Dr. Volker Pfeufer and Ludolf Herbst. LAMBDA PHYSIK
ממדי המארזים הקטנים יותר והפונקציונליות המוגברת של הטלפונים החכמים העכשוויים יוצרים אתגרי ייצור רבים, כאשר רבים מהם נפתרים בעזרת לייזרי UV איכותיים.
תפקיד טכנולוגיית הלייזר בייצור מוליכים למחצה ומיקרו-אלקטרוניקה עולה באורח דרמטי בשעה שהיצרנים שואפים לייצר בצורה כלכלית התקנים יותר קטנים ויותר יעילים באנרגיה, המצטיינים בפונקציונליות מוגברת. מגמה זו ברורה ובולטת בייצור השוטף של טלפונים חכמים, המשלבים כושר עיבוד מרשים עם תצוגות איכותיות במארז ידני נוח. במקרים רבים, יצרני הרכיבים הסתייעו בלייזרים אולטרא-סגולים UV)) ואולטרא-סגולים עמוקים (DUV) כדי לענות לדרישות הקיצוניות של ייצור טלפונים חכמים. אחת הסיבות לכך היא שאורכי גל UV קצרים מאפשרים עיבוד מרחבי גבוה ביותר, המרשה צפיפות מעגלים גדולה יותר וניצול משופר של התהליך. כמו כן, פוטוני UV בעלי אנרגיה גבוהה גורמים לרוב נזק מזערי לחומר הסובב, תוצאה שקשה להשיג עם טכניקות ייצור מסורתיות רבות. מאמר זה סוקר שלושה יישומים מבוססי-לייזר בייצור טלפונים חכמים, וחלק מהטכנולוגיות לייזר UV אשר פותחו כדי לשרת אותם.
בדיקת הפרוסות
המטרה של בדיקת הפרוסות (wafers) היא לאתר פגמים הפוגעים בתשואה או מנמיכים את הביצועים במהלך ייצור השבב. בעוד ממדי המעגלים הקריטיים מצטמצמים, היצרנים נדרשים לאתר פגמים קטלניים יותר ויותר זעירים. המצב העדכני לגבי ייצור מעגלים משולבים הוא ממדים קריטיים של 65 ננו-מטר. הוא צפוי לעבור ל-45 ננו-מטר, ולאחר מכן ל-32 ננו-מטר במרוצת חמש השנים הבאות.
רוב בדיקות הפרוסות מבוססות-לייזר משתמשות בתופעות זירוי (scattering) וספיגה כדי לאתר פגמים או זיהום. קיימות תצורות שונות של מימוש בדיקת הלייזר, התלויות בסוג המשטח הנבחן (פרוסה בעלת תבנית או חסרת תבנית), וסוג הפגם שמחפשים (פגמים בתבנית, חומרים מזהמים, חללים וכד’). בצורה רחבה, שיטות בדיקת הפרוסות בלייזר ניתנות לסיווג כ-”brightfield” או “darkfield”, כאשר הפרוסה נראית בהירה עם פגמים המופיעים כאזורים כהים, או להיפך. כדי לממש שיטות אלו, הופכים את הלייזר לקו או סוקרים אותו על פני משטח הפרוסה הנבדקת, כאשר האור המפוזר או המוחזר נגלה על-ידי מכפילור או מגלה מערך (array detector).
שני פרמטרי בדיקה קריטיים הם הרגישות, כלומר היכולת לזהות בצורה מדויקת פגמים בתחום הממדים המבוקש, ומהירות התפוקה. השאיפה לרגישות גבוהה יותר וממדי פגמים קטנים יותר הניעה את יצרני הכלים להמיר אורכי-גל נראה (600-800 ננו-מטר) עמוק לתוך ה-UV, בייחוד ל-355 ננו-מטר ו-266 ננו-מטר. הדרישה לתפוקה מושגת על-ידי הגדלה של הספק המוצא.
