【摘要】：單晶硅是性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料,廣泛應(yīng)用于集成電路、微納米尺度器件和微結(jié)構(gòu)的襯底基體材料。單晶硅雖然是典型的各向異性脆性材料,但在精密加工的過程中會(huì)表現(xiàn)為塑性行為,能實(shí)現(xiàn)塑性域材料去除。脆性材料的塑性域去除加工是其獲得高質(zhì)量精密加工表面的關(guān)鍵。以單晶硅納米刻劃加工研究為基礎(chǔ),控制單晶硅精密切片加工的裂紋損傷,能夠?qū)崿F(xiàn)單晶硅襯底晶片表層低裂紋或無(wú)裂紋損傷的精密切片加工。本文針對(duì)單晶硅開展納米壓痕、刻劃加工的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,以玻氏壓頭典型刻劃加工方向體現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)對(duì)納米刻劃加工的影響,研究了玻氏壓頭典型刻劃加工方向的殘余劃痕深度和材料去除率�；趩尉Ч杓{米壓痕和刻劃加工研究結(jié)果,建立了單晶硅切片加工工藝參數(shù)的確定方法。本文的研究成果對(duì)單晶硅材料的微結(jié)構(gòu)精密加工及金剛石線鋸精密切片加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。分析了納米壓痕儀玻氏壓頭尖端的微細(xì)結(jié)構(gòu)和壓痕法向接觸面積,提出了玻氏壓頭壓痕法向接觸面積的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,建立了玻氏壓頭與試件接觸的等效接觸模型,計(jì)算了玻氏壓頭與單晶硅粘附接觸的Tabor數(shù),提出了壓頭壓痕和刻劃接觸表面粘附力的計(jì)算方法,分析了玻氏壓頭沿三種典型刻劃加工方向的接觸問題,得到了玻氏壓頭在三種典型刻劃加工方向上法向、切向接觸面積計(jì)算公式和刻劃加工接觸面積隨刻劃加工接觸深度的變化規(guī)律。利用玻氏壓頭對(duì)單晶硅(100)晶面的拋光晶片進(jìn)行了法向載荷按2mN遞增的2至48mN納米壓痕實(shí)驗(yàn),獲得了單晶硅的力學(xué)性能、載荷-深度曲線和壓痕形貌,揭示了玻氏壓頭與單晶硅納米壓痕接觸的彈性接觸剛度隨法向載荷的變化規(guī)律,提取了不同法向載荷納米壓痕實(shí)驗(yàn)玻氏壓頭的最大壓入深度和殘余壓痕深度,建立了玻氏壓頭加載壓入單晶硅過程的作用力、壓入深度、綜合彈性變形量和殘余壓痕深度的理論模型,玻氏壓頭的壓入深度、殘余壓痕深度的計(jì)算結(jié)果與納米壓痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。建立了三個(gè)典型刻劃加工方向上玻氏壓頭刻劃加工的作用力理論模型,利用玻氏壓頭對(duì)單晶硅進(jìn)行了沿Φ=0°方向的變法向載荷刻劃加工實(shí)驗(yàn),以切向力劇烈變化為判據(jù),構(gòu)建了玻氏壓頭刻劃加工單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變的臨界法向載荷和臨界殘余劃痕深度的判定法則。利用玻氏壓頭沿Φ=0°和Φ=60°對(duì)單晶硅試件進(jìn)行了恒法向載荷刻劃加工實(shí)驗(yàn),實(shí)測(cè)了玻氏壓頭刻劃加工單晶硅的殘余劃痕深度和形貌。計(jì)算了玻氏壓頭刻劃加工單晶硅的彈性變形、殘余劃痕深度和材料去除率,殘余劃痕深度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析了法向載荷和刻劃加工方向?qū)ΣＪ蠅侯^刻劃加工單晶硅的殘余劃痕深度和材料去除率的影響。研制了母線基體直徑為60μm、磨粒D50為8.01μm的樹脂金剛石線鋸,進(jìn)行了鋸切加工單晶硅實(shí)驗(yàn),分析了金剛石磨粒凸露高度、磨粒位置分布規(guī)律和磨粒切削刃形狀,建立了磨粒位置隨機(jī)分布的樹脂金剛石線鋸三維形貌簡(jiǎn)化模型。分析了金剛石線鋸表面單顆金剛石磨粒的周向位置與鋸切加工中磨粒刻劃加工深度的關(guān)系,以玻氏壓頭刻劃加工單晶硅實(shí)驗(yàn)獲得的脆塑轉(zhuǎn)變臨界刻劃加工深度為依據(jù),分析了周向磨粒塑性域刻劃加工與金剛石線鋸進(jìn)給量之間的關(guān)系。建立了金剛石線鋸切片加工比進(jìn)給速度計(jì)算模型,以樹脂金剛石線鋸周向一定范圍內(nèi)的金剛石磨粒塑性域刻劃加工為前提,提出了單晶硅切片加工工藝參數(shù)的確定方法。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN304.12
【圖文】：

