При изготовлении отверстий применяют две схем:
1. Одноимпульсную прошивку - отверстие формируется за один импульс. Точность отверстий по диаметральным размерам соответствует 9-11 квалитету, по продольным - II -13 квалитету, шероховатость поверхности Ra=2,5-0,32 мкм, а глубина получаемых отверстий не более 5 мм.
Диаметр d и глубину Н отверстия, получаемого в непрозрачном материале, определяют по формулам:
( 5.2)
(5.3)
где
D0
- начальный диаметр лунки; W
- энергия излучения импульсного ОКГ;
- половинный угол раствора светового
конуса, создаваемого оптической системой;L0
- удельная энергия испарения материала
при Т =0 К (при абсолютном нуле.) .
Геометрия отверстия зависит от энергетических параметров луча, положения фокуса оптической системы относительно поверхности заготовки, фокусного расстояния этой системы и теплофизических свойств обрабатываемого материала. На рис. 5.2 представлена зависимость формы продольного сечения отверстия от положения фокуса лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности. Как видно из рис. 5.2, отверстия имеют максимальную глубину и почти цилиндрическую форму при положении фокуса лазерного луча на поверхности обрабатываемого изделия, в остальных случаях наблюдается изменение формы продольного сечения от конической до параболической.
Рис. 5.2. Зависимость формы продольного сечения отверстия от положения фокуса лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности.
Рис. 5.3 Схема газолазерной резки.
Многоимпульсная обработка - отверстие получается большим количеством коротких импульсов с малой энергией, величина которой определяет шероховатость поверхности, глубину поверхностного измененного слоя и точность обработки. По мере углубления отверстий заготовка смещается навстречу лучу. Процесс позволяет изготовлять отверстия глубиной до 15 мм при отношении H/d до 50 с Точность’0 диаметральных размеров по 9 квалитету, а при глубине отверстия меньше его диаметра - 7-8 квалитет. Многоимпульсный режим широко применяется для обработки неметаллических материалов и тонких металлов. При этом получаемые точные отверстия могут иметь поперечное сечение не только круглой, но и профильной формы, что достигается диафрагмированием лазерного потока. При лазерной обработке (по1и 2 схеме) на боковой поверхности отверстий наблюдается дефектный (с измененной структурой, трещинами и т.д.) слой глубиной 0,05-0,1 мм, а на поверхности со стороны входа луча образуется кольцевой валик из застывшей жидкой фазы. Глубину измененного слоя уменьшают удалением из отверстия жидкой фазы обрабатываемого материала поддувом воздуха или отсосом; повышением плотности паров материала за счет увеличения плотности мощности излучения, чем обеспечивается более эффективное выдувание жидкой фазы.
Лазерное резание и скрайбирование полупроводниковых материалов используется в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Разделение материалов может быть осуществлено либо при полном удалении материала по линии разреза, либо при частичном удалении - скрайбировании2 с последующим разломом, а также с помощью способа термораскалывания, при котором удаления материала нет, а разделение производиться разломом по линии действия теплового источника. Наиболее перспективны для разделения полупроводников лазеры на границе, которые позволяют осуществлять прецизионную резку кремниевых пластин толщиной 0,25 мм со скоростью 2 мм/с. Лазерное скрайбирование ведется со скоростью до 250 мм/с при ширине реза до 25 мкм и глубине до 50 мкм. Данный процесс сокращает трудоемкость операций разделения пластин кремния в 10-15 раз по сравнению с алмазным и может быть применен в микроэлектронике для разделения пластин из керамики, ситалла и других материалов.
Разрезание металлов и неметаллических материалов значительной толщины производится, как правило, с поддувом активного или нейтрального газа (см. рис. 5.3). Сущность этого процесса, получившего название газолазерной резки (ГЛР), состоит в том, что соосно с лучом лазера в зону обработки подается, например, кислород, который поддерживает горение материала, очищает зону резания от продуктов процесса и интенсивно охлаждает стенки реза. ГДР позволяет получить значительную скорость и глубину резания, а также лучшее качество реза. Этим способом удается резать неметаллические материалы толщиной до 20-50 мм, а металлы до 10-13 мм. При этом стекло толщиной 8-10 мм режется со скоростью 25 мм/с, а коррозионно-стойкая сталь - б мм/с. Ширина реза находится в пределах 0,1-1 мм.
Подгонка толсто пленочных резисторов осуществляется автоматически на установках типа «Кристалл-6» с точностью подгонки до +- 5%. Толщина обрабатываемых пленок до 30 мкм, ширина реза 0,1-0,2 мм, машинное время подгонки одного резистора 0,2-1,5с.
Подгонка тонкопленочных резисторов микросхем может выполняться на установке «Кристалл-10/ со скоростью обработки 4 мм/с при толщине пленки до 1 мкм и ширине реза 5-30 мкм.
В последнее время разработан лазерный метод маркировки (печатание цифр) на тонких пластинках кремния и феррита. Сущность процесса заключается в том, что лазерный луч через маску и оптическую систему проектируется на поверхность образца, и производится испарение поверхностного слоя материала без разрушения последнего. Прогресс современной микроэлектроники во многом зависит от развития метода фотолитографии.
Метод лазерной литографии обладает достаточно высокой точностью (1-1,5 мкм) и производительностью. Применение лазеров с мощностью в импульсе 50-100 кВт при частоте их следования 100-150 Гц обеспечивает скорость рисования линии до 20 м/с, что требует на обработку фотошаблона не более 3,5-5 часов.