Структура и свойства поликристаллического α-Al2O3, модифицированного мощным лазерным излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Саврук, Елена Владимировна

• Саврук, Елена Владимировна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Саврук, Елена Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АЛЮМООКСИДНАЯ КЕРАМИКА. МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Структура и физико-химические свойства оксида алюминия

1.2. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью керамических материалов

1.2.1. Процессы поглощения и отражения лазерного излучения керамическими материалами

1.2.2. Тепловые процессы при лазерном нагреве керамических материалов

1.2.3. Скоростная кристаллизация и аморфизация керамических материалов при воздействии мощного лазерного излучения

1.2.4. Процессы поверхностного испарения материала и образования лазерной эрозионной плазмы

1.2.5. Дефектообразование в керамических материалах при воздействии лазерного излучения

1.3. Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

2.1. Исследуемые образцы

2.2. Лазерная обработка керамических материалов

2.3. Обработка керамических материалов пучком низкоэнергетических электронов

2.4. Методы исследования керамических материалов, подвергнутых лазерной и низкоэнергетической электронной обработкам

2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ а-А1203 ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

3.1. Анализ тепловых процессов при лазерном нагреве поликристаллического а-А12Оз

3.2. Процессы плавления и испарения поликристаллического а-А12Оз

при лазерной обработке

3.3. Спектральный анализ лазерной эрозионной плазмы вблизи поверхности поликристаллического а-А12Оз

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Структура поликристаллического а-А120з в зоне действия луча лазера

4.2. Фазовый состав поликристаллического а-А12Оэ

4.3. Оптические свойства поликристаллического а-А12Оз

" 4г4гАдсорбционные свойства поликристаллического а-А1203

4.5. Механические свойства поликристаллического а-А120з

4.6. Выводы

ГЛАВА 5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ а-А1203 ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПУЧКА НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ

5.1. Анализ тепловых процессов при электронно-лучевом воздействии на поверхность поликристаллического а-А120з

5.2. Структура и фазовый состав поликристаллического а-А12Оэ в зоне действия электронного луча

5.3. Оптические свойства поликристаллического а-А12Оз при электронно-лучевом воздействии

5.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и свойства поликристаллического α-Al2O3, модифицированного мощным лазерным излучением»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования:

Керамические материалы на основе а-А12Оз широко используются в электронной и электротехнической промышленности и по совокупности электрофизических и технико-экономических параметров являются одними из наиболее пригодных для изготовления установочных электро- и радиотехнических изделий. Широкое применение алюмооксидная керамика находит в технологии изготовления подложек для интегральных схем и корпусов полупроводниковых приборов. Реальная поверхность керамических подложек, полученных по стандартной технологии, имеет большое количество дефектов - межзеренные поры, границы зерен, дефекты шлифовки, дислокации и различного рода загрязнения. Поэтому важную роль играют процессы подготовки поверхности подложек перед нанесением металлических и диэлектрических слоев и последующей пайкой и сборкой.

Уменьшить отрицательное влияние можно с помощью различных электрофизических воздействий с использованием лазерных, ионных, электронных, плазменных и других обработок. Наибольший интерес в настоящее время представляют процессы лазерной обработки и активации керамических материалов, поскольку они приводят не только к улучшению качества поверхности подложек, но и открывают путь к созданию аддитивных технологических процессов изготовления интегральных схем.

С научной и практической точки зрения также большой интерес представляет получение новых свойств материалов путем модификации поверхности с помощью лазерного воздействия. Наряду с уменьшением шероховатости поверхности, изменением химического состава приповерхностного слоя наблюдается структурирование поверхности в виде направленной перекристаллизации расплавленного слоя с образованием структуры «шевронного типа» различного масштабного уровня. Таким образом, появляется возможность управления оптическими, механическими и электрическими свойствами поверхности за счет ориентированных определенным образом структурных образований, а также сущест-

венным образом изменить каталитическую и адсорбционную способность поверхности.

Цель и задачи диссертационной работы:

Цель диссертационной работы - исследование процессов обработки поверхности алюмооксидной керамики лазерным ИК-излучением и его влияние на структуру и оптические и физико-химические свойства поверхности материала. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявление механизмов дефектообразования в керамических материалах на основе оксида алюминия при воздействии лазерного излучения и установления его влияния на структуру и свойства поверхности материалов;

2. Анализ термических процессов в керамических материалах на основе оксида алюминия при локальном нагреве лазерным излучением;

3. Разработка методов исследования модифицированной поверхности керамических материалах на основе оксида алюминия;

4. Выдача рекомендаций по применению лазерной обработки поверхности керамических материалов на основе оксида алюминия в производстве электронных компонент.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Установлено, что при воздействии мощного лазерного излучения с дли-

2 6 2

ной волны 1,06 мкм и плотностью мощности 10 - 10 Вт/см на поверхности поликристаллического оксида алюминия образуются квазипериодические наноструктуры.

2. Показано, что процесс взаимодействия лазерного излучения (с длиной

2 6 2

волны 1,06 мкм и плотностью мощности 10 - 10 Вт!см ) с поверхностью материала имеет преимущественно тепловой механизм воздействия до момента образования эрозионной плазмы; образование плазменного факела и его последующее разгорание до температур испарения приводит к перераспределению диссипации энергии лазерного излучения в системе плазма-материал.

