автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка технологии лазерного разделения приборных пластин на кристаллы

На правах рукописи

НАУМОВ Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ

Специальность 05 11 14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003057614

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор КОНДРАТЕНКО Владимир Степанович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

ВИГДОРОВИЧ Евгений Наумович

кандидат технических наук САПРЫКИН Леонид Григорьевич

Ведущая организация

ИСВЧПЭ РАН (г Москва)

Защита состоится « 22 » мая 2007 года в зале Советов в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д212 119 01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу 107846, г Москва, ул Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ

Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу 107846, г Москва, ул Стромынка, 20, Ученый Совет

Автореферат разослан «17» апреля 2007 года

Ученый секретарь диссертационного Совета, д т н , профессор

В В Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы 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)

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 настоящее время традиционным способом 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, 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

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

Для выполнения поставленной цели 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

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые разработан новый технологический процесс разделения приборных пластин на кристаллы с использованием метода ЛУТ

Впервые разработана математическая модель процесса ЛУТ тонких пластин с высокой теплопроводностью на примере кремния, арсенида галлия и сапфира

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

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве приборных пластин, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения

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

Практическая ценность Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, которые были поставлены производителями современных приборных пластин Практическая ценность данной работы подтверждена внедрением результатов работы в производство ведущими компаниями мира

Реализация и внедрение результатов работы Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование нашли практическое применение и внедрены в ряде компаний, в том числе

- ФГУП НПП «Пульсар» (г Москва),

- ОАО «Московский завод «Сапфир»,

- Институт СВЧ - полупроводниковой электроники РАН (г Москва),

- Агентство технологических исследований «ЮниСаф» (г Зеленоград),

- "Grander Technology Ltd " (Китай),

- "Jenoptik AT' (Германия),

Технико-экономическая эффективность нового процесса лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин на кристаллы значительно превышает эффективность существующих технологических процессов и оборудования

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на- XVIII Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г Москва - 2004),

- 3-ей всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия», МГУ (г Москва - 2004),

- XVIII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации (г Алушта - 2004),

VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г Сочи - 2004),

- Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях» (г Тула - 2005),

- Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Тунис - 2005),

- Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» (Египет - 2006),

- Международном техническом симпозиуме SEMI Expo CIS (г Москва - 2006),

- за рубежом на семинарах и научных конференциях немецкой компании "Jenoptik AT' (Jena - 2004, 2005), тайваньской компании "Foxconn Technology Group" (Shenzhen - 2006, 2007),

- в России на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, Института

СВЧ - полупроводниковой электроники РАН, ОАО «Московский завод «Сапфир», ФГУП НПП «Пульсар», научно-исследовательского института технического стекла (г Москва)

Результаты диссертационной работы демонстрировались на Международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2004», «Высокие технологии XXI века - 2005», «Высокие технологии XXI века - 2006» и удостоены дипломов и 2 золотых медалей, на Международном салоне «Архимед - 2006» удостоены серебряной медали

Основные результаты, представляемые к защите

- технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин на кристаллы из кремния, арсенида галлия и сапфира,

- математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира, позволяющая прогнозировать технологические режимы процесса ЛУТ для различных материалов,

- разработка и обоснование критериев и требований к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования, в том числе, к оптической фокусирующей системе и механизму подачи хладагента,

- разработка концепции и конструкции универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов, содержащей два лазера с различной длиной волны излучения и две оптические фокусирующие системы,

- оптимизированные технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания различных приборных пластин

Публикации Основные научные результаты диссертации отражены в 23 публикациях, в том числе, в 16 опубликованных тезисах и докладах Международных конференций, в одном учебном пособии и в 6 статьях, опубликованных в научно-технических сборниках

Объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения, содержит фотографии, графики и таблицы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы по разработке и внедрению в производство нового технологического процесса прецизионного разделения приборных пластин методом лазерного управляемого термораскалывания Обоснован выбор метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода прецизионного разделения приборных пластин

Сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены сведения об апробации и о реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу традиционных технологий и оборудования для резки приборных пластин на кристаллы.

Проанализирована тенденция развития рынка производства различных типов приборов микро- и оптоэлектроники, в частности, светоизлучаюших диодов (рис. 1).

5004 21X15 Х06 Ш1 2005

Рис. 1. Тенденция развития рынка светом злу чающих диодов (СИД).

Проведен анализ традиционных технологий механической и лазерной резки приборных пластин на кристаллы, на основании которого сделаны следующие выводы:

1, Методы абразивной и алмазной резки приборных пластин на кристаллы исчерпали свои возможности в современной полупроводниковой и оптоэлектронной индустрии в виду следующих их недостатков:

- низкая скорость резки пластин;

- необходимость предварительного утонения пластин;

- загрязнение рабочей поверхности пластины в процессе резки;

- наличие двух стадий разделения - надреза и последующего механического разламывания;

- значительные - до 30% потери материала разрезаемых пластин за счет ширины пропила;

- низкое качество роза за счет наличия нарушенного слоя вдоль линии надреза и разлома.

