Разработка технологии лазерного разделения приборных пластин на кристаллы

Данная работа посвящена решению проблемы, существующей в производстве современных приборных пластин на основе подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира, а именно, проблемы разделения приборных пластин на отдельные кристаллы за счет разработки нового высокоэффективного технологического процесса разделения приборных пластин методом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ).

Твердотельные приборы, в производстве которых используется групповая технология и, как следствие, разделение пластин на кристаллы, можно классифицировать по их функциям и материалам подложек, на которых сформированы приборные структуры. На базе указанных критериев приборы можно разделить на следующие группы.

По функциональному назначению можно выделить следующие приборы: микросхемы, транзисторы, диоды, светодиоды, фотоприемпики, датчики, лазерные диоды, излучатели, сенсоры, коммутаторы, солнечные элементы и другие приборы.

В зависимости от используемых материалов подложек можно классифицировать твердотельные приборы на основе кремния, сапфира, арсенида и фосфида галлия, нитридов галлия и алюминия, фосфида индия, карбида кремния, оксида цинка, алмаза, керамикисэндвич — подложеккремний на сапфире, металлических подложек и других материалов. Данный признак определяет основные параметры оборудования для разделения и основные технологические режимы.

До настоящего времени в промышленности при разделении приборных пластин из хрупких неметаллических материалов используются следующие технологии:

— абразивная резка пластин небольшой толщины;

— алмазная резка пилами с внутренней и внешней режущей кромкой;

— скрайбирование пластин на элементы алмазным резцом с последующим разламыванием по полученным рискам;

— лазерное скрайбирование путем образования канавки на поверхности материала.

Актуальность работы связана с массовостью выпуска различных типов оптоэлектронных приборов и несовершенством существующих традиционных технологий их изготовления, базирующихся на устаревших операциях резки с помощью дисков с алмазной режущей кромкой, алмазных и лазерных скрайбирующих систем. Большинство современных оптоэлектронных приборов изготавливаются по групповой технологии, когда на подложке из различных материалов осуществляется формирование множества кристаллов, которые в последующем необходимо разделить. В последнее время наиболее распространенными методами разделения приборных пластин на кристаллы является механическое или лазерное скрайбирование.

Следует выделить следующие основные недостатки традиционной технологии скрайбирования приборных пластин: наличие операции механического разламываниядополнительный брак на операции разламыванияналичие дефектной зоны вдоль линии надреза и разломамощное энергетическое воздействие импульсного лазерного излучения при скрайбировании зачастую приводит к разрушению структур кристаллов.

Таким образом, целью работы является разработка нового технологического процесса прецизионного разделения приборных пластин на кристаллы, а также разработка и организация выпуска специализированного технологического оборудования для его реализации.

Наиболее перспективным для решения поставленной задачи представляется использование для прецизионной резки приборных пластин на кристаллы метода лазерного управляемого термораскалывания. Метод лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов был впервые разработан моим научным руководителем еще в 80-е годы. Этот метод получил впервые широкое распространение при прецизионном раскрое листового стекла, в том числе для плоских дисплейных панелей. Отличительной особенностью метода лазерного управляемого термораскалывания является то, что разделение подложки происходит не за счет испарения материала вдоль линии резки, как это происходит, например, при лазерном скрайбировании, а за счет образования разделяющей трещины. Трещина образуется под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.

Однако для решения поставленной цели по разработке нового технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать тенденцию развития современного рынка приборных пластин, а именно различных оптоэлектронных приборов, выявить основные недостатки существующих технологий и оборудования для разделения приборных пластин на кристаллы и наметить пути их преодоления;

— определить основные параметры разделяемого материала, и в первую очередь, его оптических и теплофизических характеристик;

— выбрать лазер, исходя из оптических спектров пропускания и поглощения материалов;

— произвести расчет, моделирование и изготовление оптической системы;

— произвести расчет, моделирование и изготовление системы охлаждения;

— произвести расчет и моделирование полей температур и полей термоупругих напряжений;

— изготовить систему нанесения микродефекта или первичного концентратора напряжений;

— произвести сборку лазерной технологической системы резки пластин;

— подобрать технологические параметры разделения приборных пластин;

— произвести статистическую оценку качества получаемых изделий и приборов;

— произвести оценку эксплуатационных параметров лазерного разделения;

— разработать эксплуатационную документацию;

— внедрить оборудование и технологию в производство.

Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработки нового технологического процесса прецизионного и безотходного разделения приборных пластин, а также необходимостью разработки и выпуска соответствующего оборудования для реализации нового технологического процесса разделения.

ВЫВОДЫ.

В заключении обобщены основные результаты исследований автора в области прецизионного разделения приборных пластин методом ЛУТ, на основании которых сформулированы основные выводы:

1. Впервые разработаны теоретические основы метода лазерного управляемого термораскалывания тонких пластин со значительно более высокой по сравнению со стеклом и кварцем теплопроводностью (сапфир, арсенид галлия, кремний), применяемых в качестве приборных пластин.

2. Разработан новый высокоэффективный технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из сапфира, арсенида галлия и кремния.

3. Разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования, в том числе, к источнику лазерного излучения, оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента.

4. Разработана специальная конструкция плоской форсунки для подачи хладагента, обеспечивающей достижение максимального градиента температур «нагрев — охлаждение» в материалах с высокой теплопроводностью при использовании лазерных пучков минимальных размеров.

5. Обоснованы требования к оптической фокусирующей системе для резки приборных пластин на кристаллы с размерами от 50 до 1000 мкм и предложена методика расчета оптических одно-, двухи четырех линзовых объективов.

6. Разработана методика оптимизации технологических режимов лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из различных материалов различной толщины.

7. Разработана концепция и конструкция универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов, содержащей два лазера с различной длиной излучения и две оптические фокусирующие системы.