Ла́зерное паралле́льное те́рмораска́лывание (ЛПТ), процесс образования трещины в объёме материала на заданной глубине, распространяющейся параллельно поверхности материала без её повреждения. ЛПТ может быть использовано в качестве эффективной технологии отделения тонких пластин от более толстой исходной заготовки из хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, возникающих в результате нагрева поверхности заготовки лазерным излучением.

Технология предназначена для изготовления тонких приборных пластин из сапфира, карбида кремния, монокристаллического кварца, кремния и арсенида галлия в производстве изделий микро- и оптоэлектроники.

Традиционные технологии получения тонких пластин основаны на механической резке с помощью алмазно-абразивного инструмента. Они включают следующие основные технологические операции: алмазная, штрипсовая или проволочная резка, шлифование, полирование и утонение. Традиционные технологии имеют следующие основные недостатки:

• большой расход исходного материала, связанный с большой шириной реза, соизмеримой с толщиной пластины;

• низкая производительность алмазно-абразивной резки исходной заготовки на пластины, последующего шлифования и полирования;

• большая глубина нарушенного слоя, для удаления которого требуется длительное шлифование и полирование поверхности пластины.

Историческая справка

Впервые технология ЛПТ описана в 1983 г. в кандидатской диссертации В. С. Кондратенко «Исследование и разработка процесса резки стекла методом лазерного управляемого термораскалывания», но информация находилась в ограниченном доступе. В 2011 г. в российском журнале «Приборы» опубликована статья «Новая технология лазерного параллельного термораскалывания хрупких материалов» (Кондратенко. 2011. С. 57–63), а в 2013 г. эта технология описана в журнале Optics and Photonics Journal (New Technology of Laser ... 2013. P. 6–10). В 2016 г. японская компания DISCO описала аналогичную технологию Kabra (Overton. 2016).

Сущность метода лазерного параллельного термораскалывания

При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которой материал является непрозрачным, часть энергии отражается, а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии в тонком поверхностном слое. В зоне нагрева в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, которые компенсируются в объёме материала на некоторой глубине напряжениями растяжения. При определённых условиях эти напряжения могут привести к разделению материала параллельно его поверхности.

Рис. 1. Схема процесса лазерного параллельного термораскалывания.Рис. 1. Схема процесса лазерного параллельного термораскалывания.Схема ЛПТ представлена на рис. 1. При нагреве лазерным эллиптическим пучком 1 поверхности хрупкого материала, непрозрачного для используемой длины волны лазерного излучения, в зоне нагрева 2 в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия 3, которые компенсируются напряжениями растяжения 4, максимум которых расположен на глубине h. При превышении предела прочности материала на растяжение в объёме материала образуется разделяющая трещина 5, параллельная поверхности материала.

Для разделения материала методом ЛПТ требуется выполнить следующие условия. Во-первых, в объёме материала на глубине расположения максимальных растягивающих напряжений, превышающих прочность материала, должен быть создан первоначальный дефект для зарождения параллельной трещины. Во-вторых, параметры ЛПТ (а точнее, взаимосвязь между этими параметрами: мощностью лазерного излучения, размерами лазерного пучка на поверхности материала и скоростью перемещения) должны находиться в строгом соотношении между собой для обеспечения на заданной глубине от поверхности раскалываемого материала превышения предела его прочности на растяжение.

Режимы ЛПТ для конкретного материала зависят от температурного коэффициента линейного расширения, теплопроводности, теплового потока от материала к окружающей среде, прочности обрабатываемой детали на разрыв, линейных размеров обрабатываемой детали.

Для резки методом ЛПТ анизотропных материалов, у которых температурный коэффициент линейного расширения и прочность на растяжение зависят от ориентации относительно кристаллической решётки и теплопроводности, необходимо изменять режимы обработки в зависимости от требуемого направления резки. Глубина, на которой проходит трещина в материале, определяется максимумом напряжений растяжения в материале, а максимум напряжений, в свою очередь, – мощностью излучения лазера и скоростью движения пучка излучения. Ширина параллельной трещины определяется шириной пучка излучения лазера.

