RU2624989C1 - Способ лазерной обработки неметаллических пластин - Google Patents

Способ лазерной обработки неметаллических пластин Download PDF

Info

Publication number
RU2624989C1
RU2624989C1 RU2016104100A RU2016104100A RU2624989C1 RU 2624989 C1 RU2624989 C1 RU 2624989C1 RU 2016104100 A RU2016104100 A RU 2016104100A RU 2016104100 A RU2016104100 A RU 2016104100A RU 2624989 C1 RU2624989 C1 RU 2624989C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
laser
plate material
temperature
plates
Prior art date
Application number
RU2016104100A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Фёдорович Коваленко
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА")
Priority to RU2016104100A priority Critical patent/RU2624989C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2624989C1 publication Critical patent/RU2624989C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture 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
    • H01L21/34Manufacture 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
    • H01L21/42Bombardment with radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Использование: для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, зависящей от температуры отжига, начальной температуры пластины, удельной теплоемкости и плотности материала пластины, а также показателя поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, предварительно рассчитывают критерий термопрочности пластины и при его невыполнении перед воздействием лазерного импульса нагревают пластину до температуры, зависящей от толщины пластины, механических, теплофизических и оптических свойств материала пластины. Технический результат: обеспечение возможности исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе обработки и повышения выхода годных пластин. 1 ил.

