Розробка і дослідження технологічного процесу лазерного розподілу напівпровідникових пластин на елементи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

Розробка і дослідження технологічного процесу лазерного розподілу напівпровідникових пластин на елементи

Халед Ібрагім Мохаммад Аль Шебуль (Іорданія)

Київ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Коваленко В.С., НТУУ «КПІ», зав. кафедрою ЛТКМ.

Науковий консультант:

Кандидат технічних наук, ст.н.с. Анякін М.І., НТУУ «КПІ», зав. лабораторією ЛТ і Т.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Білоус М.В., НТУУ «КПІ», зав. кафедрою загальної фізики.

Кандидат технічних наук Орешнік В.І., ВАТ «Більшовик», зав. лабораторією ЛТ і Т.

Провідна установа:

Інститут надтвердих матеріалів НАНУ ім. В.М. Бакуля, лабораторія № 19.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради д.т.н., проф. Л.Ф. Головко

Анотація

лазерний різання скрайбування напівпровідник

Халед Ібрагім Мохаммад Аль Шебуль (Іорданія) «Розробка та дослідження технологічного процесу лазерного розподілу напівпровідникових пластин на елементи» - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України «КПІ», 2000 р.

Дисертація присвячена питанням дослідження, проектування й оптимізації технологічного процесу лазерного розподілу напівпровідникових пластин на елементи.

У роботі розроблена оригінальна методика визначення температурних залежностей оптичних властивостей матеріалів, що заснована на застосуванні засобів нелінійного програмування, причому в якості функції цілі використовували min квадрату різниці між розрахованою потужністю і потужністю пучку лазерного випромінювання, що пройшла наскрізь зразок та була виміряна приймачем у відповідний момент часу з одночасною фіксацією потужності пучку випромінювання що, надійшла до деталі, що оброблюється, і відбитої від неї. Причому, у якості рівняння зв'язку використовували нелінійне, нестаціонарне, з урахуванням фазових перетворень, одномірне рівняння теплопровідності, що розв'язувалось методом прогонки. За допомогою розробленої методики в роботі визначені залежності коефіцієнтів відбивання і поглинання моно і полікристалічного кремнію від температури (довжина хвилі випромінювання - 1.06мкм). Крім того, установлено, що при високих густинах енергії сфокусованого лазерного випромінювання, відбувається нівелювання впливу оптичних властивостей полі і монокристалів на результат нагрівання.

Методами планування експериментів отримані моделі процесу різання полікристалічного кремнію (товщина 0.3-0.5мм) сфокусованим скануючим лазерним променем. Встановлені методами нелінійного програмування оптимальні режими обробки дозволяють здійснювати різання полі і монокристалів зі швидкістю 25мм/с із мінімальною шорсткістю поверхні.

Ключове слово: лазер, лазерна технологія, напівпровідникові матеріали, моделювання, оптимізація.

Annotation

Khalid Ibrahim Mohammad Al Sheboul (Jordan) " Development and research of a manufacturing process of laser sharing of semiconductor wafers for units " - Manuscript.

Thesis on defense of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.03.07 - Processes of physic-technical processing. National technical university of Ukraine "KPI", 2000y.

The thesis is dedicated to problems of research, designing and optimization of a manufacturing process of laser sharing of semiconductor wafers on units.

In operation the original technique of definition of temperature dependence's of an optical behavior of materials grounded on application methods of nonlinear programming designed, and as the function of the purpose have utilized min of a functional of discrepancies between calculated and measured by the receiver, powers of a bundle of a laser radiation, past tested the sample in an appropriate instant with simultaneous fixing of power of a bundle of radiation of the reached(achieved) work piece and reflected from it(her). And, as a coupling equation have utilized nonlinear, non-stationary, in view of phase changes, one-dimensional heat conduction equation solved by a sweep method. With the help of a designed technique in operation the dependence of reflection factors both absorption mono and polysilicon from temperature (wavelength of radiation -1.06mkm) are defined. Besides it is found, that at high densities of energy of the focused laser radiation, there is an alignment of an optical behavior poly and single crystals on outcome of heat.

Using methods of a design of experiments the models of a cutting process of a poly crystal (width 0.3-0.5мм) with scanning focused laser beam had been obtained. Found with methods of nonlinear programming, the optimum regimes of processing allow to realize cutting of mono and poly crystals and single crystals silicon with speed 25mm/s at minimum surface roughness.

Keywords: the laser, laser technology, semiconductor materials, simulation, optimization.

Аннотация

Халед Ибрагим Мохаммад Аль Шебуль (Иордания) «Разработка и исследование технологического процесса лазерного разделения полупроводниковых пластин на элементы» -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины «КПИ», 2000г.

Диссертация посвящена вопросам исследования, проектирования и оптимизации технологического процесса лазерного разделения полупроводниковых пластин на элементы.

