Los semiconductores son una parte integral del funcionamiento interno de los dispositivos médicos y contribuyen a la conductividad entre no conductores y conductores para controlar la corriente. A su vez, el proceso de ensamblaje para hacer el semiconductor perfecto es muy detallado, especialmente ahora que los dispositivos son cada vez más pequeños. A medida que los semiconductores se miniaturizan rápidamente para adaptarse a estos dispositivos más pequeños, el papel de los láseres en la fabricación de semiconductores se ha adaptado.
La tecnología láser se usa a menudo en la fabricación de semiconductores por sus haces delgados, precisos, versátiles y potentes por una variedad de razones, que incluyen corte, soldadura, eliminación de recubrimientos y marcado.
Cortar/escribir
En la producción de semiconductores, hay varios pasos de corte en dados, incluido el corte de obleas de bloques de cristal y plantillas de películas delgadas. Cortar en dados con un láser garantiza que las virutas se corten limpiamente para que encajen correctamente en el dispositivo final. El uso de láser permite que los semiconductores se corten en muchas formas y patrones que no son posibles con otros métodos de corte en dados. Según la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu de la Universidad de Columbia, el corte de obleas con este método reduce el desgaste de la herramienta y la pérdida de material y da como resultado un mayor rendimiento.
El material de estudio de Columbia sobre el procesamiento láser de semiconductores establece que "las ventajas del corte por láser incluyen un menor desgaste de la herramienta, una menor pérdida de material alrededor del corte, mayores rendimientos debido a una menor rotura y un tiempo de respuesta más rápido debido a la facilidad de fijación".
Otra opción para cortar es trazar: taladrar una serie de orificios ciegos superpuestos o poco espaciados a la mitad del material. Este es un método ampliamente utilizado en aplicaciones de fabricación de semiconductores, como el corte de sustratos de óxido de aluminio en soportes de chips o la separación de obleas de silicio en chips. Vale la pena señalar que el tipo de láser requerido para trazar depende del material utilizado.
La universidad dice: "El trazado de óxido de aluminio usa láseres de CO2, mientras que el trazado de silicio usa láseres Nd:YAG porque los diferentes materiales tienen diferentes tasas de absorción en diferentes longitudes de onda".
La motivación para usar trazado versus corte depende de la velocidad a la que ocurre la acción en el taller de fabricación. "Para el óxido de aluminio, que tiene aproximadamente 0.025 pulgadas de espesor, el material se puede trazar a una velocidad de aproximadamente 10 pulgadas por segundo usando un láser de CO2 de potencia media, mientras que para un láser similar, la velocidad de corte puede ser fracciones de pulgada por segundo", escribe el personal de la universidad. "El trazado también ofrece la ventaja de poder trazar el sustrato antes de que se complete el procesamiento y luego separarlo fácilmente en chips después del procesamiento".
Wanciano
La soldadura por láser o la soldadura por diodo láser es el proceso de fundir partes adyacentes de un componente semiconductor, muy parecido a asegurar una oblea a una placa de soporte. Para las placas de soporte que están listas para ser unidas (como los marcos de plomo), el láser coloca una marca de identificación en el marco y luego raspa la superficie para garantizar que las dos partes estén bien unidas. Una vez unidos, la máquina de marcado láser elimina las rebabas creadas por el proceso de rugosidad.
Eliminación de revestimiento
Asegurarse de que los semiconductores estén limpios y libres de defectos es parte de un proceso de fabricación llamado eliminación del recubrimiento. Usando un láser (generalmente Nd:YAG), los recubrimientos no deseados se pueden eliminar como con resina o cobre, y como con recubrimientos de oro o de película delgada. Para el desbarbado, el láser utiliza su rayo fino y preciso para eliminar el exceso de material sin dañar el producto.Eliminación de revestimientospermite que los defectos se analicen más claramente, eliminando la necesidad de desmontar para la inspección, lo que podría resultar en daños al producto.
Calificación
Marcado láser de semiconductoreses importante para la trazabilidad y legibilidad del producto, lo que significa que el láser debe ser claramente legible en impresiones muy pequeñas. La trazabilidad del producto significa que el producto se puede rastrear a través de los múltiples pasos de producción y distribución final. Esto facilita la búsqueda y el aislamiento de categorías específicas de defectos.
Los chips marcados también deben ser legibles, ya que el marcado es una forma útil de determinar qué producto es adecuado para una aplicación. Según Wafer World, "el láser no solo corta la superficie de la oblea, sino que también reorganiza las partículas de la superficie para crear marcas extremadamente superficiales pero fáciles de leer".
Hay dos tipos de marcadores utilizados en semiconductores: marcadores de grabado y marcadores recocidos. Los marcadores de grabado son capas delgadas de material que se eliminan con un láser, dejando una marca texturizada de aproximadamente 12 a 25 micrones de profundidad. A menudo se las denomina "marcas duras" porque hay un cambio visible en la capa superficial.
