पिकोसेकंड यूवी लेजर के साथ सिलिकॉन कार्बाइड स्क्राइबिंग को अनुकूलित कैसे करें

जैसे-जैसे विनियमन और पर्यावरणीय कारक एक शक्तिशाली प्रेरक शक्ति बनाने के लिए अभिसरण करते हैं, इलेक्ट्रिक वाहन उद्योग और मूल्य श्रृंखला के इसके विभिन्न खंड नवाचार के एक खिलते हुए क्षेत्र का निर्माण कर रहे हैं। आज के इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) बैटरी पैक लगातार उच्च वोल्टेज पर चल रहे हैं, कभी-कभी 800 वोल्ट तक। बैटरी पैक का वोल्टेज बढ़ रहा है, लेकिन बैटरी पैक का वोल्टेज भी बढ़ रहा है।

उच्च वोल्टेज के लाभों में अधिक हॉर्सपावर, उच्च दक्षता, लंबी दूरी और कम चार्जिंग समय शामिल हैं। वाहन के अंदर, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उच्च डीसी वोल्टेज को विभिन्न प्रणालियों द्वारा आवश्यक विभिन्न रूपों में परिवर्तित करता है। उदाहरण के लिए, ट्रैक्शन मोटर्स को तीन-चरण एसी पावर की आवश्यकता होती है। उसी समय, वाहन चार्जर गतिशील रूप से करंट और वोल्टेज को समायोजित करते हैं।

सिलिकॉन का उपयोग वर्तमान में उपभोक्ता और बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के कई क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया जाता है, लेकिन यह उनके उन्नयन के लिए एक बाधा भी बन गया है। पारंपरिक सिलिकॉन एकीकृत सर्किट (IC) पर आधारित पावर इलेक्ट्रॉनिक्स उच्च वोल्टेज, उच्च तापमान और उच्च स्विचिंग आवृत्तियों पर ठीक से काम नहीं कर सकते हैं। नतीजतन, निर्माताओं को इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उच्च-वोल्टेज बैटरी पैक का पूरा लाभ उठाने के लिए वैकल्पिक अर्धचालक सामग्रियों की ओर रुख करना चाहिए। सबसे आशाजनक वैकल्पिक अर्धचालक सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) है। इस सामग्री में ऐसे गुण होते हैं जो इसे EV पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आदर्श बनाते हैं, इसलिए SiC EV प्रदर्शन और रेंज को बेहतर बनाने के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि EV अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं।

हालांकि, SiC उपकरणों के निर्माण की अपनी अनूठी चुनौतियाँ हैं। SiC के यांत्रिक, रासायनिक, इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण सिलिकॉन से उन क्षेत्रों में काफी भिन्न हैं जहाँ परिपक्व प्रक्रियाएँ और स्थापित प्रोटोकॉल प्रमुख हैं। उदाहरण के लिए, SiC सबसे कठोर ज्ञात सामग्रियों में से एक है, जिसकी तुलना हीरे से की जा सकती है, जिससे पारंपरिक यांत्रिक विधियों जैसे कि आरी से वेफ़र को काटना मुश्किल हो जाता है, और यह एक भंगुर पदार्थ भी है जो आरी से काटने पर आसानी से टूट जाता है। इसके अलावा, SiC कठोर हीरे से बने आरी ब्लेड सहित आरी ब्लेड को तेज़ी से घिसता है, जिससे इस महंगे उपभोज्य को बार-बार बदलने की आवश्यकता होती है। आरी से आरी चलाना अपने आप में एक अपेक्षाकृत धीमी प्रक्रिया है, और उत्पन्न होने वाली गर्मी सामग्री के गुणों को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है।

इन मुद्दों का संयोजन इलेक्ट्रिक वाहन निर्माताओं के लिए कई बाधाएं उत्पन्न करता है, क्योंकि कई स्थापित आईसी विनिर्माण प्रक्रियाएं SiC के लिए प्रयुक्त प्रक्रियाओं से भिन्न हैं, या यहां तक ​​कि विपरीत भी हैं।