В работе разработана оригинальная методика определения температурных зависимостей оптических свойств материалов, основанная на применении методов нелинейного программирования, причем в качестве функции цели использовали min квадрата разницы между рассчитанной и измеренной приемником, мощности пучка лазерного излучения, прошедшей исследуемый образец в соответствующий момент времени с одновременной фиксацией мощности пучка излучения, достигшей обрабатываемой детали и отраженной от нее. Причем, в качестве уравнения связи использовали нелинейное, нестационарное, с учетом фазовых переходов, одномерное уравнение теплопроводности, решаемое методом прогонки. С помощью разработанной методики в работе определены зависимости коэффициентов отражения и поглощения моно и поликристаллического кремния от температуры (длина волны излучения -1.06мкм). Кроме того, установлено, что при высоких плотностях энергии сфокусированного лазерного излучения, происходит нивелирование влияния оптических свойств поли и монокристаллов на результат нагрева.

Методами планирования экспериментов получены модели процесса резки поликристаллического кремния (толщина 0.3-0.5мм) сканирующим сфокусированным лазерным пучком. Установленные, методами нелинейного программирования оптимальные режимы обработки позволяют осуществлять резку поли и монокристаллов со скоростью 25мм/с с минимальной шероховатостью поверхности.

Ключевые слова: лазер, лазерная технология, полупроводниковые материалы, моделирование, оптимизация.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з фінішних операцій виготовлення різноманітних електронних компонентів є розподіл напівпровідникових (керамічних) пластин на окремі модулі. При цьому, від якості даної операції (ширини різу, розмірів зони дефектного впливу (ЗТВ) та ін.) істотно залежать розміри готових виробів, процентний вихід придатних. Застосування на даних операціях, у якості інструмента сфокусованого пучку лазерного випромінювання дозволило зменшити розміри одержуваних елементів до 0.2мм, збільшити до 2-х раз (у порівнянні з механічною обробкою) глибину скрайбу з "гострою" кромкою і мінімальними напругами, забезпечити більш 10-ти кратне збільшення продуктивності процесу.

Завдяки тому, що лазерній розмірній обробці піддаються пластини з нанесеними структурами, то збільшення відсотку виходу годних елементів, після їхнього поділу, значно впливає на собівартість готових виробів.

Проте, при лазерній розмірній обробці напівпровідникових елементів є ряд недоліків, усунення яких приведе до росту продуктивності і якості лазерного поділу пластин на компоненти.

Так, при поділі полікристалічного кремнію, що характеризується значними коливаннями товщини (0.2,...,0.6мм), виникає велика кількість браку при його скрайбуванні і наступному розрозподілі. Це пов'язано зі значними змінами (уздовж лінії поділу) відношення глибини скрайбу до товщини заготівки, що веде до нерівномірності зусиль при її розламуванні.

Безпосереднє розрізування пластин на елементи (у цьому випадку), шляхом зменшення швидкості операції, веде до погіршення її якості (через зростання розмірів ЗТВ), або до зниження продуктивності, тому що для зменшення ЗТВ обробка ведеться в декілька проходів.

Особливі ускладнення виникають при обробці багатошарових напівпровідникових елементів (мікроконденсаторів, напівпровідникових лазерів і ін.), що містять металеві покриття товщиною 0.01,..,0.1 мм. Наступний (після скрайбування) поділ пластин на модулі веде до появи великої кількості браку через відрив нижнього (стосовно срайбу) металевого шару.

Незважаючи на значний прогрес в області моделювання процесів відпалу, аморфизації, легування й ін. напівпровідників, не достатньо досліджені їхні оптичні характеристики (особливо залежності коефіцієнтів відбивання і поглинання від температури), які значно впливають на результати розрахунків.

В Україні, країнах СНД лазерний розподіл напівпровідникових пластин на елементи здійснюється на автоматизованому технологічному устаткуванні (серії "Темп", ЛТУ й ін.). Дане технологічне устаткування обладнене випромінювачами на алюмо-іттрієвому гранаті (АІГ), що генерують пучок лазерного випромінювання з просторово-часовими й енергетичними параметрами, що відповідають аналогічним параметрам пучку випромінювання лазерів фірм “Qantronics”, “Lee Laser Inc.”, “Lumonics” і ін., що встановлюються у технологічні комплекси для обробки напівпровідників. При цьому, лазерне скрайбування (різання) напівпровідникових пластин на Україні й у країнах СНД ведеться на лазерних технологічних установках на швидкостях 5,..,8мм/с. Природно, у цьому випадку спостерігається ріст розмірів ЗТВ і, відповідно, погіршується якість обробки, росте енергоємність виробництва.

Тому, розробка ефективної технології лазерної розмірної обробки напівпровідникових елементів є актуальною задачею.

