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系統識別號 U0002-3007201911171800
中文論文名稱 精密磨削加工單晶碳化矽之研究
英文論文名稱 Study on Precision Grinding of Single Crystal Silicon Carbide
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 胡世昕
研究生英文姓名 Shih-Hsin, Hu
學號 606350089
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-07-02
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-陳大同
中文關鍵字 單晶碳化矽  磨削加工  機械化學磨削 
英文關鍵字 Single Crystal Silicon Carbide  Grinding  MCG 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 科技發展迅速,電子元件多已朝向輕薄短小發展,對於電子元件基板的要求越來越高,目前多用單晶矽(Si)做為電子元件之基板材料,但隨著科技不斷的進步,單晶矽已經無法滿足現在所需之條件。而單晶碳化矽(SiC)擁有良好的物理與化學特性,有機會取代單晶矽成為新一代半導體材料,但因為其屬於硬脆材料,加工難度較高,故本研究對於單晶碳化矽之加工進行研究。本研究使用自製之氧化鈰(CeO2)砂輪,以機械化學磨削(MCG)的方式進行加工,加工參數以不同切深、乾溼式加工,以及不同砂輪種類及配比進行研究,最終使用50%重量百分比氧化鈰及20%重量百分比鑽石之配比,進行乾式加工,每刀切深3um,共10個循環,能得到表面粗糙度7nm(Ra)的碳化矽表面。
英文摘要 Due to the rapid development of science and technology,Electronic components have been developed towards lighter,thinner and shorter. The requirements for electronic component substrates are getting higher . At present, the single crystal silicon (Si) is often used as the substrate material of electronic components, but with the continuous technology Progress, the single crystal silicon has been unable to reach the conditions required now. However, single crtstal silicon carbide (SiC) has good physical and chemical properties and has the opportunity to replace single crystal silicon as a new generation of semiconductor materials. Regrettably,(SiC)is difficult to process,because of Its hard and brittle material. This study is to exploring single crystal silicon carbide processing. In this study, the self-made cerium oxide (CeO2) grinding wheel was used to process by mechanical chemical grinding (MCG). The processing parameters were studied with different depth of cut, dry and wet processing, and different grinding wheel types and ratios. Finally, the ratio of 50% by weight of CeO2 and the ratio of 20% by weight of diamond for dry grinding, and the depth of each grinding is 3 um for 10 cycles, and a single crystal silicon carbide surface having a surface roughness of 7 nm (Ra) can be obtained.
論文目次 目錄
致謝 I
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章、導論 1
1-1 前言 1
1-2研究動機 2
1-3研究目的 2
第二章、文獻回顧及理論基礎 4
2-1 單晶碳化矽之基本性質 4
2-2 磨削加工去除材料機制 6
2-2-1 硬脆材料之移除材料機制 8
2-2-2 磨削加工參數之影響 9
2-3 砂輪之組成 10
2-3-1 砂輪之磨料 13
2-3-2結合劑種類 14
2-4 機械化學磨削 15
第三章、實驗方法及設備 19
3-1研究流程圖 19
3-2研究流程 20
3-3 實驗設備 21
3-3-1 製作砂輪之材料及設備 21
3-3-2實驗加工設備 25
3-3-3實驗量測設備 28
3-4實驗流程 31
3-4-1 砂輪製作 31
3-4-2 磨削實驗 32
第四章 結果與討論 37
4-1 小圓棒狀砂輪之磨削實驗 37
4-2棒狀砂輪磨削單晶碳化矽之結果 42
4-2-1 碳化矽-鑽石砂輪磨削單晶碳化矽之結果 44
4-2-2 氧化鋁-鑽石砂輪磨削單晶碳化矽之結果 47
4-2-3 氧化鈰-鑽石砂輪磨削單晶碳化矽之結果 51
4-2-4 三種砂輪之實驗結果之比較 52
4-3 立式磨削單晶碳化矽 54
4-3-1 50/20重量百分比之氧化鈰砂輪磨削結果 56
4-3-2 40/30重量百分比之氧化鈰砂輪磨削結果 58
4-3-3 35/35重量百分比之氧化鈰砂輪磨削結果 59
4-3-4 實驗磨削結果之分析 61
第五章 結論 64
參考文獻 65



