PROCESO PARA EL CORTE POR LÁSER DE UN MATERIAL NO METÁLICO.

Proceso para cortar un material no metálico (1), proceso que comprende las etapas de:

proporcionar un aparato de corte por láser que tiene un láser (2), una boquilla (4) de gas y un orificio de salida (6) en la boquilla (4) de gas; situar el orificio de salida (6) a una distancia de seguridad (15) respecto de la superficie (7) del material (1); hacer fluir el gas (5) a través del orificio de salida (6) para formar una corriente (47) de gas; excitar el láser (2) para crear un haz de láser (3); enfocar el haz de láser (3) a través del orificio de salida (6) para formar una cintura (41) del haz en una posición (48) del foco en la superficie (7) del material (1), o cerca de la misma; estando el proceso caracterizado por: el láser (2) es un láser de onda continua; utilizar el láser (2) para producir un chorro (9) de plasma en la corriente (47) de gas; y utilizar el láser (2) para calentar el chorro (9) de plasma con objeto de provocar que la temperatura del chorro (9) de plasma se incremente lo suficiente para cortar el material (1) con una incisión (31) que tiene una zona superior (58) con una aspereza media menor de 5 µm Ra

Esta invención se refiere a un proceso para el corte por láser de un material no metálico.

Tradicionalmente, los dispositivos semiconductores fabricados sobre una oblea semiconductora se separan entre sí normalmente utilizando sierras de diamantes. Para impedir la formación de grietas, la velocidad del proceso de aserrado se limita normalmente a menos de 1 m/min. Serían deseables velocidades superiores para reducir costos.

Asimismo, las células solares fabricadas de polisilicio se separan tradicionalmente con sierras. Los sustratos de polisilicio son muy finos, y la velocidad del proceso de aserrado se limita para impedir el astillado.

La patente de EE. UU. número 4 224 101, de Tijburg y otros, describe un proceso para separar dispositivos semiconductores desarrollados sobre una oblea, en el cual se utiliza un láser para trazar la oblea mediante cortar ranuras en su superficie. El proceso de trazado produce contaminación debido al silicio policristalino que se adhiere a la superficie de la oblea. Tijburg y otros describen cómo esta contaminación puede ser eliminada mediante el subsiguiente ataque con ácido, antes de la finalización del proceso de separación por rotura a lo largo de las ranuradas trazadas.

La patente de EE. UU. número 4 545 464, de Takeuchi, da a conocer que el trazado por láser puede tener como resultado la formación de micro-grietas, en concreto en obleas de silicio o de zafiro en las que las micro-grietas se forman cuando se hace pasar el láser en direcciones concretas. Takeuchi evita dichas micro-grietas trazando por láser en direcciones en las cuales no se forman las micro-grietas.

La patente de EE. UU. número 5 916 460, de Imoto y Sato, estudia los problemas de micro-grietas que se producen con haces de láser de CO2 cuando se trocean dispositivos semiconductores sobre sustratos de vidrio o cerámicos. El aparato que describen contiene una guía y una toma de gas. El gas rodea el haz de láser cuando éste es enfocado sobre la superficie del semiconductor, y se utiliza el gas para retirar los residuos emitidos durante el proceso de corte. Cuando la potencia del láser se fija a un valor demasiado alto, el sustrato se fragmenta debido a un fenómeno de evaporación. Se generan muchas grietas en la superficie, el reverso, y en planos fragmentados debido a deformación térmica, y se deposita "escoria" en el reverso. Por contraste, cuando la potencia se fija a un valor bajo, no se produce evaporación. En potencias intermedias, la fragmentación se produce debido a un fenómeno de rotura. Aunque esto evita la formación de "escoria" a partir del efecto de evaporación, siguen formándose micro-grietas en la superficie, el reverso, y los planos fragmentados. Su solución es enfocar el haz de CO2 de onda continua sobre la superficie de los sustratos, y ajustar cuidadosamente la velocidad a la que se hace pasar el haz de láser a través de la superficie de sustrato, el flujo de gas, y la potencia del láser de manera que una grieta se propague en la dirección deseada. El gas de ayuda puede incluir nitrógeno, argón, aire u oxígeno, o una mezcla de dichos gases. Se dan a conocer presiones del gas en el rango de 0,5 kg/cm2 hasta 10kg/cm2. Se dan a conocer ejemplos de sustratos de alúmina, sustratos de vidrio libres de álcali, y sustratos de vidrio de borosilicatos.

