單晶碳化硅晶片的激光-水射流復(fù)合近無損傷微細加工機理研究.pdf

1、單晶碳化硅的硬度大、熔點高、導(dǎo)熱率高，具有非常高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。單晶碳化硅具有優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì)，是第三代半導(dǎo)體材料，在半導(dǎo)體工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景。但是，單晶碳化硅是典型的難加工硬脆材料，為了提高其加工效率和加工質(zhì)量，本文對單晶碳化硅晶片的激光-水射流復(fù)合近無損傷微細加工機理進行了系統(tǒng)研究。本文的研究成果可用于類似硬脆材料的近無損傷微細加工。
　　實驗研究了激光-水射流復(fù)合微細加工單晶碳化硅晶片的成形性能。研究

2、了工藝參數(shù)對槽深、槽寬和材料去除率影響的顯著性。結(jié)果表明，射流傾角、射流偏置距離、噴嘴靶距、掃描速度、激光平均功率和水壓對槽深、槽寬和材料去除率的影響都非常顯著;激光焦平面高度對槽深和材料去除率的影響非常顯著，對槽寬的影響不顯著;激光脈沖頻率對槽深的影響非常顯著，對槽寬和材料去除率的影響中等顯著。建立了槽深、槽寬和材料去除率的回歸預(yù)報模型，該模型預(yù)報結(jié)果平均誤差均低于10.0％。研究了單一工藝參數(shù)對槽深、槽寬和材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果

3、表明，槽深、槽寬和材料去除率隨著激光平均功率的增加而增大;槽深、槽寬和材料去除率隨著射流偏置距離的增加而先增大后減小;槽深、槽寬和材料去除率隨著噴嘴靶距和水壓的增加而降低;槽深和槽寬隨著掃描速度的增加而降低，材料去除率隨著掃描速度的增加而先增大后減小。研究了工藝參數(shù)間的交互作用對槽深、槽寬和材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，使槽深、槽寬和材料去除率達到極大值的臨界射流偏置距離隨著水壓的增加而增大，但是幾乎不隨噴嘴靶距的變化而變化。

4、　　對激光-水射流復(fù)合微細加工單晶碳化硅晶片的加工表面質(zhì)量進行了評價。結(jié)果表明，激光-水射流復(fù)合微細加工后的材料表面質(zhì)量較高，其加工區(qū)域與未加工區(qū)域間的邊界清晰，切口邊緣平直，切口兩側(cè)的材料表面潔凈;加工得到的V形槽具有較好的三維形貌和截面輪廓，槽的邊緣與未加工表面間的過渡平滑;在切口兩側(cè)未觀察到明顯的熱影響區(qū)，切口側(cè)壁表面紋理清晰，具有發(fā)生塑性去除行為后的材料表面特征，材料表面不存在重鑄層。
　　研究了激光-水射流復(fù)合微細加工過

5、程中，激光、水與工件材料之間的多場耦合作用機理與規(guī)律。研究了激光對工件材料的加熱作用，建立了激光熱源在空間和時間上的分布模型。結(jié)果表明，激光熱源的能量在z軸上呈指數(shù)分布，沿z軸負方向逐漸減弱;激光熱源在時間上呈脈沖周期分布，激光強度在脈沖持續(xù)期間內(nèi)近似為正態(tài)分布。研究了水射流對工件材料的沖擊作用。結(jié)果表明，最大壁面切應(yīng)力隨著噴嘴靶距的增加而降低;隨著噴嘴靶距的增加，最大壁面切應(yīng)力點逐漸遠離滯點。研究了水射流對工件材料的冷卻作用。結(jié)果表明

6、，射流沖擊區(qū)的平均對流換熱系數(shù)比壁面射流區(qū)高兩個數(shù)量級，水射流強制對流換熱主要發(fā)生在射流沖擊區(qū);射流沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)的平均對流換熱系數(shù)隨著水壓的升高而增大。研究了水射流對激光的干涉作用。結(jié)果表明，水對激光的反射率為2％左右;水對激光的吸收率在沖擊區(qū)小于1.4％，在壁面射流區(qū)小于0.3％;折射后激光焦平面位置下移，激光束聚焦直徑增大;折射率隨著溫度的升高而略有減小，水壓變化對折射率的影響較小;水的紊動和摻氣導(dǎo)致激光射入水中后光束質(zhì)量下降

7、，水壓升高增強了水的紊動性，導(dǎo)致激光光束質(zhì)量進一步降低;加工時水中不會形成等離子體。
　　研究了激光-水射流復(fù)合微細加工過程中工件材料內(nèi)部的溫度場分布。確定了激光-水射流復(fù)合微細加工單晶碳化硅的溫度場模型的初始條件和邊界條件;研究了4H單晶碳化硅的熱物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系;建立了考慮工件材料高溫熱物理性能參數(shù)變化的激光。水射流復(fù)合微細加工單晶碳化硅的溫度場模型。結(jié)果表明，在0-200ns時間范圍內(nèi)工件材料內(nèi)部溫度逐漸升高，工件材料被

8、加熱區(qū)域逐漸擴大;工件材料內(nèi)部的等溫線分布規(guī)律與激光熱源作用于工件材料內(nèi)部的能量分布規(guī)律一致。
　　揭示了激光-水射流復(fù)合微細加工單晶碳化硅的材料去除機理。當溫度高于脆塑轉(zhuǎn)變溫度時，單晶碳化硅的屈服強度低于斷裂強度，表現(xiàn)出塑性行為。當施加在主滑移系(0001)<11(2)0>上的分切應(yīng)力大于工件材料的臨界分切應(yīng)力時，工件材料發(fā)生晶格滑移、變形并最終被去除。隨著溫度的升高，4H單晶碳化硅的臨界分切應(yīng)力顯著下降;當溫度為1650K時，

9、4H單晶碳化硅的臨界分切應(yīng)力小于5MPa。建立了激光-水射流復(fù)合微細加工4H單晶碳化硅的工件材料去除廓形有限差分模型，實驗驗證了模型的有效性，該模型對槽深、槽寬和切口截面輪廓的預(yù)報均具有較高的精度。研究了一個激光脈沖周期和多個激光脈沖周期內(nèi)的溫度演變和材料去除廓形演變過程。結(jié)果表明，在一個激光脈沖周期內(nèi)，材料加熱發(fā)生在整個脈沖持續(xù)期間(0-350ns)，材料去除大致發(fā)生在200-350ns時間范圍內(nèi);當t≈350ns時,材料加熱和去除暫