一、文献综述
在过去的几十年中，信息和电子产业飞速发展，把社会推到了一个前所未有的高效和信息爆炸的时代。在产业的发展中，以硅材料为代表的半导体材料起到了基础和保障的作用。特别是硅材料以其本身的优质、可制备加工等特性成为了半导体材料的代表[1]。而且，随着人们对太阳能的利用越来越广泛，硅材料的研究和使用也被进一步提高了地位。传统的硅材料加工主要以机械加工为主，这些传统工艺往往伴随着诸多问题，如加工精度保证性不好、副产品污染严重、加工效率不高等。人们在研究硅材料的应用同时，也一直在寻找更加完善的加工方法。
随着各种不同性质激光器的产生，而且激光光束具有良好的单色性、高能量密度、空间控制性好和时间控制性良好等很多优点，激光技术以其独特的性质在生产制造以及科技研究中占据着很大的地位，并在科研、军事、医学和生产中起到了重要的作用。因此，用激光对硅材料的加工逐渐为人们所重视。利用激光加工硅材料可以保证加工的精度和效率的同时大大提高加工的环保性。但是，由于其能量大，激光与硅材料作用时会产生热应力，热应力对硅材料的破坏使利用激光加工硅材料的技术受到了一定的限制[2]。这种激光损伤引起了越来越多的关注，如果能够很好地利用激光的相关特性，对其作用下硅材料的热应力分布及其规律有一定的了解，避免热应力损伤，则会使硅材料的加工变得更加高效并且能够最大限度的保护硅材料的物理和化学特性，将推动电子和激光技术的更好更快发展。
国内外，对激光的研究可以追溯到很久之前，1986年，M.M.El-Niclawy[3]等人通过一个简单的数学方法处理，得到了高功率脉冲激光辐照固体产生的融化率、蒸发率已及表面温度。1992年，T.Q.Qiu[4]等人通过短脉冲激光加热过程，分析了微观辐射金属的相互作用以及在材料热力效应上的影响。1996，B.S.Yibas[5]等人介绍了加热半无限固体物质，并得到适当的激光加工功率强度的解析解。在2003年，B.S.Yibas[6]等人又研究了钢的激光非有限加热，对于二维轴对称的加热情况，计算了温度和热应力场。2004年，Radovan Gospavic[7]等人研究了激光材料相互作用的不同方向。他们研究了半分解法并且应用到大量材料内部温度场的空间和时间分布的分析。2008年，B.S.Yibas[8]等人分析了激光面层加热和热应力。他们分析，金属表面的激光脉冲加热导致在被激光束辐照的区域中温度的迅速上升，而反过来则导致在这个区域的高温梯度。而被辐照的基片材料被扩大为温度梯度的响应。因此，高水平的热应力在温度梯度高的区域被发展。而在国内，激光器的研究陆续进行了CO2激光（电激励、气动激励）、化学激光、自由电子激光和X射线激光等探索，其中CO2激光和化学器的输出功率达万瓦级以上，有广阔的开发前景。
随着激光器的不断研发，毫秒脉冲激光器的单脉冲输出能量不断提高，随之的激光加工能力也得到提升，可应用于超浅PN结的制备[9]，激光退火和硼离子的激活[10、11]，非晶硅的结晶[12]，激光切割[13]。另一方面由于其能量大，极易在使用过程中产生各种损伤，这些激光损伤也引起了越来越多的关注。例如毫秒激光对单晶硅材料的熔融损伤[14]，对光电器件的损伤[15]等。所以，近年来国内外对激光的研究主要集中于毫秒级脉冲强激光的研究。张梁等人[16]用二维轴对称有限元法模拟了长脉冲激光对半导体材料热损伤过程，得到毫秒激光条件下半导体材料熔融损伤闭值。窦如凤等人[17]分别在理论仿真和实验两方面对毫秒脉冲激光作用介质薄膜的损伤机理和特性进行研究，测得毫秒脉冲激光作用介质薄膜损伤阈值。
