RU2486628C1 - Method of processing nonmetallic materials - Google Patents
Method of processing nonmetallic materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2486628C1 RU2486628C1 RU2011150874/28A RU2011150874A RU2486628C1 RU 2486628 C1 RU2486628 C1 RU 2486628C1 RU 2011150874/28 A RU2011150874/28 A RU 2011150874/28A RU 2011150874 A RU2011150874 A RU 2011150874A RU 2486628 C1 RU2486628 C1 RU 2486628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- processing
- energy
- laser radiation
- radiation
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to the field of technological processes and can be used for scribing semiconductor, ceramic and glassy materials.
Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их импульсом лазерного излучения [1]. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легировавного кремния [2]. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материалах термоупругие напряжения могут привести к отколу со стороны облучаемой поверхности.A known method of processing non-metallic materials used for amorphization of silicon and consisting in irradiating them with a laser pulse [1]. There is also a known method of processing non-metallic materials used for annealing of ion-doped silicon [2]. The disadvantage of these methods is that the thermoelastic stresses arising in the materials can lead to spallation from the irradiated surface.
Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига, заключающийся в облучении их одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы [3].There is also a method of processing non-metallic materials used for annealing, which consists in irradiating them with a single rectangular laser pulse [3].
Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to destruction of the material due to spallation from the irradiated surface.
Также известен способ обработки неметаллических материалов [4], в котором обработка осуществляется путем облучения материалов 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 соотношениемAlso known is a method of processing non-metallic materials [4], in which processing is carried out by irradiating materials with a laser pulse. The temporal shape of the pulse is described by a certain ratio, depending on the laser energy flux density, the constants b 1 and b 2 characterizing the front and decay of the laser pulse, the duration of the laser pulse, the current time from the onset of exposure, the energy density and the maximum value of the laser radiation flux density in momentum. The effect is achieved by forming a laser pulse, the temporary shape of which is described by the relation
где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м2;where q (t) is the energy density of the laser radiation, W / m 2 ;
τ - длительность лазерного импульса, с;τ is the laser pulse duration, s;
b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;b 1 and b 2 - constants characterizing the front and the decline of the laser pulse;
t - текущее время от начала воздействия, с.t is the current time from the onset of exposure, s.
Известен способ лазерной обработки отверстий [5], в котором плотность энергии, поглощенной в испаренном слое, равнаA known method of laser processing of holes [5], in which the density of energy absorbed in the evaporated layer is equal to
где z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;where z is the coordinate measured from the surface into the interior of the material;
ρ - плотность материала;ρ is the density of the material;
Lu - скрытая теплота испарения единицы массы.L u - latent heat of evaporation of a unit mass.
Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком слое материала (много меньше толщины испаренного слоя) и не учитывает поглощение в парах материала и увеличение внутренней энергии пара. Оно справедливо для небольшого диапазона плотностей мощности лазерного излучения, когда поглощением в парах материала можно пренебречь. Кроме того, уравнением (1) нельзя пользоваться, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например, в слое толщиной несколько миллиметров.Equation (1) characterizes the stationary process of material evaporation under the action of laser radiation when it is absorbed in a very thin layer of the material (much less than the thickness of the vaporized layer) and does not take into account the absorption in the vapor of the material and the increase in the internal energy of the vapor. It is valid for a small range of laser radiation power densities, when absorption in the vapor of the material can be neglected. In addition, equation (1) cannot be used when the absorption of laser radiation occurs in the bulk of the material, for example, in a layer several millimeters thick.
В выражении (1) в [5] скрытая теплота испарения Lu характеризует испарение материала с поверхности светового пятна. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на котором происходит обработка материала.In expression (1) in [5], the latent heat of evaporation L u characterizes the evaporation of the material from the surface of the light spot. The disadvantage of this method is the inability to determine the optimal value of the energy density of the laser radiation when processing materials having volumetric absorption of radiation with a wavelength at which the material is processed.
