01Giới thiệu
Cắt wafer là một bước quan trọng trong sản xuất thiết bị bán dẫn. Phương pháp cắt và chất lượng ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày, độ nhám, kích thước và chi phí sản xuất của tấm bán dẫn và có tác động đáng kể đến việc sản xuất thiết bị. Cacbua silic, với tư cách là vật liệu bán dẫn-thế hệ thứ ba, là vật liệu quan trọng để thúc đẩy cuộc cách mạng điện. Chi phí sản xuất cacbua silic tinh thể chất lượng cao-là cực kỳ cao và người ta thường muốn cắt một thỏi cacbua silic lớn thành càng nhiều chất nền wafer cacbua silic mỏng càng tốt. Đồng thời, sự phát triển công nghiệp đã dẫn đến sự gia tăng kích thước tấm bán dẫn, làm tăng nhu cầu về quy trình cắt. Tuy nhiên, vật liệu cacbua silic có độ cứng cực cao, với độ cứng Mohs là 9,5, chỉ đứng sau viên kim cương cứng nhất thế giới (10), đồng thời nó còn có tính dễ vỡ của tinh thể nên khó cắt. Hiện nay, ngành công nghiệp này thường sử dụng phương pháp cắt dây thép hoặc cắt dây kim cương. Trong quá trình cắt, một máy cưa dây cố định được đặt ở các khoảng bằng nhau xung quanh phôi cacbua silic và bằng cách căng cưa dây, các tấm wafer cacbua silic sẽ được cắt ra. Việc sử dụng phương pháp cưa dây để tách các tấm bán dẫn khỏi phôi có đường kính 6{20} inch mất khoảng 100 giờ. Các tấm wafer thu được không chỉ có vết cắt tương đối lớn mà còn có độ nhám bề mặt lớn hơn, dẫn đến tổn thất vật liệu lên tới 46%. Điều này làm tăng chi phí sử dụng vật liệu cacbua silic và hạn chế sự phát triển của nó trong ngành bán dẫn, khiến việc nghiên cứu các công nghệ cắt mới cho tấm wafer cacbua silic trở nên cấp thiết. Trong những năm gần đây, việc sử dụng công nghệ cắt laser ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất và gia công vật liệu bán dẫn. Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng chùm tia laser tập trung để biến đổi chất nền khỏi bề mặt vật liệu hoặc bên trong, từ đó tách nó ra. Vì đây là quá trình không tiếp xúc nên tránh được ảnh hưởng của mài mòn dụng cụ và ứng suất cơ học. Do đó, nó cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt và độ chính xác của 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 quá trình mài và đánh bóng truyền thống gây ra. 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 chưa hoàn thiện, với một số công nghệ chính hiện có.
Cắt laser dẫn hướng 2Nước{1}}
Công nghệ laser dẫn đường-bằng nước (Laser MicroJet, LMJ), còn được gọi là công nghệ laser microjet, hoạt động theo nguyên tắc tập trung chùm tia laser vào vòi phun khi tia laser đi qua buồng chứa nước được điều chỉnh-áp suất; dòng nước áp suất thấp-được phun ra từ vòi. Tại bề mặt tiếp xúc giữa nước và không khí, do sự khác biệt về chiết suất, một ống dẫn sóng ánh sáng được hình thành, cho phép tia laser truyền dọc theo hướng của dòng nước, từ đó đạt được khả năng cắt bề mặt vật liệu thông qua-dẫn hướng tia nước áp suất cao. Ưu điểm chính của tia laser dẫn hướng-nước nằm ở chất lượng cắt; dòng nước không chỉ làm mát khu vực cắt, giảm biến dạng nhiệt và hư hỏng vật liệu mà còn cuốn đi các mảnh vụn đang gia công. So với cắt cưa dây, tốc độ của nó tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, sự hấp thụ các bước sóng khác nhau của nước là khác nhau, hạn chế các bước sóng laser được sử dụng chủ yếu ở 1064nm, 532nm và 355nm. Năm 1993, nhà khoa học Thụy Sĩ Beruold Richerzhagen lần đầu tiên đề xuất công nghệ này và công ty của ông, Synova, chuyên nghiên cứu và công nghiệp hóa laser dẫn đường{14}}nước, dẫn đầu về mặt công nghệ trên trường quốc tế, trong khi công nghệ trong nước còn tương đối chậm chạp, với các công ty như Inno Laser và Shengguang Silicon Research tích cực phát triển.
