Способ лазерного отжига неметаллических материалов Российский патент 2021 года по МПК C03B25/00 C21D1/09 B23K26/402 B23K26/53 

Изобретение относится к технологическим процессам и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению

, (1)

где T_f - температура отжига;

T₀ - начальная температура;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;

R - коэффициент отражения материала;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения.

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. Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1), при этом диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 50 % исходный лазерный импульс делят на два импульса равной мощности и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса. Патент РФ № 2633860, МПК B23K 26/402, 18.10.2017. При этом временная форма лазерного импульса, воздействующего на поверхность обрабатываемого материала, будет описываться уравнением

, (2)

где q - плотность мощности в исходном лазерном импульсе;

t - текущее время от начала воздействия;

τ - длительность исходного лазерного импульса.

Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, которую определяют по уравнению (1), при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 40% и осуществляют временную задержку отраженного импульса на время воздействия на материал прошедшего через диэлектрическое зеркало лазерного импульса. Патент РФ № 2692004, МПК B23K26/402, B23K26/53, 19.06.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

При этом временная форма воздействующего на материал лазерного импульса будет описываться уравнением

. (3)

Недостатком прототипа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и области возможного откольного разрушения материала.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного отжига неметаллических материалов, заключающемся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению

,

где T_f - температура отжига;

T₀ - начальная температура;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;

R - коэффициент отражения материала;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,

при этом диэлектрическим зеркалом исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, разделяют исходный лазерный импульс посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 30 %, и при этом плотность мощности первого импульса устанавливают 70 % от плотности мощности исходного лазерного импульса.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерного отжига неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки, позволяющая реализовать заявленный способ: 1 - лазер с модулятором добротности на основе акустооптического затвора, 2 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 30%, 3 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 99,9 %, 4 - обрабатываемый материал, 5 и 6 - фокусирующие линзы, создающие на поверхности обрабатываемого материала 4 требуемую плотность энергии. Диэлектрическим зеркалом 2 лазерный импульс делится на два импульса с плотностью мощности 0,7q и 0,3q (q - плотность мощности лазерного излучения в исходном импульсе). Прошедший через зеркало 2 первый импульс с плотностью мощности 0,7q линзой 5 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала 4 в пятно требуемого диаметра. Отраженный зеркалом 2 второй импульс с плотностью мощности 0,3q направляют на диэлектрическое зеркало 3 с коэффициентом отражения 99,9%, которое совмещает отраженный импульс на поверхности обрабатываемого материала 4 с импульсом, прошедшим через зеркало 2. Линзой 6 второй импульс фокусируется в пятно требуемого диаметра. Разница длин путей первого и второго лазерных импульсов обеспечивает задержку второго импульса на время воздействия первого импульса на поверхность обрабатываемого материала. В результате на поверхность обрабатываемого материала воздействует лазерный импульс, временная форма которого описывается уравнением:

. (4)

Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии, временная форма которых описывается уравнениями (3) и (4).

В соответствии с [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], максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала рассчитывают по уравнению:

, (5)

где - максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала;

K - модуль всестороннего сжатия;

α - коэффициент линейного расширения материала;

е - основание натурального логарифма;

sh(χx) - функция «гиперболический синус»;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;

х - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;

с₀ - скорость звука в материале;

τ - длительность лазерного импульса.

Подставив уравнения (3) и (4) в (5) и выполнив интегрирования получим уравнения для расчета максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое обрабатываемого материала:

; (6)

, (7)

где - максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (3);

- максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (4).

Разделив (7) на (6) и проведя математические преобразования, получим

. (8)

На фиг. 2 приведен график зависимости , построенный по соотношению (8). Видно, что отношение . Причем по мере возрастания параметра отношение уменьшается и стремится к 0,75. Это доказывает, что лазерный импульс, описываемый уравнением (4), создает в материале максимальные растягивающие напряжения меньше, чем лазерный импульс, описываемый уравнением (3).

Из уравнений (6) и (7) определим плотность энергии лазерного излучения, вызывающую откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности для воздействия лазерных импульсов, описываемых уравнениями (3) и (4) соответственно:

; (9)

, (10)

где σ_Р - предел прочности материала на разрыв.

Уравнения (9) и (10) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда .

Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (1). Разделив (9) и (10) соответственно на (1), получим:

; (11)

. (12)

Поставив условие и , после математических преобразований получим:

; (13)

. (14)

Проведем анализ неравенств (13) и (14). Левые части неравенств является характеристикой материала, показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям, возникающим при импульсном нагреве материала до температуры отжига. Правые части неравенств (13) и (14) являются функциями безразмерного параметра и зависят от временной формы лазерного импульса. Если неравенства (13) и (14) выполняются, то возможен лазерный отжиг материала. В противном случае произойдет откольное разрушение материала. Анализ неравенств (13) и (14) необходимо проводить для конкретных материалов. Например, для стекла СЗС-21, у которого К=4⋅10¹⁰ Па, α=8,6⋅10^-6 К^-1, σ_Р = 6⋅10⁷ Па, Т_f = 700 K, Т₀ = 300 К, левая часть неравенств (13) и (14) равна 29. Показатель поглощения стекла СЗС-21 на длине волны 1,06 мкм составляет 22,4 см^-1, скорость звука в материале - 5,7⋅10³ м/с.

На фиг. 3 приведено графическое решение неравенств (13) и (14) для цветного оптического стекла СЗС-21. Видно, что при воздействии лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (3), неравенство (13) выполняется при ≥ 1,4, что соответствует длительности лазерного импульса τ ≥ 1,1⋅10^-7 с. Неравенство (14) для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (4), выполняется при ≥ 1,25, что соответствует длительности лазерного импульса τ≥0,98⋅10^-7 с.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить максимальные растягивающие напряжения примерно на 20-25 % и область изменения безразмерного параметра , в которой возможно откольное разрушение материала, что позволит увеличить выход годной продукции при лазерном отжиге неметаллических материалов.

Пример реализации способа.

Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла СЗС-21 импульсным лазером с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса 100 нс. Требуемая плотность энергии на поверхности материала составляет 35,3 Дж/см². Расчет проведен при R=0,04, с = 0,76⋅10³ Дж/(кг⋅К) и ρ = 2,5⋅10³ кг/м³ по уравнению (1). При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности лазерным импульсом, описываемым уравнением (3) составит 32 Дж/см². Расчеты проведены по уравнению (9). Следовательно, лазерный отжиг не возможен, так как произойдет разрушение материала. Разделим исходный лазерный импульс с помощью диэлектрического зеркала (2) с коэффициентом отражения 30% на два импульса с плотностью мощности 70 % и 30 %. Лазерный импульс с плотностью мощности 70 % от исходного воздействует на обрабатываемый материал. При этом фокусирующая линза (5) создает требуемую плотность энергии на поверхности обрабатываемого материала. Отраженный зеркалом (2) лазерный импульс с плотностью мощности 30 % от исходной диэлектрическим зеркалом (3) с коэффициентом отражения 99,9% направляется на обрабатываемый материал. Собирающей линзой (6) осуществляется повышение плотности мощности в импульсе до требуемой. При этом за счет дополнительного пути происходит задержка второго импульса на время действия первого импульса. Плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала в этом случае составит 37 Дж/см². Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг материала. Расчеты проведены по уравнению (10).

Как правило, лазеры с модуляцией добротности акустооптическими затворами работают в частотном режиме. Частота повторения импульсов составляет 1-8 кГц. Это позволяет производить лазерный отжиг поверхностей большой площади за счет перемещения заготовки после каждого импульса на требуемое расстояние.

Изобретение относится к способу лазерного отжига неметаллических материалов и может быть использовано для обработки полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Облучают поверхность лазерным импульсом прямоугольной временной формы с требуемой плотностью энергии. Диэлектрическим зеркалом исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса. Плотность мощности в первом импульсе составляет 70% от плотности мощности первоначального лазерного импульса. Техническим результатом изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и области возможного откольного разрушения материала. 3 ил., 1 пр.

Способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности неметаллического материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии W_f, которую определяют по следующему соотношению

,

где

T_f – температура отжига, K; T₀ – начальная температура, K; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); ρ - плотность материала, кг/м³; R – коэффициент отражения материала; χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см^-1, при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, отличающийся тем, что плотность мощности в первом импульсе устанавливают равной 70 % от плотности мощности исходного лазерного импульса.