（机械制造及其自动化专业论文）不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 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盐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j k 7 0 1 h 型n d ：y a g 固体脉冲激光器对硅片( 厚度1 0 0 比m 、2 0 0 比m 、3 0 0 z m ) 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a n s y s 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1 0 0 比m ) 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a n s y s 软件对表面有镀层的厚度为1 0 0 z m 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。 关键词：激光弯曲；不同厚度硅片；模拟分析；电学性能；铂镀层材料 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nl a s e rb e n d i n go fs i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s sa n dp tc o a t e ds i l i c o ns h e e t a b s t r a c t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dp h o t o n i c st e c h n o l o g y ，d e v i c e si nt h e m i c r o - f a b r i c a t i o nf i e l dn e e dt h em a n u f a c t u r i n go fp l a n es i z e 勰w e l l 笛c o m p l e xs u r f a c e ， e s p e c i a l l yw a r p i n gm i c r ob e a m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e c h a n g ei nt h ed e m a n do fs i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dp tc o a t e ds i l i c o ns h e e t ，i t s n e c e s s a r yt ob r e a kt h r o u g ht r a d i t i o n a lp l a n es t r u c t u r ew i t hm i n i n l u n lt h i c k n e s st om a k e f u r t h e rr e s e a r c ho nt h ef o r m i n go fs i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dp tc o a t e ds i l i c o n s h e e t t h o u g ht h et h i c k e rs i l i c o ns h e e tf e a m r e sh i g hh a r d n e s sw h i l ei t ss t i l le a s yt ob r e a k d o w nb yt r a d i t i o n a lf o r m i n gm e t h o df o ri tb e l o n g i n gt ob r i t t l em a t e r i a l sa n dt e m p e r a t u r e c o n t r o lb e i n gm o r ec o m p l i c a t e d ；i tt a k e sal o n gm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n di sv e r yd i f f i c u l tt o c o n t r o lb yc h e m i c a lm e a n s ，m a k i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni n e v i t a b l y a sar e s u l t ，l a s e r b e n d i n gi nt h em i c r o - m a n u f a c t u r i n go fb r i t t l em a t e r