Установка для лазерной обработки

Установка для лазерной обработки
МПК B23K 26/064
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 B2, МПК B23K 26/03, 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 РФ на полезную модель № 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, 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, что изменение концентрации имплантата по толщине полупроводника существенно зависит от плотности энергии лазерного излучения, воздействующей на полупроводник (см.: Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с. – С. 605). 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 (см.: Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с. – С. 604–607).
Известна также установка для лазерной обработки, 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
1
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 расположено под углом к оси пучка, отраженного первым диэлектрическим зеркалом, обеспечивающим его совмещение на поверхности обрабатываемой пластины с пучком, прошедшим конические линзы. Патент РФ на полезную модель № 162815, МПК B23K 26/064, 27.06.2016. Недостатком указанной установки является относительно невысокая плотность мощности на поверхности обрабатываемой пластины, составляющая примерно 50 % от плотности мощности на оси лазерного пучка после телескопического преобразователя.
1
e
e
Известна также установка для лазерной обработки, содержащая лазер и расположенные на оси лазерного пучка телескопический преобразователь диаметра пучка, состоящий из положительной линзы и отрицательной линзы, диафрагму с диаметром отверстия d=3,2r, где r – радиус, при котором плотность мощности лазерного излучения по сечению гауссова пучка уменьшается в «е» раз, е – основание натурального логарифма, и коническую линзу, диаметр отверстия в которой равен половине диаметра отверстия в диафрагме, при этом установка выполнена с возможностью расположения обрабатываемой пластины на расстоянии L от конической линзы, которое определяют по уравнению
,
где β – угол у основания конической линзы;
n – показатель преломления материала конической линзы.
Патент РФ на полезную модель № 174838, МПК B23K 26/064, 03.11.2017. Указанная установка выбрана в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является относительно невысокая плотность мощности на поверхности обрабатываемой пластины, равная примерно плотности мощности на оси лазерного пучка после телескопического преобразователя.
Техническим результатом полезной модели, совпадающим с задачей, на решение которой она направлена, является увеличение плотности мощности лазерного пучка на поверхности обрабатываемой пластины при сохранении примерно равномерного её распределения на поверхности пластины.
1
e
e
2
е
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 с отверстием и коническую линзу с отверстием, диаметр отверстия в диафрагме составляет d=3,6r, где r – радиус, при котором плотность мощности лазерного излучения по сечению гауссова пучка уменьшается в «е» раз, е – основание натурального логарифма, диаметр отверстия в конической линзе составляет d=2,4r, угол у её основания составляет величину
,
где L – расстояние от конической линзы до обрабатываемой пластины;
n – показатель преломления материала конической линзы на длине волны лазерного излучения,
в отверстии конической линзы установлен усеченный конус, изготовленный из того же, материала, что и коническая линза, диаметр большего основания усеченного конуса равен диаметру отверстия в конической линзе, диаметр меньшего основания усеченного конуса равен половине диаметра его большего основания, а угол у его большего основания составляет величину
.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки.
На фиг. 2 показано распределение плотности мощности по сечению пучка А–А.
На фиг. 3 показано распределение плотности мощности в сечении В–В.
1
e
2
е
Установка для лазерной обработки содержит лазер 1, телескопическую систему преобразования диаметра лазерного пучка, образованную положительной линзой 2 и отрицательной линзой 3, диафрагму 4, диаметр отверстия в которой d=3,6r, коническую линзу 5, диаметр отверстия в которой d=2,4r, усеченный конус 6, выполненный из того же материала, что и коническая линза 5. Диаметр большего основания усеченного конуса 6 равен диаметру отверстия в конической линзе 5. Диаметр меньшего основания усеченного конуса равен половине диаметра его большего основания. Основание конической линзы 5 и большее основание усеченного конуса 6 расположены в одной плоскости по нормали к лазерному пучку.
Установка для лазерной обработки функционирует следующим образом.
На расстоянии L от конической линзы 5 располагают обрабатываемую пластину 7.
Лазер 1 излучает пучок с распределением плотности мощности по его сечению в соответствии с функцией Гаусса
,
(2)
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 уменьшение 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.
1
e
1
3
е
2
е
3
е
Диафрагмой 4 из Гауссова пучка вырезается пучок диаметром d=3,6r. Далее лазерный пучок диаметром d падает на коническую линзу 5 и усеченный конус 6. Часть лазерного пучка диаметром d=1,2r пропускается без преломления через меньшее основание усеченного конуса 6 на обрабатываемую пластину 7. Вторая часть лазерного пучка в виде кольца с внешним диаметром d=2,4r и внутренним диаметром d=1,2r отклоняется от первоначального направления к оси установки на угол
,
2
где β – угол у большего основания усеченного конуса;
n – показатель преломления материала усеченного конуса.
3
е
2
е
1
e
На поверхности обрабатываемой пластины 7, расположенной на расстоянии L от большего основания усеченного конуса 6, кольцевой пучок сжимается в круг диаметром d=1,2r, причем внутренний луч пучка оказывается на периферии круга, а внешний луч – в его центре. Третья часть лазерного пучка в виде круга с внутренним диаметром d=2,4r и внешним диаметром d=3,6r конической линзой 5 отклоняется от первоначального направления к оси установки на угол
,
1
где β – угол у основания конической линзы.
3
е
3
е
На поверхности пластины 7 третья часть лазерного пучка сжимается в круг диаметром d=1,2r, причем внутренний луч пучка оказывается на периферии круга, а внешний луч – в его центре. То есть, на поверхности пластины 6 формируется лазерное пятно диаметром d=1,2r. На фиг. 3 показано в относительных единицах распределение плотности мощности в сечениях В–В на поверхности пластины 7 в пучке, прошедшем через меньшее основание усеченного конуса 6 без преломления (ряд 1), в пучке, отклоненном усеченным конусом линзой 6 (ряд 2), в пучке, отклоненном конической линзой 5 и суммарная плотность мощности (ряд 4).
0
0
max
min
При расчетах суммарной плотности мощности учтены потери на отражение от обеих поверхностей конической линзы 5 и усеченного конуса 6, которые составляют примерно 8 % при изготовлении указанных деталей из оптического стекла К8. Видно, что распределение плотности мощности лазерного излучения на обрабатываемой пластине близко к равномерному распределению, составляет значение 1,36q на оси пучка и 1,325q на периферии пучка. Расчеты показывают, что отношение максимальной плотности мощности q на поверхности пластины к минимальной плотности мощности q составляют не более 1,03.
1
2
Определим углы β и β. По законам геометрии,
.
Отсюда .
Аналогично
Таким образом, решается поставленная задача и достигается заявленный технический эффект, выражающийся в увеличении плотности мощности лазерного излучения на поверхности обрабатываемой пластины в 1,36 раза по сравнению с прототипом.