SiC單晶線鋸切片微裂紋損傷深度及翹曲度有限元分析.pdf

1、SiC單晶是繼Si和GaAs后發(fā)展起來的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而SiC單晶硬度大、脆性高等特點(diǎn)，使得存在鋸切加工效率低、切片表面質(zhì)量差、易碎片等問題。切片微裂紋損傷深度和翹曲度是評(píng)價(jià)切片質(zhì)量重要指標(biāo)，微裂紋損傷深度直接影響后續(xù)工序量、晶片機(jī)械強(qiáng)度與成品率，翹曲度屬于體缺陷，一旦形成，后續(xù)研磨、拋光工序中很難改善。而切割工序是控制切片微裂紋損傷深度和翹曲度的關(guān)鍵。

2、本文基于有限元法，對(duì)SiC單晶電鍍金剛石線鋸鋸切過程切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)、微裂紋損傷深度及翹曲度進(jìn)行了研究，主要工作如下:
　　根據(jù)SiC單晶線鋸鋸切加工中材料脆性斷裂去除機(jī)理，基于brittle crackingmodel本構(gòu)模型，建立了SiC單晶線鋸切割有限元分析模型和切片微裂紋損傷深度分析模型。選取與SiC單晶具有相似鋸切加工機(jī)理與硬脆材料特性的Si單晶為鋸切加工對(duì)象，對(duì)切片微裂紋損傷深度計(jì)算分析模型進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋸切工

3、藝參數(shù)與SiC切片微裂紋損傷深度間關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:有限元計(jì)算分析模型的仿真值均小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，這是因?yàn)榉抡娼：雎粤巳毕荨⑶邢鳠峒颁徑z振動(dòng)等因素對(duì)微裂紋損傷深度的影響。在不同鋸切工藝參數(shù)下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真計(jì)算分析模型結(jié)果變化趨勢(shì)一致，其相對(duì)誤差均在20％～25％，間接驗(yàn)證SiC單晶切片微裂紋損傷深度計(jì)算分析模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SiC切片微裂紋損傷深度的快速分析與計(jì)算。切片的微裂紋損傷深度隨著鋸絲運(yùn)動(dòng)速度提高和晶體進(jìn)給速度降低而減小

4、，進(jìn)給速度變化對(duì)切片微裂紋損傷深度影響更顯著。
　　依據(jù)SiC單晶PVT法生長(zhǎng)內(nèi)部缺陷存在的實(shí)際情況，建立了含球狀孔洞缺陷SiC單晶線鋸切割有限元模型，結(jié)合應(yīng)力集中理論，研究了不同相對(duì)位置和尺寸的孔洞缺陷對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)影響。根據(jù)缺陷對(duì)切片應(yīng)力集中效應(yīng)程度，探討了孔洞缺陷位置和尺寸對(duì)鋸切過程切片破碎概率影響。研究表明孔洞缺陷存在，會(huì)引起局部應(yīng)力集中，加劇微裂紋萌生與擴(kuò)展，不同相對(duì)位置和尺寸的孔洞缺陷對(duì)鋸切過程切片應(yīng)力集中程度有明顯

5、差異。當(dāng)缺陷位于切片內(nèi)并無限接近切片表面時(shí)，對(duì)切片應(yīng)力集中程度影響最強(qiáng)烈，切片鋸切過程中發(fā)生破碎幾率最高，鋸切時(shí)盡量少選擇該鋸切位置;當(dāng)缺陷位于切除層中心時(shí)，缺陷尺寸變化對(duì)切片鋸切應(yīng)力場(chǎng)幾乎無影響，切片鋸切過程中發(fā)生破碎幾率最低，屬于相對(duì)較好的鋸切位置。
　　基于熱彈性理論，建立了線鋸切割SiC單晶熱分析有限元模型，分析了鋸切過程中切片溫度場(chǎng)、溫度梯度、熱應(yīng)力場(chǎng)以及節(jié)點(diǎn)熱變形位移場(chǎng)的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)切片節(jié)點(diǎn)熱變形位移場(chǎng)，建