Poluvodiči su sastavni dio unutarnjeg rada medicinskih uređaja, pridonoseći vodljivosti između nevodiča i vodiča za kontrolu struje. Zauzvrat, proces sastavljanja za izradu savršenog poluvodiča vrlo je detaljan, pogotovo sada kada uređaji postaju sve manji i manji. Kako se poluvodiči brzo minijaturiziraju kako bi stali u ove manje uređaje, uloga lasera u proizvodnji poluvodiča se prilagodila.
Laserska tehnologija često se koristi u proizvodnji poluvodiča zbog svojih tankih, preciznih, svestranih i snažnih zraka iz raznih razloga, uključujući rezanje, zavarivanje, uklanjanje premaza i označavanje.
Rezanje/škrobanje
U proizvodnji poluvodiča postoje različiti koraci rezanja, uključujući rezanje pločica iz kristalnih blokova i šablona iz tankih filmova. Lasersko rezanje na kockice osigurava čisto rezanje čipsa kako bi pravilno pristajao u konačni uređaj. Korištenje lasera omogućuje rezanje poluvodiča u mnoge oblike i uzorke koji nisu mogući drugim metodama rezanja. Prema Fakultetu za inženjerstvo i primijenjenu znanost Fu Foundation Sveučilišta Columbia, rezanje pločica ovom metodom smanjuje trošenje alata i gubitak materijala te rezultira većim prinosima.
Columbijin studijski materijal o poluvodičkoj laserskoj obradi navodi da "prednosti laserskog rezanja uključuju manje trošenje alata, smanjeni gubitak materijala oko reza, veći prinos zbog manjeg loma i brži obrt zbog lakoće učvršćivanja."
Još jedna mogućnost rezanja je rezanje - bušenje niza blisko razmaknutih ili preklapajućih slijepih rupa na pola puta kroz materijal. Ovo je metoda koja se naširoko koristi u primjenama proizvodnje poluvodiča, kao što je rezanje supstrata od aluminijevog oksida u nosače čipova ili odvajanje silicijskih pločica u čipove. Vrijedno je napomenuti da vrsta lasera potrebnog za crtanje ovisi o korištenom materijalu.
Sveučilište kaže: "Cribiranje aluminijevim oksidom koristi CO2 lasere, dok se za crtanje silicijem koriste Nd:YAG laseri jer različiti materijali imaju različite stope apsorpcije na različitim valnim duljinama."
Motivacija za korištenje piskanja u odnosu na rezanje ovisi o brzini kojom se radnja odvija u tvornici. "Za aluminijev oksid, koji je debljine oko 0,025 inča, materijal se može urezivati brzinom od oko 10 inča u sekundi korištenjem CO2 lasera srednje snage, dok za sličan laser, brzina rezanja može biti djelići inča u sekundi", piše sveučilišno osoblje. "Scribiranje također nudi prednost mogućnosti piskanja supstrata prije dovršetka obrade i zatim jednostavnog razdvajanja na čipove nakon obrade."
Wstarješina
Lasersko lemljenje ili zavarivanje laserskom diodom postupak je međusobnog taljenja susjednih dijelova poluvodičke komponente, slično pričvršćivanju pločice na potpornu ploču. Za potporne ploče koje su spremne za lijepljenje (kao što su olovni okviri), laser postavlja identifikacijsku oznaku na okvir i zatim ohrapavlja površinu kako bi se osiguralo da su dva dijela sigurno spojena. Nakon spajanja, stroj za lasersko označavanje uklanja neravnine nastale postupkom hrapavosti.
Uklanjanje premaza
Osiguravanje da su poluvodiči čisti i bez grešaka dio je proizvodnog procesa koji se naziva uklanjanje premaza. Korištenjem lasera (obično Nd:YAG), neželjene prevlake mogu se ukloniti kao kod smole ili bakra, kao i kod zlata ili tankog filma. Za skidanje ivica, laser koristi svoju finu, preciznu zraku za uklanjanje viška materijala bez oštećenja proizvoda.Uklanjanje premazaomogućuje jasniju analizu nedostataka, eliminirajući potrebu za rastavljanjem radi pregleda, što bi moglo dovesti do oštećenja proizvoda.
Obilježava
Lasersko označavanje poluvodičaje važan za sljedivost i čitljivost proizvoda, što znači da laser mora biti jasno čitljiv u vrlo malim otiscima. Sljedivost proizvoda znači da se proizvod može pratiti kroz više koraka proizvodnje, kao i konačne distribucije. To olakšava pronalaženje i izolaciju određenih kategorija nedostataka.
Označeni čipovi također moraju biti čitljivi, jer je označavanje koristan način da se odredi koji je proizvod prikladan za primjenu. Prema Wafer Worldu, "Laser ne samo da reže površinu vafla, već također preuređuje površinske čestice kako bi stvorio izuzetno plitke, ali lako čitljive oznake."
Postoje dvije vrste markera koji se koriste na poluvodičima: markeri za nagrizanje i markeri za žarenje. Markeri za jetkanje su tanki slojevi materijala koji se uklanjaju pomoću lasera, ostavljajući teksturirani trag dubok oko 12 do 25 mikrona. Oni se često nazivaju "tvrdim tragovima" jer postoji vidljiva promjena površinskog sloja.
