01Pendahuluan
Pemotongan wafer merupakan langkah penting dalam pembuatan perangkat semikonduktor. Metode pemotongan dan kualitas secara langsung mempengaruhi ketebalan, kekasaran, dimensi, dan biaya produksi wafer, serta berdampak signifikan pada pembuatan perangkat. Silikon karbida, sebagai-bahan semikonduktor generasi ketiga, adalah bahan penting untuk mendorong revolusi kelistrikan. Biaya produksi silikon karbida kristalin berkualitas tinggi sangat tinggi, dan sering kali ada keinginan untuk memotong ingot silikon karbida besar menjadi substrat wafer silikon karbida setipis mungkin. Pada saat yang sama, perkembangan industri telah menyebabkan peningkatan ukuran wafer, yang meningkatkan kebutuhan akan proses pemotongan. Namun bahan silikon karbida memiliki kekerasan yang sangat tinggi, dengan kekerasan Mohs 9,5, kedua setelah berlian terkeras di dunia (10), dan juga memiliki kerapuhan kristal sehingga sulit untuk dipotong. Saat ini, industri ini biasanya menggunakan pemotongan kawat slurry atau pemotongan kawat berlian. Selama pemotongan, gergaji kawat tetap ditempatkan pada interval yang sama di sekitar ingot silikon karbida, dan dengan mengencangkan gergaji kawat, wafer silikon karbida dipotong. Menggunakan metode gergaji kawat untuk memisahkan wafer dari ingot berdiameter 6{20}}inci membutuhkan waktu sekitar 100 jam. Wafer yang dihasilkan tidak hanya memiliki potongan yang relatif besar tetapi juga kekasaran permukaan yang lebih besar sehingga menyebabkan kerugian material hingga 46%. Hal ini meningkatkan biaya penggunaan bahan silikon karbida dan membatasi pengembangannya di industri semikonduktor, sehingga penelitian terhadap teknologi pemotongan baru untuk wafer silikon karbida menjadi mendesak. Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan teknologi pemotongan laser menjadi semakin populer dalam produksi dan pemrosesan bahan semikonduktor. Prinsip metode ini adalah menggunakan sinar laser terfokus untuk memodifikasi substrat dari permukaan material atau bagian dalamnya, sehingga memisahkannya. Karena ini adalah proses non-kontak, maka menghindari efek keausan alat dan tekanan mekanis. Oleh karena itu, ini sangat meningkatkan kekasaran permukaan dan presisi wafer, menghilangkan kebutuhan untuk proses pemolesan selanjutnya, mengurangi kehilangan material, menurunkan biaya, dan meminimalkan pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh proses penggilingan dan pemolesan tradisional. Teknologi pemotongan laser telah lama diterapkan pada pemotongan batangan silikon, namun penerapannya di bidang silikon karbida masih belum matang, dengan beberapa teknologi utama yang tersedia saat ini.
2Pemotongan laser berpemandu-air
Teknologi-laser berpemandu air (Laser MicroJet, LMJ), juga dikenal sebagai teknologi mikrojet laser, beroperasi berdasarkan prinsip memfokuskan sinar laser ke nosel ketika laser melewati ruang air yang termodulasi-tekanan; aliran air bertekanan rendah-disemburkan dari nosel. Pada antarmuka air dan udara, karena perbedaan indeks bias, pandu gelombang cahaya terbentuk, memungkinkan laser merambat sepanjang arah aliran air, sehingga mencapai pemotongan permukaan material melalui panduan pancaran air bertekanan tinggi. Keuntungan utama laser yang dipandu air-terletak pada kualitas pemotongan; aliran air tidak hanya mendinginkan area pemotongan, mengurangi deformasi dan kerusakan termal material, namun juga menghilangkan serpihan pemrosesan. Dibandingkan dengan pemotongan gergaji kawat, kecepatannya meningkat secara signifikan. Namun, penyerapan berbagai panjang gelombang oleh air bervariasi, sehingga membatasi panjang gelombang laser yang digunakan terutama pada 1064nm, 532nm, dan 355nm. Pada tahun 1993, ilmuwan Swiss Beruold Richerzhagen pertama kali mengusulkan teknologi ini, dan perusahaannya, Synova, mengkhususkan diri dalam penelitian dan industrialisasi laser berpemandu air, memimpin secara teknologi di panggung internasional, sementara teknologi dalam negeri relatif tertinggal, dengan perusahaan seperti Inno Laser dan Shengguang Silicon Research aktif berkembang.
