（机械制造及其自动化专业论文）碳化硅的线锯切片技术与加工机理研究.pdf

摘要 摘要 由于碳化硅晶体的优点，其己成为第三代半导体材料，制成的器件和电路具 有在国防安全、航空航天、汽车、石油钻探等工业技术的特殊环境下应用的前景。 碳化硅晶体虽然具备诸多优点，但因硬度高，加工十分困难。在生长出高质量大 直径的碳化硅晶体后，晶片加工对晶片的质量起决定作用，其中把体块晶体切割 成高质量晶片非常重要，否则将给后序的磨抛工作带来极大困难。本文提出了用 环形电镀金刚石线锯切割碳化硅这一新的加工技术，该技术具有锯切效率高、加 工质量好、对环境污染小等优点。 论文通过对这一加工技术进行深入系统的试验研究和理论分析，揭示碳化硅 晶体线锯加工的材料去除机理，加工质量与工艺参数间的关系，提出了提高加工 质量的措施，优化了工艺参数。论文所作的主要工作及成果如下： 阐述了环形电镀金刚石线锯加工机床的设计要求和工作原理。该机床直接用 电主轴驱动主动轮带动锯丝运动，锯丝的速度由变频调速器控制；为保护锯丝， 工作台由砝码重力牵引实现恒力进给。整个机床结构简单，易于速度控制，工作 可靠。 根据锯丝的振动、受力和锯丝的强度分析，确定了本试验的锯丝速度、恒进 给力的最佳范围。 通过环形电镀会刚石线锯加工碳化硅的试验，研究了锯丝速度、恒进给力对 材料去除率、锯切力、锯切表面粗糙度的影响，分析了锯丝的磨损。为了提高材 料去除率和加工质量，用正交试验法对加工工艺参数进行了优化。 建立了线锯加工单颗磨粒的锯切力计算模型，根据模型和试验，对碳化硅线 锯加工的材料去除机理进行了深入研究。并由此得出结论：在本试验条件下，材 料为脆性去除；可通过提高线锯速度、减小恒进给力来实现塑性去除。 关键词线锯；碳化硅；去除机理 a b s i r a c 。i b e c a u s et h e 敏i v 锄t a g eo fs i cc r y s t a l ， i ti so n eo ft h e t h i r d g e n e r a t i o n s e m i c o n d u c t o rm a t e a l ，a n di t se l e c t r o n i c d e v i c e sh a v eb e e na p p l i e de x t e n s i v e l y a l t h o u g hi th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s i n c e i th a sal l i 咖h a r d n e s s ，s oi tb e l o n g st o d i 伍c u l t t 0 m a c h i n em a t e r i a l s a f t e rs i cc r y s t a lo fg o o dq u a l i t ya n db i gd i m e n s i o ni s m a d e t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fc h i ph a sad e c i s i v ei n f l u e n c e s l i c i n g i sa 1 1v e 叫 i m p o r t a n tp r o c e s s i nt h em a n u f a c t u r eo fc h i p an e wc u t t i n gt e c h n o l o g yo fu s i n g e n d l e s s e l e c t r o p l a t e dd i a m o n d w i r es a w ( e e d w s ) t os l i c es i cw a sr e p o r t e di nt h i sp a p e r t h e t e d l i l 0 1 0 9 yh a st h ea d v a n t a g e so f i n c r e a s e dc u t t i n gs p e e d ，g o o dq u a l i t y , e l i m i n a t i o no f h a z a r d o u sw a s t es l u r r y t h r o u g ht h es y s t e m a t i c a l e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s e so n e e d w s t h ec u t t i n gm e c h a n i s mo fs i ca n dt h er e l a t i o n s h i po fc u t t i n gp a r a m e t e r s 饥d c u m n gq u a l i t yw a sr e v e a l e d t h em e a s u r eo fg a i n i n gg o o dc u t t i n gq u a l i t yw 缌g l v e n ， a n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d