不同环境中纳秒激光烧蚀单晶硅的物质抛出机理

来源：激光技术杂志2023年第6期北京时间：

作者：齐立涛, 陈金鑫, 田振

摘要：为了探究纳秒激光烧蚀单晶硅过程中熔融物质的喷溅过程, 对不同加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅的过程进行了模拟仿真及实验验证。采用Level-Set界面追踪法, 通过仿真软件建立有限元模型, 对空气、静水和真空加工环境中纳秒激光烧蚀单晶硅时物质抛出过程进行模拟仿真, 研究了不同加工环境中温度场、速度场对表面喷溅的影响; 采用波长266 nm、脉宽30 ns和频率50 Hz的单脉冲激光烧蚀单晶硅的工艺实验对仿真结果进行验证, 通过原子力显微镜和数字显微镜对烧蚀结果进行了表征。结果表明, 空气环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率达到14.1 m/s, 在微孔内部蒸汽压力的作用下, 烧蚀区域熔融物质向外喷出; 静水环境中, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率为1.68 m/s, 远低于空气中的喷溅速率, 熔融物质快速冷却; 真空环境中, 材料在短时间内汽化, t=30 ns时熔融物质的喷溅速率最大可达18.4 m/s, 较高的喷溅速率有利于物质的抛出。加工环境对纳秒激光烧蚀单晶硅的物质抛出影响较大, 这为提高纳秒激光加工单晶硅的加工质量提供了参考。

关键词：激光技术, 激光烧蚀机理, 数值模拟, 单晶硅