×
10.05.2018
218.016.41aa

Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерной обработки неметаллических пластин

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002649054
Дата охранного документа
29.03.2018
Аннотация: Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Техническим результатом изобретения являются исключение разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе обработки и повышение выхода годных. Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью пластины температуры отжига, предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по уравнению, связывающему механические свойства материала и функцию от критерия Фурье, и, при его невыполнении, предварительно нагревают пластину до температуры, определяемой из условия термопрочности. 1 ил.

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 P.M. 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 RU 2211753 С2. МПК В23K 26/00, опубл. 10.09.2003. Бюл. №25], 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;

е - 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 или осуществляется отжиг в непрерывном режиме воздействия лазерного излучения в течение нескольких секунд, когда необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.

Известен способ лазерной обработки [Коваленко А.Ф. Режимы высокотемпературного лазерного отжига оптической керамики КО-1 и КО-5 излучением СО2-лазера // Стекло и керамика. 2014. №9. С. 9-13], в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин излучением непрерывного СО2-лазера, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению

где Tƒ - температура отжига;

Т0 - начальная температура;

h - толщина пластины;

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

τ=at/h2 - критерий Фурье;

а - коэффициент температуропроводности материала пластины;

t - время воздействия лазерного излучения;

n - натуральное число (n=1, 2, …);

е - основание натурального логарифма.

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

Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных пластин из неметаллических материалов за счет исключения их разрушения термоупругими напряжениями при лазерном отжиге.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, определяемой по уравнению

где Wƒ - плотность энергии лазерного излучения, необходимая для достижения поверхностью пластины температуры отжига;

Tƒ - температура отжига;

Т0 - начальная температура;

h - толщина пластины;

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

τ=at/h2 - критерий Фурье;

а - коэффициент температуропроводности материала пластины;

t - время воздействия лазерного излучения;

е - основание натурального логарифма;

n - натуральное число 1, 2, 3 …;

предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по уравнению

где: σВР - предел прочности материала пластины на растяжение;

v - коэффициент Пуассона;

Е - модуль Юнга;

αТ - коэффициент линейного расширения материала пластины,

и, при его невыполнении, перед воздействием лазерного излучения нагревают пластину до температуры, определяемой по уравнению

Ниже приводится более подробное описание способа лазерной обработки со ссылкой на рисунок.

Рассмотрим пластину в виде диска толщиной h, ограниченную плоскостями z=±h/2 и цилиндрической образующей. На поверхность z=h/2 воздействует лазерное излучение. Будем считать, что плотность мощности лазерного излучения равномерно распределена по площади пучка и постоянна во времени. Поглощение излучения осуществляется в тонком поверхностном слое материала пластины (например, многие оптические стекла, керамические материалы и ситаллы обладают поверхностным поглощением излучения СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм).

Для предотвращения изгиба при обработке пластину, как правило, свободно защемляют по контуру [Коваленко А.Ф. Режимы высокотемпературного лазерного отжига оптической керамики КО-1 и КО-5 излучением СО2-лазера // Стекло и керамика. 2014. №9. С. 9-13]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. Температуру в пластине определяют по уравнению [Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев, «Вища школа», 1973. - 216 с.]

где: ξ=z/h - безразмерная координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь;

z - текущая координата;

λ=асρ - коэффициент теплопроводности;

q - поглощенная плотность мощности лазерного излучения;

R - коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности пластины;

q0 - плотность мощности лазерного излучения, падающая на поверхность пластины.

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 σх (z, t), σу (z, t) - термоупругие напряжения в точке с координатой z в момент времени t;

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

Подставив (1) в (3) и (4), после проведения математических преобразований, получим соотношение для расчета термоупругих напряжений в пластине

Анализ соотношения (5) показывает, что термоупругие напряжения изменяются по толщине пластины от максимальных сжимающих в сечении пластины ξ=1/2, где температура максимальна, до максимальных растягивающих напряжений в сечении ξ=-1/2, где температура имеет минимальное значение.

