一種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻蝕量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻 蝕量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料進(jìn)行切割、焊接、表面 處理、打孔及微加工等。隨著激光加工的精細(xì)化，必須嚴(yán)格地控制激光作用下材料刻蝕量。 為了更好地指導(dǎo)工藝的開(kāi)展，激光加工理論也在飛速地發(fā)展。在傳統(tǒng)的激光刻蝕加工中，如 脈寬為納米級(jí)甚至更長(zhǎng)的脈寬，普遍使用的是激光熱作用下的相變成氣體而脫離基體的物 理過(guò)程，從而來(lái)確定材料的刻蝕量。
[0003] 考慮有些材料在高溫不僅僅是相變，更多的是高溫?zé)岱纸猓缫恍┨沾刹牧?，?此，運(yùn)種材料跟激光相互作用不能從相變角度去考慮。目前普遍的方法是設(shè)置分解溫度，材 料表面的溫度高于熱分解溫度則認(rèn)為材料被刻蝕掉，但是，化學(xué)反應(yīng)是有一定反應(yīng)速度的， 將刻蝕臨界溫度設(shè)為定值是有局限的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于化學(xué)反應(yīng)確定材 料脈沖激光刻蝕量的方法，更能準(zhǔn)確確定激光刻蝕量，還可W及時(shí)跟蹤表面溫度。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻蝕量的方法，包括W下步驟：
[0007] 1)確定化學(xué)反應(yīng)速度k:對(duì)于熱分解溫度時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度大于8X104mol?Hf3 ?S^i 的材料，根據(jù)材料的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)速度，利用碰撞理論，并利用化學(xué)反應(yīng)的G化bs自由能代 替活化能，通過(guò)公式(1)進(jìn)行擬合
[0009] 其中dAB是原子半徑之和，R是摩爾氣體常數(shù)，L是阿伏加德羅氏數(shù)，y是摩爾質(zhì)量，P 是修正系數(shù)，Ea是活化能；
[0010] 2)確定表面材料基體刻蝕速度與材料溫度場(chǎng)的關(guān)系式：
[0011] 假定在激光脈沖持續(xù)時(shí)間中材料表面溫度高于其產(chǎn)物的沸點(diǎn)溫度，在激光持續(xù)時(shí) 間內(nèi)材料表面無(wú)烙融物質(zhì)，材料表面的烙融物質(zhì)是在脈沖結(jié)束后逐漸降溫的時(shí)候產(chǎn)生的， 考慮材料在激光照射下表面溫度不均勻且反應(yīng)掉的體積與該溫度的體積有關(guān)，將步驟1)得 到的化學(xué)反應(yīng)速度k單位mol.Hf3 ? 轉(zhuǎn)變?yōu)榈玫讲煌瑴囟鹊幕瘜W(xué)反應(yīng)速度長(zhǎng)度比，計(jì) 算不同激光參數(shù)下材料溫度分布，設(shè)定W材料的表面到材料基底0.化r為反應(yīng)單元長(zhǎng)度，kr為材料表面反應(yīng)速度，從而得到從材料表面到基體的反應(yīng)單元長(zhǎng)度計(jì)算公式
[0013] 其中：cKkr，T)為反應(yīng)速度對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)，d(T，y)為平行于激光入射方向的溫度梯 度，假設(shè)在反應(yīng)體積內(nèi)速度處處相等，因此該反應(yīng)體積內(nèi)的平均反應(yīng)速度為0.55vr，進(jìn)而確 定刻蝕速度為
[0014] v =0.55krl(3)
[0015] 該發(fā)明的有益效果在于:針對(duì)在其熱分解溫度時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度大于8XIOV0I-m ^ 的材料，采用熱化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)研究激光與材料的相互作用，而且創(chuàng)新地設(shè)置了反 應(yīng)單元長(zhǎng)度，解決了化學(xué)反應(yīng)速度表征難的問(wèn)題，該模型更貼近于激光與材料相互作用的 本質(zhì)，而且可W得到材料表面更真實(shí)的溫度場(chǎng)及刻蝕量。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為氮化娃的化學(xué)反應(yīng)Gibbs能。
[0017]圖2為不同溫度下的氮化娃化學(xué)反應(yīng)速度圖。
[0018]圖3為氮化娃在不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)速度長(zhǎng)度比。