i a lc a n n o to n l ys a v ec o s t s ，b u ts h o r t e nt h e m a n u f a c t u r i n gc y c l ea n da c h i e v eg r e e nm a n u f a c t u r i n g ( n op o l l u t i o n ) t h i sn o to n l ys a v e sal o t o ft i m eb u ta l s og e n e r a t e sd k e c tl o n g - t e r me c o n o m i cp r o f i t a b o v ea l li tc a l lb et r a n s f e r r e dt o m i c r o - m a n u f a c t u r i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y 蕊w e l la sp r o v i d e sg o o d f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fg r e e nm a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h er e q u k e m e n tf o rt h es i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dp tc o a t e d s i l i c o ns h e e ti nm e m s ，t h em a i nw o r ko ft h et h e s i sc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb e n d i n ge x p e r i m e n t so nt h es i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ( 1 0 0 p m 、 2 0 0 t i n 、3 0 0 比m ) a g ed o n eb ym i l l i s e c o n dp u l s ew i d t hj k 7 0 1 h n d ：y a gl a s e r b a s e do nt h e e x i s t i n gl a s e re q u i p m e n t ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h et h i c k n e s so fs i l i c o ns h e e ta n db e n d i n g a n g l e ，s c a n n i n gt i m e sa n db e n d i n ga n g l e ，c o o l i n gt i m ea n db e n d i n ga n g l e ，a r es t u d i e d t h e c h a n g i n gd i s c i p l i n eo fs i l i c o ns h e e tb e n d i n gi si n v e s t i g a t e d ( 2 ) t h et h e r m a ls i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db ya n s y st oc o m p u t et h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fs i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s si nt h eb e n d i n gp r o c e s s ，w h i c hi sd o n e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s t h ef e a s i b i l i t yo ff o r e c a s t i n gi ss u m m a r i z e db yc o m p a r i n gw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ( 3 ) t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t yo fs i l i c o ns h e e ti n t h et h i c k n e s so f1 0 0 z ma f t e rb e n d i n gi s m e a s u r e db yr e l a t e de q u i p m e n t ，o p t i c a lm i c r o s c o p ef