01
Perkenalan
Wafer dicing adalah bagian penting dari pembuatan perangkat semikonduktor. Metode dan kualitas pemotongan dadu secara langsung mempengaruhi ketebalan, kekasaran, dimensi, dan biaya produksi wafer, serta berdampak signifikan pada fabrikasi perangkat. Silikon karbida, sebagai-bahan semikonduktor generasi ketiga, merupakan bahan penting yang mendorong revolusi kelistrikan. Biaya produksi silikon karbida kristalin berkualitas tinggi sangat tinggi, dan orang-orang pada umumnya berharap untuk memotong ingot silikon karbida berukuran besar menjadi sebanyak mungkin substrat wafer silikon karbida tipis. Pada saat yang sama, pertumbuhan industri telah menyebabkan ukuran wafer semakin besar, sehingga meningkatkan persyaratan untuk proses pencetakan dadu. Namun, silikon karbida sangat keras, dengan kekerasan Mohs 9,5, kedua setelah intan (10), dan juga rapuh sehingga sulit untuk dipotong. Saat ini metode industri umumnya menggunakan penggergajian kawat slurry atau penggergajian kawat intan. Selama pemotongan, gergaji kawat tetap dengan jarak yang sama ditempatkan di sekitar ingot silikon karbida, dan ingot tersebut dipotong menggunakan gergaji kawat yang diregangkan. Dengan menggunakan metode gergaji kawat, pemisahan wafer dari ingot berdiameter 6 inci membutuhkan waktu kurang lebih 100 jam. Wafer yang dihasilkan memiliki garitan yang relatif lebar, permukaan yang lebih kasar, dan kehilangan material sebesar 46%. Hal ini meningkatkan biaya penggunaan bahan silikon karbida dan membatasi pengembangannya di industri semikonduktor, sehingga menyoroti kebutuhan mendesak akan penelitian teknologi dicing wafer silikon karbida baru.
Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan teknologi pemotongan laser menjadi semakin populer dalam pembuatan material semikonduktor. Metode ini bekerja dengan menggunakan sinar laser terfokus untuk mengubah permukaan atau interior material, sehingga memisahkannya. Sebagai proses non--kontak, proses ini menghindari keausan alat dan tekanan mekanis. Oleh karena itu, ini sangat meningkatkan kekasaran dan presisi permukaan wafer, menghilangkan kebutuhan akan proses pemolesan selanjutnya, mengurangi kehilangan material, menurunkan biaya, dan meminimalkan pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh penggilingan dan pemolesan tradisional. Teknologi pemotongan laser telah lama diterapkan pada cetakan ingot silikon, namun penerapannya pada bidang silikon karbida masih belum matang. Saat ini ada beberapa teknik utama.
02
Air-Pemotongan Laser Terpandu
Teknologi laser-panduan air (Laser MicroJet, LMJ), juga dikenal sebagai teknologi jet mikro-laser, beroperasi berdasarkan prinsip memfokuskan sinar laser ke nosel saat melewati ruang air yang termodulasi-tekanan. Semburan air-bertekanan rendah dikeluarkan dari nosel, dan karena perbedaan indeks bias pada antarmuka air-udara, pandu gelombang cahaya terbentuk, memungkinkan laser merambat sepanjang arah aliran air. Ini memandu pancaran air bertekanan tinggi-untuk memproses dan memotong permukaan material. Keuntungan utama pemotongan laser yang dipandu air-terletak pada kualitas pemotongannya. Aliran air tidak hanya mendinginkan area pemotongan, mengurangi deformasi termal dan kerusakan termal pada material, tetapi juga menghilangkan sisa-sisa pemrosesan. Dibandingkan dengan pemotongan gergaji kawat, pemotongan ini jauh lebih cepat. Namun, karena air menyerap panjang gelombang laser yang berbeda pada derajat yang berbeda-beda, panjang gelombang laser dibatasi, terutama pada 1064 nm, 532 nm, dan 355 nm.
Pada tahun 1993, ilmuwan Swiss Beruold Richerzhagen pertama kali mengusulkan teknologi ini. Ia mendirikan Synova, sebuah perusahaan yang berdedikasi pada penelitian, pengembangan, dan komersialisasi teknologi laser berpemandu air-yang menjadi yang terdepan secara internasional. Teknologi dalam negeri relatif tertinggal, namun perusahaan seperti Innolight dan Shengguang Silicon Research secara aktif mengembangkannya.
