RU2695440C1 - Method of laser processing of non-metallic materials - Google Patents

Method of laser processing of non-metallic materials Download PDF

Info

Publication number
RU2695440C1
RU2695440C1 RU2018143302A RU2018143302A RU2695440C1 RU 2695440 C1 RU2695440 C1 RU 2695440C1 RU 2018143302 A RU2018143302 A RU 2018143302A RU 2018143302 A RU2018143302 A RU 2018143302A RU 2695440 C1 RU2695440 C1 RU 2695440C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
laser pulse
equation
temperature
pulse
Prior art date
Application number
RU2018143302A
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 RU2018143302A priority Critical patent/RU2695440C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2695440C1 publication Critical patent/RU2695440C1/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
    • H01L21/18—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 comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • 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: invention relates to technological processes and can be used for laser annealing or alloying of semiconductor, ceramic and vitreous materials. Method of laser treatment of non-metallic materials according to the invention consists in preliminary heating of material to initial temperature, determined from the condition of thermal strength, connecting strength, thermophysical properties of material, duration of laser pulse and annealing temperature, and exposure to material of laser pulse with energy density sufficient for material surface to reach annealing temperature (melting).EFFECT: method is used to prevent spall destruction of materials during processing and increase of yield.1 cl, 1 dwg

Description

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

Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы. 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. Обрабатываемые материалы обладают, как правило, объемным поглощением на длине волны воздействующего лазерного излучения. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.A known method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a single rectangular laser pulse. 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. The processed materials have, as a rule, volumetric absorption at the wavelength of the acting laser radiation. The disadvantage of these methods is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to destruction of the material due to spallation from the irradiated surface.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается соотношениемThere is also a method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse, the temporary shape of which is described by the ratio

Figure 00000001
(1)
Figure 00000001
(one)

где q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2;where q (t) is the power density of the laser radiation, W / m 2 ;

b1 и b2 – константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса и определяемые из условия b 1 and b 2 are constants that characterize the front and decay of the laser pulse and are determined from the condition

Figure 00000002
, Вт/с;
Figure 00000002
 , W / s;

Figure 00000003
с-1;
Figure 00000003
 s -1 ;

qmax – максимальное значение плотности мощности лазерного излучения в импульсе, Вт/м2;q max - the maximum value of the power density of laser radiation in a pulse, W / m 2 ;

е – основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

Figure 00000004
, (2)
Figure 00000004
 , (2)

W – плотность энергии лазерного излучения, Дж/м2;W is the energy density of laser radiation, J / m 2 ;

τ – длительность лазерного импульса, с;τ is the laser pulse duration, s;

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

Патент РФ на изобретение № 2211753, МПК В23К 26/00, 10.09.2003.RF patent for invention No. 2211753, IPC В23К 26/00, 09/10/2003.

При этом плотность энергии в импульсе должна быть достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига и рассчитывается по уравнениюIn this case, the energy density in the pulse must be sufficient for the surface of the material to reach the annealing temperature and is calculated by the equation

Figure 00000005
,
Figure 00000005
 ,

где Tf – температура отжига материала, К;where T f is the annealing temperature of the material, K;

T0 – начальная температура материала, К;T 0 - the initial temperature of the material, K;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);C is the specific heat of the material, J / (kg ∙ K);

ρ – плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ;

R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения;R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1.χ is the absorption coefficient of the material at the wavelength of the laser radiation, m -1 .

