Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Способ лазерной обработки неметаллических материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 поверхности пластины импульсом лазерного излучения [1]. Также известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния [2]. Недостатком указанных способов является то, что характеристики лазерных импульсов позволяют довести поверхность пластины в зоне воздействия лазерного излучения до температуры плавления, но не позволяют осуществлять скрайбирование пластины.

Также известен способ обработки неметаллических материалов [3], в котором обработка пластин осуществляется путем облучения поверхности 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 так:

,

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

τ - длительность импульса лазерного излучения, с;

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

t - текущее время от начала воздействия, с.

Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины, но не позволяет осуществлять скрайбирование неметаллических материалов при минимальных энергетических затратах.

Известен способ лазерной обработки [4], в частности, используемый для создания отверстий в пластинах, в котором плотность энергии, поглощенная в испаренном слое материала, определяется формулой (1):

где z - координата, измеряемая от поверхности вглубь материала;

ρ - плотность материала;

L_u - скрытая теплота испарения единицы массы материала.

Формула (1) характеризует стационарный процесс испарения материала под действием лазерного излучения при его поглощении в очень тонком поверхностном слое материала (много меньше толщины испаренного слоя). Формулу (1) нельзя использовать, когда поглощение лазерного излучения происходит в объеме материала, например в слое материала толщиной в несколько миллиметров. Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения оптимального значения плотности энергии лазерного излучения при обработке материалов, обладающих объемным поглощением излучения с длиной волны, на которой происходит обработка материала.

Известен также способ лазерной обработки неметаллических материалов [5], заключающийся в облучении их поверхности лазерными импульсами с плотностью энергии в каждом импульсе, определяемой по формуле (2):

где е - основание натурального логарифма;

Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м³;

χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м^-1;

R - коэффициент отражения материала.

При такой плотности энергии воздействующего лазерного излучения происходит сублимация поглощающего слоя материала толщиной 1/χ, причем энергетические затраты на единицу массы сублимирующего материала будут минимальны. Если при скрайбировании пластин требуется глубина канавки больше, чем 1/χ, то производят воздействие несколькими импульсами. Количество импульсов лазерного излучения определяется как отношение требуемой глубины канавки к толщине сублимирующего слоя материала при воздействии одного импульса:

где h - требуемая глубина канавки при скрайбировании.

Общее количество воздействующих импульсов лазерного излучения определяется по формуле:

где L - длина канавки при скрайбировании;

d - диаметр лазерного луча.

Данный способ является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому. Недостатком способа является то, что он не позволяет проводить скрайбирование неметаллических пластин при минимальных энергетических затратах, когда требуемое количество лазерных импульсов N₁ не является целочисленным. Например, пластина из цветного оптического стекла ЖЗС12 имеет показатель поглощения на длине волны 1,06 мкм 10 см^-1 [6], а требуется глубина канавки при скрайбировании 0,12 или 0,18 см.

Задачей изобретения является снижение энергетических затрат при скрайбировании неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например, полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Поставленная задача решается за счет того, что скрайбирование пластины на глубину в интервале 1/χ<h<2/χ осуществляют воздействием одного или двух лазерных импульсов с плотностями энергии на поверхности пластины соответственно:

где W₁ - плотность энергии при воздействии одного лазерного импульса;

W₂ - суммарная плотность энергии при воздействии двух лазерных импульсов.

Ниже приводится более подробное описание способа обработки неметаллических материалов со ссылкой на фиг. 1.

Сущность способа состоит в следующем. Плотность энергии на поверхности пластины, удельное энерговыделение Е при поглощении лазерного излучения в материале и координата х, отсчитываемая от поверхности материала вглубь, связаны формулой (3) [5]:

Сублимация материала произойдет на глубину х при условии Е(x)≥Q.

При воздействии одного лазерного импульса требуемая плотность энергии на поверхности пластины, обеспечивающая сублимацию материала на глубину h, рассчитывается по формуле (4):

При воздействии двух лазерных импульсов вначале воздействуют на пластину с плотностью энергии, определяемой по уравнению (2), затем, после сублимации слоя материала толщиной 1/χ, с плотностью энергии (5):

Суммарная плотность энергии воздействующего лазерного излучения во втором случае будет иметь вид (6):

Определим лучший вариант воздействия с точки зрения минимизации энергетических затрат на обработку. Для этого разделим уравнение (4) на уравнение (6). После простых математических преобразований получим (7):

Зависимость отношения W₁/W₂ от безразмерного параметра χh в интервале значений 1<χh<2 представлена на фиг.1. Видно, что при 1<χh<1,46 отношение W₁/W₂<1. Следовательно, в указанном интервале целесообразно получать требуемую глубину канавки при воздействии одного импульса с плотностью энергии, определяемой по формуле (4). При 1,46<χh<2 режим воздействия двумя последовательными импульсами с плотностями энергии, определяемыми по формулам (2) и (5) соответственно, является предпочтительнее. При χh=1,46 W₁/W₂≈1,0008. Таким образом, выбор режима обработки в зависимости от значения параметра χh позволяет уменьшить энергетические затраты при скрайбировании максимум на 25-35%.

Технологические лазеры, как правило, работают в частотно-импульсном режиме. Поэтому, при получении заданной глубины канавки посредством воздействия двух импульсов, целесообразно вначале пройти по контуру канавки глубиной 1/χ, а затем, перестроив лазер, повторно пройти по тому же контуру с плотностью энергии, определяемой по формуле (5). При достаточной точности технологического оборудования отмеченный выше режим обработки возможно применить ко всей партии пластин: вначале на всех пластинах партии получают канавки глубиной 1/χ, а затем, перестроив лазер на необходимый энергетический режим, для всей партии пластин осуществляют углубление канавки до требуемой величины.

Таким образом, выбор режима обработки в зависимости от требуемой глубины канавки и показателя поглощения материала позволяет уменьшить энергетические затраты максимум на 25-35%.

Литература

1. Боязитов P.M. и др. Аморфизация и кристаллизация кремния субнаносекундными лазерными импульсами. Тезисы докладов 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. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 11-18 марта 1988 г., с.29.

3.RU 22111753, 2004 г.

4. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн.4. Лазерная обработка неметаллических материалов: Учебное пособие для ВУЗов / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа. 1998. - 191 с. ISBN 5-06-001453-3.

5. RU 2486628, 2013 г.

6. ГОСТ 9411-90 Стекло цветное оптическое. М.: Издательство стандартов. 1992. - 48 с.

1. Способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материалов импульсами лазерного излучения с заданной плотностью энергии в импульсе, отличающийся тем, что при скрайбировании с глубиной канавки в интервале 1<χh<1,46, плотность энергии лазерного импульса определяют по формуле: где е - основание натурального логарифма; Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м³; χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м^-1; R - коэффициент отражения материала.

2. Способ лазерной обработки неметаллических материалов, включающий облучение поверхности материалов импульсами лазерного излучения с заданной плотностью энергии в импульсе, отличающийся тем, что при скрайбировании с глубиной канавки в интервале 1,46≤χh<2 после воздействия первого лазерного импульса с плотностью энергии в импульсе, определяемой по формуле: где е - основание натурального логарифма; Q - удельная энергия сублимации материала, Дж/м³; χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения, м^-1; R - коэффициент отражения материала, последовательно воздействуют на поверхность материала вторым лазерным импульсом с плотностью энергии в импульсе, определяемой по формуле: