DD249797A1

DD249797A1 - PROCEDURE FOR INCORPORATING BZW. ASSOCIATION OF PIEZOELECTRIC SUBSTRATES

Info

Publication number: DD249797A1
Application number: DD29105686A
Authority: DD
Inventors: Guenter Reisse; Gerhard Zscherpe; Horst Exmer; Klaus Sowoidnich; Christian Haelsig; Winfried Laun
Original assignee: Elektronische Bauelemente C Vo
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1987-09-16

Abstract

Die erfinderische Loesung bezieht sich auf die Elektrotechnik/Elektronik, speziell auf die Substrateinkerbung bzw. Vereinzelung bei der Herstellung akustischer Oberflaechenwellenbauelemente oder bei Schwingern. Ziel der Erfindung ist es, die Arbeitsproduktivitaet zu erhoehen und den Materialaufwand zu senken. Die Aufgabe besteht darin, ein neues Bearbeitungsverfahren zu entwickeln. Es ist anzustreben, das Einkerben des Substrats mit anschliessender Vereinzelung mittels Brechvorrichtung durch eine gezielte Direktvereinzelung zu ersetzen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass gleichzeitig Laserstrahlen mit zwei verschiedenen Wellenlaengen angeregt und zur Bearbeitung des Substrats eingestrahlt werden. Dabei bewirkt die kuerzere Wellenlaenge niedriger Leistung, die im Substratmaterial gut absorbiert wird und es nicht abtraegt, ein erhoehtes Absorptionsvermoegen. Der hoehere Energieeintrag fuehrt dabei zum gewuenschten Materialabtrag innerhalb der angeregten laserbestrahlten Zone, teils in fluessiger, teils in gasfoermiger Phase. Das moegliche Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von akustischen Oberflaechenwellenbauelementen bzw. in der Halbleiterindustrie.The inventive solution relates to the electrical engineering / electronics, especially to the substrate scoring or separation in the production of acoustic surface wave components or oscillators. The aim of the invention is to increase the labor productivity and reduce the cost of materials. The task is to develop a new machining process. It is desirable to replace the scoring of the substrate with subsequent separation by means of crushing device by a targeted direct separation. According to the invention, the object is achieved in that at the same time laser beams with two different wavelengths are excited and irradiated for processing of the substrate. At the same time, the shorter wavelength of low power, which is well absorbed in the substrate material and does not abrade it, causes an increased absorption capacity. The higher energy input leads to the desired material removal within the excited laser-irradiated zone, partly in the liquid, partly in the gaseous phase. The possible field of application of the invention relates to the production of surface acoustic wave devices or in the semiconductor industry.

Description

Field of application of the invention

Die erfinderische Lösung bezieht sich auf die Elektrotechnik/Elektronik, speziell auf piezoelektrische, kristalline, sehr harte und spröde anorganische Werkstoffe. Die Substrate werden z. B. bei der Herstellung akustischer Oberflächenwellenbauelemente (AOW-Bauelemente) oder als Schwinger benötigt.The inventive solution relates to electrical engineering / electronics, especially to piezoelectric, crystalline, very hard and brittle inorganic materials. The substrates are z. B. in the manufacture of surface acoustic wave devices (AOW devices) or as a vibrator needed.

Characteristic of the known technical solutions

Der Einsatz des Lasers zum Trennen von Substratmaterialien ist an sich bekannt. Dies geschieht auf vielfältige Weise, so z.B.The use of the laser for separating substrate materials is known per se. This happens in a variety of ways, e.g.

beim Vereinzeln von Siliziumscneiben in der Halbleiterindustrie.when separating silicon discs in the semiconductor industry.

Für andere Bauelemente, bspw. AOW-Filter, werden kristalline, piezoelektrische Substratmaterialien, wie Lithiumniobat, verwendet.For other devices, such as SAW filters, crystalline piezoelectric substrate materials such as lithium niobate are used.

Das Trennen dieser Materialien erfolgt häufig mit Diamantsägen. Hierbei können nur geringe Vorschubgeschwindigkeiten angewendet werden.The separation of these materials is often done with diamond saws. Only low feed rates can be used.