При воздействии импульса лазерного излучения, описываемого соотношением (1), в неметаллических материалах возникают наименьшие по сравнению с другими временными формами импульсов максимальные растягивающие напряжения и существует минимальная область в плоскости параметров, характеризующих лазерный импульс и свойства материала, в которой возможно откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.Under the action of a laser pulse described by relation (1), in tensile materials non-metallic, the minimum tensile stresses are lower than in other temporary pulse shapes and there is a minimum region in the plane of parameters characterizing the laser pulse and material properties in which spallation of the material from the side is possible irradiated surface. 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.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, временная форма которого описывается уравнением (1), с плотностью энергии, определяемой уравнением (2), и предварительном нагреве материала до температуры, определяемой по соотношениюThere is also known a method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse, the temporary shape of which is described by equation (1), with the energy density determined by equation (2), and pre-heating the material to a temperature determined by the ratio

Figure 00000006
, (3)
Figure 00000006
 , (3)

где σВР – предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa;

с0 – скорость звука в материале, м/с;with 0 - the speed of sound in the material, m / s;

К – модуль всестороннего сжатия, Па;K is the module of comprehensive compression, Pa;

αТ – коэффициент линейного расширения материала, К-1.α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 .

Патент РФ № 2583870, МПК H01L 21/42, 10.05.2016.RF patent No. 2583870, IPC H01L 21/42, 05/10/2016.

Недостатком указанного способа является то, что, при воздействии лазерных импульсов других временных форм с плотностью энергии, определяемой по уравнению (2), на материал с начальной температурой, определяемой по соотношению (3), материал будет разрушен термоупругими напряжениями вследствие откола со стороны облучаемой поверхности. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), создает минимальные термоупругие напряжения в поглощающем слое материала. Лазерные импульсы других временных форм будут создавать в поглощающем слое материала бόльшие термоупругие напряжения [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. 2004. – №4. – С. 119-124]. Лазерный импульс, описываемый уравнением (1), формируется при реализации схемы «задающий генератор – многокаскадный усилитель». Задающий генератор должен работать в режиме модулированной добротности. Причем последний каскад усилителя должен работать в режиме, близком к насыщению. Если каскадов усиления не более двух-трех, то выходной лазерный импульс будет иметь временную форму, близкую к треугольной форме [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – №4. – С. 119-124], описываемой уравнением:The disadvantage of this method is that, when laser pulses of other temporal forms with an energy density determined by equation (2) act on a material with an initial temperature determined by relation (3), the material will be destroyed by thermoelastic stresses due to spallation from the irradiated surface . The laser pulse described by equation (1) creates minimal thermoelastic stresses in the absorbing layer of the material. Laser pulses of other temporary shapes will create higher thermoelastic stresses in the absorbing layer of the material [A. Kovalenko An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. - Instruments and experimental technique. 2004. - No. 4. - S. 119-124]. The laser pulse described by equation (1) is formed when the "master oscillator - multistage amplifier" circuit is implemented. The master oscillator must operate in a Q-switched mode. Moreover, the last stage of the amplifier should work in a mode close to saturation. If the amplification stages are no more than two or three, then the output laser pulse will have a temporary shape close to a triangular shape [Kovalenko AF An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. - Instruments and experimental technique. - 2004. - No. 4. - S. 119-124], described by the equation:

Figure 00000007
(4)
Figure 00000007
 (four)

где: q(t) – плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where: q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

qm – максимальное значение плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the maximum value of the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

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

τ – длительность лазерного импульса, с.τ is the laser pulse duration, s.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения, температуру предварительного подогрева материала определяют из условия термопрочности There is also known a method of laser processing of non-metallic materials, including preheating the material to a certain initial temperature and irradiating the surface with a laser pulse, the temperature of the preheating of the material is determined from the condition of thermal strength

Figure 00000008
, (5)
Figure 00000008
 , (five)

где σBP – предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa;

К – модуль всестороннего сжатия материала, Па;K is the module of comprehensive compression of the material, Pa;

αТ – коэффициент линейного расширения материала, К-1;α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 ;

е – основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

Figure 00000009
;
Figure 00000009
 ;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, m -1 ;

с0 – скорость звука в материале, м/с;with 0 - the speed of sound in the material, m / s;

τ – длительность лазерного импульса, с,τ is the duration of the laser pulse, s,

при этом облучение осуществляют лазерным импульсом с плотностью энергии, определяемой по соотношениюirradiation is carried out with a laser pulse with an energy density determined by the ratio

Figure 00000005
, (6)
Figure 00000005
 , (6)

