01Introducción
El corte en cubitos de obleas es un paso importante en la fabricación de dispositivos semiconductores. El método de corte 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 crucial para promover la revolución eléctrica. El costo de producción del carburo de silicio cristalino de alta-calidad es extremadamente alto y, a menudo, existe el deseo de 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 desarrollo industrial ha provocado un aumento del tamaño de las obleas, lo que aumenta las exigencias de los procesos de corte. Sin embargo, el material de carburo de silicio tiene una dureza extremadamente alta, con una dureza de Mohs de 9,5, solo superada por el diamante más duro del mundo (10), y también tiene la fragilidad de los cristales, lo que dificulta su corte. Actualmente, la industria emplea típicamente el corte con alambre en suspensión o el corte con sierra con hilo de diamante. Durante el corte, se coloca una sierra de hilo fija a intervalos iguales alrededor del lingote de carburo de silicio y, tensando la sierra de hilo, se cortan obleas de carburo de silicio. Usar el método de la sierra de alambre para separar obleas de un lingote de 6-pulgadas de diámetro lleva aproximadamente 100 horas. Las obleas resultantes no sólo tienen un corte relativamente grande sino también una mayor rugosidad superficial, lo que lleva a pérdidas de material de hasta el 46%. Esto aumenta el costo del uso de materiales de carburo de silicio y restringe su desarrollo en la industria de los semiconductores, lo que hace urgente la investigación de nuevas tecnologías de corte para 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 producción y procesamiento de materiales semiconductores. El principio de este método es utilizar un rayo láser enfocado para modificar el sustrato desde la superficie del material o internamente, separándolo así. Al ser un proceso sin contacto, se evitan los efectos del desgaste de la herramienta y el estrés mecánico. Por lo tanto, mejora enormemente la rugosidad de la superficie y la precisión 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 los procesos tradicionales de esmerilado y pulido. 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 no está madura, y actualmente hay algunas tecnologías principales disponibles.
2Corte por láser-guiado por agua
La tecnología láser-guiada por agua (Laser MicroJet, LMJ), también conocida como tecnología de microchorro láser, funciona según el principio de enfocar un rayo láser en una boquilla cuando el láser pasa a través de una cámara de agua-con presión modulada; Se expulsa un chorro de agua a baja-presión desde la boquilla. En la interfaz del agua y el aire, debido a la diferencia en los índices de refracción, se forma una guía de ondas de luz, lo que permite que el láser se propague a lo largo de la dirección del flujo de agua, logrando así cortar la superficie del material mediante la guía de un chorro de agua a alta-presión. La principal ventaja de los láseres-guiados por agua radica en la calidad del corte; el flujo de agua no solo enfría el área de corte, lo que reduce la deformación térmica y el daño del material, sino que también elimina los residuos del procesamiento. En comparación con el corte con sierra de hilo, su velocidad aumenta significativamente. Sin embargo, la absorción de diferentes longitudes de onda por el agua varía, lo que limita las longitudes de onda del láser utilizadas principalmente a 1064 nm, 532 nm y 355 nm. En 1993, el científico suizo Beruold Richerzhagen propuso por primera vez esta tecnología, y su empresa, Synova, se especializa en la investigación e industrialización de láseres guiados por agua-, siendo líder tecnológicamente en el escenario internacional, mientras que la tecnología nacional está relativamente atrasada, con empresas como Inno Laser. y Shengguang Silicon Research en desarrollo activo.
03Dados sigilosos
Stealth Dicing (SD) implica enfocar un láser a través de la superficie del carburo de silicio hacia el interior del chip, creando una capa modificada a la profundidad deseada para lograr la separación de las obleas. Como no hay cortes en la superficie de la oblea, se puede lograr una mayor precisión de procesamiento. El proceso SD que utiliza láseres de pulso de nanosegundos se ha empleado en la industria para separar obleas de silicio. Sin embargo, durante el procesamiento SD de carburo de silicio inducido por láseres pulsados de nanosegundos, se producen efectos térmicos porque la duración del pulso es mucho más larga que el tiempo de acoplamiento entre electrones y fonones en el carburo de silicio (del orden de picosegundos). El elevado aporte térmico a la oblea no sólo hace que la separación tienda a desviarse de la dirección deseada, sino que también genera importantes tensiones residuales, que conducen a fracturas y una mala escisión. Por lo tanto, los procesos SD con láser de pulso ultra-generalmente se utilizan cuando se procesa carburo de silicio, 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), utilizando como ejemplo el procesamiento de un lingote de cristal de carburo de silicio con un diámetro de 6 pulgadas y un espesor de 20 mm, que ha aumentado cuatro veces la tasa de producción de obleas de carburo de silicio. La esencia del proceso KABRA enfoca el láser dentro del material de carburo de silicio, descomponiendo el carburo de silicio en silicio amorfo y carbono amorfo mediante una "absorción repetitiva negra amorfa" y formando una capa como punto de separación para la oblea, concretamente la capa amorfa negra, que absorbe más luz, facilitando así la fácil separación de la oblea.
La tecnología de obleas divididas en frío desarrollada por Siltectra, adquirida por Infineon, no solo permite dividir varios tipos de lingotes en obleas, sino que también produce una pérdida de tan solo 80 μm por oblea, lo que reduce la pérdida de material en un 90 % y, en última instancia, reduce el costo total de producción de los dispositivos hasta en un 30 %. La tecnología de corte en frío consta de dos etapas: primero, la exposición al láser crea una capa de delaminación en el lingote, lo que hace que el material de carburo de silicio se expanda en volumen, lo que crea tensión de tracción y forma una capa de micro-fisura muy estrecha; luego, a través de un paso de enfriamiento del polímero, estas micro-fisuras se procesan hasta formar una grieta principal y, en última instancia, se separa la oblea del lingote restante. En 2019, una evaluación de esta tecnología por parte de un tercero- midió que la rugosidad de la superficie Ra de las obleas divididas era inferior a 3 µm, y los mejores resultados se encontraban por debajo de 2 µm.
El corte por láser modificado desarrollado por una gran empresa familiar de láser nacional es una tecnología láser que separa las obleas semiconductoras en chips o granos individuales. Este proceso también implica escanear la oblea internamente con un rayo láser de precisión para formar una capa modificada, permitiendo que la oblea se expanda a lo largo de la ruta de escaneo láser bajo tensión aplicada, logrando una separación precisa.
Actualmente, los fabricantes nacionales han dominado la tecnología de corte de carburo de silicio con mortero, pero la pérdida de corte es grande, la eficiencia es baja y la contaminación es severa, que está siendo reemplazada gradualmente por la tecnología de corte con hilo de diamante. Al mismo tiempo, las ventajas de rendimiento y eficiencia del corte por láser son destacadas y ofrecen muchas ventajas en comparación con las tecnologías tradicionales de procesamiento por contacto mecánico, incluida una alta eficiencia de procesamiento, rutas de corte estrechas y una alta densidad de viruta, lo que lo convierte en un fuerte competidor para reemplazar la tecnología de corte con hilo de diamante y abre una nueva vía para la aplicación de materiales semiconductores de próxima-generación como el carburo de silicio. Con el desarrollo de la tecnología industrial, el tamaño de los sustratos de carburo de silicio continúa aumentando y la tecnología de corte de carburo de silicio se desarrollará rápidamente; El corte por láser eficiente y de alta-calidad será una tendencia importante en el corte de carburo de silicio en el futuro.
