硬脆材料的磨削特点

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3.2单晶硅片磨削特点
• 1、易产生表面/亚表面损伤
单晶硅片磨削过程中的材料主要以微裂 纹扩展和脆性断裂的方式去除，并产生 塑性变形和塑性流动。采用金刚石砂轮 磨削时，磨削表面易产生划痕和微裂纹 等缺陷和损伤，磨削亚表面存在微裂纹、 位错、非晶层、多晶层和残余应力等损 伤。
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3、磨削表面质量不易保证
磨削单晶硅片能获得较高的加工精度， 但磨削表面会留下明显的“磨纹” （Grinding Marks）。单晶硅片磨削表 面的磨纹不仅影响硅片表面的纳米形貌 和粗糙度，而且会影响硅片的强度。
2、磨削力比大、砂轮磨削比小
金刚石砂轮磨削单晶硅片时，磨削力比 大，要求超精密磨削的砂轮主轴必须具 有较高刚度。为了减小单晶硅片磨削亚 表面损伤，大多采用硬度较软的树脂结 合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮，因而砂 轮磨削比小。
3.1单晶硅的材料特性
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单晶硅的晶体结构
金刚石IV型结构，由同种元素的两套面心立 方体晶格套构而成。单晶硅片是集成电路 （IC）制造中最重要的衬底材料
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单晶硅片最易劈开面
从晶体结构上看，单晶硅表现出各向异性，经 常裂开的面称为最易裂开面。 {111}晶面的原子排列最密集，面间距最大， 键密度最小，有最小的破裂韧性，面间结合 力最弱，受力最容易裂开。
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二.工程陶瓷的磨削
1工程陶瓷概述
2典型的类型 点击添加文本
3工程陶瓷的 磨削特点
4两个物理模型
点击添加文本
5工程陶瓷磨削 材料去除方式
6陶瓷磨削力特点
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2.1.工程陶瓷概述
• 工程陶瓷材料优点：高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数、以及耐 磨、隔热等。 • 1. 成型工艺（多为热压、烧结）和晶体结构（离子键和共价键）决定 了它具有高脆性、低断裂韧性以及弹性极限与强度非常接近的特点 • 2. 显微组织具有不均匀性和复杂性，这是因为热压、烧结过程中，各 相的含量、分布不均匀，烧制成型后物理机械性能很难通过加工方法 改变。
比磨削 能组成
显微塑性变形剪切能
磨粒与磨屑摩擦功
比磨削能： 金属材料>陶瓷材料
Si2N3 > Al2O3
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2.7工程陶瓷ELID镜面磨削
• 在线电解修整(ELID)镜面磨削技术可以 • 保证金属结合剂超硬磨料砂轮始终保持 锐利状态，不会产生切削堵塞砂轮现象， 从而可以采用微细、超细超硬磨料砂轮 ELID镜面磨削原理
2. LED衬底
衬底材料要求：与外延膜的结构、热膨胀系数 、化学稳定性匹配 优点1.稳定性很好，能够运用在高温生长过程 2.机械强度高，易于处理和清洗。 缺点1.晶格失配和热应力失配 2.硬度高，工艺复杂
满足基本要求： (1) 机械强度高 (2) 热稳定性好 (3) 化学稳定性好(4) 高光学透射率 (5) 良好光学特性 (6) 能满足大尺寸的窗口要求
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硅片旋转磨削与转台式磨削相比具 有以下优点:①单次单片磨削，可加 工Φ300mm以上的大尺寸硅片;②实 际磨削区面积B和切入角θ定，磨削 力相对稳定;
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③通过调整砂轮转和硅片转轴之间 的倾角可实现单晶硅片而型的主动 控制，获得较好的面型精度。
2.砂轮磨耗量大， 加工成本高 工程陶瓷是靠脆性龟裂破坏 产生微细粉末状切屑而去除 的，粉末状切屑很容易磨损 磨具上的结合剂，导致磨粒 脱落，从而造成超硬磨料磨 具的磨耗严重
4.磨削生产率低 由于工程陶瓷的韧性不足， 而且磨削抗力很大，使得磨 削加工层的厚度受到特定条 件的约束，加之优良的磨削 性，造成了工程陶瓷材料的 切削加工性很差，生产效率低。
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4、磨削的单晶硅片易产生变形和 碎裂
