RU2582181C1 - Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates - Google Patents
Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582181C1 RU2582181C1 RU2015104607/03A RU2015104607A RU2582181C1 RU 2582181 C1 RU2582181 C1 RU 2582181C1 RU 2015104607/03 A RU2015104607/03 A RU 2015104607/03A RU 2015104607 A RU2015104607 A RU 2015104607A RU 2582181 C1 RU2582181 C1 RU 2582181C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- cutting
- sapphire
- plates
- sapphire plates
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности сапфировых пластин импульсным лазерным излучением с длиной волны 1064 нм. Изобретение может быть использовано в различных областях техники и технологий для безотходной и высокоточной резки (термораскалывания) сапфировых пластин.The invention relates to methods for cutting brittle non-metallic materials, in particular sapphire wafers using pulsed laser radiation with a wavelength of 1064 nm. The invention can be used in various fields of engineering and technology for waste-free and high-precision cutting (thermal cracking) of sapphire plates.
Основными способами резки сапфировых пластин являются резка алмазными дисками с внешней режущей кромкой, скрайбирование подложек (гранью алмазной пирамидки, ультрафиолетовым лазером), лазерное управляемое термораскалывание.The main methods for cutting sapphire plates are cutting with diamond disks with an external cutting edge, scribing substrates (face of a diamond pyramid, an ultraviolet laser), laser-controlled thermal cracking.
Известен способ резки сапфировых пластин с помощью ультрафиолетового лазерного излучения (Патент US 6580054 B1, В23К 26/03 В, 2003). Резка включает предварительное нанесение неглубокого надреза на поверхности подложки с помощью ультрафиолетового лазера длиной волны 150-560 нм и последующего разламывания. Представленный способ основан на применении твердотельных Nd:YVO4 или Nd:YAG лазеров. Перекрытие лазерных импульсов во время обработки составляет от 50 до 99%. При резке диаметр лазерного пятна на поверхности сапфировой пластины составляет от 5 до 15 мкм, а скорость перемещения лазерного луча по поверхности может изменяться в диапазоне 2-10 мм/с.A known method of cutting sapphire wafers using ultraviolet laser radiation (Patent US 6580054 B1, V23K 26/03 V, 2003). Cutting involves the preliminary application of a shallow cut on the surface of the substrate using an ultraviolet laser with a wavelength of 150-560 nm and subsequent breaking. The presented method is based on the use of solid-state Nd: YVO 4 or Nd: YAG lasers. The overlap of laser pulses during processing is from 50 to 99%. When cutting, the diameter of the laser spot on the surface of the sapphire plate is from 5 to 15 μm, and the speed of movement of the laser beam over the surface can vary in the range of 2-10 mm / s.
Общим признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является использование лазерного излучения твердотельного Nd:YAG лазера для резки сапфировых пластин при одинаковой скорости перемещения лазерного луча.A common feature of the analogue, which coincides with the essential features of the proposed method, is the use of laser radiation from a solid-state Nd: YAG laser for cutting sapphire wafers at the same speed of movement of the laser beam.
Недостатками указанного способа являются наличие дополнительной операции механического разламывания и низкое качество краев пластины после лазерной резки. Кроме того, эффективное применение данного метода лазерной резки ограничивается толщиной подложки и составляет 80-200 мкм.The disadvantages of this method are the presence of an additional operation of mechanical breaking and low quality of the edges of the plate after laser cutting. In addition, the effective use of this laser cutting method is limited by the thickness of the substrate and is 80-200 microns.
Известен способ резки пластин из хрупких материалов (Патент РФ №2404931, МПК С03В 33/09, 2009), включающий нанесение локального надреза на краю заготовки лазерным излучением ультрафиолетового диапазона, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком СО2 лазера и последующее охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (воздушно-водяного аэрозоля) при относительном перемещении пластины и лазерного пучка с хладагентом.A known method of cutting plates of brittle materials (RF Patent No. 2404931, IPC С03В 33/09, 2009), including applying a local cut on the edge of the workpiece with ultraviolet laser radiation, heating the cutting line with a laser elliptic CO 2 laser beam and subsequent cooling of the heating zone using refrigerant (air-water aerosol) during relative movement of the plate and the laser beam with the refrigerant.