3. Показано, что в результате лазерной (с длиной волны 1,06 мкм и плотно-

2 6 2

стью мощности 10 - 10 Вт!см ) и низкоэнергетической электронной (при давле-

О Л

нии в рабочей камере 5-15 Па и плотности мощности пучка 10-10* Вт/см') обработок поверхности керамических материалов на основе оксида алюминия происходит обеднение приповерхностного слоя кислородом и обогащение алюминием и углеродом.

Практическая значимость работы:

Полученные в работе экспериментальные и теоретические результаты положены в основу разработки лазерных методов обработки поверхности керамических материалов на основе оксида алюминия, которые использованы в технологии изготовления интегральных схем в условиях опытного производства ЗАО НПФ «Микран» (г. Томск) и ОАО «НИИ 1111» (г. Томск), а также в технологии лазерного наноструктурирования сапфировых подложек при производстве высокоэффективных полупроводниковых источников света путем создания периодических и квазипериодических светорассеивающих центров на границе раздела сапфировая подложка - и-слой ваИ (Пат. 2472252 РФ, МПК Н 01 Ь 33/50, В 82 В 3/00 «Способ изготовления полупроводникового источника света»; Пат. 116693 РФ, МПК Н 01 Ь 33/00 «Устройство для измерения температуры полупроводниковых источников света в осветительных устройствах»).

Разработанные методы исследования структуры поверхности и состава эрозионной плазмы рекомендованы к внедрению в ЗАО НПФ «Микран» (г. Томск), а также в учебный процесс студентов кафедры Физической электроники ТУСУР (г. Томск) при изучении курса «Физико-химия наноструктурированных материалов».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При воздействии лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм и плотно-

2 6 2

стью мощности 10-10 "Вт! см- на а-А12Оз в кислородосодержащей среде наблюдается изменение элементного и фазового состава приповерхностного слоя в сторону обеднения кислородом и с частичным переходом а-фазы в у-фазу до 50%.

2. В процессе плавления и последующей перекристаллизации поликристаллического А12Оз в приповерхностном слое происходит многоуровневое периодическое и квазипериодическое структурирование материала с размерами элементов

структуры от десятков микрометров до десятков нанометров, геометрия которых зависит от времени воздействия и плотности мощности лазерного излучения и кристаллографической ориентации зерен А120з на поверхности.

3. Испарение и диссоциация поверхности керамики под действием лазерного излучения приводит к образованию эрозионной плазмы составом А11, Сг I, Бе I и цветовой температурой 5300 -5900 К.

4. При лазерной и низкоэнергетической электронной обработках поверхности керамических материалов на основе оксида алюминия с плотностью мощно-

2 4 2

сти 10 -10 Вт!см механизмы воздействия идентичны и носят преимущественно тепловой характер.

Личный вклад автора:

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, подаче заявок на изобретение и полезную модель, а также подготовке к публикации докладов и статей. Все результаты получены автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась:

— современными экспериментальными методами исследований с применением техники высокого уровня, паспортизованных опытных образцов и компьютерной обработкой экспериментальных данных с помощью стандартных прикладных программ;

— соответствием полученных экспериментальных данных теоретическим представлениям, развиваемым в работе, и непротиворечивостью вытекающих из работы следствий хорошо известным надежным данным других источников.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 34 работ (12 статей в изданиях из перечня ВАК, 20 докладов и тезисов на международных и всероссийских конференциях, 2 патента).

Апробация работы:

Результаты исследований, вошедших в диссертацию, были доложены и обсуждены на 14 всероссийских и 21 международных конференциях, симпозиумах, школах и семинарах: Международная научная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» 2008, 2010, 2012 гг. (г. Томск); Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» 2008 - 2012 гг. (г. Томск); Российская научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения» (с международным участием) 2009 г. (г. Томск); Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» 2009, 2010 гг. (г. Томск); Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» 2009 г. (г. Санкт-Петербург); Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» 2009 - 2011 гг. (г. Томск); Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехноло-гии и микросистемы» 2009 г. (г. Ульяновск); Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами 2010 г. (г. Москва); International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows 2010 (Tomsk); International Conference and Seminar of Young Specialists. Mi-cro/Nanotechnologies Electron Devices 2011 (Novosibirsk); International Siberian Conference on Control and Communications 2011 (Krasnoyarsk); Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом» 2011 г. (г. Минск), International conference on «The kinetics and mechanism of crystallization. Crystallization and materials of new generation» 2012 r. (Ivanovo).

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 73 / 10 от 15.07.2010 г. в порядке реализации Постановления №218 Правительства РФ, ФЦП «Создание научных основ и технологических принципов изготовления теплосберегающих покрытий для жилых домов и производственных зданий на основе соединений с фазовыми переходами, моди-

фицированных наночастицами» (ГК № 14.В37.21.0330), ФЦП «Проведение исследований, направленных на создание основ технологий изготовления термостаби-лизирующих покрытий» (ГК № 02.513.11.3333), Госзадания №7.1778.2011 на 2011-2015 годы на тему «Создание научных основ и технологических принципов модифицирования наночастицами с целью получения фото- и радиационно-стойких материалов для космической техники, атомной и химической промышленности, стройиндустрии» и в рамках гранта «У.М.Н.И.К.» (ГК № КР.411 / 08 от 20.02.2009 г. и ГК № 8725р /13139 от 14.01.2011 г).

