Halbleiter sind ein integraler Bestandteil des Innenlebens medizinischer Geräte und tragen zur Leitfähigkeit zwischen Nichtleitern und Leitern bei, um den Strom zu steuern. Der Montageprozess zur Herstellung des perfekten Halbleiters wiederum ist sehr detailliert, insbesondere jetzt, da die Geräte immer kleiner werden. Da Halbleiter rasch miniaturisiert werden, um in diese kleineren Geräte zu passen, hat sich die Rolle von Lasern in der Halbleiterfertigung angepasst.
Die Lasertechnologie wird aufgrund ihrer dünnen, präzisen, vielseitigen und leistungsstarken Strahlen häufig in der Halbleiterfertigung aus verschiedenen Gründen eingesetzt, darunter zum Schneiden, Schweißen, Entfernen von Beschichtungen und Markieren.
Schneiden/Anreißen
Bei der Herstellung von Halbleitern gibt es verschiedene Dicing-Schritte, darunter das Schneiden von Wafern aus Kristallblöcken und Schablonen aus dünnen Filmen. Das Würfeln mit einem Laser stellt sicher, dass die Chips sauber geschnitten werden, sodass sie richtig in das endgültige Gerät passen. Durch den Einsatz von Lasern können Halbleiter in viele Formen und Muster geschnitten werden, die mit anderen Schneidmethoden nicht möglich sind. Laut der Fu Foundation School of Engineering and Applied Science der Columbia University reduziert das Schneiden von Wafern mit dieser Methode den Werkzeugverschleiß und den Materialverlust und führt zu höheren Erträgen.
Im Studienmaterial von Columbia zur Halbleiter-Laserbearbeitung heißt es: „Zu den Vorteilen des Laserschneidens gehören geringerer Werkzeugverschleiß, geringerer Materialverlust rund um den Schnitt, höhere Ausbeuten aufgrund weniger Bruch und schnellere Durchlaufzeiten aufgrund der einfachen Montage.“
Eine weitere Möglichkeit zum Schneiden ist das Anreißen – das Bohren einer Reihe eng beieinander liegender oder überlappender Sacklöcher in der Mitte des Materials. Dabei handelt es sich um eine Methode, die in der Halbleiterfertigung weit verbreitet ist, beispielsweise beim Schneiden von Aluminiumoxidsubstraten in Chipträger oder beim Trennen von Siliziumwafern in Chips. Es ist zu beachten, dass die Art des zum Anreißen erforderlichen Lasers vom verwendeten Material abhängt.
Die Universität sagt: „Beim Ritzen von Aluminiumoxid werden CO2-Laser verwendet, während beim Ritzen von Silizium Nd:YAG-Laser zum Einsatz kommen, da verschiedene Materialien unterschiedliche Absorptionsraten bei unterschiedlichen Wellenlängen haben.“
Die Motivation für den Einsatz von Anritzen statt Schneiden hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Vorgang in der Fertigungshalle abläuft. „Für Aluminiumoxid, das etwa 0,025 Zoll dick ist, kann das Material mit einem CO2-Laser mittlerer Leistung mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Zoll pro Sekunde geritzt werden, während bei einem ähnlichen Laser die Schneidgeschwindigkeit möglicherweise höher ist Bruchteile eines Zolls pro Sekunde betragen", schreiben die Universitätsmitarbeiter. „Das Ritzen bietet außerdem den Vorteil, dass man das Substrat vor Abschluss der Bearbeitung anritzen und es nach der Bearbeitung einfach in Chips trennen kann.“
Welding
Beim Laserlöten oder Laserdiodenschweißen werden benachbarte Teile einer Halbleiterkomponente zusammengeschmolzen, ähnlich wie beim Befestigen eines Wafers auf einer Trägerplatte. Bei Trägerplatinen, die zum Kleben bereit sind (z. B. Leadframes), platziert der Laser eine Identifikationsmarkierung auf dem Rahmen und raut anschließend die Oberfläche auf, um sicherzustellen, dass die beiden Teile sicher miteinander verbunden sind. Nach dem Zusammenkleben entfernt die Laserbeschriftungsmaschine die durch den Aufrauvorgang entstandenen Grate.
