CN105436735A - 一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法，对于热分解温度时化学反应速度大于8×10⁴mol·m^-3·s^-1的材料，根据材料的实际化学反应速度，利用碰撞理论，并利用化学反应的Gibbs自由能代替活化能，确定化学反应速度，将得到的化学反应速度的单位转变得到不同温度的化学反应速度长度比，计算不同激光参数下材料温度分布，得到从材料表面到基体的反应单元长度计算公式，假设在反应体积内速度处处相等，得到表面材料基体刻蚀速度与材料温度场的关系式，本发明采用热化学反应角度来研究激光与材料的相互作用，设置了反应单元长度，解决了化学反应速度表征难的问题，得到材料表面更真实的温度场及刻蚀量。

Description

一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法。

背景技术

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等。随着激光加工的精细化，必须严格地控制激光作用下材料刻蚀量。为了更好地指导工艺的开展，激光加工理论也在飞速地发展。在传统的激光刻蚀加工中，如脉宽为纳米级甚至更长的脉宽，普遍使用的是激光热作用下的相变成气体而脱离基体的物理过程，从而来确定材料的刻蚀量。

考虑有些材料在高温不仅仅是相变，更多的是高温热分解，如一些陶瓷材料，因此，这种材料跟激光相互作用不能从相变角度去考虑。目前普遍的方法是设置分解温度，材料表面的温度高于热分解温度则认为材料被刻蚀掉，但是，化学反应是有一定反应速度的，将刻蚀临界温度设为定值是有局限的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法，更能准确确定激光刻蚀量，还可以及时跟踪表面温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法，包括以下步骤：

1)确定化学反应速度k：对于热分解温度时化学反应速度大于8×10⁴mol·m^-3·s^-1的材料，根据材料的实际化学反应速度，利用碰撞理论，并利用化学反应的Gibbs自由能代替活化能，通过公式(1)进行拟合

$k={\mathrm{P\πd}}_{AB}^{2}L\sqrt{\frac{8RT}{\mathrm{\π}\mathrm{\μ}}}\exp (-\frac{E_a}{RT})---\left(1\right)$

其中d_AB是原子半径之和，R是摩尔气体常数，L是阿伏加德罗氏数，μ是摩尔质量，P是修正系数，E_a是活化能；

2)确定表面材料基体刻蚀速度与材料温度场的关系式：

假定在激光脉冲持续时间中材料表面温度高于其产物的沸点温度，在激光持续时间内材料表面无熔融物质，材料表面的熔融物质是在脉冲结束后逐渐降温的时候产生的，考虑材料在激光照射下表面温度不均匀且反应掉的体积与该温度的体积有关，将步骤1)得到的化学反应速度k单位mol·m^-3·s^-1转变为s^-1得到不同温度的化学反应速度长度比，计算不同激光参数下材料温度分布，设定以材料的表面到材料基底0.1k_r为反应单元长度，k_r为材料表面反应速度，从而得到从材料表面到基体的反应单元长度计算公式

$l=\frac{1}{d(T,y)}\frac{0.9k_r}{d(k_r,T)}---\left(2\right)$

其中:d(k_r,T)为反应速度对温度的导数,d(T,y)为平行于激光入射方向的温度梯度，假设在反应体积内速度处处相等，因此该反应体积内的平均反应速度为0.55v_r，进而确定刻蚀速度为

v＝0.55k_rl(3)

该发明的有益效果在于：针对在其热分解温度时化学反应速度大于8×10⁴mol·m^-3·s^-1的材料，采用热化学反应角度来研究激光与材料的相互作用，而且创新地设置了反应单元长度，解决了化学反应速度表征难的问题，该模型更贴近于激光与材料相互作用的本质，而且可以得到材料表面更真实的温度场及刻蚀量。

附图说明

图1为氮化硅的化学反应Gibbs能。

图2为不同温度下的氮化硅化学反应速度图。

图3为氮化硅在不同温度下的化学反应速度长度比。

图4为氮化硅的刻蚀半径以及刻蚀深度随激光功率的理论实验对比图。

图5为氮化硅的理论表面最高温度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法，包括以下步骤：

1)确定化学反应速度k：选取材料为氮化硅，其常压分解温度为1900℃，在高温下会发生热分解及热氧化，在其热分解温度时化学反应速度为9.5×10⁴mol·m^-3·s^-1，氮化硅在高温化学反应方程有

Si₃N₄(s)＝3Si(l)+2N₂(g)(4-1)

${\mathrm{Si}}_3{N}_4\left(s\right)+\frac{11}{2}{O}_2\left(g\right)=3SiO\left(g\right)+4{\mathrm{NO}}_2\left(g\right)---(4-2)$

$3SiO\left(g\right)+\frac{3}{2}{O}_2\left(g\right)=3{\mathrm{SiO}}_2---(4-3)$

${\mathrm{Si}}_3{N}_4\left(s\right)+\frac{3}{2}{O}_2\left(g\right)=3SiO\left(g\right)+2N_2\left(g\right)---(4-4)$

