（机械电子工程专业论文）薄硅片材料的激光弯曲试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 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，对激光弯曲的 脆性材料的需求也不断增加。在m e m s 领域中不仅需要平面硅片，也需要s i 梁、s i 桥 和探针臂等结构件、执行机构件、弹性功能件等不定形硅片；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。而传 统的加工方法主要采用接触式机械附加外力弯曲和选择性刻蚀的方法。外力弯曲方法弯 曲时需要辅助外力，同时对环境温度要求较高，不利于控制且容易引起脆性材料的破坏； 而选择性刻蚀不仅对材料是一种浪费，同时刻蚀过程中所使用的化学试剂对环境也有一 定程度的污染。本文利用固体脉冲激光对薄硅片材料进行了弯曲试验研究，具体工作如 下： ( 1 ) 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来 研究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。 ( 2 ) 对弯曲样品进行了光学显微镜，扫描电镜以及x 射线晶面定向的检测。检测 结果表明硅片表面存在三种不同形貌区域，即主作用区域，过渡区域和边缘区域。并给 出了各个区域的形貌以及相态特征。 ( 3 ) 结合试验结果以及检测数据，采用a 1 1 s y s 热分析模块对扫描过程温度场进行 了仿真计算。计算结果说明扫描过程在同一位置会形成多次斜率较大的温度震荡，在温 度较低的条件下容易引起硅片损坏，t 1 3 m 和b m 同时存在。 ( 4 ) 根据硅片材料的特点，引入位错理论对弯曲过程进行分析。激光弯曲过程中 硅片产生的位错、层错现象，主要表现为滑移线和堆垛层错，其中滑移线的产生是由于 位错的堆积，而堆垛层错则是位错叠加产生的结果。同时温度的变化，会引起位错矢量、 位错密度和位错速率的变化，从而影响到塑性变形率，最终影响塑性变形过程。 对薄硅片材料实现了最大弯曲角度达到3 0 。的激光弯曲，并初步分析了脆性材料的 弯曲机理，为激光弯曲脆性材料在m e m s 等领域的应用提供了理论基础和工艺储备。 关键词：激光弯曲；硅片；拉曼光谱；a n s y s ；位错 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 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 g o f t h i ns i l i c o nc h i p a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri n d u s ( r ya n dm e m s ，t h en o n - f i a ts i l i c o n - g i r d e r a n ds i l i c o n - c a n t i l e v e rh a v e b e e nd e m a n d e d , m e a n w h i l em a n ym i c r o - p r o c e s sa l s on e e d c o r 、，i i l gb r i t t l em a t e 削s ( s u c h c 脚 a m i ca n dg l a 跖) s oa st of a b r i c a t em i c r o - a c t u a t o ra n d m i c r o - s e n s o re r e b l i tt h ec o n v e n t i o n a lp r o c , 器sw i t he x t e r n a lf o r c e ，h i g h e rt e m p e r a t u r e c o n d i t i o nd u r i n gp r o c e s sa n dc o n t a c t e dl o a d si se a s yi n d u c i n gt h eb r o k e no fb r i t t l em a t e r i a l s a sw e l la sn o te a s i l ya p p l i e di nl a b h o w e v e rc t c h i n gp r o c e s sn o to n l yw a s 【c st h em a t e r i a l , b u t t h ec h e m i c a lr e a g e n tu s e dw o u l da l s oc a t l s et h ee n v i r o n m e n t a lp o n 面o na c c o r d i n gt ot h e p r o b l e mr e f e r r a l , l a s e rb e n d i n gm c l ：h o do ft h