Способ и установка для лазерной обработки поверхности ситалла


 


Владельцы патента RU 2463267:

Учреждение Российской академии наук Институт прикладной механики Уральского отделения РАН (RU)

Изобретение относится к области обработки поверхности керамических материалов лазерным излучением для получения наноструктурных аморфизированных пленок, преимущественно из ситалла. Техническим результатом изобретения является повышение качества поверхности изделия за счет снижения неровностей поверхности. Способ лазерной обработки поверхности ситалла включает предварительный нагрев пластины до температуры 450-1100°С, лазерное облучение ситалловой пластины, охлаждение образца до температуры 150-200°С совместно с печью и последующее охлаждение на воздухе. 2 н.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области обработки поверхности керамических материалов лазерным излучением для получения наноструктурных аморфизированных пленок, преимущественно из ситалла.

Способ может применяться для чистовой обработки поверхности деталей, применяемых в электронной технике.

Известен способ обработки поверхности силикатных подложек (Авторское свидетельство СССР №988786, С03С 17/245, 1983, Бюл. №2, «Способ обработки поверхности силикатных подложек»), включающий очистку и нанесение слоя металла на поверхность попеременной обработкой парами воды и химических реагентов при температуре 200-350°С и заданном давлении.

Недостатком способа-аналога является невозможность получения необходимого качества поверхности ситалловой пластины без дополнительного нанесения металлической пленки. Кроме того, необходимость создания внешнего давления усложняет технологический процесс обработки ситалловых пластин.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ обработки подложки из ситалла (Авторское свидетельство СССР №1135728, С03С 17/06, 1985, Бюл. №3, «Способ обработки подложки из ситалла»), включающий предварительную термическую обработку поверхности ситалловой подложки перед нанесением тонких пленок до температуры 220-250°С в течение 10-15 минут с заданным градиентом температур за счет одновременного охлаждения обратной стороны пластины и последующим охлаждением подложки на воздухе до комнатной температуры.

Недостатком этого способа является то, что он может быть использован только для очистки поверхности от молекул воды и адсорбированных газов с целью увеличения сил адгезионной связи пленок, осаждаемых на поверхности подложки. При модификации поверхности ситалловой подложки лазерным излучением величина температуры не достаточна для снятия напряжений в модифицированном слое, что приводит к невозможности использования известного способа для технологии модификации поверхности.

Известна установка для нагревания (термической обработки) изделий в печи (Авторское свидетельство СССР №1248082, Н05В 1/02, 1986, Бюл. №28, «Резистивная нагревательная установка»), для лазерной обработки поверхности ситалла (ситалловых пластин).

Недостатком резистивной установки является то, что она относится к нагревательным установкам с импульсными регуляторами температуры, целью которой является улучшение энергетических показателей и повышение надежности работы установки. Это устройство не может быть использовано для целей модификации ситалловой поверхности лазерным излучением, так как оно не содержит заслонок, обеспечивающих уменьшение температурного воздействия на линзу, фокусирующую лазерное излучение на поверхность пластины.

Известна также экспериментальная установка для формирования фазово-структурной модификации ситалла (см. стр.9-10, рис.2 автореферата диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук Новикова Б.Ю. Лазерная модификация стеклокерамических материалов. С.Пб., 2008. - 19 с.), содержащая СО2-лазер, зеркала, фокусирующую линзу, персональный компьютер, рабочий стол, образец для лазерной обработки поверхности ситалла (ситалловых пластин).

Недостатком установки является использование двух лазеров с разными длинами волн. Один лазер - для нагрева подложки с длиной волны 10,6 мкм, а другой - с длиной волны излучения 1,063 мкм - для сквозной модификации ситалловой пластины. Использование метода для модификации поверхности невозможно, так как обработка подразумевает перемещение пучка по поверхности, что невозможно в представленном методе ввиду большого градиента температуры при перемещении лазерного пучка, предназначенного для нагрева пластины. Если создать лазер, способный нагревать пластину размером (60×48) мм - размер подложки для тонкопленочных технологий, то потребуется установка мощностью в сотни или миллионы киловатт с равномерным распределением плотности мощности по поверхности. Таких технологических лазерных установок в настоящее время не существует.

Задачей изобретения является разработка способа и установки для лазерной обработки поверхности ситалла, обеспечивающих повышение качества поверхности.

