رقاقةيُعدّ القطع أحد أهمّ مراحل إنتاج أشباه الموصلات الكهربائية. صُمّمت هذه الخطوة لفصل الدوائر المتكاملة أو الرقائق الفردية بدقة عن رقائق أشباه الموصلات.
مفتاحرقاقةتتمثل عملية القطع في القدرة على فصل الرقائق الفردية مع ضمان الحفاظ على الهياكل والدوائر الدقيقة المضمنة فيها.رقاقةلا تتضرر. إن نجاح أو فشل عملية القطع لا يؤثر فقط على جودة الفصل وإنتاجية الرقائق، بل يرتبط أيضًا بشكل مباشر بكفاءة عملية الإنتاج بأكملها.
▲ ثلاثة أنواع شائعة لتقطيع الرقائق | المصدر: KLA CHINA
حالياً، الشائعرقاقةتنقسم عمليات القطع إلى:
القطع بالشفرات: منخفض التكلفة، ويستخدم عادة للقطع السميكةرقائق السيليكون
القطع بالليزر: تكلفة عالية، ويستخدم عادةً للرقائق التي يزيد سمكها عن 30 ميكرومترًا
القطع بالبلازما: تكلفة عالية، قيود أكثر، يُستخدم عادةً للرقائق التي يقل سمكها عن 30 ميكرومترًا
القطع بشفرات ميكانيكية
القطع بالشفرة عملية قطع على طول خط التحديد باستخدام قرص طحن دوار عالي السرعة (الشفرة). تُصنع الشفرة عادةً من مادة كاشطة أو من الماس فائق الرقة، وهي مناسبة لتقطيع أو حفر أخاديد على رقائق السيليكون. مع ذلك، وباعتبارها طريقة قطع ميكانيكية، تعتمد عملية القطع بالشفرة على إزالة المادة بشكل مباشر، مما قد يؤدي بسهولة إلى تشقق أو تكسر حافة الرقاقة، وبالتالي التأثير على جودة المنتج وتقليل الإنتاجية.
تتأثر جودة المنتج النهائي الناتج عن عملية النشر الميكانيكي بعدة عوامل، بما في ذلك سرعة القطع، وسمك الشفرة، وقطر الشفرة، وسرعة دوران الشفرة.
القطع الكامل هو أبسط طريقة للقطع بالشفرة، والتي تقطع قطعة العمل بالكامل عن طريق القطع إلى مادة ثابتة (مثل شريط التقطيع).
▲ قطع كامل بشفرة ميكانيكية | مصدر الصورة: شبكة
القطع النصفي هو أسلوب معالجة ينتج عنه أخدود عن طريق القطع حتى منتصف قطعة العمل. ومن خلال الاستمرار في عملية التخديد، يمكن إنتاج رؤوس على شكل مشط أو إبرة.
▲ قطع الشفرة الميكانيكية - نصف القطع | مصدر الصورة: شبكة
القطع المزدوج هو أسلوب معالجة يستخدم منشار تقطيع مزدوج ذو محورين لإجراء عمليات قطع كاملة أو نصفية على خطي إنتاج في آن واحد. يتميز منشار التقطيع المزدوج بمحورين. ويمكن تحقيق إنتاجية عالية من خلال هذه العملية.
▲ قطع الشفرة الميكانيكية - قطع مزدوج | مصدر الصورة: شبكة
تستخدم تقنية القطع المتدرج منشارًا مزدوجًا ذا محورين لإجراء عمليات قطع كاملة ونصفية على مرحلتين. استخدم شفرات مُحسَّنة لقطع طبقة الأسلاك على سطح الرقاقة، وشفرات مُحسَّنة لقطع بلورة السيليكون الأحادية المتبقية، وذلك لتحقيق معالجة عالية الجودة.
▲ القطع الميكانيكي بالشفرات – القطع المتدرج | مصدر الصورة: شبكة
القطع المشطوف هو أسلوب معالجة يستخدم شفرة ذات حافة على شكل حرف V على الحافة المقطوعة جزئيًا لقطع الرقاقة على مرحلتين أثناء عملية القطع التدريجي. تتم عملية الشطف أثناء عملية القطع. وبالتالي، يمكن تحقيق قوة عالية للقالب وجودة معالجة عالية.
