隨著電動(dòng)車(chē)和5G技術(shù)的興起,單晶碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料,由于其良好的性能在功率半導(dǎo)體元器件中逐漸普及。但單晶碳化硅的高硬度和高脆性導(dǎo)致其在切片加工中極易產(chǎn)生裂紋損傷,增加了晶片的破片率和后續(xù)加工成本,甚至影響單晶碳化硅元器件的性能。由于力學(xué)和數(shù)學(xué)工具的缺乏,對(duì)單晶碳化硅切片加工材料去除及裂紋擴(kuò)展機(jī)理的定量分析非常困難,切片加工時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片表層裂紋損傷的控制。本文以單晶碳化硅機(jī)械刻劃研究為基礎(chǔ),分析單磨粒刻劃過(guò)程的材料去除及裂紋擴(kuò)展機(jī)理,提出多磨�？虅澾^(guò)程裂紋間耦合作用的定量分析方法,建立單晶碳化硅晶片表層裂紋損傷深度的預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)表層裂紋損傷的分析和預(yù)測(cè)。研究工作對(duì)單晶碳化硅的高效高質(zhì)量切片加工和推動(dòng)單晶碳化硅元器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文的主要研究工作歸納如下:將金剛石線(xiàn)鋸上磨粒的尖端簡(jiǎn)化為帶有球形尖端的正三棱錐,綜合考慮劃痕的彈性恢復(fù)和硬度的尺寸效應(yīng),建立了單晶碳化硅單磨�？虅澋目虅澚涂虅潐喝肷疃汝P(guān)系模型,得到了刻劃力隨刻劃壓入深度的變化規(guī)律。分析了單磨�？虅澋目虅潙�(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,得到了中位裂紋、表面?zhèn)认蛄鸭y和亞表面?zhèn)认蛄鸭y擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。設(shè)計(jì)了利用鋸絲上的金剛... 

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圖１－２?６Ｈ－ＳｉＣ的Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ壓頭劃痕形貌［４４］??

現(xiàn)為塑性變形區(qū)間作用、塑性變形區(qū)與亞表面??側(cè)向裂紋間作用和亞表面?zhèn)认蛄鸭y間作用，且當(dāng)刻劃間距較小時(shí)，相互作用方??式為塑性變形區(qū)間相互作用，隨刻劃間距增大，相互作用方式逐漸轉(zhuǎn)為亞表面??側(cè)向裂紋間相互作用。??丨刻劃間距為一丨：：”’廣??『ｉｔ丨１?—々ｒｒ—產(chǎn)…丨丨——明??＊?＜??－?Ｑｊｏｏｗａｉ?Ｉ?．?＾１??ｌ?ｆ?亥１Ｊ劃間距為５０｜ｉｍ?刻劃間距為１００ｐｍ??久．．…一．．１?毯－??＾－??ｆ?２Ｑ〇Ｍｍ?１?２００ｐｍ??圖１－３光學(xué)玻璃的劃痕形貌隨刻劃間距的變化圖［７］??綜上所述，目前對(duì)多次刻劃的材料去除機(jī)理研究多集中于實(shí)驗(yàn)研宄，定性的??觀察劃痕間表面及亞表面裂紋的擴(kuò)展及交叉，但由于定量分析會(huì)涉及復(fù)雜的力??學(xué)和數(shù)學(xué)處理，缺少對(duì)于裂紋間的力學(xué)耦合作用的定量分析。本文將基于斷裂??力學(xué)為基礎(chǔ)，建立裂紋間耦合作用的力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋間耦合作用的定??量分析。??１．４．２多條裂紋擴(kuò)展問(wèn)題研究??應(yīng)力強(qiáng)度因子（ＳＩＦｓ）是斷裂力學(xué)中的一個(gè)重要物理參量，它表示裂紋尖端??局部區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，該參量的大小受裂紋形式、材料參數(shù)以及受載情況的??影響。Ｉｒｗｉｎ＾建立了?ＳＩＦｓ與裂紋尖端機(jī)械能釋放率之間的等效關(guān)系，基于能量??平衡概念和丨ｒｗｉｎ斷裂力學(xué)理論，如果材料內(nèi)部的裂紋尖端Ｓ丨Ｆｓ值大于斷裂韌??性，裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。因此，利用ＳＩＦｓ可以定量描述和分析裂紋的擴(kuò)展。??求得裂紋尖端ＳＩＦｓ值的方式主要為解析法和有限元法兩種。解析法包括積??分方程法和復(fù)變函數(shù)法，積分方程法可細(xì)分為奇異積分方程法和對(duì)偶積分方程??法。奇異積分方程方法［８９，９（）］是通

山東大學(xué)博士學(xué)位論文??尖端部位進(jìn)行建模分析。???／?Ｌ?／．ｖ??（ａ）六面體系列??（ｂ）八面體系列??（ｃ）聚形及畸形系列??圖２－１人工合成金剛石晶體形態(tài)??由圖２－１可知，金剛石磨粒尖端主要分為兩種類(lèi)型：出現(xiàn)較多的三棱錐型和??出現(xiàn)較少的四棱錐型。采用激光顯微鏡測(cè)量金剛石磨粒的三維形貌，其中磨粒??９４％的尖端為三棱錐形，三棱錐中心線(xiàn)與側(cè)面的夾角均值為６６。，該夾角主要分??布在５０°？８０°之間，中心線(xiàn)與側(cè)棱邊的夾角均值為７６。，該夾角主要分布在??６２°？８８°之間［１１６］，這兩類(lèi)夾角的分布范圍，接近于中心線(xiàn)與側(cè)面的夾角分布在??５０°￣８０°之間的正三棱錐對(duì)應(yīng)的夾角分布范圍。因此，為簡(jiǎn)化分析，將鋸絲上金??剛石磨粒的尖端簡(jiǎn)化為帶有球形尖端的正三棱錐，如圖２－２所示，中心線(xiàn)與側(cè)面??的夾角ａ分布在５０°？８０°之間。??球形尖端的球心位置為點(diǎn)０，尖端半徑為圓心為〇’半徑為ｒ的圓弧為球??形尖端在二棱錐側(cè)面的截面部分，該圓弧同側(cè)面的棱相切。球形尖端與三棱錐??部分的分界被定義為Ｉ－面［６９］。圖２－２?．（ｃ）為圖２－２?（ｂ）中的三角形放大??圖。磨粒尖端頂點(diǎn)距理想三棱錐頂點(diǎn)Ｊ的長(zhǎng)度為／／■。磨粒尖端從上往下依次被??分為三個(gè)部分：球形部分（０＜／７＜ｚＪｉ）、過(guò)渡部分和三棱錐部分（；７＞山）。??１４??


本文編號(hào)：2963480