o rs i l i c o ns u r f a c e ，s e m i c o n d u c t o rf o ri v c u r v e s ，a sw e l la sh a l lm e a s u r i n ge q u i p m e n tf o rc a r r i e rc o n c e n t r a t i o na n dh a l lm o b i l i t y b a s e do nt h eb e n d i n ge x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo nt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t yi sd i s c u s s e d 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s ss t r a i nf i e l do fp tc o a t e ds i l i c o ns h e e tb yl a s e rb e n d i n g a r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h ec o n f i r m a t o r yt e s t s a r ec o n d u c t e da i m i n ga tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h el a s e rb e n d i n go fs i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dp tc o a t e ds i l i c o ns h e e ti s s t u d i e d t h ec o m b i n a t i o no fb e n d i n ge x p e r i m e n t s ，m e a s u r e m e n ta n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y c r e a t e ss i l i c o n - b e n d i n gf o r m i n gp r o c e s sf o rh i g h - - q u a l i t yp r o d u c t i o na n do p e n s u pan e ww a y 五d r h i 曲p e r f o r m a n c e ，e n v k o n m e n t m l yf r i e n d l y ，h i g h - q u a l i t y s i l i c o nm a t e r i a li n r a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：l a s e rb e n d i n g ；s i l i c o ns h e e tw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ：s i m u l a t i o na n a l y s i s ； e l e c t r i c a lp r o p e r t y ；p tc o a t e ds i l i c o ns h e e t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：幺固廛筮庭钧锪屋丝兰蚍童逊丛丝逝容 作者签名：墨l 数 日期：丝呈年丝，月丛日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 丕幽厦盘区掏缝屋丝臣邀丕玺塑丛丝叠丝 作者签名： 垄f 数 日期：丛年垃月丛日 导师签名：二弪么：j 易一 日期趁鲨二年丝月丛日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 本章首先在对课题的研究背景进行详细分析的基础上，对激光弯曲脆性材料的国内 外研究现状进行了深入的调研，重点分析了不同厚度及含镀层硅片弯曲成形的特点、热 成形主要影响因素、热成形对材料电学性能影响等方面的内容。针对目前激光弯曲成形 领域中存在的主要问题，提出了本课题的主要研究目标和研究思路，并对主要研究内容 进行了阐述。 1 1 课题研究背景 激光( l a s e r i ，i g h ta m p l i f i c a t i o ns t i m u l a t ee m i s s i o nr a d i a t i o n ，意为“辐射的受 激发射的光放大”) 是利用原子或分子受激辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种 单色性高、方向性强、亮度高的光束。