齊立濤,陳金鑫,田 振

(黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

引 言

單晶硅是半導(dǎo)體器件和集成電路等電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料,在大規(guī)模應(yīng)用和加工生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位,但是,高硬度、高脆性使其成為典型的難加工材料[1]。單晶硅對紫外波段激光具有良好的吸收率,紫外光源常作為單晶硅加工光源[2]。

激光和單晶硅的相互作用與激光參數(shù)、材料屬性參數(shù)等有關(guān),加工環(huán)境對激光與材料的相互作用也有很大影響?？諝猸h(huán)境中,激光燒蝕過程中材料主要通過噴濺的形式從孔內(nèi)排出,熔融物質(zhì)易粘附在微孔附近,冷卻形成毛刺,影響微孔的質(zhì)量[3]。靜水環(huán)境中,液體可以改善微孔的重鑄層和減小噴濺物;此外,靜水環(huán)境會約束等離子體產(chǎn)生,限制等離子體膨脹,有利于減弱加工過程中熱效應(yīng)引起的氧化現(xiàn)象,使得燒蝕區(qū)域表面干凈整潔,可有效提高激光加工的質(zhì)量。但是激光作用水中的工件表面時,工件吸收激光能量并且向四周傳遞熱量,易產(chǎn)生沸騰且形成新的產(chǎn)物。真空環(huán)境常作為激光加工過程保護氛圍,防止產(chǎn)物被氧化。真空環(huán)境中,熔融物易從微孔中噴發(fā)排出,微孔的重鑄層更薄、表面質(zhì)量更高,沉積在微孔邊緣的熔融物物質(zhì)更少,同時產(chǎn)生的負(fù)壓環(huán)境會提高加工效率,但孔深和深徑比受到限制且提高了加工成本[4]。

激光與材料相互作用涉及復(fù)雜的作用機制,國內(nèi)外學(xué)者針對不同加工環(huán)境中激光的作用吸收、材料拋出機理、作用機制等進行了大量的研究。UENO等人[5]針對空氣和靜水環(huán)境中不同激光能量密度加工單晶硅的機理進行了分析,發(fā)現(xiàn)水下加工時材料表面溫度迅速升高,加工區(qū)域產(chǎn)生爆炸沸騰現(xiàn)象,沸騰產(chǎn)生的氣泡促進微孔內(nèi)物質(zhì)的排出,易獲得形貌良好的微孔。ZHOU等人[6]進行了皮秒激光在2 mm水層下打孔氧化鋁陶瓷的機理和工藝試驗,探究激光工藝參數(shù)對微孔直徑、錐度和重鑄層厚度的影響,發(fā)現(xiàn)水輔助激光加工會產(chǎn)生液體空化現(xiàn)象,空泡潰滅對微孔壁產(chǎn)生沖擊力,易獲得無重鑄層的微孔,提高微孔的加工質(zhì)量。ZHU等人[7]采用皮秒脈沖激光分別在空氣和水輔助情況下對304#不銹鋼板進行打孔試驗,發(fā)現(xiàn)水輔助加工時由于毛細現(xiàn)象,水體會進入微孔對工件起到快速冷卻的作用,加工區(qū)域產(chǎn)生高溫高壓的等離子體會抑制熔融物質(zhì)向外噴射,明顯減少熱影響區(qū)和提高微孔的圓度,提高了微孔的加工質(zhì)量。DOU等人[8]采用波長800 nm,脈寬150 fs激光對Al-Mg合金在空氣和真空環(huán)境中進行加工,發(fā)現(xiàn)真空環(huán)境中沒有激光誘導(dǎo)氣體擊穿現(xiàn)象,燒蝕區(qū)域的等離子體和材料熔融物質(zhì)自由噴射到真空中,由于氧化效應(yīng)和散焦效應(yīng)的影響,真空中燒蝕速率遠高于空氣環(huán)境。WANG等人[9]利用波長800 nm飛秒激光在空氣和去離子水環(huán)境中對單晶硅進行了單脈沖燒蝕試驗,分析不同激光參數(shù)下燒蝕微孔的機理,發(fā)現(xiàn)去離子水環(huán)境中固液接觸面溫度迅速升高而產(chǎn)生空化氣泡,氣泡包裹等離子體、噴濺物拋出,減弱了高溫噴濺物對材料表面的損傷,提高了材料表面的光潔度。