Общим признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого способа, является реализация лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов с образованием в материале разделяющей трещины.A common feature of the analogue, which coincides with the essential feature of the proposed method, is the implementation of laser-controlled thermal cracking of brittle non-metallic materials with the formation of a separating crack in the material.
Недостатки аналога заключаются в следующих операциях: необходимости нанесения локальных надрезов на краю заготовки, необходимости охлаждения зоны нагрева с помощью хладагента при относительном перемещении пластины и лазерного пучка.The disadvantages of the analogue are the following operations: the need to apply local incisions on the edge of the workpiece, the need to cool the heating zone with the help of a refrigerant during relative movement of the plate and the laser beam.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ резки прозрачных неметаллических материалов (Патент РФ №2226183, МПК С03В 33/00, В23К 26/38, 2004) путем направления лазерного луча от импульсного лазера, фокусирования лазерного излучения на поверхности образца или в его толще и формирования дефекта в точке фокусировки, а затем приложения механического усилия к поверхности образца. Используется импульсное лазерное излучение с длиной волны, лежащей в области прозрачности материала, длительностью импульса 10-100 пс и энергией в импульсе, достаточной для образования пробоя в зоне фокуса.The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a method of cutting transparent non-metallic materials (RF Patent No. 2226183, IPC S03B 33/00, V23K 26/38, 2004) by directing the laser beam from a pulsed laser, focusing laser radiation on the surface of the sample or in its thickness and the formation of a defect at the focal point, and then the application of mechanical force to the surface of the sample. Pulse laser radiation is used with a wavelength lying in the transparency region of the material, a pulse duration of 10-100 ps and an energy in pulse sufficient to produce a breakdown in the focus area.
Признаком прототипа, совпадающим с существенными признаками заявляемого способа, является использование импульсного излучения твердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны порядка 1 мкм для резки сапфировых пластин.A sign of the prototype, which coincides with the essential features of the proposed method, is the use of pulsed radiation from a solid-state Nd: YAG laser with a wavelength of about 1 μm for cutting sapphire wafers.
Недостатком прототипа является дополнительная технологическая операция, которая заключается в механическом разламывании образца, что приводит к невысокому качеству линии реза, а также имеются ограничения на толщину материала (от нескольких мкм до 300-500 мкм).The disadvantage of the prototype is an additional technological operation, which consists in mechanically breaking the sample, which leads to low quality cutting lines, and there are also restrictions on the thickness of the material (from a few microns to 300-500 microns).
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности и качества резки сапфировых пластин за счет исключения операций механического разламывания, нанесения предварительных надрезов и дополнительного охлаждения зоны лазерного нагрева. Технический результат заявляемого изобретения достигается с помощью предварительного нанесения энергопоглощающих слоев графита на обе стороны сапфировой пластины по направлению реза, локального нагрева линии реза лазерным излучением с длительностью импульса 50-100 нс и средней мощностью 80-100 Вт, образования в материале сквозной разделяющей трещины. Слои графита поглощают значительную часть лазерного излучения (порядка 50%), вызывая локальный нагрев поверхности сапфировой подложки, что обеспечивает зарождение и продвижение разделяющих трещин методом лазерного управляемого термораскалывания.The claimed invention is aimed at solving the problem of increasing the efficiency and quality of cutting sapphire plates by eliminating the operations of mechanical breaking, applying preliminary cuts and additional cooling of the laser heating zone. The technical result of the claimed invention is achieved by preliminary applying energy-absorbing layers of graphite on both sides of the sapphire plate in the direction of the cut, local heating of the cut line by laser radiation with a pulse duration of 50-100 ns and an average power of 80-100 W, the formation of a through separating crack in the material. The layers of graphite absorb a significant part of the laser radiation (about 50%), causing local heating of the surface of the sapphire substrate, which ensures the initiation and propagation of separating cracks by laser controlled thermal cracking.
