氣體輔助的激光加工的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種氣體輔助的激光加工的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：噴嘴，所述噴嘴將氣體射流遞送在工件的表面處；和激光源，所述激光源可以將激光束聚焦在工件的表面上。經(jīng)由氣體射流提供反應(yīng)氣體和載氣的混合物。反應(yīng)氣體與材料反應(yīng)并且?guī)椭鰪?qiáng)材料的蒸發(fā)速率，并且同時(shí)幫助降低可以獲得增強(qiáng)的蒸發(fā)速率的溫度。反應(yīng)氣體的使用還幫助減小材料上的殘余應(yīng)力，使在蒸發(fā)期間的材料流動(dòng)最小化，減少再沉積材料，以及消除由于材料去除所形成的凹坑結(jié)構(gòu)上的緣邊。
【專(zhuān)利說(shuō)明】氣體輔助的激光加工
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)根據(jù)35USC§ 119 (e)要求享有2011年3月22日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/466，382的優(yōu)先權(quán)，其整個(gè)內(nèi)容在此通過(guò)引用而包含于此，用于所有的目的。
[0003]對(duì)在聯(lián)邦政府資助的研究或開(kāi)發(fā)下的本發(fā)明的權(quán)利的聲明
[0004]美國(guó)政府按照美國(guó)能源部與用于勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的操作的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家安全有限責(zé)任公司之間的合同N0.DE-AC52-07NA27344具有本發(fā)明中的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0005]用于金屬和其它類(lèi)型的表面的傳統(tǒng)形式的激光加工使用氣體將蒸發(fā)的材料從正被加工的表面拉走。因而，在常規(guī)加工中使用的氣體僅僅是被動(dòng)的，并且對(duì)改進(jìn)/增強(qiáng)加工過(guò)程自身的特性沒(méi)有幫助。
[0006]將有益的是提供一種激光加工工藝，其可以使用氣體或混合氣體來(lái)對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)和/或改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明總體上涉及各種表面的加工。具體地，本發(fā)明的實(shí)施例涉及氣體輔助的激光加工，其中氣體(或混合氣 體)用于增強(qiáng)激光加工處理的某些方面和/或改進(jìn)激光加工處理的某些特性。在特定的實(shí)施例中，氣體幫助在比由常規(guī)方法將需要的溫度更低的溫度下提高材料的蒸發(fā)/蝕刻速率以實(shí)現(xiàn)相同的蒸發(fā)速率。在處理中所使用的氣體的類(lèi)型和氣體的量取決于正被加工/處理的表面或物品的類(lèi)型。
[0008]如本文所使用的氣體輔助的激光加工技術(shù)可以通過(guò)熔融、流動(dòng)或表面分子弛豫而影響表面光潔度/粗糙度/品質(zhì)，甚至沒(méi)有任何顯著的蒸發(fā)(對(duì)于持續(xù)加熱而言)。可以因?yàn)橐韵略蚨霈F(xiàn)表面光潔度、粗糙度效應(yīng):Ca)修改表面化學(xué)性質(zhì)，并且因此修改界面能，例如，界面能越大，對(duì)于粗糙表面趨于平滑的趨勢(shì)越大；(b)修改驅(qū)動(dòng)馬蘭戈尼流的界面能的溫度依賴性；(c)修改局部材料粘度，例如，修改由于與氫氣反應(yīng)所導(dǎo)致的玻璃的OH含量，所述氫氣可以在松散材料中擴(kuò)散和反應(yīng)；和((1)降低的蒸發(fā)溫度提高粘度和減少材料流，從而減少緣邊形成。
