01
Giới thiệu
Cắt wafer là một phần quan trọng trong sản xuất thiết bị bán dẫn. Phương pháp thái hạt lựu và chất lượng ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày, độ nhám, kích thước và chi phí sản xuất của tấm bán dẫn, đồng thời có tác động đáng kể đến việc chế tạo thiết bị. Cacbua silic, với tư cách là vật liệu bán dẫn-thế hệ thứ ba, là vật liệu quan trọng thúc đẩy cuộc cách mạng điện. Chi phí sản xuất cacbua silic tinh thể chất lượng cao-là cực kỳ cao và mọi người thường hy vọng cắt một thỏi cacbua silic lớn thành càng nhiều chất nền wafer cacbua silic mỏng càng tốt. Đồng thời, sự tăng trưởng của ngành đã dẫn đến kích thước wafer ngày càng lớn hơn, điều này làm tăng yêu cầu đối với quy trình thái hạt lựu. Tuy nhiên, cacbua silic cực kỳ cứng, với độ cứng Mohs là 9,5, chỉ đứng sau kim cương (10), và nó cũng giòn nên khó cắt. Hiện nay, các phương pháp công nghiệp thường sử dụng phương pháp cưa dây bùn hoặc cưa dây kim cương. Trong quá trình cắt, các cưa dây cố định cách đều nhau được đặt xung quanh phôi silicon cacbua và phôi được cắt bằng cưa dây kéo dài. Sử dụng phương pháp cưa dây, việc tách các tấm wafer khỏi phôi có đường kính 6 inch mất khoảng 100 giờ. Các tấm wafer thu được có rãnh cắt tương đối rộng, bề mặt cứng hơn và tổn thất vật liệu cao tới 46%. Điều này làm tăng chi phí sử dụng vật liệu cacbua silic và hạn chế sự phát triển của chúng trong ngành công nghiệp bán dẫn, làm nổi bật nhu cầu cấp thiết về nghiên cứu các công nghệ cắt tấm wafer cacbua silic mới.
Trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ cắt laser ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất vật liệu bán dẫn. Phương pháp này hoạt động bằng cách sử dụng chùm tia laser tập trung để sửa đổi bề mặt hoặc bên trong vật liệu, từ đó tách nó ra. Là một quá trình không{2}}tiếp xúc, nó tránh được sự mài mòn của dụng cụ và ứng suất cơ học. Do đó, nó cải thiện đáng kể độ nhám và độ chính xác của bề mặt wafer, loại bỏ sự cần thiết của các quá trình đánh bóng tiếp theo, giảm tổn thất vật liệu, giảm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do mài và đánh bóng truyền thống. Công nghệ cắt laser đã được áp dụng từ lâu để cắt phôi silicon, nhưng ứng dụng của nó trong lĩnh vực cacbua silic vẫn còn non nớt. Hiện nay có một số kỹ thuật chính.
02
Nước-Cắt laze có hướng dẫn
Công nghệ laser dẫn đường-bằng nước (Laser MicroJet, LMJ), còn được gọi là công nghệ tia laser-vi tia, hoạt động dựa trên nguyên tắc tập trung chùm tia laze vào vòi phun khi nó đi qua buồng chứa nước được điều chỉnh-áp suất. Một tia nước áp suất-thấp được phun ra từ vòi và do sự khác biệt về chiết suất ở giao diện không khí-nước, một ống dẫn sóng ánh sáng được hình thành, cho phép tia laser truyền dọc theo hướng của dòng nước. Điều này hướng dẫn tia nước áp suất cao-xử lý và cắt bề mặt vật liệu. Ưu điểm chính của việc cắt laser dẫn hướng-bằng nước nằm ở chất lượng cắt của nó. Dòng nước không chỉ làm mát khu vực cắt, giảm biến dạng nhiệt và hư hỏng nhiệt cho vật liệu mà còn loại bỏ các mảnh vụn đang xử lý. So với cắt dây cưa, nó nhanh hơn đáng kể. Tuy nhiên, do nước hấp thụ các bước sóng laser khác nhau ở các mức độ khác nhau nên bước sóng laser bị giới hạn, chủ yếu ở 1064 nm, 532 nm và 355 nm.
Năm 1993, nhà khoa học Thụy Sĩ Beruold Richerzhagen lần đầu tiên đề xuất công nghệ này. Ông thành lập Synova, một công ty chuyên nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa công nghệ laser dẫn đường-bằng nước, công ty đi đầu trên thế giới. Công nghệ trong nước tương đối chậm, nhưng các công ty như Innolight và Shengguang Silicon Research đang tích cực phát triển nó.
