CC BY
21ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.373.8
МЕЖДУНАРОДНОЕ РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ
INTERNATIONAL DEVELOPMENT OF LASER-CONTROLLED THERMAL SPLITTING TECHNOLOGIES
© Кондратенко Владимир Степанович
Vladimir S. Kondratenko
доктор технических наук, профессор, академик Европейской академии наук, Почётный работник науки и техники РФ, Почётный работник образования РФ, заведующий кафедрой оптических и биотехнических систем и технологий, Российский технологический университет (г. Москва).
DSc (Technical), Professor, Academician of the European Academy of Sciences, Honorary worker of science and technology of the Russian Federation, Honorary worker of education of the Russian Federation, Head of the Department of optical and biotechnical systems and technologies, Russian technological University (Moscow).
© Лу Хунг-Ту
Lu Hung-Tu
PhD, Академик Международной академии технологических наук, почётный доктор и почётный профессор Российского технологического университета, президент, компания «Nanoplus Tech» (Тайвань).
PhD, Academician of the International Academy of Technological Sciences, honorary doctor and honorary professor of the Russian University of Technology, President, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).
© Наумов Александр Сергеевич
Alexander S. Naumov кандидат технических наук, академик Международной академии технологических наук, лауреат премии Правительства РФ, директор отдела лазерных технологий, компания «Nanoplus Tech» (Тайвань).
PhD(Technical), academician of International Academy of technological Sciences, laureate of the Government prize of the Russian Federation, Director of the Department of laser technology, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).
Abstract The paper gives an example of the further international development of the method of laser-controlled thermal splitting (LCTS), which makes it possible to expand the technological capabilities of precision cutting of a wide class of materials and provide the possibility of creating new products and devices for micro- and optoelectronics. The successful application of the LCTS method for cutting along a closed circular contour when separating an annular flash from ultrathin silicon substrates "Taiko"is described.
Key words: laser-controlled thermal splitting (LCTS), CO2 laser, semiconductor laser, silicon.
Аннотация. 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 оптоэлек-троники. Описано успешное применение метода ЛУТ при резке по замкнутому круговому контуру при отделении кольцевого облоя у сверхтонких кремниевых подложек «Taiko».
Ключевые слова: лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ), СО2-лазер, стекло, сапфир, кремний.
Введение
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.
защитная лленка
вакуумный столик
Рис. 2. Схема утонения кремниевой подложки по технологии «Taiko»
Сущность технологии заключается в со-шлифовывании с нерабочей стороны центральной части подложки со сформированными структурами приборов до минимальной заданной толщины с помощью специального шлифовального инструмента. При этом узкая нетронутая периферийная кромка подложки остаётся нетронутой и служит конструктивным элементом для удержания утонённой подложки. Технология оказалась весьма эффективной благодаря исключению операций приклеивания исходной кремниевой заготовки на планшайбу-носитель и отклеивания утонённой подложки, а также очистки и отмывки утонённой подложки перед последующими операциями металлизации нерабочей поверхности подложки и её окончательного разделения на кристаллы. При этом металлизация нерабочей стороны подложки осуществляется до удаления периферийного кольца. Однако при использовании новой технологии утонения '"^ко" появляется дополнительная операция удаления удерживающего кремниевого кольца, образованного после утонения рабочей части кремниевой подложки. Существуют различные способы удаления перефирийного кольца утонённой кремниевой подложки, схемы которых представлены на рис. 3.
Однако перечисленные технологии удаления периферийной части утонённой подложки - кольца обладают очень серьёзным недостатком, препятствующим широкому применению этой технологии утонения. Этим недостатком яв-
СОЬ ллэер
В)
Г
Рис. 3. Варианты технологической операции удаления технологического кольца-держателя:
а) удаление путём сошлифовки алмазным инструментом до толщины утонённой подложки; б) удаление дисковой алмазной резкой; в) удаление с помощью лазерного скрайбирования
ляется наличие большого количества микротрещин, сколов и других концентраторов напряжений, являющихся
причинои возможного зарождения и развития трещин, распространяющихся от края подложки на её рабочую часть и приводящих к повреждению части или всей подолжки.
При использовании лазерного скрайбиро-вания для отделения удерживающего технологического кольца подложки «Та1ко» с помощью С02 лазера образуется зона термического воздействия шириной до 250 мкм, а также высока вероятность образования трещин, разрушающих рабочую зону подложки (рис. 4а). Для сравнения на рис. 4б приведена фотография кромки кремниевой подложки после отделения облоя методом ЛУТ, иллюстрирующая отсутствие зоны термического воздействия в вимде сколов и микротрещин.
Как упоминалось выше, как правило, после операции утонения подложки осуществляют напыление тонкого металлического слоя на нерабочую поверхность подложки. В связи с этим перед началом отделения кольцевого облоя от подложки следует удалить это отражающее покрытие в кольцевой зоне последующей резки методом ЛУТ шириной 200-250 мкм. Для этого было использовано излучение твердотельного лазера с длиной волны 355 нм.