Способ лазерной обработки поверхности ситалла, включающий лазерное облучение ситалловой пластины и ее последующее охлаждение, реализуется тем, что с целью повышения качества поверхности - перед облучением осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры 450-1100°С, проводят обработку, охлаждают пластину до температуры 150-200°С совместно с печью, завершающую стадию охлаждения производят на воздухе.

Поставленная задача достигается тем, что установка для лазерной обработки поверхности ситалла, содержащая CO2-лазер, систему зеркал, фокусирующую линзу, управляющий компьютер, рабочий стол с образцом с целью повышения качества поверхности и повышения ресурса фокусирующей линзы, дополнительно снабжена нагревателем образца, управляемой заслонкой, расположенной между фокусирующей линзой и нагревателем с возможностью горизонтального смещения, экраном с отверстиями, установленным между заслонкой и образцом, устройством обдува, находящимся между линзой и поверхностью образца, оптической системой для сканирования пучка по поверхности образца.

Повышение ресурса фокусирующей линзы обеспечивается за счет ряда специальных конструктивных мер:

- установки между фокусирующей линзой и нагревателем управляемой заслонки, предохраняющей линзу от разрушающего теплового потока нагревателя, на стадии предварительного прогрева пластины;

- установки между заслонкой и образцом вспомогательного экрана с отверстиями, конфигурация края которых эквидистантна (подобна, повторяет контур) контуру области, обрабатываемой на поверхности образца. Экран выполняет роль своего рода технологической маски, что позволяет снизить поток тепла с поверхности образца на линзу в момент лазерной обработки;

- введением в установку устройства обдува, создающего между линзой и нагревателем слоя движущегося воздуха прямоугольного сечения, чем обеспечивается эффективный отвод потока испаряющегося ситалла как при лазерной обработке, так и при предварительном нагреве. Это устройство располагается в непосредственной близости от линзы, обеспечивая функцию «воздушной заслонки» от тепла, исходящего с поверхности нагревателя, и одновременно охлаждает линзу.

На чертеже представлена установка для лазерной обработки поверхности ситалла. Установка состоит из СО2-лазера - 1, формирующего пучок лазерного излучения, которое с помощью системы зеркал 2 и линзы 3 фокусируются на поверхности ситалловой пластины 4. Пластина 4 размещена в нагревателе 5, который закреплен на поверхности столика 6, имеющего возможность перемещения по высоте для фокусировки пучка лазерного излучения.

Между линзой 3 и пластиной 4 с нагревателем 5 находится вспомогательный экран 7 с отверстиями, конфигурация края которых повторяет контур обрабатываемой области на поверхности пластины 4, что позволяет снизить поток тепла с поверхности пластины 4 на линзу в момент лазерной обработки;

Конструктивно над ней располагается управляемая заслонка 8, установленная с возможностью отвода в горизонтальной плоскости и закрывающая линзу 3 от разрушающего теплового потока нагревателя на стадии начального прогрева пластины 4.

Установка также оснащена устройством обдува 9, которое размещено в пространстве между фокусирующей линзой 3 и поверхностью ситалловой пластины 4 с нагревателем 5. Зеркала 2 и линза 3 и устройство обдува 9 в установке объединены в узел, называемый «летающая оптика» - 10, который предназначен для сканирования поверхности пластины 4 оптикой в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Управление установкой осуществляется персональным компьютером 11.

Способ осуществляется следующим образом.

В нагреватель 5 помещают обрабатываемую ситалловую пластину 4, над пластиной устанавливают экран 7, закрывают заслонку 8, пилотный луч наводят на метку заслонки, запоминают координаты этой точки и «летающую оптику» 10 отводят в сторону. Включают нагреватель 5 и обрабатываемую пластину 4 нагревают до температуры 450-1100°С. Контроль температуры осуществляют стандартной термопарой.

Заслонку 8 отводят в сторону, через управляющий компьютер 11 подают команду на обработку поверхности, «летающая оптика» 10 перемещают в исходную точку, включают рабочий лазер 1, излучение от лазера зеркалом 2 направляют в устройство «летающая оптика» 10 и осуществляют обработку поверхности пластины 4 лазерным излучением путем сканирования. Линза 3 фокусирует излучение на поверхность ситалловой пластины 4. Во время обработки из устройства обдува 9 поток воздуха направляют таким образом, чтобы испаренные частицы с поверхности пластины 4 не попали на поверхность линзы 3.