सिंगल-क्रिस्टल डाइसिंग या वेफर स्लाइसिंग इसका एक प्रमुख उदाहरण है; मैकेनिकल सॉइंग सिलिकॉन वेफर्स की सिंगल-क्रिस्टल डाइसिंग के लिए प्राथमिक विधि है, लेकिन यह SiC के लिए सार्वभौमिक रूप से प्रभावी नहीं है, और जबकि लेजर सिंगल-क्रिस्टल डाइसिंग आशाजनक है, सामग्री को बदलने का मतलब कम से कम प्रक्रिया मापदंडों को बदलना है। अंतिम उपयोगकर्ताओं को सिलिकॉन का उपयोग करने वाले पारंपरिक तरीकों की तुलना में SiC सिंगल-क्रिस्टल डाइसिंग के लिए इष्टतम प्रकाश स्रोत का भी निर्धारण करना चाहिए।

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माइक्रोस्कोप के नज़दीक से देखने पर पता चलता है कि बर्स्ट मोड में UV पिकोसेकंड पल्स बिना किसी बड़ी दरार के बेहतरीन एज क्वालिटी प्रदान करते हैं। पारंपरिक यांत्रिक आरी से ऐसे परिणाम प्राप्त नहीं किए जा सकते।

पिकोसेकंड लेजर के साथ गुणवत्ता पृथक्करण

SiC उपकरणों का निर्माण पारंपरिक सिलिकॉन माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स की तरह ही किया जाता है: एक ही वेफर पर बड़ी संख्या में व्यक्तिगत एकीकृत सर्किट बनाए जाते हैं, जिन्हें फिर एकल-क्रिस्टलीकृत किया जाता है और अलग-अलग चिप्स में काटा जाता है, जो फिर पैकेजिंग के लिए तैयार होते हैं।

भंगुर SiC वेफर्स को काटते समय, यांत्रिक आरी से किनारों के टूटने को कम करना या पूरी तरह से खत्म करना महत्वपूर्ण है। सिंगल-क्रिस्टल डाइसिंग से सामग्री में यांत्रिक परिवर्तन भी कम से कम होने चाहिए। प्रत्येक वेफर पर चिप्स की संख्या को अधिकतम करने के लिए "स्पेस" (यानी, आसन्न सर्किट के बीच खाली क्षेत्र) के आकार को सीमित करने के लिए केर्फ की चौड़ाई को कम करने को भी प्राथमिकता दी जानी चाहिए।

इंजीनियरों को इन कारकों को डाइसिंग की गति, थ्रूपुट और लागत को प्रभावित करने वाले अन्य निर्धारकों के साथ तौलना चाहिए। डाइसिंग प्रक्रिया के दौरान शीतलक और सफाई तरल पदार्थ जैसे उपभोग्य सामग्रियों के उपयोग को भी ध्यान में रखना चाहिए।

पिकोसेकंड और फेमटोसेकंड पल्स चौड़ाई रेंज में अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेज़र का उपयोग कई अलग-अलग सामग्रियों की उच्च-सटीक कटिंग और पृथक्करण के लिए किया जा सकता है, जिसमें कठोर, पारदर्शी और/या भंगुर सामग्री शामिल हैं। अल्ट्राशॉर्ट पल्स चौड़ाई के साथ प्रसंस्करण के लाभों में सामग्री का न्यूनतम समग्र तापन और नगण्य ताप प्रभावित क्षेत्र (HAZ) शामिल हैं। ये स्रोत अन्य प्रकार के लेज़रों की तुलना में बेहतर किनारे की गुणवत्ता और कम मलबे का उत्पादन भी प्रदान करते हैं।

अधिकांश पिकोसेकंड लेज़रों के अवरक्त आउटपुट को दृश्यमान हरा या पराबैंगनी प्रकाश प्रदान करने के लिए आवृत्ति-दोगुना किया जा सकता है, जबकि पराबैंगनी तरंगदैर्ध्य का उपयोग आम तौर पर मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। इस ऑप्टिकल बैंड में काम करने वाले स्रोत अक्सर दिए गए स्पॉट आकार के लिए छोटे फ़ोकल स्पॉट आकार और फ़ोकस की बढ़ी हुई गहराई या रेले रेंज प्राप्त कर सकते हैं।