▲ القطع الميكانيكي بالشفرات – القطع المشطوف | مصدر الصورة: شبكة
القطع بالليزر
القطع بالليزر تقنية لقطع الرقائق الإلكترونية دون تلامس، تستخدم شعاع ليزر مركز لفصل الرقائق الفردية من رقائق أشباه الموصلات. يُركز شعاع الليزر عالي الطاقة على سطح الرقاقة، فيُبخر أو يُزيل المادة على طول خط القطع المحدد مسبقًا من خلال عمليات الاستئصال أو التحلل الحراري.
▲ مخطط القطع بالليزر | مصدر الصورة: KLA CHINA
تشمل أنواع الليزر المستخدمة حاليًا على نطاق واسع ليزر الأشعة فوق البنفسجية، وليزر الأشعة تحت الحمراء، وليزر الفيمتو ثانية. يُستخدم ليزر الأشعة فوق البنفسجية غالبًا في عمليات الاستئصال البارد الدقيقة نظرًا لطاقة الفوتونات العالية، وصغر منطقة التأثير الحراري، مما يقلل بشكل فعال من خطر التلف الحراري للرقاقة والرقائق المحيطة بها. أما ليزر الأشعة تحت الحمراء فهو أنسب للرقائق السميكة لقدرته على اختراق المادة بعمق. بينما يحقق ليزر الفيمتو ثانية إزالة عالية الدقة والكفاءة للمواد مع انتقال حراري شبه معدوم بفضل نبضات الضوء فائقة القصر.
يتميز القطع بالليزر بمزايا كبيرة مقارنةً بالقطع التقليدي بالشفرات. أولًا، كونه عملية لا تلامسية، لا يتطلب القطع بالليزر ضغطًا ماديًا على الرقاقة، مما يقلل من مشاكل التفتت والتشقق الشائعة في القطع الميكانيكي. هذه الميزة تجعل القطع بالليزر مناسبًا بشكل خاص لمعالجة الرقاقات الهشة أو فائقة الرقة، لا سيما تلك ذات الهياكل المعقدة أو التفاصيل الدقيقة.
▲ مخطط القطع بالليزر | شبكة مصدر الصورة
إضافةً إلى ذلك، تُمكّن الدقة العالية لتقنية القطع بالليزر من تركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة للغاية، ودعم أنماط القطع المعقدة، وتحقيق فصل بأقل مسافة ممكنة بين الرقائق. وتُعد هذه الميزة بالغة الأهمية لأجهزة أشباه الموصلات المتقدمة ذات الأحجام المتضائلة.
مع ذلك، فإنّ القطع بالليزر له بعض القيود. فمقارنةً بالقطع بالشفرات، يُعدّ أبطأ وأكثر تكلفة، لا سيما في الإنتاج على نطاق واسع. إضافةً إلى ذلك، قد يكون اختيار نوع الليزر المناسب وتحسين المعايير لضمان إزالة المواد بكفاءة وتقليل المنطقة المتأثرة بالحرارة أمرًا صعبًا بالنسبة لبعض المواد وسماكاتها.
قطع الاستئصال بالليزر
أثناء عملية القطع بالليزر، يُركز شعاع الليزر بدقة على موضع محدد على سطح الرقاقة، وتُوجه طاقة الليزر وفقًا لنمط قطع مُحدد مسبقًا، ليقطع الرقاقة تدريجيًا حتى الوصول إلى قاعها. وبحسب متطلبات القطع، تُجرى هذه العملية باستخدام ليزر نبضي أو ليزر موجة مستمرة. ولمنع تلف الرقاقة نتيجة التسخين الموضعي المفرط لليزر، يُستخدم ماء التبريد لتبريد الرقاقة وحمايتها من التلف الحراري. كما يُسهم ماء التبريد في إزالة الجزيئات المتولدة أثناء عملية القطع بكفاءة، مما يمنع التلوث ويضمن جودة القطع.
قطع غير مرئي بالليزر
يمكن أيضًا تركيز الليزر لنقل الحرارة إلى جسم الرقاقة الرئيسي، وهي طريقة تُعرف باسم "القطع بالليزر غير المرئي". في هذه الطريقة، تُحدث حرارة الليزر فجوات في مسارات القطع. ثم تُحقق هذه المناطق الضعيفة تأثير اختراق مماثلًا عند تمدد الرقاقة، حيث تنكسر عند شدها.
