บทบาทของเลเซอร์ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์เป็นส่วนสำคัญของการทำงานภายในของอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่งมีส่วนช่วยในการนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำที่ไม่ใช่ตัวนำและตัวนำเพื่อควบคุมกระแส ในทางกลับกัน กระบวนการประกอบเพื่อสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์แบบนั้นมีรายละเอียดมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันที่อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์ถูกย่อขนาดอย่างรวดเร็วเพื่อให้พอดีกับอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ บทบาทของเลเซอร์ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์จึงปรับตัว

เทคโนโลยีเลเซอร์มักใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สำหรับลำแสงที่บาง แม่นยำ อเนกประสงค์ และทรงพลังด้วยเหตุผลหลายประการ รวมถึงการตัด การเชื่อม การลอกผิวเคลือบ และการทำเครื่องหมาย

ตัด/เขียน

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ มีขั้นตอนการหั่นหลายขั้นตอน รวมทั้งการตัดแผ่นเวเฟอร์ออกจากก้อนคริสตัลและแม่แบบจากฟิล์มบาง การไดซ์ด้วยเลเซอร์ช่วยให้มั่นใจได้ว่าชิปจะถูกตัดอย่างหมดจดเพื่อให้พอดีกับอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย การใช้เลเซอร์ช่วยให้สามารถตัดเซมิคอนดักเตอร์ออกเป็นรูปทรงและรูปแบบต่างๆ มากมาย ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการตัดลูกเต๋าแบบอื่น ตามรายงานของ Fu Foundation School of Engineering and Applied Science ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย การตัดแผ่นเวเฟอร์ด้วยวิธีนี้ช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและการสูญเสียวัสดุ และส่งผลให้ได้ผลผลิตที่สูงขึ้น

เอกสารการศึกษาของ Columbia เกี่ยวกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ระบุว่า "ข้อดีของการตัดด้วยเลเซอร์ ได้แก่ การสึกหรอของเครื่องมือน้อยลง ลดการสูญเสียวัสดุรอบๆ การตัด ผลผลิตสูงขึ้นเนื่องจากการแตกหักน้อยลง และการตอบสนองที่รวดเร็วขึ้นเนื่องจากการติดตั้งที่ง่าย"

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการตัดคือการขีดเขียน - การเจาะรูบอดที่มีระยะห่างชิดกันหรือทับซ้อนกันเป็นชุดๆ ไว้ครึ่งทางของวัสดุ วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เช่น การตัดพื้นผิวอะลูมิเนียมออกไซด์เป็นตัวรองรับชิป หรือการแยกเวเฟอร์ซิลิคอนออกเป็นชิป เป็นที่น่าสังเกตว่าประเภทของเลเซอร์ที่จำเป็นสำหรับการขีดเขียนนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้

มหาวิทยาลัยกล่าวว่า "การขีดเขียนอะลูมิเนียมออกไซด์ใช้เลเซอร์ CO2 ในขณะที่การขีดเขียนด้วยซิลิคอนใช้เลเซอร์ Nd:YAG เนื่องจากวัสดุต่างๆ มีอัตราการดูดซึมต่างกันที่ความยาวคลื่นต่างกัน"

แรงจูงใจในการใช้การขีดเขียนกับการตัดขึ้นอยู่กับความเร็วที่การกระทำเกิดขึ้นในโรงผลิต "สำหรับอะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งมีความหนาประมาณ 0.025 นิ้ว สามารถเขียนวัสดุได้ในอัตราประมาณ 10 นิ้วต่อวินาทีโดยใช้เลเซอร์ CO2 กำลังปานกลาง ในขณะที่เลเซอร์ที่คล้ายกัน อัตราการตัดอาจ เป็นเศษส่วนของนิ้วต่อวินาที" เจ้าหน้าที่มหาวิทยาลัยเขียน "การขีดเขียนยังให้ข้อได้เปรียบในการขีดเขียนวัสดุพิมพ์ก่อนที่การประมวลผลจะเสร็จสิ้น จากนั้นจึงแยกมันออกเป็นชิปหลังการประมวลผลได้อย่างง่ายดาย"