После окончания обработки пластины 4 «летающую оптику» 10 отводят от образца, выключают нагреватель 5, и пластина 4 совместно с нагревателем 5 остывает до температуры 150-200°С. Затем с нагревателя 5 снимают экран 7, извлекают пластину 4, и цикл работы повторяют.

Пример 1. Тщательно очищенные ситалловые пластины СТ-50-1 помещают в резистивный нагреватель, поверх пластин устанавливают экран с отверстиями, заслонку переводят в положение «Закрыто», узел «летающая оптика» помещают над заслонкой таким образом, чтобы луч пилотного лазера попал на метку на поверхности заслонки. В управляющую программу вводят координаты исходной точки, с которой управляющая программа начнет обработку поверхности пластины. Затем узел «летающая оптика» отводят от нагревателя, чтобы фокусирующая линза не перегревалась. На нагреватель подается напряжение питания и ситалловые пластины прогревают до температуры не менее 450°С, что контролируется термопарой. В управляющую программу вводят задание на обработку поверхности ситалловой пластины, заслонку переводят в положение «Открыто». Запускают управляющую программу на обработку поверхности, узел «летающая оптика» переводят в точку начала обработки поверхности и начинают процесс обработки поверхности лазерным излучением. После окончания процесса обработки поверхности пластин узел «летающая оптика» отводят от нагревателя, отключают питание нагревателя, нагреватель совместно с подложкой охлаждают до температуры 200°С, удаляют экран, ситалловые пластины извлекают из нагревателя и далее ситалловые пластины охлаждают на воздухе. Величина выступов на поверхности до и после обработки приводится в таблице.

Пример 2. Ситалловые пластины марки СТ-50-1 подвергают обработке аналогично примеру 1 при 600°С. Результаты по величине выступов до и после обработки приведены в таблице.

Пример 3. Тщательно очищенные ситалловые пластины СТ-50-1 помещают в резистивный нагреватель, поверх пластин устанавливают экран с отверстиями, заслонку переводят в положение «Закрыто», узел «летающая оптика» помещают над заслонкой таким образом, чтобы луч пилотного лазера попал на метку на поверхности заслонки. В управляющую программу вводят координаты исходной точки, с которой управляющая программа начнет обработку поверхности пластины. Затем узел «летающая оптика» отводят от нагревателя, чтобы фокусирующая линза не перегревалась. На нагреватель подают напряжение питания и ситалловые пластины прогревают до температуры не менее 650°С, что контролируется термопарой. В управляющую программу вводят задание на обработку поверхности ситалловой пластины, заслонку переводят в положение «Открыто». Включают подачу воздуха или инертного газа в устройство обдува, запускают управляющую программу на обработку поверхности, узел «летающая оптика» переводят в точку начала обработки поверхности и начинают процесс обработки поверхности лазерным излучением. После окончания процесса обработки поверхности пластин узел «летающая оптика» отводят от нагревателя, отключают питание нагревателя, нагреватель совместно с подложкой охлаждают до температуры 200°С, удаляют экран, ситалловые пластины извлекают из нагревателя и далее ситалловые пластины охлаждают на воздухе. Величина выступов на поверхности до и после обработки приводится в таблице.

Таблица
Максимальная величина выступов на поверхности до и после обработки
Пример Величина выступов, нм Примечание
до обработки после обработки
1 150 20 На фокусирующей линзе имеют место следы ситалла
2 150 9
3 150 8 На фокусирующей линзе следы ситалла отсутствуют

Во всех приведенных примерах использовались подложки из ситалла СТ-50-1, производимые заводом «Ситалл», Украина, г.Владимирец Ровенской области.

Ситалл СТ-50-1 (типичная стеклокерамика) имеет состав: 60,5% SiO2, 13,5% Al2O3, 8,5% CaO, 7,5% MgO, 10% TiO2, где микрокристаллы рутила (α-TiO2) и кордиерита (2MgO×2Al2O3×5SiO2) являются основными.

При обработке поверхности ситалла применялся лазерный гравер Trotec Speedy 100, с длиной волны когерентного излучения 10,6 мкм. Диаметр пучка в фокусе линзы 75 мкм, мощность пучка на образце 10 Вт, максимальное значение плотности мощности 1,8×109 Вт/м2 и за счет интерфейса установки плотность мощности может изменяться от 0 до 100%.

