大尺寸金刚石磨盘超声辅助行星磨削SiC晶片关键技术基础研究

A new machining method of ultrasonic vibration assisted planetary grinding is proposed for some difficult technical problems of a low production rate, a serious damage, and difficult controlling of wafer shape precision in silicon carbide wafer double sides lapping. A new ultrasonic vibration assisted grinding wheel will be designed and fabricated, which will be used to grinding silicon carbide wafers after cutting with diamond wire on precision double-sided planetary grinding machine in ultrasonic vibration assisted planetary grinding. The material removal mechanism and damage formation mechanism will be revealed by analysis of interacting mechanism of grain and workpiece in ultrasonic assisted planetary grinding silicon carbide wafer. A damage prediction model will be established for ultrasonic assisted planetary grinding silicon carbide wafer. The material removal rate model and shape precision controlling model will be established by calculating and analyzing the relative trajectories of grain and workpiece in ultrasonic assisted planetary grinding silicon carbide wafer. A machining optimization strategy will be set to reduce the depth of the damage, improve machining precision and processing efficiency. A set of suitable new technology of ultrasonic vibration assisted planetary grinding silicon carbide wafer will be explored.

针对SiC晶片研磨过程中存在的加工效率低、损伤大、面形精度控制难的技术问题，本项目提出采用超声振动辅助行星磨削方法对线切后的SiC晶片进行精密磨削加工。通过自行设计和制备大尺寸径向超声振动磨盘（直径为700mm），在精密行星磨床上对SiC晶片开展超声辅助行星磨削实验研究，分析碳化硅晶片超声辅助行星磨削过程中磨粒与工件的作用机制，揭示其材料去除机理及加工损伤形成机制，建立SiC晶片超声振动辅助行星磨削加工损伤预测模型。并通过理论计算，分析超声辅助行星磨削过程中磨粒与工件的相对运动轨迹，建立SiC晶片行星磨削材料去除率模型及晶片面形精度控制模型。并以提高加工精度、减小损伤深度和提高加工效率为目标，制定SiC晶片超声振动辅助行星磨削加工优化策略，探索一套适用于晶片超声辅助行星磨削加工的新工艺。

项目按照原定计划执行，针对碳化硅晶片研磨过程中存在的加工效率低、损伤大、面形精度控制难的技术问题，提出了采用超声辅助行星磨削方法用于碳化硅晶片的平坦化加工方法。采用拼接方法自行设计并制备了一台大尺寸径向超声振动研磨机床，磨盘直径达700mm；采用自行搭建的超声辅助研磨机床，开展碳化硅和蓝宝石衬底的超声辅助研磨试验，验证了超声辅助研磨机床的原理正确性，评价了超声辅助研磨机床的加工效果；搭建了超声辅助高速划擦试验平台，并开展碳化硅的超声辅助单颗磨粒划擦试验，探索了超声辅助划擦单晶碳化硅的材料去除机理及裂纹形成机制；采用分子动力学和有限元仿真软件模拟单颗和多颗磨粒划擦单晶碳化硅过程，揭示了振动辅助材料去除机理及表面形成机制，并探索了振动频率和振幅的影响规律。创新性地提出了融合衬底表面加工均匀性、磨盘磨损均匀性、材料去除率和加工过程平稳性的行星磨削优化方法和策略，采用粒子群优化算法对行星磨削工艺参数的多目标函数进行求解，并基于Matlab软件开发了行星磨削工艺参数优化系统，提高了衬底表面均匀性和加工过程的稳定性。. 项目执行期间发表相关学术论文9篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文2篇，获得授权发明专利4项，参与制定国际标准1项。培养硕士研究生7名，其中6名已经取得硕士学位，1名在读，协助培养博士研究生2名，其中1名已经取得博士学位，1名在读。项目预算投入经费62万元，实际支出51.69万元，各项支出基本与预算相符，剩余经费10.30万元，剩余经费计划用于本项目的后续研究支出。