FR2955275A1 - Procede de decoupe d'une tranche d'un lingot d'un materiau grace a un faisceau laser - Google Patents

Abstract

Procédé de découpe d'une tranche (12) d'un lingot (10) d'un matériau, en particulier d'un lingot de silicium, grâce à un faisceau laser (4), caractérisé en ce qu'on applique un effort déformant la tranche, notamment déformant la tranche en flexion.

Description

La présente invention concerne un procédé de découpe d'une tranche d'un lingot d'un matériau, en particulier d'un lingot de silicium, grâce à un faisceau laser. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en oeuvre un tel procédé. Elle concerne également une tranche de matériau obtenue par ce procédé de découpe.

Il est connu de découper un matériau grâce à un faisceau laser qui est concentré en un point de focalisation du faisceau et déplacer par rapport à ce matériau. Autour du point de focalisation du faisceau, le matériau est chauffé fortement jusqu'à vaporisation ou ablation.

Il est en particulier connu de découper des tranches minces d'un matériau, notamment d'un lingot. Cette technologie est en particulier utilisée pour produire de minces plaques de silicium. En effet, on peut l'utiliser pour découper des tranches minces dans un lingot formé par un monocristal de silicium.

On connaît par exemple du document JP 2006 142 556 un procédé de découpe de tranches minces dans un lingot. Dans ce procédé, on applique un faisceau laser sur un matériau ayant une forme de révolution et qui est mis en rotation. Il est prévu des moyens de préhension permettant de récupérer la tranche mince qui vient d'être découpée en fin de procédé. Ces moyens de préhension peuvent être du type à aspiration ou du type électrostatique.

Plus généralement, comme représenté à la figure 1, on découpe un bloc ou un lingot 10 d'un matériau pour former, à la fin de l'opération de découpe, une plaque 12 qui est séparée de ce qui reste du lingot 11. Pour ce faire, on applique sur le lingot un faisceau laser 4. Ce faisceau laser converge vers un point de focalisation 5 où le matériau formant le lingot est altéré par la puissance du faisceau, notamment où le matériau est vaporisé. Ce faisceau laser convergent est obtenu par exemple grâce à un faisceau laser 2 à rayons MS\CEA017FR.dpt parallèles traversant un système optique convergent 3 comme un système de lentilles ou une lentille convergente. Pour découper le lingot, on applique tout d'abord le faisceau au niveau de la surface du lingot et on déplace le faisceau et le lingot l'un par rapport à l'autre pour que le point de focalisation du faisceau balaye toute cette surface. Tout en poursuivant ce mouvement de balayage, le faisceau et le lingot sont progressivement déplacés l'un par rapport à l'autre de sorte que le point de focalisation pénètre progressivement dans le lingot. Ainsi, il se crée, dans le lingot, une tranchée 19 formée par l'ensemble des lieux où le matériau du lingot a été altéré, notamment vaporisé.

Ainsi, on peut, sur la future plaque 12 qui sera détachée du lingot à la fin de l'opération de découpe, identifier une partie 13 définie comme la projection de la tranchée sur la plaque orthogonalement au plan de découpe 18. Cette partie est par la suite appelée « partie détachée de la plaque » ou « partie détachée de la tranche ». De même, on peut identifier la partie complémentaire 14 de la plaque par laquelle celle-ci est encore attachée au reste du lingot. Cette partie est par la suite appelée « partie attachée de la plaque » ou « partie attachée de la tranche ».

Ces procédés de découpe présentent de nombreux avantages. Ils sont notamment rapides et précis. Néanmoins, ils présentent aussi des inconvénients. En particulier, il est délicat de découper des matériaux ayant une forte dimension. Ce problème se pose en particulier lorsque l'on veut découper des tranches minces transversales d'un matériau se trouvant initialement sous la forme d'un lingot, comme c'est le cas pour la découpe de fines plaques de silicium à partir d'un lingot formé par un monocristal de silicium.

