Способ лазерной обработки неметаллических пластин



Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
Способ лазерной обработки неметаллических пластин
H01L21/3247 - Способы и устройства для изготовления или обработки полупроводниковых приборов или приборов на твердом теле или их частей (способы и устройства, специально предназначенные для изготовления и обработки приборов, относящихся к группам H01L 31/00- H01L 49/00, или их частей, см. эти группы; одноступенчатые способы изготовления, содержащиеся в других подклассах, см. соответствующие подклассы, например C23C,C30B; фотомеханическое изготовление текстурированных поверхностей или поверхностей с рисунком, материалы или оригиналы для этой цели; устройства, специально предназначенные для этой цели вообще G03F)[2]

Владельцы патента RU 2685427:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова" (ФГУП "ВНИИА") (RU)

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Предложен способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью пластины температуры отжига. Согласно заявленному способу осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, обеспечивающей выполнение критерия термопрочности. Технический результат - исключение разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе обработки и повышение выхода годных пластин.

 

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов излучением лазеров, работающих в непрерывном режиме.

Известен способ обработки неметаллических материалов, применяемый для аморфизации кремния и заключающийся в облучении поверхности пластины импульсом лазерного излучения с плотностью энергии, достаточной для плавления поверхностного слоя. Боязитов Р.М. 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.

Известен также способ обработки неметаллических материалов, применяемый для отжига ионно-легированного кремния. 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.

Недостатком указанных способов является то, что они не учитывают термоупругие напряжения, возникающие в пластинах в процессе обработки и могущие привести к разрушению пластин.

Также известен способ обработки неметаллических материалов, 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

где q(t) – плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2;

τ – длительность импульса лазерного излучения, с;

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

е – основание натурального логарифма;

t – текущее время от начала воздействия, с.

Патент РФ № 2211753, МПК B23K 26/00, 10.09.2003.

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 [Коваленко А.Ф. Экспериментальная установка для исследования влияния параметров лазерного импульса на разрушение неметаллических материалов // Приборы и техника эксперимента. – 2004, №4. – С. 119-124]. Но этот способ не работает, когда длительность лазерного импульса составляет ~ 10-2–10-6 с и необходимо рассматривать квазистатическую задачу термоупругости.

Известен способ лазерной обработки, в частности, используемый для лазерного отжига неметаллических пластин, в котором плотность энергии на поверхности пластины определяют по соотношению

,

где Wf – плотность энергии лазерного излучения, требуемая для нагрева поверхности пластины до температуры отжига;

Tf – температура отжига пластины;

T0 – начальная температура пластины;

с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

R – коэффициент отражения материала пластины;

χ – показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения,

и осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению

,

где σР – предел прочности материала пластины на растяжение;

ν – коэффициент Пуассона материала пластины;

h – толщина пластины;

Е – модуль Юнга;

αТ – коэффициент линейного расширения материала пластины;

е – основание натурального логарифма.

Патент РФ № 2602402, МПК H01L 21/428, 20.11.2016.

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.

Недостатком указанного способа является то, что он применим только при импульсном режиме воздействия, когда выполняется условие

(1)

где а – коэффициент температуропроводности материала пластины;

τи – длительность лазерного импульса.

Если для отжига, например, пластины из оптической керамики КО3 применяется непрерывный СО2-лазер, то поглощение излучения в обрабатываемой пластине будет объемным. Нагрев пластины будет осуществляться посредством прямого проникновения излучения в пластину и за счет механизма теплопроводности, то есть условие (1) выполняться не будет.

Известен также способ отжига неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, определяемой по соотношению

где:

– функция безразмерных параметров и ;

t – время воздействия лазерного излучения.

Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. – Физика и химия обработки материалов. 2004. № 6. – С. 25–29. Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что возможны такие режимы обработки, при которых плотность энергии лазерного излучения, вызывающая разрушение пластины термоупругими напряжениями, окажется меньше плотности энергии, необходимой для достижения облучаемой поверхностью пластины температуры отжига, то есть в процессе обработки возможно разрушение пластин термоупругими напряжениями.

Техническим результатом изобретения является исключение разрушения пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига и повышение выхода годных пластин.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки неметаллических пластин, заключающемся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, определяемой по уравнению

,

где Tf – температура отжига пластины;

T0 – начальная температура пластины;

с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

h – толщина пластины;

R – коэффициент отражения материала пластины на длине волны лазерного излучения;

;

χ – показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;

– критерий Фурье;

а – коэффициент температуропроводности материала пластины;

t – время воздействия лазерного излучения;

n = 1, 2, 3, … ∞ - натуральное число;

е – основание натурального логарифма;

π ≈ 3,14,

осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению

,

где:

;

σР – предел прочности материала пластины на растяжение;

ν – коэффициент Пуассона материала пластины;

Е – модуль Юнга материала пластины;

αТ – коэффициент линейного расширения материала пластины.