где Tf – температура отжига материала, К;where T f is the annealing temperature of the material, K;

T0 – начальная температура материала после предварительного подогрева, К;T 0 - the initial temperature of the material after preheating, K;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);C is the specific heat of the material, J / (kg ∙ K);

ρ – плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ;

R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation,

и временной формой лазерного импульса, которая описывается соотношениемand the temporal shape of the laser pulse, which is described by the relation

Figure 00000007
(7)
Figure 00000007
 (7)

где: q(t) – плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where: q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

qm – амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the amplitude of the power density of the laser radiation W / cm 2 ;

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

Патент РФ на изобретение № 2646177, МПК H01L 21/42, 01.03.2018. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.RF patent for the invention No. 2646177, IPC H01L 21/42, 03/01/2018. This technical solution was made as a prototype.

Недостатком прототипа является то, что при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнениемThe disadvantage of the prototype is that when exposed to a laser pulse with a temporary form described by the equation

Figure 00000010
, (8)
Figure 00000010
 , (eight)

то есть положительной полуволной синусоиды, материал будет разрушен термоупругими напряжениями, так как термоупругие напряжения в материале для этого импульса больше, чем для импульса, описываемого уравнением (7) [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – № 4. – С. 119-124]. Лазерные импульсы, описываемые уравнением (8), формируются в твердотельных лазерах с пассивной модуляцией добротности (см. например [Макогон М.М., Неделькин Н.В., Сердюков В.И., Тарасов В.М. Лазеры на гранате с модуляцией добротности кристаллами LF:F- 2 // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 2 – С. 239–242]). Они являются предпочтительными, когда площадь отжига материалов невелика и имеется возможность использовать простую лазерную установку с пассивным модулятором добротности и не использовать каскады усиления лазерного импульса.that is, a positive half-wave sinusoid, the material will be destroyed by thermoelastic stresses, since the thermoelastic stresses in the material for this pulse are greater than for the pulse described by equation (7) [A. Kovalenko An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. - Instruments and experimental technique. - 2004. - No. 4. - S. 119-124]. The laser pulses described by Eq. (8) are generated in solid-state lasers with passive Q-switching (see, for example, [Makogon M.M., Nedelkin N.V., Serdyukov V.I., Tarasov V.M. Grenade lasers with modulation Q-factors with LF: F - 2 crystals // Atmospheric and Ocean Optics. 1996. V. 9, No. 2 - P. 239–242]). They are preferred when the area of annealing of materials is small and it is possible to use a simple laser system with a passive Q-switch and not to use laser pulse amplification stages.

Техническим результатом изобретения является исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности и повышение выхода годных изделий в технологическом процессе обработки.The technical result of the invention is the elimination of spall destruction of materials from the irradiated surface and the increase in yield of products in the technological process of processing.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических материалов, включающем предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по соотношениюThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser processing of non-metallic materials, including pre-heating the material to a certain initial temperature and irradiating the surface with a laser pulse with an energy density determined by the ratio

Figure 00000005
, (9)
Figure 00000005
 , (9)

где Tf – температура отжига материала, К;where T f is the annealing temperature of the material, K;

T0 – начальная температура материала после предварительного подогрева, К;T 0 - the initial temperature of the material after preheating, K;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙К);C is the specific heat of the material, J / (kg ∙ K);

ρ – плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ;

R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения, для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнениемR is the reflection coefficient of the material at the wavelength of the laser radiation, for a laser pulse, the temporal shape of which is described by the equation

Figure 00000010
,
Figure 00000010
 ,

где q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/см2;where q (t) is the power density of the laser radiation, W / cm 2 ;

qm – амплитуда плотности мощности лазерного излучения, Вт/см2;q m is the amplitude of the power density of the laser radiation, W / cm 2 ;

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

τ – длительность лазерного импульса, с,τ is the duration of the laser pulse, s,

начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнениюthe initial temperature of the material after heating is determined by the equation