它良好的空间控制性和时间控制性为其加工不同 材质、形状、尺寸的零件提供了良好的条件，有利于实现自动化加工。 随着社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期要求的日趋迫切，由于微电子技 术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步，柔性成形技术发展迅猛并日趋成 熟。柔性成形技术具有如下特点：具有较高的柔性、机构性和通用性；设备利用率高， 可实现无人看管2 4 h 连续工作；加工质量高且稳定；所需费用低；相同产量占地面积是 传统设备的6 0 。由此可见，正是由于柔性成形技术的这种高效、灵活的特性使其成为 实施敏捷成形、制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广泛， 已成为制造领域的核心技术之一。 柔性成形技术是近1 0 年发展起来的一种先进的成形技术，它是一种非接触型成形 技术。它是利用金属材料具有的热胀冷缩特性来成形，当板材受到不均匀加热时，将会 在材料内部产生热应力，柔性成形薄板正是利用该内部产生的热应力来实现弯曲成形。 目前根据加热热源形式的不同，主要研究集中在氧乙炔火焰成形( 以水火弯曲成形为代 表) 、等离子体弧柔性成形和激光弯曲成形技术上。 水火弯板是指用氧乙炔焰沿预定的加热线对板材进行局部线状加热，并用水进行跟 踪冷却，使板材产生局部塑性变形，从而将板材弯成所要求的曲面形状的一种弯板方法， 也称为线状加热法【l 】。适用于单件或小批量、复杂、大面积、双曲率板的成形加工，但 该技术在加热过程中的温度控制比较困难( 氧气和燃气的混合比率、燃气喷枪距离板面 的距离和加热速度) ，变形再现性差。另外，当温度超过7 0 0 c 时，由于在较高温度下 加热后其表面产生脆性层和晶粒长大，材料的力学性能下降【2 1 。该工艺目前仍主要凭有 多年实践经验的熟练工人进行手工操作，用氧气乙炔火焰在钢板表面局部加热和用水进 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲实验研究 行局部冷却，需反复操作多次方可达到质量要求。人工操作不但耗时、耗力，且成形质 量差，影响制造周期。 等离子体弧柔性成形是一种利用等离子体弧扫描金属材料表面时形成的内部非均 匀热应力场来实现材料成形的新技术，平均能量转换率高，可达8 5 ；设备成本及运行 成本低；金属表面无需做预处理；设备适应性好，可在粉尘、振动、冷、热等恶劣的环 境下完成对一定厚度薄板的柔性成形；操作简单，使用、搬运和维修方便。等离子体弧 柔性成形技术更适用于中大型零件和中厚板零件成形，而在中小型零件或精密零件成形 中受到限制。 激光弯曲成形技术利用高能激光束扫描板材表面形成的非均匀温度场，由于周围冷 态材料的约束使该温度所诱发的热应力超过了随温度变化的材料屈服极限，从而产生了 压缩塑性变形，当材料冷却后形成残余应力而弯曲变形。该技术可以对多种金属、非金 属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，具有生产周期短，柔性大等 特点。 激光加工本身具有很好的柔性： ( 1 ) 激光器本身是一个比较简单而且易于控制的装置，如果把它产生的光束聚集成 极细的光束，就可以切割；散焦一点就可以焊接：再散焦一点，就能进行热处理。 ( 2 ) 采用激光加工，不仅加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具更 换，缩短了生产准备时间周期。易于实现连续加工，激光光束换位时间短，提高了生产 效率。可进行多种工件交替安装。一个工件加工时，可卸下已完成的部件，并安装待加 工工件，实现并行加工，减少安装时间，增加激光加工时间。 ( 3 ) 激光束采用直接驱动和导向方法。激光可作旋转、倾斜、上下左右移动等运动， 能加工工件的垂直面和复杂表面；而且直接驱动没有空程，精度高。将激光的控制和机 器人相结合，用机器人来移动或多轴线方式翻转光束下的零件，可加工一些用传统方法 加工比较困难的零件。 ( 4 ) 1 采取多级快速反应的防撞措施，光束导向装置接触工件时，运动系统立即停机， 使系统不被破坏，避免了昂贵的维护；碰撞后能快速而简单地恢复工作，减少了碰撞引 起的停机时间，提高了激光系统的加工效率和可靠性。 ( 5 ) 激光头可自由运动，目前激光头已达5 个运动轴，即使工件在加工时保持固定， 仍可实现复杂工件的加工，而且只要利用移动旋转工作台，就可加工比轴行程大的零部 件。激光束采用自动聚焦控制。激光系统直线轴可沿光轴或任意轴定位，以保持光束聚 焦；焦点位置任何时刻都精确可知，而且行程无限制。 大连理工大学硕士研究生学位论文 早在1 9 8 6 年，日本学者y n a m b a t 3 l 就提出了利用激光弯曲成形技术，将空间站的卷 状外壳展成圆筒仓体的设想，并在1 9 8 7 年，进行了平板的v 形弯曲。1 9 8 8 年，波兰学 者h f r a c k i e w i c z 介绍了这种弯曲金属的新技术f 4 嘲，并在1 9 9 4 年，设计了专用成形设备， 先后制造出了筒形件、球形件、带凸缘的管形件及波纹管等，其研究成果已在波兰、美 国、日本及欧盟申请了专利。