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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 機械工程學系
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dc.contributor.advisor廖運炫zh_TW
dc.contributor.advisorYunn-Shiuan Liaoen
dc.contributor.author林柏全zh_TW
dc.contributor.authorPo-Chuan Linen
dc.date.accessioned2024-02-26T16:31:10Z-
dc.date.available2024-02-27-
dc.date.copyright2024-02-26-
dc.date.issued2022-
dc.date.submitted2002-01-01-
dc.identifier.citation[1] B. Lawn, R. Wilshaw, "Indentation fracture: principles and applications," Journal of Materials Science, vol. 10, no. 6, pp. 1049-1081, 1975.
[2] R. F. Cook and G. M. Pharr, "Direct Observation and Analysis of Indentation Cracking in Glasses and Ceramics," J. Am. Ceram. Soc., vol. 73, no. 4, pp. 787-817, 1990.
[3] H. Wu, S. N. Melkote, "Study of ductile-to-brittle transition in single grit diamond scribing of silicon: application to wire sawing of silicon wafers," Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 134, no. 4, pp. 1-8, 2012.
[4] P. Chai, S. Li, Y. Li, L. Liang, and X. Yin, "Mechanical Behavior Investigation of 4H-SiC Single Crystal at the Micro-Nano Scale," Micromachines, vol. 11, no. 1, pp. 102-113, 2020.
[5] H. J. Moller, "Basic mechanisms and models of multi-wire sawing," Advanced
Engineering Materials, vol. 6, no. 7, pp. 501-513, 2004.
[6] J. Li, I. Kao and V. Prasad, "Modeling Stresses of Contacts in Wire Saw Slicing of Polycrystalline and Crystalline Ingots: Application to Silicon Wafer Production," Journal of Electronic Packaging, vol. 120, no. 2, pp. 123-128, 1998.
[7] C. W. Hardin, J. Qu, and A. J. Shih, "Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Slicing of Single-Crystal Silicon Carbide Wafers," Materials and Manufacturing Processes, vol. 19, no. 2, pp.355-367, 2004.
[8] C. C. A. Chen and P. H. Chao, "Surface Texture Analysis of Fixed and Free Abrasive Machining of Silicon Substrates for Solar Cells," Advanced Materials Research, vol. 126-128, pp. 177-180, 2010.
[9] H. Wu, S. N. Melkote, and S. Danyluk, "Mechanical Strength of Silicon Wafers Cut by Loose Abrasive Slurry and Fixed Abrasive Diamond Wire Sawing," Advanced Engineering Materials, vol. 14, no. 5, pp. 342-348, 2012.
[10] E. Teomete, "Roughness damage evolution due to wire saw process," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 12, no. 6, pp. 941-947, 2011
[11] E. Teomete, "Investigation of long waviness induced by the wire saw process," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 225, no. 7, pp. 1153-1162, 2011.
[12] S. Li, B. Wan, and R. G. Landers, "Surface roughness optimization in processing SiC monocrystal wafers by wire saw machining with ultrasonic vibration," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 228, no. 5, pp. 725-739, 2013.
[13] H. Maeda, R. Takanabe, A. Takeda, S. Matsuda, and T. Kato, "High-Speed Slicing of SiC Ingot by High-Speed Multi Wire Saw," Materials Science Forum, vol. 778-780, pp. 771-775, 2014.
[14] W. I. Clark, A. J. Shih, C. W. Hardin, R. L. Lemaster, and S. B. McSpadden, "Fixed abrasive diamond wire machining—part I: process monitoring and wire tension force," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 43, no. 5, pp. 523-532, 2003.
[15] 許仙薇,搖擺運動於單晶氧化鋁基板鑽石線鋸切割影響之研究,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2013。
[16] S. J. Li, J. Zhang, B. Wan, and Y. Li, "The Force Theoretical Analysis and Experiment for Wire Saw with UVM Cutting SiC Monocrystal," Applied Mechanics and Materials, vol. 117-119, pp. 1728-1735, 2011.