Oznake žarenja, s druge strane, koriste laser postavljen na nižu razinu snage kako bi prerasporedile molekule umjesto da ih urežu. To stvara kontrast na površini čipa koji je vidljiv kada se svjetlost reflektira.
Vrsta lasera
Trenutno tvrtke uglavnom koriste solid-state lasere za proizvodnju čipova jer su poznati po svojoj velikoj snazi i koriste rudu kao laserski medij. Mineralni mediji obično se sastoje od kristala itrija, aluminija, granata ili itrijevog vanadata. Na primjer, Nd:YAG laseri kao medij koriste kristale itrij aluminij granata dopirane neodimijem. Laserska zraka se generira pomoću oscilatora koji stimulira medij svjetlošću laserske diode.
Jedna vrsta lasera u čvrstom stanju koji se koristi za označavanje strugotine, graviranje i rezanje je fiber laser, kaže Keyence, dodajući da laseri velike brzine koriste "optička vlakna kao rezonatore i stvaraju preklapajuće strukture kroz obloge vlakana dopiranih Yb-ionima," napominjući da su njegovi fiber laseri poznati kao MD-F serija 3-os fiber lasera. "Neke od upotreba lasera s vlaknima uključuju uklanjanje neravnina iz pretproizvodnih procesa, označavanje kodova za sljedivost i uklanjanje smole za analizu nedostataka."
Excimer laseri se također koriste u proizvodnji poluvodiča. Ove su dubokeultraljubičasto(UV) laseri s valnim duljinama u rasponu od 126 nm do 351 nm koji se prvenstveno koriste za mikrostrojnu obradu polimera. Kraće UV laserske zrake u usporedbi s čvrstim, čine ih prikladnima za sve vrste materijala, uključujući vrlo lomljive i osjetljive materijale, i omogućuju im rad u vrlo malom preciznom području sa smanjenom točkom djelovanja. Kada se koristi za označavanje, UV laser mijenja strukturu materijala proizvoda na molekularnoj razini bez stvaranja topline u okolnom području.
Laserska inovacija
Trenutno se solid-state i excimer laseri smatraju glavnim opcijama pri korištenju laserske proizvodnje za proizvodnju poluvodiča. Međutim, uskoro bi mogla biti dostupna nova opcija koja bi mogla parirati klasicima. U nedavnoj studiji objavljenoj u časopisu Nature, tim istraživača sa Sveučilišta Kyoto pod vodstvom Susumua Node napisao je da su poduzeli korake za prevladavanje ograničenja svjetline poluvodičkih lasera promjenom strukture lasera koji emitiraju površinu fotonskih kristala (PCSEL). Prema Institutu inženjera elektrotehnike i elektronike, svjetlina je prednost koja uključuje stupanj fokusiranja ili divergencije snopa svjetlosti. PCSEL-ovi, iako su se smatrali atraktivnom opcijom za lasere visoke svjetline, ranije nisu bili skalabilni za korištenje u velikim - operacije na skali zbog izazova s veličinom i svjetlinom lasera.
Često problem s PCSEL-ima proizlazi iz želje da im se proširi područje emitiranja, što znači da postoji prostor za osciliranje svjetlosti u smjeru emisije iu poprečnom smjeru. "Ove transverzalne oscilacije poznate su kao modovi višeg reda i mogu uništiti kvalitetu zrake", piše IEEE. "Osim toga, ako laser radi neprekidno, toplina unutar lasera može promijeniti indeks loma uređaja, što dovodi do daljnjeg pogoršanja kvalitete zrake."
U studiji Nature, istraživači su koristili fotonske kristale ugrađene u laser i "prilagodili unutarnji reflektor kako bi omogućili jednomodne oscilacije na širem području i kompenzirali toplinsku štetu". Ove su promjene omogućile laseru da zadrži visoku kvalitetu zrake tijekom neprekidnog rada.
Istraživači su u svojoj studiji razvili PCSEL promjera 3- mm, što je 10- skok u odnosu na prethodni uređaj PCSEL promjera 1- mm.
"Za fotonski kristalni površinski emitirajući laser s velikim rezonantnim promjerom od 3 mm, izlaznom snagom [kontinuiranog vala] većom od 50 W, čistim jednomodnim oscilacijama i iznimno uskom divergencijom snopa od 0,05 stupnja, što odgovara više od 10,000 valnih duljina u materijalu, postignuti su", napisali su istraživači u studiji. Svjetlina ...... doseže 1 GW cm-2 sr-1, usporedivo s postojećim velikim laserima."
Vrijedno je napomenuti da pod "laserima velikog volumena" istraživači misle na solid-state i excimer lasere koji se trenutno koriste u proizvodnji poluvodičkih lasera.
Kao dio procesa uspostave centra izvrsnosti od 1,000-kvadratnog metra za lasere koji emitiraju površinu za fotonske kristale na Sveučilištu Kyoto, Noda i njegov tim također su prešli s proizvodnje fotonskih kristala korištenjem litografije s elektronskim snopom na izrađujući ih litografijom nanootiska.
"E-beam litografija je precizna, ali obično prespora za veliku proizvodnju", kaže IEEE. "Nanoimprint litografija u osnovi utiskuje uzorke na poluvodiče i korisna je za brzo stvaranje pravilnih uzoraka."
Prema studiji, sljedeći korak je nastavak povećanja promjera lasera s 3 na 10 milimetara - veličine koja navodno proizvodi 1 kilovat izlazne snage.
