Прецизионная обработка неметаллических материалов

Разработка, исследование и создание высокоэффективных технологий и оборудования для обработки керамических материалов и кристаллов в производстве электронной компонентной базы, используемой в энергосберегающих системах

Целью работы является:

Разработка и внедрение в промышленное производство новейшей технологии обработки кристаллических и керамических материалов; получение в процессе реализации проекта патентной защиты по способу обработки и по конструкции инструмента обработки в странах-конкурентах; обеспечение на срок не менее десяти лет сохранения условий для создания в России конкурентоспособного производства энергосберегающих осветительных приборов на базе светодиодов, информационных панелей и отдельных видов электронно-вычислительной и управляющей техники, используя в интегральной технологии подложек с дефектным слоем в 5-7 раз меньшим по сравнению с мировыми аналогами.

Задачами работы являются:

• повышение производительности и качества обработки приборных пластин за счет  применения при раскрое метода лазерного управляемого термораскалывания;
• развитие теории метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) хрупких неметаллических материалов, включая такие анизотропные материалы, как сапфир, кремний, арсенид галлия, антимонид индия, карбид кремния и др.;
• оптимизация технологических режимов ЛУТ;
• разработка технологии лазерного притупления острых кромок изделий из хрупких материалов, повышающей прочность изделий;
• разработка технологии лазерной сварки изделий из стекла, позволяющая делать прецизионное соединение изделий из стекла;
• создание технологического процесса химико-механического шлифования и полирования изделий из широкого класса многофункциональных материалов с использованием новых типов связанного алмазно-абразивного инструмента. Эта технология позволяет уменьшить глубину нарушенного слоя в 5-7 раз с одновременным повышением производительности процесса в 1,5 - 2 раза;
• разработка совокупности «прорывных» технологий, определяющих возможность появления новых компонентов на рынках высокотехнологичной продукции (услуг).

Бурное развитие рынка светодиодов, а также умеренный рост рынка лазерных диодов, обеспечивают растущий спрос на пластины сапфира. Неудовлетворенный спрос, а также расширение сфер применения светодиодов позволяют и крупным игрокам наращивать производство, а новым игрокам проникать на рынок.

Сегодня лидирующее положение на рынке синтетических кристаллов сапфира занимают компании США и Японии, имеющие многолетний опыт производства и тесные связи с потребителями и поставщиками (в Японии 140 установок Кристалл-2М, а в США около 100 установок типа «Омега 20»). Однако рост объема производства ограничен и возможен только в США на «Омегах» за счет увеличения габаритов установок и, как следствие, роста энергопотребления.

Задача следующего производственного перехода состоит в том, чтобы из выращенного кристалла сапфира или другого монокристалла изготовить подложку для будущего электронного элемента с повышением качества и уменьшением трудозатрат. . К операциям данного производственного цикла относятся резка, ориентирование, кругление, резка на пластины, шлифование и полировка.

Что касается подложек то, как правило, полировкой (на Тайване, в Швейцарии и Японии) занимаются фирмы, не связанные с выращиванием кристаллов. Незначительное количество оптического сапфира производит Тайвань на установках, работающих по методу Степанова (горизонтальный рост). Сегодня наиболее экономичными и перспективными считаются установки вертикального роста кристаллов. Это связано, прежде всего, с тем, что больший размер були дает возможность получить больший выход по длине кернов, что позволяет производить большее количество подложек.

Сегодня в мире производится около 190 тонн оптоэлектронного сапфира и порядка 68 тонн оптического. Делая осторожные оценки, можно отметить, что емкость рынка лейкосапфира растет примерно на 20-25% в год и в весовом исчислении непокрытый дефицит составляет сегодня около 40 тонн для оптоэлектроники и около 52 тонн для оптики. Объем создаваемого производства по данному проекту к 2017 году (до 15 тонн лейкосапфира в кристаллах в год) не компенсирует потребность рынка.

В настоящее время разделение приборных пластин на кристаллы при производстве оптоэлектронной компонентной базы осуществляется с помощью механической резки или лазерного скрайбирования.

