การแก้ปัญหาความท้าทายในการผลิตแผ่นทดสอบซิลิคอนไนไตรด์ด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที

ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) ได้กลายเป็นวัสดุสำคัญสำหรับแผงวงจรทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง เนื่องจากมีความแข็งเป็นพิเศษ มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเหล่านี้เองที่ทำให้การขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรเป็นเรื่องยากอย่างยิ่ง

การเจาะเชิงกลแบบดั้งเดิมและการประมวลผลด้วยเลเซอร์ระดับนาโนวินาที มักก่อให้เกิดข้อบกพร่องร้ายแรงเมื่อต้องจัดการกับเซรามิกที่เปราะบาง ส่งผลให้เกิดการบิ่นที่ขอบ รอยแตกขนาดเล็ก และชั้นที่หลอมใหม่ สำหรับการ์ดโพรบเซมิคอนดักเตอร์ แม้แต่ข้อบกพร่องระดับไมโครก็อาจทำให้ขาโพรบติด ส่งผลให้การสัมผัสทางไฟฟ้าไม่เสถียรและลดผลผลิตในการทดสอบเวเฟอร์ลง

เหตุใดรูขนาดเล็กบนแผ่นทดสอบจึงต้องการความแม่นยำสูง

แผ่นวงจรทดสอบสมัยใหม่มักต้องการรูขนาดเล็กที่มีความแม่นยำสูงหลายพันรู โดยมีระยะห่างระหว่างรูต่ำกว่า 100 ไมครอน แต่ละรูต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• ความสอดคล้องทางเรขาคณิตที่สมบูรณ์แบบ (รูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือวงกลมที่แท้จริง)
• ความสม่ำเสมอของขนาดระดับไมครอนทั่วทั้งพื้นผิว
• ผนังด้านในเรียบปราศจากเสี้ยน ช่วยลดแรงเสียดทานของหมุด
• การเสียรูปจากความร้อนน้อยที่สุด

แม้แต่ความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ขาของหัววัดติดขัด เอียง หรือเสียแนวระหว่างการทดสอบ ซึ่งอาจส่งผลโดยตรงต่อ:

• สัญญาณไฟฟ้าที่ไม่เสถียร
• ความแม่นยำในการทดสอบลดลง
• ผลผลิตเวเฟอร์ต่ำลง
• ต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้น

หากพื้นผิวผนังด้านในขรุขระหรือได้รับแรงกดทางกล หัววัดจะเบี่ยงเบนหรือเสียแนวระหว่างการคัดแยกเวเฟอร์ความเร็วสูง เนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ความคลาดเคลื่อนจากข้อผิดพลาดในการผลิตจึงแทบไม่มีเลย

เหตุใดเลเซอร์แบบดั้งเดิมจึงมีปัญหาในการใช้งานกับซิลิคอนไนไตรด์

ระบบเลเซอร์นาโนวินาทีแบบดั้งเดิมอาศัยพลังงานความร้อนจากแสงในการหลอมและทำให้วัสดุระเหย เมื่อทำการประมวลผลเซรามิกที่เปราะบาง เช่น ซิลิคอนไนไตรด์ การกระจายความร้อนที่มากเกินไปนี้จะสร้างความเครียดทางความร้อนเฉพาะจุดอย่างรุนแรงรอบคมตัด ซึ่งมักก่อให้เกิดรอยแตกขนาดเล็ก

เมื่อเปรียบเทียบกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม เทคโนโลยีเลเซอร์เฟมโตวินาทีมีข้อดีที่สำคัญหลายประการ:

เลเซอร์เฟมโตวินาทีแบบเย็นช่วยแก้ปัญหาได้อย่างไร

การตัดเฉือนด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีใช้พัลส์ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากในช่วงเฟมโตวินาที (10⁻¹⁵ วินาที) เพื่อกำจัดวัสดุออกไปก่อนที่ความร้อนจะแพร่กระจายไปยังบริเวณโดยรอบ

กระบวนการนี้โดยทั่วไปเรียกว่า การทำลายเนื้อเยื่อด้วยความเย็น (cold ablation)

เนื่องจากระยะเวลาของพัลส์สั้นกว่าเวลาการคลายตัวของอิเล็กตรอน-โฟนอนของซิลิคอนไนไตรด์ พลังงานเลเซอร์จึงถูกส่งไปก่อนที่จะเกิดการนำความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้สามารถกำจัดวัสดุได้โดยมีบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) เล็กมาก

โดยทั่วไปแล้ว ความยาวคลื่นในการประมวลผลจะอยู่ที่ประมาณ 1030–1035 นาโนเมตร ซึ่งช่วยให้เกิดการดูดซับโฟตอนหลายตัวที่เสถียรในวัสดุ Si₃N₄ แม้ว่าจะมีช่องว่างพลังงานค่อนข้างกว้าง (~5 eV) ก็ตาม

