01مقدمة
يعد تقطيع الويفر خطوة مهمة في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات. تؤثر طريقة القطع والجودة بشكل مباشر على سمك الرقاقة وخشونتها وأبعادها وتكاليف إنتاجها، ولها تأثير كبير على تصنيع الأجهزة. يعتبر كربيد السيليكون، باعتباره مادة من الجيل الثالث-من أشباه الموصلات، مادة بالغة الأهمية لتعزيز الثورة الكهربائية. إن تكلفة إنتاج-كربيد السيليكون البلوري عالي الجودة مرتفعة للغاية، وغالبًا ما تكون هناك رغبة في قطع سبيكة كبيرة من كربيد السيليكون إلى أكبر عدد ممكن من ركائز رقاقة كربيد السيليكون الرقيقة. وفي الوقت نفسه، أدى التطور الصناعي إلى زيادة حجم الرقائق، مما يزيد من الطلب على عمليات القطع. ومع ذلك، تتمتع مادة كربيد السيليكون بصلابة عالية للغاية، حيث تبلغ صلابة موس 9.5، وهي في المرتبة الثانية بعد أصلب الماس في العالم (10)، كما أنها تتمتع بهشاشة البلورات، مما يجعل من الصعب قطعها. حاليًا، تستخدم الصناعة عادةً قطع الأسلاك الملاطية أو قطع الأسلاك الماسية. أثناء القطع، يتم وضع منشار سلكي ثابت على فترات متساوية حول سبيكة كربيد السيليكون، ومن خلال شد المنشار السلكي، يتم قطع رقائق كربيد السيليكون. يستغرق استخدام طريقة المنشار السلكي لفصل الرقاقات من سبيكة قطرها 6-بوصة حوالي 100 ساعة. لا تحتوي الرقائق الناتجة على قطع كبير نسبيًا فحسب، بل تحتوي أيضًا على خشونة سطحية أكبر، مما يؤدي إلى خسائر في المواد تصل إلى 46%. وهذا يزيد من تكلفة استخدام مواد كربيد السيليكون ويقيد تطورها في صناعة أشباه الموصلات، مما يجعل البحث في تقنيات القطع الجديدة لرقائق كربيد السيليكون أمرًا ملحًا. في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام تكنولوجيا القطع بالليزر شائعًا بشكل متزايد في إنتاج ومعالجة مواد أشباه الموصلات. مبدأ هذه الطريقة هو استخدام شعاع ليزر مركّز لتعديل الركيزة من سطح المادة أو من الداخل، وبالتالي فصلها. نظرًا لأن هذه عملية لا تتطلب الاتصال، فإنها تتجنب آثار تآكل الأداة والضغط الميكانيكي. ولذلك، فإنه يحسن بشكل كبير خشونة السطح ودقة الرقاقة، ويلغي الحاجة إلى عمليات تلميع لاحقة، ويقلل من فقدان المواد، ويقلل التكاليف، ويقلل من التلوث البيئي الناجم عن عمليات الطحن والتلميع التقليدية. لقد تم تطبيق تكنولوجيا القطع بالليزر منذ فترة طويلة على قطع سبائك السيليكون، ولكن تطبيقها في مجال كربيد السيليكون لا يزال غير ناضج، مع توفر عدد قليل من التقنيات الرئيسية حاليًا.
2القطع بالليزر الموجه بالماء-.
تعمل تقنية الليزر الموجهة بالماء (Laser MicroJet, LMJ)، والمعروفة أيضًا بتقنية الليزر microjet، على مبدأ تركيز شعاع الليزر على فوهة عندما يمر الليزر عبر غرفة الماء ذات الضغط -المعدلة؛ يتم إخراج تيار ماء منخفض الضغط - من الفوهة. عند واجهة الماء والهواء، نظرًا للاختلاف في مؤشرات الانكسار، يتم تشكيل دليل موجي ضوئي، مما يسمح لليزر بالانتشار على طول اتجاه تدفق الماء، وبالتالي تحقيق قطع سطح المادة من خلال توجيه نفث الماء عالي الضغط -. الميزة الرئيسية لليزر الموجه بالماء- تكمن في جودة القطع؛ لا يقوم تدفق الماء فقط بتبريد منطقة القطع، مما يقلل من تشوه المواد الحراري وتلفها، ولكنه يزيل أيضًا بقايا المعالجة. بالمقارنة مع قطع المنشار السلكي، فإن سرعته تزداد بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فإن امتصاص الماء للأطوال الموجية المختلفة يختلف، مما يحد من أطوال موجات الليزر المستخدمة بشكل أساسي إلى 1064 نانومتر، و532 نانومتر، و355 نانومتر. في عام 1993، اقترح العالم السويسري بيروولد ريتشرزهاجن هذه التكنولوجيا لأول مرة، وتتخصص شركته Synova في البحث وتصنيع أجهزة الليزر الموجهة بالمياه-، وهي رائدة تكنولوجيًا على الساحة الدولية، في حين أن التكنولوجيا المحلية متأخرة نسبيًا، مع وجود شركات مثل Inno Laser وInno Laser Shengguang Silicon Research تتطور بنشاط.