在磨削加工过程中单晶硅片亚表面会产 生残余应力，易引起大直径薄硅片的翘 曲或弯曲变形，尤其是引起背面减薄硅 片的严重变形，使硅片自动输运困难， 很容易产生破碎。
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3.3单晶硅片的磨削技术
• 1、转台式磨削 硅片分别固定于旋转台的吸盘上，在转 台的带动下同步旋转，硅片本身并不绕 其轴心转动;砂轮高速旋转的同时沿轴向 进给，砂轮直径大于硅片直径。 • 不足：磨削加工中实际磨削区面积B和 切入角θ均随着砂轮切入位置的变化而 变化，导致磨削力不恒定，难以获得理 想的面型精度，并容易产生塌边、崩边 等缺陷
3.3单晶硅片的磨削技术
• 2、硅片旋转磨削 原理：吸附在工作台上的单晶硅片和杯 型金刚石砂轮绕各自轴线旋转，砂轮同 时沿轴向连续进给。其中，砂轮直径大 于被加工硅片直径，其圆周经过硅片中 心。为了减小磨削力和减少磨削热，通 常把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或 调整砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角， 保证砂轮和硅片之间实现半接触磨削。
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2.5工程陶瓷磨削材料去除方式
脆性断裂去除 粉末化去除 塑性变形去除
当磨削多晶结构陶瓷时，材料 去除主要以脆性断裂方式完成。 在磨削过程中，单个超硬磨粒 与陶瓷工件的接触会产生一 个含有分布状晶界微裂纹的损 伤区，此时材料的去除则是通 过单个颗粒从这些晶界微破碎 处的错位方式来完成。
主要晶向指数和晶面指数如下图所示。
目前，半导体工业最常用的单晶硅片为 （111）晶面及（100）晶面。
（100）面与（111）面在54°74’相交，从 而沿54°74’方向裂开。 （111）面与另一个（111）面簇相交成 70°54’，则易沿70°54’方向裂开。
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3.1单晶硅的材料特性
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2.2典型的工程陶瓷类型
• 1.氧化铝（Al2O3）陶瓷 • 用量最大，用途最广，价格低 廉，硬度高（97HRA），高温 1200℃仍为80HRA，主要用来制 作刀具，内燃机火花塞，密封环等。 3.氮化硅(Si2N3 ）陶瓷 有三个共有电子对Si-N键，有很 高的弹性模量，高温力学性能稳定， 摩擦系数低，可用做蜗轮转子、汽 缸体和活塞及阀门等零件。
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硬脆材料的磨削特点
汇报人： 小组成员： 指导老师：
目 录 Contents
1．前言
01 03
2．工程陶瓷磨削特点
02 04
3．硅片磨削特点
4.石材的磨削特点
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一、前言
• 硬脆材料特点：硬度高，脆性大， 断裂韧性低，材料的弹性极限和强 度非常接近，其往往是非金属。 硬度高的材料通常都具有很高的脆 性，这是因为越硬的材料在力的作 用下越不容易发生变形，施加过大 的能量容易引起材料的断裂。 脆性：材料受到外力达到一定程度 后突然破坏，破坏时无明显的塑性 变形的特征。 硬度：一种物质刻划另一种物体的 难易程度。在1822年莫尔提出了测 量硬度的常见矿物表： • 10 钻石 9 金 8 水晶 7 石英 6 正长石 5 磷灰石 4 氟石 3 方解 石 2 石膏石 1 滑石 • 硬脆性材料的物理机械性能与金属 材料有较大的差异，加工时表面容 易产生裂纹，表面破损等，因此展 开对它的加工技术的研究具有重要 的意义。
2.氧化锆（ ZrO2）陶瓷 稳定ZrO2陶瓷的质量热容和热 导率小，是理想的高温隔热材料， 可以用做高温炉内衬和各种热涂层。 部分稳定ZrO2陶瓷热膨胀系数 比较大，比较容易与金属匹配，常 在陶瓷发动机中用于制作汽缸内壁、 活塞
4.铁氧体材料 由铁离子、阳离子和其他金属 离子组成的复合氧化物，分为软磁、 硬磁、旋磁、矩磁、压磁铁氧体， 硬度大、脆性大、气孔多、导热系 数小，温度骤变易炸裂，主要用于 通信等行业
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Fe元素被离子化后在碱性冷却液中最终 生成氧化铁薄膜粘附砂轮表面，随着磨 削的进行又逐渐剥落。 应控制磨粒脱落速度小于结合剂电解蚀 速度以保证砂轮表面始终有相当多的磨 粒参与磨削。
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2.8蓝宝石的性能及应用
• 1.六方晶系简介