2. Лазерное скрайбирование с использованием лазеров, генерирующих излучение в ультрафиолетовой области спектра, хотя и позволяет существенно повысить производительность процесса резки ¡¡о сравнению с механической резкой, но не может полностью удовлетворить требованиям потребителей по следующим причинам:

- не обеспечивает высокого качества кромок кристаллов из-за наличия микротрещин;

- как и в случае механической резки, требует предварительного утонения пластин на специальном дорогостоящем оборудовании, например, для сапфировых подложек осуществляют утонение от 430 мкм до 90 мкм;

- загрязнение поверхности пластин продуктами испарения материала, что требует проведения дополнительной очистки пластин;

- наличие дополнительной операции механического разламывания;

- разрушительное воздействие процесса разделения на функциональные и эксплуатационные параметры получаемых приборов;

- низкий срок службы УФ лазеров.

Во второй главе дан подробный анализ метода лазерного управляемого термораскалывания хрупких материалов

Подробно рассмотрены особенности метода лазерного управляемого термораскалывания хрупких материалов, разработанного и исследованного в своих работах и в работах своих учеников профессором B.C. Комцратенко.

Рассмотрена физическая модель процесса ЛУТ, описывающая мекакизм образования микротрещины под действием напряжений растяжения, возникающих в зоне подачи хладагента (рис. 2),

\

Рис. 2. Схема лазерного управляемого термораскалывания

Я

Проанализированы основные факторы, имеющие первостепенное значение для процесса лазерного управляемого термораскалывания, а именно свойства материала, параметры лазерного излучения, параметры и свойства хладагента, а также скорость относительного перемещения материала

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса лазерного управляемого термораскалывания хрупких материалов Рассмотрено влияние оптических и теплофизических свойств материалов на выбор параметров технологического процесса ЛУТ Приведены спектры пропускания исследуемых материалов, на основании которых сделан выбор длины волны лазерного излучения, а также их теплофизические и механические свойства Сравнение этих параметров показало необходимость принципиальных изменений параметров и условий термораскалывания кремния, арсенида галлия и сапфира по сравнению со стеклом

Третья глава данной диссертационной работы посвящена исследованию и разработке математической модели процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких пластин с высокой теплопроводностью на примере кремния, арсенида галлия и сапфира

Проведен расчет термоупругих напряжений, возникающих в процессе лазерного управляемого термораскалывания

Расчет распределения температуры при поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы тонкой приборной пластины применен метод разделения переменных Таким образом, задача теплопроводности сведена к одномерной в направлении толщины пластины и двумерной в плоскости пластины Одномерная задача для поглощения излучения по закону Буггера решается аналитически и выражается рядом Фурье по Cos( ~/п/Ъ) - где z - текущая координата, h - толщина пластины, п -натуральное целое число Для каждого значения п определена двумерная задача, которая решается численно, методом конечных разностей Решение задачи проведено средствами MathCad

Коэффициент теплоотдачи определяется экспериментально, в расчетах

распределение температуры, представлено на рис 3 В распределении температуры образуется резкий спад в месте фронта кипения хладагента

При рассмотрении задачи термоупругости тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за пучком хладагентом, можно считать распределение температуры по толщине пластины однородным В этом случае реализуется плоское напряженное состояние

он аппроксимирован зависимостью

Полученное

а) б)

Рис. 3. Распределение температуры на поверхности кремниевой (а) и сапфировой (б) пластины в процессе термораскалывания.

Для двумерного случая (х, у) задачу термоупругости определяют уравнения совместности:

ш ! + 0 аЕ Л_ аЕ д'Г „

Ди,., Н------ ; ■■■■ - +--ДТ + ■----- - О

! + V дх I - V 1 + 1/ дх-

1 (5!{сг„ +<7„) аЕ д:Т

+---Щ +----о

1 + I' З.тсу "1 + у дхду

I + V ду" 1-1/ 1 + 1/ ¿у-

уравнения равновесия

дх ду

дх ду и граничные условия

где ат - коэффициент термического расширения, В - модуль Юнга, V -коэффициент Пуассона, Ьц - тензор напряжений, Т(х,у,1) -распределение температуры в рассматриваемом материале, причем, для задачи термоупругости время I является параметром, а не переменной.

