单晶碳化硅的金刚石线锯切片表层裂纹损伤研究
发布时间：2021-01-07 23:47
随着电动车和5G技术的兴起,单晶碳化硅作为第三代半导体材料,由于其良好的性能在功率半导体元器件中逐渐普及。但单晶碳化硅的高硬度和高脆性导致其在切片加工中极易产生裂纹损伤,增加了晶片的破片率和后续加工成本,甚至影响单晶碳化硅元器件的性能。由于力学和数学工具的缺乏,对单晶碳化硅切片加工材料去除及裂纹扩展机理的定量分析非常困难,切片加工时难以实现对晶片表层裂纹损伤的控制。本文以单晶碳化硅机械刻划研究为基础,分析单磨粒刻划过程的材料去除及裂纹扩展机理,提出多磨粒刻划过程裂纹间耦合作用的定量分析方法,建立单晶碳化硅晶片表层裂纹损伤深度的预测模型,实现表层裂纹损伤的分析和预测。研究工作对单晶碳化硅的高效高质量切片加工和推动单晶碳化硅元器件制造技术的发展具有重要意义。本文的主要研究工作归纳如下:将金刚石线锯上磨粒的尖端简化为带有球形尖端的正三棱锥,综合考虑划痕的弹性恢复和硬度的尺寸效应,建立了单晶碳化硅单磨粒刻划的刻划力和刻划压入深度关系模型,得到了刻划力随刻划压入深度的变化规律。分析了单磨粒刻划的刻划应力场分布规律,得到了中位裂纹、表面侧向裂纹和亚表面侧向裂纹扩展的驱动应力。设计了利用锯丝上的金刚...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２?６Ｈ－ＳｉＣ的Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头划痕形貌［４４］??
现为塑性变形区间作用、塑性变形区与亚表面??侧向裂纹间作用和亚表面侧向裂纹间作用，且当刻划间距较小时，相互作用方??式为塑性变形区间相互作用，随刻划间距增大，相互作用方式逐渐转为亚表面??侧向裂纹间相互作用。??丨刻划间距为一丨：：”’广??『ｉｔ丨１?—々ｒｒ—产…丨丨——明??＊?＜??－?Ｑｊｏｏｗａｉ?Ｉ?．?＾１??ｌ?ｆ?亥１Ｊ划间距为５０｜ｉｍ?刻划间距为１００ｐｍ??久．．…一．．１?毯－??＾－??ｆ?２Ｑ〇Ｍｍ?１?２００ｐｍ??图１－３光学玻璃的划痕形貌随刻划间距的变化图［７］??综上所述，目前对多次刻划的材料去除机理研究多集中于实验研宄，定性的??观察划痕间表面及亚表面裂纹的扩展及交叉，但由于定量分析会涉及复杂的力??学和数学处理，缺少对于裂纹间的力学耦合作用的定量分析。本文将基于断裂??力学为基础，建立裂纹间耦合作用的力学模型，实现了对裂纹间耦合作用的定??量分析。??１．４．２多条裂纹扩展问题研究??应力强度因子（ＳＩＦｓ）是断裂力学中的一个重要物理参量，它表示裂纹尖端??局部区域的应力场强度，该参量的大小受裂纹形式、材料参数以及受载情况的??影响。Ｉｒｗｉｎ＾建立了?ＳＩＦｓ与裂纹尖端机械能释放率之间的等效关系，基于能量??平衡概念和丨ｒｗｉｎ断裂力学理论，如果材料内部的裂纹尖端Ｓ丨Ｆｓ值大于断裂韧??性，裂纹会发生扩展。因此，利用ＳＩＦｓ可以定量描述和分析裂纹的扩展。??求得裂纹尖端ＳＩＦｓ值的方式主要为解析法和有限元法两种。解析法包括积??分方程法和复变函数法，积分方程法可细分为奇异积分方程法和对偶积分方程??法。奇异积分方程方法［８９，９（）］是通
山东大学博士学位论文??尖端部位进行建模分析。???／?Ｌ?／．ｖ??（ａ）六面体系列??（ｂ）八面体系列??（ｃ）聚形及畸形系列??图２－１人工合成金刚石晶体形态??由图２－１可知，金刚石磨粒尖端主要分为两种类型：出现较多的三棱锥型和??出现较少的四棱锥型。采用激光显微镜测量金刚石磨粒的三维形貌，其中磨粒??９４％的尖端为三棱锥形，三棱锥中心线与侧面的夹角均值为６６。，该夹角主要分??布在５０°？８０°之间，中心线与侧棱边的夹角均值为７６。，该夹角主要分布在??６２°？８８°之间［１１６］，这两类夹角的分布范围，接近于中心线与侧面的夹角分布在??５０°￣８０°之间的正三棱锥对应的夹角分布范围。因此，为简化分析，将锯丝上金??刚石磨粒的尖端简化为带有球形尖端的正三棱锥，如图２－２所示，中心线与侧面??的夹角ａ分布在５０°？８０°之间。??球形尖端的球心位置为点０，尖端半径为圆心为〇’半径为ｒ的圆弧为球??形尖端在二棱锥侧面的截面部分，该圆弧同侧面的棱相切。球形尖端与三棱锥??部分的分界被定义为Ｉ－面［６９］。图２－２?．（ｃ）为图２－２?（ｂ）中的三角形放大??图。磨粒尖端顶点距理想三棱锥顶点Ｊ的长度为／／■。磨粒尖端从上往下依次被??分为三个部分：球形部分（０＜／７＜ｚＪｉ）、过渡部分和三棱锥部分（；７＞山）。??１４??
