規制と環境要因が融合して強力な推進力を生み出すにつれて、電気自動車業界とそのバリュー チェーンのさまざまなセグメントは、イノベーションの開花する分野を生み出しています。今日の電気自動車 (EV) のバッテリー パックは、ますます高い電圧で動作しており、800 V に達することもあります。バッテリー パックの電圧は上昇していますが、バッテリー パックの電圧も上昇しています。
電圧を高くすると、馬力の増加、効率の向上、走行距離の延長、充電時間の短縮などの利点があります。車両内部では、パワーエレクトロニクスが高 DC 電圧をさまざまなシステムに必要なさまざまな形式に変換します。たとえば、トラクションモーターには 3 相 AC 電力が必要です。同時に、車両充電器が電流と電圧を動的に調整します。
シリコンは現在、民生用およびパワーエレクトロニクスの多くの分野で広く使用されていますが、それらのアップグレードのボトルネックにもなっています。従来のシリコン集積回路 (IC) に基づくパワーエレクトロニクスは、高電圧、高温、高スイッチング周波数では適切に動作しません。その結果、メーカーは電気自動車の高電圧バッテリーパックを最大限に活用するために、代替半導体材料に目を向ける必要があります。最も有望な代替半導体はシリコンカーバイド (SiC) です。この材料は EV パワーエレクトロニクスに最適な特性を備えているため、EV の人気が高まるにつれて、SiC は EV の性能と走行距離を向上させる鍵となります。
しかし、SiC デバイスの製造には独自の課題があります。成熟したプロセスと確立されたプロトコルが主流となっている領域では、SiC の機械的、化学的、電子的、および光学的特性はシリコンとは大きく異なります。たとえば、SiC はダイヤモンドに匹敵する最も硬い材料の 1 つであるため、鋸引きなどの従来の機械的方法を使用してウェハを刻むことが困難であり、鋸引きすると簡単に壊れてしまう脆い材料でもあります。さらに、SiC は硬いダイヤモンド製のものも含め鋸刃を急速に摩耗させるため、この高価な消耗品を頻繁に交換する必要があります。鋸引き自体は比較的時間のかかるプロセスであり、発生する熱が材料特性に悪影響を及ぼす傾向があります。
これらの問題が組み合わさると、確立された IC 製造プロセスの多くが SiC に使用されるものと異なるか、逆であるため、電気自動車メーカーにとって多くの障害が生じます。
単結晶ダイシング、またはウェーハスライスは、その代表的な例です。機械的なソーイングは、シリコンウェーハの単結晶ダイシングの主な方法ですが、SiC には普遍的に効果的ではありません。レーザー単結晶ダイシングは有望ですが、材料を交換すると、少なくともプロセスパラメータが変更されます。エンドユーザーは、シリコンを使用する従来の方法と比較して、SiC 単結晶ダイシングに最適な光源を決定する必要もあります。
画像。
顕微鏡のクローズアップ画像では、バースト モードの UV ピコ秒パルスにより、大きな欠けがなく優れたエッジ品質が得られることがわかります。従来の機械による切断では、このような結果は得られません。
ピコ秒レーザーによる高品質なアブレーション
SiC デバイスは、従来のシリコン マイクロエレクトロニクスと同じ方法で製造されます。つまり、単一のウェーハ上に多数の個別の集積回路が作成され、その後、単結晶化されて個別のチップに切断され、パッケージングの準備が整います。
脆い SiC ウェハーを切断する場合、機械的な切断によるエッジの欠けを減らすか、完全になくすことが重要です。単結晶ダイシングでは、材料の機械的変化も最小限に抑える必要があります。また、各ウェハー上のチップの数を最大化するために、カーフ幅を最小限に抑えて「スペース」(つまり、隣接する回路間の空き領域) のサイズを制限することも優先する必要があります。
エンジニアは、これらの要素をダイシング速度、スループット、その他のコストに影響を与える決定要因と比較検討する必要があります。ダイシング プロセス中の冷却剤や洗浄液などの消耗品の使用も考慮する必要があります。