i ns i l i c o ac h i pu s i n gp u l s en d ：y a gl a s e ri s c a r r i e do u t , t h ef o l l o w i n gw o r ki sd o n e ： ( 1 ) e ) 畔触o f s i l i c o nc h i pb e n d i n gw i t hm i l l i s e c o n dp u l s ew i d t hn d ：y a gl a s e ri s d o n e t h ee n e r g yt h r e s h o l do fs i l i c o nb e n d i n gi sg l v e 几m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c eo fp u l s e f r e q u e n c ya n dp u l s ew i d t ho nt h eb e n d i n ga n g l eu s i n gt h en d ：y a gl o n gp u l s el a s e ri sm a i n l y i n v e s t i g a t e d 1 1 壕p u l s ed u t yc y c l ei su s e dt op r e s e n tt h ei n f l u e n c eo ft h ee n e r g y st i m e d i s t r i b u t i o no ne f f e c to fb e n d i n g i na d d i t i o n , t h er e l a t i o n sb l 出舢埘m b e 稻o f 缸l n i n g w i d t ho fs a m p l ea n da n g l e s 勰s t u d i e d ( 2 ) b e n d i n gs i l i c o ns u r f a c ep r o p e r t i e ss u c h 勰t h em i c r o s t r u c t u r ea n dc r y s t a lp h a s e 矾 a n a l y z e d - t h cr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei r r a d i a t e ds u r f a c ew a sd i s t r i b u t e dt ot h r e e e g l o n s m c i u d i n ga m b i e n tr e g i o n , ( r a n s i t i o nr e g i o na n dm a i ni r r a d i a t e dr e g i o n e a c hr e g i o nc h a 矗c t e f i sa n a l y z e da n ds u m m e du p ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h eg i v e ns i n g l e - p u l s ee n e r g y ( o 0 4 j ) s c a n n i n gs p e e d o o o m m m i n ) a n dt h ed i m e n s i o no fs i l i c o n ( 2 0 m m x l o r a m 0 i m m ) c o n d i t i o n , t h et e m p e r a t u r es i m n l a t i o ni s a p p l i e dt oc a l c u l a t et h et e m p e r a t m ed i s t r i b u t i o n , a n dt h u st h ec h r r a c t e 稿o ft e m p e r a t u r ew e l e a n a l y z e & t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nd 锄n 蛐嗯：c et h a td u r i n gt h ep r o c e s so fs i l i c o nk m d i n g ， t e m p e r a t u r eg r a d i e n tm e c h a n i s m ( t o m ) a n db u c k l i n gm e c h a n i s m 旧a r cc oe x i s t e n t , a n d t h eb e n d i n gr e l i e s0 1 1a p p e a r a n c eo f b r i t t l e - d u c t i l et r a n s f o n n a 虹o nt e m p e r a t u r e ( 4 ) a i m e d 砒s l i pl i n ea n d 吼扯衄f a u l ti n d u c e do fs i l i c o ns u r f a c e ，t h ed i s l o c a t i o n t h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h er e a s o n so fc a u s i n gd i s l o c a t i o na n ds t a c k i n gf a u l td u r i n gt h e p r o c e s so f b e n d i n ga n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo nt h el a s e rb e n d i n g 1 1 1 ea n a l y z e dr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h es l i pl i n ei sc a l l s c db yt h ed i s l o c a t i o na c c u m u l a t i o n , a n dt h es t a c k i n gf a u l ti st h er e s u l t s o fp i l e dd i s l o c a t i o mm e a n w h i l ei n f l u e n c eo ft h ed i s l o c a t i o nd e n s i t ya n dd i s l o c a t i o nm o v i n g 删o n t h ep i o 船o fl a s e rb e n d i n gi sa n a l y z e d , t h ec h m l g i n gp r o c e s so fd i s l o c a t i o nd e n s i t y i i a n dt h ed e c e a s e dd i s l o c a t i o nm o v i n gs p e e da r cc o n s i d e r e dt oi n f l u e n c eo nt h ep h e n o m e n ao f i i 诅x - a r l g l ed e g r e e s t h ew o r ko ft h e s i sh a sa c c o m p l i s h e dt h em a x b e n d i n gb e e nl l pt 03 0d e g r e e s s ot h e r e s e a r c hw o r kc o u l dh e l pt oe s t a b l i s hf o u n d a t i o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n to i la p p l i c a t i o no f l a s e rb e n d i n gi nm e m sf i e l d k e yw o r d s ：l a s 盯s e n d i n g ：s i l i c o nc h i p ：r a m a ns p e c t r u m ：a i l s y s ；d i s l o c a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料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。 作者签名：多及 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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 弓7 戈 导师签名霪颦b 1绪论 1 1 激光弯曲技术简介 激光弯曲作为一种新兴成形技术，已经受到快速成形加工界的密切关注。它是一种 利用高能激光束扫描板材表面形成的非均匀温度场所导致的热应力来实现塑性变形的 工艺方法；依靠高能激光束对工件的不均匀加热，在变形区引起超过材料屈服强度的内 应力，使板料产生变形。具有无模具、无外力的非接触式依靠热应力的成形过程，同时 具有生产周期短，柔性大等特点。当激光束相对于板料的运动轨迹为直线时，便得到v 形弯曲件；当运动轨迹不重复或为非直线时，便得到复合弯曲的异形件。因此，激光弯 曲( l 瑚e r b e n d i n g ) 常常也被称为激光弯曲成形。激光弯曲技术不仅能够完成平板的弯 曲、卷曲、浅拉深等工艺，还可进行曲板的反弯曲、校平或卷板的开卷，以及方管或圆 管的弯曲、缩口、胀形等1 1 5 l 。 。 早在1 9 8 6 年，日本学者y n a m b a 就提出了利用激光弯曲技术。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i 卅引。但直到2 0 世纪9 0 年代激光弯曲成形 技术的研究才引起许多国家学者的关注。 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 形件激光弯曲、 柱面件激光成形、球面圆顶件激光成形和方管激光弯曲等。 v 形件激光弯曲【1 l ( 如图1 1 所示) 成形比较简单，让激光束与板料产生相对直线运 动，即可获得一定的弯曲角。沿同一扫描线进行数次相对运动，便可达到一定的变形量。 图1 1v 形件激光弯曲 f i gi iv - s t y l el a s e rb e n d i n g 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 柱面件激光成形【1 l ( 如图1 2 所示) 可以视为数次简单v 形弯曲变形的复合，此时扫 描轨迹为一系列相互平行的直线。夹持器沿扫描线的法线方向进给。若扫描线之间的距 离为p ，沿第一条扫描线进行激光扫描时，形成第一个弯曲角oi ，沿第n 条扫描线进 行扫描后，形成n 。；沿每条扫描线可以进行一次或数次激光扫描。当扫描线的间距以 及沿每条扫描线的弯曲角a 搭配合理时，可以形成比较好的柱面 图1 2 柱形激光弯曲 f i g1 2p i l l a r - s t y l el a s e rb e n d i n g 球面圆顶件激光成形( 如图1 3 所示) 具有多种工艺方法，但最常用的有两种方式： 一是扫描轨迹为一系列的同心圆；二是激光束从坯料中心沿径向向外扫描。实验研究表 明，第二种扫描方式，尤其是轨迹不等长的沿径向向外扫描方式，其变形过程更易控制， 且能得到表面质量更好的工件。 o ( a ) 沿同心圆扫描( b ) 沿正交垂线扫描( c ) 沿径向等长扫描( d ) 沿径向不等长扫描 图1 3 球面圆顶激光弯曲 f i g 1 3 s p h e r e - s t y l el a s e rb e n d i t i g 方管激光弯曲1 1 1 ( 如图1 4 所示) 是管件激光成形中比较典型的工艺，德国学者 a h u t t e r 在1 9 9 9 年公布了他在激光加工机上通过传感器达到闭环控制完成的零件及其 工艺过程。而y l a w r e n c ey a o ，则在2 0 0 0 年通过激光反向弯曲，形成了管形件，特别值 得注意的是y a o 在加工过程中，首次使激光束从板料内部开始向边缘处扫描。 一2 一 秘 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 方管激光弯曲 f 喀1 4 黜咖舀e s t y l el a s e rb c n d i i l g 现阶段虽然对于激光弯曲的研究已经比较广泛( 如图1 5 所示) ，但主要集中在金 属材料( 主要是传统工程材料) 、合金材料( 铝合金，钛合金等) 【3 5 7 9 1 3 l ：而对脆 性材料的涉及很少。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， 不仅仅停留在传统的金属材料、合金材料上，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。比如说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( 主要是玻璃材料) 等1 1 4 1 5 】。 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。所以激光弯曲脆性材料可以在将来的微制造领域有比较好的发展前景，可在未来更 好的发挥激光加工自身的优势，同时不仅可以带来工艺上的创新，也可以引领微制造领 域加工技术的进步。 图i 5 国外激光成形的车门 f i g1 5l a s e r b e n d i l l g a u l o m o b i l e d o o r 一3 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 1 2 脆性材料激光弯曲研究进展 到目前为止，对于激光弯曲脆性材料只有国外有过相关报道，而且集中在德国和美 国0 6 - 2 7 1 。其中德国u n i v e r s i t yo fa p p l i e ds c i e n c e s l a s e f i n s f i t u tm i t t e l s a c h s e ne v 的 u l 6 s c h n e r ，h e x n e r 等人在1 9 9 9 年就对硅片在高温情况下塑性变形的可行性进行过实 验研究，而且提出了采用激光弯曲技术可以对脆性材料进行弯曲的想法【1 6 - 1 7 1 ；接着在后 续文献中，他们利用连续y a g 激光器，对单晶硅进行了一系列的实验，分析了激光能 量、扫描次数、扫描速度、厚度等对弯曲角度的影响，也做了理论分析和数值模拟，并 且初步确定了硅片的弯曲机理和金属材料的弯曲机理的相似性1 1 w 1 1 。 另外美国p u r d u eu n i v e r s i t y 的x r i c h a r dz h a n g ，x i a n f a nx u 等人利用多种激光器， 采取连续和脉冲( 百纳秒量级) 两种激光模式，分别对陶瓷、玻璃、硅进行了实验对比 研究，对激光能量，扫描速度，扫描线距进行了初步实验分析，得到了每种材料不同的 特点，对加工激光器的选择提供了依据，另外也分别根据连续，脉冲激光的光斑特点， 初步建立了比较简单的有限元模型并进行了模拟 2 2 2 0 3 。但两国的学者所采用材料的厚度 都是不大于3 5 0 9 r a ，最薄的硅片甚至是0 6 1 a m ，另外产生弯曲现象的加工参数范围也比 较小，同时未对扫描区域进行检测。 接下来将按照激光器种类、激光加工参数、激光模式、理论模拟等方面逐一介绍目 前对脆性材料激光弯曲的进展。 1 2 1 加工激光器种类 现在由于常见脆性材料的特殊性质，能够加工脆性材料的激光器种类比较少，主要 集中在n d ：y a g n a 、c 0 2 、光纤激光器。现阶段采用n d ：y a g v a 主要用于加工硅 片。u l 6 s c h n e r ，h e x n e r 等人采用n d ：y a g ( 1 0 6 4 r i m ) 连续激光加工的硅片( 不大于 1 0 0 9 m 厚) ，完全可以达到大于1 5 。的弯曲角度；同时在文献中，也对硅片吸收不同波 长激光的吸收深度做了报划9 2 1 j ；而x r i c h a r d z h a n g ，x f a n x u 采用n d v a ( 1 0 6 4 r i m ) 脉冲激光( 百纳秒量级) 弯曲的硅片( 2 0 0 m ) ，产生的弯曲角度很小幽】。 另外x r i c h a r dz h a n g 和x i a l 3 f a nx u 发现弯曲玻璃( s i 0 2 ) 只能采用c 0 2 激光器 ( 1 0 6 t t m c w 激光) ，主要是由于玻璃对于1 0 6 t u n 左右波长激光的透射率比较高，激 光几乎不起作用，而弯曲角度也停留在微弧度。另外x r i c h a r dz 抽n g ，x i a n f a n x u 也采 用连续光纤激光器( 波长为1 1 0 p a n ) 对硅片进行了弯曲试验，与采用n d ：v a 脉冲激光 弯曲角度的差异不大1 2 3 - 2 6 1 。 目前除了u l 6 s c h n e r ，i - l e x n e r 等人已经达到了弯曲角度可以通过肉眼观察外， x r i c h a r d z h a n g ，x f 孤x u 所弯曲的角度很小，不能直接用肉眼观察，因此为了得到精 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 确的弯曲角度，他们采用了在线测量手段。利用小型h c - n e 激光器，f s d 等进行系统构 建( 在线测量设备如图1 6 所示) 【强刎 1 ) 土 暑- l ，- 1 ) l a s e r 2 ) s h u t t e r 3 ) p 0 1 蛹b e ，s p n n e r ，4 ) m i r r o r 5 ) b e a mc x p a a d c r 6 ) x - y s c a n n e r 7 ) s p e c i m e n 8 ) b e a r ns p l i t t e r 9 ) p s d 1 0 ) l “1 1 ) h e = n e i a 跚 图i 6 在线角度测量装置示意图 f i g1 6 s c h e m a t i oo f d e t 蛐咄s e t u po n l i n e 1 2 2 激光能量对弯曲角度的影响 无论是德国学者还是美国学者的实验，都表明在不严重损伤材料表明的条件下弯曲 角度是随着激光能量的增大而增大，而且关系近似于满足线性关系( 如图1 7 所示) 1 8 - 1 9 ， 2 3 创。 娥 刀i 一一 - _ l 4 - 一一 - _ ij - _“- ”“i 7 | j4“uu l - 山_ 础 ( a ) r e s u l t so f g e t m a n ys c h o l a r( b ) r e s u l t so f u ss c h o l 口 图1 7 激光能量参数与弯曲角度的关系 f i g1 7 r c l a 6 b e t w e e a l a s e r p o w e r a n d b e n d i n g a n g l e 一5 l-；vji，毒- 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 1 2 3 扫描次数对弯曲角度的影响 扫描次数的影响与传统的金属材料以及合金材料的变化趋势是一致的，随着扫描次 数的增加，弯曲角度也随着增加。前一次扫描所引起的增加角度总是比后一次扫描所引 起的扫描角度大。这在u l 6 s c b n 盯，h e x n e r 以及心c h a r dz h a n g ，x f mx u 的文章中 都得到了验证( 如图1 g 所示) 【m 钆2 圳。 卅 l _ h - ：3 ， ，q 出 矗 - 蝉i - r_ i l e，i l瑚 由l如- h h f - - ( a ) r e s u l 佃o f g 锄y s c h o k 盯 ( b ) r e s u l 乜o f u s 鲥d 觚 图1 8 扫描次数与弯曲角度的关系 f i g1 8r e 蜥叫b e t w e c l l 幽o f s c a n n j n ga n db e n 血g 锄画e 1 2 4 扫描速度对弯曲角度的影响 扫描速度的快慢直接影响了材料截面上形成的温度梯度的大小，如果扫描速度很快 则上表面的温度不够，形成不了足够的热应力，导致没有弯曲变形；如果扫描速度很小， 则会在截面上的温度梯度变化很小，使得没有弯曲现象。但是如果在可以产生弯曲变形 的前提下，速度越快，则弯曲角度越小，这在文献中都可以找到实验验证( 如图1 9 所 示) 1b 1 9 - 2 3 洲。 一6 一 言童v上-，it毫-jj暑i 大连理工大学硕士学位论文 _ - 峋( _ 呐 ( a ) r 嚣l l l 佛o f g e r m a n ys c h o l a r ( b ) r 秭u h so f u ss c h o l a r 图1 9 扫描速度与弯曲角度的关系 f i g1 9 r e l a 6 0 mb e 附锄i d g v d o c i t ya n dk a 恤喀a n g l e 1 2 5 扫描线间距对弯曲角度的影响 对于硅片而言，扫描间距有一个临界值即当每条线的距离为5 岬1 的时候，产生的 弯曲角度是最大的，可能是由于在这个线距的条件下热积累效应最有利于实现弯曲( 如 图1 1 0 ( a ) 所示) 。另外陶瓷的弯曲角度对于线距的增大不是特别敏感，只是在线距 在8 0 1 a n 以下的时候，弯曲角度才有所增加，而后来则几乎不变( 如图1 1 0 ( b ) 所示) 0 8 - 1 9 咎卅。 ( a ) r 吼d t so f g e r a m ys c h o l a r ( b ) r e s u l t so f u ss c h o l a r 图1 1 0 扫描线间距与弯曲角度的关系 f i g1 1 0 r e l a 6 0 mb c 拥，e d i 吼觚i c eo fs c a 衄i n gl j d c sa n db c 口曲培如g i e tr导工j量。暑 簿硅片材料的激光弯曲试验研究 1 2 6 激光模式对弯曲的影响 目前总结文献，采用弯曲脆性材料的激光器主要是连续激光和百纳秒的脉冲激光， 而且要求的输出功率比较小。对于硅片而言，要求连续激光输出功率不能大于5 w ，脉 冲激光不能超过9 w ；而陶瓷也不超过1 0 w 。而且文献中对陶瓷的实验表明脉冲激光产 生的弯曲角度明显小于连续激光产生的弯曲角度，但是脉冲激光对于表面的损害要比连 续激光小。在对硅片的弯曲实验中发现，连续激光更加容易使得硅片产生弯曲，可能与 硅自身的热物理性质以及脆性塑性转变条件有关1 8 。1 9 2 3 创。 1 2 7 数值模拟进展 连续激光模型都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 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制就是 温度梯度机制( 1 g m ) 和弯曲机制( 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：从文献中还可以看出，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，这样和传统非脆性材料的弯曲过程 很相似。另外u l 6 s c h n 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 2 0 - 2 1 1 。 x r i c h a r dz h a n g 等人提出虽然单脉冲会产生不均匀的应力应变分布，但实际上由于 每个脉冲的能量相同，而且脉冲点之间的距离很小，则沿着扫描方向的应力应变改变比 较小，只需要考虑那些应力应变在截面上没有变化的连续的脉冲，那么在扫描方向上的 应力应变变化就比较小。这样要求仅需计算在不改变应力应变的前提下某个时间段内脉 冲效果。然后把部分计算结果应用到所有的区域上。同时x r i c h a r dz h a n g 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口2 2 5 】。 1 3 本课题主要任务 本课题主要针对，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、特别是翘曲微型粱等的需求而设立的。 随着科学技术的发展，要求我们必须在传统的微厚度平面结构器件上进行进一步的 加工，由于脆性材料的厚度很薄( 小于2 0 0 p m ) 。如果采用传统的外力成型会导致材料 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 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 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。 根据现阶段脆性材料加工存在的问题，本课题主要完成以下任务： ( 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 1 ) m ) 进行弯曲试 验，结合自身设备特点，研究激光输出参数对弯曲角度的影响，得到长脉冲激光弯曲硅 片的特征规律。 ( 2 ) 采用先进的仪器对加工后的试样进行检测。主要进行非接触检测，包括s e m ， 拉曼光谱以及x 射线晶面定向，讨论激光弯曲过程对硅片的影响。主要分析对单晶硅晶 体结构方面的影响。 ( 3 ) 利用a n s ) ，s 建立热学仿真模型， 分布，同时比较多参数条件温度分布特点， 曲可行性预测依据。 计算在弯曲过程中不同条件下硅片的温度场 总结温度分布规律，得到基于温度分布的弯 ( 4 ) 同时根据检测过程中观察到的现象，有针对性地引入位错理论，对现象产生 的原因进行解释，为进一步理解硅片激光弯曲过程提供理论依据。 一9 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 2 薄硅片激光弯曲试验 2 1 试验条件 试验条件主要包括激光加工设备、冷却设备、在线观测设备、辅助气体设备、数控 设备、可提供样品材料等( 设备示意图见图2 1 ) 。 本试验主要对硅片进行弯曲加工试验，因此激光加工设备、数控系统以及样品材料 是保证试验进行的必需条件。 图2 1 试验设备示意图 f i g2 1 s c i 嘲m 址i co f e x p e r i m e n ts e t u p 2 1 1激光加工设备以及数控系统 激光弯曲试验采用英国g s i l u m o n i c s 公司生产的j k 7 0 1 h 型n d ：y a g 固体脉冲 激光器( 如图2 2 所示) ，输出波长为1 0 6 4 r i m ，l d i 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 i s o w 连续可调，同时脉冲宽度为o 3 2 m s ，频 率范围为2 0 4 0 i - i z ；焊接模式输出功率为0 6 5 0 w 连续可调，脉冲宽度为0 5 2 0 m s ， 频率范围为0 2 5 0 0 i - i 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 m m ，定位精度 0 0 3 m m ，重复定位精度士0 0 0 3 r a 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o 0 0 1 r a m ，程序按照 国际g 代码标准执行。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 激光加工系统照片 f i g2 2 1 l l a g eo f l a s e rp r o c e s s i n gs y s t e m 图2 3 数控系统照片 f i g2 3i m 2 9 co f n os y s t e m 2 1 2 硅片材料特点与制备 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5 0 0 x 1 0 = e 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，因此试验用激光器利于硅片的 加工。 本试验所采用n 型单晶硅片，1 0 0 1 m a 厚，单面抛光，扫描长度为1 0 m m ，在5 英寸 硅片上切割得到( 如图2 4 所示) 。 图2 4 硅片原始样品 f i g2 4 s i l i c o ns a m p l e 簿硅片材料的激光弯曲试验研究 2 2 试验方案制定 目前对激光弯曲加工的试验参数的研究比较广泛，激光器种类主要集中在纳秒、连 续激光上，同时对激光输出参数的研究主要包括功率密度，扫描次数，扫描线间距，扫 描速度等 2 2 1激光工艺参数的选择 由于本试验所采用的是毫秒量级激光加工设备，同时结合现阶段研究的激光输出参 数类型，比较不同激光器种类的特点( 如表2 1 所示) ，试验中选择脉冲宽度和激光频 率作为可调整激光输出参数来研究它们对弯曲角度的影响。 表2 1 激光器可控参数比较 t a b l e2 1 c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tl a s e rs e t u p 2 2 2 能量阈值的选择 由于硅材料对1 0 6 4 n m 波段光的穿透深度大约为6 0 1 a n ，其深度小于试件的厚度， 所以在激光扫描过程中可以认为硅片对激光能量只存在反射和吸收两种现象 2 7 - 3 0 。吸收 比与反射比的关系通过式( 2 1 ) 给出： 1 = p r + a ( 2 1 ) 其中p 为材料对激光的反射比，口为材料对激光的吸收比。由于硅材料的p r 随 温度的上升会产生变化，必然导致硅片对激光的吸收比口j 也相应发生改变，在此设定 在室温时的p r 作为标准，考虑温度升高导致p 的变化，同时忽略表面质量和环境对反 射比的影响，暂不考虑实际光斑的分布形势，认为能量为均匀分布。