CC BY
66SIS**'
УДК 621.373.8
РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ
DEVELOPMENT OF EQUIPMENT BASED ON THE LASER CONTROLLED THERMAL CRACKING METHOD
© 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).
И lasercutan@163.com
© 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).
И 8097@rambler.ru
Аннотация. Работа посвящена разработке нового лазерного оборудования на основе метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) или метода резки Кондратенко. Новизна связана с использованием дополнительного лазера в обру-довании ЛУТ для нанесения первичного дефекта взамен алмазного или твердосплавного инструмента. Данный подход нашёл широкое применение при резке широкого класса изделий из стекла, сапфира и кремния. Приводятся результаты экспериментальных исследований с использованием двух лазеров: СО2- лазера для ЛУТ и твердотельного лазера для нанесения первичного дефекта.
Ключевые слова: лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ); СО2-лазер; твердотельный лазер; стекло; сапфир; кремний.
Abstract. The work is devoted to the development of new laser equipment based on the method of laser controlled thermal cracking (LUT) or Kondratenko cutting method. The novelty is associated with the use of an additional laser in the LUT equipment for applying a primary defect instead of a diamond or carbide tool. This approach is widely used in cutting a wide class of glass, sapphire and silicon products. The results of experimental studies using two lasers: a CO2 laser for LUT and a solid - state laser for primary defect deposition are presented.
Key words: laser controlled thermal cracking (LUT); CO2 laser; solid-state laser; glass; sapphire; silicon.
Метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) имеет долгую историю, начавшуюся в 1977 году в СССР [1, 2]. Впервые метод ЛУТ был разработан известным учёным и изобретателем, профессором
Владимиром Степановичем Кондратенко, поэтому среди специалистов данный метод ещё широко известен, как метод резки Кодратенко. После прохождения и завершения процедуры Российского и международного патентования
■^mi
SISK^'
в 1992 году [3, 4] данная технология начала активно использоваться ведущими компаниями Америки, Германии, Японии и Кореи в производстве оборудования для разделения стеклянных жидкокристаллических и плазменных дисплейных панелей, которые, на тот момент, использовали твердосплавный инструмент для скрайбирования1 стеклянных панелей. В настоящее время одним из признанных производителей такого лазерного оборудования является японская компания MDI [5]. Ведущие мировые компании по производству стекла, такие как Корнинг, Шотт и Пилкингтон также обратили внимание на новый метод ЛУТ, как обладающий рядом преимуществ метод разделения стекла. ЛУТ успешно завоевал во всём мире свою нишу в области прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, таких как стекло, керамика, сапфир, кварц, кремний и другие полупроводниковые материалы.
Физическую модель процесса ЛУТ можно представить следующим образом (рис. 1). При нагреве материала 1 лазерным пучком 2 с длиной волны, для которой материал является непрозрачным (например, для стекла - это излучение СО2-лазера с длиной волны 9,3 или 10,6 мкм), в зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия. Эти напряжения не приводят к разделению материала, так как прочность стекла на сжатие имеет очень высокое значение. При подаче хладагента 5 форсункой 4, вслед за лазерным пучком, происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза, а напряжения сжатия меняют знак на противоположный, и в зоне локального охлаждения возникают напряжения растяжения. Таким образом, создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения,
1 Скрайбирование (от англ. scribe, здесь - царапать) - способ разделения полупроводниковых пластин на кристаллы с помощью резца (скрайбера), применяется главным образом в технологии микроэлектроники. Посредством резца (в виде 3- или 4-гранной пирамиды) на пластине делается надрез глубиной 10-15 мкм (при ширине 20-40 мкм) со скоростью резания 2-3 м/мин. Надрезанную пластину изгибают на сферической или цилиндрической опоре либо прокатывают резиновым валиком на гибкой плоской опоре (например, резиновом коврике), в результате чего она разламывается по линиям надреза.
