01Uvod
Rezanje pločica je važan korak u proizvodnji poluvodičkih uređaja. Metoda rezanja i kvaliteta izravno utječu na debljinu, hrapavost, dimenzije i troškove proizvodnje pločice te imaju značajan utjecaj na proizvodnju uređaja. Silicijev karbid, kao treća-generacija poluvodičkog materijala, ključni je materijal za promicanje električne revolucije. Trošak proizvodnje visoko-kvalitetnog kristalnog silicijevog karbida iznimno je visok i često postoji želja da se veliki ingot silicij-karbida izreže u što je moguće više tankih podloga od silicij-karbida. Istodobno, industrijski razvoj doveo je do povećanja veličine pločica, što povećava zahtjeve za procese rezanja. Međutim, materijal silicijevog karbida ima izuzetno visoku tvrdoću, s Mohsovom tvrdoćom od 9,5, odmah nakon najtvrđeg dijamanta na svijetu (10), a također ima krhkost kristala, što ga čini teškim za rezanje. Trenutno se u industriji obično koristi rezanje žicom za gnojnicu ili rezanje dijamantnom žicom. Tijekom rezanja, fiksna žičana pila se postavlja u jednakim razmacima oko ingota silicij-karbida, te se zatezanjem žičane pile izrezuju pločice od silicij-karbida. Upotreba metode žičane pile za odvajanje pločica od ingota promjera 6-inča traje oko 100 sati. Dobivene pločice ne samo da imaju relativno veliki rez nego i veću hrapavost površine, što dovodi do gubitaka materijala čak do 46%. To povećava troškove korištenja materijala od silicij-karbida i ograničava njegov razvoj u industriji poluvodiča, zbog čega je hitno istraživanje novih tehnologija rezanja za pločice od silicij-karbida. Posljednjih godina upotreba tehnologije laserskog rezanja postala je sve popularnija u proizvodnji i obradi poluvodičkih materijala. Princip ove metode je korištenje fokusirane laserske zrake za modificiranje supstrata s površine materijala ili iznutra, čime se on odvaja. Budući da je ovo beskontaktni proces, izbjegava se učinak trošenja alata i mehaničkog naprezanja. Stoga uvelike poboljšava hrapavost površine i preciznost pločice, eliminira potrebu za naknadnim procesima poliranja, smanjuje gubitak materijala, smanjuje troškove i smanjuje zagađenje okoliša uzrokovano tradicionalnim procesima brušenja i poliranja. Tehnologija laserskog rezanja dugo se primjenjuje na rezanje silicijevih ingota, ali njena primjena u području silicij karbida još uvijek nije zrela, s nekoliko glavnih tehnologija koje su trenutno dostupne.
2Vodeno{1}}lasersko rezanje
Laserska-tehnologija vođena vodom (Laser MicroJet, LMJ), poznata i kao laserska mikrojet tehnologija, radi na principu fokusiranja laserske zrake na mlaznicu kada laser prolazi kroz-vodenu komoru s modulacijom tlaka; mlaz vode pod niskim{2}}tlakom izbacuje se iz mlaznice. Na granici vode i zraka, zbog razlike u indeksima loma, formira se svjetlosni valovod, koji omogućuje laseru da se širi duž smjera toka vode, čime se postiže rezanje površine materijala visoko{4}}navođenjem vodenog mlaza. Glavna prednost vodo{6}}vođenih lasera leži u kvaliteti rezanja; protok vode ne samo da hladi područje rezanja, smanjujući toplinsku deformaciju i oštećenje materijala, već odnosi i ostatke obrade. U usporedbi s rezanjem žičanom pilom, njegova brzina je značajno povećana. Međutim, apsorpcija različitih valnih duljina od strane vode varira, ograničavajući laserske valne duljine koje se uglavnom koriste na 1064 nm, 532 nm i 355 nm. Godine 1993. švicarski znanstvenik Beruold Richerzhagen prvi je predložio ovu tehnologiju, a njegova tvrtka, Synova, specijalizirana je za istraživanje i industrijalizaciju vodenih-lasera, vodećih u tehnološkom smislu na međunarodnoj sceni, dok je domaća tehnologija relativno zaostala, s tvrtkama poput Inno Lasera i Shengguang Silicon Researcha koje se aktivno razvijaju.
