Метод на нарязване на пластини от силициев карбид

1. Скрайбиране на шлифовъчно колело
Машината за рязане на шлифовъчно колело задвижва острието да се върти с висока скорост през аеростатичния електрически шпиндел, за да се постигне силно смилане на материалите. Режещите ръбове на използваните остриета са покрити с корундови частици. Твърдостта на Моос на корунда е 10, което е само малко по-високо от това на SiC с твърдост 9,5. Повтарящото се шлифоване с ниска скорост е не само отнемащо време и трудоемко, но и причинява често износване на инструмента. Например, отнема 6-8 часа, за да се изреже 100 mm (4 инча) SiC подложка и е лесно да се причинят дефекти от отчупване. Следователно този традиционен неефективен метод на обработка постепенно е заменен от лазерно писане.
2. Пълно лазерно маркиране
Лазерното писане е процес на използване на високоенергиен лазерен лъч за облъчване на повърхността на детайла за локално стопяване и изпаряване на облъчената зона, като по този начин се постига отстраняване на материала и писане. Лазерното писане е безконтактна обработка, без повреди от механичен стрес, гъвкави методи на обработка, без загуба на инструмент и замърсяване на водата и ниски разходи за поддръжка на оборудването. За да се избегне повреда на поддържащия филм, когато лазерът минава през пластината, се използва UV филм, устойчив на аблация при висока температура.
Понастоящем оборудването за лазерно писане използва индустриални лазери с три дължини на вълната от 1064 nm, 532 nm и 355 nm и ширина на импулса от наносекунди, пикосекунди и фемтосекунди. Теоретично, колкото по-къса е дължината на вълната на лазера и колкото по-къса е ширината на импулса, толкова по-малък е термичният ефект от обработката, което е от полза за микро-прецизната обработка, но цената е относително висока. 355 nm ултравиолетов наносекунден лазер е широко използван поради своята зряла технология, ниска цена и малък топлинен ефект на обработка. През последните години 1 064 nm пикосекундна лазерна технология се разви бързо и се прилага в много нови области с добри резултати.
Например термичният ефект от 355nm ултравиолетова лазерна обработка е малък, но ненапълно изпарената шлака полепва и се натрупва в линията на рязане, правейки секцията на рязане не гладка, а прикрепената шлака лесно пада в последващия процес, засягайки устройството производителност. 1064 nm пикосекундният лазер приема по-висока мощност, висока ефективност на скрайбиране, достатъчно отстраняване на материал и равномерно напречно сечение, но топлинният ефект от обработката е твърде голям и по-широките ленти за скрайбиране трябва да бъдат запазени в дизайна на чипа.
3. Лазерен полуинсулт
Лазерното полускрайбиране е подходящо за обработка на материали с по-добра цепимост. Лазерното писане реже до определена дълбочина и след това възприема метод на разделяне, за да генерира надлъжно разширяващо се напрежение по протежение на линията на рязане за отделяне на стружките. Този метод на обработка има висока ефективност, няма нужда от процес на залепване и отстраняване на филма и ниска цена на обработка. Въпреки това, разцепването на пластините от силициев карбид е лошо и не е лесно да се разделят. Напуканата страна е лесна за надраскване и феноменът на адхезия на шлака все още съществува в надрасканата част.
4. Лазерно невидимо рязане
Лазерното стелт скрабиране е фокусирането на лазера върху вътрешната страна на материала, за да се образува модифициран слой и след това отделяне на чипа чрез разделяне или разширяване на филма. Няма замърсяване с прах на повърхността, почти няма загуба на материал и ефективността на обработка е висока. Двете условия за постигане на стелт скрайбиране са материалът да е прозрачен за лазера и достатъчната импулсна енергия създава многофотонна абсорбция.
Енергията на забранената зона Eg на силициевия карбид при стайна температура е около 3,2 eV, което е 5,13×10 -19 J. 1 064 nm лазерна фотонна енергия E=hc/λ=1 .87×10 -19 J. Може да се види, че енергията на лазерния фотон от 1 064 nm е по-малка от забранената зона на поглъщане на материала от силициев карбид и е оптически прозрачен, което отговаря на условията за невидим писане. Действителната пропускливост е свързана с фактори като свойства на повърхността на материала, дебелина и видове добавки. Вземайки за пример полирана пластина от силициев карбид с дебелина 300 μm, измерената лазерна пропускливост на 1064 nm е около 67%.
Избран е пикосекунден лазер с изключително къса ширина на импулса, като енергията, генерирана от многофотонното поглъщане, не се преобразува в топлинна енергия, а само причинява определена дълбочина на модифицирания слой вътре в материала. Модифицираният слой е зоната на пукнатината, зоната на топене или зоната на промяна на индекса на пречупване вътре в материала. След това чрез последващия процес на разделяне зърната ще бъдат разделени по продължение на модифицирания слой.
Разцепваемостта на материала от силициев карбид е лоша и разстоянието между модифицираните слоеве не трябва да бъде твърде голямо. Тестът използва автоматична машина за нарязване на кубчета JHQ-611 и SiC пластина с дебелина 350 μm за изрязване на 22 слоя при скорост на рязане от 500 mm/s. След напукване участъкът е сравнително гладък, с малки отчупвания и чисти ръбове.
5. Водно лазерно рязане
Насочващият вода лазер фокусира лазерната светлина и я насочва към микроводния стълб. Диаметърът на водния стълб варира според отвора на дюзата и има различни спецификации от 100-30 μm. Използвайки принципа на пълно отражение между водния стълб и въздушния интерфейс, лазерната светлина ще се разпространява по посока на водния стълб, след като бъде въведена във водния стълб.
Той може да обработва в рамките на диапазона, в който водният стълб остава стабилен, а супер голямото ефективно работно разстояние е особено подходящо за рязане на дебели материали. При традиционното лазерно рязане натрупването и провеждането на енергия е основната причина за термично увреждане от двете страни на линията на рязане, докато водният лазер бързо отнема остатъчната топлина от всеки импулс, без да се натрупва върху детайла поради действието на водния стълб, така че пътят на рязане е чист и спретнат.
Въз основа на тези предимства водопроводимият силициев карбид за лазерно рязане е добър избор на теория, но технологията е трудна и зрелостта на свързаното оборудване не е висока. Трудно е да се произвеждат дюзи като уязвими части. Ако финият воден стълб не може да бъде точно и стабилно контролиран, напръсканите водни капчици отстраняват чипа, засягайки добива. Следователно този процес все още не е приложен за производството на пластини от силициев карбид.