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Introduzione
Il taglio dei wafer è una parte importante della produzione di dispositivi a semiconduttore. Il metodo e la qualità del cubetto influenzano direttamente lo spessore, la ruvidità, le dimensioni e i costi di produzione del wafer e hanno un impatto significativo sulla fabbricazione del dispositivo. Il carburo di silicio, in quanto materiale semiconduttore di terza-generazione, è un materiale importante che guida la rivoluzione elettrica. Il costo di produzione del carburo di silicio cristallino di alta-qualità è estremamente elevato e in genere le persone sperano di tagliare un grande lingotto di carburo di silicio nel maggior numero possibile di substrati sottili di wafer di carburo di silicio. Allo stesso tempo, la crescita del settore ha portato a dimensioni dei wafer sempre più grandi, il che ha aumentato i requisiti per i processi di cubettatura. Tuttavia, il carburo di silicio è estremamente duro, con una durezza Mohs di 9,5, secondo solo al diamante (10), ed è anche fragile, il che lo rende difficile da tagliare. Attualmente, i metodi industriali utilizzano generalmente il taglio a filo di impasto liquido o il taglio a filo diamantato. Durante il taglio, attorno al lingotto di carburo di silicio vengono posizionate seghe a filo fisse equidistanti e il lingotto viene tagliato utilizzando seghe a filo allungato. Utilizzando il metodo della sega a filo, la separazione dei wafer da un lingotto da 6 pollici di diametro richiede circa 100 ore. I wafer risultanti presentano solchi relativamente ampi, superfici più ruvide e perdite di materiale fino al 46%. Ciò aumenta il costo dell’utilizzo dei materiali in carburo di silicio e limita il loro sviluppo nell’industria dei semiconduttori, evidenziando l’urgente necessità di ricerca su nuove tecnologie di dicing dei wafer al carburo di silicio.
Negli ultimi anni, l’uso della tecnologia di taglio laser è diventato sempre più popolare nella produzione di materiali semiconduttori. Questo metodo funziona utilizzando un raggio laser focalizzato per modificare la superficie o l'interno del materiale, separandolo. Essendo un processo senza-contatto, evita l'usura degli utensili e lo stress meccanico. Pertanto, migliora notevolmente la ruvidità e la precisione della superficie del wafer, elimina la necessità di successivi processi di lucidatura, riduce la perdita di materiale, abbassa i costi e minimizza l'inquinamento ambientale causato dalla molatura e lucidatura tradizionali. La tecnologia del taglio laser è stata applicata da tempo alla cubettatura dei lingotti di silicio, ma la sua applicazione nel campo del carburo di silicio è ancora immatura. Attualmente esistono diverse tecniche principali.
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Taglio laser-guidato dall'acqua
La tecnologia laser-guidata dall'acqua (Laser MicroJet, LMJ), nota anche come tecnologia laser micro-jet, funziona secondo il principio della focalizzazione di un raggio laser su un ugello mentre passa attraverso una camera d'acqua-modulata a pressione. Un getto d'acqua a bassa-pressione viene espulso dall'ugello e, a causa della differenza nell'indice di rifrazione all'interfaccia acqua-aria, si forma una guida d'onda luminosa che consente al laser di propagarsi lungo la direzione del flusso d'acqua. Questo guida un getto d'acqua ad alta-pressione per lavorare e tagliare la superficie del materiale. Il vantaggio principale del taglio laser-guidato dall'acqua risiede nella qualità del taglio. Il flusso d'acqua non solo raffredda l'area di taglio, riducendo la deformazione termica e il danno termico al materiale, ma rimuove anche i residui di lavorazione. Rispetto al taglio con sega a filo, è notevolmente più veloce. Tuttavia, poiché l’acqua assorbe diverse lunghezze d’onda laser a vari livelli, la lunghezza d’onda del laser è limitata, principalmente a 1064 nm, 532 nm e 355 nm.
Nel 1993, lo scienziato svizzero Beruold Richerzhagen propose per primo questa tecnologia. Ha fondato Synova, un'azienda dedicata alla ricerca, allo sviluppo e alla commercializzazione della tecnologia laser ad acqua-, che è all'avanguardia a livello internazionale. La tecnologia domestica è relativamente indietro, ma aziende come Innolight e Shengguang Silicon Research la stanno sviluppando attivamente.
