發(fā)布時(shí)間：2020-06-06 01:10

【摘要】：激光與材料相互作用機(jī)理的研究是激光加熱、激光表面修飾、激光打孔等激光應(yīng)用領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)理論問(wèn)題。本文采用理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究了近紅外激光輻照下硅的熱應(yīng)力損傷。建立了激光輻照致(001)單晶硅表面滑移的模型,通過(guò)分析不同滑移系的廣義層錯(cuò)能和回復(fù)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(jìn)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(gè)原子層內(nèi)。通過(guò)改變硅的摻雜濃度和激光參數(shù),調(diào)整了激光加熱深度,從而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該反�；片F(xiàn)象。利用毫秒激光對(duì)硅片打孔時(shí),發(fā)現(xiàn)孔質(zhì)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(jì)算了硅片發(fā)生熔融前12個(gè)滑移系的剪應(yīng)力分布和應(yīng)變分布;并結(jié)合Alexander and Haasen(AH)理論定量得到了滑移和熔融的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)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(jìn)而提出:無(wú)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(jī)獲得了毫秒激光燒蝕硅片的實(shí)時(shí)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力損傷有兩個(gè)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(jié)束后,且又可細(xì)分為塑性變形和斷裂兩個(gè)子階段。單獨(dú)使用毫秒激光時(shí)因其功率密度低導(dǎo)致了第一階段的應(yīng)力損傷,而過(guò)量熔融液體導(dǎo)致了第二階段的應(yīng)力損傷,使用序列脈沖激光應(yīng)可避免這類問(wèn)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(diǎn)溫儀實(shí)時(shí)記錄了中心點(diǎn)的溫升過(guò)程,分析了激光重復(fù)頻率和占空比對(duì)加熱過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn):1)相對(duì)連續(xù)激光而言,重頻激光頻率低于100Hz,硅到達(dá)熔融所需的時(shí)間變短:頻率高于1 kHz,所需時(shí)間變長(zhǎng);2)激光重復(fù)頻率不變、占空比越低,硅到達(dá)熔融所需時(shí)間越長(zhǎng)。針對(duì)特定激光參數(shù)下硅片碎裂現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究,得到了重復(fù)頻率為1 kHz的序列脈沖激光易導(dǎo)致硅片在激光脈沖間隔內(nèi)發(fā)生斷裂的結(jié)論。本文的研究結(jié)果可加深理解激光與硅材料相互作用時(shí)熱應(yīng)力產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程的認(rèn)識(shí),也能為激光輻照硅過(guò)程中的溫升、熱應(yīng)力和燒蝕等進(jìn)行分析和討論提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),從而提高激光加工硅材料的應(yīng)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(duì)比圖逡逑ＴＳＶ技術(shù)是高端儲(chǔ)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(shù)打造的ＤＤＲ４內(nèi)存條，單條容量高達(dá)６４ＧＢ。該內(nèi)存采用三星先進(jìn)的２０邋ｎｍ和逡逑３Ｄ邋ＴＳＶ邋ｖｉａ－ｍｉｄｄｌｅ封裝工藝，所采用的ＴＳＶ技術(shù)可以使硅晶圓或芯片進(jìn)行垂直互連，逡逑將多個(gè)芯片堆疊起來(lái)可提升容量和性能。采用ＴＳＶ封裝技術(shù)的內(nèi)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(shù)用于制造ＤＤＲ４內(nèi)存條逡逑激光可以用于硅片表面微結(jié)構(gòu)的制作陽(yáng)１�！昂诠琛笔潜砻婢哂袦�(zhǔn)規(guī)則排列的亞微米逡逑量級(jí)錐形結(jié)構(gòu)的硅材料，被譽(yù)為２１世紀(jì)“革命性的新材料”，這種材料最大的特點(diǎn)就是逡逑在從紫外到可見(jiàn)，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(yáng)能采集技術(shù)中。早期的黑硅是利用反應(yīng)離子刻蝕方逡逑法制作的，其對(duì)紅外光的吸收率不如后來(lái)發(fā)展的用激光制作的黑硅（見(jiàn)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(guò)程中

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【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN24

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本文編號(hào)：2698903