Die Halbleiterfertigung erfordert unglaubliche Präzision. In einer Branche, in der ein Mikrometer als groß gilt, können selbst kleine Prozessabweichungen die Ausbeute oder Leistung beeinträchtigen.
Innerhalb dieser engen Parameter benötigen Sie dennoch dauerhafte Kennzeichnungen für die Rückverfolgbarkeit, die von automatischen Bildverarbeitungssystemen gelesen und präzise positioniert werden können.
Und diese Markierungen müssen so aufgebracht werden, dass keine Verunreinigungen oder thermischen Schäden entstehen.
Die Laserbeschriftung von Wafern ist oft die beste Lösung, da sie eine berührungslose Verarbeitung mit hoher Wiederholbarkeit und Integration in automatisierte Arbeitsabläufe bietet.
Die Kennzeichnung von Halbleitern erfolgt in der Regel mit einer der beiden wichtigsten Laserbeschriftungsmethoden:
Eine der am weitesten verbreiteten Methoden in modernen Halbleiterfabriken ist das partikelfreie Soft-Marking. Anstatt Material abzutragen, wird die Laserenergie exakt gesteuert, um die Waferoberfläche zu verformen. Dadurch entsteht eine Mikrovertiefung, die nur etwa 0,1 Mikrometer (100 Nanometer) tief sein kann, ohne lose Partikel zu erzeugen.
Diese Markierungen ähneln eng beieinander liegenden Dimples eines Golfballs. Für das bloße Auge können sie unter normalen Lichtverhältnissen fast unsichtbar sein. Mithilfe von maschinellen Bildverarbeitungssystemen, die eine schräge oder strukturierte Beleuchtung verwenden, können sie jedoch genau gelesen werden.
Daher eignet sich das Soft-Marking ideal, wenn Wafer bereits Reinigungsschritte durchlaufen haben und direkt zur Beschichtung, Abscheidung oder Lithografie übergehen müssen, ohne dass nach der Beschriftung Reinigungsschritte erforderlich sind.
Da keine Ablation auftritt, ist das Risiko einer Kontamination ausgeschlossen. Der Nachteil ist, dass es für Menschen schwierig sein kann, diese Markierungen zu lesen, da sie für die automatische Prüfung und nicht für die manuelle Identifizierung optimiert sind.
Bei der Ablationsbeschriftung wird Material von der Waferoberfläche abgetragen, um eine tiefere, besser sichtbare Markierung zu erzeugen. Abhängig von den Laserparametern und den Materialeigenschaften können die Ablationstiefen von einigen Dutzend bis zu Hunderten von Mikrometern reichen. Da die Markierungen für das menschliche Auge sehr kontrastreich sind, sind sie leichter zu lesen als weiche Markierungen.
Bei der Ablation entstehen während der Verarbeitung allerdings einige Rückstände. Luftunterstützung, Rauchabsaugung und Vakuumsysteme können die Partikelkontamination reduzieren, aber die Ablation erfordert in der Regel eine Reinigung der Halbleiter nach der Beschriftung.
Aus diesem Grund wird die Ablation oft zu einem früheren Zeitpunkt im Prozessablauf oder von Waferlieferanten eingesetzt, die wissen, dass ihre Kunden die Wafer vor der Endfertigung reinigen wollen.
Die Ablation wird auch zum Durchsatzfaktor, wenn die Beschriftung in großem Maßstab durchgeführt wird. Während die Beschriftung eines einzelnen Wafer-Identifikators nur Millisekunden dauert, kann die Beschriftung von Hunderten oder Tausenden von Barcodes auf Die-Ebene eines Wafers die Zykluszeit erheblich verlängern.
In diesen Fällen kann eine höhere Leistung und Pulsenergie erforderlich sein, jedoch ist darauf zu achten, dass keine übermäßige Hitze entsteht, die die Wafereigenschaften beeinträchtigen kann.
Die Wahl zwischen dem partikelfreien Soft-Marking und der Ablation ist keine kosmetische Entscheidung. Sie wird bestimmt durch eine Kombination aus:
Die wichtigsten Überlegungen sind, ob eine Reinigung nach der Beschriftung zulässig ist, wie viel Kontrast für nachgelagerte Bildverarbeitungssysteme erforderlich ist und ob die Identifizierung auf Waferebene oder auf Ebene einzelner Dies erfolgen soll.
Während beide Ansätze für einen geringen Wärmeeintrag optimiert werden können, minimiert das Soft-Marking von Natur aus die Wärmebelastung. Die Ablation erfordert eine präzisere Pulssteuerung, um die Entstehung unbeabsichtigter Wärmeeinflusszonen zu vermeiden.
Da jede Situation einzigartig ist, sollten Sie mit einem Experten sprechen, bevor Sie sich für eine Methode entscheiden.
