横向超声辅助线锯振动切割单晶SiC法向锯切力研究

锯切力是线锯切割加工中极其重要的参数,它不仅影响切割效率和晶片的表面质量,而且还严重影响晶片的亚表面损伤程度和线锯的寿命.本文将横向超声振动应用于金刚石线锯切割单晶SiC过程中并对受迫振动线锯的法向锯切力进行理论分析和研究.基于轴向运动弦线受迫振动模型,求解出在两种不同位置超声激励下线锯中间切割点横向振动位移的函数表达式;依据冲量定理和磨削理论,建立了横向超声辅助金刚石线锯的法向锯切力模型并推导出横向受迫振动线锯锯切单晶SiC法向锯切力的预测公式.对单晶SiC进行横向超声辅助线锯振动切割和普通线锯切割对比实验并分析横向超声振动和加工参数对线锯法向锯切力的影响,结果表明相同实验条件下,横向超声振动切割比普通线锯切割法向锯切力减小25; ～35;.理论预测与实验结果具有较好一致性.     

超声辅助线锯切割SiC单晶实验研究

针对单晶SiC切割过程切割效率低,加工表面粗糙度和表面不平度差以及线锯磨损和断裂严重等问题,提出采用线锯横向施加超声振动的方法切割单晶SiC.通过实验对比研究了普通切割与超声辅助切割两种切割工艺,结果表明:与普通切割相比,超声辅助切割单晶SiC,锯切力减小37;～52;,且减小趋势随工件进给速度的增大更明显;切片表面粗糙度降幅约为26;～55;,晶片表面形貌均匀,无划痕,明显优于普通切割方法所获得的表面;线锯磨损降低约近40;;切割效率提高近56;.     

钎焊金刚石线锯切割单晶硅时的材料去除机理研究

利用钎焊金刚石线锯,在恒进给速度的方式下对单晶硅材料进行切割加工,探讨切割参数对切割力及表面粗糙度的影响机制.建立了金刚石线锯的切割力模型,推导线锯横截面不同位置处金刚石磨粒的法向力与线锯总法向力之间的关系式,依据单晶硅材料的压痕断裂力学性能,探讨钎焊金刚石线锯切割单晶硅时线锯横截面不同位置金刚石磨粒去除材料的机理.分析表明,随着磨粒位置的变化,其法向力值经历了一个从最大值到零的变化过程,并存在脆塑性转变角,其值的大小决定了工件表面材料的去除方式.     

β-Ga2O3晶体金刚石线锯切割的表面质量研究

本文探究了往复式金刚石线锯的工艺参数对β-Ga₂O₃单晶沿(001)晶面切片时表面质量的影响,从压痕断裂力学理论角度探究了金刚石线锯切割β-Ga₂O₃单晶过程中磨粒行为和材料去除机理。实验从各向异性角度分析了切割方向对(001)面β-Ga₂O₃单晶切割片表面质量的影响,并采用SEM和SJ-210粗糙度测试仪探究了工艺参数对金刚石线锯切割后的晶片表面质量的影响。实验结果表明,增大锯丝速度或减小材料进给速度都能降低亚表面损伤层深度及表面粗糙度,有效改善晶片表面质量。     

KDP晶体水溶解辅助金刚石线锯精密切割试验研究

针对软脆功能晶体材料KDP晶体切割过程中极易开裂的问题,采用电镀金刚石线锯切割KDP晶体,利用该材料极易潮解的性质,变不利因素为有利条件,提出基于微乳液的水溶解辅助金刚石线锯切割新方法.结果表明:采用水解辅助线锯切割方法同比油冷却切割,不仅能够获得较低的切割表面粗糙度,而且可以提高切割效率15;～ 20;.     

金刚石切割多晶硅片切割痕性质与消除方法研究

金刚石线锯切割多晶硅片表面存在两种尺度的切割痕纹:由锯线往复运动形成的周期在亚毫米尺度的往复纹,和由金刚石划出的宽度在微米尺度的划痕.金刚石切割硅片的微观粗糙度比砂浆切割硅片小～25;.金刚石切割硅片相对粗糙表观以及往复纹的呈现都来自于光滑划痕的视觉增强作用.酸刻蚀制绒不能消除金刚石切割硅片表面切割痕纹;碱刻蚀只能消除部分晶粒之上的切割痕纹.尝试了一种气相酸刻蚀方法,取得了彻底消除金刚石切割硅片表面切割痕纹的效果,同时获得了良好的制绒效果,但其均匀性有待改善.     

