半導体製造において、精度が重要です。高度なロジックチップから高出力デバイスまで、ウェーハの完全性は歩留まり、性能、長期的な信頼性に直接影響します。レーザーベースの微細加工における最も微妙でありながら重要な課題の1つは、熱影響部（HAZ）—熱エネルギーが材料特性を変化させる、レーザー加工領域を取り囲む微小領域—を制御することです。HAZを最小限に抑えることは不可欠であり、特に炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、その他の広帯域ギャップ半導体ウェーハでは、わずかな熱歪みでさえもクラックや反りを引き起こす可能性があります。

従来のナノ秒レーザーの問題点

従来のナノ秒（ns）パルスレーザーは、数十ナノ秒かけてエネルギーを供給します。これは人間の時間スケールでは高速ですが、原子格子振動の観点からは比較的遅いです。ナノ秒パルスが半導体ウェーハに当たると、熱は周囲の結晶格子に拡散する時間があります。その結果は次のとおりです。

1. 熱膨張とマイクロクラック–局所的な加熱は過渡的な膨張を引き起こし、SiCのような脆性材料では、微小な亀裂が発生する可能性があります。

2. 材料のリキャストとデブリ–溶融した材料が不均一に再固化し、その後の処理やデバイス性能を妨げるリキャスト層が残ることがあります。

3. 残留応力と反り–不均一な加熱は内部応力を導入し、これは大口径ウェーハにとって特に問題となります。

大量生産の半導体工場では、これらの影響は歩留まりの低下とチップあたりのコスト増加につながります。

登場ピコ秒レーザー: 超高速、超精密

ピコ秒（ps）レーザーは、10^-12秒程度のパルスを放出します。これは、ナノ秒レーザーよりも約1,000倍短いです。この超短パルス持続時間は、エネルギーがウェーハと相互作用する方法を根本的に変えます。

• 非熱的材料除去–パルス持続時間は、有意な熱拡散に必要な時間よりも短いです。材料を溶融させる代わりに、レーザーは急速な電子励起を誘発し、ほぼ瞬時に結合を破壊します。このプロセスは、しばしば「コールドアブレーション」と呼ばれ、周囲への熱伝導を最小限に抑えて材料を除去します。

• 最小限の熱影響部–熱が照射領域から遠くまで移動できないため、HAZは劇的に減少し、多くの場合、サブミクロン規模になります。この精度は、高電圧SiCデバイスや高周波GaNトランジスタの繊細なパターンにとって重要です。

• 微細構造の強化–長時間溶融を避けることで、ピコ秒レーザーは結晶格子を維持し、マイクロクラック、応力蓄積、および反りを防ぎます。

ケーススタディ：SiCウェーハスクライビング

ダイシングされたチップをバルクウェーハから分離するために使用されるプロセスであるウェーハスクライビングを考えてみましょう。ナノ秒レーザーは、スクライブラインから数十ミクロン伸びるマイクロクラックを生成することが多いのに対し、ピコ秒レーザーはHAZを数ミクロン未満に制限します。この違いは単なる外観の問題ではなく、ダイの歩留まりを直接改善し、エッジチッピングを減らし、特に高出力アプリケーションでのデバイスの信頼性を向上させます。

HAZを超えて：ピコ秒レーザーは新しい処理の可能性を可能にする

優れたHAZ制御に加えて、ピコ秒レーザーは、半導体製造におけるイノベーションを促進する付随的な利点を提供します。

• 3D微細構造化–この精度により、GaN-on-SiまたはSiC基板にマイクロビア、チャネル、または導波路などの複雑な形状が可能になります。

• 後処理の削減–熱損傷が少ないため、化学エッチングや機械研磨の必要性が減り、時間と汚染リスクが削減されます。

• 透明基板との互換性–超高速パルスは、サファイアやその他の光学基板をクラックすることなく処理でき、光エレクトロニクスとレーザー光学系の統合への道を開きます。

結論

熱的感度、材料の脆性、および微細な精度が最重要となる次世代半導体ウェーハにとって、ピコ秒レーザーはパラダイムシフトを表しています。熱影響部をほぼゼロの寸法に閉じ込めることで、これらの超高速レーザーはウェーハの完全性を保護し、歩留まりを最大化し、ナノ秒技術では以前は不可能だった処理の可能性を可能にします。より小型、高速、かつ信頼性の高いデバイスを求める競争において、ピコ秒レーザーは単なるツールではなく、半導体製造の未来を可能にするものです。