飛秒脈沖激光在微機械系統(tǒng)中脫附和加工的機理研究.pdf

1、自從飛秒脈沖激光的出現(xiàn)，基于這一新型超強超短脈沖激光的技術(shù)和應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。飛秒脈沖激光及其技術(shù)為科學研究、實驗方法和工程應(yīng)用提供了前所未有的全新的工具和手段。飛秒脈沖激光由于在較小的光能能量密度下具有極高的光強、加熱時熱擴散區(qū)域極小、可對物質(zhì)在原子、分子水平上操縱以及對物質(zhì)在微小區(qū)域內(nèi)某些重要屬性進行改變與處理等特點，將在微機電系統(tǒng)(MEMS)和微納米器件的加工制造等眾多領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。 隨著半導體器件尺寸的日益

2、減小，在微機電系統(tǒng)(MEMS)制造中，為了防止器件失效，將吸附在器件固體表面上的雜質(zhì)分子和殘留水分子進行脫附清除具有重要的意義。本文將飛秒脈沖激光技術(shù)應(yīng)用于對MEMS器件表面的吸附分子(雜質(zhì))進行脫附，以輻射傳熱和固體導熱的微觀能量輸運機理和基于短脈沖激光導致的原子分子激發(fā)態(tài)的微觀脫附機理為基礎(chǔ)，討論了飛秒和納秒脈沖激光不同的加熱機理、脫附機理及其數(shù)學模型；借鑒Brown運動的思想，從隨機過程角度，建立了短脈沖激光(包括飛秒脈沖激光和納

3、秒脈沖激光)對金屬基體吸附層的雜質(zhì)進行脫附的隨機過程物理模型。 針對飛秒和納秒脈沖激光不同的加熱和脫附模型，本文探討了相關(guān)的數(shù)值計算方法并設(shè)計了算法，對其過程及結(jié)果進行數(shù)值模擬。比較了飛秒和納秒脈沖激光輻射下，基體電子、聲子不同的溫度分布規(guī)律，吸附分子的脫附概率隨激光輻射時間的演化規(guī)律及其對基體晶格的熱影響，得到了飛秒脈沖激光更適用于對MEMS或其它微系統(tǒng)中雜質(zhì)進行脫附；比較了不同飛秒脈沖激光參數(shù)條件(如波長、最大光能能量密度、

4、光強、脈沖時間寬度)對吸附分子脫附概率的影響，獲得了在一定條件下，可以通過改變激光參數(shù)，提高吸附分子的脫附概率；提出了運用雙脈沖飛秒激光技術(shù)，通過選取合適的雙脈沖飛秒激光的間隔時間，同樣既可以提高吸附分子的脫附概率，也能有效的阻止過高的聲子溫度所導致的晶格熱破壞。 本文還根據(jù)飛秒脈沖激光的非平衡態(tài)加熱的特性，模擬了加熱金屬薄膜時，晶格的溫度場分布及其隨時間變化規(guī)律。揭示了材料性能參數(shù)是影響飛秒激光加熱狀態(tài)的重要因素。根據(jù)文中定義