Laser micromachining involves material removal induced by vaporization and hydrodynamic melt ejection. In particular, vaporization is directly related to micromachining efficiency because the laser radiation can be attenuated by the ablation plume. Various mathematical models for laser micromachining have been developed. Especially, multiple reflections models have been addressed by a number of researchers because the models are valid for laser micromachining simulations. In those multiple reflections models, however, there is no consideration for the plume phenomena. This research offers a novel multiple reflections model that accounts for the absorption and distribution of the laser radiation by the ablation plume during laser micromachining. Laser micromachining may be achieved through a photothermal process, a photochemical process, and a combined photothermal and photochemical process. It was reported that the laser ablation process for silicon might be dominated by the photothermal process when using a near ultraviolet frequency-tripled Nd:YAG laser. In this study, the laser micromachining of silicon was conducted using a near UV nanosecond pulsed Nd:YAG laser, where only the photothermal process was taken into consideration. In this research, a fundamental study of laser micromachining was performed with computational analysis and compared with experimental results. High-power Q-switched diode-pumped laser micromachining simulations were conducted on N-type silicon wafers. In the numerical model, the volume of fluid method was adopted to trace the free surface with the governing equations including continuity, momentum, and energy equation. The laser beam was considered as a surface heat flux with near-Gaussian distribution. The simulation model took into account the physical phenomena, taking place during micromachining of the silicon wafer, such as the effects of recoil pressure producing a narrow and deep profile, Fresnel absorption transferring the energy from laser beam to workpiece, multiple-reflection raising the absorption of laser energy, and Rayleigh-absorption-emission-scattering absorbing and distributing the entrance laser energy. In particular, a novel model for laser micromachining was proposed from the view point of the transmitted, absorbed, emitted, and scattered light. Laser micromachining experiments were conducted on N-type silicon wafers to compare with simulation results. There are two types: laser micro drilling, laser micro scribing. The laser micro drilling was not directly conducted. The experimental results of the laser micro drilling are B. Tan and K. Venkatakrishnan’s experimental results. However, the laser micro scribing was directly conducted. The laser used in these experiments was a diode-pumped solid-state Nd:YAG laser. The wavelength was 355 nm. For verification, experimental results are compared with the simulation results. The simulated geometry and dimensions agree well with the experimental results. The good agreement indicates the validity of the novel multiple reflections model. This study will probably help laser micromachining to be more effectively used in various industrial fields through systematic understanding on physical phenomena and the improved simulation model.
레이저 마이크로 가공에 있어서 다중반사효과는 중요한 물리적 현상이다. 따라서 이와 관련된 논문들이 꾸준히 발표되어 왔다. 레이저 마이크로 가공은 재료의 증발을 수반한다. 나노세컨드 펄스 레이저 가공의 경우, 조사(irradiation)에 의해 발생된 입자들은 입사되는 레이저 빔을 감쇄시킨다. 기존의 다중반사 시뮬레이션에서는 앞서 언급한 바와 같은 기화현상에 의한 입사 빔의 감소를 전혀 고려하지 않았거나 혹은 간단한 수치를 이용하여 입사 빔의 감소를 고려했던 것이 사실이다. 그러므로 보다 정확하고 미세한 다중반사 시뮬레이션을 위해서는 기화를 고려한 새로운 모델이 필요하다. 본 연구에서는 레이저 마이크로 가공 중에 발생된 나노입자와 레이저 빔간의 상호작용을 고려하였고 이를 통해 새로운 다중반사모델을 개발하였다. 개발된 모델에서 입사되는 레이저 빔은 투과, 흡수, 방사, 그리고 산란 광으로 분류되었다. 이렇게 유형별로 분류된 광은 Beer-Lambert 공식을 기반으로 하여 개개의 물리적 특성에 따라 진행하게 된다. 여기서 광의 진행은 다중반사 알고리즘(투과)과 흡수 알고리즘(흡수) 그리고 양자전기역학(quantum electrodynamics, QED)이 고려된 통계 알고리즘(방사, 산란)을 통해 구현되었다. 레이저 마이크로 가공의 메커니즘은 가공조건에 따라서 광열적 반응, 광화학적 반응 그리고 광열화학적 반응으로 나눌 수 있다. 실리콘 시편을 355 nm 자외선 펄스 레이저로 가공할 경우, 광열적 반응이 지배적으로 발생한다고 보고된 바 있다. 본 연구에서는 355 nm 자외선 펄스 레이저를 열원으로 하고 실리콘 웨이퍼를 시편으로 하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 그러므로 시뮬레이션은 가열, 용융, 기화와 관련된 광열적 반응을 기반으로 이루어졌다. 해석은 상용 해석 코드인 FLOW-3D를 이용하였고, 기화가 고려된 다중반사 모델은 FLOW-3D에서 제공하는 user subroutine을 이용하여 개발하였다. 개발된 모델은 다양한 실험결과와 비교되었고 이를 통하여 개발된 모델의 타당성을 입증하였다.
