Способ обработки неметаллических материалов

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ обработки неметаллических материалов согласно изобретению заключается в облучении поверхности материала импульсным лазерным излучением, при этом лазерный импульс формируют с плотностью энергии, определяемому по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала; показатель поглощения материала на длине волны воздействующего лазерного излучения и коэффициент отражения материала. Способ применяется для снижения энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением.

 

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для скрайбирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении их импульсом лазерного излучения [1]. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легировавного кремния [2]. Недостатком указанных способов является то, что возникающие в материалах термоупругие напряжения могут привести к отколу со стороны облучаемой поверхности.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига, заключающийся в облучении их одиночным лазерным импульсом прямоугольной формы [3].

Недостатком указанного способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.

Также известен способ обработки неметаллических материалов [4], в котором обработка осуществляется путем облучения материалов импульсом лазерного излучения. Временная форма импульса описывается определенным соотношением в зависимости от плотности потока энергии лазерного излучения, констант b1 и b2, характеризующих фронт и спад лазерного импульса, от длительности лазерного импульса, текущего времени от начала воздействия, плотности энергии и максимального значения плотности потока лазерного излучения в импульсе. Эффект достигается тем, что формируют лазерный импульс, временная форма которого описывается соотношением

q ( t ) = { b 1 t e b 2 t ; 0 t τ ; 0 ; t > τ ,

где q(t) - плотность потока энергии лазерного излучения, Вт/м2;

τ - длительность лазерного импульса, с;

b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;

t - текущее время от начала воздействия, с.

Известен способ лазерной обработки отверстий [5], в котором плотность энергии, поглощенной в испаренном слое, равна

W = z L u ρ ,                        (1)

где z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;

ρ - плотность материала;

Lu - скрытая теплота испарения единицы массы.

Уравнение (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком слое материала (много меньше толщины испаренного слоя) и не учитывает поглощение в парах материала и увеличение внутренней энергии пара. Оно справедливо для небольшого диапазона плотностей мощности лазерного излучения, когда поглощением в парах материала можно пренебречь. Кроме того, уравнением (1) нельзя пользоваться, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например, в слое толщиной несколько миллиметров.

В выражении (1) в [5] скрытая теплота испарения Lu характеризует испарение материала с поверхности светового пятна. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на котором происходит обработка материала.

Этот способ выбран в качестве прототипа. Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при обработке неметаллических материалов лазерным излучением. Например, стеклообразные, керамические и полупроводниковые материалы могут обладать объемным поглощением на длине волны воздействующего излучения. Если выполняются условия:

χ > > a τ и R n > > a τ ,

где χ - показатель поглощения материала;

a - коэффициент температуропроводности материала;

τ - длительность лазерного импульса;

Rn - радиус пятна лазерного излучения,

то можно рассматривать задачу об испарении материала в одномерной постановке и пренебречь переносом энергии в материале за счет теплопроводности. Плотность мощности лазерного излучения в материале определяется уравнением [5]:

q(t, z)=(1-R)q0(t)e-χz,

где R - коэффициент отражения материала;

q0(t) - плотность мощности лазерного излучения;

z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала.

Если в сечении z поглощенная энергия превысит удельную энергию сублимации материала, то есть будет выполнено условие

( 1 R ) χ W e χ z Q ,                  (2)

где R - коэффициент отражения материала;

W = 0 τ q ( t ) d t - плотность энергии лазерного излучения;

q(t) - плотность мощности лазерного излучения;

z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;

Q - удельная энергия сублимации материала,

то произойдет испарение поглощающего слоя материала. Из (2) получим соотношение для толщины испаренного слоя

z = 1 χ ln ( 1 R ) χ W Q .

Масса испаренного на единицу площади материала составит

m = z ρ ρ χ ln ( 1 R ) χ W Q ,

где - ρ плотность материала.

Удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит

m У Д = m ( 1 R ) W = ρ ( 1 R ) χ W ln ( 1 R ) χ W Q .            (3)

Исследование на экстремум уравнения (3) показывает, что удельный унос массы имеет максимум при ( 1 R ) χ W Q = e (e - основание натурального логарифма), причем величина mУД в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет

(mУД)max≈0,368ρ/Q.

С целью экономии энергозатрат обработку материалов целесообразно осуществлять с плотностью энергии лазерного излучения

W = e Q ( 1 R ) χ .

Толщина испаренного слоя тогда будет равна 1/χ. Увеличение глубины канавки при обработке получают воздействием нескольких импульсов. Таким образом, соблюдается оптимальный режим обработки неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением на длине волны воздействующего лазера.

Литература

1. Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов / ТЛ Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с 24.

2. Кузменченко Т.А. и др. Лазерный отжиг ионно-легированного кремния излучением с длиной волны 2,94 мкм. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с. 29.

3. 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.

4. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф., Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. RU 2211753 C2.

5. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учеб. пособие для вузов / А.Г.Григорьянц, А.А. Соколов; Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк. 1998. - 191 с.: ил. ISBN 5-06-001453-3.

Способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении поверхности лазерным излучением, отличающийся тем, что формируют лазерный импульс, плотность энергии которого определяется по соотношению
W = e Q ( 1 R ) χ ,
где Q - удельная энергия сублимации материала;
e - основание натурального логарифма;
χ - показатель поглощения материала на длине волны воздействующего лазерного излучения;
R - коэффициент отражения материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электронной промышленности и может быть использовано в технологии микро- и наноэлектроники для получения атомарно-гладких поверхностей и совершенных эпитаксиальных структур на разориентированных поверхностях образцов.

