eng
Выпуск #2/2015
В. Кондратенко, А. Зобов, А. Наумов, Лу Хунг-Ту
Технология прецизионной лазерной резки сапфировых пластин
Технология прецизионной лазерной резки сапфировых пластин
Просмотры: 6177
Статья раскрывает особенности новой технологии резки приборных пластин на кристаллы методом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ). Приведены результаты экспериментальных исследований по лазерной резке сапфировых пластин на кристаллы для светоизлучающих диодов (СИД) с использованием СО2- и УФ-лазера.
Теги: laser cutting glass sapphire crystal thermocontroled cracking лазерная резка стекла сапфировое стекло термоуправляемое раскалывание
И
спользование в современной индустрии таких хрупких материалов, как сапфир, стекло, керамика, кварц, кремний и других полупроводниковых материалов резко возросло практически во всех отраслях производства. Также стремительно увеличивается номенклатура изделий, использующих перечисленные материалы. Это твердотельные полупроводниковые приборы, элементы оптики, микро- и оптоэлектроники.
В производстве подобных приборов резка является одной из ключевых операций. Особое внимание уделяется прецизионной резке широкого класса хрупких неметаллических материалов. Среди них – метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), который успешно завоевал лидирующие позиции во всем мире. Данная технология разработана в России и запатентована в России и за рубежом [1, 2].
В настоящее время при резке приборных пластин из сапфира в промышленных масштабах используются две конкурирующие технологии лазерного скрайбирования. Сообщение [3] о разработке нового оборудования для резки приборных пластин на чипы с помощью лазеров с излучением в УФ-области спектра вызвало повышенный интерес у производителей СИД. Резка с помощью УФ-лазера предполагает предварительное нанесение на поверхности подложки неглубокого надреза и последующего ее разламывания. На рис.1а представлен торец чипа, образованный после лазерного скрайбирования и последующего разламывания. При скрайбировании УФ-лазером ширина реза варьируется от 5 до 30 мкм в зависимости от применяемого источника излучения, формирующей оптики и других используемых технических систем, а скорость скрайбирования в среднем составляет 2–50 мм/с в зависимости от разделяемого материала, его толщины и ряда рабочих параметров. Эти характеристики заметно лучше тех, что проявляются при механической резке.
В 2007 году японская компания Hamamatsu Photonics KK изобрела новую оригинальную технологию скрайбирования, получившую название Stealth Dicing или SD-резки (невидимая резка) [4]. Основная идея технологии состояла в том, что надрез обрабатываемой сапфировой пластины осуществлялся не снаружи (с внешней стороны заготовки), а внутри нее [5]. Технология осуществляется следующим образом. Лазерный пучок направляют на одну из сторон пластины, при этом фокусируют его не на поверхности пластины, обращенной лицевой стороной к лазеру, а внутри нее. В результате – во внутреннем объеме заготовки образуется линия микровзрывов (при достаточной плотности мощности лазерного излучения). Помимо образования последовательности близкорасположенных вертикальных треков лазерное перфорирование вызывает также и механические деформации внутри пластины. После завершения процесса лазерной обработки пластина все еще представляет собой единое целое. Поэтому, как и в первом методе поверхностного скрайбирования, необходимо прикладывать дополнительно механическую нагрузку, чтобы расколоть пластину вдоль линии движения лазерного пучка. На рис.1б изображен торец сапфировой пластины после резки. По разным источникам, скорость SD-резки может достигать 150 мм/с. Для сравнения на рис.1в представлена фотография торца пластины сапфира после резки методом ЛУТ, демонстрирующая неоспоримые преимущества последнего в качестве резки перед всеми известными технологиями. Кроме того, скорость резки сапфировых пластин достигает 750 мм/с и более.
Авторы задались целью разработать оборудование для прецизионной лазерной резки сапфировых пластин, используя метод ЛУТ. Для этого была составлена модель процесса, в соответствии с ней проведены численные расчеты, их результаты сопоставлены с результатами ряда экспериментов. Так родилась первая российская промышленная установка для прецизионной резки подложек из сапфира и других хрупких неметаллических материалов.
