振动辅助单颗磨粒划擦碳化硅晶体的数值仿真研究

发布时间：2020-05-14 22:16

【摘要】：随着光电子、微电子技术的发展,碳化硅晶体作为第三代半导体材料得到了广泛的应用和高度的重视。而碳化硅晶体硬度高、脆性大,是一种典型的硬脆性难加工材料,所以金刚石磨粒磨削加工是其主要的精密加工方法。为了获得较好的磨削表面质量,通常需要选用较细粒度的磨粒,而细粒度磨粒往往加工效率低,且加工过程中容易磨损和堵塞,因此,要实现碳化硅晶体的高效精密加工一直是一个难题。大量研究表明,超声辅助磨削加工能有效的提高加工效率和工件表面质量。为了更好的揭示振动辅助磨削碳化硅晶体的材料去除机理,本课题提出对碳化硅晶体进行振动辅助划擦仿真实验。运用分子动力学和有限元仿真软件LS-DYNA进行了碳化硅晶体超声辅助单颗磨粒划擦的仿真研究,通过对比有无超声振动时的加工现象和加工效果,研究了超声振动辅助磨削的去除机理。主要包括以下几部分内容:(1)针对超精密磨削中的超细粒度磨粒造成的塑性变形去除,根据分子动力学的基本思想和原理,建立振动辅助单颗磨粒划擦碳化硅的仿真模型。并对比了有无振动时划擦力、非晶层、应力和位错的变化,发现加入振动后划擦力和最大应力值都会降低,划擦力减小了40%左右,非晶层厚度减小了2nm,位错消失。(2)通过分子动力学仿真研究划擦参数对划擦过程的影响。发现平均切向力和平均法向力都随频率和振幅的增大而减小,随切深的增大而增大;非晶层厚度随着频率升高呈下降趋势,非晶层的宽度随振幅的增大而增大。(3)针对粗粒度磨粒导致的脆性断裂,基于有限元软件LS-DYNA,建立了仿真模型。通过光滑粒子流体动力学(SPH)方法研究了有无振动时划擦力、裂纹的扩展和应力的变化,发现加入振动后划擦力会出现周期性变化,裂纹的最大扩展深度减小了9μm,应力场由恒定变为一个交变的应力场,但是最大等效应力基本不变。(4)通过有限元仿真研究划擦参数对划擦过程的影响。平均切向力和平均法向力都随频率和振幅的升高呈现减小的趋势,随着切深的增大而增大。裂纹的最大扩展深度随着频率的升高而减小,同时,随着振幅的增大,会使得工件内部会产生更多微小的侧向裂纹。(5)定量的研究了振动辅助划擦中干涉作用的影响。发现干涉作用对划擦力的减小比例有显著的影响,干涉比随着频率和振幅的升高而增大,随着速度的增大而降低。分子动力学中,划擦力的减小比例随干涉作用的增强增大到了75%左右;SPH法中,随干涉作用的增强增大,切向力的减小比例增大到了45%左右,法向力的减小比例增大到了20%左右。
【图文】：

衬底晶片的制造流程

振动辅助单颗磨粒划擦碳化硅晶体的数值仿真研究

SiC晶格结构示意图
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;O351.2

【参考文献】