Tecnologia delle macchine da taglio laser al carburo di silicio

Negli ultimi anni, l'uso diMacchina da taglio laserla tecnologia è diventata sempre più popolare nella produzione e nella lavorazione di materiali semiconduttori. Il principio di questo metodo è quello di utilizzare un raggio laser focalizzato per modificare il substrato dalla superficie o dall'interno del materiale, separandolo così. Poiché si tratta di un processo senza contatto, si evitano gli effetti dell'usura dell'utensile e dello stress meccanico. Di conseguenza, migliora notevolmente la ruvidità e la precisione della superficie del wafer ed elimina anche la necessità di successivi processi di lucidatura, riducendo la perdita di materiale, abbassando i costi e riducendo l'inquinamento ambientale causato dai tradizionali processi di levigatura e lucidatura. La tecnologia del taglio laser è utilizzata da tempo nel taglio dei lingotti di silicio, ma la sua applicazione nel campo del carburo di silicio non è ancora matura. Attualmente esistono principalmente le seguenti tecnologie.

1. Taglio laser con guida dell'acqua
Tecnologia laser a guida d'acqua (Laser MicroJet, LMJ), nota anche come tecnologia laser microjet, il suo principio è quello di focalizzare il raggio laser su un ugello quando il laser attraversa una cavità d'acqua a pressione modulata; dall'ugello viene espulsa una colonna d'acqua a bassa pressione. A causa dell'indice di rifrazione, all'interfaccia tra acqua e aria può essere formata una guida d'onda ottica, consentendo al laser di propagarsi lungo la direzione del flusso d'acqua, guidando così la superficie di il materiale lavorato per il taglio attraverso il getto d'acqua ad alta pressione. Il vantaggio principale del laser a guida acqua è la qualità del taglio. Il flusso d'acqua non solo può raffreddare l'area di taglio, ridurre la deformazione termica e il danno termico del materiale, ma anche rimuovere i detriti di lavorazione. Rispetto al taglio con sega a filo, la sua velocità è notevolmente più veloce. Tuttavia, poiché l'acqua assorbe la luce laser di diverse lunghezze d'onda in gradi diversi, la lunghezza d'onda del laser è limitata, principalmente 1064 nm, 532 nm e 355 nm.

Nel 1993, lo scienziato svizzero Beruold Richerzhagen propose per primo questa tecnologia. L'azienda da lui fondata, Synova, è specializzata nella ricerca, sviluppo e industrializzazione di laser a guida acqua. È in una posizione di leadership nella tecnologia a livello internazionale. La tecnologia domestica è relativamente arretrata. Inno Laser e Shengguang Silicon Research Altre società stanno attivamente ricercando e sviluppando.

2. Taglio invisibile

Lo Stealth Dicing (SD) concentra la luce laser all'interno del wafer attraverso la superficie del carburo di silicio per formare uno strato modificato alla profondità richiesta, staccando così il wafer. Poiché non sono presenti tagli sulla superficie del wafer, è possibile ottenere un'elevata precisione di lavorazione. Il processo SD con laser pulsati a nanosecondi è già utilizzato nell'industria per separare i wafer di silicio. Tuttavia, durante l'elaborazione SD del carburo di silicio indotta dal laser con impulsi di nanosecondi, si verificheranno effetti termici perché la durata dell'impulso è molto più lunga del tempo di accoppiamento tra elettroni e fononi nel carburo di silicio (ordine dei picosecondi). L'elevato apporto di calore al wafer non solo rende la separazione soggetta a deflessione dalla direzione desiderata, ma crea anche grandi tensioni residue che possono portare a fratture e scarsa sfaldatura. Pertanto, quando si lavora il carburo di silicio, viene generalmente utilizzato il processo SD del laser a impulsi ultracorti e l'effetto termico è notevolmente ridotto.

La società giapponese DISCO ha sviluppato una tecnologia di taglio laser chiamata assorbimento ripetitivo nero-amorfo (KABRA). Prendendo come esempio la lavorazione di lingotti di carburo di silicio con un diametro di 6 pollici e uno spessore di 20 mm, la produttività del wafer di silicio carbonizzato è quadruplicata. Il processo KABRA concentra essenzialmente il laser all'interno del materiale in carburo di silicio. Attraverso "assorbimento ripetuto nero amorfo", il carburo di silicio viene decomposto in silicio amorfo e carbonio amorfo e forma uno strato che funge da punto base per la separazione dei wafer, ovvero nero. Lo strato amorfo assorbe più luce, consentendo ai wafer di essere facilmente separabili.

La tecnologia Cold Split wafer sviluppata da Siltectra, acquisita da Infineon, non solo può dividere vari tipi di lingotti in wafer, ma anche ridurre la perdita di ciascun wafer fino a 80 μm, riducendo la perdita di materiale del 90%. Il costo totale di produzione del dispositivo finale è ridotto fino al 30%. La tecnologia del taglio a freddo è divisa in due fasi: in primo luogo, il lingotto di cristallo viene irradiato con il laser per formare uno strato di pelatura, che espande il volume interno del materiale in carburo di silicio, generando così uno stress di trazione e formando uno strato di microfessure molto strette; e poi le microfessure vengono tagliate attraverso la fase di raffreddamento del polimero. La fessura viene trasformata in una fessura principale che alla fine separa il wafer dal lingotto rimanente. Nel 2019, un ente terzo ha valutato questa tecnologia e ha misurato che la rugosità superficiale Ra del wafer dopo la segmentazione era inferiore a 3 µm, con il risultato migliore inferiore a 2 µm.

Il dicing modificato sviluppato dalla Cina JTBYShield Laser è una tecnologia laser che separa i wafer semiconduttori in singoli chip o matrici. Questo processo utilizza anche un raggio laser di precisione per eseguire la scansione all'interno del wafer per formare uno strato modificato, in modo che il wafer possa espandersi lungo il percorso di scansione laser attraverso lo stress esterno per completare la separazione precisa.

Al momento, abbiamo padroneggiato la tecnologia del taglio della malta del carburo di silicio, ma il taglio della malta presenta perdite elevate, bassa efficienza e grave inquinamento. Viene gradualmente ripetuto con la tecnologia di taglio del filo diamantato. Allo stesso tempo, i vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza del taglio laser sono eccezionali, a differenza della tradizionale lavorazione a contatto meccanico. La tecnologia presenta numerosi vantaggi, tra cui un'elevata efficienza di elaborazione, un percorso di tracciatura stretto e un'elevata densità dei trucioli. Si tratta di un forte concorrente in grado di sostituire la tecnologia di taglio a filo diamantato e apre una nuova strada per l’applicazione di materiali semiconduttori di prossima generazione come il carburo di silicio. Con lo sviluppo della tecnologia industriale, la dimensione dei substrati di carburo di silicio continua ad aumentare, la tecnologia di taglio del carburo di silicio si svilupperà rapidamente e il taglio laser efficiente e di alta qualità diventerà una tendenza importante nel taglio del carburo di silicio in futuro.

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