《Journal of Materials Research and Technology》：Thermo-fluid-field effects on material removal and surface integrity evolution during femtosecond laser processing of 4H-SiC: A multiscale numerical-experimental investigation
编辑推荐：
碳化硅（SiC）是一种硬脆材料，其高精度加工在表面完整性控制方面仍面临挑战。在飞秒激光加工过程中，局部热积累、熔体流动和超快非平衡响应会诱发重铸层、边缘凸起和氧富集。然而，宏观热-流-场演化与微观烧蚀动力学之间的跨尺度关系尚不明确。本研究将多尺度模拟与实验相结
碳化硅（SiC）是一种硬脆材料，其高精度加工在表面完整性控制方面仍面临挑战。在飞秒激光加工过程中，局部热积累、熔体流动和超快非平衡响应会诱发重铸层、边缘凸起和氧富集。然而，宏观热-流-场演化与微观烧蚀动力学之间的跨尺度关系尚不明确。本研究将多尺度模拟与实验相结合，以探究飞秒激光加工 4H-SiC 过程中的材料去除和表面完整性演化。研究人员建立了一个包含反冲压力和 Marangoni 效应的有限元（FE）模型，用于研究宏观温度场演化、熔体流动和熔池变形，并解释凹坑加深、边缘凸起和重铸积累。研究人员开发了一个耦合双温模型的分子动力学（TTM-MD）框架，用于模拟超快电子-晶格能量转移、晶格加热和原子喷射，从而在原子层面揭示早期表面响应。研究人员在不同激光功率、扫描速度、扫描方向和扫描次数下进行了飞秒激光加工实验，以研究沟槽形貌演化和成分变化。数值与实验综合结果表明，不均匀热加载和反冲压力驱动的熔体流动促进了熔池加深和重铸形成，而更高的能量输入和更大的脉冲积累则增大了沟槽尺寸，加剧了氧富集，并降低了表面完整性。本研究增进了对 4H-SiC 材料去除和缺陷形成机理的理解，为工艺参数优化和表面质量控制提供了理论依据，从而支持了飞秒激光加工在半导体制造中的进一步发展。
**论文解读：飞秒激光加工4H-SiC的多尺度数值-实验研究**
**1. 研究背景与问题**
碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，具有高导热率、宽禁带、化学稳定性和优异力学性能，在电力电子、航空航天等极端环境下应用广泛。然而，SiC的高硬度、高脆性和化学稳定性使其成为典型的难加工材料。传统机械加工易引入微裂纹、凹坑等缺陷，严重影响器件性能。飞秒激光凭借超短脉冲宽度和高峰值功率，可有效抑制热影响区（HAZ），实现高精度、低损伤加工。但在实际加工中，局部热积累、熔体流动和超快非平衡响应会导致重铸层、边缘凸起和氧富集等表面完整性退化问题。目前，宏观热-流-场演化（如温度场、熔体流动）与微观烧蚀动力学（如电子-晶格能量耦合、原子喷射）之间的跨尺度关联仍不清晰，制约了工艺优化和表面质量控制。因此，亟需建立多尺度模型揭示飞秒激光与SiC相互作用的完整机理。
**2. 研究内容与意义**
本研究结合有限元（FE）分析、双温模型-分子动力学（TTM-MD）模拟以及飞秒激光加工实验，系统研究了4H-SiC在飞秒激光加工中的材料去除和表面完整性演化。通过FE模型模拟宏观温度场、熔体流动及熔池变形，通过TTM-MD模型揭示早期电子-晶格能量转移、晶格加热和原子喷射过程，再通过实验验证沟槽形貌、成分变化与模拟结果的对应关系。研究揭示了非均匀热加载、反冲压力和Marangoni效应对熔池动态、边缘凸起和重铸积累的调控机制，以及脉冲积累对氧富集和表面质量的影响。该工作为4H-SiC飞秒激光加工的工艺参数优化和表面质量控制提供了理论依据，具有重要学术价值和工程应用前景。论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。
**3. 主要关键技术方法**
研究人员采用了三种主要方法：（1）基于COMSOL Multiphysics的有限元（FE）模型，考虑反冲压力和Marangoni效应，用于分析宏观温度场、熔体流动和熔池变形；（2）基于LAMMPS平台的TTM-MD（双温模型-分子动力学）模型，模拟电子-晶格能量耦合、载流子密度演化、晶格加热及原子喷射；（3）飞秒激光加工实验，使用HR-Femto50飞秒激光器（波长1030 nm，脉宽300 fs，光斑直径20 μm），在不同激光功率（1-5 W）、扫描速度（200-800 mm/s）、扫描方向（0°和90°）和扫描次数（10-20次）下加工4H-SiC，并采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对沟槽形貌、宽度、深度及氧含量进行表征。