Der Verschleiß des Schneidwerkzeuges ist dabei beträchtlich und es entstehen vom Schnitt ausgehende Makro- und Mikrorisse.The wear of the cutting tool is considerable and arise from the cut outgoing macro and micro cracks.

Andere Verfahren verwenden eine Drahtsäge oder Schleif partikelstrahlen, wie in der PS, DE 2505818 näher beschrieben wird.Other methods use a wire saw or abrasive particle blasting, as described in more detail in the PS, DE 2505818.

Nachteilig ist, daß Schleif- bzw. Substratmaterialablagerungen auf der Oberfläche und auf den zur Ausbildung der AOW dienenden Strukturen beseitigt werden müssen.The disadvantage is that abrasive or Substratmaterialablagerungen must be eliminated on the surface and on the serving for the formation of the AOW structures.

Außerdem muß das benutzte Kühlmittel die metallbeschichtete Oberfläche, speziell bei mikroeiektronischen Bauelementen, ebenfalls wieder entfernt werden.In addition, the coolant used, the metal-coated surface, especially in microelectronic devices, must also be removed again.

Wie in der gleichen Patentschrift festgestellt wird, führten Versuche, diese Materialien mit einem Laserstrahl zu bearbeiten, zur Depolarisation des Kristalls.As noted in the same patent, attempts to machine these materials with a laser beam resulted in depolarization of the crystal.

Hingegen wurde das in dem WP DD mit dem Aktenzeichen HO3H/2756485 beschriebene Verfahren zum Laserstrahlritzen und nachträglichem Brechen mit einem gütegeschalteten Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 0,53μ,ιη durchgeführt.On the other hand, the method described in the WP DD with the file number HO3H / 2756485 for laser beam scribing and subsequent breaking was performed with a Q-switched Nd-YAG laser with a wavelength of 0.53μ, ιη.

Mit dem Verfahren lassen sich äußerst gute Ergebnisse erzielen, wenn mit dem damaligen Stand der Technik verglichen wird.The method can be extremely good results, when compared with the then prior art.

Dennoch besitzt diese Lösung den Nachteil, daß nur minimale Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei sehr hohem Energieaufwand realisierbar sind.Nevertheless, this solution has the disadvantage that only minimal processing speeds at very high energy consumption can be realized.

Object of the invention

Der nützliche Effekt im Vergleich zu anderen technischen Lösungen besteht darin, die Arbeitsproduktivität bei der Einkerbung bzw. Vereinzelung von piezoelektrischen, vorzugsweise kristallinen Materialien, z. B. für die Herstellung von AOW-Bauelementen oder Schwingern, zu senken.The beneficial effect compared to other technical solutions is to increase labor productivity in the indentation of piezoelectric, preferably crystalline, materials, e.g. B. for the production of AOW components or vibrators to reduce.

Weitere Effekte sind die Senkung des Energiebedarfs und Erhöhung derZuverlässigkeit der Bauelemente sowie die Gewährung der Unversehrtheit der Substrate bei der erfinderischen Bearbeitung.Other effects include reducing energy requirements and increasing the reliability of the devices, as well as providing the integrity of the substrates in the inventive process.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zug runde, ein Laserstrahl-Bearbeitungsverfahren zu entwickeln. Mit ihm soll es möglich werden, Chips so aus dem scheibenförmigen piezokristallinen Material herauszutrennen, daß ein nachfolgendes Vereinzeln mittels bekannter Brechvorrichtung entfallen kann. Dabei darf keine Beeinflussung der elektrischen Parameter des Bauelementes eintreten. Es ist weitestgehend anzustreben, daß sich die Polarisationseigenschaften des Kristalls nicht ändern.The invention has the object zug round, to develop a laser beam processing method. With him, it should be possible to separate chips so from the disk-shaped piezocrystalline material that a subsequent separation by means of known breaking device can be omitted. It must not interfere with the electrical parameters of the device. It is to be striven as far as possible that the polarization properties of the crystal do not change.

