Лазерные технологии модификации тонкоплёночных покрытий (1051436), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Поверхность образца из алюминия после обработки короткоимпульсным лазерным излучением

А ктивное промышленное внедрение технологии лазерного наклепа Laser Shot Peening связано с высокими показателями механических свойств, которые она придает соединениям тонкостенных металлических деталей. В статье представлены результаты экспериментальных исследований процесса модификации металлических поверхностей сериями лазерных импульсов наносекундной длительности. В качестве источника излучения для обработки алюминиевых сплавов использован твердотельный Nd:YAG лазер с ламповой накачкой.

Идея технологии лазерного наклепа Laser Shot Peening заключается в лазерном упрочнении металлической поверхности ударной волной. Ударная волна индуцируется в тонком слое металла коротким импульсом, генерируемым лазером. Технология уже зарекомендовала себя в аэрокосмической промышленности, где ее используют для упрочнения поверхности крыльев и слабых участков элементов деталей самолетов «Боинг».

При этом срок службы обработанных по технологии Laser Shot Peening деталей, например обшивки фюзеляжа и несущих плоскостей планера самолета, увеличивается в несколько раз. Успех от применения данной технологии связан с формированием сжимающих поверхностных напряжений, возникающих под действием короткоимпульсного лазерного излучения. Специалистам известно, что прочность материала, работающего на сжатие, выше прочности того же материала, работающего под действием растягивающих напряжений. Упрочнение/наклеп и деформирование материала происходит индуцированной лазерным излучением ударной волной при воздействия лазерного излучения с плотностью мощности порядка 10⁹ Вт/см². Многочисленные опыты, проведенные в разных странах, показали, что после обработки по технологии Laser Shot Peening прочность и ресурс облученных деталей увеличивается в несколько раз. Применение лазерного наклепа, меняющего растягивающие напряжения на сжимающие, например, в сварных швах, значительно повышает их механические свойства.

Лазерная очистка поверхности

В настоящее время технология лазерной очистки находит все более широкое применение в реставрационной практике. В наибольшей степени эта технология отработана для мрамора и других горных пород, но в последнее время все чаще используется для консервации памятников из различных металлов и служит для удаления очагов коррозии, солей, минеральных частиц и органических материалов. Однако наиболее широкое применение, лазерная очистка, находит в машиностроении.

Поверхность пластины с золотым покрытием толщиной 0,3 мкм:

а) корковое загрязнение (состояние до лазерной обработки)

б) фрагмент очищенной лазером поверхности

Такие технологии можно применять для очистки поверхности, например, перед процессом нанесения тонких плёнок, однако это гораздо дороже, чем химия. Что касается золотых покрытий, то золото ни с чем не реагирует, что позволяет использовать практически любые химические растворы, чтобы очистить такую поверхность.

Лазерная подгонка пластин

В начале 60-х годов исследователи, занимавшиеся лазерами, обнаружили, что рубиновый лазер способен плавить и испарять в небольших количествах металл. За прошедшие два десятилетия проведены многочисленные исследования эффектов, происходящих при поглощении поверхностью материала мощного лазерного излучения. К концу 60-х годов начинается применение лазеров на производстве. Успехи в создании мощных СО2-лазеров позволили к началу 70-х годов обеспечить сварку с глубоким проплавлением, что расширило область толщин материала, пригодных для лазерной обработки. В настоящее время лазеры используются во многих технологических процессах, связанных с обработкой материалов. Применительно к таким операциям, как подгонка резисторов и сверление отверстий в керамике, лазерная обработка уже успела стать главным методом. Для других операций – сварки, резки, термообработки – лазерная технология успешно конкурирует с традиционными методами. Открываются и новые направления исследований в области применения лазерной технологии, особенно при обработке полупроводников. Появляются возможности для создания новых методов получения полупроводниковых элементов путем лазерного выращивания и отжига точечных дефектов после ионной имплантации. В статье рассмотрены физические явления, лежащие в основе лазерной технологии, и приводится обзор главных ее применений.

Лазерная обработка тонкой металлической пленки производится следующим образом:

1) короткие импульсы лазерного излучения фокусируются на поверхности пленки,

2) энергия поглощается металлической пленкой,

3) в результате поглощения пленка нагревается, плавится и (или) испаряется,

4) за счет поверхностного натяжения происходит удаление вещества,

5) наконец, происходит отвод тепла главным образом из-за теплопроводности через подложку. Этот процесс был проанализирован в рамках классической теории теплопроводности. Приняв два упрощающих предположения, получают в аналитическом виде решение, выражающее увеличение температуры пленки как функцию времени, прошедшего после начала поглощения излучения. Эти предположения, сильно уменьшая сложность конечного результата и способствуя его наглядности, физически хорошо обоснованны и справедливы в большинстве представляющих практический интерес случаев.