Рис. 1. Схема образования микротрещины в процессе ЛУТ: 1 - обрабатываемая пластина, 2 - лазерный пучок, 3 - фокусирующий объектив, 4 - форсунка, 5 - хладагент, 6 - микротрещина
которые при определённых условиях могут приводить к образованию и продвижению трещины или микротрещины 6 в направлении реза. Одним из таких условий является наличие первоначального концентратора напряжений в месте предполагаемого зарождения разделяющей трещины (микродефекта, например, царапины). Вторым обязательным условием для осуществлепния ЛУТ является ограничение максимального нагрева поверхности материала, а именно, максимальный нагрев не должен превышать температуру размягчения (плавления) материала.
Основываясь на этой физической модели, научная школа профессора В. С. Кондратенко успешно разработала математическую модель ЛУТ для предварительной оптимизации режимов резки различных хрупких материалов. Математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания различных материалов. Полученные расчёты полностью согласуются с экспериментальными результатами [6-9].
Таким образом, создаваемая микротрещина различной глубины по отношению к толщине материала или сквозная трещина по линии резки достигается, благодаря оптимизации следующих параметров:
- теплофизические свойства и толщина материала;
- мощность и плотность мощности лазерного излучения;
- форма и размеры лазерного пучка на поверхности материала;
- скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала;
- количество и параметры хладагента;
- наличие и глубина первоначального дефекта для зарождения трещины;
^ % i.SIS^*
- исходная температура разделяемого материала.
ЛУТ обеспечивает следующие основные преимущества по сравнению с другими традиционными технологиями резки хрупких материалов:
- высокая точность резки в диапазоне от ± 1 до ±30 мкм, в зависимости от задачи, свойств материала, точности оборудования, качества лазера и ряда других факторов;
- зеркальная кромка (торец), которая не требует последующей дополнительной шлифовки и полировки, чтобы повысить косметические и прочностные показатели изделий;
- прочность изделий повышается в 5 раз по сравнению со скрайбирова-нием твердосплаными инструментами за счёт отсутсвия дефектов вдоль линии реза;
- скорость резки достигает до 2 м/сек;
- высокая чистота и безотходность резки (ни одна молекула материала не удаляется в процессе резки);
- широкая номенклатура разделяемых материалов, к которым можно применить ЛУТ.
Для реализации различных процессов обработки необходимо разрабатывать оборудование, которое соответсвовало бы всем критериям как технологии, так и производимой продукции. Впервые в мире, в 1978 году промышленное внедрение технологии ЛУТ была реализована в НПО «Интеграл» (г. Минск) на установке ДРМ3.104.024 (рис. 2) для резки жидкокри-
Рис. 2. Первая в мире лазерная установка ДРМ3.104.024 с применением метода резки ЛУТ для резки жидкокристаллических индикаторов (1978 г.)
Рис. 3. Установка для резки дисплейных панелей «Laser 7GLCDGlassCutterGCM-l000»
сталлических индикаторов [10]. Максимальный размер исходной стеклянной заготовки составил 300'400 мм2 при толщине 0,5-1 мм.
В результате международного сотрудничества с корейской компанией «Esseltech» следующим шагом стала разработка и внедрение установки для резки плоских дисплейных панелей 7-го поколения «Laser 7G LCD GlassCutter GCM-1000» (рис. 3), главным конструктором которой явился ученик профессора Кондратенко Сек-Джун Ли [11]. Основными техническими характеристиками установки для резки ПДП панелей 7-го поколения являются следующие параметры:
- 2 СО2- лазера мощностью 300 Ватт;
- модовая структура - комбинация мод ТЕМ00 и ТЕМ01;
- система позиционирования -линейные шаговые двигатели;
- скорость резки - до 1000 мм/с;
- типы стекла для резки - все типы стекла для ПДП (LCD, PDP, OLED и т. д.);
- толщина стекла - 0,55-2.8 мм;
- размер стекла - 2250Ч950 мм;
- точность резки - ± 50 мкм;
- перпендикулярность угла резки - 90° ± 2°;
- размер установки -2700 2500 2400 мм;
- масса установки - 8 000 кг;
- потребляемая мощность - 8 КВт.
