Способ лазерного отжига неметаллических материалов
Владельцы патента RU 2785420:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)
Изобретение относится к способу лазерного отжига неметаллических материалов и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Облучают поверхность лазерным импульсом прямоугольной временной формы с требуемой плотностью энергии. Диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 20% исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса. Плотность мощности в первом импульсе составляет 80% от плотности мощности в первоначальном лазерном пучке. Техническим результатом изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и сокращения области возможного откольного разрушения материала. 3 ил., 1 пр.
Изобретение относится к технологическим процессам и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению
, (1)
где Tf – температура отжига;
T0 – начальная температура;
с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;
R – коэффициент отражения материала;
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения [Бакеев А. А., Соболев А. П., Яковлев В. И. Исследования термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса. ПМТФ. 1982. – № 6. – С. 92–98]. Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, которую определяют по уравнению (1), при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 40% и осуществляют временную задержку отраженного импульса на время воздействия на материал прошедшего через диэлектрическое зеркало лазерного импульса. Патент РФ № 2692004, МПК B23K 26/402, B23K 26/53, 19.06.2019. При этом временная форма воздействующего на материал лазерного импульса будет описываться уравнением
. (2)
Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Известен также способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, которую определяют по уравнению (1), при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 30 % и осуществляют временную задержку отраженного импульса на время воздействия на материал прошедшего через диэлектрическое зеркало лазерного импульса. Патент РФ № 2763362, МПК B23K 26/402, B23K 26/53, 28.12.2021 – прототип. При этом временная форма воздействующего на материал лазерного импульса будет описываться уравнением
. (3)
Недостатком прототипа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода годной продукции в процессе лазерного отжига неметаллических материалов за счет уменьшения термоупругих напряжений и области возможного откольного разрушения материала.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерного отжига неметаллических материалов, заключающемся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнению
,
где Tf – температура отжига;
T0 – начальная температура;
с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;
R – коэффициент отражения материала;
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,
диэлектрическим зеркалом исходный лазерный импульс делят на два импульса и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, плотность мощности в первом импульсе составляет 80 % от плотности мощности исходного лазерного импульса.
На фиг. 1 представлена установка для лазерной обработки, позволяющая реализовать заявленный способ, где: 1 – лазер с модулятором добротности на основе акустооптического затвора, 2 – диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 20 %, 3 – диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 99,9 %, 4 – обрабатываемый материал, 5 и 6 – фокусирующие линзы, создающие на поверхности обрабатываемого материала 4 требуемую плотность энергии.
Диэлектрическим зеркалом 2 лазерный импульс делится на два импульса с плотностью мощности 0,8q и 0,2q (q – плотность мощности лазерного излучения в исходном импульсе). Прошедший через зеркало 2 первый импульс с плотностью мощности 0,8q линзой 5 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала 4 в пятно требуемого диаметра. Отраженный зеркалом 2 второй импульс с плотностью мощности 0,2q направляют на диэлектрическое зеркало 3 с коэффициентом отражения 99,9%, которое совмещает отраженный импульс на поверхности обрабатываемого материала 4 с импульсом, прошедшим через зеркало 2. Линзой 6 второй импульс фокусируется в пятно требуемого диаметра. Разница длин путей первого и второго лазерных импульсов обеспечивает задержку второго импульса на время воздействия первого импульса на поверхность обрабатываемого материала. В результате на поверхность обрабатываемого материала воздействует лазерный импульс, временная форма которого описывается уравнением:
. (4)
Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии, временная форма которых описывается уравнениями (3) и (4).
В соответствии с [Бакеев А. А., Соболев А. П., Яковлев В. И. Исследования термоупругих напряжений, возникающих в поглощающем слое вещества под действием лазерного импульса. ПМТФ. 1982. – № 6. – С. 92–98], максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала рассчитывают по уравнению:
, (5)
где 
– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала;
K – модуль всестороннего сжатия;
α – коэффициент линейного расширения материала;
е – основание натурального логарифма;
sh(χx) – функция «гиперболический синус»;
χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;
х – координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;
с0 – скорость звука в материале;
τ – длительность лазерного импульса.
Подставив уравнения (3) и (4) в (5) и выполнив интегрирование, получим уравнения для расчета максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое обрабатываемого материала:
; (6)
, (7)
где 
– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (3);
– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (4).
Разделив (7) на (6) и проведя математические преобразования, получим
. (8)
На фиг. 2 показан график зависимости 
, построенный по соотношению (8). Видно, что отношение 
. Причем по мере возрастания параметра 
отношение уменьшается и стремится к 0,67. Это доказывает, что лазерный импульс, описываемый уравнением (4), создает в материале максимальные растягивающие напряжения меньше, чем лазерный импульс, описываемый уравнением (3).