Разработана математическая модель ЛПТ (Кондратенко. 2011. С. 57–63), позволяющая рассчитать распределение термоупругих напряжений, возникающих в толстой пластине при облучении её поверхности движущимся лазерным эллиптическим пучком с длиной волны, для которой материал непрозрачен.

Рис. 2. Расчётное распределение напряжений в материале при ЛПТ.Рис. 2. Расчётное распределение напряжений в материале при ЛПТ.На рис. 2 представлено расчётное распределение напряжений растяжения в стекле толщиной 5 мм при ЛПТ, а на рис. 3 – фотография двух стеклянных пластин, полученных методом ЛПТ.

Получены и оптимизированы технологические режимы ЛПТ для различных типов стекла (изотропный материал) и для некоторых анизотропных материалов (монокристаллический кварц, сапфир). В частности, при мощности излучения CO₂-лазера от 30 до 150 Вт изменение скорости ЛПТ происходит в диапазоне от 5 до 30 мм/с. В этом диапазоне мощности и скорости ЛПТ Рис. 3. Пластины стекла толщиной 1 и 4 мм, полученные методом ЛПТ из исходной пластины стекла толщиной 5 мм.Рис. 3. Пластины стекла толщиной 1 и 4 мм, полученные методом ЛПТ из исходной пластины стекла толщиной 5 мм.получены пластины стекла толщиной от 0,8 до 2 мм. При этом поверхность получается полированной (с шероховатостью не выше R_z = 0,05 мкм), в ряде случае не требующей дополнительной обработки.

Одним из основных параметров материала, влияющих на режимы ЛПТ, является коэффициент линейного термического расширения. Этот параметр существенно изменяется в анизотропных материалах в зависимости от кристаллографической ориентации. Например, для коэффициента линейного термического расширения монокристаллического кварца в направлении, параллельном оси С (λ_‖), справедливо равенство: $\lambda$_‖ = 90 × 10^–7 °C^–1, а в направлении, перпендикулярном оси С, (λ_∟), – равенство: $\lambda$_∟ = 148 × 10^–7°C^–1. С учётом такого существенного отличия этого параметра в зависимости от ориентации кристалла при ЛПТ в различных направлениях необходимо осуществлять дифференцированный нагрев, обеспечивающий создание контролируемых разрушающих термических напряжений в каждом направлении ориентации. Это может быть обеспечено либо увеличением в 1,6–1,7 раза скорости ЛПТ $\nu$_∟ в направлении, перпендикулярном оси С, по сравнению со скоростью резки $\nu$_‖ в направлении, параллельном оси С, либо соответствующим уменьшением мощности или плотности мощности лазерного излучения. В частности, экспериментально установлено, что при ЛПТ монокристаллического кварца параллельная трещина глубиной 1,0 мм в направлении, параллельном оси Z, образуется при скорости перемещения пучка 40 мм/с, а в направлении, перпендикулярном оси Z, та же глубина параллельной трещины получается при скорости 25 мм/с.

Экспериментальные исследования показывают, что в целом процесс параллельного термораскалывания анизотропных материалов подчиняется тем же качественным соотношениям, что и процесс параллельного термораскалывания изотропных материалов, с поправкой на различие теплофизических параметров материалов.

Метод ЛПТ наиболее актуален для получения тонких пластин из таких монокристаллических материалов, как сапфир, кварц, кремний и других полупроводниковых материалов.

Традиционно кремниевые подложки интегральных схем нарезаются из монолитных кристаллов большого размера с помощью алмазного инструмента. По сравнению с резкой алмазным инструментом применение метода ЛПТ значительно повышает производительность резки и увеличивает количество пластин, получаемых из одной и той же заготовки.