Резка сапфира алмазно-канатной пилой для производства подложек для светодиодов и оптических компонентов

Сапфир — монокристаллический оксид алюминия (Al₂O₃) — занимает особое место среди материалов для полупроводников. Сам по себе он не является полупроводником, но служит подложкой для выращивания самого коммерчески значимого соединения — нитрида галлия, используемого для LED и силовых полупроводниковых приборов. Также сапфир — это и оптический материал, обладающий свойствами, которые делают его предпочтительным по сравнению со стеклом или кварцем в требовательных задачах: высокая пропускная способность от УФ до ближнего ИК-диапазона, высокая твёрдость и термостойкость, позволяющие применять его в высокомощных лазерных системах, аэрооптике и окнах для высокотемпературных датчиков.

Два основных направления применения — производство LED-подложек и высокоточных оптических компонентов — имеют разные производственные требования, но обе сферы предъявляют схожие требования к резке. В обоих случаях необходимо получить поверхность без микротрещин и сколов, которые возникают при дисковой резке твёрдого, хрупкого и анизотропного материала. Также важно эффективно использовать материал: сапфировые болы, как и SiC, дороги, и потери на пропил имеют значение.

Данный проект охватывает операции распиловки по обоим направлениям — резку плоских подложек для LED и получение круглых профилей для оптических окон — на одной платформе канатной пилы, настроенной под каждую задачу индивидуально.

Сапфир твёрже кремния и большинства оптических стёкол, но главная сложность не в твёрдости. Основная проблема — в анизотропии: механические свойства изменяются в зависимости от кристаллографического направления, а основная масса изделий из сапфира требует резки по определённым кристаллографическим ориентациям.

LED-подложки режутся из сапфира по пласти c-плоскости (0001) — перпендикулярно оптической оси кристалла. Для изделий силовой электроники часто используют ориентации a-плоскости (11-20) или r-плоскости (1-102). Механическая реакция сапфира на режущие усилия сильно зависит от ориентации: плоскости спайности, идущие вдоль направления резки, не создают проблем, но тот же рез в перпендикулярном направлении может приводить к росту трещин по этим плоскостям спайности, если приложение усилия не контролируется. Резка канатной пилой с равномерным распределением нагрузки по всей длине контакта лучше контролирует этот процесс, чем методы с локализованной или ударной нагрузкой.

Для LED-технологии сапфировая подложка — это поверхность для выращивания эпитаксиального слоя GaN. Качество поверхности после распиловки, а именно глубина и характер подповерхностных повреждений, прямо влияют на рост GaN и, соответственно, на параметры готовых LED-структур. Если подложка имеет глубокие подповерхностные трещины после резки, потребуется снять больше материала при доводке и полировке для получения поверхности, пригодной под эпитаксию. Это увеличивает число операций, стоимость и уменьшает итоговую толщину подложки для устройства.

В оптических окнах и куполах используют сапфир в форме дисков, деталей с заданной геометрией торца и криволинейных элементов. Такие формы нельзя получить прямой распиловкой. Для этих задач оптимальна кольцевая канатная система, позволяющая нарезать из цилиндрических заготовок круговые заготовки. К этим деталям предъявляются те же требования по качеству поверхности: минимальные сколы по краю, контролируемые подповерхностные повреждения, отсутствие микротрещин, которые бы рассеивали проходящий свет в оптических применениях.

Для двух операций резки, реализованных в рамках проекта, использовались разные конфигурации системы, обусловленные тем, что каждая геометрия требует своего траектории каната при неизменном требовании к стабильности и низкому уровню напряжений в абразивной резке.

Для распиловки плоских LED-подложек применялась ЧПУ-канатная пила, параметры которой были выбраны для резки именно по c-плоскости конкретной партии кристаллов. Диаметр каната, натяжение и скорость подачи были установлены таким образом, чтобы обеспечить требуемую производительность при соответствующем уровне повреждений под поверхностью — по требованию, чтобы глубина повреждений укладывалась в норму съёма материала на последующих стадиях доводки и полировки. Положение заготовки в оснастке контролировалось перед запуском резки для исключения отклонений плоскости реза от требуемой кристаллографической ориентации.

Кольцевая резка круглых профилей для оптических окон выполнялась в режиме циркулярной резки на той же системе. Заготовка — цилиндр из сапфира требуемого диаметра — закреплялся на вращающемся столе, и канат нарезал диски, проходя по его поверхности. В результате получались круглые диски с чистыми краями и поверхностью без сколов, неизбежных при прямом резе круглых заготовок входом/выходом диска.

В обоих режимах отдельно оптимизировалась формула режущей жидкости под сапфир — требования к смыву шлама и охлаждению каната у сапфира отличаются от стандартной обработки кремния, поэтому универсальная жидкость, дающая хороший результат на кремнии, не всегда обеспечивает оптимальную поверхность на сапфире.

Обе задачи были выполнены в рамках производственного задания. Несколько технических деталей, на которые стоит обратить внимание:

Плоские распилы для LED-подложек не имели видимых сколов по кромке на с-плоскости. Глубина подповерхностных повреждений по контрольным сечениям соответствовала спецификации под последующую полировку. Контроль кристаллографической ориентации в настройке оснастки перед стартом показал соответствие плоскости реза допускам для использования подложек в LED, отклонений по ориентации во всей партии не выявлено.

Круглые диски, полученные для оптических окон, имели ровные края по всей окружности. Кольцевой режим резки исключил сколы, которые возникают при входе/выходе диска в массив при прямом пилении. Это устойчивое преимущество круговой технологии резки для цилиндрических заготовок из сапфира.

По потерям на распил: выбранные диаметр и параметры каната обеспечили минимальную ширину пропила, которую реально получить по сапфиру на оборудовании такого класса. При высокой стоимости каждого распила разница в материале между оптимизированными и неоптимизированными параметрами оправдывает затраты времени на настройку — даже для средних объёмов производства.

Резка сапфира не является типовой процедурой для всех применений. Требования для LED отличаются от требований к оптике, требования к поверхности для эпитаксии другие, чем к окну, геометрия круглого диска отличается от плоской подложки. Оптимальная технология под каждое применение обсуждается индивидуально и не сводится к универсальному «рецепту» обработки сапфира.

Мы не публикуем данные клиентов, проектов или источников сырья. Если Ваша компания выпускает сапфировые подложки под светодиоды и силовые приборы либо режет сапфир для оптики — оборудование Dinosaw Machinery готово обсудить индивидуальные параметры резки по Вашей геометрии, ориентации и требуемому качеству поверхности.

Свяжитесь с нами и направьте Ваши требования к заготовке или компоненту.