目前的各种材料中，硅是制作光电子器件和一些光学元件的基本材料，硅材料的发展直接促进了集成电路和整个微电子产业的进步。而且硅的提纯工艺比较成熟，因此，现在硅的应用最为广泛。而激光对光电子器件的破坏会导致卫星、导弹以及航天飞机等致盲和失控。所以激光对硅材料的作用效果的研究正成为研究热点。
2003年，Pronko[18]等人研究了飞秒激光在真空环境中烧灼硅样品，发现在烧灼过程中不仅会烧灼硅样品，也会与等离子体发生耦合。在国内，研究人员们对激光对硅材料作用的研究已经硕果累累。沈瑞琪等人[19]对1064nm激光作用下硅解离的光声谱进行了研究。研究结果表明在激光作用下，硅解离的光声波不但被加宽，而且还存在一个驼峰。夏普军等人[20]着重研究了连续激光作用于硅材料的热力效应，分析出光学材料内部的热应力产生的根源是激光加热不均匀。沈中华等人[21]在对强激光作用硅材料的仿真中，考虑了材料的热物性参数随温度的变化，并且根据入射激光的空间分布，建立了二维模型。利用该模型计算出硅材料的轴向与径向温度分布，并且给出了目标表面开始熔化的时间与激光功率密度的关系。此后，他们[22]根据能量守恒方程并假设合理的温度分布形式，利用解析方法计算得到硅材料熔融前后的温度分布、熔融相变界面推进速度和熔融深度变化的解析解。崔金玲等人[23]研究了强激光作用下单晶硅的热畸变特性，他们使用格林公式计算了理想情况下硅材料的三维理论温度分布和热应力变形，研究表明：材料的温升速度不单单与介质的吸收系数关系密切，还和对流换热系数相关。中国工程物理研究和华南师范大学量子电子学研究所的袁永华和刘颂豪[24]进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。当脉冲激光辐照硅材料时，在激光功率密度略大于硅材料的损伤阈值的条件下，利用光学显微镜和原子力显微镜发现了硅材料表面上的平行等间距直线条纹结构。他们认为是热应力作用使硅材料表面形成了波纹。禹烨等人[25]建立了平顶型的连续激光作用硅材料的二维瞬态热物理模型。研究发现:圆形平顶激光作用硅材料目标，在激光作用区域内的温度明显高于区域外温度，且在激光作用区域边缘存在温度“激变”；作用时间下对温度分布影响极小。张梁等人[26]研究了长脉冲激光与硅的相互作用过程中的气化现象，发现气化的物质蒸汽会使后续激光产生光学自聚焦现象。得到的结果可为长脉冲激光的应用提供理论依据。
- 研究问题与研究方法
随着毫秒脉冲激光器的不断研发，毫秒级脉冲激光在军事和工业上的应用正成为人们关注的热点。而毫秒级脉冲激光与硅的相互作用的研究是毫秒脉冲激光对硅材料进行加工的理论基础，因此需要进行相关方面的理论与实验研究。在查阅国内外相关文献的基础上，结合当前的研究热点对激光与硅材料的相互作用作了以上分析。毫秒脉冲激光与硅的相互作用过程中涉及到多种学科，对相互作用过程中的温升应力变化过程只能是一个逐步深入的过程，仍有很多问题需要研究、分析。更由于该项目的研究需要昂贵的费用，为此对激光与物质相互作用过程中的加热熔融和气化过程的研究很多时候利用相关软件进行了数值模拟。
本次课题将查阅文献，根据调研的现有研究现状及相关理论，了解毫秒激光对单晶硅材料损伤的基本特征及现有理论，学习comsol软件，建立仿真模型，进行不同激光参数损伤单晶硅材料的热应力模拟，分析毫秒激光致单晶硅材料的损伤特性，研究温度与应力的时间和空间分布情况，并与现有的实验结果对比，验证模型的正确性，从而深入了解损伤机理，为毫秒脉冲激光应用及提高半导体光电探测器等元件的抗损伤性能设计提供参考。
参考文献：
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