本文關(guān)鍵詞：單晶SiC基片超精密磨粒加工機理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：以集成電路(IC)和光電子器件制造為代表的微電子和光電子制造是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心,也是當(dāng)今世界競爭最激烈、發(fā)展最迅速的產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體材料是集成電路的基礎(chǔ),半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新引領(lǐng)信息產(chǎn)業(yè)與光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。單晶SiC作為第三代半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度寬、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強以及化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點,被廣泛用于耐高溫、耐高壓、抗輻照、大功率和高密度集成電力電子器件和光電子器件的襯底材料,要求具有超平坦、超光滑、無缺陷和無損傷表面,加工質(zhì)量直接決定著其應(yīng)用價值的高低和器件性能的優(yōu)劣。但是由于單晶SiC基片的高硬度和高脆性,采用傳統(tǒng)機械加工方法加工效率很低,加上其較強的化學(xué)穩(wěn)定性,傳統(tǒng)CMP方法難以獲得理想加工表面,單晶SiC基片的超精密加工理論尚待完善。本文首先研究單晶6H-SiC材料的變形行為,然后通過游離磨料的研磨、固著磨料的端面磨削及半固著磨料的集群磁流變拋光方式對單晶6H-SiC基片進(jìn)行高效超精密加工工藝研究,并通過亞表面損傷檢測研究材料的去除機理和超光滑表面形成規(guī)律,實現(xiàn)單晶6H-SiC基片的高效率減薄和超光滑拋光加工。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：1)采用納米壓痕、納米劃痕和維氏壓痕等方式研究單晶6H-SiC材料的變形行為,結(jié)果表明單晶6H-SiC基片的碳面硬度和彈性模量均比硅面略高,硬度值遠(yuǎn)超過莫氏硬度9,彈性模量E與硬度H之比小于14,脆性斷裂指數(shù)較高；單晶6H-SiC(0001)晶面在磨粒作用下存在彈性變形、塑性變形、塑性去除、塑性／脆性轉(zhuǎn)變和脆性斷裂五個階段,其轉(zhuǎn)變的近似臨界載荷分別為35mN、16mN、63mN和385mN。2)提出了一種能有效反映單晶6H-SiC基片是否存在亞表面損傷微裂紋以及微裂紋深度,并能準(zhǔn)確判斷出無亞表面微裂紋損傷表面的快速檢測方法。通過該方法觀察了單晶6H-SiC基片加工表面的裂紋特征,分析了研磨、磨削和集群磁流變拋光加工工藝條件下的亞表面微裂紋分布規(guī)律。3)建立了單晶SiC單面研磨的材料去除模型,并基于KD15BX精密平面研磨機,對單晶6H-SiC基片進(jìn)行了磨料種類、磨料粒徑、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速、研磨液流量、磨料濃度、研磨盤材質(zhì)及磨料分散性等單因素試驗,系統(tǒng)地分析了各因素對材料去除率、工件表面粗糙度和材料去除方式之間的關(guān)系,獲得了磨料發(fā)生出現(xiàn)二體摩擦研磨運動和三體摩擦研磨運動的工藝條件。磨料發(fā)生二體摩擦研磨運動時主要以微切削方式去除材料,獲得的工件表面光滑有光澤,但存在少量的塑性去除、脆性去除及脆塑性去除微劃痕；而以滾壓破碎去除為主的三體摩擦研磨運動獲得的工件表面主要為大量的脆性斷裂破碎坑,均勻無光澤。