Разработка оборудования на основе метода лазерного управляемого термораскалывания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка оборудования на основе метода лазерного управляемого термораскалывания

Лу Хунг-Ту

Наумов Александр Сергеевич

Abstract

DEVELOPMENT OF EQUIPMENT BASED ON THE LASER CONTROLLED

THERMAL CRACKING METHOD

Lu Hung-Tu

PhD, Академик Международной академии технологических наук, почётный доктор и почётный профессор Российского технологического университета, президент, компания «Nanoplus Tech» (Тайвань).

PhD, Academician of the International Academy of Technological Sciences, honorary doctor and honorary professor of the Russian University of Technology, President, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).

Alexander S. Naumov

кандидат технических наук, академик Международной академии технологических наук, лауреат премии Правительства РФ, директор отдела лазерных технологий, компания «Nanoplus Tech» (Тайвань).

PhD(Technical), academician of International Academy of technological Sciences, laureate of the Government prize of the Russian Federation, Director of the Department of laser technology, «Nanoplus Tech» company (Taiwan).

The work is devoted to the development of new laser equipment based on the method of laser controlled thermal cracking (LUT) or Kondratenko cutting method. The novelty is associated with the use of an additional laser in the LUT equipment for applying a primary defect instead of a diamond or carbide tool. This approach is widely used in cutting a wide class of glass, sapphire and silicon products. The results of experimental studies using two lasers: a CO2 laser for LUTand a solid - state laser for primary defect deposition are presented.

Key words: laser controlled thermal cracking (LUT); CO2 laser; solid-state laser; glass; sapphire; silicon.

Аннотация

Работа посвящена разработке нового лазерного оборудования на основе метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) или метода резки Кондратенко. Новизна связана с использованием дополнительного лазера в обрудовании ЛУТ для нанесения первичного дефекта взамен алмазного или твердосплавного инструмента. Данный подход нашёл широкое применение при резке широкого класса изделий из стекла, сапфира и кремния. Приводятся результаты экспериментальных исследований с использованием двух лазеров: СО2- лазера для ЛУТ и твердотельного лазера для нанесения первичного дефекта.

Ключевые слова: лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ); СО2-лазер; твердотельный лазер; стекло; сапфир; кремний.

Метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) имеет долгую историю, начавшуюся в 1977 году в СССР [1, 2]. Впервые метод ЛУТ был разработан известным учёным и изобретателем, профессором Владимиром Степановичем Кондратенко, поэтому среди специалистов данный метод ещё широко известен, как метод резки Кодратенко. После прохождения и завершения процедуры Российского и международного патентования

в 1992 году [3, 4] данная технология начала активно использоваться ведущими компаниями Америки, Германии, Японии и Кореи в производстве оборудования для разделения стеклянных жидкокристаллических и плазменных дисплейных панелей, которые, на тот момент, использовали твердосплавный инструмент для скрайбирования Скрайбирование (от англ. scribe, здесь - царапать) - способ разделения полупроводниковых пластин на кристаллы с помощью резца (скрайбера), применяется главным образом в технологии микроэлектроники. Посредством резца (в виде 3- или 4-гранной пирамиды) на пластине делается надрез глубиной 10-15 мкм (при ширине 20-40 мкм) со скоростью резания 2-3 м/мин. Надрезанную пластину изгибают на сферической или цилиндрической опоре либо прокатывают резиновым валиком на гибкой плоской опоре (например, резиновом коврике), в результате чего она разламывается по линиям надреза. стеклянных панелей. В настоящее время одним из признанных производителей такого лазерного оборудования является японская компания MDI [5]. Ведущие мировые компании по производству стекла, такие как Корнинг, Шотт и Пилкингтон также обратили внимание на новый метод ЛУТ, как обладающий рядом преимуществ метод разделения стекла. ЛУТ успешно завоевал во всём мире свою нишу в области прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, таких как стекло, керамика, сапфир, кварц, кремний и другие полупроводниковые материалы.