Las marcas de recocido, por otro lado, usan un láser configurado a un nivel de potencia más bajo para reorganizar las moléculas en lugar de grabarlas. Esto crea un contraste en la superficie del chip que es visible cuando se refleja la luz.
Tipo de láser
Actualmente, las empresas utilizan principalmente láseres de estado sólido para la fabricación de chips porque son conocidos por su alta potencia y utilizan el mineral como medio láser. Los medios minerales generalmente consisten en cristales de itrio, aluminio, granate o vanadato de itrio. Por ejemplo, los láseres Nd:YAG utilizan cristales de granate de itrio y aluminio dopados con neodimio como medio. El rayo láser se genera mediante un oscilador que estimula el medio con la luz de un diodo láser.
Un tipo de láser de estado sólido que se usa para marcar, grabar y cortar chips es el láser de fibra, dice Keyence, y agrega que los láseres de alta velocidad usan "fibras ópticas como resonadores y crean estructuras superpuestas a través del revestimiento de fibra dopada con iones de Yb". señalando que sus láseres de fibra se conocen como la serie MD-F de láseres de fibra de eje 3-. "Algunos de los usos de los láseres de fibra incluyen la eliminación de rebabas de los procesos de preproducción, el marcado de códigos de trazabilidad y la eliminación de resina para el análisis de defectos".
Los láseres excimer también se utilizan en la fabricación de semiconductores. estos son profundosultravioletaLáseres (UV) con longitudes de onda que van desde 126 nm a 351 nm que se utilizan principalmente para el micromecanizado de polímeros. Los rayos láser UV más cortos en comparación con los de estado sólido los hacen aptos para cualquier tipo de material, incluidos los materiales muy frágiles y delicados, y les permite trabajar en un área muy pequeña y precisa con un punto de acción reducido. Cuando se usa para marcar, el láser UV cambia la estructura del material del producto a nivel molecular sin generar calor en el área circundante.
Innovación láser
Actualmente, los láseres de estado sólido y excimer se consideran las principales opciones cuando se utiliza la fabricación por láser para la producción de semiconductores. Sin embargo, pronto podría estar disponible una nueva opción que podría rivalizar con los clásicos. En un estudio reciente publicado en la revista Nature, un equipo de investigadores de la Universidad de Kyoto dirigido por Susumu Noda escribió que han tomado medidas para superar las limitaciones del brillo del láser semiconductor al cambiar la estructura de los láseres emisores de superficie de cristal fotónico (PCSEL). De acuerdo con el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, el brillo es una ventaja que incluye el grado de enfoque o divergencia de un haz de luz. Los PCSEL, si bien se consideran una opción atractiva para los láseres de alto brillo, antes no eran escalables para su uso en grandes -operaciones a escala debido a desafíos con el tamaño y el brillo de los láseres.
A menudo, el problema de los PCSEL radica en el deseo de ampliar su área de emisión, lo que significa que hay espacio para que la luz oscile en la dirección de emisión y en la dirección transversal. "Estas oscilaciones transversales se conocen como modos de orden superior y pueden destruir la calidad del haz", escribe el IEEE. "Además, si el láser se opera continuamente, el calor dentro del láser puede cambiar el índice de refracción del dispositivo, lo que lleva a un mayor deterioro de la calidad del haz".
En el estudio de Nature, los investigadores utilizaron cristales fotónicos incrustados en el láser y "adaptaron el reflector interno para permitir oscilaciones monomodo en un área más amplia y para compensar el daño térmico". Estos cambios permitieron que el láser mantuviera una alta calidad de haz durante la operación continua.
Los investigadores desarrollaron un PCSEL de 3-mm de diámetro en su estudio, un salto de 10-veces desde el dispositivo PCSEL anterior de 1-mm de diámetro.
"Para un láser emisor de superficie de cristal fotónico con un gran diámetro resonante de 3 mm, potencias de salida [de onda continua] de más de 50 W, oscilaciones monomodo puras y una divergencia de haz extremadamente estrecha de 0,05 grado , correspondiente a más de 10000 longitudes de onda en el material", escribieron los investigadores en el estudio. El brillo... alcanza 1 GW cm-2 sr-1, comparable a los grandes láseres existentes".
Vale la pena señalar que por "láseres de gran volumen", los investigadores se refieren a los láseres de estado sólido y excimer que se utilizan actualmente en la fabricación de láseres semiconductores.
Como parte del proceso de establecimiento de un centro de excelencia de 1000-metro cuadrado para láseres emisores de superficie para cristales fotónicos en la Universidad de Kyoto, Noda y su equipo también han pasado de fabricar cristales fotónicos mediante litografía por haz de electrones a fabricándolos con litografía de nanoimpresión.
"La litografía por haz de electrones es precisa, pero por lo general demasiado lenta para la fabricación a gran escala", dice el IEEE. "La litografía de nanoimpresión básicamente graba patrones en semiconductores y es útil para crear patrones muy regulares rápidamente".
Según el estudio, el siguiente paso es continuar expandiendo el diámetro del láser de 3 a 10 milímetros, un tamaño que, según se informa, produce 1 kilovatio de potencia de salida.