Из уравнений (6) и (7) определим плотность энергии лазерного излучения, вызывающую откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности для воздействия лазерных импульсов, описываемых уравнениями (3) и (4) соответственно:
; (9)
, (10)
где σР – предел прочности материала на разрыв.
Уравнения (9) и (10) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда 
.
Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (1). Разделив (9) и (10) соответственно на (1), получим:
; (11)
. (12)
Поставив условие 
и 
, после математических преобразований получим:
; (13)
. (14)
Проведем анализ неравенств (13) и (14). Левые части неравенств являются характеристикой материала, показывающей отношение предела прочности материала на разрыв к максимальным растягивающим напряжениям, возникающим при импульсном нагреве материала до температуры отжига. Правые части неравенств (13) и (14) являются функциями безразмерного параметра 
и зависят от временной формы лазерного импульса. Если неравенства (13) и (14) выполняются, то возможен лазерный отжиг материала. В противном случае произойдет откольное разрушение материала. Анализ неравенств (13) и (14) необходимо проводить для конкретных материалов. Например, для стекла СЗС-21, у которого К= 4·1010 Па, α=8,6·10-6 К-1, σР = 6·107 Па, Тf = 700 K, Т0 = 300 К, левая часть неравенств (13) и (14) равна 0,29. Показатель поглощения стекла СЗС-21 на длине волны 1,06 мкм составляет 22,4 см-1, скорость звука в материале – 5,7·103 м/с.
На фиг. 3 показано графическое решение неравенств (13) – ряд 1 и (14) – ряд 2 для цветного оптического стекла СЗС-21 – ряд 3. Видно, что при воздействии лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (3), неравенство (13) выполняется при 
≥ 1,25, что соответствует длительности лазерного импульса τ ≥ 0,98·10-7 с. Неравенство (14) для лазерного импульса, временная форма которого описывается уравнением (4), выполняется при ≥ 1,05, что соответствует длительности лазерного импульса τ ≥ 0,82·10-7 с.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить максимальные растягивающие напряжения примерно на 20 – 30% и сократить область изменения безразмерного параметра , в которой возможно откольное разрушение материала, что позволит увеличить выход годной продукции при лазерном отжиге неметаллических материалов.
Пример реализации способа.
Необходимо произвести лазерный отжиг поверхности оптического цветного стекла СЗС-21 импульсным лазером с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса 90 нс. Требуемая плотность энергии на поверхности материала составляет 35,3 Дж/см2. Расчет проведен при R = 0,04, с = 0,76·103 Дж/(кг·К) и ρ = 2,5·103 кг/м3 по уравнению (1). При этом плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности лазерным импульсом, описываемым уравнением (3) составит 31 Дж/см2. Расчеты проведены по уравнению (9). Следовательно, лазерный отжиг не возможен, так как произойдет разрушение материала. Разделим исходный лазерный импульс с помощью диэлектрического зеркала (2) с коэффициентом отражения 20 % на два импульса с плотностью мощности 80 % и 20 %. Лазерный импульс с плотностью мощности 80 % от исходного воздействует на обрабатываемый материал. При этом фокусирующая линза (5) создает требуемую плотность энергии на поверхности обрабатываемого материала. Отраженный зеркалом (2) лазерный импульс с плотностью мощности 20 % от исходной диэлектрическим зеркалом (3) с коэффициентом отражения 99,9 % направляется на обрабатываемый материал. Собирающей линзой (6) осуществляется повышение плотности мощности в импульсе до требуемой. При этом за счет дополнительного пути происходит задержка второго импульса на время действия первого импульса. Плотность энергии, вызывающая откольное разрушение материала в этом случае составит 35,7 Дж/см2. Следовательно, можно осуществлять лазерный отжиг материала. Расчеты проведены по уравнению (10).
Как правило, лазеры с модуляцией добротности акустооптическими затворами работают в частотном режиме. Частота повторения импульсов составляет 1–8 кГц. Это позволяет производить лазерный отжиг поверхностей большой площади за счет перемещения заготовки после каждого импульса на требуемое расстояние.
Способ лазерного отжига неметаллических материалов, включающий облучение поверхности неметаллического материала лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии Wf, которую определяют по уравнению
,
где Wf - плотность энергии лазерного импульса, Дж/см2;
Tf – температура отжига, К;
T0 - начальная температура, К;
с - удельная теплоемкость, Дж/(кг⋅К);
ρ - плотность материала, кг/м3;
R - коэффициент отражения материала;
χ - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения, см-1;
при этом исходный лазерный импульс делят на два импульса посредством диэлектрического зеркала и осуществляют временную задержку второго импульса на время действия первого импульса, отличающийся тем, что плотность мощности в первом импульсе устанавливают равной 80% от плотности мощности исходного лазерного импульса.
