رقاقةيُعدّ القطع إحدى الحلقات المهمة في إنتاج أشباه الموصلات الكهربائية. صُممت هذه الخطوة لفصل الدوائر المتكاملة أو الرقائق بدقة عن رقائق أشباه الموصلات.
المفتاح لرقاقةإن عملية القطع هي القدرة على فصل الرقائق الفردية مع ضمان عدم وجود هياكل ودوائر دقيقة مدمجة فيرقاقةلا تتضرر. نجاح أو فشل عملية القطع لا يؤثر فقط على جودة الفصل وإنتاجية الرقاقة، بل يرتبط أيضًا ارتباطًا مباشرًا بكفاءة عملية الإنتاج بأكملها.
▲ثلاثة أنواع شائعة لقطع الرقاقات | المصدر: KLA CHINA
حاليا، المشتركرقاقةتنقسم عمليات القطع إلى:
قطع الشفرة: منخفض التكلفة، يستخدم عادة للأجزاء الأكثر سمكًارقائق
القطع بالليزر: عالي التكلفة، يستخدم عادة للرقائق التي يزيد سمكها عن 30 ميكرومتر
قطع البلازما: تكلفة عالية، وقيود أكثر، ويستخدم عادة للرقائق التي يقل سمكها عن 30 ميكرومتر
قطع الشفرة الميكانيكية
القطع بالشفرة هو عملية قطع على طول خط الكتابة باستخدام قرص طحن دوار عالي السرعة (شفرة). تُصنع الشفرة عادةً من مادة كاشطة أو ماسية رقيقة جدًا، وهي مناسبة لتقطيع أو حفر رقائق السيليكون. ومع ذلك، ولأنها طريقة قطع ميكانيكية، تعتمد عملية القطع بالشفرة على إزالة المواد المادية، مما قد يؤدي بسهولة إلى تشقق أو تشقق حافة الشريحة، مما يؤثر على جودة المنتج ويقلل من الإنتاجية.
تتأثر جودة المنتج النهائي الذي يتم إنتاجه بواسطة عملية النشر الميكانيكية بمعلمات متعددة، بما في ذلك سرعة القطع، وسمك الشفرة، وقطر الشفرة، وسرعة دوران الشفرة.
القطع الكامل هو الطريقة الأساسية لقطع الشفرة، والتي تقطع قطعة العمل بالكامل عن طريق القطع إلى مادة ثابتة (مثل شريط التقطيع).
▲ قطع شفرة ميكانيكية - قطع كامل | مصدر الصورة: شبكة
القطع النصفي هو طريقة معالجة تُنتج أخدودًا بالقطع في منتصف قطعة العمل. ومن خلال إجراء عملية الأخدود باستمرار، يمكن إنتاج نقاط مشطية وإبرية الشكل.
▲ قطع ميكانيكي بالشفرة - نصف قطع | مصدر الصورة: شبكة
القطع المزدوج هو طريقة معالجة تستخدم منشار تقطيع مزدوج مزود بمغزلين لإجراء قطع كامل أو نصفي على خطي إنتاج في آنٍ واحد. يحتوي منشار التقطيع المزدوج على محوري مغزل. يمكن تحقيق إنتاجية عالية من خلال هذه العملية.
▲ قطع ميكانيكي بالشفرة - قطع مزدوج | مصدر الصورة: شبكة
يستخدم القطع المتدرج منشارًا مزدوجًا مزودًا بمغزلين لإجراء قطع كامل ونصفي على مرحلتين. تُستخدم شفرات مُحسّنة لقطع طبقة الأسلاك على سطح الرقاقة، وشفرات مُحسّنة لبلورة السيليكون المفردة المتبقية، لتحقيق معالجة عالية الجودة.
▲ قطع الشفرة الميكانيكية - قطع متدرج | مصدر الصورة: شبكة
القطع المشطوف هو طريقة معالجة تستخدم شفرة ذات حافة على شكل حرف V على الحافة نصف المقطوعة لقطع الرقاقة على مرحلتين أثناء عملية القطع المتدرجة. تُجرى عملية الشطب أثناء عملية القطع. وبالتالي، يمكن تحقيق قوة عالية للقالب وجودة معالجة عالية.
