Разработка технологического процесса лазерного параллельного термораскалывания хрупких материалов

• Автор: Сорокин, Антон Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Анализ существующих технологий изготовления тонких пластин
2. Математическая модель процесса лазерного параллельного термораскалывания
3. Исследование процесса лазерного параллельного термораскалывания стекла
3.1 Оборудование и материалы, применяемые для экспериментов
3.2 Зарождение параллельной трещины
3.3 Влияние режимов резки на параметры параллельной трещины
3.4 Управление профилем параллельной трещины
3.5 Резка несколькими пучками излучения
3.6 Выход параллельной трещины на край материала
3.7 Описание технологии резки с помощью ЛПТ
3.8 Выводы по главе
4. Исследование процесса лазерного параллельного термораскалывания анизотропных материалов
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Акты внедрения результатов диссертационных исследований
Приложение 2. Таблицы и графики оптимальных режимов ЛПТ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Работа посвящена решению актуальной проблемы изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокри-сталлического кварца, кремния и арсенида галлия в производстве изделий микро - и оптоэлектроники.
Существующие традиционные технологии получения тонких пластин основаны на механической резке с помощью алмазно-абразивного инструмента. Они включают следующие основные технологические операции: алмазная, штрипсовая или проволочная резка, шлифование, полирование и утонение. Традиционные технологии имеют следующие основные недостатки:
- большой расход исходного материала, связанный с большой шириной реза, соизмеримой с толщиной пластины;
- низкая производительность процесса алмазно-абразивной резки исходной заготовки на пластины и последующего шлифования и полирования;
- большая глубина нарушенного слоя, для удаления которого требуется длительное шлифование и полирование поверхности пластины.
Эти недостатки не могут быть устранены совершенствованием существующих технологий, которые в ряде случаев исчерпали свои возможности. Устранение недостатков возможно только за счет разработки принципиально нового процесса разделения материала.
Известна и успешно используется технология резки стекла и кристаллов, основанная на создании в материале трещины вдоль направления резки с помощью лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ). Существует также метод лазерной резки, при котором трещина идет параллельно поверхности материала, получивший название лазерного параллельного термораскалывания (ЛПТ). Возможность практического осуществления лазерного па-

раллельного термораскалывания была показана ещё в 80-е годы профессором B.C. Кондратенко [1]. Однако, технологические исследования до недавнего времени не проводились.
Таким образом, актуальность данной работы определяется практической необходимостью разработки нового технологического процесса разделения исходных заготовок на тонкие пластины с использованием метода ЛПТ.
Целью работы является разработка на основе предложенного метода ЛПТ нового высокоэффективного промышленного технологического процесса разделения исходных заготовок из хрупких неметаллических материалов, используемых в микро - и оптоэлектронике, на тонкие пластины.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи;
разработка математической модели процесса; разработка процесса ЛПТ стекла;
разработка процесса ЛПТ монокристаллического кварца.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые разработана технология изготовления тонких приборных пластин из стекла, кристаллического кварца методом лазерного параллельного термораскалывания. В диссертационной работе исследованы и проанализированы недостатки существующих технологий изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокристаллического кварца, кремния и арсенида галлия в производстве изделий микро — и оптоэлектроники.
Разработана математическая модель, описывающая термические напряжения в материале, возникающие при проведении процесса лазерного параллельного термораскалывания. Экспериментально установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛПТ - скоростью резки, мощностью, плотностью мощности пучка излучения лазера и параметрами получаемой параллельной трещины - её глубины и ширины, а также профиля.
Получены и обоснованы основные механизмы, определяющие технологиче-

Рисунок 2.3 - Пространственное распределение напряжения а„ вдоль направления перемещения и вглубь материала
На самой поверхности напряжения равны нулю, так как поверхность свободная, а максимальные напряжения сосредоточены в приповерхностном слое.
Рисунок 2.4 - Картина напряжений в материале при лазерном параллельном
термораскалывании.
Из Рис. 2.3 (ось ОХ направлена горизонтально, а ось OZ вертикально) видно, что на поверхности полупространства (С, = 0) напряжение сдвига равно нулю.
В основном это напряжение сосредоточено в приповерхностном слое, максимальное значение приходится на область, где располагается максимум температурного распределения (Рис. 2.3).