Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины - RU2761834C1
Код документа: RU2761834C1
Описание
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
плотность энергии во втором импульсе определяют по формуле
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
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
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 плотностями энергии, определяемыми по уравнениям (1) и (2), суммарная плотность энергии будет
При воздействии двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (3), суммарная плотность энергии будет составлять
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:
Результаты расчетов по уравнениям (8) и (9) в интервале значений безразмерного параметра 2≤χh≤4 приведены в таблице.
Таблица
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.
Реферат
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.
