Введение к работе
Актуальность темы. Работа посвящена решению актуальной проблемы изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокристаллического 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 параллельного термораскалывания была показана ещё в 80-е годы профессором B.C. Кондратенко. 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 результаты различных существующих технологий изготовления тонких приборных пластин из стекла, сапфира, монокристаллического кварца, кремния и арсе-нида 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 технологический диапазон параметров ЛПТ - зависимость минимальной и максимальной скорости резки для данного типа и данной толщины материала от мощности и плотности мощности пучка излучения лазера.
Исследовано влияние режимов резки (скорость, мощность, плотность мощности, распределение мощности по сечению пучка излучения лазера) на качество и форму получаемой поверхности (профиль параллельной трещины) для силикатного стекла.
Практическая значимость. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в области изготовления изделий микро - оптоэлектроники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы.
Результаты проведенных исследований показали, что лазерное параллельное термораскалывание позволяет значительно увеличить производительность процесса изготовления тонких приборных пластин, сократить потери материала, резко улучшить экологическую чистоту процесса.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование прошли промышленные испытания и нашли практическое применение на ряде предприятий:
на ОАО «Московский завод «Сапфир» технология ЛПТ используется для изготовления единичных образцов оптических деталей;
технология ЛПТ внедрена в проблемной лаборатории МГУПИ и ОАО «МЗ «Сапфир» при изготовлении установок, используемых в учебном процессе кафедры ПР-6 МГУПИ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференции «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук» (г. Москва - 2010);
Результаты диссертационной работы демонстрировались на международных выставках «Высокие технологии XXI века - 2008», «Высокие технологии XXI века - 2010», V международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2009», VI международный форум «Оптические приборы и технологии — «OPTICS-EXPO 2010», X Московский международный салон инноваций и инвестиций (2010).
На защиту выносятся следующие положения:
-разработанный технологический процесс изготовления тонких приборных пластин из различных хрупких неметаллических материалов методом лазерного параллельного термораскалывания;
- математическая модель ЛПТ;
-результаты исследований влияния основных параметров лазерного параллельного термораскалывания (скорости резки, мощности, плотности мощности излучения лазера на поверхности материала) на толщину отрезаемой этим методом пластины и качество её поверхности;
- результаты анализа и исследований особенностей процесса лазерного
параллельного термораскалывания анизотропных материалов на примере
кристаллического кварца;
-технологические режимы лазерного параллельного термораскалывания силикатного стекла и кристаллического кварца;
-разработка и обоснование критериев и требований к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования для лазерного параллельного термораскалывания.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 11 публикациях, в том числе, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения; содержит фотографии, графики и таблицы.
