Khi các quy định và yếu tố môi trường hội tụ để tạo ra động lực mạnh mẽ, ngành công nghiệp xe điện và các phân khúc khác nhau của chuỗi giá trị đang tạo ra một lĩnh vực đổi mới đang nở rộ. Các bộ pin xe điện (EV) ngày nay đang chạy ở điện áp ngày càng cao, đôi khi lên tới 800 V. Điện áp của bộ pin đang tăng lên, nhưng điện áp của bộ pin cũng đang tăng lên.
Lợi ích của điện áp cao hơn bao gồm nhiều mã lực hơn, hiệu suất cao hơn, phạm vi hoạt động xa hơn và thời gian sạc ngắn hơn. Bên trong xe, thiết bị điện tử công suất chuyển đổi điện áp DC cao thành các dạng khác nhau mà nhiều hệ thống khác nhau yêu cầu. Ví dụ, động cơ kéo cần nguồn điện xoay chiều ba pha. Đồng thời, bộ sạc xe điều chỉnh dòng điện và điện áp một cách linh hoạt.
Silicon hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện tử tiêu dùng và điện tử công suất, nhưng nó cũng trở thành nút thắt cổ chai cho việc nâng cấp chúng. Điện tử công suất dựa trên mạch tích hợp silicon thông thường (IC) không thể hoạt động bình thường ở điện áp cao, nhiệt độ cao và tần số chuyển mạch cao. Do đó, các nhà sản xuất phải chuyển sang vật liệu bán dẫn thay thế để tận dụng tối đa các bộ pin điện áp cao cho xe điện. Chất bán dẫn thay thế hứa hẹn nhất là silicon carbide (SiC). Vật liệu này sở hữu các đặc tính khiến nó trở nên lý tưởng cho điện tử công suất EV, do đó SiC là chìa khóa để cải thiện hiệu suất và phạm vi hoạt động của EV khi EV ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Tuy nhiên, việc sản xuất các thiết bị SiC có những thách thức riêng. Các đặc tính cơ học, hóa học, điện tử và quang học của SiC khác biệt đáng kể so với silicon ở những khu vực mà các quy trình trưởng thành và các giao thức đã được thiết lập chiếm ưu thế. Ví dụ, SiC là một trong những vật liệu cứng nhất được biết đến, tương đương với kim cương, khiến việc khắc các tấm wafer bằng các phương pháp cơ học truyền thống như cưa trở nên khó khăn và nó cũng là một vật liệu giòn, dễ gãy khi cưa. Ngoài ra, SiC làm mòn nhanh các lưỡi cưa, bao gồm cả lưỡi cưa làm từ kim cương cứng, đòi hỏi phải thay thế thường xuyên vật tư tiêu hao đắt tiền này. Bản thân quá trình cưa là một quá trình tương đối chậm và nhiệt sinh ra có xu hướng ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính của vật liệu.
Sự kết hợp của những vấn đề này tạo ra một số trở ngại cho các nhà sản xuất xe điện, vì nhiều quy trình sản xuất IC hiện có lại khác biệt, thậm chí ngược lại, so với quy trình sản xuất SiC.
Cắt tinh thể đơn, hay cắt lát wafer, là một ví dụ điển hình; cưa cơ học là phương pháp chính để cắt tinh thể đơn của wafer silicon, nhưng nó không hiệu quả đối với SiC, và trong khi cắt tinh thể đơn bằng laser có triển vọng, việc thay thế vật liệu có nghĩa là ít nhất phải thay đổi các thông số quy trình. Người dùng cuối cũng phải xác định nguồn sáng tối ưu để cắt tinh thể đơn SiC so với các phương pháp truyền thống sử dụng silicon.
Hình ảnh.
Cận cảnh kính hiển vi cho thấy xung pico giây UV ở chế độ burst tạo ra chất lượng cạnh tuyệt vời mà không bị sứt mẻ lớn. Cưa cơ học thông thường không thể đạt được kết quả như vậy.
