E&R: Modernes Wafer-Ritzen mit Monaco-Femtosekundenlasern

Die Herausforderung

Die E&R Engineering Corp. (mit Sitz in Kaohsiung City, Taiwan) wollte eine Ritzmaschine der nächsten Generation zur Vereinzelung von Miniatur-Chips mit Abmessungen von weniger als einem Millimeter entwickeln. Kevin Chang, Vertriebs- und Servicemanager bei E&R, erläutert: „Da die Gesamtabmessungen einiger Logikchips immer kleiner werden, wird der Ritzprozess technisch anspruchsvoller. Unsere Kunden müssen Tausende dieser Chips aus einem einzigen Wafer ritzen, ohne auf breite Bahnen zurückgreifen zu können. Daher muss der Ritzprozess präzise und relativ schonend sein, um thermische oder physikalische Schäden an den eng beieinander liegenden Chips zu vermeiden, die sich negativ auf die Ausbeute auswirken könnten. Aber die zugrunde liegende Wirtschaftlichkeit diktiert auch die Notwendigkeit einer schnellen Durchsatzgeschwindigkeit."

Das 1994 gegründete Unternehmen liefert leistungsstarke automatisierte Maschinen für verschiedene Branchen, darunter Halbleiter, LEDs, passive Komponenten und medizinische Geräte. Das Unternehmen hat sich mit Servicezentren in den USA und mehreren Standorten in Südostasien heute als erfolgreicher globaler Anbieter dieser High-End-Maschinen etabliert, von denen viele auf der Nutzung von Lasern basieren. (Zu den weiteren Technologien in ihrem Portfolio gehören Plasmabehandlung sowie mechanische Stanz- und Pressmaschinen.) 

Ihre ersten Lasermaschinen waren auf die Laserbeschriftung ausgerichtet; heute jedoch unterstützen sie alle Arten von Anwendungen für die Mikromaterialbearbeitung wie Bohren, Schneiden, Ritzen und Nuten. Zu diesen Maschinen gehören zahlreiche Coherent Laser und PowerLine-Laserbeschrifter mit Wellenlängen vom UV bis zum IR-Bereich und mit Pulseigenschaften von Nanosekunden bis hinunter zu Femtosekunden. 

Die Lösung

Chang führt aus, dass das Vereinzeln von Wafern aus mehreren Materialien aufgrund der unterschiedlichen beteiligten Materialien sowie der Gesamtdicke normalerweise ein zweistufiger Prozess ist. Er fügt hinzu: „Der wichtigste erste Schritt besteht darin, das Metall (Kupfer) auf der Rückseite des Wafers mit einer Art Laser sauber zu durchtrennen. Hier stellt die Wärmeeinflusszone (WEZ) ein großes Problem dar.“ Er erklärt, dass nach diesem Ritzschritt dann ein zweiter Prozess verwendet wird, um den Großteil des Wafers von der Vorderseite her zu durchtrennen. Ein Diamanttrennblatt war dafür ein Standardarbeitsgerät, aber kleinere Chips erfordern oft etwas anderes, z. B. das Plasmaätzen.“

Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist der Bereich neben einem Laserschnitt oder -ritz, wo das Material auf irgendeine Weise thermisch modifiziert (z. B. geschmolzen, umgewandelt oder verbrannt) wird. Im Fall der Vereinzelung von Logikchips besteht ein Hauptrisiko darin, dass jede WEZ die Schaltung beschädigen und ihre Funktion beeinträchtigen könnte. Glücklicherweise kann die WEZ durch Verwendung kürzerer Laserpulse minimiert werden, bei denen der größte Teil der Laserpulsenergie durch das abgetragene Material abgeleitet wird, bevor es in das umgebende Substrat fließen kann.

Eine große Frage für E&R war daher: Welcher Lasertyp soll für die Bearbeitung der neuesten kleinen Chips verwendet werden? In der Vergangenheit mussten sich Maschinenbauer zwischen einem Laser mit hohem Durchsatz, wie einem Infrarot- oder grünen Nanosekunden-Faserlaser, und einem Laser mit ultraniedriger WEZ, wie einem Ultrakurzpulslaser (USP), entscheiden. Während USP-Laser mit Pikosekunden-Pulsbreiten zuvor gut für diese Anwendung geeignet waren, führte der Trend zu kleineren Chips zu einem Bedarf an noch kleineren WEZ, d. h. einem Femtosekundenlaser.

Bis vor kurzem gab es für Femtosekundenlaser jedoch drei Einschränkungen für diese Art von Anwendung; Sie waren nur mit begrenzter Leistung verfügbar, hatten eine fragwürdige Zuverlässigkeit/Lebensdauer und die Kosten pro Watt waren zu hoch. Die neuesten Monaco Laser von Coherent verwenden jedoch eine leistungsskalierbare Fasertechnologie, um diese Probleme mit einer Leistung von bis zu 60 Watt in einem kompakten, robusten Paket erfolgreich anzugehen. Und nach sorgfältiger Prüfung, so Chang, hat sich E&R entschieden, seine Wafer-Ritzmaschinen der nächsten Generation wie die WB-300FGS mit einer Auswahl von 20 W- oder 30 W-Monaco-Modellen anzubieten. 

Das Ergebnis

Chang erklärt, dass E&R und vor allem ihre Kunden mit den bereits erzielten Ergebnissen der Coherent Monaco Laser sehr zufrieden sind. Er ergänzt, dass ihre WB-300FGS-Maschinen die Galvo-Ritztechnologie verwenden, um die Laserschneidgeschwindigkeit zu maximieren. Die Kombination aus hoher Leistung und hoher Wiederholungsrate des Monaco (bis zu 50 MHz) ermöglicht es ihnen, diese Funktion voll auszuschöpfen, während das Werkzeug eine Ritzgeschwindigkeit für einen Arbeitsdurchgang von bis zu 5 m/s erreicht. Wichtig ist, dass diese Maschinen auch eine sehr hohe Genauigkeit (3 µm) bieten, dank der Benutzer High-End-Wafer verarbeiten und gleichzeitig die Anforderungen an eine sehr schmale Schnittbahn erfüllen können.

Chang nennt die kurze Pulsbreite und die hervorragende Strahlqualität als die beiden kritischsten Parameter. Dank dieser Merkmale liefern die neuen E&R-Maschinen problemlos Einzeldurchlauf-Ritzungen mit Breiten von <30 Mikron und Ritzungen mit mehreren Durchläufen im Bereich von 30 bis 60 Mikron.

Er fasst zusammen: „Bei Anwendungen mit Mikromaterialbearbeitung für hochwertige Wafer haben wir uns einen Ruf als Lieferant von Maschinen mit Premiumqualität, die sich durch Innovation und hohe Leistung auszeichnen, hart erarbeitet. Und Monaco bietet dies sicherlich auch in all diesen Bereichen."

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