德国学者m g e i g e r 7 , s 】对激光成形的研究稍稍滞后于 h f r a c k i e w i c z ，于1 9 9 9 年，m g e i g e r 组织召开了第六届国际塑性加工大会，板材激光 成形首次在国际会议文集中以单独论题出现，在国际上对激光成形的研究起了巨大的推 动作用。他的研究涵盖了激光弯曲的成形机理、工艺、成形后材料的组织性能、数值模 拟以及该技术的应用领域与前景分析等，同时对激光成形与其他激光加工工艺进行了复 合化尝试。经过2 0 多年的发展，弯曲的样品已经从刚开始的v 型弯曲发展到了现在的 复杂曲面成型( 管状、柱面、圆面成型) 。目前激光弯曲成型方法主要有v 型件激光弯 曲、柱面件激光成形、球面圆顶件激光成形和方管激光弯曲等。随着快速成形技术的发 展，使用激光弯曲加工的材料需求日益增长，激光热应力成形的材料不仅仅停留在传统 的碳钢、不锈钢、合金、有色金属以及金属基复合材料【9 d 7 】上，而且对激光弯曲的脆性 材料，特别是硅材料在某些领域也有了应用潜力。 随着半导体工艺的迅速发展，在单个硅片上实现一个更为复杂系统的时代已来临。 半导体单晶硅已成为一种重要的微电子和光电子基础材料。近年来，随着生物科学、信 息科学和材料科学的发展，集成电路和传感器技术飞速发展，它们必将向微型化、多功 能化，智能化和网络化方向发展。伴随着硅微机械加工技术的出现，硅微机械传感器应 运而生，这种新型的传感器与经典的传感器相比，具有体积小、易集成、成本低、功耗 小、速度快、可靠性高以及精度高等特点。其核心技术是微电子和微机械加工与封装技 术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。把这种传感器 与集成电路进一步集成在一起，可构成功能强大的智能传感器，而智能传感器是下一世 纪传感器技术发展的主要方向，因此，硅微机械传感器已经成为国内外传感器研究的热 点。由于硅微机械传感器通常采用集成化形式，因此可使传感器特性均匀，各元件之间 配置协调，匹配良好，不需要对其元件进行校正和调整，从而消除了传感器结构中的某 些不可靠因素。目前已经可以生产出将若干种敏感元件总装在同一种材料或单独一块芯 片上的一体化多功能传感器。产品最小化的要求，不仅是来自用户希望随身用的多功能 电子器件小型化，而且还来自技术的需要。 硅是最基本的微机械加工材料，微细加工技术一般都要设计硅材料，硅材料具有极 好的力学性能( 包括强度、硬度、热导率和线膨胀系数等) 。此外，硅对许多效应敏感， 因此也是传感器的首选材料之一，再加上硅微加工技术易于兼容j 集成为系统，所以硅 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲实验研究 微加工技术将成为m e m s 加工技术的主流。随着微制造领域技术的发展，在m e m s 领域 中不仅需要平面硅片，也需要不定形硅片，在微型传感器制造中也出现了非直线悬臂以 及精密光学器件中需要在微尺寸器件条件下的微小弧度件等【t 8 , 1 9 ，而这些器件的应用要 求对加工的脆性微平面器件进行二次加工。由于微电子工艺是平面工艺，在加工m e m s 三维结构方面有一定的难度。由此就必须提出一种加工方法来进行理论分析和实践应 用，以解决这些问题。而激光弯曲由于其本身的特点，完全可以完成对此类器件的二次 加工，也完全可以在微制造领域中占有自己的一席之地。利用激光弯曲成形技术对单晶 硅片进行弯曲，生产出来的v 型弯曲硅片用作微反射镜、互联线( 用于阀门的传动和电 位的导通) 、芯片的夹持装置，也可将集成电路和微机械传感器集成在弯曲基片上，这 样的集成化缩短了器件间的引线长度，也大大改善了微电子产品的抗干扰能力，其中微 机械悬臂梁在原子力显微镜和硬盘驱动器中的应用技术已经成熟，在灵敏度极高的物理 量传感器、化学传感器、生物传感器中也有较好的应用。 在高功率激光系统以及导弹、卫星等航天器的引导、定位等系统中，广泛使用了含 镀层的光学元件，而激光造成镀层的形变会直接导致这些系统的信号错误，乃至损毁等 严重后果。因此，探究激光弯曲含镀层硅片的成形机理对光电对抗有着重要的指导意义。 随着集成电路及无线电元器件小型化、片状化、组合化的发展，含镀层材料的需要 剧增。现在已经形成包括导电、电极、电阻、电位器及介质浆料的包封材料的系列产品。 混合集成电路( 其中约8 0 是厚膜集成电路) 广泛用于电子计算机、传真、电视、录像、 电影、无线电等部门。尽管电子学在化合物半导体和其它新材料方面的研究及在某些领 域的应用取得了很大进展，但还远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技术发展至 今，全世界数以万亿美元计的设备和科技投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。 随着集成电路技术的发展，使整机、电路与元件、器件之间的明确界限被突跛。