水射流辅助激光复合刻蚀晶体硅的试验研究

发布时间：2017-09-09 04:05

  本文关键词：水射流辅助激光复合刻蚀晶体硅的试验研究

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【摘要】：水射流辅助激光复合刻蚀方法以激光的热去除能力为主要加工方式,利用水射流的冷却作用降低热应力梯度,减少硬脆性材料崩裂缺陷,同时低压射流产生的冲击作用可以及时将复合加工导致的熔渣排除,提高加工质量,并间接提高加工效率,但复合刻蚀方法中所涉及的工艺参数众多,而且参数之间存在一定的关联性,为了能够更好的发挥这一复合刻蚀方法的优越性,仍需对相关领域进行更深的研究。本文采用水射流辅助激光复合加工方法对多晶硅进行刻蚀加工,以研究水射流在复合刻蚀过程中起到的作用为目的,并结合激光工艺参数总结一套最佳的工艺方案,具体做了以下工作:(1)复合刻蚀方法中水射流工艺参数对刻蚀结果影响的研究。分析水射流速度对刻蚀槽体表面形貌、槽体深度影响,结果表明水射流的引入可以有效改善复合刻蚀质量,并且水速越高,改善作用越明显,相比激光直接刻蚀多晶硅,复合刻蚀方法对裂纹、重铸层等缺陷的改善作用明显。研究水射流速度对槽体深度影响规律,结果表明水射流冲击、冷却作用随水速变化所占的主导作用不同导致槽体深度出现先降后升的规律。另外研究静态水情况下的刻蚀结果,发现刻蚀产生的裂纹、熔渣缺陷较多,刻蚀产生槽体深度也不如激光直接刻蚀和较高射流速度下复合刻蚀产生的槽体深度。研究水射流速度及入射角度对刻蚀槽体入口宽度影响,发现较高速度的水射流可以提高槽体的入口宽度,并且大角度入射水射流形成的槽体入口宽度更窄。(2)研究激光工艺参数对复合刻蚀结果的影响。分析了激光脉宽及重复频率对复合刻蚀槽体深度和截面形状影响,结果表明在一定范围内激光脉宽及重复频率的增加可以提高刻蚀槽体深度,但由于激光器本身功率限制,过高的激光脉宽及重复频率,反而会使复合刻蚀的槽体深度降低,另外,脉宽较高时容易产生水滴形的截面形状,而频率参数变化则很少出现水滴形截面。研究激光脉宽和重复频率对复合刻蚀产生槽体的入口轮廓平整度影响,分析表明较高的脉宽可以减少槽体入口轮廓的平整度,而频率变化会导致入口轮廓的粗糙度值出现先高后低的趋势。(3)采用正交试验法总结了一套最佳的工艺方案。以激光脉宽、频率、输入电流和水射流速度为分析因子,以槽体深度、槽体截面锥度和槽体入口轮廓平整度为标准,采用正交实验法分析各项因子对相关标准的影响程度,对正交实验总结出的单项标准最佳工艺参数进行试验验证,最终分析得到一套工艺方案,使复合刻蚀质量和复合刻蚀效率都得到了保证。(4)建立复合刻蚀方法中水射流的冲击模型。分析水射流角度及速度对槽体截面形状的影响,并通过相关试验验证模拟的结果。采用光滑粒子流体动力学方法建立水射流冲击模型,对水射流在复合刻蚀过程中的冲击作用进行了详细分析,并以此研究不同水射流入射角和速度参数对槽体截面形状产生的影响,最终通过试验验证所建立模型的合理性,结果表明较高的水射流速度有利于改善槽体截面形状,并且小角度入射水射流容易形成V形截面,而大角度入射水射流易形成标准的U形截面,另外大角度入射水射流产生冲击力的利用率比小角度入射水射流的利用率高,而小角度入射的水射流对悬空在槽缝中熔渣的去除效果更好,这使得槽体宽度更大。试验的验证结果表明所建立模型的合理性,在一定程度上可以为复合刻蚀的研究工作提供便利。
【关键词】：水射流 复合加工 激光刻蚀 多晶硅 光滑粒子流体动力学
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG665;TQ127.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 引言13-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 晶体硅常见的刻蚀方法14-18
• 1.1.1 机械力刻蚀方法14
• 1.1.2 电子束刻蚀方法14-15
• 1.1.3 化学刻蚀方法15-16
• 1.1.4 激光刻蚀方法16-18
• 1.2 液体辅助激光复合刻蚀晶体硅技术现状18-22
• 1.2.1 液下激光复合刻蚀晶体硅方法18-20
• 1.2.2 液束引导激光复合刻蚀方法20-22
• 1.3 课题的主要研究内容22-23
• 第二章 水射流辅助激光复合刻蚀机理与试验结果的评定方法23-28
• 2.1 水射流辅助激光复合刻蚀过程分析23-26
• 2.1.1 激光烧蚀过程分析23-24
• 2.1.2 复合刻蚀方法中水射流冲击作用过程分析24-25
• 2.1.3 复合刻蚀方法中水射流冷却作用过程分析25-26
• 2.2 试验结果的评定方法26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 水射流工艺对复合刻蚀结果影响的试验研究28-37
• 3.1 试验设备及方法28-30
• 3.2 水射流对复合刻蚀槽体形貌影响的研究30-33
• 3.3 水射流对激光复合刻蚀晶体硅槽体深度影响的研究33-34
• 3.4 水射流对复合刻蚀槽体入.宽度影响的研究34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第四章 激光工艺参数对复合刻蚀结果的影响及工艺优化37-48
• 4.1 激光工艺参数对复合刻蚀结果影响的研究37-42
• 4.1.1 试验方法37
• 4.1.2 激光参数对刻蚀槽体深度及截面形状影响的研究37-40
• 4.1.3 激光参数对刻蚀槽体表面切.边缘粗糙度影响的研究40-42
• 4.2 参数优化及其试验验证42-47
• 4.2.1 相关研究对象的选取42
• 4.2.2 试验设计方法42-44
• 4.2.3 数据统计及方差分析44-45
• 4.2.4 验证试验及最佳工艺方案设计45-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 复合刻蚀方法中水射流冲击过程模拟及相关试验验证48-58
• 5.1 基于ABAQUS的水射流冲击模拟48-54
• 5.1.1 ABAQUS软件介绍48-49
• 5.1.2 光滑粒子流体动力学方法49
• 5.1.3 基于abaqus软件建立水射流冲击模型49-52
• 5.1.4 模拟结果与分析52-54
• 5.2 模拟试验验证54-57
• 5.2.1 试验方案设计54-55
• 5.2.2 试验结果及对比分析55-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 工作总结58-59
• 6.2 未来展望59-60
• 参考文献60-65
• 附录A 换热系数与射流速度关系65-66
• 致谢66-67
• 作者简介及读研期间主要科研成果67

【参考文献】

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2 李f晖;赵建社;袁立新;张华;徐家文;;绿色激光水下加工特性的基础研究[J];机械制造与自动化;2010年04期

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 叶瑞芳;新型水射流导引激光加工系统光学特性与关键技术研究[D];厦门大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：818184