ये विशेषताएँ UV पिकोसेकंड लेज़र को उच्च पहलू अनुपात वाली विशेषताएँ और पतली केर्फ चौड़ाई बनाने के लिए पसंदीदा विकल्प बनाती हैं क्योंकि इससे अधिक सटीक गहराई नियंत्रण प्राप्त किया जा सकता है। इसके अलावा, फ़ोकस की बड़ी गहराई इन स्रोतों को वाइड-फ़ील्ड गैल्वेनोमीटर स्कैनिंग सिस्टम पर लागू करना आसान बनाती है। UV प्रकाश की सीमित पैठ गर्मी प्रभावित क्षेत्र (HAZ) को और कम करती है।

विश्लेषित प्रयोग का विस्तृत विन्यास

हालांकि, किसी भी वातावरण में छोटी पल्स चौड़ाई और छोटी तरंगदैर्घ्य के साथ उच्च पैदावार प्राप्त करना मुश्किल है। पुनरुत्पादनीय SiC सिंगल क्रिस्टल डाइसिंग परिणाम सुनिश्चित करने के लिए, विभिन्न सिस्टम डिज़ाइन और मापदंडों का परीक्षण किया जाना चाहिए। mks/Spectra-Physics ने UV पिकोसेकंड लेजर के लाभों की संभावनाओं का मूल्यांकन करने के लिए डाइसिंग प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की, जैसे कि छोटे फोकल स्पॉट आकार और बड़ी फोकल गहराई। इन परीक्षणों ने अधिक प्रसंस्करण आसानी और एक छोटे ताप प्रभावित क्षेत्र (HAZ) को प्राप्त करने की भी मांग की। अंत में, प्रक्रिया की तकनीकी और आर्थिक व्यवहार्यता का आकलन करने के अलावा, परीक्षणों को यह जांचने के लिए डिज़ाइन किया गया था कि विभिन्न बर्स्ट सेटिंग्स परिणामों को कैसे प्रभावित कर सकती हैं।

परीक्षणों के पहले दौर में, 340 µm मोटे 4H-SiC वेफर नमूने को 50 W, 355 nm पिकोसेकंड लेजर का उपयोग करके संसाधित किया गया था। लेजर की अधिकतम पल्स ऊर्जा 60µJ से अधिक है और यह 750 kHz से 1.25 MHz तक की पुनरावृत्ति आवृत्तियों पर 50 W की औसत शक्ति प्रदान करता है, जिसमें अधिकतम ऑपरेटिंग आवृत्ति 10 MHz है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सभी पल्स आउटपुट प्रारूप समान पल्स ऊर्जा और औसत शक्ति स्तर बनाए रखते हैं, 200 से 400 kHz तक की पुनरावृत्ति आवृत्तियों पर परीक्षण किए गए, जिससे परिणामों की सीधी तुलना की जा सके।

पिकोसेकंड लेजर का उपयोग दोहरे अक्ष वाले गैल्वेनोमीटर स्कैनर और 330 मिमी फोकल लंबाई f-theta ऑब्जेक्टिव के साथ किया जाता है। वर्किंग प्लेन पर फोकल स्पॉट का आकार लगभग 30 µm (1/e2 व्यास) है। स्कैनर 2 से 4 m/s की गति से संचालित होता है, जिसमें प्रति स्क्राइब कई पास होते हैं, और नेट कटिंग गति 12.5 से 25 mm/s तक होती है। इन परीक्षणों में उपयोग किए गए लेजर ने अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला का समर्थन किया।

इन परीक्षणों में उपयोग किए जाने वाले लेजर पल्स ट्रेनों का समर्थन करते हैं: लेजर निकट अंतराल वाली उप-पल्स ट्रेनों की एक श्रृंखला उत्सर्जित करता है, जिसके बाद एक समय अंतराल के बाद अगली पल्स ट्रेन निकलती है। यह अच्छी तरह से प्रलेखित किया गया है कि पल्स ट्रेनें कई सामग्री प्रसंस्करण स्थितियों में पृथक्करण दरों को बढ़ा सकती हैं और सतह खुरदरापन कम कर सकती हैं।

