超短脉冲激光烧蚀金属薄膜材料的热效应分析

基于双曲双温两步热传导模型,利用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对超短脉冲激光辐照金膜时的温度场进行了一维数值模拟计算.讨论了不同能量密度和脉冲宽度条件下金膜表面温度场的分布情况;分析了电子-晶格耦合系数对薄膜体内温度场的变化规律及电子-品格耦合至热平衡所需时间的影响.结果表明,激光脉冲的能量密度和脉冲宽度对电子温度的峰值有重大影响;电子-晶格的耦合系数决定了二者的温升速率和耦合时间;电子温度及电子温度的梯度在接近表面区域迅速达到最大值,与之相应的热电子崩力是造成金属薄膜早期力学损伤的主要原因.     

飞秒激光辐照下金属薄膜材料的热力响应

考虑到金属材料热导率、弛豫时间、电子-晶格耦合系数等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,数值求解了飞秒激光辐照金属薄膜的超快热弹性模型,分析了飞秒激光辐照200nm铜膜时温度场和应力场的变化规律。结果表明：电子热导率和电子-晶格耦合系数对温度场变化有较大影响;在超快加热早期,热电子崩力在金属薄膜表面附近迅速达到峰值,后期急剧减小的热电子崩力和逐渐增大的晶格温度梯度共同决定了薄膜体系中应力场的变化。     

高斯激光辐照下膜基系统的温度场和应力场的瞬态分析

本文根据加载激光的工艺参数以及薄膜、基体的材料特性,建立了薄膜与基体的有限元模型,对高斯激光在加载在薄膜表面后的温度场进行有限元模拟,获得膜基系统中温度随时间的变化关系以及薄膜界面结合处的温升规律。并在此基础上根据薄膜和基体的热膨胀性能,进行薄膜和基体的应力场模拟,获得了膜基系统的应力场随时间的变化关系。模拟结果表明：在激光加载过程中,薄膜和基体中的温度场随着时间增加,由于热传导系数的差异在薄膜和基体之间产生温差。在膜基系统中产生的应力场主要集中在薄膜内部,膜基界面结合处产生的应力较大会导致薄膜的脱粘。模拟结果定性地反映了薄膜和基体中温度和热应力的变化规律,为分析激光划痕法的作用过程提供了一定的理论依据,对研究膜基系统失效进程具有重要意义。     

基于敏感薄膜的F-P光纤温度传感器的高温特性

根据薄膜型光纤温度传感器的感温原理及光学薄膜的应力特性,利用膜层干涉的特征矩阵分析了传感元件的传感特性,建立了薄膜型光纤温度传感器的热应力特性及其对传感特性影响的理论模型。通过对薄膜和光纤的热光效应和热膨胀特性的分析,对比了蓝宝石光纤、纯硅芯光纤和普通多模光纤三种光纤基底的热应力-温度特性,设计了高温传感器传感探头的薄膜膜系,分析了膜系中每层膜的热应力-温度特性,以及临界载荷应力特性,确定所选光纤基底脱膜的临界应力值。通过模拟不同应力作用下的光谱传感特性,为传感器薄膜敏感探头的稳定性和可靠性提供理论依据和支持,提高传感器研制的效率。     

长脉冲致硅基 QPD损伤面积及形貌实验研究

为了研究硅基QPD在不同能量密度、不同脉宽激光辐照下的损伤面积、形貌,基于二维显微测量技术,测量了硅基QPD单一象限的损伤面积、形貌随激光能量密度和脉宽的变化。结果表明,在毫秒脉冲激光作用下,硅基QPD产生表面剥落、褶皱、裂纹、熔坑等损伤效果,且主要受入射激光功率密度影响,损伤面积随激光能量密度逐渐增加,随脉宽增加逐渐降低。通过实测分析,得出了不同激光脉宽下,硅基QPD表面形貌损伤阈值。激光脉宽为0.5 ms,能量密度为15.79 J/cm2时,硅基QPD出现熔融损伤;而脉宽为1.0、1.5、2.0、3.0 ms时,硅基QPD出现表面剥落的能量密度值为14.12、33.94、39.76、47.62 J/cm2。     

