Halvledere er en integrert del av den indre funksjonen til medisinsk utstyr, og bidrar til ledningsevnen mellom ikke-ledere og ledere for å kontrollere strømmen. På sin side er monteringsprosessen for å lage den perfekte halvlederen veldig detaljert, spesielt nå som enhetene blir mindre og mindre. Ettersom halvledere raskt miniatyriseres for å passe inn i disse mindre enhetene, har rollen til lasere i halvlederproduksjon tilpasset seg.
Laserteknologi brukes ofte i halvlederproduksjon for sine tynne, presise, allsidige og kraftige stråler av en rekke årsaker, inkludert skjæring, sveising, fjerning av belegg og merking.
Skjæring / skjæring
I produksjonen av halvledere er det ulike kuttetrinn, inkludert å kutte wafere ut av krystallblokker og maler ut av tynne filmer. Terninger med laser sørger for at brikkene kuttes rent slik at de passer ordentlig inn i den endelige enheten. Ved å bruke lasere kan halvledere kuttes i mange former og mønstre som ikke er mulig ved bruk av andre terningsmetoder. I følge Columbia Universitys Fu Foundation School of Engineering and Applied Science reduserer kutting av wafere ved hjelp av denne metoden verktøyslitasje og materialtap og resulterer i høyere utbytte.
Columbias studiemateriale om halvlederlaserbehandling sier at "fordelene med laserskjæring inkluderer mindre verktøyslitasje, redusert materialtap rundt kuttet, høyere utbytte på grunn av mindre brudd og raskere behandlingstid på grunn av enkel montering."
Et annet alternativ for skjæring er rissing - boring av en serie med tett avstand eller overlappende blinde hull halvveis gjennom materialet. Dette er en metode som er mye brukt i halvlederproduksjonsapplikasjoner, for eksempel kutting av aluminiumoksidsubstrater til brikkebærere eller separering av silisiumskiver til brikker. Det er verdt å merke seg at typen laser som kreves for å skrive, avhenger av materialet som brukes.
Universitetet sier: "Aluminiumoksydskriving bruker CO2-lasere, mens silisiumskriving bruker Nd:YAG-lasere fordi forskjellige materialer har forskjellige absorpsjonshastigheter ved forskjellige bølgelengder."
Motivasjonen for å bruke skrift versus klipping avhenger av hastigheten handlingen skjer med i fabrikasjonsbutikken. "For aluminiumoksid, som er omtrent 0.025 tommer tykt, kan materialet ripes med en hastighet på omtrent 10 tommer per sekund ved hjelp av en middels kraftig CO2-laser, mens for en lignende laser kan kuttehastigheten være brøkdeler av en tomme per sekund», skriver universitetsansatte. "Skriving gir også fordelen av å kunne skrive substratet før behandlingen er fullført og deretter enkelt skille det i sjetonger etter behandlingen."
Lodding
Laserlodding eller laserdiodesveising er prosessen med å smelte tilstøtende deler av en halvlederkomponent sammen, omtrent som å feste en wafer til et støttebrett. For støtteplater som er klare til å limes, for eksempel blyrammer, plasserer laseren et identifikasjonsmerke på rammen og gjør deretter overflaten ru for å sikre at de to delene er godt festet sammen. Når den er limt sammen, fjerner lasermarkeringsmaskinen gratene som er skapt av runingsprosessen.
Fjerning av belegg
Å sikre at halvlederen er ren og fri for defekter er en del av en produksjonsprosess som kalles beleggfjerning. Ved hjelp av en laser (vanligvis Nd:YAG) kan uønskede belegg fjernes som om de var harpiks eller kobber, og som om de var gull- eller tynnfilmbelegg. For avgrading bruker laseren sin fine, presise stråle for å fjerne overflødig materiale uten å forårsake skade på produktet. Fjerning av belegg gjør at defekter kan analyseres tydeligere, og eliminerer behovet for demontering for inspeksjon, noe som kan resultere i produktskade.
Merking
Lasermerking av halvledere er viktig for produktets sporbarhet og lesbarhet, noe som betyr at laseren skal være lett lesbar i svært små trykk. Produktsporbarhet betyr at produktet kan spores gjennom flere produksjonstrinn samt endelig distribusjon. Dette gjør det lettere å finne og isolere spesifikke kategorier av defekter.
Merkede sjetonger skal også være lesbare, da merking er en nyttig måte å finne ut hvilket produkt som er egnet for en applikasjon. I følge Wafer World, "laseren skjærer ikke bare inn i overflaten av waferen, men omorganiserer også overflatepartiklene for å lage ekstremt grunne, men lettleste markeringer."
Det er to typer markører som brukes på halvledere: etsemarkører og glødede markører. Etsemarkører er tynne lag med materiale som fjernes ved hjelp av en laser, og etterlater et teksturert merke på omtrent 12 til 25 mikron dyp. Disse omtales ofte som "harde merker" fordi det er en synlig endring i overflatelaget.
Glødemerker, derimot, bruker en laser satt til et lavere effektnivå for å omorganisere molekylene i stedet for å etse dem. Dette skaper en kontrast på brikkeoverflaten som er synlig når lys reflekteres.
