Semiconductorii fac parte integrantă din funcționarea interioară a dispozitivelor medicale, contribuind la conductivitatea dintre neconductori și conductori pentru a controla curentul. La rândul său, procesul de asamblare pentru realizarea semiconductorului perfect este foarte detaliat, mai ales acum că dispozitivele devin din ce în ce mai mici. Pe măsură ce semiconductorii sunt miniaturizați rapid pentru a se potrivi în aceste dispozitive mai mici, rolul laserelor în fabricarea semiconductoarelor s-a adaptat.
Tehnologia laser este adesea folosită în fabricarea semiconductoarelor pentru fasciculele sale subțiri, precise, versatile și puternice dintr-o varietate de motive, inclusiv tăierea, sudarea, îndepărtarea stratului și marcarea.
Tăiere/scriere
În producția de semiconductori, există diferite etape de tăiere cubulețe, inclusiv tăierea vaferelor din blocuri de cristal și șabloane din pelicule subțiri. Tăierea în cuburi cu laser asigură că jetoanele sunt tăiate curat, astfel încât să se potrivească corect în dispozitivul final. Utilizarea laserelor permite tăierea semiconductorilor în multe forme și modele care nu sunt posibile folosind alte metode de tăiere cubulețe. Potrivit Școlii de Inginerie și Științe Aplicate Fu Foundation de la Universitatea Columbia, tăierea napolitanelor folosind această metodă reduce uzura sculelor și pierderile de material și are ca rezultat randamente mai mari.
Materialul de studiu al Columbia privind prelucrarea cu laser cu semiconductor afirmă că „avantajele tăierii cu laser includ uzura mai mică a sculei, pierderea redusă de material în jurul tăieturii, randamente mai mari datorită spargerii mai mici și răsturnare mai rapidă datorită ușurinței de fixare”.
O altă opțiune pentru tăiere este scrierea - găurirea unei serii de găuri oarbe distanțate sau suprapuse la jumătatea materialului. Aceasta este o metodă utilizată pe scară largă în aplicațiile de fabricare a semiconductorilor, cum ar fi tăierea substraturilor de oxid de aluminiu în suporturi de cip sau separarea plachetelor de siliciu în cipuri. Este de remarcat faptul că tipul de laser necesar pentru scriere depinde de materialul utilizat.
Universitatea spune: „Critarea cu oxid de aluminiu folosește lasere CO2, în timp ce marcarea cu siliciu folosește lasere Nd:YAG, deoarece diferite materiale au rate de absorbție diferite la lungimi de undă diferite”.
Motivația utilizării înscripționării versus tăierii depinde de viteza cu care are loc acțiunea în atelierul de fabricație. „Pentru oxidul de aluminiu, care are o grosime de aproximativ 0,025 inci, materialul poate fi marcat cu o viteză de aproximativ 10 inci pe secundă folosind un laser cu CO2 de putere medie, în timp ce pentru un laser similar, rata de tăiere poate fie fracțiuni de centimetru pe secundă”, scrie personalul universității. „Scribarea oferă, de asemenea, avantajul de a putea marca substratul înainte de finalizarea procesării și apoi îl separa cu ușurință în cipuri după procesare”.
Welding
Lipirea cu laser sau sudarea cu diodă cu laser este procesul de topire a părților adiacente ale unei componente semiconductoare împreună, la fel ca fixarea unei plachete pe o placă suport. Pentru plăcile de susținere care sunt gata să fie lipite (cum ar fi ramele de plumb), laserul plasează un semn de identificare pe cadru și apoi aspre suprafața pentru a se asigura că cele două părți sunt lipite în siguranță. Odată lipite împreună, mașina de marcat cu laser îndepărtează bavurile create de procesul de aspru.
Îndepărtarea stratului
Asigurarea că semiconductorii sunt curați și fără defecte face parte dintr-un proces de fabricație numit îndepărtarea acoperirii. Folosind un laser (de obicei Nd:YAG), acoperirile nedorite pot fi îndepărtate ca în cazul rășinii sau cuprului și ca în cazul straturilor de aur sau de film subțire. Pentru debavurare, laserul folosește fasciculul fin și precis pentru a îndepărta excesul de material fără a deteriora produsul.Îndepărtarea acoperirilorpermite analizarea mai clară a defectelor, eliminând necesitatea demontării pentru inspecție, ceea ce ar putea duce la deteriorarea produsului.
Marcare
Marcarea cu laser a semiconductoriloreste important pentru trasabilitatea și lizibilitatea produsului, ceea ce înseamnă că laserul trebuie să fie clar lizibil în tipărituri foarte mici. Trasabilitatea produsului înseamnă că produsul poate fi urmărit prin mai mulți pași de producție, precum și distribuția finală. Acest lucru facilitează găsirea și izolarea anumitor categorii de defecte.
De asemenea, cipurile marcate trebuie să fie lizibile, deoarece marcarea este o modalitate utilă de a determina ce produs este potrivit pentru o aplicație. Potrivit Wafer World, „Laserul nu numai că taie suprafața plachetei, ci și rearanjează particulele de suprafață pentru a crea marcaje extrem de puțin adânci, dar ușor de citit”.
Există două tipuri de markeri utilizați pe semiconductori: markeri de gravare și markeri recoapți. Markerii de gravare sunt straturi subțiri de material care sunt îndepărtate cu ajutorul unui laser, lăsând un semn texturat de aproximativ 12 până la 25 de microni adâncime. Acestea sunt adesea denumite „urme dure” deoarece există o schimbare vizibilă a stratului de suprafață.
