单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究

发布时间：2017-05-12 14:09

  本文关键词：单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：以集成电路(IC)和光电子器件制造为代表的微电子和光电子制造是电子信息产业的核心,也是当今世界竞争最激烈、发展最迅速的产业。半导体材料是集成电路的基础,半导体技术的创新引领信息产业与光电子产业的发展。单晶SiC作为第三代半导体材料,具有禁带宽度宽、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及化学稳定性良好等优点,被广泛用于耐高温、耐高压、抗辐照、大功率和高密度集成电力电子器件和光电子器件的衬底材料,要求具有超平坦、超光滑、无缺陷和无损伤表面,加工质量直接决定着其应用价值的高低和器件性能的优劣。但是由于单晶SiC基片的高硬度和高脆性,采用传统机械加工方法加工效率很低,加上其较强的化学稳定性,传统CMP方法难以获得理想加工表面,单晶SiC基片的超精密加工理论尚待完善。本文首先研究单晶6H-SiC材料的变形行为,然后通过游离磨料的研磨、固着磨料的端面磨削及半固着磨料的集群磁流变抛光方式对单晶6H-SiC基片进行高效超精密加工工艺研究,并通过亚表面损伤检测研究材料的去除机理和超光滑表面形成规律,实现单晶6H-SiC基片的高效率减薄和超光滑抛光加工。论文的主要研究内容和结果如下：1)采用纳米压痕、纳米划痕和维氏压痕等方式研究单晶6H-SiC材料的变形行为,结果表明单晶6H-SiC基片的碳面硬度和弹性模量均比硅面略高,硬度值远超过莫氏硬度9,弹性模量E与硬度H之比小于14,脆性断裂指数较高；单晶6H-SiC(0001)晶面在磨粒作用下存在弹性变形、塑性变形、塑性去除、塑性／脆性转变和脆性断裂五个阶段,其转变的近似临界载荷分别为35mN、16mN、63mN和385mN。2)提出了一种能有效反映单晶6H-SiC基片是否存在亚表面损伤微裂纹以及微裂纹深度,并能准确判断出无亚表面微裂纹损伤表面的快速检测方法。通过该方法观察了单晶6H-SiC基片加工表面的裂纹特征,分析了研磨、磨削和集群磁流变抛光加工工艺条件下的亚表面微裂纹分布规律。3)建立了单晶SiC单面研磨的材料去除模型,并基于KD15BX精密平面研磨机,对单晶6H-SiC基片进行了磨料种类、磨料粒径、研磨压力、研磨盘转速、研磨液流量、磨料浓度、研磨盘材质及磨料分散性等单因素试验,系统地分析了各因素对材料去除率、工件表面粗糙度和材料去除方式之间的关系,获得了磨料发生出现二体摩擦研磨运动和三体摩擦研磨运动的工艺条件。磨料发生二体摩擦研磨运动时主要以微切削方式去除材料,获得的工件表面光滑有光泽,但存在少量的塑性去除、脆性去除及脆塑性去除微划痕；而以滚压破碎去除为主的三体摩擦研磨运动获得的工件表面主要为大量的脆性断裂破碎坑,均匀无光泽。粗研磨阶段,采用铸铁盘及4wt%浓度的W20金刚石磨料在研磨压力4.408Psi、研磨盘转速80r/min和研磨液流量20ml/min条件下能获得高于2Oμm/min的材料去除率,而精研磨阶段,采用铜盘及W3的金刚石磨料在研磨压力4.408Psi、研磨盘转速80r/min和研磨液流量15ml/min条件下能获得Ra0.024μm的均匀无划痕表面。4)采用#325金属结合剂砂轮和#8000陶瓷结合剂砂轮在DMG-6011V超精密端面磨床上对单晶SiC基片进行了平面磨削工艺试验,分析了工艺参数对磨削表面粗糙度、表面形貌和亚表面损伤微裂纹的影响规律。磨削后的基片越靠近中心,砂轮磨粒经过的轨迹密度越密、磨纹间距越小,所获得的表面质量越好,结果与理论分析一致；随着砂轮进给量的减小,表面粗糙度随之变小；亚表面损伤层最大深度与其表面粗糙度Rz在数值和变化趋势上均存在着线性比例关系。通过持续磨削试验,分析了磨削时砂轮磨损量与材料去除量、砂轮表面形貌、最大磨削力、晶片表面质量等关系,随着砂轮表面磨粒的磨损,最大磨削力逐渐变大,晶片材料的脆性去除趋势越来越明显。最后优化了#325砂轮磨削工艺参数,获得了表面粗糙度均值为Ra0.012μm,亚表面损伤层深度小于4μm且TTV小于3μm的平坦基片。5)通过对磁极排布方式、磁极端面形状及不同磁极尺寸的磁场特性进行了静磁场有限元分析,选取一定直径的圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立“微磨头”组成的抛光膜,能实现工件与“微磨头”的实际接触面积最大化；详细分析了集群磁流变抛光膜单个“微磨头”运动过程对工件表面的动压力变化规律,基于Preston方程并结合工件材料属性对材料去除的影响,建立了集群磁流变平面抛光的材料去除数学模型；建立了工件定偏心抛光、工件线性插补不定偏心抛光、工件X方向不定偏心抛光和Y方向不定偏心抛光时磨粒运动几何学模型并通过计算机仿真分析了各因数对抛光效果的影响规律。6)利用同向排布的圆柱平底永磁体和环形永磁体形成柔性抛光膜,对K9玻璃、单晶Si和单晶SiC基片进行抛光,证明了集群磁流变平面抛光加工的集群特性,并发现了该方法具有高效率去除加工表面高频凸点的特性。通过对单晶6H-SiC基片的弧形抛光带截面和表面形貌进行分析,并通过抛光带不同区域材料实际去除量与材料去除率仿真曲线进行比较,验证了材料去除模型的正确性并分析了基于集群磁流变的单晶6H-SiC材料去除机理。通过ph值、磨料浓度、溶胶匹配性、抛光温度和氧化剂等因素对单晶6H-SiC的集群磁流变液组分进行了优化,能获得表面粗糙度为Ra0.293 nm的光滑无亚表面损伤裂纹基片。
