Введение
В предыдущих статьях мы рассмотрели различные технологии и области применения лазеров. Сегодня фокусируемся на конкретных задачах одного из наших клиентов – лазерной резке кремниевых подложек и удалении карбидокремниевого слоя с гетероструктур SiC/Si, которые в настоящее время набирают популярность при производстве различных полупроводниковых устройств.
Мы выбрали именно эту задачу, поскольку качество резки сильно влияет на функциональность и производительность будущих полупроводниковых устройств наших заказчиков.
В данной статье мы расскажем о преимуществах использования лазерной технологии для резки данных подложек, а также поделимся результатами своих тестовых работ.
Роль гетероструктур SiC/Si в современной полупроводниковой индустрии
Гетероструктуры на основе карбида кремния (SiC) и кремния (Si) играют важную роль в современной полупроводниковой промышленности. Эти структуры используются в широком спектре применений, включая силовую электронику, высокоскоростные системы связи и оптоэлектронику.
Одним из главных преимуществ гетероструктур SiC/Si является их высокая подвижность электронов, что обеспечивает более высокую скорость переключения и плотность мощности по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния. Это делает их идеальными для использования в силовой электронике, где они используются в высоковольтных установках, таких как электромобили и системы возобновляемой энергетики.
Кроме того, гетероструктуры SiC/Si также используются в высокоскоростных системах связи, таких как сети 5G. Высокая подвижность электронов SiC обеспечивает более высокую скорость передачи данных, в то время как использование Si обеспечивает совместимость с существующей технологией на основе кремния.
Наконец, гетероструктуры SiC/Si также используются в оптоэлектронике, где они используются для создания высокоэффективных светоизлучающих диодов (LED) и фотоэлектрических элементов. Использование SiC обеспечивает более высокую эффективность и более длительный срок службы по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния. Гетероструктуры SiC/Si играют важную роль в современной полупроводниковой промышленности, предлагая повышенную производительность и экономичность по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния.
Несколько лет назад группа ученых нашего заказчика разработали новую и улучшенную технологию, которая направлена на изменение структуры подложки. Вместо традиционных кремниевых пластин теперь применяется гетероструктура SiC/Si. Новая гетероструктура была создана по новой методике, которая заключается в наращивании карбидной пленки на готовой кремниевой подложке. Такой подход снижает стоимость производства пластин в 100 раз и обеспечивает их высокую устойчивость.
Однако, прежде чем использовать данные подложки по назначению, их необходимо подвергнуть ряду сложных операций, таких как раскрой и снятие покрытия. Подобные задачи требуют особого внимания и наличия опыта, поэтому разработчики этой технологии обратились в нашу компанию. Про наши результаты расскажем дальше.
Лазерная резка гетероструктур SiC/Si
Техническое задание наших заказчиков: раскрой кремниевой пластины (380 мкм), снятие покрытия.
При лазерной резке нам было необходимо соблюдать следующие моменты:
– отсутствие микротрещин и концентраторов напряжений вдоль линии резки;
– высокая чистота процесса резки (без пыли и грязи);
– надежность и высокая повторяемость процесса.
Материал: Кремний, покрытие SiC.
Технологический аспект:
Сложности при раскрое кремниевой пластины
В процессе обработки кремния параметры лазера имеют важное значение. Среди основных параметров выделяются мощность и скорость, изменение которых может привести либо к перегреву материала (при высокой мощности), либо к неполной обработке материала (при слишком низкой мощности).
Но также стоит обратить внимание на длительность импульса. Если импульс слишком длинный, то на поверхности кремния начинают накапливаться оксиды, которые препятствует свободному прохождению лазерного излучения.
Данная проблема приводит к нелинейному удалению слоев и созданию неоднородной формы на дне обработанной области. Самое интересное, что изменение скорости перемещение лазера, плотности штриховки или других характеристик не решает данную проблему.
Такой эффект экранировки можно объяснить следующим образом: когда случайно возникает «островок» оксидов на поверхности кремния, следующий проход обрабатывает этот «островок» немного в расфокусе (меняется расстояние от источника до обрабатываемого участка). Из-за этого большая часть энергии направляется на нагрев области вокруг «островка», что приводит к его росту в сторону центра отверстия. Так постепенно образуется более значительный слой оксидов, который экранирует излучение от не подвергнутой обработке части кремния. В результате кремний может иметь кривую форму реза, либо вообще прорезаться не полностью.
Для улучшения качества раскроя пластины кремния помимо стандартного стадийного уменьшения длительности и энергии импульса нашими инженерами был предложен метод, основанный на послойном испарении и изменении угла заливки. Такой подход к обработке пластины является критически важным, поскольку позволяет предотвратить образование скоплений оксидов, которые практически невозможно удалить.
Учитывая данные аспекты, наши инженеры разработали новую технологию, благодаря которой получилось предотвратить появление микротрещин и концентраторов напряжений в процессе резки.