[0009]本發(fā)明的某些實(shí)施例提供一種用于處理工件的方法。該方法包括:提供具有表面的工件。該方法還包括:將氣體射流噴射在表面的一部分上。在某些實(shí)施例中，氣體射流包括反應(yīng)氣體。此后，該方法還包括:將激光束聚焦在表面的所述部分上長(zhǎng)達(dá)預(yù)定的持續(xù)時(shí)間；和將表面的所述部分加熱到第一溫度。該方法最后包括:從表面的所述部分去除預(yù)定量的材料。
[0010]在某些實(shí)施例中，所述從表面的部分去除預(yù)定量的材料的步驟還包括:通過(guò)加熱而破壞材料分子之間的鍵并且由于反應(yīng)氣體與材料之間的反應(yīng)而蒸發(fā)材料。在某些實(shí)施例中，該方法還包括:在預(yù)定的持續(xù)時(shí)間終止時(shí)，關(guān)掉激光束；將氣體射流噴射在表面的另一部分上；和將激光束聚焦在表面的所述另一部分上。在特定的實(shí)施例中，工件是二氧化硅基光學(xué)部件。
[0011]本發(fā)明的某些實(shí)施例提供一種包括將氣體射流噴射在工件的表面上的方法。氣體射流包括具有高于空氣的擴(kuò)散率的氣體。該方法還包括:將具有第一功率的激光束聚焦在表面上長(zhǎng)達(dá)第一持續(xù)時(shí)間；將表面加熱到第一溫度以從表面去除材料；和使用氣體使已去除的材料遠(yuǎn)離表面移走。在實(shí)施例中，氣體包括氦氣。
[0012]本系統(tǒng)的實(shí)施例提供一種用于處理工件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括襯底保持器，所述襯底保持器構(gòu)造成保持具有表面的工件。該系統(tǒng)還包括噴嘴，所述噴嘴定位成與工件相鄰并且構(gòu)造成將氣體射流噴射在表面的期望區(qū)域上。在特定的實(shí)施例中，氣體射流定位成與由工件的表面所占據(jù)的平面正交。該系統(tǒng)還包括激光源，所述激光源構(gòu)造成發(fā)射激光束，所述激光束可以聚焦在表面的所述期望區(qū)域處。在特定的實(shí)施例中，激光束在噴射在表面的所述期望區(qū)域上之前穿過(guò)噴嘴。該系統(tǒng)還包括氣體遞送機(jī)構(gòu)，所述氣體遞送機(jī)構(gòu)聯(lián)接到噴嘴以提供氣體射流。該系統(tǒng)構(gòu)造成將氣體射流噴射在表面的所述期望區(qū)域上，使用激光束將所述期望區(qū)域加熱到第一溫度，并且從所述期望區(qū)域去除預(yù)定量的材料。在實(shí)施例中，氣體射流可以包括氮?dú)?、氫氣、氦氣、空氣、水蒸氣或它們的組合。
[0013]以下詳細(xì)的說(shuō)明連同附圖一起將提供對(duì)本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的更好理解。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于執(zhí)行氣體輔助的激光加工的系統(tǒng)；
[0015]圖2示出具有相對(duì)應(yīng)的空間溫度曲線的凹坑(pit)結(jié)構(gòu)的型面，其由于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的工件激光加工所形成；
[0016]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、各種氣體的蒸發(fā)速率(R)與氣體體積流量的依賴性的圖表；
[0017]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、各種氣體和混合氣體對(duì)熔融二氧化硅的蒸發(fā)速率的影響；
[0018]圖5A是示出圖4的100%氮?dú)夂涂諝庵械恼舭l(fā)數(shù)據(jù)的圖表，所述蒸發(fā)數(shù)據(jù)重新繪制為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在每種氣體(或混合氣體)中的這些蒸發(fā)速率(R)的比；
[0019]圖5B不出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,相對(duì)于在空氣中的蒸發(fā),在用于100%氮?dú)庵姓舭l(fā)的蒸發(fā)部位附近的氣體中的平衡Si02蒸發(fā)產(chǎn)品SiO ；
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于處理表面的過(guò)程的流程圖；
[0021]圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于處理表面的過(guò)程的流程圖；和
[0022]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的本文所使用的激光加工技術(shù)對(duì)緣邊結(jié)構(gòu)的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明的某些實(shí)施例提供用于使用激光和一種或多種氣體加工各種表面的技術(shù)。在某些實(shí)施例中，本文所使用的技術(shù)使用激光加熱正被加工的表面或表面的區(qū)域。氣體或混合氣體與激光束協(xié)同使用以控制蒸發(fā)速率、蝕刻特征、表面形狀和再沉積到正被加工的表面上的材料的量。在特定的實(shí)施例中，氣體射流與激光束重合。
[0024]本發(fā)明的另一實(shí)施例提供一種用于執(zhí)行氣體輔助的激光加工的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:激光源；氣體遞送系統(tǒng)，其用于將氣體遞送到正被加工的區(qū)域；診斷設(shè)備，其執(zhí)行加工處理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；材料去除子系統(tǒng)；和氣體源。
[0025]激光可以用于各種加工活動(dòng)，例如，鉆孔、切割、從一種材料去除另一種材料的涂層、標(biāo)記/雕刻、表面拋光/變平滑，等等。本發(fā)明的實(shí)施例涉及使用激光從物品的表面去除材料。另外地，本發(fā)明的實(shí)施例可以在不去除材料的情況下用于材料融化、流動(dòng)或表面拋光。然而，本文所公開(kāi)的技術(shù)可應(yīng)用于激光加工的任何其它應(yīng)用。具體地，以下說(shuō)明的實(shí)施例涉及從熔融二氧化硅基光學(xué)部件去除材料。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文所公開(kāi)的技術(shù)可等效地應(yīng)用于金屬、陶瓷和其它類(lèi)型的材料的激光加工。
[0026]在許多工業(yè)應(yīng)用中使用二氧化硅，例如在耐火內(nèi)襯、光纖、光學(xué)襯底中的原材料，并且通常，例如在需要惰性和韌度的裝置中的部件。然而，二氧化硅難以處理。在玻璃工作點(diǎn)(?2400° K)以上的高溫用于模制熔融二氧化硅，而對(duì)于二氧化硅的化學(xué)蝕刻需要非?；钚缘姆磻?yīng)組分(very reactive species)。此外,二氧化娃的處理性能中的許多性能直接依賴于溫度。尤其，二氧化硅的蒸發(fā)蝕刻使用例如3000° K的接近二氧化硅的沸點(diǎn)的極限溫度。這樣的溫度對(duì)于在環(huán)境條件下加工是不實(shí)用的。對(duì)于在空氣中使用局部加熱來(lái)加工玻璃的應(yīng)用中，這些高溫要求經(jīng)常導(dǎo)致不必要地增大殘余應(yīng)力、緣邊結(jié)構(gòu)的形成和玻璃的再沉積缺陷。用于材料去除的處理溫度的降低通過(guò)減少和/或消除這些不必要的因素而大大地改進(jìn)熱處理。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,激光驅(qū)動(dòng)的二氧化硅分解產(chǎn)物的蒸氣壓力通過(guò)使用反應(yīng)氣體而升高以輔助蒸發(fā)。