Typer lasere
Foreløpig bruker selskaper stort sett solid-state lasere for brikkefremstilling fordi de er kjent for sin høye kraft og bruker malm som lasermedium. Malmmedier består vanligvis av yttrium-, aluminium-, granat- eller yttriumvanadatkrystaller. For eksempel bruker Nd:YAG-lasere neodym-dopet yttrium-aluminium granatkrystaller som medium. Laserstrålen genereres ved hjelp av en oscillator som stimulerer mediet med lys fra en laserdiode.
En type solid-state laser som brukes til brikkemerking, gravering og terninger er fiberlaseren, sier Keyence, og legger til at høyhastighetslaserne bruker "optiske fibre som resonatorer og skaper overlappende strukturer gjennom Yb-ion-dopet fiberkledning." bemerker at fiberlaserne er kjent som MD-F-serien med 3-akse fiberlasere. "Noen av bruksområdene til fiberlasere inkluderer fjerning av grader fra pre-produksjonsprosesser, merking av sporbarhetskoder og fjerning av harpiks for defektanalyse."
Excimer-lasere brukes også i halvlederproduksjon. Dette er dype ultrafiolette (UV) lasere med bølgelengder fra 126 nm til 351 nm som primært brukes til polymermikromaskinering. De kortere UV-laserstrålene sammenlignet med solid state gjør dem egnet for alle typer materialer, inkludert svært skjøre og ømfintlige materialer, og lar dem arbeide i et veldig lite presist område med et redusert handlingspunkt. Når de brukes til merking, endrer UV-lasere strukturen til produktmaterialet på molekylært nivå uten å generere varme i området rundt.
Laserinnovasjoner
For tiden blir solid-state og excimer-lasere sett på som hovedalternativene ved bruk av laserproduksjon for halvlederproduksjon. Imidlertid kan et nytt alternativ som kan konkurrere med klassikerne snart være tilgjengelig. I en fersk studie publisert i tidsskriftet Nature skrev et team av forskere fra Kyoto University ledet av Susumu Noda at de har tatt skritt for å overvinne begrensningene til halvlederlaserlysstyrke ved å endre strukturen til fotoniske krystalloverflate-emitterende lasere (PCSELs). I følge Institute of Electrical and Electronics Engineers er lysstyrke en fordel som inkluderer graden av fokusering eller divergens av en lysstråle. PCSEL-er, selv om de ble sett på som et attraktivt alternativ for lasere med høy lysstyrke, har tidligere vært uskalerbare for bruk i store -skala operasjoner på grunn av utfordringer med størrelsen og lysstyrken til laserne.
Ofte stammer problemet med PCSEL fra ønsket om å utvide sitt emitterende område, noe som betyr at det er rom for lyset til å svinge i emisjonsretningen og i tverrretningen. "Disse tverrgående oscillasjonene er kjent som moduser av høyere orden og kan ødelegge kvaliteten på strålen," skriver IEEE. "I tillegg, hvis laseren drives kontinuerlig, kan varmen inne i laseren endre brytningsindeksen til enheten, noe som fører til ytterligere forringelse av strålekvaliteten."
I Nature-studien brukte forskerne fotoniske krystaller innebygd i laseren og "tilpasset den interne reflektoren for å tillate enkeltmodussvingninger over et større område og for å kompensere for termisk skade." Disse endringene tillot laseren å opprettholde høy strålekvalitet gjennom kontinuerlig drift.
Forskerne utviklet en 3-mm-diameter PCSEL i studien deres, et 10-foldhopp fra den forrige 1-mm-diameter PCSEL-enheten.
"For en fotonisk krystalloverflate-emitterende laser med en stor resonansdiameter på 3 mm, [kontinuerlig bølge] utgangseffekter på mer enn 50 W, rene enkeltmodusoscillasjoner og en ekstremt smal stråledivergens på 0,05 grad , tilsvarende mer enn 10,000 bølgelengder i materialet, er oppnådd," skrev forskerne i studien. Lysstyrken ...... når 1 GW cm-2 sr-1, sammenlignbar med eksisterende store lasere."
Det er verdt å merke seg at med "lasere med stort volum," mener forskerne solid-state og excimer-lasere som for tiden brukes i halvlederlaserproduksjon.
Som en del av prosessen med å etablere et 1,000-kvadratmeters fortreffelighetssenter for overflateemitterende lasere for fotoniske krystaller ved Kyoto-universitetet, har Noda og teamet hans også gått over fra å produsere fotoniske krystaller ved bruk av elektronstrålelitografi til produsere dem med nanoimprint litografi.
"E-beam litografi er presis, men vanligvis for sakte for storskala produksjon," sier IEEE. "Nanoimprint litografi preger i utgangspunktet mønstre på halvledere og er nyttig for å lage veldig vanlige mønstre raskt."
Det neste trinnet, ifølge studien, er å fortsette å utvide diameteren på laseren fra 3 til 10 millimeter – en størrelse som angivelig produserer 1 kilowatt utgangseffekt.
Oversatt med www.DeepL.com/Translator (gratisversjon)