Chất lượng cắt bỏ bằng laser pico giây
Các thiết bị SiC được chế tạo theo cùng cách như vi điện tử silicon thông thường: một số lượng lớn các mạch tích hợp riêng lẻ được tạo ra trên một tấm wafer duy nhất, sau đó được tinh thể hóa đơn và cắt thành các chip riêng lẻ, sau đó sẵn sàng để đóng gói.
Khi cắt các tấm wafer SiC giòn, điều quan trọng là phải giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn tình trạng sứt cạnh do cưa cơ học. Cắt tinh thể đơn cũng nên giảm thiểu các thay đổi cơ học trong vật liệu. Ưu tiên cũng nên dành cho việc giảm thiểu chiều rộng rãnh cắt để hạn chế kích thước của "khoảng trống" (tức là diện tích trống giữa các mạch liền kề) để tối đa hóa số lượng chip trên mỗi wafer.
Các kỹ sư phải cân nhắc các yếu tố này so với tốc độ thái hạt lựu, thông lượng và các yếu tố quyết định khác ảnh hưởng đến chi phí. Việc sử dụng vật tư tiêu hao, chẳng hạn như sử dụng chất làm mát và chất lỏng làm sạch trong quá trình thái hạt lựu, cũng cần được tính đến.
Laser xung cực ngắn trong phạm vi độ rộng xung pico giây và femto giây có thể được sử dụng để cắt và cắt bỏ độ chính xác cao nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm vật liệu cứng, trong suốt và/hoặc giòn. Lợi ích của quá trình xử lý với độ rộng xung cực ngắn bao gồm làm nóng vật liệu tổng thể tối thiểu và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) không đáng kể. Các nguồn này cũng cung cấp chất lượng cạnh được cải thiện và giảm tạo ra mảnh vụn so với các loại laser khác.
Đầu ra hồng ngoại của hầu hết các tia laser pico giây có thể được nhân đôi tần số để cung cấp ánh sáng xanh hoặc cực tím có thể nhìn thấy, trong khi bước sóng cực tím thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Các nguồn hoạt động trong băng tần quang học này thường có thể đạt được kích thước điểm tiêu cự nhỏ hơn và tăng độ sâu tiêu cự hoặc phạm vi Rayleigh cho một kích thước điểm nhất định.
Những đặc điểm này khiến tia laser UV picosecond trở thành lựa chọn ưu tiên để tạo ra các đặc điểm tỷ lệ khung hình cao và độ rộng rãnh mỏng hơn do có thể kiểm soát độ sâu chính xác hơn. Ngoài ra, độ sâu tiêu cự lớn hơn giúp các nguồn này dễ áp dụng hơn vào hệ thống quét điện kế trường rộng. Sự thâm nhập hạn chế của ánh sáng UV làm giảm thêm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
Cấu hình chi tiết của thí nghiệm được phân tích
Tuy nhiên, đạt được năng suất cao hơn với độ rộng xung ngắn và bước sóng ngắn là điều khó khăn trong bất kỳ môi trường nào. Để đảm bảo kết quả cắt tinh thể đơn SiC có thể tái tạo, các thiết kế và thông số hệ thống khác nhau phải được thử nghiệm. mks/Spectra-Physics đã tiến hành một loạt các thí nghiệm cắt để đánh giá triển vọng về lợi thế của laser pico giây UV, chẳng hạn như kích thước điểm hội tụ nhỏ hơn và độ sâu tiêu cự lớn hơn. Các thử nghiệm này cũng tìm cách đạt được khả năng xử lý dễ dàng hơn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ hơn. Cuối cùng, ngoài việc đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế của quy trình, các thử nghiệm được thiết kế để nghiên cứu cách các cài đặt xung khác nhau có thể ảnh hưởng đến kết quả.
Trong vòng thử nghiệm đầu tiên, một mẫu wafer 4H-SiC dày 340 µm đã được xử lý bằng laser picosecond 50 W, 355 nm. Laser có năng lượng xung tối đa lớn hơn 60µJ và cung cấp công suất trung bình là 50 W ở tần số lặp lại từ 750 kHz đến 1,25 MHz, với tần số hoạt động tối đa là 10 MHz. Các thử nghiệm đã được tiến hành ở tần số lặp lại từ 200 đến 400 kHz để đảm bảo rằng tất cả các định dạng đầu ra xung đều duy trì mức năng lượng xung và công suất trung bình tương tự, cho phép so sánh trực tiếp các kết quả.