通过计算反应物及其产物的Gibbs能，最终等到不同化学反应的Gibbs自由能,如图1所示；

考虑反应方程(4-2)和(4-3)的产物是反应方程(4-4)的产物与氧气进一步反应的产物，就只考虑(4-1)和(4-4)的化学反应速度，根据《KineticsandmechanismofthethermaldecompositionofSi3N4》和《Thermodynamicsandkineticsofoxidationofhot-pressedsiliconnitride》已公开的实验数据，通过公式(1)进行拟合

$k={\mathrm{P\πd}}_{AB}^{2}L\sqrt{\frac{8RT}{\mathrm{\π}\mathrm{\μ}}}\exp (-\frac{E_a}{RT})---\left(1\right)$

其中d_AB是2.12×10^-10m，R是8.3144621J·kg·mol^-1，L是6.02×10²³，μ是0.14kg·mol^-1，P对反应式(4-1)为1.4×10^-5，对反应式(4-4)为2×10^-26，E_a是图1的Gibbs自由能；

得到氮化硅的化学反应速度，如图2所示；

2)确定表面材料基体刻蚀速度与材料温度场的关系式：

如图3所示，假定在激光脉冲持续时间中材料表面温度高于其产物的沸点温度，在激光持续时间内材料表面无熔融物质，材料表面的熔融物质是在脉冲结束后逐渐降温的时候产生的，考虑材料在激光照射下表面温度不均匀且反应掉的体积与该温度的体积有关，将步骤1)得到的化学反应速度k单位mol·m^-3·s^-1转变为s^-1得到不同温度的化学反应速度长度比，如图3所示，设置激光参数的参数如下：激光脉宽为10ns，波长为532nm，频率为100Hz，聚焦光斑直径为105μm，功率为115、195、305、450、530、640、880、1020mW，利用COMSOLMultiphysics中的HeatTransfer，DeformedGeometry和WallDistance三个模块耦合进行计算，利用HeatTransfer模块计算激光作用下的温度场；DeformedGeometry模块来计算表面的热化学刻蚀速度，在平行与激光传播的方向按化学反应速度长度比将材料以10指数分成k_r，0.1k_r，0.01k_r,0.001k_r等，按照公式(2)设置k_r到0.1k_r的长度为第一个反应单元长度，平均反应速度为0.55k_r；

$l=\frac{1}{d(T,y)}\frac{0.9k_r}{d(k_r,T)}---\left(2\right)$

其中:d(k_r,T)为反应速度对温度的导数,d(T,y)为平行于激光入射方向的温度梯度，

按照公式(2)设置0.01k_r到0.001k_r的长度为第二个反应单元长度，平均反应速度为0.055k_r，以此类推，考虑第一个反应单元的化学反应速度远高于其他单元的化学反应速度，其他反应单元可以忽略，因此只考虑第一个反应单元，在DeformedGeometry表层的几何运动速度利用0.55k_r与公式(2)相乘作为几何变形速度,即公式(3)，WallDistance实时追踪激光的受辐照面随着刻蚀的改变。

v＝0.55k_rl(3)

本实施例的有益效果为：

如图4所示，理论刻蚀体积、刻蚀半径与实际测得的数据拟合得很好；如图5所示，氮化硅表面的最高温度高于3000K，远高于材料表面的热分解温度，这个方法可以对材料表面的温度进行实时跟踪。

Claims (1)

1.一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定化学反应速度k：对于热分解温度时化学反应速度大于8×10⁴mol·m^-3·s^-1的材料，根据材料的实际化学反应速度，利用碰撞理论，并利用化学反应的Gibbs自由能代替活化能，通过公式(1)进行拟合

$k={\mathrm{P\πd}}_{AB}^{2}L\sqrt{\frac{8RT}{\mathrm{\π}\mathrm{\μ}}}\exp (-\frac{E_a}{RT})---\left(1\right)$

其中d_AB是原子半径之和，R是摩尔气体常数，L是阿伏加德罗氏数，μ是摩尔质量，P是修正系数，E_a是活化能；

2)确定表面材料基体刻蚀速度与材料温度场的关系式：

假定在激光脉冲持续时间中材料表面温度高于其产物的沸点温度，在激光持续时间内材料表面无熔融物质，材料表面的熔融物质是在脉冲结束后逐渐降温的时候产生的，考虑材料在激光照射下表面温度不均匀且反应掉的体积与该温度的体积有关，将步骤1)得到的化学反应速度k单位mol·m^-3·s^-1转变为s^-1得到不同温度的化学反应速度长度比，计算不同激光参数下材料温度分布，设定以材料的表面到材料基底0.1k_r为反应单元长度，k_r为材料表面反应速度，从而得到从材料表面到基体的反应单元长度计算公式

$l=\frac{1}{d(T,y)}\frac{0.9k_r}{d(k_r,T)}---\left(2\right)$

其中d(k_r,T)为反应速度对温度的导数,d(T,y)为平行于激光入射方向的温度梯度，假设在反应体积内速度处处相等，因此该反应体积内的平均反应速度为0.55v_r，进而确定刻蚀速度为

v＝0.55k_rl。(3)