Файл: Применения лазеров..pdf

422 Приложение 3

в ряде случаев простые соотношения между плотностью мощности падающего потока, скоростью процесса и тепло­ физическими свойствами вещества и определить оптимальные режимы обработки. Так, например, для испарения тонких металлических и диэлектрических пленок толщиной менее 1 мкм без повреждения подложки необходимо использовать импульсы длительностью т та ІО"9— ІО“8 с. Минимальная плотность мощности F (Вт/см2) зависит главным образом от температуры и теплоты испарения материала. Верхний предел F определяется шириной зоны резания 12]. Для под­ гонки номиналов толстопленочных резисторов используются импульсы длительностью ІО“5— ІО“4 с. Для операций сверления отверстий диаметром не более 0,2—0,3 мм в керамике и подобных материалах необходимая плотность мощности составляет ІО7— 108 Вт/см2 при длительностях импульса 10“4— ІО"3 с.

В режимах скрайбирования или при сверлении отвер­ стий многоимпульсным методом могут быть использованы более короткие импульсы. Длительность импульса при операциях сварки зависит от необходимой глубины про­ плавления и обычно составляет несколько миллисекунд.

Эти результаты могут быть обобщены с помощью диаг­ раммы в координатах F, т (фиг. 1). Нижний предел плот­ ности мощности, при которой еще возможна лазерная об­ работка, составляет 104— ІО3 Вт/см2. Верхний предел плотности мощности обусловлен явлениями пробоя в па­ рах материала и в атмосфере. В правой части диаграммы показаны процессы, осуществляемые при помощи лазеров непрерывного действия (глубокое проплавление, газола­ зерная резка, термообработка поверхности и термораска­

лывание).

Работы по глубокому проплавлению с помощью С02лазеров [3] заслуживают особого внимания, так как свиде­ тельствуют о конкурентоспособности лазерных методов по отношению к электроннолучевым методам в этой весьма важной области. При мощности излучения ~20 кВт в непрерывном режиме и диаметре фокального пятна около 1 мм на нержавеющей стали была получена глубина про­ плавления 18 мм.

При скорости движения луча около 1,25 м/мин ширина зоны плавления составляла лишь 3 мм. При скорости

2,5 м/мин глубина проплавления равнялась 12 мм. Энерге­ тическая эффективность сварки достигала 45% при мощ­ ности W = 20 кВт и снижалась до 28% при мощности W = 8 кВт. Для устранения экранирующего действия плазменного облака, возникающего в парах металла при W > 8 кВт, использовался поддув инертного газа в направ­ лении, перпендикулярном лазерному лучу.

Расширение области лазерной технологии в значи­ тельной степени связано с ростом газовых лазеров и серий­ ным выпуском ИАГ-лазеров в 1971—73 гг. В печати поя­ вились рекламные сообщения о промышленных С02-ла- зерах с мощностью в непрерывном режиме 10 кВт и ТЕАлазерах со средней мощностью ~ 2 кВт при частоте импуль­ сов 1 кГц. Благодаря принудительному конвекционному охлаждению газа значительно возросла плотность мощности генерации и сократились габариты установок. В качестве иллюстрации приведем описание лабораторного цирку­ ляционного С02-лазера с мощностью в непрерывном ре­ жиме 27 кВт и к. п. д. 17%.

В этой установке активный объем разрядной камеры составлял около 80 л (244 х 53 X 6,5 см3). Разряд воз­

424 Приложение 3

буждался в направлении потока газа системой из 360 воль­ фрамовых электродов. Для большей стабильности разряда и увеличения мощности генерации, кроме постоянного напряжения между анодом и вольфрамовыми электродами, к стенкам камеры подводилось высокочастотное напряжение. Высокочастотная мощность генератора составляла 30— 50% от всей мощности питания. Скорость циркуляции смеси была ~ 450 г/с при давлении 30 тор. Состав смеси: 5% С02, 32% N2 и 63% Не.

Этот лазер испытывался преимущественно в режиме усилителя. В качестве задающего генератора был исполь­ зован С02-лазер на 150 Вт с малой расходимостью луча. Система медных охлаждаемых водой зеркал лазера-уси­ лителя образовывала одиннадцатипроходный резонатор, плоскость оптических лучей которого параллельна осно­ ванию разрядной камеры.

