Способ и устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к лазерной микрообработке и может быть использовано для формирования микроканалов на поверхности подложек из стекла, кристаллов и полупроводниковых материалов при изготовлении оптических шкал, сеток, решеток и других устройств. Способ формирования микроканалов включает облучение поверхности подложки излучением лазера с фемтосекундной длительностью импульсов и длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона. Лазерный луч сканируют линейным растровым методом по строкам на длину участка микрообработки с зонами холостого хода, по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала. В каждой строке первый импульс излучается на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, длительность пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты. Расстояние между строками не более их ширины. Длина каждой из зон холостого хода составляет 5-25% от длины участка микрообработки. Угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровой зоны микрообработки составляет от 35° до 90°. Лазер, системы формирования, двухкоординатного сканирования и фокусирования луча и система позиционирования и фиксации подложки связаны с управляющей ЭВМ. Технический результат заключается в повышении качества микроканалов и формировании различных профилей микроканалов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно, к лазерной микрообработке и может быть использовано для формирования микроканалов на поверхности подложек из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов при изготовлении оптических шкал, сеток, решеток и других устройств.

При выполнении микроканалов серьезной проблемой является обеспечение качества их формы, заданной величины шероховатостей, без микродефектов в виде микросколов и микротрещин на поверхности подложек и микроканалов, а также внутри подложек.

Известно, что лазерная микрообработка фемтосекундными и пикосекундными импульсами излучения обладает значительными преимуществами, однако, такая микрообработка также связана с образованием шероховатых поверхностей и микродефектов, что особенно проблематично для хрупких материалов, таких как оптические стекла и оптические кристаллы.

Известны способ и устройство лазерной микрообработки материала импульсами фемтосекундного лазера по патентному документу US 20060207976 А1, дата публикации 21.09.2006 г., В23К 26/38, В23К 26/06, которые могут применяться для выполнения отверстий и микроканалов на различных материалах, в том числе на подложках из стекла, кристаллов, полупроводников.

Задача повышения качества формирования микроканалов в указанных способе и устройстве решается путем подбора параметров лазерного излучения: длины волны излучения, длительности импульсов, частоты следования импульсов и мощности излучения. Показаны преимущества использования ультракоротких импульсов в зеленой области спектра по сравнению с ближней инфракрасной областью спектра.

В данном способе пачку лазерных импульсов направляют на материал в область микрообработки и перемещают луч по зоне выполняемого микроканала или перемещают подложку относительно луча. Лазерные импульсы удаляют материал в зоне микрообработки, формируя различные структуры, в том числе микроканалы.

Устройство в различных вариантах исполнения содержит лазер с длиной волны излучения ближней инфракрасной области спектра (1,045 мкм.) с удвоителем частоты, уменьшающим длину волны излучения в два раза: из инфракрасной области спектра в видимую (зеленую) область спектра. Лазер имеет ультракороткие импульсы длительностью от 100 фс (фемтосекундные импульсы) до 20 пс (пикосекундные импульсы).

Устройство включает в себя также поворотное и сканирующее зеркала, узел регулировки мощности, выполненный с возможностью ослабления средней мощности и энергии импульса в луче, систему обратной связи с контроллером для контроля и управления мощностью или энергией импульса в луче, оптическую систему, включающую микрообъектив, который фокусирует луч в плоскость микрообработки.

Предложенное использование ультракоротких лазерных импульсов позволяет удалить материал без нежелательного нагрева оставшегося материала. При достаточно высокой плотности мощности импульсов облученный материал удаляется до того, как вокруг формируемого микроканала может произойти значительное нагревание, что уменьшает образование микродефектов на поверхности подложки.

Данные способ и устройство обеспечивают недостаточно высокое качество микроканала, т.к. обеспечивают большую шероховатось и отсутствие микродефектов вокруг микроканалов только на поверхности подложек. Однако качество микрообработки определяется также наличием скрытых микродефектов внутри подложки в зоне микрообработки, которые не выходят на поверхность подложки и микроканала. В аналоге микродефекты внутри подложки в зоне микрообработки не исследованы, сведения о них отсутствуют.

Наиболее близким к заявляемым способу и устройству - прототипом - является система лазерной микрообработки стекла, приведенная в статье «Ultrafast laser ablation of soda-lime glass for fabricating microfluidic pillar array channels'', опубликованной в журнале «Microelectronic Engineering», март 2016 г. Система предназначена для формирования на стеклянных подложках различных структур: микроканалов, микростолбов.

