發(fā)布時(shí)間：2017-08-03 01:13

  本文關(guān)鍵詞：SiC單晶線鋸切片微裂紋損傷深度及翹曲度有限元分析

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【摘要】：SiC單晶是繼Si和GaAs后發(fā)展起來的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料,具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而SiC單晶硬度大、脆性高等特點(diǎn),使得存在鋸切加工效率低、切片表面質(zhì)量差、易碎片等問題。切片微裂紋損傷深度和翹曲度是評(píng)價(jià)切片質(zhì)量重要指標(biāo),微裂紋損傷深度直接影響后續(xù)工序量、晶片機(jī)械強(qiáng)度與成品率,翹曲度屬于體缺陷,一旦形成,后續(xù)研磨、拋光工序中很難改善。而切割工序是控制切片微裂紋損傷深度和翹曲度的關(guān)鍵。本文基于有限元法,對(duì)SiC單晶電鍍金剛石線鋸鋸切過程切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)、微裂紋損傷深度及翹曲度進(jìn)行了研究,主要工作如下：根據(jù)SiC單晶線鋸鋸切加工中材料脆性斷裂去除機(jī)理,基于brittle cracking model本構(gòu)模型,建立了SiC單晶線鋸切割有限元分析模型和切片微裂紋損傷深度分析模型。選取與SiC單晶具有相似鋸切加工機(jī)理與硬脆材料特性的Si單晶為鋸切加工對(duì)象,對(duì)切片微裂紋損傷深度計(jì)算分析模型進(jìn)行驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,對(duì)鋸切工藝參數(shù)與SiC切片微裂紋損傷深度間關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：有限元計(jì)算分析模型的仿真值均小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,這是因?yàn)榉抡娼：雎粤巳毕�、切削熱及鋸絲振動(dòng)等因素對(duì)微裂紋損傷深度的影響。在不同鋸切工藝參數(shù)下,實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真計(jì)算分析模型結(jié)果變化趨勢(shì)一致,其相對(duì)誤差均在20%-25%,間接驗(yàn)證SiC單晶切片微裂紋損傷深度計(jì)算分析模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SiC切片微裂紋損傷深度的快速分析與計(jì)算。切片的微裂紋損傷深度隨著鋸絲運(yùn)動(dòng)速度提高和晶體進(jìn)給速度降低而減小,進(jìn)給速度變化對(duì)切片微裂紋損傷深度影響更顯著。依據(jù)SiC單晶PVT法生長(zhǎng)內(nèi)部缺陷存在的實(shí)際情況,建立了含球狀孔洞缺陷SiC單晶線鋸切割有限元模型,結(jié)合應(yīng)力集中理論,研究了不同相對(duì)位置和尺寸的孔洞缺陷對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)影響。根據(jù)缺陷對(duì)切片應(yīng)力集中效應(yīng)程度,探討了孔洞缺陷位置和尺寸對(duì)鋸切過程切片破碎概率影響。研究表明孔洞缺陷存在,會(huì)引起局部應(yīng)力集中,加劇微裂紋萌生與擴(kuò)展,不同相對(duì)位置和尺寸的孔洞缺陷對(duì)鋸切過程切片應(yīng)力集中程度有明顯差異。當(dāng)缺陷位于切片內(nèi)并無限接近切片表面時(shí),對(duì)切片應(yīng)力集中程度影響最強(qiáng)烈,切片鋸切過程中發(fā)生破碎幾率最高,鋸切時(shí)盡量少選擇該鋸切位置；當(dāng)缺陷位于切除層中心時(shí),缺陷尺寸變化對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)幾乎無影響,切片鋸切過程中發(fā)生破碎幾率最低,屬于相對(duì)較好的鋸切位置�；跓釓椥岳碚�,建立了線鋸切割SiC單晶熱分析有限元模型,分析了鋸切過程中切片溫度場(chǎng)、溫度梯度、熱應(yīng)力場(chǎng)以及節(jié)點(diǎn)熱變形位移場(chǎng)的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)切片節(jié)點(diǎn)熱變形位移場(chǎng),建立了SiC單晶線鋸切片翹曲度計(jì)算分析模型,研究了切片厚度、鋸絲工藝參數(shù)(鋸絲速度、進(jìn)給速度、鋸絲線徑及鋸絲張緊力)與切片翹曲度之間關(guān)系。結(jié)果表明：SiC單晶鋸口處溫度最高,并且鋸切過程中切片溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、熱變形位移具有類似的遞增規(guī)律。切片越薄其自身剛度越小,鋸切中切片翹曲就越嚴(yán)重,切片翹曲度隨著鋸絲張緊力和線徑增大而減小,隨著鋸絲速度和進(jìn)給速度增大而增大,相對(duì)于鋸絲運(yùn)動(dòng)速度,降低晶體進(jìn)給速度對(duì)改善切片翹曲度效果更明顯。