[0027]迄今為止，從來(lái)沒(méi)有執(zhí)行在二氧化硅的沸點(diǎn)附近的二氧化硅特性的系統(tǒng)研究，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的容納器具在約2000° K以上退化。此外，這樣的處理由于已加熱的材料的高黑體輻射背景和高通量?jī)蓚€(gè)原因而難以原地測(cè)量。本發(fā)明的實(shí)施例提供這樣的技術(shù)，即，所述技術(shù)用于在氣固界面處激光加熱表面以達(dá)到高達(dá)3100° K的表面溫度，并且在二氧化硅的蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)上使用所選擇的氣體反應(yīng)性來(lái)控制和/或改進(jìn)蝕刻處理。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，在激光加工處理中所使用的氣體包括空氣、水蒸氣(例如，濕空氣)、100%氫氣、5%氫氣和95%氮?dú)獾幕旌衔铩?00%氮?dú)狻?00%氦氣、氫氣和氦氣的混合物以及它們的組合。在某些實(shí)施例中，可以在氧化、還原或惰性氣氛中執(zhí)行蝕刻。
[0028]傳統(tǒng)的激光加工依賴基于激光的材料蒸發(fā)且依賴在接近于熱表面的努森(knudsen)層內(nèi)逃脫的組分的速度。然而，傳統(tǒng)的技術(shù)不包括與反應(yīng)氣體的任何化學(xué)反應(yīng)或從存在的氣相產(chǎn)物的蒸發(fā)反應(yīng)平衡的任何偏移。另外地，在傳統(tǒng)的技術(shù)中，用于材料去除的氣體在蒸發(fā)處理期間不與材料直接反應(yīng)。本發(fā)明的實(shí)施例提供一種在邊界層內(nèi)呈現(xiàn)近平衡的狀態(tài)的基于激光的蒸發(fā)技術(shù)，在所述邊界層處發(fā)生組分濃度的變化的大部分。在氣固界面附近的平衡濃度建立起驅(qū)動(dòng)力，用于在混合和去除大量氣流之前的邊界層內(nèi)的擴(kuò)散傳輸速率。邊界層厚度則取決于氣體性能、流量和流動(dòng)配置，并且經(jīng)由質(zhì)量傳遞系數(shù)確定傳輸動(dòng)力學(xué)，hm?D/δ，其中，D是氣體組分?jǐn)U散率，并且δ是邊界層厚度。在某些實(shí)施例中，用于本文所使用的方法的基于激光的蒸發(fā)速率可以通過(guò)確定hm和平衡常數(shù)Kp而得到，從hm和平衡常數(shù)Kp可以計(jì)算平衡濃度。
[0029]本發(fā)明的實(shí)施例提供用于基于激光的加工的方法，在所述基于激光的加工中添加特定的氣相成分以在加熱材料期間增強(qiáng)蒸發(fā)的處理。在其它實(shí)施例中，氣相成分還可以幫助表面變平滑和幫助表面材料流動(dòng)。氣體選擇成使得降低材料的蒸發(fā)溫度和減少沉積在材料中的激光能，由此減小材料上的應(yīng)力。[0030]通過(guò)使用本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)許多優(yōu)點(diǎn)。例如，本文所使用的技術(shù)對(duì)于給定的材料蒸發(fā)速率而言降低蒸發(fā)溫度，并且因而可以在降低的溫度下執(zhí)行材料的蝕刻。這降低如由材料的溫度所表達(dá)的激光沉積能量，隨之相對(duì)應(yīng)減小的材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)幫助減小應(yīng)力和材料冷卻之后的殘余應(yīng)力并且延長(zhǎng)材料壽命，而同時(shí)減小材料在故障的情況下將破壞(例如，由于更小的應(yīng)力場(chǎng)而減小的斷裂規(guī)模)的程度，并且還幫助減少材料流。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于與常規(guī)方法相比的期望的蝕刻速率，需要減少的激光能來(lái)蒸發(fā)/蝕刻材料。另外地，本文所公開(kāi)的技術(shù)還幫助減少表面上的明顯再沉積的材料的量，因而減少所加工的表面的結(jié)構(gòu)缺陷和光學(xué)缺陷。另外地，在激光蒸發(fā)處理期間使用的反應(yīng)氣體減少或甚至消除由于在加熱的部位邊緣處的馬蘭戈尼流所導(dǎo)致的邊緣形成和曲率。這幫助保護(hù)具有較少的部件的較平坦的表面，所述較少的部件當(dāng)材料用于在光學(xué)應(yīng)用中使光轉(zhuǎn)向時(shí)可以用于加強(qiáng)傳播的光?？梢詫?duì)于例如金屬、陶瓷等的其它材料獲得類(lèi)似的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和過(guò)程改進(jìn)。
