תפקיד הלייזרים בייצור מוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם חלק בלתי נפרד מהפעולה הפנימית של מכשירים רפואיים, התורמים למוליכות בין לא מוליכים לבין מוליכים כדי לשלוט בזרם. בתורו, תהליך ההרכבה להכנת המוליך למחצה המושלם הוא מפורט מאוד, במיוחד כעת כשהמכשירים הופכים קטנים יותר ויותר. מכיוון שמוליכים למחצה ממוזערים במהירות כדי להשתלב במכשירים הקטנים הללו, תפקידם של הלייזרים בייצור מוליכים למחצה הותאם.

טכנולוגיית הלייזר משמשת לעתים קרובות בייצור מוליכים למחצה על הקורות הדקות, המדויקות, הרב-תכליתיות והעוצמתיות שלה ממגוון סיבות, כולל חיתוך, ריתוך, הסרת ציפוי וסימון.

חיתוך / כתיבה

בייצור של מוליכים למחצה, ישנם שלבי חיתוך לקוביות שונות, כולל חיתוך פרוסות מגושי קריסטל ותבניות מסרטים דקים. חיתוך לקוביות בלייזר מבטיח ששבבים נחתכים בצורה נקייה כך שישתלבו כראוי במכשיר הסופי. שימוש בלייזרים מאפשר לחתוך מוליכים למחצה לצורות ודפוסים רבים שאינם אפשריים בשיטות חיתוך אחרות. על פי בית הספר להנדסה ומדע יישומי Fu Foundation של אוניברסיטת קולומביה, חיתוך פרוסות בשיטה זו מפחית את בלאי הכלים ואובדן החומר ומביא לתפוקות גבוהות יותר.

חומר המחקר של קולומביה על עיבוד לייזר מוליכים למחצה קובע כי "היתרונות של חיתוך לייזר כוללים פחות שחיקה של הכלים, אובדן חומר מופחת סביב החתך, תפוקות גבוהות יותר עקב פחות שבירה, והיפוך מהיר יותר בגלל קלות הקיבוע".

אפשרות נוספת לחיתוך היא שרבוט - קידוח סדרה של חורים עיוורים מרווחים או חופפים באמצע החומר. זוהי שיטה בשימוש נרחב ביישומי ייצור מוליכים למחצה, כגון חיתוך מצעי תחמוצת אלומיניום למנשאי שבבים או הפרדת פרוסות סיליקון לשבבים. ראוי לציין שסוג הלייזר הנדרש לכתיבה תלוי בחומר המשמש.

האוניברסיטה אומרת, "שריטת תחמוצת אלומיניום משתמשת בלייזרי CO2, בעוד ששריטת סיליקון משתמשת בלייזרי Nd:YAG מכיוון שלחומרים שונים יש שיעורי ספיגה שונים באורכי גל שונים."

המוטיבציה לשימוש בסריטה לעומת חיתוך תלויה במהירות שבה מתרחשת הפעולה בחנות הייצור. "עבור תחמוצת אלומיניום, שעוביו בערך 0.025 אינץ', ניתן לחרוט את החומר בקצב של כ-10 אינץ' לשנייה באמצעות לייזר CO2 בעל הספק בינוני, בעוד שבלייזר דומה, קצב החיתוך עשוי להיות להיות שברירי אינץ' לשנייה", כותב צוות האוניברסיטה. "הכתיבה מציעה גם את היתרון של היכולת לכתוב את המצע לפני השלמת העיבוד ולאחר מכן להפריד אותו בקלות לשבבים לאחר העיבוד."

Wאלדינג

הלחמת לייזר או ריתוך דיודות לייזר הוא תהליך של התכה של חלקים סמוכים של רכיב מוליכים למחצה יחד, בדומה לאבטחת רקיק לצלחת תמיכה. עבור לוחות תמיכה שמוכנים להדבקה (כגון מסגרות עופרת), הלייזר מציב סימן זיהוי על המסגרת ולאחר מכן מחספס את פני השטח כדי להבטיח ששני החלקים מחוברים היטב יחדיו. לאחר החיבור יחד, מכונת סימון הלייזר מסירה את הקוצים שנוצרו בתהליך החיספוס.

