01Introduzione
Il taglio dei wafer è un passo importante nella produzione di dispositivi a semiconduttore. Il metodo e la qualità del taglio influiscono direttamente sullo spessore, sulla ruvidità, sulle dimensioni e sui costi di produzione del wafer e hanno un impatto significativo sulla produzione del dispositivo. Il carburo di silicio, in quanto materiale semiconduttore di terza-generazione, è un materiale fondamentale per promuovere la rivoluzione elettrica. Il costo di produzione del carburo di silicio cristallino di alta-qualità è estremamente elevato e spesso si desidera tagliare un grande lingotto di carburo di silicio nel maggior numero possibile di substrati sottili di wafer di carburo di silicio. Allo stesso tempo, lo sviluppo industriale ha portato ad un aumento delle dimensioni dei wafer, che aumenta la domanda di processi di taglio. Tuttavia, il materiale in carburo di silicio ha una durezza estremamente elevata, con una durezza Mohs di 9,5, seconda solo al diamante più duro al mondo (10), e ha anche la fragilità dei cristalli, che ne rende difficile il taglio. Attualmente, l'industria utilizza tipicamente il taglio con filo di impasto liquido o il taglio con sega a filo diamantato. Durante il taglio, una sega a filo fissa viene posizionata a intervalli uguali attorno al lingotto di carburo di silicio e, tensionando la sega a filo, vengono tagliati i wafer di carburo di silicio. L'utilizzo del metodo della sega a filo per separare i wafer da un lingotto da 6-pollici di diametro richiede circa 100 ore. I wafer risultanti non solo presentano un taglio relativamente ampio ma anche una maggiore rugosità superficiale, con conseguenti perdite di materiale fino al 46%. Ciò aumenta il costo dell'utilizzo dei materiali in carburo di silicio e ne limita lo sviluppo nell'industria dei semiconduttori, rendendo urgente la ricerca su nuove tecnologie di taglio per wafer in carburo di silicio. Negli ultimi anni, l'uso della tecnologia di taglio laser è diventato sempre più popolare nella produzione e lavorazione di materiali semiconduttori. Il principio di questo metodo è quello di utilizzare un raggio laser focalizzato per modificare il substrato dalla superficie del materiale o internamente, separandolo così. Poiché si tratta di un processo senza contatto, evita gli effetti dell'usura dell'utensile e dello stress meccanico. Pertanto, migliora notevolmente la ruvidità superficiale e la precisione del wafer, elimina la necessità di successivi processi di lucidatura, riduce la perdita di materiale, abbassa i costi e minimizza l'inquinamento ambientale causato dai tradizionali processi di levigatura e lucidatura. La tecnologia del taglio laser è stata applicata da tempo al taglio dei lingotti di silicio, ma la sua applicazione nel campo del carburo di silicio non è ancora matura, con alcune principali tecnologie attualmente disponibili.
2Taglio laser-guidato dall'acqua
La tecnologia laser-guidata dall'acqua (Laser MicroJet, LMJ), nota anche come tecnologia laser microjet, funziona secondo il principio di focalizzazione di un raggio laser su un ugello quando il laser passa attraverso una camera d'acqua modulata-a pressione; dall'ugello viene espulso un flusso d'acqua a bassa-pressione. All'interfaccia tra acqua e aria, a causa della differenza negli indici di rifrazione, si forma una guida d'onda luminosa che consente al laser di propagarsi lungo la direzione del flusso d'acqua, ottenendo così il taglio della superficie del materiale attraverso la guida del getto d'acqua ad alta-pressione. Il vantaggio principale dei laser guidati dall'acqua-risiede nella qualità del taglio; il flusso d'acqua non solo raffredda l'area di taglio, riducendo la deformazione termica e il danneggiamento del materiale, ma porta via anche i residui di lavorazione. Rispetto al taglio con sega a filo, la sua velocità è notevolmente aumentata. Tuttavia, l'assorbimento di diverse lunghezze d'onda da parte dell'acqua varia, limitando le lunghezze d'onda del laser utilizzate principalmente a 1064 nm, 532 nm e 355 nm. Nel 1993, lo scienziato svizzero Beruold Richerzhagen ha proposto per primo questa tecnologia e la sua azienda, Synova, è specializzata nella ricerca e nell'industrializzazione di laser guidati dall'acqua-, leader tecnologicamente sulla scena internazionale, mentre la tecnologia domestica è relativamente indietro, con aziende come Inno Laser e Shengguang Silicon Research si sta sviluppando attivamente.