Физическая и математическая модели процесса ЛУТ
Сущность метода ЛУТ представлена на рис.2. При нагреве поверхности хрупкого материала сфокусированным пучком, для которого материал является непрозрачным (для сапфира – это излучение СО2-лазера с длиной волны 9,3 или 10,6 мкм), в зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия. При подаче с помощью форсунки вслед за лазерным пучком хладагента происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур ведет к возникновению в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, которые при определенных условиях могут приводить к образованию и продвижению трещины (6) в направлении реза.
С целью оптимизации режимов была разработана математическая модель ЛУТ для хрупких материалов. Был проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в процессе ЛУТ как изотропных, так и анизотропных материалов [6].
Для рассчета распределения температуры при поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы для тонкой приборной пластины был применен метод разделения переменных. Задача теплопроводности сведена к двум задачам – одномерной задаче в направлении толщины пластины и двумерной в плоскости пластины. Одномерная задача для поглощения излучения по закону Буггера решается аналитически и выражается разложением в ряд Фурье по cos (πzn/h), где z – текущая координата, h – толщина пластины, n – натуральное целое число. Для каждого значения n определена двумерная задача, которая решается численно, методом конечных разностей. Решение задачи проведено средствами MathCad.
Коэффициент теплоотдачи определяется
экспериментально, в расчетах он аппроксимирован зависимостью . Полученное распределение температуры представлено на рис.3а. Модель распределения температуры демонстрирует резкий спад, локализованный в области фронта кипения хладагента.
При рассмотрении задачи термоупругости тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за тем пучком хладагента, можно считать функцию распределения температуры по толщине пластины однородной. В этом случае реализуется плоское напряженное состояние.
Для двумерного случая (x, y) задачу термоупругости определяют уравнения совместности:
;
;
,
уравнения равновесия
;
и граничные условия
;
,
где αT – коэффициент термического расширения, Е – модуль Юнга, ν – коэффициент Пуассона, σij – тензор напряжений, Т (x, y, t) – функция распределения температуры в рассматриваемом материале (причем, для задачи термоупругости время t является параметром, а не переменной).
Введем функцию напряжений F (x, y), удовлетворяющую соотношениям:
Тогда уравнения равновесия удовлетворяются автоматически, а уравнения совместности сведутся к уравнению:
.
Частное решение этого уравнения, находится в виде: , используя уравнение теплопроводности с поверхностными источниками нагрева и охлаждения
.
Тогда частное решение для компонент σyy тензора напряжения запишется:
.
Общее решение однородного уравнения задачи термоупругости будет тождественно равно нулю, поскольку в отсутствие нагрева и охлаждения в свободно расположенной пластине напряжений нет. Нас интересует значение σyy в зоне охлаждения после нагрева излучением пластины. Именно эти напряжения приводят к продвижению трещины вслед за лазерным излучением. Определенное таким образом распределение напряжений σyy приведено на рис.3б.
Приведенная математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин. Полученные расчеты полностью согласуются с экспериментальными результатами.
Оптимизация технологического процесса резки сапфировых пластин
Первые попытки использовать метод ЛУТ для резки приборных сапфировых пластин на кристаллы в производстве светоизлучающих диодов показали его перспективность и бесспорные преимущества [7]. Главным преимуществом технологии ЛУТ является высокая производительность (скорость резки 700–1500 мм/с) и бездефектность кромки (см.рис.1 ), обеспечивающая повышение прочности изделия в 5 раз по сравнению с традиционной резкой.
Однако при попытках применения метода ЛУТ в массовом производстве СИД возникли ограничения, преодоление которых потребовало дополнительных исследований. Несмотря на все преимущества при резке методом ЛУТ по пересекающимся линиям появились определенные трудности – оказалось, что высокопрочная бездефектная кромка пластины после ЛУТ препятствует продвижению трещины при пересечении первоначальных линий реза в перпендикулярном направлении.