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Dadi furtivi
Stealth Dicing (SD) è una tecnica in cui un laser viene focalizzato all'interno di un wafer di carburo di silicio attraverso la sua superficie per formare uno strato modificato alla profondità desiderata, consentendo la separazione del wafer. Poiché non sono presenti tagli sulla superficie del wafer, è possibile ottenere una maggiore precisione di lavorazione. Il processo SD con laser a impulsi di nanosecondi è già stato utilizzato a livello industriale per separare i wafer di silicio. Tuttavia, durante la lavorazione SD del carburo di silicio indotta da laser a impulsi di nanosecondi, la durata dell'impulso è molto più lunga del tempo di accoppiamento tra elettroni e fononi nel carburo di silicio (sulla scala dei picosecondi), con conseguenti effetti termici. L'elevato apporto termico sul wafer non solo rende la separazione incline a deviare dalla direzione desiderata, ma genera anche un notevole stress residuo, che porta a fratture e scarsa clivatura. Pertanto, durante la lavorazione del carburo di silicio, il processo SD utilizza tipicamente laser a impulsi ultracorti, che riducono notevolmente gli effetti termici.
L'azienda giapponese DISCO ha sviluppato una tecnologia di taglio laser chiamata Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). Ad esempio, nella lavorazione di lingotti di carburo di silicio da 6-pollici di diametro e 20 mm di spessore, la produttività dei wafer di carburo di silicio è quadruplicata. Il processo KABRA concentra essenzialmente il laser all'interno del materiale in carburo di silicio. Attraverso l'assorbimento ripetitivo nero-amorfo, il carburo di silicio viene decomposto in silicio amorfo e carbonio amorfo, formando uno strato che funge da punto di separazione del wafer, noto come strato amorfo nero, che assorbe più luce, rendendo molto più facile separare i wafer.
La tecnologia Cold Split wafer sviluppata da Siltectra, acquisita da Infineon, non solo può dividere vari tipi di lingotti in wafer, ma riduce anche la perdita di materiale fino al 90%, con ogni wafer che perde solo 80 µm, riducendo infine i costi di produzione totali del dispositivo fino al 30%. La tecnologia Cold Split prevede due passaggi: in primo luogo, un laser irradia il lingotto per creare uno strato di delaminazione, provocando un'espansione del volume interno del materiale in carburo di silicio, che genera stress di trazione e forma una micro-fessura molto stretta; quindi, una fase di raffreddamento del polimero trasforma la micro-cricca in una fessura principale, separando infine il wafer dal lingotto rimanente. Nel 2019, un terzo ha valutato questa tecnologia e ha misurato la rugosità superficiale Ra dei wafer divisi inferiore a 3 µm, con i risultati migliori inferiori a 2 µm.
Il laser cube modificato sviluppato dalla società cinese Han's Laser è una tecnologia laser utilizzata per separare i wafer semiconduttori in singoli chip o matrici. Questo processo utilizza anche un raggio laser preciso per scansionare e formare uno strato modificato all'interno del wafer, consentendo al wafer di rompersi lungo il percorso di scansione laser sotto stress applicato, ottenendo una separazione precisa.
Figura 5. Flusso del processo di cubettatura laser modificato
Attualmente, i produttori nazionali padroneggiano la tecnologia di cubettatura al carburo di silicio-basata su impasto liquido. Tuttavia, la cubettatura dei liquami presenta un'elevata perdita di materiale, una bassa efficienza e un grave inquinamento e viene gradualmente sostituita dalla tecnologia della cubettatura a filo diamantato. Allo stesso tempo, la cubettatura laser si distingue per i vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza. Rispetto alle tradizionali tecnologie di lavorazione a contatto meccanico, offre molti vantaggi, tra cui un'elevata efficienza di lavorazione, linee di tracciatura strette e un'elevata densità del taglio, rendendolo un forte concorrente per sostituire la cubettatura del filo diamantato. Apre un nuovo percorso per l'applicazione di materiali semiconduttori di prossima-generazione come il carburo di silicio. Con il progresso della tecnologia industriale e il continuo aumento delle dimensioni dei substrati in carburo di silicio, la tecnologia di cubettatura al carburo di silicio si svilupperà rapidamente e la cubettatura laser efficiente e di alta qualità sarà una tendenza importante per il futuro taglio del carburo di silicio.
