Способ лазерной обработки неметаллических материалов Российский патент 2022 года по МПК H01L21/268 H01L21/428 B23K26/00 

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для отжига или легирования пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы. 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 указанных способов является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношением

(1)

где q(t) - плотность мощности лазерного излучения, Вт/м²;

b₁ и b₂ - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса и определяемые из условия

, Вт/с;

с^-1;

q_max - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м²;

е - основание натурального логарифма;

, (2)

где: W - плотность энергии лазерного излучения, Дж/м²;

τ - длительность лазерного импульса, с;

t - текущее время от начала воздействия, с.

Патент РФ на изобретение № 2211753, МПК B23K 26/00, 10.09.2003. При этом плотность энергии в импульсе должна быть достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига и рассчитывается по уравнению

,

где: T_f - температура отжига материала, К;

T₀ - начальная температура материала, К;

с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅К);

ρ - плотность материала, кг/м³;

R - коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м^-1.

В аналоге показано, что при воздействии импульса лазерного излучения, описываемого соотношением (1), в неметаллических материалах возникают наименьшие, по сравнению с другими временными формами импульсов, максимальные растягивающие напряжения и существует минимальная область в плоскости параметров, характеризующих лазерный импульс и свойства материала, в которой возможно откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается уравнением (1) с плотностью энергии, определяемой уравнением (2) и предварительном нагреве материала до температуры, определяемой по соотношению

, (3)

где σ_ВР - предел прочности материала на растяжение, Па;

е - основание натурального логарифма;

с₀ - скорость звука в материале, м/с;

К - модуль всестороннего сжатия, Па;

α_Т - коэффициент линейного расширения материала, К^-1.

Патент РФ № 2583870 МПК H01L 21/42, 10.05.201.

Недостатком указанного способа является то, что, при воздействии лазерных импульсов других временных форм с плотностью энергии, определяемой по уравнению (2), на материал с начальной температурой, определяемой по соотношению (3), материал будет разрушен термоупругими напряжениями вследствие откола со стороны облучаемой поверхности. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), создает минимальные термоупругие напряжения в поглощающем слое материала. Лазерные импульсы других временных форм будут создавать в поглощающем слое материала бо́льшие термоупругие напряжения [Коваленко А. Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №4. - С. 119-124.]. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), формируется при реализации схемы задающий генератор - многокаскадный усилитель. Задающий генератор должен работать в режиме модулированной добротности. Причем последний каскад усилителя должен работать в режиме, близком к насыщению. Если каскадов усиления не более двух-трех, то выходной лазерный импульс будет иметь временную форму, близкую к треугольной форме [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119 - 124.], описываемой уравнением:

(4)

где: q(t) - плотность мощности лазерного излучения Вт/см²;

q_m - максимальное значение плотности мощности лазерного излучения Вт/см²;

t - текущее время от начала воздействия, с;

τ - длительность лазерного импульса, с.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения, температуру предварительного подогрева материала определяют из условия термопрочности

, (5)

где ,

при этом облучение осуществляют лазерным импульсом с плотностью энергии, определяемой по соотношению

, (6)

и временной формой лазерного импульса, которая описывается соотношением

. (7)

Патент РФ на изобретение № 2646177, МКП H01L 21/42, 01.03.2018.

Недостатком аналога является то, что при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (7) материал будет разрушен термоупругими напряжениями.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению

и временной и временной формой, описываемой уравнением

, (8)

при этом начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнению

, (9)

где π ≈ 3,14.

Патент РФ № 2695440, МПК H01L 21/268, H01L 21/42, 23.07.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Лазерные импульсы, описываемые уравнением (8), формируются в твердотельных лазерах с пассивной модуляцией добротности (см. например [Макогон М. М., Неделькин Н. В., Сердюков В. И., Тарасов В. М. Лазеры на гранате с модуляцией добротности кристаллами LF:F^-₂]). Они являются предпочтительными, когда площадь отжига материалов не велика и имеется возможность использовать простую лазерную установку с пассивным модулятором добротности и не использовать каскады усиления лазерного импульса.

Недостатком прототипа является то, что при воздействии лазерного импульса прямоугольной формы материал будет разрушен термоупругими напряжениями, так как термоупругие напряжения в материале для этого импульса больше, чем для импульса, описываемого уравнением (8) [Коваленко А. Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. - Приборы и техника эксперимента. - 2004. - № 4. - С. 119-124]. Прямоугольные лазерные импульсы, временная форма которых описывается уравнением

, (10)

формируются в твердотельных лазерах с модуляцией добротности акустооптическими затворами [Мюллер С.. Лазеры с модуляцией добротности для обработки поверхностей. Фотоника. - 2011. - № 2. - С. 26-28].

Техническим результатом предполагаемого изобретения является исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности и повышение выхода годных изделий в технологическом процессе обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических материалов, включающем предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по соотношению

, (11)

где T_f - температура отжига материала, К;

T₀ - начальная температура материала после предварительного подогрева, К;

с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅К);

ρ - плотность материала, кг/м³;

R - коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,

для лазерного импульса, описываемого уравнением

, (12)

где: q(t) - плотность мощности лазерного излучения Вт/см²;

q_m - амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см²;

t - текущее время от начала воздействия, с;

τ - длительность лазерного импульса, с,

начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнению

, (13)

где σ_BP - предел прочности материала на растяжение, Па;

К - модуль всестороннего сжатия материала, Па;

α_Т - коэффициент линейного расширения материала, К^-1;

е - основание натурального логарифма;

- безразмерный параметр;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м^-1;

с₀ - скорость звука в материале, м/с.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерной обработки неметаллических материалов со ссылкой на чертеж.

Сущность способа лазерной обработки неметаллических материалов состоит в следующем. Перед осуществлением лазерного отжига неметаллических материалов измеряют длительность лазерного импульса и контролируют его временную форму с использованием, например, запоминающего осциллографа С8-12 и фотоэлемента ФК-19. Если временная форма лазерного импульса близка к форме, описываемой уравнением (12), пластину из неметаллического материала предварительно нагревают, например, в муфельной печи до температуры Т₀, определяемой по уравнению (13). Затем воздействуют на пластину одиночным импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, рассчитываемой по уравнению (11) с учетом нового значения начальной температуры. При легировании материалов в формуле (11) для определения требуемой плотности энергии лазерного импульса вместо значения температуры отжига необходимо подставлять значение температуры плавления материала.

В работе [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] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие в материале, описываются уравнением

(14)

где х - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, м.

В работе [Коваленко А. Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №4. - С. 119-124] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие при воздействии лазерного импульса, описываемого уравнением (12), имеют значение

, (15)

Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение, произойдет откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Анализ уравнения (15) показывает, что минимальная плотность энергии, приводящая к отколу материала, имеет место тогда, когда стремится к 0. Из (15), с учетом (2), найдем минимальную плотность энергии в лазерном импульсе, приводящую к разрушению материала термоупругими напряжениями

. (16)

Разделив (16) на (11) и поставив условие W_T/W_f ≥ 1, после несложных математических преобразований получим условие термопрочности материала при лазерном отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (12):

. (17)

Проведем анализ неравенства (17). Левая часть неравенства является константой, характеризующей свойства материала и показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям. Правая часть неравенства - функция безразмерного параметра f₁(а), зависящая от временной формы лазерного импульса (ряд 1 на рисунке). Если неравенство выполняется, то температура отжига (плавления) материала достигается при меньшей плотности энергии, чем разрушения материала термоупругими напряжениями. В противном случае разрушение материала термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотности энергии, чем требуется для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления).