Робота виконувалася в рамках Державних науково-технічних програм “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні”, “Нові наукомісткі технології на основі досягнень мікроелектроніки, напівпровідників і оптики” і відповідно до завдань Міністерства вищої освіти України (тема № 2220, номер держ. реєстрації 198V002509).

Основною метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності і якості лазерної розмірної обробки (різання, срайбування) напівпровідникових матеріалів.

Задача роботи. Для розробки технології лазерного різання (срайбування) напівпровідникових матеріалів необхідно вирішити наступні задачі:

1. Вивчити і дослідити вплив основних технологічних факторів на процес лазерного різання напівпровідникових матеріалів.

2. Розробити і дослідити засоби і системи для вдосконалення процесу лазерного скрайбування і різання напівпровідників.

3. Розробити і дослідити засоби контролю результатів і якості виконання технологічних операцій.

4. Розробити технологічні процеси і необхідну оснастку для підвищення продуктивності і якості розподілу напівпровідникових пластин на елементи.

Наукова новизна. При вирішенні поставлених задач автором уперше, за допомогою обчислювальних експериментів, досліджені процеси лазерної обробки різноманітних матеріалів лазерним пучком, що сканує.

Розроблено математичні моделі лазерного розмірної обробки напівпровідникових матеріалів.

Методики й пристрої для контролю якості лазерної обробки матеріалів,

Методики визначення залежностей оптичних властивостей матеріалів від температури

Встановлені залежності оптичних властивостей полі і монокристалічного кремнію від температури.

Встановлені закономірності впливу технологічних факторів на продуктивність і якість обробки напівпровідникових матеріалів.

Практична цінність роботи полягає в 5-ти кратному збільшенні продуктивності обробки і підвищенні її якості при постійній енергоємності; розробці методів обробки, що забезпечують високопродуктивний «наскрізний» розподіл не тільки «чистих» напівпровідникових матеріалів, але і композиційних: метал - напівпровідник - метал.

Реалізація роботи. Розроблені засоби й пристрої для їхньої реалізації були випробувані на ряді підприємств України (з-д “Старт” НВО ім. С. Корольова, м. Київ) і Росії (НВО “Енергія”, м. Краснодар).

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації запропоновані оригінальні пристрої для лазерної обробки, розроблені методики і проведені експерименти по дослідженню технології лазерного обробки напівпровідників, розроблене програмне забезпечення.

Апробація роботи Основні положення і результати дисертації були викладені на Міжнародних науково-технічних конференціях “Лазерні і фізико-технічні методи обробки матеріалів” у м. Алушта в 1996, 1997 рр.

Публікація матеріалів За результатами виконання дисертаційної роботи опубліковано 4 наукові статті, зроблено 3 доповіді на Міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, п'ятьох глав, висновків, списку використаних джерел із 122 найменувань.

Дисертаційна робота містить 130 сторінок машинописного тексту, 52 рисунка і 19 таблиць.

2. Зміст роботи

У введенні до роботи обґрунтована актуальність теми і сформульовані основні положення, що подаються на захист, обґрунтовані наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі аналізується сучасний стан і основні шляхи підвищення продуктивності і якості розмірної обробки напівпровідників, методи визначення поглинаючих властивостей матеріалів, що оброблюються.

В другому розділі приведений опис експериментального устаткування, методики визначення енергетичних, часових і просторових параметрів пучків лазерного випромінювання, що вийшли із резонатору, пройшли телескопічну систему та сформовані об'єктивами, з різноманітними фокусними відстанями. У даному розділі приводиться опис спеціально розробленого пристрою (із методикою і результатами його тарування), що дозволяє фіксувати дзеркальну та дифузну складові лазерного пучку, відбитого від деталі, що оброблюється. Крім того, у другому розділі приведений математичний апарат, що був застосовуваний при статистичній обробці експериментальних даних і розрахунку коефіцієнтів рівняння регресії.

У третьому розділі наводяться результати експериментальних досліджень процесу поглинання лазерного випромінювання напівпровідниковими матеріалами та методика визначення залежностей їхніх поглинаючих властивостей від температури.

Дослідження процесу взаємодії сфокусованого лазерного випромінювання з напівпровідниковими матеріалами вели за допомогою спеціально розробленого пристрою, що дозволяє одночасно фіксувати залежність потужності сфокусованого лазерного пучку P(t) від часу t, що надходить до поверхні, що оброблюється та аналогічну залежність для пучку лазерного випромінювання що відбивається від неї /1/:

/1/

У цьому випадку, по відомому рівнянню зв'язку (нелінійному нестаціонарному рівнянню теплопровідності та виміряним:

- діаметру плями фокусування:

- енергії і тривалості лазерного імпульсу;

- залежностям P(t) і

та відомим залежностям теплофізичних властивостей матеріалу, що обробляється, від температури (у тому числі з урахуванням фазових перетворень, що протікають в матеріалі) з'являється можливість розрахувати температуру мішені (залежності температури як функції координат та часу T(x,y,z,t)). Наступним кроком визначення температурної залежності коефіцієнта відбивання R(T) є зміна систем координат для залежності , що була виміряна:

- заміни часу t на температуру поверхні T(0,0,0,t).