▲العملية الرئيسية للقطع غير المرئي بالليزر
تعتمد عملية القطع غير المرئي على امتصاص الليزر الداخلي، على عكس عملية الاستئصال بالليزر التي يتم فيها امتصاص الليزر على السطح. في القطع غير المرئي، تُستخدم طاقة شعاع ليزر بطول موجي شبه شفاف لمادة ركيزة الرقاقة. تنقسم العملية إلى خطوتين رئيسيتين: الأولى تعتمد على الليزر، والثانية تعتمد على الفصل الميكانيكي.
▲ يُحدث شعاع الليزر ثقبًا أسفل سطح الرقاقة، ولا تتأثر الجوانب الأمامية والخلفية | مصدر الصورة: شبكة
في الخطوة الأولى، أثناء مسح شعاع الليزر للرقاقة، يتركز الشعاع على نقطة محددة داخلها، مُشكلاً نقطة تشقق داخلية. تتسبب طاقة الشعاع في تكوين سلسلة من الشقوق الداخلية، والتي لم تمتد بعد عبر كامل سُمك الرقاقة إلى سطحيها العلوي والسفلي.
▲مقارنة بين رقائق السيليكون بسمك 100 ميكرومتر مقطوعة بطريقة الشفرة وطريقة القطع بالليزر غير المرئي | مصدر الصورة: شبكة
في الخطوة الثانية، يتم تمديد شريط الرقاقة الموجود أسفلها، مما يُحدث إجهاد شد في الشقوق داخل الرقاقة، والتي تتشكل بدورها أثناء عملية الليزر في الخطوة الأولى. يؤدي هذا الإجهاد إلى امتداد الشقوق عموديًا إلى السطحين العلوي والسفلي للرقاقة، ثم فصلها إلى رقائق على طول نقاط القطع هذه. في القطع غير المرئي، يُستخدم عادةً القطع النصفي أو القطع النصفي السفلي لتسهيل فصل الرقاقات إلى رقائق.
المزايا الرئيسية للقطع بالليزر غير المرئي مقارنةً بالاستئصال بالليزر:
• لا حاجة إلى سائل تبريد
• لم يتم توليد أي حطام
• لا توجد مناطق متأثرة بالحرارة قد تُلحق الضرر بالدوائر الحساسة
القطع بالبلازما
يُعدّ القطع بالبلازما (المعروف أيضاً باسم الحفر بالبلازما أو الحفر الجاف) تقنية متطورة لقطع الرقاقات، تستخدم الحفر الأيوني التفاعلي (RIE) أو الحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE) لفصل الرقاقات الفردية عن رقاقات أشباه الموصلات. وتعتمد هذه التقنية على إزالة المواد كيميائياً على طول خطوط قطع محددة مسبقاً باستخدام البلازما.
أثناء عملية القطع بالبلازما، توضع رقاقة أشباه الموصلات في حجرة مفرغة من الهواء، ويُضخ إليها مزيج غازي تفاعلي مُتحكم به، ويُطبق مجال كهربائي لتوليد بلازما تحتوي على تركيز عالٍ من الأيونات والجذور الحرة التفاعلية. تتفاعل هذه الأنواع التفاعلية مع مادة الرقاقة وتزيلها بشكل انتقائي على طول خط القطع من خلال مزيج من التفاعل الكيميائي والرش الفيزيائي.
تتمثل الميزة الرئيسية للقطع بالبلازما في تقليل الإجهاد الميكانيكي على الرقاقة والرقاقة الإلكترونية، والحد من الأضرار المحتملة الناتجة عن التلامس المباشر. مع ذلك، تُعد هذه العملية أكثر تعقيدًا وتستغرق وقتًا أطول من الطرق الأخرى، خاصةً عند التعامل مع الرقاقات السميكة أو المواد ذات المقاومة العالية للحفر، مما يحد من استخدامها في الإنتاج الضخم.
▲مصدر الصورة: شبكة
في صناعة أشباه الموصلات، يجب اختيار طريقة قطع الرقاقة بناءً على العديد من العوامل، بما في ذلك خصائص مادة الرقاقة، وحجم الشريحة وهندستها، والدقة المطلوبة، وتكلفة الإنتاج الإجمالية وكفاءتها.
تاريخ النشر: 20 سبتمبر 2024