Description

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 и могущие привести к разрушению пластин.
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. 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
Figure 00000001
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 и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.
Известен способ лазерной обработки [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С. 31-33], в частности используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, свободно защемленных по контуру, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению
Figure 00000002
где Wƒ - плотность энергии лазерного излучения, требуемая для нагрева поверхности пластины до температуры отжига;
Tƒ - температура отжига пластины;
Т0 - начальная температура пластины;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
R - коэффициент отражения материала пластины;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения.
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, используемых в лазерной технике. Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет исключить режимы воздействия, при которых возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями и повысить выход годных пластин в процессе лазерной обработки.
Известен также способ лазерной обработки пластин, имеющих свободную поверхность [Коваленко А.Ф., Воробьев А.А. Метод определения неразрушающих режимов импульсного лазерного отжига диэлектрических и полупроводниковых пластин // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2014. №3. - С. 206-210], при котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению (1). Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет исключить режимы воздействия, при которых возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями и повысить выход годных пластин в процессе лазерной обработки.
Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных за счет исключение разрушения пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, имеющих свободную поверхность, заключающемся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению
Figure 00000003
где Тƒ- температура отжига пластины, K;
Т0 - начальная температура пластины, K;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно, Дж/кг и кг/м3;
R - коэффициент отражения материала пластины;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м-1,
рассчитывают условие термопрочности
Figure 00000004
,
где σP - предел прочности материала пластины на растяжение;
ν - коэффициент Пуассона материала пластины;
Е - модуль Юнга;
αT - коэффициент линейного расширения материала пластины,
е - основание натурального логарифма;
h - толщина пластины;
zmax - координата максимальных растягивающих напряжений в пластине, рассчитываемая по уравнению
Figure 00000005
,
и, при его невыполнении, предварительно нагревают пластину до температуры, определяемой по уравнению
Figure 00000006
.
Сущность способа состоит в следующем.
Рассмотрим пластину со свободной поверхностью толщиной h, ограниченную двумя плоскостями ±h/2 и цилиндрической поверхностью с замкнутой направляющей. Теплофизические, механические и оптические свойства пластины примем независимыми от температуры. На поверхность -h/2 воздействует лазерный импульс.
Если выполняется условие
Figure 00000007
то температурное поле в пластине к концу действия лазерного импульса будет определяться уравнением [Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.]
Figure 00000008
где z - координата, отсчитываемая от срединной плоскости пластины;
χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;
a - коэффициент темперaтуропроводности материала пластины;
τu - длительность лазерного импульса;
Т0 - начальная температура пластины;
R - коэффициент отражения пластины;
с и ρ удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
Figure 00000009
- плотность энергии лазерного излучения;
q(t) - плотность мощности лазерного излучения.
Для большинства неметаллических материалов условие (3) выполняется при τu<10-2 с.
Для пластины со свободной поверхностью, в соответствии с принципом Сен-Венана, равнодействующее усилие и равнодействующий момент на контуре должны быть равны нулю [Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев: «Вища школа», 1973. - 216 с.]. Поэтому термоупругие напряжения, возникающие в ней, определяются соотношением
Figure 00000010
где:
Figure 00000011
Figure 00000012
Подставив (4) в (5)-(7) и выполнив математические преобразования, получим уравнение для расчета термоупругих напряжений в пластине в момент окончания лазерного импульса
Figure 00000013
Термоупругие напряжения в области высоких температур являются сжимающими, уменьшаются до нуля, становятся растягивающими, достигают максимального значения, затем уменьшаются и вновь становятся сжимающими. Максимальные сжимающие напряжения возникают на облучаемой поверхности пластины. Так как хрупкие материалы имеют предел прочности на растяжение примерно в 5-8 раз меньше, чем на сжатие [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука. 1986. - 512 с.], дальнейший анализ проведем для растягивающих напряжений. Исследования на экстремум уравнения (8) показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают в сечении с координатой
Figure 00000014
или
Figure 00000015
Из уравнения (8) получим уравнение для расчета плотности энергии лазерного излучения, приводящей к разрушению пластины термоупругими напряжениями
Figure 00000016
где σP - предел прочности материала пластины на растяжение.
Из (2) получим уравнения для расчета плотности энергии лазерного излучения, необходимой для достижения облучаемой поверхностью пластины (z=-h/2) температуры отжига
Figure 00000017
Разделив (11) на (12) и поставив условие
Figure 00000018
, получим критерий (условие) термопрочности пластины со свободной поверхностью из диэлектрических или полупроводниковых материалов при импульсном лазерном отжиге
Figure 00000019
Физический смысл критерия заключается в следующем: достижение поверхностью пластины температуры отжига должно происходить при меньших плотностях энергии, чем требуется для разрушения ее термоупругими напряжениями. Проведем анализ соотношения (13). Левая часть неравенства не зависит от безразмерного параметра χh и является безразмерной константой, характеризующей отношение предела прочности материала пластины к максимально возможным термоупругим напряжениям в ней. Правая часть неравенства является монотонной выпуклой функцией безразмерного параметра χh. Исследования на экстремум функции ƒ(χh) показывают, что она достигает максимального значения, равного 0,15, при χh≈8. На фиг. 1, где показано графическое решение неравенства (13) для пластины из цветного оптического стекла ЖЗС12, можно выделить три области. В области 1 χh<(χh)1=3,8 и неравенство (13) выполняется. Следовательно, можно осуществлять импульсный лазерный отжиг, не опасаясь разрушения пластины термоупругими напряжениями. В области 2, в которой (χh)1=3,8<χh<(χh)2=20, неравенство (13) не выполняется. Разрушение пластины термоупругими напряжениями произойдет при меньших плотностях энергии, чем требуется для достижения ее поверхностью температуры отжига. В области 3 параметр χh>(χh)2=20 и неравенство (13) вновь выполняется. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг пластин. Если мы используем для отжига пластин из цветного оптического стекла ЖЗС12 импульсный лазер с длиной волны 1,06 мкм, показатель поглощения для которой в данном стекле составляет 10 см-1 [ГОСТ 9411 - 90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992. 48 с.], то пластины толщиной от 0,38 см до 2 см будут разрушены термоупругими напряжениями при плотности энергии лазерного излучения меньшей, чем требуется для отжига.
В этом случае необходимо предварительно нагреть пластину до температуры, при которой критерий термопрочности будет выполняться. Из уравнения (13) найдем значение температуры, до которой необходимо нагреть пластину
Figure 00000020
Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения критерия термопрочности температуры Т0 и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины. Время выдержки определяют из критерия Фурье, определяющего тепловую инерцию пластины
Figure 00000021
где tB - время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре.
После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1). В результате воздействия лазерного импульса температура поверхности пластины достигнет температуры отжига.
Пример осуществления способа.
Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла ЖЗС12 толщиной 0,5 см. Показатель поглощения данной марки стекла для излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 10 см-1. Безразмерный параметр χh=5. Начальную температуру пластины примем равной 300 K, температуру отжига - 1100 K. Расчет по уравнению (1) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии в лазерном импульсе 146 Дж/см2. Расчет по уравнению (11) показывает, что плотность энергии в лазерном импульсе, приводящая к разрушению пластины термоупругими напряжениями, составляет 122 Дж/см2. Рассчитаем левую и правую части критерия термопрочности (13). Правая часть неравенства (13) при χh=5 составляет 0,138. Левая часть неравенства (13) составляет 0,115. 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 433 K и выдержать при этой температуре не менее 125 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (14) и (15) при следующих исходных данных: σP=70 МПа, Е=80 ГПа, ν=0,2, αT=7,6⋅10-6 K -1, а=6⋅10-3 см2/с. Затем воздействуют на пластину лазерным импульсом с плотностью энергии не более 122 Дж/см2. Расчеты проведены по уравнению (1) для нового значения начальной температуры, равного 433 K. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.
Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин приводит к повышению выхода годных за счет исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.

