Halvledare är en integrerad del av medicintekniska produkters inre funktion, vilket bidrar till konduktiviteten mellan icke-ledare och ledare för att styra strömmen. I sin tur är monteringsprocessen för att göra den perfekta halvledaren mycket detaljerad, speciellt nu när enheterna blir mindre och mindre. Eftersom halvledare snabbt miniatyriseras för att passa in i dessa mindre enheter har lasrarnas roll i halvledartillverkning anpassats.
Laserteknik används ofta i halvledartillverkning för sina tunna, exakta, mångsidiga och kraftfulla strålar av en mängd olika skäl, inklusive skärning, svetsning, borttagning av beläggning och märkning.
Klippning/ritsning
Vid tillverkning av halvledare finns det olika tärningssteg, inklusive skärning av wafers ur kristallblock och mallar ur tunna filmer. Tärning med laser säkerställer att markerna skärs rent så att de passar ordentligt i den slutliga enheten. Genom att använda lasrar kan halvledare skäras till många former och mönster som inte är möjliga med andra tärningsmetoder. Enligt Columbia Universitys Fu Foundation School of Engineering and Applied Science minskar skärning av wafers med denna metod verktygsslitage och materialförlust och resulterar i högre avkastning.
Columbias studiematerial om halvledarlaserbearbetning säger att "fördelarna med laserskärning inkluderar mindre verktygsslitage, minskad materialförlust runt snittet, högre utbyten på grund av mindre brott och snabbare vändning på grund av enkel fixtur."
Ett annat alternativ för skärning är ritsning - borra en serie tätt placerade eller överlappande blinda hål halvvägs genom materialet. Detta är en metod som ofta används i halvledartillverkningstillämpningar, såsom skärning av aluminiumoxidsubstrat till spånbärare eller separering av kiselskivor till spån. Det är värt att notera att den typ av laser som krävs för att rita beror på vilket material som används.
Universitetet säger, "Aluminiumoxidritning använder CO2-lasrar, medan silikonritning använder Nd:YAG-lasrar eftersom olika material har olika absorptionshastigheter vid olika våglängder."
Motivationen för att använda ritsning kontra skärning beror på den hastighet med vilken handlingen sker i tillverkningsbutiken. "För aluminiumoxid, som är cirka 0.025 tum tjockt, kan materialet ritsas med en hastighet av cirka 10 tum per sekund med hjälp av en CO2-laser med medelhög effekt, medan för en liknande laser kan skärhastigheten vara bråkdelar av en tum per sekund”, skriver universitetspersonalen. "Skrivning erbjuder också fördelen av att kunna ritsa substratet innan bearbetningen är klar och sedan enkelt separera det i chips efter bearbetning."
WElding
Laserlödning eller laserdiodsvetsning är processen att smälta samman intilliggande delar av en halvledarkomponent, ungefär som att fästa en wafer på en stödplatta. För stödbrädor som är redo att limmas (t.ex. blyramar) placerar lasern ett identifieringsmärke på ramen och ruggar sedan ytan för att säkerställa att de två delarna är säkert sammanfogade. När lasermarkeringsmaskinen väl är sammanfogad tar den bort de grader som skapats av uppruggningsprocessen.
Borttagning av beläggning
Att säkerställa att halvledare är rena och fria från defekter är en del av en tillverkningsprocess som kallas beläggningsborttagning. Med hjälp av en laser (vanligtvis Nd:YAG) kan oönskade beläggningar avlägsnas som med harts eller koppar, och som med guld- eller tunnfilmsbeläggningar. För avgradning använder lasern sin fina, exakta stråle för att avlägsna överflödigt material utan att skada produkten.Borttagning av beläggningargör att defekter kan analyseras tydligare, vilket eliminerar behovet av demontering för inspektion, vilket kan resultera i produktskador.
Märkning
Lasermärkning av halvledareär viktigt för produktens spårbarhet och läsbarhet, vilket innebär att lasern måste vara tydligt läsbar i mycket små tryck. Produktspårbarhet innebär att produkten kan spåras genom de flera stegen i produktionen samt slutdistribution. Detta gör det lättare att hitta och isolera specifika kategorier av defekter.
Markerade marker ska också vara läsbara, eftersom märkning är ett användbart sätt att avgöra vilken produkt som är lämplig för en applikation. Enligt Wafer World, "lasern skär inte bara in i ytan på wafern utan ordnar också om ytpartiklarna för att skapa extremt ytliga men lättlästa markeringar."
Det finns två typer av markörer som används på halvledare: etsmarkörer och glödgade markörer. Etsmarkörer är tunna lager av material som tas bort med laser och lämnar ett texturerat märke på cirka 12 till 25 mikron djupt. Dessa kallas ofta för "hårda märken" eftersom det finns en synlig förändring i ytskiktet.
Glödgningsmärken, å andra sidan, använder en laser inställd på en lägre effektnivå för att ordna om molekylerna istället för att etsa dem. Detta skapar en kontrast på chipytan som är synlig när ljus reflekteras.