t h er e s e a r c hw o r ka n d r e s u l t sa r e 孕v 铋m t h ef o l l o w i n g ： t h ep n n c i p l eo fe e d w sc u t t i n gt e s tm a c h i n ei se x p o u n d e d t h ed r i v i n gw h e e l w 弱d r i v e nb yae l e c t r i cs p i n d l e ，a n dt h ec u t t i n gs p e e dw a s c o n t r o l l e db yc o n v 积e r g o v 锄o r w o r k i n gt a b l ew a s f e db yaf e e dl o a d t h em a c h i n ei ss i m p l ei nc o n s t n l c t l 吗 e a s yt oc o n t r o l ，a n dr e l i a b l eo nm a c h i n i n g - a c e o r d i n gt ot h ea n a l y s e so fv i b r a t i o n ，s t r e n g t ho f t h es a w , a n dt h ef o r c ea p p l i e dt o i t ，t h ec u t t i n gs p e e da n df e e df o r c ew e r eo p t i m i z e d u g h t h ec u t t i n ge x p e r i m e n to fs i c ，t h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gs p e e d ，f e e df o r c e o n 也ec u t t i n ge f f i c i e n c y , c u t t i n gf o r c e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，a n ds a w w e a rw a sr e s e a r c h e d i i lo r d e rt oi m p r o v ec u t t i n ge f f i c i e n c y a n dq u a l i t y , t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw e r e o p t i m i z e db yo r t h o g o n a l t e s t s t h em o d e lo fc u t t i n gf o r c eo ns i n g l eg r i tw a s b u i l tu p b a s e do nt h em o d e la n d e x p e r i m e n t ，t h ec u t t i n gm e c h a n i s mo fs i cw a s r e s e a r c h e d ri sc o n c l u d et h a to nt h e c o n d i t i o no fe x p e r i m e n t ，s i cw a sr e m o v e di na b r i t t l er e g i m e t h eh i g hc u t t i n gs p e e d a n dl o wf e e df o r c ea r eb e n e f i c i a lt ot h eg o o ds l i c i n gq u a l i t y k e y w o r d s w i r es a w ；s i cc r y s t a l ；c u t t i n gm e c h a n i s m 2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 随着微电子技术的发展，传统的硅等材料由于其自身的特点，在高温、高频 等方面越来越显示出其不足和局限性，而碳化硅凭借特有的大禁带宽度、高电子 迁移率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率及光电集成器件的理想 材料，在微电子、光电子等领域得到广泛应用【1 捌。 由于碳化硅晶体硬度高，仅次于金刚石，属于难加工材料。芯片的加工包括 切片、研磨、刻蚀、抛光等多道工序【3 】，所以切片作为第一道工序，其加工质量直 接影响了后续工序的材料去除量、最终加工质量、产品出品率、及加工成本等【4 ，5 1 。 所以，如何实现碳化硅切片的高精度、高质量，低损耗是亟待解决的问题。 根据磨料的使用形式，目前的线锯切片技术分为：游离磨料和固结磨料两类。 游离磨料靠磨粒的滚压钎入去除材料【6 1 ，被加工材料表面会产生较大的裂纹和较深 的损伤层，锯口损耗大，且锯丝的使用寿命低。