Ce problème de découpe des matériaux ayant une grande dimension est décrit ci-après en référence à la figure 2. MS\CEA017FR.dpt30 En effet, au fur et à mesure que le faisceau laser pénètre dans le matériau, la profondeur de la tranchée 19 augmente et, celle-ci crée, du fait de sa géométrie et du fait de la géométrie du faisceau laser un obstacle ou un écran au faisceau laser. En effet, comme représenté à la figure 2, les parties supérieures et inférieures 4b du faisceau sont stoppées par le matériau à découper et ne peuvent pénétrer dans la tranchée 19. Seule une partie 4a du faisceau laser, au milieu du faisceau, parvient à pénétrer dans la tranchée pour atteindre le point de focalisation 5 où la matière doit être altérée. En conséquence, seule une partie de la puissance du faisceau laser atteint le point de focalisation 5. La puissance disponible à ce niveau est fonction de la quantité de rayons ayant pu pénétrer dans la tranchée. Cette puissance peut alors être insuffisante à la poursuite de la découpe du matériau. Ainsi, les profondeurs de découpe des matériaux sont limitées et, par conséquent, les dimensions du matériau découpé sont également limitées. Par exemple, un faisceau laser de longueur d'onde de 0,5 lm et de 10 pm de diamètre au point de focalisation peut avoir un diamètre de 13 mm à 200 mm du point de focalisation. Ainsi, la découpe ne peut avoir lieu sur une forte profondeur (plusieurs dizaines de millimètres).

Le but de l'invention est de fournir un procédé de découpe permettant de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant les procédés de découpe connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé de découpe permettant d'augmenter les performances de découpe, notamment d'augmenter les dimensions de plaques minces découpées par un faisceau laser dans un lingot. L'invention porte également sur un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé et sur une plaque obtenue par ce procédé.

Selon l'invention, le procédé permet de découper une tranche d'un lingot d'un matériau, en particulier d'un lingot de silicium, grâce à un faisceau laser. Il est MS\CEA017FR.dpt caractérisé en ce qu'on applique un effort déformant la tranche, notamment déformant la tranche en flexion.

L'effort peut être créé par aspiration et/ou par attraction électrostatique et/ou 5 par action d'un jet de fluide sur la tranche et/ou par traction mécanique. De préférence, on incline l'axe du faisceau laser par rapport à un plan de découpe d'un angle égal ou sensiblement égal au demi-angle du faisceau laser. L'invention concerne aussi une tranche de matériau, en particulier une tranche de silicium, obtenue par le procédé de découpe défini précédemment.

Selon l'invention, le dispositif de découpe d'une tranche d'un lingot d'un 15 matériau, en particulier d'un lingot de silicium, comprend un moyen de génération d'un faisceau laser, des moyens de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot et un moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche. 20 Le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche peut comprendre un moyen de génération d'un jet de fluide impactant la tranche. Le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche peut comprendre un élément ayant une forme extérieure convexe vers laquelle la 25 tranche est attirée.

Le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche peut comprendre un moyen d'aspiration. 30 Le moyen d'aspiration peut comprendre un circuit aéraulique relié à un moyen de génération d'une dépression.

Le circuit aéraulique peut comprendre un réseau de canalisations. MS\CEA017FR.dpt 10 Le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche peut comprendre un moyen électrostatique.

Le moyen électrostatique peut comprendre un élément relié électriquement à un générateur de charge électrostatique.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, différents modes d'exécution du procédé de découpe laser selon l'invention. La figure 1 est un schéma illustrant un procédé de découpe laser connu de l'art antérieur.

La figure 2 est un schéma illustrant la problématique limitant les dimensions 15 des plaques découpées par un faisceau laser selon les procédés connus de l'art antérieur.

La figure 3 est un schéma illustrant un premier mode d'exécution du procédé de découpe laser selon l'invention. La figure 4 est un schéma illustrant un deuxième mode d'exécution du procédé de découpe laser selon l'invention.

Les figures 5 et 6 sont des schémas illustrant un troisième mode d'exécution 25 du procédé de découpe laser selon l'invention.

La figure 7 est un schéma illustrant une variante du troisième mode d'exécution du procédé de découpe laser selon l'invention.

30 La figure 8 est un schéma illustrant un quatrième mode d'exécution du procédé de découpe laser selon l'invention. MS\CEA017FR.dpt 20 Un premier mode d'exécution du procédé de découpe selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 3. Le procédé permet de découper une tranche 12 ou une plaque d'un lingot 10 d'un matériau grâce à un faisceau laser 4. La découpe est réalisée selon un plan de découpe 18. Il permet notamment de découper une plaque de silicium dans un lingot de silicium, en particulier un lingot formé par un monocristal de silicium.

