01Giriş
Gofret dilimleme, yarı iletken cihaz imalatında önemli bir adımdır. Kesme 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 desteklemek için çok önemli bir malzemedir. Yüksek-kaliteli kristal silisyum karbürün üretim maliyeti son derece yüksektir ve genellikle büyük bir silisyum karbür külçesinin mümkün olduğu kadar çok sayıda ince silisyum karbür levha alt tabakasına kesilmesi isteği vardır. Aynı zamanda endüstriyel gelişme, kesme işlemlerine yönelik talepleri artıran levha boyutunda bir artışa yol açmıştır. Bununla birlikte silisyum karbür malzeme, 9,5 Mohs sertliğiyle son derece yüksek bir sertliğe sahiptir; bu, dünyadaki en sert elmastan sonra ikinci sıradadır (10) ve aynı zamanda kristallerin kırılganlığına sahiptir, bu da kesilmesini zorlaştırır. Şu anda endüstride genellikle çamurlu tel kesme veya elmas tel testereyle kesme kullanılmaktadır. Kesim sırasında silisyum karbür külçenin etrafına eşit aralıklarla sabit bir tel testere konumlandırılır ve tel testere gerilerek silisyum karbür levhalar kesilir. İnce levhaları 6{20}}inç çaplı bir külçeden ayırmak için tel testere yöntemini kullanmak yaklaşık 100 saat sürer. Ortaya çıkan levhalar yalnızca nispeten büyük bir kesime sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda daha büyük bir yüzey pürüzlülüğüne de sahip oluyor ve bu da %46'ya varan malzeme kayıplarına yol açıyor. Bu durum silisyum karbür malzemelerin kullanım maliyetini arttırmakta ve yarı iletken endüstrisindeki gelişimini kısıtlayarak silisyum karbür levhalar için yeni kesme teknolojilerine yönelik araştırmaları acil hale getirmektedir. Son yıllarda, yarı iletken malzemelerin üretimi ve işlenmesinde lazerle kesme teknolojisinin kullanımı giderek daha popüler hale gelmiştir. Bu yöntemin prensibi, alt tabakayı malzemenin yüzeyinden veya içinden değiştirmek için odaklanmış bir lazer ışınını kullanmak ve böylece onu ayırmaktır. Bu temassız bir işlem olduğu için takım aşınmasının ve mekanik stresin etkilerini önler. Bu nedenle, levhanın yüzey pürüzlülüğünü ve hassasiyetini büyük ölçüde artırır, sonraki cilalama işlemlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır, malzeme kaybını azaltır, maliyetleri düşürür ve geleneksel taşlama ve cilalama işlemlerinin neden olduğu çevre kirliliğini en aza indirir. Lazer kesim teknolojisi uzun süredir silisyum külçelerin kesilmesinde uygulanıyor ancak silisyum karbür alanındaki uygulaması henüz olgunlaşmamış ve mevcut birkaç ana teknoloji var.
2Su-kılavuzlu lazer kesim
Lazer mikrojet teknolojisi olarak da bilinen su-kılavuzlu lazer teknolojisi (Laser MicroJet, LMJ), lazer, basınç-düzenlenmiş bir su haznesinden geçtiğinde, lazer ışınını bir nozul üzerine odaklama prensibiyle çalışır; ağızlıktan düşük-basınçlı bir su akışı püskürtülür. Su ve havanın arayüzünde, kırılma indislerindeki farklılık nedeniyle, lazerin su akış yönü boyunca yayılmasına izin veren bir ışık dalga kılavuzu oluşturulur ve böylece yüksek- basınçlı su jeti kılavuzu aracılığıyla malzeme yüzeyinin kesilmesi sağlanır. Su-kılavuzlu lazerlerin temel avantajı kesme kalitesinde yatmaktadır; su akışı yalnızca kesme alanını soğutmakla kalmaz, malzemenin termal deformasyonunu ve hasarını azaltır, aynı zamanda işlem artıklarını da uzaklaştırır. Tel testereyle kesmeyle karşılaştırıldığında hızı önemli ölçüde artar. Bununla birlikte, farklı dalga boylarının su tarafından emilmesi değişiklik gösterir ve kullanılan lazer dalga boylarını esas olarak 1064nm, 532nm ve 355nm ile sınırlandırır. 1993 yılında, İsviçreli bilim adamı Beruold Richerzhagen bu teknolojiyi ilk kez önerdi ve şirketi Synova, su güdümlü lazerlerin araştırılması ve sanayileştirilmesinde uzmanlaşarak uluslararası sahnede teknolojik açıdan lider olurken, yerli teknoloji Inno Laser ve gibi şirketlerle nispeten gerideyken Shengguang Silikon Araştırması aktif olarak gelişiyor.
