單晶SiC基片超精密加工表面及亞表面損傷研究.pdf

1、單晶SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作高頻大功率電力電子器件和光電子器件的襯底基片。作為薄膜材料生長(zhǎng)的載體，其加工表面質(zhì)量直接影響薄膜質(zhì)量，決定電子元器件性能。本文基于加工亞表面損傷層檢測(cè)的截面顯微法提出了一種操作簡(jiǎn)單的截面制樣方法，系統(tǒng)研究了單晶SiC材料的加工表面及亞表面損傷特征、材料去除機(jī)理和單晶SiC基片磨粒加工工藝。
　　解理截面制樣法在單晶

2、SiC基片亞表面裂紋檢測(cè)的截面制作上與傳統(tǒng)截面制樣法相比，檢測(cè)結(jié)果相同，但解理截面制樣法的制樣過(guò)程比傳統(tǒng)截面制樣法簡(jiǎn)單，不需要對(duì)截面進(jìn)行研磨拋光，減少了二次損傷的影響，檢測(cè)結(jié)果更直接反映亞表面實(shí)際狀態(tài)。
　　通過(guò)Vickers壓痕試驗(yàn)研究單晶SiC基片在Vickers壓頭的加載作用下的裂紋產(chǎn)生機(jī)理與擴(kuò)展規(guī)律，分析單晶SiC基片壓痕裂紋形成過(guò)程。Vickers壓頭在單晶SiC表面加載和卸載過(guò)程中，材料的變形過(guò)程存在三個(gè)階段:塑性變形

3、階段、裂紋擴(kuò)展階段和微破碎階段。壓頭壓入單晶SiC表面會(huì)產(chǎn)生塑性壓痕、側(cè)向裂紋和徑向/中位裂紋，但是各種類(lèi)型的裂紋是否出現(xiàn)跟壓入載荷的大小相關(guān)，隨著加載載荷的減小，壓痕出現(xiàn)脆塑轉(zhuǎn)變。
　　通過(guò)對(duì)切割、研磨、磨削和拋光幾種不同磨粒加工方法加工的單晶SiC基片的表面及亞表面損傷進(jìn)行觀(guān)測(cè)，結(jié)合單晶SiC材料的斷裂機(jī)理，研究單晶SiC基片的加工表面及亞表而損傷特征和材料去除機(jī)理。單晶SiC基片粗加工過(guò)程中產(chǎn)生的表面及亞表面損傷包括表面破碎

4、層和亞表面裂紋層，亞表面裂紋主要包括:側(cè)向裂紋和中位/徑向裂紋。
　　通過(guò)不同工藝方法的表面加工試驗(yàn)研究單晶SiC基片超光滑表面的形成過(guò)程。在研磨中，當(dāng)磨粒粒度減小至1.5μm時(shí)，表面粗糙度Ra為24.0nm，最大亞表面裂紋深度為1.2μm，材料的去除方式大部分仍為脆性斷裂，只有極少數(shù)部分凸起的碎屑發(fā)生塑性變形。在磨削中，影響最大磨粒切削深度的因素主要有砂輪磨料粒度、進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速，隨著最大磨粒切削深度的減小，磨削表面粗糙度逐漸減

5、小，材料的去除方式發(fā)生脆塑性轉(zhuǎn)變。當(dāng)最大磨粒切削深度大于臨界砂輪磨粒切深時(shí)，材料的去除方式主要以脆性破碎為主，當(dāng)最大磨粒切削深度小于臨界砂輪磨粒切深時(shí)，材料的去除方式主要以塑性流動(dòng)為主。采用325＃金剛石砂輪磨削可以獲得表面粗糙度Ra為17.7nm、最大亞表面裂紋深度為5.8μm的單晶SiC基片，晶片表面主要為耕犁劃痕和空隙;采用8000＃金剛石砂輪磨削可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶SiC材料的塑性去除，磨削后晶片表面主要為塑性劃痕，表面粗糙度Ra為2