Tia laser picosecond được sử dụng với máy quét điện kế hai trục và vật kính f-theta tiêu cự 330 mm. Kích thước điểm hội tụ trên mặt phẳng làm việc xấp xỉ 30 µm (đường kính 1/e2). Máy quét hoạt động ở tốc độ từ 2 đến 4 m/giây, với nhiều lần quét trên mỗi vạch và tốc độ cắt ròng từ 12,5 đến 25 mm/giây. Tia laser được sử dụng trong các thử nghiệm này hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau.
Các tia laser được sử dụng trong các thử nghiệm này hỗ trợ các chuỗi xung: tia laser phát ra một loạt các chuỗi xung phụ cách nhau gần, tiếp theo là chuỗi xung tiếp theo sau một khoảng thời gian. Người ta đã ghi chép rõ ràng rằng các chuỗi xung có thể làm tăng tốc độ cắt bỏ và giảm độ nhám bề mặt trong nhiều tình huống xử lý vật liệu.
Ngoài ra, laser được sử dụng trong thử nghiệm hỗ trợ các xung có thể lập trình. Điều này có nghĩa là số xung trong xung, cũng như biên độ và khoảng thời gian của mỗi xung trong xung, có thể kiểm soát được. Ngoài ra, độ trễ thời gian của chuỗi xung rất thấp, cho phép đặt và định vị trực tiếp trên bề mặt làm việc với độ chính xác cao, ngay cả ở tốc độ quét rất nhanh. Các khả năng xung linh hoạt này cho phép chúng tôi khám phá nhiều không gian quy trình trong quá trình thử nghiệm.
Phân tích kết quả
Hình 2 bên dưới cho thấy các giá trị độ sâu của vạch khắc như một hàm của công suất laser trung bình cho các cấu hình chuỗi xung khác nhau, từ một xung đơn đến 12 xung. Trong mỗi lần thử nghiệm, tổng cộng 80 lần quét được thực hiện tại cùng một vị trí trên vật liệu. Vị trí của mỗi chuỗi xung trên bề mặt làm việc (tổng độ chồng chéo xung) được kiểm soát chặt chẽ. Trong trường hợp này, độ chồng chéo không gian hiệu quả của các xung là khoảng 84%.
Hình 2. cho thấy độ sâu của vạch như một hàm của công suất qua bốn lần chạy ở tốc độ 25 mm/giây đối với một xung đơn (a, bảng trên cùng) và nhiều cấu hình chuỗi xung khác nhau (bd, bảng giữa và bảng dưới cùng). Dữ liệu cho thấy chuỗi xung cải thiện tỷ lệ cắt bỏ như thế nào.
Những kết quả này cho thấy việc sử dụng chuỗi xung làm tăng đáng kể tốc độ phá hủy. Kết quả này đã được dự đoán và phù hợp với các kết quả thu được khi sử dụng xử lý chuỗi xung laser pico giây trong các vật liệu khác. Một lần nữa, ngưỡng phá hủy giảm (về cơ bản là logarit) theo số xung có trong mỗi chuỗi xung. Điều này cho thấy rằng nhiều vật liệu thường "tích tụ" dưới sự chiếu xạ nhiều xung.
Cả công cụ địa hình bề mặt 3D và 2D đều được sử dụng để đo chính xác độ sâu và chất lượng cạnh. Hình ảnh thu được bằng máy giao thoa ánh sáng trắng quét cho thấy thêm chi tiết về đường khắc (Hình 3). Vì bề mặt nhẵn và không có mảnh vụn, tia laser UV picosecond cũng đạt được một kết quả mong muốn khác: đường cắt chất lượng cao.