粗研磨階段,采用鑄鐵盤及4wt%濃度的W20金剛石磨料在研磨壓力4.408Psi、研磨盤轉(zhuǎn)速80r/min和研磨液流量20ml/min條件下能獲得高于2Oμm/min的材料去除率,而精研磨階段,采用銅盤及W3的金剛石磨料在研磨壓力4.408Psi、研磨盤轉(zhuǎn)速80r/min和研磨液流量15ml/min條件下能獲得Ra0.024μm的均勻無劃痕表面。4)采用#325金屬結(jié)合劑砂輪和#8000陶瓷結(jié)合劑砂輪在DMG-6011V超精密端面磨床上對單晶SiC基片進(jìn)行了平面磨削工藝試驗,分析了工藝參數(shù)對磨削表面粗糙度、表面形貌和亞表面損傷微裂紋的影響規(guī)律。磨削后的基片越靠近中心,砂輪磨粒經(jīng)過的軌跡密度越密、磨紋間距越小,所獲得的表面質(zhì)量越好,結(jié)果與理論分析一致；隨著砂輪進(jìn)給量的減小,表面粗糙度隨之變��；亞表面損傷層最大深度與其表面粗糙度Rz在數(shù)值和變化趨勢上均存在著線性比例關(guān)系。通過持續(xù)磨削試驗,分析了磨削時砂輪磨損量與材料去除量、砂輪表面形貌、最大磨削力、晶片表面質(zhì)量等關(guān)系,隨著砂輪表面磨粒的磨損,最大磨削力逐漸變大,晶片材料的脆性去除趨勢越來越明顯。最后優(yōu)化了#325砂輪磨削工藝參數(shù),獲得了表面粗糙度均值為Ra0.012μm,亞表面損傷層深度小于4μm且TTV小于3μm的平坦基片。5)通過對磁極排布方式、磁極端面形狀及不同磁極尺寸的磁場特性進(jìn)行了靜磁場有限元分析,選取一定直徑的圓柱平底磁極進(jìn)行同向規(guī)律排布時容易形成由多個獨立“微磨頭”組成的拋光膜,能實現(xiàn)工件與“微磨頭”的實際接觸面積最大化；詳細(xì)分析了集群磁流變拋光膜單個“微磨頭”運動過程對工件表面的動壓力變化規(guī)律,基于Preston方程并結(jié)合工件材料屬性對材料去除的影響,建立了集群磁流變平面拋光的材料去除數(shù)學(xué)模型；建立了工件定偏心拋光、工件線性插補不定偏心拋光、工件X方向不定偏心拋光和Y方向不定偏心拋光時磨粒運動幾何學(xué)模型并通過計算機仿真分析了各因數(shù)對拋光效果的影響規(guī)律。6)利用同向排布的圓柱平底永磁體和環(huán)形永磁體形成柔性拋光膜,對K9玻璃、單晶Si和單晶SiC基片進(jìn)行拋光,證明了集群磁流變平面拋光加工的集群特性,并發(fā)現(xiàn)了該方法具有高效率去除加工表面高頻凸點的特性。通過對單晶6H-SiC基片的弧形拋光帶截面和表面形貌進(jìn)行分析,并通過拋光帶不同區(qū)域材料實際去除量與材料去除率仿真曲線進(jìn)行比較,驗證了材料去除模型的正確性并分析了基于集群磁流變的單晶6H-SiC材料去除機理。通過ph值、磨料濃度、溶膠匹配性、拋光溫度和氧化劑等因素對單晶6H-SiC的集群磁流變液組分進(jìn)行了優(yōu)化,能獲得表面粗糙度為Ra0.293 nm的光滑無亞表面損傷裂紋基片。
【關(guān)鍵詞】：單晶SiC基片 磨粒加工 集群磁流變效應(yīng) 亞表面損傷 材料去除機理
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-10
• 目錄10-14
• CONTENTS14-18
• 主要符號表18-20
• 第一章 緒論20-34
• 1.1 本課題的研究背景與意義20-25
• 1.2 單晶SiC基片超精密磨粒加工研究現(xiàn)狀25-32
• 1.2.1 基于游離磨料的研磨拋光加工26-27
• 1.2.2 基于固著磨料的磨削加工27-28
• 1.2.3 基于半固著磨料的磁流變拋光加工28-29
• 1.2.4 化學(xué)機械拋光29-31
• 1.2.5 特種加工31-32
• 1.3 課題的來源32
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容32-34
• 第二章 單晶6H-SIC基片的磨粒作用行為研究34-56
• 2.1 引言34
• 2.2 單晶6H-SiC基片的納米力學(xué)試驗34-46
• 2.2.1 納米力學(xué)測試儀器34-35
