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Introducción
El corte en cubitos de obleas es una parte importante de la fabricación de dispositivos semiconductores. El método de corte en cubitos y la calidad afectan directamente el espesor, la rugosidad, las dimensiones y los costos de producción de la oblea, y tienen un impacto significativo en la fabricación del dispositivo. El carburo de silicio, como material semiconductor de tercera-generación, es un material importante que impulsa la revolución eléctrica. El costo de producción del carburo de silicio cristalino de alta-calidad es extremadamente alto y la gente generalmente espera cortar un lingote de carburo de silicio grande en tantos sustratos de oblea de carburo de silicio delgados como sea posible. Al mismo tiempo, el crecimiento de la industria ha llevado a tamaños de oblea cada vez más grandes, lo que ha aumentado los requisitos para los procesos de corte en cubitos. Sin embargo, el carburo de silicio es extremadamente duro, con una dureza Mohs de 9,5, sólo superada por el diamante (10), y también es quebradizo, lo que dificulta su corte. Actualmente, los métodos industriales utilizan generalmente el aserrado con hilo en suspensión o el aserrado con hilo de diamante. Durante el corte, se colocan sierras de alambre fijas equiespaciadas alrededor del lingote de carburo de silicio y el lingote se corta usando sierras de alambre estiradas. Utilizando el método de la sierra de alambre, separar las obleas de un lingote de 6 pulgadas de diámetro lleva aproximadamente 100 horas. Las obleas resultantes tienen cortes relativamente anchos, superficies más rugosas y pérdidas de material de hasta el 46%. Esto aumenta el coste del uso de materiales de carburo de silicio y limita su desarrollo en la industria de los semiconductores, lo que pone de relieve la necesidad urgente de investigar nuevas tecnologías de corte en cubitos de obleas de carburo de silicio.
En los últimos años, el uso de la tecnología de corte por láser se ha vuelto cada vez más popular en la fabricación de materiales semiconductores. Este método funciona mediante el uso de un rayo láser enfocado para modificar la superficie o el interior del material, separándolo así. Al ser un proceso sin-contacto, evita el desgaste de las herramientas y el estrés mecánico. Por lo tanto, mejora en gran medida la rugosidad y precisión de la superficie de la oblea, elimina la necesidad de procesos de pulido posteriores, reduce la pérdida de material, reduce los costos y minimiza la contaminación ambiental causada por el esmerilado y el pulido tradicionales. La tecnología de corte por láser se ha aplicado durante mucho tiempo al corte de lingotes de silicio, pero su aplicación en el campo del carburo de silicio aún está inmadura. Actualmente, existen varias técnicas principales.
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Corte por láser-guiado por agua
La tecnología láser-guiada por agua (Laser MicroJet, LMJ), también conocida como tecnología de micro-chorro láser, funciona según el principio de enfocar un rayo láser en una boquilla a medida que pasa a través de una cámara de agua-con presión modulada. Se expulsa un chorro de agua a baja-presión desde la boquilla y, debido a la diferencia en el índice de refracción en la interfaz agua-aire, se forma una guía de ondas de luz que permite que el láser se propague en la dirección del flujo de agua. Esto guía un chorro de agua a alta-presión para procesar y cortar la superficie del material. La principal ventaja del corte por láser guiado-por agua radica en su calidad de corte. El flujo de agua no solo enfría el área de corte, lo que reduce la deformación térmica y el daño térmico al material, sino que también elimina los residuos del procesamiento. En comparación con el corte con sierra de hilo, es mucho más rápido. Sin embargo, debido a que el agua absorbe diferentes longitudes de onda del láser en diversos grados, la longitud de onda del láser está limitada, principalmente a 1064 nm, 532 nm y 355 nm.
En 1993, el científico suizo Beruold Richerzhagen propuso por primera vez esta tecnología. Fundó Synova, una empresa dedicada a la investigación, desarrollo y comercialización de tecnología láser-guiada por agua, que se encuentra a la vanguardia a nivel internacional. La tecnología nacional está relativamente atrasada, pero empresas como Innolight y Shengguang Silicon Research la están desarrollando activamente.
