Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины
METHOD FOR LASER SCRIBING OF A NON-METALLIC PLATE

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных пластин.
Известен способ лазерной обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле
,
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.
Патент РФ № 2486628, МПК Н01L 21/42, 27.06.2013.
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, включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами, при этом плотность энергии в первом импульсе определяют по формуле
, (1)
плотность энергии во втором импульсе определяют по формуле
, (2)
а глубина канавки составляет 1,46≤χh≤2.
Патент РФ 2566138, МПК В23К 26/364, 20.10.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2.
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при скрайбировании пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Технический результат достигается тем, что в способе скрайбирования неметаллической пластины, включающем воздействие на ее поверхность двух последовательных лазерных импульсов c плотностью энергии, зависящей от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и глубины канавки, скрайбирование пластины осуществляют с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле
, (3)
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.
Ниже приводится описание способа лазерного скрайбирования неметаллической пластины.
Е
x
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
. (4)
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
. (5)
При воздействии двух лазерных импульсов с плотностями энергии, определяемыми по уравнениям (1) и (2), суммарная плотность энергии будет
. (6)
При воздействии двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (3), суммарная плотность энергии будет составлять
. (7)
Определим лучший вариант воздействия с точки зрения минимизации энергетических затрат на скрайбирование. Для этого разделим уравнения (5) и (6) на уравнение (7). После простых математических преобразований получим:
; (8)
. (9)
Результаты расчетов по уравнениям (8) и (9) в интервале значений безразмерного параметра 2≤χh≤4 приведены в таблице.
Таблица
<img file="00000013.jpg" he="6" wi="5" 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="5" wi="14" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1,36
1,50
1,66
1,83
2,03
2,24
2,48
2,74
3,02
3,34
3,69
<img file="00000015.jpg" he="5" wi="14" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1
1,01
1,02
1,05
1,08
1,13
1,19
1,26
1,34
1,43
1,54
Таким образом, расчеты показывают преимущества предложенного способа скрайбирования неметаллической пластины перед прототипом при значении безразмерного параметра χh≥2.
Технологические лазеры, как правило, работают в частотно-импульсном режиме. Поэтому заданную глубину канавки получают воздействием двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по уравнению (7). Затем перемещают пластину на расстояние, равное или меньшее диаметру лазерного пучка, и опять воздействуют двумя лазерными импульсами. Указанное перемещение повторяют необходимое количество раз для получения требуемого контура канавки.