CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究

郝晓丽 苑泽伟 温泉 郭胜利

郝晓丽, 苑泽伟, 温泉, 郭胜利. 超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
引用本文: 郝晓丽, 苑泽伟, 温泉, 郭胜利. 超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
HAO Xiaoli, YUAN Zewei, WEN Quan, GUO Shengli. Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide[J]. Diamond &Abrasives Engineering, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
Citation: HAO Xiaoli, YUAN Zewei, WEN Quan, GUO Shengli. Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide[J]. Diamond &Abrasives Engineering, 2022, 42(3): 268-274. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208

超声振动辅助研磨单晶碳化硅晶片工艺研究

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0208
基金项目: 国家自然科学基金(51305278);辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC2007133);辽宁省自然科学基金(2020-MS-213)。
详细信息
    通讯作者:

    苑泽伟,男,博士、副教授、博士生导师。主要研究方向:特种加工与精密制造技术、难加工材料的高效加工技术以及高端装备关键零/部件制造技术。E-mail:zwyuan@aliyun.com

  • 中图分类号: TG58;TH161

Process research on ultrasonic vibration assisted lapping of single crystal silicon carbide

  • 摘要: 针对传统研磨方法加工单晶碳化硅晶片存在的材料去除率低、磨料易团聚等问题,本文提出超声振动辅助研磨方法,并探究不同工艺参数(转速、磨料质量分数、抛光压力、磨料粒径)对单晶碳化硅晶片研磨效率和表面质量的影响规律。试验结果和理论分析表明:超声振动有效提高了单晶碳化硅晶片研磨的材料去除率;在研磨盘转速为50 r/min,磨料质量分数为2.5%,压力为0.015 MPa,磨料粒径为0.5 μm时超声振动对材料去除率的提升效果最明显,分别提升23.4%,33.8%,72.3%,184.2%。同时,通过对研磨过程中表面粗糙度的追踪检测,能确定不同粒径磨料超声振动辅助研磨的最佳时间。

     

  • 图  1  压电陶瓷片逆压电效应示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic sheet

    图  2  试验装置示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of experimental device

    图  3  试验装置图

    Figure  3.  Diagram of experimental device

    图  4  单晶碳化硅晶片

    Figure  4.  Single crystal silicon carbide wafer

    图  5  压电陶瓷片

    Figure  5.  Piezoelectric ceramic sheet

    图  6  喷砂玻璃研磨盘

    Figure  6.  Sandblasted glass grinding disc

    图  7  研磨试验流程图

    Figure  7.  Flow chart of lapping experiment

    图  8  不同转速时试件的材料去除率

    Figure  8.  Material removal rate of specimens at different speeds

    图  9  不同磨料质量分数时试件的材料去除率

    Figure  9.  Material removal rate of specimens at different abrasive concentrations

    图  10  不同压力时试件的材料去除率

    Figure  10.  Material removal rate of specimens under different lapping pressures

    图  11  不同磨料粒径时的材料去除率

    Figure  11.  Material removal rate at different abrasive grit sizes

    图  12  不同粒径金刚石磨料研磨碳化硅晶片表面粗糙度变化

    Figure  12.  Surface roughness of silicon carbide wafers varing with different diamond grit sizes

    图  13  不同磨料研磨后碳化硅晶片表面形貌

    Figure  13.  Surface morphology of silicon carbide wafer after lapping with different abrasives

    表  1  研磨试验方案

    Table  1.   Test program of lapping experiment

    试验组别工艺条件研究变量变量取值
    1d=5.0 μm,
    ω=5.0%,
    p=0.010 MPa
    研磨盘转速
    n1 / (r·min−1)
    30,40,
    50,60
    2d=5.0 μm,
    p=0.010 MPa,
    n1=50 r/min
    磨料质量
    分数ω / %
    2.5,5.0,
    7.5,10.0
    3
    ω=5.0%,
    n1=50 r/min,d=5.0 μm
    压力 p / MPa0.010,0.015,0.020,0.025
    4
    ω=5.0%,p =0.010 MPa,
    n1=50 r/min
    磨料粒径
    d / μm
    0.5,2.0,5.0
    下载: 导出CSV

    表  2  不同研磨转速下试件研磨前后质量

    Table  2.   Mass of test pieces before and after grinding at different rotational speeds

    研磨盘转速
    n1 / (r·min−1)
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声振
    动辅助
    有超声振
    动辅助
    无超声振
    动辅助
    有超声振
    动辅助
    304.563 24.582 54.548 34.565 6
    404.563 04.582 04.542 64.559 4
    504.562 74.581 74.528 14.539 0
    604.563 04.582 24.513 64.528 4
    下载: 导出CSV

    表  3  不同磨料质量分数条件下试件研磨前后质量

    Table  3.   Mass of test pieces before and after grinding at different abrasive concentrations

    磨料质量分数

    ω / %
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    2.54.556 74.583 24.527 14.543 6
    5.04.562 74.581 74.528 14.539 0
    7.54.564 24.582 24.525 44.534 1
    10.04.558 34.582 04.534 54.550 3
    下载: 导出CSV

