Лазерный мир

Кондратенко Владимир Степанович, Лу Хунг-Ту, Наумов Александр Сергеевич // ЖУРНАЛ Базис, 2020

В работе приведен пример дальнейшего международного развития метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), позволяющий расширить технологические возможности прецизионной резки широкого класса материалов и обеспечить возможность создания новых изделий и приборов микро- и оптоэлектроники. Описано успешное применение метода ЛУТ при резке по замкнутому круговому контуру при отделении кольцевого облоя у сверхтонких кремниевых подложек «Taiko».

Технология лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) может служить примером долголетия (впервые была разработана в СССР в 1977 году [1,2], а затем запатентована в Российской Федерации и за рубежом [3, 4]) благодаря своей непровзой-дённой эффективности при прецизионном раскрое хрупких неметаллических материалов. В частности, скорость резки до 1000 мм/сек, а также безотходность раскроя и нулевая ширина реза до сих пор являются рекордом и ориентиром технологических достижений процессов прецизионной размерной резки. Однако долголетие технологии ЛУТ объясняется не только высокими про-изводительностьюи качеством резки, но также обеспечивается за счёт постоянного развития и расширения областей применения самого метода ЛУТ не только российскими, но и зарубежными исследователями.

Основные критерии и условия для реализации метода ЛУТ

На основании многочисленных теоретических и экспериментальных исследований и с учётом многолетнего практического опыта можно сформулировать основные критерии и условия для реализации метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) для различных хрупких неметаллических матеиалов.

1. Нагрев разделяемого материала лазерным излучением должен быть поверхностным. Другими словами, для каждого типа материала исходя из его оптических свойств следует выбирать длину волны лазерного излучения, для которого материал непрозрачен, и излучение должно поглощаться в тонком поверхностном слое материала. Например, для стекла, основных типов керамики, сапфира и кварца — это излучение СО2-лазера с длиной волны излучения 10,6 мкм, которое поглощается в перечисленных материалах в тонком поверхностном слое порядка длины волны излучения. Для резки методом ЛУТ таких полупроводниковых материалов, как кремний и арсенид галлия, следует использовать излучение полупроводникового лазера с длиной волны 808 нм.

2. Максимальная температура нагрева поверхности разделяемого материала не должна превышать температуры его плавления или размягчения. Это означает, что при нагреве поверхности материала возникающие

термоупругие напряжения не должны превысить границу пластичных деформаций.

3. Наличие или искусственное создание первоначального концентратора напряжений в виде короткой царапины или иного дефекта на поверности или на некоторой глубине материала по линии разделения, служащего началом развития разделяющей трещины.

4. Подача хладагента на поверхность материала в зону нагрева вслед за лазерным пучком должен обеспечить локальный градиент температур, обеспечивающий создание напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала и образования разделяющей микротрещины.

Итак, мы перечислили четыре основные обязательные критерия для обеспечения условий образования разделяющей микротрещины, то есть для реализации процесса ЛУТ. Однако не смотря на кажущуюся простоту самой физической модели метода ЛУТ (рис. 1), для достижения и надёжной реализации требуемых технологических режимов необходимо установить и обеспечить жёсткую взаимосвязь между большим числом факторов, влияющих на процесс ЛУТ. К числу этих факторов относятся: теплофизические, оптические и механические свойства разделяемого материала, параметры используемого лазерного излучения, а именно, длина волны излучения и модовая структура, мощность и плотность мощности излучения, форма и размеры лазерного пучка на поверхности материала, а также параметры используемого хладагента.

Рис. 1. Физическая модель процесса ЛУТ: 1 — эллиптический лазерный пучок; 2 — раздрезаемая подложка; 3 — фокусирующий объектив; 4 — форсунка; 5 — воздушно-водяная аэрозоль (хладагент); 6 — разделяющая микротрещина

Уже неоднократно упоминалось, что помимо высокой скорости и точности размерной резки процесс ЛУТ отличает высокое качество резки, точнее, высокое качество кромки изделия после резки методом ЛУТ. Следует ещё раз остановиться и прокомментировать основные

преимущества, которые обеспечивает технология ЛУТ по сравнению с основными традиционными технологиями лазерной и механической размерной резки и обработки кромки изделий. Под высокоим качеством резки понимается получение гладкой бездефектной кромки изделия, не требующей никакой дополнительной обработки и доводки. Внешне визуально кромка после ЛУТ соответствует качеству оптической полированной поверхности. Однако сравнительные испытания кромки на прочность показывают её повышение в 2,5-5 раз по сравнению с любыми другими технологиями. Это обусловлено отсутствием зоны термического и механического повреждения поверхностных и объёмных слоем материала вдоль линии резки. Отсутствие зоны термического воздействия объясняется обязательным выполнением одногоь из критериев ЛУТ — температура нагрева материала в зоне резки не должна превышать температуры плавления или размягчения материала. Отсутствие механических повреждений в виде микротрещих и сколов обеспечивается полным исключением механических нагрузок и воздействий в зоне резки. Таким образом, повышение прочности кромки изделия после ЛУТ объясняется отсутствием любых концентраторов напряжений вдоль линии резки.

Отсутствие минимальных механических нагрузок на изделие в процессе резки методом ЛУТ позволяет использовать эту технологию при размерной резке сверхтонких пластин из хрупких неметаллических материалов, например, сапфира, стекла, полупроводниковых материалов. Один из примеров такого применения при резке кремниевых пластин после операции их утонения будет приведён ниже в данной работе.

С другой стороны, отсутстсвие нарушенного трещиноватого слоя на кромке изделия обеспечивает не только повышение прочности, но и оптическую прозрачность кромки, что обеспечивает невидимость линии состыковки тоцов отдельных элементов в единое сложное крупногабаритное изделие. Пример такого применения технологии ЛУТ также будет приведён ниже в данной статье.

Технология ЛУТ кремниевых

приборных пластин «Таъко»

В связи с минитиаризацией полупроводниковых приборов и увеличением мощности элементов компонентной базы большое значение отводится операции утонения приборных пластин перед окончательным разделением на отдельные кристаллы (чипы) с целью уменьшения их теплового сопротивления при передаче тепла от тепловыделяющих элементов к те-плорассейвающим устройствам (радиаторам). Минимальные толщины утонения связаны, с одной стороны, ограниченными возможностями самой технологии утонения и сопутствующими операциями наклеивания, расклеивания и очист-

ки, а с другой стороны, возникают трудности при окончательной резке утонённой приборной пластины на кристаллы. Это связано с высокой вероятностью разрушения при незначительных механических и/или термических нагрузках в зоне резки хрупких материалов (сапфин, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и др.) тонких приборных пластин, у которых к тому же присутствует нарушенный трещиноватый слой после операции утонения.

Компании «Disco» удалось разработать очень эффективную технологию утонения кремниевых подложек с коммерческим названием «Taiko» (в переводе с японского языка — «барабан») [5]. На рис. 2 представлена схема утонения с применением данной технологии.

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/mezhdunarodnoe-razvitie-tehnologiy-lazernogo-upravlyaemogo-termoraskalyvaniya/viewer