Физическую модель процесса ЛУТ можно представить следующим образом (рис. 1). При нагреве материала 1 лазерным пучком 2 с длиной волны, для которой материал является непрозрачным (например, для стекла - это излучение СО2-лазера с длиной волны 9,3 или 10,6 мкм), в зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия. Эти напряжения не приводят к разделению материала, так как прочность стекла на сжатие имеет очень высокое значение. При подаче хладагента 5 форсункой 4, вслед за лазерным пучком, происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза, а напряжения сжатия меняют знак на противоположный, и в зоне локального охлаждения возникают напряжения растяжения. Таким образом, создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения,которые при определённых условиях могут приводить к образованию и продвижению трещины или микротрещины 6 в направлении реза. Одним из таких условий является наличие первоначального концентратора напряжений в месте предполагаемого зарождения разделяющей трещины (микродефекта, например, царапины). Вторым обязательным условием для осуществлепния ЛУТ является ограничение максимального нагрева поверхности материала, а именно, максимальный нагрев не должен превышать температуру размягчения (плавления) материала.

Рис. 1. Схема образования микротрещины в процессе ЛУТ:

1 - обрабатываемая пластина, 2 - лазерный пучок,

3 - фокусирующий объектив, 4 - форсунка, 5 - хладагент, 6 - микротрещина

Основываясь на этой физической модели, научная школа профессора В. С. Кондратенко успешно разработала математическую модель ЛУТ для предварительной оптимизации режимов резки различных хрупких материалов. Математическая модель показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания различных материалов. Полученные расчёты полностью согласуются с экспериментальными результатами [6-9].

Таким образом, создаваемая микротрещина различной глубины по отношению к толщине материала или сквозная трещина по линии резки достигается, благодаря оптимизации следующих параметров:

- теплофизические свойства и толщина материала;

- мощность и плотность мощности лазерного излучения;

- форма и размеры лазерного пучка на поверхности материала;

- скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала;

- количество и параметры хладагента;

- наличие и глубина первоначального дефекта для зарождения трещины;

- исходная температура разделяемого материала.

ЛУТ обеспечивает следующие основные преимущества по сравнению с другими традиционными технологиями резки хрупких материалов:

- высокая точность резки в диапазоне от ± 1 до ±30 мкм, в зависимости от задачи, свойств материала, точности оборудования, качества лазера и ряда других факторов;

- зеркальная кромка (торец), которая не требует последующей дополнительной шлифовки и полировки, чтобы повысить косметические и прочностные показатели изделий;

прочность изделий повышается в 5 раз по сравнению со скрайбированием твердосплаными инструментами за счёт отсутствия дефектов вдоль линииреза;

- скорость резки достигает до 2 м/сек;

- высокая чистота и безотходность резки (ни одна молекула материала не удаляется в процессе резки);

- широкая номенклатура разделяемых материалов, к которым можно применить ЛУТ.

Рис. 3. Установка для резки дисплейных панелей «Laser 7GLCDGlassCutterGCM-1000»

Для реализации различных процессов обработки необходимо разрабатывать оборудование, которое соответсвовало бы всем критериям как технологии, так и производимой продукции. Впервые в мире, в 1978 году промышленное внедрение технологии ЛУТ была реализована в НПО «Интеграл» (г. Минск) на установке ДРМ3.104.024 (рис. 2) для резки жидкокристаллических индикаторов [10]. Максимальный размер исходной стеклянной заготовки составил 300'400 мм2 при толщине 0,5-1 мм.

Рис. 2. Первая в мире лазерная установка ДРМ3.104.024 с применением метода резки ЛУТ для резки жидкокристаллических индикаторов (1978 г.)

В результате международного сотрудничества с корейской компанией «Esseltech» следующим шагом стала разработка и внедрение установки для резки плоских дисплейных панелей 7-го поколения «Laser 7G LCD GlassCutter GCM-1000» (рис. 3), главным конструктором которой явился ученик профессора Кондратенко Сек-Джун Ли [11]. Основными техническими характеристиками установки для резки ПДП панелей 7-го поколения являются следующие параметры:

- 2 СО2- лазера мощностью 300

Ватт;

- модовая структура - комбинация мод ТЕМ00 и ТЕМ01;

- система позиционирования - линейные шаговые двигатели;

- скорость резки - до 1000 мм/с;

- типы стекла для резки - все типы стекла для ПДП (LCD, PDP, OLED и т. д.);

- толщина стекла - 0,55-2.8 мм;

- размер стекла - 2250'1950 мм;

- точность резки - ± 50 мкм;

- перпендикулярность угла резки

- 90° ± 2°;

- размер установки - 2700'2500'2400 мм;

- масса установки - 8 000 кг;

- потребляемая мощность - 8 КВт.