La patente de EE. UU. número 6 376 797 de Piwczyk, da a conocer un método de corte de semiconductores utilizando un láser de pulsos cortos (que tiene una anchura de pulso en el rango de decenas de nanosegundos o menor) en un vacío o en un entorno gaseoso que consiste sustancialmente en uno o varios de los gases siguientes: gas de formación (tal como hidrógeno) y gases nobles. Piwczyk demuestra velocidades de corte y factores de penetración incrementados. Muestra que cuando se utiliza un láser para cortar silicio o cualquier otro material en aire, el láser debe manejarse para proporcionar una densidad de potencia máxima en el foco del haz, que sea menor que la que provoca que el aire se descomponga y forme un plasma. Esto se debe a que la formación de un plasma consume sustancialmente la totalidad o la mayor parte de la energía del láser, evitando por lo tanto el corte por láser puesto que muy poca energía alcanza el material a cortar. Asimismo, observa que siempre se forma un plasma bajo estas condiciones experimentales. Postula que esto puede deberse a un inicio retardado del plasma en el vacío y en gases inertes, en comparación con otros ambientes. Dicha explicación sería consistente con estudios de propagación del plasma tales como los presentados por C. V. Bindhu y otros en Journal of Applied Physics, volumen 94, número 12, en las páginas 7402 a 7407. Bindhu y otros muestran que tarda varias decenas de nanosegundos en formarse una chispa en argón iniciada por láser, a 1 atmósfera. Piwczyk observa asimismo que el silicio volatilizado parece conducir a la formación de plasma, tal como se ve mediante un destello azul brillante cerca de la superficie del material.

Un problema con los enfoques anteriores es que el caudal de producción en un proceso de fabricación es relativamente lento, y por lo tanto los fabricantes de dispositivos semiconductores se han resistido a dejar de utilizar sierras de diamantes para cortar obleas de silicio.

45

Un objetivo de la presente invención es dar a conocer un proceso para el corte por láser de un material no metálico, que reduce el problema mencionado anteriormente. De acuerdo con la invención, se da a conocer el proceso de la reivindicación 1.

Por un "material no metálico", se entiende un material que no es un metal eléctricamente conductor. Normalmente, los metales eléctricamente conductores se cortan utilizando un proceso de corte con plasma, en el cual la energía procedente de una fuente de potencia eléctrica es transferida a través del plasma al material que se está cortando. El plasma es un gas eléctricamente conductor que es producido por un circuito iniciador del arco eléctrico, que habitualmente produce una tensión en corriente alterna de 5000 a 10 000 V, a 2 MHz. Una vez que el gas es ionizado, el plasma es excitado y mantenido por un suministro de energía eléctrica en el rango de 240 a 400 V de corriente continua. En el proceso que se describe en el presente documento, el material que se está cortando no es un metal eléctricamente conductor, y se considera que el plasma está siendo generado, excitado y mantenido por el láser. Los materiales no metálicos, tal como se definen en el presente documento, incluyen metaloides tales como silicio y germanio semiconductores. Los materiales no metálicos comprenden asimismo materiales tales como obleas semiconductoras que contienen pistas de metalización sobre su superficie.

Tal como se verá a continuación, los resultados que pueden obtenerse con la invención son muy sorprendentes. La incisión ultra-suave junto con las velocidades de corte incrementadas de más de 8 m/min son completamente inesperadas. Éstas deben ser comparadas con las de aproximadamente 1 a 3 m/min mediante los métodos de la técnica anterior, que incluyen aserrado con diamantes y procesamiento láser. Se ha descubierto un nuevo régimen de procesamiento que se cree tendrá importantes implicaciones comerciales para un amplio rango de industrias. Además, es sorprendente que un láser CW trabajando en torno a 1 µm pueda cortar sin inducir agrietamiento y oxidación superficial significativos. Los sistemas de la técnica anterior utilizan láseres de impulsos o utilizan láseres de frecuencia triplicada o duplicada que funcionan aproximadamente a 355 nm y 532 nm, frecuentemente con una técnica de múltiples pases (aplicable solamente a silicio de menos de unos 0,2 mm de grosor) para acceder a la absorción incrementada de silicio a estas longitudes de onda. Por lo tanto, puede verse que el proceso inventivo funciona sobre un mecanismo completamente diferente y proporciona un rendimiento tremendamente mejorado.

