Устройство для лазерной обработки изделий Российский патент 2019 года по МПК B23K26/02 B25J21/00 

Предполагаемое изобретение относится к лазерной технике, а именно, к лазерным технологическим установкам, предназначенным, например, для молекулярно-лучевой эпитаксии, являющейся одним из методов выращивания полупроводниковых структур в условиях сверхвысокого вакуума путем взаимодействия одного или нескольких молекулярных (атомарных) пучков с монокристаллической поверхностью подложки, нагретой до определенной температуры, при контроле и управлении химическим составом и интенсивностью пучков, направленных на подложку.

Известно устройство для лазерной обработки изделий - однокамерная установка для молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (см. «Обзоры по электронной технике», серия 7 «Технология, организация производства и оборудование», выпуск 17 (828) А.Г. Денисов, Н.А. Кузнецов, Э.А. Макаренко «Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии» ЦНИИ «Электроника», Москва, 1981 г., с. 5), содержащее вакуумную рабочую камеру со средствами получения сверхвысокого вакуума, систему для формирования молекулярных пучков, устройство для нагрева подложки, устройство для подготовки подложки - получения атомарно чистой и атомарно гладкой поверхности, системы для анализа элементного состава и структуры поверхности подложки и выращенной эпитаксиальной пленки, устройства для загрузки подложки в вакуумную рабочую камеру, юстировки ее положения и выноса полученной структуры из вакуума.

Известно устройство для лазерной обработки изделий (см. «Большая советская энциклопедия» т. 14 с. 112), содержащее зарядное устройство, емкостной накопитель, систему управления, блок поджига, лазерную головку, систему охлаждения, систему стабилизации энергии излучения, датчик энергии излучения, оптическую систему, сфокусированный луч лазера, обрабатываемую деталь, координатный стол, систему программного управления.

Общими недостатками устройства аналога и прототипа являются невысокая производительность и качество обработки, что обусловлено низкой эксплуатационной маневренностью взаимодействия сфокусированного луча лазера с поверхностью обрабатываемого изделия, приводящей к снижению эффективности локального воздействия лазерного луча на облучаемую поверхность. Низкая эксплуатационная маневренность обусловлена неподвижностью сфокусированного лазерного луча. Для повышения эксплуатационной маневренности взаимодействия лазерного луча с обрабатываемой поверхностью изделия, то есть для повышения производительности, необходимо обеспечить не только возможность перемещения самого изделия при неподвижном луче (как на прототипе), но и возможность сканирования движущимся, например, качающимся лучом по поверхности как неподвижного, так и перемещаемого с помощью координатного стола изделия.

Качество обработки поверхности изделия во многом определяется геометрией облучения ее лучом лазера. Выбор оптимальной геометрии облучения в прототипе осуществляется перемещением изделия на координатном столе при подвижном луче лазера и зависит от решаемой технологической задачи: термическое действие лазерного излучения для поверхностного управления (закалка и «залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, для создания электронно-дырочных переходов в производстве полупроводниковых приборов, для локальной термической диссоциации некоторых металлосодержащих органических соединений при изготовлении пленочных элементов интегральных схем, для интенсификации процессов локального окисления и восстановления, для получения тонких пленок путем испарения материалов в вакууме, для молекулярно-лучевой эпитаксии при выращивании полупроводниковых структур в условиях сверхвысокого вакуума и пр.

От выбранной геометрии облучения зависит эффективность локального воздействия сфокусированного лазерного луча на обрабатываемую поверхность изделия, то есть качество обработки поверхности. При работе устройства - прототипа в режиме неподвижного лазерного луча имеет место указанная выше низкая эксплуатационная маневренность взаимодействия лазерного луча с облучаемой поверхностью, что приводит как к снижению производительности обработки, так и к снижению эффективности локального воздействия лазерного излучения на обрабатываемую (облучаемую) поверхность, то есть к снижению качества обработки (качества выпускаемой продукции). Для повышения качества обработки поверхности изделия, такж как и для повышения производительности обработки при решении вышеуказанных технологических задач необходимо сочетать возможности одновременного перемещения сфокусированного лазерного луча (инструмента обработки) и самого изделия.

