01Introdução
O corte de wafer é uma etapa importante na fabricação de dispositivos semicondutores. O método de corte e a qualidade afetam diretamente a espessura, rugosidade, dimensões e custos de produção do wafer e têm um impacto significativo na fabricação do dispositivo. O carboneto de silício, como material semicondutor de terceira{2}}geração, é um material crucial para promover a revolução elétrica. O custo de produção de carboneto de silício cristalino de alta-qualidade é extremamente alto, e muitas vezes há um desejo de cortar um lingote grande de carboneto de silício em tantos substratos finos de wafer de carboneto de silício quanto possível. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento industrial levou a um aumento no tamanho dos wafers, o que aumenta a demanda pelos processos de corte. Porém, o material de carboneto de silício possui dureza extremamente elevada, com dureza Mohs de 9,5, perdendo apenas para o diamante mais duro do mundo (10), e também possui a fragilidade dos cristais, dificultando o corte. Atualmente, a indústria normalmente emprega corte com fio de lama ou corte com serra com fio diamantado. Durante o corte, uma serra de fio fixa é posicionada em intervalos iguais ao redor do lingote de carboneto de silício e, ao tensionar a serra de fio, os wafers de carboneto de silício são cortados. Usar o método de serra de fio para separar wafers de um lingote de 6-polegadas de diâmetro leva cerca de 100 horas. Os wafers resultantes não só têm um corte relativamente grande, mas também uma rugosidade superficial maior, levando a perdas de material de até 46%. Isso aumenta o custo do uso de materiais de carboneto de silício e restringe seu desenvolvimento na indústria de semicondutores, tornando urgente a pesquisa de novas tecnologias de corte para wafers de carboneto de silício. Nos últimos anos, o uso da tecnologia de corte a laser tornou-se cada vez mais popular na produção e processamento de materiais semicondutores. O princípio deste método é utilizar um feixe de laser focalizado para modificar o substrato a partir da superfície do material ou internamente, separando-o assim. Por ser um processo sem contato, evita os efeitos do desgaste da ferramenta e do estresse mecânico. Portanto, melhora muito a rugosidade superficial e a precisão do wafer, elimina a necessidade de processos de polimento subsequentes, reduz a perda de material, reduz custos e minimiza a poluição ambiental causada pelos processos tradicionais de retificação e polimento. A tecnologia de corte a laser tem sido aplicada há muito tempo ao corte de lingotes de silício, mas sua aplicação no campo do carboneto de silício ainda não está madura, com algumas tecnologias principais disponíveis atualmente.
2Corte a laser-guiado por água
A tecnologia de laser{0}guiada por água (Laser MicroJet, LMJ), também conhecida como tecnologia de microjato a laser, opera com base no princípio de focar um feixe de laser em um bico quando o laser passa por uma câmara de água-modulada por pressão; um jato de água-de baixa pressão é ejetado do bocal. Na interface da água e do ar, devido à diferença nos índices de refração, um guia de ondas de luz é formado, permitindo que o laser se propague ao longo da direção do fluxo de água, conseguindo assim o corte da superfície do material através da orientação de jato de água de alta-pressão. A principal vantagem dos lasers{6}guiados por água está na qualidade do corte; o fluxo de água não apenas resfria a área de corte, reduzindo a deformação térmica e os danos do material, mas também remove os detritos do processamento. Comparado ao corte com serra de arame, sua velocidade é significativamente aumentada. No entanto, a absorção de diferentes comprimentos de onda pela água varia, limitando os comprimentos de onda do laser usados principalmente a 1.064 nm, 532 nm e 355 nm. Em 1993, o cientista suíço Beruold Richerzhagen propôs pela primeira vez esta tecnologia, e sua empresa, Synova, é especializada na pesquisa e industrialização de lasers-guiados por água, liderando tecnologicamente no cenário internacional, enquanto a tecnologia nacional está relativamente atrasada, com empresas como Inno Laser e Shengguang Silicon Research em desenvolvimento ativo.