Даний підхід справедливий для визначення температурної залежності R(T) матеріалів, що мають значний коефіцієнт поглинання лазерного випромінювання (наприклад, металів) або його точного знання, у тому числі і залежності від температури T (при визначенні відбивних властивостей напівпровідників, діелектриків).

Якщо даних про коефіцієнт поглинання не достатньо, або вони суперечливі, то його визначення можливо при додатковій фіксації (одночасній з P(t) та ) залежності потужності пучку лазерного випромінювання P_ent(t), що минула наскрізь опромінений зразок, від часу t. У цьому випадку, можливі невизначеності шуканої залежності (T) усуваються:

- при проведенні експериментів із зразками різноманітної товщини;

- зміні густини енергії лазерного випромінювання W_E, сфокусованого на поверхні зразка, що досліджується.

Приведені виміряні залежності потужності пучку лазерного випромінювання що подана P(t) (залежність 1), відбита (залежність 2) та пройшла наскрізь P_entr(t) (залежність 3) зразок, що досліджується від часу t (густина енергії W_E = 2.32Дж/мм², тривалість імпульсу = 200мкс). Приведені залежності P(t), і P_entr(t) для пластини моно, аналогічні залежності для пластини полікристалічного кремнію (в обох випадках товщина 0.3 мм). Як видно з приведених залежностей (при однакових умовах опромінення, товщині заготовок) форми, градієнти та абсолютні величини залежностей і P_entr(t) для пластин моно і полікристалічного кремнію різні. Це пояснюється наявністю значної кількості різноманітних легуючих домішок на поверхні полікристалу, що з'являються в процесі його виготовлення, та ведуть, природно, до. зміни його оптичних характеристик.

Зважаючи на те, що електромагнітна хвиля, що падає на поверхню поділу, випробує поглинання, розсіювання, відбивання і переломлення, та відповідно до закону зберігання енергії, енергія хвилі, що падає на поверхню, дорівнює сумі останніх, то, у нашому випадку, експериментальні залежності потужності пучку випромінювання P(t), і P_entr(t) від часу t, дозволяють одержати приблизний енергетичний баланс процесу нагрівання напівпровідника. Даний баланс враховує ряд енергій пучку випромінювання: що надходить до поверхні напівпровідника Е, відбивається , поглинається E_inv, та минає його наскрізь E_entr /2/

/2/

Для визначення енергії випромінювання і залежності потужності пучку лазерного променя і P_entr(t) від часу t інтерполювали кубічними сплайнами з наступним їх інтегруванням.

Приведені залежності енергії лазерного випромінювання, що відбивається від поверхні , досягає поверхні E_t (рівна /3/), та енергії, що поглинена E_inv зразком моно (а) і полі (б) кристалічного кремнію товщиною 0.3мм від густини енергії W_E сфокусованого лазерного променя. Причому, при визначенні E_inv використовували /2/.

/3/

Як видно з залежностей, збільшення густини енергії сфокусованого пучку лазерного випромінювання на поверхні деталі знижує ефективність її поглинання, через зростання сумарної енергії, що відбита оброблюваною поверхнею. При низькій густині енергії сфокусованого пучку лазерного випромінювання, на залежностях, для зразків моно і полікристалічного кремнію спостерігаються різноманітні градієнти, що отримують «однаковий» вигляд з ростом густини енергії W_E. Це говорить про нівелювання їхніх оптичних властивостей із зростанням температури.

Проведені експерименти дозволили встановити залежності, що описують зв'язок між потужністю лазерного випромінювання, яка подана до зразка P(t), та її частками - відбитої та минулої наскрізь зразок P_entr(t), від часу t. Це дозволяє визначити температурні залежності R(T) і (T).

При визначенні залежностей коефіцієнта відбивання R і поглинання від температури T використовували методи нелінійного програмування, причому:

- у якості функції цілі використовували min квадрату різниці /4/ між розрахованою потужністю (у момент часу t) і потужністю пучку лазерного випромінювання, що пройшла наскрізь зразок та була виміряна приймачем P_entr(t) у відповідний момент часу t;

- у якості рівняння зв'язку використовували нелінійне, нестаціонарне, з урахуванням фазових переходів, одномірне рівняння теплопровідності, що замінялося кінцево-різницевим аналогом з неявною схемою апроксимації похідних та неявною схемою врахування фазових перетворень і розв'язувалось методом прогонки (з ітераційною схемою урахування нелінійностей). При цьому, залежності теплофізичних властивостей матеріалу, що обробляється, від температури T, виміряні залежності P(t), та P_entr(t) інтерполювались кубічними сплайнами.