Во-первых, предполагается, что толщина пленки d и температуропроводность К таковы, что нет сколь-нибудь значительного градиента температуры по толщине пленки; т. е. температура во всех точках пленки одинакова в любой момент времени t данного процесса. Расчеты Стерна показывают, что это предположение справедливо для пленок, у которых 4Kt/d2>>1 и это обычно выполняется.

Во-вторых, считается, что радиальными потоками тепла как в пленке, так и в подложке можно пренебречь, что оправданно в большинстве случаев. Это позволяет считать задачу переноса тепла одномерной.

Пользуясь геометрией и обозначениями, определенными на рис.1 и в табл.1, для увеличения температуры пленки получим

Рис. 1. Геометрия взаимодействия при лазерной обработке тонкой плёнки.

Тепловые постоянные некоторых материалов.

Таблица 1

Анализ этого результата в ряде предельных случаев проясняет сущность происходящих физических процессов. Во-первых, рассмотрим случай, когда t велико (длинные импульсы) и (или) d мало (очень тонкие пленки); этот случай, который мы будем называть «пределом тонкой пленки/длинного импульса», имеет место при

или ; при

Т ак как величина ρС для всех материалов приблизительно постоянна, условие (2) означает, что толщина пленки должна быть малой по сравнению с длиной термодиффузии или тепловой глубиной проникновения в подложку. В этом случае увеличение температуры определяется только теплопроводностью подложки, и пленка не играет никакой роли, а лишь служит поглощающей средой на поверхности. Пороговый поток I_m (определяемый как поглощаемый поток, необходимый для увеличения температуры пленки до ее точки плавления Т_m) равен

Таким образом, пороговый поток меняется с длительностью импульса как t-1/2 а пороговая энергия Е_m =I_mt– как t1/2 (рис. 2).

Разлагая в ряд экспоненту и дополнительную функцию ошибок, получим выражение для порогового потока

Другой предельный случай очень коротких импульсов или толстых пленок мы будем называть «пределом толстой пленки/ короткого импульса». Он осуществляется при

, при

Разлагая в ряд экспоненту и дополнительную функцию ошибок, получим выражение для порогового потока

и E_m=p₁C₁lT_md. Этот результат, также показанный на рис. 2, естественно интерпретировать как условие того, что вся энергия используется в качестве тепла, необходимого для нагрева пленки до температуры плавления. Энергия, переданная подложке, пренебрежимо мала, поэтому подложка никак не влияет на температуру пленки.

Исходя из данных табл.1, можно показать, что для пленки хрома толщиной 600 Å на подложке из плавленого кварца предел короткого импульса соответствует t< 60 нс, при t = 0,36 нc для этой пленки 4k₁t/d²~10.

П ОДГОНКА РЕЗИСТОРОВ

Возможность обрабатывать с помощью лазера тонкие пленки, осажденные на диэлектрические подложки, была впервые продемонстрирована в работе Коэна и др, где лазер на АИГ: Nd был применен для создания танталовых пленочных резисторов нужной геометрии и подгонки величины их сопротивления до номинального значения. За этим скромным началом в 1968 г. последовал период успешного развития технологии лазерной подгонки, и сегодня продаются сотни лазеров в год, а объем выпуска подобных систем к 1981 г. значительно превысил тысячу.

Лазерной технологии удалось преуспеть в конкурентной борьбе с традиционными методами подгонки резисторов. Поскольку при этом наибольшее распространение получил лазер на АИГ: Nd с модуляцией добротности и непрерывной накачкой, ниже мы более подробно рассмотрим причины, которые определили его успех.

В соответствии с расчетами, плотность потока энергии I_mt, необходимая для нагрева квадратного сантиметра металлической пленки толщиной 1 мкм до точки плавления, составляет приблизительно 30 мДж/см². Поскольку не вся падающая энергия I₀t поглощается, лазер должен обеспечивать плотность потока энергии до 0,3 Дж/см².

Разрезы, с помощью которых осуществляется подгонка, представляют собой перекрывающиеся отверстия, каждое из которых получают в результате воздействия отдельного лазерного импульса. Размеры и геометрия резистора требуют, чтобы ширина разреза составляла 5–50 мкм. Для «выжигания» 50-мкм пятна необходима энергия порядка 0,1 мДж.

Характеристики

Список файлов реферата