01
מָבוֹא
חיתוך פרוסות הוא חלק חשוב בייצור מכשירי מוליכים למחצה. שיטת החיתוך והאיכות משפיעות ישירות על עובי, חספוס, מידות ועלויות הייצור של הפרוסה, ויש להם השפעה משמעותית על ייצור המכשיר. סיליקון קרביד, כחומר-שלישי של מוליכים למחצה, הוא חומר חשוב המניע את המהפכה החשמלית. עלות הייצור של-סיליקון קרביד גבישי באיכות גבוהה היא גבוהה ביותר, ואנשים בדרך כלל מקווים לחתוך מטיל סיליקון קרביד גדול לכמה שיותר מצעים דקים של פרוסות סיליקון קרביד. במקביל, הצמיחה של התעשייה הובילה לגדלים הולכים וגדלים של פרוסות, מה שהגדיל את הדרישות לתהליכי חיתוך קוביות. עם זאת, סיליקון קרביד קשה במיוחד, עם קשיות Mohs של 9.5, שני רק ליהלום (10), והוא גם שביר, מה שמקשה על החיתוך. נכון לעכשיו, שיטות תעשייתיות משתמשות בדרך כלל בניסור תיל תיל או בניסור תיל יהלום. במהלך החיתוך, מסורי תיל קבועים במרווחים שווה מונחים מסביב למטיל הסיליקון קרביד, ואת המטיל חותכים באמצעות מסורי תיל מתוחים. בשיטת מסור התיל, הפרדת פרוסות ממטיל בקוטר 6 אינץ' אורכת כ-100 שעות. לפרוסות המתקבלות יש כרכים רחבים יחסית, משטחים מחוספסים יותר ואובדן חומרים גבוהים עד 46%. זה מגדיל את העלות של שימוש בחומרי סיליקון קרביד ומגביל את התפתחותם בתעשיית המוליכים למחצה, מה שמדגיש את הצורך הדחוף במחקר על טכנולוגיות חדשות לחיתוך פרוסות סיליקון קרביד.
בשנים האחרונות, השימוש בטכנולוגיית חיתוך לייזר הפך פופולרי יותר ויותר בייצור חומרים מוליכים למחצה. שיטה זו פועלת על ידי שימוש בקרן לייזר ממוקדת כדי לשנות את פני החומר או את פנים החומר, ובכך להפריד אותו. כתהליך ללא-מגע, הוא מונע בלאי כלים ולחץ מכני. לכן, הוא משפר מאוד את החספוס והדיוק של משטח הפרוסות, מבטל את הצורך בתהליכי ליטוש עוקבים, מפחית אובדן חומרים, מוזיל עלויות וממזער את הזיהום הסביבתי הנגרם מהשחזה והליטוש המסורתיים. טכנולוגיית חיתוך בלייזר מיושמת זה מכבר על חיתוך מטילי סיליקון, אך היישום שלה בתחום הסיליקון קרביד עדיין לא בשל. נכון לעכשיו, ישנן מספר טכניקות עיקריות.
02
חיתוך לייזר מודרך-במים
טכנולוגיית לייזר מונחית-מים (Laser MicroJet, LMJ), הידועה גם בשם טכנולוגיית לייזר מיקרו-, פועלת על פי העיקרון של מיקוד קרן לייזר על פיה כשהיא עוברת דרך תא מים מאופנן בלחץ. סילון מים בלחץ נמוך- נפלט מהזרבובית, ובשל ההבדל במקדם השבירה בממשק המים-, נוצר מוליך גל אור, המאפשר ללייזר להתפשט לאורך כיוון זרימת המים. זה מנחה סילון מים בלחץ גבוה- לעיבוד וחיתוך משטח החומר. היתרון העיקרי של חיתוך לייזר מודרך- במים טמון באיכות החיתוך שלו. זרימת המים לא רק מקררת את אזור החיתוך, מפחיתה עיוות תרמי ונזק תרמי לחומר, אלא גם מסירה פסולת עיבוד. בהשוואה לחיתוך במסור תיל, זה מהיר יותר באופן משמעותי. עם זאת, מכיוון שהמים סופגים אורכי גל לייזר שונים בדרגות שונות, אורך גל הלייזר מוגבל, בעיקר ל-1064 ננומטר, 532 ננומטר ו-355 ננומטר.
בשנת 1993, המדען השוויצרי Beruold Richerzhagen הציע לראשונה טכנולוגיה זו. הוא הקים את Synova, חברה המוקדשת למחקר, פיתוח ומסחור של טכנולוגיית לייזר מונחית מים-, שנמצאת בחזית הבינלאומית. הטכנולוגיה המקומית נמצאת בפיגור יחסית, אבל חברות כמו Innolight ו-Shengguang Silicon Research מפתחות אותה באופן פעיל.