KDP晶体金刚石线锯切割表面缺陷分析

采用树脂金刚石线锯对KDP晶体进行了锯切实验,使用扫描电子显微镜对KDP晶体锯切的表面缺陷进行了分析,分析了走丝速度和工件进给速度对KDP晶体表面缺陷特征的影响.分析发现线锯锯切的晶片表面缺陷主要有呈锯齿状形态的沟槽、表面破碎、划痕、橘皮状的外观、凹坑、以及锯切表面嵌入脱落磨粒和切屑.走丝速度增大,工件进给速度降低,锯切材料的表面缺陷逐渐由以脆性破碎凹坑为主转变为以材料微切削去除留下的沟痕为主.锯丝表面脱落的金刚石磨粒在锯切过程中在锯丝压力作用下挤压嵌入或冲击加工表面造成凹坑,对材料表面和亚表面质量的损害严重.其分析结果为获得高质量的锯切表面,进一步优化工艺参数提供了实验参考依据.     

往复式电镀金刚石线锯切割单晶硅片特性研究

通过往复式电镀金刚石线锯切割单晶硅片实验,分析了切片表面的微观形貌特点,研究了锯丝速度与进给速度对硅片的表面粗糙度、总厚度偏差(TTV)、翘曲度与亚表面损伤层厚度(SSD)的影响规律.结果表明:线锯锯切时材料以脆性模式去除,锯切表面的微观形貌呈现部分沟槽与断续划痕,并存在大量凹坑;锯丝速度增大,进给速度减小,表面粗糙度与SSD减小;锯丝速度增大,进给速度增大,硅片的翘曲度也随之增大;硅片TTV值与锯丝速度和进给速度的匹配关系相关.     

金刚石线锯成形加工硬脆材料圆弧的正交试验研究

针对硬脆材料圆盘件的成形切割问题,提出一种基于电镀金刚石线锯的成形切割方法并进行切割试验,采用3因素4水平正交试验系统研究切割线速度V(A)、转台W轴转速n(B)和金刚石线锯的张紧力F(C)对圆弧面径向跳动、线弓角度、切割效率以及表面粗糙度的影响规律。结果表明:W轴转速对圆弧的径向跳动(即圆度)、切割效率以及表面粗糙度影响最大,张紧力的影响次之,线速度的影响最小;张紧力对线弓角度影响最大,线速度的影响次之,W轴转速影响最小;在本试验条件范围内,经过试验验证得出的最优工艺参数组合为A3B1C1,即金刚石线锯的线速度为8.96 m/s,转台转速为0.25 r/h,张紧力为12 N。且径向跳动、线弓角度、切割效率和表面粗糙度的极差分析结果与其方差结果一致。     

SiC单晶片高效精密加工机理的仿真与实验研究

SiC单晶作为理想的半导体材料,其特有晶体结构及高的材料硬脆性使其精密加工过程成为难点.本文基于SiC单晶材料去除机理,通过有限元方法对材料去除方式及应力进行了仿真及实验验证.仿真与实验的结果表明,基于超声复合研磨加工SiC单晶片,粗糙度降低达50;,材料去除率提高达100;.     

预处理对超纳米金刚石薄膜表面质量的影响

本文研究了金刚石粉手工研磨及超声波震荡两种预处理方法对硅片衬底及超纳米金刚石膜表面粗糙度和形貌的影响,利用表面轮廓仪、X射线衍射分析(XRD)、激光拉曼、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对衬底及超纳米金刚石膜进行表征.结果表明,由于衬底轮廓的遗传特性,手工研磨的硅片上沉积的超纳米金刚石膜表面粗糙度远高于超声震荡的硅片上沉积的超纳米金刚石膜.     