Цель предполагаемого изобретения - повышение производительности и качества обработки.

Цель достигается тем, что устройство для лазерной обработки изделий, содержащее зарядное устройство, емкостной накопитель, систему управления, блок поджига, лазерную головку, систему охлаждения, систему стабилизации энергии излучения, датчик энергии излучения, оптическую систему, координатный стол, систему программного управления, согласно изобретению снабжено проходкой с размещенной в ней герметичной шаровой опорой, выполненной из внутреннего, наружного и среднего сферических элементов, концентрично расположенных друг относительно друга, и фиксатором, закрепленным на наружном сферическом элементе и выполненном в виде резьбовой втулки с внутренней кольцевой сферической поверхностью, контактирующей с наружным сферическим элементом герметичной шаровой опоры, внутренний сферический элемент которой чрез герметизирующий элемент связан с проходкой, причем оба эти элемента образуют замкнутую со стороны системы управления полость, а средний сферический элемент жестко связан с оптической системой посредством трубы, расположенной в этой полости и связанной с внутренним сферическим элементом герметичной шаровой опоры через герметизирующий элемент.

Использовании в конструкции устройства герметичной шаровой опоры с фиксатором позволит осуществить сканирование движущимся (качающимся или вращающимся) сфокусированным лучом лазера по поверхности обрабатываемого изделия при надежной фиксации положения сфокусированного луча. При этом повышается эксплуатационная маневренность взаимодействия сфокусированного лазерного луча с обрабатываемой (облучаемой) поверхностью изделия, что повышает производительность обработки. Благодаря выбранной геометрии облучения, сочетающей как перемещение лазерного луча, так и перемещение изделия на координатном столе, улучшается качество обработки поверхности изделия за счет более эффективного локального воздействия сфокусированного лазерного луча на поверхность изделия. Так, например, при поверхностном упрочнении быстроизнашивающихся металлических деталей (режущего инструмента), то есть при закаливании и «залечивании» микродефектов оплавлением процесс упрочнения благодаря такой геометрии облучения будет протекать более интенсивно при неименных других параметрах излучения, таких, например, как равномерность распределения интенсивности излучения по сечению лазерного луча (пучка). Более интенсивно будет протекать и процесс локальной термической диссоциации некоторых металлосодержащих органических соединений при изготовлении пленочных элементов интегральных схем, процесс испарения материалов в вакууме при получении тонких пленок, процесс выращивания полупроводниковых структур в сверхвысоком вакууме и пр.

При эксплуатации предлагаемого устройства остаются стабильными качественные характеристики рабочей среды камеры с размещенным в ней изделием, так как герметичная шаровая опора в процессе работы не выделяет продуктов износа, загрязняющих рабочую среду (вакуум), поскольку герметизирующий элемент шаровой опоры надежно защищает трущиеся поверхности трех сферических элементов от контактирования со средой и отделяет рабочее пространство установки (простарнство камеры с изделием) от нерабочего. Предлагаемое устройство надежно герметизирует передачу качательного и вращательного движений лазерного луча в рабочее пространство.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию «существенные отличия».

На чертеже изображен общий вид устройства для лазерной обработки изделий в разрезе.

Устройство для лазерной обработки изделий содержит зарядное устройство 1, емкостной накопитель 2, систему управления 3, блок поджига 4. лазурную головку 5, систему охлаждения 6, систему стабилизации энергии излучения 7, датчик энергии излучения 8, оптическую систему 9, координатный стол 10, систему программного управления 11. Сфокусированный луч лазера 12 облучает поверхность обрабатываемой детали 13.

