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 лазерной обработки, в частности используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, заключающийся в облучении поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по уравнению

,

где W_f – плотность энергии лазерного излучения, требуемая для нагрева поверхности пластины до температуры отжига;

T_f – температура отжига пластины;

T₀ – начальная температура пластины;

с и γ – удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

R – коэффициент отражения материала пластины;

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

Коваленко А. Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С. 31-33.

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет исключить режимы воздействия, при которых возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями, и повысить выход годных пластин в процессе лазерной обработки.

Известен также способ лазерной обработки неметаллической пластины, заключающийся в предварительном нагреве пластины до температуры, определяемой по уравнению

,

где σ_Р – предел прочности материала пластины на растяжение;

ν – коэффициент Пуассона материала пластины;

h – толщина пластины;

Е – модуль Юнга;

α_Т – коэффициент линейного расширения материала пластины;

е – основание натурального логарифма,

и облучении её поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению

.

Патент РФ на изобретение № 2602402, МПК H01L 21/428, 20.11.2016.

Недостатком указанного способа является то, что он применим только в том случае, когда поверхность пластины полностью накрывается лазерным излучением. В практике есть случаи, когда необходим лазерный отжиг только центральной части пластины, например, после ионной имплантации. Если радиус лазерного пучка меньше радиуса обрабатываемой пластины, термоупругие напряжения в ней описываются другими уравнениями, и указанный способ применять нельзя.

Известен также способ лазерного отжига неметаллических пластин, заключающийся в облучении центральной части пластины лазерным пучком, плотность энергии в котором определяют по уравнению

,

а диаметр лазерного пучка меньше диаметра пластины.

Коваленко А. Ф. Лазерный импульсный отжиг стеклянных пластин при частичном их накрытии излучением. Стекло и керамика. 2018. № 2. С. 27–31. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет исключить режимы воздействия, при которых возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями, и повысить выход годных пластин в процессе лазерной обработки.

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

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению

,

где T_f – температура отжига пластины;

T₀ – начальная температура пластины;

с и γ – удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

R – коэффициент отражения материала пластины;

χ – показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения,

и диаметром лазерного пучка меньше диаметра пластины, осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению

,

где σ_Р – предел прочности материала пластины на растяжение;

ν – коэффициент Пуассона материала пластины;

Е – модуль Юнга;

α_Т – коэффициент линейного расширения материала пластины;

;

– безразмерный радиус лазерного пучка;

r_p – радиус пучка лазерного излучения на пластине;

- радиус пластины;

h – толщина пластины;

е – основание натурального логарифма.

Ниже приводится более подробное описание заявляемого способа лазерной обработки неметаллических пластин со ссылкой на чертёж.

Рассмотрим пластину толщиной h и радиусом R_pl, ограниченную плоскостями ±h/2. На плоскость –h/2 воздействует пучок лазерного излучения радиусом r_p. Будем считать пластину термопрочной, если её поверхность можно нагреть одиночным импульсом лазерного излучения до температуры отжига. Оси пластины и лазерного пучка совпадают, что позволяет рассматривать задачу термоупругости в цилиндрических координатах. Ограничимся длительностью импульса лазерного излучения ~10^-2<τ<10^-6 c, когда охлаждением поглощающего слоя за счёт теплопроводности за время действия лазерного импульса и динамическими эффектами можно пренебречь [Коваленко А.Ф. Лазерный импульсный отжиг стеклянных пластин при частичном их накрытии излучением. Стекло и керамика. 2018. № 2. С. 27–31]. Потери за счёт конвективного теплообмена и переизлучения по закону Стефана-Больцмана за время действия лазерного импульса будут также пренебрежимо малы. Будем считать свойства материала пластины независимыми от температуры. Тогда температурное поле в пластине в момент окончания лазерного импульса будет описываться соотношением

(1)

где Т(z,r) – температура;

z – координата;

r – текущий радиус;

Т₀ – начальная температура пластины;

R – коэффициент отражения материала пластины;

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

с и γ – удельная теплоёмкость и плотность материала пластины соответственно;

– плотность энергии лазерного излучения;

q – плотность мощности лазерного излучения;

t – время;

τ – длительность лазерного импульса;

h – толщина пластины.