[0019]圖4為氮化娃的刻蝕半徑W及刻蝕深度隨激光功率的理論實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
[0020] 圖5為氮化娃的理論表面最高溫度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] -種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻蝕量的方法，包括W下步驟：
[0023] 1)確定化學(xué)反應(yīng)速度k:選取材料為氮化娃，其常壓分解溫度為1900°C，在高溫下 會(huì)發(fā)生熱分解及熱氧化，在其熱分解溫度時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度為9.5XioVol-Hf3 ? ，氮化娃 在高溫化學(xué)反應(yīng)方程有
[0028] 通過(guò)計(jì)算反應(yīng)物及其產(chǎn)物的G化bs能，最終等到不同化學(xué)反應(yīng)的G化bs自由能，如 圖1所示；
[0029]考慮反應(yīng)方程(4-2)和(4-3)的產(chǎn)物是反應(yīng)方程(4-4)的產(chǎn)物與氧氣進(jìn)一步反應(yīng)的 產(chǎn)物，就只考慮（4-1)和（4-4)的化學(xué)反應(yīng)速度，根據(jù)《Kineticsandmechanismofthe thermaldecompositionofSi3N4》和《Thermodynamicsandkineticsofoxidationof hot-pressedsiliconnitride》已公開(kāi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（I)進(jìn)行擬合
[0031] 其中dAB是2.12X10-lV，R是8.3144621J?kg?mo^l，L是6.02X1023，i^是0.l4kg? mol-1，P對(duì)反應(yīng)式(4-1)為1.4Xl〇-s，對(duì)反應(yīng)式(4-4)為2X1〇-26，Ea是圖I的G化bs自由能；
[0032] 得到氮化娃的化學(xué)反應(yīng)速度，如圖2所示；
[0033] 2)確定表面材料基體刻蝕速度與材料溫度場(chǎng)的關(guān)系式：
[0034] 如圖3所示，假定在激光脈沖持續(xù)時(shí)間中材料表面溫度高于其產(chǎn)物的沸點(diǎn)溫度，在 激光持續(xù)時(shí)間內(nèi)材料表面無(wú)烙融物質(zhì)，材料表面的烙融物質(zhì)是在脈沖結(jié)束后逐漸降溫的時(shí) 候產(chǎn)生的，考慮材料在激光照射下表面溫度不均勻且反應(yīng)掉的體積與該溫度的體積有關(guān)， 將步驟1)得到的化學(xué)反應(yīng)速度k單位mol?Hf3 ? 轉(zhuǎn)變?yōu)榈玫讲煌瑴囟鹊幕瘜W(xué)反應(yīng)速度 長(zhǎng)度比，如圖3所示，設(shè)置激光參數(shù)的參數(shù)如下：激光脈寬為10ns，波長(zhǎng)為532nm，頻率為 100化，聚焦光斑直徑為10貼11，功率為115、195、305、450、530、640、880、1020111胖，利用〇11501 Multiphysics中的HeatTransferJeformedGeometiT和WallDistances個(gè)模塊禪合進(jìn) 行計(jì)算，利用化athansfer模塊計(jì)算激光作用下的溫度場(chǎng)；DeformedGeometiT模塊來(lái)計(jì) 算表面的熱化學(xué)刻蝕速度，在平行與激光傳播的方向按化學(xué)反應(yīng)速度長(zhǎng)度比將材料WlO指 數(shù)分成4。0.化。0.0化,，0.00化,等，按照公式(2)設(shè)置4,到0.化,的長(zhǎng)度為第一個(gè)反應(yīng)單元 長(zhǎng)度，平均反應(yīng)速度為0.55kr;
[0036] 其中：cKkr，T)為反應(yīng)速度對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)，d(T，y)為平行于激光入射方向的溫度梯 度，
[0037] 按照公式（2)設(shè)置0.Olkr到0.00化r的長(zhǎng)度為第二個(gè)反應(yīng)單元長(zhǎng)度，平均反應(yīng)速度 為0.05化r，W此類(lèi)推，考慮第一個(gè)反應(yīng)單元的化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)高于其他單元的化學(xué)反應(yīng)速 度，其他反應(yīng)單元可W忽略，因此只考慮第一個(gè)反應(yīng)單元，在DeformedGeomet巧表層的幾 何運(yùn)動(dòng)速度利用〇.55kr與公式(2)相乘作為幾何變形速度，即公式(3),WallDistance實(shí)時(shí) 追蹤激光的受福照面隨著刻蝕的改變。
