반도체는 의료 기기의 내부 작동에 없어서는 안 될 부분으로, 전류를 제어하기 위해 부도체와 도체 사이의 전도성에 기여합니다. 차례로, 완벽한 반도체를 만들기 위한 조립 공정은 특히 장치가 점점 더 작아지고 있는 지금 매우 상세합니다. 반도체가 이러한 더 작은 장치에 맞게 빠르게 소형화됨에 따라 반도체 제조에서 레이저의 역할이 적응되었습니다.
레이저 기술은 절단, 용접, 코팅 제거 및 마킹을 포함한 다양한 이유로 반도체 제조에서 얇고 정밀하며 다재다능하고 강력한 빔으로 자주 사용됩니다.
커팅/스크라이빙
반도체 생산에는 결정 블록에서 웨이퍼를 절단하고 박막에서 템플릿을 절단하는 등 다양한 다이싱 단계가 있습니다. 레이저로 다이싱하면 최종 장치에 제대로 맞도록 칩이 깨끗하게 절단됩니다. 레이저를 사용하면 반도체를 다른 다이싱 방법으로는 불가능한 다양한 모양과 패턴으로 절단할 수 있습니다. Columbia University의 Fu Foundation School of Engineering and Applied Science에 따르면 이 방법을 사용하여 웨이퍼를 절단하면 도구 마모와 재료 손실이 줄어들고 수율이 높아집니다.
반도체 레이저 가공에 대한 Columbia의 연구 자료에 따르면 "레이저 절단의 장점에는 공구 마모 감소, 절단 주변의 재료 손실 감소, 파손 감소로 인한 높은 수율, 고정 용이성으로 인한 빠른 처리 등이 있습니다."
절단을 위한 또 다른 옵션은 스크라이빙(Scribing)입니다. 즉, 재료 중간에 일련의 밀접하게 간격을 두거나 겹치는 막힌 구멍을 뚫는 것입니다. 산화 알루미늄 기판을 칩 캐리어로 절단하거나 실리콘 웨이퍼를 칩으로 분리하는 등 반도체 제조 응용 분야에서 널리 사용되는 방법입니다. 스크라이빙에 필요한 레이저 유형은 사용되는 재료에 따라 다릅니다.
대학에서는 "알루미늄 산화물 스크라이빙은 CO2 레이저를 사용하는 반면, 실리콘 스크라이빙은 Nd:YAG 레이저를 사용합니다. 왜냐하면 다른 재료는 다른 파장에서 다른 흡수율을 갖기 때문입니다."
스크라이빙 대 커팅을 사용하는 동기는 제작 공장에서 작업이 발생하는 속도에 따라 다릅니다. "두께가 약 0.025인치인 산화알루미늄의 경우 중출력 CO2 레이저를 사용하여 초당 약 10인치의 속도로 재료를 스크라이브할 수 있는 반면 유사한 레이저의 경우 절단 속도가 초당 1인치도 되지 않습니다."라고 대학 직원은 말합니다. "스크라이빙은 또한 처리가 완료되기 전에 기판을 스크라이브할 수 있고 처리 후 쉽게 칩으로 분리할 수 있다는 이점을 제공합니다."
W엘딩
레이저 납땜 또는 레이저 다이오드 용접은 웨이퍼를 지지판에 고정하는 것과 같이 반도체 구성 요소의 인접한 부분을 함께 녹이는 과정입니다. 접착할 준비가 된 지지 보드(예: 리드 프레임)의 경우 레이저로 프레임에 식별 표시를 한 다음 표면을 거칠게 하여 두 부품이 함께 단단히 접착되도록 합니다. 함께 결합되면 레이저 마킹 기계는 거칠게 만드는 과정에서 생성된 버를 제거합니다.
코팅 제거
반도체가 깨끗하고 결함이 없는지 확인하는 것은 코팅 제거라는 제조 공정의 일부입니다. 레이저(보통 Nd:YAG)를 사용하면 수지나 구리, 금이나 박막 코팅처럼 원하지 않는 코팅을 제거할 수 있습니다. 디버링을 위해 레이저는 미세하고 정밀한 빔을 사용하여 제품 손상 없이 과도한 재료를 제거합니다.코팅 제거결함을 보다 명확하게 분석할 수 있어 제품 손상으로 이어질 수 있는 검사를 위해 분해할 필요가 없습니다.
마킹
반도체 레이저 마킹제품 추적성과 가독성에 중요합니다. 즉, 매우 작은 인쇄물에서 레이저를 명확하게 읽을 수 있어야 합니다. 제품 추적성은 제품이 최종 유통 단계뿐만 아니라 생산의 여러 단계를 통해 추적될 수 있음을 의미합니다. 이렇게 하면 특정 범주의 결함을 더 쉽게 찾고 격리할 수 있습니다.
마킹은 애플리케이션에 적합한 제품을 결정하는 유용한 방법이므로 마킹된 칩도 읽을 수 있어야 합니다. Wafer World에 따르면 "레이저는 웨이퍼 표면을 절단할 뿐만 아니라 표면 입자를 재배열하여 매우 얕지만 읽기 쉬운 표시를 만듭니다."
반도체에 사용되는 마커에는 에칭 마커와 어닐링 마커의 두 가지 유형이 있습니다. 식각 마커는 레이저를 사용하여 제거하는 재료의 얇은 층으로, 약 12~25미크론 깊이의 질감 표시를 남깁니다. 이는 표면층에 눈에 띄는 변화가 있기 때문에 종종 "하드 마크"라고 합니다.