Pour découper cette tranche ou cette plaque 12, on applique un faisceau laser sur le lingot 10. De plus, pour éviter que les rayons du faisceau laser soient stoppés par le matériau comme expliqué précédemment, on applique, pendant l'application du faisceau laser, un effort déformant la tranche ou la plaque 12 en cours de découpe. En effet, on déforme la tranche de sorte que la matière de celle-ci ne forme pas un obstacle aux rayons du faisceau laser. Pour ce faire, on déforme la partie détachée 13 de la plaque 12. De préférence, on déforme la plaque 12 en flexion. En particulier, on déforme la partie détachée 13 de la plaque 12 en flexion. Grâce à cette déformation, la partie détachée 13 ne forme plus obstacle aux rayons du faisceau laser 4.

Pour réaliser la découpe, le faisceau laser est déplacé relativement au lingot par exemple grâce à un mouvement de balayage et le faisceau pénètre progressivement dans le lingot de sorte que la partie détachée 13 augmente progressivement et que la partie attachée 14 diminue progressivement.

L'axe 17 du faisceau laser 4 forme un angle R par rapport au plan de découpe 18. De préférence, cet angle R est égal ou sensiblement égal au demi-angle a du cône formé par le faisceau laser 4. Également, l'angle R peut être supérieur à l'angle a. Grâce à ce positionnement, la partie inférieure 11 du lingot 10 ne forme plus obstacle aux rayons du faisceau laser 4.

Ainsi, en combinant une déformation de la partie détachée 13 et un positionnement particulier du faisceau laser par rapport au lingot, il peut ne MS\CEA017FR.dpt plus y avoir d'obstacle à la pénétration des rayons du faisceau laser dans le lingot. On augmente ainsi les capacités de découpe en termes de dimensions.

Dans le premier mode de réalisation, on déforme la tranche en appliquant un effort créé par une aspiration. Pour ce faire, on utilise un moyen 20 d'application d'un effort sur la tranche. Ce moyen comprend par exemple un élément 24 ayant une forme extérieure convexe 23 vers laquelle la tranche est attirée. L'attraction étant réalisée par aspiration, le moyen 20 d'application d'un effort est un moyen d'aspiration. De préférence, il comprend un circuit aéraulique 21, 22 relié à un moyen de génération d'une dépression, comme une pompe à vide. De préférence encore, le circuit aéraulique comprend un réseau de canalisations 21, 22, notamment des canalisations débouchant au niveau de la surface de 23. Ainsi, une fois le moyen d'aspiration activé et approché de la partie détachée de la tranche, celui-ci exerce une action mécanique sur la partie détachée de la tranche qui est attirée et qui a tendance à venir obturer les canalisations 22 lorsqu'elle est déformée. Ainsi, la partie détachée de la tranche se retrouve plaquée contre la surface 23. En conséquence, un premier mode de réalisation d'un dispositif 100 de découpe laser selon l'invention permettant de mettre en oeuvre le premier mode d'exécution décrit précédemment comprend, outre le moyen d'application d'un effort sur la tranche décrit précédemment, un moyen 2, 3 de génération d'un faisceau laser 4 et des moyens 101 de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot.

Les moyens de guidage 101 comprennent de préférence une glissière permettant de positionner le faisceau laser selon l'angle 13 mentionné plus haut par rapport au plan de découpe 18.

Un deuxième mode d'exécution du procédé de découpe selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 4. Ce mode d'exécution diffère du MS\CEA017FR.dpt premier mode d'exécution par les moyens employés pour appliquer un effort sur la tranche. Dans le deuxième mode de réalisation, on déforme la tranche en appliquant un effort de type électrostatique. Pour ce faire, on utilise un moyen 30 d'application d'un effort électrostatique sur la tranche. Ce moyen comprend par exemple un élément 32 ayant une forme extérieure convexe 31 vers laquelle la tranche est attirée. L'attraction étant réalisée de manière électrostatique, le moyen 30 d'application d'un effort est un moyen électrostatique. De préférence, il comprend un élément 32 pouvant être chargé électrostatiquement et relié à un générateur de charge électrostatique. Ainsi, une fois l'élément 32 chargé électrostatiquement et approché à proximité de la partie détachée 13 de la tranche, il exerce sur la tranche une action mécanique et celle-ci est attirée et vient se plaquer contre l'élément 32. En conséquence, un deuxième mode de réalisation d'un dispositif 110 de découpe laser selon l'invention permettant de mettre en oeuvre le deuxième mode d'exécution décrit précédemment comprend, outre le moyen d'application d'un effort sur la tranche décrit précédemment, un moyen 2, 3 de génération d'un faisceau laser 4 et des moyens 101 de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot.