- в якості методу-організатора пошуку незалежних перемінних використовували метод Хука-Дживса, що не потребує явного завдання похідних функції цілі та має високу збіжність.

Для скорочення часу розрахунків, шукану залежність коефіцієнта поглинання від температури представили у вигляді сплайна з нерівномірними кроками інтерполяції по осі абсцис (температурі T). У цьому випадку, при пошуку мінімуму функції /4/ методом Хука-Дживса, у якості незалежних перемінних використовували ординати залежності (T). Відслідковування можливої “стрибкоподібної” зміни коефіцієнта поглинання, під час фазових перетворень, домагалися зменшенням інтервалів розбивання інтерполяційного поліному у зазначеній області температур.

/4/

де:

- цільова функція;

, P_entr(t) - розрахована та виміряна потужності пучку лазерного випромінювання, що пройшли наскрізь зразок у момент часу t.

Обчислювальна процедура враховувала визначені, на попередніх (за часом) кроках інтегрування, значення незалежних перемінних, що різко дозволило скоротити час розрахунків. У наступному, результати розрахунків перевірялись при рішенні системи для деталей різноманітних товщин. Слід зазначити, що процес обчислень (по розробленій методиці) залежностей R(T) і (T) продовжувався до рівності “нулю” потужності пучку випромінювання, що пройшла наскрізь зразок та була виміряна (час із початку дії імпульсу до 50мкс). Це складало, в середньому, не більш 20% від тривалості імпульсу лазерного випромінювання. При цьому, даний метод дозволив визначити температурні залежності оптичних властивостей R(T) і (T) моно і полікристалічного кремнію в діапазоні температур 20,... .,1000⁰С.

При визначенні залежності R(T) (яка розраховувалася для всієї тривалості імпульсу лазерного випромінювання) вважали, що розрахована раніше залежність коефіцієнта поглинання від температури (T) зберігала свій градієнт до моменту фазового перетворення, і при плавленні коефіцієнт дорівнював 1.5*10⁶см^-1. На останньому кроці вирішення поставленої задачі, для визначення температурної залежності коефіцієнта відбивання R(T) здійснювалася зміна систем координат для експериментальної залежності :- заміна часу t на розраховану температуру поверхні T(0,t).

Час рішення поставленої оптимізаційної задачі на ПЕОМ IBM P200MMX/64 у середньому складав 2години.

На Рис. 3 приведені розраховані результуючі (за допомогою розробленої методики) залежності коефіцієнта відбивання R і поглинання від температури T для моно (3а) і полікристалічного (3б) кремнію, причому, заштрихованою областю позначено точний розрахунок залежностей R і від температури T при їхньому одночасному визначенні. Ділянка приведених залежностей , що залишилася, встановлена при допущенні, що при плавленні коефіцієнт поглинання дорівнював 1.5*10⁶см^-1.

Як видно з приведених залежностей, коефіцієнти відбивання R і поглинання від температури T для моно і полікристалічного кремнію зі збільшенням температури монотонно зростають. Крім того, значення R і у моно і полікристалу при низьких температурах протилежні: коефіцієнт відбивання полікристалу менше R монокристалічного кремнію, а коефіцієнт поглинання , навпаки. Це пов'язано із наявністю великої кількості домішок, окислів і ін., що з'являються на поверхні полікристалу в процесі його росту. Причому, із збільшенням температури, розходження в значеннях значення R і нівелюються.

При прийнятих допущеннях, у діапазоні температур плавлення спостерігається «стрибкоподібна» зміна коефіцієнта відбивання R, що досягає 0.77. Це пов'язано з «металізацією» кремнію в розплавленому стані. Цим можна пояснити наявність зміни градієнту експериментальної залежності .

Приведені виміряні залежності потужності пучку лазерного випромінювання, що подана P(t) (залежність 1), відбита (залежність 2) і пройшла наскрізь P_entr(t) (залежність 3) зразок, та розрахованої температури поверхні T (залежність 4) від часу t для зразків моно та полікристалічного кремнію товщиною 0.1мм при фокусуванні лазерного випромінювання (=1.06мкм) у пляму, з густиною енергії W_E =0.145 Дж/мм², W_E =0.56 Дж/мм² та W_E =2.24 Дж/мм². Як і в попередньому випадку позначена область точного визначення залежностей оптичних властивостей кремнію від температури T.

Аналізуючи залежності, що приведені на Рис. 4, відзначимо, що при низькій густині енергії сфокусованого лазерного випромінювання довжиною хвилі 1.06мкм (W_E = 0.145 Дж/мм²) температура поверхні пластини з полікристалу перевищує на 200⁰С температуру монокристалу, що пояснюється їх різноманітними оптичними властивостями. Причому, в інтервалі температур 200-1000⁰С, оптичні властивості полікристалу сприяють більш ефективному поглинанню лазерної енергії.

