01
مقدمة
يعد تقطيع الويفر جزءًا مهمًا من تصنيع أجهزة أشباه الموصلات. تؤثر طريقة التقطيع والجودة بشكل مباشر على سمك الرقاقة وخشونتها وأبعادها وتكاليف الإنتاج، ولها تأثير كبير على تصنيع الجهاز. يعتبر كربيد السيليكون، باعتباره مادة من الجيل الثالث-من أشباه الموصلات، مادة مهمة تقود الثورة الكهربائية. إن تكلفة إنتاج-كربيد السيليكون البلوري عالي الجودة مرتفعة للغاية، ويأمل الناس عمومًا في قطع سبيكة كبيرة من كربيد السيليكون إلى أكبر عدد ممكن من ركائز رقاقة كربيد السيليكون الرقيقة. وفي الوقت نفسه، أدى نمو الصناعة إلى زيادة أحجام الرقائق بشكل تدريجي، مما أدى إلى زيادة متطلبات عمليات التقطيع. ومع ذلك، فإن كربيد السيليكون شديد الصلابة، حيث تبلغ صلابة موس 9.5، في المرتبة الثانية بعد الماس (10)، كما أنه هش أيضًا، مما يجعل من الصعب قطعه. في الوقت الحالي، تستخدم الطرق الصناعية بشكل عام المنشار السلكي الملاطي أو المنشار السلكي الماسي. أثناء القطع، يتم وضع مناشير سلكية ثابتة على مسافات متساوية حول سبيكة كربيد السيليكون، ويتم قطع السبيكة باستخدام مناشير سلكية ممتدة. باستخدام طريقة المنشار السلكي، يستغرق فصل الرقاقات من سبيكة قطرها 6 بوصة حوالي 100 ساعة. تحتوي الرقائق الناتجة على شقوق واسعة نسبيًا، وأسطح أكثر خشونة، وخسارة في المواد تصل إلى 46%. وهذا يزيد من تكلفة استخدام مواد كربيد السيليكون ويحد من تطورها في صناعة أشباه الموصلات، مما يسلط الضوء على الحاجة الملحة للبحث في تقنيات تقطيع رقائق كربيد السيليكون الجديدة.
في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام تكنولوجيا القطع بالليزر شائعًا بشكل متزايد في تصنيع مواد أشباه الموصلات. تعمل هذه الطريقة باستخدام شعاع ليزر مركّز لتعديل سطح المادة أو داخلها، وبالتالي فصلها. وكعملية لا تتطلب -تلامسًا، فإنها تتجنب تآكل الأدوات والضغط الميكانيكي. ولذلك، فإنه يحسن بشكل كبير خشونة ودقة سطح الرقاقة، ويلغي الحاجة إلى عمليات تلميع لاحقة، ويقلل من فقدان المواد، ويقلل التكاليف، ويقلل التلوث البيئي الناجم عن الطحن والتلميع التقليدي. لقد تم تطبيق تكنولوجيا القطع بالليزر منذ فترة طويلة على تقطيع سبائك السيليكون، ولكن تطبيقها في مجال كربيد السيليكون لا يزال غير ناضج. حاليا، هناك العديد من التقنيات الرئيسية.
02
الماء-القطع بالليزر الموجه
تعمل تقنية الليزر الموجهة بالماء (Laser MicroJet, LMJ)، والمعروفة أيضًا باسم تقنية نفث الليزر الدقيقة-، على مبدأ تركيز شعاع الليزر على الفوهة أثناء مروره عبر غرفة الماء ذات الضغط -. يتم إخراج نفث ماء منخفض الضغط - من الفوهة، ونظرًا للاختلاف في معامل الانكسار عند واجهة الهواء المائية -، يتم تشكيل دليل موجي ضوئي، مما يسمح لليزر بالانتشار على طول اتجاه تدفق الماء. يؤدي ذلك إلى توجيه نفث الماء عالي الضغط-لمعالجة سطح المادة وقطعه. الميزة الرئيسية للقطع بالليزر الموجه بالماء- تكمن في جودة القطع. لا يؤدي تدفق الماء إلى تبريد منطقة القطع فقط، مما يقلل من التشوه الحراري والضرر الحراري للمادة، ولكنه يزيل أيضًا بقايا المعالجة. بالمقارنة مع القطع بالمنشار السلكي، فهو أسرع بكثير. ومع ذلك، نظرًا لأن الماء يمتص أطوال موجية مختلفة لليزر بدرجات متفاوتة، فإن الطول الموجي لليزر محدود، بشكل أساسي إلى 1064 نانومتر، و532 نانومتر، و355 نانومتر.
في عام 1993، اقترح العالم السويسري بيروولد ريتشرزهاجن هذه التكنولوجيا لأول مرة. أسس شركة Synova، وهي شركة مكرسة للبحث والتطوير وتسويق تكنولوجيا الليزر الموجهة بالمياه-، والتي تحتل الصدارة عالميًا. التكنولوجيا المحلية متأخرة نسبيًا، لكن شركات مثل Innolight وShengguang Silicon Research تعمل بنشاط على تطويرها.