Für die meisten Waferbeschriftungsanwendungen sind Ultraviolett-(UV)-Nanosekundenlaser die bevorzugte Wahl. Die kurze Wellenlänge ermöglicht eine kleinere Spotgröße und liefert hochauflösende Markierungen mit präziser Kantenschärfe.
Noch wichtiger ist, dass UV-Laser Kaltbeschriftungen vornehmen können, bei denen die Materialinteraktion mit minimaler Wärmeausbreitung in die umliegenden Bereiche erfolgt.
Pikosekunden- und Femtosekundenlaser können die thermischen Effekte noch weiter reduzieren, sind jedoch deutlich kostenintensiver. Infolgedessen ist ihr Einsatz allein für die Beschriftung selten gerechtfertigt. Diese ultraschnellen Quellen werden noch attraktiver, wenn das Beschriften mit anderen laserbasierten Verfahren wie dem Präzisionsbohren oder der Mikrobearbeitung kombiniert wird, bei denen eine hervorragende Kantenqualität und ein minimaler Wärmeeintrag entscheidend sind.
CO₂-Laser werden bei der Waferbeschriftung aufgrund ihrer höheren thermischen Belastung im Allgemeinen vermieden.
Wenn von Waferbeschriftung die Rede ist, handelt es sich in der Regel um Siliziumwafer, sofern kein anderes Material angegeben ist.
Silizium ist das am häufigsten verwendete Substrat in der Halbleiterfertigung und eignet sich sowohl für das partikelfreie Soft-Marking als auch für die Ablation.
Glaswafer verhalten sich anders. Soft Dimpling funktioniert nicht zuverlässig, und der Oberflächenabtrag kann winzige Risse oder Absplitterungen erzeugen.
Stattdessen werden häufig stark fokussierte Laserstrahlen verwendet, um Mikroeinschlüsse unter der Oberfläche zu erzeugen, wobei die Markierung in der Mittelebene des Glases platziert wird, um die Oberflächenintegrität zu erhalten.
Je nach Zusammensetzung können Keramik oder Siliziumkarbid Farbänderungs- oder Glühmarkierungen ohne Ablation unterstützen, oder sie erfordern einen geringen Materialabtrag.
Jedes dieser Materialien ist besonders hitzeempfindlich, was die Notwendigkeit erhöht, die Wärmebelastung zu minimieren.
Galliumnitrid, Galliumarsenid, Quarz und Quarzglas erfordern speziell angepasste Wellenlängen und Pulsdauern, um lesbare Markierungen mit oder ohne Ablationsschäden zu erzielen.
Entgegen der Erwartung ist der Laser selbst nur selten der begrenzende Faktor bei der Waferbeschriftung. Heutzutage können Laser problemlos außergewöhnlich kleine Spotgrößen erreichen. Die eigentliche Herausforderung besteht jedoch darin, diesen Spot mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich über den gesamten Wafer zu positionieren.
Halbleiterspezifikationen verlangen routinemäßig enge Toleranzen von ±2 Mikrometern oder weniger. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind Hunderte von XY- und Z-Tischen im Nanometerbereich erforderlich, die oft auf Granitsockeln oder thermisch isolierten Rahmen montiert sind, um Vibrationen und Drift zu minimieren.
Das System muss diese Genauigkeit nicht nur an einem einzelnen Punkt, sondern über 200-mm- oder 300-mm-Wafer hinweg beibehalten.
Roboter-Wafer-Handler können Wafer in der Regel mit einer Genauigkeit von fünf bis zehn Mikrometern platzieren, was für eine präzise Beschriftung oft nicht ausreicht. Ein integriertes Bildverarbeitungssystem ist erforderlich, um die Waferkanten oder Fiducials zu lokalisieren, die erforderlichen Offsets zu berechnen und die Position dynamisch zu korrigieren, bevor der Laser auslöst.
Nach der Beschriftung muss das Bildverarbeitungssystem eine erneute Messung und dynamische Validierung durchführen.
Liegt die Beschriftung außerhalb der Toleranzen, wird der Wafer gekennzeichnet oder zurückgewiesen, und das System kann den erkannten Offset bei nachfolgenden Wafern automatisch ausgleichen. Eine kontinuierliche Nachkalibrierung ist unerlässlich, denn schon eine Temperaturänderung von 0,1 °C kann die Ausrichtung um mehrere Mikrometer verschieben und dazu führen, dass die Markierungen außerhalb der Toleranzen liegen.
Mit zunehmenden Waferdurchmessern steigen auch die technischen Herausforderungen. Größere Wafer verstärken die Herausforderungen in Bezug auf Ebenheit, Biegung und Höhenkontrolle. Bei dünnen Wafern muss außerdem die Durchbiegung berücksichtigt werden, die zu Krümmung oder zum Verziehen führen kann.
