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随着电动车和5G技术的兴起,单晶碳化硅作为第三代半导体材料,由于其良好的性能在功率半导体元器件中逐渐普及。但单晶碳化硅的高硬度和高脆性导致其在切片加工中极易产生裂纹损伤,增加了晶片的破片率和后续加工成本,甚至影响单晶碳化硅元器件的性能。由于力学和数学工具的缺乏,对单晶碳化硅切片加工材料去除及裂纹扩展机理的定量分析非常困难,切片加工时难以实现对晶片表层裂纹损伤的控制。本文以单晶碳化硅机械刻划研究为基础,分析单磨粒刻划过程的材料去除及裂纹扩展机理,提出多磨粒刻划过程裂纹间耦合作用的定量分析方法,建立单晶碳化硅晶片表层裂纹损伤深度的预测模型,实现表层裂纹损伤的分析和预测。研究工作对单晶碳化硅的高效高质量切片加工和推动单晶碳化硅元器件制造技术的发展具有重要意义。本文的主要研究工作归纳如下:将金刚石线锯上磨粒的尖端简化为带有球形尖端的正三棱锥,综合考虑划痕的弹性恢复和硬度的尺寸效应,建立了单晶碳化硅单磨粒刻划的刻划力和刻划压入深度关系模型,得到了刻划力随刻划压入深度的变化规律。分析了单磨粒刻划的刻划应力场分布规律,得到了中位裂纹、表面侧向裂纹和亚表面侧向裂纹扩展的驱动应力。设计了利用锯丝上的金刚石磨粒对单晶碳化硅的刻划实验装置,进行了对4H-SiC(0001)晶面的单磨粒单次刻划和单磨粒两次刻划实验,研究了单磨粒单次刻划和单磨粒两次刻划的材料去除以及裂纹扩展机理。基于弹性断裂力学理论,提出了对单晶碳化硅多磨粒刻划中位裂纹间耦合作用的定量分析方法。根据叠加原理将中位裂纹间的耦合作用,转化为刻划应力场作用下中位裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的求解问题。利用Fourier变换和Fredolm积分方程,分别求得了受对称集中载荷和反对称集中载荷作用的I型开裂对应的SIFs数值解,进而利用叠加原理和Green函数法,得到刻划应力场作用问题对应的SIFs数值解。计算得到各向同性材料经典问题对应的SIFs值,分析了数值求解方法的准确性。得到了单晶碳化硅中位裂纹尖端SIFs值随刻划间距的变化规律,发现了中位裂纹间的耦合作用对其相邻中位裂纹的扩展有抑制作用。基于弹性断裂力学理论,提出了对单晶碳化硅多磨粒刻划亚表面侧向裂纹间耦合作用的定量分析方法。根据叠加原理将裂纹间耦合作用,转化为刻划应力场作用下裂纹尖端SIFs的求解问题。利用Fourier变换、位移跳跃函数和Schmidt正交化方法,求得了刻划应力场作用下Ⅰ型开裂对应的SIFs数值解。计算得到各向同性材料经典问题对应的SIFs值,分析了数值求解方法的准确性。得到了单晶碳化硅亚表面侧向裂纹尖端SIFs值随刻划间距的变化规律,发现了亚表面侧向裂纹间的耦合作用对相邻裂纹的扩展有诱导作用。建立了描述电镀金刚石线锯三维形貌的参数化模型,确定了磨粒的形貌分布及其在锯丝上位置分布的数学描述方法。保证切片加工时锯丝挠曲产生的法向力与磨粒刻划力的平衡,建立了单晶碳化硅晶片表层裂纹损伤深度(SSD)的预测模型。进行了 4H-SiC切片加工实验,测得了不同切片工艺参数对应的裂纹损伤深度值,验证了裂纹损伤深度预测模型的准确性。得到了切片工艺参数和锯丝形貌参数对晶片SSD的影响,提出了减小该SSD值的方法。