Dans la fabrication des semi-conducteurs, la précision est primordiale. Des puces logiques avancées aux dispositifs haute puissance, l'intégrité des plaquettes a un impact direct sur le rendement, les performances et la fiabilité à long terme. L'un des défis les plus subtils mais critiques de la microfabrication au laser est le contrôle de la Zone Affectée Thermiquement (ZAT)—la région microscopique entourant une zone traitée au laser où l'énergie thermique modifie les propriétés du matériau. Minimiser la ZAT est essentiel, en particulier pour le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et d'autres plaquettes de semi-conducteurs à large bande interdite, où même de minuscules distorsions thermiques peuvent induire des fissures ou des déformations.

Le problème des lasers nanosecondes conventionnels

Les lasers pulsés nanosecondes (ns) traditionnels délivrent de l'énergie sur des dizaines de nanosecondes. Bien que cela soit rapide à l'échelle humaine, c'est relativement lent dans le contexte des vibrations du réseau atomique. Lorsqu'une impulsion nanoseconde frappe une plaquette de semi-conducteur, la chaleur a le temps de se diffuser dans le réseau cristallin environnant. Les conséquences incluent :

1. Expansion thermique et microfissures – Le chauffage localisé provoque une expansion transitoire qui, dans les matériaux fragiles comme le SiC, peut entraîner des fractures microscopiques.

2. Refonte du matériau et débris – Le matériau fondu peut se resolidifier de manière inégale, laissant des couches refondues qui interfèrent avec le traitement ultérieur ou les performances du dispositif.

3. Contrainte résiduelle et déformation – Le chauffage inégal introduit des contraintes internes, ce qui est particulièrement problématique pour les plaquettes de grand diamètre.

Dans les usines de semi-conducteurs à volume élevé, ces effets se traduisent par un rendement inférieur et un coût par puce plus élevé.

Entrez Les lasers picosecondes: Ultra-rapides, ultra-précis

Les lasers picosecondes (ps) émettent des impulsions de l'ordre de 10^-12 secondes, soit environ 1 000 fois plus courtes que les lasers nanosecondes. Cette durée d'impulsion ultra-courte modifie fondamentalement la façon dont l'énergie interagit avec la plaquette :

• Enlèvement de matière athermal – La durée de l'impulsion est inférieure au temps nécessaire à une diffusion thermique significative. Au lieu de faire fondre le matériau, le laser induit une excitation électronique rapide, brisant les liaisons presque instantanément. Ce processus, souvent appelé « ablation à froid », élimine le matériau avec une conduction thermique minimale vers les zones environnantes.

• Zone affectée thermiquement minimale – La chaleur ne pouvant pas migrer loin de la zone irradiée, la ZAT est considérablement réduite, souvent à des échelles submicroniques. Cette précision est cruciale pour les motifs délicats dans les dispositifs SiC haute tension ou les transistors GaN haute fréquence.

• Intégrité microstructurale améliorée – En évitant la fusion prolongée, les lasers picosecondes préservent le réseau cristallin, empêchant les microfissures, l'accumulation de contraintes et la déformation.

Étude de cas : Scribing de plaquettes SiC

Considérez le scribing de plaquettes, un processus utilisé pour séparer les puces découpées de la plaquette en vrac. Les lasers nanosecondes créent souvent des microfissures s'étendant sur des dizaines de microns au-delà de la ligne de scribing, tandis que les lasers picosecondes limitent la ZAT à moins de quelques microns. Cette différence n'est pas seulement cosmétique ; elle améliore directement le rendement des matrices, réduit l'écaillage des bords et améliore la fiabilité des dispositifs, en particulier dans les applications haute puissance.

Au-delà de la ZAT : les lasers picosecondes permettent de nouvelles possibilités de traitement

En plus d'un contrôle supérieur de la ZAT, les lasers picosecondes offrent des avantages annexes qui stimulent l'innovation dans la fabrication des semi-conducteurs :

• Microstructuration 3D – La précision permet des géométries complexes telles que des micro-trous, des canaux ou des guides d'ondes dans les substrats GaN-sur-Si ou SiC.

• Réduction du post-traitement – Moins de dommages thermiques réduisent le besoin de gravure chimique ou de polissage mécanique, ce qui permet de gagner du temps et de réduire les risques de contamination.

• Compatibilité avec les substrats transparents – Les impulsions ultra-rapides peuvent traiter le saphir ou d'autres substrats optiques sans se fissurer, ouvrant la voie à l'intégration de l'optique et de l'optique laser.

Conclusion

Pour les plaquettes de semi-conducteurs de nouvelle génération, où la sensibilité thermique, la fragilité des matériaux et la précision microscopique sont primordiales, les lasers picosecondes représentent un changement de paradigme. En confinant la zone affectée thermiquement à des dimensions quasi nulles, ces lasers ultra-rapides protègent l'intégrité des plaquettes, maximisent le rendement et permettent des possibilités de traitement qui étaient auparavant impossibles avec la technologie nanoseconde. Dans la course à des dispositifs plus petits, plus rapides et plus fiables, les lasers picosecondes ne sont pas seulement un outil—ils sont un catalyseur de l'avenir de la fabrication des semi-conducteurs.