ด้วยการใช้พัลส์เฟมโตวินาที วัสดุจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นพลาสมาโดยตรง ทำให้สามารถกำจัดวัสดุได้โดยแทบไม่มีความเสียหายจากความร้อน กระบวนการกำจัดวัสดุด้วยความเย็นนี้ให้ผลลัพธ์ดังนี้:

• การเจาะรูขนาดเล็กแบบสี่เหลี่ยมโดยปราศจากครีบ
• ขอบบิ่นเล็กน้อย
• ผนังด้านในเรียบเนียนเป็นพิเศษ
• ลดความเครียดจากความร้อน
• ความสม่ำเสมอของมิติที่ยอดเยี่ยม
• มีความแม่นยำสูงในการทำซ้ำได้ในกลุ่มตัวอย่างขนาดใหญ่

ด้วยเหตุนี้ เลเซอร์เฟมโตวินาทีจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุเซรามิกที่เปราะบางซึ่งใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

สำหรับงานประยุกต์ใช้การ์ดโพรบ ผนังด้านในที่เรียบกว่าจะช่วยลดการติดขัดของขาโพรบและปรับปรุงเสถียรภาพในการทดสอบเวเฟอร์ในระยะยาว

นอกเหนือจากแผ่นการ์ดโพรบ: การใช้งานซิลิคอนไนไตรด์เพิ่มเติม

ความน่าเชื่อถือของการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความแม่นยำสูงนั้น ได้รับการพิสูจน์แล้วในแอปพลิเคชันขั้นสูงหลายประเภท

โฟโตนิกส์แบบบูรณาการ

เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถปรับตัวเรโซเนเตอร์แบบท่อนำคลื่นซิลิคอนไนไตรด์ให้เหมาะสมได้โดยการลดความหยาบของพื้นผิวและปรับปรุงค่า Q ทางแสง

การผลิตนาโนพอเร

เทคโนโลยีนี้ยังรองรับการสร้างรูพรุนระดับนาโนที่มีความแม่นยำสูงในเยื่อ Si₃N₄ ที่บางมาก รวมถึงโครงสร้างที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 500 นาโนเมตร

การขึ้นรูปเซรามิกขนาดเล็กด้วยความแม่นยำสูง

แอปพลิเคชันเพิ่มเติมได้แก่:

• การเจาะรูขนาดเล็กบนเซรามิก
• การผลิต MEMS
• โครงสร้างไมโครฟลูอิดิกชีวภาพ
• บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์
• การประมวลผลความแม่นยำสูงของฟิล์มบาง

แอปพลิเคชันเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการขยายขนาดและความพร้อมในระดับอุตสาหกรรมของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีได้เป็นอย่างดี

เหตุใดผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์จึงเลือกใช้เลเซอร์โมโน

ที่ Monofslaser เราเชี่ยวชาญด้านการตัดเฉือนขนาดเล็กด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความแม่นยำสูงสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเซรามิกขั้นสูง

แทนที่จะจัดหาอุปกรณ์แบบแยกชิ้น เราให้บริการโซลูชันการผลิตแบบครบวงจรที่ออกแบบมาเพื่อการผลิตทางอุตสาหกรรมที่มีความแม่นยำสูง

ความสามารถของเราประกอบด้วย:

• การพัฒนาอุปกรณ์เลเซอร์เฟมโตวินาทีแบบกำหนดเอง
• การประมวลผลการ์ดโพรบซิลิคอนไนไตรด์
• การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการตรวจสอบตัวอย่าง
• การสนับสนุนการตรวจสอบด้วยแสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)
• การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเพื่อการผลิตที่ปรับขนาดได้

เราสนับสนุนทั้งการพัฒนาต้นแบบและการผลิตในปริมาณมากสำหรับแอปพลิเคชันเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแปรรูปแบบดั้งเดิม การใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีในการกัดเซาะด้วยความเย็นช่วยลดความต้องการในการประมวลผลหลังการขึ้นรูปได้อย่างมาก พร้อมทั้งปรับปรุงความสม่ำเสมอในการขึ้นรูปและผลผลิตในการขึ้นรูปครั้งแรกให้ดียิ่งขึ้น

บทสรุป

ความแข็งและความเปราะของซิลิคอนไนไตรด์ทำให้วิธีการตัดเฉือนแบบดั้งเดิมเกินขีดจำกัดทางกายภาพ เทคโนโลยีการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีช่วยแก้ปัญหาอุปสรรคในการผลิตเหล่านี้ได้อย่างลงตัว ให้ความแม่นยำระดับต่ำกว่าไมครอน ผนังด้านในปราศจากเสี้ยน และรูเจาะปราศจากรอยแตกขนาดเล็ก สำหรับการผลิตการ์ดทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง เทคโนโลยีนี้ถือเป็นเส้นทางที่น่าเชื่อถือที่สุดในการบรรลุผลการทดสอบเวเฟอร์ที่มีผลผลิตสูง

คำถามที่พบบ่อย