Предлагаемый способ поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлена блок-схема установки лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин. Устройство для осуществления резки сапфировых пластин содержит лазерную систему 1, оптико-механическую систему направления и фокусировки излучения 2, механизм перемещения фокального пятна лазера по поверхности образца 3, компьютер и контроллер для управления всеми электронными системами установки 4 и видеокамеру для контроля за процессом 5.The proposed method is illustrated in FIG. 1-3. In FIG. 1 is a block diagram of a laser controlled thermal cracking of sapphire plates. A device for cutting sapphire plates contains a
На фиг. 2 показана фокусирующая система установки лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин. Фокусирующая система состоит из гомогенизатора 1, оптической линзы 2, системы подвижных оптических элементов 3 (гальванометров), фокусирующего объектива F-Theta 4 и предметного столика 5. С помощью F-Theta объектива достигается прямая пропорциональность между углом сканирования и расстоянием до рабочего поля, а также фокус лазерного луча всегда находится на плоской поверхности. Гомогенизатор позволяет получить однородное распределение интенсивности по сечению лазерного луча (П-образное распределение интенсивности).In FIG. 2 shows a focusing system for a laser controlled thermal cracking of sapphire plates. The focusing system consists of a
На фиг. 3 представлена фотография линии реза сапфировой пластины вдоль графитового слоя инфракрасным лазерным излучением.In FIG. Figure 3 shows a photograph of the cut line of a sapphire plate along the graphite layer by infrared laser radiation.
Пример предложенного способа лазерного управляемого термораскалывания пластин. На начальном этапе на сапфировую пластину толщиной 2,4 мм наносились слои графита толщиной порядка 10 мкм и шириной 2 мм, обозначающие направление реза (с двух сторон пластины). Предварительно порошок графита размельчался и смешивался с этиловым спиртом. Нанесение пасты осуществлялось трафаретной печатью, и полученный слой сушился в течение 10 минут. Затем пластина с нанесенными слоями графита помещалась на предметный столик лазерной установки и обрабатывалась инфракрасным излучением твердотельного Nd:YAG лазера. С помощью компьютера и контроллера для управления всеми электронными системами установки задавались следующие параметры лазерной обработки: скорость перемещения лазерного луча 1 мм/с по поверхности слоя графита, средняя мощность лазерного излучения 90 Вт, время воздействия порядка 350 с. Из фиг. 3 видно высокое качество линии реза сапфировой пластины.An example of the proposed method of laser controlled thermal cracking of the plates. At the initial stage, graphite layers with a thickness of the order of 10 μm and a width of 2 mm, indicating the direction of the cut (on both sides of the plate), were deposited on a 2.4 mm thick sapphire plate. Previously, the graphite powder was crushed and mixed with ethanol. The paste was applied by screen printing, and the resulting layer was dried for 10 minutes. Then, a plate with deposited layers of graphite was placed on a stage of a laser installation and processed with infrared radiation from a solid-state Nd: YAG laser. Using a computer and a controller to control all electronic systems of the installation, the following laser processing parameters were set: the speed of the
Изобретение направлено на повышение эффективности резки сапфировых пластин, а именно:The invention is aimed at improving the efficiency of cutting sapphire plates, namely:
- на более экономичное использование материала и уменьшение количества отходов;- on more economical use of material and reduction of waste;
- на отсутствие механического воздействия на материал;- the absence of mechanical effects on the material;
- на исключение операций шлифования и полирования края;- to the exclusion of grinding and polishing operations;
- на увеличение точности и воспроизводимости размеров вырезаемых изделий;- to increase the accuracy and reproducibility of the sizes of cut products;
- на высокую скорость резки;- at a high cutting speed;
- на возможность выполнения резки по сложной траектории.- the ability to perform cutting along a complex path.