同时，对于由于碳化硅晶体硬度 很高，游离磨料线锯切片效率很低。 固结磨料线锯加工克服了游离磨料的上述缺点，根据锯丝的运动形式，又分 为往复式和环形。往复式固结磨料线锯加工由于锯丝切割过程需要换向，锯丝速 度是变化的，所以会产生两个问题：1 ) 被加工材料表面存在锯丝换向时的痕迹， 加工表面质量低【。7 】二是锯丝速度不能太高，从而降低了加工效率。 环形盒刚石线锯将锯丝焊接成环形，线锯的整个锯丝长度内都参加切割，锯 丝使用寿命长；锯切过程中无惯性力，切割速度高，可以实现高效加工，且加工 质量好于往复式；由于锯丝细f 8 1 ，所以锯缝窄，材料利用率高。由此可见，环形固 结金刚石线锯特别适合锯切碳化硅等贵重的硬脆材料。 虽然环形固结金刚石线锯加工具有上述优点，但由于它是一种相对较新的加 工技术，尽管近几年来得到了快速发展，且在硬脆材料加工领域得到日益广泛的 应用，但对其研究和应用都还不够。而针对碳化硅晶体的固结金刚石环形线锯加 工技术的研究更是欠缺，特别是加工工艺参数优化、材料去除机理研究等方面还 有很多工作需要我们去深入进行。 山东大学硕士学位论文 本课题的主要目的是针对上述问题，通过对环形电镀金刚石线锯切割碳化硅 晶体加工质量的研究，分析工艺参数对加： 质量的影响，优化加工工艺参数；建 立锯切力关系模型，分析材料去除机理；提出获得高的加工质量、高的切片效率 的措施。 1 2 晶体切片技术 碳化硅晶体等非导电硬脆材料的切片技术主要有内圆切片技术、游离磨料线 锯切片技术、固结磨料线锯切片技术等。 1 2 1 内圆切片技术 内圆切片机将环形片状内圆刀片装夹在一个环形刀环上，内圆刀片刀口电镀 金刚石磨料。内圆切片技术就是利用内圆刀片内径四周的金刚石磨料对工件进行 切片，切片时，内圆刀片高速旋转，工件作径向进给，从而实现材料的切割，如 图1 1 所示。 幽1 一l 内圆切片机切片简幽 内圆切片技术适用于2 0 0 m m 以下的工件材料，不适合切割大直径的工件9 , 1 0 】。 因为被切材料的径向尺寸较小时，内圆刀片径向尺寸也较小，锯片靠外圆张紧， 刚性很好，呵实现高速高效切割1 1 , 1 2 】。但当被切材料径向尺寸较大时，内圆刀片直 径也必须增大，此时刀片张紧后产生的波浪形变形加大，大的变形使锯口增大， 造成对贵重材料的浪费。对碳化硅晶体，因硬度高，内圆锯片急剧磨损，不能有 效工作【1 3 。 第1 章绪论 1 2 2 游离磨料线锯切片技术 游离磨料线锯切片技术是将研磨液喷洒到切割区域，通过锯丝的运动把研磨 液带人工件切缝，通过研磨液、锯丝及工件之间的相互作用，实现切片加工。游 离磨料线锯对工件的切片过程实际上是三体磨料磨损的过程 1 4 】。研磨液由磨料与 矿物油混合而成，常用的研磨液为碳化硅。游离磨料按锯丝的运动，分为往复式 和单向式。往复式目前广泛采用，它把一根金属丝缠绕在两个线轮上，金属丝两 头分别由放线与收线机构拉紧。线轮正反向高速旋转，实现钢丝往复运动。锯丝 通过缠绕，形成平行的加工部分，实现同时多片切割1 5 , 1 6 1 。日本的几家公司在1 9 9 0 、 1 9 9 3 、1 9 9 8 年分别对单向式游离磨料线锯加工技术进行了研究，锯切时锯丝向一 个方向运动，锯丝速度提高1 2 倍，缩短了锯切时间【1 7 】。 游离磨料线锯加工技术是目前成熟的技术，与内圆切片相比，它能加工较薄 的品片，出品率高，锯口损耗少，表面质量更好。但是这种技术存在的主要问题是： 材料去除为三体磨粒磨损过程，切削效率低；材料去除机理是依靠麽粒的滚压钎入 作用，将在晶片表面产生较大的微裂纹、残余应力和较深的相变层，这增加了后 续加工工作量；磨粒对钢丝同样有加工作用，钢丝磨损较快；研磨液易对环境造成 污染，回收和处理成本高；不适合切割碳化硅等高硬度材料。 1 2 3 固结磨料线锯切片技术 固结磨料线锯是将金刚石等高硬度、高耐磨性的磨粒通过某种工艺固定在钢 丝基体上制成的。目前固结磨料锯丝制造方法t 要有三种：一种是将磨粒电镀在 锯丝皋体一t z ；第二种采用树脂硬化的方法制造；第二种则用机械力将磨粒压嵌到 图l 一2电镀金刚彳i 锯丝表面形别1 8 】 山东大学硕士学位论文 钢丝基体中。图1 2 为山东大学制作的金刚石锯丝。 根据锯丝的运动方式，固结磨料线锯加工分为往复式和单向运动式( 锯丝为 环形) 。往复式固结金刚石线锯切割时锯丝从一个轮绕到另一个轮上，可实现较高 速度的切割，但同往复式游离磨料线锯切割一样，锯丝必须具有足够的长度，锯 丝张紧力的调节机构比较繁琐。图1 3 为往复式固结金刚石线锯加工机床 1 9 1 。 单向式固结金刚石线锯加工是将锯丝焊接成环形，通过导轮实现循环切割。 因锯丝单方向运动，锯丝速度高，加工质量也有所提高；能加工碳化硅等高硬度 材料。具体运动及机床见本文试验部分。 图1 - 3 往复式i i 结金刚彳i 线锯【旧1 1 3 硬脆材料去除机理研究 碳化硅属于硬脆材料，脆性材料的去除方式现在普遍认为可分为两种：脆性 断裂去除和塑性去除，材料硬度及脆性较高材料的去除方式以前者为主。研究材 料去除方式是探讨材料加工质量的基础。 文献 2 0 ，2 1 通过观察不同脆性材料的磨屑发现脆性材料去除方式主要为脆性 去除。文献 2 2 以一定切入角度模拟单个磨粒磨削陶瓷过程，发现法向切削力在塑 性区随切入深度增加而线性增加，进入脆性阶段后则有所下降。