ピコ秒およびフェムト秒のパルス幅範囲の超短パルス レーザーは、硬質、透明、脆性材料など、さまざまな材料の高精度切断およびアブレーションに使用できます。超短パルス幅による処理の利点には、材料全体の加熱が最小限に抑えられ、熱影響部 (HAZ) が無視できるほど小さいことなどがあります。これらのソースは、他の種類のレーザーと比較して、エッジ品質が向上し、破片の生成が低減されます。
ほとんどのピコ秒レーザーの赤外線出力は周波数を 2 倍にして可視緑色光または紫外線を提供できますが、紫外線波長は通常、要求の厳しい用途に使用されます。この光帯域で動作する光源は、多くの場合、特定のスポット サイズに対して焦点スポット サイズを小さくし、焦点深度またはレイリー範囲を拡大できます。
これらの特性により、UV ピコ秒レーザーは、より正確な深さ制御を実現できるため、高アスペクト比の特徴とより細いカーフ幅を生成するための好ましい選択肢となっています。さらに、焦点深度が大きいため、これらの光源は広視野ガルバノメータ スキャン システムに適用しやすくなります。UV 光の浸透が制限されるため、熱影響部 (HAZ) がさらに減少します。
分析した実験の詳細な構成
しかし、どのような環境でも、短いパルス幅と短い波長でより高い歩留まりを達成するのは困難です。SiC 単結晶のダイシング結果を再現可能にするには、さまざまなシステム設計とパラメータをテストする必要があります。mks/Spectra-Physics は、焦点サイズが小さい、焦点深度が大きいなど、UV ピコ秒レーザーの利点の見通しを評価するために、一連のダイシング実験を実施しました。これらの試験では、処理の容易さの向上と熱影響部 (HAZ) の縮小も目指しました。最後に、プロセスの技術的および経済的実現可能性を評価することに加えて、さまざまなバースト設定が結果にどのように影響するかを調査するように試験が設計されました。
最初のテストでは、厚さ 340 µm の 4H-SiC ウェハー サンプルを 50 W、355 nm ピコ秒レーザーを使用して処理しました。レーザーの最大パルス エネルギーは 60 µJ を超え、繰り返し周波数 750 kHz ～ 1.25 MHz で平均電力 50 W を供給し、最大動作周波数は 10 MHz です。テストは繰り返し周波数 200 ～ 400 kHz で実施され、すべてのパルス出力形式で同様のパルス エネルギーと平均電力レベルが維持され、結果を直接比較できることを確認しました。
ピコ秒レーザーは、2 軸ガルバノメーター スキャナーと 330 mm 焦点距離の f-θ 対物レンズとともに使用されます。作業面の焦点スポット サイズは約 30 µm (1/e2 直径) です。スキャナーは 2 ～ 4 m/s の速度で動作し、スクライブごとに複数のパスがあり、ネット切断速度は 12.5 ～ 25 mm/s です。これらのテストで使用されたレーザーは、幅広いアプリケーションに対応しています。
これらのテストで使用されるレーザーはパルス列をサポートしています。レーザーは一連の狭い間隔のサブパルス列を放射し、その後、一定の時間間隔を置いて次のパルス列を放射します。多くの材料処理状況において、パルス列によってアブレーション率が向上し、表面粗さが低減されることは十分に実証されています。
さらに、テストで使用されるレーザーは、プログラム可能なバーストをサポートしています。つまり、バースト内のパルスの数、およびバースト内の各パルスの振幅と時間間隔を制御できます。さらに、パルス列のタイミング時間ジッターは非常に低いため、非常に高速なスキャン速度でも、作業面への直接配置と位置決めを高精度で行うことができます。これらの柔軟なパルス機能により、テスト中に幅広いプロセス空間を探索できます。
結果の分析
下の図 2 は、単一パルスから 12 パルスまでのさまざまなパルス列構成について、平均レーザー出力の関数として刻み深さの値を示しています。各テストでは、材料上の同じ場所に合計 80 回のストロークが実行されました。作業面上の各パルス列の位置 (合計パルス オーバーラップ) は厳密に制御されました。この場合、パルスの有効な空間オーバーラップは約 84% でした。
