Лазерный мир

В. П. Вейко, Т. Ю. Мутин, В. Н. Смирнов, Е. А. Шахно // ЖУРНАЛ Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2008

Разработаны специальные методы, повышающие качество лазерной очистки поверхностей и расширяющие возможности ее применения, такие как обработка через прозрачную пленку и обработка наклонным пучком. Проведенные исследования выявили перспективность применения лазерной очистки для снятия покрытия, удаления радиоактивно загрязненного поверхностного слоя, очистки микроотверстий, очистки предметов исторического и культурного наследия.

Лазерная очистка представляет собой эффективный метод удаления частиц различных материалов и размеров, пленок и покрытий с поверхности твердых тел. Проблемы очистки поверхностей от примесей и загрязняющих веществ в виде мелких частиц и пленок встают во многих областях человеческой деятельности: промышленности, строительстве, искусстве, медицине и т.п. Характерным примером является микроэлектроника: в результате постоянно возрастающей интеграции становится актуальной задача очистки поверхностей от частиц субмикронных размеров. Область применения лазерной очистки постоянно расширяется, причем ряд применений связан не только с достаточной мощностью лазерного излучения, но также с возможностью его проникновения в вакуумированные объемы и внутрь сложных конструкций (например, при очистке труб от коррозии и т.п.).

Лазерная очистка — химически чистый и недорогой процесс, который позволяет удалять широкий спектр примесей, включая такие, которые не удаляются традиционными способами, в частности, глубоко внедренные частицы и „толстые» органические пленки [1]. Нижний предел размера удаляемых частиц при лазерной очистке меньше 0,1 мкм. Таким образом, некоторые задачи, связанные с очисткой, принципиально невозможно решить, не прибегая к лазерным методам, например, очистка кремниевых подложек от частиц субмикронных размеров в микроэлектронике или удаление некоторых видов загрязнения при реставрационных работах.

При лазерной очистке может использоваться излучение малой плотности энергии, так что удаление загрязнений может осуществляться не только посредством испарения, но и в

твердой фазе, вследствие этого термическое воздействие на подложку оказывается незначительным. Возможность изменения в широких пределах параметров облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа поверхности. К преимуществам лазерной очистки относятся также дистанционность, отсутствие механического повреждения поверхности, высокая производительность.

Различают технологии сухой и влажной лазерной очистки, основанные на импульсном лазерном нагреве поверхностей — соответственно сухих или в присутствии тонкого слоя жидкости, нанесенного на поверхность перед облучением. При увеличении энергии импульса излучения сухая очистка переходит в очистку испарением. Технология сухой лазерной очистки отличается технической простотой, однако ее эффективность ниже, чем влажной, а необходимая энергия лазерного излучения (при использовании импульсов наносекундного диапазона) — выше [2]. Энергетические пороги влажной лазерной очистки в 2—3 раза ниже, чем сухой [3]. В ряде случаев сухая лазерная очистка сопровождается локальными повреждениями поверхности [2]. Когда указанные недостатки сухой очистки оказываются существенными, используют влажную.

Цель настоящей работы заключается в кратком рассмотрении основных физических механизмов лазерной очистки металлических поверхностей и представлении ряда новых схем обработки и возможностей их применения.

Физические механизмы лазерной очистки. Основным механизмом сухой лазерной очистки является быстрое тепловое расширение подложки и(или) частиц [4], которое приводит к возникновению механических напряжений в загрязняющем слое и инерционной силы при прекращении импульса. Если эти силы превосходят силу адгезии, происходит очистка (удаление частицы или покрытия с поверхности). В качестве сил адгезии могут проявляться [1]: силы Ван-дер-Ваальса, капиллярные силы (возникающие при наличии на поверхности между частицей и поверхностью тонкой жидкой пленки) и электростатические. Для микронных и субмикронных частиц преобладающими обычно являются силы Ван-дер-Ваальса, а также, в случае наличия жидкой пленки, капиллярные силы.

Удаление частиц с поверхности основного материала при сухой лазерной очистке происходит вследствие быстрого термического расширения частиц и(или) материала. В результате возникает инерционная сила, которая прижимает частицу к поверхности во время действия переднего фронта импульса и отрывает ее во время действия заднего фронта. Частица отрывается от поверхности, если инерционная сила превышает силу адгезии

Очистка пучком, направленным под углом к поверхности. В технологии лазерной очистки обычно луч направлен перпендикулярно поверхности. Как показали наши эксперименты, при наклонном падении пучка излучения на поверхность качество очистки повышается. На рис. 3 представлены варианты расположения облученных и теневых областей при нормальном (а) и наклонном (б) падении излучения.

Доступ лазерного излучения к подложке свободен при достаточном угле падения, следовательно, термоупругие напряжения около или под прилипшей частицей грязи намного выше, чем в случае вертикального облучения. Соответственно частицы легче отрываются от поверхности. Кроме того, при изменении угла наклона луча к поверхности увеличивается площадь пятна в обрабатываемой зоне, что повышает эффективность обработки при условии, что плотность мощности в пятне достаточна для очистки. При облучении поверхности под углом 20° обработанная площадь увеличивается в 10 раз по сравнению с площадью, обработанной за то же время под прямым углом.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/lazernaya-ochistka-poverhnostey-metallov-fizicheskie-protsessy-i-primenenie/pdf