Schleif- bzw. Kühlmittelrückstände auf dem Substrat sollten ebenfalls vermieden werden.Abrasive or coolant residues on the substrate should also be avoided.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß, entgegen üblicher Bearbeitungsverfahren, gleichzeitig Laserstrahlen mit zwei verschiedenen Wellenlängen angeregt und zur Bearbeitung eines Substrates eingestrahlt werden, wobei vorzugsweise das gleiche optische System verwendet wird und die Erzeugung der beiden Wellenlängen mit einem Lasersystem (Laserkopf) erfolgt.According to the invention, this object is achieved in that, contrary to conventional processing methods, at the same time laser beams are excited with two different wavelengths and irradiated to process a substrate, preferably the same optical system is used and the generation of the two wavelengths with a laser system (laser head).

Die verwendeten optischen Systeme sind dabei gleich. Es wurde nachgewiesen, daß sich gegenüber dem bisher bekannten Bearbeitungsregime eines Lasers, der eine Strahlung mit nur einer definierten Wellenlänge aussendet, das Trennen harter, spröder und transparenter anorganischer Substratmaterialien mit zwei Wellenlängen weit günstiger bearbeiten läßt. Hierbei bewirkt die kürzere Wellenlänge niedriger Leistung, die im Substratmaterial gut absorbiert wird und demzufolge dieses nicht abträgt, ein erhöhtes Absorptionsvermögen für die Laserstrahlung mit der höheren Leistung und der größeren Wellenlänge, die der eigentlichen Bearbeitung dienen soll und den eigentlichen Materialabtrag bewirkt.The optical systems used are the same. It has been demonstrated that the separation of hard, brittle and transparent inorganic substrate materials having two wavelengths can be processed far more favorably than the previously known processing regime of a laser emitting radiation with only one defined wavelength. Here, the shorter wavelength of low power, which is well absorbed in the substrate material and consequently does not ablate, causes an increased absorptivity for the laser radiation with the higher power and the longer wavelength, which is to serve the actual processing and causes the actual material removal.

Der hierdurch hervorgerufene Energieeintrag führt zu einem Materialabtrag innerhalb der angeregten laserbestrahlten Zone, teils in flüssiger, teils in gasförmiger Phase.The resulting energy input leads to a material removal within the excited laser-irradiated zone, partly in the liquid, partly in the gaseous phase.

Diese Bearbeitung erzeugt im Substrat mechanische Spannungen, die, je nach den gewählten Laserparametern, ein definiertesTrennen innerhalb eines Verfahrensschrittes ermöglicht.This processing generates mechanical stresses in the substrate which, depending on the laser parameters chosen, allow for a defined separation within a process step.

Soll der vorgegebene Chipverband einer Scheibe erhalten bleiben, erfolgt die Trennung in zwei Schritten. Dem Ritzen folgt das Brechen der Substrate mittels Vorrichtung.If the given chip structure of a disk is to be retained, the separation takes place in two steps. The scratching is followed by breaking the substrates by means of a device.

embodiment

Die für die Bearbeitung eines piezoelektrischen Substratmaterials eingesetzte Laserstrahlung mit zwei verschiedenen Wellenlängen, für die Bearbeitung von Lithiumniobat-Substraten, vorzugsweise mittels eines Nd-YAG-Lasersystems, wird derart erzeugt, daß sein Auskoppelspiegel eine Charakteristik aufweist, die das gleichzeitige Auskoppeln der niederfrequenten und der höherfrequenten in einem vorgegebenen Intensitätsverhältnis ermöglicht.The used for the processing of a piezoelectric substrate material laser radiation with two different wavelengths, for the processing of lithium niobate substrates, preferably by means of a Nd-YAG laser system is generated such that its output mirror has a characteristic that the simultaneous decoupling of the low-frequency and the allows higher frequency in a given intensity ratio.

