RU2708935C1 - Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной - Google Patents
Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708935C1 RU2708935C1 RU2018130430A RU2018130430A RU2708935C1 RU 2708935 C1 RU2708935 C1 RU 2708935C1 RU 2018130430 A RU2018130430 A RU 2018130430A RU 2018130430 A RU2018130430 A RU 2018130430A RU 2708935 C1 RU2708935 C1 RU 2708935C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser radiation
- laser
- region
- radiation
- concentrated
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 title abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 147
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 95
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 57
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 25
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 21
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 2
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- -1 cerium ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000006089 photosensitive glass Substances 0.000 description 2
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
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 potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Использование: для изменения структуры внутри прозрачных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изменения структуры внутри прозрачных материалов, имеющих запрещенную зону, содержит воздействие на материал лазерным излучением с энергией фотона меньше запрещенной зоны материала и относящейся к спектральному диапазону длинноволнового спада края собственного поглощения материала, при этом излучение концентрируют внутри материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области лазерной обработки полупроводниковых и кристаллических диэлектрических материалов и может быть использовано в электронной и оптической промышленности, а также в приборостроении.
Известен способ изменения внутренней структуры прозрачных полупроводниковых материалов, предложенный для объемного лазерного отжига полупроводниковых пластин заключающийся в том, что на пластину воздействуют излучением импульсно-периодического CO2-лазера, энергия фотона которого лежит в спектральном диапазоне прозрачности полупроводникового материала [РФ патент №1436767, 20.09.2001]. Поглощение лазерного излучения внутри полупроводниковой пластины организуют путем формирования с помощью легирования внутри или на обратной стороне пластины слоя примесей интенсивно поглощающих излучение CO2-лазера. В результате поглощения лазерного излучения легированным слоем часть материала пластины, прилегающая к слою, нагревается, что приводит к изменениям структуры материала в нагретой области.
Недостатком данного способа является необходимость предварительного формирования поглощающего слоя, и возможность изменения структуры только материала, который непосредственно прилегает к легированному слою.
Известен способ изменения структуры в объеме прозрачного фоточувствительного стекла «Фортуран» активированного ионами церия [US Patent 6,932,933 В2, Aug. 23, 2005]. Способ заключается в концентрации импульса излучения ультрафиолетового лазера оптическим методом фокусировки внутри стеклянного образца, до уровня интенсивности при котором реализуется процесс нелинейного поглощения лазерного излучения ионами церия в области фокусировки, локальном нагреве поглощенным лазерным излучением материала в области фокусировки и изменении структуры нагретого материала. После локального изменения структуры область фокусировки лазерного излучения перемещают внутри объема образца и воздействуют сфокусированным лазерным излучением на другую часть объема образца. Таким образом, последовательно во времени изменяют структуру материала в различных частях объема образца, совокупность которых составляет трехмерную область заданной формы, расположенную внутри образца. После формирования трехмерной области с измененной структурой, структурные изменения выявляют и закрепляют травлением образца химическими реагентами.
Недостатком данного способа является применение специального фоточувствительного стекла и необходимость дополнительной химической обработки.
Известен способ изменения структуры материала внутри прозрачной центральной жилы волоконного световода с целью модуляции показателя преломления по его длине [К.О. Hill, Y. Fujii, D.C. Johnsonand B.S. Kawasaki. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. Vol. 32 (10), 647-649 (1978)]. Способ заключается в воздействии излучением аргонового лазера с длиной волны 480 нм на внутренний объем центральной жилы прозрачного оптоволокна. Лазерное излучение концентрируют внутри и вдоль центральной жилы оптоволокна в виде периодически повторяющихся максимумов интенсивности лазерного излучения, которые формируются в результате интерференции встречных пучков лазерного излучения. В областях концентрации лазерного излучения, а это интерференционные максимумы, имеет место поглощение излучения, обусловленное имеющимися дефектами, нагрев и изменение структуры материала, что приводит к периодической модуляции показателя преломления материала вдоль волокна.
Недостатком данного способа является невозможность изменения структуры прозрачных мало дефектных и бездефектных материалов.
Известен способ лазерной резки полупроводниковых материалов, основанный на эффекте локального изменения структуры прозрачного материала в результате оптического пробоя материала [US Patent №7,749,867 В2; Jul. 6, 2010]. На полупроводниковую пластину воздействуют импульсным лазерным излучением наносекундной длительности и энергией фотона, относящемуся к спектральному диапазону прозрачности материала, из которого изготовлена пластина. В процессе воздействия лазерное излучение концентрируют внутри части объема полупроводниковой пластины оптическим методом фокусировки до интенсивности порядка 1012 Вт/см2. В этих условиях имеет место нелинейное многофотонное поглощение излучения, локализованное в области фокусировки, что приводит к поглощению лазерного излучения, быстрому локальному нагреву материала поглощенным излучением и изменению структуры материала в виде трека микротрещин, локализованных в области фокусировки лазерного излучения. Область фокусировки перемещают внутри полупроводникового материала и формируют полосу с измененной структурой материала протяженностью от одного края пластины до другого края пластины. После формирования полосы пластину разделяют по сформированной полосе.
Недостатком данного способа является то, что реализуется только один вариант изменения структуры прозрачного материала, а именно разрушение материала.
Наиболее близким к заявляемому способу по своей физической сущности и совокупности признаков является способ лазерного скрайбирования кремния, заключающийся в воздействии на поверхность кремниевой пластины сконцентрированного методом фокусировки лазерного излучения с энергией фотона большей чем запрещенная зона кремния и относящейся к спектральной области края собственного поглощения кремния [US Patent №3,626,141; Dec. 7, 1971]. В патенте описывается лазерный аппарат для разделения кремниевых пластин на отдельные чипы. Разделение производится сконцентрированным методом фокусировки на поверхности пластины излучением неодимового (Nd:YAG) лазера, генерирующего излучение с длиной волны 1.06 мкм и, соответственно, энергией фотона 1.17 эВ, что больше ширины запрещенной зоны кремния EG при комнатной температуре EG=1.12 эВ. Эффективность лазерного воздействия на материал во многом определяется коэффициентом поглощения лазерного излучения материалом. Кремний интенсивно поглощает свет с длиной волны меньше чем 1 мкм и мало поглощает или не поглощает свет с длиной волны более одного микрона. Длина волны излучения неодимового лазера 1.06 мкм приходится на переходную область спектра поглощения кремния от отсутствия поглощения к полному поглощению света. Эта область - край собственного поглощения полупроводникового материала, в рассматриваемом случае кремния. При комнатной температуре коэффициент поглощения кремния для света с длиной волны 1.06 мкм имеет величину около 20 см-1. В области края собственного поглощения коэффициент поглощения значительно увеличивается при нагревании материала с ростом температуры. Поэтому в процессе поглощения и нагрева лазерным излучением кремния коэффициент поглощения быстро растет, что обеспечивает значительное повышение эффективности лазерного воздействия на кремний и деструкцию кремния в области воздействия.
На основании сказанного выше, можно сформулировать способ прототип лазерного изменения структуры полупроводникового кремния следующим образом. На поверхность полупроводниковой пластины кремния воздействуют сконцентрированным методом фокусировки излучением неодимового лазера с энергией фотона 1.17 эВ, которая больше запрещенной зоны кремния 1.12 эВ и относится к спектральной области края собственного поглощения кремния. В процессе воздействия сконцентрированным лазерным излучением на материал, температура в области воздействия повышается, что вызывает увеличение коэффициента поглощения, ускорение нагрева и, в конечном итоге, рост эффективности лазерного воздействия на кремний. Нагрев материала лазерным излучением приводит к структурным измерениям, а именно локальной деструкции материала в области концентрации лазерного излучения. Область концентрации лазерного излучения перемещают по поверхности полупроводникового материала и формируют линию деструктированного материала протяженностью от одного края пластины до другого края пластины. После формирования линии пластину разделяют по сформированной линии.
Рассматриваемый в качестве прототипа способ лазерного изменения структуры полупроводникового материала базируется на физическом эффекте теплового увеличения коэффициента поглощения материала в процессе воздействия на материал лазерного излучения с энергией фотона больше ширины запрещенной зоны и относящейся к спектральной области края собственного поглощения полупроводникового материала.
Недостатком данного способа является то, что для изменения структуры материала используют лазерное излучение с энергией фотона Е превышающей величину запрещенной зоны полупроводникового материала EG. Коэффициент поглощения излучения с E>EG для различных полупроводниковых материалов имеет величину от нескольких десятков до нескольких тысяч обратных сантиметров. Коэффициент поглощения кремния фотонов с энергией 1.17 эВ имеет величину около 20 см-1. В этом случае 90% лазерного излучения поглощается слоем кремния толщиной всего 0.1 мм. Это значит, что данным способом изменения структуры полупроводникового материала нельзя изменять структуру внутри материала поскольку материал исходно не прозрачен для лазерного излучения. Таким образом, основной недостаток прототипа - это невозможность изменять структуру внутри полупроводникового материала.
Задача данного изобретения заключается в том, чтобы обеспечить возможность изменять структуру внутри материала, имеющего запрещенную зону, лазерным излучением с энергией фотона из спектральной области края собственного поглощения полупроводникового материала.
Для решения задачи изобретения прилагается способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной, в том числе полупроводников и кристаллических диэлектриков, который заключается в следующем. На прозрачный полупроводниковый или кристаллический диэлектрический материал, в дальнейшем материал, воздействуют лазерным излучением с энергией фотона меньше энергии запрещенной зоны и относящейся к спектральной области длинноволнового спада края собственного поглощения материала, это так называемый хвост поглощения Урбаха. В этом случае, лазерное излучение слабо поглощается материалом и, поэтому, может быть сконцентрировано внутри полупроводникового материала, например, методом фокусировки или интерференции.
В спектральном диапазоне длинноволнового спада края собственного поглощения материала зависимость коэффициента поглощения материала от энергии фотона описывается формулой Урбаха.
Здесь: EG - ширина запрещенной зоны материала; Е - энергия фотона лазерного излучения; W - характеристическая энергия, определяющая крутизну спада длинноволнового края собственного поглощения материала; αk - коэффициент поглощения при E=EG.
В начале лазерного воздействия излучение немного нагревает материал, который слабо, но поглощает излучение. Нагрев приводит к изменению ширины запрещенной зоны.
Здесь: EG0 - ширина запрещенной зоны материала в исходном состоянии: Т~300°К, Р~105 Па; ΔT - изменение температуры материала в результате нагрева; ξ - коэффициент температурного изменения ширины запрещенной зоны материала.
Формула (1) с учетом выражения (2) приобретает вид:
Здесь: α0 - начальный коэффициент поглощения. Это коэффициент поглощения лазерного излучения материалом, находящемся в исходном состоянии до лазерного воздействия.
Из формулы (3) следует, что коэффициент поглощения материала с запрещенной зоной для лазерного излучения с энергией фотона из спектрального диапазона длинноволнового спада края собственного поглощения материала экспоненциально растет с увеличением температуры материала. Поэтому в процессе воздействия лазерного излучения на материал по мере нагрева и роста температуры материала в части или частях объема материала, где сконцентрировано и поглощается лазерное излучение, имеет место тепловой рост коэффициента поглощения материала, что приводит к значительному увеличению коэффициента поглощения материалом лазерного излучения и быстрому нарастанию нагрева. В рассматриваемом случае увеличение температуры материала ΔТ происходит за счет поглощения энергии лазерного излучения, поэтому можно сказать, что нагрев материала и тепловой рост коэффициента поглощения связаны между собой положительной обратной связью.
Для выяснения условий необходимых для реализации взаимосвязанного процесса нагрева материала и теплового роста коэффициента поглощения необходимо решить задачу нагрева материала лазерным излучением с коэффициентом поглощения экспоненциально зависящим от температуры.
Изменение температуры части или частей объема материала, где сконцентрировано и поглощается лазерное излучение, без учета теплопроводности материала, описывается дифференциальным уравнением.
Здесь: I0 - интенсивность сконцентрированного лазерного излучения внутри материала; cν и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала, соответственно.
В уравнении (4) предполагается, что воздействие лазерного излучения на материал носит кратковременный характер и за время воздействия тепло из нагретой части (частей) объема материала не успевает распространиться в окружающий, холодный материал. Это утверждение справедливо в случае лазерного воздействия на материал в течение времени τ<<d2/χ, здесь d - характерный размер нагреваемой части объема материала, χ - коэффициент температуропроводности материала.
Чтобы учесть взаимосвязь нагрева материала лазерным излучением и теплового роста коэффициента поглощения в (4) подставляется выражение для коэффициента поглощения (3).
Уравнение (5) описывает взаимосвязанный процесс нагрева материала и теплового роста коэффициента поглощения. Решение дифференциального уравнения (5), дополненного начальным условием: ΔT=0 при t=0, имеет вид.
Здесь τ - длительность воздействия лазерного излучения на материал. В случае воздействия на материал импульсного лазерного излучения это длительность импульса.
Выражение (6) позволяет оценить величину изменения температуры материала, нагреваемого лазерным излучением в условиях теплового роста коэффициента поглощения. Параметры, характеризующие свойства материала: ξ, ρ, W и cν - величины справочные и считаются неизменными в процессе нагрева материала лазерным излучением.
На фиг. 1. Представлен график зависимости изменения температуры материала ΔT от интенсивности лазерного излучения I0. Из графика видно, что процесс нагрева материала имеет пороговый характер, который выражается в резком увеличение температуры материала при достижении интенсивности лазерного излучения порогового значения Ith. Это значит, что для нагрева и локального изменения структуры лазерное излучение должно быть сконцентрировано внутри материала до величины равной или превышающей Ith. Это условие является необходимым для запуска процесса взаимосвязанного нагрева материала лазерным излучением и одновременного теплового роста коэффициента поглощения.
Лазерное излучение концентрируют внутри материала оптическими методами, например, фокусировки или интерференции. В случае фокусировки, например, линзой или сферическим зеркалом, лазерное излучение концентрируют внутри материала в области фокуса линзы или зеркала до уровня пороговой интенсивности или более и реализуют процесс теплового роста коэффициента поглощения материала. В этом случае активизируется поглощение лазерного излучения материалом и происходит локальный нагрев материала, только там, где сфокусировано излучение. Нагрев продолжают до изменения структуры материала, которое происходит только в области фокуса там, где лазерное излучение сконцентрировано до порогового уровня. Перемещая область фокусировки внутри материала лазерное излучение последовательно во времени концентрируют в различных частях объема материала, нагревают и изменяют структуру материала этих частей. Таким образом, внутри прозрачного материала формируют двух или трехмерную область требуемой формы, которая образована совокупностью частей материала с измененной структурой. Область фокусировки перемещают внутри материала, например, методом оптического сканирования или передвижением самого материала при неподвижном лазерном излучении.
В случае интерференции, например, внутри материала интерферируют два пучка лазерного излучения, излучение одновременно концентрируют в тех частях объема материала, где располагаются интерференционные максимумы. Интенсивность лазерного излучения в интерференционных максимумах обеспечивают на уровне пороговой интенсивности или выше. В результате активизации поглощения лазерного излучения материал нагревается, его структура изменяется и внутри материала формируется область с периодически измененной структурой материала. На практике интерференционную концентрацию лазерного излучения применяют для формирования объемных дифракционных оптических элементов внутри прозрачных материалов, например, дифракционных решеток внутри оптоволокна.
Предлагаемый способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной базируется на физическом эффекте теплового увеличения коэффициента поглощения материала в процессе воздействия на материал лазерного излучения, сконцентрированного внутри материала до порогового значения или выше, а также имеющего энергию фотона меньше ширины запрещенной зоны и относящейся к спектральной области длинноволнового спада края собственного поглощения полупроводникового материала.
На основании всего сказанного выше можно сформулировать предлагаемый способ лазерного воздействия, локального нагрева и изменения структуры внутри прозрачных материалов с запрещенной зоной.
На прозрачный материал имеющий запрещенную зону воздействуют лазерным излучением с энергией фотона меньше запрещенной зоны материала и относящейся к спектральному диапазону длинноволнового спада края собственного поглощения материала. Лазерное излучение концентрируют внутри материала в части или одновременно, или последовательно во времени в нескольких частях объема материала до порогового уровня интенсивности или выше и тем самым создают условия реализации процесса теплового роста коэффициента поглощения материала. В этих условиях резко возрастает поглощение материалом лазерного излучения только в той части или частях объема материала, где излучение сконцентрировано до порогового уровня интенсивности или выше. Происходит локальный нагрев части или частей объема материала поглощенным лазерным излучением. Нагрев продолжают до достижения температуры, при которой структура материала изменяется, например, происходит фазовый переход материала из кристаллического состояния в аморфное или деструкция материала. Область концентрации лазерного излучения перемещают внутри материала и формируют двух или трехмерную область требуемой формы, которая образована совокупностью частей материала с измененной структурой.
Предлагаемый способ изменения структуры материалов с запрещенной зоной отличается от прототипа в следующем.
1. На материал воздействуют лазерным излучением с энергией фотона меньше запрещенной зоны материала и относящейся к спектральной области длинноволнового спада края собственного поглощения материала.
2. Лазерное излучение концентрируют внутри материала до уровня пороговой интенсивности или более.
3. Область концентрации лазерного излучения перемещают внутри материала относительно трех пространственных координат и формируют двух или трехмерную область с измененной структурой.
Экспериментальная верификация предлагаемого способа локального изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной была выполнена на образце кристаллического полупроводникового селенида цинка. Образец был изготовлен из монокристаллического ZnSe в виде круглой плоскопараллельной пластины диаметром 40 мм и толщиной 10 мм. Плоские параллельные поверхности образца были обработаны с оптической точностью: шероховатость RZ<0.05 и плоскостность λ/2 на λ=635 нм.
Внутрь образца на глубину примерно 2 мм концентрировался импульс лазерного излучения с энергией фотона 2.59 эВ, которая меньше ширины запрещенной зоны ZnSe (EG=2.68 эВ при комнатной температуре) и располагается в спектральной области длинноволнового спада края собственного поглощения образца. Длительность и энергия лазерного импульса имели величины 20 нс и 4 мкДж, соответственно. Концентрация лазерного излучения производилась методом фокусировки положительной линзой с фокусным расстоянием 100 мм. Диаметр пятна лазерного излучения в области фокусировки был 10 мкм. Средняя интенсивность лазерного излучения в пятне имела величину около 108 Вт/см2 и была больше расчетной пороговой интенсивности, которая примерно равна 0.8×108 Вт/см2. Результат воздействия представлен на фиг. 2. Размер области с измененной структурой примерно равен диаметру пятна фокусировки, что подтверждает возможность локального изменения структуры материала. Воздействие на материал сфокусированного лазерного импульса с энергией 2 мкДж и интенсивностью в области фокусировки 0.5×108 Вт/см2, что меньше порогового значения, не приводило к структурным изменениям. Это полностью подтверждает необходимость фокусировки лазерного излучения до уровня больше порогового значения.
Результат эксперимента наглядно подтверждает возможность локального изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной лазерным излучением, сконцентрированным внутри материала до интенсивности более порогового значения с энергией фотона меньше величины запрещенной зоны материала и относящейся к спектральному диапазону длинноволнового спада края собственного поглощения материала.
Перечень фигур графических изображений
Фиг. 1 Зависимость изменения температуры материала от интенсивности импульса лазерного излечения длительностью 20 нс.
Фиг. 2 Изображение локального структурного изменения внутри образца селенида цинка.
Список литературных источников
1. Патент РФ №1436767, 20.09.2001 г.
2. US Patent №6,932,933 В2, Aug. 23, 2005.
3. К.О. Hill, Y. Fujii, D.C. Johnsonand B.S. Kawasaki. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection filter fabrication. Appl. Phys. Lett. Vol. 32 (10), 647-649, 1978.
4. US Patent №7,749,867 B2; Jul. 6, 2010.
5. US Patent №3,626,141; Dec. 7, 1971.
Claims (4)
1. Способ лазерного изменения структуры материала, имеющего запрещенную зону, заключающийся в том, что на материал воздействуют сконцентрированным лазерным излучением с энергией фотона из спектральной области края собственного поглощения материала, локально нагревают материал лазерным излучением до состояния изменения структуры в области нагрева, затем последовательно перемещают область концентрации лазерного излучения и формируют область материала с измененной структурой заданной формы,
отличающийся тем, что
на материал воздействуют лазерным излучением с энергией фотона меньше запрещенной зоны материала и относящейся к спектральной области длинноволнового спада края фундаментального поглощения материала, при этом лазерное излучение концентрируют внутри материала до величины интенсивности равной или большей порогового значения, а область концентрации лазерного излучения перемещают относительно трех пространственных координат.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное излучение концентрируют внутри материала в нескольких частях объема одновременно.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018130430A RU2708935C1 (ru) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018130430A RU2708935C1 (ru) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2708935C1 true RU2708935C1 (ru) | 2019-12-12 |
Family
ID=69006791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018130430A RU2708935C1 (ru) | 2018-08-21 | 2018-08-21 | Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2708935C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763276C1 (ru) * | 2020-11-05 | 2021-12-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3626141A (en) * | 1970-04-30 | 1971-12-07 | Quantronix Corp | Laser scribing apparatus |
| US5567484A (en) * | 1993-11-10 | 1996-10-22 | International Business Machines Corporation | Process for texturing brittle nonmetallic surfaces |
| US6932933B2 (en) * | 2001-03-30 | 2005-08-23 | The Aerospace Corporation | Ultraviolet method of embedding structures in photocerams |
| WO2011123205A1 (en) * | 2010-03-30 | 2011-10-06 | Imra America, Inc. | Laser-based material processing apparatus and methods |
| 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 |
| RU2630197C1 (ru) * | 2016-06-24 | 2017-09-05 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерного отжига неметаллических пластин |
-
2018
- 2018-08-21 RU RU2018130430A patent/RU2708935C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3626141A (en) * | 1970-04-30 | 1971-12-07 | Quantronix Corp | Laser scribing apparatus |
| US5567484A (en) * | 1993-11-10 | 1996-10-22 | International Business Machines Corporation | Process for texturing brittle nonmetallic surfaces |
| US6932933B2 (en) * | 2001-03-30 | 2005-08-23 | The Aerospace Corporation | Ultraviolet method of embedding structures in photocerams |
| WO2011123205A1 (en) * | 2010-03-30 | 2011-10-06 | Imra America, Inc. | Laser-based material processing apparatus and methods |
| 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 |
| RU2630197C1 (ru) * | 2016-06-24 | 2017-09-05 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ лазерного отжига неметаллических пластин |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2763276C1 (ru) * | 2020-11-05 | 2021-12-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Способ лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jasapara et al. | Femtosecond laser pulse induced breakdown in dielectric thin films | |
| Barkusky et al. | Damage threshold measurements on EUV optics using focused radiation from a table-top laser produced plasma source | |
| Juodkazis et al. | Formation of embedded patterns in glasses using femtosecond irradiation | |
| RU2708935C1 (ru) | Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной | |
| WO2012009108A2 (en) | Controllable transmission and phase compensation of transparent material | |
| Anghel et al. | Femtosecond laser ablation of TiO2 films for two-dimensional photonic crystals | |
| Volodin et al. | Picosecond infrared laser crystallization of Ge layers in Ge/Si multi-nanolayers for optoelectronic applications | |
| Singleton et al. | Comparison of theoretical models of laser ablation of polyimide with experimental results | |
| US20140227889A1 (en) | Laser-based materials processing apparatus, method and applications | |
| Grigorev | Laser processing of transparent semiconductor materials | |
| Yüksek et al. | Nonlinear absorption in undoped and Ge doped layered GaSe semiconductor crystals | |
| Gorelik et al. | Laser implantation of sodium nitrite ferroelectric into pores of synthetic opal | |
| Zakoldaev et al. | Laser-induced Black-body Heating (LIBBH) as a Method for Glass Surface Modification. | |
| US8399155B1 (en) | Production of high efficiency diffractive and refractive optical elements in multicomponent glass by nonlinear photo-ionization followed by thermal development | |
| Grigorev et al. | Numerical modelling of action on transparent semiconductors of short and ultrashort laser pulses with wavelength at the material absorption edge. | |
| EP4214169A1 (fr) | Verre photosensible et procede d'inscription de structures de variation d'indice de refraction en volume dans un tel verre | |
| Komarov et al. | Effect of pulsed laser annealing on optical properties of selenium-hyperdoped silicon | |
| Sugioka et al. | VUV-UV multiwavelength excitation process for high-quality ablation of fused silica | |
| Karnakis et al. | Forward-transfer laser implantation of pyrene molecules in a solid polymer | |
| Belousova et al. | Nonlinear-optical laser-radiation limiters | |
| Grigorev | Structural modification of transparent materials with band gap by laser radiation at the absorption edge | |
| RU2534454C1 (ru) | Способ формирования субдифракционной квазирегулярной одно-и двумерной нанотекстуры поверхности материалов и устройство для его осуществления | |
| WO2015023791A1 (en) | Dynamic optical valve for mitigating non-uniform heating in laser processing | |
| Григорьев | AM Grigoriev Laser technologies center, St. Petersburg, Russia | |
| Uddin | Laser Irradiation Effect on the Optical Properties of Se88Te10 Al2 Thin Films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200822 |