Методика резки сапфировых пластин на кристаллы методом ЛУТ включает в себя следующие операции:
нанесение на край пластины локального микродефекта (концентратора напряжений), служащего началом зарождения трещины;
резку пластины на полосы в первом направлении c помощью СО2 – лазера;
поворот пластины на 90 градусов;
нанесение надрезов с помощью алмазной пирамидки на пересечении с линиями реза в первом направлении;
резку пластины во втором направлении.
Резка сапфировых или других приборных пластин в первом направлении осуществляется без всяких затруднений со скоростью от 350 до 700 мм/с, при этом используется излучение СО2-лазера мощностью 25–50 Вт. На рис.4 показана фотография кристалла СИД после резки исходной сапфировой пластины методом ЛУТ: сторона 1, 2 –после резки в первом направлении; сторона 3, 4 – после резки во втором направлении. Как видно из этой фотографии, резку в первом направлении отличает высокое качество кромки, в то время как резка во втором направлении происходит с заметным искривлением линии реза. Несмотря на нанесение надреза во втором направлении с помощью алмазного резца, происходит отклонение линии реза от прямолинейной траектории перемещения. Кроме того, качество торца кристалла во втором направлении резки существенно хуже качества резки в первом направлении. Еще одним недостатком такого способа резки является быстрый износ алмазного инструмента.
Однако в ходе оптимизации технологического процесса лазерной резки приборных пластин, в первую очередь на основе сапфировых подложек, был разработан и запатентован новый способ резки [8]. На рис.5 представлена схема лазерной резки приборных пластин на кристаллы, сочетающей метод ЛУТ и нанесение неглубокого надреза во втором направлении с помощью УФ-лазера.
Резку сапфировой пластины (1) с уже сформированными структурами (2) проводят следующим образом. При резке пластины в первом направлении "I" первоначально на край пластины наносят короткие надрезы (3), являющиеся концентраторами напряжений и обеспечивающие надежное зарождение разделяющих трещин (4) и их дальнейшее продвижение методом ЛУТ. При резке во втором направлении "II" для получения сквозных разделяющих трещин (5) предварительно наносится неглубокий надрез (6) по всей длине реза или в местах пересечений с линиями реза (4) с помощью сфокусированного пучка УФ-лазера (7). При последующем нагреве линии надреза (6) лазерным пучком (8) СО2-лазера и последующего охлаждения зоны нагрева с помощью хладагента (9) происходит образование сквозной разделяющей трещины (5).
Была осуществлена оптимизация технологических режимов резки приборных пластин со структурами светоизлучающих диодов (СИД) на кристаллы. В качестве материала использовалась пластина из сапфира диаметром 50,8 мм, толщиной 90 мкм. Резку подложки на кристаллы (чипы) размерами 250 × 250 мкм осуществляли на лазерной технологической установке, содержащей СО2-лазер мощностью до 50 Вт, обеспечивающий генерацию излучения с модой ТЕМ01. Излучение фокусировалось на поверхность пластины с помощью сферическо-цилиндрического объектива в эллиптический пучок размером 1,5×0,1 мм. Для нанесения локальных надрезов длиной 150 мкм на краю пластины при резке в первом направлении и для нанесения надрезов по всей длине реза во втором направлении использовали УФ-лазер с длиной волны излучения 355 нм. Глубина надреза составляла 5–9 мкм, а ширина надреза составляла 5–7 мкм. Скорость резки пластины методом ЛУТ составляла 400–550 мм/с.
Рис.6 иллюстрирует высокое качество резки сапфировых пластин на кристаллы с использованием новой технологии, обеспечивающей высокое качество резки в первом и втором направлении.
Первая российская промышленная установка МЛП1–1060/355 (рис.7а) для прецизионной резки подложек из сапфира и других хрупких неметаллических материалов была изготовлена компанией ООО "Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" (Зеленоград) на основании лицензионного договора с патентообладателем (В. С. Кондратенко). Новая технология резки сапфировых подложек на кристаллы для СИД была реализована на основании лицензионного договора компанией Foxconn Technology Group (Тайвань). Для этого было разработано и изготовлено новое технологическое оборудование серии WLCM2–330A (рис. 7б).
