Terwijl regelgeving en omgevingsfactoren samenkomen om een krachtige drijvende kracht te creëren, creëren de elektrische voertuigindustrie en de verschillende segmenten van de waardeketen een bloeiend veld van innovatie. De huidige accupakketten voor elektrische voertuigen (EV) werken op steeds hogere spanningen, soms wel 800 V. De spanning van de accupakketten neemt toe, maar de spanning van de accupakketten neemt ook toe.
De voordelen van een hogere spanning zijn onder meer meer pk's, hogere efficiëntie, groter bereik en kortere laadtijden. In het voertuig zetten vermogenselektronica de hoge DC-spanning om in de verschillende vormen die door verschillende systemen worden vereist. Tractiemotoren hebben bijvoorbeeld driefasenwisselstroom nodig. Tegelijkertijd passen voertuigladers de stroom en spanning dynamisch aan.
Silicium wordt momenteel veel gebruikt in veel gebieden van consumenten- en vermogenselektronica, maar het is ook een knelpunt geworden voor hun upgrading. Vermogenselektronica op basis van conventionele silicium-geïntegreerde schakelingen (IC's) kunnen niet goed werken bij hoge spanningen, hoge temperaturen en hoge schakelfrequenties. Als gevolg hiervan moeten fabrikanten overstappen op alternatieve halfgeleidermaterialen om volledig te profiteren van hoogspanningsbatterijpakketten voor elektrische voertuigen. De meest veelbelovende alternatieve halfgeleider is siliciumcarbide (SiC). Dit materiaal bezit eigenschappen die het ideaal maken voor EV-vermogenselektronica, dus SiC is de sleutel tot het verbeteren van EV-prestaties en bereik naarmate EV's populairder worden.
Het produceren van SiC-apparaten kent echter zijn eigen unieke uitdagingen. De mechanische, chemische, elektronische en optische eigenschappen van SiC verschillen aanzienlijk van die van silicium in gebieden waar volwassen processen en gevestigde protocollen overheersen. SiC is bijvoorbeeld een van de hardste materialen die bekend zijn, vergelijkbaar met diamant, waardoor het moeilijk is om wafers te krassen met behulp van traditionele mechanische methoden zoals zagen, en het is ook een bros materiaal dat gemakkelijk breekt bij het zagen. Bovendien verslijt SiC snel zaagbladen, inclusief die gemaakt van hard diamant, waardoor dit dure verbruiksartikel regelmatig moet worden vervangen. Het zagen zelf is een relatief langzaam proces en de gegenereerde warmte heeft de neiging om de materiaaleigenschappen negatief te beïnvloeden.
Deze combinatie van problemen creëert een aantal obstakels voor fabrikanten van elektrische voertuigen, omdat veel bestaande IC-productieprocessen verschillen of zelfs tegengesteld zijn aan de processen die voor SiC worden gebruikt.
Single-crystal dicing, of wafer slicing, is een goed voorbeeld; mechanisch zagen is de primaire methode voor single-crystal dicing van silicium wafers, maar het is niet universeel effectief voor SiC, en hoewel laser single-crystal dicing veelbelovend is, betekent het vervangen van het materiaal ten minste het veranderen van de procesparameters. Eindgebruikers moeten ook de optimale lichtbron voor SiC single-crystal dicing bepalen in vergelijking met traditionele methoden met silicium.
Afbeelding.
Een close-up van een microscoop laat zien dat UV picoseconde pulsen in burst-modus een uitstekende randkwaliteit produceren zonder grote chipping. Conventioneel mechanisch zagen kan zulke resultaten niet bereiken.
Kwalitatieve ablatie met picoseconde lasers
SiC-apparaten worden op dezelfde manier vervaardigd als conventionele siliciummicro-elektronica: een groot aantal afzonderlijke geïntegreerde schakelingen wordt op één wafer gemaakt, die vervolgens enkelvoudig wordt gekristalliseerd en in afzonderlijke chips wordt gesneden, die vervolgens klaar zijn voor verpakking.
Bij het snijden van broze SiC-wafers is het belangrijk om randafbrokkeling door mechanisch zagen te verminderen of volledig te elimineren. Enkelkristal-dicing moet ook mechanische veranderingen in het materiaal minimaliseren. Prioriteit moet ook worden gegeven aan het minimaliseren van de kerfbreedte om de grootte van de "ruimte" (d.w.z. het lege gebied tussen aangrenzende circuits) te beperken om het aantal chips op elke wafer te maximaliseren.
Ingenieurs moeten deze factoren afwegen tegen de snijsnelheid, doorvoer en andere kostenbeïnvloedende factoren. Het gebruik van verbruiksartikelen, zoals het gebruik van koelmiddelen en reinigingsvloeistoffen tijdens het snijproces, moet ook worden meegerekend.
