[发明专利]一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法

说明书

技术领域

本发明属于超短脉冲激光微细加工技术领域，特别涉及一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法。

背景技术

随着先进制造技术和工业水平的高速发展，对氮化硅材料的研究也备受关注。由于氮化硅材料具有高化学稳定性、高抗热震性、高硬度、耐高温、耐辐射、耐腐蚀、热硬性好、光学性能优良等特性。因此在光电子、机械、原子能、航空航天等行业得到了广泛应用，并且随着其大量应用于微电子等精密与超精密领域，对其进行微细加工显得尤为重要。但氮化硅属于高硬易脆材料，现有加工方法很难对其进行精密加工，因此要实现对其可控微细去除则成为亟待解决的关键问题。

超短脉冲激光微细加工技术是一种利用飞秒激光超快、超强、超高的独特加工特征，通过在极短时间内产生高温高压的等离子体而造成局部微爆，从而实现对材料进行精确去除的微细制造方法。由于飞秒激光与物质相互作用时具有作用区域小，无热效应，加工精度高，可突破衍射极限等独特优势，因此使得精密加工氮化硅成为可能。这不仅克服了其高硬度特性所带来的加工过程中的困难，而且提供了一种高硬易脆材料的精密加工方法，从而提高了加工质量。但由于飞秒激光对氮化硅进行烧蚀时的去除精度不易控制，而且单独通过反复试验来寻找最优工艺参数显得非常繁琐，同时加工效率也得不到保障，因此就迫切需要一种既能方便预测精度而又不失加工效率的方法。基于此，本发明提出了一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法，而其关键则在于烧蚀模型的建立以及不同参数时模拟计算结果的评价。关于超短脉冲激光烧蚀电介质材料的理论模型和相关建模方法，以下文献均有报道：

美国学者：M.D.Perry,B.C.Stuart,P.S.Banks,et al.Ultrashort-pulse laser machining of dielectric materials[J].J Appl Phys,1999,85(9):6803-6810.

法国学者：L.Sudrie,A.Couairon,M.Franco,et al.Femtosecond laser-induced damage and filamentary propagation in fused silica[J].Phys Rev Lett,2002,89(18):186601.

美国学者：C.H.Fan,J.Sun,J.P.Longtin.Plasma absorption of femtosecond laser pulses in dielectrics[J].J Heat Transfer,2002,124(2):275-283.

中国学者：刘青,程光华,王屹山等.飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理[J].光子学报,2003,32(3):276-279.

中国学者：李晓溪,贾天卿,冯东海等.超短脉冲照射下氟化锂的烧蚀机理及其超快动力学研究[J].光学学报,2005,25(11):1526-1530.

通过文献调研分析，国内外学者在研究超短脉冲激光诱导电介质材料时，提出了很多描述雪崩电离过程和光致电离过程的理论模型，并对导带自由电子密度演化规律和材料发生损伤时的临界等离子体密度进行了描述。但这些研究大都侧重于对单个模型及单一因素的讨论，较少有进行系统地多模型综合分析；并且对烧蚀阈值和烧蚀深度的研究很少能全面涉及材料去除过程中的控制参数，对烧蚀体积的研究则多侧重于实验分析。国内学者在此方面的研究主要针对相互作用机理的讨论，并进行了大量实验研究，在理论建模上尚存缺陷，而研究对象则以石英玻璃等材料居多，对氮化硅材料的模拟计算分析相对很少。由于其重要应用背景及目前模拟分析的不足之处，因此寻找一种既能准确表征超短脉冲激光与材料的作用过程，又能对实际去除工艺提供指导参数的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明为解决超短脉冲激光烧蚀氮化硅过程中去除精度不易控制和工艺参数较难确定等问题，为克服现有模拟计算方法的不足，在计算时分别研究单一变量的单独作用和多个变量的共同作用规律，其关键在于：

1、对雪崩电离系数和光致电离系数进行预处理时，应先确定电离速率与电场强度的关系，再确定其与能量密度的关系，以便于后续烧蚀阈值模拟计算。

2、激光脉冲空间能量分布用高斯函数进行描述，高斯光束可以突破加工衍射极限，从而提高加工精度。

3、应准确控制导带电子密度达到临界密度时的条件，保证材料在发生损伤的前提下对烧蚀深度、体积和残留高度进行计算。