С 2000-х годов началась эпоха светодиодных приборов LED (Light Eission Diode), которые выращиваются на сапфировых пластинах методом эпитаксии. Школа профессора Кондратенко также доказала эффективность применения ЛУТ в данном направлении и получила по-
■^mi
SISK^'
Рис. 4. Первая установка для резки сапфировых приборных пластин на светодиоды (2003 г.)
ложительный результат [12], на основе которого было создано первое лазерное оборудование для резки приборных пластин на кристаллы (рис. 4).
Параллельно с разработкой резки сапфировых пластин на кристаллы методом ЛУТ, самой востребованной в то время, была технология лазер-51 ного скрайбирования твердотельным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 355 нм. Одним из фаворитов по производству такого оборудования тогда была американская компания New Waver Research [13]. Данная технология заключалась в скрайбировании материала на глубину 30% от его толщины с последующим доламыванием на дополнительном оборудовании. Скрайбирующая канавка представляла собой V образную форму с шириной 5-10 мкм. Одним из главных недостатков данной технологии являлась потеря световых характеристик свето-излучающего диода за счёт наличия очернённой молекулами углерода канавки посредством применимого процесса абляции.
При интеграции метода ЛУТ в массовом производстве светодиодов возникли трудности, преодоление которых потребовало дополнительных исследований. ЛУТ имеет определённые трудности при резке по пересекающимся линиям. Высокопрочная бездефектная кромка пластины после ЛУТ препятствует продвижению трещины при пересечении первоначальных линий реза в перпендикулярном направлении.
Резка пластин из хрупких неметаллических материалов на кристаллы методом ЛУТ осуществлялась в следующей последовательности :
- нанесение на краю пластины локального микродефекта (концентратора напряжений), служащего началом зарождения трещины;
- резка пластины на полосы в первом направлении с помощью С02 - лазера;
- поворот пластины на 90 градусов;
- нанесение надрезов с помощью алмазной пирамидки или твердосплавного ролика на пересечении с линиями реза в первом направлении во всю длину или только в местах проходящей перпендикулярной трещины;
- резка пластины во втором направлении с помощью СО2 - лазера вдоль нанесённых дефектов.
Поскольку сапфир является одним из самых твёрдых материалов по шкале Мооса со значением 9, то механически на него можно нанести дефект только более твёрдым материалом - алмазом или материалом с одинаковой твёрдостью, например, карбидом вольфрама. Реализация данного решения не являлась оптимальной и имела ряд недостатков:
- инструмент часто притуплялся, и процесс становился неуправляемым;
- частая замена инструмента;
- скурпулёзная настройка инструмента после его замены;
- низкая скорость скрайбирования;
- дороговизна инструмента;
- низкая точность;
- низкая повторяемость результатов резки.
В связи с эти была рассмотрена альтернатива использованию механического инстру-
Рис. 5. Первая российская установка для лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из сапфира и других материалов МЛП1-1060/355
Рис. 6. Лазерная технологическая установка для резки приборных пластин WLCM2-330A
мента нанесения дефектов. В ходе выполнения исследовательских работ по оптимизации технологического процесса ЛУТ приборных пластин, в первую очередь, на основе сапфировых подложек, был разработан и запатентован
новый способ резки [14, 15]. Механический инструмент нанесения дефектов был заменён УФ-лазером, исследователями были получены положительные результаты резки приборных пластин на основе сапфира, кремния или других материалов.
Новая технология резки сапфировых подложек на кристаллы для свето-излучающих диодов была реализована в России на промышленной установке МЛП1-1060/355 (рис. 5) и в Тайване установке WLCM2-330A (рис. 6).
Замена механического инструмента УФ лазером в оборудовании, использующим ЛУТ, дала положительные результаты в обработке приборов фотоники и новый подход в разработке и конструировании соответствующего лазерного оборудования. В настоящее время описанный подход является фаворитом при выборе в проектировании нового оборудования ЛУТ.
