Диссертация (1143290), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Проведены расчеты, позволяющие получить данные о глубине нарушенного слоя в сапфире. Исследованы механизмы появленияприповерхностных дефектов и трещин в кристаллах сапфира, что служит основойдля оптимизации процессов обработки кристаллов сапфира. Полученные результаты позволили выработать рекомендации по определению свойств приповерхностных слоев сапфира, усовершенствованию качества кристалла.4.3Выводы по главе 4Основными результатами работы по данной главе являются следующие:1.С помощью методов (метода поверхностных акустических волн,виброакустического метода, оптического и теплового методов) исследовалось распределение дефектов (газовых пузырей, трещин, пузырей) в сапфире, что позволяло выявлять тенденции изменения морфологии структуры, что в конечном случаепозволило наблюдать динамику изменения дефектов в структуре сапфира.2.Проведено исследование взаимодействия поверхностных акустическихволн с дефектами сапфира (трещинами и порами).
Получены типичные зависимости коэффициента отражения от частоты в сапфире, когда расстояние от дефектаравно 10 см и 65 см. Метод поверхностных акустических волн позволил определить местоположение, глубину и протяженность поверхностных трещин (а такжецарапин и рисок), что может найти широкое применение для обнаружения, контроля и анализа дефектов в приповерхностном и поверхностном слое сапфира, которые практически нельзя выявить другими методами.3.С целью уменьшения количества дефектов сапфира в приповерхност-ном слое проведены экспериментальные исследования обработки поверхностисапфира абразивом и исследования влияния разных инструментов и способов обработки на поверхность сапфира.
Проведен анализ результатов влияния разныхинструментов на поверхность сапфира, получены профили типичных шероховато166стей поверхностей после шлифовки сапфира (порядка 1000 нм), после полировкисапфира (результат порядка 100 нм).4.Расчетным путем получены данные о глубине поврежденного слоя всапфире (порядка 1 мкм при среднем радиусе абразивных частиц 3 мкм), которыеслужат основой для оптимизации процессов обработки кристаллов сапфира, выработаны рекомендации по определению свойств приповерхностных слоев сапфира,усовершенствованию качества кристалла.5.Определена зона деформации монокристаллов сапфира (порядка 3 – 4нм) в процессе разрушения монокристаллов единичным зерном для прогнозирования показателей процессов массового воздействия абразивными частицами приобработке монокристаллов сапфира. Определена глубина приповерхностногонарушенного слоя в процессе обработки кристаллов сапфира (порядка 0.1 – 23 мкмв зависимости от радиуса абразива).167Глава 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАБОТКИМОНОКРИСТАЛЛОВ САПФИРА И СТРУКТУР ПЛЕНКА-САПФИР5.1 Исследование процессов лазерной обработки сапфира и боросиликатного стеклаИспользование сапфира, обладающего высокой твердостью и химическойстойкостью, в микроэлектронике сдерживается способами его обработки, поэтомуодной из задач диссертационной работы является исследование процессов обработки сапфира, получения пленок на поверхности сапфира с помощью лазерныхтехнологий, которые могут найти широкое применение при изготовлении газочувствительного элемента для газовых детекторов.Лазерная обработка различных материалов основывается на том, что применение лазерного излучения дает возможность получать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, требуемые для интенсивного нагреваили расплавления фактически любого материала.
Лазерная техника интенсивноразвивается. Лазеры имеют широкое применение для обработки материалов вомногих областях микро- и нанотехнологий и позволяют увеличить производительность труда в операциях обработки и контроля, повысить качество изготовленияизделий, обеспечить возможность полной автоматизации технологических процессов [201].Эксперименты по обработке сапфира, боросиликатного стекла, формированию пленок на поверхности сапфира в данной главе осуществлялись на оборудовании (модель LIMO 100-532/1064-U), включающем инфракрасный (ИК) Nd:YAGлазер с фиксированными длинами волны 532 нм и 1064 нм, длительностью импульса 45 нс и средней мощностью лазерного излучения, которую можно задаватьпрограммно в интервале от 0.1 до 100 Вт.