03
קוביות התגנבות
Stealth Dicing (SD) היא טכניקה שבה לייזר ממוקד בתוך פרוסת סיליקון קרביד דרך פני השטח שלו כדי ליצור שכבה שונה בעומק הרצוי, המאפשרת הפרדת פרוסות. מכיוון שאין חתכים על משטח הפרוסים, ניתן להשיג דיוק עיבוד גבוה יותר. תהליך ה-SD עם לייזרים דופק ננו-שניות כבר שימש באופן תעשייתי להפרדת פרוסות סיליקון. עם זאת, במהלך עיבוד SD של סיליקון קרביד המושרה על ידי לייזרים דופק ננו-שניות, משך הפולס ארוך בהרבה מזמן הצימוד בין אלקטרונים ופונונים בסיליקון קרביד (בסולם פיקושניות), וכתוצאה מכך השפעות תרמיות. הקלט התרמית הגבוה על הפרוס לא רק גורם להפרדה לסטייה מהכיוון הרצוי אלא גם מייצר מתח שיורי משמעותי, המוביל לשברים ומחשוף לקוי. לכן, בעת עיבוד סיליקון קרביד, תהליך ה-SD משתמש בדרך כלל בלייזרי דופק אולטרה קצר, מה שמפחית מאוד את ההשפעות התרמיות.
חברת DISCO היפנית פיתחה טכנולוגיית חיתוך לייזר בשם Key Amorphous-Black Repetitive Absorption (KABRA). לדוגמה, בעיבוד מטילי סיליקון קרביד בקוטר 6- אינץ' בעובי 20 מ"מ, זה הגדיל את התפוקה של פרוסות סיליקון קרביד פי ארבעה. תהליך KABRA בעצם ממקד את הלייזר בתוך חומר הסיליקון קרביד. באמצעות 'ספיגה חוזרת של אמורפית-שחור', הסיליקון קרביד מתפרק לסיליקון אמורפי ולפחמן אמורפי, ויוצרים שכבה המשמשת כנקודת הפרדה של פרוסות, המכונה השכבה האמורפית השחורה, הקולטת יותר אור, מה שמקל הרבה יותר על הפרדת הפרוסים.
טכנולוגיית ה-Cold Split wafer שפותחה על ידי Siltectra, שנרכשה על ידי Infineon, יכולה לא רק לחלק סוגים שונים של מטילים לפרוסים אלא גם מפחיתה את אובדן החומרים בעד 90%, כאשר כל רקיק מאבד רק 80 מיקרומטר, ובסופו של דבר מוריד את עלויות הייצור הכוללות של המכשיר בעד 30%. טכנולוגיית Cold Split כוללת שני שלבים: ראשית, לייזר מקרין את המטיל ליצירת שכבת דלמינציה, הגורמת להתרחבות נפח פנימית בחומר הסיליקון קרביד, היוצרת מתח מתיחה ויוצרות סדק מיקרו- צר מאוד; לאחר מכן, שלב קירור פולימרי הופך את הסדק המיקרו- לסדק ראשי, ובסופו של דבר מפריד את הפרוסה מהמטיל הנותר. בשנת 2019, צד שלישי העריך את הטכנולוגיה הזו ומדד את חספוס פני השטח Ra של הפרוסות המפוצלות על פחות מ-3 מיקרומטר, כשהתוצאות הטובות ביותר היו פחות מ-2 מיקרומטר.
חיתוך הלייזר המותאם שפותחה על ידי חברת Han's Laser הסינית היא טכנולוגיית לייזר המשמשת להפרדת פרוסות מוליכים למחצה לשבבים או קוביות בודדות. תהליך זה משתמש גם בקרן לייזר מדויקת כדי לסרוק וליצור שכבה שונה בתוך הפרוסה, מה שמאפשר לפרוסה להיסדק לאורך נתיב סריקת הלייזר תחת לחץ מופעל, ולהשיג הפרדה מדויקת.
איור 5. זרימת תהליך חיתוך לייזר שונה
נכון לעכשיו, יצרנים מקומיים שולטים בטכנולוגיית חיתוך סיליקון קרביד המבוססת על תמיסה-. עם זאת, לחיתוך קוביות יש אובדן חומר גבוה, יעילות נמוכה וזיהום חמור, והוא מוחלף בהדרגה על ידי טכנולוגיית חיתוך חוטי יהלום. יחד עם זאת, קוביות לייזר בולטות בשל יתרונות הביצועים והיעילות שלה. בהשוואה לטכנולוגיות מסורתיות לעיבוד מגע מכני, הוא מציע יתרונות רבים, לרבות יעילות עיבוד גבוהה, קווי חרס צרים וצפיפות גרפית גבוהה, מה שהופך אותו למתחרה חזק להחלפת קוביות חוטי יהלום. זה פותח נתיב חדש ליישום של-חומרי מוליכים למחצה מהדור הבא כגון סיליקון קרביד. עם התקדמות הטכנולוגיה התעשייתית והעלייה המתמשכת בגדלים של מצע סיליקון קרביד, טכנולוגיית חיתוך הסיליקון קרביד תתפתח במהירות, וחיתוך לייזר יעיל ואיכותי-איכותי תהיה מגמה חשובה לחיתוך עתידי של סיליקון קרביד.
