книги из ГПНТБ / Применения лазеров

35. Ринкевичюс Б. С., Толкачев А. В., Харченко В. Н.— «Ученые

записки ЦАГИ», 1973, т. 11, стр. 25.

36. Зубарев Е. И., Кулыбин В. М.— «Труды МЭИ», 1972, вып. 108,

стр. 123.

37. Головин В. А., Коняева Н. П., Ринкевичюс Б. С., Янина Г. М.—

«ТВТ», 1971, т. 9, стр. 606.

38.Ринкевичюс Б. С., Янина Г. М.— «Труды МЭИ», 1971, вып. 94,

стр. 76.

39.Ринкевичюс Б. С. Янина Г. М. Труды Всесоюзной научно-тех­

нической конференции «Современное состояние и перспективы высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии

быстропротекающих процессов», М., 1972.

40. Ринкевичюс Б. С., Янина Г. М. Тезисы доклада на конференции

«Использование ОКГ в современной технике», Л ., изд-во

ЛДНТП, 1973.

41. Ринкевичюс Б. С., Толкачев А. В., Фабрикант В. А.— «Док­

лады НТК МЭИ», 1969, т. 67.

42. Аристов Е. М., Павловский Б. А., Юрас С. Ф.— «Измерит,

техника», 1971, № 7.

43.Василенко Ю. Г., Донцова В. А., Дубнищев Ю. Н., Коронке-

вич В. Г.— «Оптика и спектроскопия», 1972, т. 33, стр. 170.

44.Воробьева Н. Н., Зубарев Е. И., Кулыбин В. М., Ринкевичюс Б. С.— «Журн. прикл. спектр.», 1972, т. 17, 988.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

СОВРЕМ ЕННОЕ СО СТОЯНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

В. П. Тычинский

Со времени издания книги «Применения лазеров» (1971 г.) появилось большое количество публикаций, сви­ детельствующих о широком использовании лазерных тех­ нологических установок в промышленности. Давно ожи­ даемая эра практического применения лазеров началась. Подтверждением этому может служить следующее.

Только в США объем продажи оборудования для лазер­ ной обработки в 1973 г. составило 12 млн. долл. [1].

Выпуском лазерного технологического оборудования занимаются свыше двух десятков фирм (среди них Аѵсо Согр., United Aircraft, Hughes и др.).

Разработан ряд специализированных установок (в том числе автоматических), обладающих высокой производи­ тельностью и экономической эффективностью. Практичес­ ки во всех областях промышленности для лазеров найдены применения.

Лазеры уже используются в автомобилестроении (свар­ ка кузовов), самолетостроении (перфорация лопаток тур­ бин, элементов топливной аппаратуры), радиоэлектро­ нике (изготовление радиокомпонентов), промышленности строительных материалов (резка стеклопрофилита, стекла, асбоцемента, керамики, дерева, картона и др.).

Само понятие «лазерная технология» становится более емким, так как лазеры начинают применяться в таких нетрадиционных областях, как технология химических продуктов, выращивание монокристаллов, распыление мно­ гокомпонентных соединений, термообработка и легирова­ ние поверхности металлов, локальное легирование полу­ проводниковых материалов, разделение изотопов.

Систематическое изучение процессов взаимодействия излучения с различными материалами позволило получить

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

миллисекунд эти же установки можно использовать для микросварки транзисторов, шовной сварки корпусов и

т. д. [21].

Возможность дозированного испарения тонкого метал­ лического слоя внутри вакуумированного объема обеспе­ чила еще одно важное применение лазеров — настройку кварцевых резонаторов [22, 23]. Этот метод позволяет зна­ чительно улучшить точность настройки и сократить время изготовления. На стадии изготовления эксперимен­ тальных образцов интегральных схем большие преимуще­ ства дает изготовление фотошаблонов в натуральную ве­ личину методом фрезирования лазерным лучом [12, 13].

Из других областей техники, в которых получены поло­ жительные практические результаты по использованию лазерных технологических установок, следует отметить изготовление алмазных фильер [15], часовых камней и балансировка маятников [24], раскрой листовых матери­ алов.

Ниже приводятся сведения о ряде отечественных ла­ зерных технологических установок, в которых исполь­ зуется лазер на стекле с неодимом [25].

1.Установка Квант-9 в основном предназначена для черновой обработки отверстий в алмазных волоках. В ус­ тановке предусмотрена оптическая система для контроля размеров и форм отверстия в двух проекциях в процессе обработки.

2.Автомат Корунд предназначен для сверления отвер­ стий диаметром 0,05—0,08 мм в рубиновых часовых камнях

вмногоимпульсном режиме. Обеспечивает высокую точ­ ность и минимальный дефектный слой в зоне обработки.

3.Сварочная установка СЛС-10-1 для соединения де­ талей толщиной до 0,3 мм.

4.Сварочная установка СЛС-25-1 для приварки выво­ дов электрических машин.

5.Полуавтомат лазерной сварки ПЛС-1 для производ­ ства полупроводниковых диодов. На установке осуще­ ствляется сварка алюминиевого электрода с никелевым выводом кремниевых диодов. Нагрев свариваемых деталей производится одновременно с двух сторон.

6.Сварочная установка Квант-10 для соединения дета­ лей толщиной до 0,7 мм.

428 Приложение â

Параметры перечисленных выше установок приведены

В настоящее время разработана и находится в опытной эксплуатации установка для резки полупроводниковых пластин с готовыми структурами. Ее применение позволит сохранить ориентацию дискретных элементов после разде­ ления. Скорость резания на этой установке 2—4 мм/с в зависимости от толщины пластины. В установке исполь­ зуется импульсный лазер на гранате. Средняя мощность 20 Вт, частота следования импульсов до 100 Гц. Эту же установку можно использовать для резки ситалловых плат.

Все более широко в лазерной технологии применяются газовые лазеры. Хорошая когерентность и монохроматич­ ность излучения, простота управления режимом работы в сочетании с высокими эксплуатационными характерис­ тиками стимулируют разработку технологических уста­ новок на основе газовых лазеров [11]. Ниже приводятся сведения о ряде отечественных установок на С02-лазерах. Установки с лазером на молекулярном азоте для контур­ ной резки, подгонки номиналов тонкопленочных резисто­ ров и кварцевых резонаторов описаны в работе [29].

1. Установка для подгонки номиналов резисторов тол­ стопленочных ГИС [26]. В установке используется импуль­ сный СОг-лазер с длительностью импульса 2—4 -10“4 с,