В данном способе микроканал формируют путем облучения поверхности подложки пачкой лазерных импульсов при перемещении лазерного луча по топографической зоне выполняемого микроканала на длину вектора микрообработки.

В способе используют векторное перемещение лазерного луча. т.е. перемещение луча вдоль длинной стороны микроканала. Лазерный луч перемещают в плоскости по двум координатам, а для получения требуемой глубины микроканала - по третьей координате, при этом увеличивают среднюю мощность излучения и многократно повторяют процесс.

Устройство содержит лазер с ультракороткой длительностью импульсов. Частота следования импульсов более 50 кГц, а именно 200 кГц. Лазер имеет пикосекундную длительность импульсов (15 пс), длину волны ультрафиолетового диапазона 355 нм.

Устройство содержит также систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования луча, систему фокусирования луча в плоскость микрообработки в виде телецентрической линзы, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации подложки в зоне микрообработки, контроллер, связывающий лазер и упомянутые системы с управляющей ЭВМ.

Система фокусирования луча в плоскость микрообработки обеспечивает плотность мощности излучения лазера выше порогового значения, достаточного для удаления материала подложки, на которой выполняют микроканал. Система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером перемещения луча на длину вектора микрообработки вдоль контура микроканала по одной или более векторным дорожкам.

Указанные способ и устройство имеют следующие недостатки.

1. Низкое качество микрообработки: наличие шероховатости поверхности формируемых микроканалов и микродефектов в виде микросколов и микротрещин в зоне микрообработки на поверхности и внутри подложки.

Шероховатость поверхности микроканалов составляет от единиц до десятков микрон, т.к. диаметр сфокусированного луча составляет 10 мкм. (экспериментальные результаты микрообработки, приведенные в указанной статье на фиг. 5 и 6). Указанная шероховатость неприемлема для формирования, например, прицельных сеток и микроканалов для биочипов, т.к. соизмерима с размерами микроканала. При ширине микроканала 3-20 мкм и его глубине 2-10 мкм требующаяся шероховатость составляет доли микрон. Многократное сканирование по одной линии для увеличения глубины не уменьшает шероховатость, а в некоторых случаях может увеличить ее.

Кроме того, исследования проведенные с участием авторов (Bulushev Е.D., Bessmeltsev V.P., Dostovalov А.V., Goloshevsky N.V, and. Wolf А.А, 'High-speed and crack-free direct-writing of microchannel on glass by an IR femtosecond laser' // Opt. Lasers Eng., vol. 79, pp. 39-47, 2016), показали, что при создании микроканалов на поверхности стеклянных подложек важным фактором бездефектной микрообработки является соотношение между длиной вектора перемещения луча, средней мощностью излучения и скоростью перемещения лазерного луча.

Для хрупких материалов длина вектора перемещения луча, при которой не образуются микродефекты в виде микросколов и микротрещин, значительно ограничена и зависит от плотности мощности излучения. Векторное движение лазерного луча при длине микроканала более 100 мкм даже при минимальной плотности мощности лазерного излучения, достаточной для удаления материала, приводит к образованию микродефектов в виде микросколов и микротрещин на поверхности и внутри подложки.

Как следует из фиг. 6 и 7 прототипа, в прототипе длина вектора перемещения луча составляет более 100 мкм, что при мощности, превышающей минимальную, достаточную для удаления материала, может вызвать образование микросколов и микротрещин на поверхности и внутри подложки. Повышение средней мощности при такой обработке увеличивает глубину микроканалов и увеличивает производительность процесса, но неизбежно приведет к ухудшению качества микрообработки, т.е. к увеличению количества и величины микродефектов и шероховатости.

2. Невозможность получения профиля микроканала, кроме трапециевидного, например, прямоугольного или близкого к прямоугольному, или иному профилю, из-за векторного перемещения лазерного луча, т.е. перемещения вдоль контуров микроканала. В прототипе профиль границ микроканала имеет скошенный трапециевидный профиль, повторяющий контур распределения энергии в зоне фокусировки луча.

Техническая проблема заключается в создании способа и устройства формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов с получением следующего технического результата: повышение качества микрообработки подложек, т.е. уменьшение шероховатости поверхности формируемых микроканалов и микродефектов в виде микросколов и микротрещин в зоне микрообработки на поверхности и внутри подложки, и формирование различных профилей микроканала, в том числе прямоугольного профиля.

Поставленная задача решается следующим образом.