Введем функцию напряжений Р(х,у) удовлетворяющую соотношениям: дЧ-- = а ■ _

а*- дхду сг"'

Тогда уравнения равновесия удовлетворяются автоматически, а уравнения совместности сведутся к уравнению;

ЧЧЩ. +<0 + —У3Т = 0 v:V:F + — У2Г = О

" \-у 1 - V

Частное решение этого уравнения, предложенное Гудиером, находится в виде: ,г} = йг |Ддг,г,гуг , используя уравнение теплопроводности с

о

поверхностными источниками нагрева и охлаждения

= О

81

Тогда частное решение для компонент оуу тензора напряжения запишется

атЕа, '(дгТШШг) , 1-1' I дх -

Общее решение для задачи термоупругости будет тождественно равно нулю, поскольку в отсутствие нагрева и охлаждения в свободно расположенной пластине напряжений нет.

Таким образом, нас интересует значение оуу в зоне охлаждения после нагрева излучением пластины. Именно эти напряжения приводят к продвижению трещины вслед за лазерным излучением.

Определенное таким образом распределение напряжений ст>7 приведено

на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Распределение напряжения сгуу на поверхности кремниевой (а) и сапфировой (б) пластины в процессе термораскалывания.

Приведенная математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин. Полученные расчеты согласуются с экспериментальными результатами.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из арсенида галлия, кремния, сапфира и других материалов

Принципиальным отличием процесса ЛУТ указанных материалов по сравнению со стеклом является существенное отличие их теплофизических свойств, и в первую очередь, коэффициентов теплопроводности и линейного температурного расширения Это накладывает очень жесткие ограничения на параметры лазерного пучка и технологические режимы процесса Поскольку теплопроводность сапфира в 25, у арсенида галлия в 55, а у кремния в 150 раз выше, чем у стекла, то для достижения необходимых градиентов температур следует увеличить плотность мощности лазерного излучения на поверхности материала, а также относительную скорость перемещения лазерного пучка и материала

Еще одной особенностью процесса резки приборных пластин является миниатюрность получаемых кристаллов, составляющих 100 - 300 мкм, и недопустимость чрезмерного температурного воздействия на структуры приборов, сформированных в непосредственной близости от линии резки

Все это накладывает жесткие ограничения на оптическую фокусирующую систему

На основании полученных данных определены оптимальные параметры технологических режимов прецизионного разделения методом лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин на основе подложек из арсенида галлия (рис 5), кремния (рис 6) и сапфира (рис 7)

Рис 5 Зависимость скорости термораскалывания подложки арсенида галлия от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б)

Рис 6 Зависимость скорости термораскалывания подложки кремния от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б)

Рис 7 Зависимость скорости термораскапывания подложки сапфира от толщины (а) и мощности лазерного излучения (б)

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ различных типов хрупких неметаллических материалов, используемых в производстве приборных пластин, позволившая оптимизировать режимы процесса лазерного разделения Это обеспечило получение наиболее высоких результатов в резке приборных пластин на кристаллы по производительности процесса и качеству изделий (рис 8)

Рис. 8. Фотографии кристаллов СИД после резки методом ЛУТ.

Пятая глава диссертации посвящена разработке общей концепции и различных конструкций технологического оборудования для резки приборных пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира.

Обоснованы требования к фокусирующей системе для формирования пучков с заданными параметрами для резки приборных пластин на кристаллы с размерами от 50 до 1000 мкм, Предложена методика расчета оптических одно-, двух- и четырех линзовых объективов с использованием компьютерных программ OSLO или ZEMAX.

Разработана и изготовлена специальная плоская форсунка для подачи хладагента в виде воздушно-водяной аэрозоли, обеспечивающей достижение максимального градиента температур «нагрев - охлаждение» в материалах с высокой теплопроводностью при использовании лазерных пучков минимальных размеров (рис. 9).

форсунка р. рдяно;! кадашпр

Рис. 9. Схема ЛУТ приборных пластин с использованием форсунки специальной конструкции.

Разработана конструкция и изготовлена универсальная технологическая установка для резки приборных пластин из различных материалов, содержащая два лазера с различной длиной излучения и две оптические фокусирующие системы. На рис, 10 представлена оптическая схема и общий вид такой установки.

Рис. 10. Оптическая схема и общий вид универсальной установки для разделения приборных пластин из различных материалов иа кристаллы.

Благодаря выполненному комплексу работ была произведена статистическая оценка качества получаемых изделий и приборов, которая показала о преимуществе предлагаемой технологии и оборудования при резке приборных пластин перед традиционными технологиями, К основным преимуществам следует отнести:

- повышение производительности в 2,5 - 3 раза по сравнению с лазерным скрайбированием и более чем в 100 раз по сравнению с механической резкой;

- увеличение срока службы приборов за счет повышения качества кристаллов;

- исключение дополнительной операции механического разламывания;

высокая чистота процесса резки методом ЛУТ, что позволяет осуществлять операцию резки в помещениях с повышенными требованиями к чистоте и вакуумной гигиене;

исключение дополнительной операции очистки пластин после операции резки;

- низкая стоимость и высокая долговечность используемых лазерных

систем.