ГЛАВА 1. АЛЮМООКСИДНАЯ КЕРАМИКА.

МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Структура и физико-химические свойства оксида алюминия

Кристаллический оксид алюминия А12Оз существует в виде различных структурных модификаций, основными из которых являются a-, ß- и у-А1203. Кроме того, есть данные о существовании еще нескольких разновидностей: 5, 0, ц, £,-А1203, представляющих собой неустойчивые промежуточные фазы, возникающие в процессе обезвоживания оксида алюминия или при окислении алюминия, а- и у-фазы представляют собой чистый оксид алюминия [1]. Условия, при которых образуются метастабильные формы, их свойства, строение и даже само число полиморфных форм изучены недостаточно. Все метастабильные модификации оксида алюминия могут быть превращены в стабильную алюмооксидную форму при достаточно высокой температуре. Основные данные по структурным характеристикам и температурам фазовых переходов для различных фаз приведены в таблице 1.1.

Теперь более подробно рассмотрим свойства а-А1203 и у-А12Оз.

а-А1203 - наиболее устойчивая модификация оксида алюминия. В природе встречается в виде монокристаллов (рубин, сапфир) и мелкозернистых пород (наждак). а-А1203 может быть получен искусственно в результате термического разложения ромбической модификации АЮОН-диаспора или полиморфных переходов метастабильных форм А1203 (у, г\ и т.д.), которые образуются при разложении кристаллической модификаций А1(ОН)3-гиббсита и байерита и АЮОН-бемита.

Модификация а-А1203 кристаллизуется в тригональной сингонии и относится к оптически одноосным двупреломляющим веществам. Оптический знак — минус. Двупреломление слабое и щ — пе = 0,008. Спайность у кристаллов отсутствует. Твердость корунда по шкале Мооса - 9, по шкале Роквелла - около 90. Температура плавления а-А12Оэ достигает 2050°С, температура кипения 2707±6°С. Теплота испарения корунда 484 кДж/молъ, теплота образования оксида алюминия 1,7 МДж/'моль. Теплоемкость корунда при 20°С - 0,93, при 800°С - 1,1, при 1400°С- 1,2 кДж/моль. Энергия решетки 15,4 МДж/молъ [2].

Таблица 1.1- Основные данные по структурным характеристикам и темпе-

ратурам фазовых переходов для различных фаз А1203 [1]

Характеристики Фаза А12Оз

а-АЬОз Р-А12ОЗ У-А12ОЗ ЗС-А12ОЗ 5-А12ОЗ 6-А12Оз

Структурные характеристики сингония ромбическая или гексагональная гексагональная кубическая кубическая или гексагональная тетрагональная моноклинная или гексагональная

пространственная группа язе Р6\/ттс РсВт -

параметры элементарной ячейки, А а = 5,12 55°17' или а = 4,76 с = 13,00 а = 5,58 с = 22,45 а = 7,92 -8,06 а = 3,95 или а = 5,57 с = 8,64 а = 7,96 с = 11,70 а = 5,93 с = 11,74 Ь = 2,86 р=103°20' или а = 8,40 с = 13,65

Плотность, г/см3 4 (3,99) 3,31 3,293,42 - 3,7 3,7

Показатель преломления щ - 1,767; Ле= 1,759 «о = 1,665 -1,680; Tie =1,63-1,65 п = 1,69 - - -

Оптический знак В В - - - -

Температура фазовых переходов Устойчива при нагреве вплоть до температуры плавления (2500°С) При 1600-1700°Ср переходит в а с выделением соответствующего оксида в газообразном состоянии у переходит в а при 1100 - 1200°С (переход заканчивается полностью при 1450°С) - - -

Для плотности корунда приводятся экспериментальные данные, лежащие в

о

пределах 3,96 - 4,016 г/см . Колебания плотности вызвано дефектами в кристаллах или различным содержанием примесей. Согласно современным представлениям, решетка а-А12Оз ромбоэдрическая. Ион А1 окружен шестью ионами ки-

слорода О" , образующими октаэдр (рисунок 1.1). Ион кислорода окружают четыре иона алюминия.

[ТОЮ]

[ОНО] [1100]

[1210]_' [1210]

[1100] ^^ГкТуУ [0110]

[1010]

Рисунок 1.1— Схема расположения ионов А1+3 (черные кружки) и октаэдрических пустот (малые светлые кружки) между двумя слоями ионов О" (большие светлые кружки) в базисной плоскости а-А12Оз

Модификация у-А1203 объединяет группу кристаллических веществ, плотность и показатель преломления которых лежат в определенном интервале значений и которые образуются путем прокаливания гидроокиси алюминия при температуре 500 - 600°С. у-А1203 можно получить также термическим разложением ряда солей алюминия (например, алюмоаммиачных квасцов). При температурах выше 1000°С у-А1203 переходит необратимо в а-А1203. Переход этот совершается довольно медленно начиная с 1100 - 1200°С и полностью завершается при 1450°С. При переходе у-А1203 в а-форму выделяется 32,8 кДж/молъ. Переход из у- в а-форму сопровождается объемным сжатием на 14,3%, что имеет весьма важное значение. Плотность и показатель преломления у-А1203 зависят от условий его получения. При прокаливании гидроокиси алюминия в интервале температур 750 - 950°С плотность получаемого у-А1203 лежит в пределах 3,424 - 3,619 г!см ,

а показатель преломления изменяется от 1,635 до 1,665. Эти изменения связаны с переходом от почти аморфного состояния вещества при низких температурах к хорошо образованным кристаллам при высоких температурах.

