Способ лазерной резки слитков неметаллических материалов на пластины Российский патент 2024 года по МПК B28D5/04 C03B33/02 

Изобретение относится к способам резки неметаллических материалов, в частности, карбида кремния, кремния, арсенида галлия, германия, сапфира и других хрупких неметаллических материалов на пластины.

В современной технике и промышленности широко используются при изготовлении приборов микро- и оптоэлектроники тонкие приборные пластины из сапфира и различных полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния, кремний, арсенид галлия, германий и др., которые получают путем выращивания слитков указанных материалов с последующей резкой этих слитков на тонкие пластины.

Известны различные способы резки слитков неметаллических материалов на пластины, такие, как штрипсовая резка, проволочная резка, резка с помощью алмазных кругов с внешней или внутренней режущей кромкой.

Недостатками перечисленных способов резки является большой расход исходного материала, связанного с большой шириной реза, соизмеримого с толщиной пластины, низкая производительность процесса алмазно-абразивной резки исходного слитка на пластины при резке с последующим шлифованием и полированием, а также низкое качество резки, в частности, большая глубина нарушенного слоя.

Известен способ резки слитков неметаллических материалов на пластины, который авторы назвали лазерным параллельным термораскалыванием [Кондратенко B.C., Кудж С.А. Прецизионная резка стекла и других хрупких материалов методом лазерного управляемого термораскалывания (Обзор) // Стекло и керамика. 2017. №3, стр. 5 - 12], при котором излучение лазера создает термические напряжения в объеме материала, приводящие к появлению трещины, распространяющейся параллельно поверхности. Для того, чтобы разрезать слиток материала на пластины этим способом необходимо в объеме материала на соответствующей глубине создать первоначальный дефект для зарождения параллельной трещины. В стекле такой первоначальный дефект создают путем концентрации упругой волны в объеме материала. Однако этот способ не применим для резки твердых анизотропных материалов, таких как сапфир, карбид кремния и другие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ резки хрупких неметаллических материалов [RU 2404931, МПК С03В 33/09, 28.08.2009], включающий нанесение локального надреза на краю заготовки, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком и последующее охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента при относительном перемещении пластины и лазерного пучка с хладагентом, при этом, по меньшей мере, в одном из двух направлений резки осуществляют нанесение надреза по всей длине каждого реза или, по меньшей мере, в местах пересечения с линиями реза во втором направлении, при этом надрез по всей длине реза или в местах пересечения с линиями реза во втором направлении осуществляют до начала резки в этом направлении, причем, надрез осуществляют путем скрайбирования лазерным излучением в ультрафиолетовом диапазоне.

Недостатком способа является относительно низкое качество резки, вызванное возможной неточностью направления возникающей трещины при локальном надрезе относительно требуемого направления резки.

Задача, которая решается в изобретении, направлена на создание способа резки, обеспечивающего высокое качество резки неметаллических материалов на пластины.

Требуемый технический результат заключается в повышении качеств резки неметаллических материалов на пластины.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что в объеме образца неметаллического материала создают надрез сфокусированным лазерным излучением, а затем поверхность слитка нагревают лазерным излучением, для которого материал непрозрачен, при относительном перемещении лазерного пучка и образца материала, согласно изобретению, надрез создают со стороны торца образца неметаллического материала сфокусированным лазерным излучением, для которого материал прозрачен, в виде последовательно размещенных вдоль линии реза локальных концентраторов напряжений на глубине h, равной толщине отрезаемой пластины, а нагрев со стороны поверхности образца неметаллического материала осуществляют путем сканирования пучком лазерного излучением, плотность мощности и линейную скорость перемещения которого выбирают из условия создания напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала на растяжение, на глубине образца материала, равной заданной толщине отрезаемой пластины.

В частном случае реализации предложенного способа требуемый технический результат достигается тем, что в качестве образца материала используют или карбид кремния, или кремний, или арсенид галлия, или германий, или сапфир.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что локальные дефекты напряжений создают сфокусированным лазерным излучением от импульсного пикосекундного или фемтосекундного лазера в пятно с диаметром 10 - 100 мкм на глубине h=0,1 - 1 мм.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что крайний из локальных дефектов создают в объеме материала на расстоянии от торца образца материала, равном 0.01-1 мм.

На чертежах представлены:

на фиг. 1 - схема создания локального дефекта напряжения в виде концентраторов напряжений в образце материала 1 при использовании фокусирующего объектива 2 на глубине h, равной требуемой толщине пластины, локального дефекта 3 напряжения в виде концентратора напряжений;

на фиг. 2 - схема последовательного создания локальных дефектов напряжения в образце материала 1 при использовании фокусирующего объектива 2 на глубине h, равной требуемой толщине пластины, вначале локального дефекта 3 напряжения и затем второго локального дефекта 4 напряжения в виде концентраторов напряжений.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Весь процесс лазерной резки слитков неметаллических материалов на пластины состоит из двух последовательных операций: на первом этапе со стороны торца образца наносят вдоль линии среза последовательно локальные дефекты (фиг. 2) в виде нескольких концентраторов напряжений в объеме материала на глубине h, равной толщине отрезаемой пластины, путем фокусировки лазерного излучения с длиной волны, для которой материал прозрачен. Для нанесения надреза или дефекта в виде концентраторов напряжений в таких материалах, как карбид кремния, кремний, арсенид галлия, германий, сапфир был использован пикосекундный лазер с длиной волны 1030 нм с выходной мощностью до 100 Вт, частотой следования импульсов до 2000 кГц и энергией в импульсе до 100 мкДж.