Claims (18)

  1. Способ лазерной обработки неметаллических пластин, имеющих свободную поверхность, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии
  2. Figure 00000022
    ,
  3. где
    Figure 00000023
    - температура отжига материала пластины;
  4. Т0 - начальная температура пластины;
  5. c и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
  6. R - коэффициент отражения материала пластины;
  7. χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, отличающийся тем, что рассчитывают условие термопрочности
  8. Figure 00000024
  9. где σP - предел прочности материала пластины на растяжение;
  10. ν - коэффициент Пуассона материала пластины;
  11. Е - модуль Юнга;
  12. αT - коэффициент линейного расширения материала пластины,
  13. е - основание натурального логарифма;
  14. h - толщина пластины;
  15. Zmax - координата максимальных растягивающих напряжений в пластине, рассчитываемая по уравнению
  16. Figure 00000025
    ,
  17. и, если оно не выполняется, предварительно нагревают пластину до температуры, определяемой по уравнению
  18. Figure 00000026
RU2016104100A 2016-02-09 2016-02-09 Способ лазерной обработки неметаллических пластин RU2624989C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104100A RU2624989C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ лазерной обработки неметаллических пластин

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104100A RU2624989C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ лазерной обработки неметаллических пластин

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624989C1 true RU2624989C1 (ru) 2017-07-11

Family

ID=59495406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016104100A RU2624989C1 (ru) 2016-02-09 2016-02-09 Способ лазерной обработки неметаллических пластин

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624989C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2695440C1 (ru) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Способ лазерной обработки неметаллических материалов
RU2773255C2 (ru) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5567484A (en) * 1993-11-10 1996-10-22 International Business Machines Corporation Process for texturing brittle nonmetallic surfaces
RU2211753C2 (ru) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Способ обработки неметаллических материалов
US20070228616A1 (en) * 2005-05-11 2007-10-04 Kyu-Yong Bang Device and method for cutting nonmetalic substrate
RU2486628C1 (ru) * 2011-12-14 2013-06-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Способ обработки неметаллических материалов
RU2566138C2 (ru) * 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 Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5567484A (en) * 1993-11-10 1996-10-22 International Business Machines Corporation Process for texturing brittle nonmetallic surfaces
RU2211753C2 (ru) * 2000-12-22 2003-09-10 Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Способ обработки неметаллических материалов
US20070228616A1 (en) * 2005-05-11 2007-10-04 Kyu-Yong Bang Device and method for cutting nonmetalic substrate
RU2486628C1 (ru) * 2011-12-14 2013-06-27 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ Способ обработки неметаллических материалов
RU2566138C2 (ru) * 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 Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2695440C1 (ru) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Способ лазерной обработки неметаллических материалов
RU2773255C2 (ru) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2602402C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2573181C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2566138C2 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических материалов
RU2583870C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Bykov et al. Formation of bidomain structure in lithium niobate plates by the stationary external heating method
RU2630197C1 (ru) Способ лазерного отжига неметаллических пластин
RU2624989C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2486628C1 (ru) Способ обработки неметаллических материалов
RU2649054C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2633860C1 (ru) Способ лазерного отжига неметаллических материалов
Lunney et al. Time-resolved X-ray diffraction from silicon during pulsed laser annealing
RU2685427C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Antici et al. Isochoric heating of matter by laser-accelerated high-energy protons
RU2624998C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Rusby et al. Escaping electrons from intense laser-solid interactions as a function of laser spot size
Groth et al. Design of local heat treatment for crack retardation in aluminium alloys
Arakcheev et al. Status of dynamic diagnostics of plasma material interaction based on synchrotron radiation scattering at the VEPP-4 beamline 8
Kovalenko et al. Method of determining nondestructive pulsed laser annealing modes for dielectric and semiconductor wafers
RU2692004C1 (ru) Способ лазерного отжига неметаллических материалов
RU2649238C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2760764C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
RU2646177C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических материалов
RU2757537C1 (ru) Способ лазерного отжига неметаллических пластин
RU2691923C1 (ru) Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Ryutov Thermal stresses in the reflective x-ray optics for the Linac Coherent Light Source