Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Традиционные технологии и оборудование для резки приборных пластин на кристаллы (обзор) 9
1.1. Тенденция развития рынка современных приборов микро- и оптоэлектроники 9
1.2. Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы 12
1.2.1. Резка приборных пластин на кристаллы диском с нанесенным алмазным покрытием 13
1.2.2. Скрайбирование сапфировых приборных пластин алмазным инструментом 16
1.3. Лазерное скрайбирование приборных пластин 18
1.3.1. Скрайбирование сапфировых подложек со светодиодами LED твердотельным УФ лазером с системой обнаружения края (NewWave Research) 26
1.3.2. Скрайбирование сапфировых подложек с нанесенным слоем нитрида галлия УФ лазером с длиной волны излучения 200-365 нм (Disco Corporation) 37
1.3.3. Разделение приборных пластин из кремния методом нанесения микродефектов внутри пластины (Hamamatsu Photonics КК) 38
1.3.4. Разделение приборных пластин из кремния методом нанесения микродефектов внутри пластины (Disco Corporation) 40
1.3.5. Резка на кристаллы подложек из арсенида галлия и кремния водяной струей, проводящей лазерное излучение (Synova) 44
Глава 2. Анализ метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) хрупких неметаллических материалов 50
2.1. Особенности процесса сквозного лазерного термораскалывания 50
2.2. Физическая модель процесса ЛУТ 62
2.3. Основные факторы, определяющие параметры процесса ЛУТ 64
2.4. Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса ЛУТ 65
2.5. Требования, предъявляемые к выбору параметров лазерного излучения для ЛУТ различных материалов 68
2.6. Выводы и постановка задачи исследований 71
Глава 3. Теоретические основы метода лазерного управляемого термораскалывания тонких пластин с большой теплопроводностыо на примере сапфира и кремния 76
3.1. Температурные поля при лазерном нагреве и последующем охлаждении хрупкого материала 77
3.2. Температурные напряжения при ЛУТ тонких пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира 80
Глава 4. Разработка технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин на кристаллы 85
4.1. Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса 86
4.2. Оптимизация технологических режимов ЛУТ для подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира 90
4.3. Разделение приборных пластин из сапфира на кристаллы на заданную глубину 101
Глава 5. Разработка технологического оборудования для лазерной резки приборных пластин на кристаллы 109
5.1. Расчет и разработка оптических фокусирующих систем для резки приборных пластин размером от 50 до 1000 мкм 109
5.2. Разработка специализированной форсунки для подачи хладагента, обеспечивающей достижение максимального градиента температур «нагрев - охлаждение» 115
5.3. Разработка концепции и конструкции универсальной технологической установки для резки приборных пластин из различных материалов 118
Выводы 126
Список литературы
- Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы
- Физическая модель процесса ЛУТ
- Температурные напряжения при ЛУТ тонких пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира
- Оптимизация технологических режимов ЛУТ для подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира
Введение к работе
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, фотоприемники, 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.
Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы
Основные методы механической резки приборных пластин на кристаллы Основные наиболее известные и востребованные методы, применяющиеся в резке приборных пластин из хрупких неметаллических материалов на кристаллы - это: 1. Прорезание на всю глубину с помощью алмазных дисков с внешней режущей кромкой; 2. Скрайбирование подложек гранью алмазной пирамидки; 3. Скрайбирование УФ лазером; 4. Резка водяной струей, проводящей излучение 1064нм; 5. Метод лазерного управляемого термораскалывания.
До недавнего времени наиболее распространенным при раскрое на кристаллы сапфировых и кремниевых подложек, подложек из карбида кремния и арсенида галлия, а также подложек из других хрупких неметаллических материалов являлся процесс механической резки с помощью абразивного или алмазного режущего инструмента [4, 5, 6]. Данная технология была одной из первых применявшихся для разделения приборных пластин. В качестве режущего инструмента применяется диск с алмазной режущей кромкой (рис. 3). 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 и других материалов. Данный признак определяет основные параметры оборудования для разделения и основные технологические режимы. На подбор режущего диска влияют следующие характеристики:
Исходя из вышеперечисленных параметров, подбирается диаметр и толщина алмазного диска, размер и концентрация зерен, закрепленных на нем. Также параметры подложки сильно влияют на скорость подачи диска, частоту вращения шпинделя и износ инструмента. Известно [4], что с увеличением скорости подачи ширина прорези несколько уменьшается, а дефектная зона возрастает. Концентрация зерен влияет на качество разделения (кромка кристалла, ширина реза и т.д.) и износ инструмента. Чем меньше концентрация зерен, тем выше качество разделения и более быстрый износ.
