【摘要】：激光與材料相互作用機理的研究是激光加熱、激光表面修飾、激光打孔等激光應用領域的重要基礎理論問題。本文采用理論、數(shù)值模擬和實驗方法研究了近紅外激光輻照下硅的熱應力損傷。建立了激光輻照致(001)單晶硅表面滑移的模型,通過分析不同滑移系的廣義層錯能和回復力,發(fā)現(xiàn)滑移不但可以在傳統(tǒng)的{111}面上發(fā)生,還可能在{110}面上發(fā)生;進而提出這種反常的{110}面滑移是一種表面現(xiàn)象,僅發(fā)生在表面下幾個原子層內。通過改變硅的摻雜濃度和激光參數(shù),調整了激光加熱深度,從而實驗驗證了該反�；片F(xiàn)象。利用毫秒激光對硅片打孔時,發(fā)現(xiàn)孔質量低的主要原因是材料滑移先于熔融發(fā)生,因而建立了激光加熱(001)單晶硅的三維有限元模型,數(shù)值計算了硅片發(fā)生熔融前12個滑移系的剪應力分布和應變分布;并結合Alexander and Haasen(AH)理論定量得到了滑移和熔融的競爭關系。發(fā)現(xiàn)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。進而提出:無滑移加工的必要條件是激光功率密度大于lMW/cm2。使用高速攝像機獲得了毫秒激光燒蝕硅片的實時過程,發(fā)現(xiàn)應力損傷有兩個階段:第一階段發(fā)生在激光作用期間,硅片在熔融前就已經(jīng)發(fā)生了塑性變形;第二階段發(fā)生在激光輻照結束后,且又可細分為塑性變形和斷裂兩個子階段。單獨使用毫秒激光時因其功率密度低導致了第一階段的應力損傷,而過量熔融液體導致了第二階段的應力損傷,使用序列脈沖激光應可避免這類問題。研究了序列脈沖激光輻照下硅的溫升和斷裂現(xiàn)象:使用高速紅外點溫儀實時記錄了中心點的溫升過程,分析了激光重復頻率和占空比對加熱過程的影響,發(fā)現(xiàn):1)相對連續(xù)激光而言,重頻激光頻率低于100Hz,硅到達熔融所需的時間變短:頻率高于1 kHz,所需時間變長;2)激光重復頻率不變、占空比越低,硅到達熔融所需時間越長。針對特定激光參數(shù)下硅片碎裂現(xiàn)象的產(chǎn)生機理進行了初步實驗研究,得到了重復頻率為1 kHz的序列脈沖激光易導致硅片在激光脈沖間隔內發(fā)生斷裂的結論。本文的研究結果可加深理解激光與硅材料相互作用時熱應力產(chǎn)生與發(fā)展過程的認識,也能為激光輻照硅過程中的溫升、熱應力和燒蝕等進行分析和討論提供理論和實驗依據(jù),從而提高激光加工硅材料的應用效率及加工精度。
【圖文】：

邐Ｈｉｇｈ邋Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ邋＂逡逑圖１．１邋２Ｄ與３Ｄ集成電路對比圖逡逑ＴＳＶ技術是高端儲存器的首選互連方法。圖１．２為三星公司全球首款采用３Ｄ邋ＴＳＶ逡逑封裝技術打造的ＤＤＲ４內存條，單條容量高達６４ＧＢ。該內存采用三星先進的２０邋ｎｍ和逡逑３Ｄ邋ＴＳＶ邋ｖｉａ－ｍｉｄｄｌｅ封裝工藝，所采用的ＴＳＶ技術可以使硅晶圓或芯片進行垂直互連，逡逑將多個芯片堆疊起來可提升容量和性能。采用ＴＳＶ封裝技術的內存模塊，相較于引線逡逑鍵合，速度最高提升一倍，并且能耗也降低約一半。逡逑圖１．２激光通孔技術用于制造ＤＤＲ４內存條逡逑激光可以用于硅片表面微結構的制作陽１�！昂诠琛笔潜砻婢哂袦室�(guī)則排列的亞微米逡逑量級錐形結構的硅材料，被譽為２１世紀“革命性的新材料”，這種材料最大的特點就是逡逑在從紫外到可見，再到紅外的超寬光譜區(qū)域都有超高效率的吸收，表面反射幾乎為零。逡逑它可以作為完美的抗反射膜用于太陽能采集技術中。早期的黑硅是利用反應離子刻蝕方逡逑法制作的，其對紅外光的吸收率不如后來發(fā)展的用激光制作的黑硅（見圖］．３和圖］．４）。逡逑而且利用激光掃描制備黑硅可以直接嵌入器件制造過程中

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【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN24

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本文編號：2698903