Halfgeleiders zijn een integraal onderdeel van de interne werking van medische apparaten en dragen bij aan de geleidbaarheid tussen niet-geleiders en geleiders om de stroom te regelen. Het assemblageproces om de perfecte halfgeleider te maken is dan weer zeer gedetailleerd, zeker nu apparaten steeds kleiner worden. Omdat halfgeleiders snel worden geminiaturiseerd om in deze kleinere apparaten te passen, is de rol van lasers bij de productie van halfgeleiders aangepast.
Lasertechnologie wordt vaak gebruikt bij de productie van halfgeleiders vanwege de dunne, nauwkeurige, veelzijdige en krachtige stralen om verschillende redenen, waaronder snijden, lassen, verwijderen van coatings en markeren.
Knippen / Schrijven
Bij de productie van halfgeleiders zijn er verschillende snijstappen, waaronder het snijden van wafels uit kristalblokken en sjablonen uit dunne films. Snijden met een laser zorgt ervoor dat chips netjes worden gesneden, zodat ze goed in het uiteindelijke apparaat passen. Met behulp van lasers kunnen halfgeleiders in vele vormen en patronen worden gesneden die met andere snijmethoden niet mogelijk zijn. Volgens de Fu Foundation School of Engineering and Applied Science van Columbia University vermindert het snijden van wafels met deze methode gereedschapsslijtage en materiaalverlies en resulteert het in hogere opbrengsten.
Columbia's studiemateriaal over halfgeleiderlaserverwerking stelt dat "voordelen van lasersnijden zijn onder meer minder gereedschapsslijtage, minder materiaalverlies rond de snede, hogere opbrengsten door minder breuk en snellere doorlooptijd dankzij gemakkelijke bevestiging."
Een andere optie voor snijden is krassen - het boren van een reeks dicht bij elkaar gelegen of overlappende blinde gaten halverwege het materiaal. Dit is een methode die veel wordt gebruikt in toepassingen voor de fabricage van halfgeleiders, zoals het snijden van aluminiumoxidesubstraten in chipdragers of het scheiden van siliciumwafels in chips. Het is vermeldenswaard dat het type laser dat nodig is voor het aftekenen afhangt van het gebruikte materiaal.
De universiteit zegt: "Aluminiumoxide-schrijven gebruikt CO2-lasers, terwijl silicium-schrijven Nd:YAG-lasers gebruikt omdat verschillende materialen verschillende absorptiesnelheden hebben bij verschillende golflengten."
De motivatie voor het gebruik van krassen versus snijden hangt af van de snelheid waarmee de actie plaatsvindt in de fabricagewerkplaats. "Voor aluminiumoxide, dat ongeveer 00,025 inch dik is, kan het materiaal worden gekerfd met een snelheid van ongeveer 10 inch per seconde met behulp van een CO2-laser met gemiddeld vermogen, terwijl voor een vergelijkbare laser de snijsnelheid fracties van een inch per seconde zijn', schrijft het universiteitspersoneel. "Scribing biedt ook het voordeel dat je het substraat kunt markeren voordat de verwerking is voltooid en het na verwerking gemakkelijk in chips kan scheiden."
Solderen
Lasersolderen of laserdiodelassen is het proces van het samensmelten van aangrenzende delen van een halfgeleidercomponent, vergelijkbaar met het bevestigen van een wafel aan een steunplaat. Voor steunplaten die klaar zijn om te worden gelijmd, zoals loodframes, plaatst de laser een identificatiemarkering op het frame en ruwt vervolgens het oppervlak op om ervoor te zorgen dat de twee delen stevig aan elkaar worden gehecht. Eenmaal aan elkaar gehecht, verwijdert de lasermarkeermachine de bramen die zijn ontstaan door het opruwingsproces.
Coating verwijderen
Ervoor zorgen dat de halfgeleider schoon en vrij van defecten is, maakt deel uit van een productieproces dat coatingverwijdering wordt genoemd. Met behulp van een laser (meestal Nd:YAG) kunnen ongewenste coatings worden verwijderd alsof het hars of koper is, en alsof het goud of dunne filmcoatings zijn. Voor het ontbramen gebruikt de laser zijn fijne, precieze straal om overtollig materiaal te verwijderen zonder het product te beschadigen. Door het verwijderen van coatings kunnen defecten duidelijker worden geanalyseerd, waardoor demontage voor inspectie, wat kan leiden tot productschade, niet meer nodig is.
Markering
Lasermarkering van halfgeleiders is belangrijk voor de traceerbaarheid en leesbaarheid van producten, wat betekent dat de laser in zeer kleine afdrukken duidelijk leesbaar moet zijn. Traceerbaarheid van producten betekent dat het product kan worden gevolgd door de verschillende productiestappen en de uiteindelijke distributie. Dit maakt het gemakkelijker om specifieke categorieën defecten te vinden en te isoleren.
Gemarkeerde chips moeten ook leesbaar zijn, omdat markering een handige manier is om te bepalen welk product geschikt is voor een toepassing. Volgens Wafer World: "De laser snijdt niet alleen in het oppervlak van de wafel, maar herschikt ook de oppervlaktedeeltjes om extreem ondiepe maar gemakkelijk leesbare markeringen te creëren."
Er worden twee soorten markeringen gebruikt op halfgeleiders: etsmarkeringen en uitgegloeide markeringen. Etsmarkeringen zijn dunne materiaallagen die met een laser worden verwijderd, waardoor een getextureerde markering van ongeveer 12 tot 25 micron diep achterblijft. Deze worden vaak "hard marks" genoemd omdat er een zichtbare verandering is in de oppervlaktelaag.