Материалы поступили в редакцию 18.04.2019 г.
Библиографический список (References)
1. А. c. 708686, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки стекла / В. С. Кондратенко, Е. К. Белоусов, В. В. Чуйко ; приор. 1977-08-17.
2. А. c. 776002, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки листового стекла / В. С. Кондратенко ; приор. 1979-02-19.
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.
4. Patent № WO9320015. Splitting of non-metallic materials / Kondratenko V. 1993-10- 14.
5. Processing Equipment [Электронный ресурс]. URL: https://www.mitsuboshidiamond.com/en/ product/index.html (дата обращения:10.04.2019).
6. Кондратенко, В. С. Лазерная обработка материалов : сборник статей / В. С. Кондратенко. М. : Наука и технологии, 2011. 389 с. ISBN 978593952-039-3.
7. Кондратенко, В. С. Лазерное управляемое термораскалывание : сборник статей. М. : Ирис Групп, 2012. 320 с. ISBN 978-5-452-04854-1.
8. Кондратенко, В. С. Лазерная обработка хрупких материалов : монография. М. : Ирис Групп, 2013. 261 с. ISBN 978-5-452-04855-8.
9. Кондратенко, В. С. Проблемы создания новых лазерных технологий : монография / В. С. Кондратенко, О. Н. Третьякова. М. : Изд-во МАИ, 2018. 160 с. ISBN 978-5-4316-0526-0.
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. Patent № WO9320015. Splitting of non-metallic materials. Kondratenko V. 1993-10- 14.
5. Processing Equipment. URL: https://www. mitsuboshidiamond.com/en/product/index.html (accessed 10 April, 2019).
6. Kondratenko, V. S. (2011). Lazernaja obrabotka materialov : sbornik statej [Laser processing of materials]. Moscow. Nauka i tehnologii. 389 p. ISBN 978-593952-039-3.
7. Kondratenko, V. S. (2012). Lazernoe upravljaemoe termoraskalyvanie. Sbornik statej. [Laser controlled thermal cracking]. Moscow. Iris Grupp. 320 p. ISBN 978-5-452-04854-1.
8. Kondratenko, V. S. (2013). Lazernaja obrabotka hrupkih materialov. Monografija [Laser processing of brittle materials. Monograph]. Moscow. Iris Grupp. 261 p. ISBN 978-5-452-04855-8.
9. Kondratenko, V. S., Tret'jakova, O. N. (2018). Problemy sozdanija novyh lazernyh tehnologij : monografija [Problems of creation
10. Кондратенко, В. С. Лазерное управляемое термораскалывание стекла в производстве изделий электронной техники / В. С. Кондратенко // Электронная промышленность. 1988. № 1(69). С. 28-29. ISSN 0207-6357.
11. Кондратенко, В. С. Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей / В. С. Кондратенко, В. Е. Борисовский, П. Д. Гиндин, А. С. Наумов, Сек-Джун Ли // Приборы. 2005. № 4. С. 35-38. ISSN 2071-7865.
12. Kondratenko, V., Gindin, P., Tchernykh, S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices. Phys. Stat. Sol. (c) 0, № 7, 2232-2235 (2003).
13. Patent № 2005/279740 A1 (USA). Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser with edge detection. 2005.
14. Пат. РФ 2404931 Российская Федерация, МКИ5 СО3 В 33/09. Способ резки пластин из хрупких материалов / В. С. Кондратенко, А. С. Наумов ; № 2009132338/03 ; за-явл. 28.08.2009 ; опубл. 27.11.2010, Бюл. № 33.
15. Patent № US20180065210. Brittle object cutting apparatus and cutting method thereof. Lu Hung-Tu, Vladimir Kondratenko, Alexander Naumov, Chih-Peng Hsu, Wei-Nung Hsu. 2018.