Wผู้สูงอายุ

การบัดกรีด้วยเลเซอร์หรือการเชื่อมด้วยเลเซอร์ไดโอดเป็นกระบวนการหลอมชิ้นส่วนที่อยู่ติดกันของส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์เข้าด้วยกัน เหมือนกับการยึดเวเฟอร์กับแผ่นรองรับ สำหรับแผ่นรองรับที่พร้อมสำหรับการยึดติด (เช่น ลีดเฟรม) เลเซอร์จะวางเครื่องหมายระบุบนเฟรม จากนั้นทำให้พื้นผิวขรุขระเพื่อให้แน่ใจว่าทั้งสองส่วนยึดติดกันอย่างแน่นหนา เมื่อเชื่อมเข้าด้วยกันแล้ว เครื่องยิงเลเซอร์จะขจัดเสี้ยนที่เกิดจากกระบวนการกัดหยาบ

การกำจัดการเคลือบ

การตรวจสอบให้แน่ใจว่าเซมิคอนดักเตอร์สะอาดและไม่มีข้อบกพร่องเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิตที่เรียกว่าการลอกสารเคลือบ การใช้เลเซอร์ (ปกติคือ Nd:YAG) สามารถขจัดสารเคลือบผิวที่ไม่ต้องการออกได้เช่นเดียวกับเรซินหรือทองแดง และเช่นเดียวกับการเคลือบทองหรือฟิล์มบาง สำหรับการลบคม เลเซอร์จะใช้ลำแสงที่ละเอียดและแม่นยำเพื่อขจัดวัสดุส่วนเกินโดยไม่ทำให้ผลิตภัณฑ์เสียหายการกำจัดสารเคลือบช่วยให้สามารถวิเคราะห์ข้อบกพร่องได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ไม่จำเป็นต้องถอดแยกชิ้นส่วนเพื่อตรวจสอบ ซึ่งอาจส่งผลให้ผลิตภัณฑ์เสียหายได้

การทำเครื่องหมาย

การมาร์กด้วยเลเซอร์ของเซมิคอนดักเตอร์มีความสำคัญต่อความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับและความสามารถในการอ่านของผลิตภัณฑ์ ซึ่งหมายความว่าเลเซอร์จะต้องสามารถอ่านได้อย่างชัดเจนในงานพิมพ์ขนาดเล็กมาก การตรวจสอบย้อนกลับผลิตภัณฑ์หมายความว่าสามารถติดตามผลิตภัณฑ์ผ่านขั้นตอนการผลิตหลายขั้นตอนตลอดจนการจัดจำหน่ายขั้นสุดท้าย ทำให้ง่ายต่อการค้นหาและแยกประเภทของข้อบกพร่องที่เฉพาะเจาะจง

ชิปที่ทำเครื่องหมายจะต้องสามารถอ่านได้ เนื่องจากการทำเครื่องหมายเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการพิจารณาว่าผลิตภัณฑ์ใดเหมาะสำหรับการใช้งาน จากข้อมูลของ Wafer World "เลเซอร์ไม่เพียงแต่ตัดเข้าไปในพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์เท่านั้น แต่ยังจัดเรียงอนุภาคพื้นผิวใหม่เพื่อสร้างการมาร์กที่ตื้นมากแต่อ่านง่าย"

เครื่องหมายที่ใช้กับเซมิคอนดักเตอร์มีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ เครื่องหมายกัดและเครื่องหมายอบอ่อน เครื่องหมายกัดเป็นชั้นบางๆ ของวัสดุที่ถูกลบออกโดยใช้เลเซอร์ ทิ้งร่องรอยที่มีพื้นผิวไว้ลึกประมาณ 12 ถึง 25 ไมครอน สิ่งเหล่านี้มักเรียกว่า "รอยแข็ง" เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้ในชั้นผิว