圖目錄
圖2- 1 SiC晶體排列示意圖(3C 2H 4H 6H) 5
圖2- 2摩擦、犁切與切削三階段 8
圖2- 3 砂輪磨耗之形式 11
圖2- 4 砂輪磨粒脫落階段過程 12
圖2- 5砂輪在削銳前後之表面形貌 13

圖3- 1 研究流程圖 19
圖3- 2單晶碳化矽之方向 20
圖3- 3棒狀砂輪之模具圖 23
圖3- 4砂輪模具圖 23
圖3- 5 150目之篩網 23
圖3- 6 粉末攪拌機 24
圖3- 7 氟素脫模劑 24
圖3- 8高溫加壓機 25
圖3- 9 NACHi ASP-MKE精密加工機 26
圖3- 10 EQUIP TOP1224CNC精密加工機 27
圖3- 11 EQUIP TOP1224CNC精密加工機 內部 27
圖3- 12 4H-SiC單晶碳化矽 27
圖3- 13 金相顯微鏡 28
圖3- 14 OLYPUS 4100共軛焦顯微鏡 30
圖3- 15 CCD鏡頭 33
圖3- 16加工示意圖 33
圖3- 17加工示意圖 33
圖3- 18磨削機台作動示意圖 34
圖3- 19 立式磨削加工示意圖 35
圖3- 20 試片及砂輪磨削後示意圖 36

圖4- 1 小圓棒狀砂輪 37
圖4- 2 圓棒磨削實驗之架構圖 38
圖4- 3 壓力100g/mm2之磨削裂紋 39
圖4- 4 磨削30分後試片之起伏 41
圖4- 5以光學顯微鏡拍攝單晶碳化矽 42
圖4- 6以共軛焦顯微鏡拍攝單晶碳化矽 42
圖4- 7從左到右為碳化矽砂輪、氧化鋁砂輪、氧化鈰砂輪 43
圖4- 8 磨削後之單晶碳化矽 43
圖4- 9 碳化矽-鑽石砂輪乾式磨削痕跡(光學顯微鏡觀測) 45
圖4- 10碳化矽-鑽石砂輪乾式磨削痕跡(雷射共軛焦顯微鏡量測) 45
圖4- 11 碳化矽-鑽石砂輪乾式加工溝槽圖(使用Form Talysurf量測) 45
圖4- 12碳化矽-鑽石砂輪濕式磨削痕跡(光學顯微鏡觀測) 45
圖4- 13碳化矽-鑽石砂輪濕式磨削痕跡(雷射共軛焦顯微鏡量測) 46
圖4- 14碳化矽-鑽石砂輪濕式加工溝槽圖 (使用Form Talysurf量測) 46
圖4- 15 氧化鋁-鑽石砂輪乾式磨削單晶碳化矽(以光學顯微鏡觀測) 48
圖4- 16 氧化鋁-鑽石砂輪乾式磨削單晶碳化矽(雷射共軛焦顯微鏡量測) 48
圖4- 17氧化鋁-鑽石砂輪乾式加工溝槽圖 (使用Form Talysurf量測) 49
圖4- 18 氧化鋁-鑽石砂輪濕式磨削單晶碳化矽(以光學顯微鏡觀測) 49
圖4- 19氧化鋁-鑽石砂輪濕式磨削單晶碳化矽(雷射共軛焦顯微鏡量測) 49
圖4- 20氧化鋁-鑽石砂輪濕式加工溝槽圖 (使用Form Talysurf量測) 50
圖4- 21氧化鈰-鑽石砂輪乾式磨削單晶碳化矽(雷射共軛焦顯微鏡量測) 51
圖4- 22 單晶碳化矽之表面粗糙度 53
圖4- 23 砂輪之磨削比 53
圖4- 24 砂輪完成圖 54
圖4- 25 單晶碳化矽磨削後試片 55
圖4- 26砂輪乾式及溼式磨削 56
圖4- 27 砂輪磨削後示意圖 56
圖4- 28高度差 56
圖4- 29乾式磨削後之沾黏物 61
圖4- 30 乾式磨削表面(振洗擦拭前) 61
圖4- 31 乾式磨削表面(振洗擦拭後) 62

