Στην κατασκευή ημιαγωγών, η ακρίβεια είναι το παν. Από προηγμένα τσιπ λογικής έως συσκευές υψηλής ισχύος, η ακεραιότητα των πλακιδίων επηρεάζει άμεσα την απόδοση, την απόδοση και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία. Μία από τις πιο λεπτές αλλά κρίσιμες προκλήσεις στη μικροκατασκευή με λέιζερ είναι ο έλεγχος της Ζώνης Επίδρασης Θερμότητας (HAZ) — η μικροσκοπική περιοχή που περιβάλλει μια περιοχή επεξεργασμένη με λέιζερ όπου η θερμική ενέργεια μεταβάλλει τις ιδιότητες του υλικού. Η ελαχιστοποίηση της HAZ είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και άλλα πλακίδια ημιαγωγών ευρείας ζώνης, όπου ακόμη και μικροσκοπικές θερμικές παραμορφώσεις μπορούν να προκαλέσουν ρωγμές ή στρέβλωση.

Το πρόβλημα με τα συμβατικά λέιζερ νανοδευτερολέπτων

Τα παραδοσιακά παλμικά λέιζερ νανοδευτερολέπτων (ns) παρέχουν ενέργεια σε δεκάδες νανοδευτερόλεπτα. Ενώ αυτό είναι γρήγορο σε χρονικές κλίμακες ανθρώπων, είναι σχετικά αργό στο πλαίσιο των ατομικών πλεγματικών δονήσεων. Όταν ένας παλμός νανοδευτερολέπτου χτυπά ένα πλακίδιο ημιαγωγού, η θερμότητα έχει χρόνο να διαχυθεί στο περιβάλλον πλέγμα κρυστάλλων. Οι συνέπειες περιλαμβάνουν:

1. Θερμική διαστολή και μικρορωγμές – Η τοπική θέρμανση προκαλεί παροδική διαστολή, η οποία, σε εύθραυστα υλικά όπως το SiC, μπορεί να οδηγήσει σε μικροσκοπικά κατάγματα.

2. Επαναδιαμόρφωση υλικού και θραύσματα – Το λιωμένο υλικό μπορεί να στερεοποιηθεί ανομοιόμορφα, αφήνοντας στρώματα επαναδιαμόρφωσης που παρεμβαίνουν στην επακόλουθη επεξεργασία ή την απόδοση της συσκευής.

3. Υπολειμματική τάση και στρέβλωση – Η ανομοιόμορφη θέρμανση εισάγει εσωτερικές τάσεις, οι οποίες είναι ιδιαίτερα προβληματικές για πλακίδια μεγάλης διαμέτρου.

Σε εργοστάσια ημιαγωγών υψηλού όγκου, αυτά τα αποτελέσματα μεταφράζονται σε χαμηλότερη απόδοση και αυξημένο κόστος ανά τσιπ.

Εισαγωγή Λέιζερ πικοδευτερολέπτων: Εξαιρετικά γρήγορα, εξαιρετικά ακριβή

Τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων (ps) εκπέμπουν παλμούς της τάξης των 10^-12 δευτερολέπτων, περίπου 1.000 φορές μικρότεροι από τα λέιζερ νανοδευτερολέπτων. Αυτή η εξαιρετικά σύντομη διάρκεια παλμού αλλάζει θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια αλληλεπιδρά με το πλακίδιο:

• Αθερμική αφαίρεση υλικού – Η διάρκεια του παλμού είναι μικρότερη από τον χρόνο που απαιτείται για σημαντική θερμική διάχυση. Αντί να λιώσει το υλικό, το λέιζερ προκαλεί ταχεία διέγερση ηλεκτρονίων, σπάζοντας τους δεσμούς σχεδόν στιγμιαία. Αυτή η διαδικασία, που συχνά ονομάζεται “ψυχρή αφαίρεση”, αφαιρεί υλικό με ελάχιστη θερμική αγωγιμότητα στις γύρω περιοχές.