Sorprendentemente, ajustando la distancia de seguridad se ha descubierto que el material no metálico puede ser maquinado a velocidades de proceso muy superiores a las conseguidas utilizando un proceso convencional de corte por láser. Más sorprendentemente, no pudieron observarse daños térmicos en la cara superior ni en la cara inferior del material no metálico. Se consiguieron velocidades de corte de unos 3 m/min con una oblea con un grosor de 0,68 mm. La distancia de seguridad fue de unas 50 µm. La optimización subsiguiente ha incrementado la velocidad de corte hasta 6 m/min para un grosor de la oblea de 0,69 mm, y a 8,5 m/min... [Seguir leyendo]

1. Proceso para cortar un material no metálico (1), proceso que comprende las etapas de:

proporcionar un aparato de corte por láser que tiene un láser (2), una boquilla (4) de gas y un orificio de salida (6) en la boquilla (4) de gas; situar el orificio de salida (6) a una distancia de seguridad (15) respecto de la superficie (7) del material (1); hacer fluir el gas (5) a través del orificio de salida (6) para formar una corriente (47) de gas;

excitar el láser (2) para crear un haz de láser (3); enfocar el haz de láser (3) a través del orificio de salida (6) para formar una cintura (41) del haz en una posición (48) del foco en la superficie (7) del material (1), o cerca de la misma;

estando el proceso caracterizado por: el láser (2) es un láser de onda continua; utilizar el láser (2) para producir un chorro (9) de plasma en la corriente (47) de gas; y utilizar el láser (2) para calentar el chorro (9) de plasma con objeto de provocar que la temperatura del

chorro (9) de plasma se incremente lo suficiente para cortar el material (1) con una incisión (31) que tiene una zona superior (58) con una aspereza media menor de 5 µm Ra.

2. Proceso acorde con la reivindicación 1, en el que se ajusta por lo menos una entre la intensidad del haz de láser (3), la presión del gas (5) en la corriente (47) de gas, la distancia de separación (15), y la posición (48) del foco, para provocar el incremento en la temperatura del chorro (9) de plasma.

3. Proceso acorde con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la temperatura del chorro (9) de plasma es mayor de 2000 °C.

4. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la posición (48) del foco se selecciona de manera que el chorro (9) de plasma se mantiene sustancialmente por debajo de la superficie (7) del material (1).

5. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la posición (48) del foco está entre aproximadamente 100 µm y 250 µm por debajo de la superficie (7) del material (1).

6. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la posición (48) del foco se selecciona de manera que la aspereza media es menor de 2 µm Ra.

7. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la posición (48) del foco se selecciona para definir la incisión mediante paredes laterales sustancialmente paralelas.

8. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la posición (48) del foco se selecciona para proporcionar una velocidad de corte de, por lo menos, 1m/min.

9. Proceso acorde con la reivindicación 8, en el que la posición (48) del foco se selecciona para proporcionar una velocidad de corte de, por lo menos, 5 m/min.

10. Proceso acorde con la reivindicación 9, en el que la posición (48) del foco se selecciona para proporcionar una velocidad de corte de, por lo menos, 8m/min.

11. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la presión del gas es mayor de 100 psi (689 KPa) y menor de 500 psi (3447 KPa).

12. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la distancia de seguridad (15) es menor de 250 µm.

13. Proceso acorde con la reivindicación 12, en el que la distancia de seguridad (15) es menor de 200 µm.

14. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la longitud de onda del haz de láser (3) está en el rango de 800 nm a 2500 nm.

15. Proceso acorde con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material (1) comprende, por lo menos, uno entre un semiconductor, un cristal, un vidrio o una cerámica.