[17] S. Li, A. Tang, Y. Liu, J. Wang, D. Cui, and R. G. Landers, "Analytical Force Modeling of Fixed Abrasive Diamond Wire Saw Machining With Application to SiC Monocrystal Wafer Processing," Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 139, no. 4, 2017.
[18] 蕭祈暐,過錳酸鉀溶液輔助複線式鑽石線鋸於單晶碳化矽晶圓加工影響之研究,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2017。
[19] 陳正維,超音波輔助鑽石線鋸應用於藍寶石加工之研究,國立臺灣大學機械工程研究所碩士論文,2020。
[20] U. Pala, S. Süssmaier, F. Kuster, and K. Wegener, "Experimental investigation of tool wear in electroplated diamond wire sawing of silicon," Procedia CIRP, vol. 77, pp. 371-374, 2018.
[21] R. Knoblauch, D. Boing, W. L. Weingaertner, K. Wegener, F. Kuster, and F. A. Xavier, "Investigation of the progressive wear of individual diamond grains in wire used to cut monocrystalline silicon," Wear, vol. 414-415, pp. 50-58, 2018.
[22] H. Deng, K. Hosoya, Y. Imanishi, K. Endo, and K. Yamamura, "Electro-chemical mechanical polishing of single-crystal SiC using CeO2 slurry," Electrochemistry Communications, vol. 52, pp. 5-8, 2015.
[23] X. Yang, X. Yang, K. Kawai, K. Arima, and K. Yamamura, "Ultrasonic-assisted anodic oxidation of 4H-SiC (0001) surface," Electrochemistry Communications, vol. 100, pp. 1-5, 2019.
[24] Z. Chen, S. Zhan, and Y. Zhao, "Electrochemical jet-assisted precision grinding of single-crystal SiC using soft abrasive wheel," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 195, 2021.
[25] 黃浩維,單晶碳化矽晶圓之鑽石線鋸加工模式分析研究,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2015。
[26] 梁峻碩,線鋸切割太陽能基板之研究,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2008。
[27] 詹明賢,單晶與多晶矽基板鑽石線鋸加工之切屑分析研究,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士論文,2014。
[28] K.H. Gahr, "Microstructure and wear of materials," Elsevier, vol.10, 1987.
[29] Z. Chen and Y. Zhao, "Investigation into electrochemical oxidation behavior of 4H-SiC with varying anodizing conditions," Electrochemistry Communications, vol. 109, 2019.
[30] X. Yang, X. Yang, K. Kawai, K. Arima, and K. Yamamura, "Dominant factors and their action mechanisms on material removal rate in electrochemical mechanical polishing of 4H-SiC (0001) surface," Applied Surface Science, vol. 562, 2021.
[31] 范光照,精密量測,高立圖書有限公司,2001。
[32] X. Jiang, "The evolution of surfaces and their measurement," in the 9th International Symposium on Measurment Technology and Intelligent Instruments, pp. 54-60, 2009.
