Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины Российский патент 2021 года по МПК B23K26/364 H01L21/42 

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных пластин.

Известен способ лазерной обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле

,

где W - плотность энергии, Дж/см²;

Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/см³;

е - основание натурального логарифма;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см^-1;

R - коэффициент отражения материала.

Патент РФ № 2486628, МПК Н01L 21/42, 27.06.2013.

При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем энергетические затраты на единицу массы сублимирующего материала будут минимальны. Если при скрайбировании пластин требуется глубина канавки больше, чем 1/χ, то производят воздействие несколькими импульсами. Количество импульсов лазерного излучения определяют как отношение требуемой глубины канавки к толщине сублимирующего слоя материала пластины при воздействии одного импульса

,

где h - требуемая глубина канавки.

Общее количество воздействующих импульсов лазерного излучения определяют по формуле

,

где L - длина канавки при скрайбировании;

d - диаметр лазерного пучка.

Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить скрайбирование неметаллических пластин при минимальных энергетческих затратах, когда требуемое количество лазерных импульсов N₁ не является целочисленным. Например, пластина из цветного оптического стекла ЖЗС12 имеет показатель поглощения на длине волны 1,06 мкм 10 см^-1 [ГОСТ 9411-90 Стекло оптическое цветное. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 48 с.], а требуется глубина канавки при скрайбировании 0,12 или 0,18 см.

Известен также способ лазерного скрайбирования неметаллических пластин, включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами, при этом плотность энергии в первом импульсе определяют по формуле

, (1)

плотность энергии во втором импульсе определяют по формуле

, (2)

а глубина канавки составляет 1,46≤χh≤2.

Патент РФ 2566138, МПК В23К 26/364, 20.10.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2.

Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при скрайбировании пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Технический результат достигается тем, что в способе скрайбирования неметаллической пластины, включающем воздействие на ее поверхность двух последовательных лазерных импульсов c плотностью энергии, зависящей от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и глубины канавки, скрайбирование пластины осуществляют с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле

, (3)

где W - плотность энергии лазерного излучения Дж/см²;

Q - удельная энергия сублимации материала пластины Дж/см³;

е - основание натурального логарифма;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, см^-1;

h - требуемая глубина канавки при скрайбировании, см.;

R - коэффициент отражения материала пластины,

а безразмерный параметр χh>2.

Ниже приводится описание способа лазерного скрайбирования неметаллической пластины.

Сущность способа состоит в следующем. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности пластины, удельное энерговыделение Е при поглощении лазерного излучения в материале пластины и координата x, отсчитываемая от поверхности пластины вглубь, связаны формулой

. (4)

Сублимация материала произойдет на глубину х при условии E(x)≥Q. При воздействии одного лазерного импульса требуемая плотность энергии на поверхности пластины, обеспечивающая сублимацию материала на глубину h, рассчитывают по формуле

. (5)

При воздействии двух лазерных импульсов с плотностями энергии, определяемыми по уравнениям (1) и (2), суммарная плотность энергии будет

. (6)

При воздействии двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (3), суммарная плотность энергии будет составлять

. (7)

Определим лучший вариант воздействия с точки зрения минимизации энергетических затрат на скрайбирование. Для этого разделим уравнения (5) и (6) на уравнение (7). После простых математических преобразований получим:

; (8)

. (9)

Результаты расчетов по уравнениям (8) и (9) в интервале значений безразмерного параметра 2≤χh≤4 приведены в таблице.

Таблица

2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 1,36 1,50 1,66 1,83 2,03 2,24 2,48 2,74 3,02 3,34 3,69 1 1,01 1,02 1,05 1,08 1,13 1,19 1,26 1,34 1,43 1,54

Таким образом, расчеты показывают преимущества предложенного способа скрайбирования неметаллической пластины перед прототипом при значении безразмерного параметра χh≥2.

Технологические лазеры, как правило, работают в частотно-импульсном режиме. Поэтому заданную глубину канавки получают воздействием двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по уравнению (7). Затем перемещают пластину на расстояние, равное или меньшее диаметру лазерного пучка, и опять воздействуют двумя лазерными импульсами. Указанное перемещение повторяют необходимое количество раз для получения требуемого контура канавки.

Изобретение относится к способу лазерной обработки неметаллических пластин и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Требуемая глубина канавки достигается за счет последовательного воздействия двух лазерных импульсов. Плотность энергии в каждом импульсе определяют в зависимости от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения и требуемой глубины канавки. При этом безразмерный параметр, равный произведению глубины канавки на показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, больше 2. Технический результат заключается в снижении энергетических затрат при скрайбировании неметаллических пластин. 1 табл.

Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины, включающий воздействие на ее поверхность двух последовательных лазерных импульсов c плотностью энергии в зависимости от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и глубины канавки, отличающийся тем, что скрайбирование пластины осуществляют с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле

W= Q е^(χh/2) / (1-R) χ

где W - плотность энергии лазерного излучения Дж/см²;

Q - удельная энергия сублимации материала пластины Дж/см³;

е - основание натурального логарифма;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, см^-1;

h - требуемая глубина канавки при скрайбировании, см;

R - коэффициент отражения материала пластины,

χh>2.