EA036002B1 - Laser treatment method for non-metal wafers - Google Patents
Laser treatment method for non-metal wafers Download PDFInfo
- Publication number
- EA036002B1 EA036002B1 EA201892465A EA201892465A EA036002B1 EA 036002 B1 EA036002 B1 EA 036002B1 EA 201892465 A EA201892465 A EA 201892465A EA 201892465 A EA201892465 A EA 201892465A EA 036002 B1 EA036002 B1 EA 036002B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- plate
- laser
- plate material
- temperature
- annealing
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 title abstract description 11
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 title abstract 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 title abstract 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 33
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 abstract 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 2
- 102220504526 Dolichyl-diphosphooligosaccharide-protein glycosyltransferase subunit 4_V23K_mutation Human genes 0.000 description 1
- 206010073306 Exposure to radiation Diseases 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/06—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising selenium or tellurium in uncombined form other than as impurities in semiconductor bodies of other materials
- H01L21/08—Preparation of the foundation plate
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/355—Texturing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
- H01L21/324—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering
- H01L21/3247—Thermal treatment for modifying the properties of semiconductor bodies, e.g. annealing, sintering for altering the shape, e.g. smoothing the surface
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies not provided for in groups H01L21/0405, H01L21/0445, H01L21/06, H01L21/16 and H01L21/18 with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/42—Bombardment with radiation
- H01L21/423—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/428—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов излучением лазеров, работающих в непрерывном режиме.The invention relates to the field of technological processes and can be used for laser annealing of wafers made of semiconductor, ceramic and glassy materials by radiation of lasers operating in a continuous mode.
Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении поверхности пластины импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для плавления поверхностного слоя. 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.There is a known method of processing non-metallic materials, used for amorphizing silicon and consisting in irradiating the surface of the plate with a laser pulse with an energy density sufficient to melt the surface layer. Boyazitov P.M. et al. Amorphization and crystallization of silicon by subnanosecond laser pulses. Abstracts of the All-Union conference on the interaction of optical radiation with matter. Leningrad, March 11-18, 1988, p. 24.
Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионнолегированного 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).There is also known a method of processing non-metallic materials used for annealing ion-doped silicon (Kuzmenchenko TA and others. Laser annealing of ion-doped silicon by radiation with a wavelength of 2.94 microns. Abstracts of the All-Union conference on the interaction of optical radiation with matter. Leningrad, 11 -18 March 1988, p. 29).
Недостатком указанных способов является то, что они не учитывают термоупругие напряжения, возникающие в пластинах в процессе обработки и могущие привести к разрушению пластин.The disadvantage of these methods is that they do not take into account the thermoelastic stresses that arise in the plates during processing and can lead to the destruction of the plates.
Также известен способ обработки неметаллических материалов, 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 (ь^е^Ь2';О < ΐ <Also known is a method for processing non-metallic materials, in which the processing of plates is carried out by irradiating the surface with a laser pulse. The temporal shape of the pulse is described by a certain ratio depending on the energy flux density of the laser radiation, the constants b 1 and b 2 characterizing the front and fall of the laser pulse, on the duration of the laser pulse, the current time from the beginning of the action, the energy density and the maximum value of the laser radiation flux in impulse. The effect is achieved by that a laser pulse, the temporal shape of which is described by the relation (s ^ e ^ L2 '; O <ΐ <
[θ;ί>τ, J где q(t) - плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2;[θ; ί> τ, J where q (t) is the power density of the laser radiation, W / m 2 ;
τ - длительность импульса лазерного излучения, с;τ is the duration of the laser pulse, s;
b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;b1 and b 2 are constants characterizing the front and fall of the laser pulse;
е - основание натурального логарифма;e - base of natural logarithm;
t - текущее время от начала воздействия, с.t - current time from the beginning of the impact, s.
Патент РФ № 2211753, МПК В23К 26/00, 10.09.2003.RF patent No. 2211753, IPC V23K 26/00, 10.09.2003.
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. - стр. 119-124). Но этот способ не работает, когда длительность лазерного импульса составляет ~10-2 -10-6 с и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.This method makes it possible to minimize thermoelastic stresses in the absorbing layer of the plate material when exposed to laser pulses with a duration of less than 10 -6 s, when the dynamic problem of thermoelasticity is considered (Kovalenko A.F. Experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials // Instruments and technology experiment. - 2004, No. 4. - pp. 119-124). But this method does not work when the duration of the laser pulse is ~ 10 -2 -10 -6 s and it is necessary to consider the quasi-static problem of thermoelasticity.
