सेमीकंडक्टर निर्माण में लेजर की भूमिका

सेमीकंडक्टर चिकित्सा उपकरणों के आंतरिक कामकाज का एक अभिन्न अंग हैं, जो वर्तमान को नियंत्रित करने के लिए गैर-कंडक्टर और कंडक्टर के बीच चालकता में योगदान करते हैं। बदले में, सही अर्धचालक बनाने के लिए असेंबली प्रक्रिया बहुत विस्तृत है, खासकर अब जबकि उपकरण छोटे और छोटे होते जा रहे हैं। चूंकि अर्धचालकों को इन छोटे उपकरणों में फिट करने के लिए तेजी से छोटा किया जाता है, इसलिए अर्धचालक निर्माण में लेजर की भूमिका अनुकूलित हो गई है।

लेजर तकनीक का उपयोग अक्सर सेमीकंडक्टर निर्माण में इसके पतले, सटीक, बहुमुखी और शक्तिशाली बीम के लिए कई कारणों से किया जाता है, जिसमें कटिंग, वेल्डिंग, कोटिंग हटाना और मार्किंग शामिल है।

काटना/लिखना

अर्धचालकों के उत्पादन में, डाइसिंग के विभिन्न चरण होते हैं, जिसमें क्रिस्टल ब्लॉकों से वेफर्स काटना और पतली फिल्मों से टेम्पलेट्स काटना शामिल है। लेजर से डाइसिंग यह सुनिश्चित करती है कि चिप्स साफ-सुथरे ढंग से काटे गए हैं ताकि वे अंतिम डिवाइस में ठीक से फिट हो जाएं। लेज़रों के उपयोग से अर्धचालकों को कई आकृतियों और पैटर्नों में काटा जा सकता है जो अन्य डाइसिंग विधियों का उपयोग करके संभव नहीं है। कोलंबिया विश्वविद्यालय के फू फाउंडेशन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस के अनुसार, इस विधि का उपयोग करके वेफर्स काटने से उपकरण की टूट-फूट और सामग्री का नुकसान कम होता है और परिणामस्वरूप अधिक पैदावार होती है।

सेमीकंडक्टर लेजर प्रसंस्करण पर कोलंबिया की अध्ययन सामग्री में कहा गया है कि "लेजर कटिंग के फायदों में उपकरण का कम घिसना, कट के आसपास सामग्री का कम नुकसान, कम टूट-फूट के कारण अधिक पैदावार और फिक्सिंग में आसानी के कारण तेजी से बदलाव शामिल हैं।"

काटने का एक अन्य विकल्प स्क्राइबिंग है - सामग्री के आधे हिस्से में बारीकी से दूरी पर या ओवरलैपिंग ब्लाइंड छेद की एक श्रृंखला ड्रिलिंग करना। यह अर्धचालक विनिर्माण अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एक विधि है, जैसे कि एल्यूमीनियम ऑक्साइड सब्सट्रेट को चिप वाहक में काटना या सिलिकॉन वेफर्स को चिप्स में अलग करना। यह ध्यान देने योग्य है कि स्क्रिबिंग के लिए आवश्यक लेजर का प्रकार उपयोग की गई सामग्री पर निर्भर करता है।

विश्वविद्यालय का कहना है, "एल्यूमीनियम ऑक्साइड स्क्रिबिंग CO2 लेजर का उपयोग करता है, जबकि सिलिकॉन स्क्राइबिंग एनडी: YAG लेजर का उपयोग करता है क्योंकि विभिन्न सामग्रियों में अलग-अलग तरंग दैर्ध्य पर अलग-अलग अवशोषण दर होती है।"

स्क्रिबिंग बनाम कटिंग का उपयोग करने की प्रेरणा उस गति पर निर्भर करती है जिस गति से निर्माण की दुकान में कार्रवाई होती है। "एल्यूमीनियम ऑक्साइड के लिए, जो लगभग 0.025 इंच मोटा है, सामग्री को मध्यम-शक्ति CO2 लेजर का उपयोग करके लगभग 10 इंच प्रति सेकंड की दर से लिखा जा सकता है, जबकि एक समान लेजर के लिए, काटने की दर हो सकती है प्रति सेकंड एक इंच का अंश हो,'' विश्वविद्यालय स्टाफ लिखता है। "स्क्राइबिंग से प्रसंस्करण पूरा होने से पहले सब्सट्रेट को स्क्राइब करने और प्रसंस्करण के बाद इसे आसानी से चिप्स में अलग करने में सक्षम होने का लाभ भी मिलता है।"