[0031]本發(fā)明的以下實(shí)施例主要參照熔融二氧化硅基材料說(shuō)明。然而，將應(yīng)理解，以下說(shuō)明的實(shí)施例也可等效地應(yīng)用于其它類(lèi)型的材料，例如，金屬、陶瓷，等等。
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于執(zhí)行氣體輔助的激光加工的系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100包括激光源102，其發(fā)射激光束104。激光束104可以使用聚焦透鏡108聚焦在工件106的一部分上。噴嘴110定位成使得激光束104穿過(guò)噴嘴，以便噴射在工件106上。噴嘴110操作地聯(lián)接到氣體流量控制器112和氣體源114。可選的紅外照相機(jī)116或其它成像裝置可以定位成使得可以在幾乎實(shí)時(shí)的條件下監(jiān)測(cè)蝕刻處理。在某些實(shí)施例中，工件106可以是熔融二氧化硅基光學(xué)部件。激光源102可以是連續(xù)波(CW)紅外激光或任何其它適當(dāng)?shù)募す狻Ｔ谀承?shí)施例中，由激光源102所輸出的能量是約20W，并且激光束104具有介于4μπι和12 μ m之間的波長(zhǎng)。
[0033]噴嘴110包括激光窗(未示出)以允許激光束104穿過(guò)噴嘴，而同時(shí)還迫使流通過(guò)供激光離開(kāi)的噴嘴前開(kāi)口。在某些實(shí)施例中，噴嘴110可以在一個(gè)端部上具有3mm的開(kāi)口，用于分配氣體或混合氣體。氣體射流與工件106的表面垂直/正交地噴射，并且在開(kāi)始激光加熱之前通過(guò)使周?chē)諝庠诠ぜ?06的表面處移動(dòng)而較好地越過(guò)加熱部位的邊界浸沒(méi)工件106的處理區(qū)域。激光束穿過(guò)安裝在噴嘴110的背面上的透明激光窗并且聚焦在工件106的表面上。氣體(或混合氣體)經(jīng)由噴嘴110遞送到工件106的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，噴嘴110具有側(cè)面開(kāi)口以接收來(lái)自氣體源114的氣體?？梢允褂谜障鄼C(jī)116對(duì)在蒸發(fā)處理期間所發(fā)射的黑體輻射紅外成像而獲得溫度測(cè)量。蒸發(fā)的二氧化硅的量可以從通過(guò)遵循表面處理的干涉測(cè)量所獲得的表面形狀輪廓確定。在某些實(shí)施例中，氣體源114可以包括壓縮氣缸或中央供氣柜。在某些實(shí)施例中，所使用的氣體可以包括干空氣(78%氮?dú)猓?1%氧氣，1%追蹤氣體)，100%氮?dú)猓?%氫氣+95%氮?dú)猓?%氫氣+95%氦氣，100%氫氣和100%氦氣。氣體流量控制器112可以用于設(shè)定氣體的體積流量，其可以是0.2L/min至約10L/min的范圍。在某些實(shí)施例中，氣體在激光照射工件106之前開(kāi)始流動(dòng)以確保從氣體遞送管路去除所有死體積和確保工件106的表面氣體浸沒(méi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
[0034]在實(shí)施例中，激光源102可以是發(fā)射激光束104的二氧化碳(CO2)激光，所述激光束104具有介于10 μ m與12 μ m之間的波長(zhǎng)，具有20W的最大輸出功率，并且具有在照射的持續(xù)時(shí)間上約1%的功率穩(wěn)定性。激光束104的直徑可以是約1mm。遞送到二氧化硅工件106的表面的激光功率可以介于6.5W與7.2W之間。在某些實(shí)施例中，激光束104可以每次噴射在工件106上長(zhǎng)達(dá)約5秒。當(dāng)激光束104噴射在工件106的表面上時(shí)，表面的溫度升高，由此使在激光束104噴射的位置處和/或附近的材料蒸發(fā)。這導(dǎo)致在材料106的表面上形成凹坑。
