RU2763362C1 - Method for laser annealing of non-metallic materials - Google Patents
Method for laser annealing of non-metallic materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763362C1 RU2763362C1 RU2020136238A RU2020136238A RU2763362C1 RU 2763362 C1 RU2763362 C1 RU 2763362C1 RU 2020136238 A RU2020136238 A RU 2020136238A RU 2020136238 A RU2020136238 A RU 2020136238A RU 2763362 C1 RU2763362 C1 RU 2763362C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- laser
- laser pulse
- metallic materials
- power density
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
- B23K26/402—Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B25/00—Annealing glass products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологическим процессам и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to technological processes and can be used for laser annealing of semiconductor, ceramic and glassy materials.
Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнениюA known method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation
где Tf - температура отжига;where T f is the annealing temperature;
T0 - начальная температура;T 0 - initial temperature;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;c and ρ - specific heat and density of the material, respectively;
R - коэффициент отражения материала;R is the reflection coefficient of the material;
χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения.χ is the absorption index of the material at the laser wavelength.
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. Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.Bakeev AA, Sobolev AP, Yakovlev VI Studies of thermoelastic stresses arising in an absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. - PMTF. - 1982 - No. 6. - S. 92-98. The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.
Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению (1), при этом диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 50 % исходный лазерный импульс делят на два импульса равной мощности и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса. Патент РФ № 2633860, МПК B23K 26/402, 18.10.2017. При этом временная форма лазерного импульса, воздействующего на поверхность обрабатываемого материала, будет описываться уравнениемThere is also known a method of laser annealing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular temporal shape with an energy density determined by equation (1), while using a dielectric mirror with a reflection coefficient of 50%, the initial laser pulse is divided into two pulses of equal power and a temporary delay of the second pulse for the duration of the first pulse. RF patent No. 2633860, IPC B23K 26/402, 10/18/2017. In this case, the time shape of the laser pulse acting on the surface of the processed material will be described by the equation
где q - плотность мощности в исходном лазерном импульсе;where q is the power density in the initial laser pulse;
t - текущее время от начала воздействия;t - current time from the beginning of exposure;
τ - длительность исходного лазерного импульса.τ is the duration of the initial laser pulse.
Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.
Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, которую определяют по уравнению (1), при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 40% и осуществляют временную задержку отраженного импульса на время воздействия на материал прошедшего через диэлектрическое зеркало лазерного импульса. Патент РФ № 2692004, МПК B23K26/402, B23K26/53, 19.06.2019. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.There is also known a method for laser annealing of non-metallic materials, which includes irradiating the surface of the material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density, which is determined by equation (1), while the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 40% and a time delay is performed of the reflected pulse for the time of exposure to the material of the laser pulse passed through the dielectric mirror. RF patent No. 2692004, IPC B23K26/402, B23K26/53, 06/19/2019. This technical solution is accepted as a prototype.
При этом временная форма воздействующего на материал лазерного импульса будет описываться уравнениемIn this case, the time shape of the laser pulse acting on the material will be described by the equation
Недостатком прототипа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of the prototype is that arising in the material thermoelastic stresses can lead to the destruction of the material due to spall from the irradiated surface.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и области возможного откольного разрушения материала.The technical result of the proposed invention is to increase the yield of suitable products in the process of laser annealing of non-metallic materials by reducing thermoelastic stresses and the area of possible spall fracture of the material.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерного отжига неметаллических материалов, заключающемся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнениюThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser annealing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation
где Tf - температура отжига;where T f is the annealing temperature;
T0 - начальная температура;T 0 - initial temperature;
с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;c and ρ - specific heat and density of the material, respectively;
R - коэффициент отражения материала;R is the reflection coefficient of the material;
χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,χ - absorption index of the material at the wavelength of laser radiation,
при этом диэлектрическим зеркалом исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, разделяют исходный лазерный импульс посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 30 %, и при этом плотность мощности первого импульса устанавливают 70 % от плотности мощности исходного лазерного импульса.at the same time, the initial laser pulse is divided by a dielectric mirror into two pulses and the second pulse is temporarily delayed for the duration of the first pulse, the initial laser pulse is separated by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 30%, and the power density of the first pulse is set to 70% of the power density of the original laser pulse.
