Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины
NON-METAL PLATE LASER SCRIBING METHOD

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных пластин.
Известен способ лазерной обработки неметаллических материалов [Патент РФ № 2486628, МПК Н01L 21/42, 27.06.2013], заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле
,
W
2
где  – плотность энергии, Дж/см;
Q
3
– удельная энергия сублимации материала, Дж/см;
е
– основание натурального логарифма;
χ
-1
– показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см;
R
– коэффициент отражения материала.
χ
χ
При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/, причем энергетические затраты на единицу массы сублимирующего материала будут минимальны. Если при скрайбировании пластин требуется глубина канавки больше, чем 1/, 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.
1
-1
Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить скрайбирование неметаллических пластин при минимальных энергетческих затратах, когда требуемое количество лазерных импульсов N не является целочисленным. Например, пластина из цветного оптического стекла ЖЗС12 имеет показатель поглощения на длине волны 1,06 мкм 10 см [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 [Патент РФ № 2566138, МПК В23К 26/364, 20.08.2014], 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.
Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2.
Известен также способ лазерного скрайбирования неметаллических пластин, включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле
а χh>2.
Патент РФ № 2761834, МПК B23K 26/364, 13.12.2021. Прототип.
Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2,433.
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 нескольких лазерных импульсов c плотностью энергии, зависящей от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и требуемой глубины канавки, скрайбирование пластины осуществляют тремя лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле
W
2
где:  – плотность энергии лазерного излучения, Дж/см;
Q
3
– удельная энергия сублимации материала пластины, Дж/см;
е
– основание натурального логарифма;
χ
-1
– показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, см;
h
– требуемая глубина канавки при скрайбировании, см;
R
– коэффициент отражения материала пластины;
а безразмерный параметр χh>2,433.
Ниже приводится описание способа лазерного скрайбирования неметаллической пластины.
Е
х
Сущность способа состоит в следующем. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности пластины, удельное энерговыделение  при поглощении лазерного излучения в материале пластины и координата , отсчитываемая от поверхности пластины вглубь, связаны формулой
х
E(x)≥Q
Сублимация материала произойдет на глубину  при условии . 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 плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (3), суммарная плотность энергии будет составлять
При этом глубина канавки составит h/2 в каждом импульсе и суммарно h.
При воздействии трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (4), суммарная плотность энергии будет составлять
При этом глубина канавки составит h/3 в каждом импульсе и суммарно h.
Определим лучший вариант воздействия с точки зрения минимизации энергетических затрат на скрайбирование. Для этого разделим уравнение (8) на уравнение (7). После простых математических преобразований получим:
Результаты расчетов по уравнению (9) в интервале значений безразмерного параметра
2≤ χh≤4 приведены в таблице.
Таблица
<img file="00000013.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
2
2,2
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
<img file="00000014.jpg" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1,07
1,04
1,005
0,973
0,941
0,91
0,88
0,851
0,823
0,796
0,77
Точное значение параметра χh, при котором необходимо переходить от воздействия двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, рассчитанной по уравнению (3), к воздействию трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, рассчитанной по уравнению (4), находят из условия
Из уравнения (10) находим
Таким образом, расчеты показывают преимущества предложенного способа скрайбирования неметаллической пластины перед прототипом при значении безразмерного параметра χh>2,433.
Пример реализации способа. Перед началом скрайбирования по известным значениям требуемой глубины канавки и показателя поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения рассчитывают значение безразмерного параметра χh. Если χh>2,433 заданную глубину канавки получают воздействием трех лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по уравнению (4). Затем перемещают пластину на расстояние, равное или меньшее диаметру лазерного пучка, и опять воздействуют тремя лазерными импульсами. Указанное перемещение повторяют необходимое количество раз для получения требуемого контура канавки.