Способ формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения, как и прототип, осуществляется путем облучения поверхности подложки пачкой лазерных импульсов с плотностью мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки при перемещении лазерного луча по топографической зоне выполняемого микроканала с частичным перекрытием пятен от лазерных импульсов, с использованием лазера с ультракороткой длительностью импульсов и частотой следования импульсов более 50 КГц.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе используют лазер с фемтосекундной длительностью импульсов и длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона, лазерный луч сканируют построчно линейным растровым способом путем перемещения луча в каждой строке на длину участка микрообработки с включением и выключением лачки лазерных импульсов в каждой строке так, чтобы первый импульс пачки был излучен на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, причем сканирование осуществляют по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала, при этом участок микрообработки в каждой строке обрамлен зонами холостого хода, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки, расстояние между строками не более их ширины, угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки составляет от 35° до 90°, а длительность пачки импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты.

Устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения, как и прототип, содержит лазер с ультракороткой длительностью импульсов и частотой следования импульсов более 50 КГц, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования луча, систему фокусирования луча в плоскость микрообработки с обеспечением плотности мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации подложки и контроллер, связывающий лазер и упомянутые системы с управляющей ЭВМ.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве использован лазер с фемтосекундной длительностью импульсов с длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона, система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером однократного или многократного сканирования линейным растровым способом по строкам с перемещением луча в каждой строке на длину участка микрообработки с зонами холостого хода, по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающиеся в ширину микроканала, причем длина каждой из зон холостого хода составляет 5-25% от длины участка микрообработки, расстояние между строками не более их ширины, а угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки составляет от 35° до 90°, при этом лазер оснащен затвором для включения и выключения лачки лазерных импульсов в каждой строке так, чтобы первый импульс пачки был излучен на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, причем длительность пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты.

Реализация входящих в устройство систем известна и может быть различной. Например, двухкоординатное сканирование лазерного луча может быть осуществлено вращающимися призмами, или электромеханически управляемыми зеркалами, или иными устройствами.

В частных случаях реализации для получения требуемой глубины микроканала систему фокусирования луча в плоскость микрообработки выполняют с возможностью управляемой контроллером перефокусировки лазерного луча по третьей координате и сканируют лазерный луч по каждой строке неоднократно.

Лазерный луч может быть неоднократно сканирован по каждой строке с изменением случайным образом угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки при втором и последующих сканированиях, в том числе и при перефокусировке лазерного луча в плоскость микрообработки. Систему двухкоординатного сканирования лазерного луча выполняют с возможностью управляемого контроллером изменения случайным образом угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки.

При сканировании по строкам с постоянным углом растра в пределах от 35° до 90° на поверхности микроканала образуются периодические структуры. Изменение угла растра случайным образом в указанных пределах при повторном сканировании по строкам позволяет сгладить образованные при первом сканировании периодические структуры и таким образом уменьшить шероховатость поверхности микроканала, в том числе при послойном формировании микроканала требуемой глубины с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки.

Для дополнительного повышения качества микрообработки и улучшения прямоугольности профиля микроканала при любой из реализаций предлагаемых способа и устройства лазер выполняют с возможностью изменения пиковой мощности первого и/или последнего импульсов в пачке, или нескольких первых и/или последних импульсов в пачке и при формировании микроканала обеспечивают пиковую мощность этих импульсов отличную от других импульсов в пачке.

Например, при увеличенной пиковой мощности первого и последнего импульсов в пачке или нескольких первых и последних импульсов этими импульсами удаляется большее количество материала подложки и в результате обеспечивается более прямоугольный профиль микроканала.

При формировании микроканала путем выполнения нескольких растровых зон микрообработки пиковую мощность первого и последнего импульсов или нескольких первых и последних импульсов в пачке снижают. Это исключает получение глубины микроканала большей заданной при наложении импульсов на линии совмещении границ растровых зон микрообработки. При разных граничных условиях микрообработки первые и последние импульсы в пачке по пиковой мощности могут отличаться друг от друга.

Предлагаемые способ и устройство формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения демонстрируются примером конкретного выполнения, приведенным на чертежах.

На фиг. 1 представлено устройство формирования микроканалов на подложке.

На фиг. 2 показан микроканал, сформированный двумя растровыми зонами микрообработки.

На чертежах обозначено: 1 - лазер, 2 - система формирования лазерного луча, 3 - система двухкоординатного сканирования лазерного луча, 4 - система фокусирования лазерного луча, 5 - подложка, 6 - двухкоординатная система позиционирования и фиксации подложки, 7 - контроллер, 8 - управляющая ЭВМ, 9 - строки, 10 - участки микрообработки, 11 - зоны холостого хода, 12 - растровые зоны микрообработки, 13 - микроканал.

Устройство формирования микроканалов содержит твердотельный лазер 1 на кристалле Yt:KGW с фемтосекундной длительностью импульсов с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона 1,04 мкм, систему 2 формирования лазерного луча, систему 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча, систему 4 фокусирования лазерного луча, двухкоординатную систему 6 позиционирования и фиксации подложки, контроллер 7 и управляющую ЭВМ 8. Контроллер 7 связан с упомянутыми системами 2, 3, 4, 6 и с управляющей ЭВМ 8.

Лазер 1 имеет частоту следования импульсов более 50 килогерц. Лазер 1 оснащен затвором для включения и выключения под управлением контроллера 7 лачки лазерных импульсов в каждой сканируемой строке 9 так, чтобы первый импульс пачки был излучен на одной границе участка микрообработки 10, а последний - на другой его границе. Длительность пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки 10, при которой в подложке 5 не возникают дефекты микрообработки: микросколы и микротрещины.

Система 2 формирования лазерного луча выполнена в виде оптической системы для формирования параллельного пучка лучей.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена в виде пары электромеханически управляемых зеркал с возможностью управляемого контроллером 7 однократного или многократного сканирования луча растровым способом путем перемещения луча на длину участка микрообработки 10 в пределах сканируемой строки 9, которая обрамлена с двух концов зонами холостого хода 11, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки 10. Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча осуществляет сканирование по одной или более растровым зонам микрообработки 12 под углом растра α относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровой зоны микрообработки 12. При этом расстояние d между строками 9 не превышает их ширину. Угол растра α лежит в пределах от 35° до 90°.

Частота следования импульсов лазера 1 и скорость поворота зеркал системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча согласованы для обеспечения на подложке 5 частичного перекрытия пятен от лазерных импульсов.

Система 4 фокусирования луча выполнена в виде блока фокусирующих микрообъективов - планхроматов с автоматической системой поиска плоскости микрообработки, фокусирующих параллельный пучок лучей, сформированный системой 2 формирования лазерного луча, на подложку 5 с плотностью мощности излучения выше порогового значения, при котором происходит удаление материала подложки. В необходимых случаях система 4 фокусирования луча выполняет вертикальное позиционирование луча для формирования микроканала 13 требуемой глубины.

Формирование микроканалов на подложках осуществляют следующим образом.

Обрабатываемую подложку 5 закрепляют на двухкоординатной системе 6 позиционирования и фиксации подложки. С помощью управляющей ЭВМ 7 с установленной в ней программой создается модель требуемого микроканала 13, рассчитываются параметры микроробработки (длительность пачки импульсов, длину участка микроробработки 10, длину строки 9, расстояние d между строками 9, угол растра α, количество растровых зон микрообработки 12, укладывающихся в ширину микроканала 13, длину зон холостого хода 11) и данные выдаются на контроллер 7.

Контроллер 7 преобразовывает рассчитанные параметры микрообработки в управляющие импульсы для управления лазером 1, системой 2 формирования лазерного луча, системой 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча, системой 4 фокусирования луча и двухкоординатной системой 6 позиционирования и фиксации подложки.

Излученный лазером 1 пучок лучей формируется системой 2 формирования лазерного луча в параллельный пучок лучей, который затем системой 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в соответствии с рассчитанными параметрами сканируется по заданной топографической зоне и фокусируется системой 4 фокусирования лазерного луча, на подложку 5.

Сканирование осуществляется по одной, двум (фиг. 2) или нескольким растровым зонам микрообработки 12, повторяющим один из контуров микроканала 13, принятый за базовый, относительно которого отсчитывается угол растра α. Последующие растровые зоны микрообработки 12 идут параллельно контуру первой растровой зоны микрообработки 12, не граничащей с базовым контуром. При этом угол растра а отсчитывается относительно контура растровой зоны микрообработки 12, граничащего с предыдущей зоной микрообработки 12, и имеет то же абсолютное значение, но может иметь противоположный знак.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча осуществляет сканирование по строкам 9 с расстоянием d между строками 9. При этом в каждой строке 9 формируется участок микрообработки 10, обрамленный зонами холостого хода 11, длина каждой из которых составляет 5-25% от длины участка микрообработки 10. Лазерный луч сканируется только в пределах участка микрообработки 10: первый импульс пачки излучается на одной границе участка микрообработки 10, а последний - на другой его границе. На подложке 5 лазерные пятна частично перекрываются.

