Способ лазерной обработки неметаллических материалов
METHOD OF LASER PROCESSING OF NON-METALLIC MATERIALS

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для отжига или легирования пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы. 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. Обрабатываемые материалы обладают, как правило, объемным поглощением на длине волны воздействующего лазерного излучения. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношением
(1)
2
где q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/м;
1
2
b и b – константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса и определяемые из условия
, Вт/с;
-1
с;
max
2
q – максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м;
е – основание натурального логарифма;
, (2)
2
W – плотность энергии лазерного излучения, Дж/м;
τ – длительность лазерного импульса, с;
t – текущее время от начала воздействия, с.
Патент РФ на изобретение № 2211753, МПК В23К 26/00, 10.09.2003.
При этом плотность энергии в импульсе должна быть достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига и рассчитывается по уравнению
,
f
где T  – температура отжига материала, К;
0
T  – начальная температура материала, К;
с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);
3
ρ – плотность материала, кг/м;
R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения;
-1
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м.
При воздействии импульса лазерного излучения, описываемого соотношением (1), в неметаллических материалах возникают наименьшие по сравнению с другими временными формами импульсов максимальные растягивающие напряжения и существует минимальная область в плоскости параметров, характеризующих лазерный импульс и свойства материала, в которой возможно откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается уравнением (1), с плотностью энергии, определяемой уравнением (2), и предварительном нагреве материала до температуры, определяемой по соотношению
, (3)
ВР
где σ – предел прочности материала на растяжение, Па;
0
с – скорость звука в материале, м/с;
К – модуль всестороннего сжатия, Па;
Т
-1
α – коэффициент линейного расширения материала, К.
Патент РФ № 2583870, МПК H01L 21/42, 10.05.2016.
Недостатком указанного способа является то, что, при воздействии лазерных импульсов других временных форм с плотностью энергии, определяемой по уравнению (2), на материал с начальной температурой, определяемой по соотношению (3), материал будет разрушен термоупругими напряжениями вследствие откола со стороны облучаемой поверхности. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), создает минимальные термоупругие напряжения в поглощающем слое материала. Лазерные импульсы других временных форм будут создавать в поглощающем слое материала бόльшие термоупругие напряжения [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. 2004. – №4. – С. 119-124]. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), формируется при реализации схемы «задающий генератор – многокаскадный усилитель». Задающий генератор должен работать в режиме модулированной добротности. Причем последний каскад усилителя должен работать в режиме, близком к насыщению. Если каскадов усиления не более двух-трех, то выходной лазерный импульс будет иметь временную форму, близкую к треугольной форме [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – №4. – С. 119-124], описываемой уравнением:
(4)
2
где: q(t) – плотность мощности лазерного излучения Вт/см;
m
2
q – максимальное значение плотности мощности лазерного излучения Вт/см;
t – текущее время от начала воздействия, с;
τ – длительность лазерного импульса, с.
Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения, температуру предварительного подогрева материала определяют из условия термопрочности
, (5)
BP
где σ – предел прочности материала на растяжение, Па;
К – модуль всестороннего сжатия материала, Па;
Т
-1
α – коэффициент линейного расширения материала, К;
е – основание натурального логарифма;
;
-1
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м;
0
с – скорость звука в материале, м/с;
τ – длительность лазерного импульса, с,
при этом облучение осуществляют лазерным импульсом с плотностью энергии, определяемой по соотношению
, (6)
f
где T  – температура отжига материала, К;
0
T  – начальная температура материала после предварительного подогрева, К;
с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);
3
ρ – плотность материала, кг/м;
R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,
и временной формой лазерного импульса, которая описывается соотношением
(7)
2
где: q(t) – плотность мощности лазерного излучения Вт/см;
m
2
q – амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см;
t – текущее время от начала воздействия, с.
Патент РФ на изобретение № 2646177, МПК H01L 21/42, 01.03.2018. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением
, (8)
-
2
то есть положительной полуволной синусоиды, материал будет разрушен термоупругими напряжениями, так как термоупругие напряжения в материале для этого импульса больше, чем для импульса, описываемого уравнением (7) [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – № 4. – С. 119-124]. Лазерные импульсы, описываемые уравнением (8), формируются в твердотельных лазерах с пассивной модуляцией добротности (см. например [Макогон М.М., Неделькин Н.В., Сердюков В.И., Тарасов В.М. Лазеры на гранате с модуляцией добротности кристаллами LF:F // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 2 – С. 239–242]). Они являются предпочтительными, когда площадь отжига материалов невелика и имеется возможность использовать простую лазерную установку с пассивным модулятором добротности и не использовать каскады усиления лазерного импульса.
Техническим результатом изобретения является исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности и повышение выхода годных изделий в технологическом процессе обработки.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических материалов, включающем предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по соотношению
, (9)
f
где T  – температура отжига материала, К;
0
T – начальная температура материала после предварительного подогрева, К;
с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);
3
ρ – плотность материала, кг/м;
R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения, для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением
,
2
где q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/см;
m
2
q – амплитуда плотности мощности лазерного излучения, Вт/см;
t – текущее время от начала воздействия, с;
τ – длительность лазерного импульса, с,
начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнению
, (10)
BP
где σ – предел прочности материала на растяжение, Па;
К – модуль всестороннего сжатия материала, Па;
Т
-1
α – коэффициент линейного расширения материала, К;
е – основание натурального логарифма;
π ≈ 3,14;
;
-1
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м;
0
с – скорость звука в материале, м/с.
