RU2630197C1 - Method for laser annealing of non-metallic plates - Google Patents

Method for laser annealing of non-metallic plates Download PDF

Info

Publication number
RU2630197C1
RU2630197C1 RU2016125270A RU2016125270A RU2630197C1 RU 2630197 C1 RU2630197 C1 RU 2630197C1 RU 2016125270 A RU2016125270 A RU 2016125270A RU 2016125270 A RU2016125270 A RU 2016125270A RU 2630197 C1 RU2630197 C1 RU 2630197C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
laser
plate material
temperature
annealing
Prior art date
Application number
RU2016125270A
Other languages
Russian (ru)
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 RU2016125270A priority Critical patent/RU2630197C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2630197C1 publication Critical patent/RU2630197C1/en

Links

Images

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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/34—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. 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

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: in the method of laser processing of non-metallic plates, consisting in the irradiation of their surface by a laser pulse with an energy density which depends on the annealing temperature, the initial plate temperature, the specific heat and density of the plate material, as well as on the absorption index of the plate material at the wavelength of the laser radiation and returning back to the plate with the help of a dielectric radiation mirror, which released through its rear surface, the condition of the thermal resistance of the plate is precalculated, and if its not fulfilled, the plate is heated to a temperature which depends on the plate thickness, mechanical, thermal-physical and optical properties of the plate material before the laser pulse exposure.
EFFECT: providing the possibility of eliminating the plate destruction by thermoelastic stresses during processing and increasing the yield of suitable plates.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to the field of technological processes and can be used for laser annealing of wafers from semiconductor, ceramic and glassy materials.

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]. 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.A known method of processing non-metallic materials used for amorphization of 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. 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, from 24]. There is also a method of processing non-metallic materials used for annealing of ion-doped silicon [Kuzmenchenko T.A. et al. 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. March 11-18, 1988, from 29]. The disadvantage of these methods is that they do not take into account the thermoelastic stresses arising in the plates during processing. Since the materials being processed are partially transparent to the incident radiation, regimes are possible in which thermoelastic stresses capable of destroying the plates will be decisive in technological processes.

Также известен способ обработки неметаллических материалов [Патент на изобретение RU 2211753 С2, МПК B23K 26/00, 10.09.2003], 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 соотношениемAlso known is a method of processing non-metallic materials [Patent for invention RU 2211753 C2, IPC B23K 26/00, 09/10/2003], in which the processing of the 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 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

Figure 00000001
Figure 00000001

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 импульса лазерного излучения, 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;

e - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

t - текущее время от начала воздействия, с. t is the current time from the onset of exposure, s.

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.The specified method allows to minimize thermoelastic stresses in the absorbing layer of the plate material when exposed to laser pulses of duration less than 10 -6 s, when the dynamic problem of thermoelasticity is considered [A. Kovalenko An experimental setup for studying the influence of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials // Instruments and experimental technique. - 2004. No. 4. - S. 119-124]. But this method does not work when the laser pulse duration is ~ 10 -2 -10 -6 s and it is necessary to consider the quasistatic problem of thermoelasticity.

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, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяется по соотношениюA known method of laser processing [Kovalenko AF Nondestructive modes of pulsed laser annealing of glass and ceramic plates // Glass and Ceramics. 2006. No. 7. P. 31-33.], 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

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- температура отжига;Where
Figure 00000003
- annealing temperature;

T0 - начальная температура;T 0 - initial temperature;

c и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;c and ρ are the 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.χ is the absorption coefficient of the plate material at the wavelength of the laser radiation.