Laser typ
För närvarande använder företag mestadels solid state-lasrar för chiptillverkning eftersom de är kända för sin höga effekt och använder malm som lasermedium. Mineralmedia består vanligtvis av yttrium-, aluminium-, granat- eller yttriumvanadatkristaller. Till exempel använder Nd:YAG-lasrar neodymdopade yttriumaluminiumgranatkristaller som medium. Laserstrålen genereras med hjälp av en oscillator som stimulerar mediet med ljus från en laserdiod.
En typ av solid state-laser som används för markering av chip, gravering och tärning är fiberlasern, säger Keyence och tillägger att höghastighetslasrarna använder "optiska fibrer som resonatorer och skapar överlappande strukturer genom Yb-jon-dopad fiberbeklädnad." noterar att dess fiberlasrar är kända som MD-F-serien av 3-axelfiberlasrar. "En del av användningsområdena för fiberlasrar inkluderar att ta bort grader från förproduktionsprocesser, markera spårbarhetskoder och ta bort harts för analys av defekter."
Excimerlasrar används också i halvledartillverkning. Dessa är djupaultraviolett(UV) lasrar med våglängder från 126 nm till 351 nm som främst används för polymermikrobearbetning. De kortare UV-laserstrålarna jämfört med solid state gör dem lämpliga för alla typer av material, inklusive mycket ömtåliga och ömtåliga material, och gör att de kan arbeta på ett mycket litet exakt område med en reducerad verkningspunkt. När den används för märkning ändrar UV-lasern strukturen på produktmaterialet på molekylär nivå utan att generera värme i det omgivande området.
Laserinnovation
För närvarande ses solid state- och excimerlasrar som de viktigaste alternativen när man använder lasertillverkning för halvledarproduktion. Ett nytt alternativ som kan konkurrera med klassikerna kan dock snart vara tillgängligt. I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Nature skrev ett team av forskare från Kyoto University under ledning av Susumu Noda att de har vidtagit åtgärder för att övervinna begränsningarna för halvledarlaserljusstyrka genom att ändra strukturen hos fotoniska kristallytemitterande lasrar (PCSEL). Enligt Institute of Electrical and Electronics Engineers är ljusstyrka en fördel som inkluderar graden av fokusering eller divergens hos en ljusstråle. PCSELs, även om de har setts som ett attraktivt alternativ för högljuslasrar, har tidigare varit oskalbara för användning i stora -skala operationer på grund av utmaningar med storleken och ljusstyrkan på lasrarna.
Ofta härrör problemet med PCSELs från önskan att utöka sitt emitterande område, vilket gör att det finns utrymme för ljuset att svänga i emissionsriktningen och i tvärriktningen. "Dessa tvärgående oscillationer är kända som lägen av högre ordning och kan förstöra strålens kvalitet", skriver IEEE. "Dessutom, om lasern drivs kontinuerligt, kan värmen inuti lasern ändra enhetens brytningsindex, vilket leder till ytterligare försämring av strålkvaliteten."
I Nature-studien använde forskarna fotoniska kristaller inbäddade i lasern och "anpassade den interna reflektorn för att tillåta singelmodssvängningar över ett större område och för att kompensera för termiska skador." Dessa förändringar gjorde det möjligt för lasern att bibehålla hög strålkvalitet under kontinuerlig drift.
Forskarna utvecklade en 3-mm-diameter PCSEL i sin studie, ett 10-vikt hopp från den tidigare 1-mm-diameter PCSEL-enheten.
"För en fotonisk kristallytemitterande laser med en stor resonansdiameter på 3 mm, [kontinuerlig våg] uteffekter på mer än 50 W, rena enkelmodssvängningar och en extremt smal stråldivergens på 0,05 grad, motsvarande mer än 10,000 våglängder i materialet, har uppnåtts", skrev forskarna i studien. Ljusstyrkan ...... når 1 GW cm-2 sr-1, jämförbart med befintliga stora lasrar."
Det är värt att notera att med "lasrar med stor volym" menar forskarna de solid-state- och excimerlasrar som för närvarande används vid tillverkning av halvledarlaser.
Som en del av processen med att etablera ett 1,000-kvadratmeters center of excellence för ytemitterande lasrar för fotoniska kristaller vid Kyoto University, har Noda och hans team också övergått från att tillverka fotoniska kristaller med elektronstrålelitografi till tillverka dem med nanoimprint litografi.
"E-beam litografi är exakt, men vanligtvis för långsam för storskalig tillverkning", säger IEEE. "Nanoimprint litografi präglar i princip mönster på halvledare och är användbar för att snabbt skapa mycket regelbundna mönster."
Enligt studien är nästa steg att fortsätta utöka laserns diameter från 3 till 10 millimeter – en storlek som enligt uppgift producerar 1 kilowatt uteffekt.