03Tàng hình
Stealth Dicing (SD) liên quan đến việc tập trung tia laser xuyên qua bề mặt cacbua silic vào bên trong chip, tạo ra một lớp được sửa đổi ở độ sâu mong muốn để đạt được khả năng tách wafer. Vì không có vết cắt trên bề mặt của wafer nên có thể đạt được độ chính xác xử lý cao hơn. Quá trình SD sử dụng 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 các xung laser nano giây, hiệu ứng nhiệt xảy ra do thời lượng phát xung dài hơn nhiều so với thời gian ghép giữa các electron và phonon trong cacbua silic (theo thứ tự pico giây). Lượng nhiệt đầu vào cao vào 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, quy trình SD laser xung cực ngắn thường được sử dụng khi xử lý cacbua silic, 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), sử dụng ví dụ về xử lý một thỏi tinh thể cacbua silic có đường kính 6 inch và độ dày 20 mm, điều này đã tăng tốc độ sản xuất tấm bán dẫn cacbua silic lên bốn lần. Bản chất của quy trình KABRA là tập trung tia laser vào bên trong vật liệu cacbua silic, phân hủy cacbua silic thành silic vô định hình và cacbon vô định hình thông qua 'sự hấp thụ lặp đi lặp lại màu đen vô định hình' và tạo thành một lớp làm điểm phân tách cho tấm bán dẫn, cụ thể là lớp vô định hình màu đen, hấp thụ nhiều ánh sáng hơn, do đó tạo điều kiện cho việc tách tấm bán dẫn dễ dàng.
Công nghệ wafer phân chia nguội do Siltectra phát triển và Infineon mua lại, không chỉ cho phép chia nhiều loại thỏi khác nhau thành các wafer mà còn dẫn đến tổn thất chỉ 80μm trên mỗi wafer, giảm tổn thất vật liệu tới 90%, cuối cùng là giảm tổng chi phí sản xuất của thiết bị lên tới 30%. Công nghệ cắt nguội bao gồm hai giai đoạn: thứ nhất, tiếp xúc với tia laser tạo ra lớp tách lớp trên phôi, làm cho vật liệu cacbua silic giãn nở về thể tích, tạo ra ứng suất kéo và tạo thành lớp vết nứt vi mô rất hẹp; sau đó, thông qua bước làm nguội polyme, những vết nứt-vi mô này được xử lý thành vết nứt chính, cuối cùng là tách tấm bán dẫn ra khỏi phôi còn lại. Vào năm 2019, đánh giá của bên thứ ba{8}}về công nghệ này đã đo được rằng độ nhám bề mặt Ra của các tấm bán dẫn được chia nhỏ hơn 3µm, với kết quả tốt nhất là dưới 2µm.
Phương pháp cắt laser cải tiến được phát triển bởi một công ty laser gia đình lớn trong nước là công nghệ laser tách các tấm bán dẫn thành các chip hoặc hạt riêng lẻ. Quá trình này cũng bao gồm việc quét bên trong tấm bán dẫn bằng chùm tia laser chính xác để tạo thành một lớp được sửa đổi, cho phép tấm bán dẫn mở rộng dọc theo đường quét laser dưới áp lực tác dụng, đạt được sự phân tách chính xác.
Hiện nay, các nhà sản xuất trong nước đã làm chủ được công nghệ cắt cacbua silic bằng vữa nhưng tổn thất cắt lớn, hiệu suất thấp, ô nhiễm nghiêm trọng đang dần được thay thế bằng công nghệ cắt dây kim cương. Đồng thời, lợi thế về hiệu suất và hiệu quả của việc cắt laser là nổi bật, mang lại nhiều ưu điểm so với các công nghệ xử lý tiếp xúc cơ học truyền thống, bao gồm hiệu suất xử lý cao, đường cắt hẹp và mật độ chip cao, khiến nó trở thành đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ để thay thế công nghệ cắt dây kim cương và mở ra một con đường mới cho ứng dụng vật liệu bán dẫn thế hệ tiếp theo{1}}như cacbua silic. Với sự phát triển của công nghệ công nghiệp, kích thước của chất nền cacbua silic tiếp tục tăng và công nghệ cắt cacbua silic sẽ phát triển nhanh chóng; cắt laze hiệu quả và chất lượng cao-sẽ là xu hướng quan trọng trong việc cắt cacbua silic trong tương lai.