При збільшенні густині енергії сфокусованого лазерного випромінювання до W_E = 0.56 Дж/мм² зростає як швидкість нагрівання, так і температура зони термічного впливу. Так, температура поверхні зразків моно і полікристалу досягає 1405⁰-1408⁰С, і на залежностях потужності відбитого (від поверхні) лазерного випромінювання від часу t спостерігаються “сплески”, що відповідають стрибкоподібному збільшенню коефіцієнту відбивання. Слід зазначити, що в даному випадку, через зниження ефективності поглинання лазерного випромінювання, лазерної енергії, що надходить до зразка, не достатньо для подолання теплоти фазового перетворення при плавленні (відзначається у відсутності наростання температури поверхні. При цьому, матеріал зразків, на глибині до 3мкм, в інтервалі температур 1400-1410⁰С, знаходиться в “пластиліно” образному стані. Незважаючи на низьку ефективність поглинання кремнієм пучку лазерного випромінювання з =1.06мкм, збільшення W_E до 2.24 Дж/мм² веде до нівелювання різниці оптичних властивостей моно та полікристалів в інтервалі температур 200- 1000⁰С і їх плавленню на глибину до 3мкм (Рис. 4 д,е). Дане явище пояснюється тим, що у випадку високої густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання, відвід тепла з зони лазерного впливу (за рахунок природної теплопровідності) недостатній, що веде до збільшення швидкості нагрівання і, відповідно, до збільшення швидкості нівелювання оптичних властивостей зразків із моно і полікристалічного кремнію. Таким чином, у випадку їх лазерного розмірної обробки (скрайбування, різання й ін.), яка характеризується високою густиною енергії сфокусованого лазерного випромінювання, залежності між результатом лазерного впливу на з разки з моно та полікристалічного кремнію будуть мати однаковий якісний (а можливо кількісний) характер.

У четвертому розділі приводяться результати досліджень процесу лазерного різання напівпровідникових матеріалів методами планування експериментів (ПФЕ), причому, у якості відгуків використовували ширину різу на вході (S_вх), виході (S_вих) та шорсткість поверхні різу (R_z), а в якості технологічних факторів застосовували V_x - швидкість переміщення деталі (x₁), - частоту слідування імпульсів (x₂), F- фокусну відстань об'єктиву (x₃), (DF - величину розфокусування фокусуючої оптики (x₄); - частоту сканування (x₅) та A - амплітуду сканування (x₆). Для побудови квадратичної моделі процесу був обраний і реалізований повністю насичений план Рехтшафнера, що володіє гарними статистичними характеристиками.

Попередній аналіз процесу, що розроблювався, дозволив установити відповідність виходу процесу (шорсткості стінок, ширини й ін.) розподілу густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання вздовж лінії різу. Так, на Рис. 5 приведено розподіл густини енергії W_E у зоні обробки, при фокусуванні пучку лазерного випромінювання (Р_ср = 20Вт, = 3.4 кГц, V_x = 5мм/с), у пляму діаметром d₀ = 40 мкм із круговим скануванням сфокусованого пучку ( = 80Гц, А=40мкм).

Багатократне проходження сфокусованого пучку лазерного випромінювання по зоні обробки дозволяє сформувати наскрізний різ, який характеризується різною шорсткістю стінок. Це пов'язано з різноманітною густиною енергії сфокусованого пучку на периферії різу, яка досягає у даному випадку 150 і 172 Дж/мм2 (шорсткість 0.1 і до 10 мкм, відповідно). Дане розходження легко пояснюється різноманітною сумарною швидкістю переміщення осі лазерного променя (збіг і розбіжність вектора швидкості переміщення деталі V_x і вектора швидкості переміщення сфокусованого пучку) і, відповідно, несиметричним розподілом W_E, що стає усе більш помітним при збільшенні V_x. Попереднє вивчення технологічного процесу також дозволило встановити межі визначення технологічних факторів, що гарантують наскрізне розрізання полікристалів в усьому розмірному діапазоні, а інтервали варіювання перевищили їхню середньоквадратичну помилку визначення. У кожній експериментальній точці досліди дублювали три рази. Проведення експериментів, їх статистична обробка, розрахунки коефіцієнтів рівнянь регресії, перетворення систем координат відповідали загальній методиці проведення досліджень методами ПФЕ. Коефіцієнти рівнянь регресії, що описують процес лазерного різання полікристалічного кремнію, приведені у виді рангових діаграм.