Gloeimarkeringen daarentegen gebruiken een laser die is ingesteld op een lager vermogensniveau om de moleculen te herschikken in plaats van ze te etsen. Dit creëert een contrast op het chipoppervlak dat zichtbaar is wanneer licht wordt gereflecteerd.
Soorten lasers
Momenteel gebruiken bedrijven meestal solid-state lasers voor chipfabricage, omdat ze bekend staan om hun hoge vermogen en erts als lasermedium gebruiken. Ertsmedia bestaan typisch uit yttrium-, aluminium-, granaat- of yttriumvanadaatkristallen. Nd:YAG-lasers gebruiken bijvoorbeeld neodymium-gedoteerde yttrium-aluminium-granaatkristallen als medium. De laserstraal wordt gegenereerd met behulp van een oscillator die het medium stimuleert met licht van een laserdiode.
Een type solid-state laser die wordt gebruikt voor het markeren, graveren en in blokjes snijden van chips is de fiberlaser, zegt Keyence, eraan toevoegend dat de hogesnelheidslasers "optische vezels gebruiken als resonatoren en overlappende structuren creëren door Yb-ion gedoteerde vezelbekleding", opmerkend dat zijn fiberlasers bekend staan als de MD-F-serie van 3-axis fiberlasers. "Sommige toepassingen van fiberlasers zijn onder meer het verwijderen van bramen uit preproductieprocessen, het markeren van traceerbaarheidscodes en het verwijderen van hars voor defectanalyse."
Excimerlasers worden ook gebruikt bij de productie van halfgeleiders. Dit zijn diepe ultraviolette (UV) lasers met golflengten variërend van 126 nm tot 351 nm die voornamelijk worden gebruikt voor microbewerking van polymeren. De kortere UV-laserstralen in vergelijking met solid state maken ze geschikt voor elk type materiaal, inclusief zeer fragiele en delicate materialen, en stellen ze in staat om te werken in een zeer klein nauwkeurig gebied met een kleiner actiepunt. Bij gebruik voor markering veranderen UV-lasers de structuur van het productmateriaal op moleculair niveau zonder warmte te genereren in de omgeving.
Laserinnovaties
Momenteel worden solid-state en excimeerlasers gezien als de belangrijkste opties bij het gebruik van laserproductie voor de productie van halfgeleiders. Binnenkort komt er echter mogelijk een nieuwe optie beschikbaar die de klassiekers kan evenaren. In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature, schreef een team van onderzoekers van de Universiteit van Kyoto onder leiding van Susumu Noda dat ze stappen hebben ondernomen om de beperkingen van de helderheid van halfgeleiderlasers te overwinnen door de structuur van photonic crystal surface emitting lasers (PCSEL's) te veranderen. Volgens het Institute of Electrical and Electronics Engineers is helderheid een voordeel dat de mate van focussering of divergentie van een lichtstraal omvat. PCSEL's, hoewel gezien als een aantrekkelijke optie voor lasers met hoge helderheid, waren voorheen niet schaalbaar voor gebruik in grote operaties op schaal vanwege uitdagingen met de grootte en helderheid van de lasers.
Vaak komt het probleem met PCSEL's voort uit de wens om hun zendgebied uit te breiden, wat betekent dat er ruimte is voor het licht om te oscilleren in de richting van emissie en in de dwarsrichting. "Deze transversale oscillaties staan bekend als modi van hogere orde en kunnen de kwaliteit van de straal vernietigen", schrijft de IEEE. "Bovendien, als de laser continu wordt gebruikt, kan de hitte in de laser de brekingsindex van het apparaat veranderen, wat leidt tot een verdere verslechtering van de straalkwaliteit."
In de Nature-studie gebruikten de onderzoekers fotonische kristallen ingebed in de laser en "pasten ze de interne reflector aan om single-mode oscillaties over een groter gebied mogelijk te maken en om thermische schade te compenseren." Door deze veranderingen kon de laser tijdens continu gebruik een hoge straalkwaliteit behouden.
De onderzoekers ontwikkelden een PCSEL met een diameter van 3-mm in hun onderzoek, een 10-voudige sprong ten opzichte van het vorige PCSEL-apparaat met een diameter van 1-mm.
"Voor een oppervlakte-emitterende laser met fotonisch kristal met een grote resonantiediameter van 3 mm, [continue golf] uitgangsvermogens van meer dan 5 0 W, pure single-mode oscillaties en een extreem smalle bundeldivergentie van 0,05 graden, overeenkomend met meer dan 10,000 golflengten in het materiaal, zijn bereikt", schreven de onderzoekers in het onderzoek. De helderheid ...... bereikt 1 GW cm-2 sr-1, vergelijkbaar met bestaande grote lasers."
Het is vermeldenswaard dat de onderzoekers met "lasers met een groot volume" de vastestof- en excimeerlasers bedoelen die momenteel worden gebruikt bij de productie van halfgeleiderlasers.
Als onderdeel van het proces van het opzetten van een expertisecentrum van 1,000-vierkante meter voor oppervlakte-emitterende lasers voor fotonische kristallen aan de Universiteit van Kyoto, zijn Noda en zijn team ook overgestapt van de productie van fotonische kristallen met behulp van elektronenbundellithografie naar ze fabriceren met nano-afdruklithografie.
"E-beam-lithografie is nauwkeurig, maar meestal te langzaam voor productie op grote schaal", zegt de IEEE. "Nanoimprint-lithografie brengt in feite patronen in reliëf op halfgeleiders en is handig om snel zeer regelmatige patronen te creëren."
De volgende stap is volgens de studie om de diameter van de laser verder uit te breiden van 3 naar 10 millimeter - een formaat dat naar verluidt 1 kilowatt aan uitgangsvermogen produceert.
Vertaald met www.DeepL.com/Translator (gratis versie)