מקור לייזר אופייני עבור בדיקת פרוסות הוא ה-Coherent Azure, שהוא לייזר גל רציף (continuous wave – CW) המספק 200 מילי-ואט ב-266 ננו-מטר. אורך הגל הקטן יותר מאפשר את הרגישות הגבוהה יותר ואילו השילוב של הספק, איכות אלומה גבוהה ופעולה ב-CW מאפשר סריקה מהירה יחסית של משטח הפרוסה, ומשיג בדרך זו תפוקה גבוהה יותר. כדי להשיג את הספק ה-UV הגבוה, ה-Azure מכפיל את המוצא של לייזר Coherent Verdi, שהוא לייזר מצב מוצק שאוב דיודה (DPSS), בעל תדר כפול, הפועל ב-532 ננו-מטר. באופן ספציפי, מוצא ה-Verdi מועבר דרך מחילת תהודה מוגברת (מחילה התואמת ביותר את אורך הגל ומוד המבוא כדי ליצור הספק תוך-מחילה גבוה) כדי למקסם את יעילות הכפלת התדר ל-266 ננו-מטר.
הדמיית לייזר ישירה
הדרישה לטלפונים חכמים המכילים יותר מעגלים בפחות מקום גם הובילה לשימוש מוגבר בכרטיסי קישורי ביניים בעלי צפיפות גבוהה (high-density interconnect – HDI), והדמיית הלייזר הישירה (Laser Direct Imaging – LDI) הפכה לטכנולוגיה מובילה בייצורם של אלה. ב-LDI, לייזר UV נעול-מוד משמש להדמיה של תבנית ישירות לתוך פנל מצופה ציפוי רגיש לאור, המבטל כליל את השימוש בכלי צילום מסורתי, כגון סרט צילום. היתרונות הבולטים ביותר של ה-LDI הם החיסכון בזמן ובעלות הכרוך בייצור, השימוש, והאכסון של כלי צילום אלה. בנוסף, LDI מונע כל בעיות איכות הנובעות מפגמים הקשורים בסרטים. LDI גם מספק רישום משמעותית טוב יותר מאשר שיטות הייצור של דפוס המגע המקובלות. שיפור זה יכול להגדיל את תפוקות התהליך, במיוחד כאשר דנים באפיצויות המחמירות הקיימות בכרטיסי ה-HDI.
ביישום ה-LDI הנפוץ ביותר, מערכת ה-CAM בקצה הסופי משמשת לאפנון אלומת לייזר ממוקדת העוברת סריקה על-פני הפנל. תבנית התמונה הרצויה נבנית קו אחרי קו, בדומה לדרך בה נבנית תמונה בתצוגת CRT. לאחר השלמת התמונה בצד אחד של הפנל, הופכים את הפנל ובונים את הצד השני.
שינויי ממדים עשויים לקרות בכרטיס במהלך תהליך הייצור בשל שינויים בטמפרטורה ובלחות הסביבה. היכולת לתקן שינויים אלה, מיידית, היא אחד מהבדלי המפתח בין LDI ושיטות הייצור המקובלות. כדי לקבוע את השינויים הדרושים, מערכת הדמיה במכשיר ה-LDI מודדת את המיקום המדויק של ההתקנים או סימני ייחוס על הפנל, ואח”כ משתמשת במדידות אלו כדי לחשב במדויק כיצד יש לשנות את התבנית כדי למטב רישום עבור יחידה או מכלול זה. לרוב רישום צד לצד של 10 מיקרו-מטר ניתן להשגה על-פני פנל של 24”x32” על בסיס הייצור. ליכולת זו להשיג אפיצויות רישום מחמירות עשויה להיות השפעה משמעותית במיוחד על התפוקה בייצור מעגלים מודפסים בעלי אפיצויות נמוכות בתכנון.
לייזר ה-Coherent Paladin פותח כדי למלא את צורכי ה-LDI ויישומים אחרים הדורשים מקור לייזר UV אמין, בעל הספק גבוה ועלויות תפעול מוקטנות. ה-Paladin הוא לייזר במצב מוצק נעול-מודים, שאוב-דיודות, בעל מוצא משולש-תדר של 355 ננו-מטר. ניתן להשיג הספקי מוצא של עד 16 ואט. המבנה המוצק במלואו מבטיח קשיות, אמינות גבוהה וחיים ארוכים, ומספק אלומת מוצא בעלת איכות מוד מצוינת וכיוון(pointing) , יציבות הספק ומאפייני רעש מצוינים. רמת המוצא של 16 ואט מאפשרת שימוש בסרטים יבשים פחות יקרים תוך שמירה על קצבי תפוקה של התהליך מתאימים.
