多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅材料损伤机理的研究

Aiming at the bottleneck of silicon carbide wafer in grinding process, in order to control the anisotropy material damage in the grinding process of monocrystalline silicon carbide wafer, material damage mechanism of monocrystalline silicon carbide in multiple abrasive grains interfering process is studied. The numerical simulation, experimental grinding experiment, damage detection and data statistical analysis are adopted in this project. The anisotropic damage mechanics model of single crystal silicon carbide is established by building the comprehensive experimental platform of material dynamic and thermodynamic properties and the performance test of single crystal silicon carbide. In order to establish the damage mechanics model of the anisotropy of the single crystal SiC material in grinding, simulation of grinding with different grinding process parameters are carried out. On this basis, a single and multi abrasive processing platform is set up and the experiments of comprehensive cutting and grinding are carried out to verify the simulation results. In addition, by designing the abrasive tool with controllable arrangement, the mechanism of material damage during the grinding process of monocrystalline silicon carbide is studied in terms of the spatial distribution of abrasive particles.Through the research of this project, we hope to provide theoretical guidance for preparing special grinding tools for grinding process of monocrystalline SiC, and provide basis for process optimization of monocrystalline SiC wafer machining process.

项目针对碳化硅半导体晶片在磨削加工中所存在的瓶颈，以控制单晶碳化硅晶片加工过程中各向异性的材料损伤为目标，开展多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅材料损伤机理的研究。本项目拟采用数值仿真、磨削实验和损伤检测实验配合验证及数据统计分析等研究方法，通过搭建材料动态热力学性能综合实验平台和单晶碳化硅材料性能实验建立单晶碳化硅材料的各向异性材料本构模型，并针对不同的磨削工艺参数进行加工过程仿真，建立单晶碳化硅材料各向异性的损伤力学模型；在此基础上，搭建单\多颗磨粒切\磨削实验平台进行综合切\磨削实验验证，设计可控排布的磨具，针对磨粒空间分布展开多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅晶片磨削过程材料损伤机理的研究。通过本项目的研究，以期为制备碳化硅晶片磨削加工过程的专用磨具提供理论指导，并为碳化硅晶片磨削加工过程的工艺优化提供依据。

项目针对碳化硅半导体晶片在磨削加工中所存在的瓶颈，以控制单晶碳化硅晶片加工过程中各向异性的材料损伤为目标，采用数值仿真与解析建模结合、磨削实验和损伤检测实验配合验证及数据统计分析等研究方法开展多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅材料损伤机理的研究。首先，利用轻气炮的原理，搭建了材料冲击侵彻实验平台（高应变率），结合原有的材料性能测试实验设备（万能材料试验机（准静态）、霍普金森压杆（中小应变率）、高温硬度计及高速摄像机等），完成了适应不同应变率材料的动态力学性能综合实验平台的搭建；在原有JHC本构方程的基础上，通过引入损伤矩阵将单晶碳化硅材料的各向异性引入到原有本构模型中。在材料动态力学性能综合实验平台开展单晶碳化硅材料性能实验推演单晶碳化硅各向异性的本构模型参数。在此基础上，基于FEM&SPH耦合算法开展单晶碳化硅的单/两颗及多颗磨粒划擦过程仿真，通过实验验证证明了各向异性本构方程的有效性，开展了不同晶面晶向的单颗磨粒划擦过程仿真测试；搭建了微米单/多颗划擦干涉实验平台并开展了相关实验，结合不同晶面/晶向的纳米压划实验及微米划擦实验，揭示了划擦过程中单晶碳化硅不同晶面/晶向的材料去除机理，并分析了单晶碳化硅材料加工各向异性的产生原因；开展了以磨粒粒度及空间分布和磨削工艺参数（划擦深度、速度和频率）为参数的双颗磨粒划擦过程仿真，分析了磨粒粒度及空间分布和磨削工艺参数（划擦深度、速度和频率）对多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅材料损伤机理的影响；结合以上工作，利用液膜驱动的原理设计了一种制备单晶碳化硅专用磨具的装置，通过实验该装置能够较好地控制磨粒分布的均匀性。多颗磨粒干涉作用的单晶碳化硅材料损伤机理的研究为单晶碳化硅材料的加工过程工艺优化提供了一定的指导，也为单晶碳化硅专用磨具的设计和制备提供了坚实的理论基础。项目的顺利完成必将推动碳化硅晶片高效率、低损伤加工技术的进一步发展。