Так как неметаллические материалы имеют предел прочности на растяжение примерно в пять раз меньше, чем на сжатие [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука. 1986. - 512 с.], дальнейший анализ проведем для растягивающих напряжений. Из уравнения (5) получим соотношение для максимальных растягивающих напряжений при ξ=-1/2

Из (5) найдем поглощенную плотность мощности лазерного излучения, приводящую к разрушению пластины термоупругими напряжениями:

Из уравнения (1) найдем поглощенную плотность мощности лазерного излучения, требуемую для достижения на облучаемой поверхности пластины температуры отжига

Разделив (12) на (13) и поставив условие qT/qƒ≥1, после математических преобразований, получим

Уравнение (9) является условием термопрочности пластины. Если оно выполняется, поверхность пластины можно нагреть до температуры отжига за заданное время воздействия лазерного излучения. При этом термоупругие напряжения не превысят предел прочности материала пластины. Левая часть неравенства (9) является константой, характеризующей отношение предела прочности на растяжение материала пластины, свободно защемленной по контуру, к максимальным растягивающим напряжениям в ней при одностороннем нагреве поверхностным источником тепла. Правая часть неравенства является функцией безразмерного параметра ƒ(τ) (критерия Фурье). В качестве примера на рисунке фиг. 1 представлено графическое решение неравенства (9) для пластины из оптического стекла К8. Левая часть неравенства (9) не зависит от τ и представлена на графике прямой линией, параллельными оси абсцисс. Функция ƒ(τ) является выпуклой и достигает максимального значения, равного 0,275, при τ≈0,2. Видно, что условие термопрочности выполняется при при τ1<0,02 и τ2>1. При значениях параметра 0,02<τ<1 пластина будет разрушена термоупругими напряжениями.

Из уравнения (9) найдем значение температуры, до которой необходимо предварительно нагреть пластину, чтобы она не была разрушена термоупругими напряжениями в процессе лазерной обработки

Из уравнений (7) и (8) найдем значение плотности энергии лазерного излучения, необходимой для достижения поверхностью пластины температуры отжига

и плотности энергии, приводящей к разрушению пластины термоупругими напряжениями

Пример реализации способа. Необходимо осуществить отжиг поверхности пластины из оптического стекла К8 излучением СО2-лазера. Толщина пластины равна 1,4 см, время воздействия лазерного излучения - 10 с. Левая часть неравенства (9) составляет 0,12, τ=0,03, ƒ(τ)=0,153. Условие термопрочности пластины не выполняется. Для подтверждения невыполнения условия термопрочности по уравнениям (11) и (12) находим, что Wf=327 Дж/см2, WT=245 Дж/см2. Видно, что разрушение пластины термоупругими напряжениями происходит при меньшей платности энергии лазерного излучения, чем требуется для достижения поверхностью пластины температуры отжига. Расчеты проведены для следующих исходных данных для стекла К8: E=80 ГПа, αT=7,6⋅10-6 K-1, Tƒ=1100 K, T0=300 K, с=760 Дж/(кг⋅K), ρ=2500 кг/м3, v=0,2, σВР=70 МПа, a=6⋅10-3 см2/с. Исходные данные взяты из ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. - М.: Издательство стандартов, 1985, - 48 с. Для предотвращения разрушения пластины термоупругими напряжениями по уравнению (10) рассчитываем температуру, до которой необходимо нагреть пластину. Получаем Т0≥511 K. Помещаем пластину в муфельную печь, нагреваем до температуры не менее 511 K (например, до Т0=520 K), выдерживаем при этой температуре в течение времени ~980 с, обеспечивающем равномерное распределение температуры по толщине пластины (время выдержки в печи определяется критерием Фурье tB≈3h2/a). Затем воздействуем в течение 10 с на пластину с плотностью энергии, рассчитанной по уравнению (11) для нового значения начальной температуры Т0=520 K. При этом Wf=237 Дж/см2, что меньше значения плотности энергии, приводящей к разрушению пластины термоупругими напряжениями. При этом плотность мощности лазерного излучения составит qƒ=Wƒ/t=23,7 Вт/см2.

Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин непрерывным лазерным излучением позволяет исключить их разрушение термоупругими напряжениями и повысить выход годной продукции.


Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 91-100 из 191.
10.02.2016
№216.014.c31e

Спектрозональный позиционно-чувствительный детектор гамма-излучения

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано при создании радиационных детекторов, применяемых в геофизической аппаратуре нейтрон-гамма и гамма-гамма каротажа. Сущность изобретения заключается в том, что спектрозональный позиционно-чувствительный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002574415
Дата охранного документа: 10.02.2016
20.03.2016
№216.014.c5f6

Устройство для радиационного измерения плотности

Использование: для бесконтактного измерения плотности вещества с помощью нейтронного и гамма-излучения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для радиационного измерения плотности включает в себя источник излучения, находящийся на оси блока радиационной защиты и имеющий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578048
Дата охранного документа: 20.03.2016
20.03.2016
№216.014.c7a7

Способ определения плотности

Использование: для определения плотности путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что определяют плотность путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578047
Дата охранного документа: 20.03.2016
20.03.2016
№216.014.c831

Скважинное устройство с двухсторонним расположением измерительных зондов

Использование: для измерения плотности и пористости породы с использованием нейтронного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что скважинное устройство с двухсторонним расположением измерительных зондов содержит нейтронный источник, расположенный соосно с корпусом скважинного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578050
Дата охранного документа: 20.03.2016
10.04.2016
№216.015.2c0f

Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для регистрации направленного рентгеновского или гамма-излучения. Спектрозональный однокоординатный детектор рентгеновского и гамма-излучений содержит слой сцинтиллятора, непрозрачный вдоль направления распространения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579157
Дата охранного документа: 10.04.2016
27.04.2016
№216.015.378d

Импульсный нейтронный способ определения влажности материалов

Использование: для бесконтактного измерения влажности материала с помощью нейтронного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый материал облучают быстрыми нейтронами с энергией 2,5 МэВ, измеряют поток быстрых нейтронов во время нейтронных импульсов, в промежутках...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582901
Дата охранного документа: 27.04.2016
27.04.2016
№216.015.3901

Способ защиты углов трёхмерных микромеханических структур на кремниевой пластине при глубинном анизотропном травлении

Использование: для изготовления трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине. Сущность изобретения заключается в том, что способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582903
Дата охранного документа: 27.04.2016
27.04.2016
№216.015.3902

Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине и может найти применение изготовления пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов с отверстиями. Осуществляют облучение поверхности пластин импульсным лазерным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582849
Дата охранного документа: 27.04.2016
27.04.2016
№216.015.39c4

Управляющая система безопасности атомной электростанции

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления безопасностью атомных станций (АЭС). Технический результат заключается в повышении надежности системы безопасности. Система включает станции ввода-вывода, станции приоритетного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582875
Дата охранного документа: 27.04.2016
27.04.2016
№216.015.3a2d

Запаянная нейтронная трубка

Изобретение относится к запаянным нейтронным трубкам и может быть использовано в генераторах нейтронов для проведения неразрушающего элементного анализа вещества и проведения исследований нейтронно-радиационными методами, в том числе для проведения геофизических исследований нефтегазовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583000
Дата охранного документа: 27.04.2016
Показаны записи 11-16 из 16.
10.05.2018
№218.016.41ab

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. Техническим результатом изобретения является исключение разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649238
Дата охранного документа: 30.03.2018
20.04.2019
№219.017.3519

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. Предложен способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685427
Дата охранного документа: 18.04.2019
20.05.2019
№219.017.5d15

Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Осуществляют разделение лазерного пучка на два. Воздействуют на обе стороны пластины пучками с равной плотностью энергии, которую рассчитывают по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002688036
Дата охранного документа: 17.05.2019
20.06.2019
№219.017.8d36

Способ лазерного отжига неметаллических материалов

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002692004
Дата охранного документа: 19.06.2019
20.06.2019
№219.017.8d79

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. В способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности импульсом лазерного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002691923
Дата охранного документа: 18.06.2019
25.07.2019
№219.017.b840

Способ лазерной обработки неметаллических материалов

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...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002695440
Дата охранного документа: 23.07.2019
+ добавить свой РИД