Особенностью у-А120з является хорошая адсорбция паров воды, а также высокая каталитическая способность при некоторых органических реакциях. Это связано с тем, что кристаллиты у-А12Оз очень малы, результатом чего является большая суммарная поверхность. Была обнаружена прямая связь между каталитической активностью у-А120з и размером его кристаллов [2].

Гидроксильный покров оксида алюминия имеет сложное строение [3]. Спектр у-А12Оз, дегидратированной нагреванием в вакууме при 700° С, имеет в области 3700 - 3800 см'1 пять полос поглощения (рисунок 1.2, а). Согласно [3] эти полосы принадлежат изолированным поверхностным ионам ОН-, находящимся в контакте с различным числом ионов кислорода (рисунок 1.2, б). Наиболее высокочастотная полоса приписывается ионам ОН", которые окружены четырьмя ио-2_

нами О (эти ионы на рисунке 1.2, б обозначены символом А) и имеют поэтому

наиболее сильно выраженный основной характер. Низкочастотная полоса припи-

2_

сывается ионам ОН-, которые не имеют контакта с ионами О и обладают более сильными кислотными свойствами (ионы С на рисунке 1.2, б).

Остальные полосы относят к промежуточным типам поверхностных ионов ОН-. Такая интерпретация спектра подтверждается рассмотрением моделей поверхности окиси алюминия, которое показывает, в частности, что концентрация различных типов ионов ОН- изменяется по мере дегидратации поверхности так же, как интенсивность полос соответствующих гидроксильных групп.

Керамику, состоящую в основном из оксида алюминия а-А12Оз, называют алюмооксидной керамикой. Так как искусственно изготовленная техническая алюмооксидная керамика содержит не только А12Оз, но и некоторые введенные добавки и сопутствующие сырью примеси, то условно принято называть алюмооксидной керамикой такую, которая содержит 95% и более А1203 и основной кристаллической фазой которой является корунд.

3840 3600

3760

а б

Рисунок 1.2 - Гидроксильный покров окиси алюминия: а - изменение спектра ОН-групп А1203 при повышении температуры откачки от 700 до 950° С; б - поверхность А12Оз с различными типами ОН-групп

1 I

(знаком «+» обозначены иона А1 в нижнем слое) [3]

Микроструктура алюмооксидной керамики состоит из зерен кристаллического оксида алюминия, промежутки между которыми заполнены стеклофазой (8Ю2 ~ 2,5%, М§0 ~ 1,0%, СаО ~ 0,1%), а также воздушными порами. При производстве высокоглиноземистой керамики поставляемый глинозем дополнительно измельчают до получения порошка со средним размером частиц 2-4 мкм [4]. Эту величину принято считать оптимальной. Такому размеру соответствует образование керамики с плотностью 3,5-3,85 г!см .

В нашей стране алюмооксидную керамику, предназначенную для различных областей техники, называют по-разному: алюмооксид, корундиз, синоксаль, мипалунд, стоал, 22ХС (ВК-94-1), микролит, М-7 (ВК-94-2), поликор (ВК-100-1) и др. Все эти виды алюмооксидной керамики отличаются типом и количеством вводимой добавки, некоторым различием в технологии изготовления и, как следствие, свойствами.

Поверхностный слой любого материала отличается от основного материала. Во многих случаях этот поверхностный слой благотворно влияет на длительность

эксплуатации изделия. Многие виды обработки поверхности осуществимы в промышленных масштабах и обеспечивают изменение в широком диапазоне таких свойств, как механические, химические, оптические, электронные и др.

Методы обработки поверхности можно классифицировать согласно следующей схеме: 1) механические методы; 2) методы физико-химической модификации материала; 3) методы осаждения, позволяющие получать поверхностные слои с составом и микроструктурой, отличными от состава и микроструктуры материала подложки [5].

Некоторые методы обработки поверхности находят особо широкое применение при обработке разнообразных поверхностей; к ним относятся лазерная обработка поверхности (или, альтернативно, обработка электронными пучками), ионная имплантация и ионное осаждение.

1.2. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью керамических материалов

Лазерная обработка поверхности заключается в быстром сканировании поверхности непрерывным или импульсным лазерным лучом [5]. Высокоэнергетический лазерный луч вызывает локальное оплавление тонкого поверхностного слоя, тогда как лежащие глубже слои материала остаются холодными. При этом расплавленный поверхностный слой подвергается быстрой закалке из-за плотного контакта с массой холодного материала на границе раздела. Возможно применение лазерной обработки поверхностей для повышения стойкости материалов против износа, коррозии, эрозии и усталости.

Лазерное излучение при воздействии на образец может нагревать, плавить и испарять материал образца (рисунок 1.3).

На рисунке 1.3 в квадратных рамках показаны соответствующие подходы к описанию процессов. Стрелками показаны основные взаимосвязи между различными процессами (сплошные линии - для прямых эффектов, штриховые - для обратного явления).

Кинетика возбуждения носителей заряда

Кинетика возбуждения и переноса носителей заряда

Рисунок 1.3 — Схематическое представление лазерно-индуцированных процессов в диэлектрических материалах (в овальных рамках) [6]

При нагревании могут проявиться процессы окисления материала, если нагрев осуществляется в окислительной среде. При расплавлении образца возможно появление движения в жидкости из-за эффекта Марангони, могут развиться капиллярные неустойчивости. Если интенсивность достаточна для начала испарения материала, то могут проявиться специфические испарительные неустойчивости.

