RU2785420C1

RU2785420C1 - Method for laser annealing of non-metallic materials

Info

Publication number: RU2785420C1
Application number: RU2022112686A
Authority: RU
Inventors: Александр Фёдорович Коваленко
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-12-07

Abstract

FIELD: laser annealing methods.

SUBSTANCE: invention relates to a method for laser annealing of non-metallic materials and can be used for laser annealing of semiconductor, ceramic and glassy materials. The surface is irradiated with a laser pulse of a rectangular time shape with the required energy density. The initial laser pulse is divided by a dielectric mirror with a reflection coefficient of 20% into two pulses, and the second pulse is timed for the duration of the first pulse. The power density in the first pulse is 80% of the power density in the initial laser beam.

EFFECT: increasing the yield of suitable products in the process of laser annealing of non-metallic materials by reducing thermoelastic stresses and reducing the area of possible spall fracture of the material.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологическим процессам и может быть использовано для лазерного отжига полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.The invention relates to technological processes and can be used for laser annealing of semiconductor, ceramic and glassy materials.

Известен способ обработки неметаллических материалов, заключающийся в облучении их поверхности лазерным импульсом прямоугольной временной формы с плотностью энергии, определяемой по уравнениюA known method of processing non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation

, (1)

, (one)

где T_f – температура отжига;where _Tf is the annealing temperature;

T₀ – начальная температура;T ₀ - initial temperature;

с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала соответственно;c and ρ are the specific heat capacity and density of the material, respectively;

R – коэффициент отражения материала;R is the reflection coefficient of the material;

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.χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Studies of thermoelastic stresses arising in the absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF. 1982. - No. 6. - S. 92-98]. The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.

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 уравнениемThere is also known a method for laser annealing of non-metallic materials, which includes irradiating the surface of the material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density, which is determined by equation (1), while the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 40% and a time delay is performed of the reflected pulse for the time of exposure to the material of the laser pulse passed through the dielectric mirror. RF patent No. 2692004, IPC B23K 26/402, B23K 26/53, 06/19/2019. In this case, the time shape of the laser pulse acting on the material will be described by the equation

. (2)

Недостатком способа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of this method is that the thermoelastic stresses arising in the material can lead to the destruction of the material due to spalling from the side of the irradiated surface.

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 уравнениемThere is also known a method for laser annealing of non-metallic materials, which includes irradiating the surface of the material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density, which is determined by equation (1), while the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror with a reflection coefficient of 30% and a time delay is performed of the reflected pulse for the time of exposure to the material of the laser pulse passed through the dielectric mirror. RF patent No. 2763362, IPC B23K 26/402, B23K 26/53, 12/28/2021 - prototype. In this case, the time shape of the laser pulse acting on the material will be described by the equation

. (3)

Недостатком прототипа является то, что возникающие в материале термоупругие напряжения могут привести к разрушению материала вследствие откола со стороны облучаемой поверхности.The disadvantage of the prototype is that arising in the material thermoelastic stresses can lead to the destruction of the material due to spall from the irradiated surface.

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.The technical result of the invention is to increase the yield of suitable products in the process of laser annealing of non-metallic materials by reducing thermoelastic stresses and the area of possible spall fracture of the material.

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 уравнениюThe technical result is achieved by the fact that in the method of laser annealing of non-metallic materials, which consists in irradiating their surface with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density determined by the equation

,

T₀ – начальная температура;T ₀ - initial temperature;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения,χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation,

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.The initial laser pulse is divided by a dielectric mirror into two pulses and the second pulse is time-delayed for the duration of the first pulse, the power density in the first pulse is 80% of the power density of the initial laser pulse.

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.In FIG. Figure 1 shows a laser processing unit that makes it possible to implement the claimed method, where: 1 is a laser with a Q-switch based on an acousto-optic shutter, 2 is a dielectric mirror with a reflectance of 20%, 3 is a dielectric mirror with a reflectance of 99.9%, 4 is a processed material, 5 and 6 are focusing lenses that create the required energy density on the surface of the processed material 4.

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:Dielectric mirror 2 divides the laser pulse into two pulses with a power density of 0.8q and 0.2q (q is the power density of the laser radiation in the initial pulse). The first pulse passed through the mirror 2 with a power density of 0.8q is focused by the lens 5 onto the surface of the processed material 4 into a spot of the required diameter. The second pulse reflected by mirror 2 with a power density of 0.2q is directed to a dielectric mirror 3 with a reflection coefficient of 99.9%, which combines the reflected pulse on the surface of the material being processed 4 with the pulse transmitted through mirror 2. Lens 6 focuses the second pulse into a spot of the required diameter . The difference in the lengths of the paths of the first and second laser pulses provides a delay of the second pulse for the duration of the impact of the first pulse on the surface of the material being processed. As a result, the surface of the processed material is affected by a laser pulse, the temporal shape of which is described by the equation:

. (4)

. (four)

Сравним воздействие на поверхность обрабатываемого материала двух лазерных импульсов равной плотности энергии, временная форма которых описывается уравнениями (3) и (4).Let us compare the effect on the surface of the processed material of two laser pulses of equal energy density, the temporal shape of which is described by equations (3) and (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:In accordance with [Bakeev A.A., Sobolev A.P., Yakovlev V.I. Studies of thermoelastic stresses arising in an absorbing layer of a substance under the action of a laser pulse. PMTF. 1982. - No. 6. - S. 92–98], the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material are calculated by the equation:

, (5)

где

– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала; where

are the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material;

K – модуль всестороннего сжатия;K is the modulus of all-round compression;

α – коэффициент линейного расширения материала;α is the coefficient of linear expansion of the material;

е – основание натурального логарифма;e is the base of the natural logarithm;

sh(χx) – функция «гиперболический синус»;sh(χx) is the "hyperbolic sine" function;

χ – показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения;χ is the absorption index of the material at the wavelength of laser radiation;

х – координата, отсчитываемая от поверхности материала вглубь;x is the coordinate measured from the surface of the material in depth;

с₀ – скорость звука в материале;c ₀ is the speed of sound in the material;

τ – длительность лазерного импульса.τ is the duration of the laser pulse.

Подставив уравнения (3) и (4) в (5) и выполнив интегрирование, получим уравнения для расчета максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое обрабатываемого материала:Substituting equations (3) and (4) into (5) and performing integration, we obtain equations for calculating the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the processed material:

; (6)

, (7)

где

– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (3);where

are the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material under the action of a laser pulse with a time shape described by equation (3);

– максимальные растягивающие напряжения в поглощающем слое материала при воздействии лазерного импульса с временной формой, описываемой уравнением (4).

are the maximum tensile stresses in the absorbing layer of the material under the action of a laser pulse with a time shape described by equation (4).

Разделив (7) на (6) и проведя математические преобразования, получим Dividing (7) by (6) and performing mathematical transformations, we obtain

. (8)

. (eight)

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).In FIG. 2 shows the dependency graph

, constructed by relation (8). It can be seen that the ratio

. Moreover, as the parameter increases

the ratio decreases and tends to 0.67. This proves that the laser pulse described by equation (4) creates maximum tensile stresses in the material less than the laser pulse described by equation (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:From equations (6) and (7), we determine the energy density of laser radiation, which causes spall fracture of the material from the side of the irradiated surface for the action of laser pulses described by equations (3) and (4), respectively:

; (9)

, (10)

, (ten)

где σ_Р – предел прочности материала на разрыв.where σ _R is the tensile strength of the material.

Уравнения (9) и (10) получены для минимальных значений плотностей энергии, когда

.Equations (9) and (10) were obtained for the minimum energy densities when

.

Плотность энергии лазерного излучения, необходимую для достижения поверхностью материала температуры отжига, определяют по уравнению (1). Разделив (9) и (10) соответственно на (1), получим:The energy density of laser radiation required for the surface of the material to reach the annealing temperature is determined by equation (1). Dividing (9) and (10), respectively, by (1), we get:

; (11)

; (eleven)

. (12)

Поставив условие

и

, после математических преобразований получим:Setting the condition

and

, after mathematical transformations we get:

; (13)

. (14)

. (fourteen)

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, σ_Р = 6·10⁷ Па, Т_f = 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.Let us analyze inequalities (13) and (14). The left parts of the inequalities are the characteristics of the material, showing the ratio of the tensile strength of the material to the maximum tensile stresses that occur during pulsed heating of the material to the annealing temperature. The right parts of inequalities (13) and (14) are functions of the dimensionless parameter

and depend on the time shape of the laser pulse. If inequalities (13) and (14) are satisfied, then laser annealing of the material is possible. Otherwise, spall fracture of the material will occur. The analysis of inequalities (13) and (14) must be carried out for specific materials. For example, for glass SZS-21, in which K = 4 10 ¹⁰ Pa, α = 8.6 10 ^-6 K ^-1 , σ _P = 6 10 ⁷ Pa, T _f = 700 K, T ₀ = 300 K, the left side of inequalities (13) and (14) is equal to 0.29. The absorption index of SZS-21 glass at a wavelength of 1.06 µm is 22.4 cm ^-1 , the speed of sound in the material is 5.7·10 ³ m/s.

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.In FIG. Figure 3 shows a graphical solution of inequalities (13) - row 1 and (14) - row 2 for colored optical glass SZS-21 - row 3. It can be seen that when exposed to a laser pulse, the temporal shape of which is described by equation (3), inequality (13) performed at

≥ 1.25, which corresponds to the duration of the laser pulse τ ≥ 0.98·10 ^-7 s. Inequality (14) for a laser pulse whose time shape is described by equation (4) is satisfied for

≥ 1.05, which corresponds to the duration of the laser pulse τ ≥ 0.82·10 ^-7 s.

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.Thus, the proposed technical solution makes it possible to reduce the maximum tensile stresses by about 20–30% and to reduce the range of change of the dimensionless parameter

, in which spall fracture of the material is possible, which will increase the yield of suitable products during laser annealing of non-metallic materials.

Пример реализации способа.An example of the implementation of the method.

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).It is necessary to perform laser annealing of the surface of the SZS-21 optical colored glass with a pulsed laser with a wavelength of 1.06 μm and a pulse duration of 90 ns. The required energy density on the surface of the material is 35.3 J/cm ² . The calculation was carried out at R = 0.04, c = 0.76 10 ³ J/(kg K) and ρ = 2.5 10 ³ kg/m ³ according to equation (1). In this case, the energy density causing spall fracture of the material from the side of the irradiated surface by the laser pulse described by equation (3) will be 31 J/ ^cm2 . The calculations were carried out according to equation (9). Therefore, laser annealing is not possible, since the destruction of the material will occur. Let us divide the initial laser pulse using a dielectric mirror (2) with a reflection coefficient of 20% into two pulses with a power density of 80% and 20%. A laser pulse with a power density of 80% of the original affects the material being processed. In this case, the focusing lens (5) creates the required energy density on the surface of the processed material. The laser pulse reflected by the mirror (2) with a power density of 20% of the initial one is directed to the material being processed by the dielectric mirror (3) with a reflection coefficient of 99.9%. The converging lens (6) increases the power density in the pulse to the required one. In this case, due to the additional path, the second pulse is delayed for the duration of the first pulse. The energy density causing spall fracture of the material in this case will be 35.7 J/cm ² . Therefore, it is possible to carry out laser annealing of the material. The calculations were carried out according to equation (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.As a rule, lasers with Q-switching by acousto-optical switches operate in the frequency mode. The pulse repetition frequency is 1–8 kHz. This allows laser annealing of large area surfaces by moving the workpiece after each pulse to the required distance.

Claims

A method for laser annealing of non-metallic materials, which includes irradiating the surface of a non-metallic material with a laser pulse of a rectangular time shape with an energy density W _f , which is determined by the equation

,

where W _f is the energy density of the laser pulse, J/cm ² ;

T _f is the annealing temperature, K;

T ₀ - initial temperature, K;

с - specific heat capacity, J/(kg⋅K);

ρ is the density of the material, kg/m ³ ;

R is the reflection coefficient of the material;

χ - absorption index of the material at the wavelength of laser radiation, cm ^-1 ;

at the same time, the initial laser pulse is divided into two pulses by means of a dielectric mirror and the second pulse is temporarily delayed for the duration of the first pulse, characterized in that the power density in the first pulse is set equal to 80% of the power density of the initial laser pulse.