Chất bán dẫn là một phần không thể thiếu trong hoạt động bên trong của các thiết bị y tế, góp phần tạo nên sự dẫn điện giữa chất không dẫn điện và chất dẫn điện để kiểm soát dòng điện. Đổi lại, quy trình lắp ráp để tạo ra chất bán dẫn hoàn hảo rất chi tiết, đặc biệt là khi các thiết bị ngày càng trở nên nhỏ hơn. Khi các chất bán dẫn được thu nhỏ nhanh chóng để phù hợp với các thiết bị nhỏ hơn này, vai trò của laser trong sản xuất chất bán dẫn đã thích nghi.
Công nghệ laser thường được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn nhờ các chùm tia mỏng, chính xác, linh hoạt và mạnh mẽ vì nhiều lý do, bao gồm cắt, hàn, loại bỏ lớp phủ và đánh dấu.
cắt/vẽ nguệch ngoạc
Trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, có nhiều bước cắt nhỏ khác nhau, bao gồm cắt các tấm mỏng ra khỏi các khối tinh thể và các khuôn mẫu ra khỏi các màng mỏng. Cắt hạt lựu bằng tia laze đảm bảo rằng các con chip được cắt gọn gàng để chúng vừa khít với thiết bị cuối cùng. Sử dụng tia laze cho phép chất bán dẫn được cắt thành nhiều hình dạng và hoa văn không thể thực hiện được bằng các phương pháp cắt hạt lựu khác. Theo Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Fu Foundation của Đại học Columbia, việc cắt các tấm mỏng bằng phương pháp này giúp giảm hao mòn dụng cụ và hao hụt vật liệu, đồng thời mang lại năng suất cao hơn.
Tài liệu nghiên cứu của Columbia về xử lý laze bán dẫn nói rằng "ưu điểm của cắt laze bao gồm ít hao mòn dụng cụ hơn, giảm tổn thất vật liệu xung quanh vết cắt, năng suất cao hơn do ít gãy hơn và quay vòng nhanh hơn do dễ cố định."
Một lựa chọn khác để cắt là viết nguệch ngoạc - khoan một loạt các lỗ mù cách đều nhau hoặc chồng lên nhau ở giữa vật liệu. Đây là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng sản xuất chất bán dẫn, chẳng hạn như cắt chất nền oxit nhôm thành chất mang chip hoặc tách các tấm silicon mỏng thành chip. Điều đáng chú ý là loại tia laser cần thiết để viết nguệch ngoạc phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng.
Trường đại học này cho biết, "Việc khắc chữ nhôm oxit sử dụng tia laze CO2, trong khi việc khắc chữ silicon sử dụng tia laser Nd:YAG vì các vật liệu khác nhau có tốc độ hấp thụ khác nhau ở các bước sóng khác nhau."
Động lực để sử dụng việc viết nguệch ngoạc so với việc cắt phụ thuộc vào tốc độ mà hành động xảy ra trong cửa hàng chế tạo. "Đối với oxit nhôm dày khoảng 0.025 inch, vật liệu có thể được khắc với tốc độ khoảng 10 inch mỗi giây bằng cách sử dụng tia laze CO2 công suất trung bình, trong khi đối với tia laze tương tự, tốc độ cắt có thể là phân số của một inch trên giây," nhân viên trường đại học viết. "Việc ghi chép cũng mang lại lợi thế là có thể ghi chép chất nền trước khi quá trình xử lý hoàn tất và sau đó dễ dàng tách nó thành các chip sau khi xử lý."
Wsự trưởng thành
Hàn laser hoặc hàn diode laser là quá trình làm nóng chảy các bộ phận liền kề của một thành phần bán dẫn với nhau, giống như việc cố định một tấm wafer vào một tấm đỡ. Đối với các bảng hỗ trợ đã sẵn sàng để được liên kết (chẳng hạn như khung chì), tia laser sẽ đánh dấu nhận dạng lên khung và sau đó làm nhám bề mặt để đảm bảo rằng hai phần được liên kết chắc chắn với nhau. Sau khi liên kết với nhau, máy khắc laser sẽ loại bỏ các gờ do quá trình gia công thô tạo ra.