반면 어닐링 마크는 분자를 식각하는 대신 분자를 재배열하기 위해 낮은 전력 수준으로 설정된 레이저를 사용합니다. 이것은 빛이 반사될 때 보이는 칩 표면에 대조를 만듭니다.
레이저 유형
현재 회사에서는 고출력으로 유명하고 광석을 레이저 매질로 사용하기 때문에 대부분 칩 제조에 고체 레이저를 사용합니다. 광물 매체는 일반적으로 이트륨, 알루미늄, 석류석 또는 이트륨 바나데이트 결정으로 구성됩니다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저는 네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 석류석 결정을 매체로 사용합니다. 레이저 빔은 레이저 다이오드의 빛으로 매질을 자극하는 발진기를 사용하여 생성됩니다.
칩 마킹, 조각 및 다이싱에 사용되는 고체 레이저의 한 유형은 파이버 레이저라고 Keyence는 말합니다. 고속 레이저는 "공진기로 광섬유를 사용하고 Yb-이온 도핑된 파이버 클래딩을 통해 중첩 구조를 생성합니다." 파이버 레이저는 3-축 파이버 레이저의 MD-F 시리즈로 알려져 있습니다. "파이버 레이저의 일부 용도에는 사전 생산 공정에서 버 제거, 추적 코드 표시, 결함 분석을 위한 수지 제거가 포함됩니다."
엑시머 레이저는 반도체 제조에도 사용됩니다. 이들은 깊은자외선126nm에서 351nm 범위의 파장을 가진 (UV) 레이저는 폴리머 미세 가공에 주로 사용됩니다. 고체 상태에 비해 UV 레이저 빔이 짧기 때문에 매우 깨지기 쉽고 섬세한 재료를 포함한 모든 유형의 재료에 적합하며 작용점이 감소된 매우 작은 정밀 영역에서 작업할 수 있습니다. 마킹에 사용되는 경우 UV 레이저는 주변 영역에 열을 발생시키지 않고 분자 수준에서 제품 재료의 구조를 변경합니다.
레이저 혁신
현재 반도체 생산에 레이저 제조를 사용할 때 고체 및 엑시머 레이저가 주요 옵션으로 간주됩니다. 그러나 클래식에 필적할 수 있는 새로운 옵션이 곧 제공될 수 있습니다. 네이처(Nature) 저널에 실린 최근 연구에서 Susumu Noda가 이끄는 교토 대학의 연구팀은 광결정 표면 방출 레이저(PCSEL)의 구조를 변경하여 반도체 레이저 밝기의 한계를 극복하기 위한 조치를 취했다고 썼습니다. Institute of Electrical and Electronics Engineers에 따르면 밝기는 광선의 초점 또는 발산 정도를 포함하는 이점입니다. PCSEL은 고휘도 레이저에 대한 매력적인 옵션으로 보이지만 이전에는 대규모 -레이저의 크기와 밝기 문제로 인한 스케일 작업.
종종 PCSEL의 문제는 방출 영역을 확장하려는 욕구에서 비롯되며, 이는 빛이 방출 방향과 가로 방향으로 진동할 여지가 있음을 의미합니다. "이러한 가로 진동은 고차 모드로 알려져 있으며 빔의 품질을 파괴할 수 있습니다."라고 IEEE는 기록합니다. 또한 레이저를 계속 작동시키면 레이저 내부의 열이 장치의 굴절률을 변화시켜 빔 품질을 더욱 악화시킬 수 있다”고 말했다.
네이처 연구에서 연구원들은 레이저에 내장된 광결정을 사용하고 "더 넓은 영역에 걸쳐 단일 모드 진동을 허용하고 열 손상을 보상하기 위해 내부 반사기를 조정했습니다." 이러한 변화를 통해 레이저는 연속 작동 내내 높은 빔 품질을 유지할 수 있었습니다.
연구원들은 이전의 1-mm 직경 PCSEL 장치에서 10-배 점프한 3-mm 직경 PCSEL을 연구에서 개발했습니다.
"3mm의 큰 공진 직경, 50W 이상의 [연속파] 출력, 순수한 단일 모드 발진 및 0.05의 매우 좁은 빔 발산을 가진 광결정 표면 방출 레이저의 경우 재료의 10000 이상의 파장에 해당하는 정도 가 달성되었습니다."라고 연구원들은 연구에서 썼습니다. 밝기는 ...... 1GW cm-2sr-1에 이르며 기존의 대형 레이저와 비교할 수 있습니다."
연구원들이 "대용량 레이저"란 현재 반도체 레이저 제조에 사용되는 고체 및 엑시머 레이저를 의미한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
교토 대학교에서 광결정용 표면 발광 레이저를 위한 1000-제곱미터 규모의 센터 오브 우수 센터를 구축하는 과정의 일환으로 Noda와 그의 팀은 전자빔 리소그래피를 사용하는 광결정 제조에서 다음으로 전환했습니다. 나노 임프린트 리소그래피로 제작합니다.
"전자빔 리소그래피는 정확하지만 일반적으로 대규모 제조에는 너무 느립니다."라고 IEEE는 말합니다. "나노임프린트 리소그래피는 기본적으로 반도체에 패턴을 엠보싱하고 매우 규칙적인 패턴을 빠르게 만드는 데 유용합니다."
연구에 따르면 다음 단계는 레이저의 직경을 3밀리미터에서 10밀리미터로 계속 확장하는 것입니다. 이 크기는 1킬로와트의 출력 전력을 생성하는 것으로 알려진 크기입니다.
