Sublimationsschneiden von Silizium mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung

Fornaroli, Christian; Poprawe, Reinhart; Klocke, Fritz

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-066315

Sublimationsschneiden von Silizium mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung = Sublimation cutting of silicon with ultrashort pulsed laser radiation

Fornaroli, Christian

2016

VerantwortlichkeitsangabeChristian Fornaroli

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2016

Umfang1 Online-Ressource (Seite i-xix, Seite 1-143) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-453-4

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Klocke, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-066315
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668202/files/668202.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668202/files/668202.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
UKP Laserbearbeitung (frei) ; Ultrakurzpulslaser (frei) ; Sublimationsschneiden (frei) ; Silizium (frei) ; LED Chips (frei) ; Dicing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Sublimationsschneiden mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung ist aufgrund der sehrkurzen Wechselwirkungszeiten zwischen Laserstrahl und Material und folglich einem bauteilschonenden Materialabtrag eine vielversprechende Vereinzelungstechnologie für Halbleiterbauelemente.Gegenüber mechanischen Trennverfahren kann die Substratbelastung beim Sublimationsschneiden mit UKP-Laserstrahlung wesentlich verringert und die Wafereffizienzdadurch gesteigert werden. Da die Materialstärke von Chips aufgrund der mechanischenBelastung nicht beliebig dünn werden kann, führt eine möglichst geringe Schnittstraßenbreiteund somit auch Schnittbreite zu großen Aspektverhältnissen. In der vorliegenden Arbeit wird, durch gezielte Erhöhung der Substrattemperatur in derSchnittfuge, die Absorption der einfallenden Laserstrahlung so lokalisiert, dass ein möglichsthohes Aspektverhältnis resultiert. Die lokale Erhöhung der Substrattemperatur erfolgt dabeidurch eine weitere Laserstrahlquelle, deren CW-Laserstrahlung in die Abtragsgeometriefokussiert wird. In Abhängigkeit der Verfahrensparameter zur Einkopplung der Laserstrahlungergeben sich unterschiedliche Temperaturverteilungen innerhalb der Schnittfuge. Weiterhinwird untersucht, durch welche Prozessparameter das Aspektverhältnis maßgeblich beeinflusst wird und welches Korrelationsverhältnis dabei vorliegt. Dabei werden die folgendenProzessparameter betrachtet: Spitzenintensität, Wellenlänge, Pulsdauer, Strahlprofil,Polarisationsrichtung und Pulsabstand. Das Aspektverhältnis kann durch eine Optimierung der Spitzenintensität um über 50 %gesteigert werden. Der Einfluss der untersuchten Wellenlänge von 355 nm, 532 nm und1064 nm auf das Aspektverhältnis kann in zwei unterschiedliche Intensitätsbereiche aufgeteiltwerden. Im geringen Intensitätsbereich nahe der Abtragsschwelle sind mit einer Wellenlängevon 355 nm die größten Aspektverhältnisse zu erzielen. Bei Intensitäten die signifikantüber der Abtragsschwelle liegen, ist die Verwendung von Laserstrahlung mit1064 nm vorteilhaft. Mit p-polarisierter Laserstrahlung können größere Aspektverhältnisseerzielt werden, als mit s-polarisierter Strahlung. Mit einer Erhöhung der Substrattemperatur geht eine Steigerung des Aspektverhältnisses einher. Eine Reduzierung des räumlichenPulsabstandes auf wenige Mikrometer führt zu thermischen Akkumulationseffekten unddamit verbunden zu einer Erhöhung der Substrattemperatur. Die Untersuchung zum Einflussder Pulsdauer und der Strahlform auf das Aspektverhältnis liefern keine eindeutige Aussage.

Sublimation cutting with ultra-short pulsed Laser radiation is due to the very short interaction time between laser beam and material a promising singulation technology for semiconductor parts. The short interaction time leads to a direct vaporization of the illuminatedarea on the part instead of melting and therefore increased precision and less heat affection.In contrast to mechanical singulation technologies no mechanical load on the sensitive material has to be considered. By decreasing the cutting kerf width and cutting street widthit is possible to maximize the wafer efficiency, the number of elements per wafer. Becausethe material thickness of the chips is limited to a certain minimal value, a reduction of the cutting kerf width leads to increased aspect ratios – the ratio between kerf depths to kerf width. The goal of this thesis is to localize the absorption of the incoming Laser radiation in thecutting kerf in order to increase the resulting aspect ratio in the sublimation cutting process.The local increase in temperature is realized by an additional CW Laser source. This Laser radiation is focused into the cutting kerf and leads to a temperature profile, which is depending on the process parameters like average power or feed rate. Furthermore thisthesis focus on the correlation between the aspect ratio and the following process parameters: Laser peak intensity, wavelength, pulse duration, beam profile, polarization and pulsedistance. By optimizing the peak intensity the resulting aspect ratio can be increased by up to 50 %.The influence of the investigated wavelength of 355 nm, 532 nm and 1064 nm on the aspectratio can be distinguished in two different ranges of intensity. In the range of low intensity, very close to the ablation threshold, a wavelength of 355 nm is best suitable in orderto obtain maximum aspect ratios. At intensities much higher than the ablation threshold the use of Laser radiation with a wavelength of 1064 nm is advantageous. P-polarized Laser radiation leads to higher aspect ratios than s-polarized Laser radiation, because of the higher amount of absorbed intensity. An increased temperature of the silicon substrateleads to a lower ablation threshold and to increased aspect ratios. A reduction of the spatialpulse distance to a few microns results in thermal accumulation effects and finally to anincreased substrate temperature. Investigations of the influence of the pulse duration andthe beam shape on the aspect ratio do not deliver a clear result.

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