【摘要】：碳化硅(SiC)單晶作為第三代主要的半導(dǎo)體晶體材料,以其獨(dú)特的大禁帶寬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移率、高熱導(dǎo)率、強(qiáng)抗輻射能力和低介電常數(shù)等優(yōu)良的電學(xué)和理化特性,已廣泛應(yīng)用于空間光學(xué)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和光電集成等高科技領(lǐng)域。同時(shí),SiC單晶獨(dú)特的共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)決定其具有超高的硬度和脆性,是典型的難加工材料。傳統(tǒng)線鋸切割技術(shù)已很難滿足對(duì)SiC單晶等硬脆材料高效率、高質(zhì)量、窄切縫、低成本的切割要求,尤其是對(duì)大直徑、超薄SiC單晶片的精密切割。本文在傳統(tǒng)金剛石線鋸切割技術(shù)的基礎(chǔ)上施加了橫向超聲波振動(dòng),采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究橫向超聲激勵(lì)下金剛石線鋸振動(dòng)切割SiC單晶的切割機(jī)理,為大尺寸、超薄SiC單晶片的高效精密切割提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。建立軸向運(yùn)動(dòng)線鋸橫向振動(dòng)模型并推導(dǎo)其偏微分方程,利用變量分離求解出在兩種不同位置處施加橫向超聲波線鋸橫向受迫振動(dòng)的位移場(chǎng)函數(shù)表達(dá)式,以及線鋸系統(tǒng)自然頻率的函數(shù)表達(dá)式。結(jié)果表明:線鋸中間切割點(diǎn)處的振動(dòng)位移與超聲波在線鋸上施加的位置無關(guān),頻率與激振超聲波相同。為往復(fù)運(yùn)動(dòng)線鋸橫向超聲激勵(lì)振動(dòng)切割硬脆材料的可行性提供依據(jù)。同時(shí)從理論上分析運(yùn)動(dòng)線鋸的自然頻率、臨界速度與線鋸系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系�；诔曊駝�(dòng)接觸-分離的切割特點(diǎn),研究分析了柔性線鋸振動(dòng)切割硬脆材料的條件,即工件在一振動(dòng)周期內(nèi)的橫向進(jìn)給量不大于線鋸上磨粒在一振動(dòng)周期內(nèi)最大切割深度。用特征函數(shù)對(duì)線鋸振動(dòng)切割SiC單晶的切割狀態(tài)進(jìn)行表征,基于磨削理論研究分析了橫向超聲激勵(lì)金剛石線鋸振動(dòng)切割SiC單晶的平均有效鋸切力,并推導(dǎo)出橫向超聲激勵(lì)線鋸振動(dòng)切割SiC單晶臨界切削深度的預(yù)測(cè)公式。在相同條件下,超聲振動(dòng)線鋸切割SiC單晶的臨界切削深度與磨粒的振動(dòng)周期與周期內(nèi)磨粒的凈切割時(shí)間比值的平方根成正比。從理論上揭示了橫向超聲激勵(lì)線鋸提高SiC單晶臨界切削深度的機(jī)理,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。應(yīng)用沖量原理研究了橫向超聲激勵(lì)線鋸圓周方向不同位置處金剛石磨粒施加于SiC單晶工件的最大脈沖法向撞擊力。基于壓痕力學(xué)分析了在法向和切向載荷作用下,金剛石磨粒下方萌生中位裂紋和橫向裂紋的長(zhǎng)度及深度。通過分析線鋸橫截面圓周不同位置處磨粒萌生橫向裂紋對(duì)晶片表面的影響,推導(dǎo)出預(yù)測(cè)晶片表面粗糙度的計(jì)算公式。線鋸周向磨粒位置不同其切割模式也不同,位于塑性切割區(qū)域的磨粒刮擦作用有助于晶片表面質(zhì)量的提高;而脆性切割區(qū)域的磨粒有助于材料的去除,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。橫向超聲激勵(lì)線鋸振動(dòng)切割SiC單晶的過程,就是線鋸上金剛石磨粒不斷在工件表面高頻加載和卸載的過程,該過程形成了促使橫向裂紋優(yōu)先擴(kuò)展而抑制中位裂紋萌生的屏蔽效應(yīng)。中位裂紋的抑制改善了晶片的亞表面質(zhì)量,而橫向裂紋的優(yōu)先擴(kuò)展提高了材料的去除。在橫向超聲激勵(lì)線鋸振動(dòng)切割過程中,振動(dòng)使線鋸上磨粒切割SiC單晶的平均有效法向力減小,瞬間脈沖法向撞擊力增大。平均有效法向力的減小使得金剛石磨粒壓痕場(chǎng)下橫向裂紋的萌生深度降低,從而使晶片的表面質(zhì)量得以提高;瞬間脈沖法向撞擊力的增大使得橫向裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度增大,從而使材料去除率提高。建立了超聲振動(dòng)磨粒去除SiC單晶理論體積模型,推導(dǎo)出磨粒平均材料去除率的計(jì)算公式。通過改變線鋸的主要切割參數(shù),分別對(duì)超聲振動(dòng)線鋸和普通線鋸切割的材料去除率進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證理論分析的正確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ163.4;O786

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本文編號(hào)：2265919