ВЫВОДЫ
Новая технология прецизионной лазерной резки приборных пластин из сапфира и хрупких материалов позволяет повысить эффективность способа резки. Это достигается за счет обеспечения возможности сквозной резки, не требующей дополнительной операции разламывания. Использование технологии расширяет не только диапазон толщин приборных пластин, обрабатываемых с помощью резки подложек, но и позволяет использовать кристаллы практически любых размеров. Результаты демонстрируют повышение производительности и улучшение качества резки. А если учесть, что одним из важнейших параметров светодиодов является их яркость, то светодиоды с элементами, обработанными по методу ЛУТ, выделяются своей более высокой яркостью, нежели светодиоды с элементами, обработанными другими методами. Достигается это за счет отсутствия каких-либо дефектов вдоль первого направления реза и незначительной (5 мкм) глубины канавки вдоль второго направления реза. Наличие глубокой канавки (25–30 мкм) в торце светодиода после скрайбирования УФ-лазером вызывает поглощение части света поврежденными кромками, что приводит к перегреву рабочих кристаллов СИД.
В России впервые в мире разработана и запатентована технология прецизионной резки сапфировых пластин на кристаллы для СИД, а также приборных пластин из других хрупких неметаллических материалов: кремний на сапфире, кварц, керамика, полупроводниковые материалы. Технология была реализована, и теперь любой желающий может заказать для своих задач образцы, опытные или серийные партии изделий из сапфира и других хрупких неметаллических материалов в Институте высоких технологий Московского государственного университета приборостроения и информатики, где работает эта установка.
ЛИТЕРАТУРА
Патент 2024441 РФ, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В. С. Кондратенко.
Patent WO9320015. Splitting of non-metallic materials/Kondratenko V.
Mingwei Li, Andrew Held. Meeting industry needs with laser micromachining. – Solid State Technology. 2003.
https://jp.hamamatsu.com/sd/Index_eg.html
Yiyun Zhang and others. Light extraction efficiency improvement by multiple laser stealth dicing in InGaN-based blue LED.– Optics Express, 12 March 2012 v. 20, № 6, p. 6808.
Кондратенко В.С., Голубятников И.В., Жималов А.Б. Развитие теории и практики метода лазерного управляемого термораскалывания. – Приборы, 2009, № 12, с. 1–6.
Kondratenko V., Gindin P., Tchernykh S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices. – Phys. Stat. Sol. (c) 0, 2003, № 7, p.2232–2235.
Патент № 2404931 РФ, МКИ5 СО3 В 33/
спользование в современной индустрии таких хрупких материалов, как сапфир, стекло, керамика, кварц, кремний и других полупроводниковых материалов резко возросло практически во всех отраслях производства. Также стремительно увеличивается номенклатура изделий, использующих перечисленные материалы. Это твердотельные полупроводниковые приборы, элементы оптики, микро- и оптоэлектроники.
В производстве подобных приборов резка является одной из ключевых операций. Особое внимание уделяется прецизионной резке широкого класса хрупких неметаллических материалов. Среди них – метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), который успешно завоевал лидирующие позиции во всем мире. Данная технология разработана в России и запатентована в России и за рубежом [1, 2].
В настоящее время при резке приборных пластин из сапфира в промышленных масштабах используются две конкурирующие технологии лазерного скрайбирования. Сообщение [3] о разработке нового оборудования для резки приборных пластин на чипы с помощью лазеров с излучением в УФ-области спектра вызвало повышенный интерес у производителей СИД. Резка с помощью УФ-лазера предполагает предварительное нанесение на поверхности подложки неглубокого надреза и последующего ее разламывания. На рис.1а представлен торец чипа, образованный после лазерного скрайбирования и последующего разламывания. При скрайбировании УФ-лазером ширина реза варьируется от 5 до 30 мкм в зависимости от применяемого источника излучения, формирующей оптики и других используемых технических систем, а скорость скрайбирования в среднем составляет 2–50 мм/с в зависимости от разделяемого материала, его толщины и ряда рабочих параметров. Эти характеристики заметно лучше тех, что проявляются при механической резке.