Ниже приводится более подробное описание способа лазерного отжига неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1-3.The following is a more detailed description of the method for laser annealing of non-metallic materials with reference to FIG. 1-3.
На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки, позволяющая реализовать заявленный способ: 1 - лазер с модулятором добротности на основе акустооптического затвора, 2 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 30%, 3 - диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 99,9 %, 4 - обрабатываемый материал, 5 и 6 - фокусирующие линзы, создающие на поверхности обрабатываемого материала 4 требуемую плотность энергии. Диэлектрическим зеркалом 2 лазерный импульс делится на два импульса с плотностью мощности 0,7q и 0,3q (q - плотность мощности лазерного излучения в исходном импульсе). Прошедший через зеркало 2 первый импульс с плотностью мощности 0,7q линзой 5 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала 4 в пятно требуемого диаметра. Отраженный зеркалом 2 второй импульс с плотностью мощности 0,3q направляют на диэлектрическое зеркало 3 с коэффициентом отражения 99,9%, которое совмещает отраженный импульс на поверхности обрабатываемого материала 4 с импульсом, прошедшим через зеркало 2. Линзой 6 второй импульс фокусируется в пятно требуемого диаметра. Разница длин путей первого и второго лазерных импульсов обеспечивает задержку второго импульса на время воздействия первого импульса на поверхность обрабатываемого материала. В результате на поверхность обрабатываемого материала воздействует лазерный импульс, временная форма которого описывается уравнением:In FIG. Figure 1 shows a laser processing unit that makes it possible to implement the claimed method: 1 - a laser with a Q-switch based on an acousto-optic shutter, 2 - a dielectric mirror with a reflection coefficient of 30%, 3 - a dielectric mirror with a reflection coefficient of 99.9%, 4 - the material being processed, 5 and 6 - focusing lenses that create the required energy density on the surface of the processed
Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии, временная форма которых описывается уравнениями (3) и (4).Let us compare the effect on the surface of the processed material of two laser pulses of equal energy density, the temporal shape of which is described by equations (3) and (4).
В соответствии с [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], максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала рассчитывают по уравнению:In accordance with [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Investigation of thermoelastic stresses arising in an absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF. - 1982. - No. 6. - S. 92-98], the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material are calculated by the equation:
где
K - модуль всестороннего сжатия;K - modulus of all-round compression;
α - коэффициент линейного расширения материала;α - coefficient of linear expansion of the material;
е - основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;
sh(χx) - функция «гиперболический синус»;sh(χx) - "hyperbolic sine" function;
χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation;
х - координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;x is the coordinate measured from the surface of the material in depth;
с0 - скорость звука в материале;c 0 - speed of sound in the material;
τ - длительность лазерного импульса.τ is the duration of the laser pulse.
Подставив уравнения (3) и (4) в (5) и выполнив интегрирования получим уравнения для расчета максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое обрабатываемого материала:Substituting equations (3) and (4) into (5) and performing integration, we obtain equations for calculating the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the processed material:
где
Разделив (7) на (6) и проведя математические преобразования, получимDividing (7) by (6) and performing mathematical transformations, we obtain
На фиг. 2 приведен график зависимости
Из уравнений (6) и (7) определим плотность энергии лазерного излучения, вызывающую откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности для воздействия лазерных импульсов, описываемых уравнениями (3) и (4) соответственно:From equations (6) and (7), we determine the energy density of laser radiation, which causes spall fracture of the material from the side of the irradiated surface for the action of laser pulses described by equations (3) and (4), respectively:
где σР - предел прочности материала на разрыв.where σ R is the tensile strength of the material.
