Разработка технологии лазерного разделения приборных пластин на кристаллы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Наумов, Александр Сергеевич

• Наумов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Наумов, Александр Сергеевич

Введение.

Глава I. Традиционные технологии и оборудование для резки приборных пластин на кристаллы (обзор).

1.1. Тенденция развития рынка современных приборов микро- и оптоэлектроники.

1.2. Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы.

1.2.1. Резка приборных пластин на кристаллы диском с нанесенным алмазным покрытием.

1.2.2. Скрайбирование сапфировых приборных пластин алмазным инструментом.

1.3. Лазерное скрайбирование приборных пластин.

1.3.1. Скрайбирование сапфировых подложек со светодиодами LED твердотельным УФ лазером с системой обнаружения края (New Wave Research).

1.3.2. Скрайбирование сапфировых подложек с нанесенным слоем нитрида галлия УФ лазером с длиной волны излучения 200-365 нм (Disco Corporation).

1.3.3. Разделение приборных пластин из кремния методом нанесения микродефектов внутри пластины (Hamamatsu Photonics КК).

1.3.4. Разделение приборных пластин из кремния методом нанесения микродефектов внутри пластины (Disco Corporation).

1.3.5. Резка на кристаллы подложек из арсенида галлия и кремния водяной струей, проводящей лазерное излучение (Synova).

Глава 2. Анализ метода лазерного управляемого термораскалывапия (ЛУТ) хрупких неметаллических материалов.

2.1. Особенности процесса сквозного лазерного термораскалывания.

2.2. Физическая модель процесса ЛУТ.

2.3. Основные факторы, определяющие параметры процесса ЛУТ.

2.4. Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса

2.5. Требования, предъявляемые к выбору параметров лазерного излучения для ЛУТ различных материалов.

2.6. Выводы и постановка задачи исследований.

Глава 3. Теоретические основы метода лазерного управляемого термораскалывания тонких пластин с большой теплопроводностью на примере сапфира и кремния.

3.1. Температурные поля при лазерном нагреве и последующем охлаждении хрупкого материала.

3.2. Температурные напряжения при ЛУТ тонких пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира.

Глава 4. Разработка технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин на кристаллы.

4.1. Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса.

4.2. Оптимизация технологических режимов ЛУТ для подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира.

4.3. Разделение приборных пластин из сапфира на кристаллы на заданную глубину.

Глава 5. Разработка технологического оборудования для лазерной резки приборных пластин на кристаллы.

5.1. Расчет и разработка оптических фокусирующих систем для резки приборных пластин размером от 50 до 1000 мкм.

5.2. Разработка специализированной форсунки для подачи хладагента, обеспечивающей достижение максимального градиента температур «нагрев - охлаждение».

5.3. Разработка концепции и конструкции универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, керамики; сэндвич - подложек -кремний 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 разламывания; дополнительный брак на операции разламывания; наличие дефектной зоны вдоль линии надреза и разлома; мощное 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.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Наумов, Александр Сергеевич

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-, двух- и 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Наумов, Александр Сергеевич, 2007 год

1. И. Шахнович. «Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции», Электроника, 2005, №4(62), 12с.

2. Asif Anwar. «What are the Prerequisites for Survival in the GaAs Industry?», GaAs MANTECH Digest, 2005.3. «Динамика рынков GaAs промышленности», Информационный сборник Новости СВЧ-Техники, 2005, №9, 14с.

3. Бочкин О.И., Брук В.А., Никифорова-Денисова С.Н. Механическая обработка полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1983. 112с.

4. Обработка полупроводниковых материалов. В.И. Карбань, И. Кой, В.В. Рогов и др.: под. ред. Новикова Н.В., Бертольди В. Киев: Наукова думка, 1982. 256с.

5. Резка неметаллических материалов алмазными кругами, Г.В.Шуваев, В.К. Сорокин, Ю.Н. Зимицкий, «Машиностроение», Москва, 1989.

6. Patent № 2006/099774 A1 (USA). Laser processing method of gallium nitride substrate. 2006.

7. Patent № 2005/0115078 A1 (Japan). Diamond scriber. Inventors / Takayuki Horiuchi, Adachi-ku, Tsuyoshi Numakura, Yuzawa-shi. -2005.

8. Patent № 2005/279740 A1 (USA). Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser with edge detection. 2005.

9. Park J., Sercel P. "High-speed UV laser scribing boosts blue LED industry," Compound Semiconductor, December 2002, Volume 8, Number.

10. Mingwei Li, Andrew Held "Meeting industry needs with laser micromachining," Solid State Technology, October 2003.

11. Conversations with Jeff Sercel, president, JPSA Inc., Hollis, NH, a laser integrator that provides turnkey laser workstations to the semiconductor industry and contract laser-manufacturing services.

12. Patent № 6,580,054 (USA). Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser.-2003.

13. Patent № 3408805 (Japan). Laser beam machining method / Fukuyo Fumitsugu, Fukumitsu Kenji, Uchiyama Naoki, Wakuta Toshimitsu. 2002.

14. Patent № 2006/079069 A1 (USA). Silicon wafer laser processing method and laser beam processing machine. 2006.

15. Bernold Richerzhagen "Chip singulation process with a water jet-guided laser," Solid State Technology, April 2001.

16. Richerzhagen, "Development of, a System for Transmission of Laser Energy," thesis work, EPFL, Switzerland, 1994.

17. A. C. 708686 СССР, МКИ4 C03 В 33/02. Способ резки стекла / Е. К. Белоусов, В. С. Кондратенко, В. В. Чуйко (СССР). 1977.

18. Патент РФ №2024441, МКИ5 СОЗ В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В. С. Кондратенко. 1991.

19. Белоусов Е.К., Кондратенко B.C., Мачулка Г.А., Чуйко В.В. Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерногоизлучения. // Электронная промышленность, №9, 1988, с.65-68.

20. Бартенев Г.М., Фридкин Р.З. Измерение коэффициента истинной теплопроводности стекла при высоких температурах. // Стекло. Труды института стекла, №1, 1972, с. 14-17.

21. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. -М.: Стройиздат, 1960. 166 с.

22. Lumley R.M. Controlled separation of brittle materials using a laser. J. of the Amer. Cer. Soc., 1969, v. 48, No.9, p.850-854.

23. Кондратенко B.C. Исследование и разработка процесса резки стекла методом лазерного управляемого термораскалывания. // Дисс. канд. техн. наук, Москва, 1983, с. 179.

24. Кондратенко B.C. Высокоэффективный метод лазерного управляемого теромраскалывания хрупких материалов. // Интеграл, №2 (28), 2006, с. 20-21.

25. Ли Сек Чжун. Разработка технологии и оборудования для лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей. // Дисс. канд. техн. наук, Москва, 2005, с. 157.30. http://www.rayotek.com

26. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Сек-Джун Ли, Наумов A.C. Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей, Приборы, №4 (58), 2005, с.35 38.

27. Саврук М.П., Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами, т. 2, в «Механика разрушения и прочность материалов» -Справочное пособие в 4-х томах,, Киев, Наукова Думка, 1988

28. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Партон В.З. Основы механики разрушения материалов, т.1, в «Механика разрушения и прочность материалов» Справочное пособие в 4-х томах, Киев, Наукова Думка, 1988

29. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике, М., Наука, 1977

30. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, М.,"Энергоиздат", 1968

31. Юдаев Б.Н. Теплопередача, М., Высшая школа, 1973

32. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров-М., Атомиздат, 1979

33. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Колесник В.Д., Сорокин А.В., Черных С.П., Наумов А.С. Установка для лазерной резки приборных пластин, Приборы, №4 (70), 2006, с.38-43.

34. Новацкий В. Теория упругости, М., Мир, 1975.

35. Опто-технологическая лаборатория, www.optotl.ru.

36. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser Controlled Thermocracking Die Separation Technique for Sapphire Substrate Based Devices // 5th International Conference on Nitride Semiconductors, May 25, 2003, Nara, Japan.

37. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Phys. Stat. Sol. (a), 2003.

38. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Лазеры в науке, технике, медицине: Тез.докл.Х1У Международной конф. 15-19 сентября 2003 г. -Адлер, 2003.

39. Kondratenko V., Tchernykh S., Gindin P. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Светодиоды и лазеры,- 2003.- №1-2.

40. Kondratenko V., Gindin P., Tchernykh S. Laser thermal-cleaving technology for silicon wafers // Abstracts of Technical Symposium SEMI Expo CIS 2003, October 1, 2003, Moscow.

41. Наумов A.C. Новая технология разделения приборных пластин на кристаллы // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ№6, часть 1,2005, Москва. с.112 - 115.

42. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Колесник

43. B.Д., Наумов A.C., Сорокин A.B., Черных С.П. Установка для лазерной резки приборных пластин // Приборы, №4 (70), 2006. Москва.-С.38-43.

44. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Наумов A.C. Лазерное технологическое оборудование для резки приборных пластин из различных материалов // Вестник МГУПИ, №7, 2007, с. 64 -72.

45. Кондратенко B.C., Кондратенко A.B., Наумов A.C., Черных

46. C.П. Исследование качества резки кристаллов светодиодов методом ЛУТ. // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Информационные технологии внауке, технике и образовании», том I, 12-19 ноября 2006 г., Египет.

47. Жималов А.Б., Солинов В.Ф., Кондратенко B.C., Каплина Т.В. Лазерная резка флоат-стекла в процессе его выработки. // Стекло и керамика, №10, 2006, с. 3-5.