16. Голубятников, И. В. Развитие теории и практики метода лазерного управляемого термораскалывания / И. В. Голубятников, В. С. Кондратенко, А. Б. Жималов // Приборы. 2009. № 12 (114). С. 1-6. ISSN 2071-7865.
17. Кондратенко, В. С. Новая технология лазерной резки сапфировых пластин на кристаллы / В. С. Кондратенко, А. С. Наумов // Приборы. 2011. № 10 (136). С. 37-41. ISSN 2071-7865.
18. Кондратенко, В. С. Развитие и внедрение технологий лазерного управляемого термораскалывания на международном рынке / В. С. Кондратенко, А. С. Наумов / Вестник МГТУ МИРЭА. 2015. №3 (8). С. 1-11. elSSN 2313-5026.
19. Кондратенко, В. С. Технология прецизионной лазерной резки сапфировых пластин / В. С. Кондратенко, А. К. Зобов, А. С. Наумов, Лу Хунг-Ту // Фотоника. 2015. № 2(50). С. 42-52. ISSN 1993-7296.
of new laser technologies. Monograph]. Moscow. Izd-vo MAI. 160 p. ISBN 978-5-4316-0526-0.
10. Kondratenko, V. S. (1988). Lazernoe upravljaemoe termoraskalyvanie stekla v proizvodstve izdelij jelektronnoj tehniki [Laser controlled termoregulyatsii glass in electronic equipment]. Jelektronnaja promyshlennost'. No 1(69). P. 28-29. ISSN 0207-6357.
11. Kondratenko, V. S., Borisovskij, V. E., Gindin, P. D., Naumov, A. S., Li, Sek-Dzhun. (2005). Razrabotka tehnologii lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija ploskih displejnyh panelej [Development of technology of laser managed thermosplitting flat display panels]. Pribory. No 4. P. 35-38. ISSN 2071-7865.
12. Kondratenko, V., Gindin, P., Tchernykh, S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices. Phys. Stat. Sol. (c) 0, № 7, 2232-2235 (2003).
13. Patent № 2005/279740 A1 (USA). Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser with edge detection. 2005.
14. Kondratenko, V. S., Naumov, A. S. (2010).
Pat. RF 2404931 Rossijskaja Federacija, MKI5 SO3 V33/09. Sposob rezki plastin iz hrupkih materialov [Pat. RF 2404931 Russian Federation, ICI5 CO3 AT 33/09. Method of cutting plates from brittle materials]. Bjul. № 33.
15. Patent № US20180065210. Brittle object cutting apparatus and cutting method thereof. Lu Hung-Tu, Vladimir Kondratenko, Alexander Naumov, Chih-Peng Hsu, Wei-Nung Hsu. 2018.
16. Golubjatnikov, I. V., Kondratenko, V. S., Zhimalov, A. B. (2009). Razvitie teorii i praktiki metoda lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija [Development of the theory and practice of the method of laser controlled thermal cracking]. Pribory. No 12 (114). P. 1-6. ISSN 2071-7865.
17. Kondratenko, V. S., Naumov, A. S. (2011).
Novaja tehnologija lazerncj rezki sapfirovyh plastin na kristally [New technology of laser cutting of sapphire plates into crystals]. Pribory. No 10 (136). P. 37-41. ISSN 2071-7865.
18. Kondratenko, V. S., Naumov, A. S. (2015). Razvitie i vnedrenie tehnologij lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija na mezhdunarodnom rynke [Development and implementation of technologies of laser controlled thermal cracking in the international market]. Vestnik MGTUMIRJeA. No 3 (8). P. 1-11. elSSN 2313-5026.
19. Kondratenko, V. S., Zobov, A. K., Naumov, A. S., Lu, Hung-Tu. (2015). Tehnologija precizionnoj lazernoj rezki sapfirovyh plastin [Technology of precision laser cutting of sapphire plates]. Fotonika. No 2(50). P. 42-52. ISSN 19937296.
