Halvledere er en integreret del af den indre funktion af medicinsk udstyr, der bidrager til ledningsevnen mellem ikke-ledere og ledere til at kontrollere strømmen. Til gengæld er samlingsprocessen for at lave den perfekte halvleder meget detaljeret, især nu hvor enheder bliver mindre og mindre. Da halvledere hurtigt miniaturiseres for at passe ind i disse mindre enheder, har lasernes rolle i halvlederfremstilling tilpasset sig.
Laserteknologi bruges ofte i halvlederfremstilling på grund af dets tynde, præcise, alsidige og kraftfulde bjælker af en række forskellige årsager, herunder skæring, svejsning, fjernelse af belægning og mærkning.
Klipning/opskæring
I produktionen af halvledere er der forskellige skæringstrin, herunder skæring af wafers ud af krystalblokke og skabeloner ud af tynde film. Terninger med laser sikrer, at chips skæres rent, så de passer ordentligt ind i den endelige enhed. Ved at bruge lasere kan halvledere skæres i mange former og mønstre, som ikke er mulige ved hjælp af andre terningsmetoder. Ifølge Columbia Universitys Fu Foundation School of Engineering and Applied Science reducerer skæring af wafere ved hjælp af denne metode værktøjsslid og materialetab og resulterer i højere udbytter.
Columbias undersøgelsesmateriale om halvlederlaserbehandling fastslår, at "fordelene ved laserskæring omfatter mindre værktøjsslid, reduceret materialetab omkring snittet, højere udbytte på grund af mindre brud og hurtigere vending på grund af nem montering."
En anden mulighed for at skære er indridsning - boring af en række tæt anbragte eller overlappende blinde huller halvvejs gennem materialet. Dette er en metode, der er meget udbredt i halvlederfremstillingsapplikationer, såsom skæring af aluminiumoxidsubstrater til spånbærere eller adskillelse af siliciumwafers til chips. Det er værd at bemærke, at den type laser, der kræves til at skrive, afhænger af det anvendte materiale.
Universitetet siger: "Aluminiumoxid-sribing bruger CO2-lasere, mens silicium-scribing bruger Nd:YAG-lasere, fordi forskellige materialer har forskellige absorptionshastigheder ved forskellige bølgelængder."
Motivationen for at bruge nedskæring versus klipning afhænger af den hastighed, hvormed handlingen sker i fabrikationsværkstedet. "For aluminiumoxid, som er ca. 0.025 tommer tykt, kan materialet ridses med en hastighed på ca. 10 tommer pr. sekund ved hjælp af en mellemkraftig CO2-laser, hvorimod skærehastigheden for en lignende laser kan være brøkdele af en tomme i sekundet,« skriver universitetspersonalet. "Skrivning giver også fordelen ved at være i stand til at skrive substratet, før behandlingen er færdig, og derefter nemt adskille det i chips efter forarbejdning."
Welding
Laserlodning eller laserdiodesvejsning er processen med at smelte tilstødende dele af en halvlederkomponent sammen, ligesom at fastgøre en wafer til en støtteplade. For støtteplader, der er klar til at blive limet (såsom blyrammer), anbringer laseren et identifikationsmærke på rammen og gør derefter overfladen ru for at sikre, at de to dele er sikkert bundet sammen. Når lasermarkeringsmaskinen først er bundet sammen, fjerner den grater, der er skabt af runingsprocessen.
Fjernelse af belægning
At sikre, at halvledere er rene og fri for defekter, er en del af en fremstillingsproces, der kaldes belægningsfjernelse. Ved hjælp af en laser (normalt Nd:YAG) kan uønskede belægninger fjernes som med harpiks eller kobber og som med guld- eller tyndfilmsbelægninger. Til afgratning bruger laseren sin fine, præcise stråle til at fjerne overskydende materiale uden at forårsage skade på produktet.Fjernelse af belægningergør det muligt at analysere defekter mere klart, hvilket eliminerer behovet for adskillelse til inspektion, hvilket kan resultere i produktskade.
Mærkning
Lasermærkning af halvledereer vigtig for produktets sporbarhed og læsbarhed, hvilket betyder, at laseren skal være let læselig i meget små print. Produktsporbarhed betyder, at produktet kan spores gennem de mange produktionstrin samt endelig distribution. Dette gør det lettere at finde og isolere specifikke kategorier af defekter.
Markerede chips skal også kunne læses, da mærkning er en nyttig måde at afgøre, hvilket produkt der er egnet til en anvendelse. Ifølge Wafer World, "laseren skærer ikke kun ind i overfladen af waferen, men omarrangerer også overfladepartiklerne for at skabe ekstremt lavvandede, men letlæselige markeringer."
Der er to typer markører, der bruges på halvledere: ætsemarkører og udglødede markører. Ætsemarkører er tynde lag af materiale, der fjernes ved hjælp af en laser, og efterlader et tekstureret mærke på omkring 12 til 25 mikrometer dybt. Disse omtales ofte som "hårde mærker", fordi der er en synlig ændring i overfladelaget.