• • • 根据六方晶系 的对称特点， 对六方晶系采 用a1,a2,a3,c 四个晶轴。 • 纯氧化铝结晶——透明无色 Ti3+、Fe3+——蓝色蓝宝石 Cr3+——红宝石 Ni3+——黄色蓝宝石。
3.蓝宝石晶面
2.蓝宝石分子结构
C型切面的蓝宝石基底 ——衬底材料 A型基底产生统一的电容率/介质 ——高温超导材料 R型基底生长的不同沉积的硅料外延长晶 ——微电子集成电路。
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蓝宝石的性能及应用
蓝宝石的主要应用领域
1.窗口材料
红外技术是现代战争中很重要的战略和战术手段, 而红外窗口和整流罩是红外技术的关键部件, 既 要保证光电传感器的光学性能, 以确保其红外成 像质量; 又要保护红外传感器及其光电装置不被 外界环境损伤红外窗口和整流罩通常在恶劣环境 中工作, 经受热冲击、 风沙和雨雪的撞击, 海水腐蚀
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2.3工程陶瓷的磨削特点
1.磨削力比很大、
磨削比小 3.表面质量 工程陶瓷对切削力和切削热都 不易控制 十分敏感。在磨削过程中，磨 粒切入工件产生的压应力和摩 擦热会使磨粒下方的材料产生 局部塑性流动，在已加工表面 上形成变形层
工程陶瓷材料的硬度很高， 表现出了优良的耐磨性和 抗力，其磨削法向力与切向 力之比Fn/Ft很大，约为 10~40 。
磊晶：在半导体 器件制造过程中 在原有晶片上长 出新结晶，以制 成新半导体层的 技术。
蓝宝石外延层上表面制作的n型和p型电极
三.硅片的磨削
1单晶硅的 材料特性
2单晶硅片 磨削特点
3.单晶硅片 磨削技术
5硅片表面 4.超精密磨削硅 2单晶硅片 的磨削纹 片的材料去除机理 磨削特点 理
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2.4磨削的两个物理模型
（1）压痕断裂力学模型：通常认为工 程陶瓷等硬脆材料在机械加工和使用中 产生的表面缺陷与压痕有着极强的相似 性。 中央/径向裂纹通常会导致材料强 度降低，横向裂纹引起材料的去除。
（2）磨粒切削加工模型：从陶瓷加工中产 生的磨屑形态看，材料主要以脆性断裂 的方式被去除，但脆性断裂所消耗的能 量不足实测总磨削能的1%，而工件已磨 削表面存在大量磨粒耕犁留下的纹路， 纹路两侧有明显的塑性变形凸起和撕裂 涂覆物。 该模型证实：虽然陶瓷材料去除由脆 性断裂的实现，但磨削中能量主要消耗 于耕犁中的塑性变形
精密磨削过程中，当磨削深 度在亚微米级时，碎裂和破 碎机理不会发生，此时主要 可能发生材料粉末化现象。
在一定的加工条件下，任何 脆性材料能够以塑性流动的 方式去除，压痕断裂力学模 型预测了产生横向裂纹的临 街载荷，在低于这一临界载 荷加工条件时，材料去除将 以塑性变形去除为主。
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2.6 陶瓷磨削力特点
• 硅的物理性质 • 单晶硅片呈银灰色，有明显的金属 光泽，硬而脆，能导电，但其电导 率不如金属且随温度的升高而增加， 是一种良好的半导材料，。 具有明显的热膨胀和热传导性质。 单晶硅的力学性能 单晶硅片在室温下无延展性，但当 温度高于700-800℃时，就具有明 显的塑性，其内部存在的位错开始 移动或攀移，在应力作用下会呈现 塑性变形。在950-1400℃温度范围 内，它的抗拉强度由约3.5×108Pa 下降到1×108Pa。
• 1.陶瓷磨削的法向力与中碳钢磨削 法向力差不多 • 2.陶瓷磨削力比Cf很大
•
•
韧性较好的Si2N3 和ZrO2陶瓷的法向 磨削力力与中碳钢相差不大，但脆 性大的陶瓷法向力低于中碳钢，这 是因为陶瓷中的原始裂纹较多，属 脆性断裂控制磨削过程，消耗的磨 削功少。
显微塑性变形磨削比： Cf 脆性断裂磨削比：
Cf
1
影响Al2O3陶瓷磨削力比最显著的因素Vs 影响ZrO2陶瓷磨削力比最显著的因素ap
u '0.75 2ap / rs 1 agc u '0.75 2ap / rs agm
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2.6 陶瓷磨削力特点
• 3.陶瓷比磨削能es小 比磨削能es是指磨削加工过程中磨除工件上单位体积的金属所消耗的能量， 表达式es =W/V W-磨除V体积的金属所消耗的能量，单位是J V-被磨除金属的体积，单位mm3 裂纹扩展形成新的表面
优点：与研磨方法相比，转台式磨削具 有去除率高、表面损伤小、容易实现自 动化等优点
•
应用场合：转台式磨削技术主要应用于 Φ200mm以下单晶硅片的加工。单晶硅 片尺寸增大，对设备工作台的面型精度 和运动精度提出了更高的要求，因而转 台式磨削不适合Φ300mm以上单晶硅片 的磨削加工。
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