**4. 研究结果**
**4.1 Thermo-fluid fields（热-流场）**
通过FE模型模拟发现，随着激光功率从1 W增至5 W，SiC表面最高温度约8000 K，且出现第二个高温核心并向材料内部移动。反冲压力驱动的熔体流动速度超过10 m/s，促进熔池加深和材料排出。非均匀温度分布和Marangoni效应导致熔体向凹坑边缘聚集，形成边缘凸起和重铸层。功率越高，熔池深度和宽度越大，且当功率达到4 W时出现喷溅现象。
**4.2 Carrier-related property evolution and atomic motion（载流子相关特性演化与原子运动）**
TTM-MD模拟结果表明，飞秒激光照射后，电子温度在0-650 fs内急剧升至0.89×10
5 K（2.5 W），随后电子-晶格能量耦合使晶格温度升至6.63×10
3 K。载流子密度、反射率和吸收系数随时间变化：吸收系数在激光脉冲期间较高，电子-晶格耦合完成后反射率升至最大值，吸收系数趋近于零，导致激光能量反射。原子运动模拟显示，在1 W低功率下，原子喷射较弱，仅出现局部无序；随功率增加（2-3 W），原子喷射加剧，形成半球形烧蚀坑，且边缘有原子团簇沉积。功率高于4 W时，材料内部出现类空穴的低密度区，表明强烈的原子运动和局部密度波动。
**4.3 Experimental characterization of material removal and oxygen enrichment（材料去除与氧富集的实验表征）**
实验结果表明：激光功率从2 W增至4 W时，沟槽宽度从34.3 μm增至40.3 μm，深度从1.8 μm增至2.29 μm，但深度增速放缓，归因于等离子体屏蔽效应。扫描速度从200 mm/s增至800 mm/s时，沟槽深度从6.4 μm降至1.4 μm，宽度从42.3 μm降至33.6 μm，因为低扫描速度提高光斑重叠率，增强热积累。扫描方向从0°变为90°时，沟槽宽度增加但深度减小，表明扫描方向影响横向/纵向材料去除分布。扫描次数从10次增至20次时，宽度先增后饱和，深度持续增加至5.5 μm，表明能量向深度方向集中。EDS分析显示，氧含量随功率增加、扫描速度降低和扫描次数增加而升高：功率从2 W增至4 W，O含量从11.3 at.%升至18.9 at.%；扫描速度从800 mm/s降至200 mm/s，O含量从12.6 at.%升至21.2 at.%；扫描次数从10次增至20次，O含量从14.2 at.%升至18.4 at.%。此外，沟槽内氧化物颗粒从絮状变为块状，边缘出现重铸层，热积累效应随扫描次数增加或扫描速度降低而增强。
**4.4 Evolution mechanism（演化机制）**
综合FE和TTM-MD结果，研究人员提出了完整的演化机制：飞秒激光照射导致SiC表面温度极高（~8000 K），反冲压力驱动熔体以~10 m/s速度流动，Marangoni效应使熔体向边缘聚集，形成边缘凸起和重铸层。TTM-MD揭示了早期载流子密度、反射率和吸收系数的动态变化，以及原子喷射和类空穴低密度区的形成。热分析显示，激光扫描过程中，热影响区逐渐扩大，低能量输入时材料去除以超快能量沉积为主，高能量输入时热积累和热传导贡献增强，导致沟槽加深、重铸加重和氧富集加剧。过度热驱动去除会降低表面完整性。
**5. 讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究人员讨论了FE模拟与TTM-MD模拟结果的关联性，指出非均匀热加载和反冲压力驱动熔体流动主导了宏观沟槽形貌，而早期原子层面的电子-晶格耦合和原子喷射则决定了微观烧蚀起始。实验中观察到的边缘凸起、重铸和氧富集现象与模拟预测一致。通过热分析，研究人员将材料去除行为解释为从超快能量沉积主导到热积累主导的渐变过程，而非两种独立模式间的突变。过度热去除会恶化表面质量。
**结论部分翻译**：本研究将有限元（FE）分析、双温模型-分子动力学（TTM-MD）模拟与实验相结合，研究了飞秒激光加工4H-SiC过程中的材料去除和表面完整性演化。主要结论如下：
(1) FE结果阐明了反冲压力和Marangoni对流在飞秒激光加工4H-SiC过程中对熔池演化和边缘缺陷形成的作用。反冲压力促进熔池加深和材料排出，而Marangoni对流将熔体重新分布至沟槽边缘，导致边缘凸起和重铸积累。
(2) TTM-MD结果为4H-SiC早期烧蚀响应提供了微观解释。快速能量沉积至电子子系统及随后的电子-晶格能量转移提高了晶格温度，并触发靠近辐照表面的原子位移和原子喷射。
(3) 实验结果表明，有效能量输入和脉冲积累决定了沟槽几何形状和表面完整性退化。更高的激光功率、更低的扫描速度和重复扫描增大了沟槽尺寸，促进了边缘重铸积累，并增加了氧富集。特别地，将扫描速度从800 mm/s降至200 mm/s，沟槽深度从1.4 μm增至6.4 μm，测量O含量从12.6 at.%升至21.2 at.%，显示了累积热暴露对材料去除和表面成分的显著影响。
(4) FE、TTM-MD和实验结果建立了材料去除和缺陷形成的一致跨尺度解释。该框架增进了对飞秒激光加工4H-SiC机理的理解，为工艺参数优化和表面质量控制提供了理论依据。