Аналізуючи розміри коефіцієнтів рівнянь регресії відзначимо, що найбільший вплив на відгуки S_вх, S_вых і R_z робить лінійний вплив швидкості обробки (x₁, коефіцієнти b₁) і квадратичний вплив частоти сканування сфокусованого пучку лазерного випромінювання (x₅ - коефіцієнти b_{55 ,} відповідно). Значний вплив на поводження моделей робить і змішаний вплив різноманітних технологічних факторів, наприклад, частоти й амплітуди сканування сфокусованого лазерного пучку (x₅, x₆ і коефіцієнти b₅₆, відповідно). Даний вплив легко пояснити перероподілом густини енергії сфокусованого, що сканує пучку лазерного випромінювання уздовж лінії різу. Приведені залежності ширини вхідного S_вх і вихідного S_вих різу і шорсткості його поверхні R_z полікристалічного кремнію (товщина 0.3-0.4мм) від швидкості обробки V і для об'єктивів із різноманітними фокусними відстанями F, у випадку = 3.4 кГц, F = -0. 5мм, = 20Гц, А = 60.

При збільшенні швидкості обробки V ширина різу зменшується, а шорсткість його стінок зростає (межі зміни R_z 17-20мкм). Так, на швидкості 5мм/с, ширина різу на вході складає 88мкм (S_вих = 20мкм), а на швидкості 25мм/с - 50мкм (S_вих=12 мкм). Це легко пояснити зниженням густини енергії сфокусованого пучку на поверхні деталі (при збільшенні швидкості обробки).

Крім того, ширина різу збільшується і при збільшенні фокусної відстані об'єктива, що пов'язано з ростом плями фокусування. Причому, у даному випадку (на відміну від «стандартної» лазерної обробки, коли ( = А =0), густини енергії сфокусованого пучку лазерного випромінювання достатньо для випаровування матеріалу, що оброблюється, у всьому діапазоні зміни швидкості обробки.

Одним із завершальних етапів розробки технологічного процесу з використанням методик ПФЕ, є пошук оптимальних режимів обробки, який найбільш доцільно здійснювати методами нелінійного програмування З огляду на те, що в усьому факторному просторі, при різанні полікристалічного кремнію товщиною 0.3-0.4мм (на відміну від стандартних режимів обробки), було отримано наскрізний різ, було вирішено здійснювати пошук режимів, що забезпечують мінімальну шорсткість стінок різу /5/ в обмеженому просторі проектування /6/ і шириною, що лежить у межах 30-50мкм /7/.

R_z(x_i)=0, /5/

x_iMAX x_i x_iMIN, x₆= +1, /6/

30 S_вх(x_i) 45, /7/

де:

xiMAX, xiMIN - межі зміни незалежних перемінних

Для вирішення поставленої задачі, система /5/-/7/ була перетворена, за допомогою «штрафних» функцій, у єдине рівняння /8/, що враховує всі поставлені обмеження, та мінімальне значення якого визначали методом Хука-Дживса.

F(x_i) = q1R_z(x_i) +q2(S_вх(x_i)-50)²+ q2(S_вх(x_i)-30)²+ /8/

де

q1,... , q3, - деякі вагові коефіцієнти (штрафи).

У результаті розрахунків встановлені оптимальні режими обробки, при яких, в умовах швидкості переміщення деталі, яка дорівнює 25мм/с, шорсткість поверхні різу складає менше 5мкм, а його ширина - 45мкм:

На визначених режимах обробки була проведена додаткова серія експериментів, присвячена дослідженню процесу лазерного різання монокристалічного кремнію, товщиною 0.3мм. При цьому встановлено, що ширина різу складає 40мкм, а шорсткість поверхні - менше 0.4мкм (визначалася можливостями подвійного мікроскопа МІС-11).

У п'ятому розділі приводяться приклади практичної реалізації розробленої технології при виготовленні сонячних елементів і мікроконденсаторів. Так, на оптимальних режимах різання була виготовлена дослідна партія заготовок сонячних елементів (кількість 40шт, матеріал полікристалічний кремній), подальше виробництво яких здійснювалося по стандартній технології. При цьому, стендові іспити показали, що їхній коефіцієнт корисної дії (перетворення світла в електричну енергію) перевищує стандартний на 5-6%. Це пов'язано зі зменшенням зони термічного впливу, що прилягає до зони різу на 30% (установлено методом парамагнітного резонансу) і, відповідно, зі збільшенням «корисної» площі.

При скануванні сфокусованим лазерним пучком з'являється можливість і високопродуктивного різання композицій кремній-метал. Так виготовлення дослідної партії мікроконденсаторів розміром 0.2*0.2мм (кремній товщиною 0.2мм із золотим напиленням товщиною 0.05мм,) і наступні іспити показали їхню відповідність виробам, виготовленим по стандартній технології. При цьому, ширина різу складала 0.03мм, а шорсткість поверхні стінок різу - менше 0.4мкм.