03 Dados Furtivos
Stealth Dicing (SD) envolve focar um laser através da superfície do carboneto de silício no interior do chip, criando uma camada modificada na profundidade desejada para obter a separação do wafer. Como não há cortes na superfície do wafer, é possível obter maior precisão de processamento. O processo SD usando lasers de pulso de nanossegundos tem sido empregado na indústria para separar pastilhas de silício. No entanto, durante o processamento SD de carboneto de silício induzido por lasers pulsados de nanossegundos, ocorrem efeitos térmicos porque a duração do pulso é muito maior que o tempo de acoplamento entre elétrons e fônons no carboneto de silício (da ordem de picossegundos). A alta entrada térmica para o wafer não apenas faz com que a separação tenda a se desviar da direção desejada, mas também gera tensões residuais significativas, levando a fraturas e má clivagem. Portanto, processos SD de laser de pulso ultracurto são geralmente usados no processamento de carboneto de silício, reduzindo bastante os efeitos térmicos.
A empresa japonesa DISCO desenvolveu uma tecnologia de corte a laser chamada Key Amorphous-Black Repetitive Absortion (KABRA), usando o exemplo do processamento de um lingote de cristal de carboneto de silício com diâmetro de 6 polegadas e espessura de 20 mm, que aumentou a taxa de produção de wafers de carboneto de silício em quatro vezes. A essência do processo KABRA concentra o laser dentro do material de carboneto de silício, decompondo o carboneto de silício em silício amorfo e carbono amorfo por meio de 'absorção repetitiva preta amorfa' e formando uma camada como ponto de separação para o wafer, ou seja, a camada amorfa preta, que absorve mais luz, facilitando assim a fácil separação do wafer.
A tecnologia de wafer dividido a frio desenvolvida pela Siltectra, adquirida pela Infineon, não só permite que vários tipos de lingotes sejam divididos em wafers, mas também resulta em uma perda de apenas 80μm por wafer, reduzindo a perda de material em 90%, diminuindo, em última análise, o custo total de produção dos dispositivos em até 30%. A tecnologia de corte a frio envolve dois estágios: primeiro, a exposição ao laser cria uma camada de delaminação no lingote, fazendo com que o material de carboneto de silício se expanda em volume, o que cria tensão de tração e forma uma camada de micro-fissuras muito estreita; então, por meio de uma etapa de resfriamento do polímero, essas micro-fissuras são processadas em uma rachadura principal, separando finalmente o wafer do lingote restante. Em 2019, uma avaliação-terceira dessa tecnologia mediu que a rugosidade da superfície Ra dos wafers divididos era inferior a 3 µm, com os melhores resultados abaixo de 2 µm.
O corte a laser modificado desenvolvido por uma grande empresa familiar de laser é uma tecnologia de laser que separa wafers semicondutores em chips ou grãos individuais. Este processo também envolve a varredura interna do wafer com um feixe de laser de precisão para formar uma camada modificada, permitindo que o wafer se expanda ao longo do caminho de varredura do laser sob tensão aplicada, alcançando uma separação precisa.
Atualmente, os fabricantes nacionais dominam a tecnologia de corte de carboneto de silício com argamassa, mas a perda de corte é grande, a eficiência é baixa e a poluição é severa, que está sendo gradativamente substituída pela tecnologia de corte com fio diamantado. Ao mesmo tempo, as vantagens de desempenho e eficiência do corte a laser são proeminentes, oferecendo muitas vantagens em comparação com as tecnologias tradicionais de processamento de contato mecânico, incluindo alta eficiência de processamento, caminhos de corte estreitos e alta densidade de chips, tornando-o um forte concorrente para substituir a tecnologia de corte com fio diamantado e abrindo um novo caminho para a aplicação de materiais semicondutores da próxima-geração, como o carboneto de silício. Com o desenvolvimento da tecnologia industrial, o tamanho dos substratos de carboneto de silício continua a aumentar e a tecnologia de corte de carboneto de silício se desenvolverá rapidamente; o corte a laser eficiente e de{3}}alta qualidade será uma tendência importante no corte de carboneto de silício no futuro.
