Способ лазерного отжига неметаллических пластин
METHOD FOR LASER ANNEALING OF NON-METALLIC PLATES

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении поверхности пластины импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для плавления поверхностного слоя [Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с 24]. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния [Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с 29]. Недостатком указанных способов является то, что они не учитывают термоупругие напряжения, возникающие в пластинах в процессе обработки. Так как обрабатываемые материалы являются частично прозрачными для воздействующего излучения, возможны такие режимы, при которых термоупругие напряжения, способные разрушить пластины, будут определяющими в технологических процессах.
1
2
Также известен способ обработки неметаллических материалов [Патент на изобретение RU 2211753 С2, МПК B23K 26/00, 10.09.2003], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности 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
2
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м;
τ - длительность импульса лазерного излучения, с;
1
2
b и b - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;
e - основание натурального логарифма;
t - текущее время от начала воздействия, с.
-6
-2
-6
Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины при воздействии лазерных импульсов длительностью менее 10 с, когда рассматривается динамическая задача термоупругости [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов // Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124]. Но этот способ не работает, когда длительность лазерного импульса составляет ~10-10 с и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.
Известен способ лазерной обработки [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С. 31-33.], в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяется по соотношению
где  - температура отжига;
0
T - начальная температура;
c и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
R - коэффициент отражения материала пластины;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения.
Недостатком способа является то, что он не позволяет минимизировать термоупругие напряжения и уменьшить энергетические затраты в процессе обработки.
Известен также способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии
где h - толщина пластины,
и возвращении в пластину вышедшего через тыльную поверхность лазерного излучения при помощи диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, близким к единице, в пластину. Патент на изобретение №2574327 С1. МПК H01L 21/42. Опубликован 10.02.2016. Бюллетень №4 - прототип. Недостатком указанного способа является то, что для многих неметаллических материалов существует область изменения безразмерного параметра χh, в которой возможно разрушение обрабатываемых пластин термоупругими напряжениями.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода годных за счет исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, включающем воздействие на их поверхность лазерным пучком с минимально возможной расходимостью и плотностью энергии в импульсе, определяемой по уравнению
,
где  - температура отжига пластины;
0
T - начальная температура пластины;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
R - коэффициент отражения материала пластины;
e - основание натурального логарифма;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;
h - толщина пластины,
и возвращение в пластину вышедшего через ее тыльную поверхность излучения при помощи диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1, предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по соотношению
BP
где σ - предел прочности материала пластины на растяжение;
ν - коэффициент Пуассона материала пластины;
E - модуль Юнга материала пластины;
T
α - коэффициент линейного расширения материала пластины,
и, если оно не выполняется, перед воздействием лазерного излучения нагревают пластину до температуры, определяемой по соотношению
Ниже приводится более подробное описание способа обработки неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.
Сущность способа состоит в следующем. Для осуществления лазерного отжига пластины из неметаллического материала ее поверхность подвергают воздействию лазерного импульса. Для предотвращения изгиба пластины при обработке, ее, как правило, свободно защемляют по контуру [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С.31-33]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемленной по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине пластины, возникают термоупругие напряжения [Коваленко А.Д. Термоупругость. - Киев, «Вища школа», 1973. - 216 с.]:
где:
Е - модуль Юнга материала пластины;
ν - коэффициент Пуассона материала пластины;
T
α - коэффициент линейного расширения материала пластины;
z - координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь.
Уравнения (3) и (4) показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают в сечении пластины z=h, где температура минимальна.
Если выполняется условие
то температурное поле в пластине к концу действия лазерного импульса будет определяться уравнением [Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / П.П. Рыкалин, А.А Углов, И.В. Зуев, А.П. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.]
а
- коэффициент температуропроводности материала пластины;
u
τ - длительность лазерного импульса;
- плотность энергии лазерного излучения.
u
Условие (5) для большинства полупроводниковых, стеклообразных и керамических материалов выполняется при τ<0,01 с.
Большинство неметаллических материалов являются частично прозрачными для лазерного излучения. Если лазерное излучение, вышедшее из пластины, при помощи зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1, направить назад в пластину, то температурное поле в пластине будет определяться соотношением
На фиг. 1 представлена лазерная установка, позволяющая осуществлять такой режим воздействия и включающая: 1 - импульсный лазер, 2 - фокусирующую линзу, 3 - рассеивающую линзу, 4 - обрабатываемую пластину, 5 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения, близким к 1. Линзы 2 и 3 размещают софокусно. Подбором фокусных расстояний линз 2 и 3 обеспечивают требуемый диаметр лазерного пучка.