Известен способ лазерной обработки, в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению w _(Tf-T^cp где Wf - плотность энергии лазерного излучения, требуемая для нагрева поверхности пластины до температуры отжига;A known method of laser processing, in particular, used for laser annealing of non-metallic plates, in which the energy density on the surface of the plate is determined by the ratio w _ (T f -T ^ cp where Wf is the energy density of laser radiation required to heat the surface of the plate to the annealing temperature ;
Tf - температура отжига пластины;Tf is the plate annealing temperature;
Т0 - начальная температура пластины;T 0 - the initial temperature of the plate;
с и р- удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;c and p - specific heat and density of the plate material, respectively;
R - коэффициент отражения материала пластины;R is the reflection coefficient of the plate material;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, и осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению т σΡ(1-ν)χΗ 0 r EaT0-e-xh-xhe^) где σΡ - предел прочности материала пластины на растяжение;χ - plate absorption index material on the laser wavelength, and carry out the preheating plate to a temperature determined by the equation t σ Ρ (1-ν) χΗ 0 0 r Ea T-e- xh -xhe ^) where σ Ρ - limit tensile strength of the plate material;
ν - коэффициент Пуассона материала пластины;ν is the Poisson's ratio of the plate material;
h - толщина пластины;h is the thickness of the plate;
Е - модуль Юнга;E - Young's modulus;
аТ - коэффициент линейного расширения материала пластины;a T is the coefficient of linear expansion of the plate material;
е - основание натурального логарифма.e is the base of the natural logarithm.
Патент РФ № 2602402, МПК H01L 21/428, 20.11.2016.RF patent No. 2602402, IPC H01L 21/428, 20.11.2016.
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, исполь- 1 036002 зуемых в лазерной технике.The use of laser annealing leads to relaxation of residual stresses in the near-surface layer of the plates, arising during their grinding and polishing with an abrasive, and also eliminates structural inhomogeneities during the deposition of thin films, which makes it possible to increase the radiation resistance of plates used in laser technology.
Недостатком указанного способа является то, что он применим только при импульсном режиме воздействия, когда выполняется условиеThe disadvantage of this method is that it is applicable only in the pulsed mode of action, when the condition
где α - коэффициент температуропроводности материала пластины;where α is the coefficient of thermal diffusivity of the plate material;
ти - длительность лазерного импульса.m and is the duration of the laser pulse.
Если для отжига, например, пластины из оптической керамики КО3 применяется непрерывный СО2-лазер, то поглощение излучения в обрабатываемой пластине будет объемным. Нагрев пластины будет осуществляться посредством прямого проникновения излучения в пластину и за счет механизма теплопроводности, то есть условие (1) выполняться не будет.If a continuous CO 2 laser is used for annealing, for example, a KO3 optical ceramic plate, then the absorption of radiation in the processed plate will be volumetric. The plate will be heated by direct penetration of radiation into the plate and due to the heat conduction mechanism, that is, condition (1) will not be met.
Известен также способ отжига неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, определяемой по соотношению w (Tf-T^cph гдеThere is also known a method for annealing non-metallic plates, which consists in irradiating their surface with continuous laser radiation with an energy density determined by the relation w (T f -T ^ cph where
- функция безразмерных параметров χή и т = at /h2;- function of dimensionless parameters χή and т = at / h 2 ;
t - время воздействия лазерного излучения.t is the time of exposure to laser radiation.
Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. - Физика и химия обработки материалов. 2004. № 6, - стр. 25-29. Указанный способ выбран в качестве прототипа.Kovalenko A. F. Method of substantiation of non-destructive modes of laser processing of a plate with volume absorption. - Physics and chemistry of materials processing. 2004. No. 6, - pp. 25-29. This method is selected as a prototype.
Недостатком прототипа является то, что возможны такие режимы обработки, при которых плотность энергии лазерного излучения, вызывающая разрушение пластины термоупругими напряжениями, окажется меньше плотности энергии, необходимой для достижения облучаемой поверхностью пластины температуры отжига, то есть в процессе обработки возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями.The disadvantage of the prototype is that such processing modes are possible in which the energy density of laser radiation, causing the destruction of the plate by thermoelastic stresses, is less than the energy density required to reach the annealing temperature of the irradiated surface of the plate, that is, during processing, the plates may be destroyed by thermoelastic stresses.
