探讨激光器在半导体制造中的作用

来源:半导体行业观察发布时间:2023-07-14845浏览

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半导体是医疗设备内部工作的一个组成部分，有助于非导体和导体之间的导电性以控制电流。反过来，制造完美半导体的组装过程非常详细，尤其是现在设备变得越来越小。随着半导体快速小型化以适应这些更小的设备，激光器在半导体制造中的作用已经适应。

激光技术因其细薄、精确、多功能且强大的光束而经常用于半导体制造，原因有多种，包括切割、焊接、去除涂层和打标。

切割/划线

在半导体的生产中，有各种切割步骤，包括从晶体块中切割出晶圆以及从薄膜中切割出模板。使用激光进行切割可确保芯片被干净地切割，以便它们正确地安装到最终设备中。使用激光可以将半导体切割成许多形状和图案，这是使用其他切割方法无法实现的。根据哥伦比亚大学傅氏基金会工程与应用科学学院的说法，使用这种方法切割晶圆可以减少工具磨损和材料损失，并且获得更高的产量。

哥伦比亚大学有关半导体激光加工的学习材料指出，“激光切割的优点包括刀具磨损少、切割周围的材料损失减少、由于破损减少而产量提高、以及由于易于固定而周转速度快”。

切割的另一种选择是划线——在材料的中途钻一系列紧密间隔或重叠的盲孔。这是一种广泛用于半导体制造应用的方法，例如将氧化铝基板切割成芯片载体或将硅晶圆分离成芯片。值得注意的是，划线所需的激光类型取决于所使用的材料。

该大学表示：“氧化铝划片使用二氧化碳激光器，而硅划片则使用 Nd:YAG 激光器，因为不同材料在不同波长下的吸收率不同。”

使用划线与切割的动机取决于制造车间中动作发生的速度。“对于厚度约为 0.025 英寸的氧化铝，使用中等功率 CO2 激光器可以以每秒 10 英寸左右的速度对材料进行划线，而对于类似的激光器，切割速率可能为每秒零点几英寸，”大学工作人员写道。“划片还提供了一个优点，即可以在处理完成之前对基板进行划片，然后在处理后轻松地将其分离成芯片。”

焊接

激光焊接或激光二极管焊接是将半导体元件的相邻部分熔化在一起的过程，就像将晶圆固定到支撑板上一样。对于准备粘合的支撑板（如引线框架），激光会在框架上打上识别标记，然后使表面粗糙化，以确保两个部件牢固地结合在一起。一旦结合在一起，激光打标机就会去除粗糙化过程中产生的毛刺。

涂层去除

确保半导体清洁且没有缺陷是称为涂层去除的制造过程的一部分。使用激光（通常是 Nd:YAG），可以像树脂或铜一样去除不需要的涂层，并像镀金或薄膜涂层一样去除。对于去毛刺，激光利用其细而精确的光束去除多余的材料，而不会对产品造成损坏。去除涂层后可以更清楚地分析缺陷，从而无需拆卸检查，否则可能会导致产品损坏。

标记

激光打标半导体对于产品的可追溯性和可读性非常重要，这意味着激光在非常小的印刷中必须清晰可辨。产品的可追溯性意味着可以通过生产的多个步骤以及最终的分销来跟踪产品。这使得查找和分离特定类别的缺陷变得更加容易。

标记的芯片还必须可读，因为标记是判断哪种产品适合某个应用的有用方法。据Wafer World报道，“激光不仅可以切入晶圆表面，还可以重新排列表面颗粒，形成极浅但易于读取的标记。”

半导体上使用的标记有两种类型：蚀刻标记和退火标记。蚀刻标记是指使用激光去除薄层材料，留下约 12 至 25 微米深的纹理标记。这些通常被称为“硬标记”，因为表面层有明显的变化

另一方面，退火标记使用设置为较低功率水平的激光，以便重新排列分子而不是蚀刻。这会在芯片表面产生反差，反射光时可见。

激光类型

目前，企业大多使用固态激光器进行芯片制造，因为固态激光器以高功率着称，并使用矿石作为激光介质。矿石介质通常由钇、铝、石榴石或钒酸钇晶体组成。例如，Nd:YAG 激光器使用掺钕钇铝石榴石晶体作为介质。激光束是使用振荡器产生的，该振荡器用激光二极管发出的光刺激介质。

用于芯片打标、雕刻和切割的一种固态激光器是光纤激光器。Keyence 表示，高速激光器使用“光纤作为谐振器，并通过掺杂 Yb 离子的光纤包层创建重叠结构”，并指出其光纤激光器被称为 MD-F 系列 3 轴光纤激光器。“光纤激光器的一些用途包括去除预生产过程中的毛刺、标记可追溯性代码以及去除树脂以分析缺陷。”

准分子激光器也用于半导体制造。这些是波长为 126 nm 至 351 nm 的深紫外 (UV) 激光器，主要用于聚合物微加工。与固态相比，紫外激光束更短，使其适用于任何类型的材料，包括非常脆弱和精致的材料，并且可以在非常小的精确区域内工作，减少作用点。当用于打标时，紫外激光会在分子水平上改变产品材料的结构，而不在周围区域产生热量。

激光创新

目前，固态和准分子激光器被视为使用激光制造进行半导体生产时的主要选择。然而，可能很快就会出现一种可以与经典产品相媲美的新选择。由野田进 (Susumu Noda) 领导的京都大学研究小组最近在《自然》杂志上发表的一项研究写道，他们已采取措施，通过改变光子晶体表面发射激光器 (PCSEL) 的结构来克服半导体激光器亮度的限制。根据电气和电子工程师协会的说法，亮度是一种优点，包括光束的聚焦程度或发散程度。PCSEL 虽然被视为高亮度激光器的有吸引力的选择，但由于激光器尺寸和亮度的挑战，以前一直无法扩展用于大型操作。

通常，PCSEL 的问题源于想要扩大其发射面积，这意味着光有空间在发射方向和横向上振荡。“这些横向振荡被称为高阶模式，会破坏光束的质量，”IEEE 写道。“此外，如果激光器连续工作，激光器内部的热量会改变设备的折射率，导致光束质量进一步恶化。”

在《自然》杂志的研究中，研究人员使用了嵌入激光器中的光子晶体，并“调整内部反射器，以允许在更广泛的区域内进行单模振荡并补偿热破坏。” 这些变化使得激光器能够在整个连续运行过程中保持高光束质量。

研究人员在研究中开发出了直径为 3 毫米的 PCSEL，比之前的 1 毫米直径 PCSEL 设备跃升了 10 倍。

“对于具有 3 毫米大谐振直径的光子晶体表面发射激光器，已经实现了超过 50 W 的[连续波]输出功率，纯单模振荡和 0.05° 的极窄光束发散度，相当于超过材料中有 10,000 个波长，”研究人员在研究中写道。亮度……达到 1 GW cm−2 sr−1，可与现有大型激光器相媲美。”

值得注意的是，研究人员所说的“大体积激光器”指的是目前用于半导体激光器制造的固态和准分子激光器。

作为在京都大学建立 1,000 平方米光子晶体表面发射激光器卓越中心过程的一部分，Noda 和他的研究小组还从使用电子束光刻制造光子晶体转向制造它与纳米压印光刻。

IEEE 表示：“电子束光刻很精确，但通常速度太慢，不适合大规模制造。” “纳米压印光刻基本上是将图案压印到半导体上，对于快速创建非常规则的图案非常有用。”

根据这项研究，下一步是继续将激光器的直径从 3 毫米扩大到 10 毫米——据报道，这一尺寸可以产生 1 千瓦的输出功率。

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