इसके अलावा, परीक्षण में इस्तेमाल किया जाने वाला लेजर प्रोग्रामेबल बर्स्ट का समर्थन करता है। इसका मतलब है कि बर्स्ट में पल्स की संख्या, साथ ही बर्स्ट में प्रत्येक पल्स का आयाम और समय अंतराल, नियंत्रित किया जा सकता है। इसके अलावा, पल्स ट्रेन का टाइमिंग टाइम जिटर बहुत कम है, जो बहुत तेज़ स्कैनिंग गति पर भी उच्च सटीकता के साथ कार्य सतह पर सीधे प्लेसमेंट और पोजिशनिंग को सक्षम बनाता है। ये लचीली पल्सिंग क्षमताएँ हमें परीक्षण के दौरान प्रक्रिया स्थान की एक विस्तृत श्रृंखला का पता लगाने की अनुमति देती हैं।

परिणामों का विश्लेषण

नीचे दिया गया चित्र 2 एक पल्स से लेकर 12 पल्स तक के विभिन्न पल्स स्ट्रिंग विन्यासों के लिए औसत लेजर शक्ति के एक फ़ंक्शन के रूप में स्क्राइब गहराई मान दिखाता है। प्रत्येक परीक्षण में, सामग्री पर एक ही स्थान पर कुल 80 स्ट्रोक बनाए गए थे। कार्यशील सतह पर प्रत्येक पल्स ट्रेन की स्थिति (कुल पल्स ओवरलैप) को सख्ती से नियंत्रित किया गया था। इस मामले में, पल्स का प्रभावी स्थानिक ओवरलैप लगभग 84% था।

चित्र 2. एकल पल्स (ए, शीर्ष पैनल) और विभिन्न पल्स स्ट्रिंग विन्यास (बीडी, मध्य और निचला पैनल) के लिए 25 मिमी/सेकंड पर चार पास के माध्यम से शक्ति के एक फ़ंक्शन के रूप में स्क्राइबिंग की गहराई को दर्शाता है। डेटा दिखाता है कि पल्स स्ट्रिंग एब्लेशन दरों में कैसे सुधार करती है।

ये परिणाम दर्शाते हैं कि पल्स स्ट्रिंग के उपयोग से पृथक्करण दर में बहुत वृद्धि हुई। यह परिणाम अपेक्षित था और अन्य सामग्रियों में पिकोसेकंड लेजर पल्स स्ट्रिंग प्रसंस्करण का उपयोग करके प्राप्त परिणामों के अनुरूप है। फिर से, पृथक्करण सीमा प्रत्येक पल्स ट्रेन में निहित पल्स की संख्या के साथ घटती है (अनिवार्य रूप से लघुगणकीय रूप से)। इससे पता चलता है कि कई सामग्रियाँ आमतौर पर बहु-पल्स विकिरण के तहत "संचित" होती हैं।

स्क्राइब की गहराई और किनारे की गुणवत्ता को सटीक रूप से मापने के लिए 3D और 2D दोनों सतह स्थलाकृति उपकरणों का उपयोग किया जाता है। स्कैनिंग व्हाइट लाइट इंटरफेरोमीटर से प्राप्त छवियां स्क्राइबिंग के और विवरण दिखाती हैं (चित्र 3)। चूँकि सतह चिकनी और मलबे से मुक्त है, इसलिए पिकोसेकंड यूवी लेजर एक और वांछित परिणाम भी प्राप्त करता है: एक उच्च गुणवत्ता वाला कट।

चित्र 3. श्वेत प्रकाश इंटरफेरोमीटर को स्कैन करके प्राप्त किए गए स्क्राइबिंग परिणाम इस बात की पुष्टि करते हैं कि पिकोसेकंड यूवी लेजर साफ, चिप-मुक्त कटौती करने में सक्षम है।

स्क्राइबिंग का एक और गुणात्मक मूल्यांकन नीचे चित्र 4 में देखा जा सकता है। एक एकल छवि 25 µm गहरे खांचे की एक श्रृंखला दिखाती है जो 1, 4, 8 और 12 पल्स ट्रेनों के साथ क्रमिक रूप से उत्पन्न की गई थी। प्रत्येक मामले में सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए औसत शक्ति को आवश्यकतानुसार समायोजित किया गया था। शीर्ष पंक्ति की चार छवियाँ वेफर की ऊपरी सतह पर केंद्रित हैं। निचली पंक्ति की चार छवियाँ स्क्राइब की निचली सतह पर केंद्रित हैं। चित्र 4e-h प्रत्येक पल्स ट्रेन में पल्स की संख्या के एक फ़ंक्शन के रूप में कट गुणवत्ता की स्पष्ट तुलना और प्रगति दिखाते हैं।