Wएल्डिंग

लेज़र सोल्डरिंग या लेज़र डायोड वेल्डिंग एक सेमीकंडक्टर घटक के आसन्न हिस्सों को एक साथ पिघलाने की प्रक्रिया है, एक वेफर को एक सपोर्ट प्लेट पर सुरक्षित करने की तरह। समर्थन बोर्डों के लिए जो जुड़ने के लिए तैयार हैं (जैसे कि सीसे के फ्रेम), लेजर फ्रेम पर एक पहचान चिह्न लगाता है और फिर यह सुनिश्चित करने के लिए सतह को खुरदरा कर देता है कि दोनों हिस्से सुरक्षित रूप से एक साथ बंधे हुए हैं। एक बार एक साथ जुड़ने के बाद, लेजर मार्किंग मशीन खुरदरापन प्रक्रिया द्वारा बनाई गई गड़गड़ाहट को हटा देती है।

कोटिंग हटाना

यह सुनिश्चित करना कि अर्धचालक साफ और दोष मुक्त हैं, कोटिंग हटाना नामक विनिर्माण प्रक्रिया का हिस्सा है। लेजर (आमतौर पर एनडी:वाईएजी) का उपयोग करके, अवांछित कोटिंग्स को राल या तांबे के साथ, और सोने या पतली फिल्म कोटिंग्स के साथ हटाया जा सकता है। डिबरिंग के लिए, लेजर उत्पाद को नुकसान पहुंचाए बिना अतिरिक्त सामग्री को हटाने के लिए अपनी बारीक, सटीक किरण का उपयोग करता है।लेप हटानादोषों का अधिक स्पष्ट रूप से विश्लेषण करने की अनुमति देता है, जिससे निरीक्षण के लिए अलग करने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप उत्पाद को नुकसान हो सकता है।

अंकन

अर्धचालकों का लेजर अंकनउत्पाद ट्रेसेबिलिटी और पठनीयता के लिए महत्वपूर्ण है, जिसका अर्थ है कि लेजर को बहुत छोटे प्रिंटों में स्पष्ट रूप से सुपाठ्य होना चाहिए। उत्पाद ट्रेसबिलिटी का मतलब है कि उत्पाद को उत्पादन के साथ-साथ अंतिम वितरण के कई चरणों के माध्यम से ट्रैक किया जा सकता है। इससे विशिष्ट श्रेणियों के दोषों को ढूंढना और अलग करना आसान हो जाता है।

चिह्नित चिप्स भी पढ़ने योग्य होने चाहिए, क्योंकि अंकन यह निर्धारित करने का एक उपयोगी तरीका है कि कौन सा उत्पाद किसी अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त है। वेफर वर्ल्ड के अनुसार, "लेजर न केवल वेफर की सतह को काटता है बल्कि बेहद उथले लेकिन पढ़ने में आसान निशान बनाने के लिए सतह के कणों को पुनर्व्यवस्थित भी करता है।"

अर्धचालकों पर दो प्रकार के मार्करों का उपयोग किया जाता है: ईच मार्कर और एनील्ड मार्कर। ईच मार्कर सामग्री की पतली परतें होती हैं जिन्हें लेजर का उपयोग करके हटा दिया जाता है, जिससे लगभग 12 से 25 माइक्रोन गहरा बनावट वाला निशान निकल जाता है। इन्हें अक्सर "कठोर निशान" के रूप में जाना जाता है क्योंकि सतह परत में एक दृश्य परिवर्तन होता है।