Недостатками указанных технологий являются:

1. Методы абразивной и алмазной резки приборных пластин на кристаллы исчерпали свои возможности в современной полупроводниковой и оптоэлектронной индустрии в виду следующих их недостатков:
   • низкая скорость резки пластин;
   • необходимость предварительного утонения пластин;
   • загрязнение рабочей поверхности пластины в процессе резки;
   • наличие двух стадий разделения – надреза и последующего механического разламывания;
   • значительные – до 30% потери материала разрезаемых пластин за счет ширины пропила;
   • низкое качество реза за счет наличия нарушенного слоя вдоль линии надреза и разлома.
2. Лазерное скрайбирование с использованием лазеров, генерирующих излучение в ультрафиолетовой области спектра, хотя и позволяет существенно повысить производительность процесса резки по сравнению с механической резкой, но не может полностью удовлетворить требованиям потребителей по следующим причинам:
   • не обеспечивает высокого каче­ства кромок кристаллов из-за наличия микротрещин;
   • как и в случае механической резки, требует предварительного утонения пластин на специальном дорогостоящем оборудовании, например, для сапфировых подложек осуществляют утонение от 430 мкм до 90 мкм;
   • загрязнение поверхности пластин продуктами испарения материала, что требует проведения дополнительной очистки пластин;
   • наличие дополнительной операции механического разламывания;
   • разрушительное воздействие процесса разделения на функциональные и эксплуатационные параметры получаемых приборов;
   • низкий срок службы УФ лазеров.

Этих недостатков нет в предлагаемом методе лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ)

• скорость резки - до 2000 мм/сек;
• толщина материала - 0,03 – 30 мм;.
• ширина реза равна нулю;
• минимальный размер заготовки - 0,03 мм, а максимальный – не ограничен;
• мощность лазерного излучения 10 - 200 Вт.

Типы разделяемых материалов:

• любые типы стекол, включая кварцевое стекло;
• любые типы керамики;
• монокристаллы: кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия, ниобат лития, танталат лития, карбид кремния и др.

• резка дисплейных панелей;
• резка оптических и магнитооптических дисков;
• резка автомобильных стекол и зеркал;
• резка стекла в процессе выработки;
• резка подложек из сапфира на кристаллы LED;
• резка пластин из полупроводниковых материалов на кристаллы;
• резка стеклянных труб;
• резка приборных пластин на кристаллы (чипы) для электронных и оптоэлектронных приборов;
• лазерное снятие фаски.

Преимущества метода ЛУТ:

• безотходность процесса ЛУТ;
• высокая чистота процесса резки, не загрязняющего поверхность материала в процессе резки;
• нулевая ширина реза;
• наиболее низкие энергетические затраты перед другими известными методами лазерного раскроя материала;
• высокая скорость резки, достигающая 2 м/сек;
• высокая точность раскроя материала;
• возможность лазерного притупления кромок изделий;
• повышение механической прочности изделий в 2,5 - 5 раз.

Новая технология лазерного притупления острых кромок обеспечивает следующие преимущества:

• повышение механической прочности изделий до 5 раз по сравнению с традиционной технологией обработки кромок с помощью алмазно-абразивного инструмента;
• высокая производительность процесса - скорость притупления острых кромок до 1000 мм/сек и выше;
• высокое качество фаски, обеспечиваемое отсутствием нарушенного слоя и концентраторов напряжений;
• отсутствие продуктов загрязнения поверхности изделий в процессе притупления острых кромок, что позволяет осуществлять операцию притупления острых кромок в условиях повышенной чистоты и вакуумной гигиены;
• экологическая чистота процесса;
• возможность полной автоматизации процесса притупления острых кромок на изделиях любой формы и размеров.

Помимо притупления кромок на изделиях из стекла этот способ притупления острых кромок можно использовать для таких материалов, как сапфир, кварц, керамика, кремний и другие полупроводниковые материалы.

Данная технология притупления острых кромок изделий прошла апробацию и внедрена на ряде предприятий, в частности,  при снятии фасок на плоских дисплейных панелях.