Welche Lasertypen werden in der Halbleiterfertigung verwendet?

Die gesamte Halbleiterlaser-Technologie ist komplexer, dasselbe gelten für die Laserbeschriftungsmethoden besondere Anforderungen.

Lasertechnologie wird in der Halbleiterfertigung häufig eingesetzt, da der Strahl dünn, präzise, vielseitig und leistungsstark ist. Der Einsatz von Lasern in der Fertigung ist effektiv und hat sich beim Schneiden, Markieren, Entfernen von Beschichtungen, Messen und Schweißen bewährt. In diesem Beitrag werden wir die Grundlagen von Halbleiterlasern, die verwendeten Lasertypen, deren Anwendungen, den Fertigungsprozess und die Zukunft der Laser erläutern.

Festkörperlaser sind die am häufigsten eingesetzten Laser in der Fertigung. Diese Laser gehören zu einer Kategorie, die für ihre hohe Leistung und die Verwendung von Kristallen als Lasermedium bekannt ist. Die Kristalle bestehen üblicherweise aus Yttrium, Aluminium, Granat oder Yttrium-Vanadat. Die Maschine lässt Licht durch das Medium oszillieren, um die Wellenlänge zu verfeinern und einen sauberen, präzisen Strahl auszugeben.

Faserlaser sind eine Unterkategorie der Festkörperlaser. Diese Laser sind bekannt für ihre hohe Geschwindigkeit beim Markieren, Gravieren und Schneiden. Ein Faserlaser verwendet eine Faser als Resonator und erzeugt eine überlappende Struktur mit einer Faserummantelung, die mit Yb-Ionen dotiert ist. Anschließend wird die Laserdiode zur Anregung eingekoppelt.

Typische Anwendungen von Faserlasern sind das Entfernen von Graten im Vorproduktionsprozess, das Markieren von Rückverfolgbarkeitscodes und das Entfernen von Beschichtungen zur Analyse von Defekten. Der Faserlaser von KEYENCE ist die Modellreihe MD-F.

Excimer-Laser sind tief-ultraviolette Laser mit einer Wellenlänge von 126 nm bis 351 nm. Diese Halbleiterlaser werden für die Mikroverarbeitung von Polymeren eingesetzt.

Halbleiter durchlaufen einen langen Produktionsprozess, der verschiedene Schneideschritte umfasst. Beispielsweise werden Halbleiter hergestellt, indem Wafer aus Kristallblöcken ausgeschnitten und Schablonen aus Folien geschnitten werden.

Dank des leistungsstarken Lasers mit einem dünnen Strahl werden Laser eingesetzt, um saubere Schnitte zu erzielen. Diese Schnitte sind notwendig, da Halbleiter passgenau in das Endprodukt wie ein Smartphone einen Computer oder eine Kamera eingebaut werden müssen.

Das Halbleiter-(LD)-Laserschweißen, auch als Laserdiode-Schweißen bekannt, ist ein Verfahren, bei dem angrenzende Teile miteinander verschmolzen werden. Ein Beispiel für das Verbinden in der Halbleiterfertigung ist das Schweißen eines Wafers an eine Trägerplatte.

Die Entfernung von Beschichtungen bei Halbleitern ist Teil des Fertigungsprozesses zur Reinigung des Halbleiters oder zur Analyse von Defekten. Die Entfernung der Beschichtung kann das Entgraten von Harz oder Kupfer, das Entfernen von Goldbeschichtungen oder Dünnschichtbeschichtungen umfassen. Beim Entgraten verwenden Laser für die Halbleiterproduktion ihren dünnen und präzisen Strahl, um überschüssiges Material zu entfernen, ohne das Produkt zu beschädigen.

Andererseits ermöglicht die Beschichtungsentfernung zur Analyse eines fehlerhaften Werkzeugs den Herstellern, einen Defekt zu erkennen, ohne das Produkt auseinanderbauen oder beschädigen zu müssen.