loại bỏ lớp phủ
Đảm bảo rằng chất bán dẫn sạch sẽ và không có khuyết tật là một phần của quy trình sản xuất được gọi là loại bỏ lớp phủ. Sử dụng tia laser (thường là Nd:YAG), các lớp phủ không mong muốn có thể được loại bỏ như với nhựa hoặc đồng, và như với lớp phủ vàng hoặc màng mỏng. Để loại bỏ bavia, tia laser sử dụng chùm tia mịn, chính xác của nó để loại bỏ vật liệu dư thừa mà không gây hư hại cho sản phẩm.Loại bỏ lớp phủcho phép các khuyết tật được phân tích rõ ràng hơn, loại bỏ nhu cầu tháo rời để kiểm tra, điều này có thể dẫn đến hư hỏng sản phẩm.
đánh dấu
Đánh dấu laser của chất bán dẫnrất quan trọng đối với khả năng truy xuất nguồn gốc và khả năng đọc của sản phẩm, điều đó có nghĩa là tia laze phải rõ ràng dễ đọc trong các bản in rất nhỏ. Truy xuất nguồn gốc sản phẩm có nghĩa là sản phẩm có thể được theo dõi qua nhiều bước sản xuất cũng như phân phối cuối cùng. Điều này giúp dễ dàng tìm và cô lập các loại lỗi cụ thể.
Các con chip được đánh dấu cũng phải dễ đọc, vì đánh dấu là một cách hữu ích để xác định sản phẩm nào phù hợp cho một ứng dụng. Theo Wafer World, "Tia laser không chỉ cắt vào bề mặt của tấm wafer mà còn sắp xếp lại các hạt trên bề mặt để tạo ra các dấu cực nông nhưng dễ đọc."
Có hai loại chất đánh dấu được sử dụng trên chất bán dẫn: chất đánh dấu khắc và chất đánh dấu ủ. Dấu khắc là các lớp vật liệu mỏng được loại bỏ bằng tia laser, để lại dấu kết cấu sâu khoảng 12 đến 25 micron. Chúng thường được gọi là "vết cứng" vì có sự thay đổi rõ rệt trên lớp bề mặt.
Mặt khác, các dấu ủ sử dụng tia laser được đặt ở mức năng lượng thấp hơn để sắp xếp lại các phân tử thay vì khắc chúng. Điều này tạo ra độ tương phản trên bề mặt chip có thể nhìn thấy khi ánh sáng phản chiếu.
loại laze
Hiện tại, các công ty chủ yếu sử dụng laser trạng thái rắn để chế tạo chip vì chúng được biết đến với công suất cao và sử dụng quặng làm môi trường laser. Môi trường khoáng chất thường bao gồm các tinh thể yttrium, nhôm, garnet hoặc yttri vanadat. Ví dụ, laser Nd:YAG sử dụng các tinh thể garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium làm môi trường. Chùm tia laze được tạo ra bằng cách sử dụng bộ tạo dao động kích thích môi trường bằng ánh sáng từ điốt laze.
Keyence cho biết, một loại laser trạng thái rắn được sử dụng để đánh dấu, khắc và cắt hạt chip là laser sợi quang, đồng thời cho biết thêm rằng các laser tốc độ cao sử dụng "sợi quang học làm bộ cộng hưởng và tạo ra các cấu trúc chồng chéo thông qua lớp vỏ sợi pha tạp Yb-ion." lưu ý rằng các laze sợi quang của nó được gọi là loạt laze sợi quang trục 3-MD-F. "Một số ứng dụng của laser sợi quang bao gồm loại bỏ các gờ khỏi quy trình tiền sản xuất, đánh dấu mã truy xuất nguồn gốc và loại bỏ nhựa để phân tích lỗi."
Laser Excimer cũng được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Đây là sâutia cực tímlaze (UV) có bước sóng nằm trong khoảng từ 126 nm đến 351 nm chủ yếu được sử dụng cho quá trình vi cơ polyme. Các chùm tia laze UV ngắn hơn so với trạng thái rắn khiến chúng phù hợp với mọi loại vật liệu, kể cả những vật liệu rất dễ vỡ và mỏng manh, đồng thời cho phép chúng hoạt động trong một khu vực chính xác rất nhỏ với điểm tác động giảm. Khi được sử dụng để đánh dấu, tia laser UV sẽ thay đổi cấu trúc của vật liệu sản phẩm ở cấp độ phân tử mà không tạo ra nhiệt ở khu vực xung quanh.