Измеритель мощности использовалсядля контроля мощности лазерного излучения.К техническим характеристикам лазерного оборудования LIMO 100532/1064-U относится поперечное сечение луча (длиной 60 мм и шириной 10 мкм)168и высокая степень однородности лазерного луча в пределах сечения с погрешностью не более 1.5 % (при функционировании оборудования в рекомендованныхусловиях).
На рисунке 5.1 представлены основные компоненты лазерной установки LIMO: 1 – твердотельный лазер; 2 – аттенюатор; 3 – стол; 4 – элементы оптической системы; 5 – предметный столик; 6 – система приводов предметного столика;7 – видеокамера.Рисунок 5.1 – Основные компоненты лазерной установки LIMO 100532/1064-U (1 – твердотельный лазер; 2 – аттенюатор; 3 – стол; 4 – элементы оптической системы; 5 – предметный столик для подложек; 6 – система приводовпредметного столика; 7 – видеокамера)Лазерная установка LIMO включает следующие основные модули [202, 203]:- сложная оптическая система, которая предназначена для формирования лазерного луча круглого сечения из луча линейного сечения;- аттенюатор, управляемый шаговым двигателем и предназначенный для регулирования коэффициента пропускания лазерного излучения (диапазон регулирования коэффициента пропускания – от 96 до 1 % с шагом 1 %);169- юстировочный столик для обрабатываемых образцов, управляемый шаговыми двигателями;- система управления фокусировкой лазерного излучения, состоящая из камеры с точной настройкой профиля лазерного пучка для сканирования;- измеритель мощности, расположенный по ходу лазерного луча вместо одного из элементов оптической системы;- два компьютера для управления параметрами лазерного излучения и сканирующей системой.Основные характеристики лазерного оборудования LIMO 100-532/1064-Uприведены в таблице 5.1 [203].Таблица 5.1 – Основные характеристики лазерного оборудования LIMO 100532/1064-UДлина волны, нм532-1064Длина профиля лазерной линии, мм60Ширина профиля лазерной линии, мкм10Максимальная мощность лазерного излучения, Вт140Частота следований лазерных импульсов, кГц100Длительность импульса, нс45Однородность лазерного излученияНе менее 98.5 %Мощность лазера регулируется через аттенюатор и зависит от материала образца и от проводимого исследования.
Измеритель мощности используют для контроля средней мощности лазерного излучения (рисунок 5.2). Для измерения средней мощности лазерного излучения в оптический путь с помощью подвижной ступени (С) устанавливается непрозрачное зеркало (В) для отклонения лазерного лучав направлении измерителя мощности. После определения средней мощности лазерного излучения зеркало удаляется из оптического пути. Блок позиционированиямасок (А) установлен между линзой позиционирования (В) и сканером (С). Поло170жение образца на предметном столике может регулироваться в вертикальном и горизонтальном направлениях с точностью до 10 мкм.Рисунок 5.2 – Макет лазерного комплекса LIMOСовременные методы математического моделирования, в том числе методконечных элементов (МКЭ), дают возможность выполнять исследования процессов лазерной обработки материалов, получать результаты, наиболее близкие к данным натурных экспериментов [204].При лазерной обработке сапфира происходят термодеформационные и физико-химические процессы: упругопластическое деформирование материала вследствие неравномерного нагрева при лазерной обработке [205].
При исследованиилазерной обработки сапфира наиболее существенной является задача расчета термического напряжения и деформирования и поиска режимов лазерной обработкидля максимального отжига дефектов (дислокации, вакансии). Использование метода конечных элементов в пакете ANSYS позволяет эффективно решать такие задачи [206].Целью работы является разработка модели, позволяющей рассчитать температуры, напряжения и деформации в процессе лазерной обработки сапфира в си171стеме инженерного конечно-элементного анализа ANSYS, позволяющей анализировать термическое напряжение и деформирование образца при воздействии лазерного луча на поверхности.В работе исследованы процессы лазерной обработки сапфира с применениемлазерной установки Nd:YAG: LIMO100-532/1064-U (длина волны 1064 нм, длительность импульса 30 нс, частота следования импульсов 10 кГц).Для численного решения задачи лазерной обработки сапфира лазерным лучом были применены типы анализа Transient Thermal и Static Structural в пакетеANSYS Workbench [207].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