表目錄
表2- 1半導體材料之特性比較表 5
表2- 2單晶矽與單晶碳化矽機械性質 6
表2- 3 磨料之種類及特性 14

表3- 1 MCG砂輪組成 21
表3- 2 磨料性質表 22
表3- 3 鑽石粉末規格表 22
表3- 4 939p酚醛樹脂性質表 22
表3- 5 M3853 高溫熱壓機規格表 25
表3- 6 NACHi ASP-MKE精密加工機規格表 26
表3- 7 EQUIP TOP1224CNC精密加工機規格表 26
表3- 8 4H-SiC單晶碳化矽之材料性質 28
表3- 9 OLYPUS 4100規格表 30

表4- 1小圓棒狀砂輪之配比 37
表4- 2磨削實驗參數 38
表4- 3 不同壓力之磨削表面分析 39
表4- 4 磨削實驗參數 40
表4- 5 磨耗量及磨削率 41
表4- 6磨削加工參數 41
表4- 7 單晶碳化矽之表面粗糙度 42
表4- 8 砂輪之成分配比(重量百分比%) 43
表4- 9 棒狀砂輪磨削加工參數 44
表4- 10 碳化矽-鑽石砂輪乾式及濕式加工磨耗 47
表4- 11 碳化矽-鑽石砂輪乾式及濕式加工單晶碳化矽之表面粗糙度 47
表4- 12 氧化鋁-鑽石砂輪乾式及濕式加工磨耗 50
表4- 13氧化鋁鑽石砂輪乾式及濕式加工單晶碳化矽之表面粗糙度 50
表4- 14氧化鈰-鑽石砂輪乾式磨削單晶碳化矽之表面粗糙度 51
表4- 15氧化鈰-鑽石砂輪乾式磨削單晶碳化矽之加工磨削比 51
表4- 16 乾式加工比較 52
表4- 17 濕式加工比較 52
表4- 18 三種砂輪配比 54
表4- 19 實驗之加工參數 55
表4- 20 50/20之重量百分比磨削單晶碳化矽 57
表4- 21 50/20之砂輪磨削結果(表面粗糙度)(nm) 57
表4- 22 40/30之重量百分比磨削單晶碳化矽 58
表4- 23 40/30之砂輪磨削結果(表面粗糙度) 59
表4- 24 35/35之重量百分比磨削單晶碳化矽 60
表4- 25 35/35之砂輪磨削結果(表面粗糙度) 60
表4- 26 立式磨削實驗結果整理 62

參考文獻 【1】HUO Feng-wei, GUO Dong-ming, KANG Ren-ke, FENG Guang , “Nanogrinding of SiC wafers with high flatness and low subsurface damage” Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 3027−3033
【2】Ramsdell L.S., "Studies on Silicon Carbide" Am. Mineral. 32,(1945), p.64-82
【3】Zhigang Dong, Shang Gao, Han Huang, Renke Kang, Ziguang Wang, “Surface integrity and removal mechanism of chemical mechanical grinding of silicon wafers using a newly developed wheel” Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-015-7584-2.
【4】Sang-Kwon Lee, Processing and Characterization of Silicon Carbide(6H- SiC and 4H- SiC) Contacts for High Power and High Temperature Device Applications, 2002.
【5】施爾畏 碳化矽 晶體生長與缺陷(第一版) 北京科學出版社,2012年5月
【6】T. Hamagucherohm, “The Next Generation of Power Conversion
Systems Enabled by SiC Power Devices,” ROHM Semiconductor,
2014.
【7】Gary L Harris, “Properties of Silicon Carbide” INSPEC, The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom.
【8】KATO T, WADA K, HOZOMI E, TANIGUCHI H, MIURA T,
NISHIZAWA S, ARAI K. High throughput SiC wafer polishing with
good surface morphology [J]. Materials Science Forum, 2007,
556−557: 753−756.
【9】CHEN X F, LI J, MA D Y, HU X, XU X G, JIANG M H. Fine
Machining of large-diameter 6H-SiC wafers [J]. Journal of Material
Science and Technology, 2006, 22(5): 681−684.
【10】C.Rubesteion, “The mechanics of grinding” , International Journal of Machine Tool Design and Reseach, Vol. 12, pp. 127-139, 1972
【11】W. Lortz, “A Model of the Cutting Mechanism in Grinding”, Wear, Vol. 53, pp. 115-128, 1979
【12】曾健棕, “ 應用雙軸振動於碳化鎢磨削之研究 “ ,國立雲林科技大學機械工程學系碩士班,碩士論文,2007
【13】F.Z. Fang, L.J. Chen, “Ultra-Precision Cutting for ZKN7 Glass” , Annals of the CIRP, 49, pp. 17-20, 2000.
【14】Dahu Zhu Sijie Yan Beizhi Li “Single-grit modeling and simulation of crack initiation and propagation in SiC grinding using maximum undeformed chip thickness” Computationaln Materials Science 92 (2014) 13.
【15】Z. Zhong, N.P. Hung, “Grinding of alumina/aluminum composites” , Journal of Materials Processing Technology Vol. 123, pp. 1317, 2002.
【16】A. Abdullah, A. Pak, M. Farahi, M. Barzegari, “Profile wear of resin-bonded nickel-coated diamond wheel and roughness in creep-feed grinding of cemented tungsten carbide” , Journal of Materials Processing Technology Vol. 183, p. 165-168, 2007.
【17】Jiaming Ni , BeizhiLi , ” Phase transformation in high-speed cylindrical grinding of SiC and its effects on residualstresses ”, Materials Letters,89 (2012),150–152
【18】任敬心 康仁科 王西彬 “ 難加工材料磨削技術 ” 電子工業出版社,2011年1月,ISBN 978-7-121-12489-1
【19】 M. Alfares, A. Elsharkawy,“Effect of grinding force on the vibration of grinding machine spindle system”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 40, pp. 2003-2030, 2000.

