Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерной обработки неметаллических пластин

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

Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении поверхности пластины импульсом лазерного излучения [Боязитов Р.М. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 24] с плотностью энергии, достаточной для плавления поверхностного слоя. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния [Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 29]. Недостатком указанных способов является то, что они не учитывают термоупругие напряжения, возникающие в пластинах в процессе обработки. Так как обрабатываемые материалы являются частично прозрачными для воздействующего излучения, возможны такие режимы, при которых термоупругие напряжения, способные разрушить пластины, будут определяющими в технологических процессах.

Также известен способ обработки неметаллических материалов [Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф. Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент на изобретение RU 2211753 С2, МПК B23K 26/00, 10.09.2003], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b₁ и b₂, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношением

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

τ - длительность импульса лазерного излучения, с;

b₁ и b₂ - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;

e - основание натурального логарифма;

t - текущее время от начала воздействия, с.

Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины при воздействии лазерных импульсов длительностью менее 10^-6 с, когда рассматривается динамическая задача термоупругости [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов // Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4. - С. 119-124]. Но этот способ не работает, когда длительность лазерного импульса составляет ~10^-2-10^-6 с и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.

Известен способ лазерной обработки [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С.31-33], в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению

,

где - температура отжига;

T₀ - начальная температура;

c и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

R - коэффициент отражения материала пластины;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения.

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет минимизировать термоупругие напряжения и уменьшить энергетические затраты в процессе обработки.

Как правило, необходим лазерный отжиг двух поверхностей пластины. Указанным способом вначале производят воздействие на одну поверхность пластины или партии пластин с плотностью энергии в импульсе, определяемой уравнением (1), затем - на вторую. Применение лазерного отжига приводит к релаксации остаточных напряжений в приповерхностном слое пластин, возникающих при их шлифовке и полировке абразивом, а также устраняет неоднородности структуры при напылении тонких пленок, что позволяет повысить лучевую стойкость пластин, используемых в лазерной технике.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических пластин [Патент на изобретение №2573181 С1, МПК H01L 21/42, 20.01.2016], в котором измеряют толщину пластины h и показатель поглощения χ материала пластины на длине волны лазерного излучения, рассчитывают безразмерный параметр χh и при условии χh<4 делят исходный лазерный пучок на два пучка равной энергии и воздействуют одновременно на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению

.

Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком указанного способа является то, что его реализация не исключает разрушение термоупругими напряжениями пластин в процессе лазерной обработки.

Техническим результатов изобретения является исключение разрушения термоупругими напряжениями пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов в процессе лазерного отжига и повышение выхода годных.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в измерении толщины пластины h и показателя поглощения χ материала пластины на длине волны лазерного излучения, расчете безразмерного параметр χh и при условии χh<4 делении исходного лазерного пучка на два пучка равной энергии и воздействии одновременно на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по уравнению:

где - температура отжига;

Т₀ - начальная температура;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

R - коэффициент отражения материала пластины;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;

h - толщина пластины;

е - основание натурального логарифма,

предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по соотношению

,

где σ_ВР - предел прочности материала пластины на растяжение;

E - модуль Юнга материала пластины;

ν - коэффициент Пуассона материала пластины;

α_T - коэффициент линейного расширения материала пластины,

и при его невыполнении предварительно нагревают пластину до температуры, определяемой по соотношению

.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерного отжига неметаллических пластин со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.

Способ осуществляется следующим образом. Для лазерного отжига пластины из неметаллического материала ее обе поверхности одновременно подвергают воздействию лазерных импульсов одинаковой плотности энергии. На фиг. 1 представлена лазерная установка, позволяющая осуществить такое воздействие. Установка содержит импульсный лазер (1), работающий в режиме свободной генерации, телескопический преобразователь диаметра пучка, включающий собирающую линзу (2) и рассеивающую линзу (3), расположенные софокусно для уменьшения диаметра лазерного пучка. Если необходимо увеличить диаметр пучка, первой размещают рассеивающую линзу, второй - собирающую с соответствующими фокусными расстояниями. Диэлектрическим зеркалом (4) с коэффициентом отражения R=0,5 лазерный пучок делят на два пучка равной плотности энергии лазерного излучения и при помощи призм (5), (6) и (7) направляют на обе поверхности обрабатываемой пластины (8).

Для предотвращения изгиба пластины при обработке, ее, как правило, свободно защемляют по контуру [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С.31-33]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемленной по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине, возникают термоупругие напряжения [Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев, «Вища школа», 1973. - 216 с. ]:

где

Е - модуль Юнга материала пластины;

ν - коэффициент Пуассона материала пластины;

α_T - коэффициент линейного расширения материала пластины;

T(z, t) - температура в точке с координатой z в момент времени t;

z - координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь.

Уравнения (3) и (4) показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают в том сечении пластины, где температура минимальна.

