Установка для лазерной обработки

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для высокотемпературного лазерного отжига полупроводниковых пластин, в частности для улучшения характеристик приборов и выхода годных деталей при использовании технологии ионной имплантации.
Известна установка для лазерной обработки материалов, содержащая источник лазерного излучения и фокусирующую линзу. Патент US №7863544, 04.01.2011.
Известна также установка для лазерной обработки материалов, включающая источник лазерного излучения, вдоль оптической оси которой размещены сканирующее устройство и фокусирующая линза. Патент на полезную модель РФ №94892, МПК - B23K 26/06, 10.06.2010.
Известна также установка для лазерной обработки материалов, содержащая источник лазерного излучения, вдоль оптической оси которой расположены сканирующее устройство и фокусирующая линза. Патент на полезную модель РФ №116393, МПК B23K 26/02. Опубликован 27.05.2012.
00
Недостатком перечисленных аналогов является неравномерное распределение энергии лазерного излучения по поперечному сечению пучка. Как правило, плотность мощности технологических лазеров, работающих на моде ТЕМ, и имеющих минимально возможную расходимость лазерного пучка, распределена по сечению пучка по закону Гаусса. Известно (Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 - 664 с. Стр. 605.), что изменение концентрации имплантата по толщине полупроводника существенно зависит от плотности энергии лазерного излучения, воздействующей на полупроводник. Отклонение плотности мощности при непрерывном режиме воздействия или плотности энергии при импульсном режиме воздействия более чем на 8% приводит к дефектам отжига. Чтобы уменьшить появление дефектов осуществляют лазерный отжиг полупроводников, вырезая центральную часть лазерного пучка диафрагмой, что приводит к потере до 40% энергии излучения, или реализуют многопроходный режим воздействия с перекрытием площадей воздействия лазерных пучков, что увеличивает время обработки (Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 - 664 с. Стр. 604-607).
Известна также установка для лазерной обработки (Коваленко А.Ф. Патент РФ на полезную модель №162815, МПК B23K 26/064, опубл. 27.06.2016 бюл. №18), содержащая лазер и расположенные на оси лазерного пучка телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из положительной линзы и отрицательной линзы, поворотное диэлектрическое зеркало, установленное под углом к оси пучка, две идентичные конические линзы, диафрагму, установленную перед первым диэлектрическим зеркалом, диаметр отверстия в которой определяют по уравнению
re
где  - радиус, при котором плотность мощности по сечению гауссова пучка уменьшается в «е» раз;
е
- основание натурального логарифма,
коэффициент отражения первого диэлектрического зеркала определяют по уравнению
,
2
где R - коэффициент отражения от обеих поверхностей каждой конической линзы, расстояние L между первой и второй коническими линзами устанавливают равным
,
где β - угол у основания конической линзы;
n - показатель преломления материала конической линзы,
а второе диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 0,999 расположено под углом к оси пучка, отраженного первым диэлектрическим зеркалом, обеспечивающим его совмещение на поверхности обрабатываемой пластины с пучком, прошедшим конические линзы. Прототип.
Недостатком прототипа является относительно невысокая плотность мощности на поверхности обрабатываемой пластины, составляющая примерно 50% от плотности мощности на оси лазерного пучка после телескопического преобразователя.
Техническим результатом полезной модели, совпадающим с задачей, на решение которой она направлена, является увеличения плотности мощности лазерного пучка на поверхности обрабатываемой пластины при сохранении примерно равномерного ее распределения на поверхности пластины.
Технический результат достигается тем, что в установке для лазерной обработки, содержащей лазер и расположенные на оси лазерного пучка телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из положительной линзы и отрицательной линзы, диафрагму, диаметр отверстия в которой определяют по уравнению
d1
e
=3,2r,
re
где  - радиус, при котором плотность мощности лазерного излучения по сечению гауссова пучка уменьшается в «е» раз;
е
- основание натурального логарифма,
L
коническую линзу и обрабатываемую пластину, коническая линза имеет отверстие, диаметр которого в два раза меньше отверстия в диафрагме, а обрабатываемая пластина расположена от конической линзы на расстоянии , определяемом по уравнению
,
β
где  - угол у основания конической линзы;
n
- показатель преломления материала конической линзы.
2
1
Сущность полезной модели поясняется рисунками фиг. 1 - фиг. 3. На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки, содержащая лазер 1, телескопическую систему преобразования диаметра лазерного пучка, образованную положительной линзой 2 и отрицательной линзой 3, диафрагму 4, диаметр отверстия в которой определен по уравнению (1), коническую линзу 5, диаметр отверстия в которой составляет d=d/2 и обрабатываемую пластину 6.
Установка для лазерной обработки функционирует следующим образом. Лазер 1 излучает пучок с распределением плотности мощности по его сечению в соответствии с функцией Гаусса
r
где  - текущий радиус;
q0
- плотность мощности лазерного излучения на оси пучка;
re
- радиус, при котором плотность мощности уменьшается в «е» раз;
е
- основание натурального логарифма.
d1=3,2re
d1
d2=d1/2
d1
d2
Телескопическим преобразователем, образованным положительной линзой 2 и отрицательной линзой 3 осуществляется уменьшения диаметра пучка излучения для повышения плотности мощности в нем. При этом закон распределения плотности мощности по сечению пучка сохраняется. На рисунке фиг. 2 показано в относительных единицах распределение плотности мощности по сечению пучка А-А. Диафрагмой 4 из Гауссова пучка вырезается пучок диаметром . Далее лазерный пучок диаметром  падает на коническую линзу 5. Часть лазерного пучка диаметром  пропускается через отверстие в конической линзе 5 на обрабатываемую пластину 6. Вторая часть лазерного пучка в виде кольца с внешним диаметром  и внутренним диаметром  отклоняется от первоначального направления к оси установки на угол, определяемый по уравнению
β
где  - угол у основания конической линзы;
n
- показатель преломления материала конической линзы.
Если обрабатываемую пластину разместить на расстоянии от конической линзы L, которое рассчитывают по уравнению
d1/2
d2/2
d2/2
max
min
то луч, отстоящий от оптической оси на расстоянии , на поверхности пластины окажется в центре лазерного пучка, а луч, отстоящий от оптической оси на расстоянии , на поверхности пластины окажется на периферии лазерного пучка. То есть, на поверхности пластины 6 формируется лазерное пятно диаметром . На рисунке фиг. 3 показано в относительных единицах распределение плотности мощности в сечениях В-В на поверхности пластины 6 в пучке, прошедшем через отверстие в конической линзе 5 (ряд 1), в пучке, отклоненном конической линзой 5 (ряд 2), и суммарная плотность мощности (ряд 3). При расчетах учтены потери на отражение от обеих поверхностей конической линзы, которые составляют примерно 8% при изготовлении конической линзы из оптического стекла К8. Видно, что распределение плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой пластине близко к равномерному распределению. Расчеты показывают, что отношение максимальной плотности мощности q на поверхности пластины к минимальной плотности мощности q составляют не более 1,07.
Таким образом, решается поставленная задача и достигается заявленный технический эффект, выражающийся в увеличении плотности мощности лазерного излучения на поверхности обрабатываемой пластины в два раза по сравнению с прототипом.