03 Pemotongan Siluman
Stealth Dicing (SD) melibatkan pemfokusan laser melalui permukaan silikon karbida ke bagian dalam chip, menciptakan lapisan yang dimodifikasi pada kedalaman yang diinginkan untuk mencapai pemisahan wafer. Karena tidak ada potongan pada permukaan wafer, presisi pemrosesan yang lebih tinggi dapat dicapai. Proses SD menggunakan laser pulsa nanodetik telah digunakan di industri untuk memisahkan wafer silikon. Namun, selama pemrosesan SD silikon karbida yang diinduksi oleh laser berdenyut nanodetik, efek termal terjadi karena durasi pulsa jauh lebih lama daripada waktu penggabungan antara elektron dan fonon dalam silikon karbida (dalam urutan pikodetik). Masukan termal yang tinggi ke wafer tidak hanya membuat pemisahan cenderung menyimpang dari arah yang diinginkan, namun juga menghasilkan tegangan sisa yang signifikan, yang menyebabkan patah dan pembelahan yang buruk. Oleh karena itu, proses SD laser pulsa ultra pendek umumnya digunakan saat memproses silikon karbida, sehingga sangat mengurangi efek termal.
Perusahaan Jepang DISCO telah mengembangkan teknologi pemotongan laser yang disebut Key Amorphous-Black Repetitive Absorpsi (KABRA), menggunakan contoh pemrosesan ingot kristal silikon karbida dengan diameter 6 inci dan ketebalan 20 mm, yang telah meningkatkan laju produksi wafer silikon karbida sebanyak empat kali lipat. Inti dari proses KABRA memfokuskan laser di dalam bahan silikon karbida, menguraikan silikon karbida menjadi silikon amorf dan karbon amorf melalui 'amorf-penyerapan berulang hitam', dan membentuk lapisan sebagai titik pemisahan wafer, yaitu lapisan amorf hitam, yang menyerap lebih banyak cahaya, sehingga memudahkan pemisahan wafer.
Teknologi wafer cold split yang dikembangkan oleh Siltectra dan diakuisisi oleh Infineon, tidak hanya memungkinkan berbagai jenis ingot untuk dibagi menjadi wafer namun juga menghasilkan kerugian sedikitnya 80μm per wafer, mengurangi kerugian material hingga 90%, dan pada akhirnya menurunkan total biaya produksi perangkat hingga 30%. Teknologi pemotongan dingin melibatkan dua tahap: pertama, paparan laser menciptakan lapisan delaminasi pada ingot, menyebabkan bahan silikon karbida mengembang volumenya, yang menciptakan tegangan tarik dan membentuk lapisan retakan mikro-yang sangat sempit; kemudian, melalui langkah pendinginan polimer, retakan mikro-ini diproses menjadi retakan utama, yang pada akhirnya memisahkan wafer dari ingot yang tersisa. Pada tahun 2019,-penilaian pihak ketiga terhadap teknologi ini mengukur bahwa kekasaran permukaan Ra wafer belah kurang dari 3µm, dengan hasil terbaik berada di bawah 2µm.
Pemotongan laser yang dimodifikasi yang dikembangkan oleh perusahaan laser keluarga besar dalam negeri adalah teknologi laser yang memisahkan wafer semikonduktor menjadi chip atau butiran individual. Proses ini juga melibatkan pemindaian wafer secara internal dengan sinar laser presisi untuk membentuk lapisan yang dimodifikasi, memungkinkan wafer meluas di sepanjang jalur pemindaian laser di bawah tekanan yang diberikan, sehingga mencapai pemisahan yang tepat.
Saat ini produsen dalam negeri telah menguasai teknologi pemotongan silikon karbida dengan mortar, namun kehilangan pemotongannya besar, efisiensinya rendah, dan polusinya parah, yang secara bertahap digantikan oleh teknologi pemotongan kawat berlian. Pada saat yang sama, keunggulan kinerja dan efisiensi pemotongan laser sangat menonjol, menawarkan banyak keunggulan dibandingkan teknologi pemrosesan kontak mekanis tradisional, termasuk efisiensi pemrosesan yang tinggi, jalur pemotongan yang sempit, dan kepadatan chip yang tinggi, menjadikannya pesaing kuat untuk menggantikan teknologi pemotongan kawat berlian dan membuka jalan baru untuk penerapan material semikonduktor-generasi berikutnya seperti silikon karbida. Dengan berkembangnya teknologi industri, ukuran substrat silikon karbida terus meningkat, dan teknologi pemotongan silikon karbida akan berkembang pesat; pemotongan laser yang efisien dan berkualitas-akan menjadi tren penting dalam pemotongan silikon karbida di masa depan.