器件问 题、电路问题和整机系统问题已经结合在一起，体现在一小块硅片上，其主要特征是器 件和电路的微小型化。随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关 键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，主要原因之一是：传统器件结构也已 无法满足应用的需求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技 术。激光弯曲含镀层硅片是一个有待重点发展的领域。 1 2 硬脆性材料激光弯曲研究进展 1 2 1 试验研究进展 在工业上越来越重要的硬脆性材料加工方面，用传统机械加工方法，历来是很困难 的事情，尤其是硬脆性材料的精密n t 。为了解决这一难题，人们研究了各种方法，但 大连理工大学硕士研究生学位论文 它们存在各种各样的局限性。硬脆性材料由于其硬度很高，而且脆，所以用传统的加工 方法非常困难。激光加工是把激光照射在材料表面上，材料吸收激光的部分便产生热， 利用热进行加工。这种加工方法与材料的硬度等机械性能无关，因而对于一切吸收激光 的材料都可进行加工。 1 9 9 9 年德国学者e g 荟r 缸1 e 产啦l 】等人首次将激光弯曲应用到硅片的三维成形，并率 先实现了硅片常温条件下的无接触塑性弯曲。他们将经过湿法刻蚀的硅悬梁一端固定， 然后调整脉冲激光参数，经过多次尝试，扫描最终实现了硅片弯曲( 厚度5 0 p m ) ，但弯 曲件存在轻微扭曲现象，而且弯曲部分的材料性能受到很大影响。此后，e g l t r t n e r 等人 还对连续激光与脉冲激光弯曲过程中的各种激光参数的影响进行了初步的分析，并模拟 了连续激光弯曲过程中的温度场变化，初步判定了硅片塑性点出现的时刻。另外美国学 者x r i c h a r dz h a n g e 2 2 , 2 3 】等人借助小功率激光器，分别实现了连续与脉冲两种模式下硅 片，玻璃、陶瓷的g r a d 级弯曲，弯曲厚度达3 0 0 p m ，角度最大为1 1 2 9 r a d 。同时对部分 光脉冲作用过程中的温度场与应力应变的变化进行了模拟与分析。 到目前为止，对于激光弯曲脆性材料的相关报道，仅仅有德国、美国和本课题组发 表的论文。本课题组前期工作主要研究薄硅片( 厚度1 0 0 w n ) 的弯曲工艺及模拟分析 【2 4 2 7 】，利用n d ：y a g 脉冲激光，选取激光脉冲频率和脉冲宽度作为激光可调整参数研究 了硅片弯曲角度与激光参数之间的关系。同时研究了弯曲角度与扫描次数、样品宽度以 及脉冲占空比的关系。利用光学显微镜，扫描电镜以及x 射线晶面定向仪对弯曲成形后 样品进行了表面形貌的检测与分析。 1 2 2 数值模拟进展 激光弯曲是一个温度场与形变场相互影响相互作用的过程，属于复杂的热力耦合问 题。建立数学模型时，为了与实际情况相吻合，采用三维非线性热力耦合模型。由于材 料的热物理性能( 热导率、热膨胀系数、比热容) 与温度有关，分析中考虑了材料性能 与温度的函数关系。在大多数模型中，都考虑了板材表面与周围环境存在的对流，而辐 射换热则视情况而定。另外，热载荷以热流密度的形式，通过用户子程序施加到相应单 元表面，来描述动态热源。 目前对激光弯曲成形的数值模拟比较成熟的有以下三种：一是有限元法。利用有限 元法实现激光弯曲成形过程的数值模拟，既能够具体形象的表示出成形过程中温度、应 力、位移等变化情况，从而揭示其成形机理及规律，又能通过数值模拟并结合一定的工 艺实验优化成形工艺参数，为生产提供最佳的工艺参数组合。二是人工神经网络算法。 解算效率较有限元法大大提高，而且运算效率不像有限元程序那样与板料的几何尺寸有 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲实验研究 关，更适合于解算大板料的优化问题。三是遗传算法。将板料激光弯曲成形分为粗加 工及精加工阶段，针对不同加工阶段提出了不同的优化目标，利用遗传优化算法，以动 态显式有限元为成形角度解算器，对激光成形的工艺参数进行了优化设计，为激光多次 扫描弯曲成形制定了快速、精确的成形工艺。 连续激光模型是把激光看成是一种连续稳定移动的热源。在u l 6 s c h n e r ， h 。e x n e r t 2 8 刀j 的文章中，已经阐述了连续激光弯曲硅片的模型以及机理。其中提到最重 要的机理就是温度梯度机理( t g m ) 和屈曲机理( b m ) ，并且在简单的几何模型下( 即 温度与材料的特性、光源的移动没有依赖关系) ，已建立分析模型；文献中还指出，硅 片的弯曲过程在温度超过9 2 0 k 时，硅片具有良好塑性，其弯曲过程与传统非脆性材料 很相似。另外u 1 2 5 s c l m e r ，h e x n e r 等人分别对硅的上下表面取点进行了温度跟踪计算 与分析 3 0 3 1 1 。 x r i c h a r dz h a l l g 3 2 侧等人也利用建立的模型进行了模拟计算，并把得到的结果和实 验结果进行了对比。