СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН
LASER PROCESSING OF NONMETALLIC PLATES

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для отжига и легирования пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью температуры плавления материала [1].
Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния, заключающийся в облучении пластины импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью пластины температуры отжига [2].
Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы [3].
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 [4], заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношением
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
max
2
q - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м;
е - основание натурального логарифма;
2
- плотность энергии лазерного излучения, Дж/м;
τ - длительность лазерного импульса, с;
t - текущее время от начала воздействия, с.
При этом плотность энергии в импульсе должна быть достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига и рассчитывается по соотношению
f
где T - температура отжига материала, К;
0
Т - 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.
В [4] показано, что 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 происходит откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности.
Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Техническим результатом изобретения является уменьшение максимальных растягивающих напряжений в обрабатываемых материалах и исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности, что приведет к повышению выхода годных изделий в технологическом процессе обработки.
Технический результат достигается способом лазерной обработки неметаллических материалов, заключающимся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношением
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:
max
2
q - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м;
е - основание натурального логарифма;
2
- плотность энергии лазерного излучения, Дж/м;
τ - длительность лазерного импульса, с;
t - текущее время от начала воздействия, с,
а плотность энергии в импульсе рассчитывают по соотношению
f
где T - температура отжига материала, К;
0
Т - начальная температура материала, К;
с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·К);
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,
материал предварительно нагревают до температуры, рассчитываемой по соотношению
ПР
где σ - предел прочности материала на растяжение, Па;
0
с - скорость звука в материале, м/с;
К - модуль всестороннего сжатия, Па;
-1
α - коэффициент линейного расширения материала, К.
Сущность способа лазерной обработки неметаллических материалов состоит в следующем.
0
Пластину из неметаллического материала предварительно нагревают, например, в муфельной печи до температуры Т, определяемой по уравнению (3). Затем воздействуют на пластину одиночным импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, рассчитываемой по уравнению (2). При этом лазер должен работать в режиме моделированной добротности и формировать импульс, временная форма которого описывается уравнением (1). При легировании материалов в формуле (2) для определения требуемой плотности энергии лазерного импульса вместо значения температуры отжига необходимо подставлять значение температуры плавления материала.
В [3] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие в материале, описываются уравнением
где х - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, м.
В [4, 5] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие при воздействии лазерного импульса, описываемого соотношением (1), имеют минимальное значения по сравнению с напряжениями, возникающими при воздействии лазерных импульсов других временных форм, и рассчитываются по уравнению
-2χx
Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение, произойдет откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Анализ уравнения (5) показывает, что минимальная плотность энергии, приводящая к отколу материала, имеет место тогда, когда e стремится к 0. Из (5) найдем минимальную плотность энергии в лазерном импульсе, приводящую к разрушению материала термоупругими напряжениями
T
f
Разделив (6) на (2) и поставив условие W/W≥1, после несложных математических преобразований получим
0
0
Проведем анализ неравенства (7). Левая часть неравенства является константой, характеризующей свойства материала. Правая часть неравенства - функция безразмерного параметра χсτ. 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). Если левая часть неравенства больше 1, то области откольного разрушения материала не существует при любых значениях параметра χсτ. Это условие выполняется для кварцевых стекол и оптической керамики КО-6.
0
0
0
0
0
0
3
-1
-8
На фиг. 1 представлено графическое решение неравенства (7) для некоторых материалов. Видно, что для оптического стекла К8 и Ge левая часть неравенства равна 0,23 при Т=300 К и откольное разрушение возможно при значении параметра χсτ<1,4. Для GaAs левая часть неравенства равна 0,3 при Т=300 К и откольное разрушение возможно при значении параметра χсτ<1,2. Для типичных неметаллических материалов с~5·10 м/с, χ~20 см и при τ~5-10 с (характерная длительность импульса излучения лазера, работающего в режиме модулированной добротности) безразмерный параметр χсτ будет составлять ~1.
f
0
0
Анализ неравенства (7) показывает, что уменьшение разности (T-Т) приводит к увеличению левой части неравенства. Из уравнения (7) найдем значение температуры Т, до которой необходимо нагреть материал, чтобы неравенство (7) выполнялось
0
0
Например, для оптического стекла К8 при χсτ=1 для выполнения условия (7) необходимо предварительно нагреть материал до температуры Т≥545 К. Исходные данные для расчетов по оптическому стеклу К8 взяты из [3, 6].
0
Естественно, после нагрева материала до температуры Т плотность энергии лазерного излучения, необходимая для достижения поверхностью температуры отжига будет меньше и рассчитывается по уравнению (2).
Таким образом, вышеописанные отличия заявляемого способа лазерной обработки неметаллических материалов от прототипа позволяют снизить растягивающие напряжения в материале и исключить откольное разрушение со стороны облучаемой поверхности.
Литература
1. Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов VIII 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. Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. 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. Патент RU 2211753 С2, опубл. 10.09.2003, бюл. №25.
5. Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124.
6. ГОСТ 13659-88. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. - М.: Изд-во стандартов, 1988, 48 с.