चित्र 4. 25-µm गहरे नॉच के शीर्ष (नीचे, ad) और निचले (eh) की क्लोज़-अप छवियाँ। जैसे-जैसे बर्स्ट में पल्स की संख्या बढ़ती है, नॉच के विभिन्न मान कट की गुणवत्ता में लगातार सुधार दिखाते हैं।

स्क्राइब लाइन के आस-पास का रंग बदलना सतह या सब्सट्रेट सामग्री में बदलाव को दर्शाता है, जो पल्स की संख्या बढ़ने पर गायब हो जाता है। पल्स की संख्या जितनी ज़्यादा होगी, फ़ीड दर उतनी ही तेज़ होगी और परिणाम उतने ही बेहतर होंगे। इससे पता चलता है कि इस प्रक्रिया का इस्तेमाल एक ही समय में पर्याप्त थ्रूपुट और अच्छी गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए किया जा सकता है।

नीचे दिया गया चित्र 5, स्क्राइब की गई निचली सतहों के उच्च आवर्धन दृश्यों की एक श्रृंखला दिखाता है, जो सभी 16 W की औसत शक्ति और 25 mm/s की शुद्ध प्रसंस्करण गति पर समान लेजर परिचालन स्थितियों के तहत स्क्राइब किए गए हैं। इस प्रक्रिया के परिणाम नीचे चित्र 5 में दिखाए गए हैं। प्रत्येक स्थिति के लिए स्क्राइबिंग गहराई अलग-अलग पल्स मानों पर 8 से 25 µm तक होती है। यह उच्च रिज़ॉल्यूशन दृश्य पल्स की संख्या बढ़ने पर चिकनाई में सुधार को उजागर करता है। पल्स आउटपुट को समायोजित करने से औसत शक्ति और समग्र प्रसंस्करण गति को स्थिर रखते हुए स्क्राइबिंग गहराई तीन गुना बढ़ जाती है।

चित्र 5. पिकोसेकंड UV लेजर से प्रसंस्करण के परिणामस्वरूप उत्कृष्ट किनारा/सतह गुणवत्ता प्राप्त होती है, जो उच्च पल्स काउंट स्ट्रिंग्स के लाभों को उजागर करती है (विज्ञापन)

प्रौद्योगिकी को परिपूर्ण बनाना

सिद्धांत से व्यवहार की ओर आगे बढ़ते हुए, SiC वेफ़र्स को स्क्राइब करने के लिए UV पिकोसेकंड लेज़र लगाने की क्षमता को प्रोसेसिंग क्वालिटी में सुधार और प्रोसेसिंग स्पीड बढ़ाने के लिए पल्स स्ट्रिंग आउटपुट का उपयोग करने की क्षमता द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। 340 µm वेफ़र्स की पूरी डाइसिंग के मापदंडों और परिणामों को मापने और उनका मूल्यांकन करने के लिए आगे की खोज की आवश्यकता है।

इस बीच, हम SiC के लिए यांत्रिक आरी के उपयोग की जांच कर रहे हैं, जिसका प्रयोग पारंपरिक रूप से सिलिकॉन वेफर्स पर नक्काशी के लिए किया जाता है। प्रकाशित परिणामों से पता चलता है कि यह विधि अभी भी सीमित फीड दरों से ग्रस्त है और बड़ी मात्रा में मलबा उत्पन्न करती है, उदाहरण के लिए 10 µm से बड़े चिप्स में।

फिर भी, सेमीकंडक्टर उद्योग में यांत्रिक आरी अभी भी एक आम तौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि है, और किसी भी वैकल्पिक तकनीक को उद्योग की स्वीकृति प्राप्त करने के लिए थ्रूपुट, उपज और परिचालन लागत के संदर्भ में महत्वपूर्ण लाभ प्रदर्शित करने की आवश्यकता होगी। हालाँकि प्राप्त यूवी पिकोसेकंड परिणामों को पूर्ण डाइसिंग के संदर्भ में और बेहतर बनाने की आवश्यकता है, वैकल्पिक तकनीक के रूप में आगे निरंतर सुधार संभव है।