基于晶体塑性理论的准连续激光致单晶硅塑脆性损伤机理研究

The damage mechanics of quasi CW laser fiber laser irradiating the silicon wafer is investigated in this project. Base on the crystal plasticity finite element methods, the multi-physics model is established to simulate the process of the plasticity behavior and fracture behavior. The optical signal of the scattered light, thermal radiation, reflected light and transmitted light is real-time detected to investigated the process of the plasticity behavior and fracture behavior. The damage morphology of (100), (110) and (111) silicon is observed by metalloscope, SEM, TEM and RXD to identify the mechanics of the plasticity damage, fracture damage and melting damage. The influences of these damages to the electrical properties of silicon are investigated. Finally, the quantitative relations between laser parameters (laser power, pulse width, repetition frequency) and damage degree are identified. The insight gained from this project will offer off new theoretical and experimental ideas for the laser interaction with matter, meanwhile, offer theoretical and experimental basis for the assessment of damage efficiency and damage control of the quasi CW fiber laser.

脉宽为毫秒量级低重频的准连续光纤激光具有能量高，功率大的特点，本项目研究高能准连续毫秒激光对单晶硅的塑脆性损伤机理。建立基于晶体塑性理论的多物理场有限元模型，数值模拟准连续毫秒激光辐照硅材料的塑性滑移和脆性断裂力学行为；同时设计实验探测作用激光的散射光、硅材料的表面热辐射、探测激光的反射和透射光等光信号对塑性行为和脆性行为进行瞬态诊断；利用金相显微镜，扫描电镜，透射电镜和X射线衍射进行实验验证；进而确定硅材料电学特征参数与热力损伤的定量关系，最终确定准连续毫秒激光参数（功率，脉宽，重复频率）与损伤程度的对应关系。该项研究为激光与物质相互作用的理论与实验测试技术发展提供新的思路，可为准连续毫秒激光对硅材料的损伤效能评估以及热塑性成形的损伤控制提供理论和实验依据。

脉宽为毫秒量级低重频的准连续光纤激光具有能量高，功率大的特点，本项目研究高能准连续毫秒激光对单晶硅的塑脆性损伤机理。. 基于传统的硅滑移模型，建立了激光辐照下，（100）单晶硅的表面滑移模型。通过分析不同滑移系的广义层错能和回复力，我们发现滑移不但可以在传统的{111}面上发生，还可能在{110}面上发生。这种反常的{110}面滑移是一种表面现象，仅发生在表面以下几个原子层内。进而设计实验，通过改变硅的掺杂浓度和激光参数，以调整激光加热深度，验证了反常滑移现象。. 建立了激光加热（100）面单晶硅的三维有限元模型，得到硅片发生熔融前12个滑移系的剪应力分布和应变分布。进而结合Alexander and Haasen （AH）理论定量研究了滑移和熔融的竞争关系。结果表明毫秒激光辐照下，滑移系的剪应力总会超过屈服强度，因而滑移不可避免，造成这一现象的根本原因是毫秒激光的激光功率密度低。. 使用高速摄像机实时拍摄毫秒激光烧蚀硅片的过程，发现应力损伤分为两个阶段：第一次应力损伤发生在激光作用期间，硅片在熔融前就已经发生了塑性变形；第二次应力损伤发生在激光辐照结束后，且可再细分为塑性变形和断裂两个阶段。单独使用毫秒激光时因其功率密度低导致了第一阶段的应力损伤，而过量熔融液体导致了第二阶段的应力损伤，使用，序列脉冲激光应可避免这类问题。. 研究了序列脉冲激光辐照下硅的温升和断裂现象：使用高速红外点温仪实时记录了中心点的温升过程，分析了激光重复频率和占空比对加热过程的影响，发现：1）相对连续激光而言，重频激光频率低于100Hz，硅到达熔融所需的时间变短：频率髙于1kHz，所需时间变长；2)激光重复频率不变、占空比越低，硅到达熔融所需时间越长。. 该项研究为激光与物质相互作用的理论与实验测试技术发展提供新的思路，可为准连续毫秒激光对硅材料的损伤效能评估以及热塑性成形的损伤控制提供理论和实验依据。