横向超声辅助金刚石线锯振动切割单晶SiC技术研究

摘要

单晶碳化硅(SiC)作为第三代主要的半导体材料，是一种硬度高、耐腐蚀性能好、高温时抗辐射性强、导热性能良好的半导体材料，同时以其特有的大禁带宽度、高电子迁移率、高临界击穿场强和低介电常数等电学性能，已广泛应用到高温高频、空间光学、光电集成和微电子领域。传统的切割方法已经很难满足对SiC等硬脆材料高效率、窄切缝、高质量、低成本切割的要求，特别是对大直径、超薄晶片的切割。本课题在普通线锯切割的基础上施加横向超声波振动，重点对线锯的受迫振动、线锯振动锯切力、晶体的材料去除模式以及晶片的表面粗糙度进行研究。
　　基于固定弦线受迫振动模型，求解出在两种不同位置超声辅助线锯中间切割点横向振动位移的函数表达式，得出线锯往复运动切割对硬脆材料的切割机理和切割质量不会产生明显差异的结论。研究讨论了线锯切割系统的工艺参数对线锯固有频率的影响，求解出线锯的临界速度及线锯在切割过程中失稳分岔条件。
　　依据冲量定理和叠加原理，建立了横向超声辅助金刚石线锯的锯切力模型并推导出横向受迫振动线锯锯切单晶 SiC锯切力的预测公式，从理论上分析了电镀金刚石线锯施加超声振动后锯切力与传统线锯锯切力的区别。对 SiC单晶进行了横向超声辅助线锯振动切割和传统线锯切割对比实验，并分析横向超声振动对线锯锯切力的影响，结果表明相同实验条件下，横向超声振动线锯切割比传统线锯切割锯切力减小25％~35%。理论预测与实验结果具有较好一致性。
　　利用压痕断裂力学理论，分析硬脆材料的宏观和微观去除机理以及在单颗金刚石磨粒作用下材料内部裂纹系统的萌生。基于磨粒在锯丝表面的非连续性分布和工件与磨粒在加工中的相对运动关系，建立了单颗金刚石磨粒锯切力与锯丝总锯切力的关系。根据中位裂纹长度与横向裂纹深度的关系，建立了加工表面粗糙度值(SR)与法向载荷的关系。采用单因素法分别在有超声和无超声条件下进行工艺参数对 SiC单晶材料去除率和表面质量影响的验证实验，实验结果表明横向超声辅助线锯切割的材料去除率是普通线锯切割的2.5~3倍，表面粗糙度值降低25%~50%。
　　以上的研究成果，对于进一步研究金刚石线锯超精密切割大直径超薄 SiC单晶片的切割机理和加工参数的优化，具有重要的理论意义和应用价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 线锯切割技术的研究现状

1.4 课题的主要研究内容

第2章 实验系统组成与实验方法

2.1 实验系统组成

2.2 横向超声辅助金刚石线锯振动切割加工原理

2.3 主要实验仪器

2.4 实验材料

2.5 本章小结

第3章 超声辅助线锯切割的振动分析

3.1 线锯横向振动微分方程

3.2 横向超声振动复合线锯切割的特点

3.3 本章小结

第4章 锯切力的理论分析和实验研究

4.1 锯切力的理论研究

4.2 锯切力的实验研究

4.3 本章小结

第5章 材料去除机理研究及表面质量分析

5.1 硬脆材料的去除机理

5.2 横向超声辅助下线锯切割的去除实验

5.3 单颗磨粒的法向力计算

5.4 SiC表面裂纹计算分析

5.5 粗糙度的实验研究

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果