03
التكعيب الخفي
التقطيع الخفي (SD) هو تقنية يتم فيها تركيز الليزر داخل رقاقة كربيد السيليكون من خلال سطحها لتشكيل طبقة معدلة على العمق المطلوب، مما يتيح فصل الرقاقة. نظرًا لعدم وجود أي قطع على سطح الرقاقة، يمكن تحقيق دقة معالجة أعلى. لقد تم بالفعل استخدام عملية SD باستخدام ليزر نبض النانو ثانية صناعيًا لفصل رقائق السيليكون. ومع ذلك، أثناء معالجة SD لكربيد السيليكون الناجم عن ليزر نبض النانو ثانية، تكون مدة النبضة أطول بكثير من وقت الاقتران بين الإلكترونات والفونونات في كربيد السيليكون (على مقياس البيكو ثانية)، مما يؤدي إلى تأثيرات حرارية. إن المدخلات الحرارية العالية على الرقاقة لا تجعل الفصل عرضة للانحراف عن الاتجاه المطلوب فحسب، بل يولد أيضًا إجهادًا متبقيًا كبيرًا، مما يؤدي إلى الكسور والانقسام الضعيف. لذلك، عند معالجة كربيد السيليكون، تستخدم عملية SD عادةً أشعة ليزر نبضية فائقة القصر، مما يقلل بشكل كبير من التأثيرات الحرارية.
قامت الشركة اليابانية DISCO بتطوير تقنية قطع بالليزر تسمى Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). على سبيل المثال، عند معالجة سبائك كربيد السيليكون بقطر 6- بوصة وسمك 20 مم، أدى ذلك إلى زيادة إنتاجية رقائق كربيد السيليكون بمقدار أربعة أضعاف. تقوم عملية KABRA بشكل أساسي بتركيز الليزر داخل مادة كربيد السيليكون. من خلال "الامتصاص المتكرر الأسود غير المتبلور"، يتحلل كربيد السيليكون إلى سيليكون غير متبلور وكربون غير متبلور، مما يشكل طبقة تعمل كنقطة فصل للرقاقة، تُعرف باسم الطبقة السوداء غير المتبلورة، والتي تمتص المزيد من الضوء، مما يجعل فصل الرقاقات أسهل بكثير.
لا تستطيع تقنية الرقاقة Cold Split التي طورتها Siltectra، والتي استحوذت عليها شركة Infineon، تقسيم أنواع مختلفة من السبائك إلى رقائق فحسب، بل تقلل أيضًا من فقدان المواد بنسبة تصل إلى 90%، مع خسارة كل رقاقة ما لا يقل عن 80 ميكرومتر، مما يؤدي في النهاية إلى خفض إجمالي تكاليف إنتاج الأجهزة بنسبة تصل إلى 30%. تشتمل تقنية Cold Split على خطوتين: أولاً، يقوم الليزر بإشعاع السبيكة لإنشاء طبقة تصفيح، مما يؤدي إلى تمدد الحجم الداخلي في مادة كربيد السيليكون، مما يولد إجهاد الشد ويشكل صدعًا صغيرًا ضيقًا جدًا -؛ بعد ذلك، تقوم خطوة تبريد البوليمر بتحويل الشق الصغير- إلى شق رئيسي، مما يؤدي في النهاية إلى فصل الرقاقة عن السبيكة المتبقية. وفي عام 2019، قامت جهة خارجية بتقييم هذه التقنية وقياس خشونة السطح Ra للرقائق المقسمة لتكون أقل من 3 ميكرومتر، وكانت أفضل النتائج أقل من 2 ميكرومتر.
إن تقطيع الليزر المعدل الذي طورته شركة Han's Laser الصينية هو تقنية ليزر تستخدم لفصل رقائق أشباه الموصلات إلى شرائح فردية أو قوالب. تستخدم هذه العملية أيضًا شعاع ليزر دقيقًا للمسح وتشكيل طبقة معدلة داخل الرقاقة، مما يسمح للرقاقة بالتشقق على طول مسار المسح بالليزر تحت الضغط المطبق، مما يحقق فصلًا دقيقًا.
الشكل 5. تعديل تدفق عملية التقطيع بالليزر
في الوقت الحالي، يتقن المصنعون المحليون تكنولوجيا تقطيع كربيد السيليكون-المعتمدة على الملاط. ومع ذلك، فإن تقطيع الملاط له خسارة عالية في المواد، وكفاءة منخفضة، وتلوث شديد، ويتم استبداله تدريجيًا بتكنولوجيا تقطيع الأسلاك الماسية. وفي الوقت نفسه، يبرز التقطيع بالليزر بسبب مزايا الأداء والكفاءة. بالمقارنة مع تقنيات معالجة التلامس الميكانيكية التقليدية، فهي تقدم العديد من الفوائد، بما في ذلك كفاءة المعالجة العالية، وخطوط الكتابة الضيقة، وكثافة الشقوق العالية، مما يجعلها منافسًا قويًا لاستبدال قطع الأسلاك الماسية. إنه يفتح مسارًا جديدًا لتطبيق الجيل التالي من مواد أشباه الموصلات مثل كربيد السيليكون. مع تقدم التكنولوجيا الصناعية والزيادة المستمرة في أحجام ركائز كربيد السيليكون، سوف تتطور تكنولوجيا تقطيع كربيد السيليكون بسرعة، وسيكون تقطيع كربيد السيليكون عالي الجودة والفعال -اتجاهًا مهمًا لقطع كربيد السيليكون في المستقبل.