Техническим результатом изобретения является исключение разрушения пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига и повышение выхода годных пластин.The technical result of the invention is the elimination of the destruction of wafers made of semiconductor, ceramic and glassy materials by thermoelastic stresses in the process of laser annealing and an increase in the yield of suitable wafers.
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 _ (J-f-Ta)cph где Tf- температура отжига пластины;The technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of non-metallic plates, which consists in irradiating their surface with continuous laser radiation with an energy density determined by the equation _ (J- f -T a ) cph where Tf is the annealing temperature of the plate;
Т0 - начальная температура пластины;T 0 - the initial temperature of the plate;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;с and ρ are the specific heat capacity and density of the plate material, respectively;
h - толщина пластины;h is the thickness of the plate;
R - коэффициент отражения материала пластины на длине волны лазерного излучения;R is the reflection coefficient of the plate material at the laser wavelength;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption index of the plate material at the laser wavelength;
т = at/h2 - критерий Фурье;t = at / h 2 - Fourier criterion;
а - коэффициент температуропроводности материала пластины;a - coefficient of thermal diffusivity of the plate material;
t - время воздействия лазерного излучения;t is the time of exposure to laser radiation;
n = 1, 2, 3, ... ^ - натуральное число;n = 1, 2, 3, ... ^ is a natural number;
е - основание натурального логарифма;e - base of natural logarithm;
π «3,14, осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению т„ > тг —π <3.14, the plate is preheated to a temperature determined by the equation tn> tg -
EaTf(xh,T)’ гдеEa T f (xh, T) 'where
- 2 036002 σΡ - предел прочности материала пластины на растяжение;- 2 036002 σ Ρ - tensile strength of the plate material;
ν - коэффициент Пуассона материала пластины;ν is the Poisson's ratio of the plate material;
Е - модуль Юнга материала пластины;E is Young's modulus of the plate material;
аТ - коэффициент линейного расширения материала пластины.and T is the coefficient of linear expansion of the plate material.
Ниже приводится более подробное описание заявляемого способа лазерной обработки неметаллических пластин. Сущность способа состоит в следующем. Для предотвращения изгиба пластины при обработке ее, как правило, свободно защемляют по контуру (Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. - Физика и химия обработки материалов. 2004. № 6, - стр. 25-29). Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемлённой по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине пластины, возникают термоупругие напряжения (Коваленко А. Д. Термоупругость. -Киев: Вища школа, 1973, стр. 216):Below is a more detailed description of the proposed method for laser processing of non-metallic plates. The essence of the method is as follows. To prevent bending of the plate during processing, it is, as a rule, freely clamped along the contour (Kovalenko A. F. Method of substantiating non-destructive modes of laser processing of a plate with volume absorption. - Physics and chemistry of material processing. 2004. No. 6, - pp. 25-29 ). The plate is completely covered with laser radiation. In this case, the temperature field in the plate will change only along its thickness. In a plate freely clamped along the contour, under the action of a temperature field that changes only along the thickness of the plate, thermoelastic stresses arise (Kovalenko A. D. Thermoelasticity. -Kiev: Vischa shkola, 1973, p. 216):
σχ(z,t) = σγ(ζ,t) = {ετ -ατ\Τ(ζ,ί)-Τ^\}, (2) h где: ετ ~г\ νΐ\ζ·> Adz, (3) /7 0 σх (z, t), σ y(z,t) - термоупругие напряжения в пластине, зависящие от координаты z и времени t;σ χ (z, t) = σ γ (ζ, t) = {ε τ -α τ \ Τ (ζ, ί) -Τ ^ \}, (2 ) h where: ε τ ~ г \ νΐ \ ζ > Adz, (3) / 7 0 σ х (z, t), σ y (z, t) - thermoelastic stresses in the plate, depending on the coordinate z and time t;
ετ - средняя по толщине пластины температура;ε τ is the temperature averaged over the plate thickness;
х, у, z - координаты, причем z - координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь;x, y, z - coordinates, and z - coordinate, measured from the irradiated surface of the plate inward;
T(z,t) - температура в точке с координатой z в момент времени t.T (z, t) - temperature at a point with coordinate z at time t.