[0035]圖2示出使用系統(tǒng)100通過(guò)激光蝕刻導(dǎo)致的凹坑的凹坑型面。如可以從圖2看至|J，凹坑深度d在一定程度上與表面溫度T (K)成比例。在3000° K以上所執(zhí)行的蒸發(fā)產(chǎn)生更深的凹坑。另外地，當(dāng)凹坑的縱橫比(深度比寬度)接近于大約I時(shí)，隨著菲涅耳反射率增大，凈激光能量吸收趨向于降低。介于2000° K與2500° K之間的溫度產(chǎn)生較淺的凹坑，對(duì)于所述較淺的凹坑而言二氧化硅的熱感應(yīng)致密化對(duì)凹坑深度的影響會(huì)是顯著的。所得到的表面凹陷是可與由于蒸發(fā)所導(dǎo)致的表面凹陷區(qū)分出來(lái)的，所得到的表面凹陷可以是深達(dá)IOOnm或總凹坑深度約10%或更大。在2100° K以下，凹坑深度由二氧化硅緊密度決定。在某些實(shí)施例中，蒸發(fā)溫度設(shè)定在2000° K與3100° K之間。
[0036]依賴溫度和成分的蒸發(fā)速率R (T，Ci)可以基于例如如圖2中所示的深度曲線的測(cè)量而推斷出，這是由于蒸發(fā)速率R (TAi)與通過(guò)蒸發(fā)所去除的材料量相關(guān)。該方法推導(dǎo)出R的準(zhǔn)確度取決于以下假設(shè)，即，在特定位置處的深度僅是由于蒸發(fā)處理，而不是由于爆發(fā)沸騰所驅(qū)逐的熔化的二氧化硅或材料的流動(dòng)。這在具有最大凹坑深度的凹坑中心處是真實(shí)的，這是因?yàn)樵谥行奶幜鲃?dòng)位移的二氧化硅對(duì)總深度有較小的貢獻(xiàn)。與熱毛細(xì)流動(dòng)的表面垂直的流速vf可以大致約等于
[0037]Vf= (dy/dT) AT/μ (I)
[0038]其中，dy/dT表示表面張力的變化速率，溫度Λ T是從凹坑的中心到凹坑的邊緣的溫度降低(圖2)，并且μ是取決于溫度的動(dòng)態(tài)粘度。因而，在凹坑的中心處，所計(jì)算出的熱毛細(xì)流動(dòng)對(duì)二氧化硅的總位移的貢獻(xiàn)VfX Λ T對(duì)總凹坑深度的貢獻(xiàn)不超過(guò)2%。
[0039]另外，與氣體流量相關(guān)聯(lián)的通過(guò)拖動(dòng)(drag)去除的材料量是非常低的，這是因?yàn)闅怏w在大氣壓力下缺乏慣性并且表面速度較小，例如，<25m/s。在固體中的成型激光所產(chǎn)生的腔體中，蒸氣誘導(dǎo)的剪切力和反沖壓力的貢獻(xiàn)可忽略地影響對(duì)于較慢的蒸發(fā)條件所產(chǎn)生的腔體軸向深度。沒(méi)有一個(gè)表面輪廓顯示凹坑內(nèi)變粗糙，所述變粗糙將通常在已經(jīng)發(fā)生爆發(fā)沸騰的情況下出現(xiàn)，并且輻照度遠(yuǎn)低于相爆閾值，例如，10nW/cm2。因此，在軸向深度d唯一地歸因于該位置處的材料蒸發(fā)時(shí)，溫度依賴性的蒸發(fā)速率的測(cè)量通過(guò)以下給出
[0040]R (Tp)?P' d/At, (2)
[0041]其中，P是熔融二氧化硅密度，Δ t涉及激光照射時(shí)間，并且Tp是在凹坑的中心處所測(cè)量的峰值溫度。使用中心深度d，這是因?yàn)樵摴獍叩奈恢每梢匀菀椎貜谋砻婧蜏囟瓤臻g曲線得到。此外，對(duì)該位置的分析的約束包含由高斯型激光束的非均勻加熱所引起的任何不明確性。在一個(gè)實(shí)施例中，有效的照射時(shí)間At可以是約4秒，這是由于對(duì)于在熱擴(kuò)散率D=8X10_7m2/s下逼近峰值溫度所需要的熱擴(kuò)散時(shí)間是大約a2/D=0.98秒，其中，α是光束直徑。所得到的基于用于降低溫度所推測(cè)的時(shí)間積分的實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)速率的誤差〈底部凹坑深度的3%。因此，在有效的照射時(shí)間內(nèi)的較小變化δ將具有可忽略的影響。峰值溫度在對(duì)于大于熱擴(kuò)散時(shí)間的照射持續(xù)時(shí)間而言恰好在激光關(guān)掉之前所達(dá)到的最終峰值溫度的5%以內(nèi)，并且可以隨著來(lái)自工件的熱損失平衡掉來(lái)自激光加熱的加熱輸入而在由D所確定的速率下漸近地增加。