材料经过摩擦和 塑性变形阶段达到一定临界深度后，进入脆性破碎阶段。 脆性断裂是由于磨粒对工件表面的挤压使工件表面形成微小的中央裂纹和侧 第1 章绪论 向裂纹，如图1 4 ，侧向裂纹扩展实现材料的去除。硬脆材料加工时一般产生两类 压痕裂纹，中央裂纹和侧向裂纹。其中中央裂纹几近垂直于加工表面，随着载荷 增加，中央裂纹向下扩展，降低材料强度，加工质量降低；侧向裂纹向表面扩展 导致材料的去除，机械粗加工中可利用侧向裂纹获得高的材料去除率。 挤压 裂 图l _ 4 脆性断裂示意图2 3 1 对脆性材料的去除机理研究，大多使用压痕断裂力学模型进行分析。压痕断 裂力学模型近似是把磨粒与工件的相互作用看作小规模的压痕现象。由维氏四面 体压头获得的变形和断裂图形如图1 5 所示。在压头正下方是塑性变形区，从塑性 区开始形成两个主要的裂纹系统：径向裂纹和侧向裂纹。 根据压痕断裂力学模型，只要压头上所受的力超过某一临界值，材料上就会 图l - 5 压痕断裂力学模型 产生裂纹，材料便以断裂方式去除，并留下裂纹损伤。产生径向裂纹的临界载荷 为【2 4 】： 尸= 5 4 5 ( a r 1 2 y 2 ) ( - k f i 嘉r ) ( 1 1 ) 式中，a 、叩、) ，是常数，对维氏压头而言，a = 2 兀，俨1 ，7 = 0 2 。h 为材料硬度， 为材料断裂韧性。 山东大学硕十学位论文 部分脆性材料加工的研究表明，尽管脆性材料有很大的脆性，但在合理选择 加工工艺参数时，脆性材料仍能以塑性去除的方式进行去除。陈明君等【2 5 】认为， 采用平均磨粒尺寸小于2 5 1 a m 的金刚石砂轮进行磨削，可使单晶硅在塑性模式下进 行磨削加工，从而消除表面的裂纹缺陷。sm a l k i n 等人认为当砂轮单个磨粒的最 大切削深度小于硬脆材料的临界切削深度时就会实现塑性域磨削加工【2 6 1 。汪久根 采用纳米压痕法测量单晶硅的压痕特征，同时计算了单晶硅中的应力分布，结果 表明，剪应力为单晶硅微薄片剥落失效的原因2 7 1 。p s p i z a n t 和r j a s i n e b i c i u s t 2 8 1 等 研究了脆、塑性加工的硅片的拉曼光谱，得出脆性断裂去除的硅片表面无非晶层 存在，而以塑性去除的硅片表面存在非晶层的结论。硅片的塑性域加工是通过相 位转换实现的，硅在不同的静水压力下产生的相位不同。罗熙淳【2 9 】对内部无缺陷 的单晶硅的纳米切削过程进行了分子动力学模拟，从而对单晶硅纳米切削过程中 脆塑转变的可行性进行了研究。 高伟【3 0 】利用环形金刚石线锯加工硅，发现在满足一定条件下，可实现硅晶体 的塑性域切割。y u f e ig a o 等在金刚石线锯切割单晶硅去除机理研究中提出，选择 合适的参数如高锯丝速度、低进给量和小的磨粒尺寸，单晶硅可以在塑性域内去 除，也可以得到更高的切片表面质量【3 。 1 4 硬脆材料锯切加工质量研究 1 4 1 锯切裂纹和损伤层研究 晶体经切片、研磨、抛光等一系列加工工序后成为成品，其加工质量的好坏 直接影响器件的性能。 晶体损伤层从加工表面开始，分为微裂纹损伤层和塑性变形层【l o l ，图1 - 6 为 晶体加工损伤层的示意图，损伤层包含上层的微裂纹层和下层的塑性变形层。裂 纹损伤分为表面微细裂纹损伤、宏观裂纹损伤、亚表面裂纹损伤三种形式，其起 始方向和扩展方向与材料晶向有关，也与锯切过程中磨粒与材料的接触有关。裂 纹向晶体材料内部扩展，对材料的力学性能损伤最大，是最危险的损伤形式。因 此在有的研究中，以裂纹损伤层的深度作为损伤层厚度，并通过实验对裂纹损伤 层的厚度进行测量【3 2 1 。 材料加工表面 图1 6 材料加工损伤层示意卧3 3 】 l a w n 和m a r s h a l l t 3 4 1 在裂纹产生过程中硬度、韧性和脆性的研究中指出，陶瓷 等硬脆材料压痕微开裂时，中位裂纹和径向裂纹的形成都需要一个压痕载荷临界 足，该载荷与材料韧性、硬度性能参数有关。法向力超过这一临界值后，材料内 会产生中位裂纹和径向裂纹以及侧向裂纹，材料脆性指数日矿k ，c 反映材料裂纹产 生的难易程度。 于爱兵【3 5 】等在对陶瓷磨削裂纹进行研究时指出，陶瓷等硬脆材料在制备和加 工时都会产生微裂纹，当再次受到外加拉应力作用时，材料内部的微裂纹便会扩 展，形成裂纹。 硬脆材料锯切时，材料本身的微裂纹、磨粒对材料的疲劳损伤以及锯磨产生 的热量都会导致被加工材料裂纹的产生和扩展。周志雄等人3 6 1 在分析陶瓷材料加 工裂纹时指出，硬脆材料锯磨裂纹的形成包括三方面的原因：一是加工过程中压 痕断裂引起裂纹，二是疲劳加工产生的裂纹，三是磨削热产生的裂纹。 张银霞对单晶硅片进行超精密磨削实验发现，表面侧向微裂纹少于中位微裂 纹，说明中位微裂纹产生的临界载荷比侧向微裂纹小，在晶片加工过程中中位微 裂纹的产生是必然的【3 7 1 。单颗磨粒磨削硅片试验求临界切削深度也得出，亚表面 裂纹要大于表面沟槽深度。 文献 3 8 】用截面显微镜检测了硅片磨削后的亚表面损伤深度和微裂纹形状，得 出亚表面裂纹除了通常的中位裂纹和侧向裂纹外，还有树枝状、人字状等裂纹形 状。 樊瑞新【3 9 1 用x 射线双晶衍射仪研究了硅片线切割和内圆切割后的表面损伤和 山东大学硕十学位论文 损伤层厚度。