不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲试验研究

论文摘要

在微电子/光电子技术的发展过程中,微制造领域器件已经不仅仅满足在平面尺寸的制造,同时增加了对复杂曲面、特别是翘曲微型梁等的需求。随着科学技术的发展及市场对不同厚度和含镀层硅片材料的需求变化,要求我们必须突破传统的微厚度平面结构,实现单层大厚度硅片及含镀层材料成形加工的进一步研究。虽然厚硅片硬度高,不易发生碎裂现象,但传统外力成型仍会导致材料破坏,而且温度控制较为复杂;若采用化学手段则会花费很长的制造周期,而且控制的难度很大且有环境污染。因此,采用激光对微制造器件中脆性材料的弯曲加工不仅可以节省成本,还可以缩短制造周期实现绿色制造（无环境污染）。这样不但可以节省很多时间,也直接产生了长远的经济利益,最为重要的是可以把传统制造技术移植到微制造领域,为绿色微制造领域的进一步发展提供了良好的基础。针对不同厚度及铂镀层硅片材料的激光弯曲要求,本论文主要研究工作如下:（1）利用JK701H型Nd:YAG固体脉沖激光器对硅片（厚度100μm、200μm、300μm）进行弯曲试验,结合自身设备特点,研究硅片厚度、激光扫描次数、扫描冷却时间对弯曲角度的影响,得到长脉冲激光弯曲硅片的特征规律。（2）利用有限元Ansys软件建立热学仿真模型,计算在弯曲过程中相同条件下不同厚度硅片的温度场分布,同时比较温度分布特点,总结温度分布规律,得到基于温度分布的弯曲可行性预测依据。（3）采用相关的仪器对加工后的试样（厚度100μm）进行电学性能检测。利用光学显微镜对弯曲成形后的硅片表面形貌进行检测,利用半导体参数测试仪对弯曲硅片V型件两端I-V曲线进行测试,以及利用霍尔效应测试仪对弯曲硅片的载流子浓度、霍尔迁移率进行测试。结合弯曲试验,讨论激光弯曲加工工艺对硅片电学性能的影响。（4）利用有限元Ansys软件对表面有镀层的厚度为100μm的硅片进行温度场和应力应变场模拟分析,并针对模拟结果,进行验证性试验。不同厚度及铂镀层硅片材料的激光弯曲成形研究,特别是将试验与检测及模拟技术结合形成高质量弯曲硅片的成形工艺,为开辟高效、绿色、优质硅片材料的快速成形制造提供了新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 硬脆性材料激光弯曲研究进展
• 1.2.1 试验研究进展
• 1.2.2 数值模拟进展
• 1.3 现存的主要问题
• 1.4 本文的研究目标及内容
• 2 不同厚度硅片激光弯曲试验
• 2.1 试验条件
• 2.1.1 试验样品制备
• 2.1.2 激光加工设备及数控系统
• 2.2 试验方案制定
• 2.2.1 试验参数的选择
• 2.2.2 弯曲角度的测量
• 2.3 激光加工参数对弯曲角度的影响
• 2.3.1 扫描速度对弯曲角度的影响
• 2.3.2 自由端距离对弯曲角度的影响
• 2.3.3 冷却时间对弯曲角度的影响
• 2.3.4 离焦量对弯曲角度的影响
• 2.3.5 硅片宽度对弯曲角度的影响
• 2.3.6 扫描次数对弯曲角度的影响
• 2.4 不同厚度硅片弯曲成形样品
• 2.5 本章小结
• 3 不同厚度硅片激光弯曲温度场模拟分析
• 3.1 激光弯曲机理概述
• 3.1.1 温度梯度机理
• 3.1.2 屈曲机理
• 3.1.3 镦粗机理
• 3.2 模拟方法概述
• 3.2.1 热分析概述
• 3.2.2 导热微分方程
• 3.2.3 单层平壁的导热
• 3.2.4 移动热源的计算模型
• 3.2.5 网格划分
• 3.3 弯曲硅片温度场模拟结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 弯曲样品电学性能检测与分析
• 4.1 检测手段简介
• 4.1.1 光学显微镜
• 4.1.2 磁控溅射镀膜机
• 4.1.3 半导体参数测试系统
• 4.1.4 霍尔测试仪
• 4.1.5 扫描电镜（SEM）
• 4.2 伏安特性分析
• 4.3 本章小结
• 5 铂镀层硅片激光弯曲成形的过程模拟与试验
• 5.1 多层材料传热理论模型
• 5.1.1 多层壁的导热
• 5.1.2 双层壁的加热
• 5.1.3 热传导过程
• 5.2 双层材料数值模型的建立
• 5.2.1 材料属性
• 5.2.2 激光弯曲成形的热弹塑性有限元分析
• 5.2.3 模型的建立及网格划分
• 5.3 模拟结果及分析
• 5.3.1 激光作用双层材料温度场分析计算
• 5.3.2 激光作用双层材料应力场分析计算
• 5.4 铂镀层硅片的弯曲试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