• Ελάχιστη ζώνη επίδρασης θερμότητας – Με τη θερμότητα να μην μπορεί να μεταναστεύσει μακριά από την ακτινοβολημένη περιοχή, η HAZ μειώνεται δραστικά, συχνά σε υπο-μικρομετρικές κλίμακες. Αυτή η ακρίβεια είναι ζωτικής σημασίας για λεπτά μοτίβα σε συσκευές SiC υψηλής τάσης ή τρανζίστορ GaN υψηλής συχνότητας.

• Ενισχυμένη μικροδομική ακεραιότητα – Αποφεύγοντας την παρατεταμένη τήξη, τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων διατηρούν το πλέγμα κρυστάλλων, αποτρέποντας μικρορωγμές, συσσώρευση τάσης και στρέβλωση.

Μελέτη περίπτωσης: Χάραξη πλακιδίων SiC

Εξετάστε τη χάραξη πλακιδίων, μια διαδικασία που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των κομμένων τσιπ από το χύδην πλακίδιο. Τα λέιζερ νανοδευτερολέπτων συχνά δημιουργούν μικρορωγμές που εκτείνονται δεκάδες μικρόμετρα πέρα από τη γραμμή χάραξης, ενώ τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων περιορίζουν τη HAZ σε λιγότερο από μερικά μικρόμετρα. Αυτή η διαφορά δεν είναι απλώς αισθητική. βελτιώνει άμεσα την απόδοση των μήτρων, μειώνει το τσιπάρισμα των άκρων και ενισχύει την αξιοπιστία της συσκευής, ιδιαίτερα σε εφαρμογές υψηλής ισχύος.

Πέρα από την HAZ: Τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων επιτρέπουν νέες δυνατότητες επεξεργασίας

Εκτός από τον ανώτερο έλεγχο HAZ, τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων προσφέρουν βοηθητικά οφέλη που οδηγούν την καινοτομία στην κατασκευή ημιαγωγών:

• 3D Μικροδομή – Η ακρίβεια επιτρέπει πολύπλοκες γεωμετρίες όπως μικροδιατάξεις, κανάλια ή κυματοδηγούς σε υποστρώματα GaN-on-Si ή SiC.

• Μειωμένη μετα-επεξεργασία – Λιγότερη θερμική ζημιά μειώνει την ανάγκη για χημική χάραξη ή μηχανική στίλβωση, εξοικονομώντας χρόνο και μειώνοντας τους κινδύνους μόλυνσης.

• Συμβατότητα με διαφανή υποστρώματα – Οι εξαιρετικά γρήγοροι παλμοί μπορούν να επεξεργαστούν ζαφείρι ή άλλα οπτικά υποστρώματα χωρίς ρωγμές, ανοίγοντας δρόμους για την ενσωμάτωση οπτοηλεκτρονικών και λέιζερ οπτικής.

Συμπέρασμα

Για τα πλακίδια ημιαγωγών επόμενης γενιάς, όπου η θερμική ευαισθησία, η ευθραυστότητα του υλικού και η μικροσκοπική ακρίβεια είναι υψίστης σημασίας, τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων αντιπροσωπεύουν μια αλλαγή παραδείγματος. Περιορίζοντας τη ζώνη επίδρασης θερμότητας σε σχεδόν μηδενικές διαστάσεις, αυτά τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ προστατεύουν την ακεραιότητα των πλακιδίων, μεγιστοποιούν την απόδοση και επιτρέπουν δυνατότητες επεξεργασίας που ήταν προηγουμένως αδύνατες με την τεχνολογία νανοδευτερολέπτων. Στον αγώνα για μικρότερες, ταχύτερες και πιο αξιόπιστες συσκευές, τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων δεν είναι απλώς ένα εργαλείο — είναι ένας παράγοντας του μέλλοντος της κατασκευής ημιαγωγών.