Os semicondutores são parte integrante do funcionamento interno dos dispositivos médicos, contribuindo para a condutividade entre não condutores e condutores para controlar a corrente. Por sua vez, o processo de montagem para fazer o semicondutor perfeito é muito detalhado, especialmente agora que os dispositivos estão ficando cada vez menores. Como os semicondutores são rapidamente miniaturizados para caber nesses dispositivos menores, o papel dos lasers na fabricação de semicondutores foi adaptado.
A tecnologia laser é freqüentemente usada na fabricação de semicondutores por seus feixes finos, precisos, versáteis e poderosos por uma variedade de razões, incluindo corte, soldagem, remoção de revestimento e marcação.
Corte/rascunho
Na produção de semicondutores, existem várias etapas de corte, incluindo o corte de wafers de blocos de cristal e gabaritos de filmes finos. O corte em cubos com um laser garante que os chips sejam cortados de forma precisa para que se encaixem corretamente no dispositivo final. O uso de lasers permite que os semicondutores sejam cortados em muitas formas e padrões que não são possíveis usando outros métodos de corte. De acordo com a Fu Foundation School of Engineering and Applied Science da Columbia University, o corte de wafers usando este método reduz o desgaste da ferramenta e a perda de material e resulta em maiores rendimentos.
O material de estudo da Columbia sobre processamento a laser de semicondutores afirma que "as vantagens do corte a laser incluem menor desgaste da ferramenta, redução da perda de material ao redor do corte, rendimentos mais altos devido a menos quebras e retorno mais rápido devido à facilidade de fixação".
Outra opção de corte é riscar - perfurar uma série de orifícios cegos espaçados ou sobrepostos na metade do material. Este é um método amplamente utilizado em aplicações de fabricação de semicondutores, como cortar substratos de óxido de alumínio em portadores de chip ou separar pastilhas de silício em chips. Vale ressaltar que o tipo de laser necessário para riscar depende do material utilizado.
A universidade diz: "A gravação de óxido de alumínio usa lasers de CO2, enquanto a gravação de silício usa lasers Nd:YAG porque diferentes materiais têm diferentes taxas de absorção em diferentes comprimentos de onda".
A motivação para usar traçado versus corte depende da velocidade com que a ação ocorre na oficina de fabricação. "Para óxido de alumínio, que tem cerca de 00,025 polegadas de espessura, o material pode ser riscado a uma taxa de cerca de 10 polegadas por segundo usando um laser de CO2 de potência média, enquanto para um laser semelhante, a taxa de corte pode ser frações de uma polegada por segundo", escrevem os funcionários da universidade. "A gravação também oferece a vantagem de ser capaz de riscar o substrato antes que o processamento seja concluído e separá-lo facilmente em chips após o processamento."
Widade
Solda a laser ou soldagem por diodo a laser é o processo de fusão de partes adjacentes de um componente semicondutor, muito parecido com a fixação de um wafer em uma placa de suporte. Para placas de suporte que estão prontas para serem coladas (como quadros de chumbo), o laser coloca uma marca de identificação no quadro e, em seguida, torna a superfície áspera para garantir que as duas partes sejam unidas com segurança. Uma vez unidas, a máquina de marcação a laser remove as rebarbas criadas pelo processo de desbaste.
Remoção de Revestimento
Garantir que os semicondutores estejam limpos e livres de defeitos faz parte de um processo de fabricação chamado remoção de revestimento. Usando um laser (geralmente Nd:YAG), revestimentos indesejados podem ser removidos como com resina ou cobre, e com ouro ou revestimentos de película fina. Para rebarbação, o laser utiliza seu feixe fino e preciso para remover o excesso de material sem causar danos ao produto.Remoção de revestimentospermite que os defeitos sejam analisados com mais clareza, eliminando a necessidade de desmontagem para inspeção, o que pode resultar em danos ao produto.
marcação
Marcação a laser de semicondutoresé importante para a rastreabilidade e legibilidade do produto, o que significa que o laser deve ser claramente legível em impressões muito pequenas. Rastreabilidade do produto significa que o produto pode ser rastreado através das múltiplas etapas de produção, bem como a distribuição final. Isso torna mais fácil encontrar e isolar categorias específicas de defeitos.
Os chips marcados também devem ser legíveis, pois a marcação é uma maneira útil de determinar qual produto é adequado para uma aplicação. De acordo com a Wafer World, "o laser não apenas corta a superfície do wafer, mas também reorganiza as partículas da superfície para criar marcações extremamente rasas, mas fáceis de ler".
Existem dois tipos de marcadores usados em semicondutores: marcadores de corrosão e marcadores recozidos. Marcadores de corrosão são camadas finas de material que são removidas usando um laser, deixando uma marca texturizada com cerca de 12 a 25 mícrons de profundidade. Estas são muitas vezes referidas como "marcas duras" porque há uma mudança visível na camada superficial.