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/91933-
dc.description.abstract單晶碳化矽(Silicon Carbide, SiC)相較於其他半導體材料,有著能承受高電壓、高電流和高溫的特性,在現今高功率、高耗能的設備中有不可或缺的地位。由於其僅次於鑽石的極高硬度及耐磨耗性,在加工上有極度耗時和高成本的問題。而晶圓基板大多以固定鑽石線鋸作為主要切片製程,而所使用的鑽石線材佔了加工成本很大的比例,且切片品質對於後續製程所需時間和成本的影響也很大。
本研究將超音波輔助加工和電化學輔助加工應用於線鋸切片製程,超音波輔助加工(UAWS)是利用超音波振動破壞工件表面使材料容易移除,以及空化作用移除線材上的黏屑。電化學輔助加工(ECWS)則是利用陽極氧化反應,使碳化矽表面生成較軟的二氧化矽氧化層,降低切削難度,並和傳統線鋸加工(CWS)做比較,接著再加上工件旋轉機構組合加工,。
經實驗結果發現,在無旋轉機構的加工模式中,UAWS可以降低42 %翹曲度以及5 %表面粗糙度,ECWS則因為氧化層生成速度較進給速度慢很多,無法得到改善的效果。CWS在加入工件旋轉機構後,可以降低64 %的翹曲度以及53 %的表面粗糙度。而相較於同樣有旋轉機構的CWS,UAWS可以降低40 %的翹曲度以及13 %的表面粗糙度,ECWS在加入旋轉機構後,工件在非切削區進行反應,使氧化層厚度大於切削區前進的距離,提高被移除材料中氧化層所佔比例,降低切削難度,相較於有旋轉機構的CWS,翹曲度下降約51 %,表面粗糙度下降約13 %。兩種加工方式在切片品質方面具有相近的表現,而ECWS在加工後磨粒維持較突出的狀態,加工後期的切削力也較小,顯示在工件旋轉的狀態下,ECWS應用於線鋸加工優勢。
zh_TW
dc.description.abstractCompared to other semi-conductor materials, single crystalline silicon carbide has the characteristics of bearing high voltage, high current, and high temperature. It has an indispensable status in modern equipment with high power and high energy consumption. Because of its high hardness and resistance to wear that second only to diamond, there is a problem of high time consumption and high cost during the SiC wafer manufacturing. Wafer substrate is mainly sliced by fixed diamond wire saw process. The diamond wire used for the process accounts for a huge proportion of the process cost, and the quality of the sliced wafer also has an influence on the manufacturing time and cost of the follow-up process.
This study apply ultrasonic-assisted machining and electrochemical machining to wire saw process. The ultrasonic-assisted wire saw(UAWS) uses ultrasonic vibration to destroy the surface of the workpiece. The electrochemical assisted wire saw(ECWS) grows a softer silicon dioxide on the SiC surface by electro-chemical oxidation which can lower the cutting difficulty. And then adding two processes to workpiece-rotating mechanism to do a combination processing.
In no workpiece-rotating mechanism experiment, UAWS can get a warp reduction rate of 42 % and a roughness reduction rate of 5 %. ECWS cannot enhance the wafer quality because the oxide layer growing rate is much slower than the feed rate. After adding the mechanism, CWS can get a warp reduction rate of 64 % and a roughness reduction rate of 53 % compared to no workpiece-rotating mechanism. UAWS can get