▲ قطع ميكانيكي بالشفرة - قطع مشطوف | مصدر الصورة: شبكة
القطع بالليزر
القطع بالليزر هو تقنية قطع رقائق بدون تلامس، تستخدم شعاع ليزر مُركز لفصل الرقائق الفردية عن رقائق أشباه الموصلات. يُركز شعاع الليزر عالي الطاقة على سطح الرقاقة، ويُبخّر المادة أو يُزيلها على طول خط القطع المُحدد مسبقًا من خلال عمليات الاستئصال أو التحلل الحراري.
▲ مخطط القطع بالليزر | مصدر الصورة: KLA CHINA
تشمل أنواع الليزر المستخدمة على نطاق واسع حاليًا ليزرات الأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء، والفيمتو ثانية. من بينها، تُستخدم ليزرات الأشعة فوق البنفسجية غالبًا في الاستئصال البارد الدقيق نظرًا لطاقتها الفوتونية العالية، وصغر منطقة تأثرها بالحرارة، مما يقلل بشكل فعال من خطر التلف الحراري للرقاقة والرقائق المحيطة بها. تُعد ليزرات الأشعة تحت الحمراء أكثر ملاءمةً للرقاقات السميكة نظرًا لقدرتها على اختراق المواد بعمق. يحقق ليزر الفيمتو ثانية إزالة عالية الدقة وفعالة للمواد مع نقل حرارة يكاد يكون ضئيلًا عبر نبضات ضوئية فائقة القصر.
يتميز القطع بالليزر بمزايا كبيرة مقارنةً بالقطع التقليدي بالشفرة. أولاً، كونه عمليةً غير 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، وخاصةً تلك ذات الهياكل المعقدة أو الميزات الدقيقة.
▲ مخطط القطع بالليزر | شبكة مصدر الصورة
علاوةً على ذلك، تُمكّن الدقة العالية للقطع بالليزر من تركيز شعاع الليزر على بقعة صغيرة جدًا، ودعم أنماط قطع معقدة، وتحقيق الحد الأدنى من التباعد بين الرقائق. تُعد هذه الميزة بالغة الأهمية لأجهزة أشباه الموصلات المتقدمة ذات الأحجام المتقلصة.
ومع ذلك، فإن القطع بالليزر له بعض القيود. فمقارنةً بالقطع بالشفرة، فهو أبطأ وأكثر تكلفة، خاصةً في الإنتاج واسع النطاق. إضافةً إلى ذلك، قد يُشكّل اختيار نوع الليزر المناسب وتحسين المعايير لضمان إزالة المواد بكفاءة وتقليل المناطق المتأثرة بالحرارة تحديًا لبعض المواد والسماكات.
قطع الاستئصال بالليزر
أثناء القطع بالاستئصال بالليزر، يُركز شعاع الليزر بدقة على موقع محدد على سطح الرقاقة، وتُوجَّه طاقة الليزر وفقًا لنمط قطع مُحدَّد مسبقًا، لتقطع الرقاقة تدريجيًا حتى تصل إلى أسفلها. وتُجرى هذه العملية، حسب متطلبات القطع، باستخدام ليزر نبضي أو ليزر موجة مستمرة. ولمنع تلف الرقاقة بسبب التسخين الموضعي المفرط لليزر، يُستخدم ماء التبريد لتبريدها وحمايتها من التلف الحراري. وفي الوقت نفسه، يُزيل ماء التبريد بفعالية الجسيمات المتولدة أثناء عملية القطع، ويمنع التلوث، ويضمن جودة القطع.
القطع غير المرئي بالليزر
يمكن أيضًا تركيز الليزر لنقل الحرارة إلى الجسم الرئيسي للرقاقة، وهي طريقة تُسمى "القطع بالليزر غير المرئي". في هذه الطريقة، تُحدث حرارة الليزر فجوات في مسارات الكتابة. تُحقق هذه المناطق الضعيفة تأثير اختراق مماثل عن طريق الكسر عند تمدد الرقاقة.
