【《单晶硅高速刻划实验分析案例》3200字】

单晶硅高速刻划实验分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u27526单晶硅高速刻划实验分析案例 1324161.1引言 1173671.2高速刻划实验装置 1209481.2.1载片装置的设计 1172521.2.2移动进给装置的设计 3160731.2.3高速刻划实验装置的装配 5133871.3刻划实验方案 5217321.4刻划实验结果分析 718361.4.1划痕形貌分析 7117221.4.2径向裂纹萌生划痕深度 81.1引言金刚石线锯的切片加工实际上可以看作是线锯上分布的多颗磨粒同时对单晶硅进行刻划，切片过程中涉及的的材料去除机理和晶片表面创成的裂纹损伤机制通常采用纳米刻划实验进行探究，然而当前的刻划实验大多在纳米压痕仪上开展，由于刻划速度和实际工况中的磨粒刻划速度之间差距较大，刻划实验结果难以直接用于指导切片加工，因此开展单晶硅的高速刻划实验研究是十分必要的。本章对高速刻划实验装置进行了设计加工和装配，并利用玻式压头对单晶硅进行了刻划实验，分析了刻划速度和刻划方向对单晶硅表面径向裂纹生成扩展的影响，对径向裂纹的萌生划痕深度进行了测量。1.2高速刻划实验装置1.2.1载片装置的设计高速刻划实验装置需要满足在微纳米级尺度下对单晶硅表面进行刻划的要求，设计采用压头实现进给，硅片高速旋转完成刻划的方案。因此，作为搭载单晶硅片进行高速旋转的装置，其端跳必须控制在极小的范围，且需要具备足够的刚度和硬度以避免高速刻划引起的变形。高速刻划实验装置选用西数公司生产的1.5英寸机械硬盘作为载片装置，硬盘型号为WD5000AAKX，其内部结构如图3-1所示。机械硬盘由盘片、主轴、磁头等多种零部件构成，其中盘片基板材料为表面镀覆NiP合金的铝合金，其表面硬度可以达到5~6GPa，杨氏模量高达200GPa[68]。此外，机械硬盘作为精密微机电系统，硬盘磁头的飞行高度为10nm左右，盘片的表面经过化学机械精抛光，表面粗糙度Ra值在0.2nm左右[69]，其额定转速为7200r/min。因此，机械硬盘经拆解后保留盘片和主轴作为单晶硅片的载片装置可以满足单晶硅片微纳米尺度下的高速刻划实验要求。永磁铁传动轴磁头盘片主轴（下方为轴承和电机）永磁铁传动轴磁头盘片主轴（下方为轴承和电机）图3-1机械硬盘内部结构图机械硬盘的电机可以采用图3-2中的驱动板实现其转速的调节。利用万用表可以测出硬盘电机的公共端子，用三根导线将硬盘另外三个端子和驱动板的三线无刷电机接线端子连接起来，通上电源后，旋转驱动板上的调速旋钮就可以控制机械硬盘电机的转速，电源由9V1A的电源适配器提供。三线无刷电机接线端子公共端子电源接线端子调速旋钮三线无刷电机接线端子公共端子电源接线端子调速旋钮图3-2直流无刷电机驱动板为了实现转速的控制，需要通过测量得到载片装置的转速，测量设备为光电测速仪，在使用时只需将测速仪发出的的红外光线射向贴在被测物上的反光条就可以得到转速，这种仪器的测量方式属于非接触式测量，具有测量准确性高、应用范围广的优点，但是被测物要求不能反光，因此在硬盘盘片表面粘贴了白色贴纸从而避免盘片反光对载片装置转速测量造成影响。1.2.2移动进给装置的设计移动进给装置的作用是当载片装置带动单晶硅片高速旋转时，由其完成金刚石压头的进给。如图3-3所示为移动进给装置的示意图，移动进给装置由微动平台、金刚石压头夹具、金刚石压头组成。微动平台可实现三个自由度方向的移动，每个移动方向均可实现10μm/刻度的粗动和0.5μm/刻度的微动；金刚石压头夹具的作用是连接金刚石压头和微动平台，金刚石压头采用螺钉拧紧挤压的方式固定在夹具上。金刚石压头夹具金刚石压头微动平台金刚石压头夹具金刚石压头微动平台图3-3移动进给装置玻式压头由莱金公司生产，图3-4为玻式压头的结构图。实验使用的玻式压头顶端金刚石中心线和面的夹角为65˚18’±15’，中心线和棱线的夹角为77˚03’±15’，棱线之间的夹角为115˚8’，三条棱线交汇于一点，刃圆半径小于200nm，在压头上采用刻线的方式标记了一条棱边的位置以便于区分玻式压头刻划方向。棱边标记线棱边标记线图3-4玻式压头结构图1.2.3高速刻划实验装置的装配如图3-5所示为高速刻划装置的装配图，其中由机械硬盘和电机驱动器组成的载片装置被放置在铝壳内，并通过螺钉固定在基板上。移动进给装置则通过一个行程为18mm的滑块固定在基板上，微动平台带动玻式压头沿着图中x轴方向实现进给，滑块的作用是完成压头进给后高速刻划时，带动移动进给装置沿图中y轴方向移动，从而避免重复刻划。