Этот способ выбран в качестве прототипа. Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением. Например, стеклообразные, керамические и полупроводниковые материалы могут обладать объемным поглощением на длине волны воздействующего излучения. Если выполняются условия:This method is selected as a prototype. The aim of the invention is to reduce energy costs in the processing of non-metallic materials by laser radiation. For example, glassy, ceramic, and semiconductor materials may exhibit volumetric absorption at the wavelength of the incident radiation. If the conditions are met:
где χ - показатель поглощения материала;where χ is the absorption coefficient of the material;
a - коэффициент температуропроводности материала; a is the coefficient of thermal diffusivity of the material;
τ - длительность лазерного импульса;τ is the laser pulse duration;
Rn - радиус пятна лазерного излучения,R n is the radius of the spot of laser radiation,
то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности. Плотность мощности лазерного излучения в материале определяется уравнением [5]:then we can consider the problem of the evaporation of the material in a one-dimensional formulation and neglect the energy transfer in the material due to thermal conductivity. The power density of laser radiation in the material is determined by the equation [5]:
q(t, z)=(1-R)q0(t)e-χz,q (t, z) = (1-R) q 0 (t) e -χz ,
где R - коэффициент отражения материала;where R is the reflection coefficient of the material;
q0(t) - плотность мощности лазерного излучения;q 0 (t) is the power density of the laser radiation;
z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала.z is the coordinate measured from the surface into the interior of the material.
Если в сечении z поглощенная энергия превысит удельную энергию сублимации материала, то есть будет выполнено условиеIf the absorbed energy in the cross section z exceeds the specific sublimation energy of the material, that is, the condition
где R - коэффициент отражения материала;where R is the reflection coefficient of the material;
q(t) - плотность мощности лазерного излучения;q (t) is the power density of the laser radiation;
z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;z is the coordinate measured from the surface into the interior of the material;
Q - удельная энергия сублимации материала,Q is the specific energy of sublimation of the material,
то произойдет испарение поглощающего слоя материала. Из (2) получим соотношение для толщины испаренного слояThis will evaporate the absorbing layer of material. From (2) we obtain the relation for the thickness of the evaporated layer
Масса испаренного на единицу площади материала составитThe mass of material vaporized per unit area is
где - ρ плотность материала.where - ρ is the density of the material.
Удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составитThe specific (per unit of energy input) ablation of the mass of material will be
Исследование на экстремум уравнения (3) показывает, что удельный унос массы имеет максимум при
(mУД)max≈0,368ρ/Q.(m UD ) max ≈0.368ρ / Q.
С целью экономии энергозатрат обработку материалов целесообразно осуществлять с плотностью энергии лазерного излученияIn order to save energy costs, it is advisable to process materials with a laser energy density
Толщина испаренного слоя тогда будет равна 1/χ. Увеличение глубины канавки при обработке получают воздействием нескольких импульсов. Таким образом, соблюдается оптимальный режим обработки неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением на длине волны воздействующего лазера.The thickness of the evaporated layer will then be 1 / χ. An increase in groove depth during processing is obtained by the action of several pulses. Thus, the optimal processing regime of non-metallic materials with volumetric absorption at the wavelength of the laser is observed.
ЛитератураLiterature
1. Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов / ТЛ Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с 24.1. Boyazitov P.M. Amorphization and crystallization of silicon by subnanosecond laser pulses. Abstracts / TL of the All-Union Conference on the interaction of optical radiation with matter. Leningrad. March 11-18, 1988, from 24.
2. Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с. 29.2. Kuzmenchenko T.A. et al. Laser annealing of ion-doped silicon by radiation with a wavelength of 2.94 microns. Leningrad. March 11-18, 1988, with. 29.
3. 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.92-98.3. Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Studies of thermoelastic stresses arising in the absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF, - 1982. - No. 6. - p. 92-98.
4. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. RU 2211753 C2.4. Atamanyuk V.M., Kovalenko A.F., Levun I.V., Fedichev A.V. A method of processing non-metallic materials. RU 2211753 C2.
5. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учеб. пособие для вузов / А.Г.Григорьянц, А.А. Соколов; Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк. 1998. - 191 с.: ил. ISBN 5-06-001453-3.5. Laser equipment and technology. In 7 kn. Book 4. Laser processing of non-metallic materials: Textbook. manual for universities / A.G. Grigoryants, A.A. Sokolov; Ed. A.G. Gregorianets. - M .: Higher. school 1998 .-- 191 pp., Ill. ISBN 5-06-001453-3.
