飞秒脉冲激光在微机械系统中脱附和加工的机理研究

摘要

自从飞秒脉冲激光的出现，基于这一新型超强超短脉冲激光的技术和应用得到了迅猛发展。飞秒脉冲激光及其技术为科学研究、实验方法和工程应用提供了前所未有的全新的工具和手段。飞秒脉冲激光由于在较小的光能能量密度下具有极高的光强、加热时热扩散区域极小、可对物质在原子、分子水平上操纵以及对物质在微小区域内某些重要属性进行改变与处理等特点，将在微机电系统(MEMS)和微纳米器件的加工制造等众多领域中具有重要的应用前景。 随着半导体器件尺寸的日益减小，在微机电系统(MEMS)制造中，为了防止器件失效，将吸附在器件固体表面上的杂质分子和残留水分子进行脱附清除具有重要的意义。本文将飞秒脉冲激光技术应用于对MEMS器件表面的吸附分子(杂质)进行脱附，以辐射传热和固体导热的微观能量输运机理和基于短脉冲激光导致的原子分子激发态的微观脱附机理为基础，讨论了飞秒和纳秒脉冲激光不同的加热机理、脱附机理及其数学模型；借鉴Brown运动的思想，从随机过程角度，建立了短脉冲激光(包括飞秒脉冲激光和纳秒脉冲激光)对金属基体吸附层的杂质进行脱附的随机过程物理模型。 针对飞秒和纳秒脉冲激光不同的加热和脱附模型，本文探讨了相关的数值计算方法并设计了算法，对其过程及结果进行数值模拟。比较了飞秒和纳秒脉冲激光辐射下，基体电子、声子不同的温度分布规律，吸附分子的脱附概率随激光辐射时间的演化规律及其对基体晶格的热影响，得到了飞秒脉冲激光更适用于对MEMS或其它微系统中杂质进行脱附；比较了不同飞秒脉冲激光参数条件(如波长、最大光能能量密度、光强、脉冲时间宽度)对吸附分子脱附概率的影响，获得了在一定条件下，可以通过改变激光参数，提高吸附分子的脱附概率；提出了运用双脉冲飞秒激光技术，通过选取合适的双脉冲飞秒激光的间隔时间，同样既可以提高吸附分子的脱附概率，也能有效的阻止过高的声子温度所导致的晶格热破坏。 本文还根据飞秒脉冲激光的非平衡态加热的特性，模拟了加热金属薄膜时，晶格的温度场分布及其随时间变化规律。揭示了材料性能参数是影响飞秒激光加热状态的重要因素。根据文中定义的熔化深度，获得了飞秒脉冲激光最大光能能量密度与熔化深度的关系图，对飞秒脉冲激光进行微加工作了初步的探讨。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1激光在加工领域中的应用

1.1.2激光在集成电路及MEMS技术中的应用

1.2飞秒脉冲激光

1.3激光的清洗和脱附技术

1.3.1激光清洗技术

1.3.2脱附MEMS中杂质的重要性

1.4飞秒脉冲激光脱附的研究现状

1.5本文的主要研究内容

第二章短脉冲激光的加热机理

2.1微观传热的热载子

2.2短脉冲激光的电离机理

2.3飞秒脉冲激光的非平衡态加热

2.4纳秒脉冲激光的平衡态加热

2.5短脉冲激光加热模型的数值求解

2.5.1偏微分方程及有限差分方法

2.5.2非线性抛物线型方程及有限差分方法

2.5.3非平衡态加热的两步法模型的数值求解方法

2.5.4平衡态加热的一步法模型的数值求解方法

2.6本章小结

第三章短脉冲激光的脱附机理和随机过程模型

3.1吸附分子的能级

3.2飞秒脉冲激光的脱附机理

3.3脱附的随机过程模型

3.3.1随机过程和Brown运动

3.3.2飞秒脉冲激光脱附的随机过程模型

3.4随机过程模型的数学描述

3.4.1主方程及其近似处理

3.4.2 Fokker-Planck方程及脱附概率

3.5纳秒脉冲激光的脱附

3.5.1纳秒脉冲激光的脱附机理

3.5.2随机过程模型和脱附概率

3.6短脉冲激光脱附的随机过程模型

3.7本章小结

第四章飞秒脉冲激光与纳秒脉冲激光脱附的比较

4.1脱附概率的数值求解方法

4.1.1飞秒脉冲激光脱附概率的数值求解方法

4.1.2纳秒脉冲激光脱附概率的数值求解方法

4.2飞秒脉冲与纳秒脉冲激光对CO脱附的数值模拟

4.3飞秒脉冲与纳秒脉冲激光对CO脱附的模拟结论

4.4本章小结

第五章飞秒脉冲激光参数对脱附过程的影响

5.1单脉冲飞秒激光对CO脱附的数值模拟

5.2单脉冲飞秒激光对CO脱附的模拟结论

5.3双脉冲飞秒激光在脱附过程中的应用

5.3.1双脉冲飞秒激光的脱附机理

5.3.2双脉冲飞秒激光对CO脱附的数值模拟

5.3.3双脉冲飞秒激光对CO脱附的模拟结论

5.4本章小结

第六章飞秒脉冲激光在MEMS中加工的初步探讨

6.1飞秒脉冲激光的非平衡态加热

6.2非平衡态加热的晶格温度场分布

6.3飞秒脉冲激光的最大光能能量密度对熔化深度的影响

6.3.1熔化深度的定义

6.3.2熔化深度的数值模拟

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文