邐山東大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑困難１７３］。固結(jié)磨粒線鋸切片加工的材料去除機(jī)理是二體磨粒磨損，如圖ｌ－ｌ（ｂ）所逡逑示，其材料去除加工類似于磨削加工中磨粒對(duì)工件的滑擦、耕犁、切削作用，具逡逑有較高的材料去除率和較好的切片質(zhì)量，適用于大尺寸和高硬度晶體材料的切片逡逑加工。逡逑⑷邋ＵＩ．．ＩＩ邋．．ＩＩ邋ＩＪ邋邋邐邐邐邐邋．邋．■■■ＩＭ．ＨＪＩ—．邋（ｂ）邐＾邋ｍ邐0邋八．八■八，逡逑

第２章玻氏壓頭壓痕和納米刻劃加工接觸面積分析Ｈｅｒｔｚ彈性接觸理論，兩彈性球體的Ｈｅｒｔｚ接觸問題可轉(zhuǎn)化為圖２＿２所球體與剛性平面接觸的問題。同樣，彈性球體和彈性平面的接觸問化為彈性球體和剛性平面的接觸問題。轉(zhuǎn)化后彈性球體的曲率半徑徑凡其材料性能參數(shù)為綜合彈性模量受中心軸線法向載荷作的綜合彈性變形量為＜５，接觸區(qū)是一個(gè)以0為半徑的接觸圓。0和３可（２－７）計(jì)算。逡逑向載荷作用下，兩接觸體的實(shí)際接觸面積」＝７＾２邋＝邋７１／＾�？梢宰Cｊｉａｊ２邋＝２邐，即為兩接觸體塑性接觸條件下的接觸面積。逡逑

第２章玻氏壓頭壓痕和納米刻劃加工接觸面積分析ｕｌｌｅｒ、Ｙｕｓｈｃｈｅｎｋｏ和Ｄｅｒｊａｇｕｉｎ丨９８】對(duì)ＤＭＴ接觸理論和ＪＫＲ接觸理論進(jìn)分析。Ｂｒａｄｌｅｙ接觸理論針對(duì)剛性球與平面接觸問題，得出粘附力為接觸理論針對(duì)球與平面的Ｈｅｒｔｚ彈性接觸問題，假設(shè)分子力不改變球的，彈性球與平面的接觸變形符合Ｈｅｒｔｚ理論，并考慮球與平面彈性接觸接觸區(qū)域的分子力，建立了與Ｂｒａｄｌｅｙ接觸理論相一致的粘附力計(jì)算公ａ。ＪＫＲ接觸理論針對(duì)彈性模量較小的彈性球體的接觸問題，得出粘附力ＪＫＲ不考慮接觸區(qū)以外的粘附力影響，ＤＭＴ不考慮粘附力對(duì)接觸體響。ＭＹＤ對(duì)ＪＫＲ理論進(jìn)行了更精確解釋。逡逑ａｕｇｉｓ＾ｌ利用Ｄｕｇｄａｌｅ裂紋尖端塑性模型，裂紋尖端應(yīng)力達(dá)到材料的理論，粘結(jié)區(qū)應(yīng)力為常數(shù)且為材料的屈服應(yīng)力％，取材料的屈服應(yīng)力為理論強(qiáng)度，建立了邋Ｍａｕｇｉｓ－Ｄｕｇｄａｌｅ粘附接觸理論。逡逑

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