因为锯丝较软，由于锯丝的晃动和不稳定性，使得硅片表面损伤和 表面粗糙度比内圆切割大；但由于锯丝较软，自由度大，减少了与硅片的强烈挤 压，损伤应力较小，所以线切割硅片损伤层厚度较内圆切割硅片小。同时指出， 硅片损伤层从表面开始，大体上可分为三个区域：非晶多晶嵌镶区、微裂纹和产 重畸变区、弹性畸变区。 文献【4 0 】采用扫描电镜的选区电子通道花样技术分析研究了e l i d 磨削单晶硅 片表面变质层的厚度及结构。得出表面变质层是由表面微裂纹损伤层和品格畸变 层组成的结论。 1 4 2 锯切粗糙度研究 。 材料的锯切表面粗糙度是衡量加工质量好坏的又一个指标。作为芯片的晶体 片，经过切割、研磨、抛光等机械加工后表面粗糙度要求达到纳米和亚纳米级， 表面总厚度变化要求小于0 2 。 对于脆性材料固结金刚石线锯n i 的粗糙度研究较少，大多数粗糙度研究是 针对脆性材料的磨削，而这两种加工方法是有相同之处的。 文献 1 9 ，4 1 通过试验，研究了线锯加工陶瓷和碳化硅时工艺参数及磨粒尺寸 对粗糙度的影响规律。 孟剑峰【3 3 1 根据锯丝和工件的相对运动，建立了环形电镀金刚石线锯加工时的 粗糙度模型，研究了锯丝速度、进给速度、磨粒尺寸对环形电镀金刚石线锯加工 单晶硅表面半h 糙度的影响。 侯志坚通过环形电镀金刚石线锯切割硅晶体试验，分析了锯丝速度对表面粗 糙度的影响【4 2 1 。 文献 4 3 】认为，砂轮磨粒尺寸越小，表面粗糙度心越小。原因为磨粒尺寸越 小，砂轮同时参与磨削的磨粒数越多，磨刃密度系数越大，越易形成塑性域磨削， 故粗糙度值越低。 文献 4 4 】通过磨削陶瓷材料，指出：砂轮速度越大，表面粗糙度值越大。因为 砂轮速度加大，虽然单颗磨粒的未变形切屑厚度越小，粗糙度应减小，但砂轮速 度增加，磨削系统的振动加剧，且后者的影响大于i j 者。 第1 章绪论 1 5 金刚石线锯锯切碳化硅晶体研究现状及存在的主要问题 l i n gy i n 等【4 5 】研究磨粒加工6 h s i c 晶体，发现，工件进给对表面粗糙度的影 响很小，而随着磨粒尺寸的减小，材料表面的粗糙度减小。 陈秀掣1 3 1 利用带有摆动的往复式金刚石线锯切割碳化硅单晶，得出碳化硅加 工表面粗糙度r a 为o 2 7 0 3 3 删，锯丝磨损对加工表面粗糙度影响较小，但对切 割能力影响较大。 贺东浦眨3 1 利用试验的方法，探讨了碳化硅环形金刚石线锯加工时加工工艺参 数对粗糙度、裂纹等的影响规律。建立s i c 锯切表面粗糙度值与单颗磨粒锯切力、 锯丝整体锯切力之间的理论模型，以期用于预测s i c 锯切表面裂纹深度值与粗糙 度值。 综上所述，目前对碳化硅的线锯加工研究较少，对于环形金刚石线锯，只有 文献 2 3 】对加工裂纹等做了一定的研究。而对其加工参数的优化、材料去除机理等 研究还欠缺。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题对碳化硅的环形金刚石线锯加工及材料去除机理进行了研究与探讨， 主要研究内容如下： 阐述环形电镀会刚石线锯加工机床的设计要求和工作原理。该机床直接用电 主轴驱动主动轮带动锯丝运动，锯丝的速度由变频调速器控制；为保护锯丝，工 作台由砝码重力牵引实现恒力进给。 根据锯丝的随机振动分析、受力分析和锯丝的强度，确定本试验条件下锯丝 速度、恒进给力的最佳范围。 通过环形电镀金刚石线锯加工碳化硅的试验，研究锯丝速度、恒进给力对材 料去除率、锯切力、锯切表面粗糙度等的影响，分析锯丝的磨损。为了提高材料 去除率和加工质量，用正交试验法对加工工艺参数进行了优化。 建立了线锯加工单颗磨粒的锯切力计算模型，根据模型和试验，对碳化硅线 锯加工的材料去除机理进行深入研究。并由此得出结论：在本试验条件下，材料 为脆性去除；可通过提高线锯速度、减小恒进给力来实现塑性去除。 山东大学硕+ 学位论文 l o - 第2 章碳化硅金刚石线锯切割试验及t 艺参数设置 第2 章碳化硅金刚石线锯切割试验及工艺参数设置 本章选用自行设计的可实现较高锯丝速度且锯丝速度连续可调的线锯切割 机，锯丝选用国外购入的环形电镀金刚石线锯，试验材料为碳化硅晶体。 2 1 线锯切割设备 试验采用本课题组设计的环形金刚石线锯加工机床，其结构简图如图2 - 1 所 示，实际机床如图2 2 所示。整个机床由动力源、进给装置、执行装置、冷却系统、 控制系统、床身等部分组成。 l 姑码2 床身3 张紧轮4 锯丝5 导轮6 主动轮 7 冷却喷嘴8 工件9 夹具l o 工作台1 1 导轨 图2 1环形金刚石线锯加上机床结构简图 ( 1 ) 锯丝运动控制环形电镀金刚石线锯4 绕在主动轮6 、张紧轮3 和导轮 5 上，靠张紧轮的水平移动来对锯丝进行预紧，并对锯丝预紧力进行控制；主动轮 由电主轴直接驱动，用变频调速器控制电主轴的转速，从而实现锯丝的速度连续 可调的锯切运动。 由变频调速器实现锯丝的无级调速，为保证加工时锯丝速度的快速准确设定， 加工前按所需主轴转速( 即锯丝速度) 预先确定机械速度系数k 和调速器的上限 频率t u p ，并设定在调速器上。 