大直径超薄SiC单晶片高速-超声切割机理及参数控制

大直径超薄SiC单晶片是半导体装置中耐高压和高温器件的理想材料，但其高的材料硬度使加工过程成为整个装置制造过程的难点，切割作为首道加工工序是整个制造过程的瓶颈。本项目提出高速-超声切割是在线锯和SiC单晶片相对高速运动的同时，为线锯附加一超声振动，使其在高速和高频振荡下对工件摩擦、冲击和挤压，实现SiC单晶片切割过程的高速微量去除。采用理论分析、仿真和实验相结合的方法，根据切割过程的力、温度、表面粗糙度以及切屑形状，研究在超声振荡冲击和高速切割相融合过程中单晶材料的高速微量去除机理；综合考虑切割过程中的影响材料去除率的因素，在切割过程稳态模型的基础上，采用一阶系统建立切割力动态模型，递归最小二乘法预估模型参数；设计含自适应切割力控制器的高速-超声切割系统，动态调整切割参数以保证切割力准确跟踪其参考量，实现稳定切割过程，并使切割效率达到最大，为该类材料的制造过程提供理论依据和基础。

SiC单晶是理想的耐高压和高温器件材料，但高的硬度使其加工非常困难，尤其是切割。项目获得了SiC单晶的塑性域加工实现条件，发现了超声作用下SiC单晶的材料去除机理，实现了切割过程的自适应控制：.根据声发射、摩擦力理论，采用单点金刚石刀具对4H-SiC单晶的临界切削条件测试，通过声发射、摩擦力等传感器来监测刻划过程中变量，并通过Leica DCM3D及SEM观察表面形貌、切屑状态。结果表明， SiC单晶存在塑性域加工的可能性，其临界切削深度在300-400纳米。且在不同角度、刀尖圆弧半径下的SiC单晶的临界切削深度不同，增大刀具角度有利于塑性域加工；在相同条件下，刀尖圆弧半径越大，临界切削深度越大。.从文献看，线锯切割力的研究都是定性的，本项目根据脆性断裂理论，从单颗磨粒的受力始，获得其切割力的模型。假定磨粒为锥形，且在线锯表面呈平均分布，伸出高度一致，发现了线锯与工件接触弧长对切割力的影响，建立了含动态弧长变化的切割力模型。实验结果表明，所提出的切割力的模型可预测实际的切割力，其切向力和法向力的误差分别为12.1%和9.98%。以工艺参数为影响因子设计了试验，建立表面粗糙度的响应面模型并进行了优化。.建立了横向超声振动作用的线锯模型，发现在振动周期内的当工件进给量小于线锯的最大切割深度时，线锯产生振动切割，否则不会；分析了超声切割对晶片表面形貌的影响，发现随着工件进给速度的增大，普通和超声切割的表面粗糙度都增大。但当工件进给速度大于0.08mm/min时，普通切割的表面粗糙度急剧增大，材料以脆性断裂去除。而超声切割则以塑性模式去除，其表面粗糙度没有变化。根据解析模型，得超声切割的临界切削深度是普通的2倍。.根据切割力静态模型，将其他工艺参数作为干扰因素，建立面向工件进给速度的控制系统模型，经过相关性测试，简化了模型。采用F检验法辨识出系统为二阶，在系统辨识的基础上，对所建立的系统模型采用遗忘因子递推最小二乘算法在线估计模型参数，设计基于最小方差自适应切割力控制器。实验结果表明，控制器能很好的跟踪不同信号，与普通切割过程相比， SiC单晶片的加工效率提高41%。为高效高质量切割SiC单晶提供了理论基础。.开发了SiC单晶临界切削深度测试平台，SiC单晶切割过程自适应控制软硬件系统平台，获得相关专利9项，发表论文34，培养博士研究生2人，硕士研究生11人。