但仅用于计算薄板不锈钢的温度和应力应变分布，并未使用到脆性 材料的计算当中。本课题组前期工作对尺寸为1 0 m m x 2 m m x1 0 0 1 m a 的硅片的弯曲过程 进行单因素模拟，分析温度变化规律，分别针对弯曲过程中的单脉冲能量、光斑半径、 扫描速度、脉冲频率进行温度场模拟，但是模拟只限制在厚度为1 0 0 1 m a 的硅片。 1 3 现存的主要问题 综上所述，国内外学者利用激光作为热源对硅片热应力成形技术进行了理论、实验 和数值仿真研究，并取得了较大的进展。但是，硅片激光弯曲成形是非常复杂的瞬态热 弹塑性变形过程，涉及传热学、弹塑性力学、材料科学和计算数学等多学科，加热过程 中板材内部温度随时间和空间变化剧烈，热物性参数随温度不断变化，应力和应变关系 呈现高度的非线性，使得温度场和变形场非常复杂。硅片类型、加热条件、硅片几何尺 寸、冷却方式以及支撑条件等都会对结果产生影响。再加上激光弯曲成形的研究工作起 步较晚，许多方面还不被人们所了解与认识。因此，对其规律的认识只能是一个逐步深 入的过程，目前的研究工作尚存在较大的不足，需在以下几个方面进行进一步深入研究。 激光热应力成形规律的可扩展性研究。如果采用传统的外力成形会导致材料破坏； 若采用化学刻蚀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，减少污染。影响硅片热成形的因素很多，主要有：激光能量、扫描次数、扫描速 度、硅片的几何尺寸等。并且在实际的工业应用中，许多成形件是单件或小批量生产， 大连理工大学硕士研究生学位论文 为了确定工艺参数，需要对每一种产品进行试验或仿真研究，导致难于实现快速响应制 造。因此，需要通过实验与仿真对热应力成形规律的可扩展性进行研究。 成形质量的可控性研究。硅片的抛光、化学清洗、热处理等工艺已普遍使用原子力 显微镜( a f m ) 在线测量硅片表面微粗糙度，同时还研究了硅片表面微区变化与器件性 能间的关系。激光弯曲成形硅片技术虽然可以通过c c d 实现在线监控，但监控技术还 不够全面成熟，因此为了提高工件的成形精度，需要探究硅片尺寸、工艺参数、扫描路 径、扫描间距和扫描方向对成形精度的影响规律，基于给定工件尺寸实现工艺参数、扫 描路径、扫描间距和方向优化；硅片的微观组织、机械性能和电学性能是成形时必须要 考虑的因素，为了准确预测成形结果，需要对热应力成形过程中微观结构的材料属性的 变化规律进行深入的研究，建立不同工艺参数选择规范，确保热成形后的材料的各种性 能。 硅片厚度的挑战。随着市场对不同厚度硅片的需求变化，仅仅对薄硅片的弯曲加工 是远远不够的，需要对厚硅片进行弯曲成形。硅片越厚，越不容易产生变形；厚硅片硬 度高，不易发生碎裂现象，同时也为弯曲成形增加了难度。这意味着必须加强计算机模 拟工作，减少实验次数，以寻求不同厚度硅片弯曲对应的加工工艺。 电学性能的检测。器件性能与可靠性的迅速提高，要求硅单晶材料具有低的缺陷浓 度、优良的电学均匀性和稳定性。由于硅的电学特性直接决定其器件应用，越来越引起 人们的关注。在热电测量中，电阻率是个很重要的物理量。前人对平面硅片的电学性能 进行了相当多的研究，并取得了一定的成果p 弼引。然而经过激光作用弯曲后硅片电学性 能的变化却很少被关注。弯曲硅片电学性能的变化将对其在微电子器件中的应用以及对 整体器件的电学性能产生影响。 含镀层硅材料的弯曲成形。含镀层硅材料的均匀性、完整性及表面质量将成为决定 新一代i c 性能、成品率和可靠性的重要因素。任何一种半导体材料要能用来制造实用化 的器件，都必须首先解决能做出低阻、可靠、经受得住一定范围温度变化的欧姆接触的 问题。金属半导体的欧姆接触( 含镀层的研究) ，不论是对半导体器件性能还是对半 导体物理特性的研究都是极其重要的。由于相应的温度变化都会使薄层内部的应力发生 变化，从而形成空洞、裂纹或脱落，引起集成电路结构的形变及互连导线短路或开路， 造成器件失效。 但是，目前弯曲硅片的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里，硅片成形的 研究工作将主要是表面含镀层硅片的弯曲成形，提高硅片成形质量和电学性能的稳定性 以及成形硅片的强度等问题。在不久的将来，弯曲硅片会给人们的生活带来巨大的变化， 它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。激光弯曲硅片技术的引入使得硅微机 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲实验研究 械传感器系统的构成更加灵活、智能化功能更加强大、集成化程度更高。所有这一切技 术保证了由微机械传感器向微光机电系统发展的技术可能性。 1 4 本文的研究目标及内容 本课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金( n o 2 0 0 7 0 1 4 1 0 0 2 ) 和辽宁省自然科 学基金( n o 2 0 0 6 2 1 7 8 ) 项目。