Анализ неравенства (17) показывает, что уменьшение разности (Т_f - T₀) приводит к увеличению левой части неравенства. Из соотношения (17) найдем значение температуры Т₀, до которой необходимо нагреть материал для выполнения условия термопрочности

. (18)

Формулы для критерия термопрочности и для расчета значения начальной температуры для прототипа изобретения имеют вид:

; (19)

. (20)

На рисунке представлено графическое решение неравенств (17) и (19) для цветного оптического стекла СЗС21 (ряд 1 и ряд 2 соответственно), для которого σ_BP = 6⋅10⁷ Па, К=4⋅10¹⁰ Па, α_Т = 7,6⋅10^-6 К^-1, T_f = 770 К, T₀ = 293 К, с = 710 Дж/(кг⋅К), ρ = 2520 кг/м³, R = 0,04, χ = 21 см^-1 для длины волны лазера 1,06 мкм, с₀ = 5,7·10³ м/с. Левые части неравенств (17) и (19) равны 0,28 (ряд 3). Видно, что для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8) условие термопрочности выполняется при а ≥ 3, для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (10) условие термопрочности выполняется при а ≥ 3,4.

Пример реализации способа. Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла излучением лазера на длине волны 1,06 мкм. Длительность импульса составляет 2⋅10^-7 с, временная форма лазерного импульса описывается уравнением (10). Безразмерный параметр а = 2,4, ƒ₁(2,4) = 0,38 > 0,28. Условие термопрочности (17) не выполняется. W_f = 42,3 Дж/см². W_Т = 30,7 Дж/см². Расчеты выполнены по уравнениям (11) и (16) соответственно. Лазерный отжиг невозможен, так как материал будет разрушен термоупругими напряжениями. Для предотвращения разрушения материала произведем его предварительный нагрев до температуры не менее 423 К (то есть начальную температуру материала надо увеличить на 130 К). Расчет произведен по соотношению (18). Для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8) для прототипа необходимо было бы нагреть материал до температуры 383 К. Расчет выполнен по уравнению (20). Следовательно, критерий термопрочности был бы не выполнен для временной формы, описываемой уравнением (12), и материал был бы разрушен термоупругими напряжениями в процессе отжига. Пусть материал будет нагрет до температуры 430 К. Теперь для нового значения начальной температуры Т₀ = 430 К W_f = 30,2 Дж/см². Видно, что W_f меньше W_Т. Лазерный отжиг импульсом с временной формой, описываемой уравнением (12), возможен.

Таким образом, вышеописанные отличия заявляемого способа лазерной обработки неметаллических материалов от прототипа позволяют исключить их разрушение термоупругими напряжениями при отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (12), и повысить выход годной продукции. Если требуется произвести легирование неметаллических материалов, то в приведенные формулы для определения неразрушающего режима обработки вместо температуры отжига следует подставлять температуру плавления материала.

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига или легирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ лазерной обработки неметаллических материалов согласно изобретению заключается в предварительном подогреве материала до начальной температуры, определяемой из условия термопрочности, связывающего прочностные, теплофизические свойства материала, длительность лазерного импульса и температуру отжига, и воздействии на материал лазерного импульса с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления). Технический результат – предотвращение откольного разрушения материалов в процессе обработки и повышения выхода годной продукции. 1 ил.

Способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по соотношению

,

где T_f – температура отжига материала, K;

T₀ – начальная температура материала после предварительного подогрева, K;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅K);

ρ – плотность материала, кг/м³;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м^-1;

R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,

отличающийся тем, что для лазерного импульса, описываемого по уравнению

,

где: q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/см²;

q_m – амплитуда плотности мощности лазерного излучения, Вт/см²;

t – текущее время от начала воздействия, с;

τ – длительность лазерного импульса, с,

начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнению

,

где σ_BP – предел прочности материала на растяжение, Па;

K – модуль всестороннего сжатия материала, Па;

α_Т – коэффициент линейного расширения материала, К^-1;

е – основание натурального логарифма;

;

с₀ – скорость звука в материале, м/с.