[go: up one dir, main page]

RU2761834C1 - Method for laser scribing of a non-metallic plate - Google Patents

Method for laser scribing of a non-metallic plate Download PDF

Info

Publication number
RU2761834C1
RU2761834C1 RU2021108251A RU2021108251A RU2761834C1 RU 2761834 C1 RU2761834 C1 RU 2761834C1 RU 2021108251 A RU2021108251 A RU 2021108251A RU 2021108251 A RU2021108251 A RU 2021108251A RU 2761834 C1 RU2761834 C1 RU 2761834C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scribing
laser
energy density
plate
laser radiation
Prior art date
Application number
RU2021108251A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Федорович Коваленко
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова»
Priority to RU2021108251A priority Critical patent/RU2761834C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761834C1 publication Critical patent/RU2761834C1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/18, H10D48/04 and H10D48/07, with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/42—Bombardment with radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: metal processing.
SUBSTANCE: invention relates to a method for laser processing of non-metallic plates and can be used for scribing semiconductor, ceramic and glassy materials. The required groove depth is achieved due to the sequential action of two laser pulses. The energy density in each pulse is determined depending on the specific sublimation energy of the plate material, the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, the reflection coefficient and the required groove depth. At the same time, the dimensionless parameter equal to the product of the groove depth by the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation is greater than 2.
EFFECT: reducing energy costs when scribing non-metallic plates.
1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных пластин.The invention relates to the field of technological processes and can be used for scribing semiconductor, ceramic and glassy plates.

Известен способ лазерной обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формулеThere is a known method of laser processing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with laser pulses with an energy density in each pulse, determined by the formula

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где W - плотность энергии, Дж/см2;where W is the energy density, J / cm 2 ;

Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/см3; Q is the specific energy of sublimation of the material, J / cm 3 ;

е - основание натурального логарифма; e is the base of the natural logarithm;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см-1; χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, cm -1 ;

R - коэффициент отражения материала. R is the reflection coefficient of the material.

Патент РФ № 2486628, МПК Н01L 21/42, 27.06.2013.RF patent No. 2486628, IPC Н01L 21/42, 06/27/2013.

При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем энергетические затраты на единицу массы сублимирующего материала будут минимальны. Если при скрайбировании пластин требуется глубина канавки больше, чем 1/χ, то производят воздействие несколькими импульсами. Количество импульсов лазерного излучения определяют как отношение требуемой глубины канавки к толщине сублимирующего слоя материала пластины при воздействии одного импульсаWith such an energy density of the acting laser radiation, the absorbing layer of the material with a thickness of 1 / χ is sublimated, and the energy consumption per unit mass of the sublimating material will be minimal. If, when scribing the plates, a groove depth greater than 1 / χ is required, then several pulses are applied. The number of laser pulses is determined as the ratio of the required groove depth to the thickness of the sublimating layer of the plate material when exposed to one pulse

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где h - требуемая глубина канавки.where h is the required groove depth.

Общее количество воздействующих импульсов лазерного излучения определяют по формулеThe total number of impulses of laser radiation is determined by the formula

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где L - длина канавки при скрайбировании;where L is the length of the groove when scribing;

d - диаметр лазерного пучка.d is the diameter of the laser beam.

Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить скрайбирование неметаллических пластин при минимальных энергетческих затратах, когда требуемое количество лазерных импульсов N1 не является целочисленным. Например, пластина из цветного оптического стекла ЖЗС12 имеет показатель поглощения на длине волны 1,06 мкм 10 см-1 [ГОСТ 9411-90 Стекло оптическое цветное. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 48 с.], а требуется глубина канавки при скрайбировании 0,12 или 0,18 см.The disadvantage of this method is that it does not allow the scribing of non-metallic plates with minimal energy consumption, when the required number of laser pulses N 1 is not integer. For example, a plate made of colored optical glass ZhZS12 has an absorption index at a wavelength of 1.06 μm 10 cm -1 [GOST 9411-90 Colored optical glass. - M .: Publishing house of standards, 1992. - 48 p.], But the depth of the groove when scribing is 0.12 or 0.18 cm.

Известен также способ лазерного скрайбирования неметаллических пластин, включающий воздействие на поверхность пластины двумя лазерными импульсами, при этом плотность энергии в первом импульсе определяют по формулеThere is also known a method of laser scribing of non-metallic plates, which includes the impact on the surface of the plate with two laser pulses, while the energy density in the first pulse is determined by the formula

Figure 00000004
, (1)
Figure 00000004
, (one)

плотность энергии во втором импульсе определяют по формулеthe energy density in the second pulse is determined by the formula

Figure 00000005
, (2)
Figure 00000005
, (2)

а глубина канавки составляет 1,46≤χh≤2.and the groove depth is 1.46≤χh≤2.

Патент РФ 2566138, МПК В23К 26/364, 20.10.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.RF patent 2566138, IPC V23K 26/364, 20.10.2015. This technical solution was adopted as a prototype.