Длительность пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки 10, при которой в подложке возникают микродефекты. Длина участка микрообработки 10 в каждой строке 9 устанавливается меньше предельной длины, поэтому при сканировании микросколы и микротрещины на поверхности подложки 5 и внутри нее не возникают.

Авторами установлено, что при минимально возможной мощности лазерного излучения (менее 0,5 Вт для размера сфокусированного лазерного пятна 5 мкм), при которой происходит удаление тонкого слоя (менее 1 мкм), предельная длина участка микрообработки составляет 83 мкм.

Система 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча обладает инерционностью. В зонах холостого хода 11 строк 9 угловая скорость поворота зеркала а, значит, и луча в зоне обработки системы 3 непостоянна В этих зонах шаг лазерных пятен при постоянной частоте следования лазерных импульсов был бы неравномерным и наложение пятен неравномерное, что привело бы к образованию шероховатости или микротрещин на дне микроканала 13 и к изменению профиля микроканала 13, например, расширению его стенок, углублений на дне. Зоны холостого хода 11 служат для приведения системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в рабочее состояние с постоянной скоростью движения лазерного луча по участку микрообработки 10, в этих зонах осуществляется разгон и торможение зеркал системы 3, а лазерное излучение отсутствует.

В пределах участка микрообработки 10 скорость поворота зеркала системы 3 постоянная, лазерные пятна на подложку 5 поступают равномерно, что исключает образование шероховатости или микротрещин на дне микроканала 13 и позволяет сформировать заданный профиль микроканала 13, в том числе с прямолинейными границами.

Кроме того, во время сканирования в зонах холостого хода 11 тепло из зоны микрообработки 10 рассеивается в материал подложки 5, уменьшаются термические напряжения, что исключает появление термических микротрещин внутри подложки 5 под дном микроканала 13. Этому способствует также перемещение следующей строки 9 на расстояние d, что приводит к разрыву зоны перегрева, имеющей форму линии, параллельной участку микрообработки 10.

Минимальная зона холостого хода 11 (5% от длины участка микрообработки 10) определяется временем, необходимым для развертки системы 3 двухкоординатного сканирования лазерного луча в состояние линейной скорости при наибольшей длине участка микрообработки 10. Зона холостого хода 11 длиной более 25% от длины участка микрообработки 10 нецелесообразна, т.к. при этом снижается производительность процесса.

Расстояние d между строками 9 выбирается оптимальным исходя из требований шероховатости микроканала 13 и производительности процесса формирования микроканала.

Авторами экспериментально установлено, что угол растра α относительно образующей в каждой точке контура растровой дорожки 12, а, следовательно, контура микроканала 13 может составлять от 35° до 90°. Уменьшение угла α при ограниченной длине строки 9 нецелесообразно, т.к. влечет неоправданное уменьшение ширины выполняемых растровых зон микрообработки 12 и в пределе приводит к векторному перемещению луча.

Кроме того, для обеспечения заданной шероховатости необходимо уменьшать расстояние d между строками 9, но при наклоне менее 35° при используемых расстояниях d может произойти наложение зон локального перегрева, что приведет к образованию микротрещины.

При больших зонах холостого хода 11 целесообразно увеличить угол растра α, при этом изменяется соотношение длин участка микрообработки 10 и зоны холостого хода 11 в пользу длины участка микрообработки 10 и таким образом увеличивается производительность процесса формирования микроканала.

Растровое сканирование по сравнению с векторным позволяет выполнить микроканал с любым профилем, в том числе с прямоугольным профилем или близким к прямоугольному профилю. Подбор угла растра α в указанных пределах и расстояния d между строками 9 (шага сканирования) позволяет получить более плотное наложение лазерных пятен в проекции, перпендикулярной границе микроканала 13, а следовательно, позволяет получить заданный профиль микроканала 13.

Для получения требуемой глубины микроканала 13 лазерный луч сканируют по каждой строке 9 неоднократно с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки при втором и последующих сканированиях до получения заданной глубины микроканала 13.

При изменении угла растра α случайным образом при повторном сканировании по строкам 9, в том числе с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки, дополнительно уменьшают шероховатость поверхности микроканала 13. При изменении пиковой мощности одного или нескольких первых и последних импульсов в пачке формируют более точный профиль микроканала 13.

