SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度及翘曲度有限元分析

发布时间：2017-08-03 01:13

  本文关键词：SiC单晶线锯切片微裂纹损伤深度及翘曲度有限元分析

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【摘要】：SiC单晶是继Si和GaAs后发展起来的第三代宽带隙半导体材料,具有宽带隙、高热导率、高临界击穿场强、抗干扰能力强、化学性质稳定等特点。然而SiC单晶硬度大、脆性高等特点,使得存在锯切加工效率低、切片表面质量差、易碎片等问题。切片微裂纹损伤深度和翘曲度是评价切片质量重要指标,微裂纹损伤深度直接影响后续工序量、晶片机械强度与成品率,翘曲度属于体缺陷,一旦形成,后续研磨、抛光工序中很难改善。而切割工序是控制切片微裂纹损伤深度和翘曲度的关键。本文基于有限元法,对SiC单晶电镀金刚石线锯锯切过程切片锯切应力场、微裂纹损伤深度及翘曲度进行了研究,主要工作如下：根据SiC单晶线锯锯切加工中材料脆性断裂去除机理,基于brittle cracking model本构模型,建立了SiC单晶线锯切割有限元分析模型和切片微裂纹损伤深度分析模型。选取与SiC单晶具有相似锯切加工机理与硬脆材料特性的Si单晶为锯切加工对象,对切片微裂纹损伤深度计算分析模型进行验证,在此基础上,对锯切工艺参数与SiC切片微裂纹损伤深度间关系进行了分析。结果表明：有限元计算分析模型的仿真值均小于实验测量值,这是因为仿真建模忽略了缺陷、切削热及锯丝振动等因素对微裂纹损伤深度的影响。在不同锯切工艺参数下,实验测量值与仿真计算分析模型结果变化趋势一致,其相对误差均在20%-25%,间接验证SiC单晶切片微裂纹损伤深度计算分析模型能够实现对SiC切片微裂纹损伤深度的快速分析与计算。切片的微裂纹损伤深度随着锯丝运动速度提高和晶体进给速度降低而减小,进给速度变化对切片微裂纹损伤深度影响更显著。依据SiC单晶PVT法生长内部缺陷存在的实际情况,建立了含球状孔洞缺陷SiC单晶线锯切割有限元模型,结合应力集中理论,研究了不同相对位置和尺寸的孔洞缺陷对切片锯切应力场影响。根据缺陷对切片应力集中效应程度,探讨了孔洞缺陷位置和尺寸对锯切过程切片破碎概率影响。研究表明孔洞缺陷存在,会引起局部应力集中,加剧微裂纹萌生与扩展,不同相对位置和尺寸的孔洞缺陷对锯切过程切片应力集中程度有明显差异。当缺陷位于切片内并无限接近切片表面时,对切片应力集中程度影响最强烈,切片锯切过程中发生破碎几率最高,锯切时尽量少选择该锯切位置；当缺陷位于切除层中心时,缺陷尺寸变化对切片锯切应力场几乎无影响,切片锯切过程中发生破碎几率最低,属于相对较好的锯切位置。基于热弹性理论,建立了线锯切割SiC单晶热分析有限元模型,分析了锯切过程中切片温度场、温度梯度、热应力场以及节点热变形位移场的变化规律和内在联系。根据切片节点热变形位移场,建立了SiC单晶线锯切片翘曲度计算分析模型,研究了切片厚度、锯丝工艺参数(锯丝速度、进给速度、锯丝线径及锯丝张紧力)与切片翘曲度之间关系。结果表明：SiC单晶锯口处温度最高,并且锯切过程中切片温度场、热应力场、热变形位移具有类似的递增规律。切片越薄其自身刚度越小,锯切中切片翘曲就越严重,切片翘曲度随着锯丝张紧力和线径增大而减小,随着锯丝速度和进给速度增大而增大,相对于锯丝运动速度,降低晶体进给速度对改善切片翘曲度效果更明显。
【关键词】：SiC单晶 电镀金刚石线锯 切片 翘曲度 微裂纹损伤深度
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.24
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 课题研究的背景与意义13-14
• 1.2 电镀金刚石线锯切片技术研究现状14-16
• 1.3 晶体切片微裂纹损伤及翘曲度研究16-18