Недостатком этого способа является существенное увеличение энергетических затрат на скрайбирование неметаллических пластин при возрастании требуемой глубины скрайбирования, когда χh>2.The disadvantage of this method is a significant increase in energy consumption for scribing non-metallic plates with an increase in the required depth of scribing, when χh> 2.

Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при скрайбировании пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The technical result of the invention is to reduce energy costs when scribing wafers made of semiconductor, ceramic and glassy materials.

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 формулеThe technical result is achieved by the fact that in the method of scribing a non-metallic plate, including the impact on its surface of two successive laser pulses with an energy density depending on the specific energy of sublimation of the plate material, the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, the reflection coefficient of the material and the depth of the groove, scribing the plates are carried out with an energy density in each pulse, determined by the formula

Figure 00000006
, (3)
Figure 00000006
, (3)

где W - плотность энергии лазерного излучения Дж/см2;where W is the energy density of laser radiation J / cm 2 ;

Q - удельная энергия сублимации материала пластины Дж/см3; Q is the specific energy of sublimation of the plate material J / cm 3 ;

е - основание натурального логарифма; e is the base of the natural logarithm;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, см-1; χ is the absorption index of the plate material at the wavelength of laser radiation, cm -1 ;

h - требуемая глубина канавки при скрайбировании, см.; h is the required depth of the groove when scribing, see;

R - коэффициент отражения материала пластины, R is the reflection coefficient of the plate material,

а безразмерный параметр χh>2.and the dimensionless parameter χh> 2.

Ниже приводится описание способа лазерного скрайбирования неметаллической пластины.The following is a description of a method for laser scribing a non-metallic plate.

Сущность способа состоит в следующем. Плотность энергии лазерного излучения на поверхности пластины, удельное энерговыделение Е при поглощении лазерного излучения в материале пластины и координата x, отсчитываемая от поверхности пластины вглубь, связаны формулойThe essence of the method is as follows. The energy density of laser radiation on the surface of the plate, the specific energy release E upon absorption of laser radiation in the material of the plate, and the coordinate x , measured from the surface of the plate inward, are related by the formula

Figure 00000007
. (4)
Figure 00000007
... (4)

Сублимация материала произойдет на глубину х при условии E(x)≥Q. При воздействии одного лазерного импульса требуемая плотность энергии на поверхности пластины, обеспечивающая сублимацию материала на глубину h, рассчитывают по формулеSublimation of the material will occur to a depth x under the condition E (x) ≥Q . When exposed to one laser pulse, the required energy density on the surface of the plate, which ensures the sublimation of the material to a depth h, is calculated by the formula

Figure 00000008
. (5)
Figure 00000008
... (5)

При воздействии двух лазерных импульсов с плотностями энергии, определяемыми по уравнениям (1) и (2), суммарная плотность энергии будетWhen exposed to two laser pulses with energy densities determined by equations (1) and (2), the total energy density will be

Figure 00000009
. (6)
Figure 00000009
... (6)

При воздействии двух лазерных импульсов с плотностью энергии в каждом, определяемой по уравнению (3), суммарная плотность энергии будет составлятьWhen exposed to two laser pulses with an energy density in each determined by Eq. (3), the total energy density will be

Figure 00000010
. (7)
Figure 00000010
... (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:Let us determine the best option for exposure in terms of minimizing energy costs for scribing. To do this, we divide equations (5) and (6) by equation (7). After simple mathematical transformations, we get:

Figure 00000011
; (8)
Figure 00000011
; (eight)

Figure 00000012
. (9)
Figure 00000012
... (9)

Результаты расчетов по уравнениям (8) и (9) в интервале значений безразмерного параметра 2≤χh≤4 приведены в таблице.The calculation results according to equations (8) and (9) in the range of values of the dimensionless parameter 2≤χh≤4 are shown in the table.

Таблицаtable

Figure 00000013
Figure 00000013
22 2,22.2 2,42.4 2,62.6 2,82.8 33 3,23.2 3,43.4 3,63.6 3,83.8 44
Figure 00000014
Figure 00000014
 1,361.36 1,501.50 1,661.66 1,831.83 2,032.03 2,242.24 2,482.48 2,742.74 3,023.02 3,343.34 3,693.69
Figure 00000015
Figure 00000015
 1one 1,011.01 1,021.02 1,051.05 1,081.08 1,131.13 1,191.19 1,261.26 1,341.34 1,431.43 1,541.54

Таким образом, расчеты показывают преимущества предложенного способа скрайбирования неметаллической пластины перед прототипом при значении безразмерного параметра χh≥2.Thus, the calculations show the advantages of the proposed method for scribing a non-metallic plate over the prototype when the value of the dimensionless parameter 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.Technological lasers, as a rule, operate in a pulse-frequency mode. Therefore, a given groove depth is obtained by the action of two laser pulses with an energy density in each pulse determined by equation (7). Then the plate is moved at a distance equal to or less than the diameter of the laser beam, and again, two laser pulses are applied. This movement is repeated as many times as necessary to obtain the desired groove contour.

