硅微槽道的纳秒激光与水射流复合加工工艺基础研究.pdf

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1、硕士学位论文硅微槽道的纳秒激光与水射流复合加工工艺基础研究THEBASICRESEARCHONTHECOMPOSITEPROCESSINGTECHNOLOGYOFNANOSECONDLASERANDWATERJETINSILICONMICROCHANNEL曹俊杰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG665学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文硅微槽道的纳秒激光与水射流复合加工工艺基础研究硕士研究生：曹俊杰导师：杨立军教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:TG665U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEBASICRESEARCHONTHECOMPOSITEPROCESSINGTECHNOLOGYOFNANOSECONDLASERANDWATERJETINSILICONMICROCHANNELCandidate：CaoJunjieSupervisor：Prof.YangLijunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mechan

3、icalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着科学技术的发展，硅作为半导体材料在微电子行业的应用日渐广泛，尤其是硅微结构的需求更是连年增长，同时对硅微结构的加工质量和效率的要求也越来越高。为了实现高质量大深宽比硅微槽道加工，本文提出了纳秒激光与水射流的复合加工方法，充分利用纳秒激光高效的加工特

4、性及水射流冷却、冲刷提高加工质量的特点，进行硅微槽道的高质、高效加工。首先，本文研究了激光与水射流复合加工的光路并在此基础上搭建了光液耦合装置。研究了激光在装置中传播的几何特性，得到了焦距的限制范围以及Z轴方向上的激光焦点与喷嘴上表面自耦合的必要条件。在充分分析稳定水射流特性的基础上设计了多入水口光液耦合装置流道，使用ANSYS的FLUENT模块对耦合装置流道进行了仿真分析，并加工了光液耦合装置进行了试验验证。研究了不同状态的水射流特征，提出了两种直观的稳定水射流的判断依据，并针对此装置改进了耦合调试流程。其次，对硅的纳秒激光与水射流复合加工的材料去除过程

5、进行了研究，通过实际加工形貌验证了硅的去除机制。根据传热学和热弹性力学的相关知识建立了硅的纳秒激光与水射流复合加工的有限元仿真模型并模拟了加工过程，从温度场、应力场、材料的去除规律研究了纳秒激光独特的脉冲特性对于加工形貌的影响，并进行了试验验证。根据加工过程中的非线性现象，试验验证了该现象与激光重复频率的相关性。最后，进行了硅微槽道的纳秒激光与水射流复合加工单道与多道加工工艺的研究。在单道加工方面对比了不同工艺参数下的加工形貌总结了加工规律，在多道加工对比了不同加工层数和加工策略下的加工形貌，探索了变线宽的加工规律。根据优化的工艺参数进行了IC晶圆、MEM

6、S晶圆和不锈钢圆管的切割试验。论文研制了新型光液耦合装置，结合理论仿真与试验分析了硅与纳秒激光与水射流复合的作用过程，探索了微槽道加工工艺，对今后硅微结构的加工具有重要指导意义。关键词：激光与水射流复合加工；硅；微槽道；纳秒激光-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofsiliconasasemiconductormaterialinthemicroelectronicsindustryhasbecomeincreasinglywid

7、espread.Inparticular,thedemandforsiliconmicrostructureshasbeenincreasingyearafteryear.Atthesametime,therequirementsontheprocessingqualityandefficiencyofsiliconmicrostructureshavebecomehigherandhigher.Inordertorealizehighqualityaspectratiosiliconmicrochannelprocessing,thispaperprop

8、osedahybridprocessingmethodofnano