Figure 00000011
, (10)
Figure 00000011
 , (ten)

где σBP – предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa;

К – модуль всестороннего сжатия материала, Па;K is the module of comprehensive compression of the material, Pa;

αТ – коэффициент линейного расширения материала, К-1;α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 ;

е – основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

π ≈ 3,14;π ≈ 3.14;

Figure 00000009
;
Figure 00000009
 ;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, m -1 ;

с0 – скорость звука в материале, м/с.with 0 - the speed of sound in the material, m / s.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

Сущность способа лазерной обработки неметаллических материалов состоит в следующем. Перед осуществлением лазерного отжига неметаллических материалов измеряют длительность лазерного импульса и контролируют его временную форму с использованием, например, запоминающего осциллографа С8-12 и фотоэлемента ФК-19. Если временная форма лазерного импульса близка к форме, описываемой уравнением (8), пластину из неметаллического материала предварительно нагревают, например, в муфельной печи до температуры Т0, определяемой по уравнению (10). Затем воздействуют на пластину одиночным импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, рассчитываемой по уравнению (9) с учетом нового значения начальной температуры. При легировании материалов в формуле (9) для определения требуемой плотности энергии лазерного импульса вместо значения температуры отжига необходимо подставлять значение температуры плавления материала.The essence of the method of laser processing of non-metallic materials is as follows. Before laser annealing of non-metallic materials is carried out, the laser pulse duration is measured and its temporal shape is controlled using, for example, a S8-12 storage oscilloscope and a FK-19 photocell. If the temporal shape of the laser pulse is close to the shape described by equation (8), a plate of non-metallic material is preheated, for example, in a muffle furnace to a temperature T 0 determined by equation (10). Then they act on the plate with a single pulse of laser radiation with an energy density calculated according to equation (9) taking into account the new value of the initial temperature. When alloying materials in formula (9), to determine the required energy density of the laser pulse, instead of the annealing temperature, it is necessary to substitute the melting temperature of the material.

В работе [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] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие в материале, описываются уравнениемIn the work [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. - ПМТФ, 1982. - № 6. - P. 92–98] it is shown that the maximum tensile stresses arising in the material are described by the equation

Figure 00000012
(11)
Figure 00000012
 (eleven)

где х – координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, м.where x is the coordinate measured from the surface of the material deep into, m.

В работе [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов. – Приборы и техника эксперимента. – 2004. – №4. – С. 119-124] показано, что максимальные растягивающие напряжения, возникающие при воздействии лазерного импульса, описываемого уравнением (8), имеют значениеIn the work [Kovalenko A.F. An experimental setup for studying the effect of laser pulse parameters on the destruction of non-metallic materials. - Instruments and experimental technique. - 2004. - No. 4. - S. 119-124] it is shown that the maximum tensile stresses that occur when exposed to a laser pulse described by equation (8) have a value

Figure 00000013
, (12)
Figure 00000013
 , (12)

С учетом (2) для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8), уравнение (12) примет вид:Taking into account (2) for the temporal shape of the laser pulse described by equation (8), equation (12) takes the form:

Figure 00000014
. (13)
Figure 00000014
 . (13)

Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение, произойдет откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности. Анализ уравнения (13) показывает, что минимальная плотность энергии, приводящая к отколу материала, имеет место тогда, когда

Figure 00000015
стремится к 0. Из (13) найдем минимальную плотность энергии в лазерном импульсе, приводящую к разрушению материала термоупругими напряжениямиIf the maximum tensile stresses exceed the tensile strength of the material, spall fracture of the material from the side of the irradiated surface will occur. An analysis of equation (13) shows that the minimum energy density leading to spallation of the material occurs when
Figure 00000015
 tends to 0. From (13) we find the minimum energy density in the laser pulse, leading to the destruction of the material by thermoelastic stresses

Figure 00000016
. (14)
Figure 00000016
 . (14)

Разделив (14) на (9) и поставив условие WT/Wf ≥ 1, после несложных математических преобразований получим условие термопрочности материала при лазерном отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8):Dividing (14) by (9) and setting the condition W T / W f ≥ 1, after simple mathematical transformations, we obtain the condition of thermal strength of the material during laser annealing by a laser pulse with a temporal shape described by equation (8):

Figure 00000017
, (15)
Figure 00000017
 , (15)

где

Figure 00000018
– безразмерный параметр.Where
Figure 00000018
 - dimensionless parameter.