激光量热法测量深紫外氟化物薄膜吸收

为了获得薄膜材料吸收率与深紫外激光照射能量密度间的对应关系,掌握薄膜材料深紫外吸收特性,应制定相应的吸收测量规范。介绍了激光量热法的原理及测试流程,分析了测试过程中的剂量效应、非线性吸收和不可恢复吸收等现象,提出了利用激光量热法测量应用于波长193nm紫外光刻系统的氟化物薄膜材料吸收率的方法,并进行了实际测量。根据所建立的测量方法,获得熔石英基底材料在193nm紫外光照射下的剂量效应及出现不可恢复吸收现象时相应的激光能量密度,进而测量出基底材料吸收率与激光能量密度之间的关系;通过热蒸发对基底镀氟化镁及氟化镧单层膜,测量镀膜后样品的吸收率与激光能量密度的关系,通过与镀膜前吸收率的对比,计算了两种薄膜材料吸收率与激光能量密度的关系,推算出薄膜材料在实际工作状态时的吸收率,并得到不同沉积温度下氟化镧薄膜材料吸收率、粗糙度与波纹度。实验结果证实了新提出测量方法的可行性,测量结果为改善系统成像质量以及延长元件使用寿命提供支持。     

一维热应力模型在调Q短脉冲激光除漆中的应用

讨论了热应力在短脉冲激光清洗油漆过程中的作用,从一维热传导方程出发,计算了由热膨胀产生的热应力以及根据粘附力公式计算出了油漆的粘附力.通过比较热应力与粘附力大小,得到激光清洗油漆的条件,进而建立一维短脉冲激光除漆模型.根据此模型可计算出:波长为1064 nm,脉宽为10 ns的激光清除铁基底上厚度为40μm橙色漆的清洗阈值为0.5 J/cm2;不同能量密度下使得油漆脱落所需的激光作用时间;激光脉冲作用过程中铁基底的温度变化情况.实验所测得的清洗阈值为0.57 J/cm2,与理论结果接近.实验与理论都表明当能量密度过高时,铁基底的温度升高很大,超过其熔点,铁基底被损坏.并考虑了激光清洗铝基底上油漆的情况.     

硼掺杂纳米硅薄膜的多脉冲激光熔覆数值模拟及实验研究

为研究多脉冲激光的热累积效应对硼掺杂纳米硅薄膜熔覆过程的影响,采用单温模型,利用三维有限元方法对激光与硅薄膜的相互作用过程中温度场的分布进行了数值模拟,得到了多脉冲激光耦合情况下的温度场变化规律。仿真结果表明:与单脉冲相比,在多脉冲激光作用下,峰值温度增加了3.2%,熔池尺寸扩大了18.75%,同时热影响区范围也明显增加;激光辐照后,熔覆层表面温度下降,但基体温度仍会继续上升,多脉冲热累积效应为纳米硅薄膜中硼元素扩散提供了有利条件。最后,通过单脉冲及多脉冲激光熔覆实验,分析了熔覆硅薄膜后的熔覆层表面状况的差异,并获得了激光熔覆辅助硼元素扩散的一般规律,为硼掺杂纳米硅薄膜的激光辅助扩散技术在半导体器件中的应用提供了条件。     

三束飞秒激光辐照下铜膜内电子非平衡热输运

首先采用有限元法数值计算了铜膜内的电子温度和晶格温度分布变化,揭示了铜膜内电子非平衡热输运时间随飞秒激光光束参量的变化情况。仿真结果表明,铜膜内的电子非平衡热输运时间会随着泵浦光束数量及脉冲能量密度的增加而增加,并且使用三束飞秒泵浦激光作用时,电子非平衡热输运时间比单脉冲作用时的电子非平衡热输运时间增加了3倍。其次使用三束飞秒激光泵浦的泵浦-探测实验系统进行验证。实验结果表明:通过用具有一定延时的三束飞秒泵浦激光作用铜膜时,铜膜表面的瞬态反射率出现三次突变,使电子非平衡热输运时间得到极大延长,从而大幅度消除激光加工热障,并提高加工的质量、精度和效率。     