As marcas de recozimento, por outro lado, usam um laser definido para um nível de potência mais baixo para reorganizar as moléculas em vez de gravá-las. Isso cria um contraste na superfície do chip que é visível quando a luz é refletida.
tipo de laser
Atualmente, as empresas usam principalmente lasers de estado sólido para fabricação de chips porque são conhecidos por sua alta potência e usam minério como meio de laser. O meio mineral normalmente consiste em cristais de ítrio, alumínio, granada ou vanadato de ítrio. Por exemplo, os lasers Nd:YAG usam cristais de granada de ítrio e alumínio dopados com neodímio como meio. O feixe de laser é gerado usando um oscilador que estimula o meio com a luz de um diodo de laser.
Um tipo de laser de estado sólido usado para marcação de cavacos, gravação e corte é o laser de fibra, diz Keyence, acrescentando que os lasers de alta velocidade usam "fibras ópticas como ressonadores e criam estruturas sobrepostas por meio de revestimento de fibra dopada com íons Yb". observando que seus lasers de fibra são conhecidos como a série MD-F de 3-lasers de fibra de eixo. "Alguns dos usos dos lasers de fibra incluem a remoção de rebarbas dos processos de pré-produção, marcação de códigos de rastreabilidade e remoção de resina para análise de defeitos."
Excimer lasers também são usados na fabricação de semicondutores. Estes são profundosultravioleta(UV) lasers com comprimentos de onda variando de 126 nm a 351 nm que são usados principalmente para microusinagem de polímeros. Os feixes de laser UV mais curtos em relação ao estado sólido os tornam adequados para qualquer tipo de material, incluindo materiais muito frágeis e delicados, e permitem que eles trabalhem em uma área precisa muito pequena com um ponto de ação reduzido. Quando usado para marcação, o laser UV altera a estrutura do material do produto no nível molecular sem gerar calor na área circundante.
Laser Inovação
Atualmente, os lasers de estado sólido e excimer são vistos como as principais opções quando se utiliza a fabricação de laser para a produção de semicondutores. No entanto, uma nova opção que pode rivalizar com os clássicos pode estar disponível em breve. Em um estudo recente publicado na revista Nature, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Kyoto liderada por Susumu Noda escreveu que tomou medidas para superar as limitações do brilho do laser semicondutor, alterando a estrutura dos lasers emissores de superfície de cristal fotônico (PCSELs). De acordo com o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, o brilho é uma vantagem que inclui o grau de foco ou divergência de um feixe de luz. Os PCSELs, embora vistos como uma opção atraente para lasers de alto brilho, anteriormente não eram escaláveis para uso em grandes operações em escala devido aos desafios com o tamanho e o brilho dos lasers.
Muitas vezes, o problema dos PCSELs decorre do desejo de expandir sua área de emissão, o que faz com que haja espaço para a luz oscilar na direção de emissão e na direção transversal. “Essas oscilações transversais são conhecidas como modos de ordem superior e podem destruir a qualidade do feixe”, escreve o IEEE. "Além disso, se o laser for operado continuamente, o calor dentro do laser pode alterar o índice de refração do dispositivo, levando a uma maior deterioração da qualidade do feixe."
No estudo da Nature, os pesquisadores usaram cristais fotônicos embutidos no laser e "adaptaram o refletor interno para permitir oscilações de modo único em uma área mais ampla e compensar danos térmicos". Essas mudanças permitiram que o laser mantivesse a alta qualidade do feixe durante a operação contínua.
Os pesquisadores desenvolveram um PCSEL de 3-mm de diâmetro em seu estudo, um salto de 10-dobra do dispositivo PCSEL anterior de 1-mm de diâmetro.
"Para um laser de emissão de superfície de cristal fotônico com um grande diâmetro ressonante de 3 mm, potências de saída [onda contínua] de mais de 50 W, oscilações puras de modo único e uma divergência de feixe extremamente estreita de 0,05 grau , correspondendo a mais de 10,000 comprimentos de onda no material, foram alcançados", escreveram os pesquisadores no estudo. O brilho ...... atinge 1 GW cm-2 sr-1, comparável aos lasers grandes existentes."
Vale a pena notar que, por "lasers de grande volume", os pesquisadores querem dizer os lasers de estado sólido e excimer atualmente usados na fabricação de lasers semicondutores.
Como parte do processo de estabelecer um centro de excelência de 1000-metro quadrado para lasers emissores de superfície para cristais fotônicos na Universidade de Kyoto, Noda e sua equipe também mudaram da fabricação de cristais fotônicos usando litografia de feixe de elétrons para fabricando-os com litografia de nanoimpressão.
"A litografia E-beam é precisa, mas geralmente muito lenta para fabricação em larga escala", diz o IEEE. "A litografia de nanoimpressão basicamente grava padrões em semicondutores e é útil para criar padrões muito regulares rapidamente."
De acordo com o estudo, o próximo passo é continuar expandindo o diâmetro do laser de 3 para 10 milímetros - um tamanho que supostamente produz 1 quilowatt de potência de saída.