По предложенному техническому решению изготовлена установка на твердотельном лазере на кристалле Yt:KGW с фемтосекундной длительностью импульсов с длиной волны ближнего инфракрасного диапазона 1,04 мкм, на которой выполнены микроканалы шириной 10, 15, 20, 30 и 100 мкм глубиной от 3 до 25 мкм на стекле К8, БК10 и кварцевом стекле, а также на монокристаллическом кремнии. Микроканалы имеют прямоугольный профиль, измеренная шероховатость микроканалов Rz составила от 0,125 до 0,08. При контроле качества микроканалов микросколы и микротрещины на поверхности подложек и микроканалов и внутри подложек не обнаружены.

Для формирования микроканалов на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов может также использоваться лазер с длиной волны ультрафиолетового или видимого диапазона.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет сформировать на подложках из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводниковых материалов микроканалы с различными профилями высокого качества: с заданной шероховатостью, без микросколов и микротрещин на поверхности и внутри подложек.

1. Способ формирования микроканалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения в подложках, выполненных из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводникового материала, включающий облучение поверхности подложки пачкой лазерных импульсов с плотностью мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки и перемещение лазерного луча по топографической зоне выполняемого микроканала с частичным перекрытием пятен от лазерных импульсов, при этом используют лазер с ультракороткой длительностью импульсов и частотой следования импульсов более 50 кГц, отличающийся тем, что используют лазер с длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона, при этом лазерный луч сканируют построчно линейным растровым методом с перемещением луча в каждой строке на длину участка микрообработки с включением и выключением пачки лазерных импульсов в каждой строке с обеспечением излучения первого импульса пачки на одной границе участка микрообработки, а последнего - на другой его границе, причем сканирование осуществляют по меньшей мере по одной растровой зоне микрообработки, укладывающейся в ширину микроканала, с обеспечением участка микрообработки в каждой строке, окруженного зонами холостого хода, длина каждой из которых равной 5-25% от длины участка микрообработки, расстояния между строками не более их ширины и угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки, равного от 35° до 90°, причем длительность пачки импульсов устанавливают меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерный луч сканируют по строкам неоднократно с перефокусировкой лазерного луча в плоскость микрообработки при втором и последующих сканированиях до получения заданной глубины микроканала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерный луч сканируют по строкам неоднократно с изменением случайным образом угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки при втором и последующих сканированиях.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при втором и последующих сканированиях угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки изменяют случайным образом.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что первый и/или последний лазерный импульс в пачке или несколько первых и/или последних лазерных импульсов в пачке имеют пиковую мощность, отличную от других импульсов в пачке.

6. Устройство для формирования микроканалов фемтосекундными импульсами лазерного излучения в подложках, выполненных из оптического стекла, оптических кристаллов и полупроводникового материала, содержащее лазер с ультракороткой длительностью импульсов и частотой следования импульсов более 50 кГц, систему формирования лазерного луча, систему двухкоординатного сканирования луча, систему фокусирования луча в плоскость микрообработки, выполненную с возможностью обеспечения плотности мощности излучения выше порогового значения для удаления материала подложки, двухкоординатную систему позиционирования и фиксации подложки и контроллер, выполненный с возможностью обеспечения связи лазера и упомянутых систем с управляющей ЭВМ, отличающееся тем, что лазер выполнен с фемтосекундной длительностью импульсов с длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона, система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером однократного или многократного сканирования линейным растровым методом по строкам с перемещением луча в каждой строке на длину участка микрообработки с зонами холостого хода, по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала, и обеспечения длины каждой из зон холостого хода, равной 5-25% от длины участка микрообработки, расстояния между строками не более их ширины и угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки от 35° до 90°, при этом лазер оснащен затвором для включения и выключения пачки лазерных импульсов в каждой строке с обеспечением излучения первого импульса пачки на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, и длительности пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что система фокусирования луча в плоскость микрообработки выполнена с возможностью управляемой контроллером фокусировки луча в плоскость микрообработки по третьей координате при втором и последующих сканированиях луча по строкам до получения заданной глубины микроканала.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером изменения случайным образом угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки при втором и последующих сканированиях лазерного луча по строкам.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что система двухкоординатного сканирования лазерного луча выполнена с возможностью управляемого контроллером изменения случайным образом угла растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровых зон микрообработки при втором и последующих сканированиях лазерного луча по строкам.

10. Устройство по любому из пп. 6-9, отличающееся тем, что лазер выполнен с возможностью изменения пиковой мощности первого и/или последнего или нескольких первых и/или последних лазерных импульсов в пачке.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области поверхностной обработки прокатных цилиндров для получения заданной шероховатости. Установка (M) содержит устройство (МА) для поддержания обрабатываемого цилиндра (C) и приведения его во вращение вокруг его собственной продольной оси (X) и по меньшей мере одно устройство (MB), взаимодействующее с указанной первой станцией (МА) для создания и испускания с помощью оптоволоконного устройства импульсного лазерного излучения, случайным образом воздействующего на поверхность (S) цилиндра (C) и создающего заданную шероховатость на этой поверхности (S).