【關(guān)鍵詞】：SiC單晶 電鍍金剛石線鋸 切片 翹曲度 微裂紋損傷深度
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304.24
【目錄】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第1章 緒論13-23
• 1.1 課題研究的背景與意義13-14
• 1.2 電鍍金剛石線鋸切片技術(shù)研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 晶體切片微裂紋損傷及翹曲度研究16-18
• 1.3.1 晶體切片微裂紋損傷研究16-17
• 1.3.2 晶體切片翹曲度研究17-18
• 1.4 材料加工仿真分析18-22
• 1.4.1 Brittle cracking model仿真應(yīng)用19-20
• 1.4.2 缺陷對(duì)應(yīng)力集中影響20-21
• 1.4.3 材料加工溫度場(chǎng)仿真21-22
• 1.5 本文主要工作22-23
• 第2章 電鍍金剛石線鋸切割SiC單晶基礎(chǔ)理論23-31
• 2.1 SiC晶體結(jié)構(gòu)與材料特性23-26
• 2.1.1 SiC晶體結(jié)構(gòu)23-25
• 2.1.2 SiC材料特性25-26
• 2.2 SiC單晶鋸切受力分析26-30
• 2.2.1 鋸切力模型26-28
• 2.2.2 晶體所受鋸切力等效28-30
• 2.3 本章小結(jié)30-31
• 第3章 SiC單晶切片微裂紋損傷深度的有限元分析31-45
• 3.1 脆性開裂本構(gòu)模型31-33
• 3.1.1 微裂紋開裂判據(jù)33
• 3.2 線鋸切割有限元模型建立33-36
• 3.2.1 SiC單晶線切割模擬流程34
• 3.2.2 模型的單位量綱34-35
• 3.2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件35
• 3.2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證35-36
• 3.3 鋸切應(yīng)力場(chǎng)分析36-37
• 3.4 切片微裂紋損傷深度分析與計(jì)算37-41
• 3.4.1 切片主應(yīng)力變化率37-39
• 3.4.2 切片微裂紋損傷深度39
• 3.4.3 切片微裂紋損傷深度計(jì)算分析模型驗(yàn)證39-41
• 3.5 鋸切工藝參數(shù)對(duì)切片微裂紋損傷深度影響41-43
• 3.5.1 進(jìn)給速度對(duì)切片微裂紋損傷深度影響41-42
• 3.5.2 鋸絲速度對(duì)切片微裂紋損傷深度影響42-43
• 3.6 本章小結(jié)43-45
• 第4章 SiC單晶中孔洞缺陷對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)影響45-57
• 4.1 受均布拉力無限體球狀孔洞缺陷處應(yīng)力分析理論模型45-46
• 4.2 孔洞缺陷相對(duì)切片表面位置46-47
• 4.3 含孔洞缺陷SiC晶體線切割有限元建模47-48
• 4.4 孔洞缺陷的位置對(duì)切片應(yīng)力集中效應(yīng)影響48-53
• 4.4.1 不同相對(duì)位置的孔洞缺陷對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)影響48-50
• 4.4.2 不同相對(duì)位置的孔洞缺陷處應(yīng)力集中效應(yīng)分析50-53
• 4.5 孔洞缺陷的尺寸對(duì)切片應(yīng)力集中效應(yīng)影響53-56
• 4.5.1 孔洞缺陷的尺寸對(duì)切片主應(yīng)力分布影響53-55
• 4.5.2 不同尺寸的孔洞缺陷處應(yīng)力集中效應(yīng)55-56
• 4.6 本章小結(jié)56-57
• 第5章 SiC單晶線鋸切片翹曲度分析57-73
• 5.1 SiC單晶鋸切熱分析理論基礎(chǔ)57-62
• 5.1.1 線鋸切割溫度場(chǎng)分析基本原理57-61
• 5.1.2 熱應(yīng)力分析基礎(chǔ)理論61-62
• 5.2 SiC單晶線切割熱分析有限元模型建立62-63
• 5.3 熱分析仿真結(jié)果分析與討論63-66
• 5.3.1 晶體與切片溫度場(chǎng)分析63-65
• 5.3.2 切片熱應(yīng)力分析65-66
• 5.4 切片翹曲度分析與計(jì)算66-68
• 5.4.1 翹曲度分析67
• 5.4.2 翹曲度計(jì)算67-68
• 5.5 切片厚度對(duì)翹曲度影響68-69
• 5.6 鋸切工藝參數(shù)對(duì)切片翹曲度的影響69-72
• 5.6.1 鋸絲張緊力對(duì)翹曲度影響69-70
• 5.6.2 鋸絲線徑對(duì)翹曲度影響70
• 5.6.3 鋸絲速度對(duì)翹曲度影響70-71
• 5.6.4 進(jìn)給速度對(duì)翹曲度影響71-72
• 5.7 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 攻讀學(xué)位期間取得的成果、參加的課題81-83
• 致謝83-84
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表84

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