横向超声激励下的金刚石线锯切割SiC单晶机理与实验研究

发布时间：2018-10-12 11:23

【摘要】：碳化硅(SiC)单晶作为第三代主要的半导体晶体材料,以其独特的大禁带宽度、高击穿场强、高饱和电子漂移率、高热导率、强抗辐射能力和低介电常数等优良的电学和理化特性,已广泛应用于空间光学、微电子技术、信息技术和光电集成等高科技领域。同时,SiC单晶独特的共价键晶体结构决定其具有超高的硬度和脆性,是典型的难加工材料。传统线锯切割技术已很难满足对SiC单晶等硬脆材料高效率、高质量、窄切缝、低成本的切割要求,尤其是对大直径、超薄SiC单晶片的精密切割。本文在传统金刚石线锯切割技术的基础上施加了横向超声波振动,采用理论分析和实验研究相结合的方法研究横向超声激励下金刚石线锯振动切割SiC单晶的切割机理,为大尺寸、超薄SiC单晶片的高效精密切割提供理论依据和技术支撑。建立轴向运动线锯横向振动模型并推导其偏微分方程,利用变量分离求解出在两种不同位置处施加横向超声波线锯横向受迫振动的位移场函数表达式,以及线锯系统自然频率的函数表达式。结果表明:线锯中间切割点处的振动位移与超声波在线锯上施加的位置无关,频率与激振超声波相同。为往复运动线锯横向超声激励振动切割硬脆材料的可行性提供依据。同时从理论上分析运动线锯的自然频率、临界速度与线锯系统参数之间的关系。基于超声振动接触-分离的切割特点,研究分析了柔性线锯振动切割硬脆材料的条件,即工件在一振动周期内的横向进给量不大于线锯上磨粒在一振动周期内最大切割深度。用特征函数对线锯振动切割SiC单晶的切割状态进行表征,基于磨削理论研究分析了横向超声激励金刚石线锯振动切割SiC单晶的平均有效锯切力,并推导出横向超声激励线锯振动切割SiC单晶临界切削深度的预测公式。在相同条件下,超声振动线锯切割SiC单晶的临界切削深度与磨粒的振动周期与周期内磨粒的净切割时间比值的平方根成正比。从理论上揭示了横向超声激励线锯提高SiC单晶临界切削深度的机理,并通过实验进行了验证。应用冲量原理研究了横向超声激励线锯圆周方向不同位置处金刚石磨粒施加于SiC单晶工件的最大脉冲法向撞击力。基于压痕力学分析了在法向和切向载荷作用下,金刚石磨粒下方萌生中位裂纹和横向裂纹的长度及深度。通过分析线锯横截面圆周不同位置处磨粒萌生横向裂纹对晶片表面的影响,推导出预测晶片表面粗糙度的计算公式。线锯周向磨粒位置不同其切割模式也不同,位于塑性切割区域的磨粒刮擦作用有助于晶片表面质量的提高;而脆性切割区域的磨粒有助于材料的去除,并通过实验进行了验证。横向超声激励线锯振动切割SiC单晶的过程,就是线锯上金刚石磨粒不断在工件表面高频加载和卸载的过程,该过程形成了促使横向裂纹优先扩展而抑制中位裂纹萌生的屏蔽效应。中位裂纹的抑制改善了晶片的亚表面质量,而横向裂纹的优先扩展提高了材料的去除。在横向超声激励线锯振动切割过程中,振动使线锯上磨粒切割SiC单晶的平均有效法向力减小,瞬间脉冲法向撞击力增大。平均有效法向力的减小使得金刚石磨粒压痕场下横向裂纹的萌生深度降低,从而使晶片的表面质量得以提高;瞬间脉冲法向撞击力的增大使得横向裂纹扩展长度增大,从而使材料去除率提高。建立了超声振动磨粒去除SiC单晶理论体积模型,推导出磨粒平均材料去除率的计算公式。通过改变线锯的主要切割参数,分别对超声振动线锯和普通线锯切割的材料去除率进行了对比实验,以验证理论分析的正确性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163.4;O786

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本文编号：2265919