Изобретение поясняется чертежом.
0
Сущность способа лазерной обработки неметаллических материалов состоит в следующем. Перед осуществлением лазерного отжига неметаллических материалов измеряют длительность лазерного импульса и контролируют его временную форму с использованием, например, запоминающего осциллографа С8-12 и фотоэлемента ФК-19. Если временная форма лазерного импульса близка к форме, описываемой уравнением (8), пластину из неметаллического материала предварительно нагревают, например, в муфельной печи до температуры Т, определяемой по уравнению (10). Затем воздействуют на пластину одиночным импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, рассчитываемой по уравнению (9) с учетом нового значения начальной температуры. При легировании материалов в формуле (9) для определения требуемой плотности энергии лазерного импульса вместо значения температуры отжига необходимо подставлять значение температуры плавления материала.
В работе [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] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие в материале, описываются уравнением
(11)
где х – координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, м.
В работе [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – №4. – С. 119-124] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие при воздействии лазерного импульса, описываемого уравнением (8), имеют значение
, (12)
С учетом (2) для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8), уравнение (12) примет вид:
. (13)
Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение, произойдет откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Анализ уравнения (13) показывает, что минимальная плотность энергии, приводящая к отколу материала, имеет место тогда, когда  стремится к 0. Из (13) найдем минимальную плотность энергии в лазерном импульсе, приводящую к разрушению материала термоупругими напряжениями
. (14)
T
f
Разделив (14) на (9) и поставив условие W/W ≥ 1, после несложных математических преобразований получим условие термопрочности материала при лазерном отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8):
, (15)
где  – безразмерный параметр.
Проведём анализ неравенства (15). Левая часть неравенства является константой, характеризующей свойства материала и показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям. Правая часть неравенства – функция безразмерного параметра а, зависящая от временной формы лазерного импульса. Если неравенство выполняется, то температура отжига (плавления) материала достигается при меньшей плотности энергии, чем разрушения материала термоупругими напряжениями. В противном случае разрушение материала термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотности энергии, чем требуется для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления).
f
0
0
Анализ неравенства (15) показывает, что уменьшение разности (Т – T) приводит к увеличению левой части неравенства. Из соотношения (15) найдем значение температуры Т, до которой необходимо нагреть материал для выполнения условия термопрочности
. (16)
Формулы для критерия термопрочности и для расчета значения начальной температуры для прототипа изобретения имеют вид:
; (17)
. (18)
BP
Т
f
0
0
7
10
-6
-1
3
-1
3
На чертеже представлено графическое решение неравенств (15) и (17) для цветного оптического стекла СЗС21, для которого σ = 6·10 Па, К=4·10 Па, α = 7,6·10 К, T = 770 К, T = 300 К, с = 710 Дж/(кг·К), ρ = 2520 кг/м, R = 0,04, χ = 21 см для длины волны лазера 1,06 мкм, с = 5,7·10 м/с. Левая часть неравенств (15) и (17) равна 0,28. Видно, что для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (7), условие термопрочности выполняется при a ≥ 2, для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8), условие термопрочности выполняется при a ≥ 3.
-7
2
2
2
1
f
Т
0
f
f
Т
Пример реализации способа. Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла излучением лазера на длине волны 1,06 мкм. Длительность импульса составляет 1,2·10 с, временная форма лазерного импульса описывается уравнением (8). Безразмерный параметр a = 1,43, f(1,43) > 0,28. Условие термопрочности (15) не выполняется. W = 41,7 Дж/см. W = 24,5 Дж/см. Расчеты выполнены по уравнениям (3) и (14) соответственно. Лазерный отжиг невозможен, так как материал будет разрушен термоупругими напряжениями. Для предотвращения разрушения материала произведем его предварительный нагрев до температуры не менее 513 К (то есть начальную температуру материала надо увеличить на 213 К). Расчет произведен по соотношению (16). Для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (7) для прототипа необходимо было бы нагреть материал до температуры 488 К. Расчет выполнен по уравнению (18). Следовательно, критерий термопрочности был бы не выполнен для временной формы, описываемой уравнением (8), и материал был бы разрушен термоупругими напряжениями в процессе отжига. Пусть материал будет нагрет до температуры 520 К. Теперь для нового значения начальной температуры Т = 520 К W = 22,2 Дж/см. Видно, что W меньше W. Лазерный отжиг импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8), возможен.
Таким образом, вышеописанные отличия способа лазерной обработки неметаллических материалов от прототипа позволяют исключить их разрушение термоупругими напряжениями при отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8), и повысить выход годной продукции. Если требуется произвести легирование неметаллических материалов, то в приведенные формулы для определения неразрушающего режима обработки вместо температуры отжига следует подставлять температуру плавления материала.