綜上可知,加工環(huán)境是影響激光與材料相互作用的重要因素,且可以改變加工質(zhì)量和加工效率,但不同環(huán)境中激光燒蝕材料的拋出機理還需要進一步探究。266 nm激光單光子能量高,可直接擊穿單晶硅的原子結(jié)合鍵,具有熱效應(yīng)小、精度高、加工效率高等優(yōu)點,非常適合硬脆材料的精細加工,且采用266 nm波段激光研究較少。因此,本文中采用266 nm納秒激光進行燒蝕單晶硅的實驗,利用仿真軟件模擬燒蝕過程下不同加工環(huán)境中溫度場、速度場對物質(zhì)拋出過程的影響,探究加工過程中物質(zhì)的拋出機理。

1 模型的簡化與假設(shè)

1.1 模型的簡化與假設(shè)

激光燒蝕是一個復(fù)雜的多物理場耦合過程,燒蝕過程中同時存在多相態(tài)物質(zhì)且材料屬性發(fā)生突變,為簡化模型和計算,提出如下假設(shè)[10]：(a)假設(shè)液體為層流狀態(tài)的不可壓縮流體;(b)假設(shè)流體之間不可相互滲透;(c)假設(shè)材料各向同性,且熔沸點固定;(d)忽略等離子體的影響。

1.2 模型的參數(shù)設(shè)置

采用仿真軟件內(nèi)置兩相流模塊建立2維有限元模型,如圖1所示。模型由兩部分組成,上半部分代表加工環(huán)境條件,下半部分代表單晶硅材料。模型用于模擬單晶硅在不同加工環(huán)境中的溫度場、速度場分布。

圖1 2維幾何模型

激光以邊界熱源方式加載單晶硅上表面位置,激光能量呈高斯分布[11],如下式所示：

(1)

式中,E是激光單脈沖能量,η是材料對激光的吸收率,R0是激光聚焦半徑,t是脈沖寬度,x是激光熱源位置。

激光燒蝕過程中材料的相態(tài)變化主要通過溫度來反映,納秒激光燒蝕單晶硅材料的過程是在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,且環(huán)境溫度為T0=300 K的條件下進行的,激光未作用材料表面時材料各處溫度均勻一致。因此在仿真軟件中將單晶硅材料底面和側(cè)面設(shè)置為絕熱面,絕熱邊界條件為狄利克雷邊界條件。材料上表面的冷卻方式分別為：表面對環(huán)境輻射、自然對流和熱傳導(dǎo)。自然對流換熱過程處理為“外部自然對流的向上冷卻”。另一方面是因為材料蒸發(fā)造成的能量損失Q2。因此,激光燒蝕過程中能量守恒方程如下式所示[12-13]：

(2)

Q2=h(T-T0)+εkB(T4-T04)

(3)

式中,ρ是材料密度,cp是材料比定壓熱容,u是材料的粘度,T是不同時刻下材料的溫度,κ是材料的導(dǎo)熱系數(shù),Q1是激光熱源,Q2是激光熱量損耗,h是材料的對流換熱傳遞系數(shù),ε是材料表面輻射系數(shù),kB是玻爾茲曼常數(shù)。

模型采用Level-Set法對固-液-氣界面進行追蹤。建模過程主要為傳熱部分和流體流動部分,如圖2所示。模型分兩部分完成,在步驟1中根據(jù)材料的熔點、沸點等參數(shù)對燒蝕過程中材料的物理狀態(tài)進行判別,通過后處理去除氣態(tài)物質(zhì)獲得燒蝕幾何形狀。在步驟2中,依據(jù)步驟1中材料相態(tài)變化對幾何模型進行實時更新,各個網(wǎng)格內(nèi)材料屬性也根據(jù)材料的相態(tài)變化進行重新定義。

圖2 建模流程圖

由于網(wǎng)格單元的密集程度會間接影響仿真精度和仿真時間,采用自由剖分三角形網(wǎng)格,并開啟自適應(yīng)網(wǎng)格對網(wǎng)格不斷加密直至計算結(jié)束。為了降低在計算過程中發(fā)生雅格比矩陣翻轉(zhuǎn)等計算錯誤,上下計算域均采取等分網(wǎng)格的方式。網(wǎng)格單元大小主要參數(shù)如下：最大單元尺寸0.5 μm,最小單元尺寸0.1 μm,曲率因子為0.3,狹窄區(qū)域分辨區(qū)域為1,求解自由度個數(shù)為786149,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 實驗設(shè)備與方法