山东大学硕士学位论文 锯丝速度的计算公式如下： 式中，z = k f ，所以 式中，k ：锯丝速度 n ：主轴转速 d ：主动轮直径 _ = 署 k = 警 蚓2 - 2 环形电镀金l 习l j - 4 i 线锯加t 机床 ( 2 1 ) ( 2 2 ) f ：变频器频率 k ：机械速度系数 机械速度系数预设为2 5 ，主动轮直径d 等于0 2 m ，变频器频率为其上限频率， 根据公式( 2 - 2 ) 可得出锯丝速度与变频器频率的关系，如表2 1 所示。 第2 章碳化硅金刚石线锯切割试验及工艺参数设置 表2 - 1 锯丝速度与变频器频率关系 ( 2 ) 工件进给运动控制进给装置使用恒进给力进给，即由砝码1 牵引工作 台1 0 沿导轨1 1 运动，实现工件的水平恒进给力进给；由于进给力可自行控制， 则可实现进给速度的大小能够自动适应锯丝具有的切割能力的要求，有利于保护 锯丝不被拉断。 ( 3 ) 工件冷却用切割区上方的喷嘴7 对切割区喷射冷却液，以完成冷却和 带走切屑的任务，工作台下方设有冷却液和切屑回收沟槽，冷却液经过滤后可循 环利用。 ( 4 ) 锯丝c w 2 2 5 环形锯丝由w e l ld i a m o n dw i r es a w s 公司提供，锯 丝平均直径0 5 m m ，长2 2 5 m ，所镀的金刚石磨粒的平均大小为6 4 9 m 。 2 2 试验方法 2 2 1 碳化硅的性能及试样制作 试验中锯切的试样为碳化硅晶体材料，首先利用内圆切片机将碳化硅材料制 成横截面的厚度为5 m m ，长度为7 m m 的长方体，则锯切试验的碳化硅加工表面尺 寸为7 5 。 表2 2 所示为碳化硅晶体的基本材料性能。 表2 - 2 碳化硅晶体的材料性能( 各晶向均值) 嗍 2 2 2 试验数据的采集 试验中需要测量锯切过程的锯切力、切割碳化硅晶体材料所需的时间、加工 山东人学硕士学位论文 表面粗糙度及s e m 照片等。 ( 1 ) 锯切力的测量锯切力的数据采集系统如图2 3 所示。由力传感器、电 荷放大器、数据采集箱和具有数据采集分析软件的计算机组成。整个锯切加工及 数据采集现场如图2 4 所示。 i234 1 - 测力仪2 电荷放人器3 数据采集箱4 一计算机 图2 3 锯切力采集示意图 图2 _ 4 线锯机床及数据采集现场 锯切力值通过测力仪1 转变成电荷信号，电荷放大器2 把电荷信号放大后输 到数据采集系统3 ，数据采集系统再把电信号输入到装有信号采集分析系统的计算 机4 中，以进行处理和记录。 第2 章碳化硅金刚_ 石线锯切割试验及工艺参数设置 试验所用测力仪为k i s t l e r9 2 5 7 a 型三向压电晶体测力仪。测力仪的主要性 能参数为：分辨率大于0 0 1 n ；x 、y 向测量范围0 - - 5 k n ，z 向测量范围0 - 1 0 k n ； 适用温度范围0 7 0 。 k i s t l e r5 0 0 7 型电荷放大器的主要性能参数为：最大输入电压+ 1 2 5 v ；输入 电缆阻抗1 0 1 4 q ；满量程输出1 0 v ；精度大于士1 ；应用温度范围0 - 5 0 。c 。 信号分析系统采用安f 公司的c r a s 振动及动态信号采集分析软件系统，具 体是其中的a d c r a s 数据采集及处理模块。图2 5 为信号分析系统。设置软件参数 时，c r a s 校t 卜因子决定了测量的幅值，设置它为传感器灵敏度和调理仪放大倍数 的乘积。 信号放大采集系统是安正软件工程公司提供的安j 下a z 2 0 8 r 数据采集器和安 难a z 8 0 4 信号调理仪。a z 2 0 8 r 数据采集箱最多可提供8 个数据采集通道。a z 8 0 4 信号调理仪的放大倍率有i 档1 、1 0 、1 0 0 ，调理仪的滤波设置适用于四个 通道。 图2 5 信号采集分析系统 ( 2 ) 表面粗糙度测量采用时代集团公司t r 2 0 0 粗糙度仪对碳化硅线锯加工 表面进行粗糙度测量，粗糙度仪如图2 - 6 所示。 山东大学硕十学位论文 图2 - 6t r 2 0 0 粗糙度仪 t r 2 0 0 粗糙度仪的粗糙度r a 值测量范围为0 0 0 5 a n - 1 6 a n ，满足碳化硅金刚 石线锯加工表面粗糙度的测量要求；示值变动性不大于6 ，示值误差不大于 l o 。 “ 由于碳化硅试样尺寸过小，为保证测量时粗糙度仪的传感器运动方向和被测 加工表面一致，借助了工作台和可调支脚来进行加工表面粗糙度测量，其测量方 法如图2 7 所示。 图2 7 表面粗糙度测量方法 ( 3 ) 表面微观形貌观察碳化硅锯切加工结束后，用超声波清洗机对碳化硅 晶体加工表面进行清洗，然后利用电子扫描镜观测加工表面的s e m 图像，以对锯 切加工表面进行分析。 2 3 锯切工艺参数设置 在进行环形电镀金刚石线锯切割碳化硅试验之前，首先根据锯丝振动、受力 及锯丝强度确定锯丝速度、恒进给力和张紧力的最佳范围。 第2 章碳化硅金刚= f i 线锯切割试验及工艺参数设置 环形电镀金刚石线锯加工相对于往复式而言，锯丝速度高，故材料去除率高， 加工质量同时得到提高。但锯丝的振动直接影响加工工件的表面质量，锯丝的寿 命，同时若张紧力和恒进给力过大还会使得锯丝被拉断，所以锯丝速度、恒进给 压力和张紧力的大小要受到锯丝振动和锯丝强度的限制。 2 3 1 锯丝振动特性 图2 8 为环形金刚石线锯加工示意图。