Недостатком способа является то, что он не позволяет минимизировать термоупругие напряжения и уменьшить энергетические затраты в процессе обработки.The disadvantage of this method is that it does not allow to minimize thermoelastic stresses and reduce energy costs during processing.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергииThere is also a known method of laser processing of non-metallic plates, which consists in irradiating their surface with a laser pulse with an energy density

Figure 00000004
Figure 00000004

где h - толщина пластины,where h is the thickness of the plate,

и возвращении в пластину вышедшего через тыльную поверхность лазерного излучения при помощи диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, близким к единице, в пластину. Патент на изобретение №2574327 С1. МПК H01L 21/42. Опубликован 10.02.2016. Бюллетень №4 - прототип. Недостатком указанного способа является то, что для многих неметаллических материалов существует область изменения безразмерного параметра χh, в которой возможно разрушение обрабатываемых пластин термоупругими напряжениями.and returning to the plate the laser radiation that has exited through the back surface with the help of a dielectric mirror with a reflection coefficient close to unity, into the plate. Patent for invention No. 2574327 C1. IPC H01L 21/42. Published 02/10/2016. Bulletin No. 4 - a prototype. The disadvantage of this method is that for many non-metallic materials there is a region of variation of the dimensionless parameter χh, in which destruction of the processed plates by thermoelastic stresses is possible.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода годных за счет исключения разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига.The technical result of the invention is to increase the yield due to the exclusion of plate destruction by thermoelastic stresses during laser annealing.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, включающем воздействие на их поверхность лазерным пучком с минимально возможной расходимостью и плотностью энергии в импульсе, определяемой по уравнениюThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of non-metallic plates, including exposure to their surface with a laser beam with the minimum possible divergence and energy density per pulse, determined by the equation

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

где

Figure 00000003
- температура отжига пластины;Where
Figure 00000003
- plate annealing temperature;

T0 - начальная температура пластины;T 0 is the initial temperature of the plate;

с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;c and ρ are the specific heat and density of the plate material, respectively;

R - коэффициент отражения материала пластины;R is the reflection coefficient of the plate material;

e - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption coefficient of the plate material at a wavelength of laser radiation;

h - толщина пластины,h is the thickness of the plate,

и возвращение в пластину вышедшего через ее тыльную поверхность излучения при помощи диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1, предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по соотношениюand returning to the plate radiation emitted through its back surface using a dielectric mirror with a reflection coefficient close to 1, the condition of thermal strength of the plate is previously calculated by the ratio

Figure 00000006
Figure 00000006

где σBP - предел прочности материала пластины на растяжение;where σ BP is the tensile strength of the plate material;

ν - коэффициент Пуассона материала пластины;ν is the Poisson's ratio of the plate material;

E - модуль Юнга материала пластины;E is the Young's modulus of the plate material;

αT - коэффициент линейного расширения материала пластины,α T is the coefficient of linear expansion of the plate material,

и, если оно не выполняется, перед воздействием лазерного излучения нагревают пластину до температуры, определяемой по соотношениюand, if it is not satisfied, before exposure to laser radiation, the plate is heated to a temperature determined by the ratio

Figure 00000007
Figure 00000007

Ниже приводится более подробное описание способа обработки неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2.Below is a more detailed description of a method for processing non-metallic materials with reference to FIG. 1 and FIG. 2.

Сущность способа состоит в следующем. Для осуществления лазерного отжига пластины из неметаллического материала ее поверхность подвергают воздействию лазерного импульса. Для предотвращения изгиба пластины при обработке, ее, как правило, свободно защемляют по контуру [Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С.31-33]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемленной по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине пластины, возникают термоупругие напряжения [Коваленко А.Д. Термоупругость. - Киев, «Вища школа», 1973. - 216 с.]:The essence of the method is as follows. To perform laser annealing of a plate of non-metallic material, its surface is exposed to a laser pulse. To prevent bending of the plate during processing, it is usually freely pinched along the contour [A. Kovalenko Nondestructive modes of pulsed laser annealing of glass and ceramic plates // Glass and Ceramics. 2006. No. 7. S.31-33]. The plate is completely covered by laser radiation. In this case, the temperature field in the plate will vary only in its thickness. Thermoelastic stresses arise in a plate freely clamped along the contour under the action of a temperature field that changes only along the thickness of the plate [A. Kovalenko Thermoelasticity. - Kiev, "Vishka school", 1973. - 216 p.]:

Figure 00000008
Figure 00000008

где:

Figure 00000009
Where:
Figure 00000009

Е - модуль Юнга материала пластины;E - Young's modulus of the plate material;

ν - коэффициент Пуассона материала пластины;ν is the Poisson's ratio of the plate material;

αT - коэффициент линейного расширения материала пластины;α T is the coefficient of linear expansion of the plate material;

z - координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь.z is the coordinate measured from the irradiated surface of the plate in depth.