К примеру, для резки сапфировых подложек с нанесенной структурой GaN на дисках фиксируются алмазные абразивные зерна размером около 3 мкм. При толщине алмазного диска в 20 мкм линия реза между структурами на подложке будет шириной 50 мкм [7]. Следовательно, при размере прибора 300x300 мкм ширина реза будет составлять 14% от площади прибора, что приводит к резкому сокращению производительности.
Японская компания Disco Corporation предлагает оборудование для резки приборных пластин методом сквозного разрезания. Установка DAD361 предназначена для реки сапфировых приборных пластин со светодиодами.
Для разрезания пластин из сапфира толщиной 125, 250 и 500 мкм опробованы отрезные круги с алмазными порошками зернистостью от 14/10 до 100/80 при толщине режущей кромки 75 - 180 мкм. Эксперименты показали [6], что круги малой толщины и с мелкими алмазными микропорошками ломаются при врезании в пластину сапфира или после прорезания на длину в несколько миллиметров паза и не могут быть использованы даже для разрезания пластин из сапфира малой толщины (125 мкм). Алмазные круги выходили из строя вследствие разрушения режущей кромки.
Работоспособными являются отрезные круги с алмазным шлифпорошком АС 2 зернистостью 63/50, с металлическим покрытием при толщине режущей кромки 110 мкм. При абразивном отрезании пластин из сапфира этими кругами ширина прорези составляла 130 мкм, средние сколы -12-15 мкм и максимальные размеры сколов 24-27 мкм.
Получена фактическая ширина дефектной зоны 190 - 200 мкм. Производительность операции разделения составила четыре пластины диаметром 76 мм в 1 ч. Стойкость алмазных кругов до повторного закрепления в оправки с фланцами меньшего диаметра 15-17м длины пути резания. С учетом трехкратного использования алмазных инструментов стойкость достигает 46 - 50 м. При отсутствии установки 04ПП130 может быть использована установка УРПА-М; режимы резания: n = (1...2)-104 мин"1, v = 2 мм/с.
Физическая модель процесса ЛУТ
Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в следующем [28, 29]. При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которого материал является непрозрачным, часть энергии отражается от границы «воздух-материал», а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии в приповерхностном слое материала. При облучении поверхности непрозрачного хрупкого материала лазерным излучением во внешних его слоях возникают значительные напряжения сжатия, которые, однако, к разрушению не приводят. При выходе нагретого участка из зоны воздействия лазерного излучения начинается охлаждение поверхностных слоев материала. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию микротрещины, проникающей вглубь материала до внутренних прогретых слоев, испытывающих напряжения сжатия. Таким образом, в материале на границе зон нагрева и охлаждения, то есть в месте максимального градиента температур "нагрев - охлаждение", образуется микротрещина, глубина которой определяется распределением термоупругих напряжений, зависящим от целого ряда факторов. Схема образования микротрещины при лазерном управляемом термораскалывании приведена на рис. 33, рис. 34.
Схема нагрева поверхности материала лазерным эллиптическим пучком размером 2Ах2В и охлаждения зоны нагрева с помощью хладагента при их относительном перемещении со скоростью V.
Схема распределения напряжений сжатия ос и растяжения ар и образования микротрещины при лазерном управляемом термораскалывании. Не смотря на кажущуюся простоту физической модели метода ЛУТ, для управления технологическими параметрами процесса ЛУТ необходимо учитывать взаимосвязь между большим количеством влияющих друг на друга факторов, которые будут рассмотрены в следующем разделе.
Основные факторы, определяющие параметры процесса лазерного управляемого термораскалывания
Не смотря на кажущуюся простоту физической модели метода ЛУТ, для управления технологическими параметрами процесса ЛУТ необходимо учитывать взаимосвязь между большим количеством влияющих друг на друга факторов, представленных на схеме (рис. 35).
Свойства материалов ч Параметры лазерного излучения і Дополнительное воздействие на материал
Параметры хладагента Рис. 35. Основные факторы, определяющие процесс ЛУТ. К числу факторов, имеющих первостепенное значение для процесса лазерного управляемого термораскалывания, следует отнести: 1. Свойства материала: механические (хрупкость, прочность, состояние поверхности); теплофизические (КЛТР - коэффициент линейного термического расширения, температура плавления, теплоемкость, температуропроводность, термостойкость); оптические (коэффициенты поглощения, пропускания и отражения). 2. Параметры лазерного излучения: длина волны излучения; модовая структура излучения; поляризация излучения; импульсно-периодические свойства излучения; мощность и плотность мощности излучения; форма и размеры пучка на поверхности материала.
3. Параметры хладагента: теплофизические свойства, в том числе: теплоемкость, удельная теплота парообразования, температура кипения; количество хладагента и интенсивность его подачи; форма и размеры потока хладагента на поверхности материала.
4. Дополнительное воздействие на материал: создание первичного концентратора напряжений; тепловое воздействие на материал; воздействие акустических волн.
5. Скорость относительного перемещения материала и лазерного пучка с хладагентом.
Для оптимизации режимов лазерного управляемого термораскалывания для различных материалов необходимо установить и исследовать взаимосвязь между указанными выше основными параметрами, характеризующими этот процесс.
Влияние оптических и теплофизических свойств материала на выбор параметров технологического процесса ЛУТ
Как уже было отмечено выше, одним из условий осуществления процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла является условие поверхностного поглощения лазерного излучения материалом. Для стекла таким излучением является излучение СОг-лазера с длиной волны 10,6 мкм. Для выбора оптимальной длины волны лазерного излучения для каждого материала необходимо учитывать спектры пропускания и отражения. На рис. 36 приведен график спектров пропускания некоторых материалов [30], из которого видно, что основная группа стекол, кварца, а также сапфир и германий имеют пропускание в видимой области спектра более чем 80% и разные характеристики в ближней УФ и ИК областях. По мере приближения к дальней ИК области, а именно к длине волны 10,6 мкм, излучаемой СС 2 лазером, все данные материалы приобретают хорошие поглощающие поверхностные способности, лишь за исключением германия, который пропускает излучение с длиной волны до 15 мкм [30], способствующие реализации метода ЛУТ.
Температурные напряжения при ЛУТ тонких пластин из кремния, арсенида галлия и сапфира
Частное решение этого уравнения, предложенное Дж. Гудьером [39], находится в виде: F (x,z) = аг jT(x,z,r)dr t используя уравнение теплопроводности с поверхностными источниками нагрева и охлаждения
Здесь следует подчеркнуть, что для лазерного управляемого термораскалывания применяется лазерное излучение, сильно поглощающееся материалом подложки, например, для кремниевой пластинки полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны генерации X = 0,808 мкм, для пластинки из сапфира С02 лазерное излучение с длиной волны X = 10,6 мкм. Практически полное поглощение излучения происходит в тонком поверхностном слое. Тогда источник нагревания можно считать поверхностным, также как и теплоотдачу при охлаждении хладагентом. Тогда частное решение для компонент сГуу тензора напряжения запишется -атЕат 1гд2Т(х,у,т) а»=-[ гг & (13)
Общее решение для функции напряжения будет тождественно равно нулю, поскольку аналитическая функция на плоскости (х,у) имеющая нулевые значения на границе равна нулю во всей области внутри границы [34].
Нас интересует значение аУу в зоне охлаждения после нагрева излучением пластины. Именно эти напряжения приводят к продвижению трещины вслед за лазерным излучением.
На рис.39 приведено распределение составляющей тензора напряжений ауу, вычисленное для параметров ЛУТ разделения приборной пластины на кристаллы из кремния (а) и сапфира (б) [38]. a) 6)
Из рис. 39 видно, что резкое охлаждение пластины вслед за нагревом лазерным излучением приводит к сосредоточенному на линии реза (у = 0) пику положительных (растягивающих) напряжений, имеющих значение примерно 2. 10 Па (2 кГ/мм ). Для пластины из кремния вычисленный коэффициент интенсивности напряжений К/ 5,5 105 Н/м , что примерно равно предельному значению коэффициента интенсивности напряжений Кс, определенному выше. Для разрыва сплошной пластины этих напряжений недостаточно, и это видно на примере неудачной попытки термораскалывания начиная с бездефектного края после предыдущего термораскалывания. Но этих напряжений достаточно для продвижения уже существующей трещины. Экспериментально это отражается в том факте, что нанесение механически предварительной краевой трещины на бездефектный край позволяет продвигать ее методом лазерного управляемого термораскалывания. Вершина трещины является сильным концентратором напряжений [39].
Вершина трещины продвигается со скоростью существенно большей, чем перемещается пластина (ее скорость может достигать, примерно, 0,7 скорости распространения сдвиговых упругих волн [33], а это примерно 2000 м/сек), но будет тормозиться напряжениями сжатия (отрицательными), возникающими на фронте нагрева пластины лазерным пучком. Таким образом, вершина трещины будет всегда следовать за лазерным пучком, поэтому метод и называется - лазерное управляемое термораскалывание.
Приведенная математическая модель объясняет механизм процесса лазерного управляемого термораскалывания, показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания тонких приборных пластин.