Laserbeschriftungsmaschinen werden für die 2D-Code-Beschriftung auf IC-Chips, LED-Keramikgehäusen, Siliziumwafern und mehr verwendet. Da der Laser eine extrem kleine Strahlspotgröße hat, kann er lesbare Markierungen selbst auf mikroskopischer Ebene erzeugen.

Lasersensoren können Halbleiter in vielen verschiedenen Schritten des Fertigungsprozesses messen. Bei Wafern misst die Modellreihe LJ von KEYENCE Dicke, Verschleißgrad und thermische Ausdehnung. Sensoren können auch die Höhe der Drahtverbindung, die Höhe von Harzformen und die Form von BGA-Kugeln messen.

Halbleiterlaser werden häufig für Identifikationszwecke eingesetzt. Im Fertigungsprozess dienen sie zur Beschriftung von Wafer-IDs, Seriennummern und anderen Arten von Identifikationscodes. Dies gewährleistet die Rückverfolgbarkeit von einem Bauteil zum nächsten.

Eine weitere Anwendung von Halbleiterlasern ist die Dicing-Markierung.

Um Präzision beim Trennen von Wafer-Chips zu gewährleisten, graviert ein Faserlaser oder ein anderer Laser Ritzmarkierungen in die Oberfläche des Wafers. Eine Dicing-Säge nutzt diese Linien als Referenzpunkte, um eine effiziente Trennung der Teile zu ermöglichen und gleichzeitig Materialverschwendung zu minimieren.

Sicherheit kann nie zu weit gehen, und die Einhaltung der Vorschriften stellt sicher, dass Fertigungsprozesse kontinuierlich und ohne Unterbrechungen durchgeführt werden können.

Effizient
Laser nutzen Automatisierung und wiederholbare Abläufe für die Bearbeitung. Der einzige manuelle Schritt besteht darin, den Laser für die jeweilige Anwendung zu programmieren.

Vielseitig
Da Excimer-Laser hohe Absorptionsraten und dünne Strahlen besitzen, kann die Laserablation auf einer Vielzahl von Materialien durchgeführt werden.

Präzise
Durch die Kombination aus Leistung und dünnem Strahl sind Excimer-Laser bei der Ablation äußerst präzise. Beispielsweise verfügen die Laser von KEYENCE über eine 3-Achsen-Steuerung, die automatisch fokussiert und basierend auf dem zu beschriftenden Bereich korrigiert, um eine gleichmäßige Bearbeitung des gesamten Materials zu gewährleisten.

Hohe Anfangsinvestition
Lasermaschinen sind mit hohen Anschaffungskosten verbunden; jedoch bieten die Vorteile in Präzision und Vielseitigkeit häufig einen hohen Mehrwert.

Wafer sind das Ausgangsmaterial für die Fertigung. Laser übernehmen viele Aufgaben im Zusammenhang mit Wafern, darunter das Ausschneiden der Wafer aus einem Einkristall (Ingot), das Dicing nach der Laminierung, das Markieren von Identifikatoren für „gut“ oder „nicht gut“ sowie das Markieren von 2D-Codes.

Nachdem die Wafer mit Lasern ausgeschnitten wurden, werden sie an Leadframes gebunden. Damit der Leadframe für den Wafer vorbereitet ist, markiert der Laser den Rahmen mit einem Identifikationszeichen. Anschließend rauen Laser die Oberfläche des Leadframes für eine bessere Haftung zwischen Leadframe und Wafer auf. Sobald sie verbunden sind, entfernt der Laser die Grate. Abschließend markiert der Laser den Rahmen erneut.

Nachdem der Leadframe fertiggestellt ist, wird er für das Gießen und die Weiterverarbeitung vorbereitet, um ein IC-Gehäuse zu formen. Nach der Herstellung des IC-Gehäuses markiert der Laser erneut Identifikationsmerkmale sowohl auf dem Wafer als auch auf dem Gehäuse.