1.4.3. Вытеснение расплава избыточным давлением паров

Разрушение металлов лазерным излучением обычно сопровождается выдавливанием расплава из зоны обработки, давление испаряющегося материала выталкивает жидкость по краям отверстия. Моделирование температурного поля и скорости вытеснения расплава весьма сложная задача. Однако основные закономерности этого процесса удается проследить при анализе развитого разрушения тонких металлических пленок на диэлектрических подложках.

Рассмотрим двухфазную модель удаления пленок из зоны воздействия излучения, в которой учтено вытеснение расплава под действием давления отдачи паров. При плотностях световых потоков, характерных для режимов лазерной обработки пленок, Вт/см², при 10 нс пленки толщиной около 100 нм нагреваются до температуры плавления за времена пренебрежимо малые по сравнению с длительностью импульса, причем толщина испаренного за это время слоя пренебрежимо мала. По мере дальнейшего роста температуры продолжается испарение пленки со все возрастающей скоростью, однако теперь оно уже происходит из расплава. Нетрудно подсчитать, что давление отдачи паров при указанных параметрах импульса может достигать 10⁴ - 10⁵ Па. Этого оказывается вполне достаточным, чтобы привести в движение расплав пленки, который под действием давления паров вытесняется за пределы зоны облучения. Отсюда понятен эффект разбрызгивания (рис. 1.11а), то есть наличие значительного количества продуктов разрушения за пределами зоны облучения, при разрушении пленок лазерным излучением. При больших размерах зоны воздействия вытеснение расплава за пределы зоны играет все меньшую роль из-за конечной скорости его истечения и при 50 мкм ( 1 мкм) становится пренебрежимо малым.

Рассмотрим упрощенную феноменологическую модель двухфазного разрушения, которая позволяет получить достаточно простые и наглядные результаты.

Пусть известны средние по времени скорость истечения расплава из зоны облучения и скорость испарения . Тогда изменение толщины слоя расплава можно описать уравнением

(1.35)

( , - периметр и площадь области разрушения, - исходная толщина пленки).

а б

Рис. 1.11. Оптическая (а) и электронная (б) микрофотографии общего вида (в плане) пленок хрома (h₀ = 100 нм) на стекле К-8 после облучения лазерным пучком квадратного сечения размерами 10×10 мкм² при плотности светового потока q₀ — 9·10⁷ Вт/см²: 1 – пленка; 2 – подложка; 3 – вытесненная жидкая фаза.

Интегрируя (1.35) при нулевом начальном условии, получим закон изменения толщины пленки

, (1.36)

( ) откуда суммарная скорость удаления пленки равна

. (1.37)

Полное время удаления пленки толщиной составляет

(1.38)

Из выражений (1.36) – (1.38) можно определить соотношение жидкости и пара в продуктах разрушения

,

где – параметр двухфазного разрушения,

.

При , воспользовавшись разложением , получим . Для развитого двухфазного разрушения , а . В частности, для характерных значений = 200 нм, 2,5·10² м/с, 10 мкм, 10 м/с имеем 0,5, a 0,23.

Таким образом, параметр характеризует относительный вклад вытеснения расплава и испарения в разрушении пленок. Испарительному механизму соответствует условие , которое выполняется обычно при больших зонах облучения и малых толщинах пленки. При малых же зонах облучения и больших толщинах, при условии , возрастает роль разрушения вытеснением жидкой фазы.

Некоторые зависимости основных параметров двухфазного разрушения от времени приведены на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Зависимости основных параметров процесса двухфазного разрушения от времени для пленки серебра = 200 нм на кварцевой подложке при 10⁸ Вт/см², размер области = 20 мкм. – давление отдачи пара, – давление сил поверхностного натяжения, – давление, вытесняющее расплав пленки, скорость испарения, скорость вытеснения пленки