Microlavorazioni laser su silicio

Il silicio è un materiale semiconduttore comunemente utilizzato nel campo dell’elettronica: dispositivi come transistor, schede di circuiti stampati e circuiti integrati sfruttano le proprietà altamente conduttive del silicio per massimizzare le loro prestazioni. Affinché il silicio possa funzionare come semiconduttore in una serie di applicazioni elettroniche, il materiale viene tipicamente drogato (vengono aggiunte piccole impurità) al fine di migliorare le performance. Le applicazioni più comuni del silicio si trovano in settori quali l’elettronica di consumo e di potenza, le celle solari e gli embedded system.

Data la sua importanza in molti settori differenti, particolare rilevanza hanno assunto oggi le microlavorazioni laser sul silicio. Microla può offrire servizi di marcatura e taglio laser su campioni di silicio. Queste due operazioni sono nettamente differenti.

L’operazione di taglio (chip dicing) si applica a wafer di silicio di diversa grandezza da dover scomporre in singoli componenti/die. Normalmente tale operazione viene svolta tramite l’impiego di seghe circolari, che comportano tutta una serie di svantaggi rispetto al laser. Infatti l’impiego del laser garantisce:

• L’assenza di usura dell’utensile (il laser presenta mediamente una vita media di oltre 20.000h)
• La possibilità di variare la geometria del taglio: il laser non è vincolato ad effettuare il taglio seguendo linee perpendicolari, ma presenta una elevata flessibilità riguardo alla geometria ottenibile (cerchio, stella, trapezio etc.)
• Una ridotta “affecting zone”: ovvero possibilità di minimizzare attraverso il corretto settaggio dei parametri lo spessore della linea di taglio fino a larghezze non raggiungibili mediante la tecnica convenzionale;
• La riduzione degli scarti dovuti a rotture: la tecnica convenzionale di taglio, ad elevate velocità, genera un alto rischio di rottura o generazione di cricche. Il laser permette di effettuare il dicing ad una elevata velocità mantenendo un alto rendimento.

Microla, tramite la sua esperienza nel settore, può garantire con una elevata ripetibilità e alto rendimento il taglio di wafer con uno spessore fino a 400 µm. Spessori nel range 400-700 µm possono essere comunque soggetti a taglio laser, a seguito di una breve analisi preliminare, mentre spessori superiori sono da valutare caso per caso. Si possono processare wafer di diametro pari a 6” e 8”.

Quando una radiazione impatta su una superficie, può essere riflessa, rifratta o assorbita. Il processo di taglio avviene sfruttando l’assorbimento dei fotoni che compongono la radiazione laser, che generano un innalzamento locale della temperatura del materiale fino a generare una sua vaporizzazione. L’intero processo avviene in tempi così rapidi che il materiale tende a passare dallo stato solido allo stato gassoso quasi istantaneamente.

Sul Silicio è possibile effettuare anche un’altra microlavorazione: la marcatura laser. Il processo è veloce, produce incisioni di ottima qualità, nitide e soprattutto è indelebile il che costituisce una buona protezione contro la contraffazione.

Tale operazione può avere differenti scopi, come ad esempio l'incisione di codici seriali per la tracciabilità del prodotto (numerazioni progressive e/o casuali), di loghi aziendali e di simboli grafici. È altrettanto possibile marcare laser codici a barre, diverse tipologie di QR Code di piccola e grande dimensione. In maniera analoga è possibile rimuovere selettivamente e permanentemente informazioni su vari dispositivi per prevenire il reverse-engineering.

A livello tecnico, al fine di effettuare una marcatura laser su Silicio, è necessario considerare diversi parametri in base all’effetto richiesto.

Un parametro fondamentale è sicuramente la scelta del laser da applicare; infatti, il materiale ha un comportamento differente a seconda della lunghezza d’onda della radiazione laser incidente. In Figura 1 è possibile vedere come, a lunghezze d’onda più elevate, il coefficiente di assorbimento del silicio tenda a diminuire. Viceversa, a lunghezze d’onda minori, il coefficiente di assorbimento ha un andamento crescente. La corretta selezione della lunghezza d’onda deve essere condotta in virtù dei requisiti e delle specifiche tecniche dell’applicazione.

La marcatura laser può essere declinata in modi differenti sul materiale. Infatti, si possono applicare diversi livelli di dettaglio, oppure diverse tonalità di colore agendo su una scala di grigi. Per agire su tali aspetti si considerano alcuni parametri tecnici come ad esempio:

• La potenza media del laser
• La frequenza d’impulso
• La lunghezza dell’impulso
• La velocità di scansione

A livello tecnico la marcatura laser può essere effettuata tramite un processo di ablazione del materiale o di annealing. L’ablazione consiste nell’asportazione di un sottile strato di materiale con generazione di residui carboniosi. La marcatura risulta così ben visibile; la generazione di alcuni lapilli durante il processo rende necessario proteggere la superficie del silicio mediante apposite resine per evitare danneggiamenti e contaminazioni. L’annealing consiste in un riscaldamento localizzato fino al raggiungimento di temperature prossime alla temperatura di fusione del materiale, che genera un annerimento superficiale in corrispondenza dell’area trattata. In questo caso, la marcatura risulta leggermente meno scura, ma l’intero processo si svolge senza la generazione di lapilli potenzialmente dannosi per la superficie non trattata.

In Figura 2 è mostrato un esempio di marcatura laser su un wafer di silicio.