В 2007 году японская компания Hamamatsu Photonics KK изобрела новую оригинальную технологию скрайбирования, получившую название Stealth Dicing или SD-резки (невидимая резка) [4]. Основная идея технологии состояла в том, что надрез обрабатываемой сапфировой пластины осуществлялся не снаружи (с внешней стороны заготовки), а внутри нее [5]. Технология осуществляется следующим образом. Лазерный пучок направляют на одну из сторон пластины, при этом фокусируют его не на поверхности пластины, обращенной лицевой стороной к лазеру, а внутри нее. В результате – во внутреннем объеме заготовки образуется линия микровзрывов (при достаточной плотности мощности лазерного излучения). Помимо образования последовательности близкорасположенных вертикальных треков лазерное перфорирование вызывает также и механические деформации внутри пластины. После завершения процесса лазерной обработки пластина все еще представляет собой единое целое. Поэтому, как и в первом методе поверхностного скрайбирования, необходимо прикладывать дополнительно механическую нагрузку, чтобы расколоть пластину вдоль линии движения лазерного пучка. На рис.1б изображен торец сапфировой пластины после резки. По разным источникам, скорость SD-резки может достигать 150 мм/с. Для сравнения на рис.1в представлена фотография торца пластины сапфира после резки методом ЛУТ, демонстрирующая неоспоримые преимущества последнего в качестве резки перед всеми известными технологиями. Кроме того, скорость резки сапфировых пластин достигает 750 мм/с и более.
Авторы задались целью разработать оборудование для прецизионной лазерной резки сапфировых пластин, используя метод ЛУТ. Для этого была составлена модель процесса, в соответствии с ней проведены численные расчеты, их результаты сопоставлены с результатами ряда экспериментов. Так родилась первая российская промышленная установка для прецизионной резки подложек из сапфира и других хрупких неметаллических материалов.
Физическая и математическая модели процесса ЛУТ
Сущность метода ЛУТ представлена на рис.2. При нагреве поверхности хрупкого материала сфокусированным пучком, для которого материал является непрозрачным (для сапфира – это излучение СО2-лазера с длиной волны 9,3 или 10,6 мкм), в зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия. При подаче с помощью форсунки вслед за лазерным пучком хладагента происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур ведет к возникновению в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, которые при определенных условиях могут приводить к образованию и продвижению трещины (6) в направлении реза.
С целью оптимизации режимов была разработана математическая модель ЛУТ для хрупких материалов. Был проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в процессе ЛУТ как изотропных, так и анизотропных материалов [6].
Для рассчета распределения температуры при поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы для тонкой приборной пластины был применен метод разделения переменных. Задача теплопроводности сведена к двум задачам – одномерной задаче в направлении толщины пластины и двумерной в плоскости пластины. Одномерная задача для поглощения излучения по закону Буггера решается аналитически и выражается разложением в ряд Фурье по cos (πzn/h), где z – текущая координата, h – толщина пластины, n – натуральное целое число. Для каждого значения n определена двумерная задача, которая решается численно, методом конечных разностей. Решение задачи проведено средствами MathCad.
Коэффициент теплоотдачи определяется
экспериментально, в расчетах он аппроксимирован зависимостью . Полученное распределение температуры представлено на рис.3а. Модель распределения температуры демонстрирует резкий спад, локализованный в области фронта кипения хладагента.
При рассмотрении задачи термоупругости тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за тем пучком хладагента, можно считать функцию распределения температуры по толщине пластины однородной. В этом случае реализуется плоское напряженное состояние.
Для двумерного случая (x, y) задачу термоупругости определяют уравнения совместности:
;
;
,
уравнения равновесия
;
и граничные условия
;
,
где αT – коэффициент термического расширения, Е – модуль Юнга, ν – коэффициент Пуассона, σij – тензор напряжений, Т (x, y, t) – функция распределения температуры в рассматриваемом материале (причем, для задачи термоупругости время t является параметром, а не переменной).
Введем функцию напряжений F (x, y), удовлетворяющую соотношениям:
Тогда уравнения равновесия удовлетворяются автоматически, а уравнения совместности сведутся к уравнению:
.
Частное решение этого уравнения, находится в виде: , используя уравнение теплопроводности с поверхностными источниками нагрева и охлаждения
.