С 2000-х годов началась эпоха светодиодных приборов LED (Light Eission Diode), которые выращиваются на сапфировых пластинах методом эпитаксии. Школа профессора Кондратенко также доказала эффективность применения ЛУТ в данном направлении и получила по-ложительный результат [12], на основе которого было создано первое лазерное оборудование для резки приборных пластин на кристаллы (рис. 4).

Рис. 4. Первая установка для резки сапфировых приборных пластин на светодиоды (2003 г.)

Резка пластин из хрупких неметаллических материалов на кристаллы методом ЛУТ осуществлялась в следующей последовательности:

- нанесение на краю пластины локального микродефекта (концентратора напряжений), служащего началом зарождения трещины;

- резка пластины на полосы в первом направлении c помощью СО2 - лазера;

- поворот пластины на 90 градусов;

- нанесение надрезов с помощью алмазной пирамидки или твердосплавного ролика на пересечении с линиями реза в первом направлении во всю длину или только

в местах проходящей перпендикулярной трещины;

Параллельно с разработкой резки сапфировых пластин на кристаллы методом ЛУТ, самой востребованной в то время, была технология лазерного скрайбирования твердотельным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 355 нм. Одним из фаворитов по производству такого оборудования тогда была американская компания New Waver Research [13]. Данная технология заключалась в скрайбировании материала на глубину 30% от его толщины с последующим доламыванием на дополнительном оборудовании. Скрайбирующая канавка представляла собой V образную форму с шириной 5-10 мкм. Одним из главных недостатков данной технологии являлась потеря - резка пластины во втором направлении c помощью СО2 - лазера вдоль нанесённых дефектов.

Поскольку сапфир является одним из самых твёрдых материалов по шкале Мооса со значением 9, то механически на него можно нанести дефект только более твёрдым материалом - алмазом или материалом с одинаковой твёрдостью, например, карбидом вольфрама. Реализация данного решения не являлась оптимальной и имела ряд недостатков:

- инструмент часто притуплялся, и процесс становился неуправляемым;

- частая замена инструмента;

- скурпулёзная настройка инструмента после его замены;

- низкая скорость скрайбирования;

- дороговизна инструмента;

- низкая точность;

- низкая повторяемость результатов резки.

В связи с эти была рассмотрена альтернатива использованию механического инстру-

световых характеристик светоизлучающего диода за счёт наличия очернённой молекулами углерода канавки посредством применимого процесса абляции.

При интеграции метода ЛУТ в массовом производстве светодиодов возникли трудности, преодоление которых потребовало дополнительных исследований. ЛУТ имеет определённые трудности при резке по пересекающимся линиям. Высокопрочная бездефектная кромка пластины после ЛУТ препятствует продвижениютрещины при пересечении первоначальных линий реза в перпендикулярном направлении.

Рис. 5. Первая российская установка для лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из сапфира и других материалов МЛП1-1060/355

Рис. 6. Лазерная технологическая установка для резки приборных пластин WLCM2-330A

В ходе выполнения исследовательских работ по оптимизации технологического процесса ЛУТ приборных пластин, в первую очередь, на основе сапфировых подложек, был разработан и запатентован новый способ резки [14, 15]. Механический инструмент нанесения дефектов был заменён УФ-лазером, исследователями были получены положительные результаты резки приборных пластин на основе сапфира, кремния или других материалов.

Новая технология резки сапфировых подложек на кристаллы для светоизлучающих диодов была реализована в России на промышленной установке МЛП1-1060/355 (рис. 5) и в Тайване установке WLCM2-330A (рис. 6).

Замена механического инструмента УФ лазером в оборудовании, использующим ЛУТ, дала положительные результаты в обработке приборов фотоники и новый подход в разработке и конструировании соответствующего лазерного оборудования. В настоящее время описанный подход является фаворитом при выборе в проектировании нового оборудования ЛУТ.

Библиографический список (References)