Claims (9)

Способ лазерного скрайбирования неметаллической пластины, включающий воздействие на ее поверхность двух последовательных лазерных импульсов c плотностью энергии в зависимости от удельной энергии сублимации материала пластины, показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения, коэффициента отражения материала и глубины канавки, отличающийся тем, что скрайбирование пластины осуществляют с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формулеA method for laser scribing of a non-metallic plate, including the impact on its surface of two successive laser pulses with an energy density depending on the specific energy of sublimation of the plate material, the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, the reflection coefficient of the material and the groove depth, characterized in that the plate is scribed with the energy density in each pulse, determined by the formula W= Q е(χh/2) / (1-R) χW = Q е (χh / 2) / (1-R) χ где W - плотность энергии лазерного излучения Дж/см2;where W is the energy density of laser radiation J / cm 2 ; Q - удельная энергия сублимации материала пластины Дж/см3;Q is the specific energy of sublimation of the plate material J / cm 3 ; е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm; χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, см-1;χ is the absorption index of the plate material at the wavelength of laser radiation, cm -1 ; h - требуемая глубина канавки при скрайбировании, см;h is the required depth of the groove during scribing, cm; R - коэффициент отражения материала пластины,R is the reflection coefficient of the plate material, χh>2.χh> 2.
RU2021108251A 2021-03-29 2021-03-29 Method for laser scribing of a non-metallic plate RU2761834C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108251A RU2761834C1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 Method for laser scribing of a non-metallic plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108251A RU2761834C1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 Method for laser scribing of a non-metallic plate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761834C1 true RU2761834C1 (en) 2021-12-13

Family

ID=79175069

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021108251A RU2761834C1 (en) 2021-03-29 2021-03-29 Method for laser scribing of a non-metallic plate

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761834C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784517C1 (en) * 2022-05-12 2022-11-28 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Non-metal plate laser scribing method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1299025A1 (en) * 1985-03-21 1995-11-27 Институт Физики Ан Усср Process of laser treatment
RU2192341C2 (en) * 2000-07-03 2002-11-10 Басиев Тасолтан Тазретович Method for piercing precision holes by means of laser irradiation
JP2003290956A (en) * 2002-01-31 2003-10-14 Kyocera Corp Method for perforating ceramic substrate and mask for printing
US7041578B2 (en) * 2003-07-02 2006-05-09 Texas Instruments Incorporated Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment including the backside
RU2566138C2 (en) * 2014-02-13 2015-10-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации Laser processing of non-metallic materials

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1299025A1 (en) * 1985-03-21 1995-11-27 Институт Физики Ан Усср Process of laser treatment
RU2192341C2 (en) * 2000-07-03 2002-11-10 Басиев Тасолтан Тазретович Method for piercing precision holes by means of laser irradiation
JP2003290956A (en) * 2002-01-31 2003-10-14 Kyocera Corp Method for perforating ceramic substrate and mask for printing
US7041578B2 (en) * 2003-07-02 2006-05-09 Texas Instruments Incorporated Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment including the backside
US7741701B2 (en) * 2003-07-02 2010-06-22 Texas Instruments Incorporated Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment
RU2566138C2 (en) * 2014-02-13 2015-10-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации Laser processing of non-metallic materials

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784517C1 (en) * 2022-05-12 2022-11-28 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Non-metal plate laser scribing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ashkenasi et al. Application of self-focusing of ps laser pulses for three-dimensional microstructuring of transparent materials
DE69223534T2 (en) Dry etching process and application thereof
RU2566138C2 (en) Laser processing of non-metallic materials
DE10156343A1 (en) Process for processing a glass substrate
RU2761834C1 (en) Method for laser scribing of a non-metallic plate
CN107335923B (en) Femtosecond laser spatiotemporal focusing metal surface high-throughput processing device and method
DE102014106472A1 (en) Method for radiation scribing a semiconductor substrate
Moore et al. Ultrafast nonlinear optical method for generation of planar shocks
DE60007877T2 (en) Low frequency electromagnetic absorption surface
RU2784517C1 (en) Non-metal plate laser scribing method
CN106141438A (en) A kind of method utilizing laser plasma filament to prepare metal multifunction surface
Lausten et al. On-the-fly depth profiling during ablation with ultrashort laser pulses: A tool for accurate micromachining and laser surgery
WO2002056355A1 (en) Method and device for laser annealing
CN107677367B (en) Metal filter disc with neutral attenuation characteristic and preparation method thereof
RU2634338C1 (en) Method and device for laser cutting of materials
RU2692004C1 (en) Method for laser annealing of nonmetallic materials
RU2763276C1 (en) Method for laser punching of through hole in non-metal plate
JPS5799747A (en) Light beam diffusor
JPH0790385A (en) Oriented electrical steel sheet with excellent magnetic properties
RU2688036C1 (en) Method of laser piercing through hole in non-metal plate
Schmidt et al. Femtosecond and nanosecond laser decontaminations of biocidal-loaded wooden artworks
RU2582849C1 (en) Method for laser punching through-hole in non-metal plate
JP7644709B2 (en) Method for determining operating conditions of a method for high repetition rate femtosecond laser ablation of a given material and method for laser welding between parts of the determined material
Rusanescu et al. Laser hardening influence of metal surfaces
RU2785420C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic materials