הסרת ציפוי

הבטחת המוליכים למחצה נקיים וללא פגמים היא חלק מתהליך ייצור הנקרא הסרת ציפוי. באמצעות לייזר (בדרך כלל Nd:YAG), ניתן להסיר ציפויים לא רצויים כמו עם שרף או נחושת, וכמו עם ציפוי זהב או סרט דק. לצורך הוצאת בור, הלייזר מנצל את הקרן העדינה והמדויקת שלו כדי להסיר עודפי חומר מבלי לגרום נזק למוצר.הסרת ציפוייםמאפשר ניתוח ברור יותר של פגמים, ומבטל את הצורך בפירוק לצורך בדיקה, שעלול לגרום לנזק למוצר.

צִיוּן

סימון לייזר של מוליכים למחצהחשוב לעקיבות ולקריאה של המוצר, מה שאומר שהלייזר חייב להיות קריא בבירור באותיות קטנות מאוד. עקיבות המוצר פירושה שניתן לעקוב אחר המוצר דרך שלבי הייצור המרובים כמו גם ההפצה הסופית. כך קל יותר למצוא ולבודד קטגוריות ספציפיות של פגמים.

גם שבבים מסומנים חייבים להיות קריאים, שכן סימון הוא דרך שימושית לקבוע איזה מוצר מתאים ליישום. לפי Wafer World, "הלייזר לא רק חותך לתוך פני השטח של הפרוסה אלא גם מסדר מחדש את חלקיקי פני השטח ליצירת סימנים רדודים במיוחד אך קלים לקריאה".

ישנם שני סוגים של סמנים המשמשים על מוליכים למחצה: סמני תחריט וסמנים מחולים. סמני תחריט הם שכבות דקות של חומר המוסרות באמצעות לייזר, ומשאירות סימן מרקם בעומק של כ-12 עד 25 מיקרון. אלה מכונים לעתים קרובות "סימנים קשים" מכיוון שקיים שינוי גלוי בשכבת פני השטח.

סימני חישול, לעומת זאת, משתמשים בלייזר שנקבע לרמת כוח נמוכה יותר כדי לסדר מחדש את המולקולות במקום לחרוט אותן. זה יוצר ניגוד על פני השבב הנראה כאשר האור מוחזר.

סוג לייזר

נכון לעכשיו, חברות משתמשות בעיקר בלייזרים במצב מוצק לייצור שבבים מכיוון שהם ידועים בהספק הגבוה שלהם ומשתמשות בעפר כמדיום הלייזר. מדיה מינרלית מורכבת בדרך כלל מגבישי איטריום, אלומיניום, נופך או איטריום ונדאט. לדוגמה, לייזרים Nd:YAG משתמשים בגבישי נופך אלומיניום איטריום מסוממים בניאודימיום בתור המדיום. קרן הלייזר נוצרת באמצעות מתנד המגרה את המדיום באור מדיודת לייזר.

סוג אחד של לייזר במצב מוצק המשמש לסימון שבבים, חריטה וחיתוך קוביות הוא לייזר הסיבים, אומר קיינס, ומוסיף כי הלייזרים המהירים משתמשים ב"סיבים אופטיים בתור מהודים ויוצרים מבנים חופפים באמצעות חיפוי סיבים מסוממים ב-Yb-ion." שים לב שלייזרי הסיבים שלה ידועים כסדרת MD-F של 3-לייזרי סיבים בציר. "חלק מהשימושים בלייזרי סיבים כוללים הסרת קוצים מתהליכי קדם-ייצור, סימון קודי עקיבות והסרת שרף לצורך ניתוח פגמים."

לייזר אקצימר משמש גם בייצור מוליכים למחצה. אלה עמוקיםאוּלְטרָה סָגוֹללייזרים (UV) עם אורכי גל הנעים בין 126 ננומטר ל-351 ננומטר המשמשים בעיקר למיקרו-עיבוד פולימרי. קרני הלייזר ה-UV הקצרות יותר בהשוואה למצב מוצק הופכות אותן למתאימות לכל סוג של חומר, כולל חומרים שבירים ועדינים מאוד, ומאפשרות להן לעבוד בשטח קטן מאוד ומדויק עם נקודת פעולה מופחתת. בשימוש לסימון, לייזר UV משנה את מבנה חומר המוצר ברמה המולקולרית מבלי לייצר חום באזור שמסביב.