Ultrakorte pulslasers in het picoseconde en femtoseconde pulsbreedtebereik kunnen worden gebruikt voor zeer nauwkeurig snijden en ablatie van veel verschillende materialen, waaronder harde, transparante en/of brosse materialen. Voordelen van verwerking met ultrakorte pulsbreedtes zijn onder andere minimale algehele verwarming van het materiaal en een verwaarloosbare warmte-beïnvloede zone (HAZ). Deze bronnen bieden ook een verbeterde randkwaliteit en minder afvalgeneratie vergeleken met andere soorten lasers.
De infrarooduitvoer van de meeste picoseconde lasers kan frequentieverdubbeld worden om zichtbaar groen of ultraviolet licht te leveren, terwijl de ultraviolette golflengte doorgaans wordt gebruikt voor veeleisende toepassingen. Bronnen die in deze optische band werken, kunnen vaak kleinere brandpuntsafstanden en een grotere scherptediepte of Rayleigh-bereik bereiken voor een gegeven spotgrootte.
Deze kenmerken maken UV picoseconde lasers de voorkeurskeuze voor het produceren van kenmerken met een hoge aspectverhouding en dunnere kerfbreedtes vanwege de nauwkeurigere dieptecontrole die kan worden bereikt. Bovendien maakt de grotere scherptediepte deze bronnen gemakkelijker toe te passen op breedveld galvanometerscansystemen. De beperkte penetratie van UV-licht vermindert de warmte-beïnvloede zone (HAZ) verder.
Gedetailleerde configuratie van het geanalyseerde experiment
Het behalen van hogere opbrengsten met korte pulsbreedtes en korte golflengtes is echter moeilijk in welke omgeving dan ook. Om reproduceerbare SiC-single crystal dicing-resultaten te garanderen, moeten verschillende systeemontwerpen en parameters worden getest. mks/Spectra-Physics voerde een reeks dicing-experimenten uit om de vooruitzichten voor voordelen van UV-picosecondelasers te evalueren, zoals kleinere brandpuntsafstanden en grotere brandpuntsafstanden. Deze proeven waren ook gericht op het bereiken van een groter verwerkingsgemak en een kleinere warmtebeïnvloede zone (HAZ). Tot slot waren de proeven, naast het meten van de technische en economische haalbaarheid van het proces, ontworpen om te onderzoeken hoe verschillende burst-instellingen de resultaten zouden kunnen beïnvloeden.
In de eerste ronde van tests werd een 340 µm dik 4H-SiC wafermonster verwerkt met behulp van een 50 W, 355 nm picoseconde laser. De laser heeft een maximale pulsenergie van meer dan 60 µJ en levert een gemiddeld vermogen van 50 W bij herhalingsfrequenties van 750 kHz tot 1,25 MHz, met een maximale werkfrequentie van 10 MHz. Tests werden uitgevoerd bij herhalingsfrequenties van 200 tot 400 kHz om ervoor te zorgen dat alle pulsuitvoerformaten vergelijkbare pulsenergie en gemiddelde vermogensniveaus behielden, waardoor directe vergelijking van resultaten mogelijk was.
De picoseconde laser wordt gebruikt met een dual-axis galvanometer scanner en een 330 mm brandpuntsafstand f-theta objectief. De brandpuntsafstand op het werkvlak is ongeveer 30 µm (1/e2 diameter). De scanner werkt met snelheden variërend van 2 tot 4 m/s, met meerdere passes per scribe, en netto snijsnelheden variërend van 12,5 tot 25 mm/s. De laser die in deze tests werd gebruikt, ondersteunde een breed scala aan toepassingen.
De lasers die in deze tests worden gebruikt, ondersteunen pulstreinen: de laser zendt een reeks dicht op elkaar liggende subpulstreinen uit, gevolgd door de volgende pulstrein na een tijdsinterval. Het is goed gedocumenteerd dat pulstreinen de ablatiesnelheden kunnen verhogen en de oppervlakteruwheid kunnen verminderen in veel materiaalverwerkingssituaties.
Bovendien ondersteunt de laser die in de test wordt gebruikt programmeerbare bursts. Dit betekent dat het aantal pulsen in de burst, evenals de amplitude en het tijdsinterval van elke puls in de burst, regelbaar zijn. Bovendien is de timing-tijdjitter van de pulstrein zeer laag, waardoor directe plaatsing en positionering op het werkoppervlak met hoge nauwkeurigheid mogelijk is, zelfs bij zeer hoge scansnelheden. Deze flexibele pulsmogelijkheden stellen ons in staat om een breed scala aan procesruimten te verkennen tijdens het testen.
Analyse van de resultaten
Figuur 2 hieronder toont de waarden van de scribe depth als een functie van het gemiddelde laservermogen voor verschillende pulsreeksconfiguraties, variërend van een enkele puls tot 12 pulsen. In elke test werden in totaal 80 slagen op dezelfde locatie op het materiaal gemaakt. De positie van elke pulstrein op het werkoppervlak (totale pulsoverlap) werd strikt gecontroleerd. In dit geval was de effectieve ruimtelijke overlap van de pulsen ongeveer 84%.