a warp reduction rate of 40 % and a roughness reduction rate of 13 % compared to CWS which has added the mechanism. After adding the mechanism, workpiece can react at no-cutting area, making the oxide layer thickness bigger than the moving distance in the cutting area. As a result, compared to CWS which has added the mechanism, ECWS can get a warp reduction rate of 51 % and a roughness reduction rate of 13 %. The wire also decreases the wear rate by 1.5 %. Two processing have a similar performance on wafer quality, but ECWS can get a better wire condition and lower cutting force, which shows that ECWS has the advantage when applying to the wire saw process with workpiece-rotating mechanism.
en
dc.description.provenanceSubmitted by admin ntu (admin@lib.ntu.edu.tw) on 2024-02-26T16:31:10Z
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dc.description.tableofcontents目錄
致謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 硬脆材料加工 2
1.2.2 線鋸加工相關研究 3
1.2.3 電化學輔助加工應用於碳化矽 11
1.3 研究目的與方法 13
1.4 本文架構 13
第2章 相關理論 14
2.1 鑽石線鋸切削之機制 14
2.1.1 壓印破壞移除材料機制 14
2.1.2 磨耗移除材料機制 16
2.2 電化學輔助加工 19
2.2.1 電化學加工 19
2.2.2 碳化矽陽極氧化反應 19
2.3 表面粗糙度 23
2.3.1 平均粗糙度(Ra) 23
2.3.2 最大高度粗糙度(Rmax) 24
第3章 實驗設備與實驗規劃 25
3.1 實驗材料 25
3.1.1 碳化矽 25
3.1.2 鑽石線 26
3.2 實驗設備 27
3.2.1 鑽石線切割機台 27
3.2.2 超音波導輪及超音波發振機 28
3.2.3 電源供應器 29
3.3 量測設備 31
3.3.1 雷射位移計 31
3.3.2 動力計(dynamometer) 31
3.3.3 多通道電荷放大器 32
3.3.4 資料擷取卡 33
3.3.5 橢圓偏振儀 34
3.3.6 奈米壓痕試驗機 35
3.3.7 數位顯微鏡 36
3.3.8 雷射共軛焦顯微鏡 37
3.3.9 形狀量測儀 38
3.3.10 掃描式電子顯微鏡(SEM) 40
3.4 實驗規劃 42
3.4.1 實驗設置 42
3.4.2 參數選定 44
3.4.3 實驗流程 45
第4章 實驗結果與討論 47
4.1 碳化矽陽極氧化反應 47
4.2 不同輔助加工的比較 50
4.2.1 切片翹曲度 50
4.2.2 表面形貌 53
4.2.3 表面粗糙度 55
4.3 加上旋轉機構後不同輔助加工的比較 58
4.3.1 進給速度和氧化層生成速度比較 58
4.3.2 切片翹曲度 59
4.3.3 表面形貌&表面粗糙度 61
4.3.4 線材磨耗 64
4.3.5 切削力 66
第5章 結論與未來展望 69
5.1 結論 69
5.2 未來展望 70
參考文獻 71

圖目錄
圖 1 1 Boussinesq elastic field:(a)應力場等高線俯視圖(b)應力場等高線側視圖(c)切向應力等高線側視圖(d)徑向應力等高線側視圖(e)軸向應力等高線側視圖[1] 2
圖 1 2壓印深度和負載關係圖(最大負載6N)[4] 3
圖 1 3(a)單線鋸 (b)多線鋸 4
圖 1 4游離磨粒加工示意圖[5] 4
圖 1 5線鋸加工後表面(a)游離磨粒(b)固定磨粒[8] 6
圖 1 6(a)傳統線鋸模式(b)搖擺線鋸模式[14] 7
圖 1 7旋轉工件切削模式[16] 8
圖 1 8(a)空化作用前(b)空化作用後(紅圈碎屑部分移除)[19] 9
圖 1 9磨耗的三種模式(a)鈍化(blunting) (b)過早拔除(premature pull-out) (c)最終拔除(pull-out at the end of wear lifetime)[20] 10
圖 1 10磨粒的磨耗過程演進[21] 10
圖 1 11電化學輔助拋光裝置圖[22] 12
圖 1 12電化學噴射輔助磨削裝置圖[24] 12
圖 1 13氧化層生成示意圖[24] 12
圖 2 1線鋸切削機制[25] 14
圖 2 2壓印破壞示意圖 16
圖 2 3磨粒傾角示意圖 16
圖 2 4單顆磨粒磨損示意圖 18
圖 2 5單顆磨粒磨損示意圖(側視圖) 18