Размер области воздействия лазерного излучения составлял 3×10 мм и задавался в программе Coral Draw. Образец помещался в фокусе линзы и обработка поверхности производилась при перемещении лазерного пучка по поверхности с заданием скорости перемещения пучка и его мощности. При этом максимальная скорость перемещения равна 280 см/сек.

Исследование полученных в ходе эксперимента образцов проводилось на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver P47 PRO в режимах контактной и полуконтактной атомносиловой микроскопии.

Образцы крепились на подложке, которая устанавливалась на предметный столик держателя образца. После грубого наведения начиналась операция сканирования зондом. Программное обеспечение, используемое при сканировании, - программа NOVA, работающая под управлением операционной системы Windows XP Professional. Размер области сканирования 50×50 мкм. При сканировании установлена функция Substract - Plane, означающая вычитание значений для плоскости одинакового наклона из результатов сканирования.

Улучшение качества обработки поверхности достигается за счет аморфизации поверхности поликристаллической подложки из ситалла. Процесс аморфизации происходит при передаче энергии от пучка лазерного излучения поликристаллическому материалу ситалловой пластины. При этом кристаллическая фаза переходит в аморфную, поверхностный слой материала расплавляется и за счет сил поверхностного натяжения выступы неровностей над поверхностью уменьшаются по величине. В предельном случае поверхность может быть идеально плоской. При быстром охлаждении поверхностный слой материала ситалловой пластины остается в аморфной фазе и топология поверхности не изменяется.

1. Способ лазерной обработки поверхности ситалла, включающий лазерное облучение ситалловой пластины и ее последующее охлаждение, отличающийся тем, что осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры 450-1100°С, проводят обработку, охлаждают образец до температуры 150-200°С совместно с печью, завершающую стадию охлаждения производят на воздухе.

2. Установка для лазерной обработки поверхности ситалла, содержащая СО2-лазер, систему зеркал, фокусирующую линзу, управляющий компьютер, рабочий стол с образцом, отличающаяся тем, что установка снабжена нагревателем образца, управляемой заслонкой, расположенной между фокусирующей линзой и нагревателем с возможностью горизонтального смещения, экраном с отверстиями, находящимися между заслонкой и образцом, устройством обдува, размещенным между линзой и поверхностью образца, оптической системой для сканирования пучка по поверхности образца.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использована в производстве газоразрядных индикаторных панелей, а именно в получении антибликового покрытия.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в производстве индикаторов. .

Изобретение относится к полиграфии и может быть использовано для изготовления параллакс-панорамограммы или вариоизображения. .

Изобретение относится к области металлообрабатывающей промышленности. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для обработки деталей сложной формы без переустановки с максимальной концентрацией операций для выполнения токарных, сверлильных, фрезерных, расточных, зубофрезерных и шлифовальных операций, резки, полирования и с использованием лазера для сверления, требующих движения инструмента одновременно по 3-5 координатам.

Изобретение относится к способу нанесения волнистой фактуры на поверхность и может применяться для создания текстурированной подложки, на которую производят запись информации, например, в виде кода.
Изобретение относится к ювелирной промышленности, а именно к способам нанесения изображений лазерной гравировкой на изделия из драгоценных металлов. .

Изобретение относится к способу лазерно-плазменного полирования металлических поверхностей и может быть использовано в машиностроении и в инструментальном производстве при изготовлении штампов, пресс-форм и режущего инструмента.

Изобретение относится к способу изготовления микромеханических или наномеханических компонентов и может быть использовано в области производства настенных/наручных часов или других измерительных устройств оптоэлектроники.

Изобретение относится к способу формирования элемента на подложке путем удаления материала на поверхности подложки лазерным лучом (варианты) и устройству для его осуществления.

Изобретение относится к способам нанесения изображений лазерной гравировкой на изделиях из драгоценных металлов. .
Изобретение относится к обработке деталей концентрированным потоком энергии, в частности к способу формирования рельефа на поверхности изделий лазерным лучом, и может быть использовано в любой области техники, применяющей изделия с микрорельефом на поверхности.

