Моделирование температурного поля и расчет механических напряжений при двулучевом лазерном управляемом термораскалывании кварцевого стекла

В работе представлены результаты моделирования процессов управляемого термораскалывания кварцевого стекла при параллельном воздействии на материал двух пучков лазерного излучения инфракрасного диапазона различной геометрии: с максимальной интенсивностью в центре и с нулевой интенсивностью в центре (кольцевое сечение). Для расчета распределения температуры в материале использовался метод функций Грина, который позволяет получить хорошо интерпретируемое решение практически для любого вида функции поверхностных источников тепла. Далее, с учетом квазистатического подхода, с использованием методов классической теории термоупругости были рассчитаны термоупругие микронапряжения как на поверхности, так и по глубине материала. Установлено, что одновременное использование двух указанных типов лазерного воздействия позволяет эффективнее управлять температурным полем и создавать предпосылки для наиболее устойчивого формировании микротрещины. Результаты моделирования показывают, что при двулучевом воздействии микромеханические напряжения, необходимые для формирования микротрещины, реализуются за более короткие интервалы времени как на поверхности, так и по глубине материала, что позволяет увеличить скорость обработки до 30 %. Усиление контроля над процессом управляемого термораскалывания позволяет существенно снизить процент брака и повысить качество получаемых изделий микроэлектроники.

1. Shalupaev S.V., Serdyukov A.N., Mityurich G.S., Aleksiejuk M., Sereda A.A. The Analysis of Laser Thermosplitting of Fragile Materials by Using of Special Geometry Beams. Ceramics. Polish ceramic bulletin. 2001;65:75.

2. Сысоев В.К., Папченко Б.П., Захарченко А.В., Вятлев П.А. Увеличение эффективности управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов. Оптический журнал. 2004;71(2):65.

3. Tsai C., Chen H. Laser cutting of thick ceramic substrates by controlled fracture technique. Journal of materials processing technology. 2003;136:166.

4. Шершнев Е.Б., Свиридова В.В, Соколов С.И. Оптимизация процесса лазерного управляемого параллельного термораскалывания хрупких неметаллических материалов. Международный научнопрактический журнал. Чрезвычайные ситуации:образование и наука. 2008;3(1):90-96.

5. Шершнев Е.Б., Никитюк Ю.В., Шолох В.Ф., Соколов С.И. Лазерное управляемое термораскалывание кристаллического кварца. Гомельский научный семинар по теоретической физике, посвященный 100-летию со дня рождения Ф.И. Федорова, 20–22 июня 2011 г.: материалы. Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины. 2011;261-265.

6. Шалупаев С.В., Шершнев Е.Б., Никитюк Ю.В., Середа А.А. Двулучевое лазерное термораскалывание хрупких неметаллических материалов. Оптический журнал. 2005;73(5):62-66.

7. Прохоров А.И., Конов В.И., Урсу И., Михэилеску И.Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. Москва: Наука; 1988: 538.

8. Кондратенко В.С., Танасейчук А.С., Шершнев Е.Б. Новые эффективные способы лазерной обработки листового стекла. Электронная техника. Серия II. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1986;40(4):38-45.

9. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Москва: Наука; 1964.

10. Nissim Y.I., Lietoila A., Gold R.B., Gibbons J.F. Temperature distributions produced in semiconductors by a scanning elliptical or circular cw laser beam. J. Appl. Phys. 1980;51(1):274-279.

11. Кондратенко В.С., Сердюков А.Н. Расчет температурных полей при лазерном управляемом термораскалывании. Электронная техника. Серия II. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1984;31(5):62-66.

12. Sanders D.J. Temperature distributions produced by scanning Gaussian laser beams. Applied optics. 1984;23(1):30-35.

13. Кондратенко В.С, Сердюков А.Н., Шалупаев С.В. Лазерный нагрев материалов при термораскалывании с учетом теплоотдачи. Электронная техника. Серия II. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1987;41(1):7-10.

14. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. Москва: Физматгиз; 1963.

15. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. Москва: Мир; 1964.