Hình 3. Kết quả khắc thu được bằng cách quét giao thoa kế ánh sáng trắng xác nhận rằng tia laser UV pico giây có khả năng tạo ra các đường cắt sạch, không bị mẻ.
Đánh giá định tính sâu hơn về đường khắc có thể được thấy trong Hình 4 bên dưới. Một hình ảnh duy nhất cho thấy một loạt các rãnh sâu 25 µm được tạo ra tuần tự với 1, 4, 8 và 12 chuỗi xung. Công suất trung bình được điều chỉnh khi cần thiết để có được kết quả tốt nhất trong từng trường hợp. Bốn hình ảnh ở hàng trên cùng được tập trung vào bề mặt trên cùng của tấm wafer. Bốn hình ảnh ở hàng dưới cùng được tập trung vào bề mặt dưới cùng của đường khắc. Các hình 4e-h cho thấy sự so sánh rõ ràng và tiến triển của chất lượng cắt theo chức năng của số xung trong mỗi chuỗi xung.
Hình 4. Hình ảnh cận cảnh phần trên (dưới, ad) và phần dưới (eh) của rãnh sâu 25-µm. Khi số xung trong xung tăng lên, các giá trị khác nhau của rãnh cho thấy sự cải thiện ổn định về chất lượng của vết cắt.
Sự đổi màu xung quanh đường vạch chỉ ra sự thay đổi ở bề mặt hoặc vật liệu nền, sự thay đổi này sẽ biến mất khi số xung tăng lên. Số xung càng cao, tốc độ nạp càng nhanh và kết quả càng tốt. Điều này cho thấy quy trình có thể được sử dụng để đảm bảo thông lượng đầy đủ và chất lượng tốt cùng một lúc.
Hình 5 bên dưới cho thấy một loạt các chế độ xem phóng đại cao của các bề mặt đáy được khắc, tất cả đều được khắc trong cùng điều kiện hoạt động của laser ở công suất trung bình là 16 W và tốc độ xử lý ròng là 25 mm/giây. Kết quả của quá trình này được hiển thị trong Hình 5 bên dưới. Độ sâu khắc cho mỗi điều kiện nằm trong khoảng từ 8 đến 25 µm ở các giá trị xung khác nhau. Chế độ xem có độ phân giải cao hơn này làm nổi bật sự cải thiện về độ mịn khi số lượng xung tăng lên. Điều chỉnh đầu ra xung làm tăng độ sâu khắc lên gấp ba lần trong khi vẫn giữ nguyên công suất trung bình và tốc độ xử lý tổng thể.
Hình 5. Xử lý bằng tia laser UV pico giây mang lại chất lượng cạnh/bề mặt tuyệt vời, làm nổi bật những ưu điểm của chuỗi có số xung cao hơn (quảng cáo)
Hoàn thiện công nghệ
Trong quá trình tiến triển từ lý thuyết đến thực hành, tiềm năng ứng dụng tia laser UV picosecond để khắc các tấm wafer SiC được chứng minh bằng khả năng sử dụng đầu ra chuỗi xung để cải thiện chất lượng xử lý và tăng tốc độ xử lý. Cần phải khám phá thêm để đo lường và đánh giá các thông số và kết quả của việc cắt hoàn toàn các tấm wafer 340 µm.
Trong khi đó, chúng tôi đang nghiên cứu việc sử dụng cưa cơ học, thường được dùng để khắc các tấm silicon, cho SiC. Các kết quả đã công bố cho thấy phương pháp này vẫn còn hạn chế về tốc độ cấp liệu và tạo ra một lượng lớn mảnh vụn, ví dụ như trong các chip lớn hơn 10 µm.
Tuy nhiên, cưa cơ học vẫn là phương pháp thường được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và bất kỳ công nghệ thay thế nào cũng cần phải chứng minh được những lợi thế đáng kể về thông lượng, năng suất và chi phí vận hành để được ngành công nghiệp chấp nhận. Mặc dù kết quả pico giây UV thu được cần được cải thiện hơn nữa về mặt cắt hoàn chỉnh, nhưng có thể cải thiện bền vững hơn nữa như một công nghệ thay thế.