[003引 v= 0.55krl (3)
[0039] 本實(shí)施例的有益效果為：
[0040] 如圖4所示，理論刻蝕體積、刻蝕半徑與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)擬合得很好;如圖5所示， 氮化娃表面的最高溫度高于3000K，遠(yuǎn)高于材料表面的熱分解溫度，運(yùn)個(gè)方法可W對(duì)材料表 面的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻蝕量的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 確定化學(xué)反應(yīng)速度k:對(duì)于熱分解溫度時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度大于8X104mol · πΓ3 · 的材 料，根據(jù)材料的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)速度，利用碰撞理論，并利用化學(xué)反應(yīng)的Gibbs自由能代替活 化能，通過(guò)公式（1)進(jìn)行擬合其中dAB是原子半徑之和，R是摩爾氣體常數(shù)，L是阿伏加德羅氏數(shù)，μ是摩爾質(zhì)量，P是修 正系數(shù)，Ea是活化能； 2) 確定表面材料基體刻蝕速度與材料溫度場(chǎng)的關(guān)系式： 假定在激光脈沖持續(xù)時(shí)間中材料表面溫度高于其產(chǎn)物的沸點(diǎn)溫度，在激光持續(xù)時(shí)間內(nèi) 材料表面無(wú)熔融物質(zhì)，材料表面的熔融物質(zhì)是在脈沖結(jié)束后逐漸降溫的時(shí)候產(chǎn)生的，考慮 材料在激光照射下表面溫度不均勻且反應(yīng)掉的體積與該溫度的體積有關(guān)，將步驟1)得到的 化學(xué)反應(yīng)速度k單位mol · πΓ3 · ?Γ1轉(zhuǎn)變?yōu)?Γ1得到不同溫度的化學(xué)反應(yīng)速度長(zhǎng)度比，計(jì)算不 同激光參數(shù)下材料溫度分布，設(shè)定以材料的表面到材料基底〇. 1 kr為反應(yīng)單元長(zhǎng)度，kr為材 料表面反應(yīng)速度，從而得到從材料表面到基體的反應(yīng)單元長(zhǎng)度計(jì)算公式其中d(kr，T)為反應(yīng)速度對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)，d(T，y)為平行于激光入射方向的溫度梯度，假 設(shè)在反應(yīng)體積內(nèi)速度處處相等，因此該反應(yīng)體積內(nèi)的平均反應(yīng)速度為〇. 55vr，進(jìn)而確定刻 蝕速度為 v = 0.55krl 〇 (3)
【專(zhuān)利摘要】一種基于化學(xué)反應(yīng)確定材料脈沖激光刻蝕量的方法，對(duì)于熱分解溫度時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度大于8×104mol·m-3·s-1的材料，根據(jù)材料的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)速度，利用碰撞理論，并利用化學(xué)反應(yīng)的Gibbs自由能代替活化能，確定化學(xué)反應(yīng)速度，將得到的化學(xué)反應(yīng)速度的單位轉(zhuǎn)變得到不同溫度的化學(xué)反應(yīng)速度長(zhǎng)度比，計(jì)算不同激光參數(shù)下材料溫度分布，得到從材料表面到基體的反應(yīng)單元長(zhǎng)度計(jì)算公式，假設(shè)在反應(yīng)體積內(nèi)速度處處相等，得到表面材料基體刻蝕速度與材料溫度場(chǎng)的關(guān)系式，本發(fā)明采用熱化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)研究激光與材料的相互作用，設(shè)置了反應(yīng)單元長(zhǎng)度，解決了化學(xué)反應(yīng)速度表征難的問(wèn)題，得到材料表面更真實(shí)的溫度場(chǎng)及刻蝕量。
【IPC分類(lèi)】B23K31/12, B23K26/362
【公開(kāi)號(hào)】CN105436735
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510925900
【發(fā)明人】王文君, 潘愛(ài)飛, 梅雪松, 崔健磊, 王恪典, 孫學(xué)峰
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年12月11日