【关键词】：单晶SiC基片 磨粒加工 集群磁流变效应 亚表面损伤 材料去除机理
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-14
• CONTENTS14-18
• 主要符号表18-20
• 第一章 绪论20-34
• 1.1 本课题的研究背景与意义20-25
• 1.2 单晶SiC基片超精密磨粒加工研究现状25-32
• 1.2.1 基于游离磨料的研磨抛光加工26-27
• 1.2.2 基于固着磨料的磨削加工27-28
• 1.2.3 基于半固着磨料的磁流变抛光加工28-29
• 1.2.4 化学机械抛光29-31
• 1.2.5 特种加工31-32
• 1.3 课题的来源32
• 1.4 论文主要研究内容32-34
• 第二章 单晶6H-SIC基片的磨粒作用行为研究34-56
• 2.1 引言34
• 2.2 单晶6H-SiC基片的纳米力学试验34-46
• 2.2.1 纳米力学测试仪器34-35
• 2.2.2 纳米压痕测试原理35-39
• 2.2.3 测试结果39-46
• 2.3 单晶6H-SiC基片的脆性断裂试验46-52
• 2.3.1 试验设备及微裂纹观察方法46-50
• 2.3.2 试验结果与分析50-52
• 2.4 材料去除综合分析52-54
• 2.5 本章小结54-56
• 第三章 单晶6H-SIC基片的研磨加工研究56-79
• 3.1 引言56
• 3.2 研磨加工理论分析56-60
• 3.2.1 研磨加工原理56-57
• 3.2.2 研磨过程材料去除模型57-60
• 3.3 研磨试验60-75
• 3.3.1 试验设备60-61
• 3.3.2 试验方法61-62
• 3.3.3 试验结果62-75
• 3.4 研磨加工材料去除过程综合分析75-78
• 3.5 本章小结78-79
• 第四章 单晶6H-SIC基片超精密磨削加工研究79-110
• 4.1 引言79
• 4.2 超精密端面磨削加工原理79-86
• 4.2.1 超精密厚度测量原理80-81
• 4.2.2 超精密进给理论81-82
• 4.2.3 超精密表面形成理论82-86
• 4.3 试验条件86-89
• 4.3.1 试验设备86-88
• 4.3.2 试验方法88-89
• 4.4 磨削结果分析89-105
• 4.4.1 表面形貌特征89-93
• 4.4.2 对表面粗糙度的影响93-95
• 4.4.3 砂轮磨损观察95-97
• 4.4.4 磨削力特征97-99
• 4.4.5 亚表面损伤分析99-104
• 4.4.6 磨削工艺优化104-105
• 4.5 固着磨粒材料去除过程分析105-107
• 4.6 本章小结107-110
• 第五章 单晶6H-SiG基片的集群磁流变抛光加工研究110-148
• 5.1 引言110-111
• 5.2 集群平面磁场特性仿真优化111-115
• 5.2.1 磁极排布方向对磁流变效应抛光膜特性影响111-113
• 5.2.2 磁极形状对磁流变效应抛光膜特性的影响113
• 5.2.3 磁极尺寸对集群磁流变效应抛光膜特性的影响113-115
• 5.3 集群磁流变抛光膜材料去除模型115-119
• 5.3.1 “微磨头”对工件表面的磁流变效应压力117
• 5.3.2 “微磨头”对工件的流体动压力117-118
• 5.3.3 材料去除模型118-119
• 5.4 集群磁流变平面抛光磨粒运动轨迹分析及仿真119-125
• 5.4.1 磨料运动轨迹的数学建模119-122
• 5.4.2 磨料运动轨迹计算机仿真122-125
• 5.5 集群磁流变平面抛光加工过程研究125-132
• 5.5.1 试验方法125-126
• 5.5.2 集群磁流变抛光膜集群特性分析126-128
• 5.5.3 集群磁流变平面抛光加工工艺研究128-132
• 5.6 集群磁流变平面抛光工作液组分优化试验132-140
• 5.6.1 pH值对抛光效果的影响133-134
• 5.6.2 金刚石磨料浓度对抛光效果的影响134-136
• 5.6.3 磨粒溶胶匹配对抛光效果的影响136-138
• 5.6.4 抛光工作液温度对抛光效果的影响138-139
• 5.6.5 氧化剂对抛光效果的影响139-140
• 5.7 单晶6H-SiC基片的集群磁流变抛光表面形貌分析140-141
• 5.8 单晶6H-SiC的集群磁流变抛光材料去除机理分析141-144
• 5.9 新型集群磁流变抛光装置设计144-146
• 5.10 本章小结146-148
• 全文主要结论与展望148-152
• 参考文献152-162
• 攻读博士学位期间所取得的成果162-165
• 致谢16