1.2.1. Процессы поглощения и отражения лазерного излучения керамическими материалами

Источники ИК—излучения охватывают диапазон длин волн от 0,8 до 15 мкм. Для этого диапазона длин волн большинство керамических материалов являются непрозрачными и малопрозрачными, для которых коэффициент отражения Я описывается выражением [5, 7]:

л .("-О2**2

0 (« + 1)2+*2'

где п - показатель преломления; к — показатель поглощения.

(1.1)

Изменение плотности светового потока по глубине описывается законом Бугера [8]:

где - плотность падающего светового потока на поверхности материала;

А - поглощательная способность материала; а - линейный коэффициент поглощения; х - координата, отсчитываемая от поверхности вглубь материала.

Выражения (1.1) и (1.2) справедливы для идеальных материалов и поверхностей, реально же любая поверхность имеет следы механической и химической обработки, а также точечные и протяженные дефекты, поэтому коэффициент отражения реальной поверхности зависит от ее шероховатости [9]:

где ~ коэффициент отражения идеальной поверхности; ра - высота микрошероховатостей поверхности; X - длина волны излучения. При нормальном падении излучения:

то есть для данной длины волны излучения увеличение шероховатости поверхности по сравнению с оптически гладкой (ра < Л) приводит к снижению измеряемого коэффициента отражения.

Кроме того поглощательная способность А и коэффициент поглощения а являются функциями температуры и в первом приближении могут быть описаны с помощью эмпирических формул [9]:

д(х) = д0Ае-са=д0(1-Я)е

(1.2)

А(Т) = а + ЬТ; а(Т) = а-еьп,

где а - а(Т Ти — температура испарения; Ь = 103 К. Для оксида алюминия:

А(Т) = 0,77 + 4,28 -10"4 Т.

Однако учет только вышеназванных зависимостей не позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью получить величину поглощенной в материале мощности излучения, так как коэффициенты поглощения и отражения являются функциями длины волны излучения Я, а также и плотности мощности излучения. Спектральные зависимости коэффициентов отражения и пропускания, измеренные при низких значениях теплового потока, показывают, что наряду с тепловыми процессами в керамических материалах имеют место и резонансные явления, которые не всегда могут быть описаны, исходя из законов оптики [10 — 12]. Основными механизмами поглощения ИК—излучения в керамических материалах являются [13, 14]:

— поглощение на поверхностных загрязнениях и адсорбированных СН и ОН радикал-ионах;

— поглощение на примесях и дефектах и на границах зерен;

— многофотонное поглощение;

— вынужденное рассеяние Манделынтама-Бриллюена;

— поглощение за счет самофокусировки лазерного излучения.

Кроме того при воздействии мощных потоков излучения в материалах, особенно в приповерхностных слоях, происходят сложные физико-химические процессы, приводящие как к упорядочению структуры, так и к разупорядочиванию и разрушению, причем все эти процессы могут происходить одновременно или последовательно во время действия одного импульса. На рисунке 1.4 приведены экспериментальные результаты измерений отражательной и пропускной способности некоторых распространенных в электронной промышленности материалов при воздействии излучения лазера длиной волны 1,06 мкм.

Основной вклад в увеличение поглощения в материалах оказывают процессы нагрева, обусловленные как собственным поглощением, так и поглощением на включениях и границах зерен [15]. В поликристаллическом материале с полированной поверхностью значительное число поглощающих включений сосредоточено в поверхностном слое и обусловлено заполнением межзеренных пор остатками абразива. Число пор достаточно велико, так например, в керамическом ма-

териале типа поликор их число достигает 104 см2 при размере от 1 до 3 мкм, поэтому становится очевидным, что поглощение на этих включениях может привести к возникновению горячих пятен. При выгорании включений и локальном оплавлении горячих точек наблюдается некоторое просветление материала.

о 2 4 6 8 ю

Е„ад> Дж

Рисунок 1.4 - Зависимость энергии лазерного излучения, проходящей через керамический образец, от падающей (толщина образцов 0,5 мм) [17]

Так как керамические материалы являются поликристаллическими, то существенную роль в рассеянии излучения играют границы зерен. Как правило, размеры зерен находятся в пределах от 1 до 40 мкм, то есть соизмеримы с длиной волны ИК-излучения. Для этих размеров справедливо следующее выражение для проходящей через образец мощности Р [4]:

Р-Р0 ехр(-2лтУг2^/7),

где г - размер зерен; N - плотность зерен; к - постоянная, зависящая от коэффициента преломления, учитывающий влияние пор; к - толщина образца.

При воздействии оптического излучения на образцы с полированной поверхностью существенную роль начинают играть процессы многократного отражения внутри образца, при этом пропускная способность резко понижается [15].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Саврук, Елена Владимировна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Варенова Н.Г., Кузнецов Л.К., Малыгин Н.Д., Перевезенцев В.Н., Щер-бань М.Ю. Фазовые превращения в керамике А120з, спекаемой под воздействием микроволнового излучения // Физика и химия обработки материалов, 1992. - № 5. -С. 131-135.