Đổi mới laze
Hiện nay, laser thể rắn và laser excimer được coi là những lựa chọn chính khi sử dụng chế tạo laser để sản xuất chất bán dẫn. Tuy nhiên, một tùy chọn mới có thể cạnh tranh với các tùy chọn cổ điển có thể sớm ra mắt. Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Kyoto do Susumu Noda đứng đầu đã viết rằng họ đã thực hiện các bước để khắc phục những hạn chế về độ sáng của laser bán dẫn bằng cách thay đổi cấu trúc của laser phát ra bề mặt tinh thể quang tử (PCSEL). Theo Viện Kỹ sư Điện và Điện tử, độ sáng là một lợi thế bao gồm mức độ tập trung hoặc phân kỳ của chùm ánh sáng. PCSEL, mặc dù được coi là một lựa chọn hấp dẫn đối với laser độ sáng cao, nhưng trước đây không thể thay đổi tỷ lệ để sử dụng ở quy mô lớn. -quy mô hoạt động do những thách thức với kích thước và độ sáng của laser.
Thông thường, vấn đề với PCSEL bắt nguồn từ mong muốn mở rộng vùng phát xạ của chúng, nghĩa là có chỗ cho ánh sáng dao động theo hướng phát xạ và theo hướng ngang. IEEE viết: “Những dao động ngang này được gọi là các chế độ bậc cao hơn và có thể phá hủy chất lượng của chùm tia”. "Ngoài ra, nếu tia laser được vận hành liên tục, nhiệt bên trong tia laser có thể thay đổi chỉ số khúc xạ của thiết bị, dẫn đến chất lượng chùm tia tiếp tục giảm."
Trong nghiên cứu Tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tinh thể quang tử được nhúng trong tia laser và "điều chỉnh gương phản xạ bên trong để cho phép các dao động đơn mode trên một khu vực rộng hơn và để bù đắp thiệt hại do nhiệt." Những thay đổi này cho phép tia laser duy trì chất lượng chùm tia cao trong suốt quá trình hoạt động liên tục.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một PCSEL 3-đường kính mm trong nghiên cứu của họ, một bước nhảy 10-so với 1-thiết bị PCSEL đường kính mm trước đó.
"Đối với laser phát ra bề mặt tinh thể quang tử có đường kính cộng hưởng lớn là 3 mm, công suất đầu ra [sóng liên tục] trên 50 W, dao động đơn mode thuần túy và độ phân kỳ chùm cực hẹp là 0,05 độ , tương ứng với hơn 10,000 bước sóng trong vật liệu, đã đạt được," các nhà nghiên cứu viết trong nghiên cứu. Độ sáng ...... đạt tới 1 GW cm-2 sr-1, có thể so sánh với các tia laser lớn hiện có."
Điều đáng chú ý là khi gọi "laser khối lượng lớn", các nhà nghiên cứu muốn nói đến laser trạng thái rắn và laser excimer hiện được sử dụng trong sản xuất laser bán dẫn.
Là một phần của quá trình thiết lập một trung tâm xuất sắc rộng 1,000-mét vuông cho laze phát ra bề mặt cho các tinh thể quang tử tại Đại học Kyoto, Noda và nhóm của ông cũng đã chuyển từ sản xuất tinh thể quang tử bằng kỹ thuật in khắc chùm tia điện tử sang chế tạo chúng bằng kỹ thuật in khắc nano.
IEEE cho biết: “In thạch bản chùm tia điện tử chính xác, nhưng thường quá chậm để sản xuất quy mô lớn. "Bản in thạch bản nano về cơ bản dập nổi các mẫu lên chất bán dẫn và rất hữu ích để nhanh chóng tạo ra các mẫu đều đặn."
Theo nghiên cứu, bước tiếp theo là tiếp tục mở rộng đường kính của tia laser từ 3 lên 10 mm - kích thước được cho là tạo ra 1 kilowatt công suất đầu ra.
