半導体製造におけるレーザーの役割

半導体は医療機器の内部動作に不可欠な部分であり、不導体と導体の間の導電性を高めて電流を制御します。また、特にデバイスがますます小型化している現在、完璧な半導体を製造するための組み立てプロセスは非常に詳細になっています。このような小型デバイスに適合するように半導体が急速に小型化されるにつれて、半導体製造におけるレーザーの役割も適応してきました。

レーザー技術は、切断、溶接、コーティング除去、マーキングなどのさまざまな理由で、薄く、正確で、多用途かつ強力なビームを実現するため、半導体製造でよく使用されます。

切断・ケガキ

半導体の製造では、結晶ブロックからウエハを切り出したり、薄膜からテンプレートを切り出したりするなど、さまざまなダイシング工程があります。レーザーを使用したダイシングにより、チップが最終デバイスに適切に収まるようにきれいに切断されます。レーザーを使用すると、他のダイシング方法では不可能なさまざまな形状やパターンに半導体を切断できます。コロンビア大学のフー財団工学応用科学大学院によると、この方法を使用してウェーハを切断すると、工具の摩耗と材料の損失が減少し、歩留まりが向上します。

半導体レーザー加工に関するコロンビアの研究資料には、「レーザー切断の利点には、工具の磨耗が少ないこと、切断周囲の材料損失が少ないこと、破損が少ないため歩留まりが高いこと、固定が簡単であるため納期が早いことが挙げられます。」と記載されています。

切断のもう 1 つのオプションはスクライビングです。つまり、材料の途中で一連の狭い間隔で、または重なっている止まり穴をドリルで開けます。これは、酸化アルミニウム基板をチップキャリアに切断したり、シリコンウェーハをチップに分離したりするなど、半導体製造用途で広く使用されている方法です。スクライビングに必要なレーザーの種類は使用する材料によって異なることに注意してください。

同大学は、「酸化アルミニウムのスクライビングにはCO2レーザーが使用されるが、シリコンのスクライビングにはNd:YAGレーザーが使用される。これは、材料が異なると波長が異なると吸収率が異なるためである」としている。

スクライビングとカッティングを使用する動機は、製造工場でのアクションの実行速度によって決まります。「厚さ約 0.025 インチの酸化アルミニウムの場合、中出力の CO2 レーザーを使用すると、毎秒約 10 インチの速度で材料をスクライブできますが、同様のレーザーの場合、切断速度は1秒あたり1インチの何分の1かです」と大学スタッフは書いています。「スクライビングには、処理が完了する前に基板にスクライビングを施し、処理後に簡単にチップに分離できるという利点もあります。」

W長老

レーザーはんだ付けまたはレーザーダイオード溶接は、ウェーハをサポートプレートに固定するのと同じように、半導体コンポーネントの隣接する部分を一緒に溶かすプロセスです。接着の準備ができているサポートボード (リードフレームなど) の場合、レーザーによってフレームに識別マークが付けられ、2 つの部品が確実に接着されるように表面を粗くします。接着後、粗面化プロセスで生じたバリをレーザーマーキングマシンで除去します。

コーティングの除去

半導体が清浄で欠陥がないことを確認することは、コーティング除去と呼ばれる製造プロセスの一部です。レーザー (通常は Nd:YAG) を使用すると、樹脂や銅、金や薄膜コーティングと同様に、不要なコーティングを除去できます。バリ取りの場合、レーザーは細く正確なビームを利用して、製品に損傷を与えることなく余分な材料を除去します。コーティングの除去欠陥をより明確に分析できるため、製品の損傷につながる可能性のある検査のための分解が不要になります。

マーキング

半導体のレーザーマーキングこれは、製品のトレーサビリティと可読性にとって重要です。つまり、レーザーは非常に小さな印刷でもはっきりと判読できる必要があります。製品のトレーサビリティとは、製品が製造の複数のステップから最終流通まで追跡できることを意味します。これにより、特定のカテゴリの欠陥を見つけて切り分けることが容易になります。

マーキングはどの製品がアプリケーションに適しているかを判断するのに役立つため、マーキングされたチップは読み取り可能でなければなりません。 Wafer World によると、「レーザーはウェーハの表面に切り込むだけでなく、表面の粒子を再配置して、非常に浅いが読みやすいマーキングを作成します。」

半導体で使用されるマーカーには、エッチングマーカーとアニールマーカーの 2 種類があります。エッチングマーカーは、レーザーを使用して除去される材料の薄い層で、深さ約 12 ～ 25 ミクロンのテクスチャーマークを残します。これらは、表面層に目に見える変化があるため、「ハードマーク」と呼ばれることがよくあります。