חדשנות בלייזר

נכון לעכשיו, לייזר מוצק ואקסימר נתפסים כאפשרויות העיקריות בעת שימוש בייצור לייזר לייצור מוליכים למחצה. עם זאת, אופציה חדשה שיכולה להתחרות בקלאסיקה עשויה להיות זמינה בקרוב. במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature, צוות חוקרים מאוניברסיטת קיוטו בראשות Susumu Noda כתב שהם נקטו צעדים כדי להתגבר על המגבלות של בהירות לייזר מוליכים למחצה על ידי שינוי המבנה של לייזרים פולטי משטח גביש פוטוניים (PCSELs). על פי המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה, בהירות היא יתרון הכולל את מידת המיקוד או ההתרחקות של אלומת אור. PCSELs, למרות שנתפסו כאופציה אטרקטיבית עבור לייזרים בהירות גבוהה, היו בעבר בלתי ניתנים להרחבה לשימוש בגדולים -פעולות בקנה מידה עקב אתגרים בגודל ובהירות הלייזרים.

לעתים קרובות, הבעיה עם PCSELs נובעת מהרצון להרחיב את שטח הפליטה שלהם, כלומר יש מקום לאור להתנדנד בכיוון הפליטה ובכיוון הרוחבי. "תנודות רוחביות אלו ידועות כמצבים מסדר גבוה ויכולות להרוס את איכות האלומה", כותב ה-IEEE. "בנוסף, אם הלייזר מופעל באופן רציף, החום בתוך הלייזר יכול לשנות את מקדם השבירה של המכשיר, ולהוביל להידרדרות נוספת באיכות הקרן".

במחקר Nature, החוקרים השתמשו בגבישים פוטונים המוטבעים בלייזר ו"התאימו את הרפלקטור הפנימי כדי לאפשר תנודות חד-מודיות על פני שטח רחב יותר וכדי לפצות על נזק תרמי". שינויים אלו אפשרו ללייזר לשמור על איכות קרן גבוהה לאורך כל פעולה רציפה.

החוקרים פיתחו במחקרם מכשיר PCSEL בקוטר 3-ממ"מ, קפיצה 10-מפי שניים ממכשיר ה-PCSEL הקודם של 1-מ"מ.

"עבור לייזר פולט משטח גביש פוטוני עם קוטר תהודה גדול של 3 מ"מ, הספקי פלט [גל רציף] של יותר מ-50 W, תנודות חד-מודד טהורות, והתרחקות אלומה צרה ביותר של 0.05 תואר, המקביל ליותר מ-10,000 אורכי גל בחומר, הושגו", כתבו החוקרים במחקר. הבהירות ...... מגיעה ל-1 GW cm-2 sr-1, דומה ללייזרים גדולים קיימים."

ראוי לציין כי ב"לייזרים בעלי נפח גדול", החוקרים מתכוונים ללייזרי המצב המוצק והאקסימר המשמשים כיום בייצור לייזר מוליכים למחצה.

כחלק מתהליך הקמת מרכז מצוינות בגודל 1,000-מ"ר עבור לייזרים פולטי-שטח עבור גבישים פוטוניים באוניברסיטת קיוטו, נודה וצוותו עברו גם מייצור גבישים פוטוניים באמצעות ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים ל מייצרים אותם עם ליטוגרפיה ננו-טביעית.

"ליתוגרפיה של קרן אלקטרונית היא מדויקת, אבל בדרך כלל איטית מדי עבור ייצור בקנה מידה גדול", אומר IEEE. "ליתוגרפיה ננו-אימפינט בעצם מטביעה תבניות על מוליכים למחצה והיא שימושית ליצירת דפוסים מאוד קבועים במהירות."

לפי המחקר, השלב הבא הוא להמשיך ולהרחיב את קוטר הלייזר מ-3 ל-10 מילימטרים - גודל שלפי הדיווחים מייצר 1 קילוואט של הספק פלט.