Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины Российский патент 2022 года по МПК B23K26/364 H01L21/42 C03B33/23 

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

Известен способ лазерной обработки неметаллических материалов [Патент РФ № 2486628, МПК Н01L 21/42, 27.06.2013], 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.

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 [Патент РФ № 2566138, МПК В23К 26/364, 20.08.2014], включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами, при этом плотность энергии в первом импульсе определяют по формуле

плотность энергии во втором импульсе определяют по формуле

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

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

Известен также способ лазерного скрайбирования неметаллических пластин, включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле

а χh>2.

Патент РФ № 2761834, МПК B23K 26/364, 13.12.2021. Прототип.

Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2,433.

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 нескольких лазерных импульсов c плотностью энергии, зависящей от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и требуемой глубины канавки, скрайбирование пластины осуществляют тремя лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле

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>2,433.

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 х, отсчитываемая от поверхности пластины вглубь, связаны формулой

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

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

При этом глубина канавки составит h/2 в каждом импульсе и суммарно h.

При воздействии трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (4), суммарная плотность энергии будет составлять

При этом глубина канавки составит h/3 в каждом импульсе и суммарно h.

Определим лучший вариант воздействия с точки зрения минимизации энергетических затрат на скрайбирование. Для этого разделим уравнение (8) на уравнение (7). После простых математических преобразований получим:

Результаты расчетов по уравнению (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 1,07 1,04 1,005 0,973 0,941 0,91 0,88 0,851 0,823 0,796 0,77

Точное значение параметра χh, при котором необходимо переходить от воздействия двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, рассчитанной по уравнению (3), к воздействию трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, рассчитанной по уравнению (4), находят из условия

Из уравнения (10) находим

Таким образом, расчеты показывают преимущества предложенного способа скрайбирования неметаллической пластины перед прототипом при значении безразмерного параметра χh>2,433.

Пример реализации способа. Перед началом скрайбирования по известным значениям требуемой глубины канавки и показателя поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения рассчитывают значение безразмерного параметра χh. Если χh>2,433 заданную глубину канавки получают воздействием трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по уравнению (4). Затем перемещают пластину на расстояние, равное или меньшее диаметру лазерного пучка, и опять воздействуют тремя 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. На поверхность пластины воздействуют последовательными тремя лазерными импульсами. Плотность энергии в каждом из импульсов 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 2,433. Технический результат изобретения заключается в снижении энергетических затрат при скрайбировании неметаллических пластин. 1 табл.

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

,

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>2,433 - безразмерный параметр.