03Gizli Doğrama
Gizli Dilimleme (SD), bir lazerin silikon karbür yüzeyinden çipin iç kısmına odaklanmasını ve levha ayrılmasını sağlamak için istenen derinlikte değiştirilmiş bir katman oluşturulmasını içerir. Gofretin yüzeyinde herhangi bir kesim olmadığından daha yüksek işleme hassasiyeti elde edilebilir. Nanosaniye darbe lazerlerini kullanan SD işlemi, silikon levhaların ayrılması için endüstride kullanılmaktadır. Bununla birlikte, nanosaniye darbeli lazerler tarafından indüklenen silisyum karbürün SD işlemi sırasında, darbe süresinin silisyum karbürdeki elektronlar ve fononlar arasındaki bağlanma süresinden (pikosaniye düzeyinde) çok daha uzun olması nedeniyle termal etkiler meydana gelir. Levhaya verilen yüksek termal girdi, yalnızca ayrılmanın istenen yönden sapma eğilimi göstermesine neden olmakla kalmaz, aynı zamanda kırılmalara ve zayıf bölünmeye yol açan önemli artık gerilim de üretir. Bu nedenle, silisyum karbür işlenirken genellikle ultra-kısa darbeli lazer SD işlemleri kullanılır ve termal etkiler büyük ölçüde azaltılır.
Japon şirketi DISCO, 6 inç çapında ve 20 mm kalınlığında bir silisyum karbür kristal külçesinin işlenmesi örneğini kullanarak Anahtar Amorf-Siyah Tekrarlı Emilim (KABRA) adı verilen bir lazer kesme teknolojisi geliştirdi; bu, silisyum karbür levhaların üretim oranını dört kat artırdı. KABRA işleminin özü, lazeri silisyum karbür malzemenin içine odaklar, silisyum karbürü 'amorf-siyah tekrarlayan emilim' yoluyla amorf silikon ve amorf karbona ayrıştırır ve levha için bir ayırma noktası olarak bir katman, yani daha fazla ışık emen siyah amorf katman oluşturur, böylece levhanın kolay ayrılmasını kolaylaştırır.
Infineon tarafından satın alınan, Siltectra tarafından geliştirilen soğuk bölünmüş levha teknolojisi, yalnızca çeşitli külçe türlerinin levhalara bölünmesine izin vermekle kalmıyor, aynı zamanda levha başına 80μm kadar az bir kayıpla sonuçlanarak malzeme kaybını %90 oranında azaltıyor ve sonuçta cihazların toplam üretim maliyetini %30'a kadar düşürüyor. Soğuk kesme teknolojisi iki aşamayı içerir: birincisi, lazere maruz kalma, külçe üzerinde bir delaminasyon tabakası oluşturarak silisyum karbür malzemenin hacimsel olarak genişlemesine neden olur, bu da çekme gerilimi yaratır ve çok dar bir mikro-çatlak tabakası oluşturur; daha sonra, bir polimer soğutma adımı yoluyla, bu mikro-çatlaklar işlenerek ana çatlak haline getirilir ve sonuçta levhayı kalan külçeden ayırır. 2019'da, bu teknolojiyle ilgili bir üçüncü{8}taraf değerlendirmesi, bölünmüş levhaların yüzey pürüzlülüğü Ra'nın 3 µm'den az olduğunu ve en iyi sonuçların 2 µm'nin altında olduğunu ölçtü.
Yerli büyük bir aile lazer şirketi tarafından geliştirilen modifiye lazer kesim, yarı iletken levhaları ayrı ayrı çiplere veya taneciklere ayıran bir lazer teknolojisidir. Bu işlem aynı zamanda değiştirilmiş bir katman oluşturmak için yonga levhanın hassas bir lazer ışınıyla dahili olarak taranmasını da içerir; böylece levhanın uygulanan stres altında lazer tarama yolu boyunca genişlemesine olanak tanınarak hassas ayırma elde edilir.
Şu anda, yerli üreticiler silisyum karbürün harçla kesilmesi teknolojisinde uzmanlaştı, ancak kesme kaybı büyük, verimlilik düşük ve kirlilik şiddetli, bu da yavaş yavaş yerini elmas tel kesme teknolojisine bırakıyor. Aynı zamanda, lazer kesimin performans ve verimlilik avantajları öne çıkıyor; geleneksel mekanik temaslı işleme teknolojileriyle karşılaştırıldığında yüksek işleme verimliliği, dar dilimleme yolları ve yüksek talaş yoğunluğu gibi pek çok avantaj sunuyor, bu da onu elmas telli kesme teknolojisinin yerini alacak güçlü bir rakip haline getiriyor ve silisyum karbür gibi yeni-nesil yarı iletken malzemelerin uygulanması için yeni bir yol açıyor. Endüstriyel teknolojinin gelişmesiyle birlikte silisyum karbür yüzeylerin boyutu artmaya devam ediyor ve silisyum karbür kesme teknolojisi hızla gelişecek; verimli ve yüksek-kaliteli lazer kesim, gelecekte silisyum karbür kesimde önemli bir trend olacaktır.
