تعتبر أشباه الموصلات جزءًا لا يتجزأ من الأعمال الداخلية للأجهزة الطبية ، حيث تساهم في التوصيل بين غير الموصلات والموصلات للتحكم في التيار. في المقابل ، فإن عملية التجميع لصنع أشباه الموصلات المثالية مفصلة للغاية ، خاصة الآن بعد أن أصبحت الأجهزة أصغر وأصغر. نظرًا لأن أشباه الموصلات يتم تصغيرها بسرعة لتلائم هذه الأجهزة الأصغر حجمًا ، فقد تم تكييف دور الليزر في تصنيع أشباه الموصلات.
غالبًا ما تُستخدم تقنية الليزر في تصنيع أشباه الموصلات نظرًا لحزمها الرقيقة والدقيقة والمتعددة الاستخدامات والقوية لأسباب متنوعة ، بما في ذلك القطع واللحام وإزالة الطلاء والنقش.
القطع / الكتابة
في إنتاج أشباه الموصلات ، توجد خطوات مختلفة للتقطيع ، بما في ذلك قطع الرقائق من الكتل الكريستالية والقوالب من الأغشية الرقيقة. يضمن التقطيع بالليزر قطع الرقائق بشكل نظيف بحيث تتلاءم بشكل صحيح مع الجهاز النهائي. يسمح استخدام الليزر بتقطيع أشباه الموصلات إلى العديد من الأشكال والأنماط غير الممكنة باستخدام طرق التكعيب الأخرى. وفقًا لمدرسة Fu Foundation للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا ، فإن قطع الرقاقات باستخدام هذه الطريقة يقلل من تآكل الأدوات وخسارة المواد ويؤدي إلى عوائد أعلى.
تنص مواد دراسة كولومبيا حول المعالجة بالليزر لأشباه الموصلات على أن "مزايا القطع بالليزر تشمل تآكل أقل للأدوات ، وتقليل فقد المواد حول القطع ، وعوائد أعلى بسبب قلة الكسر ، ودوران أسرع بسبب سهولة التثبيت."
هناك خيار آخر للقطع وهو النقش - حفر سلسلة من الثقوب العمياء المتقاربة أو المتداخلة في منتصف الطريق عبر المادة. هذه طريقة مستخدمة على نطاق واسع في تطبيقات تصنيع أشباه الموصلات ، مثل قطع ركائز أكسيد الألومنيوم إلى ناقلات الرقائق أو فصل رقائق السيليكون إلى شرائح. من الجدير بالذكر أن نوع الليزر المطلوب للكتابة يعتمد على المادة المستخدمة.
تقول الجامعة ، "يستخدم الكشط بأكسيد الألومنيوم ليزر ثاني أكسيد الكربون ، بينما يستخدم الكشط بالسيليكون ليزر Nd: YAG لأن المواد المختلفة لها معدلات امتصاص مختلفة بأطوال موجية مختلفة."
يعتمد الدافع لاستخدام النقش مقابل القطع على السرعة التي يحدث بها الإجراء في ورشة التصنيع. "بالنسبة لأكسيد الألومنيوم ، الذي يبلغ سمكه حوالي 0. 025 بوصة ، يمكن مسح المادة بمعدل حوالي 10 بوصات في الثانية باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون متوسط الطاقة ، بينما بالنسبة لجهاز ليزر مشابه ، يمكن أن يكون معدل القطع أن تكون كسورًا من البوصة في الثانية "، يكتب موظفو الجامعة. "يوفر Scribing أيضًا ميزة القدرة على نسخ الركيزة قبل اكتمال المعالجة ثم فصلها بسهولة إلى شرائح بعد المعالجة."
Wاللحام
اللحام بالليزر أو اللحام بالديود بالليزر هو عملية إذابة الأجزاء المجاورة لمكون أشباه الموصلات معًا ، مثل تثبيت رقاقة على لوحة الدعم. بالنسبة للوحات الدعم الجاهزة للربط (مثل إطارات الرصاص) ، يضع الليزر علامة تعريف على الإطار ثم يخفف السطح للتأكد من أن الجزأين مرتبطان ببعضهما بإحكام. بمجرد أن يتم ربطها ببعضها البعض ، فإن آلة الوسم بالليزر تزيل الحواف الناتجة عن عملية التخشين.
إزالة الطلاء
يعد التأكد من أن أشباه الموصلات نظيفة وخالية من العيوب جزءًا من عملية تصنيع تسمى إزالة الطلاء. باستخدام الليزر (عادة Nd: YAG) ، يمكن إزالة الطلاءات غير المرغوب فيها كما هو الحال مع الراتنج أو النحاس ، كما هو الحال مع طلاء الذهب أو طبقة رقيقة. لإزالة الحواف ، يستخدم الليزر شعاعًا دقيقًا ودقيقًا لإزالة المواد الزائدة دون التسبب في تلف المنتج.إزالة الطلاءاتيسمح بتحليل العيوب بشكل أكثر وضوحًا ، مما يلغي الحاجة إلى التفكيك للفحص ، مما قد يؤدي إلى تلف المنتج.
العلامات
الوسم بالليزر لأشباه الموصلاتمهم لإمكانية تتبع المنتج وقابليته للقراءة ، مما يعني أنه يجب أن يكون الليزر مقروءًا بوضوح في المطبوعات الصغيرة جدًا. تعني إمكانية تتبع المنتج أنه يمكن تتبع المنتج من خلال خطوات الإنتاج المتعددة وكذلك التوزيع النهائي. هذا يجعل من السهل العثور على فئات معينة من العيوب وعزلها.
يجب أيضًا أن تكون الرقائق المميزة قابلة للقراءة ، لأن وضع العلامات يعد طريقة مفيدة لتحديد المنتج المناسب للتطبيق. وفقًا لـ Wafer World ، "لا يقطع الليزر سطح الرقاقة فحسب ، بل يعيد ترتيب جزيئات السطح أيضًا لإنشاء علامات ضحلة للغاية ولكنها سهلة القراءة."
هناك نوعان من العلامات المستخدمة في أشباه الموصلات: علامات الحفر والعلامات الملدنة. علامات الحفر عبارة عن طبقات رقيقة من المواد تتم إزالتها باستخدام الليزر ، مما يترك علامة محكم بعمق يتراوح من 12 إلى 25 ميكرون. غالبًا ما يشار إليها باسم "العلامات الصلبة" نظرًا لوجود تغيير مرئي في الطبقة السطحية.
من ناحية أخرى ، تستخدم علامات التلدين مجموعة ليزر على مستوى طاقة أقل لإعادة ترتيب الجزيئات بدلاً من حفرها. هذا يخلق تباينًا على سطح الرقاقة يكون مرئيًا عند انعكاس الضوء.
نوع الليزر
في الوقت الحالي ، تستخدم الشركات في الغالب ليزر الحالة الصلبة لتصنيع الرقائق لأنها معروفة بقوتها العالية وتستخدم الخام كوسيط ليزر. تتكون الوسائط المعدنية عادةً من بلورات الإيتريوم أو الألومنيوم أو العقيق أو بلورات فانات الإيتريوم. على سبيل المثال ، تستخدم ليزر Nd: YAG بلورات عقيق ألمنيوم الإيتريوم المشبعة بالنيوديميوم كوسيط. يتم إنشاء شعاع الليزر باستخدام مذبذب يحفز الوسط بضوء من الصمام الثنائي الليزري.
يقول Keyence إن أحد أنواع ليزر الحالة الصلبة المستخدم لنقش الشرائح والحفر والتقطيع هو ليزر الألياف ، مضيفًا أن الليزر عالي السرعة يستخدم "الألياف الضوئية كرنانات وتخلق هياكل متداخلة من خلال تكسية ألياف مخدرة Yb-ion". مع ملاحظة أن الليزرات الليفية تعرف بسلسلة MD-F من ليزرات ألياف المحور 3-. "تتضمن بعض استخدامات ليزر الألياف إزالة النتوءات من عمليات ما قبل الإنتاج ، ووضع علامات على أكواد التتبع ، وإزالة الراتنج لتحليل العيوب."
تستخدم ليزر الإكسيمر أيضًا في تصنيع أشباه الموصلات. هذه عميقةفوق بنفسجيأشعة الليزر (UV) ذات الأطوال الموجية تتراوح من 126 نانومتر إلى 351 نانومتر والتي تستخدم بشكل أساسي في تصنيع البوليمر الميكروي. أشعة الليزر فوق البنفسجية الأقصر مقارنة بالحالة الصلبة تجعلها مناسبة لأي نوع من المواد ، بما في ذلك المواد الهشة والحساسة للغاية ، وتسمح لها بالعمل في منطقة دقيقة للغاية مع نقطة عمل منخفضة. عند استخدامه للنقش ، يغير ليزر الأشعة فوق البنفسجية بنية مادة المنتج على المستوى الجزيئي دون توليد حرارة في المنطقة المحيطة.
ابتكار الليزر
حاليًا ، يُنظر إلى ليزر الحالة الصلبة وليزر الإكسيمر على أنهما الخياران الرئيسيان عند استخدام التصنيع بالليزر لإنتاج أشباه الموصلات. ومع ذلك ، قد يتوفر قريبًا خيار جديد يمكن أن ينافس الكلاسيكيات. في دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature ، كتب فريق من الباحثين من جامعة كيوتو بقيادة سوسومو نودا أنهم اتخذوا خطوات للتغلب على قيود سطوع ليزر أشباه الموصلات عن طريق تغيير بنية الليزر الباعث للسطح البلوري الضوئي (PCSELs). وفقًا لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ، يعد السطوع ميزة تتضمن درجة التركيز أو الاختلاف في شعاع من الضوء ، بينما يُنظر إلى PCELs على أنها خيار جذاب لليزر عالي السطوع ، إلا أنها لم تكن في السابق قابلة للاستخدام على نطاق واسع. - عمليات النطاق بسبب التحديات مع حجم وسطوع الليزر.
غالبًا ما تنبع مشكلة PCSELs من الرغبة في توسيع منطقة انبعاثها ، مما يعني أن هناك مجالًا لتذبذب الضوء في اتجاه الانبعاث وفي الاتجاه العرضي. كتب معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: "تُعرف هذه التذبذبات المستعرضة بأوضاع الترتيب الأعلى ويمكن أن تدمر جودة الحزمة". "بالإضافة إلى ذلك ، إذا تم تشغيل الليزر بشكل مستمر ، يمكن للحرارة داخل الليزر تغيير معامل الانكسار للجهاز ، مما يؤدي إلى مزيد من التدهور في جودة الحزمة."
في دراسة الطبيعة ، استخدم الباحثون بلورات ضوئية مدمجة في الليزر و "قاموا بتكييف العاكس الداخلي للسماح بتذبذبات أحادية النمط على مساحة أوسع وللتعويض عن الضرر الحراري". سمحت هذه التغييرات لليزر بالحفاظ على جودة عالية للشعاع طوال العملية المستمرة.
طور الباحثون 3- PCSEL بقطر مم في دراستهم ، 10- قفزة أضعاف من جهاز PCSEL السابق بقطر 1- مم.
"بالنسبة لليزر الباعث للسطح البلوري الفوتوني بقطر طنين كبير يبلغ 3 مم ، طاقات خرج [موجة مستمرة] تزيد عن 5 0 وات ، وتذبذبات أحادية الوضع نقية ، وتباعد شعاع ضيق للغاية يبلغ 0.05 وقد تم تحقيق أكثر من 10 000 أطوال موجية في المادة "، كتب الباحثون في الدراسة. يصل السطوع ...... إلى 1 جيجاواط سم -2 sr -1 ، مقارنة بأشعة الليزر الكبيرة الموجودة. "
ومن الجدير بالذكر أن الباحثين يقصدون باستخدام "الليزر كبير الحجم" أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة وليزر الإكسيمر المستخدم حاليًا في تصنيع ليزر أشباه الموصلات.
كجزء من عملية إنشاء مركز امتياز بمساحة 1 000- متر مربع لأشعة الليزر الباعثة للسطح للبلورات الضوئية في جامعة كيوتو ، تحول نودا وفريقه أيضًا من تصنيع البلورات الضوئية باستخدام الطباعة الحجرية ذات الحزمة الإلكترونية إلى تلفيقها بالطباعة الحجرية النانوية.
يقول معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: "إن الطباعة الحجرية للأشعة الإلكترونية دقيقة ، ولكنها عادةً ما تكون بطيئة جدًا بالنسبة للتصنيع على نطاق واسع". "الطباعة الحجرية بتقنية Nanoimprint تنقش بشكل أساسي الأنماط على أشباه الموصلات وهي مفيدة في إنشاء أنماط منتظمة جدًا بسرعة."
وفقًا للدراسة ، فإن الخطوة التالية هي الاستمرار في توسيع قطر الليزر من 3 إلى 10 ملليمترات - وهو الحجم الذي يُقال إنه ينتج كيلو واط واحد من الطاقة الناتجة.