▲العملية الرئيسية للقطع غير المرئي بالليزر
عملية القطع غير المرئية هي عملية ليزر امتصاص داخلي، وليست عملية استئصال بالليزر حيث يُمتص الليزر على السطح. في عملية القطع غير المرئية، تُستخدم طاقة شعاع ليزر بطول موجي شبه شفاف لمادة ركيزة الرقاقة. تنقسم العملية إلى خطوتين رئيسيتين: إحداهما عملية تعتمد على الليزر، والأخرى عملية فصل ميكانيكي.
▲يُنشئ شعاع الليزر ثقبًا أسفل سطح الرقاقة، ولا يتأثر الجانبان الأمامي والخلفي | شبكة مصدر الصورة
في الخطوة الأولى، أثناء مسح شعاع الليزر للرقاقة، يُركز على نقطة محددة داخلها، مُشكلاً نقطة تشقق. تُسبب طاقة الشعاع تشققات داخلية، لم تمتد بعد عبر كامل سُمك الرقاقة إلى سطحيها العلوي والسفلي.
▲مقارنة بين رقائق السيليكون بسمك 100 ميكرومتر المقطوعة بطريقة الشفرة وطريقة القطع بالليزر غير المرئي | شبكة مصادر الصور
في الخطوة الثانية، يتمدد شريط الرقاقة أسفلها ماديًا، مما يُسبب إجهاد شد في الشقوق داخلها، والتي تُحدثها عملية الليزر في الخطوة الأولى. يُؤدي 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 النصف السفلي لتسهيل فصل الرقاقات إلى رقائق أو شظايا.
المزايا الرئيسية للقطع بالليزر غير المرئي مقارنة بالاستئصال بالليزر:
• لا حاجة لسائل التبريد
• لا يوجد حطام متولد
• لا توجد مناطق متأثرة بالحرارة والتي قد تتسبب في إتلاف الدوائر الحساسة
قطع البلازما
القطع بالبلازما (المعروف أيضًا باسم الحفر البلازمي أو الحفر الجاف) هو تقنية متقدمة لقطع الرقاقات، تستخدم الحفر الأيوني التفاعلي (RIE) أو الحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE) لفصل الرقاقات الفردية عن رقائق أشباه الموصلات. تُنجز هذه التقنية القطع بإزالة المواد كيميائيًا على طول خطوط قطع محددة مسبقًا باستخدام البلازما.
أثناء عملية القطع بالبلازما، تُوضع رقاقة أشباه الموصلات في حجرة مفرغة، ويُدخل خليط غازي تفاعلي مُتحكم به إلى الحجرة، ويُطبق مجال كهربائي لتوليد بلازما تحتوي على تركيز عالٍ من الأيونات والجذور التفاعلية. تتفاعل هذه الجزيئات التفاعلية مع مادة الرقاقة، وتُزيلها انتقائيًا على طول خط الكتابة من خلال مزيج من التفاعل الكيميائي والرش الفيزيائي.
الميزة الرئيسية للقطع بالبلازما هي تقليل الضغط الميكانيكي على الرقاقة والشريحة، وتقليل الضرر المحتمل الناتج عن التلامس المادي. ومع ذلك، فإن هذه العملية أكثر تعقيدًا واستهلاكًا للوقت من الطرق الأخرى، خاصةً عند التعامل مع الرقاقات السميكة أو المواد ذات مقاومة النقش العالية، لذا فإن تطبيقها في الإنتاج الضخم محدود.
▲شبكة مصدر الصورة
في تصنيع أشباه الموصلات، يجب اختيار طريقة قطع الرقاقة بناءً على العديد من العوامل، بما في ذلك خصائص مادة الرقاقة، وحجم الرقاقة وهندستها، والدقة المطلوبة، وتكلفة الإنتاج الإجمالية والكفاءة.
وقت النشر: ٢٠ سبتمبر ٢٠٢٤