Entfernung der Beschichtung
Die Sicherstellung, dass Halbleiter sauber und fehlerfrei sind, ist Teil eines Herstellungsprozesses, der als Beschichtungsentfernung bezeichnet wird. Mit einem Laser (normalerweise Nd:YAG) können unerwünschte Beschichtungen entfernt werden, beispielsweise bei Harz- oder Kupferbeschichtungen, aber auch bei Gold- oder Dünnschichtbeschichtungen. Beim Entgraten entfernt der Laser mit seinem feinen, präzisen Strahl überschüssiges Material, ohne das Produkt zu beschädigen.Entfernung von Beschichtungenermöglicht eine klarere Fehleranalyse und macht eine Demontage zur Inspektion überflüssig, die zu Produktschäden führen könnte.
Markierung
Laserbeschriftung von Halbleiternist wichtig für die Rückverfolgbarkeit und Lesbarkeit des Produkts, was bedeutet, dass der Laser auch in sehr kleinen Drucken gut lesbar sein muss. Produktrückverfolgbarkeit bedeutet, dass das Produkt über die verschiedenen Produktionsschritte bis hin zum endgültigen Vertrieb verfolgt werden kann. Dies erleichtert das Auffinden und Isolieren bestimmter Fehlerkategorien.
Markierte Chips müssen außerdem lesbar sein, da die Markierung eine nützliche Methode ist, um festzustellen, welches Produkt für eine Anwendung geeignet ist. Laut Wafer World „schneidet der Laser nicht nur in die Oberfläche des Wafers, sondern ordnet auch die Oberflächenpartikel neu an, um extrem flache, aber gut lesbare Markierungen zu erzeugen.“
Es gibt zwei Arten von Markierungen, die auf Halbleitern verwendet werden: Ätzmarkierungen und getemperte Markierungen. Ätzmarkierungen sind dünne Materialschichten, die mit einem Laser entfernt werden und eine strukturierte Markierung mit einer Tiefe von etwa 12 bis 25 Mikrometern hinterlassen. Diese werden oft als „Hard Marks“ bezeichnet, da es zu einer sichtbaren Veränderung der Oberflächenschicht kommt.
Bei Glühmarkierungen hingegen wird ein auf eine niedrigere Leistungsstufe eingestellter Laser verwendet, um die Moleküle neu anzuordnen, anstatt sie zu ätzen. Dadurch entsteht auf der Chipoberfläche ein Kontrast, der bei der Lichtreflexion sichtbar wird.
Lasertyp
Derzeit nutzen Unternehmen für die Chipherstellung überwiegend Festkörperlaser, da diese für ihre hohe Leistung bekannt sind und Erz als Lasermedium verwenden. Mineralische Medien bestehen typischerweise aus Yttrium-, Aluminium-, Granat- oder Yttriumvanadatkristallen. Nd:YAG-Laser verwenden beispielsweise Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granatkristalle als Medium. Der Laserstrahl wird mithilfe eines Oszillators erzeugt, der das Medium mit Licht einer Laserdiode anregt.
Eine Art Festkörperlaser, die zum Markieren, Gravieren und Würfeln von Chips verwendet wird, ist der Faserlaser, sagt Keyence und fügt hinzu, dass die Hochgeschwindigkeitslaser „optische Fasern als Resonatoren verwenden und überlappende Strukturen durch mit Yb-Ionen dotierte Faserumhüllung erzeugen“. Beachten Sie, dass seine Faserlaser als MD-F-Serie von 3--Achsen-Faserlasern bekannt sind. „Faserlaser werden unter anderem zum Entfernen von Graten aus Vorproduktionsprozessen, zum Markieren von Rückverfolgbarkeitscodes und zum Entfernen von Harz zur Fehleranalyse eingesetzt.“
Excimer-Laser werden auch in der Halbleiterfertigung eingesetzt. Diese sind tiefUltraviolett(UV-)Laser mit Wellenlängen von 126 nm bis 351 nm, die hauptsächlich für die Mikrobearbeitung von Polymeren eingesetzt werden. Durch die im Vergleich zu Festkörperlaserstrahlen kürzeren UV-Laserstrahlen eignen sie sich für jede Art von Material, auch für sehr zerbrechliche und empfindliche Materialien, und ermöglichen das Arbeiten in einem sehr kleinen, präzisen Bereich mit einem reduzierten Angriffspunkt. Beim Markieren verändert der UV-Laser die Struktur des Produktmaterials auf molekularer Ebene, ohne dass in der Umgebung Wärme entsteht.
