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

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

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

切割/劃線

在半導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)體切割成許多形狀和圖案，這是使用其他切割方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)哥倫比亞大學(xué)傅氏基金會(huì)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的說(shuō)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(xué)有關(guān)半導(dǎo)體激光加工的學(xué)習(xí)材料指出，“激光切割的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)體制造應(yīng)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(xué)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?yàn)椴煌牧显诓煌ㄩL(zhǎng)下的吸收率不同。”

使用劃線與切割的動(dòng)機(jī)取決于制造車間中動(dòng)作發(fā)生的速度。“對(duì)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(duì)材料進(jìn)行劃線，而對(duì)于類似的激光器，切割速率可能為每秒零點(diǎn)幾英寸，”大學(xué)工作人員寫道?！皠澠€提供了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可以在處理完成之前對(duì)基板進(jìn)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(dǎo)體元件的相鄰部分熔化在一起的過(guò)程，就像將晶圓固定到支撐板上一樣。對(duì)于準(zhǔn)備粘合的支撐板（如引線框架），激光會(huì)在框架上打上識(shí)別標(biāo)記，然后使表面粗糙化，以確保兩個(gè)部件牢固地結(jié)合在一起。一旦結(jié)合在一起，激光打標(biāo)機(jī)就會(huì)去除粗糙化過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺。

涂層去除

確保半導(dǎo)體清潔且沒(méi)有缺陷是稱為涂層去除的制造過(guò)程的一部分。使用激光（通常是 Nd:YAG），可以像樹(shù)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(duì)于去毛刺，激光利用其細(xì)而精確的光束去除多余的材料，而不會(huì)對(duì)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(wú)需拆卸檢查，否則可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。

標(biāo)記

激光打標(biāo)半導(dǎo)體對(duì)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(guò)生產(chǎn)的多個(gè)步驟以及最終的分銷來(lái)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(biāo)記的芯片還必須可讀，因?yàn)闃?biāo)記是判斷哪種產(chǎn)品適合某個(gè)應(yīng)用的有用方法。據(jù)Wafer World報(bào)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(biāo)記?！?/p>

半導(dǎo)體上使用的標(biāo)記有兩種類型：蝕刻標(biāo)記和退火標(biāo)記。蝕刻標(biāo)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(biāo)記。這些通常被稱為“硬標(biāo)記”，因?yàn)楸砻鎸佑忻黠@的變化

另一方面，退火標(biāo)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(huì)在芯片表面產(chǎn)生反差，反射光時(shí)可見(jiàn)。

激光類型

目前，企業(yè)大多使用固態(tài)激光器進(jìn)行芯片制造，因?yàn)楣虘B(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(biāo)、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(guò)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(yù)生產(chǎn)過(guò)程中的毛刺、標(biāo)記可追溯性代碼以及去除樹(shù)脂以分析缺陷?！?/p>

準(zhǔn)分子激光器也用于半導(dǎo)體制造。這些是波長(zhǎng)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(diǎn)。當(dāng)用于打標(biāo)時(shí)，紫外激光會(huì)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(zhǔn)分子激光器被視為使用激光制造進(jìn)行半導(dǎo)體生產(chǎn)時(shí)的主要選擇。然而，可能很快就會(huì)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(jìn) (Susumu Noda) 領(lǐng)導(dǎo)的京都大學(xué)研究小組最近在《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究寫道，他們已采取措施，通過(guò)改變光子晶體表面發(fā)射激光器 (PCSEL) 的結(jié)構(gòu)來(lái)克服半導(dǎo)體激光器亮度的限制。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的說(shuō)法，亮度是一種優(yōu)點(diǎn)，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(wú)法擴(kuò)展用于大型操作。

通常，PCSEL 的問(wèn)題源于想要擴(kuò)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?！斑@些橫向振蕩被稱為高階模式，會(huì)破壞光束的質(zhì)量，”IEEE 寫道?！按送猓绻す馄鬟B續(xù)工作，激光器內(nèi)部的熱量會(huì)改變?cè)O(shè)備的折射率，導(dǎo)致光束質(zhì)量進(jìn)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(jìn)行單模振蕩并補(bǔ)償熱破壞?！?這些變化使得激光器能夠在整個(gè)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中保持高光束質(zhì)量。

研究人員在研究中開(kāi)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(duì)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(shí)現(xiàn)了超過(guò) 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(dāng)于超過(guò)材料中有 10,000 個(gè)波長(zhǎng)，”研究人員在研究中寫道。亮度……達(dá)到 1 GW cm?2 sr?1，可與現(xiàn)有大型激光器相媲美?！?/p>

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

作為在京都大學(xué)建立 1,000 平方米光子晶體表面發(fā)射激光器卓越中心過(guò)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(dǎo)體上，對(duì)于快速創(chuàng)建非常規(guī)則的圖案非常有用?！?/p>

根據(jù)這項(xiàng)研究，下一步是繼續(xù)將激光器的直徑從 3 毫米擴(kuò)大到 10 毫米——據(jù)報(bào)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(dǎo)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(dǎo)體制造帶來(lái)了全新的可能性和機(jī)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(dǎo)體制造中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入，為行業(yè)帶來(lái)更大的進(jìn)步和發(fā)展。

編輯：黃飛

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