer kesme aynı zamanda performans ve verimlilik avantajlarıyla da öne çıkıyor. Geleneksel mekanik temaslı işleme teknolojileriyle karşılaştırıldığında, yüksek işleme verimliliği, dar çizgi çizgileri ve yüksek çentik yoğunluğu dahil olmak üzere pek çok avantaj sunarak elmas telli dilimlemenin yerini alacak güçlü bir rakip haline geliyor. Silisyum karbür gibi yeni-nesil yarı iletken malzemelerin uygulanması için yeni bir yol açıyor. Endüstriyel teknolojinin ilerlemesi ve silisyum karbür alt tabaka boyutlarının sürekli artmasıyla birlikte, silisyum karbür dilimleme teknolojisi hızla gelişecek ve verimli, yüksek-kaliteli lazer dilimleme, gelecekteki silisyum karbür kesimi için önemli bir trend olacaktır.