ในทางกลับกัน รอยหลอมเหลวจะใช้ชุดเลเซอร์ที่มีระดับพลังงานต่ำกว่าเพื่อจัดเรียงโมเลกุลใหม่แทนการกัด สิ่งนี้จะสร้างคอนทราสต์บนผิวชิปที่มองเห็นได้เมื่อสะท้อนแสง

ประเภทเลเซอร์

ปัจจุบัน บริษัทต่างๆ ใช้เลเซอร์โซลิดสเตตในการผลิตชิปเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากเป็นที่รู้จักว่ามีพลังงานสูงและใช้แร่เป็นสื่อเลเซอร์ สื่อแร่โดยทั่วไปประกอบด้วยอิตเทรียม อลูมิเนียม โกเมน หรือผลึกอิตเทรียมวานาดาต ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ Nd:YAG ใช้ผลึกโกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียมเจือด้วยนีโอไดเมียมเป็นสื่อกลาง ลำแสงเลเซอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ออสซิลเลเตอร์ที่กระตุ้นตัวกลางด้วยแสงจากเลเซอร์ไดโอด

เลเซอร์โซลิดสเตตประเภทหนึ่งที่ใช้สำหรับการมาร์ก แกะสลัก และหั่นชิปคือเลเซอร์ไฟเบอร์ คีย์เอ็นซ์กล่าว และเสริมว่าเลเซอร์ความเร็วสูงใช้ "ใยแก้วนำแสงเป็นตัวสะท้อนและสร้างโครงสร้างที่ทับซ้อนกันผ่านการหุ้มไฟเบอร์เจือ Yb-ion" โปรดทราบว่าเลเซอร์ไฟเบอร์ของมันเป็นที่รู้จักในชื่อชุด MD-F ของ 3-เลเซอร์ไฟเบอร์แบบแกน "การใช้ไฟเบอร์เลเซอร์บางส่วนรวมถึงการขจัดเสี้ยนออกจากกระบวนการผลิตก่อนการผลิต การทำเครื่องหมายรหัสการตรวจสอบย้อนกลับ และการขจัดเรซินเพื่อการวิเคราะห์ข้อบกพร่อง"

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ยังใช้ในการผลิตสารกึ่งตัวนำ พวกนี้มันลึกอัลตราไวโอเลตเลเซอร์ (UV) ที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 126 นาโนเมตรถึง 351 นาโนเมตรที่ใช้เป็นหลักสำหรับการตัดเฉือนโพลิเมอร์ขนาดเล็ก ลำแสงเลเซอร์ UV ที่สั้นกว่าเมื่อเทียบกับสถานะของแข็งทำให้เหมาะสำหรับวัสดุทุกประเภท รวมถึงวัสดุที่เปราะบางและบอบบางมาก และช่วยให้สามารถทำงานในพื้นที่แม่นยำขนาดเล็กมากโดยมีจุดดำเนินการที่ลดลง เมื่อใช้สำหรับการทำเครื่องหมาย เลเซอร์ UV จะเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุผลิตภัณฑ์ในระดับโมเลกุลโดยไม่สร้างความร้อนในบริเวณโดยรอบ

นวัตกรรมเลเซอร์

ปัจจุบัน เลเซอร์โซลิดสเตตและเอ็กไซเมอร์ถูกมองว่าเป็นตัวเลือกหลักเมื่อใช้การผลิตเลเซอร์สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกใหม่ที่จะสามารถแข่งขันกับรุ่นคลาสสิกได้เร็วๆ นี้ ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกียวโต นำโดย Susumu Noda เขียนว่าพวกเขาได้ดำเนินการเพื่อเอาชนะข้อจำกัดของความสว่างของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยการเปลี่ยนโครงสร้างของเลเซอร์เปล่งพื้นผิวผลึกโทนิค (PCSELs) จากข้อมูลของ Institute of Electrical and Electronics Engineers ความสว่างเป็นข้อได้เปรียบที่รวมถึงระดับการโฟกัสหรือความแตกต่างของลำแสง PCSEL ถูกมองว่าเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับเลเซอร์ความสว่างสูง แต่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถปรับขนาดได้สำหรับการใช้งานในวงกว้าง -ปรับขนาดการดำเนินงานเนื่องจากความท้าทายด้วยขนาดและความสว่างของเลเซอร์