В работе [6] приведены первые результаты выполненной авторами работы по применению метода лазерного управляемого термолраска-лывания как для отделения кольцевого облоя подложки после утонения, так и последующего разделения утонённой кремниевой подложки на кристаллы (чипы). Ранее в работе [7] было описано успешное применение метода ЛУТ для прецизионной резки кремниевых подложек на кристаллы для органических светоизлуча-ющих диодов, показавшее неоспоримое преимущество перед известными традиционными технологиями резки. Учитывая положительный опыт применения ЛУТ была разработана технология и специальное лазерное технологическое для удаления кольца на утонённых кремниевых подложках «Та1ко» (рис. 5).
В установке для резки методом ЛУТ использован полупроводниковый лазер с длиной
а)
б)
Рис. 4. Фотография кромки кремниевой подложки «Та1ко» после обезки кромки методом лазерного скрайбирования (а) и методом ЛУТ (б)
%
SIS4Ü'
Рис. 5. Установка с ЧПУ для резки кремниевых подложек «Taiko» методом ЛУТ
волны 808 нм, обеспечивающий скорость резки от 200 до 400 мм/с.
Заключение
Метод ЛУТ успешно применён при резке по замкнутому круговому контуру при отделении кольцевого облоя у предельно тонких кремниевых подложек «Taiko». Показаны преимущества новой технологии, базирующейся на применении метода ЛУТ, заключающиеся в отсутствии зоны термического воздействия и микротрещин вдоль линии реза, высокой скорости, качества и точности резки, а также в резком повышении процента выхода годных изделий, что в свою очередь позволяет более эффективно использовать новую технологию утонения кремниевых подложек «Taiko».
Материалы поступили в редакцию 22.09.2020 г.
Библиографический список (References)
1. А. с. 708686, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки стекла / В. С. Кондратенко, Е. К. Белоусов, В. В. Чуйко ; приор. 1977-08-17. - Текст : непосредственный.
2. А. с. 776002, МКИ5 СОз В 33/02. Способ резки листового стекла / В. С. Кондратенко ; приор. 1979-02-19. - Текст : непосредственный.
3. Пат. 2024441 Российская Федерация, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В. С. Кондратенко; № 5030537/33 ; заявл. 02.04.1992 ; опубл. 15.12.1994, Бюл. № 23.
- Текст : непосредственный.
4. Patent № WO9320015. Splitting of non-metallic materials / Kondratenko V. 1993-10-14.
- Текст : непосредственный.
5. Компания «Disco» : сайт. - URL: http://www. disco.co.jp/eg/solution/apexp/dicing/ circle.html. (дата обращения:12.08.2020). - Текст : электронный.
6. Кондратенко, В. С. Лазерная резка кремниевых подложек изготовленных методом Taiko / В. С. Кондратенко, Лу Хунг-Ту, А. С. Наумов, И. Э. Великовский. - Текст : непосредственный // Прикладная физика. - 2020. - № 1. - С. 71-74.
- ISSN 1996-0948.
7. Кондратенко, В. С. Влияние методов резки кремниевых подложек на качество органических светоизлучающих диодов / В. С. Кондратенко, В. И. Иванов. - Текст : непосредственный // Прикладная физика. - 2017. - №1. - С. 36-40.-ISSN 1996-0948.
1. Kondratenko, V. S., Belousov, E. K., Chuiko, V. V. (1977). A c. 708686, MKI5 SO3 V 33/02. Sposob rezki stekla [Pat. 708686, MKI5 SO3 V 33/02. Glass cutting method]. prior. 1977-08-17.
2. Kondratenko, V. S. (1979). A. c. 776002, MKI5 SO3 V 33/02. Sposob rezki listovogo stekla [Pat. 776002, MKI5 SO3 IN 33/02. Method of cutting sheet glass]. prior. 1979-02-19.
3. Kondratenko, V. S. (1994). Pat. 2024441 Rossijskaja Federacija, MKI5 SO3 V 33/02. Sposob rezki hrupkih materialov [Pat. 2024441 Russian Federation, ICI5 CO3 AT 33/02. Method of cutting brittle materials].
4. Kondratenko, V. S. (1993). Patent № WO9320015. Splitting of non-metallic materials. 1993-10- 14.
5. (2020). «Disco» company. - URL: http://www. disco.co.jp/eg/solution/apexp/dicing/ circle.html. - URL: http://www.disco.co.jp/eg/solution/apexp/ dicing/ circle.html (accessed 12 August, 2020).
6. Kondratenko, V. S., Hung-Tu, Lu, Naumov, A. S., Velikovskij, I. Je. (2020). Lazernaja rezka kremnievyh podlozhek izgotovlennyh metodom Taiko [Laser cutting of silicon substrates made by the Taiko method]. Prikladnajafizika. No 1. P. 71-74. ISSN 1996-0948.
7. Kondratenko, V. S., Ivanov V. I. (2017). Vlijanie metodov rezki kremnievyh podlozhek na kachestvo organicheskih svetoizluchajushhih diodov [Influence of silicon substrate cutting methods on the quality of organic light - emitting diodes]. Prikladnajafizika. No1. P. 36-40. ISSN 1996-0948.