図 2 は、単一パルス (a、上図) およびさまざまなパルス ストリング構成 (bd、中図と下図) で 25 mm/s の速度で 4 回通過したときの、スクライビングの深さをパワーの関数として示しています。このデータは、パルス ストリングによってアブレーション レートがどのように向上するかを示しています。
これらの結果は、パルス ストリングの使用によりアブレーション レートが大幅に増加したことを示しています。この結果は予想通りであり、他の材料でピコ秒レーザー パルス ストリング処理を使用して得られた結果と一致しています。また、アブレーションしきい値は、各パルス トレインに含まれるパルスの数に応じて (基本的に対数的に) 減少します。これは、多くの材料が通常、マルチパルス照射下で「蓄積」することを示唆しています。
3D および 2D 表面トポグラフィー ツールの両方を使用して、スクライブの深さとエッジの品質を正確に測定します。走査型白色光干渉計で取得した画像には、スクライブのより詳細な部分が表示されます (図 3)。表面が滑らかで破片がないため、ピコ秒 UV レーザーは、高品質のカットという別の望ましい結果も達成します。
図 3. 白色光干渉計をスキャンして得られたスクライビング結果により、ピコ秒 UV レーザーがきれいで欠けのない切断を行うことができることが確認されました。
スクライビングのさらなる定性評価は、以下の図 4 で確認できます。1 つの画像に、1、4、8、および 12 のパルス列で連続的に生成された 25 µm の深さの溝のシリーズが示されています。平均出力は、それぞれのケースで最良の結果が得られるように必要に応じて調整されました。上段の 4 つの画像は、ウェーハの上面に焦点が当てられています。下段の 4 つの画像は、スクライビングの底面に焦点が当てられています。図 4e ～ h は、各パルス列のパルス数の関数として、カット品質の明確な比較と進行を示しています。
図 4. 25-µm の深さのノッチの上部 (下部、ad) と下部 (eh) のクローズアップ画像。バースト内のパルス数が増加するにつれて、ノッチのさまざまな値によって、カットの品質が着実に向上していることがわかります。
スクライブライン周辺の変色は表面または基板材料の変化を示しており、パルス数が増えると消えます。パルス数が多いほど、送り速度が速くなり、結果も良くなります。これは、このプロセスを使用することで、十分なスループットと優れた品質を同時に確保できることを示しています。
下の図 5 は、同じレーザー動作条件で、平均出力 16 W、正味処理速度 25 mm/s で刻まれた、刻まれた底面の高倍率画像です。この処理の結果は、下の図 5 に示されています。各条件での刻み深さは、パルス値によって 8 ～ 25 µm の範囲です。この高解像度画像では、パルス数が増えるにつれて滑らかさが向上することがわかります。パルス出力を調整すると、平均出力と全体の処理速度を一定に保ちながら、刻み深さが 3 倍に増加します。
図5. ピコ秒UVレーザーによる処理では、優れたエッジ/表面品質が得られ、高パルスカウントストリングの利点が強調されます（ad）
技術の完成
理論から実践へと進む中で、UV ピコ秒レーザーを SiC ウェーハのスクライブに適用する可能性は、パルス ストリング出力を利用して処理品質を改善し、処理速度を上げる能力によって実証されています。340 µm ウェーハの完全なダイシングのパラメータと結果を測定および評価するには、さらなる調査が必要です。
一方、私たちは、従来シリコン ウェーハのスクライビングに使用されてきた機械式のこぎりを SiC に使用することを検討しています。公開された結果によると、この方法では依然として送り速度が制限されており、たとえば 10 µm を超えるチップでは大量の破片が生成されます。
それでも、機械切断は半導体業界では今でも一般的に使用されている方法であり、代替技術が業界で受け入れられるには、スループット、歩留まり、運用コストの面で大きな利点を示す必要があります。得られた UV ピコ秒の結果は、完全なダイシングの点でさらに改善する必要がありますが、代替技術としてさらに持続的な改善が可能です。