Изобретение относится к технологии получения ферромагнитных полупроводниковых материалов. .

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при изготовлении высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) толстопленочной схемы. .

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, в частности к методам обработки эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ), а также приборов на их основе, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных параметров последних.

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, в частности к методам обработки эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок (ЭФГП), и может быть использовано для улучшения их эксплуатационных параметров, а именно: для подавления жестких (твердых) цилиндрических магнитных доменов (ЖЦМД), т.е.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к производству фотоприемных устройств, линеек, матриц, МДП-фотодиодов, приборов зарядовой связи и инжекции ИК-диапазона.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к фотоэлектронике и может быть использовано для создания многоэлементных ИК-фотоприемников на основе n+/n-p- или n+/p-/p- и МДП-фотодиодов, а также приборов зарядовой связи (ПЗС) или инжекции (ПЗИ).

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой электроники и может быть использовано для создания элементов спинтронных устройств, сочетающих источник и приемник поляризованных спинов носителей заряда в тройной гетероструктуре ферромагнитный полупроводник/немагнитный полупроводник/ферромагнитный полупроводник. Техническим результатом изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную пленку полупроводникового диоксида титана, легированного ванадием в количестве от 3 до 5 % ат. по отношению к титану, имеющую кристаллическую структуру анатаза и выращенную на диэлектрической подложке. Пленка легированного диоксида титана дополнительно имплантирована при комнатной температуре ионами кобальта с дозой (1.3-1.6)·1017 см-2 и сохраняет при температурах не менее 300 К в отсутствие внешнего магнитного поля остаточную намагниченность не менее 70% от величины намагниченности насыщения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

Изобретение относится к оптике. Способ изготовления дифракционной решетки заключается в формировании на поверхности исходной подложки элементов заданной структуры дифракционной решетки путем ионной имплантации через поверхностную маску, при этом имплантацию осуществляют ионами металла с энергией 5-1100 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1022 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2с в оптически прозрачную диэлектрическую или полупроводниковую подложку. Изобретение обеспечивает возможность изготовления дифракционных решеток на поверхности оптически прозрачных диэлектрических или полупроводниковых материалов, характеризуемых повышенным контрастом в коэффициентах отражения между отдельными элементами решетки, что позволит улучшить их дифракционную эффективность и даст возможность использования как для отраженного, так и для проходящего света. 8 ил., 3 пр.

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике. Cпособ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, при этом в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл, с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла. Изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности излучения светодиодов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к получению наноструктур на поверхности полупроводника. Способ модификации полупроводниковой пленки согласно изобретению заключается в том, что воздействуют на полупроводниковую пленку непрерывным лазерным излучением с энергией кванта превосходящей ширину запрещенной зоны в диапазоне мощности от 5 до 10 Вт, при диаметре лазерного пучка на поверхности пленки от 30 до 100 мкм, так чтобы интенсивность воздействия не превышала 106 Вт/см2, при сканировании поверхности пленки со скоростью от 40 до 160 мкм/с. Изобретение упрощает технический процесс, не требуется специального оборудования и позволяет охватывать устройства с характерным периодом расположения элементов на поверхности от 100 нм до 1 мкм.8 ил.

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. В заявленном способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, измеряют толщину пластины h и показатель поглощения χ материала пластины на длине волны лазерного излучения, рассчитывают безразмерный параметр χh и при условии χh<4 делят исходный лазерный пучок на два пучка равной энергии и воздействуют одновременно на обе поверхности пластины с плотностью энергии, определяемой по соотношению: , где Tƒ - температура отжига; Т0 - начальная температура; с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно; R - коэффициент отражения материала пластины; χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения; е - основание натурального логарифма. Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат и повышение выхода годных пластин. 2 ил.

Изобретение может быть использовано для лазерного пробития сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ обработки неметаллических пластин согласно изобретению заключается в облучении их поверхности лазерным импульсом с минимальной расходимостью. При этом плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению, связывающему удельную энергию сублимации материала пластины, толщину пластины, показатель поглощения материала пластины на длине волны воздействующего лазерного излучения и коэффициент отражения материала пластины, а вышедшее из пластины лазерное излучение при помощи диэлектрического зеркала, расположенного по нормали к лазерному пучку и имеющего коэффициент отражения ~ 99,9% на длине волны лазерного излучения, возвращают в пластину. Изобретение обеспечивает снижение энергетических затрат при пробитии лазерным излучением сквозных отверстий в пластинах из неметаллических материалов. 3 ил.

Использование: для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что способ лазерной обработки неметаллических материалов заключается в облучении их поверхности импульсом лазерного излучения, формируют лазерный импульс, плотность энергии которого на облучаемой поверхности пластины определяется по представленному соотношению. Технический результат: обеспечение возможности снижения энергетических затрат и уменьшения термоупругих напряжений. 2 ил.

Использование: для отжига и легирования пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что поверхность обрабатываемого материала облучают импульсом лазерного излучения, при этом материал предварительно нагревают до температуры, рассчитываемой по соотношению где σПР - предел прочности материала на растяжение, Па; с0 - скорость звука в материале, м/с; К - модуль всестороннего сжатия, Па; α - коэффициент линейного расширения материала, К-1. Технический результат: уменьшение максимальных растягивающих напряжений и исключение откольного разрушения материалов со стороны облучаемой поверхности. 1 ил.
Наверх