一方、アニーリングマークでは、より低い出力レベルに設定されたレーザーを使用して、分子をエッチングするのではなく再配列します。これにより、光が反射するとチップ表面にコントラストが現れます。

レーザーの種類

現在、企業は主にチップ製造に固体レーザーを使用しています。固体レーザーは高出力で知られており、レーザー媒体として鉱石を使用しているためです。ミネラルメディアは通常、イットリウム、アルミニウム、ガーネット、またはバナジン酸イットリウムの結晶で構成されます。たとえば、Nd:YAG レーザーは、ネオジムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット結晶を媒体として使用します。レーザービームは、レーザーダイオードからの光で媒体を刺激する発振器を使用して生成されます。

チップのマーキング、彫刻、ダイシングに使用される固体レーザーの一種はファイバーレーザーであるとキーエンスは述べ、高速レーザーは「光ファイバーを共振器として使用し、Ybイオンをドープしたファイバークラッドを通じて重なり合う構造を作成する」と付け加えた。そのファイバーレーザーは、3-軸ファイバーレーザーのMD-Fシリーズとして知られていることに注目してください。「ファイバーレーザーの用途には、生産前プロセスでのバリの除去、トレーサビリティコードのマーキング、欠陥分析のための樹脂の除去などが含まれます。」

エキシマレーザーは半導体製造にも使用されます。これらは深いです紫外線主にポリマーの微細加工に使用される、126 nm ～ 351 nm の範囲の波長を持つ (UV) レーザー。固体と比較して UV レーザービームが短いため、非常に壊れやすい素材や繊細な素材を含むあらゆる種類の素材に適しており、作用点を減らして非常に狭い正確な領域で作業することができます。マーキングに使用される UV レーザーは、周囲に熱を発生させることなく、製品材料の構造を分子レベルで変化させます。

レーザーの革新

現在、半導体製造にレーザー製造を使用する場合、固体レーザーとエキシマレーザーが主な選択肢とみなされています。ただし、古典的なモデルに匹敵する可能性のある新しいオプションが間もなく利用可能になる可能性があります。 Nature誌に掲載された最近の研究の中で、野田晋率いる京都大学の研究チームは、フォトニック結晶面発光レーザー（PCSEL）の構造を変更することで、半導体レーザーの輝度の限界を克服するための措置を講じたと書いている。米国電気電子学会によると、明るさは光ビームの集束や発散の程度を含めた利点です。PCSEL は高輝度レーザーの魅力的な選択肢とみなされていますが、これまでは大規模用途には拡張不可能でした。 - レーザーのサイズと明るさに関する課題により、操作がスケールアップされる。

多くの場合、PCSEL の問題は、発光領域を拡大したいという要望から生じます。これは、光が発光方向および横方向に振動する余地があることを意味します。「これらの横振動は高次モードとして知られており、ビームの品質を破壊する可能性がある」とIEEEは書いている。「さらに、レーザーが継続的に動作すると、レーザー内部の熱によってデバイスの屈折率が変化し、ビーム品質がさらに低下する可能性があります。」

Natureの研究では、研究者らはレーザーに埋め込まれたフォトニック結晶を使用し、「より広い領域にわたって単一モード発振を可能にし、熱損傷を補償するように内部反射体を適合させた」。これらの変更により、レーザーは連続動作を通じて高いビーム品質を維持できるようになりました。

研究者らは、その研究で直径 3- mm の PCSEL を開発しました。これは、以前の直径 1- mm の PCSEL デバイスから 10- 倍の飛躍を遂げました。

「3 mm という大きな共振直径、50 W 以上の[連続波]出力、純粋な単一モード発振、および 0.05 という非常に狭いビーム発散を備えたフォトニック結晶面発光レーザーの場合」物質内の10,000波長以上に相当する度が達成された」と研究者らは研究の中で述べている。明るさは……1 GW cm-2 sr-1に達し、既存の大型レーザーに匹敵します。」

研究者らが「大容量レーザー」とは、現在半導体レーザー製造に使用されている固体レーザーやエキシマレーザーを意味していることは注目に値する。

京都大学にフォトニック結晶用面発光レーザーの1,{{1}平方メートルの卓越した研究拠点を設立するプロセスの一環として、野田氏と彼のチームはまた、電子ビームリソグラフィーを使用したフォトニック結晶の製造から、ナノインプリントリソグラフィーでそれらを製造します。

「電子ビームリソグラフィーは正確ですが、通常、大規模製造には遅すぎます」とIEEEは述べています。「ナノインプリントリソグラフィーは基本的に半導体上にパターンをエンボス加工するもので、非常に規則的なパターンを迅速に作成するのに役立ちます。」

この研究によると、次のステップはレーザーの直径を3ミリメートルから10ミリメートルに拡大し続けることだ。報告によると、そのサイズは1キロワットの出力を生成するという。