Laserinnovation
Derzeit werden Festkörper- und Excimerlaser als Hauptoptionen für den Einsatz der Laserfertigung in der Halbleiterproduktion angesehen. Allerdings könnte bald eine neue Option verfügbar sein, die den Klassikern Konkurrenz machen könnte. In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie schrieb ein Forscherteam der Universität Kyoto unter der Leitung von Susumu Noda, dass sie Schritte unternommen haben, um die Einschränkungen der Helligkeit von Halbleiterlasern zu überwinden, indem sie die Struktur von oberflächenemittierenden Photonenkristalllasern (PCSELs) verändert haben. Laut dem Institute of Electrical and Electronics Engineers ist Helligkeit ein Vorteil, der den Grad der Fokussierung oder Divergenz eines Lichtstrahls einschließt. Obwohl PCSELs als attraktive Option für Laser mit hoher Helligkeit angesehen wurden, waren sie bisher nicht für den Einsatz in großen Räumen skalierbar -Skalierungsoperationen aufgrund von Herausforderungen hinsichtlich der Größe und Helligkeit der Laser.
Das Problem bei PCSELs liegt oft in dem Wunsch, ihre Emissionsfläche zu vergrößern, was bedeutet, dass dem Licht Raum für die Schwingung in Emissionsrichtung und in Querrichtung bleibt. „Diese transversalen Schwingungen werden als Moden höherer Ordnung bezeichnet und können die Qualität des Strahls zerstören“, schreibt das IEEE. „Außerdem kann die Hitze im Inneren des Lasers bei Dauerbetrieb des Lasers den Brechungsindex des Geräts verändern, was zu einer weiteren Verschlechterung der Strahlqualität führt.“
In der Nature-Studie verwendeten die Forscher in den Laser eingebettete photonische Kristalle und „passten den internen Reflektor an, um Einzelmode-Oszillationen über einen größeren Bereich zu ermöglichen und thermische Schäden zu kompensieren“. Diese Änderungen ermöglichten es dem Laser, während des Dauerbetriebs eine hohe Strahlqualität beizubehalten.
Die Forscher entwickelten in ihrer Studie einen PCSEL mit einem Durchmesser von 3-mm, einen {{2}fachen Sprung gegenüber dem vorherigen PCSEL-Gerät mit einem Durchmesser von 1-mm.
„Für einen oberflächenemittierenden photonischen Kristalllaser mit einem großen Resonanzdurchmesser von 3 mm, [kontinuierlichen] Ausgangsleistungen von mehr als 5 0 W, reinen Singlemode-Oszillationen und einer extrem schmalen Strahldivergenz von 0,05 Grad, der mehr als 10000 Wellenlängen im Material entspricht, erreicht wurden“, schreiben die Forscher in der Studie. Die Helligkeit ...... erreicht 1 GW cm-2 sr-1, vergleichbar mit bestehenden großen Lasern.“
Bemerkenswert ist, dass die Forscher mit „großvolumigen Lasern“ die Festkörper- und Excimerlaser meinen, die derzeit in der Halbleiterlaserherstellung eingesetzt werden.
Im Rahmen der Einrichtung eines 1,{1}} Quadratmeter großen Kompetenzzentrums für oberflächenemittierende Laser für photonische Kristalle an der Universität Kyoto sind Noda und sein Team auch von der Herstellung photonischer Kristalle mittels Elektronenstrahllithographie auf die Herstellung photonischer Kristalle umgestiegen Herstellung mittels Nanoimprint-Lithographie.
„E-Beam-Lithographie ist präzise, aber normalerweise zu langsam für die Herstellung in großem Maßstab“, sagt das IEEE. „Nanoimprint-Lithographie prägt grundsätzlich Muster auf Halbleiter und ist nützlich, um schnell sehr regelmäßige Muster zu erzeugen.“
Der Studie zufolge soll im nächsten Schritt der Durchmesser des Lasers von 3 auf 10 Millimeter weiter ausgebaut werden – eine Größe, die angeblich 1 Kilowatt Ausgangsleistung erzeugt.