图中，r 为沿x 方向的法向锯切力、 r 为沿y 方向的切向锯切力、r 为沿着z 向的径向锯切力。由加工示意图可知， 锯丝在x 方向的振动影响材料去除率，z 方向的振动影响加工工件的表面加工质 量与材料切缝的大小，x 、z 方向的振动同时影响锯丝的磨损。x 和z 向的线锯振 动方程是一样的，本章按x 方向来讨论，其锯丝振动模型如图2 - 9 所示。 图2 8 锯切加工示意图 图2 - 9 为锯丝振动模型，表示锯丝速度，单位为m s ；p 表示锯丝张紧力， 单位为n ；f 为单位长度锯丝所受到的外部激励力，即单位长度的锯切力，单位为 n m ：l 为主动轮和导轮之间的距离，单位为m ；z 表示x 方向的锯丝振动位移， 单位为m 。 应用牛顿定律可推得锯丝的振动方程为【3 3 】： p c 等+ 2 t 嘉+ 以2 雾，一p 雾= m 力 ( 2 引 山东大学硕士学位论文 初始条件为： 知= 。 【x ( y ，0 ) = 0 不考虑两支承轮的振动，则边界条件为： f x ( o ，f ) = 0 【x ( 1 ，f ) = 0 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 通过对上述3 方程进行分析，得出如下结论【3 3 】：随着锯丝张紧力p 的增大， 锯丝振动有所减小，但当张紧力增大到一定数值时，再继续增加张紧力，锯丝振 动几乎没有变化。张紧力恒定时，当锯丝速度小于某一数值时，锯丝速度增加对 锯丝振动影响不大，因此我们可以在适当范围内采用高的锯丝速度，因锯丝速度 p p 图2 - 9 锯丝振动分析模型示意图【3 3 1 越高，加工效率高，加工质量好。 2 3 2 锯丝的拉断 本试验所用锯丝的基体是不锈钢钢丝，钢丝直径为0 4 m _ m ，弹性模量为 2 1 1 g p a ，抗拉强度为1 3 5 2 m p a ，近似认为上述基体的参数即为锯丝的参数。 锯丝的失效分为宏观失效和微观失效。宏观失效主要为锯丝的拉断，微观失 效为磨粒的磨平、脱落及镀层的磨损等。锯丝一旦拉断，无法进行锯切，故在设 第2 章碳化硅金刚石线锯切割试验及t 艺参数设置 置张紧力、锯丝速度、及恒进给力等加工参数时应首先考虑要防止锯丝的拉断。 环形金刚石线锯需要把基体焊接为环形，由文献【3 3 】的锯丝断口s e m 图知道，锯 丝的拉断首先发生在焊接接口处，即焊口处强度要低于锯丝基体强度。 图2 1 0 表示锯丝受力，锯丝在切割时，由于锯切力的作用而使得锯切点两侧 锯丝所受的拉力的不同，其两侧拉力分别用p l 、p 2 表示；口、声表示锯丝受力时的 弯曲角度。只、r 分别为切向和法向锯切力。 由文献【3 3 】分析可知，拉力的大小为： 最 彳( - 羔- o r ) = 4 1 n ( 2 6 ) 、1 0 5 1 1 式中：a ：锯丝的横截面面积 ：锯丝所受弯曲应力 上式说明，为保证锯丝不被拉断，锯丝所受到的拉力不能大于4 1 n 。 张紧 图2 1 0 锯丝受力图 2 3 3 最佳工艺参数的确足 ( 1 ) 最大恒进给力口、角太大，锯丝弯曲严重，强度降低，所以试验 中控制角度口、最大为5 。由第3 章的切割试验知，碳化硅的切向力范围是1 n 4 5 n ，c 与巧的比值在o 9 乱1 0 6 之间，为安全起见，取法向力与切向力比值的 小值，即e 大约为f 的0 9 6 倍，则由文献 3 3 的法向力c 计算式可得到本试验的 1 0 山东大学硕十学位论文 法向力必须满足的条件是： 只：096p2(coscrsinfl+sinacosfl)637( 2 7 ) 4 0 9 6 s i n 口+ c o s ( ；z 、7 考虑工件进给时上下导轨的摩擦力为2 5 n ，所以，锯丝切割时，恒进给力应 满足： 晶= c + 2 5 8 8 7 n ( 2 8 ) 即最大恒进给力为8 8 7 n ，试验过程中，为保证安全，控制恒进给力最大值为 8 n 。 ( 2 ) 最大的锯丝张紧力尸碳化硅锯切加工之前，锯丝要依靠调整张紧轮位 置来张紧，并测得其张紧力，以对其进行控制。当最大恒进给压力为8 n 时，由方 程( 2 8 ) 得，法向力为5 5 n 。并且由试验知，当恒进给压力为8 n 时，最大切 向力是4 3 n 。 由图2 1 0 可见： 最= 尸+ es i n + zc o s f l( 2 9 ) 所以，张紧力p 为： p = 最一只s i n f l e c o s 卜 、磨粒 x 几c藤 q 妒 k 防 图4 3锯切力计算模型 由文献 5 2 知，磨削力由两部分组成：切屑变形分力与摩擦力。故口角处单颗 磨粒的锯切力计算公式如下： 式中，k ：单颗磨粒由切屑变形引起的法向锯切力 ：单颗磨粒由摩擦产生的法向锯切力 氏：单颗磨粒由切屑变形引起的切向锯切力 玩：单颗磨粒由摩擦产生的切向锯切力 由文献 3 3 】知： f d n c = 2 k h 0 2t a n p = 堕竽蟛2 ( 4 2 ) 第4 章碳化硅金刚石线锯切片加工机理研究 式中，k ：法向锯切力的比切屑变形力 盯矽：磨粒与单晶硅的平均接触压力 ：秒角处未变形切屑的平均厚度 ：磨粒半顶锥角，= 6 0 。 ：金刚石磨粒与碳化硅间的摩擦系数 根据锯丝和单颗磨粒受力，得出单颗磨粒的锯切力计算公式如下： 式中，a 、b 的大小由材料、加工工艺参数、锯丝等决定。