一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法

摘要

本发明公布了一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法，利用Matlab对加工参数进行模拟计算分析，主要步骤包括：建立超短脉冲激光烧蚀氮化硅的烧蚀模型，对计算参数进行初始化；定义等离子体密度边界条件，并通过模型计算在不同模拟参数下的烧蚀阈值、深度和体积；基于计算结果和残留高度模型，对激光烧蚀残留高度进行分析评价，并给出指导参数。本发明可以避免通过反复实验获得加工参数的过程，利用模拟结果可对加工参数进行优化，从而可缩短产品周期，降低加工成本，提高生产效率，因此对超短脉冲激光烧蚀氮化硅的实际加工过程具有重要指导价值。

主权项

一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：A、建立超短脉冲激光烧蚀氮化硅的烧蚀模型，并对模型常量进行参数初始化，同时定义所建模型中氮化硅发生烧蚀时的等离子体密度边界条件ρcr为1.6×1021cm‑3；B、确定激光波长，设定脉宽计算范围为10fs～10ps，对氮化硅烧蚀阈值进行计算；当导带电子密度超过临界等离子体密度，即ρc(x,t)＞ρcr时，氮化硅产生损伤，当ρc(x,t)≤ρcr时，须对初始变量进行重新赋值计算；C、设定激光能量密度取值域为1J/cm2～8J/cm2，基于阈值结果对烧蚀深度进行模拟；在单脉冲烧蚀形貌为圆锥形状的体积建模假设条件下，建立烧蚀体积模型，并定义激光束腰半径，进而利用烧蚀深度模拟结果得到相应条件下的烧蚀体积；所述的体积模型为 V = x · πω 0 2 6 ln ( F F th ) 式中：V为烧蚀体积，x为烧蚀深度，ω0为束腰半径，Fth为烧蚀阈值，F为能量密度；D、建立扫描速度v、线重叠率δ与残留高度Δx的关系模型，定义烧蚀残留高度边界条件，并将阈值和深度模型计算结果加载到残留高度模型中；所述的扫描速度v与残留高度Δx的关系模型为 v = ΔL ( f - 1 ) ξD ( f - 1 ) = Δx x × 100 % · D ( f - 1 ) 式中：ΔL为在扫描速度方向上的两脉冲间距，ξ为相对残留高度，D为烧蚀直径，f为脉冲频率，x为烧蚀深度；Δx为残留高度，是指烧蚀轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离；所述的线重叠率δ与残留高度Δx的关系模型为 δ = ( d - Δd ) d × 100 % = ( 1 - ξ ) × 100 % 式中：Δd为烧蚀线间距，Δd=ξd；d为烧蚀线宽度，d=D；E、对脉冲频率进行赋值，并在能量密度为4.0J/cm2～8.0J/cm2，扫描速度为0～3mm/s条件下对残留高度进行计算；若Δx＞Δxmax，不满足要求，重新输入变量计算；若Δx≤Δxmax，满足加工精度，输出指导参数，完成模拟计算。