Устройство снабжено проходкой 14 (разделяющей рабочее пространство устройства) с размещенной в ней герметичной шаровой опорой 15, выполненной из внутреннего 16, наружного 17 и среднего 18 сферических элементов, концентрично расположенных друг относительно друга, и фиксатором 19, закрепленным на наружном сферическом элементе 17 и выполненным в виде резьбовой втулки с внутренней кольцевой сферической поверхностью, контактирующей с наружным сферическим элементом 17 герметичной шаровой опоры 15, внутренний сферический элемент 16 которой через герметизирующий элемент 20 (мембрана или сильфон) связан с проходкой 14, причем оба этих элемента (16 и 20) образуют замкнутую со стороны системы управления 3 полость 21, а средний сферический элемент 18 жестко связан с оптической системой 9 посредством трубы 22, расположенной в этой полости, и связанной с внутренним сферическим элементом 16 герметичной шаровой опоры 15 через герметизирующий элемент 20.

Устройство работает следующим образом.

Сфокусированный оптической системой 9 луч лазера 12, перемещаясь (качаясь) вместе с трубой 22, ориентируется относительно обрабатываемой детали (изделия) 13, закрепленной на координатном столе 10 посредством перемещения среднего 18 сферического элемента герметичной шаровой опоры 15 относительно наружного 17 и внутреннего 16 элементов.

Герметизирующий элемент 20 герметизирует (защищает) рабочее пространство с деталью 13 от нерабочего при передаче качательного (вращательного) движения луча лазера 12. Система управления 3 осуществляет координацию работы системы охлаждения 6, системы стабилизации энергии излучения 7 с датчиком энергии излучения 8, а также производит ориентацию координатного стола 10 с деталью 13 через систему программного управления 11. Осуществление необходимой ориентации телесного угла положения лазерного луча 12 относительно детали 13 выполняет фиксатор 19 герметичной шаровой опоры 15 посредством контактирования его внутренней сферической поверхности с качающимся средним сферическим элементом 18 шаровой опоры 15.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение производительности и качества обработки за счет повышения маневренности взаимодействия сфокусированного лазерного луча с обрабатываемой поверхностью и эффективности локального воздействия лазерного излучения на поверхность обрабатываемого изделия.

Кроме того, благодаря фиксатору достигается необходимая надежность фиксации положения телесного угла луча лазера в зоне обслуживания по отношению к облучаемой поверхности.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерным технологическим установкам, предназначенным для молекулярно-лучевой эпитаксии при выращивании полупроводниковых структур в условиях сверхвысокого вакуума. Устройство содержит зарядное устройство, емкостной накопитель, систему управления, блок поджига, лазерную головку, систему охлаждения, систему стабилизации энергии излучения, датчик энергии излучения, оптическую систему, координатный стол и систему программного управления. Устройство снабжено проходкой с размещенной в ней герметичной шаровой опорой, на наружном сферическом элементе которой закреплен фиксатор. Средний сферический элемент жестко связан с оптической системой посредством трубы, связанной с внутренним сферическим элементом через герметизирующий элемент, связанный с проходкой. Труба расположена в полости, образованной внутренним сферическим элементом и герметизирующим элементом Техническим результатом изобретения является повышение качества обрабатываемого изделия. 1 ил.

Устройство для лазерной обработки изделий, содержащее зарядное устройство, емкостной накопитель, систему управления, блок поджига, лазерную головку, систему охлаждения, систему стабилизации энергии излучения, датчик энергии излучения, оптическую систему, координатный стол, систему программного управления, отличающееся тем, что оно снабжено проходкой с размещенной в ней герметичной шаровой опорой, выполненной из внутреннего, наружного и среднего сферических элементов, концентрично расположенных относительно друг друга, и фиксатором, закрепленным на наружном сферическом элементе и выполненным в виде резьбовой втулки с внутренней кольцевой сферической поверхностью, контактирующей с наружным сферическим элементом герметичной шаровой опоры, внутренний сферический элемент которой через герметизирующий элемент связан с проходкой, и трубой, при этом герметизирующий элемент и внутренний сферический элемент образуют замкнутую со стороны системы управления полость, а средний сферический элемент жестко связан с оптической системой посредством трубы, расположенной в этой полости и связанной с внутренним сферическим элементом герметичной шаровой опоры через герметизирующий элемент.