Semnele de recoacere, pe de altă parte, folosesc un laser setat la un nivel de putere mai scăzut pentru a rearanja moleculele, mai degrabă decât a le grava. Acest lucru creează un contrast pe suprafața cipului care este vizibil atunci când lumina este reflectată.
Tip laser
În prezent, companiile folosesc în mare parte lasere cu stare solidă pentru fabricarea cipurilor, deoarece sunt cunoscute pentru puterea lor mare și folosesc minereu ca mediu laser. Mediile minerale constă de obicei din cristale de ytriu, aluminiu, granat sau vanadat de ytriu. De exemplu, laserele Nd:YAG folosesc cristale de granat ytriu aluminiu dopat cu neodim ca mediu. Raza laser este generată folosind un oscilator care stimulează mediul cu lumina de la o diodă laser.
Un tip de laser cu stare solidă utilizat pentru marcarea, gravarea și tăierea cipurilor este laserul cu fibră, spune Keyence, adăugând că laserele de mare viteză folosesc „fibre optice ca rezonatoare și creează structuri suprapuse prin placarea fibrelor dopate cu ioni Yb”. menționând că laserele sale cu fibră sunt cunoscute ca seria MD-F de lasere cu fibră pe axa 3-. „Unele dintre utilizările laserelor cu fibră includ îndepărtarea bavurilor din procesele de pre-producție, marcarea codurilor de trasabilitate și îndepărtarea rășinii pentru analiza defectelor”.
Laserele excimer sunt, de asemenea, utilizate în fabricarea semiconductoarelor. Acestea sunt adânciultravioletLasere (UV) cu lungimi de undă cuprinse între 126 nm și 351 nm, care sunt utilizate în principal pentru microprelucrarea polimerilor. Fasciculele laser UV mai scurte în comparație cu starea solidă le fac potrivite pentru orice tip de material, inclusiv materiale foarte fragile și delicate, și le permit să lucreze într-o zonă precisă foarte mică, cu un punct de acțiune redus. Când este utilizat pentru marcare, laserul UV modifică structura materialului produsului la nivel molecular fără a genera căldură în zona înconjurătoare.
Inovație cu laser
În prezent, laserele cu stare solidă și cu excimeri sunt considerate principalele opțiuni atunci când se utilizează fabricarea cu laser pentru producția de semiconductori. Cu toate acestea, o nouă opțiune care ar putea rivaliza cu clasicele ar putea fi disponibilă în curând. Într-un studiu recent publicat în revista Nature, o echipă de cercetători de la Universitatea din Kyoto, condusă de Susumu Noda, a scris că au luat măsuri pentru a depăși limitările luminozității laserului cu semiconductori prin modificarea structurii laserelor cu emisie de suprafață de cristal fotonic (PCSEL). Potrivit Institutului de Ingineri Electrici și Electronici, luminozitatea este un avantaj care include gradul de focalizare sau divergență al unui fascicul de lumină. - operațiuni de scalare din cauza provocărilor cu dimensiunea și luminozitatea laserelor.
Adesea, problema cu PCSEL-urilor provine din dorința de a-și extinde aria de emisie, ceea ce înseamnă că există loc pentru ca lumina să oscileze în direcția de emisie și în direcția transversală. „Aceste oscilații transversale sunt cunoscute ca moduri de ordin superior și pot distruge calitatea fasciculului”, scrie IEEE. „În plus, dacă laserul este operat continuu, căldura din interiorul laserului poate modifica indicele de refracție al dispozitivului, ceea ce duce la o deteriorare suplimentară a calității fasciculului”.
În studiul Nature, cercetătorii au folosit cristale fotonice încorporate în laser și „au adaptat reflectorul intern pentru a permite oscilații cu un singur mod pe o zonă mai largă și pentru a compensa daunele termice”. Aceste modificări au permis laserului să mențină o calitate ridicată a fasciculului pe toată durata funcționării continue.
Cercetătorii au dezvoltat un PCSEL cu diametrul de 3-mm în studiul lor, un salt de 10-ori față de dispozitivul anterior PCSEL cu diametrul de 1-mm.
„Pentru un laser cu emisie de suprafață cu cristal fotonic cu un diametru rezonant mare de 3 mm, puteri de ieșire [cu undă continuă] de peste 50 W, oscilații pure monomod și o divergență a fasciculului extrem de îngustă de 0,05 gradul , corespunzător la peste 10,000 lungimi de undă din material, au fost atinse", au scris cercetătorii în studiu. Luminozitatea ...... atinge 1 GW cm-2 sr-1, comparabilă cu laserele mari existente."
Este demn de remarcat faptul că prin „lasere cu volum mare”, cercetătorii se referă la laserele cu stare solidă și cu excimeri utilizate în prezent în fabricarea laserelor semiconductoare.
Ca parte a procesului de stabilire a unui centru de excelență de 1000-metru pătrat pentru lasere cu emisie de suprafață pentru cristale fotonice de la Universitatea din Kyoto, Noda și echipa sa au trecut, de asemenea, de la fabricarea de cristale fotonice folosind litografia cu fascicul de electroni la fabricându-le cu litografie cu nanoprint.
„Litografia cu fascicul E este precisă, dar de obicei prea lentă pentru producția la scară largă”, spune IEEE. „Litografia cu nanoimprente, practic, imprimă modele pe semiconductori și este utilă pentru a crea rapid modele foarte regulate.”
Potrivit studiului, următorul pas este extinderea în continuare a diametrului laserului de la 3 la 10 milimetri - o dimensiune care se pare că produce 1 kilowatt de putere de ieșire.