บ่อยครั้ง ปัญหาของ PCSEL เกิดจากความปรารถนาที่จะขยายพื้นที่เปล่งแสง ซึ่งหมายความว่ามีที่ว่างสำหรับแสงที่จะแกว่งไปมาในทิศทางที่ปล่อยออกมาและในทิศทางตามขวาง "การแกว่งตามขวางเหล่านี้เรียกว่าโหมดลำดับที่สูงกว่า และสามารถทำลายคุณภาพของลำแสงได้" IEEE เขียน "นอกจากนี้ หากใช้เลเซอร์อย่างต่อเนื่อง ความร้อนภายในเลเซอร์สามารถเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสงของอุปกรณ์ ซึ่งส่งผลให้คุณภาพของลำแสงแย่ลงไปอีก"

ในการศึกษาธรรมชาติ นักวิจัยใช้ผลึกโทนิคที่ฝังอยู่ในเลเซอร์และ "ปรับตัวสะท้อนแสงภายในเพื่อให้สามารถสั่นแบบโหมดเดียวในพื้นที่ที่กว้างขึ้นและเพื่อชดเชยความเสียหายจากความร้อน" การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เลเซอร์สามารถรักษาคุณภาพของลำแสงสูงได้ตลอดการทำงานอย่างต่อเนื่อง

นักวิจัยได้พัฒนา PCSEL ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3-mm ในการศึกษาของพวกเขา ซึ่งเป็นการกระโดด 10- เท่าจากอุปกรณ์ PCSEL ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-mm ก่อนหน้านี้

"สำหรับเลเซอร์เปล่งพื้นผิวผลึกโทนิคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเรโซแนนซ์ขนาดใหญ่ 3 มม. กำลังขับ [คลื่นต่อเนื่อง] มากกว่า 50 W การสั่นโหมดเดียวล้วน และความแตกต่างของลำแสงที่แคบมากที่ 0.05 บรรลุระดับ ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นมากกว่า 10,000 ในวัสดุ" นักวิจัยเขียนในการศึกษา ความสว่าง ...... ถึง 1 GW cm-2 sr-1 เทียบได้กับเลเซอร์ขนาดใหญ่ที่มีอยู่"

เป็นที่น่าสังเกตว่า "เลเซอร์ปริมาณมาก" นักวิจัยหมายถึงเลเซอร์โซลิดสเตตและเอ็กไซเมอร์ที่ใช้ในปัจจุบันในการผลิตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

ในกระบวนการจัดตั้งศูนย์ความเป็นเลิศด้านเลเซอร์เปล่งพื้นผิวสำหรับคริสตัลโทนิคขนาด 1,{1}}ตารางเมตรที่มหาวิทยาลัยเกียวโต โนดะและทีมของเขายังได้เปลี่ยนจากการผลิตคริสตัลโทนิคโดยใช้การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมาเป็น สร้างมันด้วยการพิมพ์หินนาโนอิมพรินต์

"การพิมพ์หินด้วยลำแสง E มีความแม่นยำ แต่มักจะช้าเกินไปสำหรับการผลิตขนาดใหญ่" IEEE กล่าว "การพิมพ์หิน Nanoimprint โดยพื้นฐานแล้วจะทำให้ลวดลายนูนขึ้นบนเซมิคอนดักเตอร์และมีประโยชน์สำหรับการสร้างรูปแบบปกติอย่างรวดเร็ว"

จากการศึกษา ขั้นต่อไปคือการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของเลเซอร์จาก 3 เป็น 10 มิลลิเมตร ซึ่งเป็นขนาดที่มีรายงานว่าผลิตกำลังขับได้ 1 กิโลวัตต์