Dieser eine Laserstrahl mit den zwei verschiedenen Wellenlängen λ-ι und A₂ trifft auf das zu trennende Substrat und erzeugt infolge der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und Substrat eine Erhöhung des Absorptionskoeffizienten auf der Substratoberfläche durch die Laserwellenlänge niederer Leistung A₁ und ermöglicht somit einen großen Energieeintrag durch die Laserwellenlänge mit der hohen Leistung A₂.This one laser beam with the two different wavelengths λ- ₁ and A ₂ strikes the substrate to be separated and, as a result of the relative movement between the laser beam and the substrate, produces an increase in the absorption coefficient on the substrate surface due to the laser power of low power A ₁ and thus enables a large energy input by the laser wavelength with the high power A ₂ .

Die hierdurch hervorgerufenen mechanischen Spannungen im Substratmaterial führen in Abhängigkeit von der Wahl der Laserparameter zum definierten Bruch.The resulting mechanical stresses in the substrate material, depending on the choice of laser parameters for defined break.

Für den Fall, daß aus bestimmten Gründen ein Scheibenzusammenhalt gewünscht wird, kann das definierte Vereinzeln mittels bekannter Brechvorrichtung erfolgen.In the event that a disc cohesion is desired for certain reasons, the defined singulation can be done by means of known breaking device.

Charakteristische Parameter für eine LiNbO₃-Substratmaterialbearbeitung:Characteristic parameters for LiNbO ₃ substrate material processing:

λ = 0,53μιη und 1,06μιτι, mittl. Leistung Pm_1-06 = 0,5W bis 1,25 W; Pm_0-53 = 1 % bis 10% von Pm_1-06 Impulsfolgefrequenz „fi" = 2KHz bis 7 KHzλ = 0.53μιη and 1,06μιτι, avg. Power Pm _1-06 = 0.5W to 1.25W; Pm _0-53 = 1% to 10% of Pm _{1-06 Pulse} train frequency "fi" = 2KHz to 7KHz

Brennweite „B" = 25mmFocal length "B" = 25mm

Vorschubgeschwindigkeit „V" = 3mm s"¹ bis 20mm s~¹ Feed rate "V" = 3mm s " ¹ to 20mm s ~ ¹

Eine weitere Anwendung dieses Verfahrens ist das gezielte Heraustrennen von Durchbrüchen aus einem Substratmaterial in beliebiger geometrischer Form.Another application of this method is the targeted separation of breakthroughs from a substrate material in any geometric shape.

Der positivste und herausragendste Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß ein Vereinzeln mittels Brechvorrichtung entfallenThe most positive and outstanding advantage of the method is that a separation by means of breaking device omitted

Die Polarisationseigenschaften des Kristalls werden nicht verändert. Es treten auch keine Schleif- bzw. KühlmittelrückständeThe polarization properties of the crystal are not changed. There are also no grinding or coolant residues

Bei der Bearbeitung der Substrate mit zwei Wellenlängen kann das gleiche optische System verwendet werden.When processing the substrates with two wavelengths, the same optical system can be used.

Die Laserleitung liegt gegenüber dem Verfahren (DD-Aktz. H03H/2756485) um den Faktor 10 höherund senkt somit den Energieverbrauch.The laser cable is 10 times higher than the method (DD-Akt H03H / 2756485) and thus reduces energy consumption.

Claims

1. A method for scoring or separating piezoelectric substrates, preferably crystalline, with and without component structures, which serve the transmission of elastic Oberfiächenwellen or as a piezoelectric oscillator, characterized in that the scoring or singling in a one or two-step process by simultaneous action of Defined laser radiation with two different wavelengths and intensities, the radiation with the shorter wavelength and the better absorption capacity against the material to be processed acts first, while the long wavelength follows with high intensity.

2. The method according to item 1, characterized in that for the simultaneous generation of two laser beams with different wavelengths (λ _Ί = 1.06 / xm and λ ₂ = 0.53μΓη) a Q-switched Nd-YAG laser is used, wherein for both beams use the same beam guiding and shaping devices.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the defined scoring or separation at average power Pm = 0.5 to 1.5 W and a processing speed of 3.0 to 300mm s ~ ¹ , while the pulse lengths τ = 100 to 200ns and the power ratio, short and long-wave radiation, for example, in LiNbO ₃ substrates, 1: 100.