Анализ уравнения (2) показывает, что термоупругие напряжения в пластине являются сжимающими там, где текущая температура выше средней температуры по толщине пластины, и растягивающими там, где текущая температура ниже средней по толщине пластины. Так как хрупкие материалы, к которым относятся полупроводниковые, керамические и стеклообразные материалы, имеют предел прочности на растяжение в 5-10 раз меньше, чем на сжатие (Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука. 1986, стр. 512, стр. 75), дальнейший анализ проведем для растягивающих напряжений.Analysis of equation (2) shows that thermoelastic stresses in the plate are compressive where the current temperature is higher than the average temperature over the plate thickness, and tensile where the current temperature is below the average over the plate thickness. Since brittle materials, which include semiconductor, ceramic and glassy materials, have tensile strength 5-10 times less than compression (Feodosiev V.I. Resistance of materials. - Moscow: Nauka. 1986, p. 512 , p. 75), we will carry out further analysis for tensile stresses.
В работе (Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. - Физика и химия обработки материалов. 2004, № 6, стр. 25-29) с учетом уравнений (2), (3) и уравнения для температурного поля в пластине получены уравнения для расчёта плотности энергии, вызывающей разрушение пластины термоупругими напряжениями ν,^-Peph ' Еа,(\-КШхМ (4) где fT (Xh, τ) = -г —Λ X У , ,Л - е In the work (Kovalenko A. F. Method of substantiation of non-destructive modes of laser processing of a plate with volume absorption. - Physics and chemistry of material processing. 2004, No. 6, pp. 25-29) taking into account equations (2), (3) and equations for temperature field in the plate, equations are obtained for calculating the energy density causing the destruction of the plate by thermoelastic stresses ν, ^ - Peph 'Ea, (\ - KShxM (4) where f T (Xh, τ) = -r - A X Y,, A - e
Щ-е χ )„=1 π2η2 1 ,U-e χ ) „= 1 π 2 η 2 1,
I А)2) и уравнение для расчёта плотности энергии, требуемой для достижения облучаемой поверхностью пластины температуры отжига w _ (Tf-TDcphI A) 2 ) and the equation for calculating the energy density required to reach the annealing temperature w _ (T f -TDcph
Разделив (4) на (5) и поставив условие WT/Wf>1, получим критерий термопрочности пластины для случая объёмного поглощения лазерного излучения при непрерывном режиме воздействия гдеDividing (4) by (5) and setting the condition W T / Wf> 1, we obtain the criterion for the thermal strength of the plate for the case of volumetric absorption of laser radiation under continuous action where
Левая часть неравенства (6) является константой, характеризующей отношение предела прочности на растяжение материала пластины, свободно защемлённой по контуру, к максимальным растягивающим напряжениям в ней при одностороннем нагреве. Правая часть неравенства является функцией двух безразмерных параметров χή и т. Максимального значения, равного 0,35, функция ί'(χΐι,τ) достигает при χή -5 и т-0,1. Если условие (6) выполняется, можно производить лазерный отжиг пластины. Если это условие не выполняется, то разрушение пластины термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотностиThe left side of inequality (6) is a constant characterizing the ratio of the ultimate tensile strength of the plate material, freely clamped along the contour, to the maximum tensile stresses in it during unilateral heating. The right-hand side of the inequality is a function of two dimensionless parameters χή, etc. The maximum value equal to 0.35, the function ί '(χ значенияι, τ) reaches at χή -5 and m-0.1. If condition (6) is satisfied, the plate can be laser annealed. If this condition is not met, then the destruction of the plate by thermoelastic stresses will occur at a lower density
- 3 036002 энергии, чем требуется для достижения поверхностью пластины температуры отжига, и лазерный отжиг проводить в данном режиме нельзя.- 3 036002 energy, which is required for the plate surface to reach the annealing temperature, and laser annealing cannot be performed in this mode.
Из неравенства (6) найдем значение начальной температуры, при которой критерий термопрочности будет выполнен т >т ° f EaTj\xh,r) 7)From inequality (6) we find the value of the initial temperature at which the criterion of thermal strength will be fulfilled t> t ° f Ea T j \ xh, r) 7)
Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения критерия термопрочности температуры Т0 и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины.The plate is heated in a muffle furnace to the temperature T 0 required to meet the thermal strength criterion and the required time is maintained to equalize the temperature across the plate thickness.
