淺談激光器在半導體制造中的作用

在當今科技快速發(fā)展的時代，激光器作為一種高精度、高效率的工具，正逐漸成為半導體制造領(lǐng)域的重要利器。激光器的應用不僅提高了半導體制造的質(zhì)量和效率，還為行業(yè)帶來了更多創(chuàng)新的可能性。本文將探討激光器在半導體制造中的作用，以及它對行業(yè)的影響。

半導體是醫(yī)療設(shè)備內(nèi)部工作的一個組成部分，有助于非導體和導體之間的導電性以控制電流。反過來，制造完美半導體的組裝過程非常詳細，尤其是現(xiàn)在設(shè)備變得越來越小。隨著半導體快速小型化以適應這些更小的設(shè)備，激光器在半導體制造中的作用已經(jīng)適應。

激光技術(shù)因其細薄、精確、多功能且強大的光束而經(jīng)常用于半導體制造，原因有多種，包括切割、焊接、去除涂層和打標。

切割/劃線

在半導體的生產(chǎn)中，有各種切割步驟，包括從晶體塊中切割出晶圓以及從薄膜中切割出模板。使用激光進行切割可確保芯片被干凈地切割，以便它們正確地安裝到最終設(shè)備中。使用激光可以將半導體切割成許多形狀和圖案，這是使用其他切割方法無法實現(xiàn)的。根據(jù)哥倫比亞大學傅氏基金會工程與應用科學學院的說法，使用這種方法切割晶圓可以減少工具磨損和材料損失，并且獲得更高的產(chǎn)量。

哥倫比亞大學有關(guān)半導體激光加工的學習材料指出，“激光切割的優(yōu)點包括刀具磨損少、切割周圍的材料損失減少、由于破損減少而產(chǎn)量提高、以及由于易于固定而周轉(zhuǎn)速度快”。

切割的另一種選擇是劃線——在材料的中途鉆一系列緊密間隔或重疊的盲孔。這是一種廣泛用于半導體制造應用的方法，例如將氧化鋁基板切割成芯片載體或?qū)⒐杈A分離成芯片。值得注意的是，劃線所需的激光類型取決于所使用的材料。

該大學表示：“氧化鋁劃片使用二氧化碳激光器，而硅劃片則使用 Nd:YAG 激光器，因為不同材料在不同波長下的吸收率不同?！?/p>

使用劃線與切割的動機取決于制造車間中動作發(fā)生的速度。“對于厚度約為 0.025 英寸的氧化鋁，使用中等功率 CO2 激光器可以以每秒 10 英寸左右的速度對材料進行劃線，而對于類似的激光器，切割速率可能為每秒零點幾英寸，”大學工作人員寫道?！皠澠€提供了一個優(yōu)點，即可以在處理完成之前對基板進行劃片，然后在處理后輕松地將其分離成芯片?！?/p>

焊接

激光焊接或激光二極管焊接是將半導體元件的相鄰部分熔化在一起的過程，就像將晶圓固定到支撐板上一樣。對于準備粘合的支撐板（如引線框架），激光會在框架上打上識別標記，然后使表面粗糙化，以確保兩個部件牢固地結(jié)合在一起。一旦結(jié)合在一起，激光打標機就會去除粗糙化過程中產(chǎn)生的毛刺。

涂層去除

確保半導體清潔且沒有缺陷是稱為涂層去除的制造過程的一部分。使用激光（通常是 Nd:YAG），可以像樹脂或銅一樣去除不需要的涂層，并像鍍金或薄膜涂層一樣去除。對于去毛刺，激光利用其細而精確的光束去除多余的材料，而不會對產(chǎn)品造成損壞。去除涂層后可以更清楚地分析缺陷，從而無需拆卸檢查，否則可能會導致產(chǎn)品損壞。

標記

激光打標半導體對于產(chǎn)品的可追溯性和可讀性非常重要，這意味著激光在非常小的印刷中必須清晰可辨。產(chǎn)品的可追溯性意味著可以通過生產(chǎn)的多個步驟以及最終的分銷來跟蹤產(chǎn)品。這使得查找和分離特定類別的缺陷變得更加容易。

標記的芯片還必須可讀，因為標記是判斷哪種產(chǎn)品適合某個應用的有用方法。據(jù)Wafer World報道，“激光不僅可以切入晶圓表面，還可以重新排列表面顆粒，形成極淺但易于讀取的標記?！?/p>

半導體上使用的標記有兩種類型：蝕刻標記和退火標記。蝕刻標記是指使用激光去除薄層材料，留下約 12 至 25 微米深的紋理標記。這些通常被稱為“硬標記”，因為表面層有明顯的變化