Тогда частное решение для компонент σyy тензора напряжения запишется:
.
Общее решение однородного уравнения задачи термоупругости будет тождественно равно нулю, поскольку в отсутствие нагрева и охлаждения в свободно расположенной пластине напряжений нет. Нас интересует значение σyy в зоне охлаждения после нагрева излучением пластины. Именно эти напряжения приводят к продвижению трещины вслед за лазерным излучением. Определенное таким образом распределение напряжений σyy приведено на рис.3б.
Приведенная математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин. Полученные расчеты полностью согласуются с экспериментальными результатами.
Оптимизация технологического процесса резки сапфировых пластин
Первые попытки использовать метод ЛУТ для резки приборных сапфировых пластин на кристаллы в производстве светоизлучающих диодов показали его перспективность и бесспорные преимущества [7]. Главным преимуществом технологии ЛУТ является высокая производительность (скорость резки 700–1500 мм/с) и бездефектность кромки (см.рис.1 ), обеспечивающая повышение прочности изделия в 5 раз по сравнению с традиционной резкой.
Однако при попытках применения метода ЛУТ в массовом производстве СИД возникли ограничения, преодоление которых потребовало дополнительных исследований. Несмотря на все преимущества при резке методом ЛУТ по пересекающимся линиям появились определенные трудности – оказалось, что высокопрочная бездефектная кромка пластины после ЛУТ препятствует продвижению трещины при пересечении первоначальных линий реза в перпендикулярном направлении.
Методика резки сапфировых пластин на кристаллы методом ЛУТ включает в себя следующие операции:
нанесение на край пластины локального микродефекта (концентратора напряжений), служащего началом зарождения трещины;
резку пластины на полосы в первом направлении c помощью СО2 – лазера;
поворот пластины на 90 градусов;
нанесение надрезов с помощью алмазной пирамидки на пересечении с линиями реза в первом направлении;
резку пластины во втором направлении.
Резка сапфировых или других приборных пластин в первом направлении осуществляется без всяких затруднений со скоростью от 350 до 700 мм/с, при этом используется излучение СО2-лазера мощностью 25–50 Вт. На рис.4 показана фотография кристалла СИД после резки исходной сапфировой пластины методом ЛУТ: сторона 1, 2 –после резки в первом направлении; сторона 3, 4 – после резки во втором направлении. Как видно из этой фотографии, резку в первом направлении отличает высокое качество кромки, в то время как резка во втором направлении происходит с заметным искривлением линии реза. Несмотря на нанесение надреза во втором направлении с помощью алмазного резца, происходит отклонение линии реза от прямолинейной траектории перемещения. Кроме того, качество торца кристалла во втором направлении резки существенно хуже качества резки в первом направлении. Еще одним недостатком такого способа резки является быстрый износ алмазного инструмента.
Однако в ходе оптимизации технологического процесса лазерной резки приборных пластин, в первую очередь на основе сапфировых подложек, был разработан и запатентован новый способ резки [8]. На рис.5 представлена схема лазерной резки приборных пластин на кристаллы, сочетающей метод ЛУТ и нанесение неглубокого надреза во втором направлении с помощью УФ-лазера.
Резку сапфировой пластины (1) с уже сформированными структурами (2) проводят следующим образом. При резке пластины в первом направлении "I" первоначально на край пластины наносят короткие надрезы (3), являющиеся концентраторами напряжений и обеспечивающие надежное зарождение разделяющих трещин (4) и их дальнейшее продвижение методом ЛУТ. При резке во втором направлении "II" для получения сквозных разделяющих трещин (5) предварительно наносится неглубокий надрез (6) по всей длине реза или в местах пересечений с линиями реза (4) с помощью сфокусированного пучка УФ-лазера (7). При последующем нагреве линии надреза (6) лазерным пучком (8) СО2-лазера и последующего охлаждения зоны нагрева с помощью хладагента (9) происходит образование сквозной разделяющей трещины (5).