激光辐照CCD温度场与热应力场的研究

为了研究了激光与CCD传感器的作用过程及损伤机理,采用有限元分析的方法,对波长1.06μm的连续激光辐照行间转移型面阵CCD进行了理论分析和仿真研究。以基底Si表面激光辐照区域为热源建立热力耦合模型,模拟得出了CCD的温度分布和热应力分布。通过对比分析其组成材料的温度损伤和应力损伤所发生的时间,发现应力损伤先于温度损伤。结果表明,作为固定边界和自由边界的交汇处,基底Si下表面边缘处热应力于激光作用0.1s时最先超过破坏阈值120MPa,发生应力破坏; Si材料产生由下表面边缘向中心的滑移,基底逐步脱离固定; 激光作用0.3s时,遮光Al膜与SiO₂膜层也因热应力超过两种材料的附着力100MPa,而产生沿径向由内向外的Al膜层剥落的应力破坏行为,这种行为将加快基底Si材料的滑移,最终致使整个CCD因脱离工作位置而失效。该研究成果为CCD传感器的激光损伤及防护提供了理论依据。     

变形镜在激光辐照下热畸变有限元模拟

利用有限元分析软件数值模拟了固体激光器系统中由单晶硅（Silicon）、石英（Silica）与超低膨胀玻璃（ULE）等不同材料制作的变形反射镜受激光辐照下的热畸变特性。计算结果表明:当入射激光功率密度为0.225 kW/cm2,激光照射时间为10 s,镜面反射率为99.9%时,三种材料的变形镜的最大温升分别为0.804、6.751与7.122℃,最大热变形分别为0.049 3、0.034 8与0.005 m,相比之下,单晶硅温升较小,超低膨胀玻璃（ULE）的变形与应力最小,ULE是未来比较理想的镜面材料。最后,对变形镜在长脉冲激光辐照下也进行了计算与分析。     

Laser-induced melting of thin conducting films. II.Heat-dissipating substrates

For pt.I see ibid., vol.38, p.2042-50 (Sept. 1991). The authors study the application of pulsed laser radiation in the melting of thin conducting films deposited on heat-dissipating substrates. This situation is markedly different from that encountered in the adiabatic system. Real applications involve conducting films deposited on thin insulating films grown on conductive substrates such as silicon. The heat flow from the conducting film to the silicon substrate must be accounted for in attempting to describe real deletive and additive laser-induced processes. The present model makes use of the observed thermal profiles in aluminum in the adiabatic approximation. The authors assume a constant temperature profile along the normal to the surface of the conducting film. This allows closed-form analytic expressions for the important thermal quantities of the combined system to be obtained     

耗尽区调制对氢化MILC Poly-Si TFT热产生漏电的影响

研究了热载流子应力下耗尽区调制效应对氢化金属诱导横向结晶多晶硅薄膜晶体管热产生漏电的影响.从理论上论证了热载流子应力下氢化金属诱导横向结晶多晶硅薄膜晶体管热产生漏电中的耗尽区调制效应的存在.并利用正、反向测量模式,从实验上进一步确认这种效应对氢化金属诱导横向结晶多晶硅薄膜晶体管热产生漏电的影响.发现在热载流子应力下,正、反向测量模式时,氢化金属诱导横向结晶多晶硅薄膜晶体管热产生漏电均随应力时间的增加而减小.但由于漏极和源极附近沟道区的表面势受热空穴注入影响的程度不同,热载流子应力下,正、反向测量模式的热产生漏电减小程度不同.理解热载流子应力下耗尽区调制效应对氢化金属诱导横向结晶多晶硅薄膜晶体管热产生漏电的影响,有助于成功设计电路.     