[0042]在某些實(shí)施例中，蝕刻/蒸發(fā)速率可以取決于處理是有限傳輸還是基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，或是取決于二者。如果蒸發(fā)速率有限傳輸，則質(zhì)量傳遞系數(shù)(hm)和反應(yīng)平衡常數(shù)(Kp)是控制參數(shù)。如果蒸發(fā)速率不是有限傳輸，則用于蒸發(fā)和冷凝反應(yīng)的速率常數(shù)是控制參數(shù)。如果蒸發(fā)速率(R)不依賴于氣體的流量，則可以認(rèn)為蒸發(fā)處理不是有限傳輸。圖3是示出蒸發(fā)速率(R)對(duì)各種氣體的流量的依賴性的圖表。
[0043]如可以從圖3看到，例如，在約2880° K的固定溫度下，隨著氣體流量增大，蒸發(fā)速率也增大。另外，蒸發(fā)速率還取決于所使用的氣體的類(lèi)型。例如，如圖3中所示，對(duì)于IOL/min的固定流量而言，在使用100%氫氣的情況下的蒸發(fā)速率明顯高于在空氣用作氣體的情況下的蒸發(fā)速率。如圖所示，在蒸發(fā)速率與正使用的氣體的流量之間有相關(guān)性。然而，氣體流量不僅是用于蒸發(fā)速率的控制參數(shù)。蒸發(fā)速率還取決于正使用的氣體的類(lèi)型。如可以從圖3看到，對(duì)于給定的流量而言，使用100%氫氣所導(dǎo)致的蒸發(fā)速率明顯高于使用100%氮?dú)饣蚩諝馑鶎?dǎo)致的蒸發(fā)速率。這部分地由于氫氣的反應(yīng)性質(zhì)。從邊界層傳輸出來(lái)的材料限制了蒸發(fā)速率R，這是由于在純氮?dú)夂涂諝庵胁淮嬖跉庀喾磻?yīng)物。
[0044]在處理的表面是二氧化硅基的特定實(shí)施例中，所使用的氣體的類(lèi)型顯著地影響蒸發(fā)速率。圖4是示出二氧化硅基材料的蒸發(fā)速率對(duì)所使用的氣體的類(lèi)型的依賴性的圖表。圖4的結(jié)果示出尤其純氮?dú)?、具?%氫氣的氮?dú)夂途哂?%氫氣的氦氣對(duì)蒸發(fā)速率的影響。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，圖4僅是示例性的，并且材料和/或所使用的氣體的類(lèi)型改變將對(duì)蒸發(fā)速率有不同的影響。在某些實(shí)施例中，由于氫氣而減少的二氧化硅所導(dǎo)致的蒸發(fā)速率大于當(dāng)使用100%氮?dú)庠诙栊詺夥罩袌?zhí)行蒸發(fā)處理時(shí)的蒸發(fā)速率。另外地,100%氮?dú)馑鶎?dǎo)致的蒸發(fā)速率大于在作為氧化環(huán)境的空氣中的蒸發(fā)速率。此外，氫氣的使用允許對(duì)于與周?chē)諝鈼l件相比產(chǎn)生相同的蒸發(fā)速率所需的100° K至200° K的處理溫度降低。
`[0045]在圖4中所示的溫度下發(fā)生的主要吸熱反應(yīng)可以通過(guò)以下給出
【權(quán)利要求】
1.一種方法，該方法包括: 提供具有表面的工件； 將氣體射流噴射在所述表面的一部分上，所述氣體射流包括反應(yīng)氣體； 將激光束聚焦在所述表面的所述部分上長(zhǎng)達(dá)預(yù)定的持續(xù)時(shí)間； 將所述表面的所述部分加熱到第一溫度；和 從所述表面的所述部分去除預(yù)定量的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體射流和所述激光束是重合的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述從所述表面的所述部分去除所述預(yù)定量的材料的步驟還包括: 通過(guò)加熱而破壞所述材料的分子之間的鍵；和 通過(guò)所述反應(yīng)氣體與所述材料之間的反應(yīng)而使材料蒸發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述預(yù)定的持續(xù)時(shí)間終止時(shí)，關(guān)掉所述激光束； 將所述氣體射流噴射在所述表面的另一部分上；和 將所述激光束聚焦在所述表面的所述另一部分上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工件包括二氧化硅基材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述反應(yīng)氣體包括還原氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述還原氣體包括氫氣、一氧化碳、水蒸氣或氟化氫中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體射流還包括載氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述載氣包括氮?dú)饣蚝庵械闹辽僖环N。