圖 2 6碳化矽陽極氧化反應示意圖, (a)矽面氧化前(b)碳面氧化前(c)矽面氧化後 (d)碳面氧化後 20
圖 2 7不同電壓及酸鹼度之氧化層生成速率[29] 21
圖 2 8不同莫爾濃度及酸鹼度之氧化層生成速率[29] 21
圖 2 9不同試片狀況之氧化層生成速率[30] 22
圖 2 10壓印表面之氧化層厚度比較[30] 22
圖 2 11平均粗糙度求法[31] 23
圖 2 12不同表面形貌卻有相同Ra值 24
圖 2 13最大高度粗糙度求法 24
圖 3 1碳化矽晶棒 25
圖 3 2鑽石線外觀 26
圖 3 3鑽石線切割機台外觀&繞線示意圖 27
圖 3 4工件裝設位置 28
圖 3 5超音波導輪外觀 29
圖 3 6超音波發振機外觀 29
圖 3 7電源供應器外觀 30
圖 3 8雷射位移計及感測器外觀 31
圖 3 9動力計外觀 32
圖 3 10放大器外觀 33
圖 3 11資料擷取卡外觀 34
圖 3 12橢圓偏振儀外觀 34
圖 3 13奈米壓痕試驗機外觀 35
圖 3 14數位顯微鏡外觀 36
圖 3 15雷射共軛焦顯微鏡外觀 37
圖 3 16形狀量測儀外觀 39
圖 3 17掃描式電子顯微鏡外觀 40
圖 3 18無旋轉機構實驗設置示意圖 43
圖 3 19旋轉機構示意圖 43
圖 3 20有旋轉機構實驗設置示意圖 44
圖 3 21工件旋轉時加工方式示意圖 44
圖 3 22實驗流程圖 46
圖 4 1切削區材料移除示意圖 47
圖 4 2 (a)以鹽度計測量切削液鹽度 (b)反應裝置 (c)反應後碳化矽片 48
圖 4 3氧化層厚度與時間關係 48
圖 4 4反應前負載與壓印深度變化曲線 49
圖 4 5反應後負載與壓印深度變化曲線曲線 49
圖 4 6反應前後硬度值 49
圖 4 7翹曲度示意圖 50
圖 4 8表面輪廓量測方向 50
圖 4 9弓角示意圖 52
圖 4 10未加工表面形貌 54
圖 4 11表面線痕 54
圖 4 12量測位置示意圖 56
圖 4 13表面粗糙度(Sa)量測值 57
圖 4 14工件旋轉機構進給示意圖 59
圖 4 15切片表面形貌比較 (a)無旋轉加工正視圖 (b)旋轉加工正視圖 (c)無旋轉加工3D圖 (d)旋轉加工3D圖 62
圖 4 16粗糙度量測位置示意圖 63
圖 4 17無旋轉和有旋轉機構加工之表面粗糙度量測值 63
圖 4 18加上旋轉機構後各加工方式之表面粗糙度量測平均值 64
圖 4 19 全新線材磨粒狀況 64
圖 4 20 CWS加工後 65
圖 4 21 UAWS加工後 65
圖 4 22 ECWS加工後 66
圖 4 23切削力量測示意圖 67
圖 4 24切削方向切削力量測結果 68

表目錄
表 3 1碳化矽性質表 25
表 3 2鑽石線規格 26
表 3 3機台規格表 28
表 3 4超音波發振機規格 29
表 3 5電源供應器規格 30
表 3 6雷射位移計LK-G5001V & LK-H020規格 31
表 3 7動力計9256C1規格 32
表 3 8電荷放大器5019規格 33
表 3 9資料擷取卡NI USB-4431規格 34
表 3 10橢圓偏振儀M2000VI規格 35
表 3 11奈米壓痕試驗機TI950規格 35
表 3 12數位顯微鏡VHX-2000規格 36
表 3 13雷射共軛焦顯微鏡VK-9700規格 37
表 3 14形狀量測儀Form Talysurf PGI 1240規格 39
表 3 15掃描式電子顯微鏡JSM-IT100 InTouchScope規格 40
表 3 16實驗參數表 45
表 4 1各加工方式之切片翹曲度量測結果 52
表 4 2各加工方式之表面線痕輪廓 54
表 4 3無旋轉和有旋轉CWS之切片翹曲度量測結果 60
表 4 4加上旋轉機構後各加工方式之切片翹曲度量測結果 61
-
dc.language.isozh_TW-
dc.title鑽石線鋸碳化矽方法之研究zh_TW
dc.titleStudy on the methods of diamond wire sawing silicon carbideen
dc.typeThesis-
dc.date.schoolyear110-2-
dc.description.degree碩士-
dc.contributor.oralexamcommittee趙崇禮;李貫銘;白陽亮zh_TW
dc.contributor.oralexamcommitteeChoung-Lii Chao;Kuan-Ming Li;Yang-Liang Baien
dc.subject.keyword鑽石線鋸加工,單晶碳化矽,超音波輔助加工,電化學輔助加工,zh_TW
dc.subject.keywordDiamond wire saw,Single crystalline silicon carbide,Ultrasonic machining,Electrochemical machining,en
dc.relation.page73-
dc.identifier.doi10.6342/NTU202203754-
dc.rights.note同意授權(限校園內公開)-
dc.date.accepted2022-09-25-
dc.contributor.author-college工學院-
dc.contributor.author-dept機械工程學系-
顯示於系所單位:機械工程學系

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