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 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 T_ƒ - 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 W_ƒ - плотность энергии лазерного излучения, необходимая для достижения поверхностью пластины температуры отжига;

T_ƒ - 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: σ_ВР - предел прочности материала пластины на растяжение;

v - коэффициент Пуассона;

Е - модуль Юнга;

α_Т - 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 σ_х (z, t), σ_у (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 q_T/q_ƒ≥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 W_f=327 Дж/см², W_T=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, α_T=7,6⋅10^-6 K^-1, T_ƒ=1100 K, T₀=300 K, с=760 Дж/(кг⋅K), ρ=2500 кг/м³, v=0,2, σ_ВР=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 t_B≈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 W_f=237 Дж/см², что меньше значения плотности энергии, приводящей к разрушению пластины термоупругими напряжениями. При этом плотность мощности лазерного излучения составит q_ƒ=W_ƒ/t=23,7 Вт/см^2.

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