開(kāi)題報(bào)告-藍(lán)寶石切割機(jī)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告PAGE51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(guó)防、科研以及GaN晶片LED襯底領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于藍(lán)寶石晶片的加工精度以及表面質(zhì)量要求越來(lái)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(dòng)切割漸漸取代了手工切割，藍(lán)寶石切割機(jī)能自動(dòng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較手動(dòng)切割機(jī)高。本文簡(jiǎn)要的概述了藍(lán)寶石切割機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)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(guó)防、科研以及GaN晶片LED襯底領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于藍(lán)寶石晶片的加工精度以及表面質(zhì)量要求越來(lái)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀80年代初期，國(guó)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(guò)適當(dāng)?shù)闹瞥虆?shù)設(shè)計(jì)，利用一個(gè)拋光平臺(tái)，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(méi)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(shí)驗(yàn)中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤(pán)當(dāng)研磨盤(pán)，首次觀察到藍(lán)寶石的殘余表面粗糙度為1nm，對(duì)于使用SiO2當(dāng)磨粒而言，因?yàn)槠溆捕缺人{(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(shí)驗(yàn)結(jié)果卻說(shuō)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(duì)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(guò)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(lái)自拋光過(guò)程摩擦產(chǎn)生的熱是化學(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(pán)對(duì)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(shí)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(guó)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(guó)、日本、德國(guó)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(guó)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L(zhǎng)ED最重要的襯底材料之一，國(guó)內(nèi)需求量處于日益增長(zhǎng)。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(guó)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(guó)外，我國(guó)的起步比較晚，20世紀(jì)80年代才正式開(kāi)始對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，北京市光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室李冰、郭霞等人研究了利用碳化硼作為磨料對(duì)藍(lán)寶石基片外延片減薄加工過(guò)程中，比較了在不同的氮化硼磨料粒度對(duì)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(pán)轉(zhuǎn)速和研磨壓力的關(guān)系，通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)程中，即使藍(lán)寶石與磨料在高速接觸過(guò)的界面接觸點(diǎn)的時(shí)間非常短，也能發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成10數(shù)量級(jí)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(guò)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(duì)藍(lán)寶石晶片化學(xué)機(jī)械拋光液進(jìn)行了研制并對(duì)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(diǎn)發(fā)生固相化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶層；磨料通過(guò)機(jī)械接觸把結(jié)晶層去除。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(méi)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(guó)內(nèi)外對(duì)藍(lán)寶石的幾種加工方法可以看出，對(duì)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(shí)晶體表面也存在一定的缺陷，影響晶體的應(yīng)用，因此開(kāi)展對(duì)藍(lán)寶石CMP加工的研究，探索藍(lán)寶石晶體的加工方法對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用也很重要。[1]2研究的基本內(nèi)容對(duì)藍(lán)寶石切割機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)裝備圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)切割機(jī)夾具快速定心進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)切削液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dòng)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(tái)上，利用夾具將其夾緊，用帶鋸進(jìn)行切割，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)控制帶鋸的走到路徑，不停地用切削液對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行沖刷，將切割時(shí)產(chǎn)生的寶石粉末沖掉，從工作臺(tái)的孔中流入沉淀池，對(duì)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(duì)寶石粉末進(jìn)行回收利用夾緊部分：利用夾具對(duì)工件進(jìn)行緊固，使工件在切割時(shí)不會(huì)發(fā)生偏移。驅(qū)動(dòng)部分：用一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)為帶鋸提供動(dòng)力，使鋸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行部分：用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來(lái)分別控制金剛石帶鋸的橫縱走向，來(lái)實(shí)行根據(jù)不同要求來(lái)完成不同的走刀路線。2.2研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)夾鋸現(xiàn)象的出現(xiàn)鋸切單晶硅表面缺陷切削液的循環(huán)與寶石粉末的回收2.3擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題所設(shè)計(jì)的藍(lán)寶石切割機(jī)使用帶鋸進(jìn)行切割；保證帶鋸行進(jìn)與路線切向一致；被切材料快速定心夾緊；切削液回收。3研究的方法及措施3.1文獻(xiàn)歸納法通過(guò)上網(wǎng)或在圖書(shū)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(shí)踐的需要，提出設(shè)計(jì)，利用科學(xué)儀器和設(shè)備，在自然條件下，通過(guò)有目的有步驟地操縱，根據(jù)觀察、記錄、測(cè)定與此相伴隨的現(xiàn)象的變化來(lái)確定條件與現(xiàn)象之間的因果關(guān)系。3.2實(shí)證分析法找到國(guó)內(nèi)外各類(lèi)藍(lán)寶石切割機(jī)，以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，分析各類(lèi)寶石切割機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納總結(jié)。4預(yù)期成果論文：10000字以上。藍(lán)寶石切割機(jī)的裝配圖。5研究工作進(jìn)度計(jì)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(jì)（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(jì)（5）2014.05.22～2014.06.01完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、準(zhǔn)備答辯參考文獻(xiàn)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張彬；藍(lán)寶石精密切割裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].黑龍江大學(xué).黑龍江2012蔡二輝,湯斌兵,周浪.

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