• 2.2.2 納米壓痕測試原理35-39
• 2.2.3 測試結(jié)果39-46
• 2.3 單晶6H-SiC基片的脆性斷裂試驗46-52
• 2.3.1 試驗設(shè)備及微裂紋觀察方法46-50
• 2.3.2 試驗結(jié)果與分析50-52
• 2.4 材料去除綜合分析52-54
• 2.5 本章小結(jié)54-56
• 第三章 單晶6H-SIC基片的研磨加工研究56-79
• 3.1 引言56
• 3.2 研磨加工理論分析56-60
• 3.2.1 研磨加工原理56-57
• 3.2.2 研磨過程材料去除模型57-60
• 3.3 研磨試驗60-75
• 3.3.1 試驗設(shè)備60-61
• 3.3.2 試驗方法61-62
• 3.3.3 試驗結(jié)果62-75
• 3.4 研磨加工材料去除過程綜合分析75-78
• 3.5 本章小結(jié)78-79
• 第四章 單晶6H-SIC基片超精密磨削加工研究79-110
• 4.1 引言79
• 4.2 超精密端面磨削加工原理79-86
• 4.2.1 超精密厚度測量原理80-81
• 4.2.2 超精密進(jìn)給理論81-82
• 4.2.3 超精密表面形成理論82-86
• 4.3 試驗條件86-89
• 4.3.1 試驗設(shè)備86-88
• 4.3.2 試驗方法88-89
• 4.4 磨削結(jié)果分析89-105
• 4.4.1 表面形貌特征89-93
• 4.4.2 對表面粗糙度的影響93-95
• 4.4.3 砂輪磨損觀察95-97
• 4.4.4 磨削力特征97-99
• 4.4.5 亞表面損傷分析99-104
• 4.4.6 磨削工藝優(yōu)化104-105
• 4.5 固著磨粒材料去除過程分析105-107
• 4.6 本章小結(jié)107-110
• 第五章 單晶6H-SiG基片的集群磁流變拋光加工研究110-148
• 5.1 引言110-111
• 5.2 集群平面磁場特性仿真優(yōu)化111-115
• 5.2.1 磁極排布方向?qū)Υ帕髯冃?yīng)拋光膜特性影響111-113
• 5.2.2 磁極形狀對磁流變效應(yīng)拋光膜特性的影響113
• 5.2.3 磁極尺寸對集群磁流變效應(yīng)拋光膜特性的影響113-115
• 5.3 集群磁流變拋光膜材料去除模型115-119
• 5.3.1 “微磨頭”對工件表面的磁流變效應(yīng)壓力117
• 5.3.2 “微磨頭”對工件的流體動壓力117-118
• 5.3.3 材料去除模型118-119
• 5.4 集群磁流變平面拋光磨粒運動軌跡分析及仿真119-125
• 5.4.1 磨料運動軌跡的數(shù)學(xué)建模119-122
• 5.4.2 磨料運動軌跡計算機仿真122-125
• 5.5 集群磁流變平面拋光加工過程研究125-132
• 5.5.1 試驗方法125-126
• 5.5.2 集群磁流變拋光膜集群特性分析126-128
• 5.5.3 集群磁流變平面拋光加工工藝研究128-132
• 5.6 集群磁流變平面拋光工作液組分優(yōu)化試驗132-140
• 5.6.1 pH值對拋光效果的影響133-134
• 5.6.2 金剛石磨料濃度對拋光效果的影響134-136
• 5.6.3 磨粒溶膠匹配對拋光效果的影響136-138
• 5.6.4 拋光工作液溫度對拋光效果的影響138-139
• 5.6.5 氧化劑對拋光效果的影響139-140
• 5.7 單晶6H-SiC基片的集群磁流變拋光表面形貌分析140-141
• 5.8 單晶6H-SiC的集群磁流變拋光材料去除機理分析141-144
• 5.9 新型集群磁流變拋光裝置設(shè)計144-146
• 5.10 本章小結(jié)146-148
• 全文主要結(jié)論與展望148-152
• 參考文獻(xiàn)152-162
• 攻讀博士學(xué)位期間所取得的成果162-165
• 致謝16

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