03 Dadi furtivi
Lo Stealth Dicing (SD) prevede la focalizzazione di un laser attraverso la superficie del carburo di silicio all'interno del chip, creando uno strato modificato alla profondità desiderata per ottenere la separazione del wafer. Poiché sulla superficie del wafer non sono presenti tagli, è possibile ottenere una maggiore precisione di lavorazione. Il processo SD che utilizza laser a impulsi di nanosecondi è stato impiegato nell'industria per separare wafer di silicio. Tuttavia, durante la lavorazione SD del carburo di silicio indotta da laser pulsati di nanosecondi, si verificano effetti termici perché la durata dell'impulso è molto più lunga del tempo di accoppiamento tra elettroni e fononi nel carburo di silicio (dell'ordine dei picosecondi). L'elevato apporto termico al wafer non solo fa sì che la separazione tenda a deviare dalla direzione desiderata, ma genera anche notevoli stress residui, portando a fratture e scarsa clivatura. Pertanto, durante la lavorazione del carburo di silicio vengono generalmente utilizzati processi SD laser a impulsi ultra-corti, riducendo notevolmente gli effetti termici.
L'azienda giapponese DISCO ha sviluppato una tecnologia di taglio laser chiamata Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA), utilizzando l'esempio della lavorazione di un lingotto di cristallo di carburo di silicio con un diametro di 6 pollici e uno spessore di 20 mm, che ha aumentato di quattro volte la velocità di produzione dei wafer di carburo di silicio. L'essenza del processo KABRA concentra il laser all'interno del materiale di carburo di silicio, decomponendo il carburo di silicio in silicio amorfo e carbonio amorfo attraverso un "assorbimento ripetitivo amorfo-nero" e formando uno strato come punto di separazione per il wafer, vale a dire lo strato amorfo nero, che assorbe più luce, facilitando così la facile separazione del wafer.
La tecnologia cold split wafer sviluppata da Siltectra, acquisita da Infineon, non solo consente di dividere vari tipi di lingotti in wafer, ma comporta anche una perdita di soli 80μm per wafer, riducendo la perdita di materiale del 90%, abbassando infine il costo di produzione totale dei dispositivi fino al 30%. La tecnologia di taglio a freddo prevede due fasi: in primo luogo, l'esposizione laser crea uno strato di delaminazione sul lingotto, provocando l'espansione del volume del materiale in carburo di silicio, che crea stress da trazione e forma uno strato di micro-fessure molto stretto; quindi, attraverso una fase di raffreddamento del polimero, queste micro-fessure vengono trasformate in una fessura principale, separando infine il wafer dal lingotto rimanente. Nel 2019, una valutazione di terze parti-di questa tecnologia ha misurato che la rugosità superficiale Ra dei wafer divisi era inferiore a 3 µm, con i risultati migliori inferiori a 2 µm.
Il taglio laser modificato sviluppato da una grande azienda laser nazionale è una tecnologia laser che separa i wafer semiconduttori in singoli chip o grani. Questo processo prevede anche la scansione interna del wafer con un raggio laser di precisione per formare uno strato modificato, consentendo al wafer di espandersi lungo il percorso di scansione laser sotto stress applicato, ottenendo una separazione precisa.
Attualmente, i produttori nazionali hanno padroneggiato la tecnologia di taglio del carburo di silicio con malta, ma la perdita di taglio è elevata, l'efficienza è bassa e l'inquinamento è grave, che viene gradualmente sostituito dalla tecnologia di taglio a filo diamantato. Allo stesso tempo, i vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza del taglio laser sono evidenti, offrendo molti vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie di lavorazione dei contatti meccanici, tra cui elevata efficienza di lavorazione, percorsi di taglio stretti ed elevata densità di chip, rendendolo un forte concorrente per sostituire la tecnologia di taglio a filo diamantato e aprendo una nuova strada per l'applicazione di materiali semiconduttori di prossima-generazione come il carburo di silicio. Con lo sviluppo della tecnologia industriale, la dimensione dei substrati di carburo di silicio continua ad aumentare e la tecnologia di taglio del carburo di silicio si svilupperà rapidamente; il taglio laser efficiente e di alta-qualità rappresenterà una tendenza importante nel taglio del carburo di silicio in futuro.