Проведём анализ неравенства (15). Левая часть неравенства является константой, характеризующей свойства материала и показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям. Правая часть неравенства – функция безразмерного параметра а, зависящая от временной формы лазерного импульса. Если неравенство выполняется, то температура отжига (плавления) материала достигается при меньшей плотности энергии, чем разрушения материала термоупругими напряжениями. В противном случае разрушение материала термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотности энергии, чем требуется для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления).Let us analyze the inequality (15). The left side of the inequality is a constant characterizing the properties of the material and showing the ratio of the tensile strength of the material to maximum tensile stresses. The right side of the inequality is a function of the dimensionless parameter a, depending on the temporal shape of the laser pulse. If the inequality holds, then the temperature of annealing (melting) of the material is achieved at a lower energy density than the destruction of the material by thermoelastic stresses. Otherwise, the destruction of the material by thermoelastic stresses will occur at a lower energy density than is required to reach the annealing (melting) temperature of the material surface.

Анализ неравенства (15) показывает, что уменьшение разности (Тf – T0) приводит к увеличению левой части неравенства. Из соотношения (15) найдем значение температуры Т0, до которой необходимо нагреть материал для выполнения условия термопрочностиAn analysis of inequality (15) shows that a decrease in the difference (T f - T 0 ) leads to an increase in the left side of the inequality. From relation (15) we find the temperature T 0 to which it is necessary to heat the material to satisfy the condition of thermal strength

Figure 00000019
. (16)
Figure 00000019
 . (sixteen)

Формулы для критерия термопрочности и для расчета значения начальной температуры для прототипа изобретения имеют вид:The formulas for the heat resistance criterion and for calculating the initial temperature for the prototype of the invention are:

Figure 00000020
; (17)
Figure 00000020
 ; (17)

Figure 00000021
. (18)
Figure 00000021
 . (18)

На чертеже представлено графическое решение неравенств (15) и (17) для цветного оптического стекла СЗС21, для которого σBP = 6·107 Па, К=4·1010 Па, αТ = 7,6·10-6 К-1, Tf = 770 К, T0 = 300 К, с = 710 Дж/(кг·К), ρ = 2520 кг/м3, R = 0,04, χ = 21 см-1 для длины волны лазера 1,06 мкм, с0 = 5,7·103 м/с. Левая часть неравенств (15) и (17) равна 0,28. Видно, что для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (7), условие термопрочности выполняется при a ≥ 2, для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (8), условие термопрочности выполняется при a ≥ 3.The drawing shows a graphical solution of inequalities (15) and (17) for colored optical glass SZS21, for which σ BP = 6 · 10 7 Pa, K = 4 · 10 10 Pa, α T = 7.6 · 10 -6 K - 1 , T f = 770 K, T 0 = 300 K, s = 710 J / (kg · K), ρ = 2520 kg / m 3 , R = 0.04, χ = 21 cm -1 for laser wavelength 1 , 06 μm, s 0 = 5.7 · 10 3 m / s. The left-hand side of inequalities (15) and (17) is 0.28. It is seen that for the temporal shape of the laser pulse described by equation (7), the condition of thermal strength is satisfied at a ≥ 2, for the temporary shape of the laser pulse described by equation (8), the condition of thermal strength is satisfied at a ≥ 3.

