4H-SiC材料的各向异性对材料的划切过程的影响研究

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4H-SiC作为第三代半导体材料,具有高临界击穿电场、大禁带宽度、高电子迁移率等特性。然而,碳化硅材料具有较高的硬度和脆性,给超精密加工带来了巨大困难。而且,由于其为六方晶格结构,使其具有显著的各向异性,这也给碳化硅的可加工性带来了更大的挑战。目前碳化硅材料各向异性对加工过程的影响机制依然很不清晰,这严重制约了碳化硅材料的发展与应用。因此,研究碳化硅材料的各向异性对加工过程材料去除机理的影响,对提高表面质量和减少加工过程材料损伤具有重要意义。本文以4H-SiC为研究对象,从4H-SiC的纳米压痕试验入手,系统的研究了4H-SiC的材料力学性能参数(弹性模量、硬度、摩擦系数等)的各向异性;在此基础上基于光滑动力学粒子流(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)仿真方法,分析了4H-SiC的各向异性对纳米划擦过程材料去除机理的影响;最后通过多颗磨粒划切实验分析了4H-SiC材料的划切过程材料去除机理以及4H-SiC的各向异性对划切过程的影响。主要工作包括以下四部分内容:(1)通过纳米压痕测试,得到了4H-SiC不同晶面、不同晶向族上的弹性模量、硬度等力学参数,结合压痕形貌,得到不同晶向的断裂韧性。实验结果显示4H-SiC的力学性能参数、断裂韧性以及压痕形貌表现出明显的各向异性。(2)通过对4H-SiC不同晶面及晶向的纳米划痕试验,从切向力、裂纹形貌出发分析了4H-SiC沿不同晶向划擦时材料的去除机理和裂纹演变过程。结果表明,在不同晶面的不同晶向上划擦,4H-SiC的切向力、裂纹的扩展方式以及划痕深度均表现出明显的周期性。(3)根据纳米压痕得到力学性能参,以JHC为4H-SiC的材料本构模型,基于SPH法建立了不同晶向单晶4H-SiC划擦过程仿真模型,结合实验和仿真的结果阐明了不同晶面及晶向的材料去除机理和损伤机制。(4)开展不同工艺参数下划切试验,分析了不同晶面及晶向的切槽表面质量。结合单颗划擦过程的材料去除机理,分析了在多颗磨粒下4H-SiC材料的去除机理,并阐明了4H-SiC的各向异性对划切过程的影响机制,确定了4H-SiC的最优划切方向。
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