一种基于化学反应确定材料脉冲激光刻蚀量的方法

摘要

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。

主权项

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