Na fabricação de semicondutores, a precisão é fundamental. De chips de lógica avançados a dispositivos de alta potência, a integridade da pastilha afeta diretamente o rendimento, o desempenho e a confiabilidade a longo prazo. Um dos desafios mais sutis, mas críticos, na microfabricação a laser é controlar a Zona Afetada pelo Calor (ZAC)—a região microscópica ao redor de uma área processada a laser onde a energia térmica altera as propriedades do material. Minimizar a ZAC é essencial, particularmente para o carbeto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN) e outras pastilhas de semicondutores de banda larga, onde mesmo pequenas distorções térmicas podem induzir rachaduras ou empenamento.

O Problema com Lasers Nanosegundos Convencionais

Os lasers pulsados nanosegundos (ns) tradicionais fornecem energia ao longo de dezenas de nanosegundos. Embora isso seja rápido em escalas de tempo humanas, é relativamente lento no contexto das vibrações da rede atômica. Quando um pulso de nanosegundos atinge uma pastilha de semicondutor, o calor tem tempo para se difundir na rede cristalina circundante. As consequências incluem:

1. Expansão Térmica e Microfissuras – O aquecimento localizado causa expansão transitória, que, em materiais frágeis como o SiC, pode resultar em fraturas microscópicas.

2. Refusão de Material e Detritos – O material fundido pode solidificar-se novamente de forma desigual, deixando camadas de refusão que interferem no processamento subsequente ou no desempenho do dispositivo.

3. Tensão Residual e Empenamento – O aquecimento desigual introduz tensões internas, o que é particularmente problemático para pastilhas de grande diâmetro.

Em fábricas de semicondutores de alto volume, esses efeitos se traduzem em menor rendimento e maior custo por chip.

Entrar Lasers Picosegundos: Ultra-Rápidos, Ultra-Precisos

Os lasers picosegundos (ps) emitem pulsos da ordem de 10^-12 segundos, aproximadamente 1.000 vezes mais curtos do que os lasers nanosegundos. Essa duração de pulso ultracurta muda fundamentalmente a forma como a energia interage com a pastilha:

• Remoção de Material Atermal – A duração do pulso é menor do que o tempo necessário para uma difusão térmica significativa. Em vez de derreter o material, o laser induz a excitação rápida de elétrons, quebrando as ligações quase instantaneamente. Esse processo, frequentemente chamado de “ablação a frio”, remove o material com o mínimo de condução de calor para as áreas circundantes.

• Zona Afetada pelo Calor Mínima – Com o calor incapaz de migrar para longe da área irradiada, a ZAC é drasticamente reduzida, muitas vezes para escalas submicrométricas. Essa precisão é crucial para padrões delicados em dispositivos SiC de alta voltagem ou transistores GaN de alta frequência.

• Integridade Microestrutural Aprimorada – Ao evitar a fusão prolongada, os lasers picosegundos preservam a rede cristalina, evitando microfissuras, acúmulo de tensão e empenamento.

Estudo de Caso: Scribing de Pastilhas de SiC

Considere o scribing de pastilhas, um processo usado para separar chips cortados da pastilha em massa. Os lasers nanosegundos geralmente criam microfissuras que se estendem por dezenas de mícrons além da linha de scribing, enquanto os lasers picosegundos restringem a ZAC a menos de alguns mícrons. Essa diferença não é meramente cosmética; ela melhora diretamente o rendimento do chip, reduz a lasca das bordas e aprimora a confiabilidade do dispositivo, particularmente em aplicações de alta potência.

Além da ZAC: Lasers Picosegundos Possibilitam Novas Possibilidades de Processamento

Além do controle superior da ZAC, os lasers picosegundos oferecem benefícios auxiliares que impulsionam a inovação na fabricação de semicondutores:

• Microestruturação 3D – A precisão permite geometrias complexas, como microvias, canais ou guias de onda em substratos GaN-on-Si ou SiC.

• Pós-Processamento Reduzido – Menos danos térmicos reduzem a necessidade de ataque químico ou polimento mecânico, economizando tempo e reduzindo os riscos de contaminação.

• Compatibilidade com Substratos Transparentes – Pulsos ultrarrápidos podem processar safira ou outros substratos ópticos sem rachaduras, abrindo caminhos para a integração de optoeletrônica e óptica a laser.

Conclusão

Para pastilhas de semicondutores de próxima geração, onde a sensibilidade térmica, a fragilidade do material e a precisão microscópica são primordiais, os lasers picosegundos representam uma mudança de paradigma. Ao confinar a zona afetada pelo calor a dimensões quase zero, esses lasers ultrarrápidos protegem a integridade da pastilha, maximizam o rendimento e possibilitam possibilidades de processamento que eram anteriormente impossíveis com a tecnologia nanosegundos. Na corrida por dispositivos menores, mais rápidos e mais confiáveis, os lasers picosegundos não são apenas uma ferramenta—eles são um facilitador do futuro da fabricação de semicondutores.