Ниже приводится более подробное описание заявляемого способа лазерной обработки неметаллических пластин. Сущность способа состоит в следующем. Для предотвращения изгиба пластины при обработке ее, как правило, свободно защемляют по контуру [Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. – Физика и химия обработки материалов. 2004. № 6. – С. 25–29]. Пластина полностью накрывается лазерным излучением. В этом случае температурное поле в пластине будет изменяться только по ее толщине. В свободно защемлённой по контуру пластине под действием температурного поля, изменяющегося только по толщине пластины, возникают термоупругие напряжения [Коваленко А. Д. Термоупругость. – Киев: «Вища школа», 1973. – 216 с.]:

, (2)

где: (3)

- термоупругие напряжения в пластине, зависящие от координаты z и времени t;

εТ – средняя по толщине пластины температура;

x, y, z – координаты, причем z – координата, отсчитываемая от облучаемой поверхности пластины вглубь;

T(z,t) – температура в точке с координатой z в момент времени t.

Анализ уравнения (2) показывает, что термоупругие напряжения в пластине являются сжимающими там, где текущая температура выше средней температуры по толщине пластины, и растягивающими – там, где текущая температура ниже средней по толщине пластины. Так как хрупкие материалы, к которым относятся полупроводниковые, керамические и стеклообразные материалы, имеют предел прочности на растяжение в 5–10 раз меньше, чем на сжатие [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. – М.: Наука. 1986. – 512 с. – С. 75], дальнейший анализ проведем для растягивающих напряжений.

В работе [Коваленко А. Ф. Метод обоснования неразрушающих режимов лазерной обработки пластины с объемным поглощением. – Физика и химия обработки материалов. 2004. № 6. – С. 25–29] с учетом уравнений (2), (3) и уравнения для температурного поля в пластине получены уравнения для расчёта плотности энергии, вызывающей разрушение пластины термоупругими напряжениями

(4)

где:

,

и уравнение для расчёта плотности энергии, требуемой для достижения облучаемой поверхностью пластины температуры отжига

. (5)

Разделив (4) на (5) и поставив условие WT/Wf≥1, получим критерий термопрочности пластины для случая объёмного поглощения лазерного излучения при непрерывном режиме воздействия:

(6)

где

. (7)

Левая часть неравенства (6) является константой, характеризующей отношение предела прочности на растяжение материала пластины, свободно защемлённой по контуру, к максимальным растягивающим напряжениям в ней при одностороннем нагреве. Правая часть неравенства является функцией двух безразмерных параметров χh и τ. Максимального значения, равного 0,35, функция f(χh,τ) достигает при χh≈5 и τ≈0,1. Если условие (6) выполняется, можно производить лазерный отжиг пластины. Если это условие не выполняется, то разрушение пластины термоупругими напряжениями произойдет при меньшей плотности энергии, чем требуется для достижения поверхностью пластины температуры отжига, и лазерный отжиг проводить в данном режиме нельзя.

Из неравенства (6) найдем значение начальной температуры, при которой критерий термопрочности будет выполнен

. (7)

Нагрев пластины осуществляют в муфельной печи до требуемой для выполнения критерия термопрочности температуры Т0 и выдерживают необходимое время для выравнивания температуры по толщине пластины. Время выдержки определяют из критерия Фурье , определяющего тепловую инерцию пластины

, (8)

где tB – время выдержки пластины при требуемой для выполнения критерия термопрочности температуре.

После выдержки пластины в муфельной печи осуществляют воздействие на нее лазерного излучения с плотностью энергии, определяемой по уравнению (5).

Пример осуществления способа обработки. Необходимо провести лазерный отжиг поверхности пластины из цветного оптического стекла ЖЗС12 толщиной 0,5 см излучением Nd:YAG-лазера, работающего в непрерывном режиме. Время воздействия излучения на пластину составляет 2 с. Показатель поглощения данной марки стекла для излучения с длиной волны 1,06 мкм составляет 10 см-1 [ГОСТ 9411 – 90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992. 48 с.]. Безразмерный параметр χh = 5, безразмерный параметр τ=0,5. Начальную температуру пластины примем равной 300 К, температуру отжига – 1100 К. Расчет по уравнению (5) показывает, что для отжига пластины потребуется плотность энергии лазерного излучения 580 Дж/см2. Расчет по уравнению (4) показывает, что для разрушения термоупругими напряжениями пластины толщиной 0,5 см требуется плотность энергии 346 Дж/см2, то есть меньше, чем для отжига. Рассчитаем левую и правую части критерия термопрочности (6). Левая часть неравенства (6) составляет 0,115. Правая часть неравенства (6) при χh = 5 и τ=0,5 составляет 0,193. Видно, что критерий термопрочности не выполнен. Пластина будет разрушена термоупругими напряжениями. Чтобы этого не произошло, необходимо пластину предварительно нагреть в муфельной печи до температуры не менее 623 К и выдержать при этой температуре не менее 125 секунд для выравнивания температуры по толщине пластины. Расчеты выполнены по уравнениям (7) и (8) при следующих исходных данных [ГОСТ 9411 – 90. Стекло цветное оптическое. М.: Изд-во стандартов, 1992. 48 с., Стекло / Под ред. Н. М. Павлушина. М.: Стройиздат, 1973. 280 с.]: σР = 70 МПа, Е = 80 ГПа, ν = 0,2, αТ = 7,6·10-6 К-1, а = 6·10-3 см2/с. Примем новое значение начальной температуры Т0=630 К. Затем воздействуют на пластину лазерным излучением с плотностью энергии не более 341 Дж/см2 (плотность мощности 170,5 Вт/см2 при времени воздействия 2 с). Расчеты проведены по уравнению (4) для нового значения начальной температуры 625 К. Температура поверхности пластины при этом достигает температуры отжига, а термоупругие напряжения не превысят предела прочности материала.

Таким образом, реализация предложенного способа лазерной обработки неметаллических пластин приводит к исключению их разрушения термоупругими напряжениями в процессе лазерного отжига и повышению выхода годных пластин.

Способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, определяемой по уравнению

,

где Tf – температура отжига пластины;

T0 – начальная температура пластины;

с и ρ – удельная теплоемкость и плотность материала пластины соответственно;

h – толщина пластины;

R – коэффициент отражения материала пластины на длине волны лазерного излучения;

;

χ – показатель поглощения материала пластины на длине волны лазерного излучения;

– критерий Фурье;

а – коэффициент температуропроводности материала пластины;

t – время воздействия лазерного излучения;

n = 1, 2, 3, … ∞ - натуральное число;

е – основание натурального логарифма;

π ≈ 3,14,

отличающийся тем, что осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, определяемой по уравнению

,

где:

;

σР – предел прочности материала пластины на растяжение;

ν – коэффициент Пуассона материала пластины;

Е – модуль Юнга материала пластины;

αТ – коэффициент линейного расширения материала пластины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

Изобретение может быть использовано для лазерного пробития сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ обработки неметаллических пластин согласно изобретению заключается в облучении их поверхности лазерным импульсом с минимальной расходимостью.

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к получению наноструктур на поверхности полупроводника. Способ модификации полупроводниковой пленки согласно изобретению заключается в том, что воздействуют на полупроводниковую пленку непрерывным лазерным излучением с энергией кванта превосходящей ширину запрещенной зоны в диапазоне мощности от 5 до 10 Вт, при диаметре лазерного пучка на поверхности пленки от 30 до 100 мкм, так чтобы интенсивность воздействия не превышала 106 Вт/см2, при сканировании поверхности пленки со скоростью от 40 до 160 мкм/с.

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике. Cпособ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, при этом в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл, с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при изготовлении высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) толстопленочной схемы. .

Использование: для изготовления полупроводниковых приборов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для отделения от подложки композитной структуры на основе полупроводниковой пленки содержит оправку для крепления композитной структуры с эпитаксиальной полупроводниковой пленкой, жестко связанной посредством жертвенного слоя с ростовой подложкой, и прикрепляемой к оправке со стороны композитной структуры, средства изгибания композитной структуры для облегчения травления жертвенного слоя и отделения от подложки композитной структуры с эпитаксиальной полупроводниковой пленкой в резервуаре, заполняемом травителем, при этом оправка выполнена в виде мембраны-носителя с одной плоской торцевой поверхностью, предназначенной для крепления композитной структуры, а второй – криволинейной - для изгиба композитной структуры, с толщиной, уменьшающейся в направлении от центра к периферии мембраны-носителя, и со сквозными отверстиями, с диаметром отверстий и распределением их по площади торцевой поверхности с увеличением их плотности от центра к периферии, в совокупности обеспечивающими равномерность прижима и сохранность композитной структуры, средства изгибания выполнены в составе основания, дренажной трубки, упора, гофрированного сильфона, мембраны-носителя, при этом в центральной части основания сформировано сквозное отверстие, в котором с одной стороны основания герметично закреплена дренажная трубка, а с другой - упор, состоящий из полой ножки и соединенной с ней выпуклой крышки, ножка упора герметично закреплена в отверстии основания и снабжена в боковой части сквозным отверстием, мембрана-носитель криволинейной поверхностью ориентирована к стороне основания, относительно которой в отверстии закреплен упор, и установлена своей центральной частью относительно упора с зазором, устраняемым при закреплении и изгибании композитной структуры на мембране-носителе, между мембраной-носителем и основанием расположен герметично соединенный с ними гофрированный сильфон с возможностью формирования ограниченного основанием, сильфоном и мембраной-носителем рабочего объема устройства, с возможностью изменения в нем давления посредством отверстия в упоре и дренажной трубки для закрепления композитной структуры к мембране-носителю за счет сквозных отверстий мембраны-носителя и изгибания закрепленной композитной структуры и мембраны-носителя, жесткость сильфона пренебрежимо мала по сравнению с жесткостью мембраны-носителя.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов, а именно к получению пластин монокристалла широкозонного нитрида галлия (GaN) с гексагональной кристаллической решеткой.

Изобретение относится к устройству для нанесения жидкой среды, подвергаемой ультрафиолетовому облучению, на подложку. Целью изобретения является расширение области с равномерной концентрацией радикалов на поверхности подложки.

Изобретение относится к устройству для нанесения жидкой среды, подвергаемой ультрафиолетовому облучению, на подложку. Устройство содержит: кожух, имеющий продолговатую камеру, по меньшей мере одно впускное отверстие, которое открыто в камеру, и по меньшей мере одно щелевое выпускное отверстие, противоположное впускному отверстию, которое проходит по длине камеры.

Способ изготовления полупроводникового устройства включает в себя нанесение проводящей пасты, содержащей металлические частицы, на заданную область в электродной пластине, включающей в себя выемку на поверхности электродной пластины, причем заданная область находится рядом с выемкой, размещение полупроводниковой микросхемы на проводящей пасте так, чтобы внешний периферийный край полупроводниковой микросхемы располагался над выемкой, размещение оправки в положении над выемкой и вблизи внешнего периферийного края полупроводниковой микросхемы с обеспечением зазора между оправкой и внешней периферийной частью электродной пластины, которая представляет собой часть, расположенную дальше во внешней периферийной стороне, чем выемка, и затвердевание проводящей пасты путем нагревания проводящей пасты при приложении давления к полупроводниковой микросхеме в направлении электродной пластины.

Изобретение относится к материаловедению полупроводников и предназначено для контроля качества выращиваемых гетероэпитаксиальных слоев теллурида кадмия-ртути CdHgTe кристаллографической ориентации (310) при отработке процесса молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) для выявления различных типов дислокаций в слоях структур CdHgTe.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полевого транзистора с пониженной плотностью дефектов.

Изобретение относится к области нагревательных устройств и может быть использовано для регулирования температуры обработки полупроводниковой пластины в процессе выращивания полупроводникового слоя.

Использование: для создания фильтрующего элемента с датчиком измерения перепадов давления. Сущность изобретения заключается в том, что фильтрующий элемент содержит основное тело, причем на основном теле размещен датчик для измерения перепадов давления, причем указанный датчик содержит электронный чип и сенсорный чип, расположенные внутри функционального объема, который имеет длину максимум 4-5 мм, ширину максимум 2-3 мм и высоту максимум 0,5-0,8 мм.

Изобретение относится к области техники жидкокристаллических дисплеев, в частности к контролю конструкции с МДП-структурой (структурой металл - диэлектрик - полупроводник) в ТПТ (тонкопленочных транзисторах) и его системе.

Изобретение предлагает способ изготовления тонкой пленки низкотемпературного поликристаллического кремния, включающий этап выращивания слоя аморфного кремния, этап первоначального выращивания слоя оксида кремния на слое аморфного кремния, затем формирование некоторого множества вогнутых поверхностей на слое оксида кремния, которые будут отражать лучи света, вертикально проецируемые на оксид кремния, и, последним, этап проецирования луча эксимерного лазера на слой аморфного кремния через слой оксида кремния, чтобы преобразовать слой аморфного кремния в тонкую пленку низкотемпературного поликристаллического кремния.

Изобретение относится к способу перекристаллизации для получения самоподдерживающихся кристаллических кремниевых лент с размером зерна более 1 мм. .
Изобретение относится к области производства подложек из лейкосапфира для гетероэпитаксии нитридов III группы. .

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига пластин из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Предложен способ лазерной обработки неметаллических пластин, заключающийся в облучении их поверхности непрерывным лазерным излучением с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью пластины температуры отжига. Согласно заявленному способу осуществляют предварительный нагрев пластины до температуры, обеспечивающей выполнение критерия термопрочности. Технический результат - исключение разрушения пластин термоупругими напряжениями в процессе обработки и повышение выхода годных пластин.

Наверх