दूसरी ओर, एनीलिंग निशान, अणुओं को खोदने के बजाय उन्हें पुनर्व्यवस्थित करने के लिए निम्न शक्ति स्तर पर लेजर सेट का उपयोग करते हैं। यह चिप की सतह पर एक कंट्रास्ट बनाता है जो प्रकाश के परावर्तित होने पर दिखाई देता है।

लेजर प्रकार

वर्तमान में, कंपनियां चिप निर्माण के लिए ज्यादातर सॉलिड-स्टेट लेजर का उपयोग करती हैं क्योंकि वे अपनी उच्च शक्ति के लिए जाने जाते हैं और लेजर माध्यम के रूप में अयस्क का उपयोग करते हैं। खनिज मीडिया में आमतौर पर येट्रियम, एल्यूमीनियम, गार्नेट, या येट्रियम वैनाडेट क्रिस्टल होते हैं। उदाहरण के लिए, Nd:YAG लेजर माध्यम के रूप में नियोडिमियम-डोप्ड येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट क्रिस्टल का उपयोग करते हैं। लेज़र बीम एक ऑसिलेटर का उपयोग करके उत्पन्न होता है जो लेज़र डायोड से प्रकाश के साथ माध्यम को उत्तेजित करता है।

चिप मार्किंग, उत्कीर्णन और डाइसिंग के लिए उपयोग किया जाने वाला एक प्रकार का सॉलिड-स्टेट लेजर फाइबर लेजर है, कीन्स कहते हैं, उच्च गति वाले लेजर "ऑप्टिकल फाइबर को रेज़ोनेटर के रूप में उपयोग करते हैं और वाईबी-आयन डोप्ड फाइबर क्लैडिंग के माध्यम से ओवरलैपिंग संरचनाएं बनाते हैं," यह देखते हुए कि इसके फ़ाइबर लेज़रों को 3-अक्ष फ़ाइबर लेज़रों की एमडी-एफ श्रृंखला के रूप में जाना जाता है। "फाइबर लेजर के कुछ उपयोगों में पूर्व-उत्पादन प्रक्रियाओं से गड़गड़ाहट को दूर करना, ट्रेसेबिलिटी कोड को चिह्नित करना और दोष विश्लेषण के लिए राल को हटाना शामिल है।"

एक्साइमर लेजर का उपयोग सेमीकंडक्टर निर्माण में भी किया जाता है। ये गहरे हैंपराबैंगनी126 एनएम से 351 एनएम तक तरंग दैर्ध्य वाले (यूवी) लेजर जो मुख्य रूप से पॉलिमर माइक्रोमशीनिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं। ठोस अवस्था की तुलना में छोटी यूवी लेजर किरणें उन्हें किसी भी प्रकार की सामग्री के लिए उपयुक्त बनाती हैं, जिसमें बहुत नाजुक और नाजुक सामग्री भी शामिल है, और उन्हें कम बिंदु वाले कार्य बिंदु के साथ बहुत छोटे सटीक क्षेत्र में काम करने की अनुमति देती है। जब अंकन के लिए उपयोग किया जाता है, तो यूवी लेजर आसपास के क्षेत्र में गर्मी पैदा किए बिना आणविक स्तर पर उत्पाद सामग्री की संरचना को बदल देता है।

लेजर इनोवेशन

वर्तमान में, सेमीकंडक्टर उत्पादन के लिए लेजर निर्माण का उपयोग करते समय सॉलिड-स्टेट और एक्साइमर लेजर को मुख्य विकल्प के रूप में देखा जाता है। हालाँकि, एक नया विकल्प जो क्लासिक्स को टक्कर दे सकता है वह जल्द ही उपलब्ध हो सकता है। नेचर जर्नल में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में, सुसुमु नोडा के नेतृत्व में क्योटो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने लिखा है कि उन्होंने फोटोनिक क्रिस्टल सतह उत्सर्जक लेजर (पीसीएसईएल) की संरचना को बदलकर सेमीकंडक्टर लेजर चमक की सीमाओं को दूर करने के लिए कदम उठाए हैं। इंस्टीट्यूट ऑफ इलेक्ट्रिकल एंड इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियर्स के अनुसार, चमक एक ऐसा लाभ है जिसमें प्रकाश की किरण के फोकस या विचलन की डिग्री शामिल है। पीसीएसईएल, हालांकि उच्च चमक वाले लेजर के लिए एक आकर्षक विकल्प के रूप में देखा जाता है, पहले बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए अप्राप्य रहा है लेज़रों के आकार और चमक के साथ चुनौतियों के कारण बड़े पैमाने पर संचालन।