Comme dans le premier mode de réalisation, les moyens de guidage 101 comprennent de préférence une glissière permettant de positionner le faisceau laser selon l'angle R mentionné plus haut par rapport au plan de découpe 18.

Un troisième mode d'exécution du procédé de découpe selon l'invention est décrit ci-après en référence aux figures 5 à 7. Ce mode d'exécution diffère des premier et deuxième modes d'exécution par les moyens employés pour appliquer un effort sur la tranche. Dans le troisième mode de réalisation, on déforme la tranche en appliquant un effort de type aérodynamique. Pour ce faire, on utilise un moyen 40 d'application d'un effort aérodynamique sur la tranche. Ce moyen comprend par exemple une ou plusieurs buses 41 dirigeant des flux 42 de fluide vers la tranchée 19. Ainsi, une fois le moyen 40 MS\CEA017FR.dpt activé et approché à proximité de la partie détachée 13 de la tranche, il exerce sur la tranche une action mécanique par l'intermédiaire des flux de fluide. La partie détachée de la tranche est alors déformée, notamment déformée en flexion, comme dans les modes d'exécution précédents.

En conséquence, un troisième mode de réalisation d'un dispositif 120 de découpe laser selon l'invention permettant de mettre en oeuvre le troisième mode d'exécution décrit précédemment comprend outre le moyen d'application d'un effort sur la tranche décrit précédemment un moyen 2, 3 de génération d'un faisceau laser 4 et des moyens 101 de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot. Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, les moyens de guidage 101 comprennent de préférence une glissière permettant de positionner le faisceau laser selon l'angle R mentionné plus haut par rapport au plan de découpe 18.

Dans ce troisième mode d'exécution, il est de préférence prévu un moyen de préhension 43 permettant de récupérer la tranche lorsqu'elle se détache complètement du lingot en fin de découpe. En effet, sans ce moyen de préhension, la tranche découpée serait éjectée sous l'action des jets de fluide en fin de découpe. Le moyen de préhension comprend par exemple un moyen d'aspiration de la tranche ou un moyen électrostatique.

Un quatrième mode d'exécution du procédé de découpe selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 8. Ce mode d'exécution diffère du premier mode d'exécution par les moyens employés pour appliquer un effort sur la tranche. Dans le quatrième mode de réalisation, on déforme la tranche en appliquant un effort de traction. Pour ce faire, on utilise un moyen 50 d'application d'un effort de traction sur la tranche. Ce moyen comprend par exemple une griffe mécanique 51 agissant par contact, notamment par adhésion et/ou par obstacle, sur la partie détachée 13 de la tranche. MS\CEA017FR.dpt En conséquence, un quatrième mode de réalisation d'un dispositif 130 de découpe laser selon l'invention permettant de mettre en oeuvre le quatrième mode d'exécution décrit précédemment comprend, outre le moyen d'application d'un effort sur la tranche décrit précédemment, un moyen 2, 3 de génération d'un faisceau laser 4 et des moyens 101 de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot. Comme dans le premier mode de réalisation, les moyens de guidage 101 comprennent de préférence une glissière permettant de positionner le faisceau laser selon l'angle R mentionné plus haut par rapport au plan de découpe 18.

Il est possible de combiner les différents moyens d'application d'un effort décrits précédemment. En particulier, il est possible d'utiliser : - un moyen d'application d'un effort comprenant un moyen d'aspiration et un moyen électrostatique, ou - un moyen d'application d'un effort comprenant un moyen aérodynamique et un moyen d'aspiration, ou - un moyen d'application d'un effort comprenant un moyen aérodynamique et un moyen électrostatique, ou - un moyen d'application d'un effort comprenant un moyen aérodynamique et un moyen électrostatique et un moyen d'aspiration.

Il est en outre possible d'utiliser, en complément ou remplacement des moyens évoqués précédemment, tout autre moyen d'application d'un effort, notamment un moyen d'application d'un effort par adhésion (et traction).