03
Xúc xắc lén lút
Stealth Dicing (SD) là một kỹ thuật trong đó tia laser được tập trung bên trong tấm wafer silicon cacbua xuyên qua bề mặt của nó để tạo thành một lớp được sửa đổi ở độ sâu mong muốn, cho phép tách wafer. Vì không có vết cắt trên bề mặt wafer nên có thể đạt được độ chính xác xử lý cao hơn. Quy trình SD với laser xung nano giây đã được sử dụng trong công nghiệp để tách các tấm silicon. Tuy nhiên, trong quá trình xử lý SD của cacbua silic được tạo ra bởi laser xung nano giây, thời lượng xung dài hơn nhiều so với thời gian ghép giữa các electron và phonon trong cacbua silic (trên thang đo pico giây), dẫn đến hiệu ứng nhiệt. Nhiệt đầu vào cao trên tấm bán dẫn không chỉ làm cho sự phân tách có xu hướng lệch khỏi hướng mong muốn mà còn tạo ra ứng suất dư đáng kể, dẫn đến gãy xương và khả năng phân tách kém. Do đó, khi xử lý cacbua silic, quy trình SD thường sử dụng laser xung cực ngắn, giúp giảm đáng kể hiệu ứng nhiệt.
Công ty DISCO của Nhật Bản đã phát triển một công nghệ cắt laze có tên là Hấp thụ lặp lại màu đen vô định hình-(KABRA). Ví dụ: khi xử lý các thỏi cacbua silic có đường kính 6{6}}inch, dày 20 mm, nó đã tăng năng suất của các tấm wafer cacbua silic lên gấp bốn lần. Quy trình KABRA về cơ bản tập trung tia laser vào bên trong vật liệu cacbua silic. Thông qua 'sự hấp thụ lặp đi lặp lại màu đen vô định hình', cacbua silic bị phân hủy thành silicon vô định hình và carbon vô định hình, tạo thành một lớp đóng vai trò là điểm phân tách tấm bán dẫn, được gọi là lớp vô định hình màu đen, hấp thụ nhiều ánh sáng hơn, giúp việc tách các tấm bán dẫn dễ dàng hơn nhiều.
Công nghệ wafer Cold Split do Siltectra phát triển và được Infineon mua lại, không chỉ có thể chia nhiều loại thỏi khác nhau thành các wafer mà còn giảm tổn thất vật liệu lên tới 90%, với mỗi wafer mất đi chỉ 80µm, cuối cùng giảm tổng chi phí sản xuất thiết bị lên tới 30%. Công nghệ Cold Split bao gồm hai bước: thứ nhất, tia laser chiếu xạ phôi để tạo ra lớp tách lớp, gây ra sự giãn nở thể tích bên trong vật liệu cacbua silic, tạo ra ứng suất kéo và tạo thành một vết nứt vi mô rất hẹp; sau đó, bước làm nguội polyme biến vết nứt vi mô-thành vết nứt chính, cuối cùng tách tấm bán dẫn ra khỏi phôi còn lại. Năm 2019, một bên thứ ba đã đánh giá công nghệ này và đo độ nhám bề mặt Ra của các tấm wafer được chia nhỏ hơn 3µm, với kết quả tốt nhất là dưới 2µm.
Công nghệ cắt laser cải tiến do công ty Han's Laser của Trung Quốc phát triển là công nghệ laser được sử dụng để tách các tấm bán dẫn thành các chip hoặc khuôn riêng lẻ. Quá trình này cũng sử dụng chùm tia laze chính xác để quét và tạo thành một lớp được sửa đổi bên trong tấm bán dẫn, cho phép tấm bán dẫn nứt dọc theo đường quét laze dưới tác dụng của lực tác dụng, đạt được sự phân tách chính xác.
Hình 5. Quy trình cắt hạt bằng laser được sửa đổi
Hiện nay, các nhà sản xuất trong nước đã làm chủ được-công nghệ cắt hạt cacbua silic dựa trên bùn. Tuy nhiên, công nghệ cắt bùn có tổn thất vật liệu cao, hiệu suất thấp và ô nhiễm nghiêm trọng và đang dần được thay thế bằng công nghệ cắt dây kim cương. Đồng thời, việc cắt laser nổi bật nhờ những ưu điểm về hiệu suất và hiệu quả của nó. So với các công nghệ xử lý tiếp xúc cơ học truyền thống, nó mang lại nhiều lợi ích, bao gồm hiệu quả xử lý cao, đường nét hẹp và mật độ cắt cao, khiến nó trở thành đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ để thay thế công nghệ cắt dây kim cương. Nó mở ra một hướng đi mới cho việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn-thế hệ tiếp theo chẳng hạn như cacbua silic. Với sự tiến bộ của công nghệ công nghiệp và sự gia tăng liên tục về kích thước chất nền cacbua silic, công nghệ cắt bằng cacbua silic sẽ phát triển nhanh chóng và việc cắt bằng laser chất lượng cao,-hiệu quả sẽ là xu hướng quan trọng để cắt bằng cacbua silic trong tương lai.