03Stealth Dicing
Stealth Dicing (SD) uključuje fokusiranje lasera kroz površinu silicijevog karbida u unutrašnjost čipa, stvarajući modificirani sloj na željenoj dubini kako bi se postiglo odvajanje pločica. Budući da na površini pločice nema rezova, može se postići veća preciznost obrade. Proces SD koji koristi nanosekundne pulsne lasere koristi se u industriji za odvajanje silicijskih pločica. Međutim, tijekom SD obrade silicijevog karbida induciranog nanosekundnim pulsirajućim laserima, dolazi do toplinskih učinaka jer je trajanje impulsa puno dulje od vremena sprezanja između elektrona i fonona u silicij karbidu (reda pikosekundi). Visoki toplinski unos u pločicu ne samo da čini odvajanje sklonom odstupanja od željenog smjera, već također stvara značajno zaostalo naprezanje, što dovodi do lomova i slabog cijepanja. Stoga se ultra- laserski SD procesi općenito koriste pri obradi silicij karbida, čime se uvelike smanjuju toplinski učinci.
Japanska tvrtka DISCO razvila je tehnologiju laserskog rezanja pod nazivom Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), koristeći primjer obrade kristalnog ingota silicij-karbida promjera 6 inča i debljine 20 mm, koja je četiri puta povećala stopu proizvodnje pločica od silicij-karbida. Bit KABRA procesa fokusira laser unutar materijala silicij karbida, razlažući silicij karbid na amorfni silicij i amorfni ugljik kroz 'amorfnu-crnu repetitivnu apsorpciju', i formirajući sloj kao točku razdvajanja za pločicu, naime crni amorfni sloj, koji apsorbira više svjetla, čime se olakšava lako odvajanje napolitanka.
Tehnologija hladnog cijepanja pločica koju je razvila Siltectra, koju je kupio Infineon, ne samo da omogućuje dijeljenje različitih vrsta ingota u pločice, već također rezultira gubitkom od samo 80 μm po pločici, smanjujući gubitak materijala za 90%, u konačnici smanjujući ukupne troškove proizvodnje uređaja do 30%. Tehnologija hladnog rezanja uključuje dvije faze: prvo, lasersko izlaganje stvara sloj delaminacije na ingotu, uzrokujući širenje volumena materijala od silicij karbida, što stvara vlačno naprezanje i formira vrlo uski sloj mikro-pukotina; zatim, kroz korak hlađenja polimera, ove mikro-pukotine se prerađuju u glavnu pukotinu, u konačnici odvajajući pločicu od preostalog ingota. Godine 2019. procjena treće-strane ove tehnologije izmjerila je da je površinska hrapavost Ra podijeljenih pločica manja od 3 µm, s najboljim rezultatima ispod 2 µm.
Modificirano lasersko rezanje koje je razvila domaća velika obiteljska laserska tvrtka je laserska tehnologija koja razdvaja poluvodičke pločice u pojedinačne čipove ili zrnca. Ovaj proces također uključuje unutarnje skeniranje pločice s preciznom laserskom zrakom kako bi se formirao modificirani sloj, dopuštajući pločici da se proširi duž putanje laserskog skeniranja pod primijenjenim naprezanjem, postižući precizno odvajanje.
Trenutačno su domaći proizvođači ovladali tehnologijom rezanja silicijevog karbida mortom, ali gubitak rezanja je velik, učinkovitost niska, a zagađenje ozbiljno, što se postupno zamjenjuje tehnologijom rezanja dijamantnom žicom. U isto vrijeme, prednosti performansi i učinkovitosti laserskog rezanja su istaknute, nudeći mnoge prednosti u usporedbi s tradicionalnim mehaničkim kontaktnim tehnologijama obrade, uključujući visoku učinkovitost obrade, uske staze rezanja i veliku gustoću strugotine, što ga čini jakim konkurentom za zamjenu tehnologije rezanja dijamantnom žicom i otvara novi put za primjenu sljedeće-generacije poluvodičkih materijala kao što je silicijev karbid. S razvojem industrijske tehnologije, veličina supstrata od silicij-karbida nastavlja se povećavati, a tehnologija rezanja silicij-karbida će se brzo razvijati; učinkovito i visoko{3}}kvalitetno lasersko rezanje bit će važan trend u rezanju silicijevim karbidom u budućnosti.