Способ изготовления одномерной дифракционной фазовой решетки с синусоидальным профилем заключается в последовательном формировании канавок сканированием импульсным лазерным пучком плоскости контакта пластины из плавленого кварца с пластиной из прессованного графита.

Изобретение относится к импульсному электронно-пучковому полированию поверхности металлических изделий, полученных селективным спеканием порошка. На поверхность изделия с исходной шероховатостью воздействуют импульсным пучком в вакууме при давлении (2-5)⋅10-2 Па, энергии электронов 15-25 кэВ, длительности импульсов 150-200 мкс и плотности энергии в импульсе 40-60 Дж/см2.

Изобретение относится к лазерной технологии и может быть использовано для обработки поверхности драгоценных металлов. Осуществляют напыление на поверхность изделия пленки из окисляющегося металла.

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использовано для формирования рельефной поверхности на стальном тиснильном вале. Формирование рельефной поверхности представляет собой выполнение макрорельефа с размерами элементов свыше 20 мкм и глубинами до 150 мкм включительно путем лазерного воздействия при следующих параметрах: плотность энергии в режиме генерации единичных импульсов равна 0,5-3,5 Дж/см2, средняя плотность энергии в режиме генерации пачек импульсов равна 0,5-70 Дж/см2 на импульс, длина волны равна 532-1064 нм, частота повторения импульсов равна от 1 кГц до 10 МГц, расстояние между импульсами на детали составляет 10-50% от диаметра пучка для фемтосекундного лазера и 10-25% или 40-50% от диаметра пучка для пикосекундного лазера, фокальная плоскость лазерного пучка расположена на поверхности детали, и скорость перемещения пучка равна или более 100 м/с.

Изобретение относится к технологии демонтажа резиновых и полимерных покрытий, приклеенных к поверхности различных конструкций. Описанный способ основан на локальном инфракрасном лазерном термическом воздействии непосредственно на зону клеевого слоя.

Установка содержит по меньшей мере два расположенных противоположно по бокам отверстия (О1, О2), через которые может протягиваться по меньшей мере одна металлическая лента, оболочку, содержащую первое и второе устройства с зажимными губками (М11, М12, M12s, М21, М22, M22s) для ленты, расположенные на пути протягивания ленты между двумя отверстиями, при этом упомянутые губки расположены поперечно, по меньшей мере, ширине ленты, головку (TL) установки для резки или сварки, испускающую пучок лазерного излучения в замкнутом пространстве, при этом упомянутый пучок является поперечно перемещаемым между парой губок (М11, М12), расположенных напротив одной из сторон поверхности ленты, причем в сжатом положении губок на ленте соединение губок (М11, М12, M12s; М21, М22, M22s) на поверхностях ленты приводит к образованию физического экрана (F1b) для лазерного излучения, препятствующего прохождению излучения через два отверстия оболочки.

Изобретение относится к способу придания супергидрофобных свойств поверхности металла. Воздействуют на упомянутую поверхность сфокусированным лучом импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов в наносекундном диапазоне, осуществляют перемещение упомянутого луча относительно упомянутой поверхности по заранее заданному закону.

При очистке лопатки газотурбинного двигателя, содержащей тело из суперсплава с покрытием, обрабатывают покрытие лопатки посредством импульсного лазера так, что покрытие удаляют, по меньшей мере, частично, а параметры скорости подачи импульсного лазера и частоты импульсов импульсного лазера определяют так, чтобы обработанная поверхность лопатки имела шероховатость от 4 мкм до 10 мкм.

Изобретение относится к способу изготовления деталей из слюды методом лазерной резки. Подготавливают и жестко фиксируют плоскую заготовку из слюды на неподвижном основании, выполненном составным из съемной металлической сетки, опирающейся на прямоугольный выступ, выполненный по периметру окна в основании, закрепленном на предметном столе, к которому подводят вытяжную магистраль для поджатия упомянутой заготовки к съемной металлической сетке.

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки стыка заготовок из углеродистой стали с толщиной стенок 10-45мм. На свариваемую поверхность воздействуют расфокусированным первым лазерным лучом.

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки стыка сформованной трубной заготовки из углеродистой стали большого диаметра от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм и зазором до 1 мм.