03 التقطيع الخفي
يتضمن التقطيع الخفي (SD) تركيز الليزر عبر سطح كربيد السيليكون داخل الشريحة، مما يؤدي إلى إنشاء طبقة معدلة بالعمق المطلوب لتحقيق فصل الرقاقة. نظرًا لعدم وجود أي قطع على سطح الرقاقة، يمكن تحقيق دقة معالجة أعلى. تم استخدام عملية SD باستخدام ليزر نبض النانو ثانية في الصناعة لفصل رقائق السيليكون. ومع ذلك، أثناء معالجة SD لكربيد السيليكون المستحث بالليزر النبضي بالنانو ثانية، تحدث تأثيرات حرارية لأن مدة النبضة أطول بكثير من وقت الاقتران بين الإلكترونات والفونونات في كربيد السيليكون (بترتيب البيكو ثانية). إن المدخلات الحرارية العالية للرقاقة لا تجعل الفصل يميل إلى الانحراف عن الاتجاه المطلوب فحسب، بل يولد أيضًا إجهادًا متبقيًا كبيرًا، مما يؤدي إلى الكسور والانقسام الضعيف. لذلك، يتم استخدام عمليات SD لليزر ذو النبض القصير جدًا- بشكل عام عند معالجة كربيد السيليكون، مما يقلل بشكل كبير من التأثيرات الحرارية.
قامت شركة DISCO اليابانية بتطوير تقنية قطع بالليزر تسمى Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA)، باستخدام مثال معالجة سبيكة كريستال كربيد السيليكون بقطر 6 بوصات وسمك 20 مم، مما أدى إلى زيادة معدل إنتاج رقائق كربيد السيليكون بمقدار أربع مرات. يقوم جوهر عملية KABRA بتركيز الليزر داخل مادة كربيد السيليكون، مما يؤدي إلى تحلل كربيد السيليكون إلى سيليكون غير متبلور وكربون غير متبلور من خلال "امتصاص أسود غير متبلور-متكرر"، وتشكيل طبقة كنقطة فصل للرقاقة، أي الطبقة السوداء غير المتبلورة، التي تمتص المزيد من الضوء، وبالتالي تسهل عملية فصل الرقاقة بسهولة.
إن تقنية الرقاقة المنقسمة على البارد التي طورتها شركة Siltectra، والتي استحوذت عليها شركة Infineon، لا تسمح فقط بتقسيم أنواع مختلفة من السبائك إلى رقائق، ولكنها تؤدي أيضًا إلى خسارة ما لا يقل عن 80 ميكرومتر لكل رقاقة، مما يقلل من فقدان المواد بنسبة 90%، مما يؤدي في النهاية إلى خفض إجمالي تكلفة الإنتاج للأجهزة بنسبة تصل إلى 30%. تشتمل تقنية القطع على البارد على مرحلتين: أولاً، يؤدي التعرض لليزر إلى إنشاء طبقة تصفيح على السبيكة، مما يؤدي إلى تمدد مادة كربيد السيليكون في الحجم، مما يؤدي إلى إجهاد الشد ويشكل طبقة صدع دقيقة جدًا -؛ بعد ذلك، ومن خلال خطوة تبريد البوليمر، تتم معالجة هذه الشقوق-الصغيرة إلى شق رئيسي، مما يؤدي في النهاية إلى فصل الرقاقة عن السبيكة المتبقية. في عام 2019، أجرى تقييم من جهة خارجية -لهذه التقنية قياسًا بأن خشونة السطح Ra للرقائق المقسمة كانت أقل من 3 ميكرومتر، وكانت أفضل النتائج أقل من 2 ميكرومتر.
إن القطع بالليزر المعدل الذي طورته شركة ليزر محلية كبيرة الحجم عبارة عن تقنية ليزر تعمل على فصل رقائق أشباه الموصلات إلى شرائح أو حبيبات فردية. تتضمن هذه العملية أيضًا مسح الرقاقة داخليًا باستخدام شعاع ليزر دقيق لتشكيل طبقة معدلة، مما يسمح للرقاقة بالتمدد على طول مسار المسح بالليزر تحت الضغط المطبق، وتحقيق فصل دقيق.
في الوقت الحالي، أتقن المصنعون المحليون تكنولوجيا قطع كربيد السيليكون بالملاط، لكن خسارة القطع كبيرة، والكفاءة منخفضة، والتلوث شديد، والتي يتم استبدالها تدريجيًا بتكنولوجيا قطع الأسلاك الماسية. وفي الوقت نفسه، فإن مزايا الأداء والكفاءة للقطع بالليزر بارزة، حيث تقدم العديد من المزايا مقارنة بتقنيات معالجة التلامس الميكانيكية التقليدية، بما في ذلك كفاءة المعالجة العالية، ومسارات التقطيع الضيقة، وكثافة الرقائق العالية، مما يجعلها منافسًا قويًا لاستبدال تكنولوجيا قطع الأسلاك الماسية وفتح طريق جديد لتطبيق-الجيل القادم من مواد أشباه الموصلات مثل كربيد السيليكون. مع تطور التكنولوجيا الصناعية، يستمر حجم ركائز كربيد السيليكون في الزيادة، وسوف تتطور تكنولوجيا قطع كربيد السيليكون بسرعة؛ سيكون القطع بالليزر الفعال والعالي الجودة-اتجاهًا مهمًا في قطع كربيد السيليكون في المستقبل.