Была осуществлена оптимизация технологических режимов резки приборных пластин со структурами светоизлучающих диодов (СИД) на кристаллы. В качестве материала использовалась пластина из сапфира диаметром 50,8 мм, толщиной 90 мкм. Резку подложки на кристаллы (чипы) размерами 250 × 250 мкм осуществляли на лазерной технологической установке, содержащей СО2-лазер мощностью до 50 Вт, обеспечивающий генерацию излучения с модой ТЕМ01. Излучение фокусировалось на поверхность пластины с помощью сферическо-цилиндрического объектива в эллиптический пучок размером 1,5×0,1 мм. Для нанесения локальных надрезов длиной 150 мкм на краю пластины при резке в первом направлении и для нанесения надрезов по всей длине реза во втором направлении использовали УФ-лазер с длиной волны излучения 355 нм. Глубина надреза составляла 5–9 мкм, а ширина надреза составляла 5–7 мкм. Скорость резки пластины методом ЛУТ составляла 400–550 мм/с.
Рис.6 иллюстрирует высокое качество резки сапфировых пластин на кристаллы с использованием новой технологии, обеспечивающей высокое качество резки в первом и втором направлении.
Первая российская промышленная установка МЛП1–1060/355 (рис.7а) для прецизионной резки подложек из сапфира и других хрупких неметаллических материалов была изготовлена компанией ООО "Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" (Зеленоград) на основании лицензионного договора с патентообладателем (В. С. Кондратенко). Новая технология резки сапфировых подложек на кристаллы для СИД была реализована на основании лицензионного договора компанией Foxconn Technology Group (Тайвань). Для этого было разработано и изготовлено новое технологическое оборудование серии WLCM2–330A (рис. 7б).
ВЫВОДЫ
Новая технология прецизионной лазерной резки приборных пластин из сапфира и хрупких материалов позволяет повысить эффективность способа резки. Это достигается за счет обеспечения возможности сквозной резки, не требующей дополнительной операции разламывания. Использование технологии расширяет не только диапазон толщин приборных пластин, обрабатываемых с помощью резки подложек, но и позволяет использовать кристаллы практически любых размеров. Результаты демонстрируют повышение производительности и улучшение качества резки. А если учесть, что одним из важнейших параметров светодиодов является их яркость, то светодиоды с элементами, обработанными по методу ЛУТ, выделяются своей более высокой яркостью, нежели светодиоды с элементами, обработанными другими методами. Достигается это за счет отсутствия каких-либо дефектов вдоль первого направления реза и незначительной (5 мкм) глубины канавки вдоль второго направления реза. Наличие глубокой канавки (25–30 мкм) в торце светодиода после скрайбирования УФ-лазером вызывает поглощение части света поврежденными кромками, что приводит к перегреву рабочих кристаллов СИД.
В России впервые в мире разработана и запатентована технология прецизионной резки сапфировых пластин на кристаллы для СИД, а также приборных пластин из других хрупких неметаллических материалов: кремний на сапфире, кварц, керамика, полупроводниковые материалы. Технология была реализована, и теперь любой желающий может заказать для своих задач образцы, опытные или серийные партии изделий из сапфира и других хрупких неметаллических материалов в Институте высоких технологий Московского государственного университета приборостроения и информатики, где работает эта установка.
ЛИТЕРАТУРА
Патент 2024441 РФ, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В. С. Кондратенко.
Patent WO9320015. Splitting of non-metallic materials/Kondratenko V.
Mingwei Li, Andrew Held. Meeting industry needs with laser micromachining. – Solid State Technology. 2003.
https://jp.hamamatsu.com/sd/Index_eg.html
Yiyun Zhang and others. Light extraction efficiency improvement by multiple laser stealth dicing in InGaN-based blue LED.– Optics Express, 12 March 2012 v. 20, № 6, p. 6808.
Кондратенко В.С., Голубятников И.В., Жималов А.Б. Развитие теории и практики метода лазерного управляемого термораскалывания. – Приборы, 2009, № 12, с. 1–6.
Kondratenko V., Gindin P., Tchernykh S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices. – Phys. Stat. Sol. (c) 0, 2003, № 7, p.2232–2235.
Патент № 2404931 РФ, МКИ5 СО3 В 33/
Отзывы читателей