Ainsi, dans le procédé selon l'invention, on utilise la souplesse de la lame ou la tranche de matériau en cours de découpe. L'utilisation de cette souplesse permet une meilleure pénétration du faisceau laser dans la matière. L'effort appliqué sur la tranche en cours de découpe dépend notamment de la souplesse de la tranche. Bien évidemment, il ne faut pas solliciter la tranche au-delà de sa limite mécanique et, de préférence, il ne faut pas la solliciter au- MS\CEA017FR.dpt delà de sa limite élastique. La souplesse et les limites de sollicitation sont bien évidemment dépendantes du matériau découpé et de l'épaisseur de la tranche découpée.

Le procédé selon l'invention est en particulier utilisé pour découper des plaques fines de silicium avec une faible perte de matière. Notamment, le procédé permet la découpe de plaques présentant des dimensions de l'ordre de 200 mm. L'épaisseur des plaques découpées est par exemple de l'ordre de 100 à 200 µm. Par exemple, une lame de silicium de 200 lm d'épaisseur tolère un rayon de courbure supérieur à 10 cm.

En utilisant un laser de 0,5 pm de longueur d'onde, d'une puissance moyenne de 400 W et en focalisant le faisceau avec un diamètre de 4 µm, le temps de découpe pour une plaque de silicium ayant comme dimensions 200 mm par 200 mm est de l'ordre de 15 secondes. Ce temps de découpe peut être diminué en utilisant plusieurs faisceaux laser, notamment plusieurs faisceaux laser décalés.

En utilisant un laser CO2 continu de 10,6 lm de longueur d'onde (faisceau gaussien), d'une puissance moyenne de 1000 W et en focalisant le faisceau avec un diamètre de 20 µm, le temps de découpe pour une plaque de silicium ayant comme dimensions 150 mm par 150 mm est de l'ordre de 17 secondes. On remarque qu'une force de 0,2 Newton est suffisante, pour une plaque de 100 pm d'épaisseur, pour obtenir le rayon de courbure de 10 cm évoqué précédemment. Si on utilise un moyen d'application d'un effort du type à aspiration ou à dépression, il est nécessaire d'utiliser une pression de 10 N/cm2.

L'invention porte également sur une tranche de matériau, notamment une plaque, en particulier une plaque mince de silicium, obtenue selon le procédé objet de l'invention. MS\CEA017FR.dpt

Claims (12)

1. Revendications: 1. Procédé de découpe d'une tranche (12) d'un lingot (10) d'un matériau, en particulier d'un lingot de silicium, grâce à un faisceau laser (4), caractérisé en ce qu'on applique un effort déformant la tranche, notamment déformant la tranche en flexion.
2. 2. Procédé de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'effort est créé par aspiration et/ou par attraction électrostatique et/ou par action d'un jet de fluide sur la tranche et/ou par traction mécanique.
3. 3. Procédé de découpe selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on incline l'axe (17) du faisceau laser par rapport à un plan de découpe (18) d'un angle (R) égal ou sensiblement égal au demi-angle (a) du faisceau laser.
4. 4. Tranche (12) de matériau, en particulier tranche de silicium, obtenue par le procédé de découpe selon l'une des revendications précédentes.
5. 5. Dispositif (100 ; 110 ; 120) de découpe d'une tranche (12) d'un lingot (10) d'un matériau, en particulier d'un lingot de silicium, comprenant un moyen (2, 3) de génération d'un faisceau laser (4), des moyens (101) de guidage et de déplacement du moyen de génération du faisceau laser relativement au lingot, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (20 ; 30 ; 40) d'application d'un effort de déformation de la tranche.
6. 6. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen (40) d'application d'un effort de déformation de la tranche comprend un moyen (41) de génération d'un jet (42) de fluide impactant la tranche. MS\CEA017FR.dpt 12
7. 7. Dispositif de découpe selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le moyen d'application (20 ; 30) d'un effort de déformation de la tranche comprend un élément (24 ; 32) ayant une forme extérieure convexe (23 ; 31) vers laquelle la tranche est attirée.
8. 8. Dispositif de découpe selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche comprend un moyen d'aspiration (20). 10
9. 9. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen d'aspiration comprend un circuit aéraulique (21, 22) relié à un moyen de génération d'une dépression.
10. 10. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en 15 ce que le circuit aéraulique comprend un réseau de canalisations (21, 22).
11. 11. Dispositif de découpe selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le moyen d'application d'un effort de déformation de la tranche 20 comprend un moyen électrostatique (30).
12. 12. Dispositif de découpe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen électrostatique comprend un élément (32) relié électriquement à un générateur de charge électrostatique. 25 MS\CEA017FR.dpt