Figuur 2. toont de diepte van de scribing als een functie van het vermogen door vier passages van 25 mm/s voor een enkele puls (a, bovenste paneel) en verschillende pulsreeksconfiguraties (bd, middelste en onderste panelen). De gegevens tonen hoe de pulsreeks de ablatiesnelheden verbetert.
Deze resultaten tonen aan dat het gebruik van de pulsreeks de ablatiesnelheid aanzienlijk verhoogde. Dit resultaat was verwacht en komt overeen met resultaten die zijn verkregen met behulp van picoseconde laserpulsreeksverwerking in andere materialen. Nogmaals, de ablatiedrempel neemt af (in wezen logaritmisch) met het aantal pulsen in elke pulsreeks. Dit suggereert dat veel materialen doorgaans "accumuleren" onder multipulsbestraling.
Zowel 3D- als 2D-oppervlaktetopografietools worden gebruikt om de diepte van de scribe en de randkwaliteit nauwkeurig te meten. Afbeeldingen verkregen met een scanning white light interferometer tonen verdere details van de scribing (Figuur 3). Omdat het oppervlak glad en vrij van vuil is, bereikt de picoseconde UV-laser ook een ander gewenst resultaat: een hoogwaardige snede.
Figuur 3. De schrijfresultaten verkregen door het scannen van de witlichtinterferometer bevestigen dat de picoseconde UV-laser in staat is om schone, splintervrije sneden te maken.
Een verdere kwalitatieve beoordeling van de scribing is te zien in Figuur 4 hieronder. Een enkele afbeelding toont een reeks van 25 µm diepe groeven die sequentieel werden gegenereerd met 1, 4, 8 en 12 pulstreinen. Het gemiddelde vermogen werd indien nodig aangepast om in elk geval de beste resultaten te verkrijgen. De vier afbeeldingen in de bovenste rij zijn gericht op het bovenste oppervlak van de wafer. De vier afbeeldingen in de onderste rij zijn gericht op het onderste oppervlak van de scribe. Figuren 4e-h tonen een duidelijke vergelijking en progressie van de snijkwaliteit als functie van het aantal pulsen in elke pulstrein.
Figuur 4. Close-upbeelden van de bovenkant (onderkant, ad) en onderkant (eh) van de 25-µm diepe inkeping. Naarmate het aantal pulsen in de burst toeneemt, laten de verschillende waarden van inkepingen een gestage verbetering zien in de kwaliteit van de snede.
De verkleuring rond de scribe-lijn geeft een verandering in het oppervlakte- of substraatmateriaal aan, die verdwijnt naarmate het aantal pulsen toeneemt. Hoe hoger het aantal pulsen, hoe sneller de invoersnelheid en hoe beter de resultaten. Dit suggereert dat het proces kan worden gebruikt om tegelijkertijd een adequate doorvoer en goede kwaliteit te garanderen.
Figuur 5 hieronder toont een reeks sterk vergrote weergaven van de beschreven bodemoppervlakken, allemaal beschreven onder dezelfde laserbedrijfsomstandigheden met een gemiddeld vermogen van 16 W en een netto verwerkingssnelheid van 25 mm/s. De resultaten van dit proces worden getoond in Figuur 5 hieronder. De schrijfdiepten voor elke conditie variëren van 8 tot 25 µm bij verschillende pulswaarden. Deze weergave met hogere resolutie benadrukt de verbetering in gladheid naarmate het aantal pulsen toeneemt. Door de pulsuitvoer aan te passen, wordt de schrijfdiepte met een factor drie vergroot, terwijl het gemiddelde vermogen en de algehele verwerkingssnelheid constant blijven.
Figuur 5. Verwerking met een picoseconde UV-laser resulteert in een uitstekende rand-/oppervlaktekwaliteit, wat de voordelen van strings met een hoger pulsgetal benadrukt (ad)
De technologie perfectioneren
Bij de overgang van theorie naar praktijk wordt het potentieel voor het toepassen van UV picoseconde lasers op scribe SiC wafers aangetoond door het vermogen om pulsreeks output te gebruiken om de verwerkingskwaliteit te verbeteren en de verwerkingssnelheid te verhogen. Verder onderzoek is nodig om de parameters en resultaten van complete dicing van 340 µm wafers te meten en evalueren.
Ondertussen onderzoeken we het gebruik van mechanische zagen, die traditioneel worden gebruikt voor het graveren van siliciumwafers, voor SiC. Gepubliceerde resultaten laten zien dat deze methode nog steeds kampt met beperkte invoersnelheden en dat er grote hoeveelheden vuil ontstaan, bijvoorbeeld in chips die groter zijn dan 10 µm.
Niettemin is mechanisch zagen nog steeds een veelgebruikte methode in de halfgeleiderindustrie, en elke alternatieve technologie zou significante voordelen moeten aantonen in termen van doorvoer, opbrengst en operationele kosten om acceptatie door de industrie te krijgen. Hoewel de verkregen UV-picoseconderesultaten verder verbeterd moeten worden in termen van complete dicing, zijn verdere duurzame verbeteringen mogelijk als alternatieve technologie.