Изобретение может быть использовано для сварки сформованных трубных заготовок из углеродистой стали диаметром от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм. Околошовную зону свариваемого участка трубы нагревают индуктором до и после выполнения сварки до температуры 200-350°С.

Изобретение может быть использовано при изготовлении ответственных конструкций из сталей и сплавов сваркой плавлением. С поверхности сварочной проволоки удаляют смазку, проводят промывку, просушку и оплавление поверхности проволоки при ее прямолинейном перемещении.

Изобретение относится к устройству для лазерно-дуговой сварки стыка сформованной трубной заготовки. Первая электродуговая горелка закреплена на опорной конструкции перед лазерной головкой на расстоянии, при котором в процессе сварки расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного луча и точкой дугового контакта упомянутой первой горелки составляет 10-15 мм.

Изобретение относится к способу газопорошковой наплавки и может быть использовано при изготовлении деталей машин и инструмента. На наплавляемую поверхность металлического изделия воздействуют лазерным лучом.

Изобретение относится к способу изготовления изделия из трубных заготовок и может быть использовано в технологических процессах изготовления теплообменных панелей методом лазерной сварки.

Изобретение относится к способу ремонта конструктивного элемента (4) с трещинами. Осуществляют оплавление по меньшей мере одной трещины (7, 7’, 7’’, …) конструктивного элемента (4) сварочным лучом (13).

Изобретение относится к послойному изготовлению деталей. Способ включает этапы: (а) обеспечение материала в виде порошка, (b) нагрев первого количества порошка до температуры, превышающей температуру плавления TF порошка, и формирование на поверхности основы первой ванны, содержащей расплавленный порошок и часть основы, (с) нагрев второго количества порошка и формирование на поверхности основы второй ванны на выходе первой ванны, (d) повторение этапа (с) до получения первого слоя детали на основе, (е) нагрев n-го количества порошка и формирование n-ой ванны над частью первого слоя, (f) нагрев [n+1]-го количества порошка до температуры, превышающей температуру плавления ТF порошка, и формирование [n+1]-ой ванны, частично содержащей расплавленный порошок, на выходе n-ой ванны, (g) повторение этапа (f) до получения второго слоя детали, (h) повторение этапов (е)-(g) до получения окончательной формы детали.

Изобретение относится к способу ремонта продольного шва трубы, нанесенного методом лазерной сварки. Осуществляют обнаружение дефекта методом ультразвукового контроля путем сканирования вдоль линии шва с использованием ультразвуковых преобразователей до обнаружения дефекта.

Изобретение относится к области металлургической обработки металлических полос. Устройство для перемещения узла резания и сварки выполнено с возможностью отрезания и последующей сварки конца первой металлической полосы (В1) с началом второй металлической полосы (В2). Устройство содержит по меньшей мере одну первую каретку (Ch1) со сварочной головкой (S1), перемещаемую по первому направляющему пути (Cg1) через поперечную область полосы, по меньшей мере одну вторую каретку (Ch2) с режущей головкой (D1), перемещаемую отдельно от первой каретки по второму направляющему пути (Cg2). При этом обе каретки (Ch1, Ch2) выполнены с возможностью установки в стояночных положениях с обеих сторон полос (В1, В2) в направлении по их ширине. Использование изобретения позволяет увеличить производительность устройства с упрощением процесса соединения полос, а также расширить технологические возможности устройства. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к лазерной микрообработке и может быть использовано для формирования микроканалов на поверхности подложек из стекла, кристаллов и полупроводниковых материалов при изготовлении оптических шкал, сеток, решеток и других устройств. Способ формирования микроканалов включает облучение поверхности подложки излучением лазера с фемтосекундной длительностью импульсов и длиной волны ультрафиолетового, видимого или ближнего ИК-диапазона. Лазерный луч сканируют линейным растровым методом по строкам на длину участка микрообработки с зонами холостого хода, по одной или более растровым зонам микрообработки, укладывающимся в ширину микроканала. В каждой строке первый импульс излучается на одной границе участка микрообработки, а последний - на другой его границе, длительность пачки импульсов меньше предельной длины участка микрообработки, при которой в подложке не возникают дефекты. Расстояние между строками не более их ширины. Длина каждой из зон холостого хода составляет 5-25 от длины участка микрообработки. Угол растра относительно образующей в каждой точке одного из контуров растровой зоны микрообработки составляет от 35° до 90°. Лазер, системы формирования, двухкоординатного сканирования и фокусирования луча и система позиционирования и фиксации подложки связаны с управляющей ЭВМ. Технический результат заключается в повышении качества микроканалов и формировании различных профилей микроканалов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх