近红外激光辐照致硅热应力损伤机理研究

发布时间：2020-06-06 01:10

【摘要】：激光与材料相互作用机理的研究是激光加热、激光表面修饰、激光打孔等激光应用领域的重要基础理论问题。本文采用理论、数值模拟和实验方法研究了近红外激光辐照下硅的热应力损伤。建立了激光辐照致(001)单晶硅表面滑移的模型,通过分析不同滑移系的广义层错能和回复力,发现滑移不但可以在传统的{111}面上发生,还可能在{110}面上发生;进而提出这种反常的{110}面滑移是一种表面现象,仅发生在表面下几个原子层内。通过改变硅的掺杂浓度和激光参数,调整了激光加热深度,从而实验验证了该反常滑移现象。利用毫秒激光对硅片打孔时,发现孔质量低的主要原因是材料滑移先于熔融发生,因而建立了激光加热(001)单晶硅的三维有限元模型,数值计算了硅片发生熔融前12个滑移系的剪应力分布和应变分布;并结合Alexander and Haasen(AH)理论定量得到了滑移和熔融的竞争关系。发现激光功率密度低于lMW/ccm2,硅片先滑移再熔融;激光功率密度高于lMW/cm2,硅片直接熔融。进而提出:无滑移加工的必要条件是激光功率密度大于lMW/cm2。使用高速摄像机获得了毫秒激光烧蚀硅片的实时过程,发现应力损伤有两个阶段:第一阶段发生在激光作用期间,硅片在熔融前就已经发生了塑性变形;第二阶段发生在激光辐照结束后,且又可细分为塑性变形和断裂两个子阶段。单独使用毫秒激光时因其功率密度低导致了第一阶段的应力损伤,而过量熔融液体导致了第二阶段的应力损伤,使用序列脉冲激光应可避免这类问题。研究了序列脉冲激光辐照下硅的温升和断裂现象:使用高速红外点温仪实时记录了中心点的温升过程,分析了激光重复频率和占空比对加热过程的影响,发现:1)相对连续激光而言,重频激光频率低于100Hz,硅到达熔融所需的时间变短:频率高于1 kHz,所需时间变长;2)激光重复频率不变、占空比越低,硅到达熔融所需时间越长。针对特定激光参数下硅片碎裂现象的产生机理进行了初步实验研究,得到了重复频率为1 kHz的序列脉冲激光易导致硅片在激光脉冲间隔内发生断裂的结论。本文的研究结果可加深理解激光与硅材料相互作用时热应力产生与发展过程的认识,也能为激光辐照硅过程中的温升、热应力和烧蚀等进行分析和讨论提供理论和实验依据,从而提高激光加工硅材料的应用效率及加工精度。
【图文】：

逦Ｈｉｇｈ邋Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ邋＂逡逑图１．１邋２Ｄ与３Ｄ集成电路对比图逡逑ＴＳＶ技术是高端储存器的首选互连方法。图１．２为三星公司全球首款采用３Ｄ邋ＴＳＶ逡逑封装技术打造的ＤＤＲ４内存条，单条容量高达６４ＧＢ。该内存采用三星先进的２０邋ｎｍ和逡逑３Ｄ邋ＴＳＶ邋ｖｉａ－ｍｉｄｄｌｅ封装工艺，所采用的ＴＳＶ技术可以使硅晶圆或芯片进行垂直互连，逡逑将多个芯片堆叠起来可提升容量和性能。采用ＴＳＶ封装技术的内存模块，相较于引线逡逑键合，速度最高提升一倍，并且能耗也降低约一半。逡逑图１．２激光通孔技术用于制造ＤＤＲ４内存条逡逑激光可以用于硅片表面微结构的制作阳１。“黑硅”是表面具有准规则排列的亚微米逡逑量级锥形结构的硅材料，被誉为２１世纪“革命性的新材料”，这种材料最大的特点就是逡逑在从紫外到可见，再到红外的超宽光谱区域都有超高效率的吸收，表面反射几乎为零。逡逑它可以作为完美的抗反射膜用于太阳能采集技术中。早期的黑硅是利用反应离子刻蚀方逡逑法制作的，其对红外光的吸收率不如后来发展的用激光制作的黑硅（见图］．３和图］．４）。逡逑而且利用激光扫描制备黑硅可以直接嵌入器件制造过程中

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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

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本文编号：2698903