Nella produzione di semiconduttori, la precisione è fondamentale. Dai chip logici avanzati ai dispositivi ad alta potenza, l'integrità del wafer ha un impatto diretto sulla resa, sulle prestazioni e sull'affidabilità a lungo termine. Una delle sfide più sottili ma critiche nella microfabbricazione basata su laser è il controllo della Zona Affetta dal Calore (HAZ)—la regione microscopica che circonda un'area lavorata al laser dove l'energia termica altera le proprietà del materiale. Minimizzare la HAZ è essenziale, in particolare per il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN) e altri wafer semiconduttori a banda larga, dove anche minuscole distorsioni termiche possono indurre fessurazioni o deformazioni.

Il problema con i laser nanosecondo convenzionali

I tradizionali laser a impulsi nanosecondo (ns) erogano energia nell'arco di decine di nanosecondi. Sebbene ciò sia veloce su scale temporali umane, è relativamente lento nel contesto delle vibrazioni del reticolo atomico. Quando un impulso nanosecondo colpisce un wafer semiconduttore, il calore ha il tempo di diffondersi nel reticolo cristallino circostante. Le conseguenze includono:

1. Espansione termica e microfessurazioni – Il riscaldamento localizzato provoca un'espansione transitoria che, in materiali fragili come il SiC, può causare fratture microscopiche.

2. Rifusione del materiale e detriti – Il materiale fuso può risolidificarsi in modo non uniforme, lasciando strati rifusi che interferiscono con la successiva lavorazione o le prestazioni del dispositivo.

3. Stress residuo e deformazione – Il riscaldamento non uniforme introduce sollecitazioni interne, che sono particolarmente problematiche per i wafer di grande diametro.

Nelle fabbriche di semiconduttori ad alto volume, questi effetti si traducono in una resa inferiore e in un aumento del costo per chip.

Entra in scena Laser a picosecondi: Ultra-veloci, ultra-precisi

I laser a picosecondi (ps) emettono impulsi dell'ordine di 10^-12 secondi, circa 1.000 volte più brevi dei laser nanosecondo. Questa durata dell'impulso ultra-breve cambia radicalmente il modo in cui l'energia interagisce con il wafer:

• Rimozione atermica del materiale – La durata dell'impulso è inferiore al tempo necessario per una significativa diffusione termica. Invece di fondere il materiale, il laser induce una rapida eccitazione degli elettroni, rompendo i legami quasi istantaneamente. Questo processo, spesso chiamato “ablazione a freddo”, rimuove il materiale con una conduzione termica minima alle aree circostanti.

• Zona affetta dal calore minima – Poiché il calore non può migrare lontano dall'area irradiata, la HAZ è drasticamente ridotta, spesso a scale sub-micrometriche. Questa precisione è fondamentale per schemi delicati in dispositivi SiC ad alta tensione o transistor GaN ad alta frequenza.

• Maggiore integrità microstrutturale – Evitando la fusione prolungata, i laser a picosecondi preservano il reticolo cristallino, prevenendo microfessurazioni, accumulo di stress e deformazioni.

Caso di studio: incisione di wafer SiC

Considera l'incisione di wafer, un processo utilizzato per separare i chip tagliati dal wafer sfuso. I laser nanosecondo spesso creano microfessurazioni che si estendono per decine di micron oltre la linea di incisione, mentre i laser a picosecondi limitano la HAZ a meno di pochi micron. Questa differenza non è semplicemente estetica; migliora direttamente la resa dei die, riduce la scheggiatura dei bordi e migliora l'affidabilità del dispositivo, in particolare nelle applicazioni ad alta potenza.

Oltre la HAZ: i laser a picosecondi consentono nuove possibilità di lavorazione

Oltre al controllo superiore della HAZ, i laser a picosecondi offrono vantaggi accessori che guidano l'innovazione nella produzione di semiconduttori:

• Microstrutturazione 3D – La precisione consente geometrie complesse come microvie, canali o guide d'onda in substrati GaN-on-Si o SiC.

• Post-elaborazione ridotta – Meno danni termici riducono la necessità di incisione chimica o lucidatura meccanica, risparmiando tempo e riducendo i rischi di contaminazione.

• Compatibilità con substrati trasparenti – Gli impulsi ultra-veloci possono elaborare zaffiro o altri substrati ottici senza fessurazioni, aprendo la strada all'integrazione di optoelettronica e ottica laser.

Conclusione

Per i wafer semiconduttori di prossima generazione, dove la sensibilità termica, la fragilità del materiale e la precisione microscopica sono fondamentali, i laser a picosecondi rappresentano un cambio di paradigma. Confinando la zona affetta dal calore a dimensioni quasi nulle, questi laser ultra-veloci proteggono l'integrità del wafer, massimizzano la resa e consentono possibilità di lavorazione che in precedenza erano impossibili con la tecnologia nanosecondo. Nella corsa per dispositivi più piccoli, più veloci e più affidabili, i laser a picosecondi non sono solo uno strumento, ma un abilitatore del futuro della produzione di semiconduttori.