Если выполняется условие

то температурное поле в пластине к концу действия лазерного будет определяться уравнением

где a - коэффициент температуропроводности материала пластины;

τ_u - длительность лазерного импульса;

- плотность энергии лазерного излучения.

Условие (5) для большинства полупроводниковых, стеклообразных и керамических материалов выполняется при τ_u<0,01 с.

Из уравнения (6) найдем плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения облучаемыми поверхностями z=0 и z=h температуры отжига

Подставив (6) в (4) и (3) и выполнив математические преобразования, получим соотношение для расчета максимальных растягивающих термоупругих напряжений, возникающих в сечении z=h/2, где температура минимальна

Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала пластины на растяжение, она будет разрушена термоупругими напряжениями. Так как предел прочности материала имеет разброс от образца к образцу и в различных партиях пластин вследствие дефектов, неизбежен брак в процессе их обработки.

Из уравнения (8) найдем плотность энергии лазерного излучения, приводящую к разрушению пластины термоупругими напряжениями

Разделив (9) на (7) и поставив условие W_T/W_f≥1, после математических преобразований получим условие (критерий) термопрочности пластины при двухстороннем импульсном лазерном отжиге

Физический смысл условия термопрочности (10) заключается в следующем: достижение поверхностью пластины температуры отжига должно происходить при меньших плотностях энергии, чем требуется для разрушения ее термоупругими напряжениями. Проведем анализ соотношения (10). Левая часть неравенства не зависит от безразмерного параметра χh и является безразмерной константой, характеризующей отношение предела прочности материала пластины к максимально возможным термоупругим напряжениям в ней (см. фиг. 2, ряд 2). Правая часть неравенства является монотонной выпуклой функцией безразмерного параметра χh (см. фиг. 2, ряд 1). Исследования на экстремум функции показывают, что она достигает максимального значения, равного 0,2323, при χh≈6. На рисунке фиг. 2, где показано графическое решение неравенства (10) для пластины из цветного оптического стекла НС8, можно выделить три области. В области 1, где χh<2,2, неравенство (10) выполняется. Следовательно, можно осуществлять импульсный лазерный отжиг, не опасаясь разрушения пластины термоупругими напряжениями. В области 2, в которой 2,2<χh<18, неравенство (10) не выполняется. Разрушение пластины термоупругими напряжениями произойдет при меньших плотностях энергии, чем требуется для достижения ее поверхностью температуры отжига. В области 3, где параметр χh>18, неравенство (10) вновь выполняется. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг пластин из стекла НС8. Если мы используем для отжига пластин из цветного оптического стекла НС8 импульсный лазер с длиной волны 1,06 мкм, показатель поглощения для которой в данном стекле составляет 5 см^-1 [ГОСТ 9411-90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992. 48 с.], то пластины толщиной от 0,44 см до 3,6 см будут разрушены термоупругими напряжениями при плотности энергии лазерного излучения меньшей, чем требуется для отжига.

В этом случае необходимо предварительно нагреть пластину до температуры, при которой условие термопрочности будет выполняться. Из неравенства (10) найдем значение температуры, до которой необходимо нагреть пластину

Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения условия термопрочности температуры Т₀ и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины. Время выдержки определяют из критерия Фурье, определяющего тепловую инерцию пластины

где t_В - время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре. После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (7). В результате воздействия лазерного импульса температура поверхности пластины достигнет температуры отжига.

Пример осуществления способа

Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла НС8 толщиной 0,6 см. Показатель поглощения данной марки стекла для лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 5 см^-1. Безразмерный параметр χh=3. Начальную температуру пластины примем равной 300 К, температуру отжига - 1050 К. Расчет по уравнению (7) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии в лазерном импульсе 295 Дж/см². Расчет по уравнению (9) показывает, что плотность энергии в лазерном импульсе, приводящая к разрушению пластины термоупругими напряжениями, составляет 203 Дж/см². Рассчитаем левую и правую части условия термопрочности (10). Правая часть неравенства (10) при χh=3 составляет 0,178. Левая часть неравенства (10) составляет 0,123. Видно, что условие термопрочности не выполняется. Пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Чтобы этого не произошло, необходимо пластину предварительно нагреть в муфельной печи до температуры не менее 532 К и выдержать при этой температуре не менее 180 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (7), (9) и (12) при следующих исходных данных: c=760 Дж/(кг⋅К); ρ=2500 кг/м³; σ_P=70 МПа; E=80 ГПа; ν=0,2; а=6⋅10^-3 см²/с; α_T=7,6⋅10^-6 К^-1. Затем воздействуют на пластину лазерным импульсом с плотностью энергии не более 203 Дж/см². Расчеты проведены по уравнению (7) для нового значения начальной температуры, равного 532 К. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.

Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин приводит к повышению выхода годных за счет исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.