03
Pemotongan Siluman
Stealth Dicing (SD) adalah teknik di mana laser difokuskan di dalam wafer silikon karbida melalui permukaannya untuk membentuk lapisan yang dimodifikasi pada kedalaman yang diinginkan, sehingga memungkinkan pemisahan wafer. Karena tidak ada potongan pada permukaan wafer, presisi pemrosesan yang lebih tinggi dapat dicapai. Proses SD dengan laser pulsa nanodetik telah digunakan secara industri untuk memisahkan wafer silikon. Namun, selama pemrosesan SD silikon karbida yang diinduksi oleh laser pulsa nanodetik, durasi pulsa jauh lebih lama daripada waktu penggabungan antara elektron dan fonon dalam silikon karbida (pada skala pikodetik), yang mengakibatkan efek termal. Masukan termal yang tinggi pada wafer tidak hanya membuat pemisahan cenderung menyimpang dari arah yang diinginkan tetapi juga menghasilkan tegangan sisa yang signifikan, yang menyebabkan patah dan pembelahan yang buruk. Oleh karena itu, saat memproses silikon karbida, proses SD biasanya menggunakan laser pulsa ultrapendek, yang sangat mengurangi efek termal.
Perusahaan Jepang DISCO telah mengembangkan teknologi pemotongan laser yang disebut Key Amorphous-Black Repetitive Absorpsi (KABRA). Misalnya, dalam pemrosesan ingot silikon karbida berdiameter 6-inci dan tebal 20 mm, hal ini meningkatkan produktivitas wafer silikon karbida empat kali lipat. Proses KABRA pada dasarnya memfokuskan laser di dalam bahan silikon karbida. Melalui 'penyerapan berulang amorf-hitam', silikon karbida terurai menjadi silikon amorf dan karbon amorf, membentuk lapisan yang berfungsi sebagai titik pemisahan wafer, yang dikenal sebagai lapisan amorf hitam, yang menyerap lebih banyak cahaya, sehingga lebih mudah untuk memisahkan wafer.
Teknologi wafer Cold Split yang dikembangkan oleh Siltectra, yang diakuisisi oleh Infineon, tidak hanya dapat membagi berbagai jenis ingot menjadi wafer tetapi juga mengurangi kerugian material hingga 90%, dengan setiap wafer kehilangan sedikitnya 80µm, yang pada akhirnya menurunkan total biaya produksi perangkat hingga 30%. Teknologi Cold Split melibatkan dua langkah: pertama, laser menyinari ingot untuk membuat lapisan delaminasi, menyebabkan perluasan volume internal pada bahan silikon karbida, yang menghasilkan tegangan tarik dan membentuk retakan mikro-yang sangat sempit; kemudian, langkah pendinginan polimer mengubah-retakan mikro menjadi retakan utama, yang pada akhirnya memisahkan wafer dari ingot yang tersisa. Pada tahun 2019, pihak ketiga mengevaluasi teknologi ini dan mengukur kekasaran permukaan Ra wafer belah menjadi kurang dari 3µm, dengan hasil terbaik kurang dari 2µm.
Pemotongan laser yang dimodifikasi yang dikembangkan oleh perusahaan China Han's Laser adalah teknologi laser yang digunakan untuk memisahkan wafer semikonduktor menjadi chip atau cetakan individual. Proses ini juga menggunakan sinar laser yang tepat untuk memindai dan membentuk lapisan yang dimodifikasi di dalam wafer, memungkinkan wafer retak di sepanjang jalur pemindaian laser di bawah tekanan yang diberikan, sehingga mencapai pemisahan yang tepat.
Gambar 5. Alur Proses Pemotongan Laser yang Dimodifikasi
Saat ini, produsen dalam negeri sudah menguasai teknologi dicing silikon karbida berbasis slurry. Namun, slurry dicing memiliki kehilangan material yang tinggi, efisiensi rendah, dan polusi yang parah, dan secara bertahap digantikan oleh teknologi diamond wire dicing. Pada saat yang sama, laser dicing menonjol karena keunggulan kinerja dan efisiensinya. Dibandingkan dengan teknologi pemrosesan kontak mekanis tradisional, teknologi ini menawarkan banyak keunggulan, termasuk efisiensi pemrosesan yang tinggi, garis pencungkil yang sempit, dan kepadatan garitan yang tinggi, menjadikannya pesaing kuat untuk menggantikan pemotongan kawat berlian. Hal ini membuka jalur baru untuk penerapan-bahan semikonduktor generasi berikutnya seperti silikon karbida. Dengan kemajuan teknologi industri dan peningkatan terus-menerus dalam ukuran substrat silikon karbida, teknologi pemotongan dadu silikon karbida akan berkembang pesat, dan pemotongan laser yang efisien dan berkualitas tinggi akan menjadi tren penting untuk pemotongan silikon karbida di masa depan.
