藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計

藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計,藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計,藍(lán)寶石,切割機(jī),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計（論文） 開 題 報 告 1 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告 1 選題的背景和意義 單晶藍(lán)寶石具有良好的物理、化學(xué)和光學(xué)特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領(lǐng)域得到越來越廣泛的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于藍(lán)寶石晶片的加工精度以及表面質(zhì)量要求越來越高，因此藍(lán)寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍(lán)寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。 現(xiàn)今隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，機(jī)械手也被廣泛的利用各種機(jī)械當(dāng)中，自動切割漸漸取代了手工切割，藍(lán)寶石切割機(jī)能自動將放入的工件切割成所要求的形狀，這樣可以大大提高切割效率，減輕人力負(fù)擔(dān)，藍(lán)寶石切割機(jī)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率較手動切割機(jī)高。 本文簡要的概述了藍(lán)寶石切割機(jī)的設(shè)計發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 1.1 選題的背景 藍(lán)寶石以其良好的物理、化學(xué)和光學(xué)特性，在微電子、工業(yè)、國防、科研以及 GaN 晶片 LED 襯底領(lǐng)域得到越來越廣泛的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于藍(lán)寶石晶片的加工精度以及表面質(zhì)量要求越來越高，因此藍(lán)寶石的高效低損加工工藝成為阻礙藍(lán)寶石工業(yè)發(fā)展的主要障礙。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 80年代初期，國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)首先提出的化學(xué)機(jī)械拋光引入集成電路進(jìn)行平坦化的制程工作。主要是通過適當(dāng)?shù)闹瞥虆?shù)設(shè)計，利用一個拋光平臺，配合適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍(lán)寶石，發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石界面與不銹鋼形成了結(jié)構(gòu)松軟的固相化學(xué)反應(yīng)層，藍(lán)寶石表面具有鏡面光澤，而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象，并提出了機(jī)械化學(xué)拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進(jìn)行藍(lán)寶石超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當(dāng)研磨盤，首次觀察到藍(lán)寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對于使用SiO2當(dāng)磨粒而言，因為其硬度比藍(lán)寶石的要低，理論上并不具有去除藍(lán)寶石表面的能力，但是實驗結(jié)果卻說明SiO2拋光液具有去除藍(lán)寶石表面材料的能力，利用此套儀器設(shè)備對藍(lán)寶石進(jìn)行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認(rèn)為在超拋光中，拋光液中直徑7nm的膠羽狀SiO通過撞擊移除了藍(lán)寶石表面原子，并提出了一種新的拋光方法，浮法拋光法。Gutsehe和Moody等人在其研究成果上提出假設(shè)，他們認(rèn)為是由于單純的化學(xué)反應(yīng)SiO2才能移除藍(lán)寶石表面的原子，而來自拋光過程摩擦產(chǎn)生的熱是化學(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)行的驅(qū)動力，并提出化學(xué)反應(yīng)式為： 反應(yīng)后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動特性將高嶺土移除。 Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對藍(lán)寶石進(jìn)行超拋光，拋光結(jié)果均方根粗糙度值可達(dá)到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實的直接接觸的想法的基礎(chǔ)上，提出了“熱液磨耗”的理論模型。最近幾年，國際上一些知名的半導(dǎo)體及光電子技術(shù)公司紛紛投入了大量的資金去研究藍(lán)寶石拋光，并取得了一定的成果，如美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經(jīng)能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)3英寸的單晶藍(lán)寶石，并且正在研發(fā)4英寸的技術(shù)。 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 隨著第三代半導(dǎo)體材料的GaN的推出，藍(lán)寶石作為LED最重要的襯底材料之一，國內(nèi)需求量處于日益增長。藍(lán)寶石切割技術(shù)作為襯底材料加工的重要工序之一，目前在國內(nèi)存在很多不足。