• 1.3.1 晶体切片微裂纹损伤研究16-17
• 1.3.2 晶体切片翘曲度研究17-18
• 1.4 材料加工仿真分析18-22
• 1.4.1 Brittle cracking model仿真应用19-20
• 1.4.2 缺陷对应力集中影响20-21
• 1.4.3 材料加工温度场仿真21-22
• 1.5 本文主要工作22-23
• 第2章 电镀金刚石线锯切割SiC单晶基础理论23-31
• 2.1 SiC晶体结构与材料特性23-26
• 2.1.1 SiC晶体结构23-25
• 2.1.2 SiC材料特性25-26
• 2.2 SiC单晶锯切受力分析26-30
• 2.2.1 锯切力模型26-28
• 2.2.2 晶体所受锯切力等效28-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 SiC单晶切片微裂纹损伤深度的有限元分析31-45
• 3.1 脆性开裂本构模型31-33
• 3.1.1 微裂纹开裂判据33
• 3.2 线锯切割有限元模型建立33-36
• 3.2.1 SiC单晶线切割模拟流程34
• 3.2.2 模型的单位量纲34-35
• 3.2.3 网格划分及边界条件35
• 3.2.4 网格无关性验证35-36
• 3.3 锯切应力场分析36-37
• 3.4 切片微裂纹损伤深度分析与计算37-41
• 3.4.1 切片主应力变化率37-39
• 3.4.2 切片微裂纹损伤深度39
• 3.4.3 切片微裂纹损伤深度计算分析模型验证39-41
• 3.5 锯切工艺参数对切片微裂纹损伤深度影响41-43
• 3.5.1 进给速度对切片微裂纹损伤深度影响41-42
• 3.5.2 锯丝速度对切片微裂纹损伤深度影响42-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 SiC单晶中孔洞缺陷对切片锯切应力场影响45-57
• 4.1 受均布拉力无限体球状孔洞缺陷处应力分析理论模型45-46
• 4.2 孔洞缺陷相对切片表面位置46-47
• 4.3 含孔洞缺陷SiC晶体线切割有限元建模47-48
• 4.4 孔洞缺陷的位置对切片应力集中效应影响48-53
• 4.4.1 不同相对位置的孔洞缺陷对切片锯切应力场影响48-50
• 4.4.2 不同相对位置的孔洞缺陷处应力集中效应分析50-53
• 4.5 孔洞缺陷的尺寸对切片应力集中效应影响53-56
• 4.5.1 孔洞缺陷的尺寸对切片主应力分布影响53-55
• 4.5.2 不同尺寸的孔洞缺陷处应力集中效应55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 SiC单晶线锯切片翘曲度分析57-73
• 5.1 SiC单晶锯切热分析理论基础57-62
• 5.1.1 线锯切割温度场分析基本原理57-61
• 5.1.2 热应力分析基础理论61-62
• 5.2 SiC单晶线切割热分析有限元模型建立62-63
• 5.3 热分析仿真结果分析与讨论63-66
• 5.3.1 晶体与切片温度场分析63-65
• 5.3.2 切片热应力分析65-66
• 5.4 切片翘曲度分析与计算66-68
• 5.4.1 翘曲度分析67
• 5.4.2 翘曲度计算67-68
• 5.5 切片厚度对翘曲度影响68-69
• 5.6 锯切工艺参数对切片翘曲度的影响69-72
• 5.6.1 锯丝张紧力对翘曲度影响69-70
• 5.6.2 锯丝线径对翘曲度影响70
• 5.6.3 锯丝速度对翘曲度影响70-71
• 5.6.4 进给速度对翘曲度影响71-72
• 5.7 本章小结72-73
• 结论73-77
• 参考文献77-81
• 攻读学位期间取得的成果、参加的课题81-83
• 致谢83-84
• 学位论文评阅及答辩情况表84

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