单晶硅的纳米刻划与切片加工性能研究

发布时间：2020-08-10 18:03

【摘要】：单晶硅是性能优良的半导体材料,广泛应用于集成电路、微纳米尺度器件和微结构的衬底基体材料。单晶硅虽然是典型的各向异性脆性材料,但在精密加工的过程中会表现为塑性行为,能实现塑性域材料去除。脆性材料的塑性域去除加工是其获得高质量精密加工表面的关键。以单晶硅纳米刻划加工研究为基础,控制单晶硅精密切片加工的裂纹损伤,能够实现单晶硅衬底晶片表层低裂纹或无裂纹损伤的精密切片加工。本文针对单晶硅开展纳米压痕、刻划加工的理论分析和实验研究,以玻氏压头典型刻划加工方向体现刀具结构对纳米刻划加工的影响,研究了玻氏压头典型刻划加工方向的残余划痕深度和材料去除率。基于单晶硅纳米压痕和刻划加工研究结果,建立了单晶硅切片加工工艺参数的确定方法。本文的研究成果对单晶硅材料的微结构精密加工及金刚石线锯精密切片加工技术的发展具有重要意义。分析了纳米压痕仪玻氏压头尖端的微细结构和压痕法向接触面积,提出了玻氏压头压痕法向接触面积的简化计算方法,建立了玻氏压头与试件接触的等效接触模型,计算了玻氏压头与单晶硅粘附接触的Tabor数,提出了压头压痕和刻划接触表面粘附力的计算方法,分析了玻氏压头沿三种典型刻划加工方向的接触问题,得到了玻氏压头在三种典型刻划加工方向上法向、切向接触面积计算公式和刻划加工接触面积随刻划加工接触深度的变化规律。利用玻氏压头对单晶硅(100)晶面的抛光晶片进行了法向载荷按2mN递增的2至48mN纳米压痕实验,获得了单晶硅的力学性能、载荷-深度曲线和压痕形貌,揭示了玻氏压头与单晶硅纳米压痕接触的弹性接触刚度随法向载荷的变化规律,提取了不同法向载荷纳米压痕实验玻氏压头的最大压入深度和残余压痕深度,建立了玻氏压头加载压入单晶硅过程的作用力、压入深度、综合弹性变形量和残余压痕深度的理论模型,玻氏压头的压入深度、残余压痕深度的计算结果与纳米压痕实验结果基本吻合。建立了三个典型刻划加工方向上玻氏压头刻划加工的作用力理论模型,利用玻氏压头对单晶硅进行了沿Φ=0°方向的变法向载荷刻划加工实验,以切向力剧烈变化为判据,构建了玻氏压头刻划加工单晶硅脆塑转变的临界法向载荷和临界残余划痕深度的判定法则。利用玻氏压头沿Φ=0°和Φ=60°对单晶硅试件进行了恒法向载荷刻划加工实验,实测了玻氏压头刻划加工单晶硅的残余划痕深度和形貌。计算了玻氏压头刻划加工单晶硅的弹性变形、残余划痕深度和材料去除率,残余划痕深度的计算结果与实验结果吻合较好。分析了法向载荷和刻划加工方向对玻氏压头刻划加工单晶硅的残余划痕深度和材料去除率的影响。研制了母线基体直径为60μm、磨粒D50为8.01μm的树脂金刚石线锯,进行了锯切加工单晶硅实验,分析了金刚石磨粒凸露高度、磨粒位置分布规律和磨粒切削刃形状,建立了磨粒位置随机分布的树脂金刚石线锯三维形貌简化模型。分析了金刚石线锯表面单颗金刚石磨粒的周向位置与锯切加工中磨粒刻划加工深度的关系,以玻氏压头刻划加工单晶硅实验获得的脆塑转变临界刻划加工深度为依据,分析了周向磨粒塑性域刻划加工与金刚石线锯进给量之间的关系。建立了金刚石线锯切片加工比进给速度计算模型,以树脂金刚石线锯周向一定范围内的金刚石磨粒塑性域刻划加工为前提,提出了单晶硅切片加工工艺参数的确定方法。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.12
【图文】：

线锯,磨料,切片质量,材料去除机理

逦山东大学博士学位论文逦逡逑困难１７３］。固结磨粒线锯切片加工的材料去除机理是二体磨粒磨损，如图ｌ－ｌ（ｂ）所逡逑示，其材料去除加工类似于磨削加工中磨粒对工件的滑擦、耕犁、切削作用，具逡逑有较高的材料去除率和较好的切片质量，适用于大尺寸和高硬度晶体材料的切片逡逑加工。逡逑⑷邋ＵＩ．．ＩＩ邋．．ＩＩ邋ＩＪ邋邋逦逦逦逦邋．邋．■■■ＩＭ．ＨＪＩ—．邋（ｂ）逦＾邋ｍ逦0邋八．八■八，逡逑

弹性接触,刚性,接触体,接触问题

第２章玻氏压头压痕和纳米刻划加工接触面积分析Ｈｅｒｔｚ弹性接触理论，两弹性球体的Ｈｅｒｔｚ接触问题可转化为图２＿２所球体与刚性平面接触的问题。同样，弹性球体和弹性平面的接触问化为弹性球体和刚性平面的接触问题。转化后弹性球体的曲率半径径凡其材料性能参数为综合弹性模量受中心轴线法向载荷作的综合弹性变形量为＜５，接触区是一个以0为半径的接触圆。0和３可（２－７）计算。逡逑向载荷作用下，两接触体的实际接触面积」＝７＾２邋＝邋７１／＾。可以证ｊｉａｊ２邋＝２逦，即为两接触体塑性接触条件下的接触面积。逡逑

接触模型,粘附,粘附力

第２章玻氏压头压痕和纳米刻划加工接触面积分析ｕｌｌｅｒ、Ｙｕｓｈｃｈｅｎｋｏ和Ｄｅｒｊａｇｕｉｎ丨９８】对ＤＭＴ接触理论和ＪＫＲ接触理论进分析。Ｂｒａｄｌｅｙ接触理论针对刚性球与平面接触问题，得出粘附力为接触理论针对球与平面的Ｈｅｒｔｚ弹性接触问题，假设分子力不改变球的，弹性球与平面的接触变形符合Ｈｅｒｔｚ理论，并考虑球与平面弹性接触接触区域的分子力，建立了与Ｂｒａｄｌｅｙ接触理论相一致的粘附力计算公ａ。ＪＫＲ接触理论针对弹性模量较小的弹性球体的接触问题，得出粘附力ＪＫＲ不考虑接触区以外的粘附力影响，ＤＭＴ不考虑粘附力对接触体响。ＭＹＤ对ＪＫＲ理论进行了更精确解释。逡逑ａｕｇｉｓ＾ｌ利用Ｄｕｇｄａｌｅ裂纹尖端塑性模型，裂纹尖端应力达到材料的理论，粘结区应力为常数且为材料的屈服应力％，取材料的屈服应力为理论强度，建立了邋Ｍａｕｇｉｓ－Ｄｕｇｄａｌｅ粘附接触理论。逡逑

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