Metodo di taglio del wafer di carburo di silicio

1. Incisione della mola
La macchina per cubettare la mola fa ruotare la lama ad alta velocità attraverso il mandrino elettrico aerostatico per ottenere una forte macinazione dei materiali. I taglienti delle lame utilizzate sono rivestiti con particelle di corindone. La durezza Mohs del corindone è 10, che è solo leggermente superiore a quella del SiC con una durezza di 9,5. La rettifica ripetuta a bassa velocità non solo richiede tempo e fatica, ma provoca anche una frequente usura dell'utensile. Ad esempio, sono necessarie 6-8 ore per tagliare un wafer SiC da 100 mm (4 pollici) ed è facile causare difetti di scheggiatura. Pertanto, questo tradizionale metodo di lavorazione inefficiente è stato gradualmente sostituito dalla tracciatura laser.
2. Marcatura laser completa
L'incisione laser è il processo che utilizza un raggio laser ad alta energia per irradiare la superficie di un pezzo in lavorazione per fondere e vaporizzare localmente l'area irradiata, ottenendo così la rimozione e l'incisione del materiale. L'incisione laser è un'elaborazione senza contatto, senza danni da stress meccanico, metodi di elaborazione flessibili, nessuna perdita di strumenti e inquinamento dell'acqua e bassi costi di manutenzione delle apparecchiature. Per evitare danni alla pellicola di supporto quando il laser incide il wafer, viene utilizzata una pellicola UV resistente all'ablazione ad alta temperatura.
Attualmente, le apparecchiature di incisione laser adottano laser industriali, con tre lunghezze d'onda di 1064 nm, 532 nm e 355 nm e larghezze di impulso di nanosecondi, picosecondi e femtosecondi. Teoricamente, quanto più corta è la lunghezza d'onda del laser e quanto minore è l'ampiezza dell'impulso, tanto minore è l'effetto termico della lavorazione, il che è vantaggioso per la lavorazione di microprecisione, ma il costo è relativamente elevato. Il laser ultravioletto a nanosecondi da 355 nm è ampiamente utilizzato grazie alla sua tecnologia matura, al basso costo e al piccolo effetto termico di lavorazione. Negli ultimi anni, la tecnologia laser a picosecondi da 1 064 nm si è sviluppata rapidamente ed è stata applicata a molti nuovi campi con buoni risultati.
Ad esempio, l'effetto termico della lavorazione laser ultravioletta a 355 nm è piccolo, ma le scorie vaporizzate in modo incompleto aderiscono e si accumulano nella linea di taglio, rendendo la sezione di taglio non liscia e le scorie attaccate cadono facilmente nel processo successivo, influenzando il dispositivo prestazione. Il laser a picosecondi da 1064 nm adotta una potenza maggiore, un'elevata efficienza di tracciatura, una sufficiente rimozione di materiale e una sezione trasversale uniforme, ma l'effetto termico della lavorazione è troppo grande e occorre riservare corsie di tracciatura più ampie nella progettazione del chip.
3. Mezza corsa del laser
La semiincisione laser è adatta per la lavorazione di materiali con migliore clivabilità. La tracciatura laser taglia ad una certa profondità e quindi adotta un metodo di divisione per generare sollecitazioni che si estendono longitudinalmente lungo la linea di taglio per separare i trucioli. Questo metodo di lavorazione ha un'elevata efficienza, non richiede processi di incollaggio e rimozione della pellicola e bassi costi di lavorazione. Tuttavia, la scissione dei wafer di carburo di silicio è scarsa e non è facile da dividere. Il lato fessurato è facile da scheggiare e nella parte graffiata esiste ancora il fenomeno dell'adesione delle scorie.
4. Taglio laser invisibile
L'incisione laser invisibile consiste nel focalizzare il laser all'interno del materiale per formare uno strato modificato, quindi separare il chip dividendo o espandendo la pellicola. Non c'è inquinamento da polvere sulla superficie, quasi nessuna perdita di materiale e l'efficienza di lavorazione è elevata. Le due condizioni per ottenere lo stealth scribing sono che il materiale sia trasparente al laser e che una sufficiente energia di impulso produca un assorbimento multifotonico.
L'energia gap di banda Eg del carburo di silicio a temperatura ambiente è di circa 3,2 eV, ovvero 5,13×10 -19 J. 1 064 nm energia del fotone laser E=hc/λ=1 0,87×10 -19 J. Si può vedere che l'energia del fotone laser di 1 064 nm è inferiore al gap della banda di assorbimento del materiale in carburo di silicio ed è otticamente trasparente, il che soddisfa le condizioni di invisibile scribacchiare. La trasmittanza effettiva è correlata a fattori quali le proprietà della superficie del materiale, lo spessore e i tipi di drogante. Prendendo come esempio un wafer di carburo di silicio lucidato con uno spessore di 300 μm, la trasmittanza laser misurata a 1064 nm è di circa il 67%.
Viene selezionato il laser a picosecondi con larghezza di impulso estremamente breve e l'energia generata dall'assorbimento multifotone non viene convertita in energia termica, ma provoca solo una certa profondità di strato modificato all'interno del materiale. Lo strato modificato è l'area della fessura, l'area di fusione o l'area di cambiamento dell'indice di rifrazione all'interno del materiale. Successivamente attraverso il successivo processo di spaccatura i chicchi verranno separati lungo lo strato modificato.
La scindibilità del materiale in carburo di silicio è scarsa e la distanza tra gli strati modificati non dovrebbe essere troppo grande. Il test utilizza una macchina cubettatrice automatica JHQ-611 e un wafer SiC spesso 350 μm per tagliare 22 strati a una velocità di taglio di 500 mm/s. Dopo la rottura, la sezione è relativamente liscia, con piccole scheggiature e bordi netti.
5. Taglio laser guidato dall'acqua
Il laser a guida d'acqua focalizza la luce laser e la guida nella microcolonna d'acqua. Il diametro della colonna d'acqua varia a seconda dell'apertura dell'ugello e esistono varie specifiche di 100-30 μm. Utilizzando il principio della riflessione totale tra la colonna d'acqua e l'interfaccia d'aria, la luce laser si propagherà lungo la direzione della colonna d'acqua dopo essere stata introdotta nella colonna d'acqua.
Può lavorare nell'intervallo in cui la colonna d'acqua rimane stabile e la distanza di lavoro effettiva estremamente lunga è particolarmente adatta per il taglio di materiali spessi. Nel taglio laser tradizionale, l'accumulo e la conduzione di energia è la causa principale del danno termico su entrambi i lati della linea di taglio, mentre il laser guidato dall'acqua rimuove rapidamente il calore residuo di ogni impulso senza accumularsi sul pezzo a causa dell'azione della colonna d'acqua, quindi il taglio è pulito e ordinato.
Sulla base di questi vantaggi, il carburo di silicio per il taglio laser a conduzione d'acqua è in teoria una buona scelta, ma la tecnologia è difficile e la maturità delle relative apparecchiature non è elevata. È difficile produrre ugelli come parti vulnerabili. Se la sottile colonna d'acqua non può essere controllata in modo accurato e stabile, le goccioline d'acqua spruzzate asportano il truciolo, influenzando la resa. Pertanto, questo processo non è ancora stato applicato alla produzione di wafer di carburo di silicio.