Время выдержки определяют из критерия Фурье, определяющего тепловую инерцию пластины 181 где tB - время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре.The holding time is determined from the Fourier criterion, which determines the thermal inertia of the plate 181 where t B is the holding time of the plate at the temperature required to fulfill the thermal strength criterion.
После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению (5).After holding the plate in a muffle furnace, it is exposed to laser radiation with an energy density determined by equation (5).
Пример осуществления способа обработкиAn example of the implementation of the processing method
Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла ЖЗС12 толщиной 0,5 см излучением Nd:YAG-лазера, работающего в непрерывном режиме. Время воздействия излучения на пластину составляет 2 с. Показатель поглощения данной марки стекла для излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 10 см-1 [ГОСТ 9411 - 90. Стекло цветное оптическое. М.: Издво стандартов, 1992, стр. 48]. Безразмерный параметр /h = 5, безразмерный параметр τ=0,5. Начальную температуру пластины примем равной 300 К, температуру отжига - 1100 К. Расчет по уравнению (5) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии лазерного излучения 580 Дж/см2. Расчет по уравнению (4) показывает, что для разрушения термоупругими напряжениями пластины толщиной 0,5 см требуется плотность энергии 346 Дж/см2 , то есть меньше, чем для отжига. Рассчитаем левую и правую части критерия термопрочности (6). Левая часть неравенства (6) составляет 0,115. Правая часть неравенства (6) при /h=5 и τ=0,5 составляет 0,193. 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 623 К и выдержать при этой температуре не менее 125 с для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (7) и (8) при следующих исходных данных [ГОСТ 9411-90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992, стр. 48, Стекло/Под ред. Н. М. Павлушина. М.: Стройиздат, 1973. стр. 280]: аР = 70 МПа, Е = 80 ГПа, ν = 0,2, аТ = 7,6-10-6 К-1, а = 6- 10-3 см2/с. Примем новое значение начальной температуры Т0=630 К. Затем воздействуют на пластину лазерным излучением с плотностью энергии не более 341 Дж/см2 (плотность мощности 170,5 Вт/см2 при времени воздействия 2 с). Расчеты проведены по уравнению (4) для нового значения начальной температуры 625 К. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.It is necessary to carry out laser annealing of the surface of a plate made of colored optical glass ZhZS12 with a thickness of 0.5 cm by the radiation of a Nd: YAG laser operating in a continuous mode. The time of exposure to radiation on the plate is 2 s. The absorption index of this brand of glass for radiation with a wavelength of 1.06 microns is 10 cm -1 [GOST 9411 - 90. Colored optical glass. M .: Publishing house of standards, 1992, p. 48]. Dimensionless parameter / h = 5, dimensionless parameter τ = 0.5. The initial temperature of the plate is assumed to be 300 K, and the annealing temperature is 1100 K. Calculation using equation (5) shows that annealing of the plate requires a laser radiation energy density of 580 J / cm 2 . Calculation according to equation (4) shows that for the destruction of a plate 0.5 cm thick by thermoelastic stresses, an energy density of 346 J / cm 2 is required, that is, less than for annealing. Let us calculate the left and right sides of the thermal strength criterion (6). The left side of inequality (6) is 0.115. The right-hand side of inequality (6) for h = 5 and τ = 0.5 is 0.193. It is seen that the thermal strength criterion is not met. The plate will be destroyed by thermoelastic stresses. To prevent this from happening, the plate must be preheated in a muffle furnace to a temperature of at least 623 K and kept at this temperature for at least 125 s to equalize the temperature across the plate thickness. The calculations were performed according to equations (7) and (8) with the following initial data [GOST 9411-90. Colored optical glass. M .: Publishing house of standards, 1992, p. 48, Glass / Ed. N.M. Pavlushina. M .: Stroyizdat, 1973. p. 280]: aP = 70 MPa, E = 80 GPa, ν = 0.2, aT = 7.6-10 -6 K -1 , a = 6-10 -3 cm 2 /from. We will accept the new value of the initial temperature T0 = 630 K. Then the plate is exposed to laser radiation with an energy density of no more than 341 J / cm 2 (power density 170.5 W / cm 2 with an exposure time of 2 s). Calculations were carried out according to equation (4) for a new value of the initial temperature of 625 K. The temperature of the plate surface in this case reaches the annealing temperature, and thermoelastic stresses will not exceed the ultimate strength of the material.