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預(yù)定的持續(xù)時(shí)間介于0.5秒至5秒之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一溫度是在2000°K至約3100° K的范圍內(nèi)。
12.—種方法,該方法包括: 將氣體射流噴射在工件的表面上，所述氣體射流所包括的氣體的擴(kuò)散率高于空氣的擴(kuò)散率； 將激光束聚焦在所述表面上長(zhǎng)達(dá)第一持續(xù)時(shí)間，所述激光束具有第一功率； 將所述表面加熱到第一溫度以從所述表面去除材料；和 采用所述氣體使已去除的材料遠(yuǎn)離所述表面移動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述氣體包括氦氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，在將所述激光束聚焦在所述表面上之前，將所述氣體射流噴射在所述表面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述工件包括二氧化硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第一功率大約是20W，并且所述第一持續(xù)時(shí)間介于0.5秒至5秒之間。
17.—種系統(tǒng),該系統(tǒng)包括: 襯底保持器，所述襯底保持器構(gòu)造成保持具有表面的工件； 噴嘴，所述噴嘴定位成與所述工件相鄰并且構(gòu)造成將氣體射流噴射在所述表面的期望區(qū)域上，所述氣體射流定位成與由所述工件的所述表面所占據(jù)的平面正交； 激光源，所述激光源構(gòu)造成發(fā)射激光束，所述激光束能夠聚焦在所述表面的所述期望區(qū)域處，其中，所述激光束在噴射在所述表面的所述期望區(qū)域上之前穿過(guò)所述噴嘴； 氣體遞送機(jī)構(gòu)，所述氣體遞送機(jī)構(gòu)聯(lián)接到所述噴嘴以提供所述氣體射流，其中，所述系統(tǒng)構(gòu)造成: 將所述氣體射流噴射在所述表面的所述期望區(qū)域上； 使用所述激光束將所述期望區(qū)域加熱到第一溫度；和 從所述期望區(qū)域去除預(yù)定量的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括溫度傳感器，所述溫度傳感器構(gòu)造成在所述材料正被去除的同時(shí)連續(xù)地監(jiān)測(cè)所述期望區(qū)域處的溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述氣體射流包括氮?dú)?、氫氣、氦氣、空氣、水蒸氣或它們的組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述氣體射流包括5%氫氣和95%氮?dú)獾幕旌衔锘?%氫氣和95%氦氣的混合物中的一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)`，其中，所述激光源包括紅外線激光器。
【文檔編號(hào)】B44C1/22GK103502019SQ201280021107
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】S·埃爾哈德加, P·杰拉格蒂, M·A·強(qiáng)森, M·J·馬修斯, S·T·揚(yáng) 申請(qǐng)人:勞倫斯利弗摩爾國(guó)際安全有限責(zé)任公司