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

$$q\left(t\right)=\{\begin{array}{l}{b}_1\cdot t\cdot e^{-b_{2}t};0\le t\le \tau ;\\ 0;t>\tau ,\end{array}$$

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

$$W=z\cdot L_u\cdot \rho ,\text{ (1)}$$

где z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;

ρ - плотность материала;

L_u - 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 L_u 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:

$$\chi >>\sqrt{a\tau }$$ и $$R_n>>\sqrt{a\tau }$$ ,

где χ - показатель поглощения материала;

a - коэффициент температуропроводности материала;

τ - длительность лазерного импульса;

R_n - 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

$$\left(1-R\right)\chi W{e}^{-\chi z}\ge Q,\text{ (2)}$$

где R - коэффициент отражения материала;

$$W={\displaystyle \underset{0}{\overset{\tau }{\int }}q\left(t\right)dt}$$ - 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

$$z=\frac{1}{\chi }\ln \frac{\left(1-R\right)\chi W}{Q}.$$

Масса испаренного на единицу площади материала составит

$$m=z\rho \frac{\rho }{\chi }\ln \frac{\left(1-R\right)\chi W}{Q},$$

где - ρ плотность материала.

Удельный (на единицу вложенной энергии) унос массы материала составит

$$m_{УД}=\frac{m}{\left(1-R\right)W}=\frac{\rho }{\left(1-R\right)\chi W}\ln \frac{\left(1-R\right)\chi W}{Q}.\text{ (3)}$$

Исследование на экстремум уравнения (3) показывает, что удельный унос массы имеет максимум при $$\frac{\left(1-R\right)\chi W}{Q}=e$$ (e - основание натурального логарифма), причем величина m_УД в точке максимума является постоянной для конкретного типа материала величиной и составляет

(m_УД)_max≈0,368ρ/Q.

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

$$W=\frac{eQ}{\left(1-R\right)\chi }.$$

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
$$W=\frac{eQ}{(1-R)\chi },$$
где Q - удельная энергия сублимации материала;
e - основание натурального логарифма;
χ - показатель поглощения материала на длине волны воздействующего лазерного излучения;
R - коэффициент отражения материала.