Достигнуты также значительные успехи в создании электроразрядных лазеров с предварительной ионизацией газа электронным пучком [5, 6]. Схема конструкции такого ла­ зера, обеспечивающего энергию в импульсе 2000 Дж и мощность 100 МВт при к. п. д. 20%, приведена на фиг. 2.

Пучок электронов высокой энергии проникает через тонкую металлическую мембрану в разрядную камеру и производит предварительную ионизацию С02-газа, нахо­ дящегося под давлением в несколько атмосфер. Напряже­ ние основного источника, приложенное к электродам раз­ рядной камеры, сообщает электронам необходимую для возбуждения колебательных уровней энергию. Оптическая ось резонатора (на фигуре не показана) перпендикулярна направлению ионизирующего пучка.

За последние годы значительно возросла мощность ла­ зеров на молекулярном азоте, работающих в ультрафиоле­ товой части спектра (к = 0,337 мкм). На некоторых уста­ новках уровень мощности достиг 24 МВт [7]. Появились сообщения о разработке лазеров, работающих в области вакуумного ультрафиолета, в том числе на молекулах окиси углерода (X == 0,18—0,2 мкм) и водорода (X = 0,11 мкм

ик — 0,16 мкм) [8, 9]. Эти работы создают предпосылки для исследований по управляемым химическим процессам

исинтезу материалов с заданными свойствами.

По ряду конкретных направлений лазерной технологии опубликованы обзоры [10—14], из которых становится все ощутимее революционизирующая роль лазеров в про­ мышленности. Наиболее интенсивно ведется разработка технологического оборудования для микроэлектроники [11—16]. Так, например, в США свыше 15 фирм выпускают оборудование для подгонки номиналов тонко- и толсто-

Ф и г . 2. Схема конструкции электроионизационного С 02-лазера

элементов активных и пассивных схем, сверления отверстий в подложках и т. п. Как известно, стандартная технология изготовления резисторов не обеспечивает достаточной вос­ производимости номиналов и практически все резисторы интегральных схем требуют подгонки. Большой объем вы­ пуска интегральных схем требует высокопроизводитель­ ного оборудования.

Разработанные лазерные установки имеют производи­ тельность до нескольких тысяч резисторов в час и обеспе­ чивают точность подгонки от единиц до сотых долей про­

цента [17—19]. Принцип действия этих установок состоит

вконтролируемом удалении части резистивного материала

ииспользовании блока контроля номинала совместно с ЭВМ для управления движения координатного стола. Бла­ годаря полной автоматизации процесса стоимость одной

операции подгонки на лазерной установке примерно в 10 раз меньше, чем на абразивной.

В установке подгонки номиналов используются лазеры на ИАГ с модуляцией добротности, а также С02-, Хе- и АгІІ-лазеры в импульсном режиме.

Появились также сообщения о разработке лазерных ус­ тановок для скрайбирования и разделения активных и пассивных интегральных схем [12].

До последнего времени технологические процессы полу­ проводниковых и ситалловых плат основывались главным образом на механических способах резки и скрайбирования. Для этой цели применялся метод надрезания пластин ал­ мазным резцом с последующим разламыванием либо метод резки посредством дисков или металлических проволочек. Эти методы имеют ряд существенных недостатков, которые приводят к потерям годных структур на операциях разде­ ления.

Использование сфокусированного излучения лазера для операций разделения позволяет исключить ряд вспомо­ гательных работ, устранить контакт инструмента с объек­ том обработки, повысить производительность [29].

В настоящее время имеется ряд сообщений об исполь­ зовании установок с лазерами на гранате [12, 20] с непре­ рывной накачкой и модулированной добротностью для скрайбирования полупроводниковых пластин. Наиболее типичные параметры этих установок:

Импульсные С02-лазеры успешно применяются для про­ бивки отверстий в керамических подложках. Энергия им­ пульса около 20 Дж достаточна для пробивания отверстия диаметром 0,2—0,27 мм в пластине толщиной 0,7 мм [21]. При увеличении длительности импульса до нескольких