Оборудование и технология внедрены в производство.

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

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

1 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Черных С П , Наумов А С Разделение приборных пластин на сапфировой основе на кристаллы методом лазерного управляемого термораскалывания XVIII Международная конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 2004 г, Москва

2 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Черных С П , Наумов А С Лазерное управляемое термораскалывание приборных пластин на основе кремния и арсенида галлия XVIII Международная конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 2004 г , Москва

3 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Данилин В Н , Жукова Т А , Черных С П , Наумов А С Разделение на чипы приборов на основе широкозонных полупроводников методом лазерного управляемого термораскалывания Материалы 3-ей всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия», июнь 2004 г , МГУ, Москва

4 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Черных С П , Наумов А С Разделение приборных пластин на кристаллы методом лазерного управляемого термораскалывания XVIII Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, 16-20 сентября 2004 г, Алушта

5 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Сек-Джун Ли, Черных С П, Наумов А С Математическая модель процесса лазерного управляемого термораскапывания Тезисы VII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», 1-5 октября 2004 г, Сочи -с 98- 103

6 Наумов А С Новая технология разделения приборных пластин на кристаллы Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №6, часть 1, 2005, Москва - с 112 - 115

7 Наумов А С Новая технология разделения приборных пластин на кристаллы Труды Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях», Известия Тульского государственного университета, серия Инструментальные и метрологические системы, выпуск 1, часть 1, 9-11 февраля 2005 г , Тула - с 154 - 157

8 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Сек-Джун Ли, Наумов А С Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей Приборы, №4 (58), 2005 Москва - с 35 - 38

9 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Сорокин А В , Наумов А С Устройство контроля трещины в процессе лазерного управляемого термораскалывания стекла Приборы, №6 (60), 2005 Москва - с 9 - 10

10 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Черных С П , Наумов А С Разделение подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия со сформированными на них оптоэлектронными приборами Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г , Тунис - с 7 - 10

11 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Черных С П , Наумов А С Разработка технологии изготовления корпусов для светодиодов с применением метода лазерного управляемого термораскалывания Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов

в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис - с 11 - 13

12 Кондратенко В С , Гиндин П Д , Котляров Ю В , Черных С П , Наумов А С Подготовка подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия для эпитаксиального выращивания на них гетероструктур оптоэлектронных приборов Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис - с 14

13. Кондратенко В С , Гиндин П Д , Котляров Ю В , Черных С П , Наумов А С Утонение подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия со сформированными на них оптоэлектронными приборами Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г , Тунис - с 15-16

14. Кондратенко В С , Гиндин П Д , Кондратенко А В , Черных С П , Наумов А С Современные тенденции на рынке приборов на основе подложек из сапфира, кремния и арсенида галлия Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис - с 17

15 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Наумов А С Лазерное параллельное термораскалывание хрупких неметаллических материалов Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис - с 18 - 23

16 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Наумов А С Новая технология снятия фасок с помощью лазерного излучения Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис - с 24 - 28

17 Кондратенко В С, Борисовский В Е, Гиндин П Д, Наумов А С Оптимизация процесса лазерного управляемого термораскалывания дисков различного диаметра Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г, Тунис -с 32-38

18 Кондратенко В С , Гиндин П Д, Ежов В П , Колесник В Д, Сорокин А В , Наумов А С Повышение качества и надежности процесса лазерного управляемого термораскалывания за счет активного контроля развития трещины Сборник трудов МНТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности», том II, 9-16 октября 2005 г , Тунис - с 39 - 42

19 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Седаева Н Р , Наумов АС Лазерное притупление острых кромок изделий Приборы, №12 (66), 2005 Москва - с 37-41

20 Кондратенко В С , 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 Москва - с 38-43

21 Кондратенко В С , Борисовский В Е , Гиндин П Д , Наумов А С Лазерное технологическое оборудование для резки приборных пластин из различных материалов «Вестник МГУПИ» №7 2006 Москва

22 V Kondrateriko, S Tchemykh, A Naumov Kremlin pellets and laser thermocracking for HP SMD LED Abstracts of Technical Symposium SEMI Expo CIS 2006, October 3, 2006, Moscow

23 Кондратенко В С, Наумов А С Лабораторный практикум по курсу «Лазерное управляемое термораскалывание приборных пластин на кристаллы» - Учебно-методическое пособие - М, Изд МГУПИ, 2006 -39 с

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г

Подписано к печати 11 04 2007 г Формат 60 х 84 1/16 Объем 1,0 п л Тираж 100 экз Заказ № 68

Московский Государственный Университет Приборостроения и Инфор патики 107846, Москва, ул. Стромынка, 20

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.

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.

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.

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.