Изобретение относится к лазерной технике, конкретно к способам лазерной нейтрализации взрывоопасных объектов, и может быть использовано для бездетонационного обезвреживания мин, неразорвавшихся боеприпасов, других взрывоопасных предметов, далее - взрывоопасных объектов

Изобретение относится к способу и устройству изготовления форм для глубокой печати, предназначенных для производства ценных бумаг, в котором используют лазерный луч (2) для гравирования рисунка (3, 3.1, 3.2, 3.3) глубокой печати непосредственно на поверхности формного материала (1), в частности металлического, выполненного с возможностью гравирования лазером. Лазерное гравирование формного материала (1) выполняют послойно в несколько отдельных этапов гравирования. Этапы выполняют один за другим с точной приводкой так, что рисунок (3, 3.1, 3.2, 3.3) глубокой печати постепенно гравируется на поверхности формного материала (1) до необходимых глубин гравировки. Поверхность гравируемого формного материала (1) очищают от отходов процесса лазерного гравирования после каждого отдельного этапа гравирования, в то время как блок лазерного гравирования находится в бездействующем состоянии. В результате достигается повышение качества гравирования. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к обработке трансформаторных листов с направленной структурой в виде полосы (26) в направлении продольного движения лазерным скрайбированием. Установка (22) содержит лазерный генератор для лазерного пучка (46a, 46b), цилиндрическую телескопическую оптическую систему (38a, 38b) с изменяемым фокусным расстоянием для формирования лазерного пучка (49a, 49b) с сечением эллиптической формы с изменяемой эллиптичностью как функции фокусных расстояний и вращающееся зеркальное сканирующее устройство (39a, 39b) для перемещения пучка лазерного излучения на заданный угол. Параболический отражатель (54) установки установлен поперек относительно полосы (26) для приема сканирующего лазерного пучка (51a, 51b) и фокусирования пучка на полосу (26) в виде пятна (55) вытянутой эллиптической формы по пути обработки (53a, 53b). Телескопическая система (38a, 38b) является регулируемой для изменения длины одной из осей лазерного пучка (52a, 52b) эллиптической формы при падении на полосу (26). Технический результат заключается в снижении потерь обработки скрайбированием участков небольшого по размерам поперечного сечения и максимальным проникновением на глубину. 7 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.

Способ может быть использован при удалении различного рода загрязнений с поверхности промышленных и технологических объектов. Проводят сканирование в многоимпульсном режиме сформированным пучком лазерного излучения по корродированной поверхности объекта в несколько проходов. Регистрируют в непрерывном режиме спектр плазмы, образующейся в процессе удаления загрязнений. В полученном спектре плазмы для очищаемой поверхности и/или для загрязнителя регистрируют линии железа и линии кислорода. Измеряют значения интенсивностей указанных спектральных линий и вычисляют отношение интенсивностей спектральной линии кислорода к спектральной линии железа. При значении величины отношения интенсивностей выбранных спектральных линий больше 0,5 мощность пучка лазерного излучения уменьшают, а при значении меньше 0,5 поверхность считают очищенной. Способ обеспечивает повышение производительности, контролируемости и управляемости процесса очистки, а также безопасности процесса лазерного удаления поверхностных загрязнений. 4 ил.

Изобретение относится к способу лазерной обработки неметаллических материалов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Осуществляют облучение поверхности материала импульсным лазерным излучением. Требуемая глубина канавки достигается в зависимости от значения безразмерного параметра, равного произведению показателя поглощения материала на длине волны лазерного излучения на глубину канавки, а также за счет воздействия одного или двух лазерных импульсов, плотности энергии в каждом из которых определяют в зависимости от удельной энергии сублимации материала, показателя поглощения на длине волны лазерного излучения и коэффициента отражения. Технический результат заключается в снижении энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству структурирования поверхности твердого тела с покрытием из твердого материала и полученной при этом упаковочной фольге. Создают структуру, как минимум, одной области поверхности твердого тела, посредством первого лазера, предпочтительно, эксимерного лазера (1), имеющего продолжительность импульса в наносекундном диапазоне. На нее накладывают вторую рифленую структуру посредством второго лазера (15), предпочтительно, имеющего продолжительность импульса в фемтосекундном диапазоне. Создание структуры посредством эксимерного лазера производят согласно технологии проекции шаблона, а создание структуры посредством лазера с продолжительностью импульса в фемтосекундах - согласно технологии фокусировки. Изобретение позволяет осуществлять рациональное производство очень сложных, сильно защищенных от подделок отличительных маркировок и/или эстетически привлекательных, эффективных с точки зрения оптической дифракции цветных образцов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх