硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验

大连理工大学

硕士学位论文

硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验

姓名：许卫星

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：王续跃

20071201

硅片激光弯曲成形的数值模拟及试验

单晶硅作为主要的半导体材料，被广泛应用于各种领域。其原因不仅仅在于硅具有很好的电子特性，同时硅也具有良好的机械性能［３６－３们。硅属于典型的脆性材料，在常温下不能像金属那样塑性成形。只有当温度超过７９０Ｋ才开始由脆性向塑性转变，超过９２０Ｋ则更利于塑性成形１３９ｍ】。在ＭＥＭＳ中三维硅微结构元件主要通过刻蚀实现，因此都保留在原基体内部，但如果利用硅的塑性则可直接成形硅片，将元件做到基体外部，满足不同情况下对硅片形状的需求。

１．３．２硅片弯曲成形研究现状

１９９５年，日本学者Ｆ．Ｙａｍａｔｏ等人，借助焦耳加热的方法不仅实现了多晶硅微悬梁的弯曲，而且还对硅微镜面进行了有效矫正１４２１。１９９９年，德国学者Ｆ．Ｊｏａｃｈｉｍ等人借助硅的高温可塑性，将刻蚀出的上模板、下模板与弯曲元件同时放入加热炉内加热到９００℃，并借助精密导引装置实现了同一硅片上同时弯曲成形多个样件的工艺过程（效果如图１．２左）ｐｇ，４０ｌ。２００４年，日本学者Ｎ．Ｋａｚｕｏ等人借助波形模具在１１００℃．１２００℃的高温下实现了单晶硅的波形弯曲，弯曲件最厚达１．０３ｍｍ（效果如图１．２右），但弯曲件需要进行后处理才能使用［４３１。２００５年，美国学者ｋＪ伽ｇｂ∞ｇ和ＬＬｉｗｅｉ同样利用焦耳加热的方法，实现了对单晶硅微镜面的弯曲，弯曲过程经历了５６天，最后得到的最大弯曲角为５０．９。，测试结果显示整个弯曲过程没有对单晶硅造成疲劳损伤【删。

图１。２硅片高温弯曲

Ｆｉｇ．１．２Ｓｉｌｉｃｏｎｂｅｎｄｉｎｇａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

这些方法存在一个共同的特点，需将硅片整体加热到塑性点，而且整个过程通过高温炉或借助其他加热方法来实现，同时还要制作精密模具，配备导引、施力装置，如此就大大提高了制造成本，因此寻找其它弯曲成形工艺方法也就显得十分重要。

一６一

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激光弯曲不但可以实现对弯曲件的局部加热，而且整个过程都属于无接触弯曲。依据此特点，２００１年德国学者Ｅ．Ｇ｛ｉｒｔｎｅｒ等人首次将激光弯曲应用到硅片的三维成形，并率先实现了硅片常温条件下的无接触塑性弯曲。他们将经过湿法刻蚀的硅悬梁一端固定，然后调整脉冲激光参数，经过多次尝试，扫描最终实现了硅片弯曲（厚度５０９ｍ），但弯曲件存在轻微扭曲现象，而且弯曲部分的材料性能受到很大影响１４１，４５】（效果如图１．３）。此后，Ｅ．Ｇ盏ｒｔｎｅｒ等人还对连续激光与脉冲激光弯曲过程中的各种激光参数的影响进行了初步的分析，并模拟了连续激光弯曲过程中的温度场变化，初步判定了硅片塑性点出现的时刻。２００３年，美国学者Ｘ．Ｒｉｃｈａｒｄ等人借助小功率激光器，分别实现了连续与脉冲两种模式下硅的／“ｒａｄ级弯曲，弯曲厚度达２００９ｍ，角度最大为１６／ｚｒａｄ。同时对部分光脉冲作用过程中的温度场与应力一应变的变化进行了模拟与分析［３２－３３，４６ｉ。对于硅片的激光弯曲成形在国内至今还没有相关文献的报道。

图１．３硅片激光弯曲

Ｆｉｇ．１．３Ｌａｓｅｒｂｅｎｄｉｎｇｏｆｓｉｌｉｃｏｎ

综合以上硅片弯曲成形的研究现状可以看出，硅片的弯曲成形工艺还不成熟，有待进一步完善与提高。高温加热并借助模具的弯曲方式，虽然可以成形相对质量较好的弯曲件，但成形形状与精度受限，而且缺少灵活性，制造成本较高；相反，激光弯曲成形可以实现硅片的无接触弯曲，省去了在模具设计与制造上的费用，而且可以实现较大范围内的精确弯曲，但现有的激光弯曲成果缺少实用性，需要进一步改善。另一方面，硅作为典型的脆性材料，温度超过塑性点时才显塑性，激光束能量必须适中，大了会破坏弯曲件，小了则无弯曲效果，而且最后要达到较好的弯曲质量才可使用，如此进一步缩小了激光弯曲参数的范围。