本课题主要针对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 梁等的需求而设立，主要研究内容如下： ( 1 ) 利用j k 7 0 1 h 型n d ：y a g 固体脉冲激光器对硅片( 厚度l o o g m 、2 0 0 9 i n 、3 0 0 9 m ) 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a n s y s 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1 0 0 1 a m ) 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，讨论激光弯曲过程对硅片的影响，主要分析对单晶硅电 学性能方面的影响。 ( 4 ) 利用有限元a n s y s 软件对表面有铂镀层的厚度为1 0 0 m m 的硅片进行温度场应力 应变场模拟分析，针对模拟结果，进行验证性试验。 大连理工大学颤士研究生学位论文 2 不同厚度硅片激光弯曲试验 21 试验条件 211 试验样品制备 硅在元素周期表中属于族元素，原子序数为1 4 ，原子量为2 8 。纯净硅材料原子 密度为50 0 1 0 m 3 ，熔点为1 7 0 0 k ，沸点为2 6 5 0 k ，具有灰色金属光泽，属于脆性材 料。在温度超过7 9 0 k 时，硅片开始从脆性向塑性转化；而当温度超过9 2 0 k 时，硅材 料将体现出良好的塑性，硅材料的光吸收处于红外波段。 本试验所采用n 型单晶硅片，厚度为1 0 0 k u n 、2 0 0 p r o 、3 0 0 9 i n ，单面抛光，在8 英 寸硅片上切割得到，样品尺寸为2 0 m m 5 r m n ( 如图2l 所示) 。 迄0 图2 i 硅片原始样品 f i g 21s i l i c o ns a m p l e s 21 2 激光加工设备殛数控系统 目前市场上用于切割、焊接等的常规激光加工机( 如准分子、c 0 2 、n d ：y a g 激光 器) 均可用于激光成形。下面从对激光加工效果影响的角度介绍激光输出参数：激光模 式和激光输出功率。 ( 1 ) 激光模式激光模式表征光波场振幅( 或能量) 的空间分布。激光横模代表了激 光束光场的横向分布规律，激光纵模与激光在光腔内纵向分布规律对应，主要影响激光 的频率，二者均会影响激光加工效果。激光纵模决定了激光波长和激光频率。激光, 0 n i 中所使用的激光波长的大小对激光加工有很强的影响1 3 9 4 ”。首先，材料的反射系数和所 吸收的能量份额取决于激光波长，激光波长越短，则金属材料的反射系数越小，所吸收 的光能就越多。激光横模决定激光光波场在空问的展开程度，高阶模的展开比较宽，低 不同厚度及铂镀层硅片激光弯曲实验研究 阶模能量比较集中。但是从空间内能量的均匀性上来讲，高阶模能量分布较为均匀。低 阶模的激光束功率密度高，可提高扫描速度易于形成大的温度梯度，园此低阶模更利 于激光弯曲成形。 ( 2 ) 激光输出功率工件表面某点吸收能量的多少由激光输出功率和激光辐照时间 共同决定，对于脉冲激光，激光辐照时间由脉宽和激光扫描速度共同决定，激光功率越 大，则工件所能吸收的能量值越高，材料所能达到的温度就越高。控制激光功率和激光 辐照时间就可以实现不同激光加工方法和不同加工效果。 根据激光器输出参数特点，准分子激光器主要利用光子的能量直接打断材料结合的 化学键，属于“冷加工”，而c 0 2 激光器输出1 06 , a m 波长的红外光处于硅的透光波段 12 1 5 9 m 范围内，硅片的激光弯曲成形属于热加工范畴，因此试验选用英国 g s i l u m o n i c s 公司生产的j k 7 0 i h 型n d ：y a g 固体脉冲激光器( 如图22 所示) ，模 式可调，性能可靠，焊接模式下能量均匀，其输出波长为1 0 6 9 i n ，适合硅片的弯曲成 形。l d l 切割模式输出功率为0 1 5 0 w 连续可调，l d 2 切割模式输出功率为0 1 8 0 w 连续可调，同时脉冲宽度为0 3 2 m s ，频率范围为2 0 4 0 h z ；焊接模式输出功率为0 - - 6 5 0 w 连续可调，脉冲宽度为05 2 0 m s ，频率范围为02 5 0 0 h z 。x 、y 、z 、c 轴四 轴联动，x 轴行程5 0 0 m m ，y 轴行程4 0 0 r a m ，z 轴行程3 0 0 n u n ，定位精度 00 3 n u n ， 重复定位精度1 0 0 0 3 m m ，0 级精度大理石工作台。试验中主要采用焊接模式。 数控系统为f a n u c 数控系统( 如图2 3 所示) ，控制精度为00 0 1 m m ，程序按照 国际g 代码标准执行。 图2 2 激光加工系统照片 f i g2 2 i m a g eo f l a s e r p r o c e s s i n gs y s t e m 冈 图2 3 数控系统照片 f i g23 i m a g eo f n cs y s t e m 萄罱謦耍