紫外脉冲激光刻蚀数学模型研究

摘要

激光刻蚀过程涉及到光学、材料学、热学和流体力学等众多学科的知识。影响激光刻蚀质量的因素很多，通过实验工艺来研究这些参数对刻蚀过程的影响，要花费大量的时间、人力和物力。本文建立的激光刻蚀模型，不仅可以提供分析研究紫外激光刻蚀机理以及各种影响因素的手段，而且还能够指导实际的紫外激光刻蚀参数数据库的建立，以获得最佳的激光刻蚀参数组合；并可预测紫外脉冲激光刻蚀所需激光功率、可达到的激光扫描速度以及能刻蚀材料厚度，起到提高工作效率和节约成本的作用。因此，建立激光刻蚀模型对于实际的激光刻蚀加工具有重要的意义。
　　 本文利用了激光刻蚀前沿位置的功率平衡方程和一些合理的假设条件下，建立了适用于紫外脉冲激光刻蚀固体材料的数学模型。本模型首先着手于对脉冲激光定点钻孔孔轮廓的模拟，然后过渡到刻蚀前沿轮廓的模型，并通过该数学模型对刻蚀前沿几何形状进行了相关的数值模拟，并分析不同的激光功率、聚焦半径和激光频率对刻蚀速度、切口宽度、刻蚀深度和刻蚀质量的影响。
　　 鉴于铜材料在微电子元件和微电子电器里面的广泛应用以及对红外激光的强烈反射而无法进行加工的特点，本课题着重展开对铜靶材的紫外激光刻蚀模型的研究，并通过实验，对该数学模型的精确性和可行性进行了验证。结果表明，该数学模型求解得到的入射功率密度与切缝宽度的关系吻合性较好；激光功率密度与刻蚀深度的关系以及激光扫描速度与刻蚀深度的关系与实验结果虽然还存在一定的偏差，但基本能预测激光刻蚀的最终趋势。这表明本文所建立的数学模型和仿真结果对指导和分析实际的刻蚀加工具有一定的作用，但还有待进一步深入研究和完善才能更好地预测实验结果并指导实验。