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.Thus, the implementation of the proposed method for laser processing of nonmetallic plates leads to the exclusion of their destruction by thermoelastic stresses during laser annealing and an increase in the yield of suitable plates.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122426A RU2685427C1 (en) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Method of laser processing of non-metallic plates |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201892465A1 EA201892465A1 (en) | 2019-12-30 |
| EA036002B1 true EA036002B1 (en) | 2020-09-11 |
Family
ID=66168300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201892465A EA036002B1 (en) | 2018-06-20 | 2018-11-28 | Laser treatment method for non-metal wafers |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA036002B1 (en) |
| RU (1) | RU2685427C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090026178A1 (en) * | 2005-06-28 | 2009-01-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Apparatus for annealing, method for annealing, and method for manufacturing a semi conductor device |
| CN203900744U (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-29 | 上海和辉光电有限公司 | Laser annealing equipment |
| US20150357215A1 (en) * | 2008-09-17 | 2015-12-10 | Applied Materials, Inc. | Managing thermal budget in annealing of substrates |
| RU2583870C1 (en) * | 2015-02-25 | 2016-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Laser processing of nonmetallic plates |
| RU2633860C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-10-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser annealing of non-metallic materials |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2211753C2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Method for working non-metallic materials |
| JP4593678B2 (en) * | 2008-02-19 | 2010-12-08 | 新日本製鐵株式会社 | Low iron loss unidirectional electrical steel sheet and manufacturing method thereof |
| US9302348B2 (en) * | 2011-06-07 | 2016-04-05 | Ultratech Inc. | Ultrafast laser annealing with reduced pattern density effects in integrated circuit fabrication |
| RU2573181C1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Laser processing of non-metallic plates |
| RU2602402C1 (en) * | 2015-08-14 | 2016-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser processing of nonmetallic plates |
-
2018
- 2018-06-20 RU RU2018122426A patent/RU2685427C1/en active
- 2018-11-28 EA EA201892465A patent/EA036002B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090026178A1 (en) * | 2005-06-28 | 2009-01-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Apparatus for annealing, method for annealing, and method for manufacturing a semi conductor device |
| US20150357215A1 (en) * | 2008-09-17 | 2015-12-10 | Applied Materials, Inc. | Managing thermal budget in annealing of substrates |
| CN203900744U (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-29 | 上海和辉光电有限公司 | Laser annealing equipment |
| RU2583870C1 (en) * | 2015-02-25 | 2016-05-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Laser processing of nonmetallic plates |
| RU2633860C1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-10-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser annealing of non-metallic materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2685427C1 (en) | 2019-04-18 |
| EA201892465A1 (en) | 2019-12-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2602402C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic plates | |
| RU2583870C1 (en) | Laser processing of nonmetallic plates | |
| RU2566138C2 (en) | Laser processing of non-metallic materials | |
| Wang et al. | Laser shock processing of polycrystalline alumina ceramics | |
| RU2573181C1 (en) | Laser processing of non-metallic plates | |
| RU2630197C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic plates | |
| Pogrebnjak et al. | A comparison of radiation damage and mechanical and tribological properties of α-Fe exposed to intense pulsed electron and ion beams | |
| EA036002B1 (en) | Laser treatment method for non-metal wafers | |
| Maniks et al. | Nanostructuring and hardening of LiF crystals irradiated with 3–15 MeV Au ions | |
| RU2649054C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic plates | |
| Papernov | Defect-induced damage | |
| RU2624989C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic plates | |
| RU2633860C1 (en) | Method of laser annealing of non-metallic materials | |
| RU2760764C1 (en) | Method for laser processing of non-metallic plates | |
| RU2757537C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic plates | |
| RU2691923C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic plates | |
| Ocaña et al. | Compressive residual stresses and associated surface modifications induced in Ti6Al4V by laser shock processing | |
| RU2624998C1 (en) | Method of laser processing non-metallic plates | |
| Kovalenko et al. | Method of determining nondestructive pulsed laser annealing modes for dielectric and semiconductor wafers | |
| RU2646177C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic materials | |
| RU2649238C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic plates | |
| EA036035B1 (en) | Method for laser annealing of nonmetallic materials | |
| RU2695440C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic materials | |
| Karnavskaya et al. | Influence of cyclic laser pulses on degradation of a tantalum coating | |
| Kovalenko | Nondestructive regimes of laser pulse annealing of glass and ceramic plates |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KZ KG TJ TM RU |