Оптимизация технологических режимов ЛУТ для подложек из кремния, арсенида галлия и сапфира
Одним из способов получения кристаллов с пластин является разделение приборных пластин на заданную глубину (микротрещина). Данный способ разделения имеет ряд преимуществ перед сквозной резкой: Минимальный нагрев подложки; Отсутствие граничных условий; Полностью бездефектная кромка из-за отсутствия направленного концентратора напряжений в поперечном направлении; Высокая точность и повторяемость разделения ±5 мкм, как правило, обуславливающаяся точностью подвижного столика; Значительное повышение скорости разделения.
Были выполнены экспериментальные исследования влияния различных параметров на глубину микротрещины.
Чтобы добиться микротрещины на пластине с высокой теплопроводностью необходимо обеспечить мощнейший теплоотвод. Данная задача решается с помощью подачи под большим давлением, до 6 МПа, воздуха на форсунку. Таким образом, удавалось отводить тепло, с подложки не давая ей прогреться на всю толщину. При изменении давления воздуха, подаваемого на форсунку, менялась глубина микротрещины. Характер изменения глубины микротрещины в приборной пластине КНС (кремний на сапфире) с ориентацией сапфира (101-2)R изображен на рис. 58. Параллельно с этой работой проводилось разделение сапфира толщиной 0,42 мм, 0,57 мм и 0,6 мм с ориентацией С001 с полированной и шлифованной поверхностью. При одинаковых параметрах воздействия на приборные пластины с различной ориентацией и разными толщинами, максимальное изменение глубины микротрещины составляло не более ±20 мкм. Эксперименты по лазерному управляемому термораскалыванию на всю глубину подложки из раздела 4.2 показывают, что при разделении приборных пластин различной толщины и разной ориентации необходимо учитывать эти различия и вносить существенные изменения в ряде параметров для получения сквозной трещины. Результаты разделения показаны на рис. 59 и 60.
Также немаловажным фактором для осуществления процесса разделения на заданную глубину является расположение форсунки, которое обеспечивает попадание пятна хладагента максимально приближенное к лазерному пучку, но не перекрывающее его (рис. 61J. Как видно на рисунке охлаждение сконцентрировано в виде основной зоны охлаждения непосредственно сзади пучка с косвенным охлаждением по периферии. Эксперименты показали, что при отдалении пятна охлаждения от лазерного пучка глубина микротрещины не изменяется, а резко переходит в сквозную трещину, не на всю длину подложки, переходящую в микротрещину глубиной более 170 мкм (применительно к подложкам из сапфира и КНС толщиной 0,42 мм - 0,6 мм). Технологический запас режима получения устойчивой Для осуществления термораскалывания приборных пластин толщиной от 50 до 1000 мкм на кристаллы необходимо сформировать на поверхности материала эллиптическое пятно определенных размеров. В связи с этим необходимо использовать сфероцилиндрическую оптику. Из раздела 4.1 ясно, что для использования универсальной установки преимущественно для разделения подложек из сапфира, арсенида галлия и кремния необходимо использовать два различных источника излучения, а именно СОг лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм и полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 0,808 мкм. Таким образом, необходимо использовать два независимых объектива из различных материалов для линз, которые обеспечивают хорошее пропускание на конкретной длине волны.
Другие критерии требования к оптической фокусирующей системе задают приборные пластины. Во-первых, подложка изготовлена из материала, имеющего высокую теплопроводность, значительно отличающуюся от теплопроводности стекла. Теплопроводность сапфира в 25, у арсенида галлия в 55, а у кремния в 150 раз выше, чем у стекла (см. табл. 8), следовательно, для используемых в универсальной установке лазеров мощностью 50 Вт (С02 лазер) и 250 Вт (полупроводниковый лазер), необходимо использовать фокусирующую оптику, которая обеспечивает эллиптическое пятно на поверхности материала достаточных размеров, определяющих высокую плотность мощности вкупе с высокой скоростью перемещения для создания необходимого градиента температур для развития трещины в материале. Во-вторых на приборных пластинах сформированы структуры небольших размеров как правило от 360x360 мкм2 до 6000x6000 мкм2 с дорожкой для резки шириной от 20 мкм до 250 мкм, а это значит, что лазерное пятно должно быть небольших размеров, не допускающих критичный нагрев самих структур.
Исходя из вышеперечисленных требований к фокусирующей системе за основу был взят размер пучка 2Ах2В, имеющий размер, находящийся в диапазоне 2Ах2В=1-5хО, 1-0,5 мм . Данный размер пучка с учетом теплопроводности материала можно использовать как для разделения подложек из сапфира, так и для разделения подложек из арсенида галлия и кремния.
Расчет и разработка оптической фокусирующей системы для резки приборных пластин из сапфира и кремния микротрещины при перемещении форсунки от нулевого
