Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерного отжига неметаллических материалов

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

Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемых для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их импульсом лазерного излучения [Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 24].

Известен также способ [Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград, 11-18 марта 1988 г., с. 29].

Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материалах термоупругие напряжения могут привести к откольному разрушению материала со стороны облучаемой поверхности.

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

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

τ - длительность импульса лазерного излучения, с;

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

t - текущее время от начала воздействия, с. [Патент на изобретение RU 2211753 С2, МПК B23K 26/00, 10.09.2003]. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), создает минимальные термоупругие напряжения в поглощающем слое материала. Недостатком аналога является то, что указанный лазерный импульс 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. Такой режим работы неблагоприятно сказывается на долговечности активной среды твердотельных лазеров. Как правило, ресурс активных стержней последнего каскада усилителя ограничивается несколькими сотнями выстрелов. Кроме того, подобные установки не выпускаются промышленностью, требуется их специальное проектирование и штучное изготовление. Промышленно выпускаемые твердотельные лазеры, работающие в режиме модулированной добротности, имеют колоколообразную форму импульса, близкую к полуволне синусоиды, когда для модуляции добротности лазера применяют электрооптические или пассивные модуляторы добротности, или близкую к прямоугольной, когда для модуляции добротности применяют акустооптические затворы [Макогон М.М., Неделькин Н.В., Сердюков В. И., Тарасов В.М. Лазеры на гранате с модуляцией добротности кристаллами . Оптика атмосферы и океана. 1996 г. Том 9, №2, с. 239-242.]. Длительность импульса лазерного излучения при пассивной модуляции добротности или при применении электрооптических затворов составляет 10-50 нс, при применении акустооптических затворов - 100-150 нс и даже до 300 нс [Мюллер С. Лазеры с модуляцией добротности для обработки поверхностей. Фотоника. 2011. - №2. - С. 26-28]. Применение лазеров с акустооптическими затворами для отжига неметаллических материалов является предпочтительнее, так как эти лазеры имеют большую длительность импульса, что способствует уменьшению термоупругих напряжений.

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

где T_f - температура отжига;

Т₀ - 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.]. Данное решение принято в качестве прототипа.

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

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.

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;

Т₀ - начальная температура;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;

R - коэффициент отражения материала;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,

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.

Ниже приводится более подробное описание способа лазерного отжига неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1 - фиг. 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 50%, 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 одинаковой плотности мощности. Прошедший через зеркало 2 первый импульс линзой 5 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала 4 в пятно требуемого диаметра. Отраженный зеркалом 2 второй импульс 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.

Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии. Плотность мощности лазерного излучения в одиночном импульсе составляет q Вт/см², длительность первого импульса - τ с. Сдвоенный лазерный импульс, получаемый посредством суммирования по поверхности обрабатываемого материала двух лазерных импульсов, получаемых при помощи описанной выше установки, будет иметь следующие параметры: плотность мощности q/2 Вт/см², длительность импульса - 2 τ с.

В соответствии с прототипом [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 составят:

для одиночного лазерного импульса:

где σ_m1 - максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии одиночного лазерного импульса с плотностью мощности q и длительностью τ;

K - модуль всестороннего сжатия;

α - коэффициент линейного расширения материала;

е - основание натурального логарифма;

χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;

x - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;

с₀ - скорость звука в материале,

для сдвоенного лазерного импульса:

где σ_m2 - максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии сдвоенного лазерного импульса с плотностью мощности q/2 и длительностью 2τ.

Плотность энергии лазерного излучения на обрабатываемой поверхности при этом будет одинаковой W=q⋅τ=(q/2)⋅2τ=q⋅τ.

Разделив (4) на (3) и проведя математические преобразования, получим

На фиг. 2 показан график зависимости , построенный по соотношению (5). Видно, что отношение . Причем по мере возрастания параметра χс₀τ отношение уменьшается.

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

где σ_Р - предел прочности материала на разрыв.

Уравнения (6) и (7) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда е^-2χх≈0.

Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (2). Разделив (6) и (7) соответственно на (2), получим:

Поставив условие и , после математических преобразований получим:

Проведем анализ неравенств (10) и (11). Левая часть 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 (10) и (11) являются функциями безразмерного параметра χс₀τ_. Если неравенства (10) и (11) выполняются, то возможен лазерный отжиг материала. В противном случае произойдет откольное разрушение материала. Анализ неравенств (10) и (11) необходимо проводить для конкретных материалов. Например, для стекла СЗС-21, у которого K=4⋅-10¹⁰ Па, α=8,6-10^-6 K^-1, σ_Р=6⋅10⁷ Па, T_f=700 K, Т₀=300 K, левая часть неравенств (10) и (11) равна 0,29. 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 показано графическое решение неравенств (10) и (11) для цветного оптического стекла СЗС-21. Видно, что при воздействии одиночного лазерного импульса Неравенство (10) выполняется при χс₀τ≥3,3, что соответствует длительности лазерного импульса τ≥2,6⋅10^-7 с. Неравенство (11) выполняется при χс₀τ≥1,7, что соответствует длительности лазерного импульса τ≥1,33⋅10^-7 с.

Таким образом, разделение исходного лазерного импульса на два импульса равной мощности и временная задержка второго импульса на время действия первого импульса позволяет уменьшить максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала и область изменения безразмерного параметра χс₀τ, в которой возможно откольное разрушение материала, почти в два раза, 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 140 не. Требуемая плотность энергии на поверхности материала составляет 36,9 Дж/см². Расчет проведен при с=0,76⋅10³ Дж/(кг⋅K) и ρ=2,5⋅10³ кг/м³ по уравнению (2). При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности составит 30,1 Дж/см². Следовательно, лазерный отжиг не возможен, так как произойдет разрушение материала. Расчеты проведены по уравнению (6). Для осуществления лазерного отжига при помощи диэлектрического зеркала 2 (см. фиг. 1) с коэффициентом отражения 50% осуществляют разделение лазерного импульса на два импульса одинаковой мощности. Первый импульс воздействует на поверхность материала. Зеркалом 3 отраженный импульс направляется на поверхность обрабатываемого материала и совмещается с площадью первого импульса. Второй импульс должен пройти путь на 42 м больше, чем первый импульс для задержки на 140 нс. После прохождения дополнительного пути второй импульс воздействует на поверхность материала.

Таким образом, осуществляется воздействие сдвоенным лазерным импульсом, плотность мощности в котором будет в два раза ниже, а длительность в два раза больше, чем при воздействии одиночного импульса. При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности составляет 40,3 Дж/см². Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг материала. Расчеты проведены по уравнению 7. 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.