2. Балкевич В.Л. Техническая керамика. Учеб. пособие для втузов. — М.: Стройиздат, 1984. - 256 с.

3. Чернышов A.A., Максимова Э.А., Рыбакова И.В., Сычев Г.Л., Челноков Е.И. Состояние и перспективы развития производства керамики для подложек и корпусов ИС // Зарубежная электронная техника, 1990. - № 9 (352). - С. 1-56.

4. Филимонов В.Н. Исследование природы центров физической адсорбции методом инфракрасной спектроскопии // Основные проблемы теории физической адсорбции.-М.: Наука, 1970.-С. 116-121.

5. Обработка поверхности и надежность материалов: Пер. с англ. / Под ред. Дж. Бурке, Ф. Вайса. -М.: Мир, 1984. - 192 с.

6. Булгакова Н.М., Стоян Р., Розенфельд А. Лазерно-индуцированная модификация прозрачных кристаллов и стекол // Квантовая электроника, 2010. — Т. 40. — № 11.-С. 966-985.

7. Полтавцев Ю.Г., Князев A.C. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. - К.: Тэхника, 1990. - 206 с.

8. Кизаль В.А. Отражение света. -М.: Наука, 1973. - 351 с.

9. Топорец A.C. Оптика шероховатой поверхности. - Ленинград: Машиностроение, 1988. - 191 с.

10. Сергеев А.Н. Тугоплавкие оксиды и их соединения в тонком слое. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 1988. - 300 с.

11. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В. Лазерные наносекундные микротехнологии: Монография / Под общ. ред. Д.В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003.-300 с.

12. Вендик О.Г., Горин Ю.Н., Попов В.Ф. Корпускулярно-фотонная технология: Учеб. пособие для вузов по спец. «Промышленная электроника». — М.: Высш. шк., 1984.-240 с.

13. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. - М.: Наука, 1989. - 280 с.

14. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация / Г.А. Абильсиитов, B.C. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.; Под общ. ред. Г.А. Абильсиитова. -М.: Машиностроение, 1991. - 432 с.

15. Бахарев М.С., Миркин Л.И., Шестериков С.А. Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях. - М.: Изд-во Моск. ун-та. 1988. - 224 с.

16. Ebarhardt J., Haub J. Reflectivity of natural and powdered minerals at C02 laser wafelengths // Applied Optics, 1985. - Vol. 24. - no. 3. - P. 388-395.

17. Смирнов C.B. Разрушение керамических и полупроводниковых материалов при воздействии мощного ИК-излучения / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - Томск, 1996. - 259 с.

18. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. - М.: Мир,1986. -

504 с.

19. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.

20. Борисенко В.Е., Корнилов С.Н., Лабунов В.А., Кучеренко Ю.В. Оборудование для импульсной термообработки материалов полупроводниковой электроники интенсивным некогерентным светом // Зарубежная электронная техника, 1985. - № 6 (289). - С. 45-65.

21. Романов И.Г., Царева И.Н. Модификация свойств поверхностных слоев алюмооксидной керамики под действием мощных ионных пучков // Письма в ЖТФ, 2001.-Т. 27.-№ 16.-С. 60-75.

22. Григорьянц А.Г., Соколов A.A. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 4. Лазерная обработка неметаллических материалов. Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. -М.: Высш. шк., 1988. - 191 с.

23. Рыкалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник. - М: Машиностроение, 1985. -496 с.

24. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Дж. Поута. - М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.

25. Воробьев А.Ю., Петров В.А., Титов В.Е., Чернышев А.П. Отражательная способность керамики из оксида алюминия при интенсивном поверхностном нагреве и последующем свободном охлаждении // Теплофизика высоких температур, 2007. - Том 45. - № 1. - С. 19-27.

26. Экспериментальная механика: В 2-х кн.: Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. А. Кобаяси. -М.: Мир, 1990. - 552 с.

27. Вейко В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 248 с.

28. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 3. Методы поверхностной лазерной обработки. Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. -М.: Высш. шк., 1987. - 191 с.

29. Рубашев М.А., Бердов Г.И., Гаврилов В.Н., Любимов М.Л., Мусатов М.И., Преснов В.А., Ротнер Ю.М. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике / Под общей ред. акад. Н.Д. Девяткова. - М.: Атомиздат, 1980.-246 с.

30. Гладуш Г.Г., Красицкая Л.С., Левченко Е.Б., Черняков А.Л. Термокапиллярная конвекция в жидкости под действием мощного лазерного излучения // Квантовая электроника, 1982. - Т. 9. - № 4 (118). - С. 660 - 668.

31. Завестовская И.Н. Лазерное наноструктурирование поверхности материалов // Квантовая электроника, 2010. - Т. 40. - № 11. - С. 942 - 954.

32. Завестовская И.Н., Игошин В.И., Канавин А.П., Катулин В.А., Шишков-ский И.В. Теоретическое и численное исследование процессов лазерной аморфи-зации и получения мелкокристаллических структур // Труды ФИАН, 1993. — Т. 217.-С. 3- 13.

33. Кривилев М.Д.,. Данилов Д.А, Харанжевский Е.В., Галенко П.К. Отбор микроструктуры при лазерной перекристаллизации конструкционной стали // Вестник Удмуртского университета, 2005. - № 4. - С. 117 - 128.

34 Galenko Р.К., Danilov D.A. Steady-state shapes of growing crystals in the field of local nonequilibrium diffusion // Physic Letter Applied, 2000. - Vol. 272. -P. 207-217.

