Ein Forschungsteam der Chiba University nutzt Rückstoßkräfte, um die Tiefe bei der Laserbearbeitung von Silizium zu messen und den tatsächlich erfolgten kompletten Schnitt durch den Wafer in Echtzeit zu erkennen.
Nicole AhnerNicoleAhner
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Close-up high-angle view of a silicon wafer showing microchip circuitry, reflective gold and orange layers, and intersecting laser beams. The image conveys advanced semiconductor fabrication, precision engineering, nanotechnology development, and the high-tech manufacturing process behind integrated circuits and modern electronics.Gerrgii - stock.adobe.com
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Laserverfahren gewinnen beim Vereinzeln von Halbleiterchips an Bedeutung. Beim sogenannten Laser Dicing trennen fokussierte Laserpulse die einzelnen Chips aus einem Wafer. Im Vergleich zum mechanischen Sägen belastet das Verfahren empfindliche Materialien weniger und eignet sich deshalb auch für Bauteile mit geringer mechanischer Festigkeit.
Entscheidend ist jedoch die genaue Dosierung der Laserpulse. Eine zu geringe Pulszahl durchtrennt den Wafer nicht vollständig. Zu viele Pulse können dagegen das Material oder das Trägersubstrat beschädigen. Bisherige Verfahren zur Messung der Bearbeitungstiefe sind nach Angaben der Forschenden häufig zu langsam oder nicht robust genug für den Einsatz in Fertigungslinien.
Ein Forschungsteam um Professor Hirofumi Hidai von der Chiba University untersuchte deshalb die Rückstoßkraft während der Laserablation. Diese sehr kleine Reaktionskraft entsteht, wenn ein Laserpuls die Materialoberfläche schnell erhitzt und verdampft. Das austretende Material übt dabei einen messbaren Rückstoß auf die Probe aus.
An der Untersuchung waren außerdem Masataka Sato und Sho Itoh von der Chiba University, Mutsumi Horikoshi von Kistler Japan sowie Souta Matsusaka von der Chiba University beteiligt. Die Veröffentlichung wird in der Fachzeitschrift Optics and Laser Technology erfolgen.
Für ihre Versuche bohrten die Forschenden mit 25 Nanosekunden langen Laserpulsen in Siliziumproben. Ein empfindlicher Kraftsensor erfasste nach jedem Puls die Rückstoßkraft, die beim Austritt des verdampften Materials entstand. Die Messungen zeigten, dass die Rückstoßkraft mit steigender Pulsenergie zunahm. Wurde der Laserfokus von der Waferoberfläche wegbewegt, verringerte sich die gemessene Kraft. Daraus leiteten die Forschenden einen mathematischen Zusammenhang zwischen Rückstoßkraft, Bearbeitungstiefe und Laserparametern ab.
„Durch die direkte Messung der Rückstoßkraft konnten wir die Bearbeitungstiefe und das Durchdringen der Probe erfassen und damit die Bedingungen der Laserbearbeitung in Echtzeit beobachten“, erklärt Professor Hidai.
Konzept der rückstoßkraftbasierten Überwachung während der Laserbearbeitung. Während wiederholte Laserimpulse eine Siliziumprobe nach und nach durchschneiden, nimmt die gemessene Rückstoßkraft mit zunehmender Bearbeitungstiefe allmählich ab.Professor Hirofumi Hidai from Chiba University, Japan Image source link: Adapted from Fig. 9 in Sato et al. Optics and Laser Technology, licensed under CC BY 4.0.
Waferdurchbruch verändert das Kraftsignal
Anschließend bearbeitete das Team die Siliziumproben mit wiederholten Laserpulsen und erfasste die Veränderung der Rückstoßkraft mit zunehmender Bohrtiefe. Je tiefer der Laser in das Silizium eindrang, desto geringer wurde die gemessene Kraft. Der Verlauf folgte dabei einem gleichmäßigen und vorhersehbaren Muster.
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Beim vollständigen Durchdringen des Wafers veränderte sich dieses Muster deutlich. Anhand dieser Signaländerung ließ sich der genaue Zeitpunkt des Waferdurchbruchs bestimmen. Eine anschließende physische Prüfung der Probe war für die Erkennung nicht erforderlich.
Das entwickelte Modell konnte zudem die Bearbeitungstiefe mit einem relativen Fehler von 24,3 Prozent abschätzen. Die Rückstoßkraftmessung liefert damit während des laufenden Laserprozesses Informationen darüber, wie weit die Bearbeitung bereits fortgeschritten ist.
Rückstoßkraftmessung soll Ausschuss reduzieren
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Das Verfahren könnte dazu beitragen, unvollständig oder zu stark bearbeitete Wafer frühzeitig zu erkennen. Dadurch ließen sich Prozessparameter während der Bearbeitung anpassen und Schäden an Wafern oder Trägermaterialien vermeiden. „Indem wir eine zu geringe oder zu starke Bearbeitung vermeiden, können wir die Zahl fehlerhafter Produkte verringern. Dies dürfte zu einer stabileren Versorgung und niedrigeren Kosten für elektronische Geräte in Smartphones, Automobilen und Medizintechnik führen“, sagt Professor Hidai.
Die Forschenden wollen die Rückstoßkraftmessung künftig direkt mit Laserbearbeitungssystemen verbinden. Solche Anlagen könnten den Bearbeitungszustand automatisch bewerten und Pulsenergie, Fokuslage oder Pulszahl während des Prozesses anpassen. Neben der Halbleiterfertigung kommt das Verfahren auch für andere Präzisionsbauteile infrage, bei denen die Bearbeitungstiefe während der Laserablation kontrolliert werden muss.