Пример реализации способа. Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла излучением лазера на длине волны 1,06 мкм. Длительность импульса составляет 1,2·10-7 с, временная форма лазерного импульса описывается уравнением (8). Безразмерный параметр a = 1,43, f1(1,43) > 0,28. Условие термопрочности (15) не выполняется. Wf = 41,7 Дж/см2. WТ = 24,5 Дж/см2. Расчеты выполнены по уравнениям (3) и (14) соответственно. Лазерный отжиг невозможен, так как материал будет разрушен термоупругими напряжениями. Для предотвращения разрушения материала произведем его предварительный нагрев до температуры не менее 513 К (то есть начальную температуру материала надо увеличить на 213 К). Расчет произведен по соотношению (16). Для временной формы лазерного импульса, описываемой уравнением (7) для прототипа необходимо было бы нагреть материал до температуры 488 К. Расчет выполнен по уравнению (18). Следовательно, критерий термопрочности был бы не выполнен для временной формы, описываемой уравнением (8), и материал был бы разрушен термоупругими напряжениями в процессе отжига. Пусть материал будет нагрет до температуры 520 К. Теперь для нового значения начальной температуры Т0 = 520 К Wf = 22,2 Дж/см2. Видно, что Wf меньше WТ. Лазерный отжиг импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8), возможен.An example implementation of the method. It is necessary to perform laser annealing of the surface of optical colored glass by laser radiation at a wavelength of 1.06 μm. The pulse duration is 1.2 · 10 -7 s, the temporal shape of the laser pulse is described by equation (8). The dimensionless parameter a = 1.43, f 1 (1.43)> 0.28. The thermal strength condition (15) is not satisfied. W f = 41.7 J / cm 2 . W T = 24.5 J / cm 2 . The calculations were performed according to equations (3) and (14), respectively. Laser annealing is not possible, since the material will be destroyed by thermoelastic stresses. To prevent the destruction of the material, we will pre-heat it to a temperature of at least 513 K (that is, the initial temperature of the material must be increased by 213 K). The calculation is made according to the relation (16). For the temporal shape of the laser pulse described by equation (7) for the prototype, it would be necessary to heat the material to a temperature of 488 K. The calculation was performed according to equation (18). Consequently, the thermal strength criterion would not be fulfilled for the temporary form described by equation (8), and the material would be destroyed by thermoelastic stresses during the annealing process. Let the material be heated to a temperature of 520 K. Now for a new value of the initial temperature T 0 = 520 K W f = 22.2 J / cm 2 . It is seen that W f is less than W T. Laser annealing with a pulse with a time form described by equation (8) is possible.

Таким образом, вышеописанные отличия способа лазерной обработки неметаллических материалов от прототипа позволяют исключить их разрушение термоупругими напряжениями при отжиге лазерным импульсом с временной формой, описываемой уравнением (8), и повысить выход годной продукции. Если требуется произвести легирование неметаллических материалов, то в приведенные формулы для определения неразрушающего режима обработки вместо температуры отжига следует подставлять температуру плавления материала.Thus, the above-described differences in the method of laser processing of non-metallic materials from the prototype make it possible to exclude their destruction by thermoelastic stresses during annealing by a laser pulse with the time form described by equation (8) and to increase the yield of suitable products. If it is required to alloy non-metallic materials, then the melting temperature should be substituted for the annealing temperature instead of the annealing temperature in the above formulas.

Claims (23)

Способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий предварительный нагрев материала до определенной начальной температуры и облучение поверхности импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по соотношениюA method of laser processing of non-metallic materials, including pre-heating the material to a certain initial temperature and irradiating the surface with a laser pulse with an energy density determined by the ratio
Figure 00000022
,
Figure 00000022
, где Tf – температура отжига материала, К;where T f is the annealing temperature of the material, K; T0 – начальная температура материала после предварительного подогрева, К;T 0 - the initial temperature of the material after preheating, K; с – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг⋅К);s - specific heat of the material, J / (kg⋅K); ρ – плотность материала, кг/м3;ρ is the density of the material, kg / m 3 ; R – коэффициент отражения материала на длине волны лазерного излучения,R is the reflection coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, отличающийся тем, что для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнениемcharacterized in that for a laser pulse, the temporal shape of which is described by the equation
Figure 00000023
,
Figure 00000023
, где q(t) – плотность мощности лазерного излучения Вт/см2;where q (t) is the power density of the laser radiation W / cm 2 ; qm – амплитуда плотности мощности лазерного излучения Вт/см2;q m is the amplitude of the power density of the laser radiation W / cm 2 ; t – текущее время от начала воздействия, с;t is the current time from the onset of exposure, s; τ – длительность лазерного импульса, с,τ is the duration of the laser pulse, s, начальную температуру материала после подогрева определяют по уравнениюthe initial temperature of the material after heating is determined by the equation
Figure 00000024
,
Figure 00000024
, где σBP – предел прочности материала на растяжение, Па;where σ BP is the tensile strength of the material, Pa; К – модуль всестороннего сжатия материала, Па;K is the module of comprehensive compression of the material, Pa; αТ – коэффициент линейного расширения материала, К-1;α T is the coefficient of linear expansion of the material, K -1 ; е – основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm; π ≈ 3,14;π ≈ 3.14;
Figure 00000025
;
Figure 00000025
; χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, м-1;χ is the absorption coefficient of the material at a wavelength of laser radiation, m -1 ; с0 – скорость звука в материале, м/с.with 0 - the speed of sound in the material, m / s.
RU2018143302A 2018-12-06 2018-12-06 Method of laser processing of non-metallic materials RU2695440C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143302A RU2695440C1 (en) 2018-12-06 2018-12-06 Method of laser processing of non-metallic materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143302A RU2695440C1 (en) 2018-12-06 2018-12-06 Method of laser processing of non-metallic materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695440C1 true RU2695440C1 (en) 2019-07-23

Family

ID=67512363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018143302A RU2695440C1 (en) 2018-12-06 2018-12-06 Method of laser processing of non-metallic materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2695440C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773255C2 (en) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser processing of non-metallic materials

Citations (6)

* 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
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
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
RU2630197C1 (en) * 2016-06-24 2017-09-05 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2646177C1 (en) * 2017-02-03 2018-03-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Method of laser processing of nonmetallic materials

Patent Citations (6)

* 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
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
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
RU2630197C1 (en) * 2016-06-24 2017-09-05 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2646177C1 (en) * 2017-02-03 2018-03-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Method of laser processing of nonmetallic materials

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773255C2 (en) * 2020-11-05 2022-06-01 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») Method for laser processing of non-metallic materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2583870C1 (en) Laser processing of nonmetallic plates
Patel et al. Isochoric heating of solid-density matter with an ultrafast proton beam
Hibst et al. Effects of laser parameters on pulsed Er-YAG laser skin ablation
RU2566138C2 (en) Laser processing of non-metallic materials
Ladieu et al. Measuring thermal effects in femtosecond laser-induced breakdown of dielectrics
RU2602402C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2695440C1 (en) Method of laser processing of non-metallic materials
RU2573181C1 (en) Laser processing of non-metallic plates
RU2646177C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic materials
RU2630197C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic plates
RU2692004C1 (en) Method for laser annealing of nonmetallic materials
RU2486628C1 (en) Method of processing nonmetallic materials
RU2773255C2 (en) Method for laser processing of non-metallic materials
Klossika et al. Importance of a finite speed of heat propagation in metals irradiated by femtosecond laser pulses
RU2649054C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
RU2582849C1 (en) Method for laser punching through-hole in non-metal plate
Altshuler et al. Application of ultrashort laser pulses in dentistry
Chen et al. Analysis of laser damage threshold and morphological changes at the surface of a HgCdTe crystal
RU2691923C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2624989C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2763362C1 (en) Method for laser annealing of non-metallic materials
RU2685427C1 (en) Method of laser processing of non-metallic plates
RU2649238C1 (en) Method of laser processing of nonmetallic plates
Ahmad et al. Femtosecond laser induced two-photon absorption in Au-ion embedded glasses
RU2574327C1 (en) Method for laser treatment of non-metallic materials