Claims (1)
где Q - удельная энергия сублимации материала;
e - основание натурального логарифма;
χ - показатель поглощения материала на длине волны воздействующего лазерного излучения;
R - коэффициент отражения материала. A method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating the surface with laser radiation, characterized in that they form a laser pulse, the energy density of which is determined by the ratio
where Q is the specific energy of the sublimation of the material;
e is the base of the natural logarithm;
χ is the absorption coefficient of the material at the wavelength of the incident laser radiation;
R is the reflection coefficient of the material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150874/28A RU2486628C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Method of processing nonmetallic materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150874/28A RU2486628C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Method of processing nonmetallic materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2486628C1 true RU2486628C1 (en) | 2013-06-27 |
Family
ID=48702422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011150874/28A RU2486628C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Method of processing nonmetallic materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2486628C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566138C2 (en) * | 2014-02-13 | 2015-10-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Laser processing of non-metallic materials |
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 |
RU2574327C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-02-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Method for laser treatment of non-metallic materials |
RU2582849C1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method for laser punching through-hole in non-metal plate |
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 |
RU2624989C1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-07-11 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser processing of non-metallic plates |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
RU2211753C2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Method for working non-metallic materials |
RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
US20050003633A1 (en) * | 2003-07-02 | 2005-01-06 | Texas Instruments Incorporated | Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment |
-
2011
- 2011-12-14 RU RU2011150874/28A patent/RU2486628C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
RU2211753C2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Method for working non-metallic materials |
RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
US20050003633A1 (en) * | 2003-07-02 | 2005-01-06 | Texas Instruments Incorporated | Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment |
US20060172509A1 (en) * | 2003-07-02 | 2006-08-03 | Mahle Richard L | Method for reducing stress concentrations on a semiconductor wafer by surface laser treatment |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2566138C2 (en) * | 2014-02-13 | 2015-10-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Laser processing of non-metallic materials |
RU2574222C1 (en) * | 2014-10-13 | 2016-02-10 | Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Laser treatment method for non-metal plates |
RU2574327C1 (en) * | 2014-11-10 | 2016-02-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации | Method for laser treatment of non-metallic materials |
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 |
RU2582849C1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method for laser punching through-hole in non-metal plate |
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 |
RU2624989C1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-07-11 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of laser processing of non-metallic plates |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2486628C1 (en) | Method of processing nonmetallic materials | |
RU2566138C2 (en) | Laser processing of non-metallic materials | |
Furusawa et al. | Ablation characteristics of Au, Ag, and Cu metals using a femtosecond Ti: sapphire laser | |
Yaakobi et al. | Measurement of reduced thermal conduction in (layered) laser-target experiments | |
Hong et al. | Confining medium and absorptive overlay: Their effects on a laser-induced shock wave | |
Karasik et al. | Suppression of laser nonuniformity imprinting using a thin high-Z coating | |
Galanti et al. | Quantitative x-ray spectroscopy of the light-absorption region at the surface of laser-irradiated polyethylene | |
Torrisi et al. | Protons accelerated in the target normal sheath acceleration regime by a femtosecond laser | |
RU2573181C1 (en) | Laser processing of non-metallic plates | |
Gaudiuso et al. | Ablation of silicon with bursts of femtosecond laser pulses | |
Zarubin et al. | Physical processes affecting the survival of microbiological systems in laser printing of gel droplets | |
JP2006260780A (en) | Ionization method of needle-like sample surface layer by using both ultrashort pulse laser convergence and high voltage application, and analytical method of needle-like sample surface layer using it | |
RU2582849C1 (en) | Method for laser punching through-hole in non-metal plate | |
Lunney et al. | Time-resolved X-ray diffraction from silicon during pulsed laser annealing | |
RU2692004C1 (en) | Method for laser annealing of nonmetallic materials | |
Zhang et al. | Effect of gold nanoparticle concentration on spectral emission of AlO molecular bands in nanoparticle-enhanced laser-induced Al plasmas | |
RU2688036C1 (en) | Method of laser piercing through hole in non-metal plate | |
Malinskiy et al. | Experimental study of the influence of laser radiation power on the reflection coefficient of germanium and silicon at a wavelength of 355 nm | |
Agranat et al. | Generation of characteristic x rays by a terawatt femtosecond chromium-forsterite laser | |
Khalil et al. | Titanium plasma spectroscopy studies under double pulse laser excitation | |
RU2647387C2 (en) | Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate | |
RU2624989C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic plates | |
RU2574222C1 (en) | Laser treatment method for non-metal plates | |
Zigler et al. | The expansion of a laser-produced aluminum plasma and the heat penetration in multi-layered targets | |
Guk et al. | Simulation of the absorption of a femtosecond laser pulse in crystalline silicon |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151215 |