35. Галенко П.К., Харанжевский E.B., Данилов Д.А. Структура и механические свойства конструкционной стали при лазерной высокоскоростной перекристаллизации // Физика металлов и металловедение, 2002. - Т. 94. — № 2. -С. 207-216.

36. Галенко П.К., Харанжевский Е.В., Данилов Д.А. Высокоскоростная кристаллизация конструкционной стали при лазерной обработке поверхностей // Журнал технической физики, 2002. - Т. 47. - № 5. - С. 48 - 55.

37. Haranzhevskiy E.V., Danilov D.A., Krivilyov M.D., Galenko P.K. Structure and mechanical properties of structural steel in laser resolidification processing // Materials Science Engineering Applied, 2004. - Vol. 375-377. - P. 502 - 506.

38. Boettinger W. J., Schechtman D., Schaefer R. J., Biancaniello F. S. The effect of solidification velocity on the microstructure of Ag-Cu alloys // Metall. Trans. A., 1984.-Vol. 15.-P. 55-66.

39. Gill S.C., Zimmermann M., Kurz W. Laser resolidification of the A1 - Al2Cu eutectic: The coupled zone // Acta Metall. Mater., 1989. - Vol. 40. - No 11. -P. 2895-2906.

40. Gremaud M. The Microstructure of Rapidly Solidified Al-Fe Alloys Subjected to Laser Surface Treatment / M. Gremaud, M. Carrard, W. Kurz // Acta Metall Mater. - 1990. - N 38 (12). - P. 2587-2599.

41. Галенко П.К. Высокоскоростная кристаллизация конструкционной стали при лазерной обработке поверхности / П.К. Голенко, Е.В. Харанжевский, Д.А. Данилов // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72, вып. 5. - С. 48—55.

42. KurzW., Giovanola В., Trivedi R. Theory of microstructural development during rapid solidification // Acta. Metall., 1986. - Vol. 34. - P.823 - 830.

43. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. - М.: Наука, 1991.-312 с.

44. Эйдельман Е.Д. Возбуждение электронной неустойчивочти нагревом // Успехи физических наук, 1995. - Т. 165. - №11. - С. 1279-1294.

45. Звонков С.Д., Лукьянчук Б.С., Степанов В.А. Индуцированные лазерным излучением процессы дефектообразования и диффузии в металлах и оксидах // Тр. ИОФАН. Лазерная генерация неравновесных дефектов в твердом теле. - М.: Наука, 1991.-Т. 30.-С. 83-113.

46. Карлов Н.В., Кириченко H.A., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. - 296 с.

47. Воробьев А.Ю., Петров В.А., Титов В.Е. Быстрый нагрев и плавление оксида алюминия при воздействии концентрированного лазерного излучения // Теплофизика высоких температур, 2007. - Том 45. - № 4. - С. 533-542.

48. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тепломассоперенос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 176 с.

49. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров. - М.: «Металлургия», 1982.-208 с.

50. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. — М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

51. Артамонов П.Б., Лисаченко A.A. Особенности лазерной десорбции кислорода с монокристаллами вблизи Тс // Сверхпроводимость: Физика, химия, техника. 1993. -Т.6. -№1. -С. 121.

52. Выдрик Г.А., Костюков Н.С. Физико-химические основы производства и эксплуатации керамики. - М.: Наука, 1971. - 328 с.

53. Пуарье Ж.-П. Ползучесть кристаллов. - М.Мир, 1988. - 287 с.

54. Cao Sigi, Pedraza A.J. у-А1203 formation from pulsed-laser irradiated sapphire // Appl. Phys. Letters, 1994. - V. 9. - P. 77-81.

55. Алимов Д.Т., Гольдман В.Я., Имамов Ш.С., Хайдаров А.Х. Спектральные свойства окислов, формируемые при стимулированной лазером рекристаллизации // Физика и химия обработки материалов, 1994. - № 2 - С. 24-27.

56. Судзуки Т., Ёсинога X, Такеуми С. Динамика дислокаций и пластичность. - М.: Мир, 1989. - 269 с.

57. Фрост Г.Д., Эшби М.Ф. Карты механизмов деформации. - Челябинск: Металлургия. 1989. - 328 с.

58. Ковтуненко П.В. Физическая химия твердого тела. - М.: Высшая школа, 1993.-352 с.

59. Перепежко Д., Буттингер В. Применение метастабильных фазовых диаграмм для процессов скоростного затвердевания / В кн. Диаграммы фаз в сплавах. - М.: Мир, 1986. - С. 117-198.

60. Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: Карманный справочник / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004. - 320 с.

61. Упругие и акустические свойства ионных, керамических диэлектриков и высокотемпературных сверхпроводников / В. Н. Беломестных [и др.]. - Томск, 2001.-223 с.

62. Бочкин О. И., Брук В. А., Никифорова-Денисова С. Н. Механическая обработка полупроводниковых материалов. Учебник для подгот. рабочих на производстве. - М.: Высш. шк., 1983. - 112 с.

63. Новицки М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов: Пер. с польск./Пер. Д.И. Юренкова. - М.: Машиностроение, 1981. - 152 с.

64. Зверев Г.М., Голяев Ю.Д., Шалаев Е.А., Шокин А.А. Лазеры на алюмо-иттриевом гранате с неодимом. - М.: Радио и связь, 1985. - 144 с.