חישול פולי-סיליקון בטמפרטורה נמוכה
מסכי תצוגה עבור טלפונים חכמים מתוחכמים דוגמת ה-iPhone מבוססים על פולי-סיליקון במקום הסיליקון האמורפי המשמש ברוב התצוגות בעלות פנל שטוח. לפולי-סיליקון ניידות אלקטרונים הרבה יותר גבוהה מאשר בסיליקון האמורפי. כתוצאה, תצוגות LCD מבוססות-טכנולוגיית פולי-סיליקון יכולות לספק רזולוציה ובהירות גבוהות יותר, זווית ראייה רחבה יותר, וקצבי רענון פיקסלים גבוהים יותר. השימוש בפולי-סיליקון מציע גם אפשרות של שילוב מעגלי הזנת תצוגה על הפנל עבור השלב הבא בתהליך המזעור המתמיד. בנוסף, פולי-סיליקון מאפשר טכנולוגיות תצוגה חדישות יותר, דוגמת ה-active matrix organic light emitting diodes (AMOLED) העולות פחות בייצור מאשר ה-LCD ובעלות צריכת אנרגיה פחותה.
חישול (annealing) בפולי-סיליקון בטמפרטורה נמוכה (LTPS) המבוסס על לייזר אקסימר(excimer) הוא כיום השיטה המועדפת לייצור שכבת הפולי-סיליקון הקריטית במהלך ייצור התצוגה. זאת משום שניתן לבצע אותו בטמפרטורות נמוכות עד 200 מעלות צלזיוס, המבטלת את הצורך במצעי קוורץ או זכוכית תרמית היקרים. כיום, טכניקת ה-LTPS הנפוצה ביותר מכונה excimer laser annealing (ELA).
ב-ELA, האלומה המלבנית מלייזר אקסימר של 308 ננו-מטר עוברת הומוגניזציה ושינוי צורה אופטיים כדי ליצור קו צר וארוך (לרוב כ-465 ממ’x0.4 ממ’) בעל דרגה גבוהה של אחידות אנרגיה לאורך הפרופיל שלו. פרופיל קו זה מופנה אל המצע המצופה סיליקון אשר נסרק לאחר מכן ביחס לאלומה.
הסיליקון קולט בצורה יעילה קרינה של 308 ננו-מטר המאפשרת להשיג המסה כמעט מלאה בכל פולס יחיד. הדבר מוביל ליצירת גבישים יעילה בגין גידול הגביש בצורה אנכית, החל מהממשק בין הסיליקון היצוק והבלתי-יצוק הנותר.
ELA דורש לייזר אקסימר המשלב אנרגיית פולסים גבוהה (1 joule) וקצבי חזרה של מאות הרצים אחדים ביציבות אנרגיה גבוהה מאוד. אנרגיית פולסים גבוהה מאפשרת לעבד שטח רחב יותר עם כל פולס, תוך שמירה על רמות fluence בחלון התהליך. קצב חזרה גבוה דרוש כדי להשיג את התפוקה הנדרשת. לייזרי אקסימר מסורתיים סיפקו אנרגיית פולסים גבוהה או קצב חזרה גבוה, אך לא את שניהם. Coherent עונה לצורכי ה-ELA עם ה-LAMBDA SX, המסוגלת לספק פולסים של 1 joule בקצב חזרה של 500 הרץ.
סיכום
מגוון רחב של לייזרי UV הפכו לכלים חיוניים ביישומי ייצור המיקרו-אלקטרוניקה מאחר שהם תומכים במגמה לכיוון גיאומטריה של מעגלים קטנים יותר, ומאפשרים לעתים קרובות תהליך יותר ירוק ויותר כלכלי מאשר טכנולוגיות אחרות, במיוחד אלה המתבססות על כימיה רטובה. בשעה שהמזעור והגדלת הפונקציונליות של התקנים אלקטרוניים אישיים נמשכים, אנו מצפים שיתפתחו יישומים חדשים ומאתגרים הדורשים לייזרים בכלל, ולייזרי UV בפרט, בשעה שהיצרנים שואפים להשיג טכנולוגיה יעילה, בעלות נמוכה, כדי לייצר את הדור הבא של התקני מיקרו-אלקטרוניקה אישיים.
ה-LAMBDA SX מציעה אנרגיית פולסים גבוהה וקצב החזרה הדרוש עבור ELA.
*הכתבה נמסרה באדיבות אמו הנדסה.