Уравнения (3) и (4) показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают в сечении пластины z=h, где температура минимальна.Equations (3) and (4) show that the maximum tensile stresses arise in the cross section of the plate z = h, where the temperature is minimal.

Если выполняется условиеIf the condition is met

Figure 00000010
Figure 00000010

то температурное поле в пластине к концу действия лазерного импульса будет определяться уравнением [Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / П.П. Рыкалин, А.А Углов, И.В. Зуев, А.П. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.]then the temperature field in the plate at the end of the laser pulse will be determined by the equation [Laser and electron-beam processing of materials: Handbook / P.P. Rykalin, A.A. Uglov, I.V. Zuev, A.P. Kokora. - M.: Mechanical Engineering, 1985. - 496 p.]

Figure 00000011
Figure 00000011

а - коэффициент температуропроводности материала пластины; a is the thermal diffusivity of the plate material;

τu - длительность лазерного импульса;τ u is the laser pulse duration;

Figure 00000012
- плотность энергии лазерного излучения.
Figure 00000012
- energy density of laser radiation.

Условие (5) для большинства полупроводниковых, стеклообразных и керамических материалов выполняется при τu<0,01 с. Condition (5) for most semiconductor, glassy, and ceramic materials is satisfied at τ u <0.01 s.

Большинство неметаллических материалов являются частично прозрачными для лазерного излучения. Если лазерное излучение, вышедшее из пластины, при помощи зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1, направить назад в пластину, то температурное поле в пластине будет определяться соотношениемMost non-metallic materials are partially transparent to laser radiation. If the laser radiation emerging from the plate, using a mirror with a reflection coefficient close to 1, is directed back into the plate, then the temperature field in the plate will be determined by the ratio

Figure 00000013
Figure 00000013

На фиг. 1 представлена лазерная установка, позволяющая осуществлять такой режим воздействия и включающая: 1 - импульсный лазер, 2 - фокусирующую линзу, 3 - рассеивающую линзу, 4 - обрабатываемую пластину, 5 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения, близким к 1. Линзы 2 и 3 размещают софокусно. Подбором фокусных расстояний линз 2 и 3 обеспечивают требуемый диаметр лазерного пучка.In FIG. 1 shows a laser installation that allows such an exposure regime and includes: 1 — a pulsed laser, 2 — a focusing lens, 3 — a scattering lens, 4 — a processed plate, 5 — a dielectric mirror with a reflection coefficient close to 1. Lenses 2 and 3 are placed confused. The selection of the focal lengths of lenses 2 and 3 provide the required diameter of the laser beam.

Подставив (7) в (4) и (3) и выполнив математические преобразования, получим соотношения для расчета максимальных растягивающих термоупругих напряжений, возникающих в сечении пластины z=h, где температура минимальнаSubstituting (7) into (4) and (3) and performing mathematical transformations, we obtain relations for calculating the maximum tensile thermoelastic stresses arising in the cross section of the plate z = h, where the temperature is minimal

Figure 00000014
Figure 00000014

Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала пластины на растяжение, она будет разрушена термоупругими напряжениями. Так как предел прочности материала имеет разброс от образца к образцу и в различных партиях пластин вследствие дефектов, неизбежен брак в процессе их обработки. Из уравнения (8) найдем плотность энергии лазерного излучения, приводящую к разрушению пластины термоупругими напряжениямиIf the maximum tensile stresses exceed the tensile strength of the plate material, it will be destroyed by thermoelastic stresses. Since the tensile strength of the material has a spread from sample to sample and in various batches of plates due to defects, marriage in the process of processing is inevitable. From equation (8) we find the energy density of laser radiation, leading to destruction of the plate by thermoelastic stresses

Figure 00000015
Figure 00000015

где σBP - предел прочности материала пластины на растяжение.where σ BP is the tensile strength of the plate material.