基板支撑脚滑块微动平台机械硬盘玻式压头调速旋钮压头夹具基板支撑脚滑块微动平台机械硬盘玻式压头调速旋钮压头夹具图3-5高速刻划装置装配图1.3刻划实验方案刻划实验采用（100）晶面的单晶硅抛光片，对[110]晶向作了标定，尺寸为5mm×5mm×0.5mm，单晶硅抛光后的（100）表面粗糙度低于0.5nm。在刻划前对单晶硅抛光片清洗5~10min，清洗液为无水乙醇。烘干后的单晶硅抛光片通过超薄光学双面胶粘贴在载片装置上，为了实现变切深刻划，需要将单晶硅晶片的一侧垫起，使其倾斜微小的角度，刻划实验中微动平台仅用于带动玻式压头完成进给，刻划则是通过载片装置带着硅晶片高速旋转完成，图3-6所示为刻划过程示意图。应当注意的是，玻式压头的刻划方向并非沿着严格意义上的[110]晶向，然而，因为刻划方向的变化很细微，所以其对实验结果的影响可以忽略。由图示的刻划轨迹，玻式压头的刻划速度vk为， (3-1)式中，lp表示载片装置中心到单晶硅抛光片AD边的距离，lp=30mm；lg表示划痕到单晶硅抛光片AD边的距离；n表示载片装置转速。压头移动方向实验参数如表3-1所示，虽然载片装置的额定转速高达7200r/min，然而由于固定单晶硅抛光片的超薄光学双面胶粘结强度有限，过高转速引起的离心力会使抛光片脱落。因此，本研究最大转速控制在1000r/min以内，该刻划速度相对于传统纳米刻划实验每秒微米级的刻划速度要高得多，与真实工况下的刻划速度量级相当。刻划后，将单晶硅抛光片重新清洗5~10min并烘干，划痕形貌及残余划痕深度数值通过KEYENCEVK-X200K3D激光显微镜测量。压头移动方向载片装置旋转方向玻式压头单晶硅片载片装置旋转方向玻式压头单晶硅片倾角单晶硅片垫片载片装置刻划方向倾角单晶硅片垫片载片装置刻划方向（a）刻划实验原理图DCBAlg单晶硅抛光片lp[110]（100）压头移动方向载片装置中心刻划轨迹DCBAlg单晶硅抛光片lp[110]（100）压头移动方向载片装置中心刻划轨迹（b）刻划轨迹图图3-6刻划过程示意图表3-1刻划实验参数实验序号刻划方向转速n（r/min）1沿面5002沿棱5003沿棱7504沿棱10001.4刻划实验结果分析1.4.1划痕形貌分析根据刻划后的划痕位置和公式（3-1）可以求得不同划痕的刻划速度，对于刻划方向不同的两组实验结果，选取了刻划速度同为1.59m/s两道划痕进行观测，图3-7为1.59m/s的刻划速度下不同刻划方向的划痕形貌，图3-7（a）为沿棱刻划的划痕形貌，图3-7（b）为沿面刻划的划痕形貌，从划痕形貌上看，在划痕深度较浅的位置单晶硅表面的划痕是平直且光滑的，此时单晶硅刻划加工的材料去除模式表现为塑性域去除，随着划痕深度由浅到深，材料去除模式开始向脆性域去除转变，沟槽周围开始出现裂纹和宏观崩碎，划痕深度越深的位置，材料的脆性崩碎形貌随着划痕深度的增加而变得更加明显，且崩碎面积也变大。对比图3-7（a）和图3-7（b）的划痕形貌可以发现，玻式压头沿面刻划比沿棱刻划得到的划痕形貌更完整，更不容易发生材料破碎，此现象可以由第2章的理论分析结果得到解释，刻划深度相同的条件下的，沿面刻划时材料受到的应力更小，因此沿面刻划更容易引起材料的塑性域去除。塑性域去除塑性域去除刻划方向刻划方向裂纹裂纹破碎塑性域去除塑性域去除刻划方向刻划方向裂纹裂纹破碎（a）沿棱方向（b）沿面方向图3-7刻划速度为1.59m/s时的划痕形貌根据激光显微镜获得的划痕形貌图像，通过专用的分析软件可以按照图3-8所示的方式直接获取到划痕的截面形貌及残余划痕深度，图3-8为1.59m/s刻划速度条件下，沿棱方向刻划获得的划痕形貌图像，测量线处的残余划痕深度为142nm，其余位置及刻划条件下的划痕截面形貌和残余划痕深度都可以通过此方式测得。根据测量线上的划痕深度变化可以发现，位于划痕两侧的材料有塑性隆起现象，这表明刻划引起了单晶硅表面的塑性流动。测量线测量线划痕深度划痕深度图3-8划痕截面形貌1.4.2径向裂纹萌生划痕深度鉴于横向裂纹和中位裂纹均位于材料的亚表面，其萌生位置不易观察，因此本文仅测量了径向裂纹的萌生划痕深度，表3-2为测量结果，其中涉及到的刻划速度均是通过划痕位置和公式（3-1）求得。从表中数据可以看出，沿面刻划时径向裂纹萌生划痕深度实验值与计算值之间的误差为8.89%，沿棱刻划时径向裂纹萌生划痕深度实验值与计算值之间的最大误差为11.31%，两者之间具有较好的一致性。根据径向裂纹萌生划痕深度实验值可知，压头沿棱方向刻划时径向裂纹萌生划痕深度会随刻划速度的增大而增大，这是由于刻划速度越大，玻式压头对单晶硅材料的瞬时冲击越大，由瞬时冲击引起的应变硬化效应越明显[70]，从而导致单晶硅断裂强度也相应增大，