Dies erfordert eine präzise Z-Achsenkorrektur, selbst wenn die Tiefenschärfe des Lasers Höhenschwankungen toleriert. Während der Laserfokus selbst eine gewisse Höhenschwankung tolerieren kann, muss das integrierte System dies kompensieren, um wiederholbare Ergebnisse auf der gesamten Oberfläche zu gewährleisten.
Je nach Prozess kann die Beschriftung entweder in den frühen oder in den späten Phasen der Produktion erfolgen.
In den meisten Halbleiterfabriken wird die Kennzeichnung der Wafer zu einem frühen Zeitpunkt im Prozess vorgenommen, bevor Beschichtungen, Metallisierungen oder Strukturen hinzugefügt werden. Dieser Ansatz gewährleistet die Rückverfolgbarkeit vom Rohsubstrat bis zu jeder Phase der Herstellung.
Daher muss die Markierung die nachgelagerte Verarbeitung überstehen, ohne den Wafer zu beschädigen oder zu verunreinigen.
In anderen Fällen erfolgt die Beschriftung später im Prozess, um fertige Wafer, beschichtete Substrate oder einzelne Komponenten zu kennzeichnen.
Diese Anwendungen sind in der Regel weniger anspruchsvoll, da die Beschriftung auf eine bestehende Oberflächenschicht und nicht auf das Basissubstrat aufgebracht wird. In diesen Szenarien ähnelt die Waferbeschriftung eher allgemeinen Laserbeschriftungsprozessen, mit dem Unterschied der Reinraumtauglichkeit.
Bei der Bewertung einer Waferbeschriftungslösung muss die Qualität des Lasers selbst, die optische Konfiguration sowie die Stabilität und Präzision des integrierten Systems beurteilt werden. Zu den wichtigsten Fragen zählen:
Vielleicht am wichtigsten: Käufer sollten die Erfahrung des Integrators beurteilen. Die konsequente Einhaltung von Toleranzen im Submikrometerbereich ist keine leichte Aufgabe, und nur eine begrenzte Anzahl von Systemherstellern verfügt über ausgewiesene Fachkenntnisse im Bereich der Halbleiter-Bewegungssteuerung und der Integration von Bildverarbeitung.
Wafer so zu beschriften, dass die Rückverfolgbarkeit gewährleistet ist, ohne die Leistung oder Ausbeute zu beeinträchtigen, erfordert eine sorgfältige Integration von Laserlösungen mit geringer thermischer Belastung, bildverarbeitungsgesteuertem Roboter-Feedback und Flexibilität bei der Handhabung verschiedener Materialien.
Die meisten der heutigen Wafer sind 200 bis 300 mm groß. 450 mm große Wafer werden in der Regel für Forschung und Entwicklung verwendet. Da die Wafer jedoch immer größer und dünner werden, nimmt auch die Komplexität zu.
Sie benötigen ein robustes Laserbeschriftungssystem, das sowohl den heutigen als auch den zukünftigen Anforderungen der Halbleiterfertigung gerecht wird.
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Alex Laymon became President and Director of DPSS Lasers (now a Laserax company) in 1998. He previously served as the Vice President of Engineering at LiCONiX, following a series of technical positions that included Engineering Manager and Senior Laser Engineer. Mr. Laymon received his B.S. in Engineering Physics and his M.B.A. at Santa Clara University. His decades of expertise in UV lasers now contribute to Laserax's mission to shape the future of high-precision laser solutions.
In der industriellen Fertigung, wo es vor allem auf Geschwindigkeit und Langlebigkeit ankommt, hat sich das Lasergravieren als eine der effizientesten und zuverlässigsten Lösungen für eine hochwertige Teilekennzeichnung bewährt. In diesem Artikel gehen wir auf die wichtigsten Aspekte des Lasergravierens von Aluminium ein – von der Funktionsweise bis hin zur Auswahl des besten Geräts für Ihre spezifischen Anforderungen.
Für die industrielle Laserbeschriftung sind Hochgeschwindigkeitslaser unerlässlich, um straffe Produktionspläne einzuhalten und gleichzeitig hohe Qualitätsstandards zu erfüllen. Doch bei so vielen Angeboten kann die Auswahl schwierig sein. Schließlich wollen Sie eine Maschine, die nicht nur schnell, sondern auch wirtschaftlich arbeitet.
Glasfaser-Laser, CO2-Laser und Diodenlaser können zwar alle zum Gravieren von Metall verwendet werden, welche Art von Lasergravierer Sie jedoch benötigen, hängt von der Verwendungsweise ab. Wenn Sie eine Produktionsstraße betreiben, benötigen Sie einen Faserlaser. Wenn Sie ein kleines Unternehmen haben oder als Anfänger einfach nur Heimwerkerprojekte durchführen möchten, ist ein CO2-Laser oder ein Diodenlaser möglicherweise ausreichend.