Из уравнения (7) получим уравнение для расчета плотности энергии, требуемой для достижения поверхностью пластины температуры отжигаFrom equation (7) we obtain the equation for calculating the energy density required to achieve the annealing temperature of the plate surface

Figure 00000016
Figure 00000016

Разделив (9) на (10) и поставив условие

Figure 00000017
, получим условие (критерий) термопрочности пластины при импульсном лазерном отжигеDividing (9) by (10) and setting the condition
Figure 00000017
, we obtain the condition (criterion) of the thermal strength of the plate during pulsed laser annealing

Figure 00000018
Figure 00000018

Физический смысл условия термопрочности (11) заключается в следующем: достижение поверхностью пластины температуры отжига должно происходить при меньших плотностях энергии, чем требуется для разрушения ее термоупругими напряжениями. Проведем анализ соотношения (11). 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 (см. фиг. 2, ряд 2). Правая часть неравенства является монотонной выпуклой функцией безразмерного параметра χh (см. фиг. 2, ряд 1). Исследования на экстремум функции

Figure 00000019
показывают, что она достигает максимального значения, равного 0,23, при χh≈3. На рисунке фиг. 2, где показано графическое решение неравенства (11) для пластины из цветного оптического стекла СЗС17, можно выделить три области. В области 1, где χh<0,95, неравенство (11) выполняется. Следовательно, можно осуществлять импульсный лазерный отжиг, не опасаясь разрушения пластины термоупругими напряжениями. В области 2, в которой 0,95<χh<8, неравенство (11) 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=8 и неравенство (11) вновь выполняется. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг пластин. Если мы используем для отжига пластин из цветного оптического стекла СЗС17 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 0,095 см до 0,8 см будут разрушены термоупругими напряжениями при плотности энергии лазерного излучения меньшей, чем требуется для отжига.The physical meaning of the thermal strength condition (11) is as follows: the annealing temperature should reach the surface of the plate at lower energy densities than is required for its destruction by thermoelastic stresses. Let us analyze the relation (11). The left side of the inequality does not depend on the dimensionless parameter χh and is a dimensionless constant characterizing the ratio of the tensile strength of the plate material to the maximum possible thermoelastic stresses in it (see Fig. 2, row 2). The right-hand side of the inequality is a monotone convex function of the dimensionless parameter χh (see Fig. 2, row 1). Studies on extremum function
Figure 00000019
show that it reaches a maximum value of 0.23 at χh≈3. In the figure of FIG. 2, where a graphical solution of inequality (11) is shown for a SZS17 colored optical glass plate, three areas can be distinguished. In region 1, where χh <0.95, inequality (11) holds. Therefore, pulsed laser annealing can be carried out without fear of plate destruction by thermoelastic stresses. In region 2, in which 0.95 <χh <8, inequality (11) does not hold. The destruction of the plate by thermoelastic stresses will occur at lower energy densities than is required to reach the annealing temperature on its surface. In region 3, the parameter χh> (χh) 2 = 8 and inequality (11) is again satisfied. Therefore, it is possible to carry out laser annealing of the plates. If we use a pulsed laser with a wavelength of 1.06 μm for the annealing of SZS17 colored optical glass plates, the absorption coefficient for which in this glass is 10 cm -1 [GOST 9411-90. Color optical glass. M .: Publishing house of standards, 1992. 48 pp.], Then plates with a thickness of 0.095 cm to 0.8 cm will be destroyed by thermoelastic stresses at a laser radiation energy density lower than that required for annealing.

В этом случае необходимо предварительно нагреть пластину до температуры, при которой условие термопрочности будет выполняться. Из неравенства (11) найдем значение температуры, до которой необходимо нагреть пластинуIn this case, it is necessary to preheat the plate to a temperature at which the condition of thermal strength will be satisfied. From inequality (11) we find the temperature to which it is necessary to heat the plate

Figure 00000020
Figure 00000020

Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения условия термопрочности температуры T0 и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины. Время выдержки определяют из критерия Фурье, определяющего тепловую инерцию пластиныThe plate is heated in a muffle furnace to the temperature T 0 required for the fulfillment of the thermal strength condition and can withstand the necessary time to equalize the temperature over the plate thickness. The exposure time is determined from the Fourier criterion, which determines the thermal inertia of the plate

Figure 00000021
Figure 00000021

где tB - время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре.where t B is the exposure time of the plate at the temperature required to fulfill the heat resistance criterion.