अक्सर, पीसीएसईएल के साथ समस्या उनके उत्सर्जन क्षेत्र का विस्तार करने की इच्छा से उत्पन्न होती है, जिसका अर्थ है कि उत्सर्जन की दिशा में और अनुप्रस्थ दिशा में प्रकाश के दोलन के लिए जगह है। आईईईई लिखता है, "इन अनुप्रस्थ दोलनों को उच्च-क्रम मोड के रूप में जाना जाता है और यह बीम की गुणवत्ता को नष्ट कर सकता है।" "इसके अलावा, यदि लेजर को लगातार संचालित किया जाता है, तो लेजर के अंदर की गर्मी डिवाइस के अपवर्तक सूचकांक को बदल सकती है, जिससे बीम की गुणवत्ता में और गिरावट आ सकती है।"

नेचर अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने लेजर में एम्बेडेड फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग किया और "व्यापक क्षेत्र में एकल-मोड दोलन की अनुमति देने और थर्मल क्षति की भरपाई करने के लिए आंतरिक परावर्तक को अनुकूलित किया।" इन परिवर्तनों ने लेजर को निरंतर संचालन के दौरान उच्च बीम गुणवत्ता बनाए रखने की अनुमति दी।

शोधकर्ताओं ने अपने अध्ययन में एक 3-मिमी-व्यास वाला पीसीएसईएल विकसित किया, जो पिछले 1-मिमी-व्यास वाले पीसीएसईएल डिवाइस से एक 10- गुना अधिक है।

"3 मिमी के बड़े गुंजयमान व्यास के साथ एक फोटोनिक क्रिस्टल सतह-उत्सर्जक लेजर के लिए, 5 से अधिक की [निरंतर-तरंग] आउटपुट शक्तियां 0 डब्ल्यू, शुद्ध एकल-मोड दोलन, और 0.05 का एक अत्यंत संकीर्ण बीम विचलन शोधकर्ताओं ने अध्ययन में लिखा है, "सामग्री में 10 से अधिक तरंग दैर्ध्य के अनुरूप डिग्री हासिल की गई है।" चमक ...... मौजूदा बड़े लेज़रों की तुलना में 1 गीगावॉट सेमी -2 एसआर -1 तक पहुंच जाती है।"

यह ध्यान देने योग्य है कि "बड़ी मात्रा वाले लेजर" से शोधकर्ताओं का तात्पर्य वर्तमान में सेमीकंडक्टर लेजर निर्माण में उपयोग किए जाने वाले सॉलिड-स्टेट और एक्साइमर लेजर से है।

क्योटो विश्वविद्यालय में फोटोनिक क्रिस्टल के लिए सतह-उत्सर्जक लेज़रों के लिए 1,{1}}वर्ग मीटर के उत्कृष्टता केंद्र की स्थापना की प्रक्रिया के हिस्से के रूप में, नोडा और उनकी टीम ने इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी का उपयोग करके फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण से भी स्थानांतरित कर दिया है। उन्हें नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी के साथ बनाना।

आईईईई का कहना है, "ई-बीम लिथोग्राफी सटीक है, लेकिन आमतौर पर बड़े पैमाने पर विनिर्माण के लिए बहुत धीमी है।" "नैनोइम्प्रिंट लिथोग्राफी मूल रूप से अर्धचालकों पर पैटर्न उभारती है और बहुत जल्दी नियमित पैटर्न बनाने के लिए उपयोगी है।"

अध्ययन के अनुसार, अगला कदम लेजर के व्यास को 3 से 10 मिलीमीटर तक विस्तारित करना जारी रखना है - एक आकार जो कथित तौर पर 1 किलोवाट आउटपुट पावर पैदा करता है।