Udglødningsmærker bruger på den anden side en laser indstillet til et lavere effektniveau til at omarrangere molekylerne i stedet for at ætse dem. Dette skaber en kontrast på chipoverfladen, som er synlig, når lyset reflekteres.
Laser type
I øjeblikket bruger virksomheder for det meste solid-state lasere til chipfremstilling, fordi de er kendt for deres høje effekt og bruger malm som lasermediet. Mineralske medier består typisk af yttrium-, aluminium-, granat- eller yttriumvanadatkrystaller. For eksempel bruger Nd:YAG-lasere neodym-doterede yttrium-aluminium granatkrystaller som medium. Laserstrålen genereres ved hjælp af en oscillator, der stimulerer mediet med lys fra en laserdiode.
En type solid-state laser, der bruges til chipmærkning, gravering og terninger, er fiberlaseren, siger Keyence og tilføjer, at højhastighedslaserne bruger "optiske fibre som resonatorer og skaber overlappende strukturer gennem Yb-ion-doteret fiberbeklædning." bemærker, at dens fiberlasere er kendt som MD-F-serien af 3-akse fiberlasere. "Nogle af anvendelserne af fiberlasere omfatter fjernelse af grater fra præproduktionsprocesser, mærkning af sporbarhedskoder og fjernelse af harpiks til defektanalyse."
Excimer-lasere bruges også til fremstilling af halvledere. Disse er dybeultraviolet(UV) lasere med bølgelængder fra 126 nm til 351 nm, der primært bruges til polymer mikrobearbejdning. De kortere UV-laserstråler sammenlignet med solid state gør dem velegnede til enhver type materiale, inklusive meget skrøbelige og sarte materialer, og tillader dem at arbejde i et meget lille præcist område med et reduceret virkningspunkt. Når den bruges til mærkning, ændrer UV-laseren strukturen af produktmaterialet på molekylært niveau uden at generere varme i det omkringliggende område.
Laser innovation
I øjeblikket ses solid-state og excimer-lasere som de vigtigste muligheder, når man bruger laserfremstilling til halvlederproduktion. En ny mulighed, der kan konkurrere med klassikerne, kan dog snart være tilgængelig. I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature skrev et team af forskere fra Kyoto University ledet af Susumu Noda, at de har taget skridt til at overvinde begrænsningerne af halvlederlaserlysstyrke ved at ændre strukturen af fotoniske krystaloverfladeemitterende lasere (PCSEL'er). Ifølge Institute of Electrical and Electronics Engineers er lysstyrke en fordel, der inkluderer graden af fokusering eller divergens af en lysstråle. PCSEL'er, som blev set som en attraktiv mulighed for højlysstyrkelasere, har tidligere været uskalerbare til brug i store -skaleringsoperationer på grund af udfordringer med lasernes størrelse og lysstyrke.
Ofte skyldes problemet med PCSELs ønsket om at udvide deres emitterende område, hvilket betyder, at der er plads til, at lyset kan svinge i emissionsretningen og i tværretningen. "Disse tværgående oscillationer er kendt som højere-ordens tilstande og kan ødelægge kvaliteten af strålen," skriver IEEE. "Derudover, hvis laseren betjenes kontinuerligt, kan varmen inde i laseren ændre enhedens brydningsindeks, hvilket fører til yderligere forringelse af strålekvaliteten."
I Nature-studiet brugte forskerne fotoniske krystaller indlejret i laseren og "tilpassede den interne reflektor til at tillade single-mode oscillationer over et bredere område og for at kompensere for termisk skade." Disse ændringer gjorde det muligt for laseren at opretholde høj strålekvalitet under kontinuerlig drift.
Forskerne udviklede en 3-mm-diameter PCSEL i deres undersøgelse, et 10-fold spring fra den tidligere 1-mm-diameter PCSEL-enhed.
"For en fotonisk krystaloverfladeemitterende laser med en stor resonansdiameter på 3 mm, [kontinuerlig bølge] udgangseffekter på mere end 50 W, rene single-mode oscillationer og en ekstremt smal stråledivergens på 0,05 grad, svarende til mere end 10,000 bølgelængder i materialet, er opnået," skrev forskerne i undersøgelsen. Lysstyrken ...... når 1 GW cm-2 sr-1, sammenlignelig med eksisterende store lasere."
Det er værd at bemærke, at med "storvolumen-lasere" mener forskerne de faststof- og excimer-lasere, der i øjeblikket bruges til fremstilling af halvlederlaser.
Som en del af processen med at etablere et 1,000-kvadratmeter center of excellence for overflade-emitterende lasere til fotoniske krystaller ved Kyoto Universitet, har Noda og hans team også skiftet fra at fremstille fotoniske krystaller ved hjælp af elektronstrålelitografi til fremstille dem med nanoimprint litografi.
"E-beam litografi er præcis, men normalt for langsom til fremstilling i stor skala," siger IEEE. "Nanoimprint litografi præger dybest set mønstre på halvledere og er nyttig til at skabe meget regelmæssige mønstre hurtigt."
Ifølge undersøgelsen er næste skridt at fortsætte med at udvide laserens diameter fra 3 til 10 millimeter – en størrelse, der angiveligt producerer 1 kilowatt udgangseffekt.
