Das Prinzip der Laserreinigung liegt in der „selektiven Absorption“ von Laserlicht durch Materialien und der sofortigen und effizienten Umwandlung von Energie. Verunreinigungen und das Substrat haben unterschiedliche Absorptionskoeffizienten für bestimmte Wellenlängen des Laserlichts. Nachdem die Laserenergie von der Verunreinigung absorbiert wurde, wird sie durch einen photothermischen Effekt sofort in Wärmeenergie umgewandelt, was zu einem schnellen Anstieg der Temperatur der Verunreinigung führt. Zu den Hauptmechanismen der Laserreinigung gehören: thermische Laserablation (Verdampfungsprozess), thermische Laserbelastung (Vibrationsprozess) und Plasmastoßwelle (Aufprallprozess).
Die gepulste Nd:YAG-Laserreinigung beruht auf den Eigenschaften der vom Laser erzeugten Lichtimpulse, basierend auf der photophysikalischen Reaktion, die durch die Wechselwirkung zwischen dem hochintensiven Strahl, dem Kurzimpulslaser und der Verunreinigungsschicht verursacht wird. Sein physikalisches Prinzip lässt sich wie folgt zusammenfassen: (a) Der vom Laser emittierte Laserstrahl wird von der Schmutzschicht auf der zu behandelnden Oberfläche absorbiert; (b) Durch die Absorption hoher Energie entsteht ein schnell expandierendes Plasma (ein stark ionisiertes instabiles Gas), das eine Stoßwelle erzeugt; (c) Die Stoßwelle fragmentiert den Schadstoff und entfernt ihn; (d) Die Impulsbreite muss kurz genug sein, um einen Wärmestau zu vermeiden, der die behandelte Oberfläche beschädigt. (e) Experimente zeigen, dass bei Vorhandensein von Oxiden auf der Metalloberfläche Plasma auf der Metalloberfläche erzeugt wird. Plasma wird nur erzeugt, wenn die Energiedichte über einem Schwellenwert liegt, der vom Grad der zu entfernenden Verunreinigungs- oder Oxidschicht abhängt. Übersteigt die Energiedichte die Zerstörschwelle des Substratmaterials, kommt es zu einer Beschädigung des Substrats. Um eine effektive Reinigung zu gewährleisten und gleichzeitig das Substratmaterial zu schützen, müssen die Laserparameter entsprechend den Eigenschaften des zu reinigenden Materials und der Verunreinigungen angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Energiedichte der Lichtimpulse genau zwischen zwei Schwellenwerten bleibt. Jeder Laserimpuls entfernt eine bestimmte Dicke der Schadstoffschicht; Die Anzahl der zur Reinigung der Oberfläche erforderlichen Impulse hängt vom Grad der Oberflächenverschmutzung ab. Eine wesentliche Konsequenz dieser beiden Schwellenwerte ist die Selbstkontrolle des Reinigungsprozesses. Lichtimpulse mit Energiedichten über dem ersten Schwellenwert entfernen weiterhin Verunreinigungen, bis sie das Substratmaterial erreichen. Da ihre Energiedichte jedoch unterhalb der Schadensschwelle des Substratmaterials liegt, wird das Substrat nicht beschädigt.
Die Laserparameter haben einen wesentlichen Einfluss auf die Reinigungswirkung. Wichtige Laserparameter wie Laserintensität, Wellenlänge, Impulsbreite und Einfallswinkel müssen optimiert werden, um zwischen der Schadstoffentfernungsschwelle und der Substratbeschädigungsschwelle zu arbeiten und eine effektive Reinigung ohne Beschädigung des Substrats sicherzustellen. Kombinationen von Laserprozessparametern wie Scangeschwindigkeit, Laserleistung, Pulsfrequenz und Anzahl der Scans beeinflussen das Reinigungsverhalten.