Изобретение может быть использовано для высокоточной и высокопроизводительной резки сапфировых пластин, что может найти свое применение при создании новых приборов в микро- и оптоэлектронике, электронной промышленности. Лазерное управляемое термораскалывание пластин сапфира с нанесенными слоями графита позволяет повысить эффективность и качество резки. При этом существенное влияние на процесс лазерной резки сапфира оказывают энергопоглощающие слои графита.The invention can be used for high-precision and high-performance cutting of sapphire plates, which can find its application in the creation of new devices in micro- and optoelectronics, electronic industry. Laser-controlled thermal cracking of sapphire plates with deposited layers of graphite can improve the efficiency and quality of cutting. At the same time, energy-absorbing layers of graphite have a significant effect on the laser cutting of sapphire.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015104607/03A RU2582181C1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015104607/03A RU2582181C1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2582181C1 true RU2582181C1 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=56195231
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015104607/03A RU2582181C1 (en) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2582181C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5573684A (en) * | 1990-10-11 | 1996-11-12 | Harry Winston, S.A. | Methods for producing indicia on diamonds |
US6580054B1 (en) * | 2002-06-10 | 2003-06-17 | New Wave Research | Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser |
RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
WO2008030221A2 (en) * | 2005-08-18 | 2008-03-13 | Washington State University | System and method of laser dynamic forming |
RU2470407C2 (en) * | 2006-08-03 | 2012-12-20 | Крипсервис Сарл | Method and device for surface modification |
-
2015
- 2015-02-11 RU RU2015104607/03A patent/RU2582181C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5573684A (en) * | 1990-10-11 | 1996-11-12 | Harry Winston, S.A. | Methods for producing indicia on diamonds |
RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
US6580054B1 (en) * | 2002-06-10 | 2003-06-17 | New Wave Research | Scribing sapphire substrates with a solid state UV laser |
WO2008030221A2 (en) * | 2005-08-18 | 2008-03-13 | Washington State University | System and method of laser dynamic forming |
RU2470407C2 (en) * | 2006-08-03 | 2012-12-20 | Крипсервис Сарл | Method and device for surface modification |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10010971B1 (en) | Method and apparatus for performing laser curved filamentation within transparent materials | |
JP6585120B2 (en) | A system that performs laser filamentation inside a transparent material | |
EP2898982B1 (en) | Method for laser processing of silicon by filamentation of burst ultrafast laser pulses | |
US10074565B2 (en) | Method of laser processing for substrate cleaving or dicing through forming “spike-like” shaped damage structures | |
EP2837462B1 (en) | Photo acoustic compression method for machining a transparent target | |
KR101754186B1 (en) | Improved method and apparatus for laser singulation of brittle materials | |
RU2226183C2 (en) | Method for cutting of transparent non-metal materials | |
US10916461B2 (en) | Method of laser scribing of semiconductor workpiece using divided laser beams | |
JP2009226457A (en) | Laser beam machining method | |
TW201706221A (en) | Method of processing laminated substrate and apparatus for processing laminated substrate with laser light | |
WO2012063348A1 (en) | Laser processing method and device | |
JP2010099708A (en) | Method and apparatus for processing cut surface of cut material | |
KR20120058274A (en) | The depth of the modified cutting device through a combination of characteristics | |
RU2582181C1 (en) | Method for laser controlled thermal cleavage of sapphire plates | |
WO2004080642A1 (en) | Laser beam machining method | |
JP6952092B2 (en) | Scrivener method for semiconductor processing objects | |
TW201420249A (en) | Laser processing method and laser processing device | |
TWI598173B (en) | Laser de-flash method, laser processing method, and laser processing apparatus | |
KR100611773B1 (en) | Laser scribing or cutting method using acoustooptic modulator | |
CN111986986A (en) | Wafer stripping method and stripping device | |
RU2238918C2 (en) | Method for cutting of frangible non-metallic materials | |
Fujita et al. | Debris-free laser dicing for multi-layered mems | |
Sohn et al. | Direct UV laser projection ablation to engrave 6㎛-wide patterns in a buildup film | |
KR20120090904A (en) | Ultrathin wafer micro-machining method and system by laser rail-roading technique |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180212 |