【20】 S.Y. Luo, Y.C. Liu, “Effect of copper filler of resin-bonded diamond composites on the wear behaviors under a dry condition”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 96, pp. 215-224, 1999.

【21】杉田忠彰,上田完次,“機械加工”,機械研究,1984 年 10 月號,pp.1-4。
【22】台灣砂輪工業股份有限公司 ”http://www.grindingwheel.com.tw/product.php?action=detail&m=2&s=21&id=22 ”
【23】N. W. Jepps and T, F. Page ” POLYTYPIC TRANSFORMATIONS IN SILICON CARBIDE” The Ceramics Group, Department of Metallurgy and Materials Science, University of Cambridge, Pembroke Street, Cambridge, U.K. Submitted 9 December 1982
【24】 M. Kikuchi, Y. Takahashi, T. Suga, S. Suzuki and Y. Bando, “Mechanochemical Polishing of Silicon Carbide Single Crystal with Chromium(III) Oxide Abrasive,” Journal of the American Ceramic Society, Vol.75, 1992, pp.189-194.
【25】吉田雄二 “合成磨石” 之專利說明書 中華人民共和國國家知識產權局 申請號200880010099.6
【26】Libo Zhou , Takeshi Shiin, Zhongjun Qiu, Jun Shimizu, Takeyuki Yamamoto, Toshiaki Tashiro “ Research on chemo-mechanical grinding of large size quartz glass substrate “Precision Engineering 33 (2009) 499–504
【27】S. Agarwal, P.V. Rao // Grinding characteristics, material removal and damage formation mechanisms in high removal rate grinding of silicon carbide. 2010
【28】HUO Feng-wei, GUO Dong-ming, KANG Ren-ke, FENG Guang , “Nanogrinding of SiC wafers with high flatness and low subsurface damage” Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 3027−3033
【29】蘇建國, “一種SiC單晶圓研磨工序用固結磨料化學機械研磨盤”,2013。
【30】瀚新科技 顏誠廷 “碳化矽功率半導體元件” 電子資訊功率電子專利 第20卷第1期 2014年6月
【31】貴堂高德, “單晶SiC基板的表面加工方法、其製造方法和單晶SiC基板的表面加工用磨削板” ,中華人民共和國,2015。
【32】 陳鼎鈞,”單晶碳化矽基板之鑽石研光與化學機械拋光平坦化製程研究” 國立臺灣科技大學機械工程系 2015年
【33】 Zhigang Dong, Shang Gao, Han Huang, Renke Kang, Ziguang Wang, “Surface integrity and removal mechanism of chemical mechanical grinding of silicon wafers using a newly developed wheel” Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-015-7584-2. 2015。
【34】竹之內二, “磨削磨輪和磨削裝置以及晶圓的磨削方法”,2016。
【35】https://www.slideshare.net/KamalakkannanKkk/basics-of-sic-50593624
【36】 NACHi, http://www.nachi.com/
【37】Olympus.ols4100,retrieved form http://www.olympus-ims.com/en/metrology/ols4100/#!cms[tab]=%2Fmetrology%2Fols4100%2Fspecifications
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