Висновки

Результати виконаних досліджень показали можливість більш ніж 5-ти кратного збільшення продуктивності і якості лазерної розмірної обробки напівпровідникових матеріалів шляхом інтенсифікації процесу й удосконалюванням режимів обробки. Найбільше ефективним засобом збільшення продуктивності і якості поділу напівпровідникових пластин на окремі модулі є додаткове сканування сфокусованого лазерного пучку в межах плями фокусування.

Визначено основні закономірності лазерного різання напівпровідникових матеріалів. Показано, що найбільше оптимальним законом сканування сфокусованого пучку лазерного випромінювання є той, при якому збігаються площини, в який лежать вектори швидкості переміщення деталі і сканування. Розроблено математичні моделі процесу лазерного різання напівпровідникових матеріалів товщиною 0.3-0.4мм, що зв'язують ширину різу на вході, виході, шорсткість стінок із швидкістю обробки, частотою слідування імпульсів, фокусною відстанню фокусуючого об'єктива, і його розфокусуванням, частотою й амплітудою сканування. Дані моделі можуть бути використані не тільки для визначення оптимальних режимів обробки, але й у системах автоматичного керування процесом для розрахунку керуючих впливів, причому керування доцільно здійснювати зміною найменш інерційних технологічних факторів: частоти слідування імпульсів, частоти й амплітуди сканування сфокусованого пучку лазерного випромінювання.

Розроблено пристрій для контролю якості виконуваних операцій шляхом вимірювання не тільки теплового потоку з зони лазерного впливу, але і відбитого лазерного, з урахуванням дифузійної і дзеркальної складових пучку.

Розроблено методику й устаткування для її реалізації, що дозволяють не тільки контролювати якість лазерної обробки, але і визначати залежності оптичних властивостей напівпровідникових матеріалів від температури.

Встановлено залежності коефіцієнтів відбивання і поглинання моно і полікристалічного кремнію (для довжини хвилі лазерного випромінювання 1.06мкм) від температури.

Збільшення густини енергії сфокусованого пучку лазерного випромінювання довжиною хвилі 1.06мкм і тривалістю імпульсу понад 200мкс на поверхні деталі, знижує ефективність її поглинання;

При густині енергії сфокусованого лазерного випромінювання, що перевищує 5.6*10⁵ Дж/м² (довжина хвилі лазерного випромінювання 1.06мкм, тривалість імпульсу понад 200мкс) нівелюються оптичні властивості моно і полікристалічного кремнію.

Підвищення продуктивності і якості лазерної розмірної обробки лазерним випромінюванням , що сканує, досягається за рахунок зниження густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання в зоні лазерного впливу (і відповідно більш ефективному його поглинанню), а також за рахунок “пошарового” зрізання оброблюваного матеріалу. При цьому, відзначається підвищення на 5% коефіцієнта корисної дії сонячних елементів, виготовлених на встановлених оптимальних режимах обробки, що пояснюється зменшенням зони термічного впливу, що прилягає до зони різу.

Основні роботи

1. М.І. Анякін, В.С. Коваленко, А.М. Лутай, Халед Аль Шубуль, Зрайді Мунір Дослідження процесу лазерного зварювання пластин магнітопроводу // Наукові вісті НТУУ «КПІ» -1999 вип. 2.

2. V. Kovalenko, M. Anyakin, Khaled Al Sheboul Laser welding of slices of a magnetic circuit// «Annals of the CIRP» vol. 48/1, 1999, p. 130-150.

3. V. Kovalenko, Y. Uno, M. Anyakin, Y Okamoto, Khaled-Al-Sheboul Laser cutting of semiconductor elements // International Journal on Electrical Machining of Materials (Japan) #5, 1999, pp. 25-35.

4. Н. Анякин, В. Коваленко, Халед Аль Шубуль Лазерная резка полупроводниковых пластин на элементы //Сучасне машинобудування.- 1999. вип. 2, с. 10-20.

5. Анякин Н.И., Коваленко В.С., Халед Аль Шубуль. Методика определения поглощательной способности материалов//Тез. межд. конф.” Лазерные и физико-технические методы обработки материалов”. - К.: Общество “Знание” Украины, изд-во УДЭНТЗ, 1996. с. 4-5.

6. Анякин Н.И., Коваленко В.С., Халед Аль Шубуль. Исследование технологического процесса лазерной резки полупроводниковых материалов //Тез. межд. конф.” Лазерные и физико-технические методы обработки материалов”. - К.: Общество “Знание” Украины, изд-во УДЭНТЗ, 1997. с. 8-9.

7. Коваленко В.С., Анякин Н.И.., Халед Аль Шубуль. Повышение производительности и качества лазерной обработки материалов//Тез. межд. конф. «Современные материалы, технология, оборудование и инструменты в машиностроении. - К. Общество «Знание» Украины, изд-во УДЭНТЗ, 1999. с. 63.

Размещено на Allbest.ru

...