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, МПК В23К 26/03, 2009 г.
Известна также установка для лазерной обработки материалов, включающая источник лазерного излучения, вдоль оптической оси которого размещены сканирующее устройство и фокусирующая линза. Патент на полезную модель РФ №94892, МПК В23К 26/06, 2010 г.
Известна также установка для лазерной обработки материалов, содержащая источник лазерного излучения, вдоль оптической оси которого расположены сканирующее устройство и фокусирующая линза. Патент на полезную модель РФ №116393, МПК В23К 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.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по составу элементов является установка для лазерной обработки кольцевым пучком. Патент РФ №2068328 МПК В23К 26/00. Опубликован 27.10.1996. Установка содержит лазер, телескопическую систему с отрицательной и положительной линзами, две конические линзы, поворотное интерференционное зеркало и фокусирующую систему. Установка предназначена для пробития кольцевых отверстий в пластинах и не может быть использована для лазерного отжига полупроводниковых материалов, так как обладает теми же недостатками, что и аналоги.
Техническим результатом полезной модели, совпадающим с задачей, на решение которой она направлена, является увеличения выхода годной продукции при лазерном отжиге полупроводников с имплантатом за счет распределения плотности мощности на поверхности обрабатываемых пластин, близкой к равномерной.
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, поворотное диэлектрическое зеркало, установленное под углом к оси пучка, и две идентичные конические линзы, перед первым диэлектрическим зеркалом устанавливают диафрагму, диаметр отверстия в которой определяют по уравнению
otv
e
d=3,2r,
e
где r - 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 располагают под углом к оси пучка, отраженного первым диэлектрическим зеркалом, обеспечивающим его совмещение на поверхности обрабатываемой пластины с пучком, прошедшим конические линзы.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3.
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, диэлектрическое зеркало 5, делящее лазерный пучок на два пучка равной мощности, диэлектрическое зеркало 6 с коэффициентом отражения R~0,999, которое направляет отраженный зеркалом 5 лазерный пучок на обрабатываемую полупроводниковую пластину 7, две конические линзы 8 и 9, расположенные на расстоянии L друг от друга и преобразующие прошедший через диэлектрическое зеркало 5 лазерный пучок таким образом, что периферийные лучи оказываются в центре пучка, а центральные лучи - на периферии. На обрабатываемой пластине 7 лазерный пучок, прошедший через конические линзы 8 и 9 складывается с пучком, отраженным зеркалом 6.
Установка для лазерной обработки работает следующим образом.
Лазер 1 излучает пучок с распределением плотности мощности по его сечению в соответствии с функцией Гаусса
где r - текущий радиус;
0
q - плотность мощности лазерного излучения на оси пучка;
e
r - радиус, при котором плотность мощности уменьшается в «е» раз;
е - основание натурального логарифма.
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 фиг. 2 показано в относительных единицах распределение плотности мощности по сечению пучка А-А. Диафрагмой 4 из Гауссова пучка вырезается пучок требуемого диаметра. Затем диэлектрическим зеркалом 5 лазерный пучок делится на два пучка. Коэффициент отражения зеркала 5 определяют из условия равенства мощностей двух пучков на обрабатываемой пластине 7 и рассчитывают по уравнению
2
где R - коэффициент отражения от обеих поверхностей каждой конической линзы, определяемый по уравнению
где n - показатель преломления материала конической линзы.
2
1
Например, если конические линзы изготовлены из оптического стекла К8 с показателем преломления n=1,5, то R=0,08 и R=0,458. Предполагается, что конические линзы 8 и 9 изготовлены из одного материала и имеют одинаковый угол β у основания. Далее конической линзой 8 лазерный пучок отклоняется от первоначального направления к оси линзы на угол, определяемый по уравнению
На расстоянии L, определяемом по уравнению
otv
где d - диаметр отверстия в диафрагме 4,
otv
e
e
max
min
otv
устанавливают вторую коническую линзу 9, которая преобразует расходящийся под углом φ лазерный пучок в параллельный пучок таким образом, что периферийные лучи оказываются в центре пучка, а центральные - на периферии. На фиг. 3 показано в относительных единицах распределение плотности мощности в пучках в сечениях В-В (ряд 1), С-С (ряд 2) и в D-D (ряд 3) на поверхности обрабатываемой пластины 7 при диаметре отверстия в диафрагме d=3,2r, то есть при r/r=1,6. Распределение плотности мощности на поверхности пластины получают суммированием плотностей мощности двух пучков при совмещении их центров. Видно, что распределение плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой пластине близко к равномерному. Расчеты показывают, что отношение максимальной плотности мощности q на поверхности пластины к минимальной плотности мощности q составляют не более 1,05. В таблице приведены результаты расчетов для различных значений d.
otv
e
Видно, что при d=3,2r распределение плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой пластине наиболее близко к равномерному, что уменьшает возможность образования дефектов отжига и повышает выход годной продукции. Кроме того, в предложенной установке полезно используется почти вся площадь гауссова пучка, что приводит к уменьшению энергетических затрат на обработку по сравнению с известными методами.
Таким образом, решается поставленная задача и достигается заявленный технический эффект, выражающийся в увеличении выхода годной продукции за счет равномерного распределения плотности мощности лазерного излучения на поверхности обрабатываемой полупроводниковой пластины с имплантатом.