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Dados sigilosos
Stealth Dicing (SD) es una técnica en la que se enfoca un láser dentro de una oblea de carburo de silicio a través de su superficie para formar una capa modificada a la profundidad deseada, lo que permite la separación de la oblea. Como no hay cortes en la superficie de la oblea, se puede lograr una mayor precisión de procesamiento. El proceso SD con láseres de pulsos de nanosegundos ya se utiliza industrialmente para separar obleas de silicio. Sin embargo, durante el procesamiento SD de carburo de silicio inducido por láseres de pulso de nanosegundos, la duración del pulso es mucho más larga que el tiempo de acoplamiento entre electrones y fonones en el carburo de silicio (en la escala de picosegundos), lo que produce efectos térmicos. La alta entrada térmica en la oblea no sólo hace que la separación sea propensa a desviarse de la dirección deseada, sino que también genera una tensión residual significativa, lo que conduce a fracturas y una escisión deficiente. Por lo tanto, cuando se procesa carburo de silicio, el proceso SD suele utilizar láseres de pulso ultracorto, lo que reduce en gran medida los efectos térmicos.
La empresa japonesa DISCO ha desarrollado una tecnología de corte por láser llamada Key Amorphous-Black Repetitive Absortion (KABRA). Por ejemplo, al procesar lingotes de carburo de silicio de 6-pulgadas de diámetro y 20 mm de espesor, cuadruplicó la productividad de las obleas de carburo de silicio. Básicamente, el proceso KABRA enfoca el láser dentro del material de carburo de silicio. A través de la 'absorción repetitiva negra amorfa', el carburo de silicio se descompone en silicio amorfo y carbono amorfo, formando una capa que sirve como punto de separación de las obleas, conocida como capa amorfa negra, que absorbe más luz, lo que hace mucho más fácil separar las obleas.
La tecnología de obleas Cold Split desarrollada por Siltectra, que fue adquirida por Infineon, no solo puede dividir varios tipos de lingotes en obleas, sino que también reduce la pérdida de material hasta en un 90 %, perdiendo cada oblea tan solo 80 µm, lo que en última instancia reduce los costos totales de producción del dispositivo hasta en un 30 %. La tecnología Cold Split implica dos pasos: primero, un láser irradia el lingote para crear una capa de delaminación, lo que provoca una expansión del volumen interno en el material de carburo de silicio, lo que genera tensión de tracción y forma una micro-fisura muy estrecha; luego, un paso de enfriamiento del polímero convierte la micro-grieta en una grieta principal, separando finalmente la oblea del lingote restante. En 2019, un tercero evaluó esta tecnología y midió la rugosidad de la superficie Ra de las obleas divididas en menos de 3 µm, siendo los mejores resultados inferiores a 2 µm.
El corte en cubitos por láser modificado desarrollado por la empresa china Han's Laser es una tecnología láser que se utiliza para separar obleas semiconductoras en chips o matrices individuales. Este proceso también utiliza un rayo láser preciso para escanear y formar una capa modificada dentro de la oblea, lo que permite que la oblea se agriete a lo largo de la trayectoria del escaneo láser bajo tensión aplicada, logrando una separación precisa.
Figura 5. Flujo del proceso de corte en cubitos por láser modificado
Actualmente, los fabricantes nacionales dominan la tecnología de corte en cubitos de carburo de silicio basada en suspensión-. Sin embargo, el corte en cubitos en lechada tiene una alta pérdida de material, baja eficiencia y contaminación severa, y está siendo reemplazado gradualmente por la tecnología de corte en cubitos con hilo de diamante. Al mismo tiempo, el corte en cubitos por láser destaca por sus ventajas de rendimiento y eficiencia. En comparación con las tecnologías tradicionales de procesamiento por contacto mecánico, ofrece muchos beneficios, incluida una alta eficiencia de procesamiento, líneas de trazado estrechas y una alta densidad de corte, lo que lo convierte en un fuerte competidor para reemplazar el corte en cubitos con hilo de diamante. Abre un nuevo camino para la aplicación de materiales semiconductores de próxima-generación, como el carburo de silicio. Con el avance de la tecnología industrial y el aumento continuo de los tamaños de los sustratos de carburo de silicio, la tecnología de corte en cubitos de carburo de silicio se desarrollará rápidamente, y el corte en cubitos por láser eficiente y de alta-calidad será una tendencia importante para el corte de carburo de silicio en el futuro.