65. Faceted Surface Grain Morphology of Rapidly Solidified Alumina: Characterization and Potential Applications / Sandip P. Harimkar, Edward A. Kenik, Sanghoon Shim and Narendra B. Dahotre // ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 2009, 11, No. 12-P. 1030- 1033.

66. Бурдовицин В.А., Климов А.С., Оке Е.М. О возможности электроннолучевой обработки диэлектриков плазменным источником электронов в форваку-умной области давлений // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35. - Вып. 11. - С. 61-66.

67. Burdovitsin V., Burachevskii Ya., Mytnikov A. and Oks E. Plasma cathode electron gun for surface modification technologies at the forevacuum pressure range // 5th International Conference on Modification of Materials. - Tomsk, 2000. -P. 143-146.

68. Климов A.C. Форвакуумный плазменный источник ленточного электронного пучка с повышенной плотностью тока на основе разряда с протяженным полым катодом / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Томск, 2009. - 108 с.

69. Frank С. De Lucia, Russell S. Harmon, Kevin L. McNesby, Raymond J. Winkel, Andrzej W. Miziolek. Laser-induced breakdown spectroscopy analysis of energetic materials // Applied optics, 2003. - Vol. 42. - No. 30. - P. 6148 - 6152.

70. Суржиков А.П. Радиационно-термическое спекание ферритовой керамики / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Благовещенск - 1993. - 36 с.

71. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. - М.: «Энергия», 1969. - 136 с.

72. Калужский Н.А., Волохов Ю.А. Алюминия оксид. / Химич. энциклопедия.-М.: Мир, 1988.-Т. 1.-523 с.

73. Пентин Ю.А., Вилков J1.B. Физические методы исследования в химии. — М.: Мир, 2003.-683 с.

74. Саврук Е.В., Смирнов С.В. Плавление, испарение и кристаллизация приповерхностного слоя оксида алюминия при лазерной и электронно-лучевой обработке // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. - Т. 54. — № 1/3 - С. 204-207.

75. Piehler T.N., DeLucia F.C., Munson С.А., Homan B.E., Miziolek A.W., McNesby K.L. Temporal evolution of the laser-induced breakdown spectroscopy spec-

trum of aluminum metal in different bath gases // Applied Optics, 2005. - Vol. 44, No. 18.-P. 3654-3660.

76. Саврук E.B. Нанотекстурирование поверхности алюмооксидной керамики с помощью лазерных и электронных пучков // Доклады ТУ СУР. — 2010. — № 2 (22).-С. 204-206.

77. Savruk E.V., Smirnov S.V. Nanotexturing of ceramic products surface by means of low-energy electron and laser exposure // Micro/Nanotechnologies Electron Devices (EDM), 2011 International Conference and Seminar of Young Specialists on. Novosibirsk. - P. 96-99 (Digital Object Identifier in IEEE Xplore Digital Library: 10.1109/EDM.2011.6006904).

78. Саврук E.B. Получение периодических наноструктур у-А12Оз при воздействии лазерного излучения // Доклады ТУ СУР. - 2011. - №2 (24). - С. 52-54.

79. Саврук Е. В., Смирнов С. В. Исследование структуры алюмооксидной керамики после электронной и лазерной обработки // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 6. С. 32-35.

80. Krishnan R., Dash S., Kesavamoorthy R., Babu Rao C., Tyagi A.K. and Bal-dev Raj. Laser Surface Modification of Thermal Sprayed Aluminium Oxide Coatings // Surface and Coatings Technology, 2006. - Vol. 42. - P. 84 - 85.

81. Savruk E.V., Smirnov S.V. Laser Treatment of Aluminum Oxide Ceramics Substrates Surface for Microwave Hybrid IC's // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2011), Proceedings, Krasnoyarsk, The IEEE Chapter & Student Branch, Krasnoyarsk, September 15-17, 2011. - P. 239-241 (IEEE Catalog Number: CFP09794-PRT).

82. Savruk E.V., Smirnov S.V. Near-Surface Layer Recrystallization of Ceramic Products by Means of Low-Energy Electron and Laser Exposure // 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows: Proceedings. Tomsk: Publishing House of the IOA SB RAS, 2010. - P. 470-473.

83. Швайцер A.H., Смирнов С.В., Hey строев А.С. Оптические свойства модифицированных лазерным излучением керамических подложек на основе а-А12Оз // Электронная промышленность, 2002. -№3. -Т.2. - С. 118-121.

0 J^

84. Саврук E.B., Смирнов C.B. Исследование структуры поверхности подложек ГИС СВЧ из алюмооксидной керамики после электронной и лазерной обработки // Доклады ТУ СУР. - 2010. - № 1 (21). - С. 123-127.

85. Саврук Е.В., Климов А.С., Смирнов C.B. Оптические свойства алюмооксидной керамики, модифицированной лазерным и электронным пучками // Материалы VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - С. 215-217.

86. Саврук Е.В., Смирнов C.B., Швайцер А.Н. Структура поверхности алюмооксидной керамики после лазерной обработки // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008.- Том 51 (№11/2) - С. 114-117.

87. Саврук Е.В., Смирнов C.B. Лазерная и электронно-лучевая модификация поверхности алюмооксидной керамики в кислородосодержащей среде // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2009- Том 52 (№11/2) - С.247-251.