СПОСОБ ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PROCESSING NONMETALLIC MATERIALS

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их импульсом лазерного излучения [1]. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легировавного кремния [2]. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материалах термоупругие напряжения могут привести к отколу со стороны облучаемой поверхности.
Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига, заключающийся в облучении их одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы [3].
Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
1
2
Также известен способ обработки неметаллических материалов [4], в котором обработка осуществляется путем облучения материалов импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b и b, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношением
<mrow><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mi>t</mi></mrow></msup><mo>;</mo><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><mi>τ</mi><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn><mo>;</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><mo>></mo><mi>τ</mi><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
2
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м;
τ - длительность лазерного импульса, с;
1
2
b и b - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;
t - текущее время от начала воздействия, с.
Известен способ лазерной обработки отверстий [5], в котором плотность энергии, поглощенной в испаренном слое, равна
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mi>z</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mi>u</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>,</mo><mtext>                       (1)</mtext></mrow>
где z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;
ρ - плотность материала;
u
L - скрытая теплота испарения единицы массы.
Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком слое материала (много меньше толщины испаренного слоя) и не учитывает поглощение в парах материала и увеличение внутренней энергии пара. Оно справедливо для небольшого диапазона плотностей мощности лазерного излучения, когда поглощением в парах материала можно пренебречь. Кроме того, уравнением (1) нельзя пользоваться, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например, в слое толщиной несколько миллиметров.
u
В выражении (1) в [5] скрытая теплота испарения L характеризует испарение материала с поверхности светового пятна. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на котором происходит обработка материала.
Этот способ выбран в качестве прототипа. Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением. Например, стеклообразные, керамические и полупроводниковые материалы могут обладать объемным поглощением на длине волны воздействующего излучения. Если выполняются условия:
<mrow><mi>χ</mi><mo>></mo><mo>></mo><msqrt><mrow><mi>a</mi><mi>τ</mi></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>n</mi></msub><mo>></mo><mo>></mo><msqrt><mrow><mi>a</mi><mi>τ</mi></mrow></msqrt></mrow>
и
,
где χ - показатель поглощения материала;
a
- коэффициент температуропроводности материала;
τ - длительность лазерного импульса;
n
R - радиус пятна лазерного излучения,
то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности. Плотность мощности лазерного излучения в материале определяется уравнением [5]:
0
-χz
q(t, z)=(1-R)q(t)e,
где R - коэффициент отражения материала;
0
q(t) - плотность мощности лазерного излучения;
z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала.
Если в сечении z поглощенная энергия превысит удельную энергию сублимации материала, то есть будет выполнено условие
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>χ</mi><mi>z</mi></mrow></msup><mo>≥</mo><mi>Q</mi><mo>,</mo><mtext>                 (2)</mtext></mrow>
где R - коэффициент отражения материала;
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>τ</mi></munderover><mrow><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
- плотность энергии лазерного излучения;
q(t) - плотность мощности лазерного излучения;
z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;
Q - удельная энергия сублимации материала,
то произойдет испарение поглощающего слоя материала. Из (2) получим соотношение для толщины испаренного слоя
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>χ</mi></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Масса испаренного на единицу площади материала составит
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mi>z</mi><mi>ρ</mi><mfrac><mi>ρ</mi><mi>χ</mi></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где - ρ плотность материала.
Удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>У</mi><mi>Д</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>m</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>W</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>.</mo><mtext>           (3)</mtext></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi><mi>W</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>e</mi></mrow>
УД
Исследование на экстремум уравнения (3) показывает, что удельный унос массы имеет максимум при
(e - основание натурального логарифма), причем величина m в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет
УД
max
(m)≈0,368ρ/Q.
С целью экономии энергозатрат обработку материалов целесообразно осуществлять с плотностью энергии лазерного излучения
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>e</mi><mi>Q</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>χ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Толщина испаренного слоя тогда будет равна 1/χ. Увеличение глубины канавки при обработке получают воздействием нескольких импульсов. Таким образом, соблюдается оптимальный режим обработки неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением на длине волны воздействующего лазера.
Литература
1. Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов / ТЛ Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с 24.
2. Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с. 29.
3. Бакеев А.А., Соболев А.П., Яковлев В.И. Исследования термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса. ПМТФ, - 1982. - №6. - с.92-98.
4. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. RU 2211753 C2.
5. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учеб. пособие для вузов / А.Г.Григорьянц, А.А. Соколов; Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк. 1998. - 191 с.: ил. ISBN 5-06-001453-3.