Для повышения надежности процесса зарождения параллельной трещины надрез целесообразно осуществлять более протяженным вдоль линии резки, для этого следует произвести двух - или многократное нанесение локальных надрезов путем перемещения сфокусированного лазерного пучка из глубины материала к поверхности торца. После завершения первого этапа процесса, а именно, нанесения дефекта (надреза) осуществляют второй этап процесса лазерной резки слитков неметаллических материалов на пластины - сканирование поверхности слитка вторым лазерным пучком с длиной волны, для которой материал непрозрачен, начиная с от места с нанесенным дефектом (надрезом). Для таких материалов, как карбид кремния, кремний, арсенид галлия, германий оптимальным является лазерное излучение полупроводникового лазера с длиной волны 808 нм и мощностью от 100 Вт до 1 и более кВт.

Для сапфира, карбида кремния, монокристаллического кварца, стекла и некоторых других материалов оптимальным является излучение газового СO2-лазера с длиной волны излучения 10,6 мкм. При нагревании поверхности слитка материала таким лазерным пучком на поверхности материала возникают напряжения сжатия, которые компенсируются напряжениями растяжения, сосредоточенными под лазерным пучком на некоторой глубине материала, которая определяется теплопроводностью материала и скоростью относительного перемещения лазерного пучка и материала.

При этом, целесообразно для повышения качества и производительности резки сканирование поверхности слитка осуществлять лазерным пучком, вытянутым в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

Подготовительные операции:

1.1. Закрепление образца материала (були) в держателе с высоким отводом тепла от були и стабилизацией температуры.

1.2. Подготовка поверхности були путем нанесения противоотражающего и поглощающего покрытия.

1.3. Создание в объеме материала були на глубине, близкой к заданной толщине отрезаемой пластины, локальных дефектов на глубине h, равной заданной толщине отрезаемой пластины. Для этого использовать излучение пикосекундного или фемтосекундного лазера и фокусирующий объектив с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием f.

2. Лазерное параллельное термораскалывание.

2.1. Сканирование поверхности були лазерным излучением с длиной волны, для которой материал непрозрачен, сфокусированным в линейный пучок, вытянутый в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

2.2. Плотность мощности лазерного излучения Q=P/S и линейная скорость v относительного перемещения лазерного пучка и були выбирают из условия создания напряжений растяжения, превышающих прочность материала на растяжение, на глубине образца материала, равной заданной толщине отрезаемой пластины h: v=KQ/h где К - коэффициент пропорциональности.

3. Отделение пластины от були.

4. Шлифование поверхности були после удаления отрезанной пластины для подготовки следующего цикла отрезания пластины.

Так образом, благодаря совершенствованию известных способов, в предложенном техническом решении достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении качества резки неметаллических материалов на пластины, поскольку гарантированно исключается неточность направления возникающей трещины относительно требуемого направления резки.

Изобретение относится к способам резки слитков неметаллических материалов, в частности карбида кремния, кремния, арсенида галлия, германия, сапфира и других хрупких неметаллических материалов, на пластины. Техническим результатом является повышение качества резки неметаллических материалов на пластины. Заявлен способ лазерной резки слитков неметаллических материалов на пластины, согласно которому в объеме образца неметаллического материала создают надрез сфокусированным лазерным излучением, а затем поверхность слитка нагревают лазерным излучением, для которого материал непрозрачен, при относительном перемещении лазерного пучка и образца материала. При этом надрез создают со стороны торца образца неметаллического материала сфокусированным лазерным излучением с длиной волны, для которого материал прозрачен, в виде последовательно размещенных вдоль линии реза локальных концентраторов напряжений на глубине, равной толщине отрезаемой пластины. Нагрев со стороны поверхности образца неметаллического материала осуществляют путем сканирования пучком лазерного излучением, плотность мощности и линейную скорость перемещения которого выбирают из условия создания напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала на растяжение, на глубине образца материала, равной заданной толщине отрезаемой пластины. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ лазерной резки слитков неметаллических материалов на пластины, согласно которому в объеме образца неметаллического материала создают надрез сфокусированным лазерным излучением, а затем поверхность слитка нагревают лазерным излучением, для которого материал непрозрачен, при относительном перемещении лазерного пучка и образца материала, отличающийся тем, что надрез создают со стороны торца образца неметаллического материала сфокусированным лазерным излучением, для которого материал прозрачен, в виде последовательно размещенных вдоль линии реза локальных концентраторов напряжений на глубине h, равной толщине отрезаемой пластины, а нагрев со стороны поверхности образца неметаллического материала осуществляют путем сканирования пучком лазерного излучением, плотность мощности и линейную скорость перемещения которого выбирают из условия создания напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала на растяжение, на глубине образца материала, равной заданной толщине отрезаемой пластины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца материала используют карбид кремния.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца материала используют кремний.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца материала используют арсенид галлия.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца материала используют германий.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца материала используют сапфир.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что локальные концентраторы напряжений создают сфокусированным лазерным излучением на глубине h=0,1-1 мм.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, локальные концентраторы напряжений создают сфокусированным лазерным излучением в пятно с диаметром 10-100 мкм от импульсного пикосекундного или фемтосекундного лазера.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крайний из локальных концентраторов напряжений создают в объеме материала на расстоянии 0,01-1 мм от торца образца материала.