Уравнения (9) и (10) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда
Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (1). Разделив (9) и (10) соответственно на (1), получим:The energy density of laser radiation required for the surface of the material to reach the annealing temperature is determined by equation (1). Dividing (9) and (10), respectively, by (1), we get:
Поставив условие
Проведем анализ неравенств (13) и (14). Левые части неравенств является характеристикой материала, показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям, возникающим при импульсном нагреве материала до температуры отжига. Правые части неравенств (13) и (14) являются функциями безразмерного параметра
На фиг. 3 приведено графическое решение неравенств (13) и (14) для цветного оптического стекла СЗС-21. Видно, что при воздействии лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (3), неравенство (13) выполняется при
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить максимальные растягивающие напряжения примерно на 20-25 % и область изменения безразмерного параметра
Пример реализации способа.An example of the implementation of the method.
Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла СЗС-21 импульсным лазером с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса 100 нс. Требуемая плотность энергии на поверхности материала составляет 35,3 Дж/см2. Расчет проведен при R=0,04, с = 0,76⋅103 Дж/(кг⋅К) и ρ = 2,5⋅103 кг/м3 по уравнению (1). При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности лазерным импульсом, описываемым уравнением (3) составит 32 Дж/см2. Расчеты проведены по уравнению (9). Следовательно, лазерный отжиг не возможен, так как произойдет разрушение материала. Разделим исходный лазерный импульс с помощью диэлектрического зеркала (2) с коэффициентом отражения 30% на два импульса с плотностью мощности 70 % и 30 %. Лазерный импульс с плотностью мощности 70 % от исходного воздействует на обрабатываемый материал. При этом фокусирующая линза (5) создает требуемую плотность энергии на поверхности обрабатываемого материала. Отраженный зеркалом (2) лазерный импульс с плотностью мощности 30 % от исходной диэлектрическим зеркалом (3) с коэффициентом отражения 99,9% направляется на обрабатываемый материал. Собирающей линзой (6) осуществляется повышение плотности мощности в импульсе до требуемой. При этом за счет дополнительного пути происходит задержка второго импульса на время действия первого импульса. Плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала в этом случае составит 37 Дж/см2. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг материала. Расчеты проведены по уравнению (10).It is necessary to perform laser annealing of the surface of SZS-21 optical colored glass with a pulsed laser with a wavelength of 1.06 μm and a pulse duration of 100 ns. The required energy density on the surface of the material is 35.3 J/cm 2 . The calculation was carried out at R=0.04, c = 0.76⋅10 3 J/(kg⋅K) and ρ = 2.5⋅10 3 kg/m 3 according to equation (1). The energy density that causes the spall fracture material from the irradiated surface of the laser pulse, described by equation (3) amount to 32 J / cm 2. The calculations were carried out according to equation (9). Therefore, laser annealing is not possible, since the destruction of the material will occur. Let us divide the initial laser pulse using a dielectric mirror (2) with a reflection coefficient of 30% into two pulses with a power density of 70% and 30%. A laser pulse with a power density of 70% of the original affects the material being processed. In this case, the focusing lens (5) creates the required energy density on the surface of the processed material. The laser pulse reflected by the mirror (2) with a power density of 30% of the original one is directed to the material being processed by the dielectric mirror (3) with a reflection coefficient of 99.9%. The converging lens (6) increases the power density in the pulse to the required one. In this case, due to the additional path, the second pulse is delayed for the duration of the first pulse. The energy density, causing spall fracture material in this case is 37 J / cm 2. Therefore, it is possible to carry out laser annealing of the material. The calculations were carried out according to equation (10).