После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного импульса с плотностью энергии, определяемой по уравнению (10). В результате воздействия лазерного импульса температура поверхности пластины достигнет температуры отжига. Пример осуществления способа. Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла СЗС17 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 - 1050 K. Расчет по уравнению (10) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии в лазерном импульсе 155 Дж/см2. Расчет по уравнению (9) показывает, что плотность энергии в лазерном импульсе, приводящая к разрушению пластины термоупругими напряжениями, составляет 102 Дж/см2. Рассчитаем левую и правую части условия термопрочности (11). Правая часть неравенства (11) при χh=5 составляет 0,186. Левая часть неравенства (11) составляет 0,123. Видно, что условие термопрочности не выполняется. Пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Чтобы этого не произошло, необходимо пластину предварительно нагреть в муфельной печи до температуры не менее 556 K и выдержать при этой температуре не менее 125 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (12) и (13) при следующих исходных данных: с=760 Дж/(кг⋅K); ρ=2500 кг/м3; σΒΡ=70 МПа, Ε=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 102 Дж/см2. Расчеты проведены по уравнению (10) для нового значения начальной температуры, равного 556 K. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.After holding the plate in a muffle furnace, a laser pulse with an energy density determined by equation (10) is exposed to it. As a result of the laser pulse, the surface temperature of the plate reaches the annealing temperature. An example implementation of the method. It is necessary to carry out laser annealing of the surface of a plate made of colored optical glass SZS17 with a thickness of 0.5 cm. The absorption coefficient of this brand of glass for radiation with a wavelength of 1.06 μm is 10 cm -1 . The dimensionless parameter χh = 5. We take the initial temperature of the plate to be 300 K, the annealing temperature to 1050 K. The calculation according to equation (10) shows that for the plate to be annealed, the energy density in the laser pulse is 155 J / cm 2 . The calculation according to equation (9) shows that the energy density in the laser pulse, leading to destruction of the plate by thermoelastic stresses, is 102 J / cm 2 . We calculate the left and right sides of the thermal strength condition (11). The right-hand side of inequality (11) with χh = 5 is 0.186. The left side of inequality (11) is 0.123. It is seen that the thermal strength condition is not satisfied. The plate will be destroyed by thermoelastic stresses. To prevent this, it is necessary to preheat the plate in a muffle furnace to a temperature of at least 556 K and maintain at this temperature for at least 125 seconds to equalize the temperature across the plate thickness. The calculations were performed according to equations (12) and (13) with the following initial data: c = 760 J / (kg⋅K); ρ = 2500 kg / m 3 ; σ ΒΡ = 70 MPa, Ε = 80 GPa, ν = 0.2, α T = 7.6⋅10 -6 K -1 , and = 6⋅10 -3 cm 2 / s. Then act on the plate with a laser pulse with an energy density of 102 J / cm 2 . The calculations were carried out according to equation (10) for a new initial temperature equal to 556 K. In this case, the surface temperature of the plate reaches the annealing temperature, and thermoelastic stresses do not exceed the tensile strength of the material.

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.Thus, the implementation of the proposed method of laser processing of non-metallic plates leads to an increase in yield due to the exclusion of destruction of the plates by thermoelastic stresses during laser annealing.

Claims (17)