本文编号：2963480
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２?６Ｈ－ＳｉＣ的Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ压头划痕形貌［４４］??
现为塑性变形区间作用、塑性变形区与亚表面??侧向裂纹间作用和亚表面侧向裂纹间作用，且当刻划间距较小时，相互作用方??式为塑性变形区间相互作用，随刻划间距增大，相互作用方式逐渐转为亚表面??侧向裂纹间相互作用。??丨刻划间距为一丨：：”’广??『ｉｔ丨１?—々ｒｒ—产…丨丨——明??＊?＜??－?Ｑｊｏｏｗａｉ?Ｉ?．?＾１??ｌ?ｆ?亥１Ｊ划间距为５０｜ｉｍ?刻划间距为１００ｐｍ??久．．…一．．１?毯－??＾－??ｆ?２Ｑ〇Ｍｍ?１?２００ｐｍ??图１－３光学玻璃的划痕形貌随刻划间距的变化图［７］??综上所述，目前对多次刻划的材料去除机理研究多集中于实验研宄，定性的??观察划痕间表面及亚表面裂纹的扩展及交叉，但由于定量分析会涉及复杂的力??学和数学处理，缺少对于裂纹间的力学耦合作用的定量分析。本文将基于断裂??力学为基础，建立裂纹间耦合作用的力学模型，实现了对裂纹间耦合作用的定??量分析。??１．４．２多条裂纹扩展问题研究??应力强度因子（ＳＩＦｓ）是断裂力学中的一个重要物理参量，它表示裂纹尖端??局部区域的应力场强度，该参量的大小受裂纹形式、材料参数以及受载情况的??影响。Ｉｒｗｉｎ＾建立了?ＳＩＦｓ与裂纹尖端机械能释放率之间的等效关系，基于能量??平衡概念和丨ｒｗｉｎ断裂力学理论，如果材料内部的裂纹尖端Ｓ丨Ｆｓ值大于断裂韧??性，裂纹会发生扩展。因此，利用ＳＩＦｓ可以定量描述和分析裂纹的扩展。??求得裂纹尖端ＳＩＦｓ值的方式主要为解析法和有限元法两种。解析法包括积??分方程法和复变函数法，积分方程法可细分为奇异积分方程法和对偶积分方程??法。奇异积分方程方法［８９，９（）］是通
山东大学博士学位论文??尖端部位进行建模分析。???／?Ｌ?／．ｖ??（ａ）六面体系列??（ｂ）八面体系列??（ｃ）聚形及畸形系列??图２－１人工合成金刚石晶体形态??由图２－１可知，金刚石磨粒尖端主要分为两种类型：出现较多的三棱锥型和??出现较少的四棱锥型。采用激光显微镜测量金刚石磨粒的三维形貌，其中磨粒??９４％的尖端为三棱锥形，三棱锥中心线与侧面的夹角均值为６６。，该夹角主要分??布在５０°？８０°之间，中心线与侧棱边的夹角均值为７６。，该夹角主要分布在??６２°？８８°之间［１１６］，这两类夹角的分布范围，接近于中心线与侧面的夹角分布在??５０°￣８０°之间的正三棱锥对应的夹角分布范围。因此，为简化分析，将锯丝上金??刚石磨粒的尖端简化为带有球形尖端的正三棱锥，如图２－２所示，中心线与侧面??的夹角ａ分布在５０°？８０°之间。??球形尖端的球心位置为点０，尖端半径为圆心为〇’半径为ｒ的圆弧为球??形尖端在二棱锥侧面的截面部分，该圆弧同侧面的棱相切。球形尖端与三棱锥??部分的分界被定义为Ｉ－面［６９］。图２－２?．（ｃ）为图２－２?（ｂ）中的三角形放大??图。磨粒尖端顶点距理想三棱锥顶点Ｊ的长度为／／■。磨粒尖端从上往下依次被??分为三个部分：球形部分（０＜／７＜ｚＪｉ）、过渡部分和三棱锥部分（；７＞山）。??１４??
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