實驗中激光器為抽運Nd∶YAG固體激光器,通過非線性光學(xué)晶體倍頻,經(jīng)棱鏡分束獲得266 nm波長激光,調(diào)Q脈沖寬度30 ns,重復(fù)頻率50 Hz,單脈沖最大能量1 mJ[14]。靜水環(huán)境及真空環(huán)境光路系統(tǒng)分別如圖4和圖5所示。

圖4 靜水環(huán)境系統(tǒng)圖

圖5 真空環(huán)境系統(tǒng)圖

激光加工系統(tǒng)中,首先由激光器產(chǎn)生激光,通過調(diào)整電流獲得所需能量,激光束經(jīng)過反射鏡與透鏡(焦距50 mm)聚焦到工件表面。靜水環(huán)境中,激光能量主要作用于水層而不利于水下材料加工,一般將激光聚焦點設(shè)置在固液結(jié)合面或以下位置[15],因此采取將工件浸沒在水體下方1 mm處加工,為防止激光燒蝕引起水滴飛濺到透鏡上,在水容器與透鏡之間設(shè)置高透薄膜以提高實驗的準(zhǔn)確性。真空環(huán)境中,工件垂直放置于真空腔中利用前級泵和分子泵抽取真空,真空度設(shè)置為2.2 kPa。利用數(shù)字顯微鏡(Olympus DSX1000)和原子力顯微鏡(NT-MDT)對微孔形貌和表面噴濺進行檢測[16]。實驗材料通過商業(yè)購買的Si(P型100),材料參數(shù)如表1所示。

表1 單晶硅材料屬性[17]

2 數(shù)值模擬結(jié)果驗證與分析

2.1 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比

對空氣環(huán)境中激光燒蝕結(jié)果截面進行了對比分析,為更好地呈現(xiàn)實驗結(jié)果,模型中激光能量在平面內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布,使得光斑中心的能量最高,去除率更高。仿真與實驗中均采用激光能量0.306 mJ,圖6a為模擬得到的截面圖,右側(cè)色度條代表物質(zhì)的相態(tài),1代表氣態(tài)物質(zhì),0代表固態(tài)。圖6b為原子力顯微鏡獲得的燒蝕截面。模擬仿真獲得的孔深和孔徑分別為370.0 nm、42.0 μm,采用原子力顯微鏡對微孔形貌進行測量,實驗中測得孔深和孔徑分別為361.5 nm、47.0 μm。仿真與實驗誤差在10 %。

圖6 空氣環(huán)境中激光燒蝕截面圖

2.2 納秒激光燒蝕單晶硅溫度場分析

溫度是反應(yīng)激光燒蝕過程一個重要指標(biāo),因此對溫度場進行模擬仿真是非常必要的。水的導(dǎo)熱能力強,空氣與靜水環(huán)境中激光燒蝕溫度場存在較大差異。真空環(huán)境中,真空度與導(dǎo)熱系數(shù)成反比,真空度越高,導(dǎo)熱系數(shù)越低[18]。

如圖7所示,溫度場分布受高斯光源影響,越靠近光斑中心溫度越高,等溫線的范圍基本與光斑直徑一致,燒蝕區(qū)域溫度隨時間不斷升高[19]。激光作用早期階段,材料表面溫度迅速上升,此時激光提供的能量主要使材料熔化?？諝猸h(huán)境中,t=15 ns燒蝕區(qū)域中心溫度達到3210 K,超過材料的汽化溫度,等溫線表現(xiàn)出明顯的縱向延伸。靜水環(huán)境中,由于水的沸點較低,t=15 ns水體中存在沸騰現(xiàn)象,溫度的上升較為緩慢且最高溫度低于空氣中;t=30 ns較空氣環(huán)境中低540 K,材料的汽化區(qū)域較少。真空環(huán)境中,t=15 ns燒蝕區(qū)域中心溫度相比空氣中升高120 K,并隨著作用時間溫差擴大;t=30 ns溫度差達到150 K。相同時間內(nèi)真空環(huán)境中工件表面溫度更高,使得燒蝕區(qū)域能夠更快達到材料熔點與沸點,且燒蝕效率遠高于空氣環(huán)境。