Addressing the Reliability and Electron Transport Kinetics in Halide Perovskite Film via Pulsed Laser Engineering

The long‐term performance and stability of perovskites are adversely affected by their porous microstructure, tensile residual stress, and electron transport kinetics. Here, a high‐speed pulsed laser processing technique is implemented to produce beneficial structural changes in organic–inorganic halide perovskites, including pore‐free, crystalline structure, reduced defects, and tensile residual stress. Moreover, halide perovskite films can be converted from p‐type to n‐type semiconductor, which originates from crystal structure changes, giving rise to carrier dynamic changes. Comparing with traditional thermal annealing, residual tensile stress of perovskite thin film decreases by 40% after pulse laser processing, which significantly increases its stability. Pulse‐laser‐induced thermomechanical shock momentum can create pore‐free perovskite thin films, contributing to much better reliability. Under humidity of 80% at room temperature for 500 h, the decomposition rate is reduced by more than two times, comparing thin films after pulsed laser processing with conventional thermal annealing. The thermal decomposition temperature of pulse‐laser‐processed perovskite thin film raises by 20 to about 220 °C. Pulse laser processing technique provides a scalable technique to tailor the structures in perovskite films with both temperature and loading control, further facilitates the design of perovskite‐based devices for service under harsh conditions, and also contributes to high‐performance optoelectronic applications.     

激光热处理对化学沉积Ni-P合金薄膜性能的影响

用扫描电镜(SEM)观察了化学沉积Ni-P合金薄膜/单晶硅基体的结构与颗粒度,利用X射线衍射(XRD)技术测试了其化学沉积后的残余应力,测量了激光热处理后残余应力的变化规律,分析了残余应力对磨损性能及界面结合强度的影响。实验结果表明,化学沉积Ni-P合金薄膜/硅基体的残余应力均表现为拉应力,经过激光热处理后残余应力发生了变化,由高值的拉应力变为低值的拉应力或压应力;薄膜残余应力对其磨损性能有明显的影响,其磨损量随着残余应力的减小而减小;薄膜与基体结合强度随着残余应力的增大而减小,合理地选择激光热处理参数可以精确地控制薄膜残余应力,提高其结合强度。     

Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon thin films by a pulsed Nd:YAG laser with 355 nm wavelength

Selected area laser-crystallized polycrystalline silicon(p-Si) thin films were prepared by the third harmonics (355 nm wavelength) generated by a solid-state pulsed Nd:YAG laser.Surface morphologies of 400 nm thick films after laser irradiation were analyzed.Raman spectra show that film crystallinity is improved with increase of laser energy.The optimum laser energy density is sensitive to the film thickness.The laser energy density for efficiently crystallizing amorphous silicon films is between 440-634 mJ/cm2 for 300 nm thick films and between 777-993 mJ/cm~2 for 400 nm thick films.The optimized laser energy density is 634,975 and 1571 mJ/cm~2 for 300,400 and 500 nm thick films,respectively.     

激光晶化制备多晶硅薄膜技术

激光晶化是一种制作晶硅薄膜器件(如薄膜晶体管、太阳能电池)很有效的技术.展望了低温多晶硅薄膜的应用前景,详细介绍了近几年激光晶化制备多晶硅薄膜技术的研究成果,并就激光对非晶硅作用的原理作了简单讨论.     

多晶硅薄膜的新型激光晶化制备方法

采用两步激光晶化方法制备了多晶硅薄膜 ,其晶粒尺寸为 1.1μm,比用传统单步晶化制备的薄膜晶粒尺寸大 ,表明该方法对扩大晶粒尺寸很有效。拉曼光谱分析表明 0 .30 J/ cm2晶化的薄膜结晶程度已很高     

激光对非λ/4膜系变反射率薄膜的损伤机理

讨论了高功率激光对非λ/4膜层组成的变反射率光学介质薄膜损伤时的场作用和热作用的物理机理,并对实际膜层的激光损伤阈值进行了测试.理论和实验研究结果证明,激光对该种膜系产生损伤的主要原因是膜层吸收激光能量引起的.