Способ лазерного отжига неметаллических пластин, включающий воздействие на их поверхность лазерным пучком с минимально возможной расходимостью и плотностью энергии в импульсе, определяемой по уравнениюA method of laser annealing of non-metallic plates, including the action of a laser beam on their surface with the minimum possible divergence and energy density per pulse, determined by the equation
Figure 00000022
Figure 00000022
 где
Figure 00000023
- температура отжига пластины;Where
Figure 00000023
- plate annealing temperature; Т0 - начальная температура пластины;T 0 - the initial temperature of the plate; с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;c and ρ are the specific heat and density of the plate material, respectively; R - коэффициент отражения материала пластины;R is the reflection coefficient of the plate material; е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm; χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption coefficient of the plate material at a wavelength of laser radiation; h - толщина пластины,h is the thickness of the plate, и возвращение в пластину вышедшего через ее тыльную поверхность излучения при помощи диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения, близким к 1, отличающийся тем, что предварительно рассчитывают условие термопрочности пластины по соотношениюand returning to the plate radiation emitted through its back surface using a dielectric mirror with a reflection coefficient close to 1, characterized in that the condition of thermal strength of the plate is previously calculated by the ratio
Figure 00000024
Figure 00000024
 где σBP - предел прочности материала пластины на растяжение;where σ BP is the 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 - Young's modulus of the plate material; αT - коэффициент линейного расширения материала пластины,α T is the coefficient of linear expansion of the plate material, и, если оно не выполняется, перед воздействием лазерного излучения нагревают пластину до температуры, определяемой по соотношениюand, if it is not satisfied, before exposure to laser radiation, the plate is heated to a temperature determined by the ratio
Figure 00000025
Figure 00000025
RU2016125270A 2016-06-24 2016-06-24 Method for laser annealing of non-metallic plates RU2630197C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125270A RU2630197C1 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Method for laser annealing of non-metallic plates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125270A RU2630197C1 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Method for laser annealing of non-metallic plates

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2630197C1 true RU2630197C1 (en) 2017-09-05

Family

ID=59798022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016125270A RU2630197C1 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Method for laser annealing of non-metallic plates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2630197C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2695440C1 (en) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method of laser processing of non-metallic materials
RU2708935C1 (en) * 2018-08-21 2019-12-12 Александр Михайлович Григорьев Laser method of changing structure of transparent materials with forbidden zone
RU2757537C1 (en) * 2021-03-29 2021-10-18 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser annealing of non-metallic plates

Citations (3)

* 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
US20070228616A1 (en) * 2005-05-11 2007-10-04 Kyu-Yong Bang Device and method for cutting nonmetalic substrate
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

Patent Citations (3)

* 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
US20070228616A1 (en) * 2005-05-11 2007-10-04 Kyu-Yong Bang Device and method for cutting nonmetalic substrate
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.Ф. Коваленко, А.А. Воробьев, Метод определения неразрушающих ржимов импульсного лазерного отжига диэлектрических и полупроводниковых пластин, Физические свойства и методы исследований, Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, Т. 17, N 3, 2014. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2708935C1 (en) * 2018-08-21 2019-12-12 Александр Михайлович Григорьев Laser method of changing structure of transparent materials with forbidden zone
RU2695440C1 (en) * 2018-12-06 2019-07-23 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Method of laser processing of non-metallic materials
RU2757537C1 (en) * 2021-03-29 2021-10-18 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser annealing of non-metallic plates

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2630197C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic plates
Miller et al. Laser damage precursors in fused silica
RU2573181C1 (en) Laser processing of non-metallic plates
RU2583870C1 (en) Laser processing of nonmetallic plates
RU2602402C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2566138C2 (en) Laser processing of non-metallic materials
Xiao et al. Thermal studies of three-dimensional printing using pulsed laser heating
RU2633860C1 (en) Method of laser annealing of non-metallic materials
RU2486628C1 (en) Method of processing nonmetallic materials
RU2649054C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2692004C1 (en) Method for laser annealing of nonmetallic materials
RU2624989C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2087322C1 (en) Method of forming image inside material of an article and article containing formed image
RU2624998C1 (en) Method of laser processing non-metallic plates
Antici et al. Isochoric heating of matter by laser-accelerated high-energy protons
Rusby et al. Escaping electrons from intense laser-solid interactions as a function of laser spot size
RU2685427C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
Arakcheev et al. Status of dynamic diagnostics of plasma material interaction based on synchrotron radiation scattering at the VEPP-4 beamline 8
RU2760764C1 (en) Method for laser processing of non-metallic plates
RU2574327C1 (en) Method for laser treatment of non-metallic materials
RU2649238C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2757537C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2646177C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic materials
JP2011243836A (en) Laser annealing method and laser annealing device
Grigorev Laser processing of transparent semiconductor materials