另一方面，退火標記使用設(shè)置為較低功率水平的激光，以便重新排列分子而不是蝕刻。這會在芯片表面產(chǎn)生反差，反射光時可見。

激光類型

目前，企業(yè)大多使用固態(tài)激光器進行芯片制造，因為固態(tài)激光器以高功率著稱，并使用礦石作為激光介質(zhì)。礦石介質(zhì)通常由釔、鋁、石榴石或釩酸釔晶體組成。例如，Nd:YAG 激光器使用摻釹釔鋁石榴石晶體作為介質(zhì)。激光束是使用振蕩器產(chǎn)生的，該振蕩器用激光二極管發(fā)出的光刺激介質(zhì)。

用于芯片打標、雕刻和切割的一種固態(tài)激光器是光纖激光器。Keyence 表示，高速激光器使用“光纖作為諧振器，并通過摻雜 Yb 離子的光纖包層創(chuàng)建重疊結(jié)構(gòu)”，并指出其光纖激光器被稱為 MD-F 系列 3 軸光纖激光器?！肮饫w激光器的一些用途包括去除預生產(chǎn)過程中的毛刺、標記可追溯性代碼以及去除樹脂以分析缺陷?！?/p>

準分子激光器也用于半導體制造。這些是波長為 126 nm 至 351 nm 的深紫外 (UV) 激光器，主要用于聚合物微加工。與固態(tài)相比，紫外激光束更短，使其適用于任何類型的材料，包括非常脆弱和精致的材料，并且可以在非常小的精確區(qū)域內(nèi)工作，減少作用點。當用于打標時，紫外激光會在分子水平上改變產(chǎn)品材料的結(jié)構(gòu)，而不在周圍區(qū)域產(chǎn)生熱量。

激光創(chuàng)新

目前，固態(tài)和準分子激光器被視為使用激光制造進行半導體生產(chǎn)時的主要選擇。然而，可能很快就會出現(xiàn)一種可以與經(jīng)典產(chǎn)品相媲美的新選擇。由野田進 (Susumu Noda) 領(lǐng)導的京都大學研究小組最近在《自然》雜志上發(fā)表的一項研究寫道，他們已采取措施，通過改變光子晶體表面發(fā)射激光器 (PCSEL) 的結(jié)構(gòu)來克服半導體激光器亮度的限制。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會的說法，亮度是一種優(yōu)點，包括光束的聚焦程度或發(fā)散程度。PCSEL 雖然被視為高亮度激光器的有吸引力的選擇，但由于激光器尺寸和亮度的挑戰(zhàn)，以前一直無法擴展用于大型操作。

通常，PCSEL 的問題源于想要擴大其發(fā)射面積，這意味著光有空間在發(fā)射方向和橫向上振蕩。“這些橫向振蕩被稱為高階模式，會破壞光束的質(zhì)量，”IEEE 寫道?！按送?，如果激光器連續(xù)工作，激光器內(nèi)部的熱量會改變設(shè)備的折射率，導致光束質(zhì)量進一步惡化?！?/p>

在《自然》雜志的研究中，研究人員使用了嵌入激光器中的光子晶體，并“調(diào)整內(nèi)部反射器，以允許在更廣泛的區(qū)域內(nèi)進行單模振蕩并補償熱破壞?！?這些變化使得激光器能夠在整個連續(xù)運行過程中保持高光束質(zhì)量。

研究人員在研究中開發(fā)出了直徑為 3 毫米的 PCSEL，比之前的 1 毫米直徑 PCSEL 設(shè)備躍升了 10 倍。

“對于具有 3 毫米大諧振直徑的光子晶體表面發(fā)射激光器，已經(jīng)實現(xiàn)了超過 50 W 的[連續(xù)波]輸出功率，純單模振蕩和 0.05° 的極窄光束發(fā)散度，相當于超過材料中有 10,000 個波長，”研究人員在研究中寫道。亮度……達到 1 GW cm?2 sr?1，可與現(xiàn)有大型激光器相媲美。”

值得注意的是，研究人員所說的“大體積激光器”指的是目前用于半導體激光器制造的固態(tài)和準分子激光器。

作為在京都大學建立 1,000 平方米光子晶體表面發(fā)射激光器卓越中心過程的一部分，Noda 和他的研究小組還從使用電子束光刻制造光子晶體轉(zhuǎn)向制造它與納米壓印光刻。

IEEE 表示：“電子束光刻很精確，但通常速度太慢，不適合大規(guī)模制造。” “納米壓印光刻基本上是將圖案壓印到半導體上，對于快速創(chuàng)建非常規(guī)則的圖案非常有用?！?/p>

根據(jù)這項研究，下一步是繼續(xù)將激光器的直徑從 3 毫米擴大到 10 毫米——據(jù)報道，這一尺寸可以產(chǎn)生 1 千瓦的輸出功率。

總而言之，激光器在半導體制造中扮演著不可或缺的角色。其高精度、高效率的特性，為半導體制造帶來了全新的可能性和機遇。隨著激光器技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，我們可以期待它在半導體制造中的應用將會更加廣泛和深入，為行業(yè)帶來更大的進步和發(fā)展。

編輯：黃飛

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