    表  4  不同研磨压力条件下试件研磨前后质量

    Table  4.   Mass of test pieces before and after grinding at different lapping pressures

    压力
    p / MPa
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    0.0104.562 74.58174.52814.539 0
    0.0154.559 64.581 14.522 14.516 5
    0.0204.558 54.579 84.482 34.483 2
    0.0254.561 34.578 34.463 84.425 3
    下载: 导出CSV

    表  5  不同磨料粒径条件下试件研磨前后质量

    Table  5.   Mass of test pieces before and after grinding at different grit sizes

    磨料粒径
    d / μm
    研磨前试件质量
    m0 / g
    研磨后试件质量
    m1 / g
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    无超声
    振动辅助
    有超声
    振动辅助
    5.04.562 74.58174.52814.539 0
    2.04.553 84.580 54.543 74.563 9
    0.54.561 14.578 84.559 24.573 4
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵敏, 贺文智, 朱昊辰, 等. 碳化硅在能源领域的应用及展望 [J]. 上海节能,2017(10):578-582. doi: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.004

    ZHAO Min, HE Wenzhi, ZHU Haochen, et al. The application and prospect of silicon carbide in the energy field [J]. Shanghai Energy Conservation,2017(10):578-582. doi: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.004
    [2] 刘宏勋, 徐海. 碳化硅电力电子器件及其在电力电子变压器中的应用 [J]. 科学技术与工程,2020,20(36):14777-14790. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2020.36.002

    LIU Hongxun, XU Hai. Silicon carbide power electronic devices and their applications in power electronic transformers [J]. Science Technology and Engineering,2020,20(36):14777-14790. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2020.36.002
    [3] HOROWITZ K, REMO T, REESE S. A manufacturing cost and supply chain analysis of SiC power electronics applicable to medium-voltage motor drives [M]. Golden, CO: Clean Energy Manufacturing Analysis Center, 2017.
    [4] 朱泓达. 半导体材料在电子科学技术中的应用 [J]. 黑龙江科学,2020,11(10):80-81. doi: 10.3969/j.issn.1674-8646.2020.10.036

    ZHU Hongda. The application of semiconductor materials in electronic science and technology [J]. Heilongjiang Science,2020,11(10):80-81. doi: 10.3969/j.issn.1674-8646.2020.10.036
    [5] SHE X, HUANG A Q, LUCIA O, et al. Review of silicon carbide power devices and their applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017(10):1.
    [6] AIDA H, DOI T, TAKEDA H, et al. Ultraprecision CMP for sapphire, GaN, and SiC for advanced optoelectronics materials [J]. Current Applied Physics,2012,12(9):S41-S46.
    [7] 翟文杰, 高博. 单晶SiC的化学机械抛光及其增效技术研究进展 [J]. 哈尔滨工业大学学报,2018,50(7):1-10. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.201803130

    ZHAI Wenjie, GAO Bo. Research progress of chemical mechanical polishing of single crystal SiC and its synergistic technology [J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2018,50(7):1-10. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.201803130
    [8] 麦玉冰, 谢欣荣. 第三代半导体材料碳化硅(SiC)研究进展 [J]. 广东化工,2021,48(9):151-152,155.

    MAI Yubing, XIE Xinrong. The Research progress of the third generation semiconductor material silicon carbide (SiC) [J]. Guangdong Chemical Industry,2021,48(9):151-152,155.
    [9] 韩润龙. 第三代半导体材料SiC平坦化技术的研究现状 [J]. 技术应用与研究,2018(11):73-75.

    HAN Runlong. Research status of the third-generation semiconductor material SiC planarization technology [J]. Technology Application and Research,2018(11):73-75.
    [10] 李伟. SiC晶片精密研磨工艺及其表面损伤研究 [D]. 广州: 广东工业大学, 2013.

    LI Wei. Research on the precision grinding process and surface damage of SiC wafers [D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2013.
    [11] LEE T, KIM H, LEE S, et al. Self-dressing effect using a fixed abrasive platen for single-sided lapping of sapphire substrate [J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2017,31(12):5649-5655. doi: 10.1007/s12206-017-1105-1
    [12] PARK K H, KIM K T, HONG Y H, et al. Study on effect of ultrasonic vibration in machining of alumina ceramic [J]. Key Engineering Materials,2012,516:311-316. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.516.311
    [13] 赵明利, 赵波, 高国富. 超精密研抛及超声波研抛技术分析 [J]. 现代机械,2006(6):50-53. doi: 10.3969/j.issn.1002-6886.2006.06.021

    ZHAO Mingli, ZHAO Bo, GAO Guofu. Ultra-precision polishing and ultrasonic polishing technology analysis [J]. Modern Machinery,2006(6):50-53. doi: 10.3969/j.issn.1002-6886.2006.06.021
  • 加载中
图(13) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  99
  • HTML全文浏览量:  11
  • PDF下载量:  29
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 录用日期:  2022-03-14
  • 收稿日期:  2021-12-09
  • 修回日期:  2022-01-09
  • 网络出版日期:  2022-07-13

目录

    /

    返回文章
    返回