Подставив (7) в (4) и (3) и выполнив математические преобразования, получим соотношения для расчета максимальных растягивающих термоупругих напряжений, возникающих в сечении пластины z=h, где температура минимальна
Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала пластины на растяжение, она будет разрушена термоупругими напряжениями. Так как предел прочности материала имеет разброс от образца к образцу и в различных партиях пластин вследствие дефектов, неизбежен брак в процессе их обработки. Из уравнения (8) найдем плотность энергии лазерного излучения, приводящую к разрушению пластины термоупругими напряжениями
BP
где σ - предел прочности материала пластины на растяжение.
Из уравнения (7) получим уравнение для расчета плотности энергии, требуемой для достижения поверхностью пластины температуры отжига
Разделив (9) на (10) и поставив условие , получим условие (критерий) термопрочности пластины при импульсном лазерном отжиге
2
-1
Физический смысл условия термопрочности (11) заключается в следующем: достижение поверхностью пластины температуры отжига должно происходить при меньших плотностях энергии, чем требуется для разрушения ее термоупругими напряжениями. Проведем анализ соотношения (11). Левая часть неравенства не зависит от безразмерного параметра χh и является безразмерной константой, характеризующей отношение предела прочности материала пластины к максимально возможным термоупругим напряжениям в ней (см. фиг. 2, ряд 2). Правая часть неравенства является монотонной выпуклой функцией безразмерного параметра χh (см. фиг. 2, ряд 1). Исследования на экстремум функции  показывают, что она достигает максимального значения, равного 0,23, при χh≈3. На рисунке фиг. 2, где показано графическое решение неравенства (11) для пластины из цветного оптического стекла СЗС17, можно выделить три области. В области 1, где χh<0,95, неравенство (11) выполняется. Следовательно, можно осуществлять импульсный лазерный отжиг, не опасаясь разрушения пластины термоупругими напряжениями. В области 2, в которой 0,95<χh<8, неравенство (11) не выполняется. Разрушение пластины термоупругими напряжениями произойдет при меньших плотностях энергии, чем требуется для достижения ее поверхностью температуры отжига. В области 3 параметр χh>(χh)=8 и неравенство (11) вновь выполняется. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг пластин. Если мы используем для отжига пластин из цветного оптического стекла СЗС17 импульсный лазер с длиной волны 1,06 мкм, показатель поглощения для которой в данном стекле составляет 10 см [ГОСТ 9411-90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992. 48 с.], то пластины толщиной от 0,095 см до 0,8 см будут разрушены термоупругими напряжениями при плотности энергии лазерного излучения меньшей, чем требуется для отжига.
В этом случае необходимо предварительно нагреть пластину до температуры, при которой условие термопрочности будет выполняться. Из неравенства (11) найдем значение температуры, до которой необходимо нагреть пластину
0
Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения условия термопрочности температуры T и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины. Время выдержки определяют из критерия Фурье, определяющего тепловую инерцию пластины
B
где t - время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре.
-1
2
2
3
-6
-1
-3
2
2
ΒΡ
T
а
После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (10). В результате воздействия лазерного импульса температура поверхности пластины достигнет температуры отжига. Пример осуществления способа. Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла СЗС17 толщиной 0,5 см. Показатель поглощения данной марки стекла для излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 10 см. Безразмерный параметр χh=5. Начальную температуру пластины примем равной 300 K, температуру отжига - 1050 K. Расчет по уравнению (10) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии в лазерном импульсе 155 Дж/см. Расчет по уравнению (9) показывает, что плотность энергии в лазерном импульсе, приводящая к разрушению пластины термоупругими напряжениями, составляет 102 Дж/см. Рассчитаем левую и правую части условия термопрочности (11). Правая часть неравенства (11) при χh=5 составляет 0,186. Левая часть неравенства (11) составляет 0,123. Видно, что условие термопрочности не выполняется. Пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Чтобы этого не произошло, необходимо пластину предварительно нагреть в муфельной печи до температуры не менее 556 K и выдержать при этой температуре не менее 125 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (12) и (13) при следующих исходных данных: с=760 Дж/(кг⋅K); ρ=2500 кг/м; σ=70 МПа, Ε=80 ГПа, ν=0,2, α=7,6⋅10 K, =6⋅10 см/с. Затем воздействуют на пластину лазерным импульсом с плотностью энергии 102 Дж/см. Расчеты проведены по уравнению (10) для нового значения начальной температуры, равного 556 K. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.
Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин приводит к повышению выхода годных за счет исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.