Результат раскроя гетероструктуры SiC/Si демонстрируем ниже:
Для чего проводилась полировка?
В технологии наших заказчиков, карбид кремния растет с обеих сторон подложки кремния. Однако по техническому заданию было необходимо оставить его только с одной стороны. Для решения этой задачи наши специалисты провели операцию шлифовки и полировки.
Для удаления покрытия был выбран определенный режим, который удаляет как слой SiC, так и некоторую часть кремния. Также был подобран режим полировки.
Как же прийти к надежности и высокой повторяемости процесса?
Ответ прост: необходимо использовать хорошее лазерное оборудование. Но какие особенности должны быть у этого оборудования? Стабильная мощность и длительность импульса – вот главные характеристики. Кроме того, необходимо обеспечить защиту от обратного излучения и использовать оснастку специального типа, которая поможет повысить эффективность и точность обработки. Также не стоит забывать о контроле качества оборудования и его регулярном обслуживании – это играет важную роль в обеспечении надежности процесса.
И тут, безусловно, российское оборудование становится предпочтительным вариантом. В предыдущей статье мы уже рассматривали преимущества российских систем по сравнению с китайскими, так что, если вам интересно узнать подробнее, обратитесь к этой публикации: https://habr.com/ru/articles/647743/
Тестовые работы проводил ведущий инженер-технолог лаборатории прикладных лазерных исследований AppLab – Амяга Джон Васильевич.
Аналогичные методы и почему лазер лучше:
Но существуют ли альтернативы лазеру? Вопрос интересный, и несмотря на то, что мы специализируемся исключительно на лазерной обработке, было бы нечестно утверждать, что это единственный способ резки карбидокремниевых пластин. Один из альтернативных методов – механическая резка с использованием алмазных дисков.
Алмазные диски являются абразивным инструментом, состоящим из тонкого диска, на котором нанесено алмазное напыление. Они используются для физического разделения кремниевых пластин. Алмазы как материалы с высокой твердостью, обеспечивают эффективную и точную резку, но этот метод имеет свои недостатки:
1. Ограничение на прямую резку: в отличие от других методов, резка диском возможна только по прямой линии, что может стать проблемой, если требуется сделать криволинейный контур реза.
2. Износ инструмента: помимо того, что этот инструмент требует периодическую замену алмазных дисков, рабочая поверхность алмазного диска со временем ухудшается, что приводит к разной ширине реза.
3. Хрупкость инструмента: алмазные диски относительно хрупкие и могут легко повредиться во время подготовки и логистики, что в дальнейшем может привести к повышенным затратам на замену поврежденных дисков или ремонт инструмента.
4. Затраты на обслуживание и замену: алмазные диски требуют периодическую замену и обслуживание. Это важно учесть при планировании бюджета и времени для процесса резки.
Сравнение с лазерным оборудованием:
Лазерное оборудование для резки кремниевых пластин использует мощный лазерный луч для точного и контролируемого реза. Одно из преимуществ лазерной резки состоит в том, что траектория лазерного луча может быть любой, что позволяет обрабатывать сложные формы и создавать узкие резы с высокой точностью. Кроме того, лазерное оборудование обычно обладает большей автоматизацией, что может повысить скорость и производительность процесса резки.
Выбор между алмазными дисками и лазерным оборудованием зависит от конкретных требований процесса резки, бюджета, и желаемой степени точности и скорости.
В нашем случае после проведения тестовых работ заказчики приняли решение в пользу лазерного оборудования. Это решение обусловлено тем, что для их задач лазерная резка оказалась более удобной: она дешевле в эксплуатации, не требует расходных материалов, а качество реза намного выше по сравнению с алмазными дисками.
Герметизация необходима, чтобы избежать посторонних загрязнений во время процесса очистки поверхности лазером.
Заключение
В этой статье мы рассмотрели одну из важных задач лазерной обработки – лазерную резку карбидокремниевых пластин, используемых в ядерных батареях. Оптимальная точность и качество резки этого материала имеют огромное значение в достижении высокой производительности и долговечности батарей.
Мы также поделились техническим заданием нашего клиента (с его разрешения) и нашими решениями для достижения оптимальных результатов.
Кроме того, мы описали возможные проблемы, связанные с резкой кремния, и предложили практические рекомендации для их преодоления. Используя наш опыт и экспертность в области лазерной обработки, мы смогли предоставить ценную информацию, которая поможет заказчикам справиться со сложностями при резке карбидокремниевых пластин.
Мы надеемся, что данная статья была для вас интересной и полезной. Если у вас возникли вопросы или у вас появились идеи для других статей – пишите свои мысли в комментариях!
Мы всегда готовы поделиться знаниями и обсудить новые темы в сфере лазерной обработки. :)
Соавтор статьи: Шишкин Иван Александрович, инженер-технолог