如切割精度不足，生產(chǎn)效率低下，切割表面損傷較大等等[2] 相比與國外，我國的起步比較晚，20世紀(jì)80年代才正式開始對藍(lán)寶石進(jìn)行研究開發(fā)，北京市光電子技術(shù)實驗室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對藍(lán)寶石基片外延片減薄加工過程中，比較了在不同的氮化硼磨料粒度對藍(lán)寶石去除速率和表面粗糙度的影響，以及去除速率和表面粗糙度與研磨盤轉(zhuǎn)速和研磨壓力的關(guān)系，通過比較實驗最終表面粗糙度可達(dá)到Ra60.25nm。浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍等人，研究討論了藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光過程中的必備條件，并提出了相應(yīng)的拋光機(jī)理。文章認(rèn)為藍(lán)寶石加工過程中， 即使藍(lán)寶石與磨料在高速接觸過的界面接觸點的時間非常短，也能發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成10數(shù)量級厚度的化學(xué)反應(yīng)層，且反應(yīng)生成物與材料自身的結(jié)合力很低，在拋光過程中極易用磨粒的機(jī)械作用移除。河北工業(yè)大學(xué)王娟等人對藍(lán)寶石晶片化學(xué)機(jī)械拋光液進(jìn)行了研制并對藍(lán)寶石襯底片進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光加工，確定了適宜藍(lán)寶石化學(xué)機(jī)械拋光加工的條件：T=30℃，pH值在9和13之間，并得出采用大粒徑、高濃度的SiO2拋光液并且在拋光液中應(yīng)加入適量添加劑，可以獲得較高的材料去除率和較好的表面粗糙度。深圳奧普光電子有限公司發(fā)明了一種新的藍(lán)寶石加工方法，叫固相反應(yīng)濕式CMP加工方法。該加工方法選取比藍(lán)寶石硬度低的氧化物微粉作為磨料；在拋光中，氧化物磨料與藍(lán)寶石接觸，在接觸點發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶層；磨料通過機(jī)械接觸把結(jié)晶層去除。通過實驗結(jié)果表明用該拋光加工方法獲得的藍(lán)寶石表面基本沒有任何損傷，獲得了比較理想的加工表面，提高了拋光加工效率，降低了生產(chǎn)成本。 從上面國內(nèi)外對藍(lán)寶石的幾種加工方法可以看出，對藍(lán)寶石晶體的加工條件都比較特殊，雖然加工后得到的晶體表面精度能夠達(dá)到使用的要求，但同時晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應(yīng)用，因此開展對藍(lán)寶石 CMP 加工的研究，探索藍(lán)寶石晶體的加工方法對其未來的應(yīng)用也很重要。 [1] 2 研究的基本內(nèi)容 1） 對藍(lán)寶石切割機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，對裝備圖進(jìn)行設(shè)計； 2） 對切割機(jī)夾具快速定心進(jìn)行設(shè)計； 3） 對切削液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 2.1 基本框架 藍(lán)寶石切割機(jī)總共分為4部分：夾緊機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，循環(huán)系統(tǒng) 將藍(lán)寶石工件放置在工作臺上，利用夾具將其夾緊，用帶鋸進(jìn)行切割，通過控制系統(tǒng)來控制帶鋸的走到路徑，不停地用切削液對切割區(qū)域進(jìn)行沖刷，將切割時產(chǎn)生的寶石粉末沖掉，從工作臺的孔中流入沉淀池，對含有寶石粉末的切削液進(jìn)行沉淀，從而使切削液循環(huán)使用，也可以對寶石粉末進(jìn)行回收利用 夾緊部分：利用夾具對工件進(jìn)行緊固，使工件在切割時不會發(fā)生偏移。 驅(qū)動部分：用一臺三相異步電動機(jī)來為帶鋸提供動力，使鋸高速轉(zhuǎn)動。 執(zhí)行部分：用兩臺步進(jìn)電機(jī)來分別控制金剛石帶鋸的橫縱走向，來實行根據(jù)不同要求來完成不同的走刀路線。 2.2 研究的重點和難點 1） 夾鋸現(xiàn)象的出現(xiàn) 2） 鋸切單晶硅表面缺陷 3） 切削液的循環(huán)與寶石粉末的回收 2.3 擬解決的關(guān)鍵問題 1) 所設(shè)計的藍(lán)寶石切割機(jī)使用帶鋸進(jìn)行切割； 2) 保證帶鋸行進(jìn)與路線切向一致； 3) 被切材料快速定心夾緊； 4) 切削液回收。 3 研究的方法及措施 3.1文獻(xiàn)歸納法 通過上網(wǎng)或在圖書館查閱各種相關(guān)文獻(xiàn)依據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論和實踐的需要，提出設(shè)計，利用科學(xué)儀器和設(shè)備，在自然條件下，通過有目的有步驟地操縱，根據(jù)觀察、記錄、測定與此相伴隨的現(xiàn)象的變化來確定條件與現(xiàn)象之間的因果關(guān)系。 3.2 實證分析法 找到國內(nèi)外各類藍(lán)寶石切割機(jī)，以實際案例為基礎(chǔ)，分析各類寶石切割機(jī)的優(yōu)缺點，歸納總結(jié)。 4 預(yù)期成果 1） 論文：10000字以上。 2） 藍(lán)寶石切割機(jī)的裝配圖。 5 研究工作進(jìn)度計劃 （1）2013.11.04～2013.12.25 完成前期準(zhǔn)備材料 （2）2013.12.26～2014.02.15 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計 （3）2014.02.16～2014.03.16 完成切削液循環(huán) （4）2014.03.17～2014.05.21 完成總體設(shè)計 （5）2014.05.22～2014.06.01 完成設(shè)計說明書、準(zhǔn)備答辯 參考文獻(xiàn) [1] 吳健；藍(lán)寶石CMP加工機(jī)理與工藝技術(shù)的研究[D].浙江工業(yè)大學(xué).浙江.2012 [2] 張彬；藍(lán)寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 黑龍江大學(xué). 黑龍江 2012 [3] 蔡二輝,湯斌兵,周浪.??金剛石線鋸切割晶體硅模式研究[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(工科版). 2011(02) [4] 黃波,高玉飛,葛培琪.??金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程. 2011(01) [5] 金成毅; 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