转印方法中的率相关效应及内聚区模型研究

论文摘要

可穿戴电子器件、柔性太阳能电池等新型微电子制造工艺日益迫切地需要一种高效、低成本的方法将在半导体基板上制备的功能元件集成至柔软基底或曲面基底上。基于粘弹性图章/固体元件界面粘附率相关性的动力控制转印方法具有操作简单、成本低廉的特点，是目前所有的微电子转印技术中最有应用前景的方法之一，是当前研究的热点和重点。我们用当前的制备工艺在晶圆片上刻蚀出硅条，并用PDMS图章将其剥离，结果显示剥离速度越大，转印效率越高；用包含内聚力单元的有限元模型对这一实际过程进行模拟，给出了在剥离过程中硅条内部Mises应力的分布与演化，并给出了转印效率与剥离速度之间的关系，这一关系与实验结果在趋势上符合较好。还利用有限元模拟研究了图章材料粘弹性参数对转印效率的影响，结果表明，转印效率随着瞬时松弛模量增加而下降，随着松弛模量比增加而上升，而弛豫时间对转印效率没有显著影响，对图章材料的选取具有一定的指导意义。讨论了在剥离构型中界面断裂能具有角度相关性的两种机理，并对粘弹性体/刚体界面的剥离试验进行了有限元模拟和实验研究。第一种机理是，在剥离速度相同的情况下，剥离角度越大，粘性耗散越多，从而由粘性耗散引发的界面断裂能愈大；第二种机理是，本征界面断裂能随着模态混合比的变化而变化。有限元模拟印证了第一种机理，但是没有考虑本征界面断裂能随着角度的变化。对聚丙烯胶带-丙烯酸酯胶/PMMA界面进行的剥离试验表明，在同一剥离速度下，随着剥离角的增大，界面断裂能先增大后减小，在90°时最大，本征断裂能随剥离角的变化规律也是如此。实验结果印证了第二种机理并展现了实际情况下本征断裂能角度相关性的复杂性。最后，本文推导了弹性体/刚体界面稳态剥离时的剥离力与剥离角、剥离臂几何与模量以及内聚力本构之间的关系，并给出了基于此关系的内聚本构参数反演框架。为将来设计一种直接通过剥离试验结果反演内聚本构参数的方法打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 柔性硅基半导体器件结构
• 1.1.2 动力控制转印方法
• 1.2 研究现状与存在问题
• 1.3 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 转印过程中薄膜/图章界面的率相关行为
• 2.1 实验过程与结果
• 2.1.1 实验过程
• 2.1.2 实验结果
• 2.2 含内聚力单元的有限元模拟框架的建立
• 2.2.1 含有内聚力单元的有限元格式
• 2.2.2 内聚力本构关系
• 2.2.3 图章的粘弹性本构
• 2.2.4 硅的损伤萌生与演化本构
• 2.2.5 内聚力单元的验证
• 2.2.6 模拟撕起过程的有限元模型
• 2.3 有限元模拟结果及讨论
• 2.3.1 硅条剥离过程中的应力分布与演化
• 2.3.2 剥离速度对转印效率的影响
• 2.3.3 PDMS 图章粘弹性参数对转印效率的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 剥离构型中界面断裂能的角度相关性
• 3.1 剥离构型中界面断裂能与剥离速度和角度相关的机理
• 3.1.1 界面断裂能与剥离速度相关的机理
• 3.1.2 界面断裂能与剥离角度相关的机理
• 3.2 粘弹性薄膜/刚体界面剥离试验的有限元模拟
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 有限元模拟结果与讨论
• 3.3 不同剥离角度下的聚丙烯胶带/聚甲基丙烯酸甲酯界面剥离试验
• 3.3.1 剥离试验原理
• 3.3.2 剥离试验装置
• 3.3.3 样品准备与实验过程
• 3.3.4 实验结果与分析
• 3.3.5 实验结果与有限元模拟的对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 由弹性体/刚体剥离试验反演内聚参数的理论框架
• 4.1 弹性体/刚体界面剥离力的推导
• 4.1.1 问题描述
• 4.1.2 求解思路
• 4.1.3 对界面分离位移和内聚力分量的正负号的规定
• 4.1.4 推导过程
• 4.2 多项式形式的内聚本构
• 4.2.1 现有的内聚本构在表达模态混合的断裂能量方面的不足
• 4.2.2 多项式形式的内聚本构
• 4.3 反演框架简述
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果