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。     

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.     

横向超声激励对金刚石线锯切割单晶SiC切割速度及切割机理影响

硬脆晶体材料如SiC、Ge和Si等,由于具有极高的硬度和脆性,普通线锯切割很难进一步提高硬脆材料晶片的切割效率和表面质量.本研究把超声振动应用到金刚石线锯切割单晶SiC.基于超声振动切削加工的特点,分析了柔性线锯横向振动切割单晶SiC的必要条件;建立了横向超声激励下柔性金刚石线锯对SiC工件的动态切割过程模型,研究分析了超声振动对线锯间歇切割弧长及切割速度的影响,得到横向超声振动线锯切割速度增量的数学表达式.基于压痕裂纹模型,讨论了横向超声振动线锯切割和普通线锯切割对切割速度、切割力和表面粗糙度的影响.以单晶SiC为切割对象,对普通线锯切割和超声振动线锯切割进行了对比实验,结果表明在相同条件下,超声振动线锯切割使晶片的表面粗糙度有明显改善,超声振动线锯的切割速度比普通线锯切割的速度提高了约45;,锯切力减少28;~53;.实验结果与理论分析具有良好的一致性.     

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;.     

微晶玻璃水基切削液及其对切削性能的影响

本文针对金刚石线锯锯切微晶玻璃的切削液添加剂:氟化钠、乙二醇和乙二胺进行了研究。通过3因素3水平的正交试验,分析了氟化钠、乙二醇和乙二胺不同添加量对切片表面粗糙度和锯切效率的影响,初步获得了基于降低表面粗糙度和提高锯切效率的切削液配方。在本研究范围内,优化的切削液配方为:在乙二醇体积分数30%、氟化钠质量分数0.1%,切削液pH值为11.5时切割性能最佳。     

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;.     

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.     

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.     

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.     

固结金刚石研磨盘加工蓝宝石基片的磨削性能研究

通过蓝宝石基片磨削试验研究了陶瓷结合剂、树脂结合剂和陶瓷树脂复合结合剂制备的固结金刚石研磨盘磨削工件的材料去除率、表面粗糙度和磨盘自锐性能,确定了磨削性能最佳的金刚石研磨盘结合剂,在此基础上,进一步研究了W40、W20、W7和W2.5金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度、表面/亚表面损伤及其材料去除机理,提出依次采用W40金刚石研磨盘粗磨、W7金刚石研磨盘半精磨和W2.5金刚石研磨盘精磨的蓝宝石基片高效低损伤磨削新工艺.结果表明,陶瓷树脂复合结合剂制备的固结金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的综合性能最好,随着磨料粒径的减小,磨削蓝宝石基片的表面材料去除方式从脆性断裂去除向塑性流动去除转变,同时蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度和亚表面损伤深度也随之减小.     

渗硼并两步处理硬质合金微晶金刚石涂层工具研究

研究了固体粉末渗硼并碱酸两步处理预处理硬质合金基体的表面组织、形貌、粗糙度,并在处理过的硬质合金基体上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积微晶金刚石薄膜涂层.进一步的涂层质量表征,附着力测试及切削实验研究结果表明,这种涂层质量高、附着力好(压痕测试临界载荷大于1500N).金刚石涂层工具的切削加工性能明显优于无涂层硬质合金工具.在加工ZAlSi12合金时,微晶金刚石涂层车刀片、铣刀片的切削寿命是无涂层车刀片、铣刀片切削寿命的32倍和26倍.     

单晶硅低裂纹损伤切片加工技术研究进展

单晶硅晶圆衬底的直径增大、厚度减薄和集成电路(IC)制程减小是集成电路领域主流发展趋势。随着集成电路制程减小至5 nm,对单晶硅晶圆衬底质量的要求越来越高。切片加工是晶圆衬底制造的第一道机械加工工序,金刚石线锯切片是大尺寸单晶硅切片加工的主要技术手段。本文介绍了金刚石线锯切片加工的发展趋势和面临的挑战,阐述了以单晶硅刻划加工研究为基础的金刚石线锯切片加工材料去除机制和电镀金刚石线锯三维形貌建模技术,总结了单晶硅切片加工的晶片表面创成机制和裂纹损伤产生机制,展望了单晶硅低裂纹损伤切片加工的工艺措施,指出了单晶硅切片加工技术的发展趋势,对集成电路制造技术的发展具有一定的指导意义。     

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。     

CVD金刚石厚膜的机械抛光及其残余应力的分析

较粗糙的表面是影响金刚石厚膜广泛使用的因素之一.本文对CVD金刚石厚膜进行了机械抛光的正交实验研究.实验结果表明,影响抛光效率的因素依次为抛光盘的磨粒、转速、正压力和抛光面积.采用较大粒度的磨盘,适当增加转速和压力有利于提高抛光的效率.此外用XRD方法对机械抛光前后的膜的残余应力进行了测定和对比分析,结果表明,经过机械抛光,残余拉应力明显减小.     

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。     

Density and surface tension of molten calcium fluoride

The density and the surface tension of molten calcium fluoride have been measured in the temperature range from 1690 to 1790 K by an improved Archimedian method and a ring depressing technique (J. Crystal Growth 187 (1998) 391), respectively. The ring depressing technique was demonstrated as an effective technique to measure the surface tension in comparison with the conventional ring pulling technique. The density varied with the temperature change corresponding to a linear relationship: ρ=3.767−6.94×10⁻⁴T (K). The density of the CaF₂ melt at the melting point is 2.594 g/cm³, which is equal to the result obtained by Shiraishi and Watanabe (Bull. Res. Inst. Miner. Dressing Metal, Tohoku Univ. 34 (1978) 1), but the temperature coefficient of the density is different from the results obtained by other investigators. The thermal expansion coefficient of calcium fluoride melt linearly increases with temperature heating. The surface tension of molten calcium fluoride indicates a negative linear relationship as a function of the melt temperature: γ(T)=442.4−0.0816×T(K) (mN/m). The surface tension measured using the ring depressing technique is larger than those results obtained by other techniques.     

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.