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 丁鹏中;杜成斌;郭斐;;不同颗粒含量磁流变弹性体的力学性能研究[J];电子测试;2014年03期

2 柏宗春;李小宁;陈新;;基于磁流变原理的旋转制动器的研究[J];流体传动与控制;2010年04期

3 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 黄尚廉;;磁流变技术及其潜在工程应用概述[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

2 廖昌荣;张玉麟;李立新;陈伟民;黄尚廉;;磁流变材料的模型描述及影响因素分析[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

3 王庆辉;吴张永;温成卓;吴喜;;磁流变液压技术的发展现状与展望[A];2011装备制造业绿色创造 节能减排发展论坛论文集[C];2011年

4 宣守虎;张燕丽;周玉凤;江万权;龚兴龙;;相变型磁流变材料的制备与力学性能研究[A];第六届全国电磁流变液及其应用学术会议程序册及论文摘要集[C];2011年

5 叶兴柱;龚兴龙;江万权;严长青;;磁流变胶的沉降和力学性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（3）[C];2007年

6 汤爱军;阎秋生;路家斌;高伟强;李伟华;田虹;;磁极形状对磁流变抛光加工效果影响的研究[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年

7 汤爱军;阎秋生;路家斌;高伟强;李伟华;田虹;;磁极形状对磁流变抛光加工效果影响的研究[A];2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集[C];2007年

8 许阳光;龚兴龙;宣守虎;;新型高性能磁流变材料的制备、表征及机理研究[A];第六届全国电磁流变液及其应用学术会议程序册及论文摘要集[C];2011年

9 卢秀首;乔秀颖;龚兴龙;杨涛;李伟;孙康;李盟;杨康;谢宏恩;殷奇;王东;陈晓东;;各向同性和各向异性热塑性磁流变弹性体的制备与表征[A];中国流变学研究进展（2010）[C];2010年

10 张平;刘奇;王东亚;黄元龙;;磁流变体流变学特性研究[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 郑军;磁流变传动理论与试验研究[D];重庆大学;2008年

2 柴京富;集群磁流变效应研磨刷研抛工具加工机理研究[D];广东工业大学;2011年

3 司鹄;磁流变体的力学机理研究[D];重庆大学;2003年

4 彭小强;确定性磁流变抛光的关键技术研究[D];国防科学技术大学;2004年

5 白杨;磁流变抛光液的研制及去除函数稳定性研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

6 路家斌;电磁流变协同效应微磨头加工机理研究[D];广东工业大学;2011年

7 王慧军;超声波磁流变复合抛光关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

8 陈琳;磁流变弹性体的研制及其力学行为的表征[D];中国科学技术大学;2009年

9 张玮;复合型磁流变弹性体的研制及其性能研究[D];中国科学技术大学;2011年

10 王银玲;橡胶基金属铁粒子复合材料的制备及其作为磁流变弹性体在安全工程中应用的研究[D];中国科学技术大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李林斌;磁流变抛光循环系统优化设计技术研究[D];中国工程物理研究院;2012年

2 郭元锋;汽车磁流变风扇离合器的分析与设计[D];重庆大学;2008年

3 王春辉;还原铁粉磁流变抛光液的合成及性能研究[D];东北大学;2011年

4 程振永;小口径非球面的磁流变抛光技术研究[D];湖南大学;2013年

5 杨志国;搅拌型磁流变体石油钻机辅助刹车装置的研究[D];湖南大学;2013年

6 金方银;磁流变液压伺服阀的驱动机理与实验研究[D];杭州电子科技大学;2012年

7 尤伟伟;磁流变抛光的关键技术研究[D];国防科学技术大学;2004年

8 汤爱军;集群磁流变效应微磨头平面研抛加工技术研究[D];广东工业大学;2008年

9 田虹;电磁流变效应微砂轮研抛加工机理研究[D];广东工业大学;2008年

10 龚晓俊;模具型腔表面磁流变抛光技术研究[D];浙江工业大学;2012年

  本文关键词：单晶SiC基片超精密磨粒加工机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：359974