[1]Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
[2]Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении поверхности пластины импульсом лазерного излучения [1] с плотностью энергии, достаточной для плавления поверхностного слоя. Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния [2]. Недостатком указанных способов является то, что они не учитывают термоупругие напряжения, возникающие в пластинах в процессе обработки. Так как обрабатываемые материалы являются частично прозрачными для воздействующего излучения, возможны такие режимы, при которых термоупругие напряжения, способные разрушить пластины, будут определяющими в технологических процессах.
[3]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 соотношением
[4]
[5]где q(t) - плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2;
[6]τ - длительность импульса лазерного излучения, с;
[7]b1 и b2 - константы, характеризующие фронт и спад лазерного импульса;
[8]е - основание натурального логарифма;
[9]t - текущее время от начала воздействия, с.
[10]Указанный способ позволяет минимизировать термоупругие напряжения в поглощающем слое материала пластины при воздействии лазерных импульсов длительностью менее 10-6 с, когда рассматривается динамическая задача термоупругости [4]. Но этот способ не работает, когда длительность лазерного импульса составляет ~10-2-10-6 с и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.
[11]Известен способ лазерной обработки [5], в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяется по соотношению
[12]
[13]где Tƒ - температура отжига;
[14]Т0 - начальная температура;
[15]с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
[16]R - коэффициент отражения материала пластины;
[17]χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения.
[18]Как правило, необходим лазерный отжиг двух поверхностей пластины. Указанным способом вначале производят воздействие на одну поверхность пластины или партии пластин с плотностью энергии в импульсе, определяемой уравнением (1), затем - на вторую. Применение лазерного отжига приводит к релаксации остаточных напряжений в приповерхностном слое пластин, возникающих при их шлифовке и полировке абразивом, а также устраняет неоднородности структуры при напылении тонких пленок, что позволяет повысить лучевую стойкость пластин, используемых в лазерной технике.
[19]Этот способ выбран в качестве прототипа. Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет минимизировать термоупругие напряжения и уменьшить энергетические затраты в процессе обработки.
[20]Техническим результатов изобретения является снижение энергетических затрат и повышение выхода годных пластин за счет уменьшения термоупругих напряжений при лазерном отжиге пластин из неметаллических материалов, обладающих объемным поглощением лазерного излучения, например из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.
[21]Технический результат достигается тем, что в 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:
[22]
[23]где Tƒ - температура отжига;
[24]Т0 - начальная температура;
[25]с и ρ - удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;
[26]R - коэффициент отражения материала пластины;
[27]χ - показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения.
[28]Способ осуществляется следующим образом.
[29]Для осуществления лазерного отжига пластины из неметаллического материала ее обе поверхности одновременно подвергают воздействию лазерных импульсов одинаковой плотности энергии. На фиг. 1 представлена лазерная установка, позволяющая осуществить такое воздействие. Установка содержит импульсный лазер (1), работающий в режиме свободной генерации, телескопический преобразователь диаметра пучка, включающий собирающую линзу (2) и рассеивающую линзу (3), расположенные софокусно для уменьшения диаметра лазерного пучка. Если необходимо увеличить диаметр пучка, первой размещают рассеивающую линзу, второй - собирающую с соответствующими фокусными расстояниями. Диэлектрическим зеркалом (4) с коэффициентом отражения R=0,5 лазерный пучок делится на два пучка равной плотности энергии лазерного излучения и при помощи призм (5), (6) и (7) направляется на обе поверхности обрабатываемой пластины (8).
[30]Для предотвращения изгиба пластины при обработке ее, как правило, свободно защемляют по контуру [5, 6]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемленной по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине, возникают термоупругие напряжения [6]:
[31]
[32]где: 
[33]Е - модуль Юнга материала пластины;
[34]ν - коэффициент Пуассона материала пластины;
[35]αТ - коэффициент линейного расширения материала пластины;
[36]T (z, t) - температура в точке с координатой z в момент времени t;
[37]z - координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь.
[38]Уравнения (3) и (4) показывают, что максимальные растягивающие напряжения возникают в том сечении пластины, где температура минимальна.
[39]Если выполняется условие
[40]
[41]то температурное поле в пластине к концу действия лазерного импульса при первом способе воздействия, представленном в прототипе [5], будет определяться уравнением (6)
[42]
[43]а - коэффициент температуропроводности материала пластины;
[44]τu - длительность лазерного импульса;
[45]W=∫0uτq(t)dt
- плотность энергии лазерного излучения.
[46]Условие (5) для большинства полупроводниковых, стеклообразных и керамических материалов выполняется при τu<0,01 с.
[47]Из уравнения (6) найдем плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения облучаемой поверхности z=0 температуры отжига
[48]
[49]При предлагаемом способе вследствие воздействия на обе поверхности температурное поле в пластине будет определяться соотношением
[50]
[51]Из уравнения (8) найдем плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения облучаемыми поверхности z=0 и z=h температуры отжига
[52]
[53]Подставив (6) и (8) в (4) и (3) и выполнив математические преобразования, получим соотношения для расчета максимальных растягивающих термоупругих напряжений, возникающих в сечении пластины z=h, где температура минимальна, для первого способа (прототипа) воздействия лазерного излучения на поверхность пластины
[54]
[55]и для предлагаемого способа воздействия в сечении z-h/2, где температура минимальна
[56]
[57]Если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала пластины на растяжение, она будет разрушена термоупругими напряжениями. Так как предел прочности материала имеет разброс от образца к образцу и в различных партиях пластин вследствие дефектов, неизбежен брак в процессе их обработки.
[58]Для оценки положительного эффекта найдем отношения:
[59]
[60]
[61]На фиг. 2 представлены зависимости указанных отношений от безразмерного параметра χh. Видно, что положительный эффект по уменьшению энергетических затрат проявляется при χh<5 и может приводить к экономии до 50% энергии излучения лазера при χh~0,l. Уменьшение максимальных растягивающих напряжений при реализации описанного способа обработки проявляется при χh<4. Максимальные растягивающие напряжения могут быть уменьшены, например, более чем в 10 раз при χh<0,8, что должно существенно повысить выход годных пластин при высокотемпературном лазерном отжиге.
[62]При χh>5 оба способа обработки требуют практически одинаковых энергетических затрат, но максимальные растягивающие напряжения при обработке предложенным способом будут примерно в 2 раза больше. Поэтому при χh>5 предложенный способ применять нецелесообразно.
[63]Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин приводит к уменьшению энергетических затрат и повышению выхода годных пластин за счет снижения максимальных растягивающих напряжений в обрабатываемых пластинах при значении безразмерного параметра χh<4.
[65]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.
[66]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.
[67]3. Атаманюк В.М., Коваленко А.Ф. Левун И.В., Федичев А.В. Способ обработки неметаллических материалов. Патент RU 2211753 С2. Опубл. 10.09.2003. Бюл. №25.
[68]4. Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов // Приборы и техника эксперимента. - 2004. №4.-С. 119-124.
[69]5. Коваленко А.Ф. Неразрушающие режимы импульсного лазерного отжига стеклянных и керамических пластин // Стекло и керамика. 2006. №7. С. 31-33.
[70]6. Коваленко А.Д. Термоупругость. Киев: Вища школа, 1973. - 216 с.
[71]7. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.