Как правило, лазеры с модуляцией добротности акустооптическими затворами работают в частотном режиме. Частота повторения импульсов составляет 1-8 кГц. Это позволяет производить лазерный отжиг поверхностей большой площади за счет перемещения заготовки после каждого импульса на требуемое расстояние.As a rule, lasers with Q-switching by acousto-optical switches operate in the frequency mode. The pulse repetition frequency is 1-8 kHz. This allows laser annealing of large area surfaces by moving the workpiece after each pulse to the required distance.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020136238A RU2763362C1 (en) | 2020-11-05 | 2020-11-05 | Method for laser annealing of non-metallic materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020136238A RU2763362C1 (en) | 2020-11-05 | 2020-11-05 | Method for laser annealing of non-metallic materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2763362C1 true RU2763362C1 (en) | 2021-12-28 |
Family
ID=80039831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020136238A RU2763362C1 (en) | 2020-11-05 | 2020-11-05 | Method for laser annealing of non-metallic materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2763362C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6545248B2 (en) * | 2001-03-16 | 2003-04-08 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiating apparatus |
RU2211753C2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Method for working non-metallic materials |
CN203900744U (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-29 | 上海和辉光电有限公司 | Laser annealing equipment |
US20150357215A1 (en) * | 2008-09-17 | 2015-12-10 | Applied Materials, Inc. | Managing thermal budget in annealing of substrates |
RU2692004C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-06-19 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Method for laser annealing of nonmetallic materials |
-
2020
- 2020-11-05 RU RU2020136238A patent/RU2763362C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2211753C2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-09-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Method for working non-metallic materials |
US6545248B2 (en) * | 2001-03-16 | 2003-04-08 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Laser irradiating apparatus |
US20150357215A1 (en) * | 2008-09-17 | 2015-12-10 | Applied Materials, Inc. | Managing thermal budget in annealing of substrates |
CN203900744U (en) * | 2014-06-20 | 2014-10-29 | 上海和辉光电有限公司 | Laser annealing equipment |
RU2692004C1 (en) * | 2018-06-20 | 2019-06-19 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Method for laser annealing of nonmetallic materials |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Berthe et al. | Shock waves from a water-confined laser-generated plasma | |
Semerok et al. | Femtosecond, picosecond, and nanosecond laser microablation: Laser plasma and crater investigation | |
Tollier et al. | Study of the laser-driven spallation process by the velocity interferometer system for any reflector interferometry technique. I. Laser-shock characterization | |
RU2018102523A (en) | METHOD AND DEVICE FOR REDUCING PHOTOELECTRON OUTPUT AND / OR SECONDARY ELECTRON OUTPUT | |
Tümmler et al. | 10-Hz grazing–incidence pumped Ni-like Mo x-ray laser | |
CN108817675B (en) | Femtosecond laser shock peening enhancement method based on electronic dynamic regulation | |
Bornschlegel et al. | In-situ analysis of ultrashort pulsed laser ablation with pulse bursts | |
RU2633860C1 (en) | Method of laser annealing of non-metallic materials | |
Mackinnon et al. | Quantitative study of the ionization-induced refraction of picosecond laser pulses in gas-jet targets | |
RU2692004C1 (en) | Method for laser annealing of nonmetallic materials | |
RU2763362C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic materials | |
RU2785420C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic materials | |
Kudryashov et al. | Femtosecond laser ablation of carbon: From spallation to formation of hot critical plasma | |
Ostertag et al. | Laser ablation as a function of the primary absorber in dentin | |
RU2630197C1 (en) | Method for laser annealing of non-metallic plates | |
RU2688656C1 (en) | Method of cutting brittle non-metallic materials | |
RU2582849C1 (en) | Method for laser punching through-hole in non-metal plate | |
RU2773255C2 (en) | Method for laser processing of non-metallic materials | |
RU2760764C1 (en) | Method for laser processing of non-metallic plates | |
RU2647387C2 (en) | Method of laser drilling of through holes in non-metallic plate | |
RU2695440C1 (en) | Method of laser processing of non-metallic materials | |
RU2646177C1 (en) | Method of laser processing of nonmetallic materials | |
Berthe et al. | Laser shock processing of materials: study of laser-induced breakdown in water confinement regime | |
Petkov | Factors influencing laser material removal process in micro cavity manufacturing | |
RU2763276C1 (en) | Method for laser punching of through hole in non-metal plate |