取平均p f o 1 ，故 吸收比口j = 0 9 。确定吸收比后，通过式( 2 2 ) 可以计算能量密度： 一4d 扛口孝 2 2 ) 其中，为能量密度，p 为单脉冲激光能量，d 为激光光斑直径。 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 试验中能量阈值的确定并不涉及到脉冲宽度，故脉冲宽度可以任意确定。本试验确 定在2 m s 的条件下寻找阈值，因为设备在此脉宽条件下激光能量输出较为稳定。通过单 脉冲连续作用对硅片表面的损伤程度来确定阈值。当单脉冲能量为0 1 j ，光斑直径为 0 7 5 m m 时，能量密度为0 2 3 j r a m 2 。硅片表面有明显熔融现象，而且表面有黑色氧化层； 当单脉冲能量为0 0 5 j ，光斑直径为l m m 时，能量密度为0 0 5 7 j 衄2 ，硅片表面有轻微 熔融现象；当单脉冲能量为o 0 4 j ，光斑直径为i m m 时，能量密度为0 0 4 6 j m m 2 ，硅片 表面熔融现象并不明显；当单脉冲能量为0 0 2 j ，光斑直径为i m m 时，能量密度为o 0 3 5 j ， n i i n 2 ，硅片表面几乎没有变化。根据硅片表面的变化情况，把能量密度阈值确定为o 0 5 j r t l m 2 。在后续试验中选择单脉冲能量为0 0 4 j ，光斑尺寸为i m m ，此时离焦量为+ 1 6 5 m m 。 2 2 3 弯曲角度的测量 由于弯曲角度比较明显，因此采用离线计算方法，如图2 5 所示。利用式( 2 3 ) ， 即可得到弯曲角度大小。 口= a r c t a n r 6 a ) l z j ， a 图2 5 角度测量示意图 f i g2 5 s c h e m a t i co f b e n d i n ga n g l em e a s u r e 2 3 激光加工参数对弯曲角度的影响 b 2 3 1脉冲宽度对弯曲角度的影响 图2 6 所示为激光脉宽与弯曲角度对应关系曲线。由图可见，弯曲角度的大小在脉 冲宽度大于2 m s 时随着脉冲宽度的增大而减小，并伴有硅片不同程度的损坏。脉宽越大， 硅片的损坏越明显。试验中脉冲频率固定在3 0 h z ，扫描速度为1 0 0 m m m i n ，脉冲宽度 分别选取1 5 m s 、2 m s 、2 5 m s 、3 m s 、4 m s 。结果发现在脉宽1 5 m s 的条件下，硅片并没 有发生明显的弯曲现象，只能看到表面有轻微的扫描痕迹。在脉宽为2 m s 条件下，虽然 表面存在一定的扫描痕迹，但并没有损坏现象，产生的最大弯曲角度达到2 7 0 ，弯曲面 较圆滑，背面无明显变化p 伽。脉宽为2 5 m s 时，表面存在很明显的扫描痕迹，硅片已经 部分破坏。3 m s 条件下，表面发生了很明显的熔损，大部分已经破坏。4 m s 的熔损现象 薄硅片材料的激光弯曲试验研究 更加明显。试验现象表明：在单脉冲能量、频率、扫描速度等参数条件不变的情况下， 脉冲宽度对弯曲现象的影响比较明显。存在一个最佳的脉冲宽度适合硅片的弯曲加工。 脉宽较大时，在硅片表面的热积累效应容易导致硅片熔化损坏；脉宽较小时，无明显弯 曲现象产生。 由于功率密度与脉冲宽度有一定的函数关系，故脉冲宽度对弯曲角度的影响也可间 接表示脉冲功率密度对弯曲角度的影响。 尉r _ - 哪n j n h p _ c y ：m z 53 - h 图2 6 脉冲宽度与弯曲角度的关系 f i g2 6 r e l a t i o nb e “v 啪b e n d i n g + i n g l ea n dp u l s ew i d d l 2 3 2 频率对弯曲角度的影响 图2 7 所示为硅片弯曲角随脉冲频率变化的关系曲线。试验发现，实现硅片弯曲存 在一个合适的激光频率调节范围。如果脉冲的频率过高，会产生严重的熔损现象：相反， 如果频率过低，则会产生崩裂现象。这主要是由于脉冲频率的高低直接影响了光斑重叠 度，也就是两个相邻光斑重叠部分发生了变化，因此导致了辐照区域得到热量不同，从 而对硅片产生了不同影响。脉冲频率过高，使得重叠率过大，在单位面积上的热积累效 应持续时间变长，导致硅片更容易出现熔损现象。相反，脉冲频率过低，使得重叠率变 小甚至无重叠，则在单位面积上的热效应不足以使得硅片实现塑性变形的温度条件，导 致在局部产生脆性崩裂【3 0 】。同时频率的改变也会影响相邻脉冲之间的冷却时间大小。 由于重叠度与频率和速度有关，因此改变频率实现的弯曲角度变化，也可以通过改 变扫描速度来实现，即脉冲频率与弯曲角度的关系在一定条件下可以转换成扫描速度与 大连理工大学硕士学位论文 弯曲角度的关系。即扫描速度越慢，对硅片的损伤程度越明显，同时弯曲角度也相应的 减小。 ； jl 唧w w j ：0 , 0 4 j r l b _ ：a | 晴1 1 n ,v ： “_ _ 岫 一 l |i | 1 _ _ - t 帅 图2 7 脉冲频率与弯曲角度的关系 f i g2 7 r e l a t i o nb e 协嚼mb c n d i o ga n g l ea n dp u