圖7 納秒激光燒蝕單晶硅溫度場

2.3 納秒激光燒蝕單晶硅速度場分析

圖8為納秒激光燒蝕單晶硅速度場及實驗結(jié)果。t=30 ns單晶硅在空氣環(huán)境中的最大噴濺速率為14.1 m/s,噴濺集中在燒蝕區(qū)域中心位置,而靜水環(huán)境速率僅為1.68 m/s。一方面水體對激光有吸收作用,到達工件表面的能量遠低于空氣中;另一方面水的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣,導(dǎo)致燒蝕區(qū)域中心溫度低,材料的汽化轉(zhuǎn)換率低,反作用力小,且水體動力粘度遠大于空氣,對汽化材料有覆壓作用,汽化后的材料難以快速噴發(fā)出去[20]。

對比空氣與靜水環(huán)境實驗結(jié)果可知,空氣環(huán)境中汽化物質(zhì)噴出帶動燒蝕區(qū)域中心熔融物的排出,燒蝕區(qū)域邊緣堆積微孔內(nèi)飛濺出的熔融液滴,微孔周圍散布許多微小顆粒。靜水環(huán)境中在高能量密度的激光照射下,工件表面的水會在極短時間內(nèi)沸騰,使得熔融物質(zhì)留在水體中;由于水體冷卻作用,靜水環(huán)境中燒蝕區(qū)域潔凈度很高,但燒蝕區(qū)域平整度遠低于空氣環(huán)境。真空環(huán)境中,飛濺物噴發(fā)遇到的阻力更低,熔融物質(zhì)直接沿激光束照射方向從燒蝕區(qū)域中心噴出,激光燒蝕過程的噴濺速度與蒸汽壓力有直接關(guān)系,t=30 ns時工件表面的噴濺速率為18.4 m/s,較大的飛濺速率更有利于燒蝕區(qū)域內(nèi)物質(zhì)拋出。

2.4 不同能量密度對表面噴濺的影響

為探究不同環(huán)境中能量密度對激光燒蝕單晶硅材料中噴濺的影響,實驗中激光脈沖數(shù)量為100,能量密度范圍為2.0 J/cm2～22.0 J/cm2。

如圖9所示,空氣環(huán)境中燒蝕表面噴濺物包括汽化產(chǎn)生的噴濺物和燒蝕區(qū)中心拋出的熔融液滴。汽化噴濺物的噴濺范圍和熔融液滴的最遠噴濺距離,都隨著能量密度的增大而增大。靜水環(huán)境中,由于水動態(tài)黏度較大,噴濺物會懸浮在水中,燒蝕區(qū)域微孔周圍很潔凈,熱影響區(qū)小。能量密度對工件表面噴濺物附著的影響不大。能量密度越高,汽化作用越劇烈,產(chǎn)生的作用力越強,噴濺范圍越大。真空環(huán)境中,微孔周圍汽化物的沉積較少,多數(shù)為微孔內(nèi)拋出的熔融液滴,質(zhì)量較大的熔融液滴以較大的初速度沿著孔內(nèi)壁拋出,質(zhì)量較小的汽化物沿垂直材料表面方向濺射到真空中。能量密度增大,熔融液滴的濺射距離也有所增加,材料汽化時獲得更大的反沖壓力,更有利于物質(zhì)的拋出。

圖9 不同能量密度燒蝕單晶硅表面形貌

3 結(jié) 論

本文中針對不同加工環(huán)境條件中紫外納秒固體激光燒蝕單晶硅進行了研究,得到了不同加工環(huán)境中燒蝕溫度場和速度場變化規(guī)律。

(a)空氣環(huán)境中,t=15 ns時刻區(qū)域中心溫度達到3210 K,超過材料的汽化溫度,汽化物噴濺速率最高可達14.1 m/s,在微孔內(nèi)部蒸汽壓力的作用下,汽化物帶動燒蝕區(qū)域熔融物噴出。靜水環(huán)境中,水體具有冷卻作用導(dǎo)致燒蝕區(qū)域熱量流失嚴(yán)重,最高溫度比空氣中低540 K。真空環(huán)境中,材料在更短時間內(nèi)達到汽化溫度,燒蝕區(qū)域中心溫度最高,t=30 ns時,汽化物噴濺速率最高為18.4 m/s,高出空氣環(huán)境的4.3 m/s。

(b)空氣環(huán)境中噴濺集中在燒蝕區(qū)域中心位置,微孔附近熱影響區(qū)較大。靜水環(huán)境中汽化噴噴濺物質(zhì)和熔融液滴會懸浮在水體中,燒蝕區(qū)域潔凈度最高。真空環(huán)境中汽化噴濺物的噴濺距離,隨著能量密度的增大而增大,材料汽化時獲得更大的反作用力,更有利于物質(zhì)的拋出。