所以，锯丝横截面 上不同位置处磨粒所受法向及切向锯切力是不相等的，而是随口角的不同而变化。 4 5 碳化硅线锯切割去除机理分析 图4 - 4 是碳化硅线锯加工表面s e m 图。 在相同恒进给力的条件下，随着锯丝速度的增加，锯切力减小，单颗磨粒的 法向与切向锯切力也减小，但由图4 4a ) 、b ) 可见，因为在此2 种情况下，锯切力 均大于临界力，所以，材料均为脆性去除。 锯丝速度一定时，恒进给力增加，锯切力增加，单颗磨料产生的锯切力也增 蟛 蠹i 2 一 t一2 砌 r k 优一 知等 、， ) 秒一 伊一， s 一 蚤一 一k；| 圪一 一 半半 么 翻 厶 瓦 山东人学硕士学位论文 a ) 锯丝速度k = 1 0 m s ，恒进给力= 4 n b ) 锯丝速度k = 1 6 m s ，恒进给力e ，= 4 n c ) 锯丝速度圪= 1 0 m s ，恒进给力= 6 n 图4 4 碳化硅线锯加i - 表面s e m 图 大。在图4 4a ) 、c ) 2 中工艺参数下，因锯切力均大于临界力，所以，材料均为脆 第4 章碳化硅金刚石线锯切片加工机理研究 性去除，加工表面的金刚石磨粒的划痕不连续。 由公式( 4 3 ) 可知，不同口角处磨粒受力不同，秒角越小，受力越大。当口角 接近9 0 0 时，磨粒的法向和切向力接近于零，小于临界载荷。因此，理论上讲在此 位置应有塑性变形痕迹，但因为随着口角变小，单颗磨粒的法向和切向力越来越大， 超出了临界载荷而发生脆性去除，产生裂纹，所产生的脆性裂纹扩展到塑性变形 区，因此材料发生了脆性去除。所以，要想获得好的表面质量，应使整个加工区 的单颗磨粒的法向和切向力均小于临界值。 上述通过力进行的材料去除机理分析是在假设材料非常完美，即没有考虑材 料的内部缺陷，如图4 5 ，材料制作时产生的残余应力等等。实际上，材料内部的 本征缺陷和残余应力是不可避免的，它们虽然与加工时形成的裂纹的形式不同， 但在拉应力的作用下有裂纹扩展的条件和可能，促进了裂纹的产生。 绉必| | 玖 图4 5 材料内部缺陷及裂纹损伤 因加工前在材料中就存在的裂纹或缺陷对与材料去除机理有关的断裂方式有 重要影响，所以，在综合分析碳化硅材料线锯加工的去除机理时，要全面考虑加 工过程的锯切力和材料特征等因素。 对于本试验条件下的碳化硅晶体线锯切割，由上述分析可知，材料的去除主 要以脆性去除方式进行。压痕断裂力学认为脆性模式下材料的去除依靠于横向裂 纹的扩展，单颗磨粒的力越小，即锯丝速度越高，工件进给速度越小，裂纹距工 件表面的深度就越小，就会获得好的加工表面质量。 4 6 本章小结 本章给出了脆性材料去除机理模型，根据单颗磨粒的力和材料内部缺陷，分 山东大学硕十学位论文 析了环形电镀金刚石线锯加工碳化硅时的材料去除机理，通过研究，得出如下结 论： ( 1 ) 虽然当秒角接近9 0 0 时，磨粒的法向和切向力接近于零，小于临界载荷。 但因为随着0 角变小，单颗磨粒的法向和切向力变大，超出了临界载荷而发生脆性 去除，产生裂纹，所产生的脆性裂纹扩展到塑性变形区，因此材料发生了脆性去 除。所以，要想获得好的表面质量，应使整个加工区的单颗磨粒的法向和切向力 均小于临界值。 ( 2 ) 材料去除模式的研究要同时考虑磨粒的力和材料内部缺陷。 ( 3 ) 在本试验条件下，碳化硅线锯切割的材料去除模式为脆性去除。要想实现 塑性去除模式，获得好的加工质量，应增加锯丝速度，减小工件进给。 总结与展望 总结与展望 全文总结 随着微电子技术的发展，碳化硅凭借特有的大禁带宽度、高电子迁移率、高 热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率及光电集成器件的理想材料，在微 电子、光电子等领域得到广泛应用。 切片作为芯片制作的第一道工序，其加工质量直接影响了后续工序的材料去 除量、最终加工质量、产品出品率、及加工成本等。由于碳化硅晶体硬度高，属 于难加工材料，所以，如何实现碳化硅切片的高精度、高质量，低损耗非常重要。 本文利用具有切缝小、锯丝速度高、磨粒把持强度高等优点的环形电镀金刚 石线锯切割碳化硅晶体，研究各个工艺参数对加工质量、锯丝磨损的影响，优化 工艺参数；分析了材料去除机理，给出获得好的加工质量的措施。 全文主要工作和结论如下： 1 根据锯丝的随机振动、锯丝的受力分析及锯丝强度，设定了有关加工工艺 参数的范围。通过分析得到：最大恒进给力为8 n ；锯丝最大张紧力为3 4 n ；由振 动分析，在张紧力为3 4 n 时，锯丝的最大速度可达2 7 n s ，但考虑到机床的振动， 试验中最高锯丝速度取为1 6 n f f s 。 2 设计了试验方案，分析了加工工艺参数对加工质量、锯丝磨损的影响。通 过正交试验，优化了加工工艺参数。 ( 1 ) 在保证恒进给力不变时，锯丝速度增加，降低了切向锯切力，但因为进 给方式是恒进给力进给，所以切向锯切力变化较小。锯丝速度不变，随着恒进给 力增大，切向锯切力增大。 线锯切割时，其法向力与切向力之比与磨削相比很小。 ( 2 ) 在恒进给力一定时，锯丝速度增加，材料去除率增大，切割效率提高。同 时恒进给力增大，材料去除率也增大。 ( 3 ) 碳化硅加工表面存在凹坑和断续划痕。随着锯丝速度增加，恒进给力减 小，加