Под действием температурного поля, изменяющегося по толщине и радиусу пластины, в ней возникают термоупругие напряжения, которые приближённо можно представить суммой напряжений плоского напряжённого состояния и напряжений изгиба [Коваленко А.Ф. Лазерный импульсный отжиг стеклянных пластин при частичном их накрытии излучением. Стекло и керамика. 2018. № 2. С. 27–31] соответственно:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

где σ_r(ρ,z), σ_θ(ρ,z) – термоупругие напряжения;

– напряжения плоского напряженного состояния;

– напряжения изгиба;

ρ=r/R_pl – безразмерный радиус;

E – модуль Юнга;

ν – коэффициент Пуассона;

α_Т – средний в интервале температур коэффициент линейного расширения материала пластины.

Уравнения (2)–(6) справедливы для тонких пластин, для которых отношение толщины к диаметру составляет менее 0,5. Естественно предположить, что термоупругие напряжения в пластине будут максимальными в момент окончания действия лазерного импульса, когда градиент температуры максимален. Подставив (1) в (3)–(6) и выполнив математические преобразования с учётом (2), получим соотношения для термоупругих напряжений в пластине:

(7)

(8)

где r_p – радиус пятна лазерного излучения на пластине;

– безразмерный радиус пятна.

Исследования уравнений (7) и (8) показывают, что напряжения σ_r и σ_θ имеют максимальные значения в сечении z=-h/2. Напряжения σ_r являются сжимающими и уменьшаются от максимального значения в области максимальных температур до нуля при r=R_pl. Напряжения σ_θ являются сжимающими при r≤r_p. При r>r_p они являются растягивающими, скачком возрастают до максимального значения, а затем уменьшаются, оставаясь растягивающими.

Из (8) получим соотношения для максимальных растягивающих напряжений на поверхности z=-h/2

(9)

Из (9) определим плотность энергии лазерного излучения, вызывающую разрушение пластины термоупругими напряжениями

(10)

где σ_В – предел прочности материала пластины на растяжение.

Плотность энергии, требуемая для достижения облучаемой поверхностью пластины температуры фазового перехода, определяется из (1) и составляет

(11)

Разделив (10) на (11) и поставив условие W_T/W_f ≥1, получим критерий термопрочности пластины

(12)

Левая часть неравенства (12) является константой, характеризующей свойства материала пластины, правая часть – функцией двух безразмерных параметров χh и ρ_p. Анализ показывает, что функция f(χh,ρ_p,) является нелинейной и убывающей. Увеличение ρ_p однозначно приводит к увеличению функции f(χh,ρ_p). Неравенство (12) является условием термопрочности пластины и позволяет определить неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига в рамках квазистатической задачи термоупругости. Анализ целесообразно проводить для пластины из конкретного материала. В качестве примера на чертеже представлено графическое решение неравенства (12) для пластины из оптического стекла ЛК3 при ρ_p =0,5. Видно, что условие термопрочности пластины выполняется при χh≥10. При меньших значениях χh условие термопрочности не выполняется и пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Для предотвращения разрушения пластины термоупругими напряжениями необходимо повысить её начальную температуру. Из уравнение (12) найдем значение температуры Т₀, обеспечивающей выполнение критерия термопрочности пластины

, (13)

где .

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

(14)

где а – коэффициент температуропроводности материала пластины;

t_B – время выдержки пластины в муфельной печи.

Пример осуществления способа. Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из оптического стекла НС12 диаметром 4 см и толщиной 0,5 см. Диаметр лазерного пучка составляет 2 см. Показатель поглощения данной марки стекла для излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 17 см^-1 [ГОСТ 9411-90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов. 1992. – 48 с.]. Безразмерный параметр χh = 8,5. Начальную температуру пластины примем равной 300 К, температуру отжига – 820 К. Расчет по уравнению (11) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии в лазерном импульсе 52 Дж/см². Расчет по уравнению (10) показывает, что для разрушения термоупругими напряжениями пластины требуется плотность энергии 43 Дж/см², то есть меньше, чем для отжига. Рассчитаем левую и правую части критерия термопрочности (12). Правая часть неравенства (10) при χh = 8,5 и ρ_p=0,5 составляет 0,195. Левая часть неравенства (10) составляет 0,177. Видно, что критерий термопрочности не выполнен. Пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Чтобы этого не произошло, необходимо пластину предварительно нагреть в муфельной печи до температуры не менее 348 К и выдержать при этой температуре не менее 125 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (13) и (14) при следующих исходных данных: σ_Р = 70 МПа, Е = 80 ГПа, ν = 0,2, α_Т = 7,6·10^-6 К^-1, а = 6·10^-3 см²/с. Затем воздействуют на пластину лазерным импульсом с плотностью энергии 51 Дж/см². Расчеты проведены по уравнению (11) для нового значения Т₀ = 350 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 исключению их разрушения термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига и повышению выхода годных пластин.