基于单磨粒微米划刻的单晶硅精密切削机理研究

为了探究硅片器件精密磨削加工的切削特征与机理,运用三棱锥形状的金刚石磨粒以不同加载压力划刻单晶硅材料表面模拟磨削加工过程,分析了划痕形貌特征、切削力与切削深度的演变规律,阐释了单晶硅的微米级切削加工机理。单晶硅微破碎去除发生的临界条件为法向切削力80 mN,临界切削深度2.03 μm;剥落去除发生的临界条件为法向切削力800 mN,切削深度5.65 μm。切削深度、切削力比在不同切削机理条件下具备可区分的差异化特征。平均切削深度随加载压力的变化规律呈现出鲜明的自相似性特征。此外,还分别构建了塑性去除、微破碎去除、剥落去除三个阶段的切削力方程,更准确地描述了切削力与切削深度的密切关系。     

晶硅片切割用水基切割液摩擦学性能的研究

重点研究了晶硅片切割用水基切割液中润滑剂的摩擦性能影响因素.选用低分子量的聚乙二醇(PEG)作为润滑剂,研究了不同分子量PEG作为润滑剂的摩擦学性能.在使用PEG300作为水基切割液润滑剂的情况下,相比纯水可减小硅片表面的粗糙度达86.51;;磨损体积可以减少50;,磨损表面磨屑变少.     

金刚石薄膜涂层刀具的破损机理研究

切削过程中金刚石薄膜从基体表面的破损剥落是金刚石薄膜涂层刀具的一种主要损坏形式.本文通过实验研究了金刚石薄膜涂层刀具的破损机理及刀具表面状态、切削用量对其损坏形式的影响.研究结果表明,较大的切削用量、机械冲击、交变切削载荷及积屑瘤频繁脱落等是导致金刚石薄膜涂层刀具破损剥落的主要原因.金刚石薄膜的破损剥落起始于薄膜与基体之间及薄膜底面金刚石晶粒之间的原始微小间隙缺陷,这些原始微小间隙缺陷是在沉积金刚石薄膜时,由于成核密度较低等原因而形成的.金刚石薄膜剥落时薄膜的断裂主要沿晶界发生.     

电铸超薄金刚石刀具的研制及应用

分析了超薄金刚石刀具的研究现状,用电铸工艺制备出金刚石-镍复合膜,探讨了阴极电流密度、搅拌速度和搅拌桨位置、阴极悬挂倾角、镀液温度等电镀工艺参数对金刚石-镍复合膜品质的影响规律;探讨了复合膜的后续加工工艺,指出电火花加工可以有效除去复合膜的毛边和毛刺,是一种行之有效的后续加工方法;研制出了超薄金刚石-镍复合膜切割片,并对其切割性能进行了初步试用研究.     

高性能超细晶粒金刚石涂层刀具制备及试验研究

采用改进的预处理方法和变参数沉积工艺在硬质合金刀片上制备了超细晶粒金刚石薄膜涂层.通过玻璃纤维增强塑料的车削试验,研究了薄膜与基体之间的附着强度、涂层刀具的磨损和加工工件的表面粗糙度.试验结果表明改进的预处理方法能够有效增强金刚石薄膜与基体之间的附着强度;超细晶粒金刚石薄膜减小了刀具与工件之间的摩擦,降低了刀具磨损,并使加工表面的表面粗糙度显著降低;使用改进预处理方法和变参数沉积工艺制备的超细晶粒金刚石涂层刀具的寿命达到未涂层刀具寿命的8倍以上.     

大尺寸单晶金刚石磨抛一体化加工研究

金刚石因其优异的物理性质被视为下一代半导体材料,然而其极高的硬度、脆性和耐腐蚀性导致其加工困难,尤其是对于大尺寸的化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)单晶金刚石(SCD)晶片而言,目前还缺乏一种高效、低成本的磨抛加工方法。本文提出一种基于工件自旋转的同心双砂轮磨抛一体化加工技术,在一次装夹中,先采用金刚石磨料的陶瓷内圈砂轮磨削单晶金刚石晶片表面,将单晶金刚石表面迅速平坦化,后采用金刚石与CuO混合磨料的外圈溶胶-凝胶(sol-gel,SG)抛光轮抛光单晶金刚石晶片表面,使其在较短时间内完成从原始生长面(Sa约46 nm)到原子级表面精度(Sa＜0.3 nm)的加工。磨削加工中,硬质金刚石磨料的陶瓷砂轮高速划擦金刚石晶片表面,在强机械作用下获得较大的材料去除以及纳米级的光滑单晶金刚石表面,同时引起进一步的表面非晶化;SG抛光加工中,硬质金刚石磨料高速划擦单晶金刚石表面形成高温高压环境,进一步诱导CuO粉末与单晶金刚石表面的非晶碳发生氧化还原反应,实现反应抛光。磨抛一体化的加工技术为晶圆级的单晶、多晶金刚石的工业化生产提供借鉴。